Альфа излучение представляет собой поток


Что же такое радиация? Так называют различные виды ионизирующего излучения, то есть того, которое способно отрывать электроны от атомов вещества. Три основных вида ионизирующего излучения принято обозначать греческими буквами альфа, бета и гамма. Альфа-излучение — это поток ядер гелия-4 (практически весь гелий из воздушных шариков когда-то был альфа-излучением), бета — поток быстрых электронов (реже позитронов), а гамма — поток фотонов высокой энергии. Еще один вид радиации — поток нейтронов. Ионизирующее излучение (за исключением рентгеновского) — результат ядерных реакций, поэтому ни мобильные телефоны, ни микроволновые печи не являются его источниками.

Заряженное оружие

Из всех видов искусства для нас важнейшим, как известно, является кино, а из видов радиации — гамма-излучение. Оно обладает очень высокой проникающей способностью, и теоретически никакая преграда не способна защитить от него полностью.


 постоянно подвергаемся гамма-облучению, оно приходит к нам сквозь толщу атмосферы из космоса, пробивается сквозь слой грунта и стены домов. Обратная сторона такой всепроникаемости — относительно слабое разрушающее действие: из большого количества фотонов лишь малая часть передаст свою энергию организму. Мягкое (низкоэнергетическое) гамма-излучение (и рентгеновское) в основном взаимодействует с веществом, выбивая из него электроны за счет фотоэффекта, жесткое — рассеивается на электронах, при этом фотон не поглощается и сохраняет заметную часть своей энергии, так что вероятность разрушения молекул в таком процессе значительно меньше.

Альфа излучение представляет собой поток

Бета-излучение по своему воздействию близко к гамма-излучению — оно тоже выбивает электроны из атомов. Но при внешнем облучении оно полностью поглощается кожей и ближайшими к коже тканями, не доходя до внутренних органов. Тем не менее это приводит к тому, что поток быстрых электронов передает облученным тканям значительную энергию, что может привести к лучевым ожогам или спровоцировать, например, катаракту.


Альфа-излучение несет значительную энергию и большой импульс, что позволяет ему выбивать электроны из атомов и даже сами атомы из молекул. Поэтому причиненные им «разрушения» значительно больше — считается, что, передав телу 1 Дж энергии, альфа-излучение нанесет такой же ущерб, как 20 Дж в случае гамма- или бета-излучения. К счастью, проникающая способность альфа-частиц чрезвычайно мала: они поглощаются самым верхним слоем кожи. Но при попадании внутрь организма альфа-активные изотопы крайне опасны: вспомните печально известный чай с альфа-активным полонием-210, которым был отравлен Александр Литвиненко.

Альфа излучение представляет собой поток

Нейтральная опасность

Но первое место в рейтинге опасности, несомненно, занимают быстрые нейтроны. Нейтрон не имеет электрического заряда и поэтому взаимодействует не с электронами, а с ядрами — только при «прямом попадании». Поток быстрых нейтронов может пройти через слой вещества в среднем от 2 до 10 см без взаимодействия с ним. Причем в случае тяжелых элементов, столкнувшись с ядром, нейтрон лишь отклоняется в сторону, почти не теряя энергии.


nbsp;при столкновении с ядром водорода (протоном) нейтрон передает ему примерно половину своей энергии, выбивая протон с его места. Именно этот быстрый протон (или, в меньшей степени, ядро другого легкого элемента) и вызывает ионизацию в веществе, действуя подобно альфа-излучению. В результате нейтронное излучение, подобно гамма-квантам, легко проникает внутрь организма, но там почти полностью поглощается, создавая быстрые протоны, вызывающие большие разрушения. Кроме того, нейтроны — это то самое излучение, которое вызывает наведенную радиоактивность в облучаемых веществах, то есть превращает стабильные изотопы в радиоактивные. Это крайне неприятный эффект: скажем, с транспортных средств после пребывания в очаге радиационной аварии альфа-, бета- и гамма-активную пыль можно смыть, а вот от нейтронной активации избавиться невозможно — излучает уже сам корпус (на этом, кстати, и был основан поражающий эффект нейтронной бомбы, активировавшей броню танков).

Источник: www.PopMech.ru

Альфа излучение представляет собой поток

В этой статье я вернусь к теме радиации, затронутой в своем посте о счетчике Гейгера.


… В конце восьмидесятых, начале девяностых годов люди часто ходили на рынок с дозиметром, выбирая с его помощью «чистые», как они думали, овощи и фрукты. Иногда и сейчас в тематических пабликах и форумах встречается вопрос: какой дозиметр купить, чтобы ходить на рынок за продуктами. И если в сообществе есть компетентные люди, они дадут правильный ответ: никакой. И объяснят, что дозиметром радиоактивность продуктов питания обнаруживается только при уровнях, многократно превышающих предельные, дозиметр не отличит безвредную активность калия-40 от эквивалентной по показаниям дозиметра, но убийственной при регулярном потреблении активности стронция-90, а альфа-активные и очень радиотоксичные плутоний с америцием и вовсе не увидит, а для оценки пригодности продукта к употреблению необходимо исследование в специальной лаборатории.
В настоящий момент я как раз в такой лаборатории работаю. Мы не занимаемся санитарно-гигиеническими измерениями. Наша задача – это исследование радиоактивности природной среды – в основном, морской воды, осадков. Нас интересует не факт превышения нормативов, а сами уровни содержания радионуклидов в природных объектах, формы, в которых они присутствуют, их распределение и миграция. К счастью, пока содержание радионуклидов в окружающей среде в большинстве случаев очень мало. И я хотел бы рассказать, как мы эти низкие уровни обнаруживаем, а заодно развеять некоторые расхожие мифы.

На КДПВ — Новая Земля, где я побывал в позапрошлом году в рамках экспедиции на научно-исследовательском судне «Мстислав Келдыш» в Арктику.


Альфа, бета, гамма, крибле, крабле, бумс

Уникальным свойством радиоактивного распада, как источника аналитического сигнала является то, что мы легко регистрируем единичный акт распада – то есть то, что произошло с одним атомом. Поэтому измерение радиоактивности часто превосходит по чувствительности любые другие аналитические методы. Только очень долгоживущие элементы – уран-238 и 235, торий, иногда нептуний – чувствительнее определять химически.

Как все, наверное, знают, при радиоактивном распаде излучаются альфа-частицы – ядра гелия-4, бета-частицы – электроны и иногда позитроны, гамма-кванты, и в редких случаях – нейтроны, «осколочные» ядра и протоны. Иногда, впрочем, бывает, что вроде бы не излучается ничего: наоборот, ядро захватывает электрон. Но и в этом случае не обходится без радиации: электронная оболочка атома, перестраиваясь, испускает характеристическое рентгеновское излучение.

Проще всего, если интересующий нас изотоп является гамма-излучателем. Гамма-излучение редко существует отдельно от всех прочих – только при переходе долгоживущих ядерных изомеров в основное состояние ядра. Как правило, оно возникает при альфа- и бета-распаде, из-за того, что после распада новому ядру нужно сбросить излишек энергии. За счет проникающей способности, гамма-излучение обычно легко покидает пределы очень толстого образца, что невозможно в случае альфа-излучения и не всегда возможно, когда речь идет о бете. А еще у гамма-излучения есть хорошая черта: его спектр линейчатый, и он однозначно идентифицирует испустивший его нуклид.


Увы, далеко не все радионуклиды – эффективные источники гамма-излучения. У кого-то гамма-квант излучается в 0,0001% всех распадов, у кого-то вовсе распад происходит сразу в основное состояние дочернего ядра и никакой гаммы от него не дождешься. Поэтому приходится смотреть еще и на альфа- и бета-излучения.

Еще со школы мы знаем, что альфа-излучение задерживается листком бумаги. Я скажу больше: оно задерживается парой сантиметров воздуха, а главное — оно задерживается самой пробой. И если мы попытаемся обнаружить альфа-излучение, поднеся к ней датчик снаружи, то в него попадут только альфа-частицы, испущенные самым верхним слоем вещества, толщиной в доли микрона или единицы микрон. Аналогичная проблема и с регистрацией бета-излучения. Если оно жесткое (как у стронция-90), оно способно преодолеть несколько миллиметров пробы. А бета-лучи трития еще меньше «пробивают», чем альфа-частицы, и не могут преодолеть никакое окно. Даже бета-частицы углерода-14 или никеля-63 с трудом проходят сквозь тонкую слюду счетчика Гейгера или светонепроницаемую фольгу, закрывающую сцинтилляционный детектор.
Потом я расскажу, что с этой непроницаемостью делают и как с ней справляются.

Но сначала — о гамма-спектрометрии

Про гамма-спектрометрию наверняка упомянут в любой дискуссии на тему «проверки грибов дозиметром». Это и понятно: метод в рамках решения задачи «определить цезий-137 на уровне ПДК» относительно прост аппаратурно (вплоть до домашних «наколенных» вариантов) и достаточно экспрессен (то есть дает быстрый результат).


Гамма-спектрометрия основана на том, что гамма-излучение, возникающее при радиоактивном распаде данного конкретного изотопа, представляет собой поток практически моноэнергетических гамма-квантов. То есть на спектре излучения мы видим узкую линию, либо несколько линий. И этот спектр — характеристический, по нему можно надежно идентифицировать радионуклид.

Если оптическое излучение или даже рентген можно разложить в спектр с помощью некоего диспергирующего элемента — призмы или дифракционной решетки (для рентгена в качестве последней служит кристаллическая решетка, например, графита), то единственный способ получить спектр гамма-излучения — это измерять энергию каждого из зарегистрированных его квантов. Способов такого измерения достаточно много, существуют, например, различные способы, при которых гамма-квант «конвертируется» в электрон с почти такой же энергией, а затем поток электронов раскладывают в спектр по энергиям в магнитном поле. Но такие методы бывают применимы в экспериментальной ядерной физике — но не в рутинных измерениях. Обычно для измерения энергии гамма-квантов служит какой-либо пропорциональный детектор ионизирующего излучения.

Счетчик Гейгера-Мюллера, например, таким детектором не является.


глотив квант гамма-излучения америция-241, он сформирует импульс, который ничем не будет отличаться от такого же импульса, который счетчик Гейгера выдаст в ответ на квант гамма-излучения кобальта-60, несмотря на то, что энергии этих двух квантов отличаются в 23 раза. А вот сцинтилляционный счетчик напротив, свойством пропорциональности обладает — интенсивность вспышки света, а значит, и амплитуда импульса на аноде фотоэлектронного умножителя определяется величиной поглощенной в кристалле энергии.

Сцинтилляционный гамма-спектрометр, таким образом, представляет просто сцинтилляционный детектор — кристалл сцинтиллятора, например, йодистого натрия, активированного таллием, к которому приставлен ФЭУ. Импульсы с ФЭУ подаются на особый прибор, называемый многоканальный анализатор (часто встречается англоязычная аббревиатура MCA). По сути, это АЦП, но с рядом специфических требований (в частности, предельно малая дифференциальная нелинейность, которая в обычных применениях мало кого волнует). Принцип его действия — он измеряет величину (его амплитуду, или же интеграл под этим импульсом) каждого импульса и «раскладывает» эти импульсы по «кучкам» в соответствии с их величиной. Этих «кучек» — каналов — обычно от 256 до 4096 и больше. По сути, MCA работает, подобно функции, вызываемой с каждым новым импульсом:

unsigned int spectrum[4096] = {0}; // В этот массив набирается спектр void mca(unsigned int magnitude) // С каждым новым импульсом измеряем его  { // амплитуду в интервале от 0 до 4095   spectrum[magnitude]++; // и вызываем вот эту функцию, которая инкре-  return; // ментирует соответствующий элемент массива. }   

А потом, когда наберется достаточно много импульсов, можно построить график, который и становится визуальным отображением гамма-спектра. Примерно такой:

Альфа излучение представляет собой поток

Это я привел очень показательную картинку, которая демонстрирует, что все вроде просто, а вместе с тем — не очень. Дело в том, что это — спектр, зарегистрированный от источника моноэнергетического излучения. Но на нем — отнюдь не единственная «палка» на 662 кэВ. Мало того, что вместо палки мы имеем довольно расплывчатый «колокол». Слева от него мы имеем то, чего на самом деле нет (кроме самого левого зашкаленного пика — он существует в реальности). Увы, аппаратурный спектр не равен реальному.

Откуда берутся эти различия? Из физики процесса регистрации гамма-излучения.
Гамма-квант может поглотиться в кристалле-сцинтилляторе целиком, отдав ему всю энергию, которая превратится в кинетическую энергию фотоэлектронов, которые в конечном счете возбудят в кристалле вспышку люминесценции — сцинтилляцию. От таких квантов мы имеем пик справа, его мы называем фотопиком, потому что он относится к поглощению посредством фотоэффекта. А другой квант может и «пройти навылет», отдав ему только часть энергии.


ичем — любую: от почти нулевой до некоторой предельной доли — в зависимости от того, под каким углом улетит провзаимодействующий с квантом электрон. Это эффект Комптона. И от него — вот это широкое плато слева от пика — комптоновский континуум. При больших энергиях мы увидим еще и такой эффект, как образование электрон-позитронных пар, из-за которых на спектре появятся пики одинарного и двойного вылета, отстоящие от фотопика вниз на 511 и 1022 кэВ, ну и сам пик 511 кэВ от гамма-излучения аннигиляции. Еще на фоне комтоновского континуума виден пик обратного рассеяния — это отраженное гамма-излучение от окружающих детектор предметов, за счет эффекта Комптона потерявшее часть энергии, а еще ниже мы видим характеристические рентгеновские линии от свинца защиты. Ну а крайняя левая линия — это тоже характеристическая рентгеновская линия, только от того бария, в который превратился цезий, распавшись. Да, это спектр цезия-137. И почти все, что мы видим на этом спектре — это отображение единственной спектральной линии. Будет две линии — каждая будет иметь такой же вид, а видеть мы будем их сумму. И да — вид каждой из таких линий зависит от ее энергии: с ростом ее сначала растет доля комптоновской составляющей и падает фотопик, потом появляются и растут эффекты рождения электрон-позитронных пар (пики вылета, аннигиляционный пик). Отсюда получаем приличную сложность обработки спектров.

Сцинтилляционный гамма-спектрометр — прибор, как я уже говорил, относительно несложный. Вплоть до того, что его может завести себе любая домохозяйка. На полном серьезе: выпускаются и продаются приборы ценой меньше тысячи долларов, которым все, что нужно для работы — компьютер с USB-портом и свинцовая защита. Внутри цилиндрического корпуса — все, и кристалл, и ФЭУ, и его источник питания, и АЦП. Интересующимся — гуглить про Atom Spectra. А тем, кто умеет держать в руках паяльник, вполне по силам сделать такой прибор самостоятельно — роль многоканального анализатора с успехом сыграет звуковая плата компьютера и специальная программа, например, BeckMoni, а можно на основе микроконтроллера, интегратора со сбросом и внешнего АЦП (встроенный имеет очень плохие параметры) сделать MCA, не уступающий тем, что делает тот же «Гринстар». Да и лабораторные приборы порой укладываются в ценник «до миллиона рублей» и (не считая свинцовой защиты) почти не занимают места на лабораторном столе (так, Kolibri от фирмы Green Star имеет размер 8х13х3 см и также работает от USB-порта). Недостаток у них один — низкая разрешающая способность.

Самые лучшие кристаллы NaI(Tl) дают спектральное разрешение по линии цезия-137 около 6%. Новый и очень дорогой сцинтиллятор — бромид лантана — это 3,2%. И эти цифры приводят к тому, что реальный спектр выглядит примерно вот так:

Альфа излучение представляет собой поток

А в худшем — это будет такой невыразительный холм, на склоне которого еле-еле проглядывают отдельные бугорки, по которым еще как-то можно идентифицировать изотопы, но о количественном их определении речи не идет. И наши природные пробы на сцинтилляционном гамма-спектрометре так и выглядят. А спектр «в лучшем случае», к слову — это от камешка, от которого «Терра-П» заливалась трелью и показывала миллирентгены в час (гранит бы дал почти такую же картинку, только ждать набора спектра пришлось бы целый день, а этот спектр набрался за минуту).

Поэтому в большинстве случаев мы работаем на спектрометре с полупроводниковым детектором. По конструкции он напоминает германиевый pin-фотодиод, спрятанный от света, но доступный гамма-лучам. А по сути — это просто ионизационная камера. Только заполненная не газом, а нелегированным германием, к которому сделаны контакты в виде p-области с одной стороны и n-области с другой. Пролетевший через детектор (вернее, через область фотон рождает на своем пути электронно-дырочные пары, которые электрическим полем от подаваемого на кристалл полупроводника напряжения растаскиваются на электроды этой ионизационной камеры, что приводит к появлению короткого и очень слабого импульса тока, опять таки пропорционального энергии, поглощенной в кристалле полупроводника. Благодаря очень низкой энергии, необходимой на образование пары, и по ряду других причин, спектральное разрешение у ОЧГ или HPGE детектора — десятые доли процента. И спектральная линия на спектре действительно — линия (правда, ее спутники в виде комптоновского континуума, пиков вылета, обратного рассеяния и прочего — никуда не деваются).

Для иллюстрации — вот спектр не из моих работ и взят мною из интернета. Это суммарный спектр 89 образцов лосося, выловленного у берегов Британской Колумбии, показывающий, что эхо Фукусимы туда не дошло: обнаружены следы цезия-137, но нет «свежего» цезия-134, имеющего короткий период полураспада.

image

Видите, как много всяких слабых и мелких линий проявилось на спектре? Сцинтилляционный гамма-спектр не дал бы тут ровно ничего. В первую очередь потому что линия цезия-137 наложилась бы на линию 609 кэВ, относящуюся к висмуту-214, а линия цезия-134 даже и не попыталась бы разделиться с линией свинца-214.

Но ППД не работает при комнатной температуре и требует охлаждения жидким азотом, и в целом это — весьма дорогой прибор, который есть не в каждой лаборатории. Нам повезло — у нас есть своя собственная «Канберра», но часть образцов мы все равно меряем на кафедре радиохимии Химфака МГУ.

А вот сцинтилляционный спектрометр можно взять с собой в рейс на корабль. И даже сунуть в сумку и провести набор спектра гамма-фона на Новой Земле во время высадки.

Альфа-спектрометрия и немного про бета-лучи

Альфа-излучение радиоактивных изотопов тоже является моноэнергетичным и спектр его — характеристический. Поэтому спектрометрия альфа-излучения является очень ценным источником информации о радионуклидном составе. И в чем-то она — более простой метод, чем гамма-спектрометрия: альфа-частица всегда поглощается в детекторе нацело, поэтому аппаратурный спектр альфа-излучения совпадает с реальным с учетом ограниченного спектрального разрешения. Да и детектор прост, как три копейки: это либо тонкий сцинтиллятор, либо все тот же полупроводниковый детектор, который в варианте для альфа-излучения очень похож по строению на стандартный pin-фотодиод, с той только разницей, что толщина «мертвого» слоя на поверхности, включающего металл и p+-область имеют минимально возможную толщину (помним про проникающую способность альфа-частиц). Охлаждения ему не требуется, а так как альфа-частицы имеют энергии в несколько МэВ, электрон-дырочных пар с каждой из них выходит много и уровень сигнала не столь мал, как с HPGE, где приходится использовать весьма малошумящий предусилитель, охлаждаемый вместе с детектором.

Сложности здесь возникают только из-за все той же малой проникающей способности. Детектор вместе с образцом помещают в небольшую вакуумную камеру, которую откачивают до нескольких миллиметров ртутного столба, а образец делают очень тонким. Одним из методов является электроосаждение — в электролизную ячейку помещают азотнокислый раствор, содержащий альфа-активные изотопы, анод — платиновая проволочка, а катод — диск из нержавеющей стали. Предварительно раствор по максимуму очищают от всего лишнего с помощью колонки с ионообменной смолой. Полтора часа — и 10 миллилитров раствора превратились в пленку толщиной не более одной десятой микрона.

Что же касается бета-лучей, то их спектр не столь ярок и впечатляющ. Из-за того, что при каждом бета-распаде часть энергии (и притом какую придется часть) уносит антинейтрино, спектр бета-излучения сплошной, имеет вид широких горбов. Поэтому зачастую ограничиваются их счетом, предварительно выделив интересующий элемент химическим путем.

Тут, если излучение достаточно жесткое, его можно регистрировать и сцинтилляционным детектором, и полупроводниковым (похожим на тот, что для альфа-излучения, но потолще — а бывают и универсальные детекторы, как в «рабочей лошадке» радиохимической лаборатории — настольном альфа-бета радиометре УМФ-2000). А если нам достался, к примеру, тритий, то нет лучше варианта, чем взять и смешать пробу с жидким сцинтиллятором. Этот метод так и и называется — жидкостный сцинтилляционный счет. Он, кстати, и для альфы годится, и вообще является достаточно универсальным методом. Приборы, правда, опять-таки дорогие и сложные, у нас такого прибора нет, мы отдаем пробы либо в Радиохимическую лабораторию ГЕОХИ РАН, либо на кафедру радиохимии Химфака. Причиной является в первую очередь то, что энергия распада зачастую очень мала, так что в случае трития приходится вылавливать световые импульсы, составляющие всего десяток-другой фотонов. Здесь используется любимый ядерными физиками метод — метод совпадений. Фотоэлектронный умножитель даже в отсутствии света постоянно генерирует импульсы, соответствующие по амплитуде одному, а то и нескольку фотоэлектронов. Но вероятность того, что импульсы, превышающие одноэлектронный, совпадут сразу у трех ФЭУ в один момент времени, очень мала. А вот реальная вспышка сцинтилляции, даже если в ней было только 10-15 фотонов, даст совпадающий отклик сразу по всем трем каналам и будет зарегистрирована.

Пару слов о защите

Когда заходит речь о радиации, не обходится без разговора о защите от излучения. Нам об этом тоже приходится думать, но не чтобы защититься самим — уровни облучения от наших образцов исчезающе малы. Защищать нужно наши приборы, иначе внешний радиационный фон сведет на нет все попытки увидеть слабые потоки излучения. Чем меньше будет фон в защите, тем чувствительнее определение.

Проще всего — с альфа-излучением. Оно само ни через что не проходит, а энергия альфа-частиц резко отличается от фонового гамма-излучения, поэтому альфа-спектрометру защита особо и не требуется. Гамма-спектрометры и бета-счетчики помещают в массивную, обычно свинцовую защиту. Кстати, свинец для нее берется особенный. «Канберра», например, использует свинец, поднятый со дна моря, с мест кораблекрушений старинных судов. Во-первых, в этом свинце совсем нет радионуклидов антропогенного происхождения, а во вторых, в нем успел распасться свинец-210. Нам этот изотоп особенно важен, как «радиоактивные часы», позволяющие определять скорость накопления осадков на дне морей.

Для дополнительного снижения фона, в том числе и связанного с космическим излучением, внутренность защиты облицовывают медью, кадмием, пластиком. Это делается для того, чтобы убрать рентгеновскую флюоресценцию свинца, а также вторичные электроны.
А для особо низкофоновых измерений аппаратуру ставят в глубокий подвал или даже вырубленную в низкоактивных породах шахту. Это порой единственный способ многократно снизить уровень космических лучей, которые без задержки пролетают через десятки сантиметров свинца.

Что такое радиохимия

Обычная ситуация — это когда интересующего радионуклида так мало, что такой объем пробы, в котором содержится его минимально-детектируемая активность, в прибор не засунешь. Иногда в связи с габаритами прибора, а иногда — по принципиальным причинам (как в случае с альфа-активными изотопами: нужно превратить ведро пробы в пленку толщиной в доли микрона). Это — задача методов концентрирования.

Например, у нас есть в воздухе цезий-137. Ядерной войны еще не было, Чернобыль был давно, так что цезия-137 мало.

$10^{-4}$

и меньше беккереля на кубометр. То есть, в вашей комнате распад одного атома цезия-137 происходит несколько раз за час. Для гамма-спектрометрии нужно хотя бы беккерель набрать. Что делать? Берем пылесос, подключаем к нему специальный фильтр. Цезий будет в составе пыли и он на этот фильтр сядет. Прогнали через него тысяч десять кубометров воздуха, и полученную банку пыли можно засунуть в гамма-спектрометр.

Или другой вариант — для выделения того же цезия-137 из морской воды прогнать тысячу литров забортной воды через мочалку, пропитанную ферроцианидом кобальта, которая имеет свойство эффективно выделять цезий из воды.

Вы помните, как супруги Кюри добывали радий? Его соосаждали с сульфатом бария, многократно повторяя этот процесс и увеличивая концентрацию радия на каждом этапе. Примерно таким же способом — путем соосаждения, сорбции на ионообменных смолах и других сорбентах, электролиза и других методов мы концентрируем элемент, изотоп которого нас интересует, избавляясь от тех, что мешают (в том числе и своей радиоактивностью) и уменьшая объем пробы порой в миллионы раз.

Про один из методов концентрирования я уже рассказал, когда рассказывал про альфа-спектрометрию: из нескольких миллилитров азотнокислого раствора мы получили тончайшую пленку. А перед этим мы зачерпнули за бортом бочку морской воды, добавили туда хлорного железа, а затем осадили его аммиаком. Большая часть содержавшегося в воде плутония оказалась в осадке (соосаждение вообще часто используется в радиохимии — например, его используют для выделения стронция-90). Весь этот осадок вместе с небольшим количеством воды поместился в литровую бутылку, которую мы привезем на берег. А дальше уберем сначала лишнюю воду, потом растворим осадок и уберем оттуда железо с помощью одной ионообменной смолы, а потом уберем все остальное с помощью хроматографической колонки с другой ионообменной смолой, из которой плутоний пойдет в нужный момент времени. Вот так и появляются эти несколько миллилитров, из которых затем плутоний осаждается электролизом.

Была ли в XVII веке ядерная война?

Да, представьте себе — есть такая «теория», будто бы 200-300 лет назад случилась ядерная война и высокоразвитая цивилизация землян оказалась отброшенной в позднефеодальное-раннекапиталистическое общество. И она была не единственной: следы ядерного конфликта находят в древней Индии (Мохенджо-Даро), а еще общеизвестным является радиоактивность многих древних костей, что тоже является доказательством того, что ядерные взрывы гремели над древними цивилизациями.

Допустим, так и было. Что искать в качестве доказательств? Вы скажете «радиоактивное заражение» и будете неправы. Вернее, правы только частично.

Радиоактивность была и есть и безо всякой ядерной войны. Но радиоактивность от атомной бомбы — особая, в ней есть то, что позволяет отличить ее от природной безошибочно. Это особый радионуклидный состав.

Природная радиоактивность обусловлена совершенно определенными изотопами. Это калий-40, рубидий-87, уран и торий (с радиоактивными продуктами их распада) — в общем, изотопы, имеющие огромные периоды полураспада, позволившие им сохраниться еще с тех времен, когда не было ни Земли, ни Солнца. К ним добавляется немного так называемых космогенных изотопов — углерод-14, бериллий-7, натрий-22, тритий. Они образуются под действием космических лучей и постоянно воспроизводятся.

А вот радионуклиды, характерные для ядерного взрыва, совсем другие. В доядерную эру на Земле (не считая природных ядерных реакторов типа Окло) не было ни атома ни цезия-137, ни кобальта-60, ни рутения-106. Если они и возникли когда-то, во время вспышки Сверхновой, породившей вещество, из которого со временем образовались Солнце и планеты, то к нашей эпохе они бесследно исчезли. А спустя 200 лет наиболее долгоживущие из них сохранились бы. И мы бы нашли их — в виде отчетливых пиков активности в слоях донных осадков, какие мы видим сейчас в слоях 1950-60-х годов прошлого века, а также в слое 1986 года.

Мы бы их нашли и в Мохенджо-Даро, и в тех самых радиоактивных костях из каменного века. Но находим мы там лишь торий и уран. И продукты их распада — тот же радий.

Еще один миф: радиационный фон с момента открытия радиоактивности возрос в десятки раз. Вариант мифа с элементами теории заговора: чтобы это скрыть, в шестидесятых годах изымали радиометрические приборы из лабораторий и возвращали после перекалибровки.

Данный миф опровергается очень просто. С тех времен удивительно как, но в лабораторных залежах сохранились старые счетчики Гейгера в родных коробочках с паспортами. Типов МС-6, ВС-6 и т.п. И в них была вписанная от руки цифра «натурального фона». И если эти счетчики «запустить» сейчас, они выдадут практически те же значения фоновой скорости счета, что записана в паспорте.

И даже если предположить, что счетчики и паспорта тоже подменили — если бы в настоящий момент значительная доля фоновой радиации была обусловлена техногенной ее компонентой, то есть продуктами деления урана и плутония — на гамма-спектре фона мы бы имели отчетливые, возвышающиеся над всем остальным спектром, пики цезия-137 и других характерных нуклидов. Такую картину можно увидеть, если привезти гамма-спектрометр в Припять или хотя бы в некоторые районы Брянщины или Тульской области. А вот московские 8-12 мкР/ч обусловлены все теми же ураном, торием и калием, и на четверть — космическим излучением. И фона в 0,5-1 мкР/ч в Москве не было никогда.

Послесловие или еще раз про дозиметр на рынке

Предельно-допустимые уровни содержания радионуклидов в пищевых продуктах сильно различаются. Причиной различной радиотоксичности их является в первую очередь склонность к концентрированию в различных органах и тканях и к прочному закреплению в них. Так, у стронция-90, который накапливается в костях, рядом с костным мозгом и остается там почти что навечно, дозовый коэффициент более чем вдвое превышает таковой для равномерно распределяющегося по организму цезия-137. Поэтому если для цезия-137 предельно допустимой активностью для большинства продуктов являются значения 50-100 Бк/кг, то для радиостронция — вдвое меньшие. А вот для плутония-239 предельно допустимое поступление в организм измеряется в десятках беккерелей в год.

Поэтому — нет, дозиметр не поможет. И даже домашний гамма-спектрометр, который легко выявит загрязнение цезием-137 на предельно-допустимом уровне, «пропустит» загрязнение гораздо более опасными альфа-активными изотопами.

Источник: habr.com

Открытие в ядерной физике

Впервые о данном явлении упомянул ученый Э. Резерфорд еще вначале XX в., который в числе первых предположил наличие бета, гамма и, конечно же, альфа частиц, провел много опытов превращения ядер азота в ядра кислорода. Среди нескольких видов излучений, альфа излучение наиболее безопасное для живых существ.

Основные характеристики

Альфа частица выглядит как симметричный объект в виде сферы, при  радиусе  приблизительно  2·10-13 см. Что касается ее массы,  то это — 6.6·10-27 кг. Скорость ее передвижения довольно низкая,  при выхождении из ядра, она способна перемещаться еще некоторое расстояние, затем останавливается.

При близком контакте с  кожей человека она способна проникнуть на расстояние всего  нескольких микрон. Это объясняется процессом ионизации, при котором поток отдает большую часть своей первоначальной энергии.

Взаимодействие альфа излучения с различными веществами

Частицы, образующие альфа излучение, являются довольно тяжелыми, вследствие чего у них небольшая скорость. Также, стоит отметить, что большое количество своей энергии они передают поглотителю при малой скорости, при этом образуется большое количество  пар ионов. Для примера рассматривается частица со скоростью 20 мм/с которая способна образовать в воздухе приблизительно сто тысяч пар ионов.

Влияние на живые организмы

Внешняя проникающая способность данного излучения небольшая, может вполне задерживаться слоем бумаги. При малом внешнем воздействии возможно развитие злокачественных образований и нарушение правильного обмена веществ. Однако, при таком виде подвержены поражению слизистые участки тела и глаза, которые не поддаются дальнейшему излечению.

В процессе большого количества исследований, ученые пришли к выводу, что альфа частицы при попадании в живой организм с помощью пищи, воды и воздуха могут принести поистине катастрофические разрушения, поскольку они полностью сжигают живой организм изнутри. Особенно опасными признаны альфа частицы плутония 239, которые активно накапливаются в почках, печени, легких, селезенке и приводят к тяжелой форме лучевой болезни, затем и к скорому летальному исходу.


Научно-популярный фильм о Эрнесте Резерфорде

Источник: SpaceGid.com


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.