«Без ядерной энергетики говорить
о мировом энергетическом балансе
невозможно»
В. В. Путин, Президент РФ
  • Слайд 1
  • Слайд 3
  • Слайд 2
  • Слайд 4
Экология и атомная энергетика

Чем измерять лучи?

Итак, теперь мы знаем, что происходит, когда образующееся в радиоактивном распаде излучение (конечно, это относится и к излучениям, источником которых являются какие-либо другие процессы) взаимодействует с веществом. Одним словом, не конкретизируя детали, процесс взаимодействия излучения со средой называют облучением.

В мире существует далеко не только ионизирующее излучение, энергии которого достаточно для образования ионов в облучаемой среде, гораздо чаще вещество находится под воздействием иных типов радиации. Как действует на кожу человека привычная солнечная радиация, мы хорошо знаем. Стоит только подольше побыть на открытой местности в жаркое время года, и можно получить весьма серьезное подтверждение «горячей» дружбы верхнего слоя кожи с солнечным инфракрасным излучением. Вплоть до ожога 2-й степени. Если же загорать постепенно — дольше, но при менее интенсивном облучении, можно приобрести красивый смуглый оттенок кожи и избежать появления ожога. Это уже результат воздействия ультрафиолетовой компоненты солнечной радиации. Она проникает более глубоко и влияет на пигмент подкожной клетчатки.

А чем, как вы думаете, объясняют ученые снижение слуха у значительной части молодого населения? Воздействием на слуховой аппарат человека акустического излучения многочисленных плейеров, на концертах и дискотеках. Акустическое переоблучение «суперзвуком» в дискотеках и шоу не проходит бесследно для организма человека. Телевизионные экраны, мониторы компьютеров, вездесущие мобильные телефоны — постоянные спутники современного цивилизованного человека и весьма интенсивные источники высокочастотного электромагнитного излучения. Есть у биофизиков даже такая интересная и небезосновательная гипотеза: современная акселерация обусловлена в значительной степени тем, что, начиная примерно с середины 20-го века, человечество Земли находится под резко возросшим воздействием электромагнитного излучения в радиодиапазоне.

Чтобы лучше понимать, как радиация влияет на органическую и неорганическую природу, нужно выбрать определенные единицы измерения радиационного воздействия. Конечно, выбор единиц определяется физическими эффектами, которые производит радиация. Во всяком случае ясно, что наиболее заметные эффекты должны измеряться в таких единицах, с помощью которых удобно было бы описывать и влияние этих радиационных эффектов на человека.

Когда только начиналось изучение радиоактивных излучений естественных элементов и проникающих Х-лучей Рентгена, самой заметной характеристикой их воздействия на окружающее вещество была степень ионизации.

Количественной мерой ионизирующей способности проникающего излучения принималось количество пар ионов (ведь в процессе ионизации на две части разделяется изначально нейтральная система и образуется пара ионов разного знака), которое порождает данный тип излучения в 1 см3 сухого воздуха, находящегося при комнатной температуре (+18 оС) и нормальном атмосферном давлении. Условная единица измерения ионизирующих возможностей излучения была названа рентгеном, и ей соответствовала такая интенсивность излучения, при которой в 1 см3 образуется примерно два миллиарда пар ионов (более точно, 2,08 х 109). Как только введена количественная характеристика поля ионизирующего излучения, можем присвоить ей имя: экспозиционная доза. Единицей ее измерения является рентген: 1Р = 2 х 109 пар ионов/см3 воздуха.

По сути дела, экспозиционная доза определяет энергетические возможности ионизирующего излучения. Когда эта единица вводилась в обиход, ее использовали для оценки эффективности генератора рентгеновского излучения. Но эта мера ионизирующего излучения перестала быть удобной, когда применение рентгеновских лучей в медицинской практике стало повсеместным. Дело в том, что понятие экспозиционной дозы опирается на способность ионизировать сухой воздух. На практике же понадобилась характеристика, показывающая насколько эффективно излучение ионизирует ткани человеческого организма. Поэтому было предложено измерять степень воздействия проникающего излучения на вещество количеством энергии, поглощаемой облучаемым материалом.

Таким образом, поглощенная доза — это количество энергии, поглощаемое единицей массы облучаемого вещества. Конечно, эта величина характеризует не только способность излучения переносить энергию, но одновременно и способность вещества отбирать ее у излучения. Нужно, впрочем, сказать, что ионизация воздуха рентгеновским излучением очень мало отличается от ионизации мягких тканей организма. Результаты процессов комптоновского рассеяния гамма-квантов и фотоэффекта для обеих этих сред очень близки количественно — конечно, только для умеренных энергий фотонов, в рентгеновском диапазоне. Так что необходимость введения новой единицы в дозиметрии стала явной, когда повысилось напряжение на рентгеновских трубках и, соответственно, энергия и проникающая способность рентгеновских квантов. В плотной среде ионизирующая способность излучения оказалась иной, чем в воздухе. Вот почему была предложена новая, более универсально характеризующая процесс облучения вещества, единица измерений.

Поглощенная доза измеряется в радах (рад). Однако в Международной системе единиц для поглощенной дозы есть более удобная единица — Грей (Гр): 1 Гр = 100 рад = 104 эрг/г. Радиационный эффект, т.е. мера того, насколько сильным оказывается воздействие излучения на вещество, как раз и определяется поглощенной дозой. Можно сказать, что поглощенная доза — это универсальная характеристика взаимодействия радиации и материи. Но — только для неживой материи!

Более подробное изучение облучения живых тканей показало, что в этом случае результат воздействия излучения (так называемый радиобиологический эффект) зависит не только от количества энергии, которое отдает излучение атомам живой среды, но и от плотности ионизации — количества пар ионов, которые образуются вдоль направления прохождения пучка излучения. Например, легкий электрон, попав внутрь вещества, ионизирует на своем пути далеко не каждый атом — столкнувшись с одним атомом, он минует сотни других атомов, пока не столкнется с каким-нибудь еще, превращая и его в ион. Не так обстоит дело с более тяжелыми частицами. Например, протон, который почти в 2000 раз тяжелее электрона, на своем пути ионизирует практически все встречающиеся атомы.

Для учета дополнительной характеристики облучения — плотности ионизации атомов на своем пути — используется специальный коэффициент относительной биологической эффективности (КОБЭ). С его помощью удается сравнивать радиобиологические эффекты, производимые разными типами излучения в одной и той же среде при равных количествах энергии, поглощаемой средой (при равных поглощенных дозах). Этот коэффициент характеризует способность излучения данного вида воздействовать на ткани организма, т.е. говорит об относительной биологической эффективности разных излучений.

Иначе говоря, степень влияния на среду, например, нейтронного потока может быть эквивалентна воздействию на среду пучка гамма-квантов. Скажем, некоторый процесс происходит в органическом веществе при поглощенной дозе гамма-лучей в 2 Гр. Тот же процесс с теми же параметрами в той же среде может быть вызван и быстрыми нейтронами, но в этом случае достаточно поглощенной дозы в 0,2 Гр. Таким образом, для нейтронов КОБЭ = 10. Так возникает новое понятие дозиметрии — эквивалентная доза.

Единицей измерения эквивалентной дозы является биологический эквивалент рада — бэр, 1 бэр = 1 рад х КОБЭ. Однако и эта единица уже устарела. Теперь принято измерять эквивалентную дозу в Зивертах (Зв): 1 Зв = 100 бэр. Смысл этих величин, правда, очень приблизительно, можно определить так: эквивалентная доза в 1 Зв означает, что на 1 квадратный сантиметр площади органической среды (живой ткани) попадает около 100 миллиардов квантов излучения (1 мбэр означает, что на каждый квадратный сантиметр площади ткани попадает миллион радиоактивных частиц).

При определении коэффициента КОБЭ, который равен отношению поглощенных доз разных типов излучений, какое-то из излучений приходится считать эталонным. Если его воздействие на среду полагать равным некоторой условной единице, то воздействие другого типа облучения будет отличаться в КОБЭ раз. В качестве эталонного выбирается гамма-облучение, для бета-электронов коэффициент относительной биологической эффективности тоже равен 1, для протонов и быстрых нейтронов — от 3 до 10, для альфа-частиц и тяжелых ионов КОБЭ равен 20.

Радиационные способности радиоактивного вещества оцениваются его активностью, измеряемой в Кюри или Беккерелях. Зная активность источника излучения, можно вычислить мощность экспозиционной дозы на разных расстояниях от него, т.е. количества ионов, производимых излучением в единицу времени. Эта величина характеризует именно поле излучения, а оно зависит от типа радиоактивного вещества. Скажем, радий, как известно, намного более активен, чем уран, так что и мощность экспозиционной дозы для радиевого источника намного выше, чем для уранового (на одинаковых расстояниях). Поглощенная доза — это уже характеристика не самого поля, а его взаимодействия с конкретной средой. Энергией, поглощаемой единицей массы вещества, удобно определять эффект радиационного действия для всех неорганических веществ. Если излучение попадает на живую ткань, например, на человека, то для правильной оценки результата этого облучения нужно измерять эффект облучения только в эквивалентной дозе.