Что такое лямбда излучение

Обновлено: 23.01.2025

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

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.

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.

Но сначала — о гамма-спектрометрии

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.

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

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

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:

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).

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.

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

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.

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.

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. 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?

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.

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.

Радиация и виды радиоактивных излучений, состав радиоактивного (ионизирующего) излучения и его основные характеристики. Действие радиации на вещество.

Что такое радиация

Для начала дадим определение, что такое радиация:

В процессе распада вещества или его синтеза происходит выброс элементов атома (протонов, нейтронов, электронов, фотонов), иначе можно сказать происходит излучение этих элементов. Подобное излучение называют - ионизирующее излучение или что чаще встречается радиоактивное излучение, или еще проще радиация. К ионизирующим излучениям относится так же рентгеновское и гамма излучение.

Радиация - это процесс излучения веществом заряженных элементарных частиц, в виде электронов, протонов, нейтронов, атомов гелия или фотонов и мюонов. От того, какой элемент излучается, зависит вид радиации.

Ионизация - это процесс образования положительно или отрицательно заряженных ионов или свободных электронов из нейтрально заряженных атомов или молекул.

Радиоактивное (ионизирующее) излучение можно разделить на несколько типов, в зависимости от вида элементов из которого оно состоит. Разные виды излучения вызваны различными микрочастицами и поэтому обладают разным энергетическим воздействие на вещество, разной способностью проникать сквозь него и как следствие различным биологическим действием радиации.

Альфа, бета и нейтронное излучение - это излучения, состоящие из различных частиц атомов.

Гамма и рентгеновское излучение - это излучение энергии.

Альфа излучение

излучаются: два протона и два нейтрона
проникающая способность: низкая
облучение от источника: до 10 см
скорость излучения: 20 000 км/с
ионизация: 30 000 пар ионов на 1 см пробега
биологическое действие радиации: высокое

Альфа (α) излучение возникает при распаде нестабильных изотопов элементов.

Альфа излучение - это излучение тяжелых, положительно заряженных альфа частиц, которыми являются ядра атомов гелия (два нейтрона и два протона). Альфа частицы излучаются при распаде более сложных ядер, например, при распаде атомов урана, радия, тория.

Альфа частицы обладают большой массой и излучаются с относительно невысокой скоростью в среднем 20 тыс. км/с, что примерно в 15 раз меньше скорости света. Поскольку альфа частицы очень тяжелые, то при контакте с веществом, частицы сталкиваются с молекулами этого вещества, начинают с ними взаимодействовать, теряя свою энергию и поэтому проникающая способность данных частиц не велика и их способен задержать даже простой лист бумаги.

Однако альфа частицы несут в себе большую энергию и при взаимодействии с веществом вызывают его значительную ионизацию. А в клетках живого организма, помимо ионизации, альфа излучение разрушает ткани, приводя к различным повреждениям живых клеток.

Из всех видов радиационного излучения, альфа излучение обладает наименьшей проникающей способностью, но последствия облучения живых тканей данным видом радиации наиболее тяжелые и значительные по сравнению с другими видами излучения.

Облучение радиацией в виде альфа излучения может произойти при попадании радиоактивных элементов внутрь организма, например, с воздухом, водой или пищей, а также через порезы или ранения. Попадая в организм, данные радиоактивные элементы разносятся током крови по организму, накапливаются в тканях и органах, оказывая на них мощное энергетическое воздействие. Поскольку некоторые виды радиоактивных изотопов, излучающих альфа радиацию, имеют продолжительный срок жизни, то попадая внутрь организма, они способны вызвать в клетках серьезные изменения и привести к перерождению тканей и мутациям.

Радиоактивные изотопы фактически не выводятся с организма самостоятельно, поэтому попадая внутрь организма, они будут облучать ткани изнутри на протяжении многих лет, пока не приведут к серьезным изменениям. Организм человека не способен нейтрализовать, переработать, усвоить или утилизировать, большинство радиоактивных изотопов, попавших внутрь организма.

Нейтронное излучение

излучаются: нейтроны
проникающая способность: высокая
облучение от источника: километры
скорость излучения: 40 000 км/с
ионизация: от 3000 до 5000 пар ионов на 1 см пробега
биологическое действие радиации: высокое

Нейтронное излучение - это техногенное излучение, возникающие в различных ядерных реакторах и при атомных взрывах. Также нейтронная радиация излучается звездами, в которых идут активные термоядерные реакции.

Не обладая зарядом, нейтронное излучение сталкиваясь с веществом, слабо взаимодействует с элементами атомов на атомном уровне, поэтому обладает высокой проникающей способностью. Остановить нейтронное излучение можно с помощью материалов с высоким содержанием водорода, например, емкостью с водой. Так же нейтронное излучение плохо проникает через полиэтилен.

Нейтронное излучение при прохождении через биологические ткани, причиняет клеткам серьезный ущерб, так как обладает значительной массой и более высокой скоростью чем альфа излучение.

Бета излучение

излучаются: электроны или позитроны
проникающая способность: средняя
облучение от источника: до 20 м
скорость излучения: 300 000 км/с
ионизация: от 40 до 150 пар ионов на 1 см пробега
биологическое действие радиации: среднее

Бета (β) излучение возникает при превращении одного элемента в другой, при этом процессы происходят в самом ядре атома вещества с изменением свойств протонов и нейтронов.

При бета излучении, происходит превращение нейтрона в протон или протона в нейтрон, при этом превращении происходит излучение электрона или позитрона (античастица электрона), в зависимости от вида превращения. Скорость излучаемых элементов приближается к скорости света и примерно равна 300 000 км/с. Излучаемые при этом элементы называются бета частицы.

Имея изначально высокую скорость излучения и малые размеры излучаемых элементов, бета излучение обладает более высокой проникающей способностью чем альфа излучение, но обладает в сотни раз меньшей способность ионизировать вещество по сравнению с альфа излучением.

Бета радиация с легкостью проникает сквозь одежду и частично сквозь живые ткани, но при прохождении через более плотные структуры вещества, например, через металл, начинает с ним более интенсивно взаимодействовать и теряет большую часть своей энергии передавая ее элементам вещества. Металлический лист в несколько миллиметров может полностью остановить бета излучение.

Если альфа радиация представляет опасность только при непосредственном контакте с радиоактивным изотопом, то бета излучение в зависимости от его интенсивности, уже может нанести существенный вред живому организму на расстоянии несколько десятков метров от источника радиации.

Если радиоактивный изотоп, излучающий бета излучение попадает внутрь живого организма, он накапливается в тканях и органах, оказывая на них энергетическое воздействие, приводя к изменениям в структуре тканей и со временем вызывая существенные повреждения.

Некоторые радиоактивные изотопы с бета излучением имеют длительный период распада, то есть попадая в организм, они будут облучать его годами, пока не приведут к перерождению тканей и как следствие к раку.

Гамма излучение

излучаются: энергия в виде фотонов
проникающая способность: высокая
облучение от источника: до сотен метров
скорость излучения: 300 000 км/с
ионизация: от 3 до 5 пар ионов на 1 см пробега
биологическое действие радиации: низкое

Гамма (γ) излучение - это энергетическое электромагнитное излучение в виде фотонов.

Гамма радиация сопровождает процесс распада атомов вещества и проявляется в виде излучаемой электромагнитной энергии в виде фотонов, высвобождающихся при изменении энергетического состояния ядра атома. Гамма лучи излучаются ядром со скоростью света.

Когда происходит радиоактивный распад атома, то из одних веществ образовываются другие. Атом вновь образованных веществ находятся в энергетически нестабильном (возбужденном) состоянии. Воздействую друг на друга, нейтроны и протоны в ядре приходят к состоянию, когда силы взаимодействия уравновешиваются, а излишки энергии выбрасываются атомом в виде гамма излучения

Гамма излучение обладает высокой проникающей способностью и с легкостью проникает сквозь одежду, живые ткани, немного сложнее через плотные структуры вещества типа металла. Чтобы остановить гамма излучение потребуется значительная толщина стали или бетона. Но при этом гамма излучение в сто раз слабее оказывает действие на вещество чем бета излучение и десятки тысяч раз слабее чем альфа излучение.

Основная опасность гамма излучения - это его способность преодолевать значительные расстояния и оказывать воздействие на живые организмы за несколько сотен метров от источника гамма излучения.

Рентгеновское излучение

излучаются: энергия в виде фотонов
проникающая способность:высокая
облучение от источника: до сотен метров
скорость излучения: 300 000 км/с
ионизация: от 3 до 5 пар ионов на 1 см пробега
биологическое действие радиации: низкое

Рентгеновское излучение - это энергетическое электромагнитное излучение в виде фотонов, возникающие при переходе электрона внутри атома с одной орбиты на другую.

Рентгеновское излучение сходно по действию с гамма излучением, но обладает меньшей проникающей способностью, потому что имеет большую длину волны.

Рассмотрев различные виды радиоактивного излучения, видно, что понятие радиация включает в себя совершенно различные виды излучения, которые оказывают разное воздействие на вещество и живые ткани, от прямой бомбардировки элементарными частицами (альфа, бета и нейтронное излучение) до энергетического воздействия в виде гамма и рентгеновского излечения.

Каждое из рассмотренных излучений опасно!

Сравнительная таблица с характеристиками различных видов радиации

характеристика	Вид радиации
характеристика	Альфа излучение	Нейтронное излучение	Бета излучение	Гамма излучение	Рентгеновское излучение
излучаются	два протона и два нейтрона	нейтроны	электроны или позитроны	энергия в виде фотонов	энергия в виде фотонов
проникающая способность	низкая	высокая	средняя	высокая	высокая
облучение от источника	до 10 см	километры	до 20 м	сотни метров	сотни метров
скорость излучения	20 000 км/с	40 000 км/с	300 000 км/с	300 000 км/с	300 000 км/с
ионизация, пар на 1 см пробега	30 000	от 3000 до 5000	от 40 до 150	от 3 до 5	от 3 до 5
биологическое действие радиации	высокое	высокое	среднее	низкое	низкое

Как видно из таблицы, в зависимости от вида радиации, излучение при одной и той же интенсивности, например в 0.1 Рентген, будет оказать разное разрушающее действие на клетки живого организма. Для учета этого различия, был введен коэффициент k, отражающий степень воздействия радиоактивного излучения на живые объекты.

Коэффициент k
Вид излучения и диапазон энергий	Весовой множитель
Фотоны всех энергий (гамма излучение)	1
Электроны и мюоны всех энергий (бета излучение)	1
Нейтроны с энергией < 10 КэВ (нейтронное излучение)	5
Нейтроны от 10 до 100 КэВ (нейтронное излучение)	10
Нейтроны от 100 КэВ до 2 МэВ (нейтронное излучение)	20
Нейтроны от 2 МэВ до 20 МэВ (нейтронное излучение)	10
Нейтроны > 20 МэВ (нейтронное излучение)	5
Протоны с энергий > 2 МэВ (кроме протонов отдачи)	5
Альфа-частицы, осколки деления и другие тяжелые ядра (альфа излучение)	20

Чем выше "коэффициент k" тем опаснее действие определенного вида радиции для тканей живого организма.

Видео: Виды радиации

Энергия излучения, поглощенная веществом, вызывает процессы возбуждения и ионизации. Возбуждение - это переход электрона в атоме на более высокий энергетический уровень, а ионизация - это отрыв одного или нескольких электронов от атома.

Ионизирующее излучение подразделяют на электромагнитное и корпускулярное ( табл. 396.2 ). Электромагнитное излучение состоит из сгустков энергии - фотонов. Фотоны не имеют массы и заряда, и теряют энергию, проходя через вещество. Энергию одного фотона можно вычислить по формуле: Е = hv, где h - постоянная Планка.

Ионизирующее и неионизирующее излучения различаются только энергией отдельных фотонов , а не общей энергией дозы. Связь длины волны электромагнитного излучения (лямбда) с его частотой (ню) описывается уравнением с = лямбда*ню, где с - скорость света. Таким образом, длина волны обратно пропорциональна частоте.

К электромагнитному излучению относят рентгеновское и гамма-излучение (длина волны порядка 1/10000000000 м, или 1 ангстрема). Они отличаются только источником: рентгеновское излучение - это результат преобразования кинетической энергии электронов при взаимодействии с атомами вещества, а гамма-излучение образуется при распаде радионуклидов.

Энергия фотона рентгеновского или гамма-излучения в килоэлектронвольтах (кэВ) равна 12,4/лямбда, где лямбда - длина волны в ангстремах.

Корпускулярное излучение - это поток частиц: электронов, тяжелых заряженных частиц (например, протонов, альфа-частиц, отрицательных пи-мезонов) или нейтронов. Частицы имеют определенную массу и заряд (кроме нейтронов, которые заряда не имеют) ( табл. 396.2 ). Заряженные частицы могут ускоряться в электрическом поле. Электроны (бета-частицы) имеют небольшую массу и отрицательный заряд и могут разгоняться почти до скорости света. В тканях они быстро теряют скорость и проникают лишь на небольшую глубину, поэтому электронно-лучевую терапию часто используют для лечения некоторых заболеваний кожи. Протоны заряжены положительно; их масса составляет около 1 (в атомных единицах массы) и превышает массу электронов почти в 2000 раз. При столкновении с веществом протоны теряют энергию и быстро останавливаются. Максимум потерь энергии и ионизации приходится на небольшой участок в конце пробега протонов, называемый пиком Брэгга. Глубина расположения пика Брэгга зависит от энергии протонов. Альфа-частицы - это ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Из-за большой массы и заряда они могут проходить через вещество, только обладая огромной кинетической энергией; в большинстве случаев для защиты от альфа-частиц достаточно листа бумаги.

Нейтроны имеют почти такую же массу, как и протоны, но не имеют заряда, и поэтому не могут ускоряться в электрическом поле. Нейтронное излучение образуется при столкновении заряженных частиц с бериллиевой или дейтериевой мишенью или при распаде тяжелых радионуклидов.

Одинаковые дозы различных видов излучения обладают разным биологическим эффектом. Например, действие 1 Гр нейтронов намного сильнее, чем такой же дозы рентгеновского излучения. В связи с этим введено понятие относительная биологическая эффективность ионизирующего излучения. Для количественной оценки относительной биологической эффективности применяют коэффициент качества - это безразмерная величина, равная отношению доз исследуемого и стандартного излучения (обычно рентгеновского с энергией фотона 250 кэВ), вызывающих одинаковый биологический эффект. Коэффициент качества зависит от линейной передачи энергии, дозы, мощности дозы и вида биологической системы. Обычно относительная биологическая эффективность рентгеновского, гамма-излучения и бета-частиц близка, но точная величина коэффициента качества зависит от энергии излучения. Так, рентгеновское излучение с более высокой энергией, чем стандартное, имеет меньший коэффициент качества. Плотноионизирующие излучения имеют более высокий коэффициент качества: в случае нейтронов и альфа-частиц для большинства биологических систем он приблизительно равен 3.

Линейная передача энергии - это отношение энергии, поглощенной веществом, к длине пробега ионизирующих частиц. Она служит количественной мерой плотности ионизации. Обычно линейная передача энергии выражается в килоэлектронвольтах на микрометр (кэВ/мкм); она прямо пропорциональна квадрату заряда частицы. Излучения с высокой и низкой линейной передачей энергии имеют разное биологическое действие: так, гипоксия в три раза ослабляет действие излучения с низкой линейной передачей энергии (например, рентгеновского и гамма-излучения), а при высокой линейной передаче энергии (например, у альфа-частиц) этот так называемый кислородный эффект отсутствует. Считается, что излучение с низкой линейной передачей энергии вызывает гибель клетки за счет накопления множественных повреждений ДНК, тогда как излучение с высокой линейной передачей энергии способно убить клетку, повредив ДНК в единственном месте. Некоторые величины линейной передачи энергии и коэффициентов качества приведены в табл. 396.3 .

Электромагнитное излучение, особенно рентгеновское, взаимодействует с веществом и вызывает ионизацию тремя путями: при помощи фотоэффекта, эффекта Комптона и образования электронно-позитронных пар. Фотоэффект преобладает при излучениях с низкой энергией (от 30 до 100 кэВ), которые используются в диагностической радиологии. Эффект состоит в том, что фотон взаимодействует с электроном одного из энергетических уровней атома (обычно К, L или М). Если энергия фотона превышает энергию связи электрона, то электрон покидает свою орбиту с кинетической энергией, равной разности между энергией фотона и энергией связи электрона. Фотоэлектрический эффект прямо пропорционален кубу атомного номера элемента Z; именно поэтому кости видны на рентгенограммах намного лучше, чем мягкие ткани.

У излучений с более высокой энергией, используемых в терапевтической радиологии, преобладает эффект Комптона. Он состоит в том, что при столкновении фотона с электроном, находящимся на орбите, часть энергии фотона переходит в кинетическую энергию электрона, а фотон, потеряв часть энергии, изменяет направление движения.

Фотоны с энергией выше 1,02 МэВ могут вызывать образование электронно-позитронных пар. Позитрон имеет такую же массу, как и электрон, но положительно заряжен. Пройдя небольшое расстояние, он соединяется с электроном из другой пары. При этом масса обеих частиц переходит в энергию с излучением в противоположных направлениях двух фотонов.

В очередном опусе Итана Сигеля резанула фраза

Пронаблюдав за удалёнными сверхновыми и измерив, как Вселенная расширялась миллиарды лет, астрономы обнаружили нечто удивительное, загадочное и неожиданное.

By observing distant supernovae and measuring how the Universe had expanded over billions of years, astronomers discovered something remarkable, puzzling and entirely unexpected

О какой неожиданности может идти речь? Там ведь совершенно шикарная история длиной в 80 лет с яркими открытиями и закрытиями. История про то, как на самом деле делается настоящая наука. История скорее про физиков, чем про физику.

О чём вообще весь сыр-бор?

Первую версию Общей Теории Относительности (ОТО) Альберт Эйнштейн представил публике 25 ноября 1915 года. В оригинале уравнения ОТО Эйнштейна выглядели вот так:

или, в современной записи, вот так:

Для неумеющего в тензоры читателя понятнее уравнение (1) в оригинальной записи Эйнштейна. Там написано, что энергия-импульс материи G равен кривизне пространства R плюс тензор Риччи S. (Этот самый тензор Риччи тоже есть кривизна, только в более другой форме).
Сейчас, решая уравнение ОТО, энергию-импульс обычно считают известным, а ищут как раз кривизну. Поэтому в современной записи стороны уравнения поменяли местами. Заодно поменяли буковки: G → T, S → R_μν.

Откуда есть пошла лямбда

Но физика — это вам не математика. Здесь нельзя взять формулу и напихать в неё добавочных слагаемых просто так. Нужно иметь очень веские основания, и теоретические, и экспериментальные.

Хотя ниже вы увидите, насколько мало Эйнштейн знал о Вселенной в те годы, но тогда, в 1916, такие основания у него были. Альберт Германович точно знал, что звёзды не попадали друг на друга и совершенно не собираются этого делать в обозримом будущем. Однако, в ОТО-1915 было только притяжение, которое нужно было чем-то сбалансировать.

Первое физическое толкование смысла лямбды

В такой трактовке ненулевое значение Λ означает, что наша Вселенная искривлена сама по себе, в том числе и при отсутствии какой-либо гравитации. Ну, вот такой нам достался мир. Однако, большинство физиков в это не верят, и считают, что у наблюдаемого искривления должна быть какая-то внутренняя причина. Какая-то неведомая доселе фигня, которую можно открыть.

На сегодняшний день измеренная кривизна пространства Вселенной таки равна нулю, но с очень паршивой точностью, порядка 0.4%. И не очень-то видно способов эту точность улучшить.
С измерениями кривизны есть две концептуальные проблемы.

Первая в том, что мы не можем измерить совсем пустое пространство, потому что просто ничего там не видим. А если там есть что-то, что мы таки видим, то пространство уже не пустое и, значит, уже дополнительно искривлено гравитацией.

Допустим, у нас есть как-то измеренные координаты объектов, плюс пачка фотографий этих объектов в разных ракурсах (снятых из разных точек). Тогда мы можем вычислить кривизну пространства. Например, гравитация Солнца отклоняет пролетающий мимо свет далёких звёзд. Во время солнечных затмений это отклонение можно измерить экспериментально и сравнить с предсказаниями ОТО.

Теперь наоборот: допустим, мы знаем кривизну пространства, и у нас есть пачка фотографий. Тогда, если кривизна достаточно хорошая, без чёрных дыр и т.п. — мы можем вычислить координаты объектов на фото. Именно так работают наши глаза, точнее мозги, когда вычисляют расстояние до объектов по двум фоткам с разных точек.

Поэтому измерить кривизну наблюдаемой Вселенной в целом мы можем только из очень окольных соображений.

Вселенная Фридмана

Meanwhile in Russia, не смотря на войны и революции, над теорией ОТО бился прапорщик (и по совместительству профессор) Александр Александрович Фридман. Он рассмотрел все варианты лямбд и выяснил следующее:

При Λ < 0 имеют место лишь силы притяжения, как гравитационные, так и вызванные кривизной ~~впуклого~~вогнутого пространства. Рано или поздно звёзды и галактики в таком мире таки попадают друг на друга. Причём конец будет неожиданно быстрым и очень горячим.

Но самое интересное происходит при Λ = 0. Здесь всё зависит от начальных условий — т.е. координат и скоростей конкретных галактик. Возможны три варианта: большое сжатие, большой разлёт и стационарный вариант, когда галактики разлетаются, но с относительно небольшими скоростями и без ускорения.

Сегодня вышеописанные ситуации называются космологическими решениями Фридмана.

Статьи Фридмана 1922 и 1924 годов отменяли необходимость в лямбда-члене, из-за чего поначалу были приняты Эйнштейном в штыки.

За свою работу Фридман вполне мог претендовать на Нобелевку.

Летом 1925 он женился, поехал в свадебное путешествие в Крым, съел там немытую грушу, заразился тифом и в сентябре — умер.

И да, статья Итана про примерно такой график (конкретно на этом учтены данные на 2010 год):

Здесь по горизонтали отложено z — это красное смещение, по вертикали наблюдаемая яркость сверхновых особого типа Ia, которые всегда выделяют одно и то же количество энергии. Вообще, это два способа измерения одного и того же расстояния, но, так сказать, в разные моменты времени.

Серые палки — наблюдавшиеся события с их погрешностью измерений. Синим пунктиром отложено предсказание при Λ = 0, красной линией — аппроксимация фактически наблюдаемых значений. Отклонение красной линии от прямой означает, что Вселенная расширяется ускоренно. Но Эйнштейн об этом так и не узнал.

Вселенная Каптейна

Перейдём к экспериментальной части.

Голландский астроном Якобус Корнелиус Каптейн открыл звезду Каптейна в 1897, после чего приступил к opus magnum всей своей жизни. Объединяя огромное количество наблюдений разных обсерваторий, он попытался создать первую карту Вселенной. По его карте выходило, что вселенная имеет форму вращающегося (sic!) диска крышесносящего по тем временам размера 40000 световых лет, причём Солнце находится отнюдь не в центре, а вполне себе на задворках. Закончена и опубликована эта работа была только в 1922.

Для понимания уровня тогдашних знаний: то, что Каптейн считал невероятно огромной Вселенной, сегодня считается совершенно рядовой, ничем не примечательной среди миллиардов таких же… галактикой Млечный Путь. Тем не менее, заслуга Каптейна в том, что он открыл её вращение и приблизительно вычислил её центр.

Наблюдения Хаббла (астронома, а не телескопа)

Статью со своими открытиями, из которой следовало, что Вселенная значительно больше, чем наш Млечный путь, Хаббл представил американскому астрономическому обществу первого января 1925. За что и был освистан ~~страдающими от похмелья~~ коллегами, едва свыкшимися с расстояниями Каптейна.

Хаббл не унимался и прикрутил к телескопу ещё и спектрометр. Анализируя красное смещение галактик, он выяснил, что галактики разбегаются, а Вселенная, соответственно, расширяется. Заодно он открыл закон имени себя с константой имени себя (впрочем, закон был предсказан Леметром), и описал всё это в статьях к концу 20-ых годов. Согласно его наблюдениям, оказалась верна модель Фридмана для Λ = 0.

Это выбило из-под лямбды теперь уже и экспериментальные основания её существования.

Здесь ещё нужно упомянуть, что первоначальные оценки Хаббла были очень уж неточными и показывали возраст Вселенной порядка 2 миллиардов лет. Позднее это войдёт в противоречие с данными геофизиков, которые при помощи радиоизотопного анализа оценят возраст Земли в несколько миллиардов лет, и десятилетиями будет сильнейшей головной болью для физиков-космологов.

Стационарная Вселенная Хойла

С начала 30-ых годов вопрос с лямбдой считался решённым, и из мейнстримных физиков ей никто толком не занимался. Одним из редких исключений, рискнувших попереть супротив самого Эйнштейна, стал британец Фред Хойл.

Речь пойдёт о гелии. Этот элемент феноменально инертен и не хочет ни с чем реагировать. Причём не только химически, но и физически тоже, если мы говорим про гелий-4. Его ядро — альфа частица — имеет пиковую энергию связи на нуклон в своей области. см. рис из какого-то реферата:

Это значит, что альфа-частица не может присоединить дополнительные протоны или другую альфа-частицу иначе как случайно: это просто-напросто энергетически невыгодно. А в ядрах звёзд ничего кроме протонов и альфа-частиц и нет.

Возникал резонный вопрос: а откуда, собственно, взялись химические элементы тяжелее гелия?

Ближайшее ядро, в которое может превращаться гелий-4, это углерод-12. Но для этого нужно объединить три альфа-частицы.

Проблема в том, что вероятность столкновения трёх альфа-частиц одновременно слишком мала. А двухшаговый процесс (сначала сталкиваются две частицы, потом очень быстро, пока они не разлетелись обратно на две альфа-частицы, в них врезается ещё одна), в принципе, возможен, но расчёты Эдвина Солпитера показывали, что такой процесс идёт слишком вяло, чтобы производить существенные количества углерода.

Однако, по расчётам Хойла выходило, что при наличии такого уровня в три-альфа процессе наступает резонанс, и звёзды — красные гиганты производят достаточно много углерода для нашего существования.

Удивительно, но американцы решили провести небольшой эксперимент на своём ускорителе. И да — триумфально нашли нужный энергетический уровень на 7.65 МэВ, который физики-ядерщики всего мира почему-то проглядели во всех предыдущих экспериментах.

Сегодня такое возбуждённое состояние углерода-12, когда три альфа-частицы фактически выстраиваются по линии, называется хойловским. Соответствующая статья Хойла, Фаулера и супругов-астрономов Джефри и Маргерит Бёрбиджей является краеугольным камнем современных теорий звёздного нуклеосинтеза и настолько часто цитируется, что обозначается просто B²FH, без ссылок и расшифровок.

И — да, на сегодня это чуть ли не единственное известное успешное предсказание на основе антропного принципа.

Однако, из квантовых флуктуаций постоянно рождается новое вещество, причём так, что средняя плотность материи остаётся одинаковой. Расчёты показывают, что в одном кубическом километре пространства должен рождаться всего-навсего один протон раз в 300000 лет (а так же один электрон или что-то типа того для сохранения электрического заряда). Прекрасное число, чтобы исключить любую возможность какой-либо экспериментальной проверки!

Теория стационарной Вселенной серьёзно рассматривалась как альтернатива теории Большого Взрыва в 50-х и начале 60-х. Но экспериментальное открытие в 1964 году предсказанного ТББ реликтового излучения поставило на ней крест.

За статью B²FH дали Нобелевку. Но только Фаулеру, который распорядился провести десятидневный эксперимент. Ни супругам Бёрбиджам, проводившим длительные астрономические наблюдения и собственно написавшим статью, ни автору идеи Хойлу нобелевку не дали — за упорствование в космологической ереси.

Квантовая лямбда

Вернёмся к уравнению ОТО.

Слева (в современной записи) стоит кривизна пространства, сиречь гравитация по ОТО. Справа — тензор энергии-импульса. Под этим тензором стоит жутко сложный матан, но суть в следующем: там учтена вся-вся-вся материя Вселенной во всех видах и состояниях. И обычное вещество, и всякие хитрые частицы, и все виды излучений (кроме гравитации, которая слева).

Теперь мысленно перенесём лямбду вправо. В такой записи это будет не дополнительная кривизна, а какая-то неучтённая энергия (замечу, отрицательная, раз уж мы считаем лямбду положительной). И здесь просматриваются две возможности.

Первая гипотеза состоит в том, что лямбда — это энергия собственно вакуума. Звучит диковато, но на самом деле вполне согласуется с квантовой механикой. Возьмём кусок пространства и уберём из него всё, что хотя бы в принципе можно убрать. Уберём всё вещество, все частицы и все волны, независимо от их природы. Останутся только физические поля в невозмущённом состоянии. Полный штиль.

Так вот, у некоторых полей (например, Хиггсовских) в пустоте ненулевое значение. И теоретически у них есть некоторая энергия. Кроме того, в силу принципа неопределённости у любых полей есть квантовые флуктуации — и они тоже имеют некоторую энергию.

Вместо заключения

Я уже привык к тому, что для большинства людей радиация — область мифологии, а не науки. Но тут наткнулся на эту запись, в которой уже типа профессионал объясняет безумную опасность советских датчиков дыма. После этого решил, что стоит таки заняться просветительством.

Вред радиации

Зато известно другое: к разным факторам человек имеет разную чувствительность. Так, например, человек хорошо себя чувствует при температуре 300 К (27 °C), но если изменить её всего на 10%, до -3 °C или 57 °C, то без защитного снаряжения (соответствующей одежды) лишь немногие тренированные люди смогут выжить. Если изменить её на 20%, до -33 °C или 87 °C, то ни один человек без защиты долго не выживет. А вот плавное изменение освещённости в 10-20 раз человек не замечает вообще. Разница между ярким искусственным освещением и освещённостью на улице в солнечный день — около 1000 раз… Разумеется, в полной темноте человек хоть и может выживать, но с большим трудом, а слишком яркое освещение уже вызовет проблему с температурой. Но в общем и целом допустимый диапазон изменений — многие тысячи раз.

Какова чувствительность человека к радиационному облучению? Достаточно низкая. Природный уровень радиации в разных уголках планеты меняется крайне значительно. Если в среднем по всей Земле человек получает дозу 2,4 мЗв в год, то в некоторых местах — лишь 1 мЗв, а в других — 10, а то и 15-20 с лишним. Но никаких достоверных данных, показывающих, что этот разброс оказывает влияние на здоровье, не обнаружено. Так, например, повышенным дозам облучения подвергаются жители Швейцарии, которая славится высокой продолжительностью жизни своих граждан. Ещё больше дозы радиации получают космонавты — около 0,5 мЗв в… день! Т.е. за месяц они получают столько, сколько жители самых радиоактивных уголков планеты за год.

Конечно, это не повод лезть на экскурсию под саркофаг четвёртого энергоблока ЧАЭС. Там вы за минуту получите дозу больше, чем за месяц на МКС, а такое облучение совершенно достоверно оказывает крайне неблагоприятное влияние на продолжительность жизни. Но и бояться всего и вся тоже не стоит.

Единицы измерения радиации

Начнём с того, что на слуху — рентгена (Р). В рентгенах измеряется только исключительно рентгеновское и гамма-излучение. Этой единицей измеряют так называемую экспозиционную дозу, т.е. то, сколько ионов рождает излучение в сухом воздухе. Она предельно удобна при измерениях с помощью ионизационной камеры, т.к. этот тип датчика измеряет именно количество ионов (точнее — их суммарный заряд). Дозу в рентгенах можно получить напрямую, в то время как все остальные дозы измеряются опосредованно, оставляя простор для ошибок измерений. Но, с другой стороны, эта доза не указывает напрямую то, какой вред излучение наносит человеку, да и для бета- и альфа-излучения с прочими нейтронами ею пользоваться нельзя, она для них не определена.

Следующая единица — это рад. Рад — это единица поглощённой дозы любого излучения. Т.е. то, сколько энергии ионизирующего излучения поглотила единица массы вещества. Рад равен 100 эрг на 1 грамм или 0,01 Дж на 1 кг. Также в радах измеряется керма. Керма — это сколько кинетической энергии получают заряженные частицы вещества при поглощении этим веществом ионизирующего излучения, не несущего заряд (гамма, нейтроны). В большинстве случаев поглощённая доза и керма весьма точно совпадают, так что не забивайте себе этим голову. Если воздух поглотит 0,88 рад гамма-излучения, то в нём появится ионов на 1 Р. Можно условно сказать, что 1 Р = 0,88 рад, а 1 рад гамма-излучения равен 1,14 Р. Впрочем, т.к. всё равно воздух неточно соответствует тканям человека, да и ткани есть разные, плюс погрешность дозиметров редко бывает меньше 20%, обычно считают 1 Р = 1 рад. Недостатком рада, а точнее — поглощённой дозы, является то, что она не учитывает существенно разное действие на организм различных видов излучения.

Далее у нас идёт грей (Гр). Грей — это аналог рада в системе СИ. 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад.

Ну и, наконец, зиверт (Зв). Это — аналог бэра в СИ. 1 Зв = 100 бэр. Соответственно, мЗв, который я использовал в первом разделе, равен 0,001 Зв или 0,1 бэр.

Кроме дозы есть ещё активность радиоактивного вещества. Т.е. то, сколько распадов в нём происходит за определённое время. Активность измеряют либо в кюри (Ки), либо в беккерелях (Бк). Кюри — активность одного грамма радия-226, очень большая величина. Беккерель — один распад в секунду, очень малая величина. 1 Ки = 37 ГБк.

Чтобы было проще ориентироваться, приведу некоторые числа:
— уровень гамма-радиации в моей комнате примерно 7 мкР/ч, 0,07 мкГр/ч и 0,07 мкЗв/ч (мощности соответственно экспозиционной, поглощённой и эквивалентной доз). Уровень гамма-радиации на отделанных гранитом платформах Московского метро примерно вдвое выше (плюс доза альфа-облучения лёгких от повышенного уровня радона);
— единовременная доза, при которой может начаться лучевая болезнь — 100 Р, 1 Гр и 1 Зв;
— активность природного радиоактивного калия-40 в банане составляет примерно 20 Бк, в килограмме бананов — 130 Бк.

Приборы измерения радиации

В принципе есть огромное количество разных приборов и методов измерения радиации, но я тут расскажу только о том, с чем в принципе может столкнуться человек, не работающий в соответствующих направлениях.

Есть ещё программные дозиметры для смартфонов, использующие закрытую непрозрачным материалом фотокамеру в роли эрзац детектора. Они реально работают, но по моему опыту ждать от них точности не приходится, могут ошибаться в разы в любую сторону.

Стоит также отметить, что при небольших уровнях радиации показания всех приборов оказываются не слишком точными: они фиксируют за цикл измерения лишь порядка десятка частиц, так что статистическая погрешность становится сравнимой с измеряемой величиной. Если сейчас прибор показывает 0,07 мкЗв/ч, а через минуту — 0,14 мкЗв/ч, это абсолютно не значит, что уровень радиации возрос в два раза. Скорее всего он как был 0,10 мкЗв/ч, так и остался.

Индикатор радиоактивности на месте радиоактивного заражения

Профессиональный сцинтилляторный дозиметр на месте радиоактивного заражения (уровень радиации — цифры внизу)

Программный дозиметр. В данном конкретном случае в 3-4 раза занижает показания

Радиация в быту

Какие источники радиации можно встретить в быту? Самые разные.
Например, всё, что содержит много калия, калийные удобрения, диетическая соль с добавкой калия и т.д., радиоактивно из-за содержания природного калия-40. Человек, кстати, тоже радиоактивен, т.к. калий — неотъемлемый элемент организма.
Если же брать источники по-серьёзнее, то это — торированные сварочные электроды (например, марки WT-20), некоторые старые объективы с добавкой оксида тория в стекло, некоторые старые часы и прочие приборы с радиевой подсветкой шкалы (сейчас подсветка уже не работает из-за выгорания люминофора, радий же сохраняется тысячи лет), ионизационные датчики дыма на америции-241, старые ионизационные датчики дыма на плутонии-239 (оружейного качества, кстати) и т.д.
До тех пор, пока всё это остаётся целым и невредимым, оно, как правило, опасности не представляет. Проблемы могут возникнуть только при разрушении приборов, т.к. в этом случае частички альфа-активных материалов могут попасть в лёгкие и там создать сильное локальное облучение. Риск раковых заболеваний при этом сильно возрастает. Кстати, рак лёгких у курильщиков в заметной степени вызван тем же: табак содержит альфа-активный полоний-210, тот самый, которым Литвиненко отравили.

Реально большую опасность представляют только промышленные источники радиации, действующие рентгеновские аппараты и неконтролируемые аварийные выбросы. К счастью, столкнуться с ними простому человеку не так-то просто. Хотя история прецеденты знает…

Плутониевый источник из датчика дыма РИД-1. Тот самый, про который рассказывают страшилки в статье, спровоцировавшей написание этого текста. Пока цел, существенной опасности не представляет.

Относительно безопасный прибор с радиевой подсветкой

Большое скопление относительно безопасных приборов может быть уже не таким безопасным

Редкий пример прибора с радиевой подсветкой, в десяток с лишним раз выходящий за допустимые пределы

Промышленный источник, который может представлять реальную опасность

Заражённая местность

Результат неконтролируемого аварийного выброса полвека назад

Активная зона ядерного реактора

Читайте также: