С. Панкратов
спеціальний кореспондент журналу «Наука і життя»
Для оцінки радіаційної небезпеки, якій піддається людина поблизу джерел іонізуючих випромінювань, існує великий набір дозиметричних приладів. Кожен з них служить для вимірювання цілком певної фізичної величини, а виміряти будь-яку величину - це означає встановити, скільки разів на ній міститься деяка елементарна порція, звана одиницею фізичної величини. Вибір такої одиниці, взагалі кажучи, довільний, і він закріплюється відповідним міжнародним договором. Які ж одиниці обрані для вимірювання властивостей іонізуючих випромінювань?
Основна фізична величина, яка характеризує радіоактивне джерело, це число відбуваються в ньому розпадів в одиницю часу. Така величина була названа активністю. Активність тієї чи іншої речовини, наприклад, радіоактивного ізотопу, визначається кількістю атомів, що розпадаються в одиницю часу (скажімо, за одну секунду), і, отже, число що випускаються речовиною радіоактивних частинок прямо пропорційно його активності.
В якості одиниці активності і Міжнародній системі одиниць СІ обраний бекерель (Бк, Bq). Активність в 1 Бк відповідає одному розпаду в секунду. Однак у практичній дозиметрії та радіаційної фізики частіше використовується інша одиниця - кюрі (позначається Кі, Ci). Кюрі в 37 мільярдів разів більше одного Беккереля (1 Кі = 3,7 1010 Бк), тобто відповідає 37 мільярдам радіоактивних розпадів у секунду. З чим пов'язаний такий, здавалося б, дивний і довільний вибір одиниці? Справа в тому, що саме таке число розпадів відбувається в одному грамі радію-226 - історично першого речовини, в якому були вивчені закони радіоактивного розпаду. Оскільки активність одного грама чистого радію близька до 1 Кі, то її часто виражають у грамах. У цьому (і тільки в цьому) випадку одиниця маси речовини має одиничної активністю.
Завдяки розпаду кількість радіоактивних атомів в початковій масі речовини зменшується з плином часу. Відповідно знижується, і активність. Це зменшення активності підпорядковується експоненціальним законом:
Ct = C0 exp (- [0,693 / T] t)
який називається законом радіоактивного розпаду. Тут Ct - активність речовини після часу t, С0 - активність в початковий момент. Як видно з формули, яка описує розпад, величина T служить найважливішою характеристикою радіоактивності - вона показує той час, після закінчення якого активність речовини (або число радіоактивних атомів) зменшується удвічі. Цей час T називається періодом напіврозпаду.
У різних радіоактивних речовин період напіврозпаду змінюється в дуже широких межах: від мільйонних часток секунди до декількох мільярдів років. Наприклад, період напіврозпаду урану-238 дорівнює 4,5 мільярда років, радіоактивного ізотопу йоду-131 - близько 8 днів, цезію-137 - тридцять років. При аваріях з ядерними установками останні два ізотопи здатні доставити найбільші неприємності. Обидва являють собою леткі продукти поділу, тому вони легко можуть потрапити в атмосферу і утворити аерозолі. Однак якщо йоду-131 через кілька місяців залишиться мізерно мало - він практично весь розпадеться, - то цезій-137 разом з іншими випали довгоживучими ізотопами ще зберігає здатність заражати місцевість. У що ж перетворюється радіоактивний йод у результаті розпаду? У інертний газ ксенон-131, який досить стійкий. За 100 днів вміст йоду-131 і відповідно його активність зменшаться в 212 = 4096 разів.
Під дією випромінювань, що випускаються радіоактивними ізотопами, в опромінюваному об'єкті накопичуються різні порушення. Прийнято вважати (хоча це сьогодні все частіше піддається сумніву), що зміни, що відбуваються в опромінюваному речовині, повністю визначаються поглинутою енергією радіоактивного випромінювання. Це положення, строго кажучи, не доведено, і його можна назвати енергетичним постулатом. У всякому разі, поглинена енергія випромінювання служить найзручнішою фізичною величиною, що характеризує дію радіації на організми.
І ось на VII Міжнародному конгресі радіологів, який відбувся в 1953 році в Копенгагені, в період найбільш гострого інтересу до атомної науки і техніки, енергію будь-якого виду випромінювання, поглинену в одному грамі речовини, було рекомендовано називати поглиненою дозою. В якості одиниці поглиненої дози був обраний радий (rad, за першими літерами англійського словосполучення «radiation absorbed dose», - поглинена доза випромінювання). Один радий відповідає такий поглиненої дози, при якій кількість енергії, яка виділяється в одному грамі будь-якої речовини, дорівнює 100 ерг незалежно від виду та енергії іонізуючого випромінювання. Таким чином,
1 рад = 100 ерг / г = 10-2 Дж / кг = 6,25 · 107 МеВ / г
для будь-якого матеріалу.
Поглинена доза, утворена в речовині в одиницю часу, називається потужністю поглиненої дози і вимірюється в одиницях рад / с, рад / хв, рад / год і т.д.
Радий, так само як і кюрі (1 Кі = 3,7 гігабеккерелей, ГБК), - це так звані позасистемні одиниці, і з точки зору ортодоксальних прихильників системи СІ на їх використання повинен бути накладена сувора заборона. Однак життєва практика виявилася сильнішою формальних приписів, і «незаконна» одиниця поглиненої дози - радий - використовується набагато частіше, ніж відповідна одиниця системи СІ - грей (позначається Гр, Gy). (Наприклад, у широко використовуваному ювілейному довіднику, присвяченому 50-річного американського інституту фізики, яке відзначалося в 1981 році, одиниця «грей» взагалі не згадується.) Співвідношення між одиницями поглиненої дози таке:
1 Гр = 1 Дж / кг = 100 рад.
Потужність поглиненої дози вимірюється в системі СІ в Гр / с, Гр / год і т.д.
Варто звернути увагу на ту обставину, що радий (або грей) - одиниця чисто фізичної величини. По суті, це енергетична одиниця, ніяк не враховує ті біологічні ефекти, які виробляє проникаюча радіація при взаємодії з речовиною. Однак те, що дійсно цікавить фахівців з дозиметрії та радіаційної фізики, - це зміни в організмі, що виникають при опроміненні людини. Виявилося, що тяжкість усіляких порушень сильно розрізняється залежно від типу випромінювання.
Іншими словами, знання поглиненої дози абсолютно недостатньо для оцінки радіаційної небезпеки. Більш того, виміряти поглинену дозу безпосередньо в живій тканині надзвичайно важко, і навіть якщо б вдалося виконати такі виміри, їх цінність була б невелика. Дійсно, відгук живого організму па опромінення визначається не стільки поглиненою дозою, скільки мікроскопічним - тобто на рівні окремих молекул - розподілом енергії по чутливих структурам живих клітин. Тому виникла необхідність ввести таку вимірну величину, яка враховувала б не тільки виділення енергії, а й біологічні наслідки опромінення.
З міркувань простоти і зручності біологічні ефекти, викликані будь-якими іонізуючими агентами, прийнято порівнювати з впливом па живий організм рентгенівського або гамма-випромінювання. Зручність тут полягає в тому, що для рентгенівського випромінювання задані дози і їх потужності порівняно просто виходять (наприклад, за допомогою каліброваних рентгенівських джерел), добре відтворюються і надійно вимірюються. Всі ці процедури стають помітно складніше для інших типів випромінювань. Щоб можна було порівнювати вплив останніх з біологічними ефектами від рентгенівського і гамма-випромінювання, вводиться так звана еквівалентна доза, яка визначається як добуток поглиненої дози на певний коефіцієнт, що залежить від виду випромінювання.
Цей коефіцієнт, званий «чинником якості» Q, приблизно дорівнює одиниці для гамма-променів і протонів високої енергії; для теплових нейтронів Q ≈ 3, а для швидких нейтронів значення Q досягає десяти. При опроміненні α-частинками і важкими іонами Q ≈ 20, а це означає, що навіть відносно малі поглинені дози можуть викликати серйозні біологічні наслідки. Еквівалентна доза вимірюється в берах (бер - біологічний еквівалент рентгена). Іноді вживається також назва «рем» (від англійської абревіатури rem - roentgen equivalent for man, еквівалент рентгена для людини). Коефіцієнт якості випромінювання Q встановлюється на основі радіобіологічних експериментів і приводиться в спеціальних таблицях. Для рентгенівського випромінювання (Q = 1) один радий поглиненої дози відповідає одному беру.
Рис. 1. Радіоактивний розпад
При радіоактивному розпаді число нестабільних ядер зменшується з плином часу дуже швидко - експоненціально. Тривалість життя розпадається речовини характеризують часом, після закінчення якого кількість активних атомів в речовині в середньому зменшується вдвічі. Цей проміжок часу Т називається періодом напіврозпаду. Якщо, наприклад, в матеріалі, що зазначає радіоактивне перетворення, спочатку було N0 ядер, то через певний час Т їх стане 1 / 2 N0, через 2Т - 1 / 4 N0, через 3Т - вже 1 / 8 N0, і так далі. Число радіоактивних ядер буде «вигоряти» в геометричній прогресії з показником, рівним двійці. Періоди напіврозпаду для різних радіоактивних речовин змінюються від мільярдів років до мільйонних часток секунди і добре піддаються обчисленню за допомогою квантової механіки.
У принципі особливої необхідності в спеціальній одиниці еквівалентної дози немає, вона може вимірюватися в тих же одиницях, що і поглинена доза, оскільки коефіцієнт Q - безрозмірний. Тим не менш, з огляду на важливість проблеми біологічної дії іонізуючих випромінювань, у радіаційній фізиці і при розрахунку захисту від ядерних випромінювань стали використовувати одиницю еквівалентної дози. У системі СІ ця одиниця встановлена зовсім недавно і називається зіверт (позначається Зв, Sv). Еквівалентна доза в 4 ... 5 зіверт (приблизно 400 ... 500 бер), отримана за короткий час, викликає важке променеве ураження і може призвести до смертельного результату. Гранично допустима доза (ПДР) для персоналу, що працює з радіоактивними речовинами, встановлена в 5 бер / рік (або приблизно 100 мбер / тиждень).
При цьому мається на увазі опромінення всього тіла, як кажуть, тотальне опромінення. Для населення встановлена межа дози за рік у десять разів менший - 500 мбер / рік.
Як же дізнатися, яку дозу радіації отримує людина, що знаходиться поблизу радіоактивного джерела? У тому-то й полягає зрадницька особливість ядерних випромінювань, що з точки зору людини, що попадає в небезпечну зону, вони ніяк себе не проявляють. Людські органи чуття, що сформувалися як інструмент виживання, зовсім не пристосовані до сприйняття проникаючої радіації, і в цьому її істотна відмінність, трагічна виділеної по порівнянні з іншими природними впливами. Адже навіть невеликі з точки зору фізики зміни світлового потоку, температури повітря або механічного тиску викликають досить бурхливу реакцію людського організму.
По відношенню до цих змін у навколишньому середовищі природа з самого початку була поставлена в жорсткі умови - життя обривалася, якщо природні впливу виходили за допустимі межі. Гострота сприйняття допомагає людині орієнтуватися в обстановці і приймати необхідні заходи обережності. Скажімо, зір, яке протягом багатьох поколінь служило майже єдиним способом виявити ворога, повинно було діяти і в сутінках, і навіть при світлі зірок, коли світлова енергія надходить лише рідкісними порціями. Зібрати і використовувати кожен фотон, щоб краще побачити насувається небезпека, було справою життя або смерті.
Рис. 2. Основні види ядерних перетворень, що призводять до випускання радіоактивних випромінювань
При альфа-розпаді з ядра вилітає порівняно важка альфа-частинки, яка являє собою ядро атома гелію. Енергія вилітає альфа-частинки з атомних масштабами досить висока - приблизно 5 ... 10 МеВ, тобто майже в мільйон разів більше енергії електрона в атомі. Тому альфа-частинки, проходячи через речовину, можуть виробляти в ньому рясні порушення внаслідок іонізації і збудження атомів. При бета-розпаді нейтрон всередині ядра мимоволі перетворюється в протон, і при цьому випускається електрон (або, навпаки, протон переходить в нейтрон з випусканням позитрона). Крім електрона і позитрона, при бета-розпаді виникають також нейтрино і антинейтрино, однак їх вплив на речовину мізерно. Утворилося в результаті радіоактивного розпаду ядро, як правило, сильно порушено, і вона звільняється від надлишкової енергії, випускаючи жорсткі гамма-кванти. Це гамма-випромінювання володіє великою проникаючою здатністю і може завдати чималу шкоду живому організму.
Якщо зір або нюх - згадаймо нюх собаки! - За своєю знаходжувальної здібності близькі до фізичних меж (які неможливо подолати ніякими технічними хитрощами), то при сприйнятті радіації людина перебуває майже на межі «тупості». Тому без спеціальних приладів ми не можемо судити ні про рівень радіації, ні навіть про її наявність чи відсутність, а отже, і про небезпеку, що загрожує нам небезпеки. У таких приладах використовуються ті ж самі радіаційні ефекти, які заподіюють нам шкоди, зокрема, іонізація частинок середовища. Іонізаційний метод реєстрації випромінювання став історично першим - він почав широко використовуватися в 20-х роках. У зв'язку з цим були зроблені спроби встановити такі одиниці вимірювання радіації, які дозволили б пов'язати іонізаційний ефект з біологічним, а також з поглинанням енергії випромінювання. У 1928 році в якості такої одиниці був прийнятий рентген (позначається Р, R).
Введення нової одиниці викликало багато суперечок. Перш за все виникло питання: рентген - одиниця чого? Який спостерігається фізичної величиною вона відповідає? Відповідь на це питання давався по-різному, однозначного тлумачення рентгена спочатку не було. Якийсь час рентген розглядали як кількість випромінювання, що характеризує поглинену з потоку радіації енергію в одиниці маси повітря. Така інтерпретація рентгена, взагалі кажучи, не відповідала його визначенням як міри іонізаційного ефекту. Адже поглинена енергія і число утворилися пар іонів - різні фізичні величини, тому використовувати рентген для оцінки поглиненої енергії виявилося незручним.
Проте відповідно до «енергетичним постулатом», фахівців з фізики захисту від випромінювань і радіобіологів цікавила в першу чергу поглинута в живій тканині енергія. Труднощі, що виникали при її підрахунку через одиницю «рентген», вимагали різних уточнень і застережень. Застосування рентгена для оцінки поглиненої енергії було незручно ще й тому, що ця одиниця була введена і відповідно метрологічно підтримувалася тільки для рентгенівського і гамма-випромінювань (та й то, строго кажучи, з певним спектром). Щоб порівнювати ефекти, вироблені в речовині корпускулярним випромінюванням, наприклад, електронами або нейтронами, доводилося вводити поправочні коефіцієнти для кожного типу середовища - повітря, м'язової тканини, кістки і т.д. Такі коефіцієнти називалися еквівалентами рентгена. Одним словом, пряме використання рентгена, що розуміється як одиниця поглиненої енергії, створювало в радіаційній фізиці багато незручностей.
Рис. 3. Шар «половинного ослаблення» для жорсткого гама-випромінювання
Так у фізиці захисту від випромінювань називають товщину того чи іншого матеріалу, після проходження якого інтенсивність гама-випромінювання зменшується наполовину. Повного поглинання гамма-випромінювання (з енергією нижче 10 МеВ) у речовині не відбувається, однак інтенсивність потоку гамма-квантів послаблюється за експоненціальним законом, в точності таким же, як закон радіоактивного розпаду. При цьому роль періоду напіврозпаду грає шар половинного ослаблення. Для жорсткого гамма-випромінювання з енергією квантів 1 МеВ товщина цього шару становить 5 см бетону, 3 см стали або 1 см свинцю. Якщо необхідно зменшити інтенсивність небезпечного гамма-випромінювання в мільйон разів, то буде потрібно свинцевий екран товщиною 20 см або бетонна стінка метрової товщини (220 приблизно дорівнює 106). 10 см свинцю послаблюють жорстке випромінювання в тисячу разів. Для порівняння: альфа-випромінювання з енергією 1 МеВ практично повністю поглинається алюмінієвою фольгою товщиною 5 мікрон, а для поглинання бета-радіації з такою ж енергією досить 1,6 мм алюмінію.
У сучасній дозиметрії рентген розглядається не як одиниця, що характеризує поглинену енергію і тим самим безпосередньо пов'язана з біологічним ефектом, а тільки як одиниця, що визначає іонізуючу здатність рентгенівського і гамма-випромінювань в 1 см3 повітря. Фізична величина, якій відповідає одиниця «рентген», називається експозиційною дозою рентгенівського і гамма-випромінювань. Експозиційна доза визначається за іонізації повітря - як відношення сумарного заряду всіх іонів одного знака, створених у повітряному обсязі іонізуючим агентом, до маси повітря в цьому обсязі. У системі СІ одиницею експозиційної дози служить Кл / кг (кулон, поділений на кілограм). Експозиційна доза в 1 Кл / кг означає, що сумарний заряд усіх іонів одного знака (наприклад, позитивних), які виникли під дією випромінювання в 1 кг повітря, дорівнює одному кулон.
З точки зору переконаних прихильників системи СІ, рентген - застаріла і як би «незаконна», позасистемна одиниця. Один рентген - це така експозиційна доза рентгенівського або гамма-випромінювання, при якій в 1 см3 атмосферного повітря при температурі 0 ° C і тиску 760 мм ртутного стовпа виникають іони, що несуть позитивний або негативний заряд в одну електростатичну одиницю (1 CGSE). Оскільки заряд електрона дорівнює 4,8 10-10 електростатичних одиниць, то число утворилися пар іонів, як неважко підрахувати, дорівнюватиме для експозиційної дози в 1 рентген 208 мільярдам на 0,001293 г повітря (така маса одного кубічного сантиметра). На освіту однієї пари іонів в повітрі в середньому витрачається енергія, яка дорівнює 34 електрон-вольт (еВ), отже, при експозиційній дозі в 1 рентген в 1 см3 повітря поглинається близько 0,114 ерг або, в перерахунку на один грам повітря, 88 ерг / р. Таким чином, 88 ерг / г - це енергетичний еквівалент рентгена для повітря.
Хоча однозначний зв'язок між поглинутою дозою радіації та експозиційної дозою, виміряної в рентгенах, можна встановити лише приблизно (з точністю до флуктуації), практичне зручність одиниці «рентген» безперечно, так як іонізацію у повітрі можна легко виміряти за допомогою іонізаційної камери. За результатами таких вимірів ми можемо судити про поглиненої енергії в біологічній тканині.