Радиационная безопасность. От теории к практике

В подавляющем большинстве случаев аварийные ситуации не приводят к радиационной (а тем более ядерной) аварии.

1. ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И ИХ СВОЙСТВА

1.1. Физическая природа ионизирующих излучений

1.1.1. Материя, масса, энергия

Материя неразрывно связана с движением. Движение есть способ существования материи, внутреннее присущее ей свойство. Материя без движения так же немыслима, как и движение без материи. Все происходящие в мире процессы и изменения: перемещение частиц и распространение волн, электромагнитные и тепловые явления, химические и ядерные процессы, органическая жизнь и т. п. – являются формами движения материи.

Согласно современным физическим представлениям материя существует в двух основных видах: вещества и поля. Вещество и его элементы – частицы различной степени сложности (в том числе и элементарные частицы) – имеют собственную массу, или массу покоя, что, в частности, отличает вещество от поля (например, электромагнитного), которое массой покоя не обладает.

Современная физика различает следующие конкретные физические формы движения материи: механическую, тепловую, химическую, электромагнитную, ядерную. Дальнейшее расширение и углубление познания материи позволит, несомненно, раскрыть новые физические формы ее движения.

Разделение физических форм движения материи является в известной мере условным, так как фактически в природе ни одна физическая форма движения материи не существует изолированно от других ее форм движения. Однако для каждого рода физических объектов существует специфическая физическая форма движения материи, свойственная именно этому роду как главная форма движения.

Все физические формы движения материи обратимы, при этом в строго определенных количественных отношениях, что обусловило введение понятия энергии как общей меры движения материи.

В соответствии с различными физическими формами движения материи различают и виды энергии (механическая, тепловая, химическая и др.), которые также способны к взаимным превращениям в определенных количественных отношениях. Эта способность различных видов энергии к взаимным превращениям выражается законом сохранения и превращения энергии.

Из сказанного следует, что материи всегда присуща энергия и что не может быть энергии без материи.

Из закона сохранения и превращения энергии следует, что между различными видами энергии существует эквивалентность. Этот закон справедлив для всех видов энергии, он является всеобщим законом природы, не знающим исключений, и выражает языком физики единство материального мира.

Если материальная система подвергается внешним воздействиям, в результате которых она переходит из одного состояния в другое, то изменение ее энергии равно изменению энергии взаимодействующих с ней тел и полей. В термодинамике внешние воздействия подразделяются на два рода: механическую работу, совершаемую системой, и теплообмен между системой и внешней средой, характеризуемый количеством тепла, отдаваемого (или поглощаемого) системой. Соответственно этому закон сохранения и превращения энергии в термодинамике формулируется так: количество тепла Q, сообщенное системе, идет на увеличение внутренней энергии системы U и на совершение системой внешней работы А, т. е. Q = U + А.

Этот закон носит название первого начала (принципа) термодинамики.

В физике большое значение имеет взаимосвязь массы и энергии. Масса является одной из важнейших характеристик тел, одним из неотъемлемых свойств материи.

До конца XIX века масса считалась неизменным свойством частиц вещества, не зависящим от скорости их движения. Исследования и опыты по определению светового давления, опыты с быстро движущимися электронами показали, что их масса меняется вместе со скоростью.

В теории относительности этот закон был распространен на любые частицы вещества: атомы, нейтроны, электроны и др.

Масса тел и частиц, движущихся с большой скоростью (соизмеримой со скоростью света), будет больше массы покоя.

Эйнштейн в теории относительности вывел исключительно важную закономерность в соотношении между массой m и энергией Е тел (частиц), а именно E = mc

.

Это соотношение выражает закон взаимосвязи массы и энергии для любых тел, элементарных частиц и полей, подтверждая неразрывность движения и материи, оно подчеркивает общность всех видов энергии. Закон зависимости массы от скорости и закон взаимосвязи между массой и энергией получили экспериментальное подтверждение при ядерных реакциях, они имеют большое значение при расчетах ядерных процессов. Эти закономерности лежат в основе теории современной ядерной физики.

Так как с

является величиной постоянной, то всякое изменение энергии тела влечет за собой соответствующее изменение его массы, следовательно, количество энергии тела может оцениваться и величиной его массы. Поэтому не должно представляться странным выражение: «Солнце ежеминутно излучает энергию в количестве, равном 250х10

 т».

Все тела с одинаковой массой содержат одинаковое количество энергии. Чтобы оценить энергию 1 г любого тела (металла, угля, песка и др.), надо в соотношение Эйнштейна поставить вместо m единицу, а вместо с – значение скорости света (3х10

 см/с). Тогда, тело с массой 1 г обладает энергией, равной 9х10

 эрг или 2,15х10

 кал или 9х10

 Дж, что соответствует количеству энергии, выделяющейся при сжигании около 3000 т каменного угля.

Из показанного примера следует, что природа располагает неисчислимыми запасами энергии, даже малой части которых достаточно для удовлетворения потребностей в энергии всего человечества. Однако в настоящее время освобождение и использование этой энергии является пока еще сложной проблемой.

Прежде чем приступить к рассмотрению вопросов, связанных с количественным выражением значений энергии, предлагается рассмотреть единицы измерения энергии и их количественные соотношения, вытекающие из эквивалентности различных физических форм энергии (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Соотношения между энергетическими единицами

1кг массы вещества соответствует 5,61х10

 МэВ или 0,603х10

 а.е.м., а 1 а.е.м., в свою очередь, соответствует 1,66х10

 кг массы вещества.

В качестве единицы измерения энергии элементарных частиц в атомной физике применяют электрон-вольт (эВ). Один электрон-вольт (1 эВ) – это такое количество энергии, которое приобретает электрон при перемещении в постоянном электрическом поле с разностью потенциалов 1 В. При этом, электрическое поле совершает работу перемещения электрона, в результате чего энергия электрического поля преобразуется в кинетическую энергию электрона.

Ввиду того, что электрон-вольт представляет очень малую величину, энергию элементарных частиц измеряют в мегаэлектрон-вольтах (МэВ) (1 МэВ=10

 эВ). Мегаэлектрон-вольт – малая величина энергии: 1 МэВ=1,6х10

 Дж.

Электрон – стабильная элементарная частица, легчайшая из электрически заряженных материальных элементарных частиц. Электрон является также наименьшей частицей отрицательного электричества. Величина заряда электрона называется элементарным зарядом.

Важнейшими характеристиками элементарных частиц являются масса покоя (называемая также собственной массой) и электрический заряд. Масса покоя электрона m

=9,1095х10

кг, отрицательный электрический заряд его (элементарный электрический заряд) равен 1,6х10

 Кл (кулон): 1 Кл – количество электричества, протекающего за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А.

Массы других частиц обычно выражают или в массах электрона, или в так называемых атомных единицах массы (а.е.м.).

За физическую атомную единицу массы принята

/

 часть массы изотопа углерода