РАДИАЦИОННАЯ ЭКОЛОГИЯ
По определению, это «раздел экологии, изучающий влияние радиоактивных веществ (нуклидов) на организмы, распределение и миграцию нуклидов в ценоэкосистемах (популяциях, биоценотической среде, особенно в почве, биоценозах)».
Что же такое радиоактивные вещества (нуклиды) и радиация? Слово «радиоактивность» ввела в обиход Мария Кюри-Склодовская, которая вместе с Пьером Кюри изучала распад ядер химических элементов. Все началось в 1896 г., когда французский ученый Анри Беккерель вдруг обнаружил, что фотографическая пластинка, защищенная от света по всем правилам темной светонепроницаемой бумагой, оказалась засвеченной. На ней вырисовывались некоторые контуры, хотя защитный пакет не был вскрыт. Оказалось, что на пакете с фотопластинкой лежал кусок какого-то минерала. Это не могло не заинтересовать, и вскоре выяснилось, что причиной этого был уран, находившийся в данном куске минерала. Начались интенсивные опыты, которые однозначно показали, что уран излучает, и это излучение засвечивает фотопластинку. Но измерения показали, что излучающий уран перестает быть ураном (по крайней мере, часть его) и превращается в другой химический элемент. Но и этот элемент излучает, превращаясь в новый элемент. Что же происходит конкретно? Атом любого химического элемента состоит из ядра и электронов, которые вращаются вокруг ядра. Это напоминает устройство нашей Солнечной планетной системы. Поэтому специалисты говорят «планетарная модель атома». Почти вся масса атома сосредоточена в его ядре, поскольку орбитальные электроны в тысячи раз легче частиц, из которых состоит ядро. А ядро любого атома состоит из двух типов частиц — протонов и нейтронов (нейтральных в смысле электрического заряда). Весь атом целиком, если он не поврежден, имеет столько же отрицательных электрических зарядов (их несут на себе орбитальные электроны), сколько положительных электрических зарядов содержится в ядре (их несут на себе протоны). Поскольку как электрон, так и протон могут нести на себе только по одному заряду, то из сказанного выше следует, что количество орбитальных электронов в атоме в точности равно количеству протонов, которые находятся в атомном ядре. Собственно, это количество и является основным паспортом данного химического элемента, тем главным свойством, лицом, которое определяет его отличие от других химических элементов, например, водород от урана. По-иному обстоит дело с нейтронами, которые наряду с протонами имеются в ядре. Чаще всего нейтронов в ядре столько же, сколько и протонов. Но имеются и химические элементы, в атомных ядрах которых нейтронов больше, чем протонов. Любопытно, что один и тот же химический элемент (например, уран), имея в ядре одно и то же количество протонов, может иметь там разное (не любое!) количество нейтронов. Так что имеется несколько химических элементов «уран». Чтобы их различать, к химическому символу элемента добавляют число, равное общему числу всех частиц (протонов и нейтронов) в ядре. Например, уран-238 содержит 92 протона и 146 нейтронов, тогда как уран-235 на те же 92 протона (у любого урана протонов всегда 92!) приходится 143 нейтрона. Такие химические элементы называются изотопами («изо» значит равный, то есть равное количество протонов). Один и тот же химический элемент может иметь разное количество изотопов. Ядра изотопов обычно называют «нуклидами» (от слова нуклеос — ядро). Чаще можно слышать слова «радионуклиды». Дело в том, что большинство ядер изотопов являются нестабильными, то есть они могут разваливаться, разрушаться. В процессе такого разрушения ядра излучают, поэтому их и называют не просто нуклидами, а радионуклидами, то есть излучающими ядрами.
Как происходит это излучение? Нестабильное ядро изотопа отделяет от себя комплекс из четырех частиц — двух протонов и двух нейтронов. Этот комплекс не случаен, он очень стабилен и представляет собой не что иное, как ядро химического элемента гелия. Если из ядра выбрасывается несколько протонов (скажем, два, входящие в описанный комплекс), то атом оказывается заряженным, поскольку положительных электрических зарядов внутри ядра стало на два меньше, чем число отрицательных электрических зарядов, которые несут на себе орбитальные электроны. Чтобы атом оставался электрически нейтральным, из него должны быть удалены лишние два электрона. Так что надо ожидать, что из нестабильного (радиоактивного) нуклида будут выбрасываться (излучаться) как ядра гелия, так и электроны. Но и это не все. Нестабильный радионуклид может сбрасывать лишнюю энергию в виде волнового, электромагнитного излучения. Его называют квантами.
Когда исследовали природу испускаемого радионуклидами излучения, то установили, как это излучение взаимодействует с магнитным полем. Физикам давно известно, что если частица несет на себе электрический заряд и движется поперек магнитного поля или наискосок к нему, то она под действием магнитного поля изменит направление своего движения — ее траектория будет закручиваться вокруг силовых линий магнитного поля. Любопытно, что частицы, заряженные положительно, будут закручиваться в одну сторону, а заряженные отрицательно — в противоположную сторону. В таких экспериментах ученые определяют знак электрического заряда частицы, несмотря на то, что сама частица является невидимой. Это возможно потому, что невидимые (из-за малых размеров) элементарные частицы в специальных камерах оставляют видимый след. Поэтому исследователь, зная направление магнитного поля, может по форме этого следа определить знак электрического заряда пролетающей элементарной частицы.
Мы говорили, что из радионуклида могут излучаться ядра гелия, электроны и кванты. Но в научной литературе, да и в широком обиходе совсем другие названия: говорят об альфа-излучении, бета-излучении и гамма-излучении, или о гаммах-квантах. Как это понимать? Проводя описанные выше эксперименты, ученые установили, что весь поток излучения из ядра в магнитном поле разделяется на три потока. Один из них при прохождении через магнитное поле отклонялся вправо, другой — влево, а третий присутствия магнитного поля не почувствовал — он продолжал двигаться так, как будто магнитного поля и вовсе не было.
Исследователи назвали эти три потока, три излучения первыми тремя буквами греческого алфавита: альфа, бета и гамма. Поэтому ядра гелия получили название альфа-излучения, электроны — бета-излучения, а независимые от магнитного поля кванты электромагнитного поля — гамма-излучения, или гамма-квантов. Общее между этими тремя излучениями только то, что они волею судьбы обозначены исследователями буквами, которые находятся рядом в греческом алфавите. Поэтому, когда речь идет о радиоактивности, об излучении радионуклидов, не удовлетворяйтесь общими цифрами, общими данными, а обязательно выясните, какое именно излучение имеет место в данном конкретном случае: альфа, бета или гамма. Вопрос этот отнюдь не праздный, поскольку эти излучения вредны для здоровья. В больших дозах они могут быть даже опасными не только для здоровья, но и для самой жизни. Первым это осознал сам Анри Беккерель. Он пробирку с радиоактивным радием положил в карман и получил ожог кожи.
Как только вы будете знать, с каким излучением вы имеете дело (альфа, бета или гамма), вам станет ясна степень опасности. Все эти излучения, попадая в организм, разрушают ткани, клетки, расстраивают его работу. К сожалению, это стало ясным не сразу и первые исследователи поплатились за свое научное любопытство не только здоровьем, но и жизнью. Сама Мария Кюри умерла от злокачественного заболевания крови, которое возникло как результат частых облучений. И еще не менее 336 человек, исследовавших радиоактивность в то время, облучились и ушли из жизни преждевременно. Важно понимать, что альфа-частицы (альфа-излучение) во много тысяч раз тяжелее бета-частиц, то есть электронов. Известно, что легкий шарик может легче преодолеть препятствия, среду, чем тяжелый. Поэтому от альфа-излучения вы можете защититься листом бумаги. Бумага задержит поток альфа-частиц. Если вы не защитились от альфа-излучения листом бумаги или чем-нибудь другим, то вас от него защитит наружный слой вашей кожи, состоящий из омертвевших клеток. Другое дело, если альфа-частицы попадут в ваш организм при дыхании, вместе с пылью и воздухом. Или при еде, вместе с пищей. Этого надо беречься! Что касается бета-излучения (потока электронов), то его проникающая способность намного выше (поскольку они легче). От него листом бумаги защищаться нельзя. Если вы не защитились, то бета-излучение пройдет в ткани вашего организма на глубину один-два сантиметра и последствия этого будут зависеть от количества энергии, которую они внесли в организм.
Что касается гамма-излучения, то его проникающая способность еще больше, намного больше. От него можно защититься только толстой свинцовой или бетонной плитой.
Ясно, что радионуклиды опасны как непосредственно для человека, так и косвенно, поскольку они в конце концов по пищевой цепочке попадут к человеку. Поэтому актуальным является вопрос, как долго они сохраняются, как долго они излучают. Сам процесс распада радионуклидов очень непростой. Специалист сказал бы — многоступенчатый. Посудите сами: уран-230 излучает альфа-частицу и превращается в торий-234. Торий-234 превращается в протактиний-234, излучая при этом бета-излучение (электроны). Последний превращается в уран-234, излучая при этом бета-частицы. Далее следуют торий-230 (с излучением альфа-частиц), радий-226 (с излучением альфа-частиц), радон-222 (альфа-частицы), полоний-218 (альфа-частицы), свинец-214 (альфа-частицы), висмут-214 (бета-частицы), полоний-214 (бета-частицы), свинец-210 (альфа-частицы), висмут-210 (бета-частицы), полоний-210 (альфа-частицы), свинец-206. Вот такая длинная цепочка превращений и одновременно излучений от радионуклида уран-238 до стабильного ядра свинца-206. Но эта цепочка еще ничего не говорит о скорости распада радионуклида.
Если имеется некоторое количество нестабильных радиоактивных ядер (радионуклидов), то распадаясь, они изменяют свое количество весьма своеобразно. Судите сами: если вы расходуете какой-то продукт, то каждый день его становится меньше, скажем, на один килограмм. Сегодня есть 20 кг, завтра 19, и т. д. Что же касается изменения количества распадающихся радионуклидов, то тут закон такой: через какое-то время его количество уменьшается ровно вдвое (половина распалась), затем ровно через такое же время из оставшегося количества радионуклидов остается ровно поло