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 приравнивается к 1.
Частицы сильноионизирующего компонента обладают большой плотностью ионизации. Их относительная биологическая эффективность приравнивается к относительной биологической эффективности протонов, нейтронов и α-частиц с энергией 10-15 МэВ, т. е. она равна 10.
На уровне моря сильноионизирующие частицы составляют 0,5 %, а слабоионизирующие – 99,5 %.
Природные радиоактивные вещества:
U, Th с продуктами их распада, 40К и 87Rb;
малораспространенные изотопы и изотопы с большим периодом полураспада: 48Ca, 96Zr, 113In, 124Sn, 130Te, 138La, 150Nd, 152Sm, 176Lu, 180W, 187Re, 209Bi;
радиоактивные изотопы 14C, 3H, 7Be, 10Be, 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 40К 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, 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.
Так как земные породы используют в качестве строительного материала, то от последнего зависит гамма-радиация внутри здания. Наибольшие значения гамма-радиации установлены в домах из железобетона 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.
Радиоактивность атмосферы обусловлена наличием в ней радиоактивных веществ в газообразном состоянии (радон, торон, углерод-14, тритий) или в виде аэрозолей (калий-40, уран, радий). 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•10-14-4,4•10-13 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 (1,2•10-9-1•10-8 Ки/кг), 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, 226Ra, 14C, 3H, 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.
При ядерных взрывах осуществляется реакция деления ядер тяжелых элементов (235U, 239Pu, 233U, 238U), возникающая в результате действия на них нейтронов.
При ядерных взрывах образуется около 250 изотопов 35 элементов (из них 225 радиоактивных) как непосредственных осколков деления ядер тяжелых элементов (235U, 239Pu, 233U, 238U), так и продуктов их распада.
Количество радиоактивных продуктов деления возрастает соответственно мощности ядерного заряда. Часть образовавшихся радиоактивных продуктов деления распадается в ближайшие секунды и минуты после взрыва, другая часть имеет период полураспада порядка нескольких часов. Другие радионуклиды, такие как 86Rb, 89Sr, 91Y, 95Cd, 125Sn, 125Te, 131J, 133Xe, 136Cs, 140Ba, 141Ce, 156Eu, 161Vb, обладают периодом полураспада в несколько дней, а 85Kr, 90Sr, 106Ru, 125Sb, 137Cs, 147Pm, 151Sm, 155Eu – от одного года до нескольких десятков лет.
Группа, состоящая из 87Rb, 93Zr, 129J, 135Cs, 144Nd, 137Sm, характеризуется чрезвычайно медленным распадом, продолжающимся миллионы лет.
Большинство образующихся радионуклидов является бета- и гамма-излучателями, остальные испускают или только бета-, или альфа-частицы.
Дополнительным источником радиоактивного загрязнения местности в районе взрыва служит наведенная радиоактивность, возникающая в результате воздействия потока нейтронов, образующихся при цепной реакции деления урана или плутония, на ядра атомов различных веществ окружающей среды (реакция активации).
Суммарная активность остатков ядерного заряда и радионуклидов, образовавшихся в результате реакции активации, намного меньше общей активности радиоактивных продуктов деления. Последние являются основным источником радиоактивного загрязнения внешней среды.
В первые месяцы после ядерного взрыва опасность в смеси осколков деления представляют 131J, 140Ba и 89Sr, а в последующем - 90Sr и 137Cs.
Радиоактивные нуклиды составляют смесь продуктов деления, скорость распада которых неодинаковая. Поэтому соотношение их в этой смеси с течением времени будет непрерывно изменяться в сторону обогащения ее долгоживущими продуктами деления вследствие распада короткоживущих радионуклидов. Активность продуктов атомного взрыва особенно быстро снижается в первые часы и сутки, поскольку в общей массе всех радиоактивных продуктов наибольшее количество изотопов имеют малый период полураспада.
Так, в течение первых суток за счет короткоживущих изотопов общая активность снижается в 50 раз.
При термоядерных взрывах в момент реакции синтеза (слияние ядер легких элементов – дейтерия и трития и образование более тяжелого ядра – гелия, происходящее при десятках миллионов градусов) возникает интенсивный поток нейтронов, вызывающий образование значительного количества продуктов активации (наведенной радиоактивности), в частности трития, бериллия, углерода-14.
Ядерные устройства, основанные на принципе деление – синтез – деление, загрязняют окружающую среду радиоактивными осколками деления 238U и 239Pw, а также тритием и радиоуглеродом. На 1 мегатонну ядерного взрыва образуется 7,4 кг радиоуглерода-14, что количественно в среднем равняется образованию этого изотопа в атмосфере под действием космических лучей в течение года.
Загрязнение местности зависит от характера ядерного взрыва (наземный, воздушный), калибра ядерного устройства, атмосферных условий (скорость ветра, влажность, выпадение осадков, распределение температуры по высоте, которое влияет на перемещение масс воздуха), географических зон и широт.
Наземные взрывы создают сильное загрязнение непосредственно в районе взрыва, а также на прилегающей территории, над которой проходило радиоактивное облако. При воздушном взрыве не происходит значительного локального загрязнения местности, так как радиоактивные продукты деления распыляются на очень большой площади. Однако под влиянием атмосферных осадков, выпавших в момент прохождения радиоактивного облака, может повыситься загрязнение в том или ином районе.
Средние и малые взрывы до нескольких килотонн тротилового эквивалента загрязняют в основном тропосферу (до высоты 18 км). Крупные взрывы в несколько мегатонн загрязняют главным образом стратосферу (до высоты 80 км). Благодаря наличию воздушных течений частицы радиоактивных продуктов деления способны совершать очень большой путь, вплоть до нескольких оборотов вокруг земного шара, поэтому радиоактивное загрязнение может возникнуть в любой точке земного шара, т. е. наступает глобальное загрязнение.
При взрывах зарядов большой мощности (в несколько мегатонн) продукты взрывов распределяются следующим образом: при взрыве на большой высоте 99 % их задерживается в стратосфере, локальных загрязнений нет; при наземном взрыве 20 % из них попадает в стратосферу, а 80 % выпадает в районе взрыва; при взрывах у поверхности моря 30 % остается в стратосфере, а 70 % выпадает локально.