Источники ионизирующего излучения: природные и искусственные

Ионизирующее излучение является неотъемлемой частью нашей жизни – с каждым вдохом мы вводим в организм радиоактивный радон, с молоком матери (и любым другим молоком) мы высасываем радиоактивный калий, во время ходьбы нас бомбардируют гамма-кванты и мюоны космического излучения, а лежа на лугу, мы подвергаем себя воздействию продуктов распада изотопов изнутри Земли… От радиации невозможно спастись, потому что мы сами тоже излучаем – десятки или сотни тысяч радиоактивных распадов произошли в вашем теле, пока вы читаете эту статью.

Ионизирующее излучение является естественной и неотъемлемой частью нашей жизни, так же как световое или тепловое излучение – это одна из форм передачи энергии в природе. Каждый день нас окружает множество источников радиации, как естественных (природных), так и искусственных. Давайте рассмотрим отдельные источники ионизирующего излучения, проанализируем их вклад в общую годовую дозу, которую получает каждый из нас.

В среднем, около ¾ годовой дозы облучения поступает из природных источников и около ¼ от искусственных источников, в которых полностью доминируют медицинские источники. Давайте сначала рассмотрим природные источники.

Природные источники ионизирующего излучения

Радон

Наибольший вклад в сумму доз от различных источников вносит радон. Это радиоактивный газ, естественно присутствующий в атмосфере. Он выделяется из земли или строительных материалов и вдыхается с воздухом в наши легкие, где распадается, испуская альфа-частицы. Продукты его распада (последовательно: полоний-218, свинец-214, висмут-214, полоний-214, свинец-210) также радиоактивны. Радон возникает в природе как продукт распада радия, который, в свою очередь, производится из урана, присутствующего в природе в больших количествах. Наиболее распространенным изотопом радона в природе является Rn-222, период полураспада которого составляет 3,8 дня.

Плотность радона составляет 9,73 кг/м3, он в 8 раз плотнее, чем средняя плотность атмосферных газов. Поэтому этот газ скапливается в углублениях, таких как подвалы, где его концентрация наиболее высока.

Радон при распаде испускает альфа-излучение (и в меньшей степени бета-излучение) с низкой проникающей способностью, но с высокой ионизирующей способностью (высокая энергия, большая масса частиц). Поэтому он опасен, когда попадает в организм, тогда как при излучении вне тела он удерживается эпидермисом.

Для справки, – радон составляет 40-50% годовой дозы радиации, получаемой жителем Польши из природных источников. Концентрация радона в домах может сильно варьироваться в зависимости от многих факторов, как показано на рис. 1. Одним из факторов является состав почвы, поскольку он влияет на концентрацию урана.

Концентрация радона в домах в Европе
Рис. 1. Концентрация радона в домах в Европе в Бк/м3. Источник данных: портал Европейской комиссии с радиологическими атласами

Радиоактивные изотопы: внутри Земли и наших организмов

Радиоактивные изотопы содержатся буквально в каждом объекте в нашем окружении, в каждом образце почвы или горной породы, в недрах Земли и в нас самих. Чтобы понять повсеместное распространение радиоизотопов, мы должны вернуться в прошлое, к формированию нашей планеты – и еще раньше, к “смерти” звезд много миллиардов лет назад.

Внутри звезды происходит термоядерный синтез, в ходе которого легкие элементы синтезируются во все более и более тяжелые. После выгорания первоначального топлива (водорода и гелия) на поздней стадии эволюции звезды происходит взрыв, называемый сверхновой, во время которого синтезируются самые тяжелые элементы и их изотопы, включая такие массивные ядра, как ядра урана.

Через миллиарды лет туманности, образовавшиеся после звездных взрывов, гравитационно схлопываются, создавая новые звезды и планеты. Неудивительно, что эти изотопы обнаружены на этих планетах! Все окружающие нас элементы и их изотопы (включая радиоактивные) образовались за несколько миллиардов лет до формирования Земли.

Количество радиоизотопов в земной коре неуклонно уменьшается из-за их естественного распада – мы находим их вместе с продуктами распада в почве, горных породах, минералах. Поэтому их можно найти и в строительных материалах, которые мы добываем из земли, и в растениях, которые извлекают минеральные соли из почвы, а значит, и в организмах, которые питаются этими растениями, иными словами, во всей пищевой цепочке.

Только гамма-излучение изотопов в земле под нашими ногами и от окружающих нас материалов вызывает среднюю дозу облучения 0,46 мЗв/год. Среди этих радиоизотопов преобладает изотоп калия К-40, который, как и другие изотопы, входит в состав нашей пищи.

Активность одного только калия К-40 в организме человека составляет 31 000 Бк (беккерелей, т.е. распадов в секунду). Кроме них, двумя наиболее важными радиоизотопами являются уран U-238 и торий Th-232, которые дают начало целым цепочкам распада, состоящим из еще нескольких радиоизотопов. На рисунке 2 мы можем посмотреть на концентрацию урана в почве в разных местах Европы.

Концентрация урана в почве в странах Европы
Рис. 2. Концентрация урана в почве в странах Европы в мг/кг. Источник данных: портал Европейской комиссии с радиологическими атласами

Соответствующие нормы регулируют допустимое содержание радиоизотопов в строительных материалах – если концентрация урана, тория и радия слишком высока, эти материалы нельзя использовать для строительства домов, но их можно использовать, например, в качестве балласта для автострады, где мы не проводим много времени каждый год.

Аналогичным образом, правила определяют допустимые концентрации радиоизотопов в продуктах питания. Государственные органы по атомной энергии поручают соответствующим лабораториям проводить регулярные измерения для проверки превышения этих норм.

Космическое излучение

Явления, происходящие далеко за пределами нашей планеты, такие как термоядерный синтез, происходящий внутри Солнца, или столкновения нейтронных звезд в далеких галактиках, небезразличны для Земли – в результате этих ядерных реакций и бурных астрономических явлений Земля подвергается бомбардировке космической радиацией. Это излучение, состоящее как из высокоэнергетических частиц (в основном протонов, но также альфа-частиц и электронов), так и из электромагнитного излучения, включая рентгеновские лучи.

Мы частично защищены от космического излучения магнитным полем Земли и земной атмосферой. Высокоэнергетическое излучение вызывает ядерные реакции в верхних слоях атмосферы, взаимодействуя, в частности, с атомами кислорода и азота, что приводит к вторичному излучению в виде мюонов и мезонов. Последние достигают поверхности Земли, взаимодействуя с нашими организмами.

Количество регистрируемого у поверхности излучения зависит в первую очередь от высоты над уровнем моря, поскольку это эквивалентно более тонкому слою атмосферы над данной территорией. Взаимосвязь между рельефом местности и интенсивностью космического излучения хорошо видна на рисунке 3.

Интенсивность космических лучей в Европе
Рис. 3. Интенсивность космических лучей в Европе. Источник данных: портал Европейской комиссии с радиологическими атласами

Земля постоянно подвергается бомбардировке космическим излучением различных энергий. Время от времени мы наблюдаем частицы с такими чрезвычайно высокими энергиями, что вторичное излучение, производимое ими, принимает форму так называемого широкого атмосферного ливня, как на рис. 4, размах которого может быть сопоставим с размерами Европы.

Модель широкого атмосферного ливня
Рис. 4. Компьютерная модель ливня, возникшего от первичного протона энергии 1ТэВ, ударившего в атмосферу на высоте 20 км. Внизу изображено побережье в масштабе. Источник:  Dinoj at en.wikipediaCC BY 2.5, via Wikimedia Commons

Искусственные источники ионизирующего излучения

Искусственное ионизирующее излучение ответственно примерно за ¼ среднегодовой эффективной дозы для среднестатистического жителя Европы. С точки зрения радиологической защиты наиболее важным источником искусственной радиоактивности является медицина: от рентгеновского излучения и других методов медицинской визуализации, таких как КТ (компьютерная томография), ПЭТ и ОФЭКТ (методы ядерной медицины), мы получаем 98% дозы от искусственных источников. Примеры доз, полученных при медицинской диагностической визуализации, приведены в таблице 1.

Тип процедурыВозрастЭффективная доза (мЗв)
Получение рентгеновского снимка грудной клетки< 1 год0.10 
Взрослый0.11 
Полный рентген грудной клеткиВзрослый4.1 
Рентгеновский снимок позвоночника5‑9 лет1.17 
10‑14 лет3.56 
Взрослый4.33 
Рентгеновский снимок грудного отдела позвоночника5‑9 лет1.04 
10‑14 лет1.05 
Взрослый3.03 
Компьютерная томография брюшной полости5‑8 
Компьютерная томография (в среднем)3.0‑3.5 
Таблица 1: Эффективные дозы, поглощенные при проведении некоторых медицинских процедур.

Остальная искусственная радиоактивность обусловлена радиоизотопами, попавшими в окружающую среду в результате деятельности человека – радиоактивного загрязнения после более чем двух тысяч ядерных испытаний и аварий на Чернобыльской АЭС и Фукусиме.

Стоит иметь в виду, что уровень радиации сильно варьируется в зависимости от географического положения, и бывает, что даже во время “радиологического события”, выброса радиоактивных материалов и загрязнения, доза, полученная спасателями или пострадавшим населением, превышает установленные законом нормы, но остается в сто раз ниже фона для жителей других мест, указанных в таблице 2.

Природные источникиДоза [мЗв/год]
Среднее мировое значение2.5 
Польша2.45 
Центральный вокзал Нью-Йорка5.4 
Норвегия10.5 
Рамсар, Иран260.0 
Гуарапари, Бразилия – пляж790.0 
Лодев и Лаураге, Франция870.0 
Таблица 2. Годовые эффективные дозы облучения жителей выбранных мест

Эти цифры позволяют нам критически взглянуть на сообщения СМИ о несчастных случаях, связанных с ионизирующим излучением. Если вы встретите информацию о “радиационной опасности” или “смертоносном облаке”, зайдите на сайт соответствующего Государственного Органа своей страны, который осуществляет мониторинг и отыщите там отчет о текущей радиационной обстановке в стране и посмотрите на постоянно обновляемые показания измерительных станций.

Например, в России можно найти соответствующую карту радиационной обстановке вблизи АЭС и других объектов атомной отрасли России на сайте Института проблем безопасного развития атомной энергетики РАН.

Радиационную онлайн-обстановку в Беларуси можно найти на сайте Государственного учреждения «Республиканский центр по гидрометеорологии, контролю радиоактивного загрязнения и мониторингу окружающей среды» Минприроды Республики Беларусь.

Leave a Comment

Your email address will not be published.