Вопрос №2. История открытия радиоактивности и становление радиологии как науки
Зарождение, а в последствии и становление радиологии как науки относится к концу ХIХ началу ХХ веков. В основу радиологии легли три открытия, можно сказать великих события, в научном мире.
Все началось с открытия, которое сделал руководитель кафедры физики, ректор Вюрцбургского университета, немецкий физик, профессор Вильгельм Конрад Рентген (годы жизни – 1845-1923 гг.) 8 ноября 1895 года. В этот день он открыл Х-лучи, которые в честь ученого в дальнейшем были названы рентгеновскими.
В этот день, уходя поздним вечером из лаборатории и, погасив свет, В.К. Рентген обратил внимание на зеленое свечение в темноте, исходившее от кристаллов бария платиносинеродистого. Оказалось, что круксова трубка (стеклянный баллон, внутри которого воздух при пониженном атмосферном давлении и два электрода для подвода напряжения), завернутая в черную бумагу, через которую не проникали катодные лучи, не была выключена, а рядом на столе лежали кристаллы бария. При отключении напряжения от круксовой трубки свечение солей бария прекращалось, а при включении возникало вновь. Видимые лучи не могли проникнуть сквозь черную бумагу, значит в трубке возникает какое-то неизвестное излучение. Так были открыты новые невидимые лучи, названные Х-лучами. Пятьдесят суток работал В.К.Рентген над изучением данного явления, подготовил доклад на 17 страницах и к нему приложил «рентгеновский» снимок своей руки.
6 января 1896 года известие об открытии В.К. Рентгена было распространено Лондонским телеграфом по всему миру.
А.Ф. Иоффе, проработавший с В.К.Рентгеном около 20 лет, писал: «Из того, что Рентген опубликовал в трех первых сообщениях, не может быть изменено ни одного слова…»
10 декабря1901 года В.К. Рентгену была присуждена первая Нобе-левская премия по физике.
Рентгеновские лучи стали не только предметом глубокого изучения во всем мире, нашли практическое применение (рентгеновские снимки), но и послужили импульсом к обнаружению явления – естественной радио-активности.
Французский ученый физик, профессор Парижского музея естественной истории Анри Беккерель (1852-1908 гг.), изучая эффекты воздействия солнечного света на различные минералы, обнаружил, что соли урана испускают невидимые лучи. На завернутую в черную бумагу фотопластинку помещались соли урана, все это выставлялось на солнце, затем фотопластинка проявлялась и на ней появлялись очертания солей урана. Один из дней оказался пасмурным и А. Беккерель фотопластинку с солью урана, выложенной в форме креста, закрыл в стол. Через два дня, 1 марта 1896 года, день выдался солнечным. Движимый интуицией, А. Беккерель достал фотопластинку из ящика стола и решил проявить ее, не вынося на солнце. На фотопластинке отпечаталось очертание креста. Таким образом, было открыто, что уран самопроизвольно, независимо от солнечного излучения, испускает невидимые проникающие лучи, вызывающие засвечивание фотопластинки, и которые как было в дальнейшем выяснено представлены альфа-, бета- и гамма-излучения-ми. Тем самым А. Беккерелем (1 марта 1896 года) было открыто явление радиоактивности. В 1903 году ему была присуждена Нобелевская премия по физике. Но сам термин «радиоактивность» был предложен Марией Склодовской-Кюри.
Наиболее значительные достижения в области исследования радиоактивности связаны с именем польского ученого-химика Марией Склодовской (1867-1934 гг.) и ее мужем французским исследователем Пьером Кюри (1859-1906 гг.). В 1898 году, исследовав ряд химических элементов, Мария Кюри и независимо от нее немецкий ученый Г. Шмидт нашли, что источником «лучей Беккереля» является не только уран, но и торий. Мария и Пьер Кюри также обнаружили, что уран после излучения радиации превращается в другие химические элементы. Так были открыты новые радиоактивные элементы радий (означает лучистый) в июле 1898 года, и полоний (назван в честь родины Марии Склодовской-Кюри – Польши) в декабре 1898 года. Мария и Пьер Кюри внесли большой вклад в исследование природы радиоактивного излучения, обнаружив различия в действии альфа-, бета- и гамма–излучения на разные вещества.
Мария и Пьер Кюри, их дочь Ирен с мужем Фредериком Жолио (открывшими искусственную радиоактивность в 1934 году) внесли столь большой вклад в науку, что им было присуждено 5 Нобелевских премий.
В своей речи 6 июня 1905 года в Стокгольме Пьер Кюри сказал: «Легко понять, что в преступных руках радий может представить серьезную опасность, и встанет вопрос: выиграет ли человечество от познания тайн природы, достаточно ли оно созрело, чтобы ими пользоваться, или это познание обратиться ему во вред?…Я отношусь к числу тех, кто думает, что человечество извлечет больше пользы, чем вреда из новых открытий».
Английский физик Э. Резерфорд в 1899 году открыл a- и b- излучения, испускаемые при распаде радионуклидов. Он также создал теорию распада радиоактивных веществ и разработал теорию планетарной модели строения атома.
Открытие радиоактивности стало началом новой эпохи в физике. Дало возможность понять строение атома и атомных ядер, открыть законы ядерных превращений. Оно позволило человечеству получить доступ к энергии ядра через ядерные реакции, создавать искусственные радиоактивные изотопы и пр.
Но ученые столкнулись и с отрицательными эффектами действия ионизирующего и радиоактивного излучений.
В 1895 году физик В.Груббе, работая с «рентгеновскими» Х-лучами, получил сильные ожоги руки. К 1914 году в литературных источниках описаны 114 случаев рентгеновского рака. А.Беккерель в течение 6 часов носил в кармане жилета ампулу с барием хлористым и радием, получил лучевой ожог. Однажды А.Беккерель сказал: «Я очень люблю радий, но я на него в обиде». И это потому, что на руках у него имелись незаживающие язвы. Пьер Кюри получил от радия ожог предплечья. Ожоги были и на руках Марии Кюри. В этот период, А.Беккерель и Пьер Кюри опубликовали статью «Физиологи-ческое действие лучей радия», в которой описывалось действие лучей радия на кожу. По данным зарубежной литературы 336 человек, работавших с радиоактивными материалами в то время, умерли в результате облучения. К 1959 году было известно уже о 359 специалистах-радиологах (из них 13 русских и советских), погибших от лучевого рака кожи или лейкемии. Мария, ее дочь Ирен с мужем Фредериком Жолио умерли от лучевых поражений.
Во время первой мировой войны Мария Кюри оборудовала 220 рентгеновских установок, работала на них и обучала персонал. Умерла от болезни – острая злокачественная анемия.
Пьер Кюри погиб раньше (1906 г.) в катастрофе под колесами фургона, но учеными доказано, что и он бы умер от лучевой патологии.
В отличие от ионизирующего рентгеновского излучения, сразу получившего применение в медицине, изучение и использование радиоактивных веществ шло медленнее.
К 1903 году Пьер Кюри с учеными медиками определили, что радий оказывает лечебное действие на «волчанку» и некоторые формы рака. Эти данные были подтверждены в 1903 году работами Семена Викторовича Гольдберга и Ефима Семеновича Лондона. А первым вкладом российских ученых в радиационную биологию была работа 1898 года Ивана Рамазовича Тарханова, который установил наличие различных реакций на облучение у лягушек и насекомых. В 1903 году Хейнеке (исследовал действие рентгеновских лучей на мышей) впервые описал анемию и лейкопению, а также обратил внимание на поражение органов кроветворения (атрофия селезенки).
В 1905 году Корнике установил торможение клеточного деления под влиянием ионизирующего излучения, а ученые Бергонье и Трибондо обнаружили различие чувствительности разных клеток к облучению.
Первую в мире монографию по радиологии опубликовал на немецком языке в 1911 году Е.С.Лондон. Книга называлась «Радий в биологии и медицине».
Первоначально исследования были направлены на решение проблем медицинской радиологии. По мере роста и развития материальной базы для радиобиологических исследований расширялся фронт работ по использованию радиации в биологии и сельском хозяйстве. В 1925-1935 годах широко получила развитие радиационная генетика. В 1925 году Г.А. Надсон и Г.Ф.Филиппов в опытах на дрожжах и плесневых грибах обнаружили действие ионизирующих излучений на генетический аппарат клетки, сопровождающегося наследственной передачей вновь приобретенных признаков. Л.Н. Делоне (1932 г.), А.А. Сапегина (1934 г.) использовали рентгеномутации для селекции растений. Под руководством П.Ф. Рокицкого в 1934-1935 годах были проведены работы по радиогенетике животных.
Интенсивное развитие исследований в радиобиологии началось после применения атомного оружия США в Японии в 1945 году, что поставило неотложные задачи по разработке способов противолучевой защиты и лечения радиационных поражений, а также изучения радиобиологического эффекта и патогенеза лучевой болезни.
Испытание первой советской атомной бомбы было произведено 29 августа 1949 года. 12 сентября 1954 года впервые в мире было испытано термоядерное оружие, а 22 ноября 1955 года – водородная бомба.
Поэтому с середины 40-х годов ХХ века в мире начали создаваться крупные научно-исследовательские центры. В Советском Союзе крупные исследовательские центры были созданы в Москве, Ленинграде, Киеве, Минске, Алма-Ате, Новосибирске, Свердловске.
Биофизическая лаборатория, созданная в 1948 году в Московской сельскохозяйственной академии имени К.А. Тимирязева, первая в стране начала работу по изучению закономерностей поведения радиоактивных продуктов деления в звене миграции: почва — растения и изучению метаболизма осколков деления в организме животных. Значительное место в общей и сельскохозяйственной радиоэкологии заняли исследования по изучению миграции радиоактивных продуктов ядерного деления в цепи: корм – сельскохозяйственные животные – продукция животноводства. В первые годы испытания ядерного оружия были получены данные, что молоко, мясо и продукты их переработки являются важнейшими источниками поступления радионуклидов в организм человека.
Особую актуальность эти данные приобрели в связи с мирным применением атома. 27 июня 1954 года была пущена в действие первая в мире атомная электростанция в г. Обнинске.
По данным иностранных источников, первой в мире АЭС была атомная электростанция в Колдер Холле (Великобритания)1956 г.
В настоящее время в мире на АЭС насчитывается 437 действующих и 38 строящихся энергоблоков, соответственно в России – 30 и 3, США – 109 и 1, Японии – 51 и 3 , Франции – 56 и 4 и пр. Средний срок службы атомного реактора 30-50 лет. К 2010 году из эксплуатации надо вывести более 200 реакторов. Это огромная проблема и задача, стоящая перед мировой общественностью.
В Республике Беларусь Президентом А.М. Лукашенко с 1999 года на десять лет наложен мораторий на строительство АЭС в Дубровенском районе Витебской области.
В настоящее время ионизирующее излучение и радиоактивные источники излучения широко применяются в ветеринарии. Радионуклиды применяют как индикаторы в исследовательских работах в области физиологии и биохимии животных, в диагностики и лечении больных животных и пр.
Большой вклад в развитие ветеринарной радиологии внесли ученые
Г.Г.Воккен, В.А.Киршин, А.Д.Белов, А.М.Кузин, В.А.Бударков, Р.Г.Ильязов и др.
Источник
Какие ученые изучали виды излучений
Тепловое излучение – излучение, при котором потери атомами энергии на излучение света компенсируются за счет энергии теплового движения атомов (или молекул) излучающего тела. Тепловым источником является солнце, лампа накаливания и т. д.
Электролюминесценция (от латинского люминесценция — «свечение») – разряд в газе сопровождающийся свечением. Северное сияние есть проявление электролюминесценции. Используется в трубках для рекламных надписей.
Катодолюминесценция – свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами. Благодаря ей светятся экраны электронно-лучевых трубок телевизоров.
Хемилюминесценция – излучение света в некоторых химических реакциях, идущих с выделением энергии. Ее можно наблюдать на примере светлячка и других живых организмах, обладающих свойством светиться.
Фотолюминесценция – свечение тел непосредственно под действием падающих на них излучений. Примером являются светящиеся краски, которыми покрывают елочные игрушки, они излучают свет после их облучения. Это явление широко используется в лампах дневного света.
Для того чтобы атом начал излучать, ему необходимо передать определенную энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию, и для непрерывного свечения вещества необходим приток энергии к его атомам извне.
Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.
Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения линейчатых спектров, обычно используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда.
Спектральный анализ — совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др. В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа. Атомный и молекулярный спектральный анализы позволяют определять элементный и молекулярный состав вещества, соответственно. В эмиссионном и абсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения. Масс-спектрометрический анализ осуществляется по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта. Простейший спектральный аппарат — спектрограф.
Схема устройства призменного спектрографа
Тёмные линии на спектральных полосках были замечены давно (например, их отметил Волластон), но первое серьёзное исследование этих линий было предпринято только в 1814 году Йозефом Фраунгофером. В его честь эффект получил название «Фраунгоферовы линии». Фраунгофер установил стабильность положения линий, составил их таблицу (всего он насчитал 574 линии), присвоил каждой буквенно-цифровой код. Не менее важным стало его заключение, что линии не связаны ни с оптическим материалом, ни с земной атмосферой, но являются природной характеристикой солнечного света. Аналогичные линии он обнаружил у искусственных источников света, а также в спектрах Венеры и Сириуса.
Для проверки метода в 1868 году Парижская академия наук организовала экспедицию в Индию, где предстояло полное солнечное затмение. Там учёные обнаружили: все тёмные линии в момент затмения, когда спектр излучения сменил спектр поглощения солнечной короны, стали, как и было предсказано, яркими на тёмном фоне.
Природа каждой из линий, их связь с химическими элементами выяснялись постепенно. В 1860 году Кирхгоф и Бунзен при помощи спектрального анализа открыли цезий, а 1861 году — рубидий. А гелий был открыт на Солнце на 27 лет ранее, чем на Земле (1868 и 1895 годы соответственно).
Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах.
Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой выполнения, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества (10—30 мг), необходимого для анализа на большое число элементов. Атомарные спектры (поглощения или испускания) получают переведением вещества в парообразное состояние путём нагревания пробы до 1000—10000 °C. В качестве источников возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока; при этом пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя или плазму различных газов.
Спектр электромагнитных излучений
Свойства электромагнитных излучений. Электромагнитные излучения с различными длинами волн имеют довольно много различий, но все они, от радиоволн и до гамма-излучения, одной физической природы. Все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей степени проявляют свойства интерференции, дифракции и поляризации, характерные для волн. Вместе с тем все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей мере обнаруживают квантовые свойства.
Общим для всех электромагнитных излучений являются механизмы их возникновения: электромагнитные волны с любой длиной волны могут возникать при ускоренном движении электрических зарядов или при переходах молекул, атомов или атомных ядер из одного квантового состояния в другое. Гармонические колебания электрических зарядов сопровождаются электромагнитным излучением, имеющим частоту, равную частоте колебаний зарядов.
Радиоволны. При колебаниях, происходящих с частотами от 10 5 до 10 12 Гц, возникают электромагнитные излучения, длины волн которых лежат в интервале от нескольких километров до нескольких миллиметров. Этот участок шкалы электромагнитных излучений относится к диапазону радиоволн. Радиоволны применяются для радиосвязи, телевидения, радиолокации.
Инфракрасное излучение. Электромагнитные излучения с длиной волны, меньшей 1-2 мм, но большей 8*10 -7 м, т.е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением.
Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источниками инфракрасного излучения служат печи, батареи водяного отопления, электрические лампы накаливания.
С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте. Инфракрасное излучение применяется для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины.
Видимый свет. К видимому свету (или просто свету) относятся излучения с длиной волны примерно от 8*10 -7 до 4*10 -7 м, от красного до фиолетового света.
Значение этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения. Свет является обязательным условием развития зеленых растений и, следовательно, необходимым условием для существования жизни на Земле.
Ультрафиолетовое излучение. В 1801 году немецкий физик Иоганн Риттер (1776 — 1810), исследуя спектр, открыл, что за
Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны меньше, чем у фиолетового света, называют ультрафиолетовым излучением. К ультрафиолетовому излучению относят электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 4*10 -7 до 1*10 -8 м.
Ультрафиолетовое излучение способно убивать болезнетворных бактерий, поэтому его широко применяют в медицине. Ультрафиолетовое излучение в составе солнечного света вызывает биологические процессы, приводящие к потемнению кожи человека — загару.
В качестве источников ультрафиолетового излучения в медицине используются газоразрядные лампы. Трубки таких ламп изготавливают из кварца, прозрачного для ультрафиолетовых лучей; поэтому эти лампы называют кварцевыми лампами.
Рентгеновские лучи. Если в вакуумной трубке между нагретым катодом, испускающим электрон, и анодом приложить постоянное напряжение в несколько десятков тысяч вольт, то электроны будут сначала разгоняться электрическим полем, а затем резко тормозиться в веществе анода при взаимодействии с его атомами. При торможении быстрых электронов в веществе или при переходах электронов на внутренних оболочках атомов возникают электромагнитные волны с длиной волны меньше, чем у ультрафиолетового излучения. Это излучение было открыто в 1895 году немецким физиком Вильгельмом Рентгеном (1845-1923). Электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 10 -14 до 10 -7 м называются рентгеновскими лучами.
Способность рентгеновских лучей проникать через толстые слои вещества используется для диагностики заболеваний внутренних органов человека. В технике рентгеновские лучи применяются для контроля внутренней структуры различных изделий, сварных швов. Рентгеновское излучение обладает сильным биологическим действием и применяется для лечения некоторых заболеваний. Гамма-излучение. Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными атомными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.
Гамма-излучение — самое коротковолновое электромагнитное излучение ( -10 м). Его особенностью являются ярко выраженные корпускулярные свойства. Поэтому гамма-излучение обычно рассматривают как поток частиц — гамма-квантов. В области длин волн от 10 -10 до 10 -14 и диапазоны рентгеновского и гамма-излучений перекрываются, в этой области рентгеновские лучи и гамма-кванты по своей природе тождественны и отличаются лишь происхождением.
Источник
