Зарождение, а в последствии и становление радиологии как науки относится к концу ХIХ началу ХХ веков. В основу радиологии легли три открытия, можно сказать великих события, в научном мире.
Первое открытие.
Все началось с открытия, которое сделал руководитель кафедры физики, ректор Вюрцбургского университета, немецкий физик, профессор Вильгельм Конрад Рентген (годы жизни – 1845-1923 гг.) 8 ноября 1895 года. В этот день он открыл Х-лучи, которые в честь ученого в дальнейшем были названы рентгеновскими.
В этот день, уходя поздним вечером из лаборатории и, погасив свет, В.К. Рентген обратил внимание на зеленое свечение в темноте, исходившее от кристаллов бария платиносинеродистого. Оказалось, что круксова трубка (стеклянный баллон, внутри которого воздух при пониженном атмосферном давлении и два электрода для подвода напряжения), завернутая в черную бумагу, через которую не проникали катодные лучи, не была выключена, а рядом на столе лежали кристаллы бария. При отключении напряжения от круксовой трубки свечение солей бария прекращалось, а при включении возникало вновь. Видимые лучи не могли проникнуть сквозь черную бумагу, значит в трубке возникает какое-то неизвестное излучение. Так были открыты новые невидимые лучи, названные Х-лучами. Пятьдесят суток работал В.К.Рентген над изучением данного явления, подготовил доклад на 17 страницах и к нему приложил «рентгеновский» снимок своей руки.
6 января 1896 года известие об открытии В.К. Рентгена было распространено Лондонским телеграфом по всему миру.
А.Ф. Иоффе, проработавший с В.К.Рентгеном около 20 лет, писал: «Из того, что Рентген опубликовал в трех первых сообщениях, не может быть изменено ни одного слова…»
Рентгеновские лучи стали не только предметом глубокого изучения во всем мире, нашли практическое применение (рентгеновские снимки), но и послужили импульсом к обнаружению явления – естественной радио-активности.
Второе открытие.
Французский ученый физик, профессор Парижского музея естественной истории Анри Беккерель (1852-1908 гг.), изучая эффекты воздействия солнечного света на различные минералы, обнаружил, что соли урана испускают невидимые лучи. На завернутую в черную бумагу фотопластинку помещались соли урана, все это выставлялось на солнце, затем фотопластинка проявлялась и на ней появлялись очертания солей урана. Один из дней оказался пасмурным и А. Беккерель фотопластинку с солью урана, выложенной в форме креста, закрыл в стол. Через два дня, 1 марта 1896 года, день выдался солнечным. Движимый интуицией, А. Беккерель достал фотопластинку из ящика стола и решил проявить ее, не вынося на солнце. На фотопластинке отпечаталось очертание креста. Таким образом, было открыто, что уран самопроизвольно, независимо от солнечного излучения, испускает невидимые проникающие лучи, вызывающие засвечивание фотопластинки, и которые как было в дальнейшем выяснено представлены альфа-, бета- и гамма-излучения-ми. Тем самым А. Беккерелем (1 марта 1896 года) было открыто явление радиоактивности. В 1903 году ему была присуждена Нобелевская премия по физике. Но сам термин «радиоактивность» был предложен Марией Склодовской-Кюри.
Третье открытие .
Наиболее значительные достижения в области исследования радиоактивности связаны с именем польского ученого-химика Марией Склодовской (1867-1934 гг.) и ее мужем французским исследователем Пьером Кюри (1859-1906 гг.). В 1898 году, исследовав ряд химических элементов, Мария Кюри и независимо от нее немецкий ученый Г. Шмидт нашли, что источником «лучей Беккереля» является не только уран, но и торий. Мария и Пьер Кюри также обнаружили, что уран после излучения радиации превращается в другие химические элементы. Так были открыты новые радиоактивные элементы радий (означает лучистый) в июле 1898 года, и полоний (назван в честь родины Марии Склодовской-Кюри – Польши) в декабре 1898 года. Мария и Пьер Кюри внесли большой вклад в исследование природы радиоактивного излучения, обнаружив различия в действии альфа-, бета- и гамма–излучения на разные вещества.
Мария и Пьер Кюри, их дочь Ирен с мужем Фредериком Жолио (открывшими искусственную радиоактивность в 1934 году) внесли столь большой вклад в науку, что им было присуждено 5 Нобелевских премий.
В своей речи 6 июня 1905 года в Стокгольме Пьер Кюри сказал: «Легко понять, что в преступных руках радий может представить серьезную опасность, и встанет вопрос: выиграет ли человечество от познания тайн природы, достаточно ли оно созрело, чтобы ими пользоваться, или это познание обратиться ему во вред?…Я отношусь к числу тех, кто думает, что человечество извлечет больше пользы, чем вреда из новых открытий».
Английский физик Э. Резерфорд в 1899 году открыл a- и b- излучения, испускаемые при распаде радионуклидов. Он также создал теорию распада радиоактивных веществ и разработал теорию планетарной модели строения атома.
Открытие радиоактивности стало началом новой эпохи в физике. Дало возможность понять строение атома и атомных ядер, открыть законы ядерных превращений. Оно позволило человечеству получить доступ к энергии ядра через ядерные реакции, создавать искусственные радиоактивные изотопы и пр.
Но ученые столкнулись и с отрицательными эффектами действия ионизирующего и радиоактивного излучений.
В 1895 году физик В.Груббе, работая с «рентгеновскими» Х-лучами, получил сильные ожоги руки. К 1914 году в литературных источниках описаны 114 случаев рентгеновского рака. А.Беккерель в течение 6 часов носил в кармане жилета ампулу с барием хлористым и радием, получил лучевой ожог. Однажды А.Беккерель сказал: «Я очень люблю радий, но я на него в обиде». И это потому, что на руках у него имелись незаживающие язвы. Пьер Кюри получил от радия ожог предплечья. Ожоги были и на руках Марии Кюри. В этот период, А.Беккерель и Пьер Кюри опубликовали статью «Физиологи-ческое действие лучей радия», в которой описывалось действие лучей радия на кожу. По данным зарубежной литературы 336 человек, работавших с радиоактивными материалами в то время, умерли в результате облучения. К 1959 году было известно уже о 359 специалистах-радиологах (из них 13 русских и советских), погибших от лучевого рака кожи или лейкемии. Мария, ее дочь Ирен с мужем Фредериком Жолио умерли от лучевых поражений.
Во время первой мировой войны Мария Кюри оборудовала 220 рентгеновских установок, работала на них и обучала персонал. Умерла от болезни – острая злокачественная анемия .
Пьер Кюри погиб раньше (1906 г.) в катастрофе под колесами фургона, но учеными доказано, что и он бы умер от лучевой патологии.
В отличие от ионизирующего рентгеновского излучения, сразу получившего применение в медицине, изучение и использование радиоактивных веществ шло медленнее.
К 1903 году Пьер Кюри с учеными медиками определили, что радий оказывает лечебное действие на «волчанку» и некоторые формы рака. Эти данные были подтверждены в 1903 году работами Семена Викторовича Гольдберга и Ефима Семеновича Лондона. А первым вкладом российских ученых в радиационную биологию была работа 1898 года Ивана Рамазовича Тарханова, который установил наличие различных реакций на облучение у лягушек и насекомых. В 1903 году Хейнеке (исследовал действие рентгеновских лучей на мышей) впервые описал анемию и лейкопению, а также обратил внимание на поражение органов кроветворения (атрофия селезенки).
В 1905 году Корнике установил торможение клеточного деления под влиянием ионизирующего излучения, а ученые Бергонье и Трибондо обнаружили различие чувствительности разных клеток к облучению.
Первоначально исследования были направлены на решение проблем медицинской радиологии. По мере роста и развития материальной базы для радиобиологических исследований расширялся фронт работ по использованию радиации в биологии и сельском хозяйстве. В 1925-1935 годах широко получила развитие радиационная генетика. В 1925 году Г.А. Надсон и Г.Ф.Филиппов в опытах на дрожжах и плесневых грибах обнаружили действие ионизирующих излучений на генетический аппарат клетки, сопровождающегося наследственной передачей вновь приобретенных признаков. Л.Н. Делоне (1932 г.), А.А. Сапегина (1934 г.) использовали рентгеномутации для селекции растений. Под руководством П.Ф. Рокицкого в 1934-1935 годах были проведены работы по радиогенетике животных.
Интенсивное развитие исследований в радиобиологии началось после применения атомного оружия США в Японии в 1945 году, что поставило неотложные задачи по разработке способов противолучевой защиты и лечения радиационных поражений, а также изучения радиобиологического эффекта и патогенеза лучевой болезни.
Испытание первой советской атомной бомбы было произведено 29 августа 1949 года. 12 сентября 1954 года впервые в мире было испытано термоядерное оружие, а 22 ноября 1955 года – водородная бомба.
Поэтому с середины 40-х годов ХХ века в мире начали создаваться крупные научно-исследовательские центры. В Советском Союзе крупные исследовательские центры были созданы в Москве, Ленинграде, Киеве, Минске, Алма-Ате, Новосибирске, Свердловске.
Биофизическая лаборатория, созданная в 1948 году в Московской сельскохозяйственной академии имени К.А. Тимирязева, первая в стране начала работу по изучению закономерностей поведения радиоактивных продуктов деления в звене миграции: почва - растения и изучению метаболизма осколков деления в организме животных. Значительное место в общей и сельскохозяйственной радиоэкологии заняли исследования по изучению миграции радиоактивных продуктов ядерного деления в цепи: корм – сельскохозяйственные животные – продукция животноводства. В первые годы испытания ядерного оружия были получены данные, что молоко, мясо и продукты их переработки являются важнейшими источниками поступления радионуклидов в организм человека.
Особую актуальность эти данные приобрели в связи с мирным применением атома. 27 июня 1954 года была пущена в действие первая в мире атомная электростанция в г. Обнинске.
По данным иностранных источников, первой в мире АЭС была атомная электростанция в Колдер Холле (Великобритания)1956 г.
В настоящее время в мире на АЭС насчитывается 437 действующих и 38 строящихся энергоблоков, соответственно в России – 30 и 3, США – 109 и 1, Японии – 51 и 3 , Франции – 56 и 4 и пр. Средний срок службы атомного реактора 30-50 лет. К 2010 году из эксплуатации надо вывести более 200 реакторов. Это огромная проблема и задача, стоящая перед мировой общественностью.
В Республике Беларусь Президентом А.М. Лукашенко с 1999 года на десять лет наложен мораторий на строительство АЭС в Дубровенском районе Витебской области.
В настоящее время ионизирующее излучение и радиоактивные источники излучения широко применяются в ветеринарии. Радионуклиды применяют как индикаторы в исследовательских работах в области физиологии и биохимии животных, в диагностики и лечении больных животных и пр.
Большой вклад в развитие ветеринарной радиологии внесли ученые
Г.Г.Воккен, В.А.Киршин, А.Д.Белов, А.М.Кузин, В.А.Бударков, Р.Г.Ильязов и др.
Французский физик А.Баккрель 1 марта 1896 года обнаружил по почернению фотопластинки испускание солью урана невидимых лучей сильной проникающей способности. Вскоре он выяснил, что свойством лучеиспускания обладает и сам уран. Затем такое свойство им было обнаружено и у тория. Радиоактивность (от латинского radio – излучаю, radus – луч и activus – действенный), такое название получило открытое явление, которое оказалось привилегией самых тяжелых элементов периодической системы Д.И.Менделеева.Есть несколько определений этого замечательного явления одно из которых дает такую ее формулировку: «Радиоактивность – это самопроизвольное (спонтанное) превращение неустойчивого изотопа химического элемента в другой изотоп (обычно изотоп другого элемента); при этом происходит испускание электронов, протонов, нейтронов или ядер гелия (частиц)» Сущностью открытого явления было в самопроизвольном изменении состава атомного ядра, находящегося в основном состоянии либо в возбужденном долгоживущем состоянии.
В 1898 году другие французские ученые Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри выделили из уранового минерала два новых вещества, радиоактивных в гораздо большей степени, чем уран и торий Так были открыты два неизвестных ранее радиоактивных элемента - полоний и радий, а Мария, кроме того обнаруживает (независимо от немецкого физика Г.Шмидта) явление радиоактивности у тория.
Кстати, она первой и предложила термин радиоактивность.Ученые пришли к выводу, что радиоактивность представляет собой самопроизвольный процесс, происходящий в атомах радиоактивных элементов.
Теперь это явление определяют как самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элеента в изотоп другого элемента и при этом происходит испускание электронов, протонов, нейтронов или ядер гелия? – частиц.Здесь следует отметить, что среди элементов, содержащихся в земной коре, радиоактивными являются все с порядковыми номерами более 83, т.е. расположенными в таблице Менделеева после висмута.
За 10 лет совместной работы они сделали очень многое для изучения явления радиоактивности. Это был беззаветный труд во имя науки – в плохо оборудованной лаборатории и при отсутствии необходимых средств. Пьер установил самопроизвольное выделение тепла солями радия. Этот препарат радия исследователи получили в 1902 году в количестве 0,1 гр. Для этого им потребовалось 45 месяцев напряженного туда и более 10000 химических операций освобождения и кристаллизации.В 1903 году за открытие в области радиоактивности супругам Кюри и А.Беккерею была присуждена Нобелевская премия по физике.
Всего за работы, связанные с исследованием и применением радиоактивности, было присуждено более 10 Нобелевских премий по физике и химии (А.Беккерею, П. и М. Кюри, Э.Ферми, Э.Резерфорду, Ф. и И. Жолио-Кюри, Д.Хэвиши, О.Гану, Э.Макмиланн и Г.Сиборгу, У.Либби и др.). В честь супругов Кюри получил свое название искусственно полученный трансурановый элемент с порядковым номером 96 – кюрий.
В 1898 году английский ученый Э. Резерфорд приступил к изучению явления радиоактивности.В 1903 году Э.Резерфорд доказывает ошибочность предположения английского физика Д.Томпсона о его теории строении атома и в 1908-1911 г.г. проводит опыты по рассеянию? – частиц (ядер гелия) металлической фольгой – частица проходила сквозь тонкую фольгу (толщиной 1 мкм) и, попадая на экран из сернистого цинка, порождала вспышку, хорошо наблюдаемую в микроскоп. Опыты по рассеянию? – частиц убедительно показали, что почти вся масса атома сосредоточена в очень малом объеме – атомном ядре, диаметр которого примерно в 10 раз меньше диаметра атома.
Большинство? – частиц пролетает мимо массивного ядра, не задевая его, но изредка происходит столкновение? – частицы с ядром и тогда она может отскочить назад. Таким образом, первым его фундаментальным открытием в этой области было обнаружение неоднородности излучения, испускаемого ураном.Так в науку о радиоактивности впервые вошло понятие об? – и лучах.
Он также предложил и названия: ? –распад и? – частица. Немного позже была обнаружена еще одна составляющая часть излучения, обозначенная третьей буквой греческого алфавита: лучи. Это произошло вскоре после открытия радиоактивности. На долгие годы? – частицы стали для Э.Резерфорда незаменимым инструментом исследований атомных ядер. В 1903 году он открывает новый радиоактивный элемент – эманацию тория.В 1901-1903 годах он совместно с английским ученым Ф.Содди проводит исследования, которые привели к открытию естественного превращения элеентов(например радия в радон) и разработке теории радиоактивного распада атомов.
В 1903 году немецкий физик К.Фаянс и Ф.Содди независимо друг от друга сформулировали правило смещения, характеризующее перемещение изотопа в периодической системе элементов при различных радиоактивных превращениях.Весной 1934 года в «Докладах Парижской академии наук» появилась статья под названием «Новый тип радиоактивности». Ее авторы Ирен Жолио-Кюри и ее муж Фредерик Жолио-Кюри обнаружили, что бор, магний, и алюминий, облученные? – частицами, становятся сами радиоактивными и при своем распаде испускают позитроны.
Так была открыта искусственная радиоактивность. В результате ядерных реакций (например, при облучении различных элементов? – частицами или нейтронами) образуется радиоактивные изотопы элементов, в природе не существующие.Именно эти искусственные радиоактивные продукты составляют подавляющее большинство среди всех известных ныне изотопов.
Во многих случаях продукты радиоактивного распада сами оказываются радиоактивными и, тогда образованию стабильного изотопа предшествует цепочка из нескольких актов радиоактивного распада. Примерами таких цепочек являются ряды периодических изотопов тяжелых элементов, которые начинаются нуклеидами 238U, 235U, 232 и заканчиваются стабильными изотопами свинца 206Pb, 207Pb, 208Pb. Так из общего числа известных ныне около 2000 радиоактивных изотопов около 300 – природные, а остальные получены искусственно, в результате ядерных реакций.
Между искусственной и естественной радиацией нет принципиального различия. В 1934 г. И. и Ф. Жолио-Кюри в результате изучения искусственной радиации были открыты новые варианты?–распада – испускание позитронов, которые были первоначально предсказаны японскими учеными Х.Юккавой и С.Сакатой.И. и Ф. Жолио-Кюри осуществили ядерную реакцию, продуктом которой был радиоактивный изотоп фосфора с массовым числом 30. Выяснилось, что он испускал позитрон.
Этот тип радиоактивных превращений называют?+ распадом (подразумевая под распадом испускание электрона). Один из выдающихся ученых современности Э.Ферми, свои главные работы посвятил исследованиям, связанным с искусственной радиоактивностью. Созданная им в 1934 году теория бетта-распада и в настоящее время используется физиками для познания мира элементарных частиц.Теоретики уже давно предсказывают возможность двойного превращения в 2 распада, при которой одновременно испускаются два электрона или два позитрона, однако на практике этот путь «гибели» радиоактивного ядра пока не обнаружен.
Зато сравнительно недавно удалось наблюдать очень редкое явление протонной радиоактивности – испускание ядром протона и доказано существование двупротонной радиоактивности, предсказанное ученым В.И.Гольданским. Всем этим видам радиоактивных превращений подтверждены только искусственные радиоизотопы, и в природе они не встречаются.В последствии целым рядом ученых разных стран (Дж.Данинг, В.А.Карнаухов, Г.Н.Флеров, И.В.Курчатов и др.) были обнаружены сложные, включающие?–распад, превращения, в том числе испускание запаздывающих нейтронов.
Одним из первых ученых в бывшем СССР, который приступил к изучению физики атомных ядер вообще и радиоактивности в частности был академик И.В.Курчатов.В 1934 году он открыл явление разветвления ядерных реакций, вызываемых нейтронной бомбардировкой и исследовал искусственную радиоактивность. ряда химических элементов.
В 1935 году при облучении брома потоками нейтронов Курчатов и его сотрудники заметили, что возникающие при этом радиоактивные атомы брома распадаются с двумя различными скоростями. Такие атомы назвали изомерами, а открытое учеными явление изомерией. Наукой было установлено, что быстрые нейтроны способны разрушать ядра урана. При этом выделяется много энергии и образуются новые нейтроны, способные продолжать процесс деления ядер урана.Позднее обнаружилось, что атомные ядра урана могут делиться и без помощи нейтронов. Так было установлено самопроизвольное (спонтанное) деление урана.
В честь выдающегося ученого в области ядерной физики и радиоактивности 104-й элемент периодической системы Менделеева назван курчатовием. Открытие радиоактивности оказало огромное влияние на развитие науки и техники, Оно ознаменовало начало эпохи интенсивного изучения свойств и структуры веществ.Новые перспективы, возникшие в энергетике, промышленности, военной области медицине и других областях человеческой деятельности благодаря овладению ядерной энергией, были вызваны к жизни обнаружением способности химических элементов к самопроизвольным превращениям.
Однако, наряду с положительными факторами использования свойств радиоактивности в интересах человечества можно привести примеры и негативного их вмешательства в нашу жизнь.К числу таких можно относится ядерное оружие во всех его формах, затонувшие корабли и подводные лодки с атомными двигателями и атомным оружием, захоронение радиоактивных отходах в море и на земле, аварии на атомных электростанциях и др. а непосредственно для Украины использование радиоактивности в атомной энергетике привело к Чернобыльской трагедии.
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Радиоактивность была открыта в 1896 году французским физиком А. Беккерелем. Он занимался исследованием связи люминесценции и недавно открытых рентгеновских лучей.
Беккерелю пришла в голову мысль: не сопровождается ли всякая люминесценция рентгеновскими лучами? Для проверки своей догадки он взял несколько соединений, в том числе одну из солей урана, фосфоресцирующую жёлто-зелёным светом. Осветив её солнечным светом, он завернул соль в чёрную бумагу и положил в тёмном шкафу на фотопластинку, тоже завёрнутую в чёрную бумагу. Через некоторое время, проявив пластинку, Беккерель действительно увидел изображение куска соли. Но люминесцентное излучение не могло пройти через чёрную бумагу, и только рентгеновские лучи могли в этих условиях засветить пластинку. Беккерель повторил опыт несколько раз и с одинаковым успехом. В конце февраля 1896 г. на заседании Французской академии наук он сделал сообщение о рентгеновском излучении фосфоресцирующих веществ.
Через некоторое время в лаборатории Беккереля была случайно проявлена пластинка, на которой лежала урановая соль, не облучённая солнечным светом. Она, естественно, не фосфоресцировала, но отпечаток на пластинке получился. Тогда Беккерель стал испытывать разные соединения и минералы урана (в том числе не проявляющие фосфоресценции), а также металлический уран. Пластинка неизменно засвечивалась. Поместив между солью и пластинкой металлический крестик, Беккерель получил слабые контуры крестика на пластинке. Тогда стало ясно, что открыты новые лучи, проходящие сквозь непрозрачные предметы, но не являющиеся рентгеновскими.
Беккерель установил, что интенсивность излучения определяется только количеством урана в препарате и совершенно не зависит от того, в какие соединения он входит. Таким образом, это свойство было присуще не соединениям, а химическому элементу -- урану.
Своим открытием Беккерель делится с учёными, с которыми он сотрудничал. В 1898 г. Мария Кюри и Пьер Кюри обнаружили радиоактивность тория, позднее ими были открыты радиоактивные элементы полоний и радий.
Они выяснили, что свойством естественной радиоактивности обладают все соединения урана и в наибольшей степени сам уран. Беккерель же вернулся к интересующим его люминофорам. Правда, он сделал ещё одно крупное открытие, относящееся к радиоактивности. Однажды для публичной лекции Беккерелю понадобилось радиоактивное вещество, он взял его у супругов Кюри и положил пробирку в жилетный карман. Прочтя лекцию, он вернул радиоактивный препарат владельцам, а на следующий день обнаружил на теле под жилетным карманом покраснение кожи в форме пробирки. Беккерель рассказал об этом Пьеру Кюри, и тот поставил на себе опыт: в течение десяти часов носил привязанную к предплечью пробирку с радием. Через несколько дней у него тоже появилось покраснение, перешедшее затем в тяжелейшую язву, от которой он страдал в течение двух месяцев. Так впервые было открыто биологическое действие радиоактивности.
Но и после этого супруги Кюри мужественно делали своё дело. Достаточно сказать, что Мария Кюри умерла от лучевой болезни (дожив, тем не менее, до 66 лет).
В 1955 г. были обследованы записные книжки Марии Кюри. Они до сих пор излучают, благодаря радиоактивному загрязнению, внесённому при их заполнении. На одном из листков сохранился радиоактивный отпечаток пальца Пьера Кюри.
Понятие радиоактивности и типы излучений.
Радиоактивность - способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Радиоактивность подразделяют на естественную (наблюдается у неустойчивых изотопов, существующих в природе) и искусственную (наблюдается у изотопов, полученных посредством ядерных реакций).
Радиоактивное излучение разделяют на три типа:
- -излучение - отклоняется электрическим и магнитными полями, обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью; представляет собой поток ядер гелия; заряд -частицы равен +2е, а масса совпадает с массой ядра изотопа гелия 42Не.
- -излучение - отклоняется электрическим и магнитным полями; его ионизирующая способность значительно меньше (приблизительно на два порядка), а проникающая способность гораздо больше, чем у -частиц; представляет собой поток быстрых электронов.
- -излучение - не отклоняется электрическим и магнитными полями, обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью; представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны
Период полураспада Т1/2 - время, за которое исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое.
Альфа излучение - поток положительно заряженных частиц, образованная 2 протонами и 2 нейтронами. Частица идентична ядру атома гелия-4 (4He2+). Образуется при альфа-распаде ядер. Впервые альфа-излучение открыл Э. Резерфорд. Изучая радиоактивные элементы, в частности изучая такие радиоактивные элементы как уран радий и актиний, Э. Резерфорд пришел к выводу что все радиоактивные элементы испускают альфа- и бета-лучи. И, что еще более важно, радиоактивность любого радиоактивного элемента через определенный конкретный период времени уменьшается. Источником альфа-излучения являются радиоактивные элементы. В отличие от других видов ионизирующего излучения альфа-излучение является наиболее безобидным. Оно опасно лишь при попадании в организм такого вещества (вдыхание, съедание, выпивание, втирание и т.д.), так как пробег альфа частицы, например с энергией 5 МэВ, в воздухе составляет 3,7 см, а в биологической ткани 0,05 мм. Альфа-излучение попавшего в организм радионуклида наносит поистине кошмарные разрушения, т.к. коэффициент качества альфа излучения с энергией меньше 10 МэВ равен 20мм. а потери энергии происходят в очень тонком слое биологической ткани. Оно практически сжигает его. При поглощении альфа-частиц живыми организмами могут возникнуть мутагенные (факторы, вызывающий мутацию), канцерогенные (вещества или физический агент (излучение), способные вызвать развитие злокачественных новообразований) и другие отрицательные эффекты. Проникающая способность А.-и. невелика т.к. задерживается листом бумаги.
Бета-частица (в-частица), заряженная частица, испускаемая в результате бета-распада. Поток бета-частиц называется бета-лучи или бета-излучение.
Отрицательно заряженные бета-частицы являются электронами (в--), положительно заряженные -- позитронами (в+).
Энергии бета-частиц распределены непрерывно от нуля до некоторой максимальной энергии, зависящей от распадающегося изотопа; эта максимальная энергия лежит в диапазоне от 2,5 кэВ (для рения-187) до десятков МэВ (для короткоживущих ядер, далёких от линии бета-стабильности).
Бета-лучи под действием электрического и магнитного полей отклоняются от прямолинейного направления. Скорость частиц в бета-лучах близка к скорости света. Бета-лучи способны ионизировать газы, вызывать химические реакции, люминесценцию, действовать на фотопластинки.
Значительные дозы внешнего бета-излучения могут вызвать лучевые ожоги кожи и привести к лучевой болезни. Ещё более опасно внутреннее облучение от бета-активных радионуклидов, попавших внутрь организма. Бета-излучение имеет значительно меньшую проникающую способность, чем гамма-излучение (однако на порядок большую, чем альфа-излучение). Слой любого вещества с поверхностной плотностью порядка 1 г/см2.
Например, несколько миллиметров алюминия или несколько метров воздуха практически полностью поглощает бета-частицы с энергией около 1 МэВ.
Гамма - излучение вид электромагнитного излучения с чрезвычайно маленькой длиной волны -- < 5Ч10-3 нм и вследствие этого ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами. Гамма-квантами являются фотоны высокой энергии. Обычно считается, что энергии квантов гамма-излучения превышают 105 эВ, хотя резкая граница между гамма- и рентгеновским излучением не определена. На шкале электромагнитных волн гамма-излучение граничит с рентгеновским излучением, занимая диапазон более высоких частот и энергий. В области 1-100 кэВ гамма-излучение и рентгеновское излучение различаются только по источнику: если квант излучается в ядерном переходе, то его принято относить к гамма-излучению, если при взаимодействиях электронов или при переходах в атомной электронной оболочке -- то к рентгеновскому излучению. Очевидно, физически кванты электромагнитного излучения с одинаковой энергией не отличаются, поэтому такое разделение условно.
Гамма-излучение испускается при переходах между возбуждёнными состояниями атомных ядер (энергии таких гамма-квантов лежат в диапазоне от ~1 кэВ до десятков МэВ). При ядерных реакциях (например, при аннигиляции электрона и позитрона, распаде нейтрального пиона и т.д.), а также при отклонении энергичных заряженных частиц в магнитных и электрических полях.
Гамма-лучи в отличие от б-лучей и в-лучей не отклоняются электрическими и магнитными полями и характеризуются большей проникающей способностью при равных энергиях и прочих равных условиях. Гамма-кванты вызывают ионизацию атомов вещества. Основные процессы, возникающие при прохождении гамма-излучения через вещество:
Фотоэффект (гамма-квант поглощается электроном атомной оболочки, передавая ему всю энергию и ионизируя атом).
Комптоновское рассеяние (гамма-квант рассеивается на электроне, передавая ему часть своей энергии).
Рождение электрон-позитронных пар (в поле ядра гамма-квант с энергией не ниже 2mec2=1,022 МэВ превращается в электрон и позитрон).
Фотоядерные процессы (при энергиях выше нескольких десятков МэВ гамма-квант способен выбивать нуклоны из ядра).
Гамма-кванты, как и любые другие фотоны, могут быть поляризованы.
Облучение гамма-квантами, в зависимости от дозы и продолжительности, может вызвать хроническую и острую лучевую болезнь. Стохастические эффекты облучения включают различные виды онкологических заболеваний. В то же время гамма-облучение подавляет рост раковых и других быстро делящихся клеток. Гамма-излучение является мутагенным и тератогенным фактором.
Защитой от гамма-излучения может служить слой вещества. Эффективность защиты (то есть вероятность поглощения гамма-кванта при прохождении через неё) увеличивается при увеличении толщины слоя, плотности вещества и содержания в нём тяжёлых ядер (свинца, вольфрама, обеднённого урана и пр.).
Единицей измерения радиоактивности служит беккерель (Бк, Bq). Один беккерель равен одному распаду в секунду. Содержание активности в веществе часто оценивают на единицу веса вещества (Бк/кг) или его объема (Бк/л, Бк/куб.м). Часто используют внесистемную единицу - кюри (Ки, Ci). Один кюри соответствует числу распадов в секунду в 1 грамме радия. 1 Ки = 3,7.1010 Бк.
Соотношения между единицами измерения приведены ниже в таблице.
Широко известная внесистемная единица рентген (Р, R) служит для определения экспозиционной дозы. Один рентген соответствует дозе рентгеновского или гамма-излучения, при которой в 1 см3 воздуха образуется 2.109 пар ионов. 1 Р = 2, 58.10-4 Кл/кг.
Чтобы оценить действие излучения на вещество, измеряют поглощенную дозу, которая определяется как поглощенная энергия на единицу массы. Единица поглощенной дозы называется рад. Один рад равен 100 эрг/г. В системе СИ используют другую единицу - грей (Гр, Gy). 1 Гр = 100 рад = 1 Дж/кг.
Биологический эффект различных видов излучения неодинаков. Это связано с отличиями в их проникающей способности и характере передачи энергии органам и тканям живого организма. Поэтому для оценки биологических последствий используют биологический эквивалент рентгена - бэр. Доза в бэрах эквивалентна дозе в радах, умноженной на коэффициент качества излучения. Для рентгеновских, бета- и гамма-лучей коэффициент качества считается равным единице, то есть бэр соответствует раду. Для альфа-частиц коэффициент качества равен 20 (это означает, что альфа-частицы вызывают в 20 раз более сильное повреждение живой ткани, чем та же поглощенная доза бета- или гамма-лучей). Для нейтронов коэффициент составляет от 5 до 20 в зависимости от энергии. В системе СИ для эквивалентной дозы введена специальная единица, называемая зиверт (Зв, Sv). 1 Зв = 100 бэр. Эквивалентная доза в зивертах соответствует поглощенной дозе в греях, умноженной на коэффициент качества.
Возникновение радиобиологии обязано трем великим открытиям, увенчавшим окончание предыдущего столетия:
1895 – открытие Вильгельмом Конрадом Рентгеном Х-лучей;
1896 – открытие Анри Беккерелем естественной радиоактивности урана;
1898–открытие четой Кюри – Марией Склодовской и Пьером радиоактивных свойств полония и радия.
Вильгельму Конраду Рентгену ко времени его великого открытия было 50 лет. Он руководил тогда физическим институтом и кафедрой физики Вюрцбургского университета. 8 ноября 1895 г.Рентген, как обычно, поздно вечером закончил эксперименты в лаборатории. Погасив свет в комнате, он заметил в темноте зеленоватое свечение, исходившее от кристаллов соли, рассыпанных на столе. Оказалось, что он забыл выключить напряжение на катодной трубке, с которой работал в тот день. Свечение немедленно прекращалось, как только отключался ток, и тотчас возникало при его включении. Исследуя загадочное явление, Рентген пришел к гениальному выводу: при прохождении тока через трубку в ней возникает какое-то неизвестное излучение. Именно оно вызывает свечение кристаллов. Не зная природы этого излучения, он назвал его Х-лучами.
Возникшая шумиха и небылицы не могли ослабить интереса к великому открытию. Рентгеновские лучи немедленно стали не только предметом глубокого изучения во всем мире, но и быстро нашли практическое применение. Кроме того, они послужили непосредственным импульсом к обнаружению нового явления – естественной радиоактивности, которое потрясло мир менее чем через полгода после открытия рентгеновских лучей.
Рентгеновские лучи не только немедленно стали предметом глубокого изучения во всем мире, но и быстро нашли практическое применение. Кроме того, они послужили импульсом к открытию нового явления – естественной радиоактивности, которое потрясло мир менее чем через полгода после открытия рентгеновских лучей. Одним из тех, кто интересовался природой «всепроникающих» рентгеновских лучей, был профессор физики Парижского музея естественной истории Анри Беккерель. Проявив однажды оставленную на столе фотопластинку, завернутую в черную бумагу, Беккерель обнаружил, что она засвечена лишь в том месте, где лежала насыпанной соль урана. Несколько раз повторив наблюдения при солнечной и пасмурной погоде, ученый пришел к выводу, что уран произвольно, независимо от солнечного излучения, испускает невидимые глазу «урановые лучи».
Десятки исследователей после открытия Рентгена были иском новых таинственных излучений. Но лишь пытливому и талантливому А. Беккерелю удалось отличить от индуцируемой солнечным светом люминесценции самопроизвольное испускание ураном проникающего излучения.
Десятки исследователей после открытия Рентгена были заняты поиском новых таинственных излучений. Изучение этого явления стало предметом страстных исканий великого польского ученого Марии Склодовской-Кюри, а вскоре – и ее мужа, не менее блестящего французского исследователя Пьера Кюри.
18 июля 1898 года супруги Кюри сообщили об открытии нового радиоактивного элемента – полония названного в честь родины М. Кюри – Польши, а 26 декабря М. Кюри и Ж. Бемон – об открытии второго радиоактивного элемента – радия.Работы по исследованию радиоактивности продолжали бурно развиваться. В 1899 году М. Кюри обнаружила, что воздух вокруг соединений радия становится проводником электрического тока, а в 1900 году немецкий химик Э. Дорн сообщил об открытии им нового газообразного радиоактивного элемента, выделяющегося из препаратов радия. Он назвал этот элемент радоном. В том же году в Англии Э. Резерфорд и Р. Оуэне установили, что торий выделяет радиоактивный газ, который они назвали эманацией (торон).Несколько позже А. Дебьерн и независимо от него Ф. Гизель, исследуя актиний, показали, что из него также выделяется радиоактивный газ. В том же году канадец Дж. Мак-Леннон установил, что в результате радиоактивных превращений радия образуется стабильный радий-G (RaG), а О. Ган и Л. Майтнер нашли конечный продукт превращения тория – стабильный торий-D (ThD).
В 1900 году английский ученый В. Крукс и независимо от него
А.
В 1911 году К. Фаянс определил, что радиоактивное превращение RaC идет двумя путями: с образованием радия-С/(RаС) и радия-С"(RаС"). В том же году русский ученый Г. Н.
Антонов в лаборатории Резерфорда по кривой распада UX нашел, что в нем имеется радиоактивная примесь – элемент, который он назвал ypaн-Y(UY). В 1913 году Ф. Содди и немецкий ученый О. Геринг обнаружили в продуктах распада урана уран-Х 2 (UX 2), названный бревием, а англичане Э. Марсден и Р. Вильсон – двойственность распада тория-С на торий-С" (ThC") и торий-D (ThD). Г. Мак-Кой и Ш. Виоль в США исследовали химические свойства радиоактивных элементов – продуктов распада тория. Далее, О. Ган иЛ. Майтнер и независимо от них Ф. Содди и Дж. Кренстон выделили из урановых руд новый радиоактивный элемент протактиний (Ра) – предшественник актиния.
Число вновь открытых радиоактивных элементов катастрофически увеличивалось, что противоречило периодической системе элементов
Д.И. Менделеева. Большинству из них не было места в этой системе. В то же время, как мы видели, накапливались сведения о превращениях одних радиоактивных элементов в другие, об их взаимосвязи. Все эти открытия новых элементов проводились по проторенной М. Кюри дорожке – методом носителей.
Радиоактивностью или радиоактивным распадом называется спонтанное изменение внутреннего строения или состава нестабильного ядра атома. При этом атомное ядро испускает ядерные фрагменты, гамма-кванты или элементарные частицы. Радиоактивность может быть искусственной, когда распад ядер атомов достигается путем определенных ядерных реакций. Но прежде чем прийти к искусственному радиоактивному распаду, наука познакомилась с естественной радиоактивностью – самопроизвольным распадом ядер некоторых элементов, которые встречаются в природе.
Предыстория открытия
Любое научное открытие – результат упорного труда, но история науки знает примеры, когда большую роль играла случайность. Так произошло с немецким физиком В.К. Рентгеном. Этот ученый занимался исследованием катодных лучей.Однажды К.В. Рентген включил катодную трубку, закрытую черной бумагой. Недалеко от трубки лежали кристаллы платиноцианистого бария, которые не были связаны с прибором. Они начали светиться зеленым светом. Так было открыто излучение, возникающее при столкновении катодных лучей с какой-либо преградой. Ученый назвал его Х-лучами, а в Германии и России в настоящее время применяется термин «рентгеновское излучение».
Открытие естественной радиоактивности
В январе 1896 г. французский физик А. Пуанкаре на заседании Академии рассказал об открытии В.К. Рентгена и высказал гипотезу о связи данного излучения с явлением флюоресценции – нетеплового свечения вещества под воздействием ультрафиолета.На заседании присутствовал физик А.А. Беккерель. Его заинтересовала эта гипотеза, ведь он уже давно исследовал явление флюоресценции на примере уранилнитрита и других солей урана. Эти вещества под воздействием солнечных лучей светятся ярким желто-зеленым светом, но как только действие солнечных лучей прекращается, соли урана перестают светиться менее чем через сотую долю секунды. Это установил еще отец А.А. Беккереля, который тоже был физиком.
Выслушав доклад А. Пуанкаре, А.А. Беккерель предположил, что соли урана, перестав светиться, могут продолжать испускать какое-то другое излучение, проходящие через непрозрачный материал. Опыт, проведенный исследователем, казалось бы, доказывал это. Ученый положил крупинки соли урана на фотопластинку, завернутую в черную бумагу и выставил на солнечный свет. Проявив пластинку, он обнаружил, что она почернела там, где лежали крупинки. А.А.Беккерель сделал вывод, что излучение, испускаемое солью урана, провоцируется солнечными лучами. Но в процесс исследования снова вторглась счастливая случайность.
Однажды А.А. Беккерелю пришлось отложить очередной опыт из-за пасмурной погоды. Подготовленную фотопластинку он убрал в ящик стола, а сверху положил покрытый солью урана медный крест. Через некоторое время он все-таки проявил пластинку – и на ней отобразились очертания креста. Поскольку крест и пластинка находились в недоступном для солнечного света месте, оставалось предположить, что уран – последний в периодической таблице элемент, испускает невидимое излучение самопроизвольно.
Исследованием этого явления наряду с А.А. Беккерелем занялись супруги Пьер и Мария Кюри. Они установили, что данным свойством обладают еще два элемента, открытые ими. Один из них был назван полонием – в честь Польши, родины Марии Кюри, а другой – радием, от латинского слова radius – луч. По предложению Марии Кюри, данное явление было названо радиоактивностью.
