Ионизация и радиоактивность в биосфере

Ионизация и радиоактивность в биосфере Объективные явления природы — ионизация и радиоактивность — всегда существовали и существуют в биосфере, но мы их не можем воспринять непосредственно нашими органами чувств. Лишь на рубеже XIX и ХХ вв. ученые впервые обнаружили их существование, а в наше время проблемы милитарной ядерной безопасности, безопасности АЭС стали глобальными проблемами человечества. Явление ионизации можно кратко определить как процесс разделения (преобразования) электрически нейтральных атомов в положительно заряженные ионы и свободные электроны, происходит под влиянием внешних энергетических факторов. Другими словами — это отрыв электрона (или электронов) от атома. Итак, по второму закону термодинамики такой процесс с поглощением энергии и увеличением энтропии (неупорядоченности системы атомов). Из последнего следует, что ионизация есть (в общем определении) негативным фактором воздействия на живую природу, что и обязывает нас рассмотреть это явление подробнее. Источников ионизации атомов составляющих атмосферы, а также живой и неживой вещества биосферы, несколько. Прежде всего это ионизирующее излучение. Не каждый излучения может быть ионизирующим. Так, энергии солнечных лучей недостаточно для такого процесса. Повсеместно известно такое источник ионизации, как рентгеновские лучи, открытие которых приходится на последнее десятилетие прошлого века. Немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген, экспериментируя с потоком электронов от катода к аноду в вакуумной стеклянной колбе (1895), наблюдал возникновение неизвестных коротковолновых лучей (от анода) чрезвычайно большой проникающей способности, которые он назвал Х лучами. За это открытие В. К. Рентгену в 1901 году была присуждена Нобелевская премия.
авторемонт

Конструкцию прибора (рентгеновской трубки) и описания опытов ученого, как правило, можно найти в любом фундаментальном учебнике по физике. Здесь отметим лишь, что длина волны Х лучей составляет 10 nm ... 1 pm (100 ... 0,01), что на два порядка меньше, чем диапазон видимого спектра солнечных лучей. Современные медицинские рентгеновские аппараты генерируют Х — лучи мощностью в 30 — 50 keV, а мощные промышленные — от сотен keV, до 2 ... 3 МeV, которые способны «видеть насквозь» многотонные металлические слитки, проявляя скрытые дефекты. Некоторые современные исследователи доказывают, что открытию Рентгена предшествовали аналогичные научные исследования нашего соотечественника — профессора Высшей технической школы в бывшей Австро-Венгрии — И. П. Пулюя, выдающегося ученого в области газоразрядных процессов и конструирования катодных трубок. Сразу после открытия эффекта «просвечивания» предметов Х лучами начались интенсивные исследования таких явлений. Уже весной 1896 французский ученый А. Беккерель, исследуя явление фосфоресциювання, открыл, что двойная сернокислая соль урана и калия излучает лучи, которые зажигают фотобумага так же, как Х — лучи. Правда, в отличие от Х лучей, они не отражались и не преломлялись. Беккерель доказал, что излучает их элемент уран и назвал их урановыми лучами. Его современники, известные ныне как выдающиеся ученые, лауреаты Нобелевской премии Пьер и Мария Кюри выделили из урановой руды первые мг неизвестных до того времени элементов полония и радия, а позже и тория, которые излучали «урановые лучи». Сегодня такие элементы имеют общее название радиоактивных (от латинского radius — луч), а само явление называется радиоактивностью. Из школьного курса физики известно хрестоматийная схема расщепления излучения радия в магнитном поле на α =, Β = И γ = Лучи. Электронейтральны γ — лучи по своей природе электромагнитным излучением, подобным рентгеновского, два других — корпускулярные: β &Mdash; поток электронов, а α &Mdash; положительно заряженных нуклидов — ядер гелия (два протона и два нейтрона). Електрозаряджени α и β — лучи реагируют на магнитное поле, отклоняясь в сторону его полюсов, противоположных относительно их заряда. Интенсивность лучей уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния до источника. Открытие радиоактивности положило начало современной теории строения атомов и их ионизации. Человек проявил новую «стихию» биосферы — естественное радиоактивное излучение некоторых элементов своего окружающей среды. Через некоторое время (1912) на удивление ученому мира австрийский физик В. Гесс сообщил, что поднятые им на воздушном шаре приборы на высоте 5 km зарегистрировали радиоактивное излучение гораздо интенсивнее, чем радиоактивность на поверхности Земли. Более того, чем дальше от поверхности Земли, то излучение было сильнее. Многократные измерения подтвердили смелую мысль, что источник новых интенсивных лучей находится вне нашей планеты — в Космосе. Новые лучи получили название космических . Изучение природы космических лучей, которые сначала приравнивали к солнечным или γ лучей, вскоре показало, что они являются положительно заряженными частицами: в основном протонами, реже α — частицами (ядрами гелия) и совсем редко — ядрами атомов более тяжелых элементов — углерода, азота, кислорода и других, вплоть до железа включительно. Поражала их высокая проникающая способность, самая большая из всех известных науке. Где, когда и при каких условиях образовались такие «космические лучи» остается тайной и сегодня. Существуют различные гипотезы. Но сначала рассмотрим, при каких обстоятельствах заряженная частица увеличивает свою энергию. Единица, которой измеряют энергию частиц, электрон-вольт (ЕV) объясняет природу этого явления. Попав в электронное поле, образованное разностью потенциалов между заряженными телами в 1 V, электрон ускоряется до скорости 593 km / s. При этом, разумеется, возрастает его кинетическая энергия, равная произведению его заряда на разность потенциалов, до 1,6 10- 19 J. Именно это количество энергии соответствует единице 1 ЕV. Чтобы иметь некоторое представление о размере этой единицы, укажем, что энергии движения молекул в газах атомов в твердом веществе при комнатной температуре составляет от сотых до десятых ЕV. При более высоких температурах их скорость, как было уже показано (1.2.3), заметно возрастает: частице, которая движется с энергией в 1 ЕV, соответствует температура около 11 тыс. ° С. Максимальная энергия электрона в атоме водорода, при которой он еще содержится в поле притяжения ядра (протона), равна 13,53 ЕV. Итак, чтобы ионизировать атом водорода, необходимо увеличить энергию его электрона хотя бы на 1 ЕV, чему соответствует температура значительно выше 10 тыс. ° С.