Полезные заметки/Радиоактивность и радиация

Радиация (в переводе с латинского — излучение) — общий термин для различных видов излучения, могущих иметь как корпускулярно-волновую (то есть, ту же, что и обычный свет), так и чисто корпускулярную (поток частиц, у которых теоретически есть некая волновая функция, но прежде всего это частицы) природу. Все эти виды излучения объединяет способность ионизировать (т. е. выбивать электроны из атомов) или взаимодействовать с атомными ядрами. Радиоактивность — способность химических элементов самопроизвольно распадаться и излучать радиацию, один из видов ядерной реакции. Радиоактивные вещества являются наиболее известным, но не единственным источником радиации.

Виды радиации

Широко известные

• Альфа-радиация: представляет собой поток ионов He²⁺ (оголённых ядер гелия), также называемых альфа-частицами. Проникающей способностью практически не обладает: легко останавливается воздухом и алюминиевой фольгой. Опасность для человека представляет только в том случае, если он съест что-нибудь альфа-радиоактивное, но вот тогда человеку придётся худо: альфа-частицы тяжёлые и способны нанести немалую разруху. Альфа-радиоактивность широко распространена среди изотопов самых разных элементов.
• Бета-радиация: поток электронов (электроны радиоактивного происхождения также называются бета-частицами). Обладает средней проникающей способностью, полностью останавливается любой специальной преградой для радиации. Опасность для человека представляет, если он незащищён. Поглощать бета-радиацию и преобразовать её в безвредный свет могут специальные люминофоры: на этом основана технология т. н. тритиевой подсветки (тритий, то есть бета-активный изотоп водорода, помещается в колбочку, смазанную изнутри люминофором, которая светится). Бета-радиоактивность также широко распространена среди различных изотопов: практически все радиоактивные изотопы делятся на испускающие альфа-частицы и бета-частицы.
• Гамма-радиация: поток очень высокоэнергетических фотонов. Имеет ту же природу, что и обычный свет, но очень малую длину волны, очень высокую частоту и энергию. Это самая стереотипная радиация: большинство из известных народу штампов про радиацию относится именно к гамме. Это от неё прячутся в ямах и подвалах в случае ядерной войны, это от неё спасаются слоями свинца. Обладает высокой проникающей способностью. Гамма-лучи различной интенсивности испускают многие радиоактивные изотопы вдобавок к альфе или бете; чисто гамма-активными изотопы не бывают. .
  • Рентгеновские лучи: то же, что и гамма, но труба пониже и дым пожиже. Те же фотоны, только несколько менее энергичные. Рентгеновские лучи не порождаются изотопами: для их получения используются специальные приборы — трубки. Но они обладают большинством свойств гамма-излучения. Именно поэтому врачи-рентгенологи нахватываются рентген, а на пациентов надевают свинцовые фартуки.
  • Ещё пониже и пожиже дальний ультрафиолет, граничащий с рентгеном и в норме задерживаемый озоновым слоем. Уже не радиация, но может вызывать ожоги и рак кожи. А вот ближний ультрафиолет, пропускаемый озоновым слоем и близкий к обычному свету, уже практически не опасен, если, конечно, у тебя не «синдром вампира» (альбиносам и представителям кельтского типа, чья кожа физически не способна загореть в дневное время, тоже нудизмом лучше не заниматься).

Более экзотические

• Протонная радиация: поток протонов, или оголённых ядер водорода, или ионов H⁺. Довольно редко встречается в природе, по свойствам — среднее между альфой и бетой, более ничем не примечательна.
• Кластерная радиация: поток ядер тяжелее, чем гелиевые. Очень редкий вид, в основном безвреден. Почему безвреден? Потому, что это как альфа, только ещё толще и неповоротливее. Кластерные частицы, скорее всего, вообще не сумеют вылететь за пределы куска изотопа, а те, что вылетят — будут остановлены воздухом и недобрым взглядом физика-ядерщика. Однако кластерная радиоактивность всегда встречается одновременно с каким-то другим видом радиоактивности.
• Нейтронная радиация: поток нейтронов — пожалуй, самый опасный для всего живого вид радиации. Опасна она своим уникальным свойством наводить радиоактивность: всё, облучённое нейтронами, само становится радиоактивным Вдобавок обладает высокой проникающей способностью, и свинец не спасает: для защиты от нейтронов нужны, наоборот, толстые слои чего-нибудь мелкоатомного, типа воды или органики. При обычном радиоактивном распаде нейтронная радиация не выделяется: чтобы её получить, нужды ядерные реакции деления, синтеза или специальные «бутерброды» из изотопов.
• Нейтрино: несмотря на похожее название с предыдущим видом, это его полная противоположность — поток маленьких, пофигистичных частиц под названием нейтрино. Нейтринное излучение не обладает абсолютно никаким вредным воздействием. Никак не поглощается, никак не действует на живое или неживое, и, чтобы его обнаружить, нужны специальные громоздкие детекторы. Поэтому обычно нейтринное излучение радиацией не считается (так как не порождает ионов и не влияет на ядра), несмотря на то, что всегда сопутствует бета-активности.
  • Бывает и чисто нейтринный радиоактивный распад — так называемый К-захват, когда ядро «съедает» электрон из внутренней оболочки. При этом, кроме нейтрино, никаких других частиц не излучается. Пример изотопа, который излучает только нейтрино и ничего больше — технеций-97. У металла технеция нет стабильных изотопов, но есть этот, девяносто седьмой, «считай, что не радиоактивный» — период полураспада весьма и весьма высок, и никаких опасных частиц не излучается.
• Античастицы (позитроны aka бета-плюс, антипротоны). При радиоактивном распаде образуются довольно редко. Во всём подобны соответствующим частицам, кроме двух дополнительных свойств: во-первых, имеют противоположный электрический заряд, во-вторых, способны аннигилировать с соответствующими частицами и превращаться в довольно жёсткое гамма-излучение.

Что НЕ ЯВЛЯЕТСЯ радиацией?

• Микроволны и радиоволны. Невежественными людьми причисляются к лику радиации, отчего и можно порой услышать истерические возгласы о радиоактивности микроволновых печей или сотовых телефонов. На самом деле что те, что другие — суть фотоны с ещё более низкой энергией, чем видимый свет, они не могут ни ионизировать, ни участвовать в ядерных реакциях. Микроволны находятся посерёдке между инфракрасным, то есть тепловым, излучением, и радиоволнами, именно потому они так хороши для нагрева. Да и мощная военная РЛС тоже способна зажарить испечь не соблюдающего технику безопасности, однако делает это настолько медленно, что обычно все последствия для стоявшего слишком близко к мощной антенне ограничиваются «печёными яйцами», которые через некоторое несколько месяцев приходят в норму (правда, не всегда: например, могут испечься глаза). Впрочем, случаи, когда летящие птицы внезапно массово упали замертво, объясняют тем, что чересчур переборщили, подав избыточно большую мощность на радар раннего предупреждения об атаке баллистическими ракетами (рядом с такими радарами на много километров вокруг нет ни одного гражданского, потому что это стратегический, строго охраняемый объект, располагаемый в глуши и в отдалении от населённых пунктов).

Как радиация получается

• От радиоактивных элементов или изотопов. Самое известное её происхождение. Суть в том, что лишь ограниченное число конфигураций протонов и нейтронов в атомных ядрах стабильно. Все остальные неустойчивы и самопроизвольно распадаются, порождая радиацию. Это и называется радиоактивностью.
  • Радиоактивный распад элементов имеет не постоянную, а экспоненциальную интенсивность: чем больше атомов элемента, тем быстрее он распадается, а чем меньше, тем медленнее. Поэтому не говорят о периоде полного распада какого-то элемента, а говорят о периоде полураспада. То есть о периоде, за который от исходного количества атомов остаётся ровно половина. Если подождать ещё один период полураспада, то от оставшейся половины тоже останется половина, то есть четверть от исходного. После трёх периодов полураспада — одна восьмая. Чем меньше период полураспада, тем интенсивнее излучаемая радиация.
    • Поправка. Радиоактивный распад ядра — понятие вероятностное, а не линейное, период полураспада — это такой промежуток времени, что вероятность распадения каждого ядра за него составляет 50%. По прошествии этого периода «ровно половина» ядер останется нераспавшейся с такими же шансами, с какими из груды подброшенных монет ровно половина выпадет орлом. Однако с точки зрения макромира можно утверждать, что из большого количества радиоактивного вещества за период полураспада с высокой вероятностью радиоактивному распаду подвергнутся приблизительно 50% ядер.
• От ядерных взрывов и реакторов. Основной источник нейтронного излучения.
• Из космоса. В космосе летает огромное количество разнообразных частиц. Тут полный зоопарк: и протоны, и электроны, и позитроны, и всякая вконец экзотическая шушера типа мюонов или мезонов. Правда, гаммы довольно мало, а нейтронов, к счастью, практически нет, потому что в свободном виде нейтрон неустойчив, имеет период полураспада в 10 минут и космические расстояния преодолевать просто не успевает. Образуется вся эта музыка в звёздных ядерных реакциях. Два основных вида: солнечный ветер (то есть лучи добра от ближайшей звезды — довольно низкоэнергетические, но их много) и собственно космические (долетающие из дальнего космоса, их мало, но они очень быстрые и проникающие). У планет, обладающих магнитным полем, например, Земли и Юпитера, есть радиационные пояса, в которых за счёт этого самого поля улавливаются и концентрируются частицы. Радиация там значительно сильнее, чем во всём остальном космосе.
  • А вот возле ярко-голубых звёзд радиация сильнее и жёстче, как и в двойных системах с нейтронной звездой, особенно если на нейтронную звезду падает вещество. Нейтронные звезды также интересны вот чем: они настолько горячи, что их тепловое излучение доходит до рентгеновского диапазона. Также до рентгена и гаммы накаляется вещество, падающее в чёрные дыры.

Что от неё бывает

Если кратко — ничего хорошего. От радиации нельзя стать супергероем, суперзлодеем или существом, превращающим людей в супергероев с помощью укуса. Также от неё не вырастает щупалец, третьих ног и шестых пальцев. А что же от неё можно схватить?

• Лучевую болезнь. Её основные симптомы — это разрушение костного мозга, отравление радиотоксинами — продуктами расщепления тушки радиацией (обломками белков и жиров, раздолбанных частицами), расстройства пищеварения и нервной системы. Самое опасное в этом списке — первое: костный мозг является кроветворным органом, и при его разрушении производство новых кровяных клеток останавливается и кровь быстро превращается в водицу. Отчего и наступает смерть.
  • Спасти больного с убитым костным мозгом можно пересадкой донорского после добивания остатков пострадавшего костного мозга. Однако первые опыты кончились плохо — еще хуже, чем обычно кончается трансплантация без иммуносуппрессии. Большинство чужих органов локально отторгается иммунной системой. Костный мозг же в том числе производит саму иммунную систему: лимфоциты, поэтому чужой костный мозг захватывал контроль над всей иммунной системой больного и отторгал все тело. В конце концов процедуру отработали и научились бороться с этим иммуносуппрессией, но даже с ней летальность подобного лечения ниже 50 % не снизилась.
• Рак. Случайное и не гарантированное, но очень неприятное последствие облучения.
• Генные мутации и хромосомные аберрации. Вот они, добрались до самой мякотки. На самом облучённом человеке они в основном никак не проявляются (если проявляются, то всё тем же раком), зато встают в полный рост при рождении потомства. И в большинстве случаев приводят к тому, что ребёнок просто не рождается, а происходит выкидыш или мертворождение. Или рождается, но хронически больной.
  • Яички легко поражаются, но после поражения спустя время относительно восстанавливаются (разумеется, шансы на рождения дефектного ребёнка и после «восстановления» резко возрастают).

Почему так? Яички находятся вне тела и защищены только тонким слоем кожи. Так природа захотела, ибо спермогенез лучше протекает при температуре ниже температуры тела на градус. Поэтому так популярна шутка о просвинцованных трусах. При этом сам спермогенез — процесс постоянно обновляющийся: в процессе митоза все новые и новые клетки делятся напополам и образуют сперматозоиды. Миллионами. И если яички не были поражены фатально, т. е. до полной неспособности производить сперматозоиды, то шансы произвести здоровое потомство ненамного ниже среднего.

• • Яичники трудно поражаются, но если уж поражены — значит, отхватили дозу, от которой не восстановиться. Почему так? Женщина уже рождается с полным набором яйцеклеток. В дальнейшем часть из них будет понемногу созревать и каждый месяц покидать организм по нескольку штук за раз, а часть просто отомрёт, не достигнув созревания. Яичники спрятаны глубоко внутри тела и хорошо защищены — плюс. Минус в том, что клетки тела сами по себе не защита от тяжёлых частиц, и если яйцеклетка разрушится, то новой взять негде, а если под бомбёжку радиацией попал весь орган целиком — то он пострадает невосстановимо.

В чём измеряется облучение?

Есть единицы для измерения экспозиционной, поглощённой дозы и эквивалентной дозы. Разница между ними заключается в способе измерения, вкратце так: эквивалентная доза измеряется по последствиям для организма, которые сравниваются с последствиями от некой эталонной дозы облучения. Поглощённая доза измеряется по замерам энергии излучения и массы вещества, которое его поглотило. Экспозиционная — по подсчёту ионов в сухом воздухе. Какие единицы чему соответствуют?

Рентген — единица экспозиционной дозы. В эквивалентной дозе рентгену соответствует бэр, в поглощённой дозе — рад. Для обывателя рентген, бэр и рад — примерно одно и то же. Зиверт — единица эквивалентной дозы. В поглощённой дозе зиверту соответствует грэй. Для обывателя между зивертом и грэем также разницы особой нет.

1 Зв = 100 бэр. 1 Гр = 100 рад.

В общем, вторые две единицы в сто раз больше первых трёх.

Какая доза чем грозит? Вот несколько примерных доз и их последствия:

• 5 рентген: предельно допустимая «безвредная» доза в год для людей, работающих с радиацией или рентгеновскими аппаратами.
• 25 рентген: предельно допустимая доза, которую можно однократно схватить как «оправданный риск» в особых обстоятельствах. Может вызвать лёгкую лучевую болезнь.
• 100 рентген: начало тяжёлой лучевой болезни, поражение костного мозга.
• 300—500 рентген: примерно каждого второго, схватившего такую дозу, спасти не удаётся. Основной фактор смертности — выход из строя костного мозга, болеть месяц-другой.
• 1000 рентген: гарантированная смерть, медленная и довольно мучительная. Основной фактор смертности — пищеварительные расстройства и отравление радиотоксинами, умирать около недели.
• 10000 рентген: достаточно быстрая смерть от выхода из строя нервной системы, лежать без сознания не больше суток. Если добавить ещё пару-тройку тысяч рентген, будет так называемая «смерть под лучом» — практически мгновенный комплексный отказ всех систем организма, смерть в течение считанных минут, а то и секунд.
• 100000 рентген: похоронят в свинцовом гробу.
• 1000000 рентген: на могиле вместо цветов вырастут гигантские грибы.
• 10000000 рентген: на фотографиях покойного выпадут все волосы.

Пациенту, схватившему от 500 до 1000 рентген, плохо становится далеко не сразу. Он может ещё около недельки гулять, веселиться, радоваться, что его досрочно демобилизовали. А уже на вторую-третью недельку начинают проявляться последствия отказа костного мозга, и пациент начинает умирать от малокровия.

Был однажды случай, когда самоубийца, работавший в секретном пронумерованном институте, оставил записку «Прощай, жестокий мир», и пустил себе по вене соль радия. Самоубийца не знал матчасти и пустил себе по вене такую дозу, чтобы умереть очень медленно и мучительно. Где-то чуть больше года этого покемона держали в больнице, радуясь уникальному случаю исследовать последствия тяжелого радиационного отравления. Ему постоянно переливали кровь, чтобы компенсировать последствия выхода из строя костного мозга. В конце концов подопытный умер от раков. Именно так. Во множественном числе. В его теле выросло сразу четыре рака, соревновавшихся, кто быстрее угандошит несчастного самоубийцу.

Однако бывает и так, что даже запредельные дозы излучения оставляют человека в живых. Советский физик Анатолий Бугорский однажды в 1978 году, разбираясь с неполадками ускорителя У-70, заглянул внутрь синхротрона. Из-за сбоя защитного механизма пучок протонов прошил ему голову насквозь. Сам учёный ощутил лишь яркую вспышку без болезненных ощущений. Как выяснилось позже, полученная Бугорским доза составила от 200 до 300 тысяч рентген, что во много раз превышает смертельный порог. Однако физик остался жив, хотя и не без последствий для здоровья: он полностью оглох на левое ухо, стал страдать приступами эпилепсии. Тем не менее, он полностью сохранил интеллект и большую часть работоспособности, много лет работал на всё том же ускорителе, по состоянию на 2019 год — жив и до сих пор работает всё в том же ИФВЭ (Институте физики высоких энергий), правда, уже на чисто бумажной работе. Считается, что Бугорский выжил потому, что поток частиц был очень узко сфокусирован: те клетки мозга, сквозь которые прошёл протонный луч, мгновенно погибли — но за пределами этого «коридора смерти» остальной организм не пострадал.

Чем измеряется облучение

Наиболее известный прибор — дозиметр; он предназначен для измерения полученной человеком эквивалентной дозы, и проградуирован в зивертах или бэрах (устаревшие модели могут быть проградуированы в рентгенах). Дозиметров существует много и разных, в нашей стране широко известны маленькие дозиметры в виде ручки.

Более сложный прибор — дозиметр-радиометр, у него есть и ещё один режим — замерять активность образца в распадах в минуту или секунду.

Счётчик Гейгера — простой и давно известный детектор радиации, один щелчок которого — это пролёт через камеру счётчика одной частицы. Когда он делает вот так: тик-так! тик-так! — это значит, что пора уносить ноги и глотать антирадин на всякий случай. Некоторые современные дозиметры представляют собой улучшенные счётчики Гейгера с прикрученной к ним электроникой для перевода попугаев в зиверты.

Плёночный значок — по принципу действия похож на старинную фотопластинку, но покрыт менее чувствительными солями, которым пофиг на свет. А на радиацию не пофиг, от неё они чернеют. Если значок из белого стал чёрным, значит, носитель значка схватил опасную дозу и ему пора лечиться.

Для желающих поглубже погрузиться в тему дозиметрии у нас на проекте есть отдельная статья.

Таблетки от радиации?

Всем, игравшим в Fallout, знакомы Рад-Х и Рад-Эвей (Антирадин), первый повышает устойчивость к радиации, а второй выводит ее из организма. А фанаты Сталкера непременно припомнят водку «Казаки» со свойствами, аналогичными Рад-Эвею. Существуют ли такие препараты в реальности? Да, существуют.

• Радиопротекторы — да, Рад-Х совершенно реален. Приняв шесть таблеток цистамина (найти его можно, например, в старых советских оранжевых аптечках ГО), можно повысить свою устойчивость к радиации в полтора-два раза, а более современный препарат индралин (он же Б-190) еще более эффективен. Принцип действия этих препаратов в том, что они являются сильными восстановителями, которые немедленно восстанавливают порождаемые радиацией свободные радикалы до безопасных нейтральных молекул.
• Препараты против радионуклидов. Если радиопротекторы защищают от проникающей радиации, то эти лекарства не дадут прописаться в вашем организме случайно проглоченным или вдохнутым радиоизотопам и помогут их вывести. Самый известный из них — йодистый калий, который защищает от радиоактивного йода. Также известна берлинская лазурь, которая способствует выведению цезия-137.
• ДНК-активные препараты. Экспериментальные лекарства, ни одно из которых пока не вышло на стадию производства, но испытания очень обнадеживают. Эти препараты, самые известные из которых DBIBB и Ex-Rad, ликвидируют повреждения ДНК, нанесенные проникающей радиацией. По сути, это самый настоящий Рад-Эвей, который можно принять после облучения и забыть о нем навсегда.
• А что же спиртное? Эффект от него есть, но небольшой. Сам по себе этиловый спирт после попадания в организм превращается в уксусный альдегид — сильный восстановитель, который действует как радиопротектор. Проблема в том, что уксусный альдегид — еще и яд, являющийся главной причиной тяжелого похмелья, так что вред для организма тут превосходит пользу. В красном вине содержатся менее опасные натуральные радиопротекторы, например, ресвератрол и кверцетин. Но, опять же, эффективность сильно ниже, чем у цистамина. Выведению специфических радионуклидов ни водка, ни вино не способствуют — разве что стимулируют общий выделительный процесс, чем в принципе могут помочь. В целом — спиртное как радиопротектор неэффективно, и польза от него ненамного превышает вред.

Известные радиоактивные элементы и изотопы

• Уран. Два распространённых изотопа: уран-235 и уран-238. Оба они альфа-радиоактивны. Разница между ними заключается в способности вступать в реакции деления: первый умеет и любит, а второй умеет, но очень не любит. Поэтому для атомных бомб и реакторов используется только уран-235. Вообще уран — довольно слаборадиоактивный элемент, особенно чистый 238-й (так называемый обеднённый уран), который можно хранить дома в обычном деревянном ящике и нимало от этого не страдать (автор этой статьи держала в руках слиточек обеднённого урана, который знакомые её матери хранили у себя в серванте как сувенир). Правда, он очень горюч, и токсичен.
• Радий. Один распространённый изотоп: радий-226. Весьма сильно радиоактивен (период полураспада 1600 лет), но делительными свойствами не обладает. Поэтому радий ценился в начале XX века, когда радиоактивность ещё только-только изучалась, а о делении никто понятия не имел. Испускает альфу и гамму.
• Плутоний. Два распространённых изотопа: плутоний-239 и 240. Получается искусственно из урана-238 путём облучения его нейтронами. Оба изотопа умеют и любят делиться, но практичен в этом отношении только 239-й, из которого делают атомные бомбы. 240-й считается вредной примесью. Сильно радиоактивный элемент, хотя и не настолько, насколько радий (период полураспада 239-го порядка 10 000 лет). Альфа- и гамма-активен, в результате распада превращается обратно в уран. Также известен плутоний-238, который является достаточно редким изотопом, но полезен своим свойством разогреваться под воздействием собственной радиоактивности (из-за чего используется в радиоизотопных термоэлектрогенераторах).
• Тритий. Радиоактивный изотоп водорода, водород-3. Бета-активен, немного тяжелее обычного водорода, а в остальном такой же — бесцветный горючий лёгкий газ. В результате распада превращается в гелий, период полураспада 12 лет. Весьма и весьма радиоактивен, но испускает чистую бету, никакой гаммы, поэтому защититься от него легко — если только он не попадает в организм.
• Радон. Тоже радиоактивный газ, но на этот раз тяжёлый и инертный (относится к группе благородных газов). Один распространённый изотоп, радон-222, зашибенно радиоактивен (период полураспада всего 4 суток), испускает альфа-частицу.
• Полоний. Полуметалл, в недавние годы получивший известность как самый страшный яд. Речь идёт об изотопе полонии-210, испускающем чистую альфу, без гаммы, зато со страшной силой (период полураспада 138 дней). При попадании в организм наносит ужасную разруху.
• Стронций-90, йод-131 и цезий-137. Наиболее опасные осколки от деления урана и плутония, образуются при ядерном взрыве, содержатся в радиоактивных отходах. Йод-131 среди них один из самых опасных — помимо обычных последствий попадания радионуклидов, бьёт прицельно по щитовидке, в лучшем случае вызывая её полное рассасывание и обрекая подопытного на пожизненный гипотиреоз и кретинизм, но защититься от него легко — надо лишь принимать внутрь обычный йод в соединениях. В идеале — йодистый калий, но сойдёт и синий йодокрахмал. Внимание выживальщикам: пить чистый медицинский йод — нельзя! Это йад! Сделайте хотя бы синий йодокрахмал, смешав йод с мукой или хлебом.
• Кобальт-60. Известен как основное действующее вещество оружия Судного дня — кобальтовой бомбы. Эта так называемая «солёная» бомба заражает огромные территории сильными радиоактивными осадками. Из страха перед последствиями эту бомбу так никто и не сконструировал.
• Сверхтяжёлые металлы. Элементы с атомными номерами от 104 и выше. Самые радиоактивные элементы во Вселенной, периоды полураспада — от минут до миллисекунд (хотя астат и франций могут посоперничать). Поэтому их можно назвать «виртуальными» элементами — если они есть, то их сразу нет. Но существует теория так называемого «острова стабильности», согласно которой, у некоторых из этих металлов могут быть изотопы, существующие продолжительное время. Элериум-115 — один из них.