Радиация гамма излучение: Что такое радиация и ионизирующее излучение?

Содержание

Насколько в действительности опасна радиация

Таблетки от радиации

Человеческий организм более чем на три четверти состоит из воды, так что основное действие ионизирующего излучения — радиолиз (разложение воды). Образующиеся свободные радикалы вызывают лавинный каскад патологических реакций с возникновением вторичных «осколков». Кроме того, излучение повреждает химические связи в молекулах нуклеиновых кислот, вызывая дезинтеграцию и деполимеризацию ДНК и РНК. Инактивируются важнейшие ферменты, имеющие в своем составе сульфгидрильную группу — SH (аденозинтрифосфатаза, сукциноксидаза, гексокиназа, карбоксилаза, холинэстераза). При этом нарушаются процессы биосинтеза и энергетического обмена, из разрушенных органелл в цитоплазму высвобождаются протеолитические ферменты, начинается самопереваривание. В группе риска в первую очередь оказываются половые клетки, предшественники форменных элементов крови, клетки желудочно-кишечного тракта и лимфоциты, а вот нейроны и мышечные клетки к ионизирующему излучению довольно устойчивы.

Препараты, способные защитить от последствий облучения, стали активно разрабатываться в середине XX века. Более-менее эффективными и пригодными для массового использования оказались лишь некоторые аминотиолы, такие как цистамин, цистеамин, аминоэтилизотиуроний. По сути они являются донорами — SH групп, подставляя их под удар вместо «родных».

Радиация вокруг нас

Чтобы столкнуться с радиацией «лицом к лицу», аварии вовсе не обязательны. Радиоактивные вещества широко применяются в быту. Природной радиоактивностью обладает калий — очень важный для всего живого элемент. Из-за малой примеси изотопа K-40 в природном калии «фонит» диетическая соль и калийные удобрения. В некоторых старых объективах использовалось стекло с примесью оксида тория. Этот же элемент добавляют в некоторые современные электроды для аргоновой сварки. До середины ХХ века активно использовали приборы с подсветкой на основе радия (в наше время радий заменили на менее опасный тритий). В некоторых датчиках дыма используется альфа-излучатель на основе америция-241 или высокообогащенного плутония-239 (да-да, того самого, из которого делают ядерные бомбы). Но волноваться не стоит — вред здоровью от всех этих источников значительно меньше вреда от беспокойства по этому поводу.

О радиации

____________________________________________________________________________

Определение

Радиация – это взаимодействие неустойчивых ядер некоторых видов атомов, которые при определенных обстоятельствах начинают, самопроизвольно распадаться. При этом выбрасывается ионизирующее вещество, которое называется радиацией. Энергия такой реакции настолько велика, что способна вступать в связи, с другими веществами изменяя и создавая ионы различных знаков.

Альфа-частицы – это тяжелые частицы, обладающие положительным зарядом и представляют из себя целые ядра гелия.

Бета-частицы – обычные частицы, которые называются электронами.

Гамма-частицы – имеют природу очень схожую с обычным видимым светом, но при этом их способность проникновения в несколько раз превосходит его.

Нейтроны – это нейтральные электрические частицы. Они возникают рядом с любым функционирующим реактором в зоне доступ на которую ограничен в связи с тем, что нейтроны чрезвычайно губительно действуют на организм.

Рентгеновские лучи – очень похожи на гамма-излучение, но сила рентгена в разы слабее. Естественным источником рентгеновских лучей является солнце

Эта иллюстрация показывает возможность трех видов радиации проникать сквозь твердые материалы. Альфа частицы (α) останавливаются листом бумаги, а бета частицы (β) останавливаются листом алюминия.

Гамма радиация (γ) частично проходит через свинец.

Вред здоровью

Наибольшую опасность для человека представляют альфа, гамма и бета частицы, эти частицы могут нанести человеку непоправимый вред здоровью. Влияние радиации на организм напрямую зависит от интенсивности выделения радиации и от продолжительности нахождения в ее поле действия.

Действие радиоактивного излучения в больших дозах на организм человека, как правило, приводит к серьезным последствиям. Радиация может поступать в организм самыми разнообразными путями. При приеме пищи, вместе с продуктами, при дыхании и даже через кожу. Во время облучения организм получает дозы радиации, которые проникают в клетки организма и начинают разрушать их.

Болезни, вызываемые радиацией могут быть самые различные начиная от обычного нарушения обмена веществ и заканчивая тяжелыми хроническими заболеваниями.

Лечения от сильных доз радиации пока не существует, и зараженным людям приходится надеяться только на чудо.

Если же доза радиации, которую получил организм не столь велика, то врачи назначают специальный список продуктов и витаминов, которые способствуют выводу радионуклидов из организма человека.

Воздействие радиации на организм человека заключается в нарушении основных функций различных систем и органов. В первую очередь страдает нервная система, органы кроветворения и желудочно-кишечный тракт — развивается лучевая болезнь.
Тяжелые последствия объясняются тем, что при проникновении радиации в организм, происходит возбуждение атомов, изменяется структура молекул и живые клетки уже не могут функционировать в нормальном режиме, вызывая различные патологии в человеческом организме.

Радиация вокруг нас

Минимальные радиационные излучения постоянно окружают нас в повседневной жизни, но эти дозы не опасны для людей. Согласно исследованиям малые дозы радиации оказывают даже положительный эффект на здоровье.

Сильные радиационные излучения находятся в космосе, но наша атмосфера не позволяем им достигать поверхности Земли.

Сильная радиация в космосе, а также солнце излучают такие дозы радиации, что все живое на земле было-бы уничтожено за минуты. К счастью атмосфера задерживает почти всю солнечную радиацию.

Защита от радиации

Радиоактивное излучение характеризуется воздействием трех основных составляющих: альфа, бета и гамма излучений.

Важно знать, что для защиты от альфа-частиц достаточно лишь плотного листа бумаги, то есть внешнее альфа-излучение абсолютно не опасно для человека.
Размер бета-частиц гораздо меньше альфа-частиц, в результате чего они могут проникать в тело человека. Бета-частицы вы можете остановить с помощью алюминиевой пластины толщиной в несколько миллиметров.

Наибольшую опасность для здоровья человека представляет излучение гамма-частиц. Очень важно, когда вы узнали о выбросе радиоактивных веществ в вашей местности, не подвергаться панике и постараться спокойно выполнить все меры защиты:

Укрыться в здании, желательно в собственном доме или квартире. Бетонные и кирпичные стены способны ослабить воздействие гамма-излучения почти в два раза.
Закройте все окна и двери и вентиляционные решетки, предотвратив тем самым попадание воздуха с улицы.
Упакуйте одежду и обувь, в который вы были на улице в полиэтиленовый пакет и примите душ.
Сделайте запас обычной питьевой воды и по возможности еды
Из подручных средств, сделайте маски для защиты дыхательных путей – можно использовать марлю, или другие ткани.
Старайтесь употреблять йодсодержащие продукты и препараты, а так же продукты богатые клетчаткой.

Нормы и дозы

0.22 — 0,30 МкЗв/час — Обычный радиационный фон, которому подвергаются все люди в повседневной жизни;

1.00 МкЗв/час — Облучение получаемое экипажем самолета совершающего перелет Токио — Нью-Йорк через Северный полюс;

2.28 МкЗв/час — Средний допустимый уровень облучения для работников атомной промышленности;

11.42 МкЗв/час — Уровень резко увеличивающий вероятность развития рака;

40.00 МкЗв/час на протяжении жизни – Основание для эвакуации людей после катастрофы в Чернобыле;

114.15 МкЗв разовая доза — Вызывает лучевую болезнь с тошнотой и пониженным содержанием белых телец в крови, но не летальный исход;

570.77 МкЗв разовая доза – Половина людей получивших такую дозу радиации, умирает в течение месяца.

Защита от гамма-излучения — рентгенозащита.рф в Екатеринбурге

Основным вариантом для защиты от альфа-, бета-, гамма-излучения выступает экранирование, а также использование специализированных индивидуальных защитных средств, которые обеспечат безопасность человека в опасных условиях радиации.

Различают несколько типов вредного излучения, каждый из которых имеет свою проникающую способность и, исходя из этого, особенность защиты:

Альфа-излучение обладает небольшой проникающей способностью, поэтому для защиты от него достаточно будет использование рабочих перчаток из резины, пластиковых очков, простого респиратора.
Бета-излучение отличается большей способностью проникать в различные материалы, поэтому для безопасности человека необходимо использовать противогаз, экраны на основе тонкого слоя алюминия и стекла.
Гамма-излучение проникает практически в любую поверхность кроме вольфрама, свинца, чугуна.

Для защиты от гамма- и нейтронного излучения требуется использование многослойных экранов.

Источниками радиации выступает не только радионуклиды, но и в частности прохождение флюорографического обследования, компьютерной томографии.

Чтобы понять какая защита от гамма-излучения наиболее эффективна, необходимо определиться с источником радиации.

Защита от внешнего гамма-излучения

Источниками внешнего радиационного опасного излучения выступают:

радиоактивные вещества;
ядерные реакторы;
рентгеновское оборудование и т. д.

Использование источников радиации предполагает соблюдение специализированных необходимых мер защиты. Допустимые уровни облучения прописаны в нормах радиационной безопасности, которые обязательно должен знать рабочий персон и не превышать указанных данных.

Обычно для защиты от гамма-излучения целесообразно применять защитные сооружения, которые экономически выгодны и обеспечат значительное ослабление радиационного воздействия. Мощность точечного источника радиации прямо пропорциональна активности облучения, поэтому ее удается ограничить путем меньшего использования и на большем удалении.

Такой вариант защиты предусматривает возможность выполнения работ в определенный промежуток времени, который не позволит получить большую дозу облучения, так как первое свойство ионизирующего излучения — это накопление. Следовательно, чем меньше времени человек находится в зоне повышенного радиационного фона, тем меньший вред это нанесет его здоровью.

Следующий способ защиты от внешнего гамма-излучения выступает снижение его мощности при увеличении расстояния между источником изучения и объекта. Четкие указания по допустимому промежутку времени для нахождения вблизи источника излучения предъявляются рабочему персоналу, по истечению которого люди должны выводиться в безопасную зону.

При работе с источниками повышенной радиационной активности необходимо применение специализированных многослойных экранов, позволяющих существенно снизить интенсивность проникновения опасного излучения.

Отличной защитой от гамма-излучения являются материалы с большим атомным номером и высокой плотностью:

Свинец.
Сталь.
Бетон.
Свинцовое стекло.

В зависимости от мощности гамма-лучей подбирается необходимый материал для повышенной защиты здоровья людей.

Защита от гамма-излучения: свинец

Для защиты от гамма-излучения применяют чаще всего свинцовый лист. Металл способен задерживать заряженные крупные и мелкие радиационные частицы, а также комбинированные излучения.

Используется свинцовые изделия в медицине, научных институтах, лабораториях для защиты от гамма-лучей, рентгеновского излучения от специализированных приборов в поликлиниках.

Помещения для диагностики организма при помощи рентген аппаратов обязательно должны быть экранированы свинцовыми пластинами во избежание избыточного облучения как медицинского персонала, так и пациентов.

Для защиты от гамма-излучения целесообразно использовать специализированную одежду со свинцовыми прокладками:

Свинцовое стекло используется при проведении опытов с радиоактивными веществами, оно необходимо для установки в специализированном оборудовании в качестве смотрового окна.

Свинец выступает тяжелым металлом, который не взаимодействует с бета- и гамма-лучами, радиоактивными изотопами, поэтому станет эффективным для них препятствием.

Способы защиты от гамма-излучения внутри зданий

Для защиты от внутреннего облучения проводятся мероприятия по уменьшению накопления опасной радиоактивной пыли — это специализированная облицовка стен, пола, потолка, проведение регулярной влажной уборки помещений, обустройство эффективной вытяжной вентиляции.

Дополнительно требуется тщательная личная гигиена персонала, применение индивидуальных средств защиты от альфа излучения (это комбинезоны, шапочки, очки, резиновые перчатки, сапоги, респираторы либо шланговые противогазы). При надевании и снятии СИЗ, чтобы не загрязнить одежду и кожные покровы, окружающие предметы необходимо четко следовать инструкции, проводить контроль мощности дозы рентгеновского и прочего излучения.

Расчет защиты от гамма-излучения

Когда рентгеновские лучи проходят через вещество, они не полностью поглощаются материалом, а ослабляются, то есть уменьшается их интенсивность.

Величина ослабления может быть описана математическим соотношением: линейный коэффициент ослабления зависит от следующих данных:

типа защитного материала;
энергии падающего рентгеновского излучения.

Определить максимальную длину пробега гамма-излучения необходимо с учетом атомной массы, плотности поглощающего вещества.

Мощность дозы источников гамма-излучения может быть измерена соответствующими приборами или подсчитана математически.

После измерения мощности радиационных лучей получится правильно подобрать методы защиты от гамма-излучения, чтобы обезопасить пребывание людей вблизи с источником радиации.

Гамма-излучение

ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ

_{Gamma-radiation}

Гамма-излучение (γ-излучение) – электромагнитное излучение, принадлежащее наиболее высокочастотной (коротковолновой) части спектра электромагнитных волн. Приведем классификацию электромагнитных волн:

Название	Длина волны, м	Частота, Гц
радиоволны	3·10⁵ — 3	10³ — 10⁸
микроволны	3 — 3·10^-3	10⁸ — 10¹¹
инфракрасное излучение	3·10^-3 — 8·10^-7	10¹¹ — 4^.10¹⁴
видимый свет	8·10^-7 — 4·10^-7	4·10¹⁴ — 8·10¹⁴
ультрафиолетовое излучение	4·10^-7 — 3·10^-9	8·10¹⁴ — 10¹⁷
рентгеновское излучение	3·10^-9 — 10^-10	10¹⁷ — 3·10¹⁸
гамма-излучение	< 10^-10	> 3·10¹⁸

На шкале электромагнитных волн гамма-излучение соседствует с рентгеновскими лучами, но имеет более короткую длину волны. Первоначально термин “гамма-излучение” относился к тому типу излучения радиоактивных ядер, который не отклонялся при прохождении через магнитное поле, в отличие от α- и β-излучений.
Условно верхней границей длин волн гамма-излучения, отделяющей его от рентгеновского излучения, можно считать величину 10^-10 м. При столь малых длинах волн первостепенное значение имеют корпускулярные свойства излучения. Гамма-излучение представляет собой поток частиц — гамма-квантов или фотонов, с энергиями Е = hν (h – постоянная Планка, равная 4.14·10^-15 эВ^.сек, ν – частота электромагнитных колебаний). Фотоны с энергиями Е > 10 кэВ относят к гамма-квантам. Между длиной волны λ гамма-излучения и его частотой ν существует то же соотношение, что и для других типов электромагнитных волн:

ν·λ = с (с – скорость света).

    Частота гамма-излучения (> 3·10¹⁸ Гц) отвечает скоростям электромагнитных процессов, протекающих внутри атомных ядер и с участием элементарных частиц. Поэтому источниками гамма-излучения могут быть атомные ядра и частицы, а также ядерные реакции и реакции между частицами, в частности аннигиляция пар частица-античастица. И наоборот, гамма-излучение может поглощаться атомными ядрами и способно вызывать превращения частиц. Изучение спектров ядерного гамма-излучения и гамма-излучения, возникающего в процессах взаимодействия частиц, дает важную информацию о структуре этих микрообъектов.
    Гамма-излучение может также возникать при торможении быстрых заряженных частиц в среде (тормозное гамма-излучение) или при их движении в сильных магнитных полях (синхротронное излучение).
    Источниками гамма-излучения являются также процессы в космическом пространстве. Космические гамма-лучи приходят от пульсаров, радиогалактик, квазаров, сверхновых звёзд.
    Гамма-излучение ядер испускается при переходах ядра из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, и энергия испускаемого гамма-кванта с точностью до незначительной энергии отдачи ядра равна разности энергий этих состояний (уровней) ядра. Энергия ядерного гамма-излучения обычно лежит в интервале от нескольких кэВ до нескольких МэВ и спектр этого излучения линейчатый, т. е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров ядерного гамма-излучения позволяет определить энергии состояний (уровней) ядра.
    При распадах частиц и реакциях с их участием обычно испускаются гамма-кванты с бoльшими энергиями — десятки-сотни МэВ.
    Гамма-излучение, образующееся при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество, вызывается их торможением в кулоновском поле ядер вещества. Тормозное гамма-излучение имеет сплошной, спадающий с ростом энергии спектр, верхняя граница которого совпадает с кинетической энергией заряженной частицы. На ускорителях заряженных частиц получают тормозное гамма-излучение с энергиями до нескольких десятков ГэВ и более.
    Гамма-излучение можно получить при соударении электронов большой энергии от ускорителей с интенсивными пучками видимого света, создаваемых лазерами. При этом электрон передает свою энергию световому фотону, который превращается в гамма-квант. Аналогичное явление может иметь место и в космическом пространстве в результате соударений фотонов с большой длиной волны с быстрыми электронами, ускоренными электромагнитными полями космических объектов.
    Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, т. е. может проходить сквозь большие толщи вещества. Интенсивность узкого пучка моноэнергетических гамма-квантов падает экспоненциально с ростом проходимого им в веществе расстояния. Основные процессы взаимодействия гамма-излучения с веществом — фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (комптон-эффект) и образование пар электрон-позитрон. При фотоэффекте гамма-квант выбивает из атома один из его электронов, а сам исчезает. При комптон-эффекте гамма-квант рассеивается на одном из слабо связанных с атомом или свободных электронов вещества. Если энергия гамма-кванта превышает 1.02 МэВ, то возможно его превращение в электрическом поле ядер в пару электрон-позитрон (процесс обратный аннигиляции).

Рис. Зависимость полного коэффициента поглощения гамма-излучения в свинце и алюминии от энергии (сплошные линии). Поглощение за счёт фотоэффекта в алюминии пренебрежимо мало при рассматриваемых энергиях. Пунктирные линии − отдельные вклады, вносимые в полный коэффициент поглощения фотоэффектом, комптоновским рассеянием, рождением пар для свинца.

Гамма-излучение используется в технике (напр., дефектоскопия), радиационной химии (для инициирования химических превращений, напр., при полимеризации), сельском хозяйстве и пищевой промышленности (мутации для генерации хозяйственно-полезных форм, стерилизация продуктов), в медицине (стерилизация помещений, предметов, лучевая терапия) и др.

Что нужно знать о радиации

В последние 30 лет разговоры о радиации ведутся постоянно, но не все, на самом деле, понимают, что это такое, почему и как появляется. Портал Ecoidea.by решил помочь читателям разобраться в вопросах, ответы на которые стоит знать каждому, кто говорит или пишет о радиации.

Что представляет собой радиация? Как и в каких дозах она влияет на человека? Можно ли облучиться в повседневной жизни? В этом тексте мы простым языком постарались объяснить основную важную информацию о радиации.

Что такое радиация, как она появляется и как «работает»?

Ядра некоторых атомов химических элементов бывают нестабильными, то есть склонными распадаться. Так происходит, когда в ядре атома нарушен баланс электронов (+) и протонов (-). В нормальном состоянии их в ядре одинаковое количество, поэтому стабильный атом имеет нейтральный заряд. При неустойчивом состоянии атома его «лишние» части (протоны, нейтроны, электроны) самопроизвольно, без внешнего воздействия, выбрасываются из ядра. Оставшийся без излучившейся части атом превращается в другой атом, так как его формула меняется. Соответственно, превращение атома в другой атом значит, что один химический элемент превращается в другой химический элемент. Этот процесс называется радиоактивным распадом, а излучение, которое испускается при этом – радиацией (её ещё называют ионизирующим или радиоактивным излучением). Способность атома химического элемента распадаться с образованием излучения – это радиоактивность.

Пример ядерной реакции: из радона (Rn) самопроизвольно испускается ядро атома гелия (Не). В соответствии с законом сохранения массы и заряда, масса исходного вещества должны быть равна сумме масс элементов, получившихся в результате реакции. Оставшаяся у радона масса атома (верхний индекс) и заряд ядра (нижний индекс) определяют, какой именно элемент получится при этой реакции. Из таблицы Менделеева узнаём, что 84 – заряд ядра полония. Таким образом, выясняем, что радон (Rn) в результате альфа-распада превращается в полоний (Po).

В нашем примере альфа-распада радон-222 будет являться радионуклидом (радиоактивным изотопом) – нестабильной версией химического элемента.

Чаще всего, когда говорят о радиации, имеют в виду именно ионизирующее излучение – способное превращать нейтральные частицы в электрически заряженные. Хотя, например, солнечный свет – это тоже радиация, он – неонизирующее излучение, то есть не способен придать электрический заряд нейтральным частицам. Поэтому под словом «радиация» мы будем иметь в виду только ионизирующее излучение.

Радиация бывает нескольких видов: альфа-, бета- и гамма-излучение. Один радионуклид может испускать сразу несколько видов радиации.

При альфа-распаде (пример такой реакции был дан выше) из ядра атома химического элемента вырывается ядро атома гелия (альфа-частица). При бета-распаде – поток электронов (бета-частиц), которые летят со скоростью, сравнимой со скоростью света. При гамма-излучении ядро испускает электромагнитные волны с частотой большей, чем у рентгеновского излучения. Для того, чтобы ядро излучало гамма-частицы, оно должно быть в возбуждённом состоянии, то есть ему нужно сначала передать энергию. И тогда, переходя в обычное состояние, оно будет излучать поток фотонов (гамма-частиц).

Как происходят разные типы излучения

При излучении альфа-, бета- и гамма-частицы на огромной скорости сталкиваются с материей, проникают в неё, и начинают взаимодействовать с её атомами и молекулами, изменяя их. Энергия излучения передаётся атомам и молекулам материи, превращая их в заряженные частицы – ионы. Когда много радиоактивных частиц попадает в организм, они начинают разрушать его молекулы.

Проникающая способность (её можно в каком-то смысле сравнить с пробивной силой пули) различных видов радиации разная. Альфа-частицы обладают небольшой проникающей способностью и не могут «пробить» даже кожу человека, лист бумаги или одежду. Бета-частицы немного «сильнее», преградой для них может быть тонкий слой металла. Эти преграды поглотят радиоактивные частицы, поэтому вреда человеку не будет. Если, конечно, источник излучения находится снаружи. Попасть в организм человека они могут другими путями: при вдыхании радиоактивной пыли, питье заражённой воды или через поврежденную кожу. Когда частицы попадают внутрь организма, они становятся внутренним источником облучения организма и начинают сильно влиять на клетки.

Когда частицы попадают внутрь организма, они становятся внутренним источником облучения

Альфа- и бета-частицы очень сильно взаимодействуют с веществом, поэтому даже одна альфа-частица при попадании в живой организм может уничтожить или повредить очень много клеток.

От гамма-излучения очень сложно защититься. Оно обладает большой проникающей способностью, буквально пронизывает человека насквозь. Для защиты от него недостаточно простой одежды, медицинских масок и перчаток, для защиты сгодятся только материалы очень высокой плотности, через которые гамма-излучение не пройдёт: свинцовая стена толщиной несколько десятков сантиметров или бетонная стена толщиной несколько метров.

Радиация появилась у нас после Чернобыля?

Нет, она существовала на Земле всегда. Следует знать, что радиация возникает не только при авариях в атомных реакторах или от работающих приборов, которые создали люди (реакторов, ускорителей, рентгеновского оборудования и т.п.). Есть ещё естественная радиация – та, которая существует в природе. Радиоактивные материалы вошли в состав Земли с самого её рождения, задолго до появления на ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения самой Земли.

Естественная радиация присутствует буквально повсюду. В большинстве своём её источниками являются природные радиоактивные вещества, окружающие нас и находящиеся внутри нас, – около 73 процентов. Примерно 13 процентов связано с медицинскими процедурами (например, рентгеноскопия), а 14 процентов приходит извне в виде космических лучей. Каждый год человек из всех источников получает дозу радиации в размере примерно 3 миллизиверта (мЗв). [1]

Земная радиация обусловлена в основном естественным распадом радиоактивных элементов, присутствующих в земной коре, – это калий-40 и члены двух радиоактивных семейств – урана-238 и тория-232. Уровни земной радиации неодинаковы для разных мест планеты и зависят от концентрации радионуклидов в земной коре.

Даже человек слегка радиоактивен: в тканях нашего тела одним из главных источников природной радиации являются калий-40 и рубидий-87, причём не существует способа от них избавиться.

То есть облучиться можно, не попадая в чернобыльскую зону?

Да, некоторую дозу можно получить, не выходя из дома. Во-первых, от строительных материалов, во-вторых, от газа радона, в-третьих, от приборов и других самых неожиданных вещей.

Основную дозу радиации современный человек получает в помещениях, ведь за закрытыми дверями мы проводим до 80 процентов времени. Хотя здания защищают от излучений извне, в строительных материалах, из которых они построены, содержится природная радиация.

Так как некоторые стройматериалы помещений делают из природных материалов, они тоже являются источниками излучения и содержат естественные радионуклиды. Эти стройматериалы – кирпич, бетон и дерево. Однако гораздо большей удельной радиоактивностью обладают гранит и пемза. Использование промышленных отходов при изготовлении строительных материалов также может увеличить дозовую нагрузку. Сюда можно отнести металлический шлак, зольную пыль (отход сжигания угля) и прочее.

Существенный вклад в облучение человека вносит радон и продукты его распада. Это радиоактивный инертный газ, источник которого – земная кора. Проникая через трещины и щели в фундаменте, полу и стенах, радон задерживается в помещениях. Другой источник радона в помещении – это сами строительные материалы (бетон, кирпич и т.д.), содержащие естественные радионуклиды, которые являются источником радона. Радон может поступать в дома также с водой (особенно если она подаётся из артезианских скважин), при сжигании природного газа и т. д. Радон в 7,5 раз тяжелее воздуха. Как следствие, концентрация радона в верхних этажах многоэтажных домов обычно ниже, чем на первом этаже. Основную часть дозы облучения от радона человек получает, находясь в закрытом, непроветриваемом помещении. Регулярное проветривание может снизить концентрацию радона в несколько раз. При длительном поступлении радона и его продуктов в организм человека многократно возрастает риск возникновения рака легких. [1]

Опасно ли делать рентген и как часто его можно делать?

При рентгенорадиологических процедурах облучают определённые участки или органы человека. Однако дозы от этих процедур несравнимы с последствиями взрыва на ЧАЭС.

Средние значения индивидуальной эффективной дозы за процедуру и в процентах от рекомендуемой годовой эффективной дозы. Данные взяты из нормативных актов, действующих в Российской Федерации [5], [6]

В Беларуси не установлены подобные средние значения, при этом в работе с радиологическими процедурами «используются принципы обоснования назначения радиологических медицинских процедур и оптимизации мер защиты пациентов». [8]

По белорусским нормам, средняя допустимая эффективная доза для населения может составлять 1 мЗв в год и 70 мЗв за период жизни (70 лет). Для персонала, работающего с источниками радиации этот показатель равен 20 мЗв в год, а за период трудовой деятельности (50 лет) – 1 зиверт. Причём эти цифры не включают в себя дозы, создаваемые естественным радиационным и техногенно измененным радиационным фоном, а также дозы, получаемые пациентами при медицинском облучении. [7]

Вреден ли компьютер? Излучает ли он радиацию?

Единственной частью компьютера, в отношении которой можно говорить о радиации, являются мониторы на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ). В них рентгеновское излучение возникает на внутренней поверхности стекла экрана ЭЛТ. Дисплеев других типов (жидкокристаллических, плазменных и т.п.) это не касается. Мониторы, наряду с обычными телевизорами на ЭЛТ, можно считать слабым источником. Однако благодаря большой толщине стекла, оно же и поглощает значительную часть излучения. Все современные ЭЛТ выпускаются с условно безопасным уровнем рентгеновского излучения. [2]

Можно ли облучиться от «чернобыльца»?

Нет. После облучения человек не становится радиоактивным объектом, не начинает сам излучать радиацию. Это касается и пострадавших от аварии на ЧАЭС, и тех, кто прошёл процедуру флюорографии. Радиацию создают радиоактивные вещества или специально сконструированное оборудование. Сама же радиация, воздействуя на организм, не образует в нём радиоактивных веществ, и не превращает его в новый источник радиации. Таким образом, человек не становится радиоактивным после рентгеновского или флюорографического обследования. Рентгеновский снимок (плёнка) также не несёт в себе радиоактивности. Исключением является ситуация, при которой в организм намеренно вводятся радиоактивные препараты (например, при радиоизотопном обследовании щитовидной железы), и человек на небольшое время становится источником радиации. Однако препараты такого рода специально выбираются так, чтобы быстро терять свою радиоактивность за счёт распада, и интенсивность радиации быстро спадает.

Возможное исключение – человек может перенести радиацию вместе с радиоактивной пылью. На одежде и коже тех, кто когда-либо был в Чернобыле (это касается как эвакуированных, так и ликвидаторов аварии, а также тех, кто ездил в зону отчуждения после катастрофы), могла осесть радиоактивная пыль. Тогда некоторая часть такой радиоактивной «грязи» вместе с обычной грязью может быть передана при контакте другому человеку. В отличие от болезни, которая, передаваясь от человека к человеку, воспроизводит свою вредоносную силу и даже может привести к эпидемии, передача грязи приводит к её быстрому разбавлению до безопасных пределов. Но если человек прошёл процедуру дезактивации, радиация от него не исходит. Кроме того, невозможно представить себе человека, который в течение многих лет является мощным источником радиации и при этом сам не подвержен ее влиянию. [2]

Когда исчезнет радиация, выброшенная на Чернобыле?

Из разрушенного реактора в течение первых десяти дней после аварии было выброшено более 40 видов радионуклидов. Здоровью человека больше всего угрожали йод-131, цезий-137, стронций-90, а также плутоний-241 и его продукты распада.

Однажды попав в окружающую среду, радиация будет существовать там до тех пор, пока не произойдёт полный распад радиоактивного элемента. Скорость «разложения» элемента характеризуют периодом полураспада – это время, за которое распадается в среднем половина имеющихся радионуклидов. Но это не значит, что если радиоактивное вещество имеет период полураспада час, то через час распадётся его первая половина, а ещё через час – вторая, и это вещество распадётся полностью. Это означает, что через час его количество станет меньше первоначального в два раза, через два часа – в четыре, через три часа – в восемь раз и т.д.

В такой же пропорции будет уменьшаться и радиация, излучаемая этим веществом. У каждого радионуклида есть свой «запас» радиации. Одни изотопы выбрасывают его всего за несколько дней, примерно как пулемётчик разряжает обойму за один подход и затем выходит из игры. Другие излучают несильно, но на протяжении долгого времени – то есть тратят свою «обойму» понемногу, поэтому её хватает на долгое время. К примеру, период полураспада «чернобыльского» йода-131 – восемь суток, цезия-137 – 30 лет. Полураспад плутония-241 происходит за 14 лет, но в процессе образуется радиоактивный америций-241, период полураспада которого составляет 432 года. [3] Опаснее всего изотопы, у которых период полураспада меньше, потому что их поражающая сила больше. На пути пулемётчика лучше не стоять.

Биккерели, зиверты, герцы. В этом всём измеряется радиация?

Есть ещё кюри и рентген. Но они несут разный смысл.

Активность (число распадов в секунду) радиоактивных веществ измеряется в беккерелях (Бк) и кюри (Ки). 1 Бк = 1 распад в секунду. Так как это очень маленькая величина, чаще используются мега-, гига-, тера- и петабеккерели. 1 Ки – столько распадов ежесекундно происходит в одном грамме чистого радия – того самого, который впервые выделила Мария Склодовская-Кюри. 1 Ки = 37 миллиардов Бк.

Радиоактивность почвы и продуктов питания также измеряется в Беккерелях (Бк) и Кюри (Ки). Для продуктов питания активность указывается на килограмм, а для поверхности земли – на единицу площади.

Облучение, которое получили люди, живущие на загрязнённой территории, измеряется в Зивертах (Зв). Иногда используют также бэр (биологический эквивалент рентгена), но эта единица измерения считается устаревшей. 100 бэр = 1 Зв; 1 мбэр = 0,01 миллиЗиверт.

Уровень радиационного фона (он же мощность экспозиционной дозы или интенсивность облучения) измеряют в зивертах в секунду (Зв/с) или рентген в секунду (Р/с). Один Р/с или один Зв/с, это очень много, поэтому используют понижающие приставки: милли- и микро-.

Доза излучения, поглощённая веществом, измеряется в Греях (Гр) или радах. 1 Гр = 1 Дж/кг (один джоуль поглощенной энергии на килограмм массы). 1 Гр = 100 рад.

Единицы измерения, связанные с радиацией

Как мне узнать уровень радиации в моём городе? И какой радиационный фон – нормальный?

Актуальную информацию можно найти на сайте Республиканского центра по гидрометеорологии, контролю радиоактивного загрязнения и мониторингу окружающей среды Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды (Гидромет). Именно эта организация следит за радиационной обстановкой в стране. По всей Беларуси расположено 45 стационарных точек контроля, за показателями которых специалисты Гидромета следят круглые сутки. Кроме того, автоматически отслеживается фон ещё в четырёх точках – в зонах влияния всех АЭС, которые находятся недалеко от границ Беларуси: Смоленской в России, Чернобыльской и Ровенской в Украине и Игналинской в Литве.

Обо всех изменениях в фоне специалисты узнают максимум через 10 минут после их появления. Если произойдут значительные изменения, Гидромет доложит от этом в МЧС, и уже это ведомство будет сообщать населению, как поступать в сложившейся ситуации.

Например, по состоянию на 18 января 2017 года мощность дозы гамма-излучения в Минске составляет 0,10 мкЗв/ч. Повышенный уровень мощности дозы гамма-излучения, как и прежде, отмечаются в Брагине и Славгороде, которые находятся в зонах радиоактивного загрязнения. В Брагине – 0,43 мкЗв/ч, в Славгороде – 0,18 мкЗв/ч. [4]

Для конкретной местности не существует «нормального фона» как постоянной характеристики. Его нельзя получить как результат небольшого числа измерений. В любом месте, даже для неосвоенных территорий, где не ступала нога человека, радиационный фон изменяется от точки к точке, а также в каждой конкретной точке со временем. Эти колебания фона могут быть весьма значительными. В обжитых местах дополнительно накладываются факторы деятельности предприятий, работы транспорта и т.д. Например, на аэродромах, благодаря высококачественному бетонному покрытию с гранитным щебнем, фон, как правило, выше, чем на прилегающей местности. Измерения радиационного фона в Минске позволяют указать типичные значение фона на улице (открытой местности) – 0,08–0,12 мкЗв/час, в помещении – 0,15–0,2 мкЗв/час. [3]

Поможет ли дозиметр подстраховаться?

Многие пользуются бытовыми дозиметрами, чтобы определить, где не стоит собирать грибы, или чтобы иметь независимые данные в случае чрезвычайной ситуации. Однако бытовые дозиметры могут давать неверные данные, ведь достоверность измерения зависит от качества прибора, а бытовые дозиметры часто грешат как раз невысоким качеством.

Важно помнить, что дозиметр измеряет мощность дозы ионизирующего излучения непосредственно в том месте, где он находится – в руках человека, на грунте и т.д. Почти бесполезно пытаться измерять радиоактивность продуктов питания или стройматериалов с помощью бытового дозиметра. Для них нужно измерять не мощность дозы, а содержание радионуклидов, а дозиметр принципиально не позволяет измерять этот параметр. [2]

В разговорной речи дозиметром также называют радиометр – прибор для измерения активности радионуклида в источнике или образце (в объёме жидкости, газа, аэрозоля, на загрязненных поверхностях).

Источники информации, использованные в материале:

Брошюра «Что необходимо знать каждому о радиации»;
Раздел «Часто задаваемые вопросы» сайта Республиканского центра по гидрометеорологии, контролю радиоактивного загрязнения и мониторингу окружающей среды Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Беларусь;
Статья Википедии «Изотопы америция»;
Раздел «Радиационная обстановка в Беларуси на сегодня» сайта Республиканского центра по гидрометеорологии, контролю радиоактивного загрязнения и мониторингу окружающей среды Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Беларусь;
Методические рекомендации по обеспечению радиационной безопасности» «Заполнение форм федерального государственного статистическогонаблюдения № 2-ДОЗ» от 16.02.2007 N 0100/1659-07-26;
Постановление Главного государственного врача № 11 от 21.04.2006 «Об ограничении облучения населения при проведении рентгенорадиологических медицинских исследований»;
Закон Республики Беларусь «О радиационной безопасности населения» от 5 января 1998 года № 122-З;
Нормы радиационной безопасности (НРБ-2000).

Радиоактивность: альфа-, бета-, гамма-излучение

Ни для кого не секрет, что радиация вредна. Это знают все. Все слышали про ужасные жертвы и опасность радиоактивного воздействия. Что же такое радиация? Как она возникает? Существуют ли разные виды радиации? И как от нее защититься?

Слово «радиация» происходит от латинского radius и обозначает луч. В принципе радиация – это все виды существующих в природе излучений – радиоволны, видимый свет, ультрафиолет и так далее. Но излучения бывают различными, некоторые из них полезны, некоторые вредны. Мы в обычной жизни привыкли словом радиация называть вредное излучение, возникающее вследствие радиоактивности некоторых видов вещества. Разберем, как на уроках физики объясняют явление радиоактивности.

Радиоактивность в физике

Мы знаем, что атомы вещества состоят из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Так вот ядро – это в принципе очень устойчивое образование, которое сложно разрушить. Однако, ядра атомов некоторых веществ обладают нестабильностью и могут излучать в пространство различную энергию и частицы.

Это излучение называют радиоактивным, и оно включает в себя несколько составляющих, которые назвали соответственно первым трем буквам греческого алфавита: α-, β- и γ- излучение. (альфа-, бета- и гамма-излучение). Эти излучения различны, различно и их действие на человека и меры защиты от него. Разберем все по порядку.

Альфа-излучение

Альфа-излучение — это поток тяжелых положительно заряженных частиц. Возникает в результате распада атомов тяжелых элементов, таких как уран, радий и торий. В воздухе альфа-излучение проходит не более пяти сантиметров и, как правило, полностью задерживается листом бумаги или внешним омертвевшим слоем кожи. Однако если вещество, испускающее альфа-частицы, попадает внутрь организма с пищей или воздухом, оно облучает внутренние органы и становится опасным.

Бета-излучение

Бета-излучение — это электроны, которые значительно меньше альфа-частиц и могут проникать вглубь тела на несколько сантиметров. От него можно защититься тонким листом металла, оконным стеклом и даже обычной одеждой. Попадая на незащищенные участки тела, бета-излучение оказывает воздействие, как правило, на верхние слои кожи. Во время аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году пожарные получили ожоги кожи в результате очень сильного облучения бета-частицами. Если вещество, испускающее бета-частицы, попадет в организм, оно будет облучать внутренние ткани.

Гамма-излучение

Гамма-излучение — это фотоны, т.е. электромагнитная волна, несущая энергию. В воздухе оно может проходить большие расстояния, постепенно теряя энергию в результате столкновений с атомами среды. Интенсивное гамма-излучение, если от него не защититься, может повредить не только кожу, но и внутренние ткани. Плотные и тяжелые материалы, такие как железо и свинец, являются отличными барьерами на пути гамма-излучения.

Как видно, альфа-излучение по его характеристикам практически не опасно, если не вдохнуть его частички или не съесть с пищей. Бета-излучение может причинить ожоги кожи в результате облучения. Самые опасные свойства у гамма-излучения. Оно проникает глубоко внутрь тела, и вывести его оттуда очень сложно, а воздействие очень разрушительно.

В любом случае без специальных приборов знать, что за вид радиации присутствует в данном конкретном случае нельзя, тем более, что всегда можно случайно вдохнуть частички радиации с воздухом. Поэтому общее правило одно – избегать подобных мест, а если уж попали, то укутаться как можно большим количеством одежды и вещей, дышать через ткань, не есть и не пить, и постараться поскорее покинуть место заражения. А потом при первой же возможности избавиться от всех этих вещей и хорошенько вымыться.

Радиоактивность также можно рассматривать как свидетельство сложного строения атомов. Изначально еще философы древности представляли себе мельчайщую частицу вещества — атом — неделимой частицей. Как радиактивность позволила разрушить данное представление? Подробности по ссылке.

Нужна помощь в учебе?

Предыдущая тема: Электронное строение атома
Следующая тема:&nbsp&nbsp&nbspПланетарная модель атома: опыт Резерфорда

Гамма-излучение

Открыто в 1910 г. Генри Брэггом. Электромагнитная природа доказана в 1914 г. Эрнестом Резерфордом.

Это самый широкий диапазон электромагнитного спектра, поскольку он не ограничен со стороны высоких энергий. Мягкое гамма-излучение образуется при энергетических переходах внутри атомных ядер, более жесткое — при ядерных реакциях. Гамма-кванты легко разрушают молекулы, в том числе биологические, но, к счастью, не проходят через атмосферу. Наблюдать их можно только из космоса.

Гамма-кванты сверхвысоких энергий рождаются при столкновении заряженных частиц, разогнанных мощными электромагнитными полями космических объектов или земных ускорителей элементарных частиц. В атмосфере они крушат ядра атомов, порождая каскады частиц, летящих с околосветовой скоростью. При торможении эти частицы испускают свет, который наблюдают специальными телескопами на Земле.

При энергии свыше 10¹⁴ эВ лавины частиц прорываются до поверхности Земли. Их регистрируют сцинтилляционными датчиками. Где и как образуются гамма-лучи ультравысоких энергий, пока не вполне ясно. Земным технологиям такие энергии недоступны. Самые энергичные кванты — 10²⁰–10²¹ эВ, приходят из космоса крайне редко — примерно один квант в 100 лет на квадратный километр.

Источники

Остаток вспышки сверхновой звезды в гамма-лучах сверхвысоких энергий

Изображение получено в 2005 году гамма-телескопом HESS. Оно стало подтверждением того, что остатки сверхновых служат источниками космических лучей — энергичных заряженных частиц, которые, взаимодействуя с веществом, порождают гамма-излучение (см. Схема генерации гамма-излучения). Ускорение частиц, по всей видимости, обеспечивается мощным электромагнитным полем компактного объекта — нейтронной звезды, которая образуется на месте взорвавшейся сверхновой.

Схема генерации гамма-излучения

Столкновения энергичных заряженных частиц космических лучей с ядрами атомов межзвездной среды порождают каскады других частиц, а также гамма-квантов. Этот процесс аналогичен каскадам частиц в земной атмосфере, которые возникают под воздействием космических лучей (см. Схема телескопа для гамма-излучения сверхвысоких энергий). Происхождение космических лучей с самыми высокими энергиями еще изучается, но уже есть данные, что они могут генерироваться в остатках сверхновых звезд.

Аккреционный диск вокруг сверхмассивной черной дыры (

рис. художника)

В ходе эволюции крупных галактик в их центрах образуются сверхмассивные черные дыры, массой от нескольких миллионов до миллиардов масс Солнца. Они растут за счет аккреции (падения) межзвездного вещества и даже целых звезд на черную дыру.

При интенсивной аккреции вокруг черной дыры образуется быстро вращающийся диск (из-за сохранения момента вращения падающего на дыру вещества). Из-за вязкого трения слоев, вращающихся с разной скоростью, он всё время разогревается и начинает излучать в рентгеновском диапазоне.

Часть вещества при аккреции может выбрасываться в виде струй (джетов) вдоль оси вращающегося диска. Этот механизм обеспечивает активность ядер галактик и квазаров. В ядре нашей Галактики (Млечного Пути) также располагается черная дыра. В настоящее время ее активность минимальна, однако по некоторым признакам около 300 лет назад она была значительно выше.

Приемники

Гамма-телескоп сверхвысоких энергий HESS

Расположен в Намибии, состоит из 4 параболических тарелок диаметром 12 метров, размещенных на площадке размером 250 метров. На каждой из них закреплено 382 круглых зеркала диаметром 60 см, которые концентрируют тормозное излучение, возникающее при движении энергичных частиц в атмосфере (см. схему телескопа).

Телескоп начал работать в 2002 году. Он в равной мере может использоваться для регистрации энергичных гамма-квантов и заряженных частиц — космических лучей. Одним из главных его результатов стало прямое подтверждение давнего предположения о том, что остатки вспышек сверхновых звезд являются источниками космических лучей.

Схема телескопа для гамма-излучения сверхвысоких энергий

Когда энергичный гамма-квант входит в атмосферу, он сталкивается с ядром одного из атомов и разрушает его. При этом порождается несколько обломков атомного ядра и гамма-квантов меньшей энергии, которые по закону сохранения импульса движутся почти в том же направлении, что и исходный гамма-квант. Эти обломки и кванты вскоре сталкиваются с другими ядрами, образуя в атмосфере лавину частиц.

Большинство этих частиц имеет скорость, превышающую скорость света в воздухе. Вследствие этого частицы испускают тормозное излучение, которое достигает поверхности Земли и может регистрироваться оптическими и ультрафиолетовыми телескопами. Фактически сама земная атмосфера служит элементом гамма-телескопа. Для гамма-квантов сверхвысоких энергий расходимость пучка, достигающего поверхности Земли, составляет около 1 градуса. Этим определяется разрешающая способность телескопа.

При еще более высокой энергии гамма-квантов до поверхности доходит сама лавина частиц — широкий атмосферный ливень (ШАЛ). Их регистрируют сцинтилляционными датчиками. В Аргентине сейчас строится обсерватория имени Пьера Оже (в честь первооткрывателя ШАЛ) для наблюдения гамма-излучения и космических лучей ультравысоких энергий. Он будет включать несколько тысяч цистерн с дистиллированной водой. Установленные в них ФЭУ будут следить за вспышками, происходящими в воде под воздействием энергичных частиц ШАЛ.

Гамма-обсерватория INTEGRAL (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory)

Орбитальная обсерватория, работающая в диапазоне от жесткого рентгена до мягкого гамма-излучения (от 15 кэВ до 10 МэВ), была выведена на орбиту с космодрома Байконур в 2002 году. Обсерватория построена Европейским космическим агентством (ESA) при участии России и США. В конструкции станции использована такая же платформа, как и в ранее запущенной (1999) европейской рентгеновской обсерватории XMM-Newton.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ)

Электронное устройство для измерения слабых потоков видимого и ультрафиолетового излучения. ФЭУ представляет собой электронную лампу с фотокатодом и набором электродов, к которым приложено последовательно возрастающее напряжение с суммарным перепадом до нескольких киловольт.

Кванты излучения падают на фотокатод и выбивают из него электроны, которые движутся к первому электроду, образуя слабый фотоэлектрический ток. Однако по пути электроны ускоряются приложенным напряжением и выбивают из электрода значительно большее число электронов. Так повторяется несколько раз — по числу электродов. В итоге поток электронов, пришедший от последнего электрода к аноду, увеличивается на несколько порядков по сравнению с первоначальным фотоэлектрическим током. Это позволяет регистрировать очень слабые световые потоки, вплоть до отдельных квантов.

Важная особенность ФЭУ — быстрота срабатывания. Это позволяет использовать их для регистрации скоротечных явлений, таких как вспышки, возникающие в сцинтилляторе при поглощении энергичной заряженной частицы или кванта.

Матрица ФЭУ

Отдельный ФЭУ имеет очень небольшую площадь фотокатода и регистрирует только те кванты, которые движутся в его направлении. Чтобы повысить эффективность регистрации, вокруг объема сцинтиллятора размещают большое число ФЭУ, связанных в единую систему. Матрицы ФЭУ также применяют для регистрации частиц широких атмосферных ливней и в нейтринных телескопах.

Обзоры неба

Небо в гамма-лучах с энергией 100

МэВ (CGRO)

Обзор в диапазоне жесткого гамма-излучения выполнен космической гамма-обсерваторией «Комптон» (Compton Gamma Ray Observatory, CGRO), которая была запущена по программе NASA «Великие обсерватории» и с 1991 по 2000 год вела наблюдения в диапазоне от 20 кэВ до 30 ГэВ, то есть от жесткого рентгена до жесткого гамма-излучения.

На карте отчетливо видна плоскость Галактики, где излучение формируется в основном остатками сверхновых. Яркие источники вдали от плоскости Галактики имеют в основном внегалактическое происхождение.

Небо в гамма-лучах с энергией 1,8

МэВ (CGRO-COMPTEL)

Этот обзор в диапазоне мягкого гамма-излучения также выполнен обсерваторией «Комптон» (см. Небо в гамма-лучах с энергией 100 МэВ), а точнее установленным на ней телескопом COMPTEL.

Источники также концентрируются к плоскости Галактики. В основном это компактные объекты.

Земное применение

Гамма-дефектоскоп

Далее: Рентген

гамма-лучей | Управление научной миссии

Более яркие цвета в области Лебедя указывают на большее количество гамма-лучей, обнаруженных космическим гамма-телескопом Ферми. Предоставлено: NASA / DOE / International LAT Team

ИСТОЧНИКИ ГАММА-ЛУЧЕЙ

Гамма-лучи имеют наименьшую длину волны и наибольшую энергию среди всех волн электромагнитного спектра. Их создают самые горячие и самые энергичные объекты во Вселенной, такие как нейтронные звезды и пульсары, взрывы сверхновых и области вокруг черных дыр.На Земле гамма-волны генерируются ядерными взрывами, молниями и менее драматической активностью радиоактивного распада.

ОБНАРУЖЕНИЕ ГАММА-ЛУЧЕЙ

В отличие от оптического света и рентгеновских лучей, гамма-лучи не могут улавливаться и отражаться зеркалами. Длины волн гамма-излучения настолько малы, что могут проходить через пространство внутри атомов детектора. Детекторы гамма-излучения обычно содержат плотно упакованные кристаллические блоки. Проходя гамма-лучи, они сталкиваются с электронами в кристалле.Этот процесс называется комптоновским рассеянием, когда гамма-излучение ударяет электрон и теряет энергию, подобно тому, как это происходит, когда биток ударяется о восьмерку. Эти столкновения создают заряженные частицы, которые могут быть обнаружены датчиком.

ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ

Гамма-всплески являются наиболее мощными и яркими электромагнитными событиями со времен Большого взрыва и могут высвободить больше энергии за 10 секунд, чем наше Солнце излучает за все предполагаемое время жизни в 10 миллиардов лет! Гамма-астрономия предоставляет уникальные возможности для исследования этих экзотических объектов. Исследуя Вселенную при этих высоких энергиях, ученые могут искать новую физику, проверять теории и проводить эксперименты, которые невозможны в лабораториях, связанных с Землей.

Если бы мы могли видеть гамма-лучи, ночное небо выглядело бы странным и незнакомым. Знакомый вид постоянно сияющих созвездий сменится постоянно меняющимися всплесками высокоэнергетического гамма-излучения, которые длятся от долей секунды до минут, вспыхивают, как космические лампы-вспышки, на мгновение доминируют в гамма-луче неба, а затем исчезают.

Спутник НАСА Swift зафиксировал гамма-взрыв, вызванный черной дырой, родившейся на расстоянии 12,8 миллиарда световых лет (внизу). Этот объект является одним из самых далеких из когда-либо обнаруженных.

Авторы и права: НАСА / Свифт / Стефан Иммлер и др.

СОСТАВ ПЛАНЕТ

Ученые могут использовать гамма-лучи для определения элементов на других планетах. Гамма-спектрометр (GRS) «Поверхность Меркурия, космическая среда, геохимия и дальность» (MESSENGER) может измерять гамма-лучи, испускаемые ядрами атомов на поверхности планеты Меркурий, пораженных космическими лучами.Под воздействием космических лучей химические элементы в почвах и горных породах испускают однозначно идентифицируемые сигнатуры энергии в виде гамма-лучей. Эти данные могут помочь ученым искать геологически важные элементы, такие как водород, магний, кремний, кислород, железо, титан, натрий и кальций.

Гамма-спектрометр на орбитальном аппарате NASA Mars Odyssey Orbiter обнаруживает и наносит на карту эти сигнатуры, такие как эта карта (ниже), показывающая концентрации водорода в почвах на поверхности Марса.

Предоставлено: НАСА / Центр космических полетов Годдарда, Студия научной визуализации

ГАММА-ЛУЧ НЕБО

Гамма-лучи также исходят от звезд, сверхновых, пульсаров и аккреционных дисков черных дыр, омывая наше небо гамма-излучением.Эти потоки гамма-излучения были получены с помощью космического гамма-телескопа Ферми НАСА, чтобы нанести на карту галактику Млечный Путь, создав полный 360-градусный вид галактики с нашей точки зрения здесь, на Земле.

Предоставлено: НАСА / Министерство энергетики / Международная группа LAT

ПОЛНОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ

Составное изображение остатка сверхновой Cas A ниже показывает полный спектр на одном изображении. Гамма-лучи от Ферми показаны пурпурным цветом; Рентгеновские лучи обсерватории Чандра имеют сине-зеленый цвет.Данные о видимом свете, полученные космическим телескопом Хаббл, отображаются желтым цветом. Инфракрасные данные космического телескопа Spitzer показаны красным; и радиоданные из очень большого массива отображаются оранжевым цветом.

Предоставлено: NASA / DOE / Fermi LAT Collaboration, CXC / SAO / JPL-Caltech / Steward / O. Krause et al. И NRAO / AUI

Начало страницы | Далее: Радиационный бюджет Земли

Цитата

APA

Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Управление научных миссий.(2010). Гамма лучи. Получено [вставить дату — например, 10 августа 2016 г.] , с веб-сайта NASA Science: http://science.nasa.gov/ems/12_gammarays

MLA

Управление научной миссии. «Гамма-лучи» NASA Science . 2010. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. [укажите дату — например, 10 августа 2016 г.] http://science.nasa.gov/ems/12_gammarays

гамма-лучей | Определение и применение

Гамма-излучение , электромагнитное излучение самой короткой длины волны и самой высокой энергии.

электромагнитный спектр
Связь рентгеновского излучения с другим электромагнитным излучением в пределах электромагнитного спектра.
Британская энциклопедия, Inc.
Подробнее по этой теме
Электромагнитное излучение: Гамма-лучи
Шесть лет спустя после открытия радиоактивности (1896 г.) Анри Беккерелем из Франции, британским физиком из Новой Зеландии Эрнестом Резерфордом. ..
Гамма-лучи образуются при распаде радиоактивных ядер атомов и при распаде некоторых субатомных частиц. Общепринятые определения областей гамма-лучей и рентгеновских лучей электромагнитного спектра включают некоторое перекрытие длин волн, при этом гамма-излучение имеет длины волн, которые обычно короче нескольких десятых ангстрема (10 ^{— 10} метра) и гамма-фотоны, имеющие энергию, превышающую десятки тысяч электрон-вольт (эВ).Не существует теоретического верхнего предела энергии гамма-квантов и нижнего предела длин волн гамма-излучения; наблюдаемые энергии в настоящее время простираются до нескольких триллионов электрон-вольт — эти фотоны чрезвычайно высокой энергии производятся в астрономических источниках с помощью неизвестных в настоящее время механизмов.
Термин гамма-луч был введен британским физиком Эрнестом Резерфордом в 1903 году после ранних исследований излучения радиоактивных ядер. Подобно тому, как атомы имеют дискретные уровни энергии, связанные с различными конфигурациями вращающихся электронов, атомные ядра имеют структуры уровней энергии, определяемые конфигурациями протонов и нейтронов, составляющих ядра.В то время как разность энергий между уровнями энергии атомов обычно находится в диапазоне от 1 до 10 эВ, разница в энергии ядер обычно находится в диапазоне от 1 кэВ (тысяча электрон-вольт) до 10 МэВ (миллион электрон-вольт). Когда ядро переходит с уровня с высокой энергией на уровень с более низкой энергией, излучается фотон, который уносит избыточную энергию; разности уровней ядерной энергии соответствуют длинам волн фотонов в гамма-области.
Когда нестабильное атомное ядро распадается на более стабильное ядро ( см. радиоактивность), «дочернее» ядро иногда образуется в возбужденном состоянии.Последующая релаксация дочернего ядра в состояние с более низкой энергией приводит к испусканию гамма-кванта. Гамма-спектроскопия, включающая точное измерение энергии гамма-квантов, испускаемых различными ядрами, может установить структуры ядерных уровней энергии и позволяет идентифицировать следовые радиоактивные элементы по их гамма-излучению. Гамма-лучи также образуются в важном процессе парной аннигиляции, в котором электрон и его античастица, позитрон, исчезают и создаются два фотона.Фотоны излучаются в противоположных направлениях и должны нести энергию 511 кэВ — энергию массы покоя ( см. Релятивистскую массу ) электрона и позитрона. Гамма-лучи также могут образовываться при распаде некоторых нестабильных субатомных частиц, таких как нейтральный пион.
Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас
Гамма-фотоны, как и их рентгеновские аналоги, представляют собой форму ионизирующего излучения; когда они проходят через вещество, они обычно вкладывают свою энергию, освобождая электроны от атомов и молекул.В более низких диапазонах энергий фотон гамма-излучения часто полностью поглощается атомом, и энергия гамма-излучения передается одному выброшенному электрону ( см. Фотоэлектрический эффект ). Гамма-лучи более высоких энергий с большей вероятностью рассеиваются от атомных электронов, вкладывая часть своей энергии в каждое рассеяние ( см. эффект Комптона). Стандартные методы обнаружения гамма-лучей основаны на эффектах высвобожденных атомных электронов в газах, кристаллах и полупроводниках ( см. измерения излучения и сцинтилляционный счетчик).
Гамма-лучи также могут взаимодействовать с атомными ядрами. В процессе образования пары гамма-фотон с энергией, в два раза превышающей энергию покоя электрона (больше 1,02 МэВ), при прохождении близко к ядру непосредственно превращается в электрон-позитронную пару ( см. фотография). При даже более высоких энергиях (более 10 МэВ) гамма-излучение может непосредственно поглощаться ядром, вызывая выброс ядерных частиц ( см. Фотораспад ) или расщепление ядра в процессе, известном как фотоделение.
гамма-луч
Электроны и позитроны, образующиеся одновременно из отдельных гамма-лучей, скручиваются в противоположных направлениях в магнитном поле пузырьковой камеры. В верхнем примере гамма-луч потерял некоторую энергию из-за атомного электрона, который покидает длинный след, закручиваясь влево. Гамма-лучи не оставляют следов в камере, так как не имеют электрического заряда.
Предоставлено лабораторией Лоуренса Беркли, Калифорнийский университет, Беркли.
Гамма-лучи в медицине используют ценный метод визуализации позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и эффективную лучевую терапию для лечения раковых опухолей.При ПЭТ-сканировании в организм вводится короткоживущий радиоактивный фармацевтический препарат, излучающий позитроны, выбранный из-за его участия в конкретном физиологическом процессе (например, функции мозга). Испускаемые позитроны быстро соединяются с соседними электронами и в результате парной аннигиляции порождают два гамма-излучения с энергией 511 кэВ, распространяющиеся в противоположных направлениях. После обнаружения гамма-лучей компьютерная реконструкция местоположения гамма-излучения дает изображение, которое выделяет местоположение исследуемого биологического процесса.
Как глубоко проникающее ионизирующее излучение, гамма-лучи вызывают значительные биохимические изменения в живых клетках ( см. радиационное поражение). Лучевая терапия использует это свойство для избирательного уничтожения раковых клеток в небольших локализованных опухолях. Радиоактивные изотопы вводятся или имплантируются рядом с опухолью; гамма-лучи, которые постоянно испускаются радиоактивными ядрами, бомбардируют пораженный участок и останавливают развитие злокачественных клеток.
Аэросъемка гамма-излучения с поверхности Земли поиск полезных ископаемых, содержащих следовые радиоактивные элементы, такие как уран и торий.Воздушная и наземная гамма-спектроскопия используется для поддержки геологического картирования, разведки полезных ископаемых и выявления загрязнения окружающей среды. Гамма-лучи были впервые обнаружены из астрономических источников в 1960-х годах, и теперь гамма-астрономия является хорошо развитой областью исследований. Как и при изучении астрономического рентгеновского излучения, наблюдения гамма-излучения должны проводиться над сильно поглощающей атмосферой Земли — обычно с помощью орбитальных спутников или высотных воздушных шаров ( см. Телескоп : гамма-телескопы).Есть много интригующих и плохо изученных астрономических источников гамма-излучения, в том числе мощных точечных источников, предположительно идентифицируемых как пульсары, квазары и остатки сверхновых. Среди наиболее интересных необъяснимых астрономических явлений — так называемые гамма-всплески — короткие, чрезвычайно интенсивные выбросы от источников, которые, по-видимому, изотропно распределены в небе.
Виды ионизирующего излучения
3 апреля 2015 г. | Компания Mirion Technologies

Ионизирующее излучение принимает несколько форм: альфа-, бета- и нейтронные частицы, а также гамма- и рентгеновские лучи.Все типы вызваны нестабильными атомами, у которых либо избыток энергии, либо масса (или и то, и другое). Чтобы достичь стабильного состояния, они должны высвободить эту дополнительную энергию или массу в виде излучения.
Альфа-излучение Альфа-излучение: испускание альфа-частицы из ядра атома.

Альфа-излучение возникает, когда атом подвергается радиоактивному распаду, испуская частицу (называемую альфа-частицей), состоящую из двух протонов и двух нейтронов (по сути, ядра атома гелия-4), превращая исходный атом в один из элементов с атомный номер на 2 меньше, а атомный вес на 4 меньше, чем было вначале.Из-за своего заряда и массы альфа-частицы сильно взаимодействуют с веществом и перемещаются по воздуху всего на несколько сантиметров. Альфа-частицы не могут проникнуть через внешний слой мертвых клеток кожи, но способны, если излучающее альфа вещество попадает в организм с пищей или воздухом, вызывать серьезные повреждения клеток. Александр Литвиненко — известный пример. Он был отравлен полонием-210, альфа-излучателем, в своем чае.
Бета-излучение Бета-излучение: испускание бета-частицы из ядра атома

Бета-излучение принимает форму электрона или позитрона (частицы с размером и массой электрона, но с положительным зарядом), испускаемого атомом.Благодаря меньшей массе он может перемещаться по воздуху дальше, на расстояние до нескольких метров, и его можно остановить толстым куском пластика или даже стопкой бумаги. Он может проникать через кожу на несколько сантиметров, создавая некоторую внешнюю опасность для здоровья. Однако основная угроза по-прежнему связана с внутренними выбросами из проглоченного материала.
Гамма-излучение Гамма-излучение: излучение высокоэнергетической волны из ядра атома

Гамма-излучение, в отличие от альфа или бета, не состоит из каких-либо частиц, а состоит из фотона энергии, испускаемого нестабильным ядром.Не обладая массой или зарядом, гамма-излучение может проходить по воздуху гораздо дальше, чем альфа или бета, теряя (в среднем) половину своей энергии на каждые 500 футов. Гамма-волны могут быть остановлены толстым или достаточно плотным слоем материала, при этом материалы с высоким атомным номером, такие как свинец или обедненный уран, являются наиболее эффективной формой защиты.
Рентгеновские снимки Рентгеновские лучи: излучение волны высокой энергии из электронного облака атома

Рентгеновские лучи похожи на гамма-излучение, с той разницей, что они исходят из электронного облака.Обычно это вызвано изменениями энергии электрона, такими как переход от более высокого энергетического уровня к более низкому, что приводит к высвобождению избыточной энергии. Рентгеновские лучи имеют большую длину волны и (обычно) более низкую энергию, чем гамма-излучение.
Нейтронное излучение Нейтронное излучение: испускание нейтрона ядром атома

Наконец, нейтронное излучение состоит из свободного нейтрона, обычно испускаемого в результате спонтанного или индуцированного деления ядер. Они способны перемещаться по воздуху на сотни или даже тысячи метров, однако их можно эффективно остановить, если они заблокированы материалом, богатым водородом, таким как бетон или вода. Обычно не способные ионизировать атом напрямую из-за отсутствия заряда, нейтроны чаще всего являются ионизирующими косвенно, поскольку они поглощаются стабильным атомом, что делает его нестабильным и с большей вероятностью испускает ионизирующее излучение другого типа. Фактически, нейтроны являются единственным типом излучения, которое может сделать другие материалы радиоактивными.
Что такое гамма-лучи? | Живая наука
Гамма-излучение — это форма электромагнитного излучения, так же как и радиоволны, инфракрасное излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и микроволны. Гамма-лучи можно использовать для лечения рака, а гамма-всплески изучаются астрономами.
Электромагнитное (ЭМ) излучение передается волнами или частицами с разными длинами волн и частотами. Этот широкий диапазон длин волн известен как электромагнитный спектр.9 дюймов. (Пикометр составляет одну триллионную часть метра.)
Гамма-лучи и жесткое рентгеновское излучение перекрываются в электромагнитном спектре, что может затруднить их различение. В некоторых областях, таких как астрофизика, в спектре проводится произвольная линия, где лучи с длиной волны выше определенной классифицируются как рентгеновские лучи, а лучи с более короткими длинами волн классифицируются как гамма-лучи. И гамма-лучи, и рентгеновские лучи обладают достаточной энергией, чтобы нанести ущерб живым тканям, но почти все космические гамма-лучи блокируются атмосферой Земли.
Открытие гамма-лучей
Гамма-лучи были впервые обнаружены в 1900 году французским химиком Полем Вилларом, когда он исследовал излучение радия, согласно Австралийскому агентству радиационной защиты и ядерной безопасности (ARPANSA). Несколько лет спустя химик и физик из Новой Зеландии Эрнест Резерфорд предложил название «гамма-лучи», следуя порядку альфа-лучей и бета-лучей — названия, данные другим частицам, которые образуются во время ядерной реакции, — и название прижилось. .
Источники гамма-излучения и эффекты
Гамма-лучи образуются в основном в результате четырех различных ядерных реакций: синтеза, деления, альфа-распада и гамма-распада.
Ядерный синтез — это реакция, которая приводит в действие Солнце и звезды. Это происходит в многоступенчатом процессе, в котором четыре протона или ядра водорода при экстремальной температуре и давлении вынуждены слиться в ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Получающееся в результате ядро гелия примерно на 0,7% менее массивно, чем четыре протона, которые вступили в реакцию.2, примерно две трети этой энергии испускается в виде гамма-лучей. (Остальное находится в форме нейтрино, которые представляют собой чрезвычайно слабо взаимодействующие частицы с почти нулевой массой.) На более поздних стадиях жизни звезды, когда у нее заканчивается водородное топливо, она может образовывать все более массивные элементы посредством синтеза, вплоть до до и включая железо, но эти реакции производят уменьшающееся количество энергии на каждой стадии.
Еще один известный источник гамма-излучения — ядерное деление. Национальная лаборатория Лоуренса Беркли определяет ядерное деление как разделение тяжелого ядра на две примерно равные части, которые затем являются ядрами более легких элементов.2, в виде кинетической энергии меньших ядер, нейтрино и гамма-лучей.
Другими источниками гамма-излучения являются альфа-распад и гамма-распад. Альфа-распад происходит, когда тяжелое ядро испускает ядро гелия-4, уменьшая его атомный номер на 2 и его атомный вес на 4. Этот процесс может оставить ядро с избыточной энергией, которая испускается в форме гамма-излучения. Гамма-распад происходит, когда в ядре атома слишком много энергии, из-за чего он испускает гамма-излучение без изменения своего заряда или массового состава.
Художественное впечатление от гамма-всплеска. (Изображение предоставлено НАСА)
Гамма-терапия
Гамма-лучи иногда используются для лечения раковых опухолей в организме путем повреждения ДНК опухолевых клеток. Однако следует проявлять большую осторожность, потому что гамма-лучи также могут повредить ДНК окружающих здоровых тканевых клеток.
Один из способов максимизировать дозу облучения раковых клеток при минимальном воздействии на здоровые ткани — направить несколько пучков гамма-лучей от линейного ускорителя или линейного ускорителя на целевую область со многих различных направлений.Это принцип действия методов лечения CyberKnife и Gamma Knife.
Радиохирургия с гамма-ножом использует специальное оборудование для фокусировки около 200 крошечных пучков излучения на опухоли или другой цели в мозге. По данным Mayo Clinic, каждый отдельный луч оказывает очень незначительное влияние на ткань мозга, через которую проходит, но сильная доза радиации попадает в точку, где встречаются лучи.
Гамма-астрономия
Одним из наиболее интересных источников гамма-излучения являются гамма-всплески (GRB).Это события с чрезвычайно высокой энергией, которые длятся от нескольких миллисекунд до нескольких минут. Впервые их наблюдали в 1960-х годах, а сейчас их наблюдают где-то в небе примерно раз в день.
Согласно НАСА, гамма-всплески являются «самой энергичной формой света». Они светят в сотни раз ярче типичных сверхновых и примерно в миллион триллионов раз ярче Солнца.
По словам Роберта Паттерсона, профессора астрономии в Университете штата Миссури, когда-то считалось, что гамма-всплески возникают на последних стадиях испарения мини-черных дыр.В настоящее время считается, что они возникают в результате столкновений компактных объектов, таких как нейтронные звезды. Другие теории связывают эти события с коллапсом сверхмассивных звезд с образованием черных дыр.
В любом случае гамма-всплески могут производить достаточно энергии, чтобы за несколько секунд они могли затмить целую галактику. Поскольку атмосфера Земли блокирует большинство гамма-лучей, их можно увидеть только с помощью высотных аэростатов и орбитальных телескопов.
Дополнительная литература:
Эта статья была обновлена ноябрь. 29 августа 2018 г., автор Live Science Contributor, Мередит Фор.
Защита от воздействия — ANS
Защита от воздействия
Время, расстояние и защита
Существуют три общих правила контроля воздействия ионизирующего излучения:
минимизация времени воздействия,
максимальное расстояние от источника излучения,
экранировать себя от источника излучения.
Время — важный фактор в ограничении облучения населения и аварийно-спасательных служб. Уровень радиационного облучения увеличивается и уменьшается по мере того, как люди проводят рядом с источником радиации. Максимальное время пребывания в радиационной среде определяется как «время пребывания». Время пребывания можно рассчитать по следующей формуле:
Время пребывания = предел воздействия / мощность дозы
Расстояние можно использовать для уменьшения экспозиции.Чем дальше люди находятся от источника излучения, тем меньше на них облучения. Удвоение расстояния от точечного источника излучения снижает интенсивность воздействия до 1/4 от первоначальной мощности. Уменьшение расстояния вдвое увеличивает экспозицию в четыре раза.
Насколько близко вы можете быть к источнику радиации, не получив сильного облучения? Это зависит от энергии излучения и размера (или активности) источника. Расстояние — главная проблема при работе с гамма-лучами, потому что они могут перемещаться со скоростью света.Альфа-частицы могут перемещаться только на несколько дюймов, а бета-частицы — около 10 футов.
Экранирование : По мере прохождения ионизирующего излучения через вещество интенсивность излучения уменьшается. Экранирование — это размещение «поглотителя» между вами и источником излучения. Поглотитель — это материал, который уменьшает излучение от источника излучения к вам. Альфа-, бета- или гамма-излучение можно остановить с помощью поглотителей разной толщины.
Защитный материал может включать бочки, доски, транспортные средства, здания, гравий, воду, свинец или что-то еще, что есть в наличии.
α ALPHA — может быть остановлен после прохождения около 1,2 дюйма воздуха, около 0,008 дюйма воды или листа бумаги или кожи. Тонкий лист бумаги или даже мертвые клетки внешнего слоя кожи человека обеспечивают адекватную защиту, потому что альфа-частицы не могут проникнуть через него. Однако живая ткань внутри тела не обеспечивает защиты от вдыхаемых или проглатываемых альфа-излучателей.
β BETA — может быть остановлен только после прохождения около 10 футов воздуха, менее 2 дюймов воды или тонкого слоя стекла или металла.Дополнительное покрытие, например тяжелая одежда, необходимо для защиты от бета-излучателей. Некоторые бета-частицы могут проникать сквозь кожу и вызывать ожоги.
γ ГАММА: Чтобы уменьшить типичное гамма-излучение в миллиард раз, толщина экрана должна составлять около 13,8 футов воды, около 6,6 футов бетона или около 1,3 футов свинца. Для защиты от гамма-лучей необходима толстая и плотная защита. Чем выше энергия гамма-излучения, тем толще должен быть экран. Рентгеновские лучи создают аналогичную проблему.Вот почему рентгенологи часто дают пациентам, получающим медицинские или стоматологические рентгеновские снимки, свинцовый фартук, чтобы прикрыть другие части их тела.
Узнать больше о ядерной науке
Что такое гамма-излучение?
Гамма-излучение или гамма-лучи — это фотоны высокой энергии, которые испускаются при радиоактивном распаде атомных ядер.Гамма-излучение — это очень высокоэнергетическая форма ионизирующего излучения с самой короткой длиной волны.
Ключевые выводы: гамма-излучение
Гамма-излучение (гамма-лучи) относится к части электромагнитного спектра с наибольшей энергией и наименьшей длиной волны.
Астрофизики определяют гамма-излучение как любое излучение с энергией выше 100 кэВ. Физики определяют гамма-излучение как фотоны высокой энергии, высвобождаемые при ядерном распаде.
Если использовать более широкое определение гамма-излучения, гамма-лучи испускаются такими источниками, как гамма-распад, молния, солнечные вспышки, аннигиляция вещества и антивещества, взаимодействие космических лучей и материи, а также многие астрономические источники.
Гамма-излучение было открыто Полем Виллардом в 1900 году.
Гамма-излучение используется для изучения Вселенной, обработки драгоценных камней, сканирования контейнеров, стерилизации продуктов и оборудования, диагностики заболеваний и лечения некоторых форм рака.
История
Французский химик и физик Поль Виллар открыл гамма-излучение в 1900 году. Виллар изучал излучение, испускаемое элементом радием. Хотя Виллард наблюдал, что излучение радия было более энергичным, чем альфа-лучи, описанные Резерфордом в 1899 году, или бета-излучение, отмеченное Беккерелем в 1896 году, он не идентифицировал гамма-излучение как новую форму излучения.
Расширяя слова Вилларда, Эрнест Резерфорд назвал энергетическое излучение «гамма-лучами» в 1903 году. Это название отражает уровень проникновения излучения в материю, причем альфа является наименее проникающей, бета-более проникающей, а гамма-излучение проходит через вещество наиболее легко.
Воздействие на здоровье
Гамма-излучение представляет значительный риск для здоровья. Лучи представляют собой форму ионизирующего излучения, что означает, что у них достаточно энергии для удаления электронов с атомов и молекул.Однако они менее подвержены ионизационному повреждению, чем менее проникающее альфа- или бета-излучение. Высокая энергия излучения также означает, что гамма-лучи обладают высокой проникающей способностью. Они проходят через кожу и повреждают внутренние органы и костный мозг.
До определенного момента человеческое тело может восстанавливать генетические повреждения от воздействия гамма-излучения. Механизмы восстановления кажутся более эффективными после воздействия высокой дозы, чем воздействия низкой дозы. Генетические повреждения от гамма-излучения могут привести к раку.
Источники естественного гамма-излучения
Существует множество естественных источников гамма-излучения. Это включает:
Гамма-распад : Это выброс гамма-излучения из природных радиоизотопов. Обычно гамма-распад следует за альфа- или бета-распадом, когда дочернее ядро возбуждается и падает до более низкого энергетического уровня с испусканием фотона гамма-излучения. Однако гамма-распад также является результатом ядерного синтеза, ядерного деления и захвата нейтронов.
Аннигиляция антивещества : Электрон и позитрон аннигилируют друг друга, испускаются гамма-лучи чрезвычайно высокой энергии. Другие субатомные источники гамма-излучения, помимо гамма-распада и антивещества, включают тормозное излучение, синхротронное излучение, распад нейтральных пионов и комптоновское рассеяние.
Молния : Ускоренные электроны молнии производят то, что называется земной гамма-вспышкой.
Солнечные вспышки : Солнечная вспышка может испускать излучение всего электромагнитного спектра, включая гамма-излучение.
Космические лучи : Взаимодействие космических лучей и материи приводит к высвобождению гамма-лучей от тормозного излучения или образования пар.
Гамма-всплески : Интенсивные всплески гамма-излучения могут возникать при столкновении нейтронных звезд или при взаимодействии нейтронной звезды с черной дырой.
Другие астрономические источники : Астрофизики также изучают гамма-излучение пульсаров, магнетаров, квазаров и галактик.
Гамма-лучи в сравнении с рентгеновскими лучами
И гамма-лучи, и рентгеновские лучи являются формами электромагнитного излучения.Их электромагнитный спектр перекрывается, так как же их отличить? Физики различают два типа излучения на основе их источника, где гамма-лучи возникают в ядре в результате распада, а рентгеновские лучи возникают в электронном облаке вокруг ядра. Астрофизики различают гамма-лучи и рентгеновские лучи строго по энергии. Гамма-излучение имеет энергию фотонов выше 100 кэВ, в то время как рентгеновские лучи имеют энергию только до 100 кэВ.
Источники
L’Annunziata, Майкл Ф.(2007). Радиоактивность: введение и история . Elsevier BV. Амстердам, Нидерланды. ISBN 978-0-444-52715-8.
Rothkamm, K .; Лёбрих, М. (2003). «Доказательства отсутствия репарации двухцепочечных разрывов ДНК в человеческих клетках, подвергшихся воздействию очень низких доз рентгеновского излучения». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (9): 5057–62. DOI: 10.1073 / pnas.0830918100
Резерфорд, Э. (1903). «Магнитное и электрическое отклонение легко поглощаемых лучей радия.» Philosophical Magazine , Series 6, vol. 5, No. 26, pages 177–187.
Виллар, П. (1900). «Sur la reflexion et la refraction des rayons cathodiques et des rayons déviables du radium». Comptes rendus , т. 130, страницы 1010–1012.
Измерения фонового гамма-излучения и активности почвы на северных Маршалловых островах
Значимость
С 1946 по 1958 год Соединенные Штаты испытали 67 единиц ядерного оружия на Маршалловых островах, удаленном созвездии атоллов в Тихом океане, которое тогда принадлежало США территория.Два атолла, Бикини и Эниветак, использовались в качестве отправной точки для испытаний, которые вызвали беспрецедентное загрязнение окружающей среды и, для коренных народов островов, долгосрочные неблагоприятные последствия для здоровья. В дополнение к населению Бикини и Эниветак, жители Ронгелапа и Утирика также пострадали от радиоактивных осадков в результате крупнейшего ядерного испытания, которое когда-либо проводилось Соединенными Штатами, — испытания Браво, проведенного 1 марта 1954 года. радиологические условия путем изучения внешнего гамма-излучения и концентрации активности почвенных радионуклидов.
Abstract
Мы сообщаем об измерениях внешнего гамма-излучения на 9 островах на 4 атоллах в северных Маршалловых островах, все из которых были затронуты программой ядерных испытаний США с 1946 по 1958 годы (Энджеби, Икурен и Джаптан на атолле Эниветак. ; Бикини и Эню на атолле Бикини; Наэн на атолле Ронгелап; и Аон, Эллук и Утирик на атолле Утирик). Мы также сообщаем о концентрациях активности америция-241, цезия-137, плутония-238 и плутония-239 240 в пробах почвы для 11 островов на 4 северных атоллах (Эниветак, Джаптан, Медрен и Рунит на атолле Эниветак; Бикини и Эню в Бикини. Атолла; Наен и Ронгелап на атолле Ронгелап; и Аон, Эллук и Утирик на атолле Утирик) и с острова Маджуро, атолла Маджуро на юге Маршалловых островов.Наши результаты показывают низкие уровни внешнего гамма-излучения на некоторых островах атолла Эниветак и Утирик, а также повышенные уровни на острове Энджеби в атолле Эниветак, на атолле Бикини и на острове Наен атолла Ронгелап. Мы выполняем обычный кригинг по измерениям внешнего гамма-излучения, чтобы получить интерполированные карты. Мы обнаружили, что радионуклиды отсутствуют во всех образцах почвы Маджуро и что они присутствуют в самых высоких концентрациях активности в образцах с островов Рунит и Энжеби (атолл Эниветак), острова Бикини (атолл Бикини) и острова Наен (атолл Ронгелап).Мы контекстуализируем все результаты, проводя сравнения между островами и различными стандартами, а также с регионами мира, пострадавшими от ядерных аварий. Мы также обсуждаем последствия для принятия обоснованных решений правительствами Маршалловых Островов и местных атоллов и их жителей по вопросам, касающимся переселения на острова.
Три ядерных оружия были произведены и применены Соединенными Штатами в 1945 году. Первым было плутониевое оружие, испытанное на полигоне Тринити 16 июля 1945 года в Нью-Мексико (1), а два других были использованы при нападениях на японцев. города Хиросима (урановое оружие) и Нагасаки (плутониевое оружие) 6 и 9 августа того же года соответственно (2). Разработка этого оружия стала кульминацией военных усилий под названием «Манхэттенский проект». Однако, даже когда Вторая мировая война подошла к концу с капитуляцией Японии, усилия по производству ядерного оружия продолжались в Соединенных Штатах. Он существовал под названием «Манхэттенский проект» до конца 1946 года, после чего на основании Закона об атомной энергии 1946 года была создана Комиссия по атомной энергии США (3).
Менее чем через 1 год после теста Тринити Соединенные Штаты провели 2 теста, Эйбл и Бейкер, на атолле Бикини, который является частью Маршалловых островов в Тихом океане (4).Эти испытания положили начало 12-летнему периоду ядерных испытаний на 2 атоллах Маршалловых островов: Бикини и Эниветак. Эниветак был местом проведения первых испытаний водородной бомбы (Айви Майк в 1951 году) (5), а в Бикини была установлена самая большая водородная бомба, которую когда-либо испытывали Соединенные Штаты (Касл Браво в 1954 году) (5). Хотя на Маршалловых островах приходится около 6% от общего числа испытаний, проведенных Соединенными Штатами (67 из 1054 испытаний с 1946 по 1992 год; большинство испытаний в США проводилось под землей), они несли на себе бремя более половины испытаний. общий энергетический выход всех испытаний ядерного оружия, проведенных США (∼108.5 против всего ∼196 Мт), с атоллом Бикини, где проводятся испытания с общим выходом энергии ∼77 Мт, что составляет почти 40% от общего выхода энергии всех ядерных испытаний в США (6, 7).
Местное население, проживавшее на Эниветаке и Бикини до начала испытаний, было переселено на другие атоллы в регионе, часто живя в очень тяжелых условиях на новых землях (8). Кроме того, несколько других атоллов получили значительные осадки во время испытаний, особенно в результате испытания Браво 1954 года, включая населенные атоллы Ронгелап и Утирик (9).Население каждого из этих 4 атоллов (Эниветак, Бикини, Ронгелап и Утирик), которые признаны Соединенными Штатами как пострадавшие от ядерных испытаний, имели разную историю во время и после испытаний. Мы кратко описываем эти истории и текущее состояние, чтобы дать контекст нашим радиологическим исследованиям.
В Эниветаке люди были переселены на атолл Уджеланг со своих островов в 1947 году для подготовки к первым испытаниям и начали возвращаться в 1980 году после масштабной радиоактивной очистки атолла (10).В настоящее время на острове Эниветак проживает несколько сотен человек.
Жители Бикини были переселены с острова Бикини в 1946 году на соседний атолл Ронгерик, который быстро оказался непригодным для проживания новым домом, в первую очередь из-за отсутствия на острове устойчивых источников пищи (8). Их перевели на атолл Кваджалейн на несколько месяцев и нашли более постоянный дом на острове Кили на юге Маршалловых островов (8). На острове Кили нет лагуны, и он по-прежнему создает трудности для проживания.Некоторые жители Бикини вернулись на остров Бикини в конце 1960-х годов, чтобы покинуть их к 1978 году, когда стало ясно, что они накапливают большие дозы радиации, живя на острове (8). В настоящее время небольшое количество людей живет на острове Бикини, в основном в качестве смотрителей, выполняя контрактную работу как для правительства США, так и для правительства Маршалловых Островов (11).
Население Ронгелапса подверглось радиационным выпадениям через несколько часов после испытания Браво в 1954 году (9, 12, 13). Популяция была перемещена через 3 дня после теста Браво, чтобы вернуться в Ронгелап 3 года спустя, в 1957 г. (9, 12, 13).Впоследствии люди были эвакуированы из Ронгелапа организацией «Гринпис» в 1985 году и перемещены на остров Мехато, где большинство из них проживает с тех пор (13).
Жители атолла Утирик также подверглись воздействию осадков в результате испытания «Браво», хотя Утирик находится дальше от Бикини, чем Ронгелап (483 км против 152 км соответственно) (9). Население Утирика было эвакуировано с островов через 2 дня после взрыва, но вернулось домой через 3 месяца после Браво (9). С тех пор Утирик постоянно заселен, и в настоящее время здесь проживает несколько сотен человек.
За десятилетия, прошедшие после окончания испытаний на Маршалловых островах, Комиссия по атомной энергии, а затем и Министерство энергетики, выполнили многочисленные программы и провели десятки исследований, чтобы установить радиологические условия на островах, а также их состояние. влияние на здоровье облученного населения (4, 7, 12⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓ – 20). Хотя отдельных ученых хвалили за их вклад и преданность этой работе, сообщества Маршалловых Островов испытывают недостаток доверия и понимания результатов.Потребность в независимых измерениях и анализе была первостепенной.
В 2016 году мы сообщили о результатах, полученных во время поездки в 2015 году на 3 атолла (Эниветак, Бикини и Ронгелап) на севере Маршалловых островов, и сравнили измерения внешнего гамма-излучения на этих атоллах с измерениями, выполненными в столице Республики Маршалловы острова, Маджуро, что на юге Маршалловых островов (21). Впоследствии мы совершили еще одну поездку в 2017 году, чтобы изучить различные пути воздействия радиации и ответить на дополнительные вопросы, возникшие в результате наших исходных данных и анализа.Во-первых, мы хотели включить Утирик в наши исследования как атолл, признанный США пострадавшим, который мы не смогли посетить во время нашей первой поездки из-за нехватки времени. Во-вторых, мы хотели расширить наши измерения на нынешних или ранее населенных островах на внешние острова в пределах затронутых атоллов, поскольку мы узнали, что люди часто посещают необитаемые острова в поисках еды или других ресурсов, особенно во время праздников. Наконец, мы также стремились провести измерения концентраций различных радионуклидов в почве, включая 3 изотопа плутония, чтобы получить более полное представление о пригодности различных островов для проживания людей.Хотя предыдущая работа предполагает, что случайное попадание плутония в почву будет составлять небольшую долю от общего радиационного облучения жителей острова, и рекомендует предел действия для плутония 17 пКи / г (13), все ненулевые концентрации плутония, в частности, должны следует рассматривать и контекстуализировать, учитывая повсеместное отсутствие руководящих указаний по уровням безопасности для этих изотопов.
Результаты и обсуждение
Внешнее гамма-излучение.
Атолл Эниветак.
Мы провели 47 измерений внешнего гамма-излучения на острове Икурен, 36 измерений на острове Джаптан и 69 измерений на острове Энджеби, который состоит из двух основных частей, соединенных тонкой полосой суши. Данные представлены на Рис. 1 и SI Приложение , Таблица S1. Мы использовали гауссову модель для выполнения кригинговой интерполяции значений внешнего гамма-излучения по протяженности острова Икурен. Учитывая размер острова, для интерполяции было достаточно 47 измерений.Однако многие измерения проводились в северо-западной части острова; Юго-восточная часть острова не могла быть исследована из-за густой растительности. Прогнозируемый разброс значений по острову составлял 7,4 милирем / год (мбэр / год) или 0,074 миллизиверта / год (мЗв / год; рис. 2 и 3). Из-за небольшого количества измерений, сделанных относительно размера острова, мы не выполняли интерполяцию для острова Джаптан. На острове Энджеби на севере атолла Эниветак был самый высокий уровень внешнего гамма-излучения на всем атолле, предположительно потому, что большинство испытаний ядерного оружия проводилось в этом регионе, а очистка атолла была сосредоточена на южных островах.Среднее значение для Энджеби составляет 69 мбэр / год, максимальное — 272 мбэр / год (рис. 1 и приложение SI, приложение , таблица S1). Интерполированная карта Энджеби представлена на рис. 2.
Рис. 1.
Распределение внешнего гамма-излучения на различных островах 4 атоллов на севере Маршалловых островов. Синие распределения (атолл Эниветок), красные / оранжевые распределения (атолл Бикини), зеленые распределения (атолл Ронгелап) и фиолетовые распределения (атолл Утирик). Обратите внимание, что масштабы вертикальных осей на островах различаются.На каждое распределение накладывается подобранная кривая (синего цвета) для измеренного распределения контрольного острова Маджуро.
Рис. 2.
Карты 9 островов на 4 атоллах на севере Маршалловых островов, включая 8 интерполированных карт. Расположение измеренных значений обозначено черными точками. Цветовое соответствие прогнозируемым значениям внешнего гамма-излучения одинаково для всех восьми интерполированных островов (кроме Яптана) и показано в легенде справа.
Рис.3.
Интерполированные карты 5 островов на севере Маршалловых островов с самыми низкими уровнями внешнего гамма-излучения. Карты предназначены для различения уровней в диапазоне примерно от 0 до 50 мбэр / год. Расположение измеренных значений обозначено черными точками. Цветовое соответствие прогнозируемым значениям внешнего гамма-излучения одинаково для всех островов и показано в легенде справа.
Атолл Бикини.
В 2015 г. выполнено 137 измерений внешнего гамма-излучения на острове Бикини.Впоследствии во время поездок 2017 и 2018 годов было проведено 48 дополнительных измерений для увеличения покрытия острова, в результате чего в общей сложности было проведено 185 измерений. В настоящее время районы, по которым отсутствуют данные, в основном покрыты интенсивной и заросшей растительностью, что затруднило дальнейшие исследования. Наши минимальные и максимальные значения из измерений 2015 года не изменились в полном наборе данных, который включает дополнительные данные (11 и 648 мбэр / год, соответственно), но среднее значение для полного набора данных немного увеличилось (191 мбэр / год по сравнению с184 мбэр / год), как и медиана (149 мбэр / год против 137 мбэр / год). Рис. 1 и SI Приложение , Таблица S1. Данные по бикини соответствовали гауссовской модели для применения кригинга по всему острову. Интерполяция по-прежнему показывает тенденцию к более высоким значениям внутри острова (430 мбэр / год) и более низким прогнозируемым значениям к краям острова (45 мбэр / год), что согласуется с нашими измерениями и, предположительно, в результате повышенный сток радионуклидов из-за погодных и экологических условий.
Мы также провели 66 измерений на острове Эню, в основном вокруг внешних краев острова, со значительными участками суши между двумя побережьями, которые не наблюдались из-за густой заросшей растительности. Центр острова мог быть достигнут, и эти значения были около 20 мбэр / год. Наибольшее зарегистрированное значение внешнего гамма-излучения наблюдается у северного побережья острова на уровне 60 мбэр / год, а минимальное зарегистрированное значение составляет 7,9 мбэр / год. Среднее значение составляет 20 мбэр / год (Рис. 1 и SI Приложение , Таблица S1).Подгонка к модели Гаусса, интерполяция кригинга предсказала диапазон от 11 до 37 мбэр / год, что почти имитирует диапазон измеренных значений (рис. 2). Однако рядом с южной оконечностью острова есть точки прогнозирования, которые находятся на значительном удалении от пляжей, что вносит значительную неопределенность.
Атолл Ронгелап.
Восемнадцать измерений были сделаны на острове Нэн в северной части атолла Ронгелап. Измеренные значения варьировались от 34 до 543 мбэр / год при среднем значении 322 мбэр / год (рис.1 и SI Приложение , Таблица S1). Кригинг проводился по всему острову, и прогнозируемые значения варьировались от 77 до 460 мбэр / год (рис. 2). Значения аналогичны тенденции измеренных данных с высокими значениями во внутренней части острова по сравнению с пляжем. К сожалению, большие участки острова не были измерены, что вызвало некоторую неопределенность в интерполяции этих участков. Наен имеет самый высокий средний уровень внешнего гамма-излучения из всех островов, которые мы посетили во время 3 поездок на северные Маршалловы острова (2015, 2017 и 2018).
Атолл Утирик.
Атолл Утирик впервые посетила наша группа во время морской прогулки в 2017 году. Остров Утирик населен, а соседние острова Эллук и Аон представляют собой потенциальный источник пищи. Географически этот атолл наиболее удален от ядерных полигонов; тем не менее, значительные радиоактивные осадки вызвали облучение маршалловского населения Утирика, проживавшего на острове во время испытания «Браво» (21). В настоящее время на острове Утирик проживает около 400 человек.
Всего мы провели 79 измерений на острове Утирик, при этом точки наблюдения были хорошо разбросаны, что обеспечило хорошее покрытие острова.В целом, распределение наблюдений находилось в узком диапазоне от 4,4 до 12 мбэр / год со средним значением измерений 7,9 мбэр / год. Кригинг был выполнен по подходящей гауссовской модели. Диапазон прогнозируемых значений (5,9–11 мбэр / год) был таким же плоским и узким. Мы сделали 21 измерение на Эллуке, самом маленьком острове, который мы исследовали. Измеренные значения были разбросаны по всей территории острова и варьировались от 4,4 до 11 мбэр / год, в среднем 7,9 мбэр / год. Мы подобрали гауссову модель вариограммы, а затем использовали ее для кригинга по всему острову.Из-за небольшого размера острова прогнозируемое значение для всего острова составляло 7,8 мбэр / год, что очень близко к среднему значению, измеренному на острове. На острове Аон выполнено 49 измерений. Как и в случае с Утириком, наблюдения полностью охватили большую часть острова. Значения варьировались от 5,3 до 15 мбэр / год, в среднем 10 мбэр / год. Прогнозируемые значения кригинга варьировались от 8,3 до 11 мбэр / год (рис. 1, 2 и 3, а также SI, приложение , таблица S1).
Сравнение с контролем.
Мы сравнили измеренные уровни внешнего гамма-излучения на каждом острове с островом Маджуро, который мы исследовали в 2015 году и обозначили как контрольный остров (21).Для этих сравнений мы использовали верхний хвостовой тест Wilcoxon Rank-Sum. Мы обнаружили, что 2 острова на атолле Эниветак, Икурен и Джаптан, не имели повышенных уровней внешнего гамма-излучения по сравнению с островом Маджуро, но Энджеби имел ( P <<0,01). Мы также обнаружили, что на островах Бикини и Эню на атолле Бикини и на острове Наен на атолле Ронгелап уровни внешнего гамма-излучения были статистически значимо выше, чем уровни, измеренные на острове Маджуро ( P <<0.01). Для атолла Утирик мы обнаружили, что все 3 острова не имели фонового гамма-излучения, которое было бы заметно выше, чем у Маджуро.
Сравнение со стандартами.
Соединенные Штаты и Республика Маршалловы Острова подписали Меморандум о взаимопонимании (MOU) относительно переселения атолла Ронгелап, который, как описано во введении, еще не переселен (13). В этом соглашении установлен предел 100 мбэр / год для жителя, подвергшегося максимальному облучению от всех путей воздействия.По нашим данным, как острова Бикини, так и острова Наэн превышают этот предел даже с учетом естественного радиационного фона, который мы считаем эквивалентным значениям, измеренным на острове Маджуро атолла Маджуро на юге Маршалловых островов, и только в результате воздействия внешнего гамма-излучения. радиация. Хотя остров Энжеби не превышает стандарт 100 мбэр / год только от среднего значения внешнего гамма-излучения, вполне вероятно, что это произойдет, если будут рассмотрены другие пути облучения (например, пища). См. Рис.4 для краткого обзора результатов.
Рис. 4.
Средние значения внешнего гамма-излучения на различных островах в северных Маршалловых островах с поправкой на радиацию на контрольном острове Маджуро. Планки погрешностей представляют ± 1 SE. Синим цветом обозначены острова, расположенные на атолле Эниветак, красным — атолл Бикини, зеленым — атолл Ронгелап; фиолетовый: Атолл Утирик. Маджуро на атолле Маджуро, контрольном острове, обозначен серым цветом. Пунктирной линией обозначены согласованные Соединенными Штатами и Республикой Маршалловы Острова общий предел радиации для переселения.
Концентрации радиоизотопов в почве.
Мы провели измерения концентрации активности америция-241 (²⁴¹ Am), цезия-137 (¹³⁷ Cs), плутония-238 (²³⁸ Pu) и ²³⁹²⁴⁰ Pu в почвах до 38 пробы: 34 с 4 пострадавших атоллов и 4 с острова Маджуро на юге Маршалловых островов. Мы уточняем измеренные концентрации для всех радионуклидов, указанных ниже, и проводим сравнения со стандартами и концентрациями активности в почве, измеренными в других частях мира.
²⁴¹ Am.
Мы получили ²⁴¹ концентрации активности Am в 30 образцах почвы с атоллов Эниветак, Бикини, Ронгелап и Утирик. На островах Энжеби, Рунит, Бикини и Наэн наблюдалась самая высокая концентрация активности. Результаты и неопределенности представлены на рис. 5. На всех остальных островах концентрации находились в диапазоне от 8 до 73 Бк / кг. Места, где были взяты пробы почвы, показаны на рис. 6. Концентрации активности были самыми высокими в пробах с острова Наен, в среднем 1270 Бк / кг или 34 пКи / г и максимальном значении 3090 Бк / кг.Это удивительное открытие, поскольку атолл Ронгелап не был местом ядерных испытаний, а подвергался только воздействию осадков, в первую очередь в результате испытания Браво, проведенного в 1954 году. На острове Энджеби также было зафиксировано одно значение высокой активности — 1520 Бк / кг, в то время как другая проба — 63 Бк / кг. Следующие самые высокие результаты были получены для образцов Runit, в среднем 230 Бк / кг и максимальное значение 550 Бк / кг. Наши значения для острова Бикини (1 образец на 80 Бк / кг и другой образец на 175 Бк / кг) согласуются с предыдущими результатами (7).См. Рис. 5 и 6 для данных от выбранных образцов и местоположений образцов.
Рис. 5.
Средние концентрации радиоизотопной активности (Бк / кг) в почве для 20 проб с самыми высокими концентрациями с различных атоллов (острова Энжеби и Рунит на атолле Эниветак, остров Бикини на атолле Бикини и остров Наен на атолле Ронгелап) . Планки погрешностей представляют ± 1 SE. Обратите внимание на разные масштабы на вертикальных осях для разных изотопов. На панели ²⁴¹ Am пунктирная линия представляет предел дезактивации, установленный Комиссией по ядерному регулированию США.На панели ¹³⁷ Cs пунктирная линия представляет ограничение, установленное Законом о пищевой санитарии в Японии. На панели ^239/240 Pu пунктирная линия представляет предел воздействия общего плутония в почве в соответствии с Меморандумом о взаимопонимании между США и RMI. Обратите внимание, что для этого предела следует учитывать общий плутоний, включая ²³⁸ Pu.
Рис. 6.
Места, где были взяты пробы почвы и концентрации радиоизотопов в которых приведены на Рис. 5.
Концентрации активности ²⁴¹ Am в почве были измерены в 2009 году (через 23 года после Чернобыльской катастрофы) в различных регионах. Полесского государственного радиоэкологического заповедника (ПОГРЭР).ЧСЭР — это регион Беларуси, наиболее пострадавший от последствий чернобыльских осадков, который географически примыкает к Чернобыльской зоне отчуждения на Украине (22). Средние концентрации ²⁴¹ Am на отдельных участках варьировались от 61,4 до 97,7 Бк / кг, что выше или аналогично концентрациям в 12 образцах северных Маршалловых островов и намного ниже, чем концентрации в 1 образце с острова Бикини, 1 образце Энджеби, 7 образцах Наэн. и 5 образцов Runit. Кроме того, концентрации ²⁴¹ Am в почве были измерены в районе Роки-Флэтс, занимающегося экологическими технологиями, в Колорадо, который до 1989 года был объектом по производству ядерного оружия и который был закрыт из-за случайного выброса оружейного плутония ( 23).Значения для ²⁴¹ Am в почве были довольно низкими, а 95% доверительный интервал колебался от 1,1 до 1,6 Бк / кг, что было намного ниже, чем концентрации активности во всех измеренных образцах с Маршалловых островов. Наконец, нам известен только единый стандарт присутствия в почве ²⁴¹ Am. Это предел дезактивации, предложенный Комиссией по ядерному регулированию США и установленный на уровне 30 пКи / г или 1110 Бк / кг (24). Этот предел превышает 1 образец с острова Энжеби и 4 образца с острова Наэн.Среднее значение для острова Наен также превышает этот предел.
¹³⁷ CS.
Мы получили ¹³⁷ концентрации Cs во всех 38 пробах почвы. На островах Энжеби, Рунит, Бикини и Наен наблюдаются самые высокие концентрации, и их значения и погрешности приведены на рис. 5. На всех остальных островах концентрации находятся в диапазоне от 0 до 55 Бк / кг. На рис. 6 показано расположение собранных образцов. Концентрации в пробах Маджуро равны нулю в пределах неопределенности измерения, как и концентрации в 2 пробах с острова Эниветак и 1 пробе с острова Медрен, обе на атолле Эниветок.Значения для 5 образцов Runit колеблются от 3 до 2790 Бк / кг при средней концентрации активности 334 Бк / кг. ¹³⁷ Измерения Cs низкие в 2 образцах с острова Ронгелап (13,1 и 14,5 Бк / кг) и значительно выше в 2 образцах с острова Бикини (455,1 и 636,4 Бк / кг). ¹³⁷ Концентрация Cs в пробах Naen самая высокая, как и при измерениях ²⁴¹ Am, с диапазоном 20–7 140 Бк / кг и в среднем 3090 Бк / кг. Образец с самой высокой концентрацией более чем на порядок выше по стоимости, чем 2 образца Bikini.В одном из образцов Энджеби концентрация составила 2850 Бк / кг. См. Рис. 5 и 6 для данных от выбранных образцов и местоположений образцов.
Наши значения для острова Бикини несколько ниже, чем значения, указанные в Simon et al. в 1997 г., что можно было ожидать, учитывая, что они были получены примерно на 20 лет позже, если предположить, что образцы были собраны в аналогичных местах (12). Образцы из Понпеи, Гуама, Трука и Палау, которые варьировались от 1,5 до 11 Бк / кг при поправке на 1996 г., ранее были представлены как репрезентативные для мировых уровней выпадения осадков для этого диапазона широт (5–15 ° с. Ш.) (25) .Однако, учитывая нулевые концентрации, которые мы обнаружили в 4 образцах с острова Маджуро, мы ставим под сомнение такое обозначение в настоящее время.
В Японии Закон о санитарной безопасности пищевых продуктов устанавливает предел для ^{134 + 137} Cs в сельскохозяйственных почвах на уровне 5000 Бк / кг с предполагаемым пределом для концентрации активности ¹³⁷ Cs в 2500 Бк / кг (26). На северных Маршалловых островах мы обнаружили, что большинство образцов ниже этого предела. Однако 3 образца Naen были близки к пределу, а 3 дополнительных образца Naen, 1 образец Enjebi и 1 образец Runit были выше предела.Вышеупомянутые концентрации также являются всеми вышеуказанными концентрациями, обнаруженными в почве вблизи Чернобыльской АЭС менее чем через 10 лет после аварии, которые составили 960 и 1210 Бк / кг (27).
²³⁸ Pu и ²³⁹²⁴⁰ Pu.
Мы получили ²³⁸ концентрации Pu во всех 38 пробах почвы. В 26 пробах концентрации были равны нулю с точностью до неопределенности. Единственными образцами с концентрациями ²³⁸ Pu выше нуля были 2 образца с острова Наен (1.8 и 63 Бк / кг) и всех 10 проб с острова Рунит (1,5–138 Бк / кг), которые имели среднее значение 42 Бк / кг.
Мы получили ^{239 240} концентрации Pu во всех 38 пробах почвы с 13 островов, включая Маджуро. Концентрации Маджуро равны нулю, как и концентрации в 2 образцах из Эниветак, в 1 из Медрена и в 1 из Джаптана. Самые низкие концентрации обнаружены в 2 образцах с острова Ронгелап (4,5 и 6,4 Бк / кг) и в 2 образцах с острова Утирик (7,8 и 8,2 Бк / кг).Концентрация выше в пробах с других островов атолла Утирик; а именно 17,3 Бк / кг в образце из Aon и 65,1 Бк / кг в образце из Elluk. Образцы Enyu также имеют повышенные значения — 24,8 и 30,2 Бк / кг, тогда как образцы Bikini еще выше — 56,2 и 210,5 Бк / кг. Образцы Naen содержат ^{239 240} Pu, что снова выше, чем в Бикини, и составляет 205–5180 Бк / кг, в среднем 1640 Бк / кг, в то время как образцы Runit колеблются от 67 до 2340 Бк / кг, в среднем 500. Бк / кг. Одна проба Энджеби имеет концентрацию 1830 Бк / кг.См. Рис. 5 и 6 для данных от выбранных образцов и местоположений образцов.
Наши результаты для острова Бикини согласуются с предыдущими измерениями (7, 28). Все ненулевые значения намного превышают глобальную концентрацию радиоактивных осадков, которая была недавно измерена в пробах 1970-х годов возле Фукусимы и, как было обнаружено, находится в диапазоне от 0,004 до 1,5 Бк / кг (29). Уровни ^{239 240} Pu не увеличились значительно, и было обнаружено, что в Фукусиме они достигли 0,353 Бк / кг в первые пару месяцев после аварии, что более чем в 10–1000 раз ниже, чем все ненулевые концентрации активности из образцы северных Маршалловых островов (30).Средняя концентрация ^{239 240} Pu в образцах PSRER составляла около 30 Бк / кг, что аналогично или выше, чем в некоторых из наших образцов, но в 2–17 раз ниже, чем в образцах с островов Бикини, Рунит, Энжеби и Наен (22) .
Меморандум о взаимопонимании между Соединенными Штатами и Правительством Республики Маршалловы Острова устанавливает предел действий в отношении общего количества плутония в почве. Этот предел действия установлен на уровне 17 пКи / г или 629 Бк / кг (13). Два образца Runit, 1 образец Enjebi и 5 образцов Naen превышают этот предел.Хотя многие из измеренных нами образцов подпадают под этот предел воздействия, этот предел также значительно выше, чем значения для плутония, обнаруженного в районах, пострадавших от аварий на Чернобыльской АЭС и Фукусиме. Мы удивлены отсутствием каких-либо дополнительных указаний по допустимым уровням плутония в почве от национальных правительств и международных организаций.
Заключение
В этом исследовании мы широко рассматриваем радиологические условия на 4 атоллах на севере Маршалловых островов (Эниветак, Бикини, Ронгелап и Утирик) с акцентом на внешние острова на атоллах, которые могут не подходить. для проживания самостоятельно, но островитяне могут посещать их в поисках пищи, особенно во время сбора урожая.Здесь мы суммируем наши выводы для каждого из 4 атоллов.
Enewetak.
В соответствии с нашим предыдущим исследованием, в котором мы обнаружили низкие уровни внешнего гамма-излучения на островах Эниветок и Медрен, спустя много времени после крупномасштабных работ по очистке атолла Эниветок, мы также обнаружили низкие уровни внешнего гамма-излучения на обоих островах Икурен. и острова Яптан (21). Однако мы действительно обнаруживаем повышенные уровни гамма-излучения на острове Энджеби в северной части Эниветака. Кроме того, в 1 из 2 проб почвы, которые мы собрали на острове Энджеби, были высокие концентрации всех 5 радионуклидов, включая уровни выше безопасных для ¹³⁷ Cs и ^{239 240} Pu.На острове Рунит, где находится хранилище ядерных отходов, наблюдаются значительные уровни концентрации всех 5 радионуклидов (рис. 5).
Наши результаты показывают, что люди, живущие в настоящее время на юге Эниветака, вряд ли получат значительное облучение в результате испытаний ядерного оружия. Однако присутствие радиоактивных изотопов на острове Рунит вызывает серьезную озабоченность, и жителей следует предостеречь от любого использования острова. Более того, вымывание существующих изотопов с островов в океан в результате выветривания и продолжающегося повышения уровня моря (31) продолжает угрожать дальнейшему загрязнению лагуны и океана в целом.Изучение уровней радиоактивности в океане у острова Рунит и на севере Маршалловых островов в целом имеет первостепенное значение. Кроме того, следует предостеречь жителей южных островов атолла Эниветок от проведения времени на северных островах, включая остров Энджеби.
Бикини.
В соответствии с нашим предыдущим исследованием, мы обнаружили значительно повышенные уровни гамма-излучения на острове Бикини (21). При включении точек данных за все периоды сбора среднее значение фонового гамма-излучения составляет 190 мбэр / год, что почти вдвое превышает согласованный предел, установленный правительством Республики Маршалловы Острова / США для общего облучения, связанного с ядерными испытаниями; а именно 100 мбэр / год (рис.4). Кроме того, оба образца Бикини имели повышенные концентрации ²⁴¹ Am, ¹³⁷ Cs и ^{239 + 240} Pu в почве. В частности, концентрации активности в почве ²⁴¹ Am в Бикини были до 3 раз выше, чем в образцах почвы из PSRER в Беларуси, и до 150 раз выше, чем в образцах почвы с сайта экологических технологий Rocky Flats в Колорадо (22, 23) . ^{239 240} Концентрации Pu были в 15–1000 раз выше, чем в пробах из районов, пострадавших от катастроф на Чернобыльской АЭС и Фукусиме (29, 30).
Уровни радиации на острове Эню значительно ниже, чем на острове Бикини, как для внешнего гамма-излучения, так и для концентраций радиоактивных изотопов в почве. Разница в уровнях внешнего гамма-излучения статистически значима ( P <<0,01), а концентрации радиоизотопной активности в Бикини были в 2–12 раз выше, чем в образцах почвы Эню. Эти результаты предполагают, что, возможно, на острове Эню была проведена некоторая радиологическая очистка.Тем не менее, уровни радиации на острове Бикини, который служил основным островом для проживания на атолле до и после испытаний, слишком высоки для переезда в Бикини. Это верно даже до того, как будет принято во внимание радиация в продуктах питания, которая может представлять наиболее значительный путь воздействия (32).
Rongelap.
В нашей предыдущей работе было высказано предположение, что уровни внешнего гамма-излучения на острове Ронгелап были немного выше, чем на острове Маджуро, и вывод о пригодности для проживания людей на этом острове должен основываться на данных, касающихся уровней радиоактивности в продуктах питания (21). .В рамках этого исследования мы сосредоточились на измерениях на острове Нэн. Наэн расположен на севере, и ранее сообщалось, что он имеет гораздо более высокие уровни радиации, чем остров Ронгелап (25). Мы обнаружили, что значения внешнего гамма-излучения на Наене являются самыми высокими из всех исследованных нами островов, значительно превышая соглашение в 100 мбэр / год между Республикой Маршалловы Острова и правительствами Соединенных Штатов (MOU). Среднее значение Naen выше, чем у Бикини, частично из-за большего количества точек данных, собранных внутри острова по сравнению с краями; самая высокая точка излучения, которую мы измерили, по-прежнему приходится на остров Бикини.
Кроме того, концентрации радиоактивных изотопов в почве были высокими в 7 образцах почвы с острова Наен, в частности, для ²⁴¹ Am, ¹³⁷ Cs и ^{239 + 240} Pu, и во всех случаях были выше, чем концентрации в Образцы бикини. Образец на берегу океана имел более низкие значения для этих изотопов и гораздо более высокие значения для ²³⁸ Pu. Это интересное открытие, учитывая, что образцы почвы Рунита вблизи и вдали от купола Рунита показали аналогичную подпись.Возможное объяснение неожиданно высоких уровней радиации в Наэне могло быть связано с тем, что Наэн находился на прямом пути ветра ядерных взрывов (25). Уровни концентрации активности и сигнатуры также согласуются с непроверенной гипотезой о том, что некоторые отходы после очистки, проведенной на Ронгелапе, могли быть перевезены на остров Нэн, как это было сделано на острове Рунит. Таким образом, учитывая образ жизни людей, живущих на удаленных атоллах, нам кажется, что перед тем, как можно будет представить себе полное переселение атоллов, потребуется очистка Наена и, возможно, других северных островов атолла Ронгелап.
Утирик.
Наши исследования Утирика не были исчерпывающими из-за нехватки времени. Как и в случае с южными островами атолла Эниветок, атолл Утирик имел очень плоское распределение значений внешнего гамма-излучения и не имел горячих точек. Общее среднее значение измеренной радиации составляет 8,7 мбэр / год, и по сравнению со средним внешним гамма-облучением на Маджуро, которое составляет 9,5 мбэр / год, мы можем сделать вывод, что измеренная радиация больше не является повышенной из-за выпадений ядерных испытаний. Кроме того, уровни концентрации активности радионуклидов в почве на Утирике были относительно низкими.Некоторые образцы выше нуля или близки к нулю фоновых измерений Маджуро, но все же значительно ниже уровней, наблюдаемых на островах Бикини, Наен, Энжеби и Рунит. Хотя уровни ^{239 240} Pu значительно ниже лимита действия МоВ, они все же выше, чем уровни в районах, пострадавших от аварии на Фукусиме и Чернобыльской АЭС. Следует рассмотреть возможность дальнейшего мониторинга уровней радиации в почве на атолле Утирик.
Материалы и методы
Внешнее гамма-излучение.
Детекторы гамма-излучения.
Измерения гамма-излучения проводились с использованием гамма-сцинтилляторов Ludlum модели 44–20 и оперировали с помощью обзорных измерителей Ludlum модели 2241–2. Сцинтилляторы имеют диаметр 3 дюйма и состоят из толстых кристаллов йодида натрия, оптически связанных с фотоумножителями. Детекторы чувствительны к гамма-излучению в диапазоне энергий от 60 кэВ до 2 МэВ. Счетчики обзора считывались визуально с помощью жидкокристаллического цифрового дисплея. Такие же детекторы использовались в нашей предыдущей работе (21).
Калибровка детектора.
Каждый сцинтиллятор Ludlum и обзорные измерители были откалиброваны Ludlum Measurements, Inc. перед их поставкой в июле и августе 2015 г., а затем нами, как было описано ранее (21).
Сбор данных о внешнем гамма-излучении.
Данные были собраны группой из 2 исследователей. Один участник считывал результаты детектора Ludlum, в то время как второй участник записывал значение и местоположение измерения с помощью Garmin eTrax GPS, сохраняя его как запись путевой точки.Сцинтиллятор Ludlum был направлен с высоты талии. Измерения обычно проводились на разнесении ∼100–200 м, хотя соблюдение согласованности в пройденном расстоянии между точками данных строго не соблюдалось.
На островах Икурен, Джаптан, Наен, Эллук, Утирик, Аон, Эню и Бикини (2017 г.) и Бикини и Энджеби (2018 г.) команды прогулялись по островам. Однако во многих регионах были участки с высокой щетиной, через которые невозможно было проникнуть и где не проводились измерения.
Анализ данных.
Мы использовали тест Шапиро – Уилка для оценки нормальности наших данных по островам. На основе наших результатов мы определили, что непараметрические статистические тесты более целесообразно применять к нашим данным, чем параметрические тесты. Мы использовали тест Wilcoxon Rank-Sum и тесты Kruskal – Wallis, чтобы сравнить измеренное внешнее гамма-излучение на островах и сравнить наши измерения со стандартами безопасности для радиационного облучения. Кроме того, мы изучили наши данные геостатистически. Это включало построение эмпирических вариограмм, подгонку нескольких моделей вариограмм и выбор наиболее подходящей модели для наших данных на основе критериев выбора модели, включая минимизированный взвешенный метод наименьших квадратов, минимизированную функцию потерь и перекрестную проверку без исключения.Мы использовали нашу модель вариограммы для выполнения обычной интерполяции кригинга для оценки уровней радиации на протяженности каждого острова.
Все статистические и геостатистические анализы были выполнены с использованием R Project for Statistical Computing (R). Мы получили спутниковые карты каждого из островов, запросив интерфейс прикладной программы Google Планета Земля с помощью пакета RGoogleMaps. Мы использовали Arc-Map Института исследования систем окружающей среды (ESRI), чтобы вырезать маски каждого из островов, которые затем использовали для определения экстента интерполяции.Интерполяция проводилась с помощью обычного кригинга в р.
Концентрации радиоизотопов в почве.
Сбор данных о почве.
Различное количество образцов почвы было взято с разных островов в 2017 и 2018 годах в случайных местах, доступных исследователям. Исследователь с помощью лопаты зачерпнул верхние 5–10 см почвы в коническую пробирку объемом 50 мл. Один образец был взят на Аон, Медрен и Джаптан, а 2 образца — на Бикини, Эню, Утирик, Ронгелап и Эниветак.Было взято четыре, 6 и 10 проб на Маджуро, Наэн и Рунит соответственно. Образцы были отправлены обратно в США для анализа.
Концентрации радиоизотопов в почве.
Все образцы почвы были отправлены в Gel Laboratories LLC в Чарльстоне, Южная Каролина (http://www.gel.com), для проведения анализа на наличие 4 радиоактивных изотопов: ²⁴¹ Am, ¹³⁷ Cs, плутоний. -238 (²³⁸ Pu) и ^{239 + 240} Pu. Учитывая небольшой размер выборки для большинства островов, приводятся единичные значения, а не какие-либо сводные статистические данные, которые приводятся для островов Наен и Рунит.
Gel Laboratories выполнила радиохимический анализ образцов почвы. Осадок субпробы растворяли в кислоте, а затем элементы разделяли ионообменными смолами. После радиохимического разделения концентрации определяли по изотопному альфа-излучению (33). Минимальные пределы обнаружения альфа-излучения оцениваются в 1 пКи / г или 37 Бк / кг. Измерения активности ¹³⁷ Cs были выполнены с использованием методов гамма-обнаружения, и минимальные пределы обнаружения для этого процесса оцениваются как 0.1 пКи / г или 3,7 Бк / кг.
Благодарности
Мы благодарим жителей Бикини, Утирик, Ронгелап и Эниветак за одобрение этого проекта и предоставление нам доступа к многочисленным островам. Мы также благодарим покойного Билла Грэма за руководство в процессе утверждения в 2017 году и Комиссию по ядерной энергии Маршалловых островов за руководство в процессе утверждения в 2018 году. Мы благодарим Indies Trader за предоставление инфраструктуры, транспорта и общую поддержку исследовательской поездки. . Мы также благодарим Отем Борднер, Даниэль Кроссвелл, Джемму Сахвелл и Ализу Сильверстайн за выполнение измерений фонового гамма-излучения на нескольких островах.Мы благодарим Кассандру Фернандес за ее помощь в доставке и обращении с образцами почвы и Gel Laboratories за их скорейшую доставку анализа почвы. Мы благодарим Томаса Моргана за его общее руководство по вопросам радиационной безопасности. Мы благодарим сенатора и спикера Кеннета Кеди за предложение расширить наши исследования, включив остров Наен в атолле Ронгелап; уровень радиации с острова Наен был намного выше, чем мы ожидали. Этот проект финансировался и поддерживался Колумбийским университетом.
Сноски
Автор: I.N.-H., E.W.H. и M.A.R. спланированное исследование; E.W.H. проведенное исследование; M.K.I.L.A., I.N.-H. и E.W.H. проанализированные данные; и M.K.I.L.A., M.R.M., I.N.-H., E.W.H. и M.A.R. написал газету.
Рецензенты: J.K., Государственный университет Нью-Йорка в Стоуни-Брук; и E.S., Национальная лаборатория Лоуренса Беркли.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073 / pnas.11116 / — / DCSupplemental.
Авторские права © 2019 Автор (ы).