180,1 тыс подписчиков

Что такое радиация?

12 минут

2582 прочтения

5 декабря 2023

Начну с анекдота, который мне рассказали в 2001 году в городе Луцке, на Западной Украине, местные жители.

Едут в поезде два зажиточных украинца. Разговорились. Стали хвастать, у кого какое хозяйство, скильки соток, скильки свыней, скильки с их сала и ковбасы... А дело было вскоре после Чернобыльской катастрофы. Вот один у другого и спрашивает:

– А чи ж маете вы радиацию?

А тому неудобно признаться, что он не знает, что за радиация за такая, мнётся, мнётся... И наконец пренебрежительно машет рукой:

– Та-а... Трошки, тильки для сэбе...

Далеко ли мы ушли от героя этого анекдота? Давайте проверим.

Что такое «стабильность»?

Разговор о радиации следует начинать с понятия «стабильбность». Это слово происходит от латинского «стабилис», и означает «постоянство», «устойчивость». Всё существующее в нашей Вселенной состоит из малых (меньше атома!) элементарных частиц, причём таких частиц физики успели наоткрывать довольно много. Так вот, оказывается, что такие частицы тоже могут быть стабильными и нестабильными! Стабильные частицы существуют «всегда», они (почти) вечны и могут жить бесконечно долго. Но таких частиц немного, всего семь: это протон, антипротон, электрон, позитрон, фотон, нейтрино и антинейтрино.

А что же остальные элементарные частицы (их, кстати говоря, открыто более 300)?

А остальные – нестабильны, то есть живут очень недолго. Вот, например, нейтрон. Эта частица в свободном состоянии нестабильна – то есть существует в среднем около 15 минут. А что происходит с ней дальше? А дальше нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино!

Распадается или превращается – как правильнее?

Тут, кстати, обратите внимание: мы говорим об атомной физике. А у атомной (ядерной, квантовой) физики законы совершенно другие, не такие, к каким мы привыкли в «обыкновенном» мире. Мы можем, например, разбить керамическую копилку с монетками – но можем и склеить осколки этой копилки и сложить монетки обратно. Можем разломать игрушечную машину на запчасти, но можем и собрать её из тех же запчастей снова. В атомной физике всё не так!

Учёные застенчиво говорят «распадается», но правильнее говорить превращается. Потому что, если «распадается», то можно подумать, что нейтрон изначально состоит из протона, электрона и антинейтрино. Или что «собрав» вместе протон, электрон и антинейтрино (как детали конструктора), мы сможем получить нейтрон. НЕТ!

Нейтрон – это нейтрон. Он не состоит из протона, электрона и антинейтрино. Их нет в нём! Но в какой-то момент нейтрон вдруг (просто так, сам по себе, без какого-то «толчка снаружи») превращается (именно по-настоящему превращается, как в сказке!) в разлетающиеся протон, электрон и антинейтрино...

Ну представьте себе – купили вы в магазине мяч. А он через 15 минут превратился – сам по себе! – в набор фломастеров, роликовые коньки и щенка ризеншнауцера. Неплохо?

В мире элементарных частиц такое происходит каждый день и каждую секунду. Потому что 15 минут жизни свободного нейтрона – это очень много, это нестабильная частица-долгожитель. Остальные живут совсем маленькое время – скажем, частица, которая называется «мюон» (или «мю-мезон»), живёт около 2 миллионных долей секунды. А, например, «пион» (он же «пи-мезон») живёт ещё в 100 раз меньше мюона – то есть 2 стомиллионные доли секунды (0.02 микросекунды)! А что происходит с пионом дальше? А дальше он распадается, то есть превращается в какие-то другие частицы. Например, в мюон и мюонное нейтрино – хотя бывают и другие варианты.

В общем, привыкайте к мысли: в атомной физике, в микромире, «стабильность» – штука довольно редкая. В отличие от нашего «большого» макромира, в котором утюг – это всегда утюг, а слон – это всегда слон, в микромире всё постоянно изменяется, всё превращается во всё – утюги в пироги, а слоны в мышей и наоборот. И нестабильность (то есть «переменчивость») в природе встречается гораздо чаще стабильности («устойчивости»). Как говорят профессора-физики студентам, «удивительно не то, что во Вселенной существуют нестабильные частицы. Гораздо удивительнее то, что в ней вообще существуют частицы стабильные!».

Превращаются брюки... в элегантные шорты!

Однако перейдём (как в компьютерной игре) на новый уровень. Из элементарных частиц, как из кубиков в лего или в майнкрафте, можно создавать атомы разных простых веществ. Например, сложили протон и электрон – вот вам атом водорода. Сложили два протона, два нейтрона и два электрона – и вот вам атом гелия, того самого, которым надувают летучие воздушные шары на праздник.

Так же образуются кислород, которым мы дышим, азот, который так любят растения (в виде удобрений), драгоценные золото и серебро, а также все-все-все прочие вещества.

«Но погодите! – скажете вы. – Если те частицы, из которых собираются атомы, могут быть стабильными и нестабильными, тогда и сами атомы тоже могут быть стабильными и нестабильными?»

Отлично, совершенно правильная догадка! Атомы вещества – и, главное, сами вещества! – тоже могут быть нестабильными, да ещё как!

Вот, скажем, углерод – тот самый уголь, на котором мы жарим шашлык. Казалось бы, уголёк – он и в Африке уголёк, но нет! Оказывается, у него есть целых 15 разновидностей, «вариантов». Учёные называют такие варианты «изотопами» и обозначают цифрой сбоку. Самый распространённый в природе углерод – это «углерод-12», или С 12, и этот углерод стабильный. Он может существовать миллионы и миллиарды лет.

Но есть и «другие углероды», другие изотопы. Например, углерод-14. В отличие от обычного углерода, он нестабилен – сам по себе он медленно распадается, то есть превращается в азот! Если мы возьмём 1 килограмм углерода-14 и просто положим на полочку, то через 5700 лет (приблизительно) углерода останется только полкило! А вторая половина – превратится в газ азот и улетит...

А вот железо. Из которого мы делаем гвозди и мотоциклы. Оно тоже бывает нестабильным! В природе существует целых 34 (!) изотопа железа. Из которых стабильными являются только четыре! Привычное нам железо, из которого делают гвозди, и которое содержится в гемоглобине, придающем нашей крови красный цвет, – это изотоп, который называется «железо-56». Он может существовать очень долго. А, например, нестабильный изотоп «железо-55» из медицинских рентгеновских установок довольно быстро (половина примерно за 3 года) превращается в другой металл – марганец. Более тяжёлое вещество превращается в более лёгкое.

По закону сохранения

Само собой, одно вещество превратиться в другое «просто так» не может. Всё-таки закон сохранения вещества-энергии никто не отменял – «ничто не появляется из ничего и не исчезает в никуда». А это значит, что для превращения нестабильное вещество должно каким-то образом терять массу (и энергию). То есть должно испускать какое-то излучение!

Именно это излучение мы и называем «радиация», а нестабильные разновидности веществ часто называют «радиоактивные изотопы».

Вообще, слово «радиация» (которое в переводе с латинского и означает «излучение») – это бытовой термин. Радиация может быть очень разной «по составу». Скажем, уже знакомый нам углерод-14 испускает бета-излучение, то есть поток электронов (просто электрон физики довольно часто называют «бета-частицей»). А вот железо-55 – это источник рентгеновского излучения, то есть фотонов с высокой энергией, именно поэтому этот изотоп применяется в медицине.

А вот другое вещество – уран. В отличие от углерода, железа или других «лёгких» элементов у этого металла вообще нет ни одного стабильного изотопа! Все 36 природных «разновидностей» урана распадаются (превращаются) – одни быстрее (минуты и секунды), другие медленнее (сутки, годы и даже миллионы и миллиарды лет). Кусок природного урана испускает три вида излучения – гамма-излучение (фотоны с очень высокой энергией), бета-излучение (свободные электроны) и альфа-излучение. Частица альфа-излучения – это ядро гелия, собранные вместе 2 протона и 2 нейтрона.

Насколько опасна радиация?

Наверное, после прочитанного вы уже догадываетесь о том, что радиоактивные изотопы есть абсолютно у всех веществ в природе. Например, мы знаем из разных телепередач про здоровый образ жизни, что бананы богаты микроэлементом калием, и поэтому очень полезны. Но калий – это всегда смесь разных изотопов. И стабильных калия-39 и калия-41, и нестабильного (то есть радиоактивного!) калия-40. Поэтому каждый съеденный вами банан радиоактивен, хотите вы этого или нет. Однако доза радиации, которую вы при этом получаете, совершенно ничтожна. Чтобы «умереть от банановой радиации», вам придётся очень быстро съесть... примерно 50 миллионов бананов!

Радиоактивное излучение в природе есть всегда и везде – это нормально. Радиацию излучаем вы, я, деревья, дома, вода, воздух, солёные огурчики, экран компьютера или телевизора. И ничего страшного в этом нет. Но вот когда радиации становится очень много – вот тогда беда и уже ничего смешного. Разогнанная до высокой скорости частичка радиации (альфа-частица, гамма-квант, электрон, нейтрон), попадая в организм, «врезается» в молекулы и разрушает их. Особенно опасны в этом отношении альфа-частицы, самые массивные... Одна частица – это, конечно, пустяки, никто не заметит. Но если она не одна?

Вон она полетела, альфа-частица, узнали её? Всё то же ядро гелия, два протона и два нейтрона...

Скажите, можно ли из ружья разрушить прочную каменную стену? «Ха-ха-ха»? Однако давайте представим, что таких пуль не десятки, не сотни и не тысячи, а триллионы. Или даже квадриллионы! Одна пуля делает в каменной стене небольшую царапинку, выщербинку, почти незаметную глазом. Но если бы таких пуль было невероятно много – они бы стёрли каменную стену в порошок. Напрягите воображение – и поймёте, как это может быть.

Точно так же действует и радиация в больших дозах. Невидимые глазу частицы разрушают наши клетки, безжалостно разрывают на куски молекулы белков и нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). Навсегда ломается механизм наследственности, клетки прекращают нормально размножаться, органы постепенно перестают работать. Раковые опухоли, бесплодие, мутации, внутренние кровотечения, тяжёлые ожоги – чем больше полученная организмом доза радиации, тем страшнее опасность. Именно поэтому радиацию часто называют «невидимым убийцей».

Можно ли остановить радиацию?

Ещё раз напоминаем – «радиация» это понятие очень расплывчатое. Радиация – это смесь альфа-излучения (то есть ядер гелия), бета-излучения (то есть электронов), нейтронного излучения (нейтронов) и гамма-излучения (то есть фотонов). Скажем, альфа-частицы сами по себе крайне опасны, но обладают очень небольшой проникающей способностью – поток альфа-частиц можно спокойно тормознуть защитными перчатками или даже листом плотной бумаги. Так что «невозможно остановить», о котором пишет Валерий – не про альфа-частицы точно. Альфа-излучение может стать смертельным для человека, если нечаянно наглотаться или надышаться радиоактивной пыли – вместе с водой, едой или воздухом. Но обычный защитный костюм и противогаз (или респиратор) эту опасность вполне устраняют.

Вот, например, человек держит в руках (в перчатках!) кусок обогащённого урана, используемого в качестве топлива для атомных электростанций. Для этого годятся только изотопы урана 235, но в природном уране их очень мало. Чтобы использовать уран в качестве топлива, нужно довести долю урана 235 в нём до 3–5%, то есть "обогатить". Это делают на специальных "заводах", оборудованных специальными установками – высокоскоростными аэродинамическими центрифугами. Больше половины таких заводов, существующих в мире, находятся у нас в России

Бета-излучение – то есть свободные электроны – является более «пробивным». Однако и с ним вполне способен справиться защитный слой из стекла или алюминия. Главное – не проглотить источник бета-излучения и не допустить его попадания на незащищённую кожу.

Ещё более опасно нейтронное излучение – однако от него хорошо помогает защититься слой воды.

Самым сильным проникающим действием обладает гамма-излучение – чтобы защититься от него, нужен слой из тяжелых металлов (стали, свинца и т. д.), земли или бетона. Тут уже сложнее: сами понимаете, мы можем построить для людей подземное убежище от радиации с многослойными стенами – но вот сшить из свинца или бетона «костюм для прогулок» уже проблематично...

Но всё-таки на Земле радиацию можно ослабить и победить. Не верите – спросите у людей, которые десятилетиями работают на атомных электростанциях.

Почему до сих пор никто не полетел на Марс

Другое дело – космос. Построить космический корабль с толстыми стенками из воды, бетона и свинца – а сколько же такой корабль будет весить и как такой запускать? А тонкие металлические стенки от космической радиации защищают очень плохо. Космическая радиация, то есть невидимые потоки излучения от Солнца и звёзд, пока является непреодолимым препятствием для организации полёта человека на Марс.

Мы (по крайней мере, в теории) уже сейчас вполне можем построить космический корабль для полёта к Марсу, можем придумать систему снабжения космонавтов воздухом, едой и водой, но вот защитить людей от космического излучения пока не получается. Расчёты безжалостно показывают – за время путешествия к Марсу, нахождения на Марсе и обратного полёта к Земле космонавты получат дозу радиации, несовместимую с жизнью. Так что проблема есть – и решать её придётся учёным и инженерам будущего... Интересно, справятся ли они?

Напоследок – самое вкусное

А теперь – настоящая научная загадка, тайна, которую пока никто не смог разгадать. Как вы уже поняли, в нашей Вселенной существуют как стабильные, так и нестабильные частицы; как стабильные, так и нестабильные (они же – радиоактивные) вещества. И вот тут учёные, проведя тщательные подсчёты, выяснили удивительнейшую вещь.

Оказывается, баланс между «стабильностью» и «нестабильностью» во Вселенной невероятно тонкий, буквально как попытка пройти по лезвию ножа. Если бы определённые параметры (как говорят физики, «фундаментальные постоянные») отличались от тех, которые есть, хотя бы на один-два процентика, нашей Вселенной... не было бы!

В ней или царила бы «полная нестабильность», когда всевещества неизбежно распадаются – и не возникло бы никаких планет, никаких сложных молекул типа аминокислот или белков, не возникло бы жизни. Или, наоборот, случилась бы «полная стабильность», в которой невозможны ядерные реакции, в которой не зажглись бы звёзды, не сформировались бы галактики...

Вы говорите, вам непонятно, как во Вселенной «случайно» возникла жизнь? Современные учёные говорят, что им всё больше непонятно, как «случайно» получилась наша Вселенная...