Естественный радиационный фон, источники радиации и способы защиты от нее

Виды радиоактивных излучений

Изучая природу радиоактивного излучения, его подвергли воздействию электрического и магнитного полей. Результатом эксперимента стало разделение лучей на положительные и отрицательные, и понимание их неоднородности.

Были открыты закон распада, виды излучений и типы радиоактивности: α-распад, β-превращение, γ-излучение, нейтронное излучение, протонная, кластерная радиоактивности.

Проникая в среду, радиация взаимодействует с атомами, возбуждает их и вырывает электроны. Нейтральные атомы превращаются в положительно заряженные ионы – первичная ионизация. Выбитые электроны за счет собственной энергии сталкиваются с атомами среды и создают вторичную ионизацию.

Растеряв энергию, электроны становятся свободными и образуют отрицательные ионы.

Альфа излучение

Есть 40 природных α-активных ядер и 200 созданных человеком. Альфа излучение – это поток частиц из них.

Проникая через слой вещества, α-частица вступает в неупругое взаимодействие с его атомами и молекулами, ускоряет электроны до преодоления кулоновских ядерных сил и производит ионизацию.

Впоследствии, когда энергия частицы уменьшается, она присоединяет 2 свободных электрона и становится атомом гелия.

Пробег частицы в воздухе 10-11 см, а в тканях тела человека – микроны. Ее большая масса препятствует отклонению от прямого пути.

При внешнем воздействии этого типа излучения на кожу – опасности нет. Если радиоактивный элемент попадет во внутрь с пищей, водой или через рану, то нанесет непоправимые последствия для организма за счет продолжительного времени распада.

Нейтронное излучение

Этот тип излучения используется в оружии массового поражения – нейтронной бомбе. Она способна уничтожать живые объекты, оставляя нетронутыми здания, сооружения, технику.

Нейтральные частицы легко проникают сквозь любую среду и взаимодействуют с ядрами элементов. Отдавая им часть своей энергии, создают вторичную (наведенную) радиацию. Надежной защиты от поражающего фактора не существует. Задержать частицы способны большие объемы воды и некоторые виды полимеров, многослойные среды.

Бета-излучение

Бета-излучение представляет собой поток позитронов и нейтрино или электронов и антинейтрино. Существует третий вариант – k-эффект (захват электрона). Ядро поглощает электрон из оболочки и один из протонов становится нейтроном, при этом испускает нейтрино.

β-излучение распространяется со скоростью близкой к скорости света, сильно отклоняется в электромагнитных полях, но обладает меньшей в сотни раз ионизирующей способностью, чем α-частицы.

За счет лучшего сохранения энергии бета-частицы пробегают большее расстояние – от десятков метров в газах до нескольких мм в металлах. Проникновение в живые ткани – 1,5 см.

Гамма излучение

Y-излучение проникает в свинец на 5 см. В газах распространяется на сотни метров, тело человека «прошивает» насквозь.

Y-частицы – фотоны, создают Комптон-эффект и фотоэффект, образуют электронно-позитронные пары, что подтверждает возможность превращения электромагнитной волны в вещество – единую картину мира.

Рентгеновское излучение

В волновом спектре рентгеновское излучение расположено между ультрафиолетовыми лучами и γ-излучением.

Для создания потока фотонов на рентгеновских частотах используют электровакуумные приборы – трубки. В них 99% затрат энергии – тепловые потери, и 1% создает требуемое излучение.

По степени воздействия лучи относят к мягким или жестким. Для биологических объектов они мутагенные, приводят к ожогам, раку и лучевой болезни.

Народные средства

Существует устоявшийся миф о «защитном» действии спиртного, однако он не имеет под собой никакого научного обоснования. Даже если красное вино содержит природные антиоксиданты, которые теоретически могли бы выступать в роли радиопротекторов, их теоретическая польза перевешивается практическим вредом от этанола, который повреждает клетки и является нейротоксическим ядом.
Чрезвычайно живучая народная рекомендация пить йод, чтобы не «заразиться радиацией» оправдана разве что для 30-километровой зоны вокруг свежевзорвавшейся АЭС. В этом случае используется йодид калия, чтобы «не пустить» в щитовидку радиоактивный йод-131 (период полураспада — 8 суток). Используется тактика меньшего зла: пусть лучше щитовидная железа будет «забита» обычным, а не радиоактивным йодом. И перспектива получить расстройство функций щитовидки меркнет перед раком или даже летальным исходом. Но вне зоны заражения глотать таблетки, пить спиртовой раствор йода или мазать им шею спереди не имеет никакого смысла — профилактического значения это не имеет, а вот заработать йодное отравление и превратить себя в пожизненного пациента эндокринолога можно легко.

От внешнего альфа-облучения защититься проще всего: для этого достаточно листа бумаги. Впрочем, большая часть альфа-частиц не проходит в воздухе и пяти сантиметров, так что защита может потребоваться разве что в случае непосредственного контакта с радиоактивным источником. Куда важнее защититься от попадания альфа-активных изотопов внутрь организма, для чего используется маска-респиратор, а в идеале — герметичный костюм с изолированной системой дыхания.

Наконец, от быстрых нейтронов лучше всего защищают богатые водородом вещества. Например, углеводороды, самый лучший вариант — полиэтилен. Испытывая столкновения с атомами водорода, нейтрон быстро теряет энергию, замедляется и вскоре становится неспособен вызывать ионизацию. Однако такие нейтроны все еще могут активировать, то есть преобразовывать в радиоактивные, многие стабильные изотопы. Поэтому в нейтронную защиту часто добавляют бор, который очень сильно поглощает такие медленные (их называют тепловыми) нейтроны. Увы, толщина полиэтилена для надежной защиты должна быть как минимум 10 см. Так что она получается ненамного легче, чем свинцовая защита от гамма-излучения.

Техногенный радиационный фон

Радиация от медицинских процедур

Радиация от медицинских процедур 600 мк3в 15,3%

По некоторым оценкам, глобальное среднее воздействие на человека искусственной радиации составляет 600 мкЗв, в первую очередь оно связано с проведением медицинских процедур. Количество получаемого облучения в значительной степени зависит от оборудования и специфики медицинского обслуживания. В разных странах оно разное. В США, например, среднее количество получаемого облучения значительно выше, оно составляет 3000 мкЗв в год. В России оно значительно меньше.

Типичный рентген грудной клетки – 30 — 300 мкЗв. Стоматологический рентген — 5 до 10 мкЗв. Другие антропогенные причины получения радиации: курение, радиоактивные строительные материалы, исторические испытания ядерного оружия, аварии на АЭС и функционирование АЭС.

Потребительские товары

Потребительские товары 130 мк3в 3,3%

Сигареты, строительные материалы и т.д. имеют также радиационный фон. Сигареты содержат полоний-210, продукт распада радона, который содержится в листьях табака. Очень активные курильщики, выкуривающие по 1,5 пачки в день, получают дозу облучения 60 000 мкЗв в год. Поскольку доза радиации получается курильщиком локально в бронхах легких, то ее нельзя сравнивать с допустимыми нормами радиации, так как они рассчитаны на действие радиации на тело целиком.

По некоторым оценкам, потребительские товары дают 130 мкЗв в год.

Применение ядерного оружия

Применение ядерного оружия 5 мк3в 0,1%

Надземные ядерные взрывы между 1940 и 1960 гг. привели к выбросу значительного количества радиоактивных веществ. Некоторые загрязнения являются локальными, некоторые распространились по всему миру. В 1963 г. эти загрязнение достигло своего пика. Они давали фон около 150 мкЗв в год. И составляли около 7% от среднего радиационного фона всех источников. К 2000 году во всем мире радиационный фон, связанный с этими загрязнениями, снизился до 5 мкЗв в год.

Аварии на АЭС

Авария на Чернобыльской АЭС 2 мк3в 0,1%

В нормальных условиях ядерные реакторы выпускают небольшое количество радиоактивных газов, которые создают ничтожно-маленький уровень радиации. Большие выбросы радиоактивности на АЭС крайне редки. До настоящего времени было две крупных аварии на АЭС – это авария на Чернобыльской АЭС и Фукусима I. Эти аварии привели к существенному загрязнению окружающей среды.

Жители пострадавших районов от аварии на Чернобыльской АЭС получили общую дозу от 10 000 до 50 000 мкЗв за 20 с лишним лет, при этом большая часть дозы была получена в первые годы после катастрофы. Ликвидаторы получили дозу более 100 000 мкЗв. Из-за острой лучевой болезни скончалось 28 человек. Сейчас доза радиации по всему миру от Чернобыльской аварии составляет около 2 мкЗв.

Радиационный фон от чернобыльской АЭС

Жители пострадавших районов от аварии на Фукусима I в общем получили дозу между 1 000 и 15 000 мкЗв. 167 ликвидаторов получили дозы выше 100 000 мкЗв, и 6 из них получили дозу более 250 000 мкЗв.

Средняя доза от аварии на АЭС Три-Майл-Айленд составила 10 мкЗв.

Кроме гражданских аварий, указанных выше, было несколько аварий, связанных с военными объектами, таких как авария в Уиндскейле, загрязнения реки Теча ядерными отходами производственного объединения Маяк, и Кыштымская авария.

Радиационный фон на действующих АЭС

Рядом с АЭС, как правило, создается дополнительный фон порядка 0,1 мкЗв в год (очень небольшой), средняя доза получаемая людьми, живущими возле ТЭЦ, работающих на угле, в три раза выше!

Радиация на рабочем месте

Международная комиссия по радиологической защите (МКРЗ) рекомендует ограничить воздействие радиации на месте работы до 50 000 мкЗв в год, и 100 000 мкЗв за 5 лет.

Также есть и другие техногенные источники, например, такие как просмотр телевизора, который дает около 10 мкЗв в год. Оставим на прочие источники 1%.

Космическое излучение

Космическое излучение — это поток элементарных частиц, излучаемых космическими объектами в результате их жизни или при взрывах звезд.

Источником космического излучения в основном являются взрывы «сверхновых», а также различные пульсары, черные дыры и другие объекты вселенной, в недрах которых идут термоядерные реакции. Благодаря непостижимо большим расстояниям до ближайших звезд, которые являются источниками космического излучения, происходит рассеивание космического излучения в пространстве и поэтому падает интенсивность (плотность) космического излучения. Проходя расстояния в тысячи световых лет, на своем пути космическое излучение взаимодействует с атомами межзвездного пространства, в основном это атомы водорода, и в процессе взаимодействия теряют часть своей энергии и меняют свое направление. Несмотря на это, до нашей планеты все равно со всех сторон доходит космическое излучений невероятно высоких энергий.

Космическое излучение состоит:

• на 87% из протонов (протонное излучение)
• на 12% из ядер атомов гелия (альфа излучение)
• Оставшийся 1 % — это различные ядра атомов более тяжелых элементов, которые образовались при взрыве звезд, в ее недрах, за мгновение до взрыва
• Так же в космическом излучении присутствуют в очень небольшом объеме — электроны, позитроны, фотоны и нейтрино

Все это продукты термоядерного синтеза происходящего в недрах звезд или последствия взрыва звезд.

Свой вклад в космическое излучение вносит ближайшая к нам звезда — Солнце. Энергия излучения от Солнца на несколько порядков ниже, чем энергия космического излучения, приходящего к нам из глубин космоса. Но плотность солнечной радиации выше плотности космического излучения, приходящего к нам из глубин космоса.

Состав излучения от солнца (солнечная радиация) отличается от основного космического излучения и состоит:

• на 99% из протонов (протонное излучение)
• на 1 % из ядер атомов гелия (альфа излучение)

Все это продукты термоядерного синтеза проходящего в недрах Солнца.

Как мы видим, космическое излучение состоит из наиболее опасных видов радиоактивного излучения — это протонное и альфа излучение.

Если Земля не обладала бы газовой атмосферой и магнитным полем, то шансов у биологических видов на выживание просто бы не было

Но благодаря магнитному полю Земли, большая часть космического излучения отклоняется магнитным полем и просто огибает Земную атмосферу проходя мимо. Оставшаяся часть космического излучения, проходя сквозь атмосферу Земли, взаимодействуя с атомами газов атмосферы, теряет свою энергию. В результате множественных атомных взаимодействий и превращений до поверхности Земли вместо космического излучения, состоящего из протонного и альфа излучения, доходят потоки менее опасных и обладающими на порядки меньшими энергиями — это потоки электронов, фотонов и мюонов.

Что получаем в итоге?

В итоге, космическое излучение проходя защитные механизмы Земли, не только теряет почти всю свою энергию, но и претерпевает физическое изменение в процессе ядерного взаимодействия с газами атмосферы, превращаясь в фактически безопасное, обладающее низкой энергией излучение в виде электронов (бета излучение), фотонов (гамма излучение)и мюонов.

В пункте 9.1 МУ 2.6.1.1088-02 указано нормативное значение эквивалентной дозы радиации получаемой человеком от космического излучения, это

0,4 мЗв/год или

400 мкЗв/год или

0,046 мкЗв/час

Как измерить уровень излучения с помощью камеры смартфона

CMOS-матрицы в камерах смартфонов чувствительны не только к видимому свету. Они воспринимают и более короткие волны — рентгеновское и гамма-излучение.

За время выдержки для среднего фото (до 100 мс) следов воздействия такого излучения матрица не зафиксирует. К тому же его перекроет излучение в видимом диапазоне.

Но выход есть! Заклейте камеру черной изолентой. Она защитит от видимого излучения, но позволит рентгеновским и гамма-фотонам попадать на матрицу. После этого приложению останется только подсчитать количество фотонов и преобразовать это значение в понятные единицы измерения. 

Насколько точно это работает? В 2014 году специалисты Австралийской организации по ядерной науке и технологиям (ANSTO) протестировали приложение Radioactivity Counter на Samsung Galaxy S2 и Apple iPhone 4S. Они определяли поглощенную предметами дозу излучения в мкГр/ч (для гамма-излучения единицы Гр (грей) и Зв эквивалентны). 

Точный дозиметр должен показать линейный отклик на разные дозы радиации. Результаты не должны зависеть от ориентации смартфона в пространстве. 

В целом смартфоны хорошо справились с задачей. Samsung показал линейный отклик при мощности излучения от 20 микрогрей в час (мкГр/ч, 10-6 Гр/ч), iPhone – от 30 мкГр/ч (в смартфоне Apple использовали фронтальную камеру, на которую мог попадать свет от экрана). От ориентации устройства показатели не зависели. 

Мощность измеренной дозы обеспечивает годовую дозу радиации около 0,18-0,26 Зв (для гамма-излучения 1 Зв эквивалентен 1 Гр). Это в 180-260 раз больше безопасной по российским стандартам нормы. 

Если смартфон обнаружил такое или более высокие значения, вы достаточно быстро и без последствий сможете убраться подальше от источника излучения.

Приложение Radioactivity Counter платное, но дозиметры, как правило, дороже. Версия для iOS, для Android. 

На измерение стоит потратить не менее 10 минут. А лучше – целый час, так результат будет точнее. 

Исследований на тему CMOS-матриц и фиксации излучения много: вот еще один пример. А здесь есть сравнение чувствительности CMOS-матриц смартфонов к излучению и тесты в разных приложениях: GammaPix, Radioactivity-Meter, RadSensor и уже упомянутом Radioactivity Counter. 

Что такое естественная радиоактивность материалов

Естественная радиация в природе существовала всегда. Один из ее источников – излучение земной коры. В ее толще залегают породы, из которых производят многочисленные строительные материалы. Многие из них до сих пор хранят следы радиоактивного прошлого нашей планеты.

К наиболее вредным строительным материалам причисляют:

• гранит
• кварцевый диорит
• графит
• туф
• пемзу

Все они выделяют достаточно большое количество радона, поэтому для внутренней отделки перечисленные материалы лучше не использовать. Кирпич, бетон и дерево в этом смысле считаются сравнительно безопасными. Причем радиоактивность силикатного кирпича ниже, чем красного.

Относительно невысока удельная активность радионуклидов у карбонатных горных пород – мрамора и известняка. Средним уровнем естественной радиоактивности отличаются песок и гравий. Уровень радиации стекловолокна, фосфогипса обычно находится в допустимых пределах, но ради собственной безопасности стоит проверять и их.

Распространенные заблуждения о радиоактивности некоторых стройматериалов

Радиоактивность древесины выше, чем кирпича. Это заблуждение появилось после того, как люди начали измерять уровни радиационного фона внутри домов, построенных из этих материалов. При этом самыми высокими оказались показатели, снятые в деревянных строениях. На самом деле причина этого в том, что большинство деревянных домов – малоэтажные, то есть комнаты там расположены близко к земле, которая считается основным естественным источником радона.

Бетон – опасный радиоактивный материал. Мнение о высокой радиоактивности бетона распространилось после серии статей о повышенном радиационном фоне в панельных домах. На самом деле это не так. Радиоактивность этого материала многократно ниже, чем у кирпича. К тому же, основная его часть обычно сконцентрирована в фундаменте дома. Еще один аргумент: на крупных предприятиях по производству бетона безопасность продукции контролируют, а в качестве сырья используют щебень, добытый из сертифицированных мест.

Но тем не менее опасность, связанная с радиоактивностью наполнителей для изготовления этого строительного материала существует. Поэтому, если вы замешиваете бетон самостоятельно, желательно проверить используемый для этого щебень и песок дозиметром. Это поможет убедиться в том, что данный материал можно использовать при строительстве жилых зданий. Проверка требуется в основном гранитному щебню, так как гравийный материал в зону риска практически не входит.

В чем опасность радиоактивных строительных материалов

Радиоактивность некоторых используемых в строительстве материалов может нанести вред здоровью. При распаде радионуклидов, входящих в их состав (радия-226, калия-40, тория-232), выделяется радиоактивный газ радон. Его объемная активность в воздухе непроветриваемых помещений (подвалов, подземных станций метро), бывает в 10 и более раз выше, чем в открытой атмосфере.

Радон выделяется в воздух в два этапа. Сначала он проникает из материала в поры элементов строительного объекта. Затем постепенно распространяется через микрощели и трещины. При этом часть его распадается и попадает в воздух помещения. Больше всего радона скапливается на первых этажах зданий.

Опасность радиоактивных строительных материалов в том, что исходящее от них излучение может значительно ухудшать экологию помещения. Вследствие этого людей беспокоят:

• головные боли,
• аллергия,
• плохое самочувствие.

Более того, поступая в легкие, радон распадается с выбросом альфа-частиц. Это может вызывать микроожоги тканей и их злокачественное перерождение.

Как проверить стройматериал на радиоактивность

Уровень природной радиоактивности строительных материалов ограничивается нормами радиационной безопасности (НРБ –99/2009). Этот нормативный документ устанавливает три класса стройматериалов с разной величиной эффективной удельной активности природных радионуклидов (Аэфф). Так, для строительства и ремонта жилых и общественных зданий допускается использовать материалы с Аэфф не более 370 Бк/кг.

Дозиметр поможет вам аргументированно отклонить даже выгодное предложение о покупке вредных строительных материалов, которые иногда поступает от недобросовестных продавцов и поставщиков. Кроме того, с этим прибором вы легко проверите свою квартиру, офис, производственное помещение на предмет радиационной безопасности.

Поглощенная доза

Допустимые дозы облучения согласно НРБ-99:

1. За год – до 1 мЗв, что составляет 0,57 мкЗв/ч (57 микрорентген/час). За любые пять лет подряд – не более 5 мЗв. В год — не более 5 мЗв. Если человек получил дозу облучения за год 4 мЗв, за прочие четыре года должно быть не более 1 мЗв.
2. За 70 лет (берется как средняя продолжительность всей жизни) – 70 мЗв.

Обратите внимание: 0,57 мкЗв/ч – это верхнее значение, считается, что безопасно для здоровья – в 2 раза меньше. Оптимально: до 0,2 мЗв/час (20 микрорентген/час) – именно на эту цифру и стоит ориентироваться

Внимание: эти нормы радиационного фона не учитывают естественный уровень, который колеблется в зависимости от местности. Порог для жителей равнин будет ниже

Это пределы для гражданского населения. Для профессионалов они в 10 раз выше: допустимо 20 мЗв/год за 5 лет подряд, при этом необходимо, чтобы в один год выходило не более 50.

Допустимая, безопасная радиация для человека зависит и от длительности облучения: без вреда для здоровья можно провести несколько часов при внешнем облучении 10 мкЗв (1 миллирентген/час), 10-20 минут – при нескольких миллирентген. Выполняя рентген грудной клетки пациент получает 0,5 мЗв, что составляет половину годовой нормы.

Радиация бывает разная

Радиацией ученые называют разные вещи, среди которых та самая, рукотворная и смертоносная, не столь уж заметна. В широком смысле радиация — это любое излучение, включая почти безобидный солнечный свет. Например, метеорологи употребляют термин «солнечная радиация» для оценки количества тепла, которое получает поверхность нашей планеты.

Часто радиацию отождествляют с ионизирующим излучением, то есть лучами или частицами, способными оторвать от атомов и молекул электроны. Именно ионизирующее излучение повреждает живые клетки, вызывает поломки ДНК. Это та самая радиация, но она далеко не всегда рукотворна.

Если излучение не ионизирующее, оно все равно может быть вредным. Как гласит поговорка астрономов, посмотреть на Солнце в телескоп без фильтра можно всего два раза: правым и левым глазом. Тепловое излучение вызывает ожоги, а пагубный эффект СВЧ известен всем, кто неправильно рассчитывал время пребывания еды в микроволновке.

Свойства радионуклидов и виды радиации

Вся наша планета, в том числе и земная кора, состоит из более или менее радиоактивных веществ, к которым относятся и изотопы, содержащиеся в некотором количестве в организме человека. Все это составляет естественный радиационный фон Земли, который, по утверждению ученых, сейчас сравнительно ниже, чем в ранний геологический период.

Виды радиации

Радиоактивные ядра способны испускать 3 вида радиации:

• альфа-излучение;
• бета-излучение;
• гамма-излучение.

Альфа-частицы, которые образуются в процессе альфа-распада тяжелых ядер, содержат по 2 протона и нейтрона.

Бета-частицы представляют собой электроны или позитроны, которые высвобождаются при бета-распаде радиоактивного ядра.

Гамма-кванты сопровождают один из вышеуказанных распадов и имеют волновую природу, чем проявляют сходство со световой энергией. Но электромагнитное излучение гамма-квантов отличается намного большей мощностью и, как следствие, проникающей способностью.

Проникающая способность радиации

Если снова вернуться к сравнению радиоизлучения со световым потоком, можно вспомнить, как легко можно защититься от лучей света – лишь войдя в тень или накрывшись любым светонепроницаемым материалом. С радиационными лучами все гораздо сложнее: их проникающая способность превосходит световую в несколько раз и требует специальных средств защиты.

Источниками всех видов радиации могут быть и природные, и техногенные факторы.