Вторичное космическое излучение очень сложно и состоит из всех известных в настоящее время элементарных частиц и излучений. Для оценки биологического воздействия (расчета дозы космического излучения) вторичное космическое излучение можно разделить по уровню энергии и составу на четыре компонента:
1) мягкий, или малопроникающий, компонент объединяет электроны, позитроны, γ-кванты и частично быстрые протоны с энергиями порядка 100 МэВ;
2) жесткий, или сильнопроникающий, — состоит в основном из μ±-мезонов с энергиями порядка 600 МэВ, небольшого количества сверхбыстрых протонов, с энергией более 400 МэВ, α-частиц и незначительного количества π±-мезонов;
3) сильноионизирующий — содержит продукты ядерных расщеплений: протоны, α-частицы, дейтроны, тритоны и более тяжелые осколки ядер с энергией 10—15 МэВ;
4) нейтронный компонент — нейтроны различных энергий.
На уровне моря космическое излучение состоит в основном, как правило, из мягкого и жесткого компонентов.
Мягкий компонент поглощается слоями свинца толщиной 8—10 см и железа—15—20 см; жесткий — проходит через свинец толщиной более метра, его можно обнаружить под землей и под водой на глубине нескольких километров.
Частицы мягкого и жесткого компонентов, обладая большими энергиями в веществе, создают наименьшую плотность ионизации. Поэтому их относительная биологическая эффективность (ОБЭ) приравнивается к 1.
Частицы сильноионизирующего компонента обладают большой плотностью ионизации. Их ОБЭ приравнивают к ОБЭ протонов, нейтронов и а-частиц с энергией 10—15 МэВ, т. е. она равна 10.
На уровне моря сильноионизирующие частицы составляют 0,5%, а слабоионизирующие — 99,5%. Поскольку трудно учесть плотность ионизации осколков ядер с ОБЭ более 10, то этот показатель косми ческого излучения считается приблизительно равным 2.
Проведенные измерения показали, что на уровне моря за счет космических лучей образуются 2,74 пары ионов в 1 см3 воздуха за 1 с. Это соответствует мощности дозы 1,15'10~9 рад/с.
Тканевая доза космических лучей на 11% больше, чем в воздухе, так как сверхбыстрые нейтроны, сталкиваясь с ядрами атомов С, N и О биологической ткани, вызывают их расщепление с образованием быстрых нейтронов, которые создают в тканях дополнительную ионизацию.
Исходя из этого, установлено, что доза в ткани за сутки составляет 0,11 мрад, за год — 40 мрад.
Природные радиоактивные вещества можно разбить на три группы. В первую группу входят IIи Тh с продуктами их распада, а также 40К и 87Rb. Ко второй группе относят малораспространенные изотопы и изотопы с большим периодом полураспада: 48Са, 96Zг, 113In, 124Sn, 130Те, 138Lа, 150Nd, 152Sm, 176Lu, 180W, 187Rе, 209Вi К третьей группе принадлежат радиоактивные изотопы 14С, 3Н, 7Ве, 10Ве, образующиеся непрерывно под действием космического излучения.
Наиболее распространенным радиоактивным изотопом земной коры является 87Rb, содержание которого значительно выше урана, тория и особенно 40К. Однако радиоактивность К в земной коре превышает радиоактивность суммы всех других естественных радиоактивных элементов: 87Rb характеризуется мягким бета- излучением и имеет большой период полураспада, а распад 40К сопровождается относительно жестким бета - и гамма-излучением. Калий-40 широко рассеян в почвах и прочно удерживается глинами вследствие процессов сорбции. Глинистые почвы почти везде богаче радиоактивными элементами, чем песчаные и известняки.
Радиоактивные тяжелые элементы (уран, торий, радий) содержатся преимущественно в горных гранитных породах. В разных районах земного шара доза гамма-излучения различных земных пород у поверхности земли колеблется в значительных пределах -26—1150 мрад/год. Однако имеются районы (на пример, в Бразилии, Индии и др.), где вследствие выхода на поверхность земли радиоактивных руд и пород, а также значительной примеси в почве урана и радия доза природного фона составляет 12— 70 рад/год, что в 100—500 раз выше среднемирового фона. У обитающих в этих районах животных (например, самцов полевок) обнаружены изменения хромосомных аберраций, дегенерация в зародышевом эпителии половых желез (особенно у молодых особей), заторможенное половое созревание и стерильность половозрелых самцов в 58,3% случаев.
Так как земные породы используют в качестве строительного материала, то от последнего зависит гамма-радиация внутри зданий. Наибольшие значения гамма-радиации установлены в домах из железо-л бетона с глиноземом— 171 мрад/год, наименьшее — в деревянных домах — 50 мрад/год.
Радиоактивность воде придают в основном уран, торий и радий, образующие растворимые, комплексные соединения, которые вымываются почвенными водами, а также газообразные продукты их радиоактивных превращений — радон и торон. Концентрация радиоактивных элементов в реках меньше, чем в морях и озерах, а содержание их в пресноводных источниках зависит от типа горных пород, климатических факторов, рельефа местности и т. д. Так, наличие радона в водах кислых магматических пород в несколько раз выше, чем осадочных пород. Концентрация урана в реках, протекающих на юге, обычно выше, чем в северных реках.
Радиоактивность атмосферы обусловлена наличием в ней радиоактивных веществ в газообразном состоянии (радон, торон, углерод-14, тритий) или в виде аэрозолей (калий-40, уран, радий и др.). Радон и торон поступает из земных пород, а углерод и тритий образуются из атомов азота и водорода в результате воздействия на их ядра нейтронов вторичного космического излучения.
Суммарная радиоактивность атмосферного воздуха колеблется в широких пределах (2-10ˉ14 — 4,4*10ˉ13 Ки/л) и зависит от места, времени года, погодных условий и от состояния магнитного поля Земли.
Из естественных радиоактивных веществ наибольшую удельную активность в растениях составляет 40К, особенно в бобовых растениях: горохе, бобах, фасоли, сое. Содержание в растениях урана, радия, тория и углерода-14 ничтожно мало.
В животных организмах обычно содержится 40К меньше, чем в растениях.
Уран, торий и углерод-14 встречаются в биологических объектах в очень незначительных концентрациях по сравнению с 40К.
Таким образом, на организм животных оказывают воздействие внешние источники природного радиоактивного фона — космическая радиация и излучения природных радионуклидов, рассеянных в почве, воде, воздухе, строительных и других материалах, а также источники природной радиации 40К, 226Ка, 14С, 3Н, содержащиеся в самом организме и поступающие в него в составе пищи, воды и воздуха.
Эти внешние и внутренние источники, действуя непрерывно, сообщают организму определенную поглощенную дозу.
Среднегодовая доза для человека составляет около 0,12 рад на гонады и 0,13 рад на Скелет и считается безопасной.
Искусственные источники ионизирующих излучений.
При ядерных взрывах осуществляется реакция деления ядер тяжелых элементов (235У, 39Ри, 233й, 238У), возникающая в результате действия на них нейтронов. В принципе реакция деления может быть вызвана при бомбардировке тяжелых элементов и другими элементарными частицами (а, p, d), но наибольший практический интерес представляет реакция деления ядра под действием нейтронов.
Механизм этой реакции можно схематически представить следующим образом: нейтрон попадает в ядро расщепляющегося элемента, например, изотопа 235U, и приводит к образованию сильно возбужденного ядра — 236U. Нуклоны в результате нарушения ядерного сцепления под действием сил отталкивания расходятся к противоположным полюсам, ядро деформируется, принимает удлиненную форму. В центральной части ядра образуется перетяжка, ядерные силы уже не могут противостоять действию сил отталкивания между протонами, и ядро расщепляется на два или три асимметричных ядра — осколка. Весь этот процесс происходит мгновенно. Во время каждого акта деления освобождается энергия порядка 200 МэВ и вылетают 2—3 свободных нейтрона. Если нейтроны на своем пути встретят другие тяжелые ядра, способные к делению, то возникает цепной процесс деления.
При достаточном количестве делящегося материала возникает мгновенная неуправляемая цепная реакция взрывного характера.
Процесс деления может быть самоподдерживающимся, регулируемым, с непрерывным выделением определенного количества энергии. Это осуществлено в ядерных реакторах, в которых плотность нейтронного потока регулируется особыми стержнями — поглотителями нейтронов.
При ядерных взрывах образуется около 250 изотопов 35 элементов (из них 225 радиоактивных) как непосредственных осколков деления ядер тяжелых элементов (235U, 239Рu, 233U, 238U), так и продуктов их распада. Количество радиоактивных продуктов деления (РПД) возрастает соответственно мощности ядерного заряда. Часть образовавшихся РПД распадается в ближайшие секунды и минуты после взрыва, другая часть имеет период полураспада порядка нескольких часов. Большинство образующихся радионуклидов является бета - и гамма - излучателями, остальные испускают или только β или α-частицы (144Мс1, 1475т).