После аварии на АЭС «Фукусима» мир захлестнула очередная волна панической радиофобии. На Дальнем Востоке из продажи исчез йод, а производители и продавцы дозиметров не только распродали все имевшиеся на складах приборы, но и собрали предзаказы на полгода-год вперед. Но так ли страшна радиация? Если вы каждый раз вздрагиваете при этом слове, статья написана для вас.
Что же такое радиация? Так называют различные виды ионизирующего излучения, то есть того, которое способно отрывать электроны от атомов вещества. Три основных вида ионизирующего излучения принято обозначать греческими буквами альфа, бета и гамма. Альфа-излучение — это поток ядер гелия-4 (практически весь гелий из воздушных шариков когда-то был альфа-излучением), бета — поток быстрых электронов (реже позитронов), а гамма — поток фотонов высокой энергии. Еще один вид радиации — поток нейтронов. Ионизирующее излучение (за исключением рентгеновского) — результат ядерных реакций, поэтому ни мобильные телефоны, ни микроволновые печи не являются его источниками.
Заряженное оружие
Из всех видов искусства для нас важнейшим, как известно, является кино, а из видов радиации — гамма-излучение. Оно обладает очень высокой проникающей способностью, и теоретически никакая преграда не способна защитить от него полностью. Мы постоянно подвергаемся гамма-облучению, оно приходит к нам сквозь толщу атмосферы из космоса, пробивается сквозь слой грунта и стены домов. Обратная сторона такой всепроникаемости — относительно слабое разрушающее действие: из большого количества фотонов лишь малая часть передаст свою энергию организму. Мягкое (низкоэнергетическое) гамма-излучение (и рентгеновское) в основном взаимодействует с веществом, выбивая из него электроны за счет фотоэффекта, жесткое — рассеивается на электронах, при этом фотон не поглощается и сохраняет заметную часть своей энергии, так что вероятность разрушения молекул в таком процессе значительно меньше.
Бета-излучение по своему воздействию близко к гамма-излучению — оно тоже выбивает электроны из атомов. Но при внешнем облучении оно полностью поглощается кожей и ближайшими к коже тканями, не доходя до внутренних органов. Тем не менее это приводит к тому, что поток быстрых электронов передает облученным тканям значительную энергию, что может привести к лучевым ожогам или спровоцировать, например, катаракту.
Альфа-излучение несет значительную энергию и большой импульс, что позволяет ему выбивать электроны из атомов и даже сами атомы из молекул. Поэтому причиненные им «разрушения» значительно больше — считается, что, передав телу 1 Дж энергии, альфа-излучение нанесет такой же ущерб, как 20 Дж в случае гамма- или бета-излучения. К счастью, проникающая способность альфа-частиц чрезвычайно мала: они поглощаются самым верхним слоем кожи. Но при попадании внутрь организма альфа-активные изотопы крайне опасны: вспомните печально известный чай с альфа-активным полонием-210, которым был отравлен Александр Литвиненко.
Нейтральная опасность
Но первое место в рейтинге опасности, несомненно, занимают быстрые нейтроны. Нейтрон не имеет электрического заряда и поэтому взаимодействует не с электронами, а с ядрами — только при «прямом попадании». Поток быстрых нейтронов может пройти через слой вещества в среднем от 2 до 10 см без взаимодействия с ним. Причем в случае тяжелых элементов, столкнувшись с ядром, нейтрон лишь отклоняется в сторону, почти не теряя энергии. А при столкновении с ядром водорода (протоном) нейтрон передает ему примерно половину своей энергии, выбивая протон с его места. Именно этот быстрый протон (или, в меньшей степени, ядро другого легкого элемента) и вызывает ионизацию в веществе, действуя подобно альфа-излучению. В результате нейтронное излучение, подобно гамма-квантам, легко проникает внутрь организма, но там почти полностью поглощается, создавая быстрые протоны, вызывающие большие разрушения. Кроме того, нейтроны — это то самое излучение, которое вызывает наведенную радиоактивность в облучаемых веществах, то есть превращает стабильные изотопы в радиоактивные. Это крайне неприятный эффект: скажем, с транспортных средств после пребывания в очаге радиационной аварии альфа-, бета- и гамма-активную пыль можно смыть, а вот от нейтронной активации избавиться невозможно — излучает уже сам корпус (на этом, кстати, и был основан поражающий эффект нейтронной бомбы, активировавшей броню танков).
Доза и мощность
При измерении и оценке радиации используется такое количество различных понятий и единиц, что обычному человеку немудрено и запутаться.
Экспозиционная доза пропорциональна количеству ионов, которые создает гамма- и рентгеновское излучения в единице массы воздуха. Ее принято измерять в рентгенах (Р).
Поглощенная доза показывает количество энергии излучения, поглощенное единицей массы вещества. Ранее ее измеряли в радах (рад), а сейчас — в греях (Гр).
Эквивалентная доза дополнительно учитывает разницу в разрушительной способности разных типов радиации. Ранее её измеряли в «биологических эквивалентах рада» — бэрах (бэр), а сейчас — в зивертах (Зв).
Эффективная доза учитывает ещё и различную чувствительность разных органов к радиации: например, облучать руку куда менее опасно, чем спину или грудь. Ранее измерялась в тех же бэрах, сейчас — в зивертах.
Перевод одних единиц измерения в другие не всегда корректен, но в среднем принято считать, что экспозиционная доза гамма-излучения в 1 Р принесёт организму такой же вред, как эквивалентная доза 1/114 Зв. Перевод рад в греи и бэров в зиверты очень прост: 1 Гр = 100 рад, 1 Зв = 100 бэр. Для перевода поглощённой дозы в эквивалентную используют т.н. «коэффициент качества излучения», равный 1 для гамма- и бета-излучения, 20 для альфа-излучения и 10 для быстрых нейтронов. Например, 1 Гр быстрых нейтронов = 10 Зв = 1000 бэр.
Природная мощность эквивалентной дозы (МЭД) внешнего облучения обычно составляет 0,06 — 0,10 мкЗв/ч, но в некоторых местах может быть и менее 0,02 мкЗв/ч или более 0,30 мкЗв/ч. Уровень более 1,2 мкЗв/ч в России официально считается опасным, хотя в салоне самолёта во время перелёта МЭД может многократно превышать это значение. А экипаж МКС подвергается облучению с мощностью примерно 40 мкЗв/ч.
В природе нейтронное излучение весьма незначительно. По сути, риск подвергнуться ему существует лишь при ядерной бомбардировке или серьезной аварии на АЭС с расплавлением и выбросом в окружающую среду большей части активной зоны реактора (да и то лишь в первые секунды).
Газоразрядные счетчики
Радиацию можно обнаружить и измерить с помощью различных датчиков. Самые простые из них — ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и газоразрядные счетчики Гейгера-Мюллера. Они представляют собой тонкостенную металлическую трубку с газом (или воздухом), вдоль оси которой натянута проволочка — электрод. Между корпусом и проволочкой прикладывают напряжение и измеряют протекающий ток. Принципиальное отличие между датчиками лишь в величине прикладываемого напряжения: при небольших напряжениях имеем ионизационную камеру, при больших — газоразрядный счетчик, где-то посередине — пропорциональный счетчик.
Ионизационные камеры и пропорциональные счетчики позволяют определить энергию, которую передала газу каждая частица. Счетчик Гейгера-Мюллера только считает частицы, зато показания с него очень легко получать и обрабатывать: мощность каждого импульса достаточна, чтобы напрямую вывести ее на небольшой динамик! Важная проблема газоразрядных счетчиков — зависимость скорости счета от энергии излучения при одинаковом уровне радиации. Для ее выравнивания используют специальные фильтры, поглощающие часть мягкого гамма- и всё бета-излучение. Для измерения плотности потока бета- и альфа-частиц такие фильтры делают съемными. Кроме того, для повышения чувствительности к бета- и альфа-излучению применяются «торцевые счетчики»: это диск с донышком в качестве одного электрода и вторым спиральным проволочным электродом. Крышку торцевых счетчиков делают из очень тонкой (10−20 мкм) пластинки слюды, через которую легко проходит мягкое бета-излучение и даже альфа-частицы.
Полупроводники и сцинтилляторы
Вместо ионизационной камеры можно использовать полупроводниковый датчик. Простейшим примером служит обычный диод, к которому приложено запирающее напряжение: при попадании ионизирующей частицы в p-n-переход она создает дополнительные носители заряда, которые приводят к появлению импульса тока. Чтобы повысить чувствительность, используют так называемые pin-диоды, где между слоями p- и n-полупроводников есть относительно толстый слой нелегированного полупроводника. Такие датчики компактны и позволяют измерять энергию частиц с высокой точностью. Но объем чувствительной области у них мал, а потому чувствительность ограничена. Кроме того, они куда дороже газоразрядных.
Еще один принцип — подсчет и измерение яркости вспышек, которые возникают в некоторых веществах при поглощении частиц ионизирующего излучения. Увидеть невооруженным глазом эти вспышки нельзя, но специальные высокочувствительные приборы — фотоэлектронные умножители — на это способны. Они даже позволяют измерять изменение яркости во времени, что характеризует потери энергии каждой отдельной частицей. Датчики на этом принципе называют сцинтилляторными.
Щит от радиации
Для защиты от гамма-излучения наиболее эффективны тяжелые элементы, такие как свинец. Чем больше номер элемента в таблице Менделеева, тем сильнее в нем проявляется фотоэффект. Степень защиты зависит и от энергии частиц излучения. Даже свинец ослабляет излучение от цезия-137 (662 кэВ) лишь в два раза на каждые 5 мм своей толщины. В случае кобальта-60 (1173 и 1333 кэВ) для двукратного ослабления потребуется уже более сантиметра свинца. Лишь для мягкого гамма-излучения, такого как излучение кобальта-57 (122 кэВ), серьезной защитой будет и достаточно тонкий слой свинца: 1 мм ослабит его раз в десять. Так что противорадиационные костюмы из фильмов и компьютерных игр в реальности защищают лишь от мягкого гамма-излучения.
Бета-излучение полностью поглощается защитой определенной толщины. Например, бета-излучение цезия-137 с максимальной энергией 514 кэВ (и средней 174 кэВ) полностью поглощается слоем воды толщиной в 2 мм или всего 0,6 мм алюминия. А вот свинец для защиты от бета-излучения использовать не стоит: слишком быстрое торможение бета-электронов приводит к образованию рентгеновского излучения. Чтобы полностью поглотить излучение стронция-90, нужно менее 1,5 мм свинца, но для поглощения образовавшегося при этом рентгеновского излучения требуется еще сантиметр!
От внешнего альфа-облучения защититься проще всего: для этого достаточно листа бумаги. Впрочем, большая часть альфа-частиц не проходит в воздухе и пяти сантиметров, так что защита может потребоваться разве что в случае непосредственного контакта с радиоактивным источником. Куда важнее защититься от попадания альфа-активных изотопов внутрь организма, для чего используется маска-респиратор, а в идеале — герметичный костюм с изолированной системой дыхания.
Наконец, от быстрых нейтронов лучше всего защищают богатые водородом вещества. Например, углеводороды, самый лучший вариант — полиэтилен. Испытывая столкновения с атомами водорода, нейтрон быстро теряет энергию, замедляется и вскоре становится неспособен вызывать ионизацию. Однако такие нейтроны все еще могут активировать, то есть преобразовывать в радиоактивные, многие стабильные изотопы. Поэтому в нейтронную защиту часто добавляют бор, который очень сильно поглощает такие медленные (их называют тепловыми) нейтроны. Увы, толщина полиэтилена для надежной защиты должна быть как минимум 10 см. Так что она получается ненамного легче, чем свинцовая защита от гамма-излучения.
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.
5 мифов о радиации
1. Радиация «создана» человеком
Неправда.
Радиация имеет естественное происхождение. Например, солнечное излучение тоже порождает радиационный фон. В южных странах, где очень яркое и горячее солнце, радиационный естественный фон достаточно высок. Он, конечно, не губителен для человека, но он выше, чем в северных странах.
Помимо этого, есть и космическое излучение, которое от далеких космических объектов доходит до нашей атмосферы.
Ведь что такое радиация? Высокоэнергичные частицы бомбардируют атомы в атмосфере и ионизуют их. В человеческом теле частицы тоже ионизуют атомы, выбивают электроны с оболочек, могут разрушать молекулы и так далее. Ядро какого-то атома нестабильно, оно может излучать те или иные частицы и переходить в стабильное состояние. Может излучать альфа-излучение, может излучать бета-излучение, может излучать гамма-излучение. Альфа — это заряженные ядра гелия, бета — это электроны, гамма — это электромагнитное излучение. Это и есть радиация.
Частицы летают везде и всегда. То есть существует естественный радиационный фон. Когда-то он становится жестче за счет более яркого солнца или приходящих излучений от звезд, когда-то меньше. Бывает, что человек повышает радиационный фон, построив реактор или ускоритель.
2. Свинцовые стены защищают от радиации
Правда лишь отчасти.
При объяснении этого убеждения нужно разобрать два момента. Первый — то, что есть несколько видов радиации, связанных с разными типами испускающихся частиц.
Есть альфа-излучение — это ядра атомов гелия-4 (He-4). Они очень эффективно ионизируют все вокруг. Но их останавливает и просто ваша одежда. То есть если перед вами источник альфа-излучения и вы в одежде, в очках, то ничего плохого вам не будет.
Есть бета-излучение — это электроны. У электронов ионизирующая способность ниже, но зато это более глубоко проникающее излучение. Однако его можно остановить, например, небольшим слоем алюминиевой фольги.
И наконец, есть гамма-излучение, которое обладает, если сравнить при одинаковой интенсивности, наименьшей ионизирующей способностью, но оно обладает лучшими проникающими способностями и поэтому представляет наибольшую опасность. То есть в какой бы вы защитный костюм ни закутались перед гамма-источником, вы все равно получите дозу радиации. Именно защита от гамма-излучения ассоциируется со свинцовыми погребами, бункерами и так далее.
При одинаковой толщине слой свинца будет немного эффективнее, чем такой же слой, например, бетона или спрессованной почвы. Свинец не волшебный материал. Важный параметр — это плотность, а у свинца она высокая. Именно из-за плотности свинец действительно часто использовался в защитных целях в середине XX века, в начале ядерной эпохи. Но свинец обладает определенной токсичностью, поэтому сегодня для тех же целей предпочитают, например, просто более толстые слои бетона.
3. Йод защищает от радиационного заражения
Неправда.
Как таковой йод или его соединения совершенно никак не могут противостоять негативным эффектам радиации. Почему же врачи рекомендуют принимать йод после техногенных катастроф с выбросом радионуклидов в окружающую среду? Дело в том, что если в атмосферу или в воду попадает радиоактивный йод-131, он очень быстро попадает в организм человека и накапливается в щитовидной железе, резко повышая риск развития рака и других заболеваний этого «нежного» органа. Заранее «заполнив под завязку» йодное депо щитовидной железы, можно снизить захват радиактивного йода и таким образом «защитить» ее ткань от накопления источника радиации.
О том, что пришло время массово принять йод, например, в связи с аварией на АЭС или угрозой ядерного взрыва, гражданам должно сообщить МЧС. На этот случай лучше иметь очищенный калия йодид в таблетках по 200 мкг. Если нет угрозы поступления в окружающую среду радиоактивного йода-131, самостоятельно принимать йод ни в коем случае нельзя, так как он, принятый в высокой дозе, может принести серьезный вред ткани щитовидной железы. То же, кстати, касается и других радиопротекторов. Как врач я наблюдал в одном уездном городе «эпидемию» рвоты, слабости и мышечной и абдоминальной боли, вызванную массовым приемом мегадоз различных витаминов, спиртового раствора йода и иных субстанций после ложного сообщения о взрыве на близлежащей АЭС.
4. Радиоактивные вещества светятся
Правда лишь отчасти.
Связанное с радиоактивностью свечение называется словом «радиолюминесценция», и нельзя сказать, что это очень распространенное явление. Более того, оно вызвано обычно не свечением самого радиоактивного материала, а взаимодействием испускаемой радиации с окружающим материалом.
Совершенно очевидно, откуда взялось это представление. В 1920–1930-е годы, когда был пик публичного интереса к радиоактивным материалам в различных бытовых приборах, лекарствах и прочем, краску, в которую включался радий, использовали для стрелок часов и окраски цифр. Чаще всего эта краска была на основе сульфида цинка в смеси с медью. Примеси радия, которые испускали радиоактивное излучение, взаимодействовали с краской, так что она начинала светиться зеленым.
Существенное число тех часов и декоративных предметов, которые дошли до нас, продолжали светиться зеленым, потому что оставались радиоактивными. Они были достаточно широко распространены, особенно в США и Европе.
В целом феномен радиолюминесценции, во-первых, не настолько распространен, во-вторых, люминесценция бывает и совершенно другой природы. Биолюминесценция — это частный случай люминесценции, как и радиолюминесценция. Светящиеся в темноте растения или светлячки — это люминесценция, которая никак не связана с радиацией.
Мы также можем вспомнить, что ряд солей урана, который наравне с плутонием в общественном сознании ассоциируется с понятием радиоактивности, имеют зеленый цвет. Но это никак не связано с образованием зеленого свечения. В подавляющем большинстве случаев видимый свет в процессе радиоактивного распада не излучается. А «зеленое свечение» обычно связано не со свечением самого радиоактивного материала, а со взаимодействием радиации с окружающим материалом.
5. Радиационное облучение приводит к мутациям
Правда.
В действительности радиоактивное излучение может приводить к различным повреждениям спирали ДНК, при этом если одновременно оказываются поврежденными обе ее нити, то генетическая информация может быть полностью утрачена. Для восстановления целостности генов система репарации ДНК может заполнить поврежденный участок случайными нуклеотидами. Это один из путей появления новой мутации. Если поражение ДНК масштабное, то клетка может «решить», что с таким количеством мутаций ей не выжить, поэтому она решает предпринять самоубийство — вступить на путь апоптоза. На этом, кстати, частично основан эффект лучевой терапии злокачественных новообразований: даже раковые клетки можно «убедить» начать апоптоз при внесении в их ДНК большого количества повреждений.
Но нужно помнить, что люди достаточно хорошо защищены от последствий фонового радиоактивного излучения, которое присутствовало в течение всей истории Земли. Фоновая радиация редко приводит к повреждениям спиралей ДНК, а если одна из двух цепей повреждена, то ее всегда можно восстановить с использованием резервной второй цепи. Значительно больший вред организму может принести ультрафиолетовое излучение, прямое попадание которого на незащищенные кожные покровы может вызывать малигнизацию (то есть вступление на путь «ракового перерождения») клеток кожного эпителия. В худшем случае это может привести к развитию меланомы, еще совсем недавно (до открытия иммунотерапии) считавшейся «королевой опухолей» из-за очень плохого прогноза.
Спиртное против радиации
Говорят, что алкоголь выводит радиацию. Муж с этой целью пьет и требует, чтобы я наливала себе и детям. Но я сомневаюсь, что это поможет. Может, специалисты расскажут, стоит этому верить или нет?
Г. В., Смоленск
Отвечает зав. клиникой ГНЦ Института биофизики, доктор медицинских наук Андрей Юрьевич БУШМАНОВ:
- СПЕЦИФИЧЕСКИМ антирадиационным действием алкоголь не обладает. Он притупляет восприятие, и в этом смысле его действие подобно снотворным: происходит торможение деятельности нервных клеток, и любой стрессовый фактор (боль, груз проблем, воздействие электромагнитного поля, тока или радиации) меньше вредит организму, чем если бы человек находился в ясном уме и в полном сознании.
Выведение радионуклидов (таких радиоактивных веществ, как стронций, цезий, которые поступают через пищу, вдыхаемый воздух или поврежденную кожу) можно частично ускорить. Например, пиво + сауна — добротный рецепт, при котором пот и моча выделяются активнее, а с ними и цезия выходит больше. Но тот же эффект окажет просто обильное питье или баня.
Красное вино в умеренных дозах (бокал вина в день) точно так же, как некоторые лекарственные растения, укрепляет иммунитет. Повышается сопротивляемость организма к любому негативному воздействию: вирусному, электромагнитному и радиационному в том числе. Но длительная передозировка спиртного вызовет обратный эффект — организм окажется открыт "всем ветрам": инфекциям, радиации и т. д.
Алкоголь притупляет восприятие, красное вино повышает сопротивляемость организма, а специфического антирадиационного воздействия ни у одного из продуктов алкоголя нет. Это доказано и общеизвестно. Реклама, которая утверждает, что некоторые напитки выводят радионуклиды, не врет. В красном вине есть и пектины, и витамины, так что хоть совсем на чуть-чуть, но оно ускоряет выведение радионуклидов. Значит, реклама справедлива. Правда, в той же мере, что и реклама молока, утверждающая, что в их продукте содержатся животные белки, которые на самом деле есть в любом молоке.
Способностью связывать радионуклиды и выводить их из организма обладает ряд растительных пектинов. Мы получили обнадеживающие результаты по плутонию с пектином, получаемым из морских растений при помощи ультразвуковой технологии расщепления сырья. Но особенного прорыва в этом отношении до сих пор никто не совершил. Конечно, существует ряд специальных радиопротекторов (защитных препаратов), применяемых при радиационных авариях. Но в быту усиленное потоотделение, мочегонные средства — единственные и естественные способы выведения радионуклидов.