Сторінка
1

Іонізація і радіоактивність у біосфері

Об’єктивні явища природи — іонізація і радіоактивність — завжди існували й існують у біосфері, але ми їх не можемо сприйняти безпосередньо нашими органами чуття. Лише на межі ХІХ і ХХ ст. учені вперше виявили їх існування, а в наш час проблеми мілітарної ядерної безпеки, безпеки АЕС стали глобальними проблемами людства.

Явище іонізації можна коротко визначити як процес поділу (перетворення) електрично нейтральних атомів на позитивно заряджені іони і вільні електрони, що відбувається під впливом зовнішніх енергетичних факторів. Інакше кажучи — це відрив електрона (чи електро­нів) від атома. Отже, за другим законом термодинаміки такий процес відбувається з поглинанням енергії і збільшенням ентропії (невпорядкованості системи атомів). З останнього випливає, що іонізація є (у загальному визначенні) негативним фактором впливу на живу природу, що й зобов’язує нас розглянути це явище докладніше.

Джерел іонізації атомів складових атмосфери, а також живої і неживої речовини біосфери, є кілька.

Передовсім це іонізуюче випромінювання. Не кожне випромінювання може бути іонізуючим. Так, енергії сонячних променів недостатньо для такого процесу. Повсюдно відоме таке джерело іонізації, як рентгенівські промені, відкриття котрих припадає на останнє десятиріччя минулого століття. Німецький фізик Вільгельм Конрад Рентген, експериментуючи з потоком електронів від катода до анода у вакуумній скляній колбі (1895), спостерігав виникнення невідомих короткохвильових променів (від анода) надзвичайно великої проникної здатності, які він назвав Х-променями. За це відкриття В. К. Рентгену в 1901 році було присуджено Нобелівську премію. Конструкцію приладу (рентгенівської трубки) і описи дослідів ученого, як правило, можна знайти в будь-якому фундаментальному підручнику з фізики. Тут зазначимо лише, що довжина хвилі Х-променів становить 10 nm…1 pm (100…0,01 Å), що на два порядки менше, ніж діапазон видимого спектра сонячних променів.

Сучасні медичні рентгенівські апарати генерують Х-промені потужністю в 30—50 keV, а потужні промислові — від сотень keV, до 2…3 МeV, які здатні «бачити наскрізь» багатотонні металеві зливки, виявляючи приховані дефекти. Деякі сучасні дослідники доводять, що відкриттю Рентгена передували аналогічні наукові дослідження нашого співвітчизника — професора Вищої технічної школи в колишній Австро-Угорщині — І. П. Пулюя, видатного вченого в царині газорозрядних процесів та конструювання катодних трубок.

Одразу після відкриття ефекту «просвічування» предметів Х-променями почалися інтенсивні дослідження таких явищ. Уже навесні 1896 р. французький учений А. Беккерель, досліджуючи явище фосфоресціювання, відкрив, що подвійна сірчанокисла сіль урану і калію випромінює промені, які засвічують фотопапір так само, як Х-промені. Щоправда, на відміну від Х-променів, вони не відбивались і не заломлювались. Беккерель довів, що випромінює їх елемент уран і назвав їх урановими променями. Його сучасники, відомі нині як видатні вчені, лауреати Нобелівської премії П’єр і Марія Кюрі виділили з уранової руди перші міліграми невідомих до того часу елементів полонію і радію, а пізніше і торію, які випромінювали «уранові промені». Сьогодні такі елементи мають загальну назву радіоактивних (від латинського radius — промінь), а саме явище називається радіоактивністю.

Зі шкільного курсу фізики відома хрестоматійна схема розщеплення випромінювання радію в магнітному полі на α=, β= і γ= промені. Електронейтральні γ-промені за своєю природою є електромагнітним випромінюванням, подібним до рентгенівського, два інші — корпускулярні: β — потік електронів, а α — позитивно заряджених нуклідів — ядер гелію (два протони і два нейтрони). Електрозаряджені α і β-промені реагують на магнітне поле, відхиляючись у бік його полюсів, протилежних відносно їхнього заряду. Інтенсивність променів зменшується обернено пропорційно квадрату відстані до джерела. Відкриття радіоактивності поклало початок сучасній теорії будови атомів та їхньої іонізації. Людина виявила нову «стихію» біосфери — природне радіоактивне випромінювання деяких елементів свого навколишнього середовища.

Через деякий час (1912) на подив ученому світу австрійський фізик В. Гесс сповістив, що підняті ним на повітряній кулі прилади на висоті 5 km зареєстрували радіоактивне випромінювання набагато інтенсивніше, ніж радіоактивність на поверхні Землі.

Більше того, що далі від поверхні Землі, то випромінювання було сильнішим. Багаторазові вимірювання підтвердили сміливу думку, що джерело нових інтенсивних променів перебуває поза межами нашої планети — в Космосі. Нові промені отримали назву космічних.

Вивчення природи космічних променів, які спочатку прирівнювали до сонячних чи γ-променів, невдовзі показало, що вони є позитивно зарядженими частками: в основному протонами, рідше α-частками (ядрами гелію ) і зовсім рідко — ядрами атомів більш важких елементів — вуглецю, азоту, кисню та інших, аж до заліза включно. Вражала їхня висока проникна здатність, найбільша з усіх відомих науці.

Де, коли і за яких умов утворились такі «космічні промені» залишається таємницею і сьогодні. Існують різні гіпотези. Але спочатку розглянемо, за яких обставин заряджена частинка збільшує свою енергію. Одиниця, якою вимірюють енергію часток, електрон-вольт (еV) пояснює природу цього явища. Потрапивши в електронне поле, утворене різницею потенціалів між зарядженими тілами в 1 V, електрон прискорюється до швидкості 593 km/s. При цьому, зрозуміло, зростає його кінетична енергія, яка дорівнює добутку його заряду на різницю потенціалів, до 1,6 · 10– 19 J. Саме ця кількість енергії відповідає одиниці 1 еV. Щоб мати певне уявлення про розмір цієї одиниці, вкажемо, що енергії руху молекул у газах чи атомів у твердій речовині за кімнатної температури становлять від сотих до десятих еV. За більш високих температур їхня швидкість, як було вже показано (1.2.3), помітно зростає: частинці, яка рухається з енергією в 1 еV, відповідає температура близько 11 тис.°С. Максимальна енергія електрона в атомі водню, за якої він іще утримується в полі тяжіння ядра (протона), дорівнює 13,53 еV. Отже, щоб іонізувати атом водню, необхідно збільшити енергію його електрона хоча б на 1 еV, чому відповідає температура значно вища за 10 тис. °С.