Какой металл лучше задерживает радиоактивное излучение
Обновлено: 04.10.2024
Радиацией ученые называют разные вещи, среди которых та самая, рукотворная и смертоносная, не столь уж заметна. В широком смысле радиация — это любое излучение, включая почти безобидный солнечный свет. Например, метеорологи употребляют термин "солнечная радиация" для оценки количества тепла, которое получает поверхность нашей планеты.
Часто радиацию отождествляют с ионизирующим излучением, то есть лучами или частицами, способными оторвать от атомов и молекул электроны. Именно ионизирующее излучение повреждает живые клетки, вызывает поломки ДНК. Это та самая радиация, но она далеко не всегда рукотворна.
Если излучение не ионизирующее, оно все равно может быть вредным. Как гласит поговорка астрономов, посмотреть на Солнце в телескоп без фильтра можно всего два раза: правым и левым глазом. Тепловое излучение вызывает ожоги, а пагубный эффект СВЧ известен всем, кто неправильно рассчитывал время пребывания еды в микроволновке.
Ионизирующее излучение — тоже
Ионизирующее излучение бывает разных видов. Это гамма- и рентгеновские лучи (электромагнитные волны), бета-частицы (электроны и их античастицы, позитроны), альфа-частицы (ядра атомов гелия), нейтроны и просто осколки ядер, летящие с огромной скоростью, достаточной для ионизации вещества.
Некоторые виды радиации (далее в тексте она будет синонимом "ионизирующего излучения") — альфа-частицы, к примеру — задерживает фольга или даже бумага. Другие, нейтроны, поглощаются веществами, богатыми атомами водорода: водой или парафином. А для защиты от гамма-лучей и рентгена оптимален свинец. Поэтому ядерные реакторы защищают многослойной оболочкой, которая рассчитана на разные виды излучения.
Источников радиации много
Большая часть ионизирующего излучения возникает при распаде ядер нестабильных (радиоактивных) атомов. Второй источник — реакции уже не распада, а слияния атомов, термоядерные. Они идут в недрах звезд, включая Солнце. За пределами атмосферы Земли и ее магнитного поля солнечное излучение включает в себя не только свет и тепло, но также рентгеновские лучи, жесткий ультрафиолет и разогнанные до внушительной скорости протоны.
Протоны наиболее опасны для оказавшихся в дальнем космосе. В год повышенной солнечной активности попадание под пучок протонов даст смертельную дозу облучения за считаные минуты. Это примерно соответствует фону вблизи разрушенного реактора Чернобыльской АЭС.
Рентгеновские лучи возникают при движении электронов с ускорением, поэтому их, в отличие от всего остального, можно включить и выключить, направив пучок электронов на металлическую пластинку или заставив тот же пучок колебаться в электромагнитном поле.
Земля и даже бананы радиоактивны
Наша планета тоже радиоактивна. Горные породы, включая гранит и уголь, содержат уран, торий и испускают газ радон (если дом построен на скальных породах и плохо проветривается, то из-за радона у жителей повышается риск заболеть раком легких). Часть вреда от курения связана с полонием-210 в табачном дыме, крайне активным и потому опасным изотопом. Да что там табак — если съесть обычный банан, то каждую секунду в организме будет проходить 15 реакций распада калия-40.
Впрочем, есть бананы не опасно, а уран в граните, радон в воздухе, калий и радиоуглерод в еде, космические лучи — все это составляющие естественного радиационного фона. Природа нашла, как в нем существовать, и та же ДНК имеет мощнейшие механизмы починки.
Народные средства не помогают от радиации
Известны народные средства, которые якобы помогают "вывести радиацию из организма": йод и алкоголь. На самом деле йод применяют только в одном случае: когда произошел выброс йода-131, короткоживущего изотопа, который вырабатывается в ядерных реакторах. Препараты с обычным йодом замедляют усвоение радиоактивного. А людям с неправильно работающей щитовидной железой избыток йода может навредить.
Что же касается алкоголя, то достаточно сказать, что в найденных нами протоколах профилактики лучевых поражений он не упоминается вовсе. Да, если послушать армейские байки, спирт работает как лекарство вообще от всего, но в армейских байках иногда и крокодилы летают. Не стоит смешивать фольклористику с биохимией и радиобиологией. Препараты, которые способствуют выводу радионуклидов, существуют, но у них столько побочных эффектов и ограничений, что мы про них специально не будем говорить.
На источник излучения изредка можно наткнуться
Возможно, эти мифы живучи потому, что облучиться можно не только рядом со сломавшимся ядерным реактором или в кабинете врача. Источники излучения иногда забывали в списанных приборах для поиска скрытых дефектов, были зафиксированы случаи потери медицинских источников, а несколько лет назад школьник из Москвы купил на радиорынке рентгеновскую трубку, подключил ее дома и заработал лучевой ожог руки. В Южной Америке случилась еще более вопиющая история. В больнице был потерян светящийся радиоактивный порошок, который местные дети нашли и использовали в качестве грима. Вечеринка закончилась грустно.
Чтобы такого избежать, нужно просто не тащить в дом неизвестные предметы и не разбирать их на части. В конце концов, что такого необходимого для хозяйства можно найти в подвале больницы? А если вы считаете себя опытным исследователем заброшенных пространств, то наверняка слышали, что приличный сталкер оставляет после себя объект в том же виде, в котором застал.
Микроволновки и смартфоны не вредят
Микроволновые печи и смартфоны — источники не той радиации. Энергии микроволн недостаточно для того, чтобы оторвать электроны от ядер атомов. Медики и биологи спорят о том, как СВЧ-излучение в малых дозах может влиять на человеческий организм, но пока результаты скорее обнадеживающие: сопоставление целого ряда разных масштабных исследований указывает на то, что связи между телефонами и злокачественными опухолями нет.
Радиационностойкие материалы и их особенности
Радиационное облучение может быть достаточным, чтобы ухудшить критические свойства конструкционных материалов. Радиационная стойкость зависит от мощности источника излучения, расстояния до него, а также допустимыми уровнями воздействия, при которых эти эффекты становятся важными.
Свойства материалов, которые подвергаются воздействию излучения, должны рассматриваться в трёх категориях:
- Механической (прочность, твёрдость, относительное удлинение);
- Тепловой (теплопроводность);
- Оптической (коэффициенты излучения, поглощения и отражения).
Радиационная стойкость материалов принято рассматривать отдельно для наземных и искусственных космических объектов.
Понятие радиационной стойкости материалов
Материалы, защищающие от излучения, используются для различных радиологических применений – в медицине, технике неразрушающего контроля, при производстве космических летательных аппаратов и пр. Однако использование радиации сопряжено с риском. Те, кто использует радиацию, должны быть надлежащим образом обучены радиационной безопасности, радиационной физике, биологическим эффектам радиации, чтобы гарантировать безопасность.
Таким образом, выбор радиационно стойких материалов важен для того, чтобы снизить влияние внешнего радиационного облучения на человека, а также на экологию окружающей среды.
Одним из основных принципов снижения влияния радиоактивного излучения является экранирование - использование поглощающего материала (оргстекла, для бета-частиц и свинца для рентгеновских и гамма-лучей). Экранирование используется в различных областях, включая диагностическую визуализацию, лучевую терапию, ядерную и промышленную защиту. Способность к экранированию считается одной из основных составляющих, которой определяется радиационная безопасность материалов.
Различают экранирование объектов и экранирование производственного персонала. В первом случае используют механически прочные защитные экраны, конфигурация которых соответствует форме защищаемого объекта, во втором – защитную одежду, которая ослабляет рентгеновское излучение: фартуки, жилеты, обувь. Интенсивность экранирования зависит от индивидуальной стойкости веществ к радиоактивному излучению.
Стойкость неорганических материалов
Исторически материалы для защиты от излучения изготавливались из свинца. Однако в последнее время, кроме свинца, используются также композиты на его основе и бессвинцовистая неорганика.
Противорадиационная стойкость свинца связывается с его высокой плотностью, которая составляет 11,34 г/см³. Это делает данный металл полезным для эффективной защиты от рентгеновского и гамма излучения.
Свинец в чистом виде хрупок, поэтому непосредственно для экранирования его не применяют. Чтобы превратить чистый свинец в радиационно-защитный материал, его смешивают со связующими веществами и добавками, получая гибкий свинцово- виниловый лист. Затем из этих листов набирается необходимая толщина защитного покрытия. Существует три стандартных уровня защиты, эквивалентных свинцу, для традиционной одежды с радиационной защитой из свинца: 0,25 мм, 0,35 мм и 0,5 мм.
Свинцовая композитная защита представляет собой смесь свинца с другими, более лёгкими металлами. Состав композита варьируется в зависимости от назначения, но обычно туда входят олово, резина, ПВХ, и другие металлы, ослабляющие радиацию. Экранирование из композиционной смеси на основе свинца легче (до 25%), чем свинец обычного сорта, при этом фактическая эффективность защиты остаётся на прежнем уровне.
Из других металлов, обладающих высокой радиационной стойкостью, следует отметить некоторые тяжёлые металлы, которые относятся к той же группе, что и свинец, и, следовательно, так же хорошо поглощают или блокируют излучение. В ряду высокой радиационной стойкости находятся олово, сурьма, вольфрам, висмут.
Стойкость полимеров
Радиационная стойкость полимеров и пластика сильно зависит от длины волны базового излучения, но с уменьшением длины волны (что характерно именно для рентгеновского и гамма-излучения) противорадиационная способность всех неметаллов снижается. Поэтому излучение высокой энергии часто приводит к снижению характеристик удлинения и развитию хрупкости в полимере.
Общий срок службы пластика зависит от общего количества поглощённого излучения. Такие материалы, как полиэстер или полиамид, обладают удовлетворительной устойчивостью к гамма-излучению и рентгеновским лучам. Наоборот, полиэтилен (особенно высокого давления) весьма чувствителен к радиации, и поэтому в активных ионизирующих средах не применяется.
Информацию, касающуюся радиационного сопротивления пластмасс, следует рассматривать только как ориентир, поскольку различный химический состав пластика, мощность дозы, уровень механического напряжения, температура окружающей среды играет основную роль в противорадиационной стойкости. Обычно рекомендуется проводить экспериментальное тестирование применительно к конкретным условиям.
Стойкость органических веществ
Радиационная стойкость материалов органического происхождения – сельскохозяйственных культур, кустарников, деревьев – важна для оценки их экологической безопасности при потреблении (овощи, фрукты) и проведении сезонных лесохозяйственных работ, например, при высадке саженцев.
Высокие дозы облучения, используемые при попытках произвести стерильные или пригодные для длительного хранения фрукты или овощи, ухудшают вкус продуктов. При этом их безопасность (при сравнительно низких дозах облучения, ниже 3 кГр) для потребления полностью обеспечивается. С другой стороны, облучение эффективно убивает бактериальные патогены в свежих, а также свежесрезанных овощах и фруктах. Эта эффективность распространяется на некоторые бактериальные патогены человека, а также на бактериальные фитопатогены, что приводит к увеличению сроков сохранения органики. Более устойчивыми к облучению являются патогенные вирусы и грибы.
Таким образом, радиационное облучение считается одним из наилучших способов безопасности потребления фруктов и овощей.
Российские химики открыли материалы, стойкие к действию радиации
ТАСС, 16 октября. Нижегородские ученые выяснили, что металлорганические соединения некоторых редкоземельных металлов необычно хорошо поглощают радиацию. Они помогут защитить от ионизирующего излучения спутники и улучшить атомные электростанции (АЭС). Работу ученых опубликовал научный журнал Scientific Reports. Кратко об этом сообщает пресс-служба Российского научного фонда (РНФ).
"Столь высокая радиационная устойчивость поможет в будущем разработать установки для прямого преобразования ядерной энергии в электричество. Это позволит создать АЭС нового поколения", - рассказал пресс-службе один из авторов исследования Михаил Бочкарев, профессор Института органометаллической химии Российской академии наук (РАН) и Нижегородского государственного университета.
Работе спутников и космических кораблей в космосе угрожают не только резкие перепады температур, вакуум и механические нагрузки, но и высокий уровень ионизирующего излучения. Два его главных источника - Солнце и космические лучи. Радиация опасна не только для экипажа космических кораблей, особенно при полетах в дальний космос, но и для электронной аппаратуры и обшивки самих пилотируемых аппаратов и беспилотных зондов.
В последние годы ученые активно пытаются решить эту проблему, создавая различные покрытия и наночастицы, которые могли бы поглощать ионизирующее излучение, преобразовать его в другие формы энергии и при этом не разрушаться. Бочкарев и его коллеги значительно расширили защитный арсенал будущих марсонавтов, строителей и работников АЭС и прочих опасных объектов, экспериментируя с соединениями лантана, иттербия, церия и других редкоземельных металлов, а также ряда сложных фторорганических молекул.
Редкоземельный щит
Как отмечает химик, неорганические соединения этих элементов сами по себе необычно хорошо поглощают радиацию, однако ученых давно интересовало, можно ли соединить их с органикой так, чтобы последнюю не разрушали облучение достаточно сильными пучками гамма-излучения, космические лучи или другие формы ионизирующего излучения.
Создавая различные комплексные соединения редкоземельных элементов и органики, исследователи достаточно долго облучали их мощными потоками нейтронов и гамма-квантов. Специалисты наблюдали за тем, смогут ли молекулы этих химических веществ выдержать дозы радиации, которые превышают смертельную для человека почти в тысячу раз.
Эти эксперименты показали, что некоторые из соединений церия, иттербия и органических молекул были невероятно стойки к действию радиации. Они почти не меняли своей структуры даже после поглощения более 900 Грэй ионизирующего излучения, смертельной дозы радиации для большинства существующих солнечных батарей и прочих полупроводниковых электронных приборов.
Единственный недостаток этих соединений - они постепенно становятся радиоактивными при облучении очень большим количеством нейтронов из-за того, что часть атомов редкоземельных металлов поглощает эти частицы и превращается в нестабильные изотопы. Однако это не мешает им блокировать действие радиации и не приводит к разрушению молекул.
"Мы обнаружили, что металлорганические комплексы редкоземельных металлов, в частности, лантаноидов, обладают высокой радиационной устойчивостью. Их можно использовать при конструировании приборов для работы в космических аппаратах или на АЭС. Устройства на основе этих комплексов также могут быть полезны на предприятиях по переработке и обогащению радиоактивных веществ и на территориях, подвергшихся их заражению", - подытожил Бочкарев.
Радиоактивные вещества в природе
Радиационный фон складывается из естественной и искусственной составляющих. Природных источников, если только не говорить о районах радиационных катастроф, намного больше, и они в свою очередь делятся на естественные радиоактивные вещества и космические лучи. Сегодня мы расскажем о веществах.
Каждый химический элемент можно сделать радиоактивным, если в ядра атома добавить лишние нейтроны. Или, напротив, убрать часть этих частиц. Один элемент может быть представлен разными атомными ядрами, и эти варианты ядер называют изотопами. Изотопы бывают как стабильными, так и неустойчивыми: при избытке или недостатке нейтронов ядра рано или поздно распадаются и превращаются в ядра других элементов.
Альфа-распад: из ядра атома вылетает альфа-частица, два протона и два нейтрона. Альфа-частицы являются ядрами атома гелия.
Нестабильных, то есть радиоактивных, изотопов на Земле немного: большая их часть успела распасться задолго до появления человека. В природе короткоживущие изотопы получаются в основном в недрах звезд и особенно при вспышках сверхновых, поэтому на Земле до XX века нельзя было найти ни стронция-90, ни йода-131, ни плутония в любом виде. Однако ряд медленно распадающихся изотопов вполне дошел до наших дней.
Калий-40
Калий обычно имеет атомную массу 39. Это значит, что на его 19 протонов (он 19-й в таблице Менделеева) приходится 20 нейтронов — вполне стабильное соотношение. Но кроме калия-39 есть еще калий-40, и вот он уже радиоактивен.
Калий-40 имеет очень большой период полураспада — свыше миллиарда лет. Это значит, что если поместить перед собой атом калия-40 и ждать его превращения в кальций или аргон, то через миллиард лет шанс зафиксировать акт распада составит всего 50%. Другое определение периода полураспада гласит, что это то время, за которое распадется половина ядер. Несмотря на то что ядра калия-40 распадаются крайне редко, большое число этих ядер вокруг нас делает присутствие изотопа вполне заметным.
Пока вы читали абзац выше, у вас в теле произошли десятки тысяч актов распада калия-40. Внутри среднего по величине банана ежесекундно происходит 10-15 распадов, и в связи с этим ученые даже предложили шуточную величину «банановый эквивалент» — доза облучения, сравнимая с эффектом от съеденного банана.
Бананы богаты калием. В том числе и калием-40, который бета-активен. Бета-распад происходит при превращении одного из нейтронов в ядре в протон, электрон и антинейтрино. Электрон в данном случае называют бета-частицей. Фото: Wilfredor / Wikimedia.
При концентрации калия-40 вполне можно получить превышение радиационного фона. Простейший способ собрать побольше калия-40 в одном месте — это собрать золу от сжигания растений. Зачастую кучи золы на садовых участках можно найти при помощи даже простого бытового радиометра. Опасности для здоровья это, впрочем, не представляет.
Углерод-14
Кроме калия-40 в органической материи можно найти еще углерод-14, однако его намного меньше. Он упоминается по единственной причине: углерод-14 позволяет археологам определить возраст находок.
Дело в том, что живое растение поглощает из атмосферы (углекислого газа) как углерод-12, самый распространенный изотоп, так и углерод-14. В момент спиливания древесина содержит изотопы углерода в той пропорции, которая характерна для окружающей среды, но затем углерод-14 постепенно распадается. Аналогично обстоит дело и с животными, которые потребляют растительную пищу: пока они живы, в их теле присутствуют оба изотопа в более или менее естественном соотношении.
Чем меньше осталось углерода-14, тем больше прошло времени. Если объект пролежал в земле дольше 50 тысяч лет, то углерода-14, и без того редкого, становится недостаточно для проведения исследований.
Уран-238, торий-232 и немного урана-235
Химический состав гранитов: натрий, алюминий, кремний, кислород, немного водорода и фтора (в составе биотита. Гранит - это смесь полевого шпата, кварца и биотита). Однако кроме этих основных элементов в граните есть примеси, и среди них особняком выделяются уран и торий. Оба элемента представлены исключительно радиоактивными изотопами, поэтому радиационный фон на гранитных скалах будет выше, чем на сложенной из глины и песка равнине.
При нормальной работе тепловая электростанция на угле выбрасывает в атмосферу больше радиоактивных веществ, чем АЭС такой же мощности. Причина этого в том, что уголь, так же как и гранит, загрязнен ураном и торием.
«Фонят» гранитные плиты, которыми облицованы многие здания, станции метро и набережные. Как и в случае с калием-40 в золе, найти такой гранит можно обычным бытовым радиометром, и говорить об опасности для человека в данном случае не приходится. Есть целые горные массивы, где фон в разы больше, чем на равнине, однако врачи не замечают в таких местах роста заболеваемости.
Важно подчеркнуть, что облучение от гранитной плиты снизу или сбоку к тому же обладает намного меньшим биологическим эффектом, чем попадание радиоактивных изотопов внутрь тела. Гранит несъедобен и прямой угрозы не несет, разве что упадет сверху. Плотность и твердость минерала обычно угрожают человеку куда больше, чем бета- и гамма-активность.
Радон-222
Сказанное выше про гранит предполагает, что вы не проводите много времени в подвальных помещениях в местности с выходом гранита на поверхность. При распаде ядер урана в этом минерале образуется в том числе радиоактивный газ радон, а вот он уже, как показали наблюдения медиков, способен вызвать рак легких. Точнее сказать, у людей, которые работают или живут в помещениях с повышенным содержанием радона, риск рака легких выше, чем в среднем по населению.
По оценкам британских специалистов-онкологов, радон — вторая после курения причина рака легких. Несмотря на то что радон дает альфа-излучение, которое можно задержать даже картоном или фольгой, он намного опаснее всех перечисленных в этой статье изотопов. Причина — радон попадает с воздухом в легкие и облучает их изнутри.
Так выглядит обогащенный, то есть с повышенным содержанием урана-235, уран. Вопреки расхожему мнению, уран не настолько опасен, чтобы к нему нельзя было даже подойти. Намного страшнее отработанное ядерное топливо с изотопами
Единственная эффективная мера защиты против радона заключается в хорошей вентиляции. Газ проникает в здания из строительных материалов или недр земли, но при постоянной смене воздуха не успевает накапливаться в опасных количествах.
В начале XX века радоновое облучение медики считали «стимулирующим», но в наши дни радоновые ванны в большинстве стран мира (Россия тут — одно из немногих исключений) признаны как минимум бесполезными.
Читайте также: