Правда и легенды о радиации.
статья по биологии (8, 9, 11 класс)

ГБОУ 152

автор учитель химии

кандидат химических наук

Евгений Михайлович Рубцов

Правда о радиации

(учебное пособие)

Учебное пособие для учащихся 9, 11 классов

С-Петербург

2021

Пособие можно использовать (фрагмнтарно) при изучении темы «Строение ат ома» в 9-х и 11-х классах на уроках химии, а также в соответствующих разделах программ на уроках физики и биологии.

3  

Когда в самом конце апреля 1986 года взорвался четвёртый энергоблок атомной электростанции в Чернобыле, в обиход советских людей вошло не очень понятное но страшноватое слово «радиация». Этот термин был до этого известен лишь жителям закрытых городов и режимных институтов (Челябинск-65, Семипалатинск, Радиевый институт им. В.Г.Хлопина) и наличие этой страшилки на работе позволяло пораньше выйти на пенсию, купить автомобиль без очереди, а в заводском буфете побаловать себя мясными деликатесами, недоступными даже обычному населению Москвы и Ленинграда. Летом того же года на пляжах Гагр, обычно полностью покрытых отдыхающими, было непривычно пустынно - народ знал, что вредная зараза уже добралась до черноморских курортов. Осенью на рынках европейской части страны самым популярным был вопрос: Откуда картошечка? Ленинградское телевидение успокаивало покупателей, демонстрируя сюжет, в котором специалист втыкал датчик радиометра в бурт картофеля и бодро рапортовал об отсутствии опасности. И только несколько десятков профессионально информированных телезрителей понимали, что стрелка этого полевого дозиметрического прибора начнёт отклоняться только вблизи эпицентра ядерного взрыва и он абсолютно непригоден для выяснения степени вредности корнеплода.

Цель этого пособия — рассказать о радиоактивности в доступной форме, чтобы в дальнейшем развеять некоторые предубеждения и сформулировать реальные проблемы.

Само слово радиация — буквальный перевод английского термина radiation — излучение. Этим словом обозначали и солнечный свет, и тепловые волны и многие другие вещи. Одной из разновидностей этого явления — фосфоресценцией - занимался в самом конце 19 столетия француз Анри Беккерель. Суть дела в том, что некоторые вещества, предварительно освещённые солнечным светом, потом сами светятся в темноте (намазанная фосфором собака Баскервилей). Беккерель просто клал на подоконник образцы различных соединений, затем относил в тёмную комнату и помещал на фотопластинку. Есть почернение после проявки — есть фосфоресценция! И вот в 1896 году добрался Анри до соединений урана. Из-за нерадивости то ли лаборанта, то ли самого Беккереля в тёмную комнату попал образец, не гревшийся на солнышке. И засветил фотопластинку!

Чем плохой учёный отличается от хорошего? Плохой твёрдо знает, что он должен открыть, и идёт к цели как танк, отметая все ненужные факты. Хороший подобен выпущенному на прогулку щенку — он должен обнюхать каждый кустик и везде поднять лапку, ничего не упуская. Беккерель был хорошим учёным: он отбросил фосфоресценцию, вцепился в уран и выяснил, что любое его соединение засвечивает фотоматериал, чем дольше, тем больше и, в отличие от флуоресцирующих веществ, не

4  

«выдыхается». Так был открыт новый тип излучения, который и получил впоследствии жаргонную кличку радиация. Уже в 1898 году французские исследователи супруги Кюри нашли в урановой руде два новых радиоактивных элемента — радий и полоний (Мария Кюри была по национальности полькой). Человечество влюбилось в новое явление. Растворы солей радия кипели — настолько много выделялось тепла.  Сразу возникли проекты использования этих новых источников энергии на благо человечества. Скептики, правда, говорили о том, что для получения нескольких граммов радия супруги переработали несколько тонн (вспомним Маяковского про тысячи тонн словесной руды!) урановой смолки, и затраты их энергии тоже нужно было бы учитывать, но... Кстати, о воздействии радиации на биологические объекты. Такие  элементы исследовательской роскоши, как перчатки и фартуки из просвинцованной резины или, не дай Боже, манипуляторы (механическая рука), изолированные боксы со свинцовыми стёклами — всё это появилось там у них в 50-е годы прошлого века, а у нас так и попозже. Пьер Кюри умер сравнительно молодым от сердечной болезни и сведений о других проблемах с его здоровьем до потомков не дошло, а вот Мари (вот они женщины!) дожила до преклонных лет и следы работы с ураном голыми руками были на этих самых руках. Язвы, почти полная слепота и, наконец, смерть от лейкемии в 1934 году.

Потом была небольшая пауза для исследователей-практиков, зато настало раздолье для теоретиков. Чтобы понять дальнейшее, придётся слегка вспомнить теорию, иначе дальнейшая интрига будет непонятной.

Всё в природе состоит из атомов, термин этот появился в древней Греции и, в переводе с местного, означал «неделимый». Так оно и было в науке до сравнительно недавнего прошлого — атом углерода, который много лет тому назад работал в организме динозавра, теперь с не меньшей пользой обслуживает наше тело. Это — химия, в которой атомы (которых всего-то чуть больше сотни видов ), соединяясь в различных комбинациях, образуют многие миллионы молекул. Атом состоит из ядра, образованного положительными протонами и нейтральными нейтронами, а вокруг ядра крутятся отрицательные электроны, компенсируя заряд ядра.

Получив пищу для ума (открытие радиоактивности), теоретики — какая наглость — усомнились в неделимости атома. Они предположили, что для каждого вида (химического элемента) кроме стабильных братьев, живущих вечно, существуют радиоактивные изгои (изотопы), которые, отличаясь по массе, время от времени разваливаются, превращаясь в другие виды и — выделяя энергию! Уже тогда стало ясно, что уран делает так испокон веку, но вот энергии в мире что-то не прибавилось. А не помочь ли урану? - подумали теоретики.  И придумали схему цепной реакции

5  

деления. Много разных глупых фокусов показывают по телевизору. Вот один из них: из огромного количества игральных карт строят длинную цепочку, в которой одна падающая карта роняет две, каждая из них — ещё две и вся кропотливо за много часов построенная комбинация рушится в одно мгновение. Что-то похожее придумали и для урана. К ядру атома урана прилипает посторонний нейтрон и делит его на осколки, среди которых больше одного нейтрона — размножение. И если каждый из них повторит судьбу первого, то множество атомов урана развалятся за доли секунды, выделяя невообразимое количество энергии. Деление ядер урана нейтронами было открыто в 1938 году немецкими физиками О.Ганом и Ф.Штрассманом. Интересно отметить, что когда в Германии в 1944 году встал вопрос об оружии возмездия, тема атомной бомбы фюрером была отвергнута — нет пророков в своих отечествах!  Правда, как показывают позднейшие исследования, работа продолжалась,  и её результаты использовались потом американцами.

И тут стали возникать, проблемы. Оказалось, что не все атомы урана способны легко делиться. В урановых рудах присутствуют две разновидности, слегка различающиеся по массе — уран-235 и уран-238. Так вот первого всего 0,7%, но легко разваливается нейтронами именно он. И если взять в качестве топлива или взрывчатки природный уран, то большая часть вторичных (дочерних) нейтронов погибнет безрезультатно. Но отделять один вид атомов урана от другого тогда не умели, ведь с точки зрения химии они — абсолютные близнецы И ещё одно. Вторичный нейтрон не должен двигаться быстро, как пуля разбивающая  оконное стекло. Он, скорее, бабочка, севшая на прогнувшуюся под тяжестью  снега еловую ветку и вызвавшая сход лавины. Дочерние нейтроны, слишком быстро вылетающие из делящегося ядра, нужно было научиться замедлять (делать тепловыми).

Эти проблемы решали в разное время в разных странах — вначале во Франции, затем -  в Англии и, наконец, в Америке. В 1942 году под трибунами чикагского стадиона эмигрант Энрико Ферми запустил первый исследовательский ядерный реактор. В июле 1945 года в пустыне Лос Аламос провели первый экспериментальный взрыв ядерной бомбы (уже плутониевой).  На всех приглашённых к испытанию на всякий случай заготовили некрологи, но всё обошлось — гостей разместили достаточно далеко. В августе того же года погибли Хиросима и Нагасаки, поражённые смешными по нынешним меркам зарядами бомб Малыш и Толстяк (всего-то по 40 тысяч тонн тротила). В 1949 году наконец-то взорвали атомную бомбу и в СССР,  в 1954 году в Обнинске запустили первый в мире промышленный реактор, и, наконец, случился Чернобыльский взрыв.          

6    

Когда он грянул в народе возникло много заблуждений. Так очень популярной стала идея, что радиация выводится водкой. Чтобы обсудить эту животрепещущую тему, придётся освоить немного теории.

Тот факт, что радиация (излучение) может повредить организму, в  общем-то был людям известен. Сгорел на пляже, посмотрел на дугу сварки... Все неприятности с проникающим излучением (радиацией) возникают потому, что оно абсолютно неощутимо, и воздействует на организмы по-особому. Любой биологический объект — уникальная химическая фабрика, в которой выстраиваются в длинные цепочки сложные химические процессы. По сравнению с этим производством, работающим, если повезёт, лет этак 90, какое-нибудь сернокислотное предприятие или доменная печь — детские игрушки. Но и нарушить его работу — нечего делать. Вспомним цианистый калий — любимый яд Агаты Кристи. Крупинка соли — и клиент синеет и задыхается. Радиация вносит в организм совсем немного энергии, но очень специфической, производящей в клетках заряженные частицы (ионы) и свободные радикалы.   Внимательные зрители медицинских телепрограмм конечно знают, что свободные радикалы являются предвестниками рака и поглощаются растительными жирами с непредельными радикалами. Вот эти-то химически активные вредители и служат причиной всего многообразного спектра симптомов, объединённых термином «лучевая болезнь».

Радиация бывает разная, вот три её основных разновидности, возникающие при распаде радиоактивных атомов . α-частицы, неповоротливые и положительно заряженные, летят недалеко, проникают неглубоко и задерживаются одеждой, или верхним слоем кожи. Конечно, если раздеться, вымазаться солью радия и погулять денёк-другой, можно получить серьёзный α-ожог.  β-радиация несколько серьёзнее. Частицы лёгкие, отрицательно заряженные, летят подальше,  но полностью задерживаются конфетной фольгой. Тоже не очень страшно. Вот γ-радиация — это уже посерьёзнее. Летит далеко (очень жёсткий свет), поглощается только плотными материалами (свинцовые кирпичи, например) и вообще в профессиональной среде есть присказка, что лучшая защита от γ-излучения - квадрат расстояния (убежал на 10 метров — поглощённая доза снизилась в 100 раз). Всё это очень условно, поскольку энергия излучения для разных радиоактивных изотопов бывает разной (мягкое γ и жёсткое β) и кроме того есть время жизни источника радиации — период полураспада. Каждый преподаватель радиохимии утверждает, что это именно ему студент давал такое определение: За первый период полураспада исчезает половина радиоактивных атомов, а за второй — все остальные. Я надеюсь, что вы знаете правильный ответ. Отмечу, что        

7  

периоды эти бывают очень разными. Так для урана-238 он составляет 4.5 миллиарда лет, а для йода-131 — 8 суток. Вред радиации принято измерять величиной поглощённой дозы. Издавна её измеряли в Рентгенах, теперь ввели новую, более точную величину Зиверт, которая в 100 раз меньше. Я, как и многие другие, привык по старинке пугать Рентгенами. Допустимый фон естественной радиации — 4-15  мкР/час(микроРентген в час). Правда и эта допустимость весьма условна. Так, в индийском штате Керал, стоящем на монацитовых песках (ториевая руда) фон раз в 50 выше...и ничего. Привыкли за тысячи лет. В Петербурге (тогда ещё Ленинграде) японские туристы, которые после Хиросимы дозиметров из рук не выпускали, убегали с набережных — фонил калий-40 из гранитной облицовки. Считается, что полученные за короткий период времен 25 Рентген — относительно безопасная доза, организм её со временем переварит. Тем, кто участвовал в ликвидации аварии в Чернобыле, выдавали не прямо показывающие дозиметры со стрелочками и цифрами, а кусочки рентгеновской плёнки в пластмассовой кассете (вспомните 1896 год, Анри Беккерель). Эту кассету таскали на пуговице комбинезона всю рабочую неделю, а потом сдавали специально обученному лаборанту, который проявлял плёнку и сравнивал на глазок по степени почернения с вывешенными на стенке образцами — кому 5 Р, кому 8. Удивительно ли, что почти всем ликвидаторам после окончания работы выписали удивительно одинаковые документы — безопасные 25 Рентген.  И почему они потом так часто умирали?  

Есть ещё страшная величина — доза половинного выживания. Она зависит от сложности организма. Так для человека она составляет по разным источникам от 300 до 500 Р. Это значит, что из получивших эту дозу за короткое время 1000 здоровых людей умрёт половина. Остальные болеют, но выживают. Доза эта изменяется от вида к виду. Так для крыс она увеличивается до 800 Р, а если замотать крысиный хвост свинцовой фольгой (экранировка от облучения части позвоночника), то животное осилит и более 1000 Р. Инфузория-туфелька выдержит 15000 Р.

Всё вышесказанное относится к так называемому внешнему облучению, когда источник радиации снаружи. Один мой приятель две недели носил 100-граммовый кусочек металлического урана в кармане лабораторного халата (положил и забыл) без видимого вреда для себя. Уран — α-излучатель, а его дочерние продукты — мягкие β-распадчики.

 Ситуация кардинально меняется, когда источник попадает внутрь организма. Теперь — всё наоборот: α-радиация полностью поглощается клетками, нанося максимальный вред. Проглотивший γ-излучатель и сам получит дозу и для других может стать внешним источником облучения. Всё осложняется ещё и тем, что попав в организм, радиоактивные атомы не

8  

«размазываются» по нему равномерно, а ведут себя сообразно своей химической природе и концентрируются в отдельных органах. Так йод оккупирует щитовидную железу. Отсюда рекомендации гражданской обороны ещё советского времени: в случае угрозы ядерного нападения (или аварии на атомной электростанции) проводить йодную профилактику. Смысл её — накачать щитовидную железу не радиоактивным (стабильным) йодом, выпивая неимоверные количества раствора йодида калия или йода в молоке. Радиоактивный стронций — химический аналог кальция — пойдёт, ясное дело, в кости, угнетая, прежде всего, кроветворную функцию позвоночника. Чтобы снизить вред  внутреннего облучения, нужно попытаться вывести источники радиации из организма, а это, зачастую, нелегко. Вернёмся к утверждению в начале текста о водке, «выводящей радиацию». В кожуре красного винограда содержатся вещества, связывающие атомы тяжелых металлов, которые и сами по себе не подарок, а в радиоактивном варианте - вдвойне. Попивая красное вино, или экстракт кожуры (сейчас есть и такой продукт) можно себе помочь, а вот этиловый спирт (водка) здесь ни при чём.

Откуда же берутся в окружающей среде радиоактивные атомы?    

В настоящее время известны четыре её источника. Один из них — члены семейств трёх видов  природных радиоактивных атомов — урана-235, урана-238 и тория-232. Был ещё нептуний-237, но это семейство сейчас уже исчезло. В каждом семействе атомы-родоначальники с положенной скоростью превращаются в дочерний элемент (распадаются), который в свой срок превращается... Каждое превращение сопровождается выделением энергии в виде α,β, или γ-излучения (радиации). Каждая цепочка превращений заканчивается не радиоактивным (стабильным) атомом — одним из изотопов свинца. Уран и торий «размазаны» по земной коре достаточно равномерно и вносят основной вклад в естественный радиоактивный фон, к которому человечество за долгое время уже привыкло. Технический прогресс вносит в это распределение коррективы.

 Так, в окрестностях любой котельной, работающей на угле, радиоактивный фон заметно выше, чем вблизи атомной электростанции. Дело в том, что соединения природных радионуклидов, входящих в состав топлива, не сгорают, а переходят в шлак, очень сильно концентрируясь. Одно время строительные фирмы стали использовать шлаковые отвалы в качестве засыпки перекрытий между этажами. Бдительные новосёлы, случайно пригласившие специалистов для измерения радиоактивного фона, были неприятно удивлены.

 В практически повсеместном присутствии урана и тория есть и положительные моменты. Одной из нерешённых очень важных проблем

9  

для человечества является неумение (точнее, нежелание) вовремя предсказывать землетрясения. Современные  действующие прогнозы работают  в пределах нескольких часов с невысокой точностью. Между тем, существует гораздо более хороший способ, основанный на том, за несколько суток до землетрясение начинается подвижка тектонических плит в  потенциально опасных районах. Это приводит к усилению выделения  радиоактивного газа радона, который входит в цепочку всех трёх семейств. Зафиксировать этот процесс и по увеличению концентрации газа предсказать дату и силу  будущего землетрясения технически сейчас вполне доступно. За несколько дней можно цивилизованно эвакуировать любой город. Почему нет таких станций в сейсмоопасных районах я не знаю.

Ещё одна группа естественных радиоактивных ядер не входит в три семейства. Наиболее известным из них является, пожалуй, калий-40, который заметно увеличивает радиоактивный фон на набережных Петербурга и других городов (гранитная облицовка).

Есть ещё и радиоактивные атомы, возникающие под действием космического излучения. Все они со временем исчезают (распадаются), но, поскольку космический фон постоянен, устанавливается равновесие между образованием и распадом и, как следствие, постоянная концентрация каждого радиоактивного атома. На этом факте основан принцип работы углеродных часов. В любом органическом объекте есть углерод. Пока он на поверхности Земли, соотношение стабильного (углерод-12) и радиоактивного (углерод-14) атомов в нём постоянно. Но вот когда объект уходит из-под космической радиации (похоронили, оказался в нижнем культурном слое) равновесие нарушается, доля радиоактивного углерода падает.

Заметную долю в радиоактивный фон вносит переработка облучённого топлива. Этим не очень удачным термином технологи называют топливо, извлечённое из реактора после окончания срока службы. Многие страны, использующие ядерную энергетику, его контролируемо хранят, т. е. помещают, например, в отработанные соляные шахты, или строят специальные здания и бдительно следят, чтобы не нарушилась оболочка стержня, содержащего страшную радиоактивную начинку. Следить придётся многие сотни лет.

 В Советском Союзе решили топливо это перерабатывать, извлекая из него полезные радиоактивные элементы. Комбинат начал работать в 1957 году  и работает до сих пор. Те страны, АЭС в которых построил СССР и Россия, присылают ненужное топливо нам, мощности комбината уже давно  не справляются. Огромное количество радиоактивных изотопов в составе среднеактивных и  малоактивных отходов ежегодно попадает в окружающую среду. По сравнению с этим Фукусима и Чернобыль — мелкие неприятности.