Радіація і вплив на людину

Перш за все внаслідок радіоактивного розпаду - коли ізотоп одного радіоактивного елемента перетворюється на інший. В цьому процесі атом втрачає деякі свої складові частки шляхом випромінюванням альфа- або бета-частинок та гамма-квантів.

Також, це результат дії космічного випромінювання. В навколишньому природному середовищі міститься велика кількість радіоактивних елементів.

Тому життя на нашій планеті виникло та розвивалося під дією цього фактору.

Особливу увагу оцінки впливу іонізуючого випромінювання стали приділяти в ХХ сторіччі, після того як людина опанувала використання радіоактивних речовини та ядерних реакції для власних потреб. Так з’явилися штучні джерела радіоактивності. В нормі штучні радіоактивні речовини (медичні джерела, ядерне паливо тощо) знаходяться під суворим контролем весь свій життєвий цикл – від створення і використання до перетворення на радіоактивні відходи, вилучення та захоронення.
Зона відчуження – це особливе місце, де радіоактивне забруднення, яке виникло внаслідок аварії на ЧАЕС, має найбільші значення. В навколишнє середовище потрапили всі види радіоактивних елементів які були в зруйнованому реакторі. Тому на цій території присутні всі типи радіоактивного випромінювання: альфа-, бета- та гамма. Їх джерелами є різні штучні ізотопи. Наявність цих типів випромінювання враховується при розробці правил роботи та перебування людини на території зони відчуження. І має своє відображення в сфері радіаційного контролю та моніторингу.

Альфа (α)

Це випромінювання важких частинок, що складаються з двох протонів і двох нейтронів та мають найменшу проникаючу здатність. Наприклад, альфа-частинки, що випромінюються під час розпаду Радію-226, у повітрі можуть проходити тільки 4 см. Їх легко зупинити будь-яким матеріалом, навіть звичайним папером.

З альфа-частинками, які випромінюють радіонукліди, зараз все набагато простіше. Навіть якщо людина спеціально буде їх споживати з їжею, лише дуже незначна частка перейде в тканини з кишечника. Зовнішнє опромінення організму альфа-частками втратило свою важливість, оскільки: 1) альфа-випромінюючі радіонукліди міцно утримуються у верхньому шарі грунту, 2) пробіг альфа-частинок навіть в повітрі - міліметри, а в тканинах вони практично відразу «гаснуть». Зараз куди більшу роль - як альфа-випромінювач - грає природний радіонуклід - радон, який є у всіх підвальних приміщеннях, печерах і погано провітрюваних кімнатах, а також широко використовується при лікуванні на грязьових курортах.

Бета (β)

Це випромінювання електрона. Бета-частинки також мають порівняно невелику відстань проходження крізь речовину. Воно виникає в результаті розпаду і цезію-137, і стронцію-90 і дочірнього продукту останнього - ітрію-90. Воно виникає в результаті розпаду і цезію-137, і стронцію-90 і дочірнього продукту останнього - ітрію-90. Пробіг електронів в речовині значно коротше пробігу гамма-частинок. У повітрі - це десятки сантиметрів, а в тканинах - міліметри.

Якщо джерело випромінювання зовні, то велика частина бета частинок «гасне» в наших покривних тканинах (і в одязі), а це як правило щільні і відносно стійкі до радіаційного впливу тканини. Але якщо джерело всередині організму (а 90Sr і 137Cs легко потрапляють туди з їжею), то бета-частинки поглинаються практично повністю, а отже викликають небажані пошкодження наших молекул. Особливо це істотно для тканин прилеглих до кістки, оскільки кістка є природним акумулятором стронцію.

Гамма (γ)

Це електромагнітні хвилі із довжиною, меншою за розміри атома. Гамма-випромінювання має найбільшу проникаючу здатність. Його можна лише послабити за допомогою товстого шару речовини. Зазвичай, під рівнем радіації («фоном») розуміють потужність саме гамма-випромінювання.

Від гамма-випромінювання, яке формують продукти розпаду цезію-137, складно сховатися. Але і наслідки його не так істотні. Через низьку щільності наших тканин велика частина гамма-частинок проходить крізь тіло, не завдаючи йому шкоди. Хоча, звичайно, ті, що «погасли» в клітинах, викликають появу вільних радикалів або руйнування молекул. Причому, щодо гамма-випромінювання, не має значення де знаходиться джерело: зовні або всередині організму – ефект, майже, один.

Ядерна фізика

Мабуть, найчастіше фізики чують питання про те, звідки відомо про мікроскопічні частинки, якщо їх не видно, а кольору чи запаху вони не мають.

Отже, почнемо розповідь з того, які видимі явища є індикатором їх присутності. Хоча частинки невидимі, але летячи з великою швидкістю, вони здатні змінювати структуру матеріалу, до якого потрапляють. Такі процеси називаються іонізацією, і саме тому люди використовують вираз “іонізуюче випромінення”. Детальніше про нього буде далі, а зараз слід тільки зазначити, що макроскопічних наслідків у цього явища може бути багато. Матеріал може почати світитися, може змінитися його провідність, відбуватимуться якісь хімічні реакції, тощо.

Першим детектором іонізуючого випромінення був фотографічний папір. Випадково! Просто в одній шухляді стола разом з нерозпакованою пачкою паперу лежав зразок одного незвичайного мінералу, який дивним чином засвітив цей папір крізь упаковку. Це відбулося на початку минулого сторіччя. З того мінералу виділили хімічний елемент, який назвали радієм (в перекладі з грецької – “промінь”). Пізніше виявилося, що він не один такий, а є цілий клас хімічних елементів, які тепер називаються радіоактивними.

Цікаво теж, звідки дізналися про те, що це випромінювання складається з частинок. Адже фотопапір після проявки просто почорнів. Але коли використали фотоемульсію, що світилася безпосередньо під час опромінення, побачили не суцільне сяйво, а поодинокі спалахи. Це свідчило про дискретну структуру відкритих променів. На разі існує цілий клас різноманітних детекторів, принцип дії яких полягає в реєстрації таких світлових спалахів — сцинтиляційні.

Також виявилося, що іонізуюче випромінювання буває різне. Спостерігаючи його розповсюдження в електричному полі побачили, що є складові, які відхиляються в різних напрямках, бо мають різний заряд. Частинки з додатнім зарядом назвали першою грецькою літерою “альфа”, від’ємно заряджені назвали “бета”(згодом вияснилося, що це є вже знайомі на той час фізикам електрони). Але частина випромінення не реагувала на електричне поле. Цю нейтральну складову назвали “гамма”, про його структуру ми поговоримо пізніше.

А тепер варто розповісти про те, як собі уявляли будову атома на початку 20-го століття, оскільки це важливо для розуміння наступного кроку фізики. На той час було достовірно встановлено існування електронів — носіїв від’ємного заряду. Також було зрозуміло, що атом в цілому є нейтральним, хоча містить у собі ці електрони. Популярною моделлю на той час було представлення атому у вигляді додатньо зарядженого “пудингу”, в якому знаходилися “родзинки”-електрони. Процес іонізації, про який ішлося трохи раніше, власне полягає в тому, що від атомів відриваються електрони, які можуть потім змінити своє місце розташування.

Але була ще інша модель будови атома — планетарна, згідно з якою додатній заряд є скупчений у центрі атома, а навколо нього досить розпорошено розташовані електрони. Явище іонізації є можливим в обох моделях, але щодо взаємодії поодиноких атомів із зарядженими частинками — передбачення зовсім різні. Сама по собі планетарна модель атома на той час вважалася дуже сміливою гіпотезою, але вона була цікава для фізиків тому, що в її рамах опис розсіяння заряджених частинок на атомі порівняно простий з математичної точки зору. Якщо припустити, що додатній заряд і масу в атомі скупчено в одній точці, та знехтувати впливом електронів, то користуючись знаннями механіки, що вже були, можна отримати досить просту формулу для співвідношення кількостей частинок, що розсіюються під різними кутами.

Резерфорд, фізик що вивів цю формулу, поставив експеримент: золоту фольгу опромінив альфа-частинками з радієвого джерела. Фольга — золота, оскільки золото є дуже пластичним металом, і з нього ще тоді могли виготовити дуже тонку фольгу. Звичайно, там був не один шар атомів, але їх кількість була достатньо малою, щоб у випадку правдивості припущення не вплинути суттєво на результат. Розсіяні частинки реєстрували за допомогою вищезгаданої фотоемульсії. В результаті вимірювань Резерфорд підтвердив планетарну модель атома, отримавши таке співвідношення кількостей частинок, зареєстрованих під різними кутами, яке розрахував за формулою, що зараз називається його іменем.

Після цього експерименту у фізиці виникло поняття атомного ядра — того центру в атомі, в якому скупчено додатній заряд та масу атома. Подальший розвиток експериментальної техніки дозволив дослідити його внутрішню структуру і використати це знання в різних сферах людської діяльності. Але це буде описано в наступних частинах.

Досить природно було припустити, що окрім електрона, носія від’ємного заряду, в природі існує ще інша частинка — носій додатного заряду. Її назвали протоном, і довго шукати її не довелося. Це є ядро найлегшого у світі елементу — водню. Отже, атом цього хімічного елементу є найпростішим і складається з двох частинок: одного протону в ядрі і одного електрону, що обертається навколо.

Фізики знали, що атоми одного хімічного елементу мають однакові хімічні властивості, тому що навколо ядра, коли атом нейтральний, знаходиться однакова кількість електронів. Відповідно ядра одного хімічного елементу мають однаковий заряд. Логічно було зробити висновок, що хімічний елемент визначається кількістю протонів в атомному ядрі, але відношення мас інших ядер до маси протону є більшими, ніж їх заряд. Це вказує на те, що в ядрі є ще щось.

Спочатку припустили, що протонів в ядрі є більше, але деякі електрони також знаходяться всередині ядра. Таким чином вдалося описати завеликі маси атомів, але не було простого пояснення, що змушує деякі електрони “сидіти” в ядрі і від чого залежить їхня кількість.

Хоча єдиним “суддею” фізичних теорій є експеримент, але прагнення математичної і логічної простоти дуже часто допомагало вигадувати теорії які цей “суддя” приймає. Цього разу простоти додавала гіпотеза наявності в ядрі не електронів, а частинки, що має масу порівнювальну з протоном, але не має заряду. І її було знайдено!

У випадку розсіяння альфа-частинок, випромінених радіоактивними елементами на важких ядрах з великим зарядом, як в експерименті з першої частини, відштовхування при розсіянні є дуже сильним. Якщо ж опромінювати легші елементи, то можна домогтися проникнення частинок в середину ядра-мішені. При опроміненні деяких елементів (наприклад, літію чи берилію) альфа частинка поглинається, але маса ядра, що утворюється, є суттєво меншою, ніж сума мас на вході.

І різниця становить приблизно масу одного протона, але протону немає. Оскільки він є зарядженим, зареєструвати його майже так само легко, як альфа-частинку. Якщо детектор протонів не фіксує, то їх там немає. Після поглинання альфа-частинки ядром вилітає інша частинка, нейтральна та з близькою до протона масою. Цю частинку назвали нейтроном і її присутністю в атомних ядрах пояснили їх завеликі маси. Отже ядро складається з протонів та нейтронів. Говорячи про них часто використовують узагальнений термін “нуклон”, коли мають на увазі частинки обох сортів. Наприклад, сама альфа-частинка складається з двох протонів і двох нейтронів — чотирьох нуклонів.

Оскільки нейтрон, летячи крізь речовину, взаємодіє переважно з ядрами, а не з електронними оболонками атомів, то його реєстрація є досить складною. Я тут не буду її описувати, але скажу, що його було зареєстровано. Більш того, зараз існують багато різних видів нейтронних детекторів.

Основні поняття про Адроний Колайдер

                         Як працює і навіщо потрібен Адроний Колайдер ?

По суті адронний коллайдер є складним прискорювачем елементарних частинок. З його допомогою фізикам вдається розігнати протони і важкі іони. Спочатку адронний коллайдер створювався для підтвердження існування бозон Хіггса, невловимої елементарної частинки, яку фізики часом жартома називають «частинкою Бога». Тож, існування цієї частинки було підтверджено експериментально за допомогою коллайдера, а сам її першовідкривач Пітер Хіггс отримав за це Нобелівську премію з фізики у 2013 році.

Зрозуміло, одним лише бозоном Хіггса справа не обмежилася, крім нього фізиками були знайдені і деякі інші елементарні частинки. Тепер ви знаєте відповідь на питання, навіщо потрібен адронний коллайдер.

Перш за все, слід зазначити, що великий адронний колайдер не виник на порожньому місці, а з’явився як еволюція свого попередника – великого електрон-позитронного коллайдера, що представляє собою 27-ми кілометровий підземний тунель, будівництво якого почалося ще в 1983 році. У 1988 році кільцевий тунель зімкнувся, причому цікаво те, що будівельники підійшли до справи дуже ретельно, настільки, що розбіжність між двома кінцями тунелю становить лише 1 сантиметр.

Так виглядає схема адронного коллайдера.

Електрон-позитронний колайдер пропрацював до 2000 року і за час його роботи у фізиці був зроблений з його допомогою цілий ряд відкриттів, серед яких відкриття W і Z бозонів та їх подальше дослідження.

З 2001 року на місці електрон-позитронного коллайдера розпочалося вже будівництво коллайдера адронного, яке закінчилося в 2007 році.

Великий адронний коллайдер знаходиться на кордоні Швейцарії та Франції, в долині женевського озера, всього лише в 15 км від самої Женеви. І розташовується він на глибині 100 метрів.

Місце розташування адронного коллайдера.

У 2008 році почалися його перші випробування під патронатом ЦЕРН – Європейської організації з ядерних досліджень, яка на даний момент є найбільшою лабораторією в світі в галузі фізики високих енергій.

За допомогою цього гігантського прискорювача елементарних частинок фізики можуть проникати так глибоко всередину матерії, як ніколи раніше. Все це допомагає, як підтверджувати старі наукові гіпотези, так і створювати нові цікаві теорії. Детальне вивчення фізики елементарних частинок допомагає нам наблизитися у пошуках відповідей на питання про будову Всесвіту, про те, як він зародився.

Глибоке занурення у мікросвіт дозволяє відкрити революційно нові просторово-часові теорії, і як знати, може бути, навіть вдасться проникнути в таємницю часу, цього четвертого виміру нашого світу.

Тепер давайте опишемо, як власне працює великий адронний коллайдер. Про засади його роботи говорить назва, так як саме слово «коллайдер» з англійської перекладається як «той, хто зіштовхує». Головне його завдання – влаштувати зіткнення елементарних частинок. Причому частинки в коллайдері літають (і стикаються) на швидкостях, близьких до швидкостей світла. Результати зіткнень частинок фіксують чотири основних великих детектора: ATLAS, CMS, ALICE і LHCb та безліч допоміжних детекторів.

Більш детально принцип роботи адронного коллайдера описаний в цьому цікавому відео.

Ще більше інформації .