Выражение «радиоактивные частицы» удобно в быту, но физически объединяет очень разные вещи. Альфа-излучение состоит из ядер гелия, бета — из электронов или позитронов, гамма — вообще из фотонов. Нейтронное излучение часто возникает в реакторах и ядерных реакциях, хотя нейтрон не является обязательным продуктом каждого радиоактивного распада.
Именно различие заряда, массы и энергии определяет, насколько глубоко излучение проходит в веществе и как передаёт ему энергию. Поэтому фраза «гамма опаснее альфы» без контекста неверна: внешнее и внутреннее облучение создают совершенно разные ситуации.
Альфа-частица тяжёлая, заряженная и быстро останавливается
Альфа-частица — ядро гелия-4 с двумя протонами и двумя нейтронами. Заряд +2 заставляет её интенсивно взаимодействовать с электронами вещества, поэтому энергия теряется на очень коротком пути. Лист бумаги или внешний слой кожи обычно останавливает альфа-частицы.
Но если альфа-излучающий радионуклид попал внутрь организма с воздухом, пищей или через рану, короткий пробег превращается в недостаток: энергия концентрируется в небольшом объёме ткани. Поэтому радиационная защита всегда различает внешнее поле и внутреннее загрязнение.
Бета-частицы легче и проходят дальше
При бета-минус распаде из ядра вылетает электрон и антинейтрино; при бета-плюс — позитрон и нейтрино. Лёгкая заряженная частица отклоняется в электрических и магнитных полях и обычно имеет больший пробег, чем альфа-частица той же энергии.
Для экранирования бета-излучения применяют материалы с умеренным атомным номером, например пластик, чтобы уменьшить образование тормозного рентгеновского излучения. После этого при необходимости добавляют более плотный слой для фотонов. Хорошая защита проектируется по спектру, а не по лозунгу «чем больше свинца, тем лучше».
Гамма-квант не имеет заряда и ослабляется вероятностно
Гамма-излучение — электромагнитные фотоны высокой энергии, испускаемые ядром при переходе между энергетическими состояниями. Они не теряют энергию непрерывно как тяжёлая заряженная частица, а взаимодействуют отдельными процессами — фотоэффектом, комптоновским рассеянием и образованием пар при достаточной энергии.
Поэтому нет тонкого слоя, который гарантированно «останавливает всю гамму». Интенсивность экспоненциально ослабляется с толщиной материала. Для защиты используют плотные материалы и расстояние, а также сокращают время пребывания в поле.
Нейтроны требуют другой логики защиты
Нейтрон электрически нейтрален и проникает глубоко, взаимодействуя прежде всего с ядрами. Для его замедления эффективны богатые водородом материалы — вода, полиэтилен, бетон. После замедления нейтрон желательно захватить, иногда добавляя бор или другие поглотители.
Нейтроны могут также активировать материалы, создавая радиоактивные ядра. Поэтому нейтронное поле в реакторе, ускорителе или около мощного источника требует отдельной дозиметрии; гамма-дозиметр сам по себе не описывает всю ситуацию.
Доза связывает физическую энергию с биологическим эффектом
Поглощённая доза в греях показывает энергию, переданную единице массы. Для оценки радиационного риска учитывают ещё тип излучения и чувствительность ткани, переходя к эквивалентной и эффективной дозе в зивертах. Это уже модель радиационной защиты, а не просто счётчик распадов.
Наконец, радиоактивность и облучение — разные понятия. Человек может находиться рядом с закрытым гамма-источником и получить внешнюю дозу без загрязнения; радиоактивное вещество может попасть на кожу и создать загрязнение. Понимание типа излучения, активности, пути поступления и времени контакта важнее эмоционального слова «радиация».
Энергия излучения также критична. Две бета-частицы могут иметь разные максимальные энергии и, соответственно, разный пробег; гамма-кванты одного нуклида могут быть гораздо более проникающими, чем другого. Поэтому таблица «альфа — бумага, бета — алюминий, гамма — свинец» годится только как первое знакомство. Реальная защита рассчитывается по спектру и геометрии источника.
Биологический эффект начинается с ионизации и возбуждения молекул. Повреждение ДНК может быть прямым или идти через реактивные продукты радиолиза воды. Клетка умеет ремонтировать многие повреждения, поэтому риск зависит не от одного попадания, а от дозы, мощности дозы и качества треков. Высокая линейная передача энергии альфа-частиц создаёт плотные кластеры повреждений, что учитывается радиационной защитой.
Для защиты применяют три простых принципа — время, расстояние и экранирование, — но каждый работает по физике конкретного источника. Уменьшение времени линейно снижает накопленную дозу, увеличение расстояния от компактного источника часто резко уменьшает интенсивность, а экран меняет спектр и направление излучения. В сложных установках расчёт выполняют методами переноса частиц и проверяют реальными дозиметрами, а не только толщиной материала.
