§ 124. Поглинута доза випромінювання та її біологічна дія. Захист від випромінювань

Під час роботи на ядерних установках і з радіоактив­ними препаратами, які використовуються в різних галу­зях науки і техніки, людина зазнає зовнішнього опромі­нення гамма-кваптами, нейтронами, електронами та ін­шими частинками. Іонізація, яка виникає при взаємодії випромінювання з живою тканиною, біологічно шкідливо впливав на людський організм. Опромінення усього орга­нізму або значної його частини може викликати так звану променеву хворобу, розвиток ракових пухлин, лейкемію (білокрів'я) тощо.

Незалежно від природи іонізуючого випромінювання його вплив на речовину оцінюють енергією, яка поглинає­ться одиницею маси речовини. Цю характеристику нази­вають поглинутою дозою випромінювання (або дозою випромінювання).

(124.1)

де — енергія іонізуючоговипромінювання, передана опроміненій речовині, т — її маса. За одиницю поглину­тої дози прийнято 1 Дж/кг. Цю одиницю назвали г р є й (Гр) на честь англійського вченого Л. Грея (1905—1965).

Грей дорівнює поглинутій дозі випромінювання, при якій опроміненій речовині масою 1 кг передається енергія іоні­зуючого випромінювання 1 Дж.

Значення поглинутої дози залежить від виду випромі­нювання, енергії його частинок, густини їх потоку і від складу опромінюваної речовини. Це пояснюється різними процесами взаємодії частинок і фотонів з електронами і атомами речовини. При інших однакових умовах погли­нута доза тим більша, чим більший час опромінення, тобто поглинута доза нагромаджується з часом.

Здавалося б, що для знаходження поглинутої дози достатньо виміряти енергію іонізуючого випромінювання, яке падає на тіло, і енергію, яка пройшла через тіло, потім їх різницю поділити на масу тіла. Однак практично це зро­бити важко, оскільки тіло неоднорідне, енергія розсіюється тілом у всі боки тощо. Отже, цілком конкретне і зрозуміле поняття «поглинута доза» виявляється мало придатним на практиці. Тому дозу рентгенівського і гамма-випромі­нювання на практиці вимірюють за іонізацією ними повіт­ря. Одиницею вимірювання у цьому випадку є кулон/ кілограм (Кл/кг). Доза в 1 Кл/кг означає, що сумарний заряд усіх іонів одного знака, утворених в 1 кг повітря, дорівнює кулону. На практиці часто користуються також застарілою одиницею дози рентгенівського і гамма-випро­мінювання— рентгеном (Р):

Біологічна дія іонізуючих випромінювань будь-якого виду на живі тканини зв'язана із збудженням й іонізацією атомів та молекул, утворенням вільних хімічних радика­лів. Збуджені атоми й іони, вільні радикали мають високу хімічну активність, тому в клітинах організму утворю­ються нові хімічні сполуки, чужі здоровому організму. Іонізуючі випромінювання пошкоджують або руйнують клітини, порушують їх здатність до поділу, викликають необоротні генетичні зміни (мутації) хромосом, що веде до тяжких спадкових хвороб і потворства нащадків, до про­меневої хвороби і утворення злоякісних пухлин.

Враховуючи небезпеку для людини радіоактивних ви­промінювань, установлено гранично допустимі дози опро­мінення. Для великих груп населення будь-якого віку, включаючи й тих, що проживають поблизу підприємств, на яких використовуються випромінювання з промисло­вою чи дослідницькою метою, гранично допустима доза рентгенівського або гамма-випромінювання установлена в 0,05 Гр за рік. Доза загального опромінення людини в 2 Гр веде до променевої хвороби, дози в 6—8 Гр і більше майже завжди смертельні.

Слід підкреслити, що радіаційна небезпека під час роботи з радіоактивними джерелами справді існує і вона надзвичайно підступна, оскільки тяжкі, часто патологічні зміни в організмі настають під дією випромінювання без щонайменших суб'єктивних ознак, які сигналізують про небезпеку. Ці зміни нагромаджуються, наростають в орга­нізмі, і в ряді випадків проявляються лише через дуже великий строк (десятиріччя) після фактичного опромінен­ня, коли лікувальне втручання виявляється запізнілим. Тому легковажне ставлення до радіації абсолютно непри­пустиме.

Однак це не означає, що з радіоактивними речовинами не можна працювати. Великі успіхи, досягнуті в галузі вивчення властивостей різних видів випромінювання та їх фізіологічного впливу, опрацювання обгрунтованої системи допустимих доз, розвиток методів вимірювання поглинутих доз, організація надійного захисту від випро­мінювання, постійний медичний контроль осіб, які мають справу з радіоактивними речовинами, гарантують можли­вість роботи з радіоактивними речовинами без ризику для здоров'я.

У приміщеннях для роботи з випромінюваннями уста­новлюють дозиметри для вимірювання дози випроміню­вання в даному місці приміщення. їх часто забезпечують пристроєм, який автоматично подає звуковий або світловий сигнал, коли доза випромінювання вища за допустиму. Кожна людина під час роботи з радіоактивними речови­нами повинна мати при собі контрольні прилади, які показують догу, одержану людиною протягом ообочого дня. Для цієї мети у спеціальні касети вкладають шматочок фотоплівки, і заряджену касету кладуть у кишеню. В кінці робочого дня (або тижня) плівки проявляються і за їх почорнінням судять про дозу, одержану робітником. Як кишенькові дозиметри використовують також інтегруючі іонізашині камери, виготовлені у вигляді авторучок.

ЩсЬ знизити дозу опромінення до прийнятної, навколо джерела радіоактивних випромінювань установлюють біологічний захист з речовин, які добре поглинають випро­мінювання. Найпростішим за своєю ідеєю методом захисту є віддалення джерела випромінювання на достатню від­стань. У тих випадках, коли це неможливо, для захисту від випромінювання використовують перешкоди з по­глинаючих матеріалів — найпростіший захист від альфа-випромінювань, оскільки альфа-частинки мають мізерно малі пробіги; бета-активні джерела, навіть малих актив­ностей, треба екранувати. Для екранування від електронів

з енергіями до 4 МеВ достатньо шару пластмаси в 0,25 см. Більш масивний захист вимагається під час роботи з дже­релами гамма-випромінювань. Джерела гамма-випро­мінювання звичайно поміщають у свинцеві контейнери, а в лабораторних умовах для захисту від гамма-активних препаратів використовують «будиночки» із свинцевих пли­ток. При необхідності візуального спостереження викори­стовують віконця із спеціального скла, яке містить свинець. Для захисту від особливо потужних джерел випромі­нювання (працюючих реакторів, прискорювачів тощо) будують захисні стіни з бетону (як дешевого матеріалу). Товщина захисних бетонних стін в окремих випадках досягає кількох метрів.

КОРОТКІ ПІДСУМКИ И ВИСНОВКИ

1. Атомні ядра складаються з протонів і нейтронів, які часто називають нуклонами. Число протонів у ядрі атома дорівнює атомному номеру цього елемента; сума чисел протонів і нейтронів у ядрі називається масовим числом ядра. Між нуклонами в ядрі діють гігантські ядерні сили, які приблизно в 100 разів перевищують сили кулонівського відштовхування протонів. Ядерні сили — дуже kodotko- діючі. Вони дуже великі на відстані порядку, але дуже швидко зменшуються зі збільшенням відстані і вже на відстанім вони практично дорівнюють нулю.

Ядра з одним і тим самим числом протонів Z, але з різ­ним числом нейтронів N, називаються ізотопами. їх хіміч­ні властивості тотожні.

2. При утворенні ядра з окремих нуклонів виділяє­ ться енергія, що дорівнює енергії зв'язку ядра. Енергію зв'язку можна підрахувати, знаючи масу протона т_Р, масу нейтрона т_п і масу ядра М_я:

Стійкість (міцність) атомних ядер часто характеризують питомою енергією зв'язку, тобто енергією, яка припадає на один нуклон. Вона приблизно дорівнює 8 МеВ на нуклон для більшості ядер. Питома енергія зв'язку максимальна в ядер з масовими числами порядку 100, а в масивних і легких ядер вона дещо менша.

3. Атомні ядра мають дискретні спектри можливих енергетичних станів. Стан атомного ядра з мінімальною енергією називається основним (або нормальним), стан з надміром енергії — збудженим.

Ядра в збуджених станах випромінюють кванти елек­тромагнітного випромінювання — гамма-кванти. Енерге­тичні стани атомних ядер і переходи ядер з одного стану в інший з поглинанням чи випромінюванням енергії описують за допомогою енергетичних діаграм.

4. Резонансне поглинання ядрами гамма-квантів при усуненні віддачі ядер за рахунок зв'язку іона з криста­лічною решіткою називається ефектом Мессбауера.

б. Ряд атомних ядер, наприклад урану, радію, торію мають здатність самодовільно випромінювати альфа-час­тинки (ядра гелію), бета-частинки (електрони) і гамма-кванти. Ця здатність ядер називається радіоактивні­стю, а ядра, які мають таку здатність,— радіоактивними. Явище радіоактивності було відкрите в кінці минулого століття французьким вченим А. Беккерелем. Радіоактив­ний розпад — це самодовільне перетворення атомних ядер. Для кожної радіоактивної речовини існує інтервал часу — період піврозпаду, за який розпадається половина загальної кількості ядер.

6. У процесі бета-розпаду ядер випромінюються елек­ трони всіх енергій від нуля до певної максимальної — спектр випромінювання електронів неперервний. Для пояс­ нення неперервності бета-спектру була висловлена гіпо­ теза, що з ядра вилітає частинка без електричного заряду і мізерно малої маси — нейтрино. Існування нейтрино експериментально виявлене в 1953—1956 рр.

7. Деякі речовини під час опромінення їх альфа-час­ тинками, протонами, нейтронами тощо стають штучно радіоактивними. Принципової відмінності між природною і штучною радіоактивністю немає, вони підлягають одна­ ковим законам.

8. Для реєстрації і вивчення зіткнень та взаємних перетворень атомних ядер і елементарних частинок викори­ стовують спеціальні прилади: іонізаційну камеру, лічиль­ ник Гейгера — Мюллера, фотоемульсії, камеру Вільсона, бульбашкову камеру тощо.

9. Основний закон радіоактивного розпаду: число розпадів ядер тим більше, чим більше їх є і чим іільший час, протягом якого відбувається розпад:

Коефіцієнт пропорційності ?. навивають сталою розпаду (радіоактивною сталою) для даного виду ядер. Вона ха­рактеризує швидкість радіоактивного розпаду. Закон радіоактивного розпаду вказує на те, що радіоактивні

перетворення атомних ядер є статистичними процесами (статистичний характер радіоактивних перетворень).

З основного закону радіоактивного розпаду випливає закон зменшення з часом числа радіоактивних ядер:

Для характеристикистійкості ядер відносно радіоак­тивного розпаду, крім к, вводять період ттіврозпаду Т, тобто час, за який розпадається половина початкової кількості ядер.

10. Штучні перетворення атовінітх ядер, обумовлені їх взаємодіями з різкими частикі^ігйи або одне з одним, нази­ ваються ядерними реакціями. Перша штучна ядерна реак­ ція була здійснена Е. Резерфордом у 1919 р. У ході цієї реакції ядра азоту перетворювалися в ядра кисню:

11. Під час ядерних реакцій обов'язково виконуються різні закони збереження: електричного заряду, числа нуклонів, енергії, імпульсу, маси тощо. Залежно від виду частинок, якими бомбардується ядтю хімічного елемента, від енергії цих частинок, а також від виду бомбардованих ядер розрізняють такі типи реакцій: 1) випромінювання збудженим ядром гамма-хвг.лтів з поверненням ядра у нормальний стан; 2) захоплення ядром бомбардуючої частинки з перетворенням цього ядра у більш масивне; 3) поглинання ядром бомбардуючої частинки з випускан­ ням ядром однієї або кількох частинок; 4) розщеплення ядра на кілька частин.

12. У процесі ядерних реакцій може виділятися й по­ глинатися енергія. Енергетичний ефект реакції можна роз- рахузати на основі закону збереження й перетворення енергії. Беділєнея ядерної енергії має місце як у пгюцесі реакцій поділу важких ядер, так і під час реакцій син- теву легких ядер. Найбільш вигідною з точки зору одер­ жання ядерної енергії є реакція синтезу ядер або дейтерію в ядра гелію, оскільки в цьому випадку річниця енергій зв'язку синтезованого ядра і вихідних⁴ ядер буде най­ більшою.

13. Ядра урану, торію та інших важких елементів здат­ ні ділитися під вплиеом нейтронів. При цьому в кожному акті поділу виділяється енергія порядку 200 МеВ. Під час поділу ядра урану виділяється два-три нейтрони. Це дає змогу здійснити мерамшу ланцюгову реакцію в ядерних реакторах. Некеровану реакцію поділу ядер використо­ вують в атомних бомбах.

14. Крім реакції поділу важких ядер, існує ще один спосіб звільнення внутріядерної енергії у великих масшта­ бах — синтез (злиття) легких ядер. Такі реакції можуть відбуватися при дуже високих температурах (понад 10" К) і тому називаються термоядерними. Внаслідок термоядер­ них реакцій синтезу легких ядер Сонце і зорі виділяють енергію протягом мільярдів років. Некеровані термоядер­ ні реакції здійснюються у водневій бомбі. Керовану термо­ ядерну реакцію здійснити поки що не вдалося, але в ба­ гатьох країнах світу вчені ведуть інтенсивні пошуки шляхів розв'язання цієї проблеми. У ряді країн світу ство­ рені експериментальні термоядерні установки з магнітною термоізоляцією плазми — «Токамаки», на яких удалося дуже близько підійти до умов здійснення керованої термо­ ядерної реакції.

15. Радіоактивні ізотопи, що їх дістають за допомогою ядерних реакторів і прискорювачів елементарних части­ нок, широко застосовують у науці, медицині, сільському господарстві і промисловості.

Радіоактивні випромінювання дуже небезпечні для живих організмів. Під час роботи з ними необхідні спе­ціальні засоби захисту.

Біологічна дія радіоактивних випромінювань оцінює­ться особливими величинами. Поглинутою дозою (або до­зою випромінювання) D називають відношення енергії Е випромінювання до маси m опромінюваної речовини:

Вимірюється вона в греях (Гр). Грей — доза ви­промінювання, при якій масі опроміненої речовини в 1 кг передається енергія іонізуючого випромінювання 1 Дж.

Експозиційна доза випромінювання D_t є енергетичною характеристикою випромінювання, оцінюваною за ефек­том іонізації сухого атмосферного повітря. Одиницею D_e служить кулон на кілограм (Кл/кг) — експозиційна доза фотонного, рентгенівського чи гамма-випромінювання, при якій сума електричних зарядів одного знака, створю­ваних електронами, які звільняються в опроміненому повітрі масою 1 кг при повному використанні іонізуючої здатності, дорівнює 1 Кл.

Позасистемною одиницею експозиційної дози служить рентген (Р): Рентген відповідає

експозиційній дозі, при якій в 1 см³ сухого повітря при нормальному атмосферному тиску виникає сумарний за­ряд іонів одного знака, який дорівнює: 2,57976-10 ~⁴ Кл.

Розділ IX. ЕЛЕМЕНТАРНІ ЧАСТИНКИ § 125. Поняття елементарної частинки

Фізика елементарних частинок стала новою великою і самостійною галуззю науки. Вона вивчає явища, які від­буваються на надмалихвідстанях, протягом надмалих інтервалів часу і при надвисоких енергіях. За останні роки у фізиці елементар­них частинок зроблено ряд фундаментальних відкриттів, які привели до корінних змін в розумінні будови матерії і властивостей частинок, які досі вважалися елементар­ними. Однак і сьогодні нелегко відповісти на питання про те, що ж ми називаємо елементарною частинкою.

У цьому розділі ви ознайомитеся з основними наукови­ми фактами, які складають основу фізики елементарних частинок.

У сучасній фізиці елементарними прийнято вважати частинки, які не складаються з інших відомих частинок і при взаємодіях з іншими частинками чи полями ведуть себе як єдине ціле. Поняття елементарності частинок за­знає еволюції залежно від рівня наших знань про природу їх взаємодій. Коли в ході вивчення електричних і магніт­них властивостей речовини було встановлено, що між ато­мами в молекулі і між електронами в атомі діють електро­магнітні сили, доцільною була трактовка різних атомних ядер, з одного боку, і електронів — з другого, як частинок елементарних. Ця трактовка достатньою мірою відповіда­ла тодішньому рівню наукових знань про будову матерії. Розвиток квантової фізики і виявлення нової важливої властивості природи частинок — дуалізму (хвиля — ча­стинка) привів до визнання повноправним членом сім'ї елементарних частинок фотона. Відкриття нейтрона і пер­ші кроки у вивченні властивостей ядерних сил показали, що ядра всіх елементів побудовані з протонів і нейтронів.

Таким чином, якщо обмежитися розглядом усіх явищ атомної фізики і процесів з участю стабільних атомних ядер, то ми матимемо справу лише з чотирма різновидами елементарних частинок: фотоном, електроном, протоном і нейтроном. Якщо розширити коло явищ і об'єктів ви­вчення, включивши до нього нестійкі атомні ядрд і ядерні перетворення, то дістанемо щетри елементарні частинки: повитрон, нейтрино і антинейтрино. І лише в тих випад­ках, коли одній з перерахованих семи частинок надається досить велика кінетична енергія (в одному з процесів

народження первинної компоненти космічного випро­мінювання або за допомогою потужних прискорювачів) і ця частинка взаємодіє з іншою, народжуються нові різно­види частинок, які на сьогоднішньому етапі розвитку науки ми також вважаємо елементарними. Багато з них у процесі свого розпаду або під час вторинних процесів народжують нові елементарні частинки.

Внаслідок дослідження космічного випромінювання і експериментів на прискорювачах були відкриті і зара­ховані до елементарних ще двадцять п'ять різновидів ч,астинок: додатні і від'ємні мю-мезони (або мюони), додат­ні, від'ємні і нейтральні пі-мезони (або піони), додатні і від'ємні ка-мезони (або каони) і два сорти нейтральних каонів, антипротони і антинейтрони, нейтральні лямбда-гіперони (Л) і антилямбда-гіперони, додатні, від'ємні і нейтральні сигма-гіперониі три відповідні їм анти­частинки, від'ємні і нейтральні ксі-гіперони (Е) зі своїми античастинками.

Таким чином, список елементарних частинок і анти­частинок нараховує сьогодні ЗО різновидів. З них лише сім (протон, антипротон, електрон, позитрон, нейтрино, антинейтрино і фотон) стабільні, а решта самодовільно розпадаються з різними періодами розпаду (відс для найбільш довговічного — нейтрона — дос для нейт-

рального піона). Через ланцюжок послідовних розпадів будь-які нестабільні елементарні частинки врешті наро­джують згадані вище стабільні. Однак під час взаємодії стабільних елементарних частинок, якщо тільки їх від-носна кінетична енергія достатньо велика, можуть утворю­ватися різні стабільні і нестабільні елементарні частинки, і до того ж у будь-якій кількості, обмеженій лише кіне­тичною енергією, що витрачається в усьому процесі.

Питання про те, чи складаються стабільні частинки з інших, більш елементарних, цілком законне і звичне для таких частинок, як молекула, атом, ядро, в застосуванні до електромагнітних частинок втрачає свій сенс. Відмін­ність тут у тому, що атом водню ми маємо право називати системою, яка складається з протона й електрона, тобто не елементарною частинкою, оскільки еяергія, що витрачає­ться на розчленування цієї системи (енергія іонізації), ста­новить близько 13 еВ, у той же час як енергія, еквівалентна масі спокою електрона,— На перетворення

атома в систему з розділених протона й електрона затра-чавться енергія, яка не перевищуєенергії спокою

леткої складової частини системи — електрона. Складною

(не елементарною) частинкою є й дейтрон з енергією зв'яз­ку близько 2,2 МеВ, яка становить 0,3 % енергії спокою нейтрона чи протона (близько 940 МеВ).

Дещо спрощуючи, можна сказати, що у складі атома в «готові» нейтрони і протони, оскільки дисоціація цих складних частинок вимагає витрати енергії, значно меншої за енергію спокою елементарних частинок, з яких вони побудовані.

Впливаючи на стабільний протон іншими елементар­ними частинками, можна дістати тонні й каонні пари, пари нуклон і антинуклон тощо, однак щоразу на це треба витрачати енергію, не меншу за енергію спокою одержува­них частинок. Ось чому протон не вважається складним. У цьому розумінні елементарні частинки можна характе­ризувати як частинки нескладні — які не складаються з інших, незважаючи на величезну кількість вивчених і, мабуть, ще більшу кількість невивчених перетворень одних елементарних частинок в інші.

Подальший розвиток теорії елементарних частинок, найбільш ймовірно, зменшить число елементарних части­нок і установить зв'язки між різними типами їх взаємо­дій, однак поки що можна розглядати усі різновиди елементарних частинок як рівноправні.

Однією з найбільш важливих властивостей елементар­них частинок в їхня взаємоперетворюваність. Наприклад, нейтрон може перетворитися у протон з випусканням елек­трона, а протон у свою чергу при певних умовах може пере­творитися в нейтрон. Однак це не означає, що нейтрон складається з протона й електрона — останні виникають в момент розладу нейтрона, подібно до того, як виникає фотон світла при переході атома із збудженого стану в нормальний. Деякі із взаємоперетворень розглянемо нижче.

Взаємоперетворення частинок позбавляють смислу питання про те, з чого складається та чи інша частинка: елементарна частинка не складається з інших елементар­них частинок. Вони з'являються у процесі перетворення інших частинок. При всіх взаємоперетвореннях елемен­тарних частинок суворо виконуються основні закони збере­ження: маси, енергії, імпульсу, електричного заряду, закон взаємозв'язку маси й енергії.

? 1. Які частинка прийнято називати елементарними? 2. Яка фунда­ментальна властивість притаманна елементарним частинкам?