Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

В 1952 году на Маршалловых островах США провели испытания первой водородной бомбы. Чуть позже свою водородную бомбу разработал Советский Союз, а Великобритания стала третьей ядерной державой. (Франция и Китай обладают лишь атомными бомбами.)

В то время как взрывная сила атомных бомб составляет 20 000 т тротила, успешно прошли испытания водородных бомб мощностью 50 000 000 тонн (50 мегатонн) тротила и более.

Водородная бомба представляет весьма «разностороннюю» опасность для человечества и жизни на Земле в целом. Мало того что взрыв водородной бомбы, пусть даже и экспериментальный, в мирное время сам по себе в несколько раз мощнее взрыва атомной бомбы, он имеет еще и долговременные и очень коварные последствия, так как образующиеся в результате взрыва продукты сильно облучают живую ткань.

Вскоре после открытия рентгеновского излучения было обнаружено, что в результате длительного воздействия лучей на коже образовывались очень медленно заживающие воспаления и ожоги. Это относится и к излучению радиоактивных веществ. Пьер Кюри специально подверг себя радиоактивному облучению, а затем описал появившиеся позднее симптомы болезни.

В случае поглощения энергии рентгеновских лучей, гамма-лучей или быстрых субатомных частиц в молекуле разрушаются химические связи и образуются молекулярные «осколки» (свободные радикалы) высокой энергии. В случае поглощения субатомной частицы атомом может измениться его природа и соответственно природа молекулы, в состав которой он входит. Если образовавшийся атом радиоактивен, он может испустить частицу, которая разорвет молекулу, даже если та не пострадала до этого.

Подобные химические изменения могут нарушить сложную систему работы клетки и клеточного взаимодействия, в результате чего, например, начнут расти отдельные клетки за счет остальных, что приведет к раку. Особенно подвержены действию радиации кожа, лимфатические узлы и костный мозг, вырабатывающий кровяные клетки. (Вероятность рака кожи увеличивается даже в результате длительного пребывания под ультрафиолетовым излучением.)

В большинстве случаев в результате длительного воздействия радиации развивается лейкемия (белокровие), неизлечимая болезнь с летальным исходом, в ходе которой вырабатывается слишком много белых кровяных телец. Мария Склодовская-Кюри и ее дочь, Ирен Жолио-Кюри, умерли от лейкемии, развившейся в результате длительного воздействия излучений радиоактивных веществ.

Сильное радиационное излучение способно полностью нарушить работу клеток чувствительных тканей, что через несколько недель или месяцев приведет к смерти. Лучевой болезнью страдали все выжившие при взрыве атомных бомб жители Хиросимы и Нагасаки.

Но еще страшнее смерти опасность, которую представляет пострадавшая от излучения клетка для будущих поколений. Может получиться так, что несколько клеток с измененными молекулами не доставят особых хлопот пострадавшему, однако у его будущих детей измененная молекула может присутствовать в каждой клетке, то есть клетки ребенка окажутся мутированными.

Мутации могут происходить самопроизвольно, как следствие естественного фонового излучения (испускаемого содержащимися в земле радиоактивными веществами), пол влиянием космического фонового излучения или же в результате произвольных дефектов при воспроизводстве ключевых молекул. Однако в случае повышения уровня фонового излучения в результате взрывов ядерных бомб количество мутаций возрастает. Большинство мутаций имеют негативные последствия, и если их количество увеличится, то среди людей будет слишком много мутантов.

Были предприняты попытки замерить безопасный для человека уровень радиации.

Единицей излучения является рентген, названный так в честь первооткрывателя рентгеновских лучей. Один рентген (р) — это количество рентгеновских или гамма-излучений, достаточное для образования ионов, равных одной единице электростатического заряда (см. ч. II) в 1 куб. см сухого воздуха при 0 °С и давлении в 1 атмосферу. (Это чуть больше 2 млрд. положительных или отрицательных ионов.)

Вначале рентген применяли только для измерения электромагнитных излучений. Однако частицы высокой энергии обладают действием схожим с обычным излучением, поэтому была сделана попытка применить эту единицу и к радиоактивным излучениям. Физический эквивалент рентгена (ФЭР) — это количество радиации, оказывающей такое же влияние на живую ткань, как и 1 р рентгеновского или гамма-излучения.

Но одно и то же количество радиации оказывает одинаковое влияние не на все живые организмы. Говоря о человеке, стоит ввести понятие «биологический эквивалент рентгена» (БЭР), то есть количество излучения частиц, обладающих тем же действием на живые ткани, что и 1 р рентгеновских или гамма-лучей.

Тяжелые частицы особенно опасны для человека. Поэтому 1 р рентгеновских лучей можно также определить как 1 бэр. Однако 1 р альфа-частиц приравнивается к 10 –20 бэр. Другими словами, поглощение одной альфа-частицы для организма по крайней мере в 10 раз вреднее, нежели поглощение ионизирующего излучения (бета-частиц).

Использовать рентгены не всегда удобно, так как они определяют лишь производство ионов, а необходимое для образования ионных пар количество энергии некоторых излучений иногда определить довольно сложно. Поэтому была введена еще одна единица — рад (сокращение от «радиация»), которая определяет непосредственно количество энергии. Один рад — это количество энергии, при поглощении которой поглощающее вещество выделяет 100 эрг энергии на грамм. В большинстве случаев 1 рад равен 1 рентгену.

Фоновое излучение — это излучение, порожденное содержащимися в почве радиоактивными веществами, пришедшее из космоса и т. д. Согласно подсчетам, человек в среднем получает 0,05 бэра в год космического излучения и еще 0,05 бэра в год фонового излучения земли. Кроме того, в теле человека содержится калий–40 и углерод–14, облучающие человека еще 0,025 бэра в год. Таким образом, все мы подвержены общему фоновому излучению около 0,125 бэра в год, существовавшему всегда, в том числе и до зарождения жизни на Земле. Однако в тех частях земного шара, где уровень фонового излучения выше и где особое географическое положение усиливает космическое излучение, уровень фонового излучения достигает 12 бэр.

Конечно же выяснить, какой уровень фонового излучения является допустимым для человека экспериментальным путем, невозможно, однако ученые полагают, что человек может переносить излучение около 500 бэр в год. Среди людей, работающих с радиоактивными веществами, каждую неделю проводятся проверки с целью выяснить, не превысила ли доза поглощенного ими излучения дозволенной безопасной нормы (предположительно, в течение короткого времени, а также в случае облучения отдельных участков тела организм может выдерживать излучение в 500 бэр и более). Для контроля используются, например, специальные значки, прикрепляемые на грудь, которые состоят из полосок фотопленки, помешенной за различными фильтрами, выделяющими только «нужное» излучение. Чем большую дозу излучения получил человек, тем сильнее почернеет пленка.