MĀRIS KĻAVIŅŠ RADIOAKTIVITĀTE M Ā RIS KĻAVIŅ Š RA D IO A K TIV ITĀTE ISBN 978-9934-18-944-9 MĀRIS KĻAVIŅŠ RADIOAKTIVITĀTE LU Akadēmiskais apgāds UDK 502/504 Kl234 Kļaviņš, Māris. Radioaktivitāte. Rīga: LU Akadēmiskais apgāds, 2023. 156 lpp. Monogrāfija izdota ar Latvijas Universitātes Eksakto, dabas un dzīvības zinātņu padomes 2023. gada 9. februāra sēdes lēmumu Nr. 1. Mācību grāmatas mērķis ir iepazīstināt lasītāju ar radioaktivitātes fenomenu, jautājumiem par atoma kodola stabilitāti, radioaktīvo elementu, starojuma iedarbību un izmantošanas iespējām. Šis ir nekomerciāls izdevums, un visi ievietotie attēli ir tikai iepazīšanās, mācīšanās un pētniecības mērķiem, tādi, kurus neaizsargā autortiesības (Public Domain) vai arī kuru autori tos klasificējuši atbilstoši CC BY-NC- SA 4.0 licences lietojumam. Grāmata sagatavota un izdota, pateicoties mecenāta SIA “Mikrotīkls” ziedojumam, kuru administrē Latvijas Universitātes fonds. Recenzenti: profesors Dr. chem. Arturs Vīksna, Latvijas Universitāte profesors Dr. sc. ing. Ainis Lagzdiņš, Latvijas Biozinātņu un tehnoloģiju universitāte profesors Dr. biol. Arturs Škute, Daugavpils Universitāte Vāka noformējumam izmantoti grāmatas autora attēli, kā arī interneta brīvpieejas resursu attēli. Korektore Ruta Puriņa Vāka dizainu un maketu veidojusi Ineta Priga © Māris Kļaviņš, 2023 © Latvijas Universitāte, 2023 https://doi.org/10.22364/mkr.23 ISBN 978-9934-18-944-9 3 SATURA RĀDĪTĀJS PRIEKŠVĀRDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1 . RADIOAKTIVITĀTES IZPĒTES VĒSTURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 . ATOMA UZBŪVE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2 .1 . Atoma kodols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2 .2 . Izotopi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2 .3 . Atomu kodolu stabilitāte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3 . ATOMU KODOLU DALĪŠANĀS UN KODOLREAKCIJAS . . . . . . . . 23 3 .1 . Atomu kodolu stabilitāte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3 .2 . Radioaktivitātes, radioaktīvo elementu un to pārvērtību aprakstam izmantotās mērvienības . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3 .3 . Radioaktīvās sabrukšanas veidi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3 .4 . Radioaktīvās sabrukšanas rindas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3 .5 . Kodolreakcijas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4 . DABISKAS IZCELSMES RADIOAKTĪVAIS STAROJUMS . . . . . . . . 39 4 .1 . Zemes radioaktīvais starojums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4 .2 . Kosmiskais starojums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5 . RADIOAKTĪVĀ STAROJUMA IEDARBĪBA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5 .1 . Radioaktīvais starojums – jonizējošs starojums . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5 .2 . Elektromagnētiskā starojuma iedarbība . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5 .3 . Neitronu plūsmas, α un β daļiņu iedarbība uz vielu . . . . . . . . . . . . . . 53 5 .4 . Jonizējošā starojuma iedarbība uz ķīmiskiem savienojumiem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 6 . JONIZĒJOŠĀ STAROJUMA IETEKME UZ DZĪVAJIEM ORGANISMIEM . STARU SLIMĪBA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6 .1 . Jonizējošā starojuma ietekme uz dzīvajām šūnām . . . . . . . . . . . . . . . 63 6 .2 . Jonizējošā starojuma iedarbība uz dzīvniekiem un augiem . . . . . . . 66 6 .3 . Staru slimība . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6 .4 . Jonizējošā starojuma dozimetrija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4 RADIOAKTIVITĀTE 7 . KODOLENERĢĒTIKA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 7 .1 . Kodolreaktoru izveide un darbības princips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 7 .2 . Kodoldegvielas aprite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 7 .3 . Kodolenerģijas izmantošanas drošība . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 7 .4 . Čornobiļas kodolkatastrofa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 7 .5 . Fukušimas kodolkatastrofa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 7 .6 . Kodoltermiskā sintēze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 8 . KODOLIEROČI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 8 .1 . Atombumba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 8 .2 . Ūdeņraža bumba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 8 .3 . Neitronu bumba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 8 .4 . Kobalta bumba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 8 .5 . Kodolieroču izmantošana un izmēģinājumi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 8 .6 . Kodolbruņošanās sacensība un atbruņošanās . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 9 . RADIOAKTĪVO ELEMENTU UN RADIOAKTIVITĀTES LIETOJUMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 10 . VIDES PIESĀRŅOJUMS AR RADIOAKTĪVIEM ELEMENTIEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 LITERATŪRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 GRĀMATĀ IZMANTOTO ATTĒLU UN TABULU INFORMĀCIJAS AVOTI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 SUMMARY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Priekšvārds 5 PRIEKŠVĀRDS Radioaktivitātes izpēte ir stāsts. Tas ir stāsts par izciliem atklājumiem, kuri ir veikti īsā laika posmā un lielā mērā ietekmēja zinātnes attīstību 20.  gadsimtā, radot pilnīgi jaunu izpratni par vielas uzbūvi. Radioaktivitātes izpēte ir sekmējusi jaunu zinātnes nozaru, jaunu tehnoloģiju, jaunu risinājumu izveidi. Mūsdienu ener- ģijas ražošana nav iedomājama bez kodolenerģijas izmantošanas, medicīna – bez rentgenizmeklējumiem, ārstēšanas metodēm, kurās izmanto radioaktīvo starojumu. Stāsts par radioaktivitāti ietver stāstu par izcilām personām, kas veica tās izpēti: Marija Sklodovska- Kirī, Līze Meitnere, Enriko Fermi, Andrejs Saharovs un daudzi citi, katrs no tiem ir kļuvuši par leģendām zinātnē. Radioaktivitātes izpēte ir pierādījusi zinātnes spēku. Acīmre- dzamākais piemērs tam ir atombumbas izstrāde, kas sākās ar urāna atoma kodola dalīšanās atklāšanu un pieņēmumu, ka šo reakciju var izmantot nebijušas jaudas ieroču radīšanā. Zinātnieku autoritāte bija galvenais faktors, uzsākot grandiozu izpētes programmu, kuras gaitā tika radītas tehnoloģijas un zināšanas, kas mūsdienās ietekmē ikvienu, kā arī sasniegts plānotais rezultāts – radīta atombumba. Šis stāsts arī parāda sekas, kad zinātnisko pētījumu rezultāti nonāk politiķu, militāristu rokās un kad vairāk nekā 200 000 cil vēku iet bojā Japānas pilsētās Hirosimā un Nagasaki atombumbu sprādziena un to seku rezultātā. Zināšanu attīstība par atoma kodolu, tā pārvēr- tībām ir palīdzējusi radīt vēl jaudīgākus ieročus. Vienlaikus atoma kodolu pārvērtības var kalpot par pamatu neizsmeļamas enerģijas iegūšanai, izmantojot kodoltermiskās sintēzes reakcijas. Stāsts par radioaktivitāti ir stāsts par zinātnieku drosmi, zināt- nes spēku, vājumu, uzvarām un traģēdijām. Tomēr tas ir stāsts par zinātnieka tiesībām un pienākumu radīt jaunas zināšanas, kuras izmaina cilvēces nākotni. Līdz ar to šīs grāmatas mērķis ir aplūkot ne tikai radioaktivitātes fenomenu, bet arī tā kontekstu un nozīmību zinātnes un tehnoloģiju attīstībā un tā sekas. 1. Radioaktivitātes izpētes vēsture 7 1. RADIOAKTIVITĀTES IZPĒTES VĒSTURE Radioaktivitātes izpēte sākās 1895. gadā, kad vācu fiziķis Vil- helms Konrāds Rentgens (Wilhelm Conrad Röntgen) atklāja līdz tam nepazīstamu starojumu – rentgenstarus (1.1. attēls). V. K. Rentgens, izmantojot tā saucamo Kruka izlādes lampu, ievēroja no tās nākošu fluorescenci, kaut arī lampa bija apsegta ar melnu papīru. Kruka izlā- des lampa sastāv no diviem elektrodiem (pozitīvi un negatīvi lādēta), un tajā pie liela sprieguma vakuumā veidojas elektronu plūsma, kas triecas pret anodu, veidojot elektromagnētisko starojumu ar augstu enerģiju un īsu viļņa garumu. Šo starojumu vēlāk nosauca par rent- genstariem (angļu val. X-rays). Pētot, kā rentgenstarus aiztur dažādi materiāli, tika atklāts to joprojām aktuālais lietojums: spējas saska- tīt dzīvā organismā, piemēram, kaulus, audu sabiezējumus, kā arī iespējas starojumu izmantot materiālu defektu analīzē. 1901. gadā V.  K.  Rentgens saņēma pirmo Nobela balvu fizikā, kuru ziedoja Vircburgas Universitātei. Neskatoties uz atkārtotiem aicinājumiem, viņš atteicās izņemt patentus par savu atklājumu, uzskatot, ka tam jākalpo cilvēcei un jābūt pieejamam visiem. 1896. gadā franču fiziķis Antuāns Anrī Bekerels (Antoine Henri Becquerel) (1.2. attēls) atklāja urāna sāļu spēju izstarot intensīvu sta- rojumu ar augstu caurspiešanās spēju, kas izgaismoja fotofilmu pēc tam, kad bija novietojis urāna rūdas gabalu uz fotofilmas. A. A. Beke- rela eksperimenti pierādīja, ka urāna rūda (urāns) izdala starojumu, kas turklāt atšķiras no rentgenstariem, jo to novirza elektriskais un magnētiskais lauks. Var šķist, ka radioaktivitātes atklāšanā bija daudz nejaušību, tomēr tas bija zinātnes attīstības loģisks rezultāts, kura pamatā bija izpratne par vielas uzbūvi un pētniecības metožu izveide ķīmijā un fizikā. Radioaktivitātes atklāšana kā jauns, negaidīts fenomens radīja milzīgu interesi zinātniekos un arī sabiedrībā. Būtiskākais – A. A. Bekerela atklājumi pierādīja, ka vielai ir sarežģīta uzbūve un ka par nedalāmu uzskatītais atoms (sengr. val. ἄτομος, atomos – ‘neda- lāms’) faktiski ir daļiņa ar sarežģītu uzbūvi, kas turklāt var arī nebūt stabila, bet spēj spontāni sabrukt. A. A. Bekerels pierādīja, ka β stari ir elektronu plūsma, kā arī kā viens no pirmajiem izjuta radioaktīvā starojuma iedarbību uz cilvēku: pēc radioaktīva elementa ievietoša- nas vestes kabatā viņš konstatēja, ka āda vestes apvidū ir apsārtusi 1.1. attēls. Rentgenstaru atklājējs Vilhelms Konrāds Rentgens (1845–1923) un pirmais uzņemtais viņa sievas Annas Bertas Ludvigas plaukstas rentgenattēls 8 RADIOAKTIVITĀTE it kā pēc apdeguma. A. A. Bekerels nomira 1908. gada 25. augustā. Par nāves cēloni tika uzskatīti būtiski ādas apdegumi, ko, iespējams, radīja darbs ar radioaktīvām vielām. A. A. Bekerela pētījumi raisīja milzīgu interesi par urāna savienojumiem un pašu šo elementu, kā arī par to, vai urāns ir vienīgais elements, kas ir radioaktīvs. Šīs urāna rūdas īpašības piesaistīja Marijas Sklodovskas-Kirī (Marie Salomea Skłodowska-Curie) un Pjēra Kirī (Pierre Curie) uzma- nību (1.3. attēls). Viņi pierādīja, ka jaunatklātā starojuma intensitāte ir atkarīga no urāna daudzuma tā rūdās, tomēr tajā atrodas arī citi elementi ar līdzīgām īpašībām. Marija Sklodovska-Kirī (1867–1934) un Pjērs Kirī (1859–1906) pierādīja, ka arī torijam (Th) piemīt līdzī- gas īpašības. Pētot starojumu, kuru izdalīja urāna rūda, izrādījās, ka starojuma intensitāte bija augstāka, nekā tai vajadzētu būt, ja vienīgais starojuma avots būtu urāns. Lai šo parādību izskaidrotu, tika izvirzīta hipotēze, ka urāna rūda satur vēl citus radioaktīvus elementus ar augstāku radioaktivitāti. Veicot visus eksperimentus savām rokām, apstrādājot simtiem kilogramu urāna rūdas, izdevās izdalīt jaunus radioaktīvos elementus – poloniju (Po) un rādiju (Ra), kuru spējas izdalīt jaunatklāto starojumu bija ievērojami augstākas nekā urānam. Marija Sklodovska-Kirī un Pjērs Kirī kā pirmie piedā- vāja apzīmējumu “radioaktīvs” (veidots no latīņu valodas: radiare – ‘izstarot’ un activus – ‘aktīvs, darbīgs’), lai aprakstītu jauno elementu īpašības. Vienlaikus jau pirmie radioaktivitātes pētījumi parādīja radio- aktīvā starojuma augsto bīstamību, proti, spēju ietekmēt cilvēka veselību, izraisot staru slimību, ļaundabīgo audzēju attīstību, kas arī bija Marijas Sklodovska-Kirī nāves cēlonis. Ernesta Rezerforda (Ernest Rutherford) pētījumi par atoma uzbūvi pierādīja, ka atoma kodola veidošanā piedalās pozitīvi lādē- tas daļiņas, bet ūdeņraža atoma kodolu veido viena pozitīvi lādēta daļiņa – protons. Izmantojot atomu kodolu radioaktivitātes pētī- jumu rezultātus, Ernests Rezerfords izstrādāja pirmo atoma uzbūves modeli. 1932. gadā Džeimss Čedviks (James Chadwick) pierādīja, ka otra atoma kodolu veidojošā daļiņa nesatur lādiņu (ir neitrāla), un piedāvāja to nosaukt par neitronu. Visai drīz tika pierādīts, ka radioaktīvais starojums sastāv no vairākiem komponentiem: α stariem, β stariem un γ stariem. Pozitīvi lādētas daļiņas: α stari ir hēlija atomu kodolu plūsma (sastāv no 2 neitroniem un 2 protoniem), β stari ir elektronu plūsma, bet γ stari ir elektromagnētiskais starojums ar īsu viļņa garumu un augstu enerģiju (1.4. attēls). Radioaktīvo starojumu var veidot arī neitronu plūsma, kuras avots var būt mākslīgi iegūtie radionuklīdi. Radioaktivitātes atklā- šanā bija liela nozīme atoma un tā kodola uzbūves izpētei. Franču fiziķis Žolio Kirī (Jean Frédéric Joliot-Curie) 1934.  gadā atklāja 1.2. attēls. Radioaktivitātes atklājējs Antuāns Anrī Bekerels (1852–1908) 1.3. attēls. Pjērs Kirī un Marija Sklodovska-Kirī (ap 1903 . gadu) α β γ 1.4. attēls. Radioaktīvā starojuma aizturēšana dažādos materiālos: α daļiņas aiztur papīra loksne; β daļiņas – alumīnija plāksne; γ starojumu – biezs svina slānis 1. Radioaktivitātes izpētes vēsture 9 mākslīgo radioaktivitāti, respektīvi, iespējas stabilus atomu kodo- lus pārvērst par nestabiliem (radioaktīviem), apstarojot ar α daļiņu plūsmu, kā arī veikt elementu transmutāciju – pārvērst vienu ele- mentu par citu. Pavērsienu radioaktivitātes izpētē 1939. gadā radīja vācu fiziķu (Fricis Štrasmans, Oto Hāns un Līze Meitnere, Fritz Strassmann, Otto Hahn, Lise Meitner) atklātās kodola dalīšanās reakcijas, pētot urāna atoma kodolu sabrukšanu neitronu plūsmas iedarbībā. Tika pierādīts, ka, urāna atoma kodolam sabrūkot, izdalās milzīgs enerģijas daudzums, kas izmantojams pilnīgi jauna veida ieroču radīšanā. Radioaktivitātes izpēte no šī momenta lielā mērā pār- gāja dažādu valstu militāri industriālo kompleksu rokās. Sākoties Otrajam pasaules karam, uz ASV emigrējušie zinātnieki saprata, ka nacistiskā Vācija šos pētījumus var izmantot tādu jauna veida ieroču radīšanā, kuriem ir milzīgs iznīcināšanas potenciāls. Leo Silārds (Leo Szilard) un Alberts Einšteins (Albert Einstein) rosināja ASV prezidentu F. D. Rūzveltu uzsākt kodolieroču radīšanas iespēju izpēti. Izmantojot ASV intelektuālo un rūpniecisko potenciālu, uzsāktais Manhetenas projekts noslēdzās ar atombumbas izstrādi un lietošanu, nometot atombumbas (1.5. attēls) uz Japānas pilsētām – Hirosimu 1945. gada 6. augustā un Nagasaki 9. augustā, kas tuvināja Otrā pasaules kara beigas un Japānas kapitulāciju. Kaut arī kodolieroči bija zinātnieku radīti, daudzi no tiem, kuri bija iesaistīti to izstrādē, iebilda pret to izmantošanu un tālāku attīs- tību, bet īpaši pret kodolbruņošanās sacensību. Izmantojot no ASV spiegošanas rezultātā iegūto informāciju, tālaika padomju zinātnes kapacitāti, Vācijā sagūstītos zinātniekus un mobilizējot PSRS resursus, arī Padomju Savienība 1949. gadā demonstrēja, ka tās rīcībā ir kodolieroči. PSRS 1953. gadā kā pirmā valsts izstrādā jauna veida kodolierīci – ūdeņraža bumbu ar faktiski neierobežotu sprādziena jaudu. Kodolieroču attīstība turpinājās divos virzienos: 1) jaudas palielināšana, 2) masas samazināšana. Lai 1.5. attēls. Atombumbas sprādziena izveidotais mākonis un sagrautā Nagasaki 10 RADIOAKTIVITĀTE atvieglotu to nogādi, izmantoja lidmašīnas un raķetes. Par nozīmīgu posmu kodolbruņošanās sacensībā uzskatāmi notikumi 1961. gadā – Kubas krīze, kad konfrontācija starp galvenajām kodollielvalstīm – PSRS un ASV – gandrīz noveda līdz kodolieroču izmantošanai. Tajā pašā gadā PSRS veica superbumbas (krievu val. «Царь-бомба» – “Cars-bumba”) izmēģinājumu (1.6. attēls), kas parādīja kodolieroču lietošanas bezjēdzīgumu, respektīvi, to, ka jau tajā laikā uzkrāto kodolieroču lietošana var novest pie cilvēces bojāejas. Radioaktivitātes izpēte 20. gadsimtā galvenokārt notika augstā- kās slepenības apstākļos, un informācija sabiedrībai un zinātniekiem bija ierobežota. Tomēr tieši zinātnieki bija vieni no pirmajiem, kuri uzsāka cīņu par kodolbruņošanās ierobežošanu. Vienlaikus ar kodolieroču attīstību sākās arī kodolenerģētikas attīstība, jo radioaktīvās sabrukšanas enerģijas izdalīšanos ir iespē- jams kontrolēt. Pirmā kodolspēkstacija tika uzbūvēta 1942. gadā Manhetenas projekta laikā, bet pirmā tautsaimniecībā izmantojamā kodolspēkstacija – 1954. gadā PSRS. Mūsdienās kodolspēkstacijas ir viens no nozīmīgiem enerģijas avotiem. No otras puses, cilvēku kļūdas un dabas parādību izraisītas katastrofas ir avāriju cēlonis kodolspēkstacijās, kuras ir radījušas milzīgu teritoriju piesārņojumu, cilvēku bojāeju, sabiedrības skepsi par šī enerģijas ieguves veida drošumu. Aktīvi turpinās pētījumi, lai kodolu dalīšanās rezultātā veidoto enerģiju, kas tiek izmantota kodolspēkstacijās, nodrošinot būtisku daļu no enerģijas patēriņa, padarītu drošāku. Milzīgi resursi tiek ieguldīti, lai uz Saules, zvaigznēm noritošo enerģijas veidošanos (kodoltermisko sintēzi) padarītu vadāmu un izmantojamu enerģijas ražošanā, kas nodrošinātu cilvēci ar neizsmeļamu enerģiju. Latvijā nozīmīgākie pētījumi radiācijas, tās lietojumu izpētē saistās ar Latvijas Zinātņu akadēmijas Fizikas institūta 1.6. attēls. PSRS izstrādātā un 1961 . gadā izmēģinātā ūdeņraža bumba, kuras jauda atbilda 50–58 miljoniem tonnu trinitrotoluola (TNT) ekvivalenta 1. Radioaktivitātes izpētes vēsture 11 atomreaktoru, kas ir zināms kā Salaspils kodolreaktors. Šis kodol- reaktors tika iedarbināts 1961. gadā, un tajā tika veikti pētījumi par enerģijas pārvēršanās procesiem, attīstīta neitronu aktivācijas analīze, pētīti radiācijas defekti kristāliskās vielās, γ staru iedar- bība uz vielām, izstrādāti starojuma dozimetri. Reaktors tika slēgts 1998.  gadā, jo nebija līdzekļu tā atjaunošanai un kodoldegvielas papildināšanai. Mūsdienās atomu kodolos notiekošās pārvērtības tiek pētītas LU Cietvielu fizikas institūtā, LU Atomfizikas un spek- troskopijas institūtā, LU Ķīmiskās fizikas institūtā un citur. Radioaktivitātes izpētes uzsākšana parādīja, ka šis milzīgās enerģijas un tajā laikā nepilnīgi izprastais fenomens var būt bīs- tams cilvēkam un dabai. Paplašinoties izpētei, pētniecībā un kodol- ieročiem nepieciešamā urāna ieguvē un pārstrādē iesaistīto cilvēku skaits pieauga eksponenciāli, bet priekšstata par aizsardzības nepie- ciešamību no radioaktīvā starojuma un radioaktīviem elementiem faktiski nebija. Līdz ar to daudzi no radioaktivitātes izpētē un pirmo kodolieroču izstrādē iesaistītajiem cieta, bet tas, no otras puses, lika apzināties radioaktivitātes bīstamību. Pēc atombumbu nomešanas Japānā ASV mediķi uzsāka apjomīgus cietušo iedzīvotāju veselības apsekojumus, faktiski nerūpējoties par viņu ārstēšanu, tomēr arī šādi “pētījumi” sniedza vērtīgu ieguldījumu radiācijas drošības attīs- tībā. Kodolieroču lietošanas sekas un tas, ka lielvalstis (ASV, PSRS, Francija un Lielbritānija) uzsāka kodolbruņošanās sacensību, noveda pie tā, ka radās nepieciešamība izprast radioaktīvā starojuma iedar- bību uz cilvēku. Šos uzdevumus risināja zinātnes nozare radiobio- loģija, kas vienlaikus sniedz ieteikumus aizsardzībai no radioaktīvā starojuma, sekmē dozimetrijas un aizsardzības pasākumu izstrādi. Latvijas zinātnieku devums radioaktivitātes, vielas uzbūves, radioaktī­ vā starojuma iedarbības izpētē ir būtisks un sniedz ieguldījumu jaunu, praktiski nozīmīgu risinājumu izstrādē. 2. Atoma uzbūve 13 2. ATOMA UZBŪVE 2.1. Atoma kodols Atoms ir ķīmisko elementu mazākā sastāvdaļa, kurai piemīt elementam raksturīgās ķīmiskās īpašības. Atomu veido pozitīvu lādiņu nesošs atoma kodols, kuru veido protoni un neitroni, ap kuru atrodas negatīvi lādētu elektronu (elektriskais lādiņš 1,6 × 10–19 C (kuloni) mākonis (2.1. attēls). Atoma kodola diametrs ir niecīgs, salī- dzinot ar atoma izmēriem, bet tajā atrodas lielākā daļa atoma masas, piemēram, ūdeņraža atoma kodola diametrs ir 1,7 fm (1,70 × 10–15 m), bet urāna atomam tas ir 11,7 fm. Ūdeņraža atoma kodolu veidojošās elementārdaļiņas – protona – masa ir 1836 reižu lielāka nekā elek- trona miera masa. Elektronu masu, lai salīdzinātu ar citu elemen- tārdaļiņu masu, pieņem par 1. Elektronus ar atoma kodolu saista elektromagnētiskais spēks, proti, pievilkšanās starp pozitīvi lādēto atoma kodolu un negatīvi lādēto elektronu. Elektroni ap atoma kodolu atrodas kā elektronu mākonis, turklāt katra konkrētā elek- trona atrašanās vieta un kustības trajektorija nav nosakāma. 2.1. tabula. Prefiksi un to simboli noteiktu daudzkārtņu un decimāldaļu apzīmēšanai Reizinātājs Daudzkārtņi un daļas Nosaukums Simbols 1015 peta P 1012 tera T 109 giga G 106 mega M 103 kilo k 102 hekto h 10 deka da 10–1 deci d 10–2 centi c 10–3 mili m 10–6 mikro µ 10–9 nano n 10–12 piko p 10–15 femto f Kulons (C) ir elektriskā lādiņa mērvienība: viens kulons ir tāds elektriskais lādiņš, kas izplūst caur vadītāja šķērsgriezumu vienā sekundē, ja strāvas stiprums vadītājā ir viens ampērs. 14 RADIOAKTIVITĀTE 1 angstrēms (=100,000 fermi (fm)) 1 fm Pirmo atoma uzbūves modeli izstrādāja Ernests Rezerfords 1910. gadā, un tā pamatā bija pieņēmums, ka atoma kodolā koncen- trējas lielākā daļa tā masas, bet ap to izvietoti negatīvi lādētie elek- troni. Šo atoma modeli pilnveidoja Nilss Bors (Niels Bohr) postulējot, ka ap atoma kodolu elektroni kustas pa noteiktām orbitālēm. Mūsdienu atoma uzbūves modeļu pamatā ir radioaktivitātes procesu izpētes rezultātā gūtās atziņas un kvantu mehānikas kon- cepcijas, ka atoma uzbūve ir komplicēta un to veido elementārdaļi- ņas, kas savā starpā mijiedarbojas (2.2. attēls). Elementārdaļiņas (X) pieraksta šādi – AZX, kur Z – protonu skaits un A – masa. Atoma kodolu (nuklīdu) veido elementārdaļiņas (nuk- loni), no kuriem galvenie ir protons 11p, kas ir pozitīvi lādēta daļiņa, un neitrāla daļiņa – neitrons 01n. Protonu skaits atoma kodolā nosaka ap to esošo elektronu skaitu un elementa ķīmiskās īpašības, vietu elementu periodiskajā sistēmā. Tajā pašā laikā arī protoniem un neitroniem ir salikta uzbūve, jo tos veido elementārdaļiņas – kvarki, tomēr no izpratnes viedokļa par radioaktivitāti, atoma kodola stabilitāti elementārdaļiņu uzbūve detalizēti tālāk analizēta netiks. Atoma kodolu veidojošās daļiņas ir pastāvīgā mijiedarbībā, kurā aktīvi piedalās citas elementārdaļiņas, piemēram, mezoni, hiperoni un citas. Atoma kodolu veidojošo ele- mentārdaļiņu skaits ir lielāks par 200, un to izpēte aktīvi turpinās, atklājot aizvien jaunas elementārdaļiņas. Kā pēdējā laika nozīmīgu atklājumu var minēt Higsa bozona atklāšanu 2012.  gadā. Higsa bozons ir elementārdaļiņa, kas citām daļiņām piešķir masu. Atoma kodolu veidojošo daļiņu mijiedarbība, piedaloties ele- mentārdaļiņām mezoniem un citām, ir kodola stabilitātes pamatā, 2.1. attēls. Hēlija atoma uzbūve, kodola un elektronu mākoņa salīdzinoši izmēri Angstrēms ir garuma mērvienība, ekvivalenta 1/10000000000 metra jeb 10−10 m (100 pm jeb 0,1 nm). 2.2. attēls. Vienkāršota atoma kodola uzbūves shēma: atoma kodolu veido neitroni (zilā krāsā) un protoni (sarkanā krāsā) Orbitāle jeb, precīzāk, atomārā orbitāle vienkāršotā skaidrojumā ir tā telpas daļa ap atoma kodolu, kur elektrona atrašanās vieta ir visvarbūtīgākā. Neitrona masa ir 1,674927471 × 10−27 kg, bet tā rādiuss ir ~ 0,8 × 10−15 m jeb 0,8 fm. 2. Atoma uzbūve 15 un to nosaka stiprās mijiedarbības spēks starp kodolu veidojošajām elementārdaļiņām. Stiprās mijiedarbības spēki ir vieni no četriem fundamentālajiem spēkiem dabā: 1. Stiprā jeb hadronu mijiedarbība (hadroni sastāv no kvarkiem, kurus kopā satur gluoni, tādēļ hadroni ir saliktās daļiņas) satur kopā kvarkus protonu un neitronu sastāvā un atomu kodolā protonus un neitronus. Stiprās mijiedarbības spēki ir tuvas un spēcīgas mijiedarbības spēki, kas nodrošina kodolu stabilitāti un ir ~ 40 reizes spēcīgāki par elektromagnētiskās atgrūšanās spēkiem, kas pastāv starp vienādi pozitīvi lādē- tām daļiņām – protoniem, bet to darbības rādiuss ir 10–13cm, respektīvi, daudz nepārsniedz atoma kodola diametru. Aptuveni vērtējot, atoma kodolā stiprās mijiedarbības spēki ir 137 reizes spēcīgāki par elektromagnētiskās iedarbības spē- kiem un ~ 1038 reizes spēcīgāki nekā gravitācijas spēki. Tomēr, ja atoma kodolu veidojošo elementārdaļiņu attiecības nav optimālas, stiprā mijiedarbība vairs nevar nodrošināt kodola stabilitāti. 2. Elektromagnētiskās mijiedarbības spēki realizējas ar elek- tromagnētiskā lauka starpniecību un pastāv starp daļiņām, kuras ir lādētas vai kurām piemīt magnētiskais moments. Elektromagnētiskās mijiedarbības spēku nesējs ir fotons. 3. Vājās mijiedarbības spēki ir vājāki par stiprās un elektromag- nētiskās mijiedarbības spēkiem, tie izpaužas izmēros, kas ir salīdzināmi ar atoma kodolu un nosaka elementārdaļiņu savstarpējās pārvērtības, piemēram, β sabrukšanu. Vājās mijiedarbības spēku nesēji ir elementārdaļiņas bozoni. 4. Gravitācijas spēki, salīdzinot ar iepriekš minētajiem, ir vis- vājākie, bet tie darbojas lielos attālumos un procesus atomos neietekmē. Gravitācijas spēku hipotētiska nesējdaļiņa ir gravitons. Citas elementārdaļiņas, kuras veidojas atoma kodolu pārvēr- tību procesā, ir neitrīno – neitrāla daļiņa, kuras masa ir 500 reižu mazāka nekā elektrona masa. Mezoni ir nestabilas elementārda- ļiņas, kuri var būt neitrāli vai ar pozitīvu vai negatīvu lādiņu un veidojas atomu kodolu pārvērtībās. Reakcijās, kuras notiek ar atoma kodolu, var veidoties arī antiviela, piemēram, elektrona antidaļiņa – pozitrons. Vielai un antivielai (elektronam un pozitronam) saduro- ties, notiek anihilācija, proti, daļiņu masa pārvēršas enerģijā: vei- dojas elektromagnētiskais starojums (2 vai vairāk fotoni) un izdalās enerģija. Atoma kodola uzbūves izpēte mūsdienās ir kodolfizikas pētī- jumu objekts un viena no joprojām aktuālām fizikas, kvantu mehā- nikas un citu zinātņu izpētes jomām. Kā izpētes metodes tiem izmantotas augstas enerģijas daļiņu īpašības, un šiem pētījumiem Radioaktivitātes izpēte radīja pilnīgi jaunus priekšstatus par vielas, atoma uzbūvi un kardināli ietekmēja fizikas un daudzu citu zinātņu priekšstatus par vielas, Visuma uzbūvi. Izpratne par atoma ko­ dola stabilitāti joprojām ir aktīvas izpētes objekts. Tajā liela nozīme ir starptautiskas sadarbības projektos izveidotām iekārtām, kurās iespējams pārbaudīt teorētiskas atziņas. Tāds, piemēram, ir Lielais hadronu (pret­ kūļu) paātrinātājs (angļu val. Large Hadron Collider). Pozitrons jeb antielek­ trons ir elektrona anti­ daļiņa, tā lādiņš ir pretējs elektronam (+1), bet masa tāda pati kā elektronam. 16 RADIOAKTIVITĀTE ir liela nozīme gan izpratnes izveidei par procesiem Visumā, tā izcel- šanos, gan arī lai attīstītu jaunus zināšanu lietojumus. Nozīmīgs ins- truments šajos pētījumos ir daļiņu paātrinātāji, īpaši Lielais hadronu paātrinātājs (2.3. attēls), kas tika izbūvēts Eiropas Kodolpētniecības centra projekta laikā, piedaloties vairāk nekā 10 000 zinātniekiem no simtiem laboratoriju un universitāšu visā pasaulē. Šis paātrinā- tājs atrodas uz Francijas un Šveices robežas, un to veido 27 km garš paātrinātāja tunelis (175 m dziļumā), kurā daļiņas tiek paātrinā- tas līdz enerģijai ar kārtu teraelektronvoltu (TeV), turklāt var tikt paātrināti ne tikai protoni, bet arī smagu atomu, piemēram, svina atoma, kodoli. Pētot daļiņu sadursmi, iespējams iegūt zināšanas par atoma kodolu veidojošo elementārdaļiņu īpašībām un atomu kodola uzbūvi. 2.2. Izotopi Elementus ar vienādām ķīmiskajām īpašībām, bet dažādu atom- masu sauc par izotopiem. Izotopu apzīmēšanai lieto elementa (X) vietu periodiskajā sistēmā (Z), kas ir arī protonu skaits, un atom- masu (A), kuru nosaka protonu un neitronu masu summa. Elementu izotopu apzīmējumus pieraksta šādi: AZX, piemēram, 23290X. Viena elementa izotopiem to apzīmēšanai var izmantot tikai atommasu, kas parāda neitronu skaita mainību (protonu skaits, kas nosaka elementa identitāti, ir nemainīgs), piemēram, 39K, 40K, 41K. Izotopu pierakstam vienkāršības labad izmanto elementa nosaukumu un atommasu, piemēram, urāns-235, urāns-238. 2.3. attēls. Lielā hadronu paātrinātāja sektors 2. Atoma uzbūve 17 Izotopu ķīmiskās īpašības ir ļoti līdzīgas, un līdz ar to izotopu sadalīšana ir viens no tehnoloģiju būtiskiem izaicinājumiem, bet, piemēram, urāna izotopu atdalīšanai (235U no 238U) tas ir sekmīgi atrisināts, lai iegūtu izotopu (urāns-235), kas izmantojams kodolie- roču, kā arī kodolenerģijas ražošanai – urāna bagātināšanai. Izotopu atdalīšanai tiek izmantota niecīgā starpība izotopu atommasā un tas, ka šīs masas atšķirības nosaka smagākā izotopa savienojumu lielāku inerci, lēnāku kustību caur membrānām un citas no masas atkarīgas īpašības. Izotopu atdalīšanai izmanto elementa pārvēr- šanu gaistoša savienojuma veidā un atšķirīgus izotopus saturošo savienojumu difūziju, centrifugēšanu vai atšķirīgu jonizāciju pēc ierosināšanas ar lāzera starojumu. Analītiski izotopu sastāvu nosaka, pētot to sabrukšanas rezul- tātā veidoto starojumu vai izmantojot masas spektrometriju, respek- tīvi, nosakot konkrētā izotopa masu. Atkarībā no protonu un neitronu attiecības dažādi izotopi ir ar atšķirīgu stabilitāti, kuru raksturo to sabrukšanas (pussabrukšanas) laiks. Kopā ir zināmi 3339 izotopi, no kuriem 905 ir stabili vai ar pus- sabrukšanas laiku, kas ir ilgāks par 60 minūtēm. Elementu izotopi ir izveidojušies, veidojoties Saules sistēmai, – tādi ir 286. Šādu izotopu piemēri ir 12C, 13C. Ir izotopi, kas veidojas Zemes atmosfērā kosmiskā starojuma iedarbībā, piemēram 14C un citi, bet ir atrodami izotopi, kas veidojušies kodolieroču izmēģinājumu rezultātā, kodolavāriju rezultātā, nokļūstot vidē radioaktīviem atkritumiem, piemēram, 137Cs. Protams, ir arī ļoti ātri sabrūkoši elementu izotopi, kas eksistē kā starpprodukti kodolpārvērtībās, piemēram, skābekļa izotopa 27O pussabrukšanas laiks ir 1,5 × 10–15 sekundes. Ūdeņraža izotopiem ir piešķirti nosaukumi (2.4. attēls): protijs (kodolu veido viens protons), deitērijs (kodolu veido protons un neit- rons) un tritijs (kodolu veido protons un divi neitroni). Protijs un deitērijs ir stabili izotopi, bet tritijs, kas veidojas kosmiskā starojuma iedarbībā, ir ar pussabrukšanas laiku 12,3 gadi. e p n e p e n np H 1 1 H 2 1 H 3 1 Protijs Deitērijs Tritijs 2.4. attēls. Ūdeņraža izotopi: protijs, deitērijs, tritijs Izotopi ir atomi, kuru kodolos ir vienāds skaits protonu, bet dažāds skaits neitronu. Nozīmīgi oglekļa izotopi ir 96C, 10 6C, 11 6C, 12 6C, 13 6C, 14 6C, 15 6C, 16 6C, bet no tiem tikai 12 6C, 13 6C ir stabili izotopi. Izotoni ir atomi, kuru kodolos ir vienāds neitronu skaits, piemēram, 136C, 12 5B satur vienādu neitronu skaitu – 7. Izobāri ir atomi ar vienādu masu, bet atšķirīgu protonu un neitronu skaitu, piemēram, 40S, 40K, 40Ar, 40Ca ir izobāri. 18 RADIOAKTIVITĀTE Mūsdienās pieaug izotopu izmantošana. Ja urāna izotopu atda- līšana un bagātināšana ar 235U tiek īstenota rūpnieciskos apjomos (2.5. attēls) kodolvalstīs un valstīs, kas vēlas iegūt savā rīcībā kodol- ieročus, tad arī daudzi citi izotopi tiek ražoti konkrētiem izmanto- šanas mērķiem. Citi izotopi, kuru atdalīšana tiek veikta rūpniecis- kos mērogos, ir ūdeņraža izotopi, vispirms deitērijs (smagais ūdens D2O) un litijs-6, kurus abus izmanto vai nu kodolenerģētikā, vai atombumbu ražošanā. Izotopu ražošanā izmanto kodolreaktorus un daļiņu paātrinātājus  – ciklotronus. Izmantojot ciklotronus, iegūst tehnēcija izotopu 99Tc, kura galvenā lietojuma joma ir medi- cīna, gallija izotopu 67Ga, kuru izmanto vēža diagnostikā. Lietojot kodolreaktorus, iegūst, piemēram, joda izotopu 131I, kuru izmanto vairogdziedzera saslimstības diagnostikā un ārstēšanā. Nozīmīga izotopu lietošanas joma ir defektoskopija, proti, defektu konstatēšana metālā, stiklā, citos materiālos, kuru kvali- tātei pastāv augstas prasības. Šādu defektu konstatēšanai var tikt praktizēta materiālu pārbaude ar γ starojumu, par kura avotu var izmantot, piemēram, 60Co. Mūsdienās aizvien pieaug gan vielu izo- topu sastāva izpēte, gan arī dažādu izotopu izmantošana. Stabilo izotopu sastāva un to attiecību analīze tiek izmantota, lai pētītu H, C, N, O izotopu sastāvu dažādos pārtikas produktos, augos, lai noteiktu to augšanas apstākļus, raksturotu pārtikas produktu izcelsmes autentiskumu, bet skābekļa stabilo izotopu 18O/16O attie- cības tiek izmantotas pagātnes klimata izpētē. Zemes klimatam kļūstot siltākam, ūdens un arī augu masa, nogulumieži bagātinās 2.5. attēls. Gāzes centrifūgu kaskāde urāna-235 atdalīšanai no urāna-238 (ASV, Ohaio, Piketona) 2. Atoma uzbūve 19 ar augstākas atommasas izotopu (18O) un līdz ar to abu izotopu attiecības mainās, bet, izmantojot izotopu attiecības kalibrāciju attiecībā pret temperatūru, iespējams ar augstu precizitāti noteikt, kāds bijis klimats pagātnē. Ekoloģijas pētījumos oglekļa un slāpekļa izotopu attiecības izmanto, lai pētītu dzīvnieku barošanās režīmu. Izotopu sastāvu plaši izmanto datēšanā, arheoloģijā. Vairākas spektroskopijas metodes pamatojas uz izotopu, kuriem ir nepāra skaits protonu atoma kodolā, daudzuma un to izturēšanās izpēti. Pie šādām metodēm pieder kodolmagnētiskā rezonanse, kurā tiek pētīta 1H, 15N, 13C, 31P un citu izotopu izturēšanās organisko vielu, dzīvo organismu sastāvā. Tomēr visplašāk izotopi tiek izmantoti medicīnā, diagnostikā, terapijā. Viena no izpētes metodēm, kas tiek izmantota bioloģijā, lauksaimniecībā, medicīnā, ir iezīmēto atomu metode. Pēc šīs metodes organismā tiek ievadīts neliels daudzums izotopa, ar kuru iespējams sekot notiekošajām pārvēr- tībām. Kā iezīmētos atomus var izmantot oglekļa, fosfora, sēra vai citu elementu izotopus, bet pēc tam, analizējot to pārvietošanos dzīvajā organismā, var iegūt priekšstatu gan par reakcijām, kurās organismu veidojošie elementi iesaistās, gan arī par to kustību, uzkrāšanos noteiktos orgānos, kā arī to, kā šie elementi mainās slimību rezultātā. 2.3. Atomu kodolu stabilitāte Atomu kodolu stabilitāti ietekmē to veidojošo nuklonu attie- cības: protonu un neitronu skaits, kas savukārt nosaka saistības enerģiju starp atoma kodolu veidojošajiem nukloniem. Stabili atomu kodoli ir tādi, kuri, ja nenotiek ārēja iedarbība, neizmainās, nesa- brūk. Tādi ir, piemēram, ūdeņraža atoma kodols, kuru veido 1 pro- tons, hēlija atoma kodols, kuru veido 2 protoni un 2 neitroni, skā- bekļa-16 atoma kodols, kuru veido 8 protoni un 8 neitroni, bet stabili ir arī augstākas masas elementu atomu kodoli, piemēram, svins-208, kura atoma kodolu veido 82 protoni un 126 neitroni. Nestabili atomu kodoli sabrūk, izdalot enerģiju, elementārdaļiņas vai elektromag- nētisko starojumu, turklāt šis sabrukšanas process nav atkarīgs no ārējas iedarbības – sabrukšana notiek spontāni. Nestabilie atomu kodoli ir radioaktīvi. Vieglākajiem elementiem (Z < 20) stabilus nuk- lonus veido apmēram vienāds protonu un neitronu skaits Pieaugot protonu skaitam atomu kodolos, pieaug elektromagnētiskās atgrūša- nās spēku intensitāte un kodolu stabilitāti nodrošina neitronu skaita straujāks pieaugums, salīdzinot ar protonu skaitu, stabilo izotopu atomu kodolu sastāvam novirzoties no protons : neitrons attiecības 1 : 1 (2.6. attēls). Radioaktīvo elementu izotopu lietojums dažādās tehnoloģijās, medicīnā, tautsaimnie­ cībā vispār ir nozīmīgs un neaizvietojams ar citiem risinājumiem. Izstrādātām to izmantošanas metodēm ir augsta drošība, un, pateicoties tam, radioaktī­ vo elementu lietojums nemitīgi pieaug. 20 RADIOAKTIVITĀTE 126 82 82 50 50 28 28 14 14 6 6 N Neitronu skaits β+ β– α Kodolu spontānā dalīšanās Protoni Neitroni Stabilie nuklīdi Nezināms ZProtonu skaits Kodolu sabrukšanas veids Pieaugot protonu skaitam kodolā, stabilos atomu kodolos neit- ronu skaits pieaug ātrāk. Kodolu stabilitāti ietekmē arī tas, vai pro- tonu un neitronu skaits ir pāra vai nepāra, ko atkal nosaka kodolu veidojošo elementārdaļiņu savstarpējās mijiedarbības procesi. Savu- kārt elementiem, kuru kārtas skaitlis pārsniedz 82, stabili atomu kodoli nav novērojami. Atomu kodolu stabilitāti raksturo arī saites enerģija starp kodolu veidojošajiem nukloniem. Tā strauji pieaug elementiem līdz 16O, bet, sākot no elementa ar kārtas skaitli 56 (56Fe), sāk 2.6. attēls. Atomu kodolu stabilitāte atkarībā no to veidojošo nuklonu sastāva un nestabilo kodolu sabrukšanas veids . Melnā krāsā – stabilie nuklīdi 2. Atoma uzbūve 21 samazināties (2.7. attēls), tātad stiprās mijiedarbības spēku spējas saturēt kodolu veidojošos nuklīdus sarūk un atoma kodoli kļūst mazāk stabili. Elementam radonam (Rn) un vairākiem citiem stabili izotopi vispār nav sastopami. Elementiem ar augstāku atommasu saistības enerģija starp nuk- loniem ir mazāka par 8 MeV, un to stabilitāte ir zema. U 235 U 238 Fe 56O 16 C 12 He 4 Li 6 Li 7 He 3 H 3 H 2 H 1 Nuklonu skaits kodolā N uk lo nu īp at nē jā s ai te s en er ģi ja (M eV ) 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 2.7. attēls. Saistības enerģija starp atomu kodolu veidojošajiem nukloniem atkarībā no to skaita kodolā 3. Atomu kodolu dalīšanās un kodolreakcijas 23 3. ATOMU KODOLU DALĪŠANĀS UN KODOLREAKCIJAS 3.1. Atomu kodolu stabilitāte Vārds “atoms” ir cēlies no sengrieķu valodas (ăτομος, atomos – ‘nedalāms’), un ar to apzīmēja mazāko, vielu veidojošo, nedalāmo daļiņu. Tomēr radioaktivitātes atklāšana parādīja, ka atomu veido kodols un elektroni, turklāt kodoli var dalīties vai iesaistīties reak- cijās, kurās piedalās kodolu veidojošās daļiņas. Kodolu dalīšanās rezultātā var veidoties citi ķīmiskie elementi ar mazāku masu, izdalīties enerģija un kodolu veidojošās un citas elementārdaļiņas. Atomu kodolu dalīšanās var notikt spontāni – neatkarīgi no ārējās iedarbības atoma kodols var sabrukt. Nestabilus atomu kodolus (elementus) sauc par radioaktīviem. Tomēr kodolu dalīšanos var ierosināt, tos apstarojot, piemēram, ar neitronu plūsmu, respektīvi, izmainot protonu un neitronu attiecības atoma kodolā un samazinot kodolu stabilitāti. Šādu procesu sauc par kodolu skaldīšanu. Radioaktīvā sabrukšana ir nejaušs (stohastisks  – tāds, kuru var aprakstīt, izmantojot varbūtību teoriju) process atoma līmenī, respektīvi, nav iespējams paredzēt, kad nestabilais kodols sabruks. Tomēr ir iespējams paredzēt, kad noteiktā laikā atomu kodoli sabruks. Radioaktīvās sabrukšanas intensitāti laikā, piemēram, vienā sekundē, var izteikt kā daļu no kopējās elementa radioaktivi- tātes, un to apzīmē par radioaktīvās sabrukšanas konstanti λ. Radioaktīvas vielas atomu skaits N, kas sabrūk laika vienībā t, apraksta vienādojums (1): –dN dt = λN (1) Integrējot šo vienādojumu, iegūstam vienādojumu (2), kuru izmantojot varam aprēķināt elementa radioaktivitāti jebkurā laika momentā: N = N0–λt (2) Vienādojums (2) parāda, ka radioaktīvo elementu sabrukšanai ir eksponenciāls raksturs. Elementu sabrukšanas ātruma raksturo- šanai izmanto jēdzienu t½ – pussabrukšanas laiks, kas ir laiks, kurā sabrūk puse elementa atomu (3.1. attēls). Pilnas sabrukšanas laiks ir ievērojami garāks par pussabrukšanas laiku. N N/2 N(t) N/4 N/8 1t½ 2t½ 3t½ 4t½ 5t½ 3.1. attēls. Radioaktīvo elementu sabrukšanas raksturs laikā, N – atlikušie atomi; t½ – pussabrukšanas laiks 24 RADIOAKTIVITĀTE 3.1. tabula. Elementu izotopu pussabrukšanas laiks un veids Elements Lēni sabrūkoši izotopi Elements Ātri sabrūkoši izotopi Pussabrukšanas periods, miljardi (109) gadu Sabrukšanas veids Pussabrukšanas periods Sabrukšanas veids 40K 1,27 β 3H 12,5 gadi β 87Rb 47 β 14C 5720 gadi β 138La 110 β 60Co 5,3 gadi γ 235U 0,71 α 89Sr 54,5 dienas β 238U 4,5 α 131I 8,0 dienas γ 204Pb 1,4 × 108 α 137Cs 30,0 gadi γ – radioaktīvi elementi, kuru pussabrukšanas laiks ir apmēram diena un kuru izmantošana var radīt drošības riskus – radioaktīvi elementi, kuru pussabrukšanas laiks ir ilgāks par 500 gadiem un kuri tiek izmantoti – radioaktīvi elementi, kuru stabilāko izotopu pussabrukšanas laiks ir ilgāks par 1 000 000 gadiem – ļoti nestabili elementi, kuri tiek izmantoti tikai pētniecības nolūkiem 1 H 3 Li 11 Na 55 Cs 87 Fr 119 Uue 4 Be 12 Mg 56 Ba 88 Ra 72 Hf 73 Ta 74 W 104 Rf 105 Db 106 Sg * ** 75 Re 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 107 Bh 108 Hs 109 Mt 110 Ds 111 Rg 112 Cn 2 He 10 Ne 18 Ar 86 Rn 118 Og 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl 19 K 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn 36 Kr 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 113 Nh 114 Fl 115 Mc 116 Lv 117 Ts 57 La 89 Ac 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 90 Th 91 Pa 92 U 93 Np 94 Pu 63 Eu 95 Am 64 Gd 96 Cm 65 Tb 97 Bk 66 Dy 67 Ho 99 Es 68 Er 100 Fm 69 Tm 101 Md 70 Yb 102 No 71 Lu 103 Lr 98 Cf 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 54 Xe 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 53 I III IV V VI VII VIIII II 2 3 4 5 6 7 1 8 – stabili elementi Radioaktīvo elementu sabrukšanas laiks ievērojami atšķi- ras tāpat kā tas, kāda veida daļiņas izdalās sabrukšanas rezul- tātā (3.1.  tabula). Piemēram, oglekļa-14 pussabrukšanas laiks ir 5720 gadi, bet minūtē 1 gramā šī oglekļa izotopa notiek 14 sabruk- šanas reakcijas, tomēr pilnīga sabrukšana notiek tikai aptuveni 10 356 gados. 3.2. attēls. Elementu periodiskā sistēma, ņemot vērā to stabilāko izotopu pussabrukšanas laiku 3. Atomu kodolu dalīšanās un kodolreakcijas 25 3.2. tabula. Kopsakarības starp elementu pussabrukšanas laiku un aktivitāti Izotops Pussabrukšanas periods Nuklīda īpatnējā aktivi-tāte, Bq/mg Sabrukšanas veids 131I 8 dienas 4 600 000 000 β 137Cs 30 gadi 3 200 000 000 β 239Pu 24 110 gadu 2 300 000 β 235U 704 000 000 gadu 80 α β 238U 4 468 000 000 gadu 12 α β 232Th 14 050 000 000 gadu 4 α β Radioaktīvo elementu pussabrukšanas laiks var mainīties no sekundes miljonām daļām līdz pat laikam, kas pārsniedz Zemes vecumu, turklāt – jo īsāks ir pussabrukšanas laiks, jo lielāks skaits elementa atomu sabrūk – tā radioaktivitāte ir augstāka: vienā laika vienībā izdalās vairāk kodola sabrukšanas daļiņu un enerģijas (3.3. attēls, 3.2. tabula). Radioaktīvo elementu sabrukšanu raksturo arī tās veids, re spektīvi, tas, kādas daļiņas un cik daudz enerģijas izdalās sabruk- šanas rezultātā. Nosakot radioaktīvo elementu izotopu sastāvu un zinot to pus- sabrukšanas laiku, iespējams noteikt laiku t, kad konkrētais objekts veidojies: t = –t½log2 NN0 (4) Radioaktīvā elementa pussabrukšanas laiks nav atkarīgs no temperatūras, spiediena, vides, kurā paraugs atrodas, un līdz ar to, nomērot radioaktīvā elementa koncentrāciju un tā elementa kon- centrāciju, kas veidojas sabrukšanas rezultātā, paraugu var datēt – noteikt, kad tas ir veidojies. Arheoloģijā plaši izmanto datēšanu, nosakot oglekļa-14 daudzumu organisko vielu (oglekli) saturošos paraugos, bet ģeoloģijā izmanto: Š urāna-235 vai 238 – svina-206 datēšanu. Urāna-238 pussa- brukšanas laiks ir 4,47 miljardi gadu, veidojoties svinam-206. Nosakot urāna un svina savienojumu daudzumu paraugā, iespējams noteikt to vecumu, un līdz ar to šī metode izman- tojama Zemes veidošanās procesu izpētē, turklāt vecuma noteikšanas kļūda ir mazāka par 0,1%. Izmantojot šo metodi, amerikāņu ģeoķīmiķis Klērs Kemerons Petersons (Clair Cameron Patterson) noteica Zemes vecumu; Š kālija-40 – argona-40 datēšanu. Kālija-40 pussabrukšanas laiks ir 1,27 miljardi gadu, un līdz ar to šo metodi var izman- tot iežu vecuma izpētei; Š rubīdija-87 – stroncija-87 metodi. 3.3. attēls. Plutonija-238 dioksīds, pateicoties intensīvai sabrukšanas procesā izdalītai enerģijai, uzkarst un spīd . Svarīgākie trīs plutonija izotopi ir 238Pu, 239Pu un 244Pu 26 RADIOAKTIVITĀTE 3.2. Radioaktivitātes, radioaktīvo elementu un to pārvērtību aprakstam izmantotās mērvienības Radioaktivitātes raksturošanai tiek izmantotas relatīvi daudzas mērvienības. To nosaka tas, ka radioaktīvo starojumu veido elektro- magnētiskais starojums (γ stari) un daļiņu plūsma (β un α starojums, neitronu plūsma), turklāt starojuma iedarbību raksturo tā enerģija. Savukārt radioaktīvos elementus un to pārvērtības raksturo to intensitāte (sabrukšanas gadījumu skaits laikā) un citi parametri. Citas kategorijas iedarbību veids ir radioaktīvā starojuma iedar- bības intensitāte uz dzīvo organismu. Faktors, kas ietekmē to, ka radioaktivitātes aprakstam tiek izmantotas daudzas mērvienības, kuras neietilpst Starptautiskajā mērvienību sistēmā jeb SI (franču val. Système International d’unités), ir saistīts ar to, ka radioaktivitā- tes izpēte jau kopš Otrā pasaules kara tika saistīta ar kodolieroču izstrādi un tāpēc tika veikta slepeni, attīstot kodollielvalstīs savas mērvienību sistēmas, kuras, piemēram, ASV, Krievijā, Francijā, jo projām tiek izmantotas. Mūsdienās radioaktivitātes raksturošanai galvenokārt tiek izmantotas SI mērvienības, tomēr radioaktīvā starojuma enerģijas raksturošanai plaši lieto ārpussistēmas mērvienību elektronvo- lts  (eV). Elektronvolts ir enerģija, kuru iegūst elektrons, tam paāt- rinoties elektrostatiskajā laukā ar potenciālu starpību 1 volts (V), respektīvi, starp elektrodiem, starp kuriem potenciāla starpība ir 1 V. Radioaktivitātes raksturošanai bieži izmanto mērvienību daudzkārtņus: parasti lieto elektronvolta daudzkārtņus – kilo (103), mega (106), giga (109), tera (1012). SI radioaktivitātes mērvienība bekerels (Bq) ir nosaukta franču fiziķa Anrī Bekerela vārdā un raksturo radioaktīvās sabrukšanas intensitāti, respektīvi, 1 bekerels ir tāda radioaktīvā elementa aktivi- tāte, kurā 1 sekundē notiek viena atoma kodola radioaktīvā sabruk- šana. Viena bekerela aktivitāte ir ļoti maza, piemēram, cilvēka orga- nismā tipiski ietilpst 0,0169 g kālija izotopa 40K, no kuriem sekundē sabrūk 4400 atomu, tātad radioaktīvās sabrukšanas aktivitāte ir 4400 Bq. Līdz ar to radioaktivitātes raksturošanai izmanto bekerela daudzkārtņus – kilobekerelu (kBq), megabekerelu (MBq). Radioak- tivitātes raksturošanai joprojām plaši tiek izmantota ārpussistēmas mērvienība kirī (Ci), kura nosaukta par godu Pjēram Kirī un Marijai Sklodovskai-Kirī. Viens kirī ir radioaktivitātes daudzums, kas izdalās, sabrūkot 1 gramam rādija (226Ra). Mērvienības saista šādas sakarības: 1 Ci = 3,7 × 1010 Bq = 37 GBq. Retāk izmanto ārpussistēmas mērvie- nību rezerfords (Rd), kas atbilst 1 000 000 Bq. Mērvienību bekerels izmanto arī, lai raksturotu kopējo radioaktīvo elementu daudzumu, Volts (V) ir elektriskā sprieguma mērvienība, kas nosaukta par godu itāļu fiziķim Alesandro Voltam (1745–1827). Viena volta spriegums ir, ja vadītājā, plūstot vienu ampēru (A) stiprai strāvai, tiek patērēts viens vats (W) jaudas. Džouls (J) ir enerģijas mērvienība, kas nosaukta par godu angļu fiziķim Džeimsam Preskotam Džoulam (1818–1889). 1 džouls ir darbs, ko 1 ņūtonu liels spēks veic 1 metru garā ceļa posmā. Vats (W) ir jaudas mērvienība. 1 vats ir jauda, pie kuras 1 sekundes laikā tiek paveikts 1 džoulu liels darbs. 3. Atomu kodolu dalīšanās un kodolreakcijas 27 kas nokļūst vidē, piemēram, Japānas pilsētā Hirosimā nomestās atom- bumbas sprādziena rezultātā vidē nokļuva 8 × 1024 Bq radioaktivitātes. Radioaktīvā starojuma iedarbību raksturo ne tikai enerģijas plūsma, bet arī daudzums, kas tiek uzņemts – absorbēts starojuma iedarbības rezultātā. Absorbētās dozas mērvienība SI sistēmā ir grejs (Gy). Tā nosaukta par godu britu fiziķim Luisam Haroldam Grejam (Louis Harold Gray). Vienu greju liela absorbētā doza ir tādam jonizējošajam starojumam, ar kuru, apstarojot 1 kg vielas, tiek absor- bēts 1 džouls (J) enerģijas (J/kg). Vienlaikus jāatzīmē, ka jonizējošā starojuma spējas ietekmēt dzīvos audus, tos jonizējot, atšķiras, jo atkarībā no starojuma veida tam ir dažāda enerģija, bet atšķiras arī starojuma daļiņu ceļa garums (staru treks) audos. Līdz ar to staro- juma bioloģiskās kvalitātes raksturošanā absorbēto devu raksturoša- nai izmanto tā saucamo kvalitātes faktoru (KF), kas parāda, cik reižu konkrētā starojuma bioloģiskās iedarbības raksturs ir lielāks par γ starojuma bioloģiskās iedarbības intensitāti. Rentgenstaru, γ staru un β staru kvalitātes faktors ir 1, neitronu plūsmas (atkarībā no to enerģijas) KF = 5–10, bet α daļiņu plūsmas KF = 20. Ārpussistēmas mērvienība ir rads (rad): 1 rad = 0,01 Sv. Lai vērtētu radioaktīvā starojuma iedarbību uz dzīvajiem organismiem, vispirms uz cilvēku, respektīvi, starojuma iedarbī- bas risku uz konkrētu orgānu, kā arī risku veidoties mutācijām sekojošās divās paaudzēs, tiek izmantots jēdziens “efektīvā doza”. Efektīvās dozas noteikšanas pamatā ir pieņēmums, ka bioloģisko un ģenētisko bojājumu varbūtība ir proporcionāla starojuma dozai. Cits jēdziens – “ekvivalentā doza” – raksturo zemas intensitātes jonizējošā starojuma risku tā iedarbības rezultātā veidoties ļaunda- bīgajiem audzējiem un ģenētiskām mutācijām. SI sistēmā jonizējošā starojuma efektīvās un ekvivalentās dozas mērvienība ir zīverts (Sv), kas nosaukta par godu zviedru fiziķim un radiobiologam Rolfam Maksimiliānam Zīvertam (Rolf Maximilian Sievert) (3.4.  attēls). Zīverta dimensija ir J/kg. Starojuma jaudas noteikšana ir pamatā dozimetrijai un aizsardzībai no radiācijas kaitīgās iedarbības. Staro- juma dozas bieži izsaka laikā, kurā cilvēks ir bijis pakļauts starojuma iedarbībai, piemēram, stundā vai gadā. Zīverts ir ļoti liela doza, un biežāk izmanto mērvienību milizīverts (mSv – 10–3 Sv) vai mikro- zīverts (μSv – 10–6 Sv). Ir novērtēts, ka globāli vidējā dabiskā staro- juma doza cilvēkam ir 2,4 mSv gadā, bet, piemēram, Somijā, kuras vidē bieži sastopami pamatklintāja ieži, dabiskais radiācijas fons ir augstāks un veido 8 mSv gadā. Ģeoķīmisku anomāliju reģionos dabiskā starojuma devas var būt ievērojami augstākas, piemēram, monacītu (satur toriju un urānu) saturošo smilšu Guarapari pludma- lēs (Brazīlija) radītā doza ir 800 mSv gadā. Vienlaikus kodolavāriju, kodolizmēģinājumu laikā cietušie ir saņēmuši starojuma dozas pat līdz 50 Sv, kas rada akūtu staru slimību un nāvi. Jonizācija ir neitrālu atomu vai molekulu pārvēršanās lādētās daļiņās – jonos. Ra­ dioaktīvais starojums rada vielas jonizāciju. 3.4. attēls. Rolfs Maksimiliāns Zīverts – zviedru radiobiologs, kas pētīja radioaktīvā starojuma iedarbību uz dzīvajiem organismiem 28 RADIOAKTIVITĀTE 3.3. Radioaktīvās sabrukšanas veidi Radioaktīvā sabrukšana ir process, kurā nestabili atomu kodoli sadalās, izdalot enerģiju un elementārdaļiņas, kā arī jaunus elemen- tus. Radioaktīvo sabrukšanu var izraisīt neitronu plūsma, un tad šo procesu sauc par kodolu skaldīšanu, bet nestabili atomu kodoli var sabrukt bez ārējas iedarbības – tā ir kodolu spontānā dalīšanās. Dabiskā radioaktivitāte ir tipisks atomu kodolu sabrukšanas pie- mērs, kuru nosaka uz Zemes tās izveidošanās momentā esošie ele- mentu kodoli. Stabilus atomu kodolus var pārvērst par nestabiliem, tiem pievadot enerģiju, iekļaujot to sastāvā neitronus (bombardējot atomu kodolus ar neitronu plūsmu) vai citādi iedarbojoties. Šāda veida pārvērtības apzīmē par mākslīgo radioaktivitāti. Radioaktī- vās sabrukšanas rezultātā var veidoties atomu kodoli ar mazāku protonu skaitu (jauni elementi), var izdalīties elektromagnētis- kais starojums, enerģija, elektroni, antidaļiņas vai pat lieli atomu fragmenti. Ir zināmi vairāk nekā 10 dažādi radioaktīvās sabrukšanas veidi, kuri atšķiras pēc daļiņu veida, kas izdalās sabrukšanas rezultātā, vai pēc procesiem, kuri notiek atoma kodolā. Piemēram: Š α sabrukšana notiek, kad atoma kodols emitē α daļiņas; Š β sabrukšana notiek divos veidos: a) β– sabrukšana, kad kodols emitē elektronu un antineitrīno, bet kodolā līdz ar to neitrons pārvēršas par protonu (rodas jauns elements); b) β+ sabruk- šana (pozitrona emisija), kad kodols emitē pozitronu un neit- rīno, bet protons pārvēršas par neitronu; Š γ sabrukšana notiek, atoma kodolam vispirms emitējot β vai α  daļiņas, bet kodols saglabā ierosinātu stāvokli, no kura atgriežas normālā stāvoklī, emitējot γ starojumu; Š neitronu emisija ir raksturīga atomu kodoliem, kuri satur lielu skaitu neitronu. Šādi elementi var emitēt neitronu, re spektīvi, pārvērsties par attiecīgā elementa citu izotopu; Š elektronu satveršana notiek, ja kodols satver elektronu, kas noved pie kodolā esošā protona pārvēršanās par neitronu, emitējot γ starojumu un neitrīno; Š kodolu dalīšanās, kad veidojas atomu kodoli, kas ir smagāki par α daļiņām. 3.3.1. Alfa sabrukšana un alfa daļiņas Alfa sabrukšanas rezultātā tiek emitētas α daļiņas, kuras sastāv no 2 protoniem un 2 neitroniem un ir hēlija atoma kodols (3.5. attēls). Notiekot elementu α sabrukšanai, elementa masa samazinās par 4, bet vieta elementu periodiskajā sistēmā par 2. Alfa sabrukšanas Radioaktīvās sabrukšanas veids ir atkarīgs no saistības enerģijas starp atomu kodolu veidojošajiem nukloniem, to skaita un kodolu veidojošo daļiņu sastāva. 3. Atomu kodolu dalīšanās un kodolreakcijas 29 piemērs ir 238U sabrukšana, veidojoties torijam, vai 226Ra sabrukšana, veidojoties radonam. 238 92U → 23490Th + α 226 88Ra → 22286Rn+ α Alfa daļiņu enerģija katrā sabrukšanas procesā ir atšķirīga, un tā var būt no 4 līdz 9 keV. Tā kā α daļiņu masa ir liela, to ātrums tipiski veido 4% no gaismas ātruma, bet α daļiņas, kuras sasniedz Zemi kosmiskā starojuma veidā vai arī tiek paātrinātas daļiņu paātrinātājos, var būt ar ievērojami augstāku enerģiju un ātrumu. α sabrukšana ir raksturīga elementiem ar augstu atommasu, pie- mēram, šādā veidā sabrūk urāna, torija, rādija, kā arī transurāna elementu atomu kodoli. Aktīvi α daļiņas veidojas tādu elementu kā 226Ra, 210Po, Rn sabrukšanas rezultātā. Ņemot vērā ievērojamo masu un lielo ātrumu, α daļiņu ceļa garums vidē parasti ir niecīgs, piemē- ram, atkarībā no enerģijas gaisā tas var būt tikai daži centimetri. Ūdenī un audos α daļiņas var iekļūt dažu milimetru dziļumā, līdz ar to, iedarbojoties uz cilvēku, α daļiņas tiek absorbētas ādā. Tomēr no radioaktīvā starojuma veidiem α daļiņas ir ar augstāko jonizācijas potenciālu un to iedarbība kļūst īpaši bīstama, ja notiek organisma iekšējais apstarojums, respektīvi, cilvēka organismā ir nokļuvuši radioaktīvie elementi, kuriem raksturīgs α sabrukšanas veids. Ir novērtēts, ka α daļiņu radītie hromosomu bojājumi ir 10–1000 reižu lielāki nekā γ vai β starojuma iedarbības rezultātā veidotie. Risks veidoties ļaundabīgajiem audzējiem α daļiņu iedarbības rezultātā tiek vērtēts 20 reižu augstāks nekā γ staru iedarbības rezultātā. Alfa daļiņām tomēr ir arī praktisks lietojums. α daļiņas, piemē- ram, izmanto dūmu detektoros. Detektora sastāvā ietilpst niecīgs daudzums amerīcija-241 izotopa, kuram sabrūkot veidotās α daļiņas jonizē gaisu, un līdz ar to gaiss kļūst elektrovadošs. Dūmu daļiņas sorbē α daļiņu, un tāpēc strāvas plūsma tiek pārtraukta un iedarbo- jas skaņas signalizācija. α sabrukšanas rezultātā veidotā enerģija var tikt lietota kā elektriskās enerģijas avots radioizotopu termoelek- triskajos ģeneratoros kosmosa tehnoloģijās. 223Ra, 224Ra veidotais α starojums tiek izmantots vēža ārstēšanā, jo, lietojot šos elemen- tus, var tikt nodrošināta audzēja apstarošana no tuvas distances (piemēram ~ 100 µm), neskarot blakus esošos audus, bet iedarbojo- ties primāri uz audzēju. 3.3.2. Bēta sabrukšana un bēta daļiņas Bēta sabrukšana ir atoma kodola pārvērtības, kuru rezultātā izdalās augstas enerģijas elektronu vai to antidaļiņu (pozitronu) α 3.5. attēls. Atoma kodola sabrukšana, emitējot α daļiņu 30 RADIOAKTIVITĀTE plūsma. Izšķir β– sabrukšanu, kad kodols emitē elektronu un anti- neitrīno, bet kodolā līdz ar to neitrons pārvēršas par protonu (rodas jauns elements) (3.6. attēls). Sabrukšanas piemērs ir 14C sabrukšana, veidojot slāpekļa atomu, izdaloties elektronam un neitrīno antida- ļiņai – antineitrīno νe. 14 6C → 147N + e– + νe Atoma kodola β– sabrukšanas rezultātā elementa masa nemai- nās, bet kārtas skaitlis (protonu skaits atoma kodolā) palielinās par 1 vienību. Cits β– sabrukšanas piemērs ir tritija pārvēršanās par 32He (pus- sabrukšanas laiks 12,3 gadi). 3 1H → 32He + e– + νe Enerģija, kas izdalās tritija β– sabrukšanas rezultātā, ir 0,02 MeV, bet enerģija, kas izdalās 11Li sabrukšanas rezultātā, ir 20,4 MeV. Salī- dzinot ar α un γ starojumu, β starojuma caurspiedība atrodas pa vidu, jo elektronu plūsmai piemīt masa un tās spēja jonizēt vielu ir augstāka nekā γ starojumam. Bēta starojumu spēj aizturēt dažus milimetrus bieza alumīnija plāksne vai 1 metrs gaisa, bet, notiekot elektronu plūsmas mijiedarbībai ar vielu, var veidoties sekundārs γ starojums vai rentgenstarojums (3.3. tabula). 3.3. tabula. Bēta daļiņu enerģija un ceļa garums gaisā Nuklīds Enerģija, keV Ceļa garums gaisā, cm 187Re 2,5 1 3H 19 8 14C 156 65 35S 167 70 131I 600 250 32P 1710 710 β+ sabrukšana (pozitrona emisija) notiek, kad kodols emitē pozit- ronu un neitrīno, bet protons pārvēršas par neitronu (3.7. attēls). p → n + e+ + νe 3.3.3. Gamma sabrukšana un gamma starojums Gamma starojums ir elektromagnētiskais starojums (fotoni) ar īsu viļņa garumu (< 0,1 nm), augstu frekvenci (~ 30 × 1018 Hz). γ sta- rojuma enerģija var būt robežās no dažiem kiloelektronvoltiem (keV) p n ν¯e e– e– 3.6. attēls. Atoma kodo- la β– sabrukšana, izdalo- ties elektronam (daļiņai) un notiekot neitrona pārvērtībai par protonu, un izdaloties antineitrīno p n νe e+ e+ 3.7. attēls. Atoma kodola β+ sabrukšana, izdaloties pozitronam un neitrīno, bet, protonam pārvēršoties par neitro- nu, izdalās antineitrīno 3. Atomu kodolu dalīšanās un kodolreakcijas 31 līdz pat 10 MeV, bet kosmisko starojumu veidojošais γ starojums var būt ar enerģiju pat 1000 teraelektronvolti (TeV) (3.8. attēls). Gamma starojums veidojas, ierosinātiem atomu kodoliem atgriežoties normālā stāvoklī, bet liekajai enerģijai izdaloties sta- rojuma veidā, respektīvi, atoma kodola enerģētiskā līmeņa maiņu rezultātā (3.9. attēls). Gamma sabrukšanas rezultātā nenotiek ne atoma masas, ne lādiņa izmaiņas, tāpēc elementa vieta periodis- kajā sistēmā saglabājas. Gamma starojums līdz ar to veidojas α vai β sabrukšanas rezultātā, kad atomu kodoli paliek ierosinātā stāvoklī. Ēkas Cilvēki Tauriņi Adataspunkts Vienšūņi Moleku- las Atomi Atoma kodols 10 4 10 8 1012 1015 1016 1018 1020 1 K 100 K 10 000 K 10 000 000 K Iekļūst Zemes atmosfērā? Radioviļņi Mikroviļņi Infra- sarkanie stari Redzamā gaisma Ultra- violetie stari Rent- gen- stari Gamma stari 103 10−2 10−5 0,5 × 10−6 10−8 10−10 10−12 Viļņu tips Viļņa garums (m) Aptuvenais viļņa garuma mērogs Frekvence (Hz) Objektu temperatūra, kurā visvairāk tiek izstarots šis viļņu tips −272 °C −173 °C 9727 °C ~ 10 000 000 °C J NN J 60 27Co 60 28Ni 0,31 MeV 1,1732 MeV 1,3325 MeV 1,48 MeV 5,272 a γ γ β β 99,88% 0,12% 3.8. attēls. Elektromagnētiskā starojuma skala: kopsakarības starp viļņa garumu, frekvenci, enerģiju 3.9. attēls. Gamma sabrukšanas piemērs, notiekot 6027Co sabrukšanas reakcijai 32 RADIOAKTIVITĀTE Gamma sabrukšanas piemērs ir sabrukšanas reakcija, kuras rezultātā vispirms veidojas 6027Co, bet šis atoms atrodas ierosinātā stāvoklī un izdala enerģiju γ starojuma veidā (3.10. attēls). Dabiskie γ starojuma avoti ir dažu nestabilo izotopu, piemēram, 40K, sabrukšana, kosmiskais starojums, bet γ starojums var veido- ties arī zibens izlādes laikā, kad augstas intensitātes elektrostatiskā lauka iedarbības rezultātā elektroni var tikt paātrināti un, tiem mij- iedarbojoties ar atmosfēru veidojošām gāzēm, veidojas γ starojums, kura enerģija var sasniegt līdz 100 MeV. Šis tā saucamais bremzēša- nās starojums veidojas elektronu plūsmas ātruma samazināšanās rezultātā. γ starojums veidojas kodolreaktoru darbības gaitā, kodol- sprādzienos, daļiņu paātrinātājos. Gamma starojumu raksturo augsta caurspiedība, kas ir ievēro- jami augstāka nekā β vai α starojumam. γ starus aiztur blīvi mate- riāli, kā arī elementi ar augstu atommasu, piemēram, svins. γ staru aizturēšanas spēju var izteikt kā materiāla slāni, kuru šķērsojot γ starojuma intensitāte samazinās uz pusi: to nodrošina, piemēram, 1 cm svina, 6 cm granīta slānis. Gamma starojumam piemīt negatīva ietekme uz dzīvajiem organismiem, kas ir atkarīga no starojuma enerģijas. Būtiskākie riski saistās ar ietekmi uz DNS, ietekmēm šūnu līmenī un akūtiem bojājumiem, kas tiek radīti funkcionāli būtiskiem orgāniem. γ starojumu relatīvi plaši izmanto dažādās jomās, piemēram, dārgakmeņu krāsas izmaiņām (apstarojot baltas krāsas topāzu, tas iegūst zilu krāsu, kas dārgakmeņu tirgū tiek vērtēta augstāk) (3.11. attēls). γ starojumu izmanto izstrādājumu sterilizēšanai, bet koncentrētus γ starojuma kūļus var lietot medicīnā operāciju veik- šanai. Kā γ starojumu avotus izmanto 60Co, 137Cs, 241Am un citus radioaktīvus elementus. Elektronu satveršana notiek, ja kodols satver elektronu, kas noved pie kodolā esošā protona pārvēršanās par neitronu, emitējot γ starojumu un neitrīno. γ 3.10. attēls. Gamma starojuma izdalīšanās no atoma kodola, tam atbrīvojoties no enerģijas Bremzēšanās starojums – elektromag­ nētiskais starojums, ko izstaro ātra lādēta daļiņa, bremzēdamās atoma kodola vai elektrona kuloniskajā laukā. 3.11. attēls. Dimants pirms (balts) un pēc apstarošanas ar dažādām devām 2 MeV starojuma, apstarots ar dažādām starojuma devām un izkarsēts 800 ºC 3. Atomu kodolu dalīšanās un kodolreakcijas 33 3.3.4. Kodolu spontānā dalīšanās Kodolu spontānā dalīšanās (angļu val. fission) ir atomu kodolu patvaļīga sabrukšana divās aptuveni tuvas masas daļās, parasti izda- loties neitronam un enerģijai. Kodolu spontānā dalīšanās ir rakstu- rīga nestabiliem atomu kodoliem ar kārtas skaitli, lielāku par 90. Piemēram, urāns-238 sabrūk, veidojot ksenonu-140 un stronciju-96, kā arī 2 neitronus. 238 92U → 14054Xe + 9638Sr + 2 10n Atomu kodolu dalīšanās var notikt, uztverot neitronu. Šādu reakciju sauc par kodolu skaldīšanu. Piemēram, neitronam ietrieco- ties 235U kodolā, tas pārvēršas par nestabilu 236U kodolu, kas sekojoši sabrūk, veidojoties 92Kr, 141Ba, izdaloties 3 neitroniem un milzīgam enerģijas daudzumam, turklāt katrs no veidotajiem neitroniem var izraisīt 3 citu 235U atomu dalīšanos (3.12. attēls). 1 0n + 23592U → 14156Ba + 9236Kr + 3 10n Neitroni, kas izdalās kodolu dalīšanās rezultātā, var izraisīt citu atomu sabrukšanu, respektīvi, var tikt uzsākta ķēdes reakcija, kad reakcijas produkts (neitroni) izraisa nākamo reakciju. Veidoto neit- ronu daudzuma attiecība pret neitronu skaitu, kas reakciju izraisa, sauc par neitronu pavairošanas koeficientu, un, ja tas ir mazāks par 1 (neitronu skaits, kas izraisa reakciju, ir vienāds ar tajā veidoto neitronu skaitu), ķēdes reakcija nenotiek, bet, ja tas ir lielāks par 1, sākas lavīnveida (ķēdes) reakcija. Ķēdes reakcijas norise ir atkarīga no elementa atommasas, un reakcija sākas, ja masa ir lielāka par katram elementam raksturīgu masu, ko sauc par kritisko masu. Tā kā kodolu sabrukšanas rezultātā izdalās liels daudzums ener- ģijas (siltums un elektromagnētiskais starojums), ķēdes reakcijas rezultātā notiek sprādziens. Viena 235U atoma skaldīšanas rezultātā izdalās 204 MeV, ko veido starojuma un daļiņu enerģija. Kritiskās masas koncepcija ir pamatā kodolieroču izveidei. Tos veido viens no otra atdalīti bloki (katra to masa ir mazāka par kritisko masu – zemkritiskā masa), kurus satuvinot tiek sasniegta kritiskā masa un notiek kodolsprādziens. Kodolieroču izstrādes gaitā kritiskā masa tika noteikta eksperimentāli, pētot, kā paātrinās kodolsabrukšana, satuvinot dažādas masas urāna gabalus (3.13. attēls). Tātad arī pie zemkritiskās masas notiek urāna-235 atomu sabrukšana un neit- ronu veidošanās, tomēr, sasniedzot kritisko masu, veidotā neitronu plūsma rada eksponenciālu reakcijā iesaistīto urāna atomu sabruk- šanu, milzīgas enerģijas un neitronu, γ starojuma plūsmas veidoša- nos, radot sprādzienu. Kritiskā masa ir katram elementam raksturīgs rādītājs. 235U kritiskā masa ir 15 kg, kas atbilst lodei ar diametru 11 cm, bet neptūnija 236Np kritiskā masa ir 7 kg, kas atbilst lodei U235 U236 Kr92 Ba 141 3.12. attēls. 235U kodola dalīšanās, kuru izraisa neitrons, bet kuras rezultātā izdalās 3 citi neitroni un enerģija 34 RADIOAKTIVITĀTE ar diametru 8,7 cm. Kodolu dalīšanās procesu iespējams kontrolēt, nodrošinot neitronu sorbciju, un šo principu izmanto enerģijas iegū- šanai kodolreaktoros, kuros kodolu dalīšanās process tiek vadīts, izmantojot neitronu skaita regulēšanu. Zemes izveidošanās laikā tās sastāvu veidojošo radioaktīvo ele- mentu radioaktīvās sabrukšanas rezultātā izdalītā enerģija siltuma veidā sniedz ieguldījumu Zemes enerģijas bilancē. Tiek vērtēts, ka radioaktīvo elementu sabrukšanas rezultātā izdalītā enerģija ir 15–41 TW, kas ietekmē ģeoloģiskos procesus – kontinentu driftu, kalnu veidošanos, vulkānu darbību un citus. Tajā pašā laikā Zemes enerģijas bilancē šis enerģijas daudzums veido tikai ~ 0,03%, jo lie- lāko daļu enerģijas Zeme saņem no Saules (173 000 TW). Enerģijas izdalīšanos radioaktīvās sabrukšanas rezultātā nosaka galvenokārt četri radioaktīvie izotopi: urāna izotopi (235U, 238U), torijs 232Th un kālijs 40K. Vienlaikus jāatzīmē, ka, Zemei izveidojoties, radioaktīvās sabrukšanas rezultātā izdalītās enerģijas daudzums bija ievērojami lielāks, nekā tas ir pašlaik, to noteica Zemi veidojošo radioaktīvo elementu intensīva sabrukšana. 3.4. Radioaktīvās sabrukšanas rindas Dabā esošo radioaktīvo elementu pārvērtības raksturo to sabrukšanas virknes, kuras apraksta elementu pārvēršanos no viena par citu, reakcijas rezultātā izdalot enerģiju un veidojoties jauniem 3.13. attēls. Plutonija kritiskās masas noteikšanas eksperimenta attēlojums, tuvinot vienu otrai plutonija puslodes . Eksperimentā, kurš tika veikts 1946 . gadā, gāja bojā tā veicējs Luiss Slotins 3. Atomu kodolu dalīšanās un kodolreakcijas 35 elementiem. Radioaktīvās sabrukšanas virknes noslēdzas ar stabilu atomu kodolu izveidi, kas ir vai nu svina, vai tallija izotopi. Nozīmī- gākās radioaktīvās sabrukšanas rindas ir: Š urāna-rādija rinda, kas apraksta sabrukšanu (3.14. attēls), veidojoties svinam-206 (206Pb); Š aktinourāna rinda, kas apraksta sabrukšanu (3.15. attēls), veidojoties svinam-207 (207Pb); Š torija rinda, kas apraksta sabrukšanu, veidojoties svinam-208 (208Pb); Š neptūnija rinda, kas apraksta sabrukšanu, veidojoties talli- jam-205 (205Tl). Radioaktīvās sabrukšanas rindas nosaka to radioaktīvo ele- mentu dažādību, kas sastopami uz Zemes un Visumā. N = A – Z 140 130 80 85 90 Z Bi Pb Tl Pb Po Bi Po Rn Th Ra Pa 206 210 214 214 214 218 210 222 230 234 226 135 125 U 238 Th 234 U 234 Pb 210 Po 210 145 N = A – Z 140 130 80 85 90 Z Po Pb Tl Pb Bi Po Rn Ra Th Fr Ac Pa U Th 207 211 211 211 215 219 207 223 223 227 227 231 231 235 135 125 3.14. attēls. Urāna-rādija radioaktīvās sabrukšanas rinda apraksta sabrukšanu: Z – kārtas skaitlis (protonu skaits), N – neitronu skaits 3.15. attēls. Aktinourāna radioaktīvās sabrukšanas rinda, kas apraksta sabrukšanu: Z – kārtas skaitlis (protonu skaits), N – neitronu skaits 36 RADIOAKTIVITĀTE 3.5. Kodolreakcijas Ķīmiskas ir reakcijas, kurās ir iesaistīti atomu elektronu apvalka elektroni. Kodolreakcijas ir reakcijas, kurās piedalās atomu veidojo- šie nukloni. Kodolreakcijas pieraksta līdzīgi kā ķīmiskās reakcijas, norādot atomu kodolus pirms un pēc reakcijas, to kārtas skaitli un masu, kā arī citus reakcijas produktus un enerģijas izdalīšanos vai piesaisti. Kodolreakcijās ir spēkā nezūdamības likumi: 1) elektriskā lādiņa nezūdamības likums; 2) nuklonu skaita nezūdamības likums; 3) enerģijas un impulsa nezūdamības likums. Kā pirmais kodolreakciju īstenoja Ernests Rezerfords 1919. gadā, izmantojot α daļiņu, kuru izdalīja 214Po slāpekļa vidē. Tika pierādīts, ka, hēlija atoma kodolam reaģējot ar slāpekļa atoma kodolu, veidojas skābeklis un protons. 14 7N + 42He → 178O + 11H 1934. gadā Frederiks Žolio-Kirī, līdzīgi izmantojot 210Po emitē- tās α daļiņas, pierādīja, ka alumīniju iespējams pārvērst par fosfora nestabilu izotopu, kura pussabrukšanas periods ir 3 minūtes. 27 13Al + 42He → 3015P + 10n Abos šajos gadījumos tika izmantotas nestabila atoma kodola izdalītās α daļiņas. Mūsdienās kodolreakcijas tiek izmantotas gan izpētē, lai iegūtu jaunus ķīmiskos elementus, gan arī izotopu sintē- zei, kuri tiek lietoti medicīnā, dažādos tehnoloģiskos procesos. Kodolreakciju īstenošanai var tikt izmantotas dažādas metodes. Kodolreakcijās var izmantot lādētu daļiņu (protoni, deitroni – deitē- rija atoma kodols, α daļiņas – hēlija atoma kodols, smagāku atomu kodoli) plūsmu. Tomēr, lai reakcija notiktu, izmantotajām lādētajām daļiņām ir jāpārvar elektrostatiskie (kuloniskie) atgrūšanās spēki, respektīvi, daļiņām ir jāpiešķir papildu enerģija, ko var sasniegt, tās paātrinot. Daļiņu paātrināšanu var sasniegt, izmantojot dažādas ierīces: 1. Sinhrotrons ir periodiskas darbības elektronu paātrinātājs ar mainīgu magnētisko lauku un pastāvīgu elektriskā lauka frek- venci (3.16. attēls). Mūsdienās daļiņu kustības distance, kurā tās tiek pakļautas paātrinājumam, var sasniegt 27 km (Lielais hadronu paātrinātājs) un līdz ar to daļiņu (protona) enerģija var sasniegt 6,5 teraelektronvoltus (TeV vai 10120 eV). 2. Lineārā paātrinātājā daļiņu (parasti tiek izmantoti elektroni) paātrināšana notiek, tām virzoties pa lineāru trajektoriju oscilējoša elektriskā potenciāla laukā. Vienkāršākais lineārais daļiņu paātrinātājs ir katodstaru lampa, bet lielākie var sasniegt Laboratorijas apstākļos un rūpnieciski īstenotas kodolreakcijas ir nozīmīgs radioaktīvo elementu avots to izmantošanai un instruments kodolpētniecībā. 3. Atomu kodolu dalīšanās un kodolreakcijas 37 vairāku kilometru garumu. Lineāros daļiņu paātrinātājus aktīvi izmanto medicīnā, lai iegūtu augstas enerģijas rentgenstaro- juma kūli, ko lieto vēža ārstēšanā. Apstarojot audzēju ar precīza izmēra rentgenstarojuma kūli, tas iet bojā, blakus esošos veselos audus neskarot. 3. Ciklotronā lādētas daļiņas tiek paātrinātas spēcīga magnētiskā un radiofrekvences elektromagnētiskā lauka iedarbībā. Cik- lotronā var paātrināt gan elektronus, gan pozitīvi lādētu daļiņu plūsmas, gan arī smagāku atomu kodolus. Ciklotronus izmanto gan fundamentālajā pētniecībā, gan medicīnā staru terapijai. Kodolreakcijas iedala pēc tā, kāda veida daļiņas izraisa to norisi. Plaši tiek izmantotas kodolreakcijas, kuras izraisa lādētas daļiņas. Piemēram, astats-211 (211At) var tikt iegūts, bombardējot bismuta atoma kodolus ar α daļiņām, kuras tiek paātrinātas ciklotronā līdz enerģijai 32 MeV. 209 83Bi + 42He → 21185At + 2 10n Pēc reakcijas astatu tīrā veidā izdala, izmantojot šī elementa gaistamību (At ir halogenīds) vai ķīmiskas reakcijas, hromatogrāfiju. Kodolreakcijās plaši izmanto neitronu plūsmu, jo neitroniem kā neitrālām daļiņām nepastāv kuloniskie atgrūšanās spēki ar kodolu veidojošiem protoniem. Neitronu avots var būt berilija reakcija ar α daļiņām, kuras savukārt veidojas aktīnija-227 (227Ac), rādija-226 (226Ra) vai polonija-210 (210Po) sabrukšanas rezultātā. 9 4Be + 42He → 126C + 10n Kodolreakcijas, kuras izraisa neitronu plūsma, gaita ir atkarīga no neitronu enerģijas. Ja neitronu enerģija ir augsta, tad ar neitrona triecienu pa atomu kodolu neitrons no tā var izsist vienu vai vairākus 3.16. attēls. Fermi Nacionālās laboratorijas sinhrotrons (ASV), kas nodrošina daļiņu paātrināšanu līdz enerģijai 1 TeV (tevatrons) 38 RADIOAKTIVITĀTE nuklonus, kas noved pie jauna elementa izveides ar mazāku kārtas skaitli vai masu. Šādas reakcijas piemērs ir urāna izotopa pārvērtības, kurā viens neitrons no kodola izsit divus neitronus, kas noved pie jauna izo- topa rašanās. Neitrona enerģijai, lai izraisītu šādu pārvērtību, jābūt vismaz 10 MeV. 238 92U + 10n → 23792U + 2 10n Neitronu enerģiju var samazināt, to plūsmai mijiedarbojoties ar vielām, kuras neitronus bremzē, piemēram, grafītu. Zemas enerģijas neitronu plūsmas iedarbības rezultātā notiek neitronu – gamma kodolreakcijas un rodas izmantotā elementa izotops, un izdalās γ starojums. Neitronu plūsma var izraisīt smago atomu kodolu šķelšanas reakcijas, piemēram, urāna vai plutonija izotopiem, kuru rezultātā veidojas līdzīgu masu šķelšanās produkti, izdalās enerģija un vairāki neitroni, kas noved pie kodolu šķelšanas ķēdes reakcijām. 4. Dabiskas izcelsmes radioaktīvais starojums 39 4. DABISKAS IZCELSMES RADIOAKTĪVAIS STAROJUMS Zeme ir veidojusies vienlaikus ar citām Saules sistēmas planē- tām pirms ~ 4,54 miljardiem gadu. Zemi veidojošā vielu masa ir veidojusies supernovas sprādziena rezultātā un līdz ar to saturēja radioaktīvus elementus pat ar īsu dzīves laiku, kuri mūsdienās vairs nav sastopami. Šādus radioaktīvos elementus sauc par pirmatnējiem nuklīdiem. Zemei veidojoties, ņemot vērā lielākās daļas radioak- tīvo elementu augsto atommasu, tie koncentrējās Zemes kodolā, un radioaktīvo elementu sabrukšanas rezultātā veidotais siltums sniedz ieguldījumu Zemes enerģijas bilancē. Līdz ar to radioaktīvo elementu klātbūtne ir dabiska. Zemes virsmu radioaktīvais sta- rojums sasniedz arī no kosmosa kā kosmiskais starojums. Arī no Saules Zemes virsmu sasniedz jonizētu daļiņu plūsma (Saules vējš). Tajā pašā laikā ģeoloģisko procesu rezultātā, atkarībā no augstuma virs jūras līmeņa, no kosmiskās telpas nākošā radioaktīvā starojuma intensitāte dažādās Zemes vietās ievērojami atšķiras. 4.1. Zemes radioaktīvais starojums Radioaktīvie elementi ir sastopami dabiski uz Zemes, un tie ietilpst minerālu un iežu sastāvā, īpaši pamatklintāja iežos, ūdenī, gaisā, bet arī augos, no kuriem nonāk cilvēka organismā. Dzīvie organismi, tajā skaitā cilvēks, kopš to izcelšanās ir bijuši pakļauti radioaktīvā starojuma iedarbībai, un ir izvirzīta hipotēze, ka fona radioaktīvais starojums ir viens no evolūciju veicinošiem faktoriem. Tiek vērtēts, ka vidēji uz Zemes gada vidējā radiācijas deva ieelpojot ir 1,26 mSv. Tās nozīmīgākais avots ir radons, bet radiācijas deva, uzņemot ar pārtiku, ir 0,29 mSv, un to nosaka kālija-40, oglekļa-14 un citu elementu uzņemšana. Augsnes radiācija veido 0,48 mSv radi- ācijas devas, bet, pieskaitot kosmisko starojumu, – kopā 2,4 mSv gadā. Tajā pašā laikā Eiropā un ASV starojuma devas parasti ir augs- tākas, ņemot vērā starojumu, kuru iedzīvotāji vidēji saņem medi- cīnisko izmeklējumu laikā, kā arī vides radioaktīvā piesārņojuma rezultātā, kas galvenokārt ir izveidojies kodolierīču izmēģinājumu rezultātā un atomspēkstaciju avāriju dēļ. Tiek vērtēts, ka atmosfērā Radioaktīvo starojumu, kurš raksturīgs konkrētai vietai un kura avots nav cilvēka darbības, sauc par fona starojumu. 40 RADIOAKTIVITĀTE veikto atombumbu un ūdeņraža bumbu izmēģinājumu rezultātā 1963. gadā radītā starojuma doza papildus dabiskajam radiācijas starojumam veidoja 0,11 mSv gadā, tomēr mūsdienās, pateicoties kodolizmēģinājumu ierobežojumiem un tajos veidoto radioak- tīvo elementu sabrukšanai, tā ir sarukusi līdz 0,005 mSv gadā. Galvenie dabiskā radioaktīvā starojuma avoti ir radioaktīvā kālija, urāna, torija un to sabrukšanas produktu veidotais starojums (4.1. attēls). Zemes veidošanās pirmsākumos un arī uzsākoties dzīvo organismu attīstības procesiem, radioaktīvā starojuma intensitāte uz Zemes bija ievērojami augstāka. Kopš Zemes izveidošanās urāna daudzums ir sarucis apmēram uz pusi, bet, tā kā kālija-40 pussa- brukšanas periods ir 1,25 miljardi gadu, tad no tā kālija-40 dau- dzuma, kas bija Zemes veidošanās laikā, ir saglabājušies tikai apmē- ram 8%. Galvenās urāna rūdas ir urāna piķa rūda (uranīts UO2). Torijs atrodams daudzu minerālu sastāvā kā piemaisījums. Torija un urāna izotopi sabrūk, veidojot β un α daļiņas, bet daudzi to sabrukšanas produkti ir arī intensīva γ starojuma avots. Kālijs savu- kārt ir izplatīts elements un ietilpst gan iežu un minerālu sastāvā, gan jūru un okeānu ūdeņos izšķīdušo kālija sāļu sastāvā. No urāna 4.1. attēls. Urāna koncentrācija augsnē Eiropas Savienības dalībvalstīs 0,0–0,5 0,5–1,6 1,6–2,4 2,4–3,4 3,4–5,0 5,0–7,6 7,6–13,0 U (mg/kg) 4. Dabiskas izcelsmes radioaktīvais starojums 41 sabrukšanas virknes produktiem būtisku ieguldījumu dabiskā radio- aktīvā starojuma veidošanā sniedz rādijs-226 un radons-222, īpaši ņemot vērā to, ka pēdējais ir gāze. Radons (Rn) ir cēlgāze, un tās kārtas skaitlis ir 86. Radonu atklāja Ernests Rezerfords, Roberts Ouens (Robert Owens), veicot pētījumus Kanādā, un Frīdrihs Ernsts Dorns (Friedrich Ernst Dorn, Vācija), pētot rādiju. Sākotnēji radonu nosauca – rādija emanācija, proti, gāze, kuru izdala rādijs. 1909. gadā radons tika izdalīts kā individuāla viela. Neviens no radona izotopiem nav stabils, bet šis elements veido- jas citu radioaktīvo elementu sabrukšanas rezultātā, kura sākas ar urāna sabrukšanu. Līdz ar to radons paaugstinātos daudzumos atro- dams Zemes pamatklintāja iežos, piemēram, granītā, gneisā, citos iežos, kā arī to dēdēšanas produktos. Radons-222 veidojas rādija-226 sabrukšanas rezultātā, bet kā inerta gāze izdalās no tā veidošanās vietas un sasniedz Zemes virskārtu. Paaugstinātas radona koncen- trācijas līdz ar to novērojamas vietās, kur atrodas radioaktīvo ele- mentu rūdas, paaugstināta vulkāniskā aktivitāte, ģeotermālie avoti. Radona izotopu 220Rn, kas veidojas torija sabrukšanas rezultātā, daž- kārt sauc pa toronu, bet radona izotopu 219Rn, kas veidojas aktīnija sabrukšanas rezultātā, – par aktinonu. Radons ir vienatoma gāze bez krāsas, garšas, smaržas. Radona blīvums 9,73 kg/m3 ir ~ 8 reizes lielāks nekā gaisa blīvums. Radonu sašķidrinot, tas mirdz, pateico- ties enerģijai un starojumam, kas veidojas tā sabrukšanas rezultātā. Ķīmiski radons izturas kā cēlgāze, respektīvi, ir inerts, mazšķīstošs ūdenī. Radons-222 ir ātri sabrūkošs izotops, un tā pussabrukšanas laiks ir 3,8235 dienas, veidojot α daļiņas, turklāt arī sekojošie sabrukšanas produkti ir relatīvi nestabili: Š polonijs-218, pussabrukšanas laiks ir 3,05 minūtes, izdalot α daļiņu un 6,0026 MeV enerģiju; Š svins-214, pussabrukšanas laiks ir 26,8 minūtes, izdalot β daļiņu; Š bismuts-214, pussabrukšanas laiks ir 19,9 minūtes, izdalot β daļiņu; Š polonijs-214, pussabrukšanas laiks ir 0,1643 milisekundes, izdalot α daļiņu un 5,3044 MeV enerģiju; Š svins-210, pussabrukšanas laiks ir 22,3 gadi. Radona-222 sabrukšanas galaprodukts ir svins-206. Radona fizikālā forma (gāze) un tā intensīvais sabrukšanas process, veidojot α daļiņas ar augstu enerģiju, turklāt ņemot vērā α daļiņu augsto jonizācijas potenciālu, nosaka šīs vielas iedarbības bīstamību. Kā gāze radons no tā veidošanās vietas, sabrūkot iežu sastāvā esošajam rādijam-226, ātri nokļūst virszemē vai ūdeņos un sekojoši saskarsmē ar cilvēku (4.2. attēls). Notiekot intensīvam radona-222 sabrukšanas Radons ir viens no nozīmīgākajiem iekštelpu gaisu piesārņojošajiem radioaktīvajiem elemen­ tiem, kurš cilvēka dzīves vidē nokļūst dabisku procesu rezultātā un kura klātbūtni nosaka vietas ģeoloģiskā uzbūve. 42 RADIOAKTIVITĀTE procesam, daļa no tā pagūst sadalīties plaušās, bet radona sabrukša- nas rezultātā veidojas metāliski elementi, kuri var fiksēties uz plaušu virsmas vai pieķerties gaisā putekļu daļiņām, virsmām. Sekojošās sabrukšanas reakcijas, no kurām katrā relatīvi īsā laikā izdalās nākamie sabrukšanas virknes elementi un radioaktīvās daļiņas, kā arī γ starojums, līdz ar to var nodrošināt intensīvu organisma iek- šējo apstarošanu, turklāt ietekmējot organismam kritiski svarīgus orgānus. Radona iedarbība vispirms ir saistāma ar plaušu ļaundabīgo audzēju attīstības risku. Piemēram, ASV plaušu vēža attīstība paaug- stinātu radona koncentrāciju iedarbības rezultātā ir otrais nāves gadījumu avots (pirmajā vietā ir plaušu vēzis smēķēšanas dēļ). Smē- ķēšana sinerģiski pastiprina radona iedarbību. Radona koncentrāciju izsaka bekerelos (Bq), attiecīgi gaisā nosa- kot Bq/m3, bet ūdenī Bq/l. Radona koncentrācija augsnē, ūdeņos ir atkarīga no vietas ģeoloģiskās uzbūves un urānu saturošu iežu klātbūtnes, to izvietojuma dziļuma, augšējā zemes seguma viendabī- guma. Seismiska aktivitāte sekmē radona izdalīšanos un, piemēram, izmantojama zemestrīču prognozēšanai. Sinerģisms ir parādība, kad vienas vielas (faktora) iedarbība pastiprina citas vielas iedarbību. 4.2. attēls. Radona koncentrācija iekštelpās Eiropā 0–20 20–50 50–100 100–200 200–500 500–1000 1000–2000 2000–10 120 Rn konc . (Bq/m³) 4. Dabiskas izcelsmes radioaktīvais starojums 43 Radona koncentrācijas mērīšanai var izmantot ierīces, kuru dar- bības pamatā ir jonizācijas kamera, silīcija pusvadītāji, vienlaikus nosakot gaisa (cita materiāla) tilpumu, kurā tiek noteikts radona sabrukšanas aktu skaits. Ir pieejamas arī monitoringa ierīces, kuras nodrošina nepārtrauktu radona koncentrācijas mērīšanu (4.3. attēls). Radona koncentrācijas noteikšana iespējama, arī izmantojot zemu izmaksu radona testēšanas komplektus (lietoti arī pētījumiem Latvijā), kurus, izvietojot telpās noteiktu laiku, iespējams noteikt radona koncentrāciju tajās un analīzi veikt autorizētā laboratorijā (4.4. attēls). Radona klātbūtne gaisā var ietekmēt cilvēka veselību gan darba, gan dzīves vidē. Īpaši augsta riska joma ir urāna un citu radioaktīvu elementu rūdu ieguve šahtās. Piemēram, neventilētu šahtu gaisā Bādgašteinā (Austrija) konstatētā radona koncentrācija var sasniegt 43 kBq/m3. Augstas radona koncentrācijas konstatētas arī termālajos avotos, piemēram, radonu saturošos minerālūdeņos Marano (Itālija) radona koncentrācija var sasniegt 2000 kBq/m3. Latvijas likumdo- šana nosaka: ja radona koncentrācija ēkās ir lielāka par 200 Bq/m3 gadā, ir jāizvērtē, vai nepieciešami aizsardzības pasākumi radona ietekmes samazināšanai, bet, ja radona koncentrācija ir lielāka par 600 Bq/m3, vidēji gadā nekavējoties jāveic aizsardzības pasākumi. Attiecībā uz darba vietās maksimāli pieļaujamo radona koncentrā- ciju tā ir noteikta 400 Bq/m3 gadā, kuru pārsniedzot darba devējam ir jānodrošina aizsardzības pasākumi. Latvijā Valsts vides dienesta veiktajā pētījumā konstatēts, ka Eiropā vidējā statistiskā radona koncentrācija ir 98 Bq/m3. Latvijā tā ir 74 Bq/m3., bet tikai 5% no pētījumā apsekotajām telpām konstatēta radona koncentrācija, kas pārsniedz 200 Bq/m3. Arī radona koncentrācijas dzeramajā ūdenī neuzrāda bīstamas koncentrācijas: robežkoncentrācija ir 100 Bq/l, bet pētījumā konstatētā vidējā koncentrācija ir 21 Bq/l un konsta- tētā maksimālā koncentrācija ir ~ 40 Bq/l. Baltoties uz veiktajiem 4.3. attēls. Radona koncentrācijas noteikšanas pasīvā iekārta 4.4. attēls. Digitāls radona koncentrācijas mērītājs 44 RADIOAKTIVITĀTE apsekojumiem, noteiktas teritorijas, kurās var būt paaugstināts gaisa piesārņojuma ar radonu risks, un izstrādāti ieteikumi tā mazinā- šanai. Tie paredz risinājumus, kā ierobežot radona nokļūšanu no grunts ēku telpās un kā radonu aizvākt no ēku iekštelpu gaisa. Tomēr nepieciešams atzīmēt, ka nelielas un īslaicīgas radona devas uz cilvēka veselību iedarbojas pozitīvi. Jau izsenis ir konstatēts, ka noteiktu dabas ūdeņu vannas, kuras, tās izpētot 20. gadsimtā, saturēja radonu, var uzlabot veselību, mazinot daudzas saslimša- nas (4.5.  attēls). Radona terapija (radonu saturoša minerālūdens dzeršana, peldes u. c.) var tikt izmantota sirds un asinsrites, nervu sistēmas, ādas slimību ārstēšanā, kaut arī šo ārstniecības metožu popularitāte 21. gadsimtā ir sarukusi. Dabiskā starojuma intensitāte ir ļoti atkarīga no vietas. Līdz ar to ir pasaules reģioni, kuros dabiskais radiācijas fons ir ievērojami augstāks nekā vidēji uz Zemes. Paaugstināts dabiskās radiācijas līmenis parasti ir saistāms ar ģeoķīmiskām anomālijām, kuru rezul- tātā tuvu Zemes virsmai ir paaugstinātas urānu vai toriju saturošu minerālu koncentrācijas, tāpēc attiecīgi paaugstinātas ir arī to sabrukšanas produktu koncentrācijas. Piemēram, Indijā, Tamilnā- das un Keralas štatā, augsnes iežu masā, bet īpaši jūrmalas smiltīs, ir paaugstinātas monacīta (torija fosfātu saturošs minerāls), ilme- nīta un rutila koncentrācijas, līdz ar to radioaktīvā starojuma deva sasniedz pat 6 µSv stundā. Ramsāres provincē (Irāna), pateicoties paaugstinātai radona koncentrācijai termālajos ūdeņos, gada vidējā radiācijas deva sasniedz 10 mSv gadā, bet, tā kā radonu saturoša gaisa ieelpošana rada iekšējo apstarošanu, tad kopējā starojuma deva ir 72 mSv gadā. Monacītu saturošas smiltis ir galvenais faktors, 4.5. attēls. Aicinājums apmeklēt radonu saturošos avotus Vācijā, Bādelsterē (Bad Elster) . Dziedinošais radons 4. Dabiskas izcelsmes radioaktīvais starojums 45 kas ietekmē dabiskā starojuma augsto līmeni arī Guarapari pilsētā Brazīlijā, tas sasniedz 175 mSv (20 µSv stundā). Salīdzinoši vidējā sta- rojuma deva ASV ir 0,34 µSv stundā. Šādas ģeoķīmiskas anomālijas ir arī Ķīnā, Krievijā, ASV un daudz kur citur. Dabiskās radiācijas fons ir paaugstināts arī Eiropā valstīs, kur Zemes virsmas tuvumā ir atsegti pamatklintāja ieži. Piemēram, Somijā vairākos reģionos gada vidējā starojuma doza pārsniedz 7 mSv, turklāt vidēji pasaulē 36% no kopējās dozas nodrošina radona iedarbība, bet Somijas gadījumā tie ir 90 %. 4.2. Kosmiskais starojums Kosmiskais starojums ir augstas enerģijas elektronu, protonu un atomu kodolu plūsma, kuru veidojošās daļiņas kustas ar ātrumu, kas ir tuvs gaismas ātrumam. Daļiņas, kuras veido kosmisko sta- rojumu, emitē Saule, tās masu (heliosfēru) veidojošajām daļiņām izlaužoties no Saules virsmas, tomēr tiek uzskatīts, ka “īstā” kos- miskā starojuma avoti ir kosmiski objekti ārpus Saules sistēmas, citas galaktikas. Kosmisko starojumu atklāja vācu fiziķis Viktors Hess (Victor Hess), izmantojot elektrometra (ierīce, kas mēra jonu veidošanos hermētiski noslēgtā tilpnē) mērījumus. Elektrometrs, kas bija izvietots gaisa balonā, uzrādīja jonu veidošanos, pieaugot attālumam no Zemes virsmas, bet, eksperimentu atkārtojot Sau- les aptumsuma laikā (Mēness aizsedza no Saules nākošo daļiņu plūsmu), tika pierādīts, ka gāzu jonizāciju rada no kosmosa nākošu daļiņu plūsma. Apzīmējumu “kosmiskais starojums” ierosināja piešķirt Roberts Milikens (Robert Millikan), kas pētīja to plūsmas dažādās Zemes vietās, zem ūdens un pierādīja, ka šo starojumu veido daļiņas ar ārkārtīgi augstu enerģiju. Kosmisko starojumu veido elektroni (~ 1%) un atomu kodoli (~ 99%), kuri ir zaudējuši elektronu apvalku, savukārt to skaitā dominē protoni (~ 90%), bet ~ 1% veido smagāku elementu kodoli. Kosmisko starojumu veidojošo daļiņu starpā ietilpst arī antiviela, piemēram, pozitroni un antiprotoni. Kosmiskā starojuma avotu skaitā ietilpst no Saules nākošu daļiņu plūsmas, bet būtiska daļa kosmiskā starojuma veidojas supernovu sprādzienos, galaktiku centros kvazāru darbības rezul- tātā, turklāt lielu lomu spēlē komisko starojumu veidojošo daļiņu paātrināšanās to kustības gaitā. Kosmisko starojumu veidojošo daļiņu plūsmai piemīt ārkārtīgi augsta enerģija, kas var sasniegt pat 3 × 1020 eV, tomēr šādu daļiņu daudzums, kas sasniedz Zemes atmosfēru, ir ļoti niecīgs (4.1. tabula). Var uzskatīt, ka kosmiskā starojuma tipiska enerģija ir ap 0,3 × 109 eV. Kosmiskā starojuma augstā enerģija un to veidojošo daļiņu daudzveidība būtiski ietekmē procesus uz Zemes, tās klimatu, bet, mainoties šī starojuma intensitātei, ietekme var būt pat katastrofāla. 46 RADIOAKTIVITĀTE 4.1. tabula. Kosmiskā starojuma enerģijas un sastopamības sakarības Enerģija, eV Sastopamības biežums, 1/m2 s 1 × 109 1 × 104 1 × 1012 1 1 × 1016 1 × 10–7 (dažas reizes gadā) 1 × 1020 1 × 10–15 (reizi gadsimtā) N S Kosmiskā starojuma daudzumu, kas sasniedz Zemes virsmu, ietekmē Zemes magnētiskais lauks (magnetosfēra) un mijiedarbība ar jonizēto daļiņu (elektroni, protoni) plūsmu – Saules vēju, kas nāk no Saules (4.6. attēls). Zemes magnētiskā lauka līnijas pārvirza gan Saules vēja daļiņas, gan kosmiskā starojuma plūsmas un būtiski samazina daļiņu daudzumu, kas sasniedz Zemes virsmu, tomēr to daudzums ir atkarīgs no ģeogrāfiskā platuma, garuma, tas ir augstāks Zemes magnētisko polu tuvumā (4.7.  attēls). Kosmiskā 4.6. attēls. Zemes magnetosfēra ietekmē daļiņu daudzumu, kas nāk no Saules, galaktiskiem avotiem un sasniedz Zemes virsmu 4.7. attēls. Kosmiskā starojuma gada vidējā deva Eiropā 301–325 microSv 326–350 351–400 401–500 501–700 701–900 901–1100 1101–1300 1301–1700 > 1700 4. Dabiskas izcelsmes radioaktīvais starojums 47 starojuma daudzums, kas sasniedz Zemes virsmu, korelē ar Saules aktivitāti, respektīvi, daļiņu plūsmām, kas nāk no Saules. Kosmiskajam starojumam (primārais kosmiskais starojums) sasniedzot Zemes atmosfēru, tas mijiedarbojas ar to veidojošajiem atomiem un molekulām, un rezultātā veidojas fotoni un jaunas ele- mentārdaļiņas, piemēram, leptoni, hadroni, elektroni, mioni, pioni un citas (pēdējās divas daļiņas pirmo reizi atklātas, pētot kosmisko starojumu) (4.8. attēls). Daļiņas, kuras veidojas atmosfērā primārā kosmiskā starojuma iedarbībā, sauc par sekundāro kosmisko staro- jumu. Primārā kosmiskā starojuma iedarbības rezultātā var veidoties arī antiviela, piemēram, pozitroni, antiprotoni. Primārā kosmiskā starojuma iedarbības rezultātā ar atmosfēru veidojošajiem atomiem veidojas daļiņu šaltis, respektīvi, gan starojuma, gan daļiņu plūsma, kas iesaistās sekojošās pārvērtībās un galu galā sasniedz Zemes virsmu. Primārā kosmiskā starojuma iedarbība rada gaismas veido- šanos (Čerenkova efekts), kā arī fluorescenci. Kosmiskais starojums, mijiedarbojoties ar atmosfēru veidojošo gāzu atomiem, izraisa vairākas kodolreakcijas, no kurām nozīmī- gākā ir oglekļa izotopa 14C veidošanās, neitronam iedarbojoties uz slāpekļa atoma kodolu. n + 14N → p + 14C Kosmiskā starojuma plūsmas nodrošina to, ka atmosfēras sastāvā ietilpst relatīvi stabils 14C daudzums (~ 70 tonnas). Veido- tais izotops ātri oksidējas, veidojot 14CO2, kuru augi asimilē, un tas kļūst par vienu no elementiem, kas to veido. 14C pussabrukšanas 4.8. attēls. Kosmiskā starojuma radītas daļiņu šaltis, kuras ir radījis protons ar enerģiju 1 TeV 20 km augstumā . Attēls iegūts modelēšanas rezultātā 48 RADIOAKTIVITĀTE periods ir 5730 gadu, bet šo izotopu dzīvie organismi var uzņemt to dzīves laikā. Nosakot dzīvo organismu atliekās esošo atlikušo 14C daudzumu, ir iespējams ar augstu precizitāti noteikt laiku, kad organisms ir dzīvojis. Tā saucamā radioaktīvā oglekļa datēšana ļauj analizēt līdz 53 000 gadu vecus organismus, izmantojot koksni, kūdru, ogli, kaulus un cita veida materiālus, kas veido dzīvos orga- nismus un satur oglekli. Kosmiskais starojums ir nozīmīgs dabiskās (fona) radiācijas ele- ments un nodrošina ~ 0,39 mSv (~ 10%) no kopējā dabiskā starojuma devas, kas vidēji ir 3 mSv gadā. Vienlaikus cilvēkiem, kas dzīvo augst- kalnos, kosmiskā starojuma deva var sasniegt par 1 mSv gadā vai pat vairāk. Lidmašīnu apkalpju starojuma deva var sasniegt pat 2,2 mSv gadā atkarībā no lidošanas intensitātes. Kosmiskais starojums var ietekmēt arī elektronisko ierīču darbību, piemēram, lidmašīnās, kosmosa kuģos un arī uz Zemes. 5. Radioaktīvā starojuma iedarbība 49 5. RADIOAKTĪVĀ STAROJUMA IEDARBĪBA 5.1. Radioaktīvais starojums – jonizējošs starojums Elektroneitrālu atomu vai molekulu pārvēršanos par joniem – lādētām daļiņām – sauc par jonizāciju, un tas ir viens no nozīmīgiem radioaktīvā starojuma iedarbības veidiem. Jonizācijai pretējs process ir pretēji lādētu daļiņu mijiedarbība, kuras rezultātā veidojas elek- troneitrāli atomi vai molekulas – rekombinācija. Jonizācija noris, atomam vai molekulai vai nu zaudējot, vai pievienojot elektronu, un, lai šis process notiktu, nepieciešama enerģija, kuras avots var būt radioaktīvā starojuma komponenti – γ starojums, β daļiņas vai α daļiņas. Jonizācija ir endotermisks process, tātad nepieciešama enerģijas pievade, kuras avots var būt arī siltumenerģija vai jau joni- zētu daļiņu enerģija. Jonizācijas enerģija ir atkarīga no elektrona enerģijas, respektīvi, no tā, cik tālu elektrons atrodas no atoma kodola, un līdz ar to atomiem, kuru kodolus veido vairāki nuklīdi, var izšķirt vairākus jonizācijas enerģijas līmeņus (5.1. attēls). Radioaktīvā starojuma spējas vielu pārvērst jonos ir viens no būtiskiem iedarbības veidiem uz dzīvajiem organismiem. Joni vai ierosināti atomi un molekulas, kuri ir veidojušies, iedarbojoties Enerģiju, kas nepiecie­ šama, lai elektrons tiktu atrauts no atoma, sauc par jonizācijas enerģiju, kuru izsaka elektronvoltos (eV) vai džoulos (J). He Ne Ar Kr Xe Rn 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Atomskaitlis Jo ni zā ci ja s en er ģi ja (e V ) NaLi K Rb Cs Fr La Ac HfIn Cd Gd 6d HgZn Ga 5d 5d 4p→ 5p→3d→ 4d→2p→ 3p→ 6p→4f→ 5f→ 2s→ 3s→ 4s→ 5s→ 6s→ 7s→ 5d→ 5.1. attēls. Ķīmisko elementu jonizācijas enerģijas atkarība no to atomskaitļa (protonu skaita kodolā, vietas elementu periodiskajā sistēmā) 50 RADIOAKTIVITĀTE jonizējošajam starojumam, ir ar ievērojami augstāku enerģiju nekā neitrālas molekulas, un līdz ar to var tikt ietekmētas to funkcijas organismā, notikt neparastas reakcijas vai sagrauti dzīvie audi, kuru sastāvā molekulas atrodas. Par īpaši bīstamu uzskatāma jonizē jošā starojuma ietekme uz organismā notiekošo reakciju katalizatoru (enzīmu) un informācijas nesēju (DNS, RNS) molekulām. Ja enerģija, kuru atoms vai molekula absorbē, ir mazāka par joni- zācijas enerģiju, notiek ierosināšanas process, respektīvi, ārējo elek- tronu enerģija var pieaugt un tie var pacelties uz nākamo vakanto orbitāli. Tā kā ierosināts atoma vai molekulas stāvoklis ir nestabils, tie var vai nu iesaistīties ķīmiskās reakcijās, vai arī uztvertā enerģija var izdalīties elektromagnētiskā starojuma veidā, kura enerģija ir zemāka par to enerģiju, kas šo ierosināšanu ir izraisījusi. Lielākā jonizācijas enerģija nepieciešama, lai jonizētu cēlgāzes, zemākā – lai izraisītu sārmu metālu atomu jonizāciju, bet, pieaugot elementu atomu kārtas skaitlim, enerģijas daudzums, kas jāpievada, lai atomus jonizētu, samazinās. Radioaktīvā starojuma enerģija var ievērojami pārsniegt jonizā- cijas enerģiju, un tādos gadījumos no atoma vai molekulas atrautais elektrons pats var izraisīt citu daļiņu ierosināšanu vai jonizāciju, turklāt šis process var notikt kā reakciju secība (kaskāde), kura noris tik ilgi, kamēr reakciju izraisošās daļiņas enerģija kļūst mazāka par jonizācijas enerģiju. 5.2. Elektromagnētiskā starojuma iedarbība Elektromagnētiskais starojums atkarībā no tā viļņu garuma (enerģijas) var tikt iedalīts kā jonizējošais un nejonizējošais staro- jums. Par jonizējošā vai nejonizējošā starojuma iedarbības bīstamību brīdina attiecīgie bīstamības simboli (5.2.–5.4. attēls). Ar jēdzienu “nejonizējošs starojums” apzīmē elektromagnētisko starojumu, kura enerģija (fotona enerģija) ir mazāka par atomu vai molekulu jonizācijas enerģiju, respektīvi, enerģiju, kas nepieciešama, lai atrautu elektronu. Tajā pašā laikā nejonizējošā starojuma enerģija var būt pietiekama, lai ierosinātu atomus, tiem pārvietojoties uz augstāku enerģētisko orbitāli. Rezultātā, īpaši dzīvajos organismos, tie iesaistās reakcijās, kuras var radīt audu bojājumos. Kā robežšķir- tne starp jonizējošu un nejonizējošu starojumu tiek pieņemta fotona enerģija, mazāka par 10 eV. Citos pētījumos ieteiktā robežvērtība ir 33 eV, respektīvi, enerģija, kas var radīt ūdens molekulas jonizā- ciju. Pie nejonizējošā starojuma pieskaita radioviļņus, infrasarkano starojumu, mikroviļņus, redzamo gaismas starojumu. Lai gan tāda starojuma enerģija, kas tiek izmantota mobilajos telefonos, lidostu Jonu vai brīvo radikāļu veidošanās dzīvos audos ir viens no būtiskākajiem radioaktīvā starojuma iedarbības veidiem, jo rada bīstamus audu bojājumus, ietekmējot molekulas vai reakcijas, kuras ir kritiski svarīgas dzīvības procesiem. 5.2. attēls. Nejonizējošā starojuma bīstamības simbols 5. Radioaktīvā starojuma iedarbība 51 skeneros, radaros un citās ierīcēs, ir mazāka par to, kas nepiecie- šama, lai radītu vielas jonizāciju, tomēr nejonizējošā starojuma iedarbības riski nav pilnībā apzināti un to izpēte uz dzīvajiem orga- nismiem turpinās. Ultravioletais starojums, īpaši tā sauktais “cietais UV starojums”, jau var izraisīt atomu un molekulu jonizāciju. Rentgenstari un γ stari ir uzskatāmi par jonizējošo starojumu, kuru iedarbības veids un intensitāte ir atkarīga no starojuma ener- ģijas (viļņa garuma). Rentgenstarojums un γ stari, sasniedzot atomu tā telpā, tiek bremzēti vai arī var sadurties ar elektroniem vai atomu kodolu, izraisot kodolreakcijas, un atkarībā no to enerģijas var izpausties pieci iedarbības veidi vai efekti: 1) fotoefekts; 2) Komptona efekts; 3) Tomsona izkliede; 4) pāra efekts vai anihilācija; 5) fotoskaldīšanās vai fotokodolreakcijas. Fotoefekts ir elektronu emisija no materiālu virsmas, kura rodas, ja uz materiālu iedarbojas elektromagnētiskais starojums (5.5. attēls). Pie tam starojuma kvantu enerģija pilnībā pāriet elektrona enerģijā, veidojot β starojumu. Fotoefekts ir raksturīgs rentgenstarojumam un γ starojumam ar enerģiju, kas ir mazāka par 0,2 MeV, un tas var būt sekundāras β daļiņu plūsmas avots kodolieroču sprādziena rezultātā. Komptona efektu (nosaukts tā atklājēja Artura Komptona (Arthur Holly Compton) vārdā) rada γ starojuma, kura enerģija ir 0,2–1,0 MeV, izkliede, saduroties ar elektronu (5.6. attēls). Komptona efekta rezultātā samazinās γ starojuma enerģija (pieaug viļņa garums, un veidojas γ starojums ar garāku viļņa garumu vai rent- genstarojums), bet daļa enerģijas tiek nodota elektronam, veidojot β daļiņu plūsmu. Komptona efekts ir nozīmīgs, lai saprastu rent- genstarojuma un γ starojuma iedarbību uz dzīviem organismiem, radiobioloģijā, bet izpratne par to ir svarīga arī γ starojuma izmanto- šanai radioterapijā. Komptona efekts tiek lietots materiālu analīzes un izpētes metodē – γ spektroskopijā. 5.5. attēls. Elektronu emisija no materiāla (metāla) virsmas, kuru rada augstas enerģijas elektromagnētiskais starojums – fotoefekts 5.3. attēls. Jonizējošā starojuma bīstamības simbols 5.4. attēls. Kopš 2007 . gada ieteiktais radiācijas bīstamības simbols 52 RADIOAKTIVITĀTE Tomsona izkliede (nosaukta tā atklājēja Džozefa Tomsona (Joseph John Thomson) vārdā) ir γ starojuma elastiska izkliede mijie- darbības rezultātā ar lādētu daļiņu, kā rezultātā ne daļiņu kinētiskā enerģija, ne starojuma viļņa garums nemainās (5.6. attēls). Pāra efekts ir elementārdaļiņas un tās antidaļiņas veidošanās un ir raksturīgs, augstas enerģijas γ starojumam mijiedarbojoties ar smagajiem elementiem (5.6. attēls). Daļiņas, kuras veidojas pāra efekta rezultātā, var būt, piemēram, neitrons un pozitrons, protons un anti- protons, mions un antimions. Veidotās daļiņas un antidaļiņas anihilē, un rezultātā veidojas divi γ starojuma kvanti ar vienādu enerģiju. Fotoskaldīšanās vai fotokodolreakcijas rada augstas enerģijas γ starojuma iedarbība uz atoma kodolu. Kodols, absorbējot staro- juma enerģiju, pāriet ierosinātā stāvoklī, iesaistoties sekojošās reak- cijās, vai var sabrukt. Piemēram, γ starojums ar enerģiju 2,22 MeV var izraisīt deitērija sabrukšanu, veidojoties protijam un neitronam. γ + 21D → 11H + 10n Šādas reakcijas var notikt uz zvaigznēm un arī uz Zemes, turklāt ne tikai radioaktīvā starojuma rezultātā. Zibens izlādes laikā tiek veidota augstas enerģijas elektronu plūsma, kurai mijiedarbojoties ar atmosfēru veidojošajām gāzēm, veidojas γ starojums, kas var izraisīt, piemēram, slāpekļa-14 atomu pārvērtības. Atomu kodoli, absorbējot augstas enerģijas γ starojuma kvantus, var tikt sašķelti. Izpratne par to, kā augstas enerģijas elektromagnētiskais starojums iedarbojas ar vielu, ir svarīga, lai saprastu to, kāda ir rentgenstarojuma un γ starojuma iedarbība gan uz dzīvajiem organismiem, gan arī uz materiāliem, piemēram, atomelektrosta- cijās vai kodolavāriju gaitā. γ staru iedarbības veids ir atkarīgs no to enerģijas, jo, ja tā ir līdz 10 keV, dominēs fotoefekts, bet, ja virs 20  MeV, dominēs pāra efekts. γ staru absorbcija un to enerģijas samazināšanās, notiekot to sorbcijai, vielā ir pakļauta eksponen- ciālai sakarībai, un vielu un materiālu spēju aizturēt γ starojumu raksturo vielas slānis, kuru šķērsojot γ staru intensitāte samazinās 5.6. attēls. Elektromagnētiskā starojuma – vielas mijiedarbības – veidi . A – Komptona efekts; B – Tomsona izkliede; C – pāra efekts 5. Radioaktīvā starojuma iedarbība 53 uz pusi. γ  starojuma, kura enerģija ir 2 MeV, pusabsorbcijas slānis alumīnijam ir 6,3 cm, bet 12,6 cm biezs slānis samazina γ starojuma intensitāti 4 reizes. Starojuma absorbcija ir atkarīga no vielu blī- vuma, un, piemēram, svins ir efektīvs aizsardzībai no γ starojuma. 5.3. Neitronu plūsmas, α un β daļiņu iedarbība uz vielu Alfa daļiņu iedarbības raksturu ar vielu nosaka šo daļiņu relatīvi lielā masa un pozitīvais lādiņš, kuru nosaka 2 protonu klātbūtne, bet arī, salīdzinot ar citām daļiņām, relatīvi zems ātrums. Mijiedar- bojoties ar vielu, α daļiņu enerģija izraisa jonizāciju un elektronu ierosināšanu, vispirms pateicoties pretēju lādiņu mijiedarbībai. Kustoties vidē, kas ir piesātināta ar tvaiku, α daļiņas darbojas kā tvaika kondensācijas centri, radot vizuāli novērojamas tvaika kon- densācijas pēdas. Šo efektu izmanto vienā no pirmajām starojuma izpētes ierīcēm – Vilsona kamerā (5.7. attēls). Ja α daļiņu enerģija ir pietiekami liela, elektrons var tikt atrauts – molekula vai atoms tiek jonizēti, līdz ar to α daļiņas, iedarbojoties ar vielu, rada jonu pārus. Piemēram, α daļiņa ar enerģiju 5MeV gaisā rada 1,4 × 105 jonu pārus. Notiekot vielas jonizācijai, α daļiņu kustības ātrums samazi- nās un tā, piesaistot 2 elektronus, pārvēršas par hēlija atomu. Gaisā α daļiņu ceļa garums ir daži centimetri, bet, piemēram, α daļiņas ar enerģiju 5,5 MeV ceļa garums alumīnijā ir tikai 24 µm, ūdenī 48 µm, papīrā 34 µm, varā 10 µm. Tātad α daļiņu ceļa (treka) garums vielās ir atkarīgs no daļiņas enerģijas, absorbenta atommasas un sorbenta blīvuma. Otrs mehānisms, kā α daļiņas iedarbojas ar vielu, ir to veidojošo atomu ierosināšana. Ierosināti atomi un molekulas seko- joši atgriežas normālā enerģijas stāvoklī, bet uztvertā enerģija tiek izdalīta kā gaismas starojums – fluorescence (process, kurā viela pēc gaismas vai cita elektromagnētiskā starojuma absorbēšanas izstaro gaismu). Gaisa fluorescence ir raksturīga intensīvi sabrūkošiem ele- mentiem, kuri izdala α daļiņas, piemēram, rādijam-226. Bēta starojuma jonizācijas potenciāls, mijiedarbojoties ar vielu, ir augstāks nekā γ starojumam, bet zemāks nekā α daļiņām. Līdzīgi β  starojumu aiztur dažu milimetru biezs alumīnija slānis, tomēr β starojums, iedarbojoties uz vielu, veido sekundāro γ starojumu, tāpēc prasības, lai aizsargātos no β starojuma, ir visai augstas. Mijie- darbojoties ar vielu (atomu kodoliem), β starojums zaudē savu ener- ģiju, elektromagnētiskās mijiedarbības rezultātā veidojot bremzē- šanas starojumu (no vācu val. Bremsstrahlung) – γ starojumu. Ūdenī β  starojums, kas veidojas, piemēram, kodolreaktoros, veido gaiši zilu Neitronu plūsmas, α un β daļiņu iedarbību uz vielu nosaka tas, ka šīm daļiņām ir masa, un līdz ar to iedarbība ir ievērojami intensīvāka nekā elektromagnētiskā starojuma iedarbība. 54 RADIOAKTIVITĀTE 5.7. attēls. Alfa daļiņu atstātās pēdas tvaika kamerā (α daļiņu avots – radons-220, izopropanola tvaiki) 5.8. attēls. Čerenkova starojums ap izpētes kodolreaktora aktīvo zonu ūdenī 5. Radioaktīvā starojuma iedarbība 55 tā saukto Čerenkova starojumu (nosaukts tā atklājēja krievu fiziķa Pāvela Čerenkova (Павел Алексеевич Черенков) vārdā) (5.7. attēls). Neitronu plūsmas iedarbību ar vielu nosaka šīs daļiņas masa un tas, ka tai nav lādiņa, bet līdz ar to par galveno faktoru, kas nosaka iedarbības veidu, kļūst neitronu enerģija. Pēc iedarbības veida var izšķirt siltuma neitronus, lēnos neitronus un ātros neitronus. Sil- tuma neitronu un lēno neitronu enerģija ir maza (no 0,4 eV līdz 0,5 MeV), un tāpēc kā neitrāla daļiņa tie šķērso elektronu mākoni un, saduroties ar atomu kodolu, izraisa tā pārvērtības, parasti veidojot izotopu, kura masa ir pieaugusi par vienu vienību. Piemē- ram, urāna-235 kodols, absorbējot siltuma neitronu, pārvēršas par urānu-236, un veidojas γ starojums. 1 0n + 23592U → 23692U + γ Vielas apstarošanu ar siltuma neitroniem izmanto, lai pētītu vielas sastāvu, izmantojot neitronu aktivācijas analīzi, kuru raksturo ļoti augsta jutība. Ātrie neitroni, saduroties ar vielu, nodod tās atoma kodoliem savu enerģiju, turklāt neitrona un atoma kodola sadursme var būt elastīga un neelastīga. Elastīgo neitrona – atoma kodola sadursmi var salīdzināt ar divu biljarda bumbu sadursmi, kurā viena bumba nodod daļu savas enerģijas otrai. Ātro neitronu sadursmju rezul- tātā ar atomu kodoliem notiek neitronu bremzēšana. Ja atoma kodola masa ir liela, piemēram, svina atoma, tas faktiski neizmaina ātro neitronu plūsmu, turpretī, tai iedarbojoties uz vieglu atomu kodoliem, ātro neitronu plūsma tiek intensīvi bremzēta. Sadursmē ar ūdeņraža atoma kodoliem neitronu plūsma zaudē 99% savas kinētiskās enerģijas, saduroties ar oglekļa-12 atoma kodolu – 28%, bet, saduroties ar zelta-197 atoma kodolu, – tikai 2% savas enerģijas. Tātad tādas vielas kā ūdens (H2O), smagais ūdens (D2O), parafīns (CnH2n+2), daudzi polimēri, piemēram, polietilēns, arī grafīts labi aiztur ātro neitronu plūsmu. Otrs ātro neitronu sadursmes veids ar vielu ir neelastīgā sadursme, kuras rezultātā no atoma kodola tiek izsists neitrons vai protons, bet atoma kodols tiek ierosināts. Ierosinātais atoma kodols var uzņemto enerģiju izdalīt kā γ starojumu vai arī saglabāties kādu laiku ierosinātā, metastabilā stāvoklī. Ja no atoma kodola neelas- tīgās sadursmes rezultātā tiek izsists protons, tas var nodrošināt vielas jonizāciju. Fiziski ātro neitronu iedarbība uz materiāliem, īpaši metāliem, var radīt defektus to kristāliskajā struktūrā, un rezultātā materiāls kļūst trausls vai it kā uzbriest, notiek kristāliskā režģa struktūras izmaiņas. Piemēram, neitronu plūsmai iedarbojoties uz nātrija hlorīda kristālu, notiek defekta veidošanās tā kristāliskajā struktūrā (5.9. attēls). Šāda veida neitronu iedarbība uz kodolreak- toru konstrukcijā izmantotiem materiāliem ir īpaši būtiska. Izpratne par radioaktīvo starojumu veidojošo daļiņu iedarbības veidu ir kritiski svarīga, lai saprastu to, kā aiz­ sargāties un pasargāt vielas un materiālus no tā kaitīgās iedarbības. 56 RADIOAKTIVITĀTE Ņemot vērā neitronu plūsmas iedarbības veidus, to apzīmē par netieši jonizējošo starojumu, jo tas nerada tiešu vielas jonizāciju, kā to dara protoni (α daļiņas) un elektroni, bet, saduroties ar atomu kodoliem, veido vai nu citus nuklīdus (kuri var būt radioaktīvi), vai γ starojumu. 5.4. Jonizējošā starojuma iedarbība uz ķīmiskiem savienojumiem Jonizējošā starojuma iedarbību uz ķīmiskiem savienojumiem, reakcijām, fizikālķīmiskiem procesiem pēta zinātnes nozare – radi- ācijas ķīmija. Jonizējošā starojuma augstā enerģija nosaka to, ka tā iedarbībā var notikt reakcijas, kuru norisei citādi būtu nepieciešama augsta temperatūra, spiediens, katalizatori, tomēr radiācijas ķīmi- jas galvenais uzdevums ir veidot zināšanas par drošu radioaktīvo elementu izmantošanu un attīstīt lietojumus ķīmisko elementu pārvērtībām, kā arī izstrādāt risinājumus aizsardzībai no radioaktīvā starojuma. Augstas enerģijas jonizējošais starojums izraisa ķīmisko saišu pārraušanu molekulās un to disociāciju. Šo procesu sauc par radio- līzi. Īpaši nozīmīga ir starojuma iedarbība uz ūdens molekulām, jo ūdens ir cilvēka organismu galvenā veidojošā viela un reaģētspējīgu ūdens molekulu disociācijas veidošanās ietekmē visus dzīvajā orga- nismā notiekošos procesus. Atkarībā no starojuma enerģijas, ūdenī var notikt atšķirīgas reakcijas. Kā pirmais reakciju kopums ir jonu veidošanās, kuru var izraisīt α un β daļiņu, protonu plūsma, atraujot elektronu no ūdens molekulas, vai arī molekulas ierosināšana, kas paaugstina tās reaģētspēju. H2O → H2O+ + e– Sekojoši veidotie joni var reaģēt ar ūdens molekulām, veidojot hidroksonija jonus un hidroksilradikāļus, bet atrautais elektrons var veidot atomāro ūdeņradi un hidroksiljonus. 5.9. attēls. Defekta veidošanās nātrija hlorīda kristāliskajā struktūrā ātro neitronu iedarbības rezultātā 5. Radioaktīvā starojuma iedarbība 57 H2O+ + H2O → H3O+ + HO. e– + H2O → H2O– → H + OH– Jonizējošais starojums var izraisīt arī ūdens molekulas ierosi- nāšanu, kas paaugstina tās reaģētspēju un var izraisīt molekulas disociāciju. H2O → H2O* H2O* → H. + OH– Kopsavilkums. Ūdens radiolīzes rezultātā var veidoties brīvie radikāļi (H., HO., HO2.), joni (H3O+, OH–) un reaģētspējīgas moleku- las H2, H2O2. Brīvie radikāļi var rekombinēties, respektīvi, reaģējot savā starpā, veidot neitrālas molekulas un aktīvi iesaistīties dažādās reakcijās Reakcijām notiekot dzīvajos organismos, to audos, tajās iesaistās organiskie savienojumi, kas nosaka organismu funkcio- nēšanu, piemēram, aminoskābes, lipīdi, dezoksiribonukleīnskābe, olbaltumvielas, enzīmi, citas organiskas molekulas, un rezultātā tiek ietekmēti dzīvības procesi. Jonizējošā starojuma iedarbību var mainīt vidē esošās vielas, un, piemēram, skābekļa klātbūtnē izpaužas tā saucamais skābekļa efekts, respektīvi, skābekļa klātbūtnē jonizējošā starojuma iedar- bība ir ar augstāku toksisko iedarbību uz dzīvajiem organismiem nekā tad, ja skābekļa saturs ir zems vai tā nav (vide ir anaeroba). Skābekļa klātbūtnē mainās ūdens molekulu radiolīzes reakciju gaita un augstākās koncentrācijās veidojas ūdeņraža peroksīds (H2O2) un no tā atvasināts radikālis – hidroperoksīdradikālis (HO2.), kuri var sekojoši iesaistīties reakcijās ar organiskiem savienojumiem. Jonizējošais starojums gan tieši, gan netieši iedarbojas uz orga- niskiem savienojumiem, bet īpaši nozīmīga ir tā iedarbība uz mole- kulām, kuras piedalās dzīvības procesos un ir dzīvo šūnu sastāvda- ļas. Augstas enerģijas jonizējošais starojums var izraisīt disaharīdu un polisaharīdu molekulu sabrukšanu, veidojoties monosaharīdiem vai ogļhidrātu molekulu sabrukšanas fragmentiem – organiskām skābēm, aldehīdiem, citiem sabrukšanas produktiem. Nozīmīga organisko savienojumu grupa ir lipīdi, kuri veido šūnu membrānas un piedalās arī šūnu darbības regulācijas procesos. Jonizējošā starojuma iedarbības rezultātā uz saliktiem lipīdiem, pie- mēram, fosfolipīdiem, var notikt to šķelšana. Iedarbojoties uz nepie- sātinātiem lipīdiem, starojuma iedarbības mērķis ir nepiesātinātās saites, kuras var reaģēt ar ūdens radiolīzes rezultātā veidotiem brī- vajiem radikāļiem, īpaši skābekli saturošiem radikāļiem, un veidot peroksīdus vai hidroksilgrupas saturošus savienojumus. Jonizējošais starojums var izraisīt nepiesātināto lipīdu, īpaši polinepiesātināto taukskābju, polimerizāciju. Radikāļi, brīvie radikāļi – molekulas, atomi vai joni, kuri satur nesapārotu valences elektronu. Brīvie radikāļi ir reaģētspējīgi. Apzīmē ar simbolu E.. Molekulas vai atomi ierosinātā stāvoklī ir uztvēruši papildu enerģiju. Ierosinātas molekulas vai atomi var aktīvi iesaistīties ķīmiskās reakcijās, bet molekulas var disociēt, veidojot reaģētspējīgas daļiņas. Apzīmē ar simbolu E*. 58 RADIOAKTIVITĀTE Jonizējošais starojums aktīvi iedarbojas uz aminoskābēm, izmai- not to ķīmiskās īpašības un struktūru. Tipiskas reakcijas ir dezami- nēšana (aminogrupas atšķelšana), dekarboksilēšana (karboksilgrupas atšķelšana), bet starojuma iedarbība ir īpaši izteikta uz aminoskā- bēm, kuras satur aminogrupas (-NH2) un sulfhidrilgrupas (-SH). Jonizējošajam starojumam iedarbojoties uz sēru saturošām ami- noskābēm, var notikt saišu -S-H, C-S pārraušana, saites -S-S- pār- raušana. Sēru saturošās aminoskābes (cistīns, cisteīns, metionīns) aktīvi iesaistās reakcijās ar ūdens radiolīzes produktiem, veidojot reaģētspējīgus produktus un sēru saturošajām grupām atšķeļoties. 5.10. attēls. Olbaltumvielu struktūras organizācijas līmeņi Pirmējā olbaltumvielu struktūra Otrējā olbaltumvielu struktūra Trešējā olbaltumvielu struktūra Ceturtējā olbaltumvielu struktūra 5. Radioaktīvā starojuma iedarbība 59 Par īpaši būtisku uzskatāma jonizējošā starojuma iedarbība uz olbaltumvielām, ņemot vērā gan to nozīmīgās funkcijas organismā, gan to, ka olbaltumvielu sarežģītā struktūra ir jutīga pret jebkādām tās izmaiņām, kuru rezultātā tās zaudē savu spēju piedalīties dzīvī- bas procesos. Olbaltumvielām izšķir vairākus to struktūras līmeņus, no kuriem pirmējā ir aminoskābju secība olbaltumvielas makro- molekulā, otrējā  – aminoskābju izkārtošanās spirāles veidā, bet trešējā un ceturtējā struktūra nosaka aminoskābju virknes telpisko izkārtojumu (5.10. attēls). Trešējās un ceturtējās struktūras izveidē liela nozīme ir gan ūdeņraža saišu pastāvēšanai, gan disulfīdsaišu izveidei starp aminoskābju virknes elementiem. Savukārt tieši saites, kuras nosaka olbaltumvielu telpiskās struktūras izveidi, ir īpaši jutī- gas pret jonizējošā starojuma iedarbību, un tās rezultātā olbaltum- vielas struktūra sabrūk – tā denaturējas. Pret jonizējošā starojuma iedarbību jutīgākās olbaltumvielas ir enzīmi – olbaltumvielas, kuras paātrina organismā notiekošas reakcijas. Enzīmu augsto radiojutību nosaka tas, ka to denaturāciju var radīt ne tikai struktūras sagrau- šana, bet arī izmaiņas to aktīvajā centrā, kurā notiek reakcijas. Enzīmu radiojutību nosaka arī tas, ka daudzi enzīmi savā aktīvajā centrā vai tā tuvumā satur metālu jonus, kuru saistību ar olbaltum- vielu arī var ietekmēt jonizējošais starojums. Jonizējošais starojums var gan tieši ietekmēt olbaltumvielas veidojošo aminoskābju struk- tūru, gan netieši: ūdens radiolīzes produkti, īpaši brīvie radikāļi, var reaģēt ar olbaltumvielu struktūru veidojošajiem elementiem un izraisīt to īpašību izmaiņas, līdz ar to radot enzīmu funkciju (kata- lītiskās aktivitātes) zudumu. Jonizējošais starojums iedarbojas uz informācijas nesēja mole- kulām  – dezoksiribonukleīnskābi (DNS) un ribonukleīnskābi (RNS). DNS molekulas sastāv no ogļhidrāta dezoksiribozes, slāpekļa H H H H H H HN N N N N N N N N N N N N N N H O O O O R R R R Guanīns Citozīns Adenīns Timīns 5.11. attēls. Ūdeņraža saites starp nukleīnskābes bāzēm guanīnu (G) un citozīnu (C) un adenīnu (A) un timīnu (T) 60 RADIOAKTIVITĀTE bāzēm (adenīna, guanidīna, citozīna, timīna) un fosforskābes atli- kuma. DNS molekula ir dubultspirāle, un tās veidošanā ir stingri noteikta atbilstība starp slāpekļa bāzēm  – komplementaritāte (5.11. attēls). DNS molekula ir līdzīga kodētam ziņojumam, kurā ietilpstošā informācija ir ierakstīta slāpekļa bāzu secībā. Ja šīs spi- rāles atdala, uz katras no tām veidojas atkal jauna komplementāra daļa, un rezultātā rodas divas jaunas DNS spirāles, identiskas sākot- nējai. Šis princips arī ir šūnas vairošanās pamatā. Jonizējošais starojums var izraisīt nukleīnskābes komponentu (ogļhidrāta atlikuma, pirimidīna vai purīna bāzes) struktūras izmai- ņas, radīt dubultspirāles vienas virknes vai abu virkņu pārrāvumu. Jonizējošais starojums var uz DNS struktūru iedarboties gan tieši (radot ribonukleīnskābes virknes pārrāvumu), gan netieši (ūdens radiolīzes rezultātā veidotajiem joniem vai radikāļiem reaģējot vis- pirms ar DNS uzbūvi veidojošajām slāpekļa bāzēm – nukleotīdiem). Ūdens radiolīzes produkti var reaģēt ar slāpekļa bāzēm. Piemēram, var notikt nukleotīda aminogrupu pārvēršanās par hidroksilgrupām. Līdz ar to adenīns pārvēršas par hipoksantīnu, guanīns par ksan- tīnu, citozīns par uracilu (RNS sastāvdaļa). Radušās jaunās bāzes vairs nespēj veidot ūdeņraža saites, kas ir dubultspirāles stabilitātes pamatā, un oriģinālā dubultspirāle deformējas vai atritinās. Uz katras no atsevišķajām spirālēm veidojas jaunas spirāles, bet jaunizveidotā DNS bāzu secība ir izmainījusies, salīdzinot ar oriģinālu. Reaģētspējīgi ūdens radiolīzes produkti var reaģēt ar DNS kom- ponentiem, veidojot kovalentas saites starp reakcijā iesaistīto vielu un DNS molekulu – aduktu. DNS aduktus tipiski veido epoksīdi, alkilradikāļi, daudzi diazo savienojumi. Aduktu sastopamība līdz ar to var tikt izmantota, lai novērtētu jonizējošā starojuma iedar- bības raksturu,  – tie var tikt izmantoti kā starojuma iedarbības biomarķieri. Nepieciešams atzīmēt, ka šūnā pastāv DNS struktūras atjauno- šana (reparācijas procesi, kas ļauj atjaunot sākotnējo DNS struktūru) (5.12. attēls). DNS reparācijas process ietver DNS bojājuma identificē- šanu, bojātā segmenta dubultspirāles “atritināšanu” un tā izgriešanu (šo procesu kopumu nodrošina enzīmi – nukleāzes) un sākotnējās DNS struktūras atjaunošanu, ko nodrošina enzīmi DNS polimerāze un DNS ligāze. Jonizējošā starojuma iedarbība uz DNS ir pamatā tā mutagēnajai vai kancerogēnajai iedarbībai. Dzīvo organismu noturību pret jonizējošo starojumu nosaka to DNS reparācijas procesu intensitāte. Ir zināma baktērija Deinococcus radiodurans, kas var izturēt ekstrēmus vides apstākļus (aukstumu, vakuumu, skābju iedarbību), kā arī ārkārtīgi spēcīgu jonizējošo sta- rojumu. Šī baktērija tika atklāta 1956. gadā, 1999. gadā tika veikta tās genoma sekvenēšana, un ir pierādīts, ka tai piemīt unikālas spējas atjaunot DNS struktūru pat gadījumos, ja ir pārrautas abas 5. Radioaktīvā starojuma iedarbība 61 dubultspirāles puses. Šī baktērija tika eksponēta 3 gadus kosmiska- jam un Saules starojumam Starptautiskajā kosmosa stacijā un var izturēt 5000 greju (Gy) starojuma dozu, nezaudējot spējas dalīties, pat ņemot vērā to, ka šādas starojuma devas rada vairākus simtus abu DNS dubultspirāļu pārrāvumus, bet 5 Gy starojuma doza var būt letāla cilvēkam, 200–800 Gy ir letāla zarnu nūjiņai Escherichia coli, bet 4000 Gy deva iznīcina citu ekstremofilu – gauskāji (tardigrādu). Tik augstu radiorezistenci nosaka vairākas DNS kopijas Deino- coccus šūnā un unikāls DNS reparācijas mehānisms, kā arī augstas antioksidantu koncentrācijas šūnā. Ņemot vērā Deinococcus augsto izturīgumu pret radiāciju, tiek pētītas šīs baktērijas izmantošanas iespējas radioaktīvo atkritumu pārstrādē. Adukts Nukleāzes Nukleāzes Izgriešana DNS struktūras atjaunošana – resintēze 5.12. attēls. DNS struktūras reparācijas mehānisms adukta izveidošanās vai vienas spirāles bojājuma gadījumā 6. Jonizējošā starojuma ietekme uz dzīvajiem organismiem. Staru slimība 63 6. JONIZĒJOŠĀ STAROJUMA IETEKME UZ DZĪVAJIEM ORGANISMIEM. STARU SLIMĪBA Starojuma iedarbība uz dzīvajiem organismiem izpaužas visos to organizācijas un funkcionēšanas līmeņos, sākot ar ietekmēm uz biomolekulām un bioķīmiskajām reakcijām līdz ietekmēm uz popu- lācijām. Dzīvie organismi ir pašregulējošas sistēmas, kuru pastāvē- šanu nodrošina dažādi to bojājumu labošanas (reparācijas) procesi. Tomēr ir procesi, kas var kardināli ietekmēt organismu, ja uz tiem ir tikai neliela ietekme, turklāt – jo sarežģītāks ir organisms, jo vairāk ir šādu kritisko procesu. 6.1. Jonizējošā starojuma ietekme uz dzīvajām šūnām Starojuma iedarbību pēc tā sekām var iedalīt subletālos bojā- jumos un letālos bojājumos. Subletālu bojājumu gadījumā šūnas liktenis ir atkarīgs no bojājumu intensitātes un veida, kā arī no vides, kurā šūna atrodas, bet optimālā gadījumā var notikt atveseļošanās no starojuma radītajām ietekmēm, respektīvi, vielmaiņas un šūnas dalīšanās procesu atjaunošanās (radioreparācija). Starojuma iedar- bība šūnas līmenī var izpausties vispirms kā šūnas ārējās membrānas bojājumi, kuru rezultātā var pieaugt tās caurlaidība, kas savukārt ietekmē citoplazmā noritošos procesus. Membrānas bojājumus var radīt α starojums vai neitronu plūsma. Šūnas funkcionēšanu var ietekmēt starojuma iedarbība uz DNS. Ja bojājumu DNS struktūrā nav daudz vai arī tie nav šūnas funkcionēšanai kritiski nozīmīgos sektoros, DNS var tikt atjaunota, “izgriežot” dubultspirāles bojātos elementus un atjaunojot oriģinālo secību no neskartās dubultspirāles secības. Oriģinālo DNS secību atjaunošana ir viens no jonizējošās radiācijas radīto bojājumu – repa- rācijas mehānismiem, un to var sekmēt vielas, kuras, piemēram, kavē ūdens radiolīzes produktu, brīvo radikāļu veidošanos vai neitralizē to kaitīgo efektu (6.1. attēls). Ja DNS bojājumu ir daudz, var sākties šūnas programmētās bojā- ejas procesi – apoptoze, tai atrodoties interfāzes attīstības stadijā, Jonizācija – neitrālu atomu vai molekulu pārvēršanās par joniem (pozitīvi vai negatīvi lādētām daļiņām). 64 RADIOAKTIVITĀTE kad notiek šūnas DNS “kopēšana” un šūna gatavojas dalīšanās fāzei – mitozei. Apoptoze (no grieķu vārda apoptosis, ἀπόπτωσις – lapu nokrišana jeb lapkritis) apzīmē ieprogrammētu šūnas bojāeju, kas nodrošina defektīvo (bojāto, mutējošo, inficēto) šūnu likvidē- šanu. Apoptozes gaitā bojātās šūnas sadalās fragmentos, kurus pēc tam izmanto citas organisma šūnas. Bojāgājušās šūnas parasti tiek ļoti ātri izvadītas no organisma (vidēji 90 minūšu laikā). Tas kavē iekaisuma rašanos. Apoptozes process ilgst aptuveni 1–3 stundas. Šūnas bojāeja var sākties dažas stundas pēc apstarošanas, un to rak- sturo tipiskas morfoloģiskas izmaiņas, piemēram, kodola struktūras sabrukums, bet galvenais – DNS virknes dezintegrācija. Vairākos šūnu veidos apoptozi izraisa relatīvi zemas starojuma devas, piemē- ram, limfocītos, oocītos, bet apoptoze var būt arī vēža šūnu bojāejas cēlonis, tās apstarojot, lai iznīcinātu. No otras puses, apoptozes mehānisma bloķēšana ir nozīmīgs faktors normālu šūnu trans- formācijā ļaundabīgajās šūnās. Cits mehānisms, kas izraisa šūnu bojāeju, ir radiācijas izraisīta šūnas dalīšanās bloķēšana. Radiācija atkarībā no tās devas var bloķēt mitozi, t. i., šūnas dalīšanās proce- sus. Šūnas dalīšanās kavēšana ir mehānisms, kas nosaka jonizējošā starojuma ietekmi uz lielāko daļu augstāko dzīvo organismu šūnām. Starojuma ietekme ir būtiska šūnām, kurām raksturīga augsta dalī- šanās intensitāte, un to raksturo augsts mitotiskais indekss, kas ir attiecība starp šūnu skaitu, kuras dalās, un šūnu skaitu, kuras nedalās. Mitotiskā indeksa samazināšanās raksturo jonizējošā sta- rojuma iedarbību uz visiem šūnu veidiem, bet tā vērtības ir atkarīgas no šūnu tipa. Tiek uzskatīts, ka mitozes aizkavēšanas un bloķēšanas cēloņi ir starojuma ietekme uz mitohondrijiem, kuri atrodas šūnas citoplazmā un nodrošina šūnas enerģētiku, vispirms adenozīn- trifosfāta (ATF) sintēzi. Vienlaikus mitohondrijos notiek efektīvi reparācijas procesi. Intensīva dalīšanās raksturīga mugurkaula sma- dzeņu šūnām un arī vēža šūnām, kuras līdz ar to ir jutīgākas pret starojuma iedarbību. Apstarošana rada būtiskus attīstības defektus Iz dz īv oj uš ās š ūn as (% ) Kopējā doza (Gy) 100 80 60 40 20 0 0 2 4 6 8 10 6.1. attēls. Šūnas reparācijas mehānismu ietekme uz starojuma devas efektu – šūnas bojāeju (zilā līnija – aizsardzība pret radiācijas iedarbību nenotiek; sarkanā līnija – izmantotas vielas, kuras sekmē aizsardzību pret jonizējošo starojumu) 6. Jonizējošā starojuma ietekme uz dzīvajiem organismiem. Staru slimība 65 cilvēka embrija un augļa šūnās, kas var novest pie pēcnācēju orgānu attīstības anomālijām. Šūnas funkcionēšanu var ietekmēt ūdens radiolīzes produkti, vispirms reaģētspējīgi, skābekli saturoši brīvie radikāļi. Starojuma iedarbību var raksturot, analizējot, piemēram, enzīmu aktivitāti, DNS integritāti vai citus parametrus, kas raksturo bioķīmiskos procesus, bet vienkāršs rādītājs ir šūnas izdzīvotība: šūnu skaits, kuras pēc apstarošanas spēj radīt pilnvērtīgu, dalīties spējīgu šūnu paaudzi. Jonizējošā starojuma iedarbību var vērtēt, nosakot staro- juma letālo devu, kas izraisa puses šūnu bojāeju (LD50). Būtiska ir jonizējošā starojuma iedarbība uz cilmes šūnām, kuru inaktivācija, ja tā notiek cilvēka organismā, var radīt sarkano asinsķermenīšu trūkumu, un rezultātā cilvēks var iet bojā. Jonizējošā starojuma radītā ietekme (mutācijas) var izpausties ne tikai apstarotajā šūnā, bet arī sekojošās paaudzēs. Pēc starojuma devas saņemšanas šūna var normāli dalīties, bet kādā no sekojošām paaudzēm sāk izpausties radītie DNS bojājumi, mutācijas uzkrājas un šūna iet bojā. Šādu jonizējošā starojuma iedarbības veidu sauc par vēlīno jeb reproduktīvo inaktivāciju, un tā iemesls var būt ietekme uz šūnas membrānu, kodolu, tajā esošo DNS, bet izpausmes var būt ļoti dažādas, piemēram, dzīvotnespējīgu šūnu veidošanās, šūnu izmēra būtisks pieaugums un citas izpausmes. Joni- zējošā starojuma mutagēnā iedarbība tika pierādīta jau 1927. gadā veiktos eksperimentos, apstarojot augļu mušiņas Drosophila ar mainīgām starojuma devām. Eksperimentāli pētījumi ir pierādījuši, ka pastāv izteikta starojuma devas – seku kopsakarības, sākot ar zemām devām (< 1 cGy) līdz pat 1000 cGy. Starojuma ietekme uz DNS struktūru cilvēka šūnās parāda, ka radiācijas izraisītās mutā- cijas rada noteiktu gēnu bloķēšana līdz pat hromosomu atsevišķu segmentu funkciju ietekmēšanai. Mutāciju ietekme atšķiras atkarībā no tā, vai tās ir notikušas somatiskajās šūnās vai dzimumšūnās. Jonizējošā starojuma iedarbība izpaužas gan DNS, gan gēna līmenī. Jonizējošā starojuma radītās mutācijas var iedalīt 3 grupās: 1) gēnu jeb punktveida mutācijas, kuras ir notikušas tikai kādā konkrētā gēnā; 2) hromosomu mutācijas, kas ir saistītas ar būtiskām izmaiņām hromosomās un noved pie nozīmīgām ģenētiskā materiāla izmaiņām; 3) mutācijas, kas rada hromosomu skaita izmaiņas. Gēnu mutācijas var iedalīt dominantās mutācijās (dzimumšūna bojāta tikai vienam no vecākiem, bet mutācijas parādās jau pirmajā paaudzē) vai recesīvās mutācijās (veidojas, ja abiem vecākiem mutā- cijas notikušas vienā gēnā). Gēnu mutācijas raksturo izteikta devas – seku likumsakarība, respektīvi, pieaugot jonizējošā starojuma devai, pieaug mutāciju skaits. Letālā deva – vielas vai starojuma deva, kas izraisa dzīvā organisma bojāeju. LD50 – vielas vai starojuma deva, kas izrai­ sa puses iedarbībai pa­ kļauto organismu bojāeju. Mutācija – pārmanto­ jamas dzīvā organisma pazīmju izmaiņas, kuras rada ietekmi uz informāciju nesēju molekulām – dezoksiri­ bonukleīnskābēm (DNS). 66 RADIOAKTIVITĀTE 6.2. Jonizējošā starojuma iedarbība uz dzīvniekiem un augiem Dzīvo organismu reakciju uz jonizējošo starojumu raksturo to radiojutība, respektīvi, starojuma deva, kura rada kritiskas izmaiņas dzīvajā organismā, ietekmējot tā pastāvēšanu. Dažādu dzīvo orga- nismu jutība pret jonizējošā starojuma iedarbību ir būtiski atšķirīga (6.1. tabula). Vēl augstāka noturība pret jonizējošo starojumu raksturīga mikroorganismiem (raugi, baktērijas, sēnes un citi) un vienkāršā- kajiem organismiem. Tomēr jonizējošo starojumu izmanto medicīnā lietojamu ierīču, augļu, citu produktu sterilizēšanai (6.2. attēls). Ar jonizējošo starojumu apstrādāti pārtikas produkti tiek marķēti ar drošības zīmi (6.3. attēls) Augu šūnās jonizējošā starojuma iedarbības mehānismi ir līdzīgi kā citu dzīvo organismu šūnās, bet bioķīmisko reakciju lēnāka norise padara augus par ērtu izpētes objektu. Būtiska ir jonizējošā starojuma ietekme uz augu sēklām, kuras starojuma iedarbības rezultātā var tikt sterilizētas. Atkarībā no augu sugām to sēklas raksturo būtiski atšķirīga radiojutība (6.2. tabula). Raksturojot starojuma ietekmi, tiek izmantoti tādi rādītāji kā letālā doza vai dozas, kuras izraisa augu augšanas traucējumus. Ir pierādīts, ka lielākā daļa kultūraugu ir jutīgi pret hronisku apstaro- jumu. Hroniska apstarojuma sekas uz augiem izpaužas radioaktīvi piesārņotās teritorijās, piemēram, Čornobiļas atomspēkstacijas avā- rijas zonā augošajā mežā, kurā koki iet bojā. Augu jutība pret joni- zējošo starojumu dozu tuvumā ir augstāka, bet atkal var konstatēt 6.2. attēls. Kobaltu-60 izmanto ābolu apstarošanai, lai paaugstinātu to uzglabāšanas stabilitāti 6.3. attēls. Logo (Radura), kuru izmanto, lai apzīmētu pārtikas produktus, kas sterilizēti, tos apstarojot 6.1. tabula. Dzīvo organismu radiojutība (Millers, Rūse, 1995) Dzīvie organismi LD50 Dzīvie organismi LD50 Aitas 1,5–2,5 Gy Truši 9,0–10,0 Gy Suņi 2,5–3,0 Gy Putni 8,0–20,0 Gy Cilvēks 2,5–5,5 Gy Zivis 8,0–20,0 Gy Pērtiķi 2,5–6,0 Gy Kukaiņi 10,0–100,0 Gy Peles 6,0–15,0 Gy Čūskas 8,0–200,0 Gy Žurkas 7,0–9,0 Gy Augi 10,0–1500,0 Gy 6.2. tabula. Augu sēklu radiojutība (Millers, Rūse, 1995) Augi Vidējā kritiskā doza, Gy Augi Vidējā kritiskā doza, Gy Zirņi 50 Rīsi 750 Saulespuķes 70 Lini 2000 Kvieši 150 6. Jonizējošā starojuma ietekme uz dzīvajiem organismiem. Staru slimība 67 relatīvi izturīgas sugas, piemēram, kāpostu dzimtas augus, kuri var izturēt starojumu līdz 1000 Gy, bet, piemēram, tauriņziežu letālā deva ir daži desmiti Gy. Augu radiojutību nosaka starojuma ietekmi uz DNS, hromosomām, bet arī vielmaiņas procesi ietekmē radioju- tību, jo ātri augoši augi ir jutīgāki nekā lēni augoši. Radioaktīvais starojums var radīt būtiskas vizuāli novērojamas augu morfoloģijas izmaiņas: 1) jonizējošā starojuma iedarbības rezultātā izmainās lapu forma un krāsa, kas var kļūt intensīvāka (pieaug hlorofila saturs), bet lapas var kļūt biezākas mezofilu šūnu deformāci- jas dēļ; 2) notiek ziedu formas un krāsas izmaiņas; 3) augu stumbrs kļūst īsāks un resnāks, veidojas stumbra saaugumi; 4) raksturīgs apstarošanas seku kopums ir stiebru un lapu kātu audzēju veidošanās, tie var veidot pat būtisku daļu no augu masas; 5) apstarojot sēklas, novērojama graudaugu pastiprināta cero- šana, turklāt tas maz ietekmē to ražu. Nelielas starojuma dozas var veicināt augu attīstību. Šādu iedar- bības efektu sauc par radiostimulāciju (6.4. attēls). Radiostimulācijas efekts novērojams, izmantojot apstarošanu ar γ starojumu, un tas var nodrošināt kultūraugu ražības pieaugumu pat par 20%. Dzīvnieku šūnu radiojutība ir mazāka nekā augu šūnu radioju- tība. Būtiski ir arī tas, ka šūnu radiojutība būtiski atšķiras: 1) visjutīgākie pret jonizējošo starojumu ir limfocīti un erit- roblasti (eritroblasts  ir eritrocītu prekursors; agrāk visus eritrocītus ar kodolu dēvēja par eritroblastiem. To diametrs ir 20–25 µm); 2) mazāks jutīgums pret jonizējošo starojumu piemīt olnīcu folikulām, kaulu smadzeņu šūnām (mielocīti), kā arī kuņģa dziedzeru un kapilāro asinsvadu endoteliālajām šūnām; 3) vidēji jutīgi pret jonizējošā starojuma iedarbību ir osteoblasti, osteocīti (kaulu šūnas), lielo asinsvadu endoteliālās šūnas un eritrocīti; 4) jonizējošais starojums relatīvi maz bojā fibrocītus (saistaudu šūnas), skrimšļu šūnas un fagocītus; 5) visizturīgākās pret jonizējošo starojumu ir muskuļu šūnas. Jonizējošā starojuma iedarbību ietekmē tā veids, kuru rak- sturo starojuma kvalitātes faktors KF un no tā atkarīgie iedarbības mehānismi šūnās. Elektromagnētiskā starojuma (rentgenstaru un γ staru), kā arī β starojuma kvalitātes faktors ir 1, bet neitronu KF var pat pārsniegt 30. Starojuma iedarbības efekts mainās atkarībā no tā, vai tas ir akūts vai hronisks. Akūta starojuma devu iedarbība parasti ir 6.4. attēls. Kādreizējais Atomdārzkopības biedrības (angļu val . Atomic Gardening Society) prezidents M . Hovorts demonstrē milzīga izmēra zemesrieksta augu, kas izaudzis no apstarota rieksta 68 RADIOAKTIVITĀTE īslaicīga (sekundes, stundas), bet, ja starojums iedarbojas ilgstoši (dienas, mēnešus un ilgāk), šādu iedarbību sauc par hronisku. Hro- niska starojuma iedarbība ir bīstamāka, jo to raksturo intensīva bojājumu veidošanās audos un tas, ka audu reģenerācijas un DNS reparācijas procesu kapacitāte var tikt izsmelta. Hronisks audu apstarojums veidojas, ja organismā ir nokļuvuši radioaktīvi elementi, kuru sabrukšanas procesi turpinās, piemēram, stroncijs-90, kas var akumulēties kaulaudos, aizvietojot kalcija atomus tajos. 6.3. Staru slimība Staru slimība ir slimība, kas veidojas jonizējošā starojuma iedar- bības rezultātā un ir atkarīga no starojuma veida, dozas un cilvēka organisma specifikas (vecums, dzimums u. c.). Staru slimību rada akūtas starojuma dozas (akūta staru slimība), un līdz ar to tā atšķi- ras no saslimšanas, kuru rada hroniskas starojuma dozas (hroniska staru slimība). Atkarībā no starojuma dozas tās var iedalīt šādi: 1) ļoti lielas apstarojuma dozas (> 20 Gy); 2) lielas apstarojuma dozas (6–20 Gy); 3) vidējas apstarojuma dozas (1–6 Gy); 4) mazas apstarojuma dozas (< 1 Gy). Lielas un ļoti lielas starojuma dozas rada būtiskas izmaiņas šūnu struktūrā, tajās notiekošajās reakcijās un līdz ar to orgānu un visa organisma funkcionēšanā. Nāvi atkarībā no starojuma dozas rada atšķirīgi mehānismi, kas var skart: 1) nervu sistēmas funkcionēšanu un galvas smadzeņu dar- bību – centrālās nervu sistēmas sindroms. Akūtas jonizējošā starojuma devas rada bojājumus kapilārajos asinsvados, kas apgādā gan centrālo, gan perifēro nervu sistēmu ar skābekli, un šo bojājumu rezultātā var veidoties asinsizplūdumi, sma- dzeņu tūska, kas savukārt ietekmē dzīvības nodrošināšanai kritiski svarīgus nervu sistēmas centrus. Apstarojuma devas, kuras pārsniedz 20 Gy, var izraisīt nāvi dažu stundu laikā pēc apstarošanas. Centrālās nervu sistēmas sindromu raksturo uzbudinājums, kuram seko apātija, asinsspiediena pazemi- nāšanās un simptomi, kas raksturīgi nervu sistēmas darbības traucējumiem: kustību koordinācijas, līdzsvara traucējumi, galvassāpes, paralīze, samaņas zudums, elpošanas traucē- jumi. Nāve iestājas veģetatīvās nervu sistēmas bojājumu dēļ; 2) kuņģa-zarnu trakta šūnas un līdz ar to funkcijas – kuņģa- zarnu trakta sindroms. Kuņģa-zarnu trakta sindromu izraisa starojuma dozas no 6 līdz 20 Gy. Šo sindromu nosaka kuņģa Viens no galvenajiem faktoriem, kas nosaka staru slimības bīstamību, ir tas, ka cilvēks nejūt jonizējošā starojuma iedarbību. Iedarbība uz centrālo nervu sistēmu rada tūlītējas sekas. 6. Jonizējošā starojuma ietekme uz dzīvajiem organismiem. Staru slimība 69 un zarnu traktu veidojošo šūnu uzbūve un to augstā jutība pret jonizējošo starojumu, respektīvi, to dalīšanās bloķēšana un šūnu sabrukšana, asinsizplūdumi un čūlu veidošanās. Izmaiņas kuņģa-zarnu trakta sistēmā kombinējas ar leiko- cītu skaita samazināšanos asinīs, un rezultātā samazinās organisma pretestības spējas un attīstās infekcijas slimības, kuras turklāt var izraisīt gan patogēni mikroorganismi, gan normāli zarnu traktā esošie mikroorganismi. Pirmās kuņģa- zarnu trakta sindroma izpausmes ir ēstgribas zudums, nelaba dūša, vemšana, caureja un organisma dehidratācija. Seko temperatūras paaugstināšanās, sirds un asinsrites slimību saasināšanās; 3) hematopoētiskās jeb asinsrades sistēmas funkcionēšanu – asinsrades sistēmas sindroms, kuru rada starojuma deva 1–6 Gy. Jonizējošais starojums asinsrades sistēmu ietekmē: 1) sagraujot asins šūnas; 2) bojājot šūnu veidošanās procesus. Leikocīti veidojas sarkanajās kaulu smadzenēs, liesā un limf- mezglos. Sarkanie asinsķermenīši veidojas nepārtraukti, visu mūžu: ik sekundi asins plūsmā nonāk vairāki miljoni jaunu, nobriedušu eritrocītu. Jauno eritrocītu veidošanās jeb erit- ropoēze notiek sarkanajās kaulu smadzenēs eritropoetīna ietekmē, kas producējas nierēs, samazinoties skābekļa par- ciālajam spiedienam asinīs. Veco eritrocītu bojāeja notiek liesā, nedaudz aknās un arī kaulu smadzenēs – tur mehāniski neizturīgās šūnas sabrūk, atbrīvojot hemoglobīnu. Nobrie- dušas asins šūnas ir visai izturīgas, jo, piemēram, eritrocītu sabrukšanu var novērot tikai tad, ja ir lielas starojuma dozas. Tomēr kaulu smadzenes, kurās notiek balto asinsķermenīšu veidošanās, ir jutīgas pret jonizējošā starojuma iedarbību, turklāt to atjaunošanās notiek lēni vai nenotiek vispār. Joni- zējošā starojuma iedarbībā tiek nomākta imūnsistēma vai veidojas pilnīgs imūnreakcijas deficīts, kas iestājas visai drīz pēc apstarojuma. Tā cēlonis ir balto asinsķermenīšu – limfo- cītu – skaita samazināšanās. Izšķir 4 akūtas staru slimības formas: 1) ļoti smaga slimības forma, kuru izraisa apstarojuma doza 6–12 Gy; 2) smaga staru slimība, kuru rada 4–6 Gy apstarojums; 3) vidēji smaga staru slimība, kuru rada apstarojums 2–4 Gy; 4) viegla staru slimības forma, kuru rada apstarojums, kas ir mazāks par 2 Gy. Staru slimības norisi raksturo jonizējošā starojuma radītās sekas uz organisma audiem, īpaši orgāniem, un organisma reakcija uz veidotajiem bojājumiem. Ļoti smagas staru slimības gadījumā orga- nismā veidojas būtiski orgānu bojājumi un atveseļošanās iespējas Staru slimības gaita un tās sekas ir plaši dokumentētas un pētītas, sākot no Hirosimas un Nagasaki atombumbas sprādzienos cietušo apsekojumiem, ietverot kodolieroču izstrādē iesaistītos. Detalizēti apzinātas atomspēkstaciju avārijās cietušo cilvēku veselības stāvokļa izmaiņas. 70 RADIOAKTIVITĀTE ir zemas. Vidēji smagas un smagas staru slimības norisi raksturo slimības norise, kuru veido 4 fāzes. Sākotnējā reakcija uz apsta- rojumu sākas tūlīt pēc tā saņemšanas, un to raksturo ietekme uz centrālo nervu sistēmu un kuņģa-zarnu trakta darbību. Vienlaikus asinīs samazinās leikocītu skaits. Pēc sākotnējās staru slimības fāzes tās simptomi samazinās un cietušo pašsajūta uzlabojas, bet tam seko slimības saasinājums, kuru raksturo būtiska pašsajūtas pasliktināšanās, asinsizplūdumi iekšējos orgānos, matu izkrišana, būtisks temperatūras pieaugums. Staru slimības uzliesmojuma sta- diju ietekmē leikocītu skaita būtiska samazināšanās un līdz ar to imunitātes samazināšanās, kas sekmē infekcijas slimību attīstību, kas bieži ir faktiskais nāves cēlonis. Atkarībā no starojuma devas, ārstēšanas, kura var ietvert kaulu smadzeņu pārstādīšanu, arī pēc smaga apstarojuma ir novēroti atveseļošanās gadījumi. Pēc izār- stēšanās no akūtas staru slimības paliek tās hroniskas iedarbības sekas, kuras raksturo acs lēcas apduļķojums (katarakta), nomākta imūnsistēmas reaktivitāte, bet tipiski – ļaundabīgo audzēju attīstība un endokrīnās sistēmas slimības. Staru slimību var izraisīt ne tikai akūts vienas lielas devas apsta- rojums, bet arī hronisks, ilgstošs pat mazāku devu apstarojums vai apstarojums, kuru nodrošina organismā uzkrājušās radioaktīvās vielas. Šādu staru slimības formu sauc par hronisko staru slimību, un to raksturo slimības simptomu parādīšanās pēc visai ilga (pat līdz 5 gadiem) latentā perioda. Tomēr slimības gaita un simptomi hronis- kajai staru slimībai pēc būtības ir līdzīgi akūtai slimības formai, jo to tāpat izraisa vairāku orgānu bojājumi, un vispirms var minēt cen- trālo nervu sistēmu, asinsrades sistēmu, endokrīnās regulācijas pro- cesus u. c. Arī hroniskās staru slimības gadījumā izšķir 3 tās formas: smagu, vidēju un vieglu. Slimības norise ir atkarīga no starojuma dozas un no tā, cik ilgu laiku cietušais ir bijis tam pakļauts. Orgāni, kas vispirms tiek ietekmēti, ir kaulu smadzenes, acis (veidojas kata- rakta), vairogdziedzeris, limfmezgli un limfātiskā sistēma, kā arī plaušas. Atveseļošanās iespējas hroniskas staru slimības gadījumā ir atkarīgas no savlaicīgi uzsāktas ārstēšanas, turklāt komplikācijas var radīt gan noteiktu orgānu bojājumi, gan imunitātes nomākšana, un rezultātā galvenās komplikācijas rada saslimšana ar infekcijas slimībām. Par būtisku jonizējošā starojuma risku uzskatāmas mazu apsta- rojuma dozu radīta ietekme, īpaši tāpēc, ka mazu dozu apstarojums ir visplašāk izplatīts. Mazu starojuma dozu rezultātā nāve iestājas ļoti reti, bet tipisks ir garš saslimšanas attīstības latentais periods. Tāpat kā toksisku vielu iedarbības rezultātā, mazas apstarojuma dozas vispirms rada organisma funkciju stimulēšanas efektu. Šāda iedarbība ir raksturīga radona iedarbībai, piemēram, izmantojot tā sauktās radona vannas, proti, vannas, kurās ir nelieli radona Staru slimības ārstēšanas metodes ir izstrādātas, bet faktiski pieejamas valstīs, kurās staru slimības risks ir augstāks un kuras ražo kodolieročus vai attīsta kodolenerģētiku. 6. Jonizējošā starojuma ietekme uz dzīvajiem organismiem. Staru slimība 71 daudzumi. Tomēr pēc organisma stimulēšanas var sākties nega- tīva reakcija. Nelielas apstarojuma dozas ietekmē vispirms centrālo nervu sistēmu, gremošanas traktu, asinsrades un reproduktīvo sistēmu. Būtiski ir tas, ka pat nelielas apstarojuma dozas ietekmē imūnsistēmu un var ne tikai radīt izmaiņas cietušajā organismā, bet arī būt mutāciju avots pēcnācējos vai arī izraisīt neauglību. Jonizējošā starojuma iedarbību raksturo izteikts latentās iedarbības efekts, respektīvi, tā sekas var izpausties pēc visai ilga perioda. Jonizējošā starojuma iedarbība būtiski paaugstina risku attīstīties ļaundabīgajiem audzējiem. Ļaundabīgie audzēji ir kopējs apzīmējums vairāk nekā 200 slimībām, kuras raksturo šūnu nekontrolēta dalīšanās. Ļaundabīgos audzējus, kas attīstās uz sais- taudiem, apzīmē par sarkomu, dziedzeros – par adenomu, bet no epitēlijaudiem – par vēzi. Parasti vēža formas izšķir pēc tā atraša- nās vietas organismā vai atsevišķos orgānos, piemēram, asinsrites sistēmas vēzis, plaušu vēzis, smadzeņu vēzis u. c. Dažādām vēža formām ir dažādi saslimšanas cēloņi. Pagaidām droši pierādīta rinda vēža riska faktoru, piemēram, smēķēšana, radioaktīvais sta- rojums, neveselīga diēta. Pastāv ļoti atšķirīgi saslimstības ar vēzi riska faktori un to izraisītās vēža formas. Saslimšanu ar vēzi var izraisīt jonizējošais starojums. Parasti fizikālo faktoru ietekme izraisa saslimšanu ar specifiskām vēža formām, tādēļ, samazinot to kaitīgo iedarbību, ir iespējams būtiski samazināt atsevišķu vēža formu izplatību. Cilvēki var tikt pakļauti jonizējošajam starojumam atsevišķās profesijās, piemēram, mediķi, vadot rentgeniekārtas, speciālisti, kas apkalpo kodolreaktorus. Ļoti augstam saslimšanas riskam ir pakļauti urāna ieguvē strādājošie, pie kam smēķētājiem risks pieaug vēl vairākas reizes. Visbiežākās jonizējošā starojuma izraisītās slimības ir plaušu un asins vēzis. Plaušu vēzi izraisa radio- aktīvie putekļi, kas nonāk plaušās, tos ieelpojot. Šie putekļi nonāk uz plaušu virsmas, kur, paliekot ilgu laiku, var izraisīt ļaundabīgu šūnu transformāciju. Izdzīvojušajiem pēc Hirosimā un Nagasaki nomestajām atombumbām ļoti ievērojami pieauga risks saslimt ar leikēmiju. Vesela rinda kancerogēnu vielu, tām iedarbojoties uz šūnām, var būtiski paaugstināt risku attīstīties ļaundabīgiem audzējiem. Šīs iedarbības pamatā ir šo vielu tiešā iedarbība uz genomu, faktiski uz atsevišķiem tā segmentiem. Vēža šūnas pēc to īpašībām principiāli atšķiras no normālām šūnām: 1. Šūnu augšanas ātrums vēža audos atšķiras no to dalīšanās ātruma normālos audos. Vēža šūnas parasti dalās daudz ātrāk, bez tam šīs šūnas var izplatīties citos audos. Normālas aknu šūnas dalās un paliek daļa no aknām, bet kancerogēnās aknu šūnas var parādīties arī, piemēram, plaušās. Lielākā Ļaundabīgo audzēju attīstības risks ir galvenais nelielu starojuma dozu iedarbības risks. 72 RADIOAKTIVITĀTE daļa vēža šūnu uzrāda daļēju vai pilnīgu specializētās šūnas funkcijas izzušanu, piemēram, vēža šūnas, kuras atrodas aknās, nevar veikt normālu aknu šūnu funkcijas; vēža šūnas nav virsmas atkarīgas. Normālu šūnu attīstība notiek vai nu uz citu šūnu virsmas, vai arī uz vielām, kuras pēc īpašībām līdzīgas tām. Šūnas kultivējot, tās veido monoslāni. Vēža šūnas var dalīties neatkarīgi no citu šūnu klātbūtnes. Sasnie- dzot noteiktu šūnu masu, tās var tikt atrautas no primārā audzēja, pārnestas organismā, piestiprināties un veidot meta- stāzes; vēža šūnas ir vienas šūnas kloni. Tipiski visas viena organisma vēža šūnas ir izcēlušās no vienas šūnas. Normāla šūna satur noteiktās sugas pilnu hromosomu komplektu (kariotipu), bet vēža šūnu hromosomu komplektu raksturo novirzes hromosomu skaitā un hromosomas ar izmainītu uzbūvi. 2. Vēža šūnas nav specializētas. Normālai šūnai pārveidojoties par vēža šūnu, tās īpašās funkcijas tiek nomāktas. Vēža šūnas ir mazāk prasīgas attiecībā pret to augšanas vidi. Uzskata, ka vēža šūnas ir šūnu tips, kas satur agrīnai organisma attīstības fāzei raksturīgas īpašības, kad notiek ātra šūnu dalīšanās. 3. Vēža šūnas ir immortālas (mūžīgas). Vēža šūnu dalīšanās reižu skaits nav ierobežots – tās šūnu kultūrā var dalīties neierobežotu reižu skaitu. Normālas organisma šūnas dalī- šanās reižu skaits ir ierobežots: 50–85 reižu (Haiflika limits), ko nosaka hromosomas daļas – telomēras garuma saīsināša- nās katrā dalīšanās ciklā. Telomēra sastāv no ~ 2000 atkār- totām secībām 5’-TTAGGG 3’, un tā ir tipiska informāciju nenesošās DNS daļa. Vēža šūnas satur telomerāzi – enzīmu (ribonukleoproteīnu, kura sastāvā ietilpst RNS ar secību AAUCCC, uz kuras pamata tiek atjaunota (sintezēta) DNS secība TTAGGG), kas atjauno telomēras garumu. Gēns, kas kodē telomerāzes sintēzi, ir normāls cilvēka genoma ele- ments. Tātad vēža izcelsmē nozīmīga loma ir mutācijām, kuras sekmē telomerāzes sintēzi kodējošo gēnu nolasīšanas uzsākšanu (ekspresiju). 4. Vēža šūnas izdala vielmaiņas produktus, kas sekmē to labvē- līgu attīstību. Kad audzējs sasniedz noteiktu izmēru (tipiski 1–2  mm), tā attīstība kļūst atkarīga no asins piegādes un metabolītu aizvadīšanas. Vēža šūnas izdala vielas, kas sti- mulē jaunu asinsvadu veidošanos, – angioģenēzi (vienlaikus gan ir pierādīts, ka dažu vēža formu gadījumā sākotnējais audzējs vienlaikus ar angioģenēzi stimulējošām vielām (parasti peptīdi) var izdalīt arī vielas, kuras inhibē angioģe- nēzi). Vēža šūnas var izdalīt vielas, kuras spēj ietekmēt visa organisma metabolisko procesu raksturu. Ļaundabīgo audzēju veidošanās risku nosaka ne tikai tiešā jonizējošā starojuma iedarbība, bet arī tas, ka tiek nomākta imūnsistēmas darbība. 6. Jonizējošā starojuma ietekme uz dzīvajiem organismiem. Staru slimība 73 Sa sl im st īb as b ie žu m s Gadi pēc atombumbas sprādziena 0 10 20 30 40 50 Leikēmija Ļaundabīgie audzēji Vēzi izraisa secīgas vairākas mutācijas vienā šūnā. Vēža šūnas satur vairākus (6–8) gēnus, kuros ir notikušas mutācijas, un tie ir: 1) onkogēni. Onkogēns ir gēns, kurā, notiekot mutācijām, tiek sekmēta normālas šūnas pārvēršanās par vēža šūnu. Vēža attīstību izraisa mutācijas vairākos vienas šūnas onkogēnos; 2) tumorsupresorgēni – antionkogēni (gēni, kurus nolasot vei- dojas olbaltumvielas, kas inhibē šūnas dalīšanos); gēni, kas regulē apoptozi. Apoptoze apzīmē šūnas programmētu bojā- eju. Katrai šūnai ir dzīves periods, kuru noslēdz tās bojāeja. Šūnas bojāeju var noteikt divi procesi: a) ārēja aģenta radīts bojājums; b) šūnas pašnāvība. Šūnas bojājuma (mehāniska darbība, ķīmisku vielu iedarbība, bakteriālā infekcija) rezultātā tā uzbriest un membrāna plīst, bet šūnas satura izkļūšana starpšūnu telpā izraisa blakusesošo šūnu iekai- suma procesus. Apoptozes gadījumā šūna saraujas, sabrūk tās mitohondriji, notiek DNS sabrukšana, izdalās citokinīni, kas novērš blakusesošo šūnu iekaisumu. Apoptoze ir procesu kopums, kas nosaka smagi bojātu šūnu sagraušanu (vispirms tādu, kurā ir ietekmēta DNS integritāte), lai tās neietekmētu organisma pastāvēšanu. Vēža šūnās apoptozes mehānisms ir bloķēts. Tipiski audzēju šūnas producē vielas, kuras kavē apoptozes uzsākšanos vēža šūnās; 3) gēni, kas kodē telomerāzes ekspresiju; 4) gēni, kas stimulē angioģenēzi. Ļaundabīgo audzēju latentais periods pēc jonizējošā starojuma iedarbības ir visai ilgs un var būt pat 10–20 gadi, turklāt ir atkarīgs no starojuma dozas un orgāna, kurā audzējs attīstās (6.5. attēls). Tipiskas vēlīnas apstarojuma sekas ir leikēmijas attīstība, kuras rezultātā asinīs būtiski pieaug leikocītu daudzums. Acu lēcas apduļ- ķojums (katarakta) arī ir viena no jonizējošā starojuma latentām izpausmēm. 6.5. attēls. Kodolieroču izmantošanas latentās sekas: leikēmijas un ļaundabīgo audzēju attīstība pēc atombumbas sprādziena Hirosimā un Nagasaki 74 RADIOAKTIVITĀTE 6.4. Jonizējošā starojuma dozimetrija Dozimetrija ir zinātnes un tehnikas nozare, kas nodarbojas ar radioaktīvo elementu klātbūtnes un jonizējošā starojuma mērīšanu un pētī šī starojumu iedarbību uz cilvēka organismu. Starojuma iedarbību apraksta, vispirms nosakot ekspozīcijas dozu D (mērvienība C/kg), kas raksturo jonizējošā starojuma ener- ģiju. Dzīvajā organismā absorbēto starojuma enerģiju DA apzīmē par absorbēto dozu, un tās mērvienība ir grejs (Gy). Starojuma iedarbība ir atkarīga no tā veida, ko raksturo kvalitātes faktors KF, kura rei- zinājums ar absorbēto dozu ir bioloģiski salīdzināmā ekvivalentā doza DE, kuru izsaka sīvertos (Sv). Starojuma iedarbību ietekmē cil- vēka orgānu atšķirīgā jutība pret starojuma iedarbību, ko apraksta, izmantojot cilvēka organisma jutības faktoru WT (6.3. tabula). Ņemot vērā jutības faktoru, var noteikt ekvivalento efektīvo dozu DEH. Ja jonizējošā starojuma iedarbībai ir pakļauta cilvēku grupa, līdzīgi var noteikt kolektīvo dozu, kas ir aktuāli, piemēram, atom- spēkstaciju avāriju gadījumā. Salīdzinošas apstarojuma dozas, ņemot vērā γ un β starojumu, izsaka kā mSv ekvivalento dozu vienreizējam apstarojumam vai noteiktā laika posmā (6.4. tabula). 6.3. tabula. Cilvēka organisma un orgānu jutības faktors WT Apstarojuma objekts WT Viss organisms 1 Vairogdziedzeris 0,03 Plaušas 0,12 Dzimumdziedzeri 0,25 Piena dziedzeri 0,15 6.4. tabula. Salīdzinošas visa organisma apstarojuma dozas un to sekas Starojuma doza Starojuma iedarbības sekas 2,4 mSv/gadā Tipiska vidējā fona radiācijas doza, kuru nosaka dabisko un antropogēno ietekmju summa 1,5–2,5 mSv/gadā Vidējā starojuma deva (papildus fona radiācijai), kuru saņem urāna rūdu raktuvēs vai atomspēkstacijās strādājošie 9 mSv/gadā Starojuma doza, kuru saņem lidmašīnas apkalpe maršrutā Ņujorka–Tokija 20 mSv/gadā Tipiska robeždeva strādājošajiem atomspēkstacijās 50 mSv Robeždeva strādājošajiem avārijas situācijās 100 mSv Starojuma doza, uzturoties 4 mēnešus kosmiskajā telpā orbitālajā stacijā (350 km no Zemes) 250 mSv Maksimāli pieļautā vienreizēja starojuma deva strādājošajiem Fukušimas atomspēkstacijas glābšanas darbos (2011 . gads) 800 mSv/gadā Dabiskais fona radiācijas līmenis Brazīlijā (Guarapari pilsēta) 1000 mSv Doza, kas izraisa akūtu staru slimību 8000 mSv Starojuma doza, kas ir letāla 6. Jonizējošā starojuma ietekme uz dzīvajiem organismiem. Staru slimība 75 Anods Jonizēti gāzes atomi Jonizējošais starojums Starojuma dozas noteikšanai ir pieejama specializēta aparatūra, kas ļauj noteikt gan individuālo dozu (individuālie dozimetri), gan starojuma mainību laikā, gan arī jonizējošā starojuma veidu, turklāt ir pieejamas arī pētniecības vajadzībām izmantojamas iekārtas ar plašu mērījumu diapazonu un augstu precizitāti. Dozimetru dar- bības pamatā ir jonizējošā starojuma iedarbībā notikušo izmaiņu vielā reģistrēšana, un līdz ar to dozimetrijā tiek izmantoti vairāki starojuma reģistrēšanas principi. Geigera skaitītājā (arī Geigera–Millera skaitītājs) izmanto gāzes (hēlijs, neons, argons) atomu jonizāciju jonizējošā starojuma iedarbī- bas rezultātā, tāpēc pieaug gāzes elektrovadītspēja (6.6. attēls). Termoluminiscences dozimetros tiek izmantota jonizējošā sta- rojuma iedarbība uz kristāliskām vielām, kuras spēj sorbēt staro- jumu, bet to struktūrā veidojas defekti. Izveidotās izmaiņas kristālu struktūrā ir noturīgas, bet, paaugstinot temperatūru, uzkrātā ener- ģija atbrīvojas kā fotoni, kurus var reģistrēt. Šo efektu sauc par ter- moluminiscenci, un šajā metodē tiek izmantoti kalcija fluorīda, litija fluorīda kristāli, kas satur citu elementu piemaisījumus (piemēram, berilija oksīdu), lai pastiprinātu luminiscences efektu (6.7. attēls). Atbrīvotās gaismas intensitāte ir proporcionāla jonizējošā starojuma intensitātei, bet, tā kā izmantoto kristālu blīvums ir salīdzināms ar cilvēka audu blīvumu, tad termoluminiscences dozimetriju var lietot, lai noteiktu absorbēto dozu. Termoluminiscences dozimetrus plaši izmanto individuālajā dozimetrijā. Pusvadītāju dozimetros tiek izmantota elektriskā impulsa reģis- trēšana, kuru rada jonizējošais starojums, iedarbojoties uz pusva- dītāja kristālu. Tiek lietoti silīcija un germānija detektori, kā arī kadmija telurīda (CdTe) un cinka telurīda (ZnTe) kristāli, kurus var izmantot rentgenstaru un γ staru dozas noteikšanai. Jonizējošais starojums, iedarbojoties uz fotofilmu, rada tās aptumšošanos, turklāt tas ir atkarīgs no starojuma dozas (6.8. attēls). Šo principu izmanto fotometodes dozimetrijā. Lietojot dažādus 6.6. attēls. Geigera skaitītāja principiālā uzbūve 6.7. attēls. Dozimetrs, kas darbojas, izmantojot termoluminiscenci 76 RADIOAKTIVITĀTE filtrus, var novērtēt kopējo starojuma dozu un dažādu starojuma veidu iedarbību, un līdz ar to šī metode arī ir izmantojama indivi- duālajā dozimetrijā. Bez minētajām metodēm dozimetrijā var izmantot arī citus jonizējošā starojuma iedarbības efektus, kuri kopumā ļauj precīzi novērtēt starojuma iedarbības bīstamību un līdz ar to nodrošināt aizsardzību no tā. Latvijas Republikā pieļaujamās starojuma dozas un nepiecie- šamo aizsardzību pret tām reglamentē likums “Par radiācijas drošību un kodoldrošību”, Ministru kabineta noteikumi Nr. 149 “Noteikumi par aizsardzību pret jonizējošo starojumu”, Ministru kabineta noteikumi Nr. 752 “Kārtība, kādā licencē un reģistrē darbības ar jonizējošā starojuma avotiem”, Ministru kabineta noteikumi Nr. 307 “Noteikumi par aizsardzību pret jonizējošo starojumu, transportē- jot radioaktīvos materiālus”, Ministru kabineta noteikumi Nr. 1284 “Darbinieku apstarošanas kontroles un uzskaites kārtība”, Ministru kabineta noteikumi Nr. 129 “Prasības darbībām ar radioaktīvajiem atkritumiem un ar tiem saistītajiem materiāliem”, Ministru kabineta noteikumi Nr. 535 “Kārtība, kādā veic preču, bagāžas, personu un transportlīdzekļu radiometrisko kontroli robežšķērsošanas vietās, un prasības radiometriskajā kontrolē iesaistīto personu apmācībai radiācijas drošības jautājumos”. Radiācijas līmeņa nepārtrauktu monitoringu Latvijā nodrošina 20 stacionāras monitoringa stacijas, kuras nodrošina γ starojuma dozas un spektra mērījumus (rezultāti tiek izteikti nSv/h). Iegūtie rezultāti tiek izmantoti Eiropas valstu monitoringa sistēmā. Radio- aktīvo materiālu robežkontroli nodrošina Valsts robežsardze, kas veic preču, bagāžas, personu un transporta līdzekļu kontroli, un tajā sadarbojas Pārtikas un veterinārais dienests, VID Muitas pārvalde, Valsts ieņēmumu dienests un Valsts vides dienesta Radiācijas dro- šības centrs. 6.8. attēls. Fotofilmas individuālais dozimetrs 7. Kodolenerģētika 77 7. KODOLENERĢĒTIKA 7.1. Kodolreaktoru izveide un darbības princips Kodolreaktors ir iekārta, kurā tiek īstenota vadāma atomu kodolu dalīšanās ķēdes reakcija, lai iegūtu enerģiju vai citus ķīmis- kos elementus. Pirmais kodolreaktors tika izveidots un iedarbināts 1942. gadā Manhetenas projekta īstenošanas laikā Enriko Fermi vadībā, lai nodrošinātu plutonija-239 iegūšanu atombumbas izveidei (7.1. attēls). Kodolreaktors, kas spēja nodrošināt elektroenerģijas ražošanu, pirmo reizi tika iedarbināts 1948. gadā ASV, Okridžā. Paralēli ar kodolieroču izstrādi atomspēkstaciju izstrāde notika gan PSRS, gan ASV. 7.1. attēls. Pasaulē pirmais kodolreaktors tā izbūves stadijā . Kodolreaktoru veidoja urāna oksīda bloki, kas bija aplikti ar grafīta blokiem 78 RADIOAKTIVITĀTE Beļģija 39,0% Ungārija 50,6% Slovēnija 35,9% Zviedrija 40,3% Šveice 37,7% Francija 71,7% Ukraina 53,0% Slovākija 55,0% Pirmo atomspēkstaciju, kas nodrošināja elektroenerģijas ražo- šanu patērētājiem, uzbūvēja un nodeva ekspluatācijā PSRS. Tā bija stacija ar 5 MW jaudu un tika palaista 1954. gadā Obņinskā. Turpmāk atomspēkstacijas izbūvēja Lielbritānija, Francija, Kanāda, Zviedrija, Japāna. Pēc 2019.  gada datiem, pasaulē ir 454 atom - spēkstacijas un 226 pētniecībā izmantojami reaktori, bet izbūves procesā atrodas 53 atomspēkstacijas. Enerģija, kuru var iegūt 1 grama urāna-235 dalīšanās rezultātā, ir 21 500 kilovatstundas (kWh), kas atbilst enerģijai, kuru var iegūt, sadedzinot 9,5 tonnas ogļu vai 1,8 tonnas mazuta. Atomspēkstacijas, kuras tiek izman- totas ~ 30 valstīs, nodrošina ~ 15% no pasaulē saražotās enerģijas. Atomspēkstacijas nodrošina 72% no Francijā iegūtās enerģijas, 55% no Slovākijā, 51% no Ungārijā saražotās enerģijas (7.2. attēls). Eiropas Savienībā 2020. gadā, izmantojot atomspēkstacijas, saražo- tas 683 512 GWh elektroenerģijas. Līderi pasaulē pēc kodolenerģijas ražošanas apjoma bez ES valstīm ir ASV, Japāna, Krievija, Kanāda, Dienvidkoreja. Kodolenerģijas izmantošanas būtisks pozitīvs aspekts ir ievērojamie urāna krājumi, kā arī tas, ka kodolenerģijas ražošanas laikā neveidojas siltumnīcefekta gāzes un līdz ar to kodolenerģija uzskatāma par videi draudzīgu enerģijas ražošanas veidu ar mazu ietekmi uz vidi. Ņemot vērā kodolenerģijas relatīvi zemās izmaksas, tā var tikt izmantota ne tikai elektroenerģijas, siltuma, bet arī cita videi drau- dzīga energonesēja – ūdeņraža – ražošanai. Ūdeņradis uzskatāms par universāli izmantojamu energonesēju, un tā izmantošana var nodrošināt pāreju uz ūdeņraža ekonomiku, proti, nodrošināt tā lie- tošanu transportā, sadzīvē, enerģijas ražošanā. Kodolspēkstacijās veidotā enerģija var tikt izmantota ūdeņraža ražošanai, veicot ūdens elektrolīzi vai izmantojot tvaikā notiekošās termoķīmiskās reakcijas. Kodolreaktors sastāv no šādiem elementiem (7.3. attēls): 1) aktīvā zona ar kodoldegvielu; 2) neitronu moderators, kas aptver aktīvo zonu; 3) siltumnesējs; 4) ķēdes reakcijas vadības sistēma. 7.2. attēls. Kodolenerģijas daļa Eiropas valstu kopējā saražotās enerģijas apjomā 7. Kodolenerģētika 79 Vadības stienis Neitronu moderatorsRadiācijas aizsardzība Kodoldegviela Siltumizolācija Siltumnesējs Par kodoldegvielu izmanto urāna izotopus: 235U, 238U, 233U, pluto- nija izotopu 239Pu vai tā maisījumu ar 238U, kā arī torija izotopu 232Th, kas tiek pārveidots par 233U (7.4. attēls). Var tikt izmantots dabiskā sastāva urāns, bagātināts (parasti līdz urāna-235 saturam < 4%), metālisks urāns vai tā savienojumi – urāna dioksīds (UO2) vai urāna karbīds (UC). Kodolreaktora darbības pamatā ir dalīties spējīgu elementu kodolu sabrukšana, piemēram, urāna-235 sabrukšana, veidojot kriptona-92, bārija-141 kodolus un 3 neitronus, kā arī izdalot ener- ģiju. Savukārt katrs izdalītais neitrons var izraisīt citu urāna atoma kodolu sabrukšanu. Lai šie procesi tiktu vadīti (nevis notiktu sprā- dziena veidā), nepieciešams veidoto neitronu daudzumu kontrolēt. Kodoldalīšanās reakcijas norisi nosaka neitroni, kuru darbības rak- sturs atšķiras atkarībā no to enerģijas. Lielākajā daļa kodolreaktoru kodoldalīšanās ķēdes reakcijas nodrošināšanai izmanto siltumneit- ronus, kuru enerģija ir 0,025 eV. Vairākas būtiskas priekšrocības ir neitronu ar enerģiju, kas pār- sniedz 1 MeV (ātrie neitroni), izmantošanai. Tajā pašā laikā siltum- neitronu spēja tikt uztvertai atoma kodolā un uzsākt ķēdes reakciju ir ~ 585 reizes augstāka nekā ātrajiem neitroniem. Ķēdes reakcijas nodrošināšanai tiek izmantoti neitronu palēninātāji – moderatori, kuru lietojums lielā mērā ietekmē kodolreaktoru konstrukciju. Par siltumneitronu moderatoru var tikt izmantots grafīts (grafīta-gāzes reaktors, grafīta-ūdens reaktors), ūdens, smagais ūdens (D2O), beri- lijs, berilija oksīds (BeO), metālu hidrīdi (7.5. attēls). Izmantojot ātros neitronus, palēninātāji netiek lietoti. 7.3. attēls. Kodolreaktora, kurā tiek izmantoti siltumneitroni, uzbūves principiālā shēma 7.4. attēls. Urāna dioksīda cilindri, kādus izmanto par kodoldegvielu kodolreaktoros Kodolenerģētikā neitronus iedala atkarībā no to kustības ātruma (enerģijas). Nozīmīgākie ir siltum­ neitroni, kuru enerģija tipiski ir 0,025 eV (kustības ātrums – 2,2 km/s), un ātrie neitroni, kuru ener­ ģija pārsniedz 1 MeV, bet kustības ātrums > 10% no gaismas ātruma. 80 RADIOAKTIVITĀTE Lai reaktors uzsāktu darbību, tajā esošajai kodoldegvielai ir jāsasniedz kritiskā masa. Kodolreaktora darbību raksturo neit- ronu pavairošanas koeficients k, kas ir jaunu neitronu skaits, kurš kodola dalīšanās rezultātā var izraisīt citu atoma kodolu dalīšanos. Reaktora darbību var aprakstīt, izmantojot jēdzienu par reaktivitāti saskaņā ar vienādojumu: ρ = k – 1 k Reaktora darbību raksturo šādi režīmi: 1) k > 1, ķēdes reakcijas ātrums pieaug laikā, atomu kodoliem veidojas vairāk neitronu, nekā tiek patērēti, reaktors atrodas virskritiskā stāvoklī ρ > 0; 2) k < 1, kodoldalīšanās norimst, neitronu plūsma izsīkst, reak- tors atrodas zemkritiskā stāvoklī ρ < 0; 3) k = 1, ρ = 0 – atomu kodolu skaits, kuri dalās, ir nemainīgs, reaktors atrodas stabilā kritiskā stāvoklī. Kodolreaktoram darbojoties, veidojas siltums, kuru veido kodoldalīšanās procesā atbrīvotā enerģija, sabrukšanas produktu kinētiskā enerģija, tiem saduroties ar blakus esošajiem atomiem, γ starojuma absorbcija un atomu skaldīšanas produktu pārvērtības. Lai šo enerģiju aizvadītu no reaktora aktīvās zonās un pārvērstu elektriskajā enerģijā, var tikt izmantoti dažādi siltumnesēji. Par siltumnesēju var tikt izmantots ūdens (tvaiks, pārkarsēts tvaiks), gāzes, smagais ūdens, metāli (piemēram, nātrijs), svina un bismuta maisījums, izkusuši litija un berilija sāļi (LiF, BeF2, LiCl, BeCl), orga- niskas vielas (bifenils, terfenils). Siltumnesējs nodrošina siltuma aizvadi no reaktora, aktīvās zonās veidojot tā saucamo pirmo kon- tūru, un uzkarsē ūdeni, kas darbina tvaika turbīnas, kuras savukārt ģenerē elektrību. Tajā pašā laikā tvaika turbīnas var darbināt tvaiks, 7.5. attēls. Pētnieciskais reaktors CROCUS Lozannas Universitātē (Šveice) 7. Kodolenerģētika 81 kurš veidojas reaktora aktīvajā zonā. Siltumnesēja veids ietekmē kodolreaktora konstrukciju. Kodolreaktoru izveidi ietekmē arī tas, ka tajos (īpaši aktīvās zonās izbūvē) iespējams izmantot vielas, kuras neitronu plūsmas, γ starojuma veidā neizmainās un ir ķīmiski notu- rīgas pret koroziju. Interesanti atzīmēt, ka reakcijas, kuras notiek kodolreaktoros, ir notikušas dabas vidē, respektīvi, ir pastāvējis dabisks kodolreaktors! Pie šāda secinājuma nonāca franču fiziķi, pētot urāna rūdas sastāvu Oklo, Gabonā. Urāna izotopu (urāns-235 un urāns-238) attiecības uz Zemes ir konstantas un maz mainīgas atkarībā no ģeogrāfiskās atrašanās vietas, bet Oklo atrastajos paraugos skaldīties spējīga izotopa urāna-235 daudzums bija pat par 40% mazāks nekā citur pasaulē. No otras puses, rūdu sastāvā tika atrasti elementi, kuri tipiski veidojas kodolreaktoros kā urāna-235 kodolu skaldīšanas produkti. Pētot vietas ģeoloģisko uzbūvi, tika pierādīts, ka apmēram pirms 1,7 miljardiem gadu šajā vietā ir notikušas reakcijas, kādas mūsdienās notiek kodolreaktoros, respektīvi, urāna-235 atomu kodolu šķelšanās, veidojoties skaldīšanas produktiem un izdaloties enerģijai. Tiek lēsts, ka Oklo “kodolreaktora” darbības gaitā dažu simtu tūkstošu gadu laikā ir izdalījusies 420 PJ enerģija. Pirms 1,7 miljardiem gadu urāna-235 daudzums bija augstāks nekā paš- laik (~ 3,1%), kas aptuveni atbilst bagātināta urāna, kuru mūsdienās izmanto kodolreaktoros, saturam. Ja ir šāda urāna-235 koncentrācija un augsts urāna saturs, tā rūdās var sākties dalīšanās ķēdes reakcija, kas arī ir notikusi Oklo. Kā neitronu plūsmas moderators ir darbojies ūdens, kas plūda cauri iežu masai, turklāt, iežu masai sakarstot, ūdens iztvaikojis, tādējādi reakciju palēninot, tātad “kodolreaktorā” notiekošais process ticis “vadīts”, līdzīgi kā tas notiek kodolreaktoros mūsdienās. Kodolreakciju rezultātā iežu masā ir atrodami urāna-235 sabrukšanai raksturīgi elementi. Pēc kodolreaktoru izmantošanas veida tos iedala šādi: 1. Kodolreaktori elektriskās vai siltumenerģijas iegūšanai. Šādus reaktorus izmanto atomspēkstacijās, un tie var būt stacionāri vai mobili un nodrošina, piemēram, kuģu (atomledlaužu), atom- zemūdeņu darbību (7.6. attēls). Enerģijas ražošanai izmantojamo reaktoru jauda var sasniegt un pārsniegt 5 GW. Kodolreaktorus var izmantot par enerģijas avotiem arī kosmosa kuģos, satelītos. 2. Pētnieciskie reaktori, kuri tiek izmantoti kodoltehnoloģiju attīs- tībai un izpētei. Tajos veidotais γ starojums vai neitronu plūsma tiek izmantota pētnieciskiem mērķiem kodolfizikā, radiācijas ķīmijā, radiobioloģijā, kā arī izotopu iegūšanai. 3. Rūpnieciskie kodolreaktori tiek lietoti izotopu rūpnieciskai ieguvei, galvenokārt, lai iegūtu plutoniju-239 atombumbu ražo- šanai. Pie rūpnieciskajiem reaktoriem pieskaita arī reaktorus, kurus izmanto jūras ūdens atsāļošanai. 7.6. attēls. ASV Jūras spēku lidmašīnu bāzes kuģis USS Nimitz, kuru darbina atomdzinējs 82 RADIOAKTIVITĀTE 1 6 2 3 4 5 14 15 12 10 17 11 18 1316 7 8 9 1. Reaktora spiedienizturīgs apvalks 2. Kodoldegviela 3. Kontroles stieņi 4. Recirkulācijas sūknis 5. Kontroles stieņu vadība 6. Tvaiks 7. Ūdens – siltumnesējs 8. Augstspiediena turbīna 9. Zemspiediena turbīna 10. Elektrības ģenerators 11. Vadības bloks 12. Kondensators 13. Dzesēšanas sistēma 14. Siltummainis 15. Sūknis 16. Betona korpuss 17. Drošības apvalks 18. Pieslēgums elektro- pārvades tīklam Pēc Starptautiskās Atomenerģijas aģentūras (angļu val. Interna- tional Atomic Energy Agency) klasifikācijas, kodolreaktorus, kurus izmanto atomspēkstacijās, iedala atkarībā no siltumnesēja un elek- tronu moderatora veida: Œ PWR (angļu val. pressurized water reactor) – reaktors kurā par siltumnesēju tiek izmantots ūdens tvaiks, kas vienlai- kus ir arī neitronu plūsmas palēninātājs. Šis ir populārā- kais reaktoru veids (7.7. attēls). Veidotais tvaiks tieši dar- bina ģeneratorus elektrības ražošanai, bet sasilušais ūdens tiek dzesēts, izmantojot ārēju siltummaiņu (7.8. attēls). Œ FBR (angļu val. fast breeder reactor) – reaktors, kuru lieto kodoldegvielas ražošanai, izmantojot kodolu dalīšanās reakcijā radušos neitronu pārpalikumu. Šādos reaktoros notiek paplašināta kodoldegvielas atražošana; kodol- degvielas rodas vairāk, nekā to patērē. Visefektīvākie brīderi ir ātro neitronu reaktori. FBR tipa kodolreaktoros neitronu plūsma tiek izmantota, lai pārvērstu elementu 7.7. attēls. Augstspiediena ūdens kodolreaktora bloks BWR (angļu val . boiling water reactor) – reaktors, kurā par siltumnesēju tiek izmantots ūdens, bet tvaika veidošanās notiek aktīvajā zonā 7.8. attēls. Virstošā ūdens kodolreaktora darbības princips 7. Kodolenerģētika 83 izotopus, kurus nevar izmantot enerģijas vai kodolieroču ražošanā par elementiem, kurus var izmantot, piemēram, urānu-238 par plutoniju-239 vai toriju-232 par urānu-233. Šī veida kodolreaktoros veidojas arī mazāk radioaktīvo atkritumu. 1 0n + 23892U → 23992U → 23993Np → 23994Pu Œ GCR (angļu val. gas-cooled reactor) – reaktors, kas tiek dzesēts ar gāzi (piemēram, hēliju), par neitronu modera- toru izmantojot grafītu. Œ LWR (angļu val. light water reactor) – reaktors, kurā par neitronu moderatoru tiek izmantots grafīts, bet siltum- nesējs ir ūdens. Šāda tipa reaktors bija Čornobiļā izbūvē- tais reaktors PSRS izstrādātā modifikācijā – RBMK. Œ PHWR (angļu val. pressurized heavy water reactor) – reak- tors, kurā par siltumnesēja un neitronu palēninātāju tiek izmantots smagais ūdens (D2O). Tā kā deitērija atoma kodolu mazāk ietekmē neitronu plūsma, nekā izmanto- jot ūdeni, tad šajos reaktoros uzturēt neitronu plūsmu ir vieglāk un var izmantot urānu ar mazāku bagātināšanas pakāpi. Šādu reaktoru piemērs ir Kanādā izstrādātie CANDU reaktori, kurus lieto, lai iegūtu, piemēram, tri- tiju, plutoniju, kā arī citus izotopus izmantošanai medi- cīnā, tehnikā. Œ HTGR (angļu val. high-temperature gas-cooled reactor) – reaktors, kurā dzesēšanai tiek izmantota gāze. Šādos reaktoros kodoldeg viela ir izveidota keramisko lodīšu veidā un siltumpārnese notiek, ap tām cirkulējot dzesē- šanas gāzei – hēlijam. Œ HWGCR (angļu val. heavy-water-moderated, gas-cooled reactor) – ar gāzi – hēliju dzesēts reaktors, kurā par neit- ronu moderatoru izmanto smago ūdeni. Kodolenerģijas ieguves tehnoloģijas laika gaitā ir būtiski mainī- jušās, tāpēc tās iedala pēc paaudzēm: 1. I paaudzes reaktori. Pirmie nekomerciālie, pētnieciskie reaktori, kurus izmantojot tika izstrādāti mūsdienu kodolreaktoru darbī- bas principi. 2. II paaudzes reaktori, pie kuriem pieskaitāma lielākā daļa mūs- dienās (sākot no 1965. gada) izmantoto kodolreaktoru. 3. III un III+ paaudzes kodolreaktorus raksturo evolucionāri to izveides koncepciju uzlabojumi, kuri ietver pilnveidotu kodol- degvielas izmantošanas tehnoloģiju, augstāku reaktora darbības kopējo efektivitāti, būtiski pilnveidotu avārijas drošību, ieskaitot pasīvos kodoldrošības pasākumus. III paaudzes reaktori tika nodoti ekspluatācijā, sākot ar 1996. gadu (7.9. attēls). 84 RADIOAKTIVITĀTE 4. IV paaudzes reaktoru izveides mērķis ir tālāk uzlabota drošība, darbības efektivitāte, ilgtspēja, samazinātas izbūves, eksplua- tācijas un slēgšanas izmaksas. Tiek uzskatīts, ka IV paaudzes kodolreaktoru ekspluatācija varētu tikt uzsākta ne ātrāk kā 2040.–2050.  gadā, kaut arī optimistiskas prognozes pieļauj iespēju to uzsākt ap 2030.  gadu. Kā perspektīvi risinājumi IV paaudzes kodolreaktoriem tiek uzskatīti, piemēram, ar metā- lisku nātriju dzesēts ātro neitronu reaktors, ar hēliju dzesēts grafīta (neitronu palēninātājs) reaktors un citi izveides prin- cipi (7.10. attēls). IV paaudzes reaktorus tiek plānots izmantot ūdeņraža ražošanai, nodrošinot pāreju uz ūdeņraža ekonomiku. Vecākas paaudzes reaktoros to drošības koncepcija pieļauj, ka var notikt reaktoru avārija, bet IV paaudzes reaktoros avārijas situācijas rašanās tiek izslēgta. 5. Iespējama arī tālāka kodolreaktoru darbības pilnveidošana – V paaudzes reaktori, kas pašlaik ir hipotētiski vai izpētes stadijā. IV paaudzes reaktora piemērs ir ar hēliju dzesējams ātro neit- ronu reaktors, kurā izmantojams ne tikai urāns kā degviela, bet arī esošo kodolspēkstaciju izmantotā degviela. Kodolreaktoru, atomspēkstaciju izbūve ir sarežģīts process, kurš izmaksā dārgi un kura laikā nepieciešams risināt drošības jautā- jumus. Tas viss būtiski ierobežo kodolenerģētikas izmantošanas iespējas. Kā alternatīva uzskatāma modulāro kodolreaktoru izman- tošana. Modulārais reaktors (angļu val. small modular reactor – SMR) ir kodolreaktors, kas var tikt izgatavots rūpnieciski un nogādāts to ekspluatācijas vietā (7.11. attēls). Tiek prognozēts, ka SMR jauda būs < 300 MW un tā projektēšana un izbūve būs ar zemākām izmak- sām, paaugstinātu drošību, pirmkārt, izmantojot pasīvās drošības 7.9. attēls. Novovoroņežas (Krievija) atomspēkstacija ir pirmā III+ kodolspēkstacija 7. Kodolenerģētika 85 koncepciju. Modulārie reaktori var tikt izvietoti vairāki vienā vietā atkarībā no nepieciešamā saražotās enerģijas patēriņa vai arī patē- rētāja tuvumā, līdz ar to samazinot elektropārvades izmaksas un elektrības zudumus izvietošanas laikā. Vienlaikus modulāro reaktoru koncepcija attiecas tikai uz reak- tora izmēriem, jaudu un modulāro izbūves veidu, bet ne uz reaktora tipu un procesiem, kuri nodrošina enerģijas veidošanos. Modulāro reaktoru darbībā paredzēts izmantot gan esošo reaktoru darbības Rekuperators Siltum- mainis Siltum- mainisReaktors Hēlijs Aktīvā zona Kontroles stieņi Ģenerators Elektroenerģija Turbīna Kompresors Kompresors Ārējais apvalks Reaktors Spiediena izlīdzinātājs Dzesēšana Tvaika veidošanās Aktīvā zona Turbīna Ģenerators 7.10. attēls. Ar hēliju dzesēts ātro neitronu reaktors – IV paaudzes kodolreaktoru prototips 7.11. attēls. Ar ūdeni dzesējama modulārā reaktora darbības koncepcija 86 RADIOAKTIVITĀTE principus, gan IV paaudzes reaktoriem raksturīgus risinājumus. Modulārajos reaktoros var tikt izmantoti gan siltumneitroni, gan ātrie neitroni, bet iespējami arī ar gāzi dzesēti, gan IV paaudzes reak- toros perspektīvi risinājumi. Par pirmo modulāro reaktoru uzska- tāms uz Krievijas kuģa “Akadēmiķis Lomonosovs” izvietotais peldo- šais kodolreaktors. Pirmo rūpnieciski izveidoto modulāro reaktoru palaišana tiek plānota, sākot ar 2026. gadu. Modulāros reaktorus aktīvi projektē un to ražošanu plāno uzsākt ASV, Krievija, Kanāda, Ķīna. Vienlaikus pastāv šaubas par SMR darbības ekonomisko efektivitāti, ņemot vērā zemo enerģijas ieguvumu salīdzinājumā ar izbūves un ekspluatācijas izmaksām. Bažas rada arī drošības aspekti, kas saistīti ar izmantotās kodoldegvielas pārstrādes riskiem un kodolieroču izplatības ierobežošanas nepieciešamību. 7.2. Kodoldegvielas aprite Kodoldegviela tiek iegūta, izmantojot urānu saturošus mine- rālus. Kodoldegvielu pārstrādājot, tiek bagātināts urāna-235 saturs tajā, bet pēc izmantošanas veidotie radioaktīvie atkritumi tiek pār- strādāti un noslēdzot apglabāti, kopā veidojot kodoldegvielas aprites ciklu (7.12. attēls). Kodoldegviela, kas tiek izmantota kodolreaktoros, tiek iegūta no minerāliem, kuri satur urānu vai toriju. Urāna vidējais saturs uz Zemes ir 0,00027%, jūras ūdenī ~ 3,2 µg/l. Novērtētie zināmie urāna krājumi uz Zemes ir 5,7 miljoni tonnu. Urāna rūdās tā saturs ir 0,3–0,6%, bet lielākie urāna krājumi atrasti Kazahstānā, Austrālijā, Rūdas apstrāde Urāna attīrīšana Urāna-235 bagātināšana Kodoldegvielas sagatavošana Kodolreaktors Pagaidu uzglabāšana Izmantotās degvielas pārstrāde Apglabāšana Urāna rūdas iegūšana Urāns Plutonijs 7.12. attēls. Kodoldegvielas aprites cikls 7. Kodolenerģētika 87 Krievijā. Urānu saturošos minerālus bieži iegūst, izmantojot virs- zemes ieguves metodes. Iegūtās rūdas tiek samaltas, bet pēc tam to masa tiek apstrādāta ar sārmiem vai skābi, lai iegūtu urānu tā oksīdu veidā (U3O8). Iežu masa pēc ekstrakcijas ir radioaktīva, to nosaka urāna sabrukšanas produktu klātbūtne. Visas darbības, kuru laikā notiek urāna rūdas apstrāde vai, piemēram, kodolenerģētikas atkri- tumu pārstrāde, vai plutonija-239 izdalīšana, pavada paaugstināta un nereti ļoti augsta radioaktivitāte (7.13. attēls). Tāpēc cilvēka klāt- būtni kodoldegvielas iegūšanas/pārstrādes procesos nepieciešams samazināt līdz minimumam. Tā kā skaldīties spējīgo izotopu (piemēram, urāna-235) saturs dabā esošajā urānā ir zems, nepieciešams veikt bagātināšanu, re spektīvi, paaugstināt dalīties spējīgo izotopu saturu degvielā. Teh- noloģijas kodoldegvielas bagātināšanai ir tās pašas, kuras izmanto kodolieroču ražošanā, proti, urāna pārvēršana tā heksafluorīda veidā (UF6) un izmantojot gāzes centrifūgas izotopu atdalīšanai, jo urāna izotopu masa atšķiras par ~ 1%. Bagātinātā urāna savienojuma masa (satur vairāk urānu-235) tiek atdalīta no liesinātā urāna (galvenokārt urāns-238) un pārvērsta urāna dioksīda formā, kas tiek sapresēts un, pievienojot piedevas, sakausēts vai nu lodēs, vai cilindros, kurus pēc tam var sapildīt, veidojot degvielas stieņus, kurus izmanto par degvielu reaktoros (7.14. attēls). 7.13. attēls. Urāna rūda, tās pārstrādes produkts (angļu val . yellowcake) un metālisks urāns 7.14. attēls. Urāna degvielas stieņi, kas ir sagatavoti ievietošanai kodolreaktorā 88 RADIOAKTIVITĀTE Lielākajā daļā atomspēkstaciju reaktoros izmanto urānu, kas satur līdz 4% urāna-235, bet reaktoros, kuros tiek nodrošināta neit- ronu pilnīga uztvere, var tikt izmantots nebagātināts urāns. No otras puses, pasaulē ir ~ 100 kodolreaktoru, kuros izmanto ievē- rojami bagātinātu (urāna-235 saturs līdz 90%) jeb ieroču kvalitātes urānu. Pēc PSRS–ASV vienošanās par kodolieroču skaita samazi- nāšanu tika izveidota programma “Megatonnas par megavatiem” (Megatons to Megawatts), kuras īstenošanas laikā no 1993. līdz 2012. gadam ~ 500 tonnu atomieroču bagātināšanas pakāpes urāna (urāna-235 saturs > 85%), kas atbilst apmēram 20 000 atombum- bām, tika liesinātas un iegūtās 15 000 tonnas urāna pārdotas ASV izmantošanai par kodoldegvielu atomspēkstacijās. Līdz ar to gan- drīz 20 gadu laikā ASV apmēram 10% saražotās elektroenerģijas tika iegūti, izmantojot PSRS atombumbu urānu. Aptuveni vērtējot, 1000 MWe atomspēkstacija gadā patērē līdz 27 tonnām bagātināta urāna, kas nodrošina vairāk nekā 8 miljar- dus kilovatstundu elektrības saražošanu (8 TWh). Kodolreaktora darbības laikā urāns-235 tiek patērēts, bet daļa urāna-238 tiek pār- vērsta par plutoniju, kā arī var tikt iesaistīta kodoldalīšanās reakcijās atkarībā no reaktora darbības principa. Lai nodrošinātu reaktora darbību, izmantotā kodoldegviela jānomaina, ja urāna-235 saturs ir mazāks par 1% vai plutonija-239 saturs sasniedz 1%, bet urāna-238 saturs – 95%. Pārējo izmantotās degvielas masu veido skaldīšanas reakcijas produkti un citi aktinīdi. Kodoldegvielas saturu veido izotopi ar ilgu sabrukšanas periodu (79Se, 93Zr, 99Te, 107Pd, 126Sn, 129I, 135Cs), kā arī ātri sabrūkoši izotopi (89Sr, 90Sr, 106Ru, 125Sn, 134Cs, 137Cs, 147Pm). Tā kā izlietotā kodoldegviela intensīvi izstaro radioaktīvo sta- rojumu, pēc izņemšanas no reaktora aktīvās zonas tā tiek uzglabāta pat vairākus gadus (7.15. attēls). Vienas tonnas radioaktīvo atkritumu summārā radioaktivitāte ir ~ 600 TBq. 7.15. attēls. Izmantotās kodoldegvielas pārstrādes rūpnīca Šefīldā (Anglija) 7. Kodolenerģētika 89 Izlietoto kodoldegvielu var vai nu droši apglabāt, vai pārstrā- dāt, lai atgūtu izmantojamos radioaktīvos elementus, vispirms urānu-235 un plutoniju-239. Pārstrāde ietver kodoldegvielas izšķī- dināšanu skābē un izmantojamo elementu atgūšanu, jaukto urāna un plutonija oksīdu veidā iegūstot jaukto oksīdu kodoldegvielu (MOX, angļu val. mixed oxide). Atlikums (~ 3% ) ir atkritumi ar augstu radioaktivitāti, tos nepieciešams apglabāt (7.16. attēls). Radioaktī- vie atkritumi tiek sakausēti ar borsilikātu stiklu vai arī apglabāti pazemē speciāli ierīkotās glabātuvēs vai izmantotās raktuvēs, pie- mēram, dziļāk par 500 m (7.17. attēls). Apglabāšanas metodes mērķis 7.16. attēls. Kapsula kodoldegvielas atkritumu apglabāšanai (ārējais apvalks izgatavots no vara) 7.17. attēls. Šahta kodoldegvielas atkritumu apglabāšanai Onkalo (Somija) 90 RADIOAKTIVITĀTE ir nodrošināt to, ka apglabātie radioaktīvie elementi nevar piesārņot pazemes ūdeņus, nokļūt virszemē, bet izmantotajiem materiāliem ir jābūt ķīmiski izturīgiem, kā arī ar tiem nevar notikt kodolķīmiskas reakcijas intensīvā radioaktīvā starojuma iedarbībā, ko joprojām izdala apglabātie kodolatkritumi. Gan ieguves, gan pārstrādes, gan reciklēšanas procesos, kā arī radioaktīvos produktus transportējot un apglabājot, var veidoties vides piesārņojums. 7.3. Kodolenerģijas izmantošanas drošība Kodolenerģijas izmantošanai nozīmīgi ir tās drošības jautājumi. Kodolenerģijas izmantošanas drošības aspekti aptver gan kodolre- aktoru konstruēšanas un būves jautājumus, tādu reaktoru izveidi, kuros avārijas nav iespējamas, gan kodolreaktoru avāriju riska mazināšanas plānus un seku novēršanas risinājumus. Kā definē Starptautiskā Atomenerģijas aģentūra (7.18.  attēls), kodolenerģi- jas drošības nodrošināšanas mērķis ir pasargāt no negadījumiem, izmantojot kodolenerģiju, vai mazināt to sekas, lai pasargātu strā- dājošos, sabiedrību un vidi no radioaktīvā piesārņojuma riskiem, kā arī nepieļaut zādzības, neatļautu piekļuvi, darbības un citas rīcības ar kodolreaktoros izmantotajiem materiāliem. Kodoldrošības jautājumi aptver arī teroristu uzbrukumu, karadarbības, apzinātas sabotā- žas un kiberuzbrukumu radītu risku novēršanu kodolreaktoriem. Kodoldrošības nodrošināšanas mērķis ir veidot tādus kodolreakto- rus, lai arī dabas katastrofas, piemēram, zemestrīces, neapdraudētu kodolreaktorus un to darbību. Kodolenerģijas izmantošanas drošības jautājumus koordinē Starptautiskā Atomenerģijas aģentūra, kā arī ieinteresēto valstu autorizētas institūcijas. Kodolenerģijas izmantošanas drošības risku pamatā ir tas, ka kodolreaktori, atomspēkstacijas ir vienas no sarežģītākajām ierī- cēm, kuras tiek izmantotas civilām vajadzībām. Sarežģītība ietver prasības tajos izmantotajiem materiāliem, darbību un to vadību, turklāt apzinoties, ka kļūdas vienā procesā var radīt citu procesu pārtraukšanu vai kļūdas tajos. Turklāt jāņem vērā, ka kodolreaktoru konstruēšana lielā mērā joprojām notiek pēc izmēģinājuma – kļū- das principa, respektīvi, kļūdas konstrukcijā tiek konstatētas un novērstas reaktoru paaudzēs. Nākamā fundamentālā problēma, kas ietekmē kodolreaktoru izbūves ārkārtīgi augstu sarežģītību, ir tā, ka šīs iekārtas tiek izbūvētas ilgam ekspluatācijas laikam, kuram jābūt vismaz 100–150 gadu un jānoslēdzas ar izmantotas kodoldegvielas un citu izmantoto materiālu drošu utilizāciju. 7.18. attēls. Starptautiskās Atomenerģijas aģentūras karogs 7. Kodolenerģētika 91 Galvenos kodolreaktoru drošības riskus rada to darbības un cilvēciskā faktora – reaktora darbības vadības kļūdu mijiedarbības. Šo risku kombinācija bija Čornobiļas atomelektrostacijas reaktora avārijas cēlonis. Tajā pašā laikā kodolreaktori un atomspēkstacijas regulāri ir bijušas militāru uzbrukumu objekts, proti, bijuši mēģinā- jumi radīt pretinieka teritorijas radioaktīvu piesārņojumu vai vismaz apdraudēt tās elektroapgādi. Irāna un Izraēla ir savstarpēji apmainī- jušās ar uzlidojumiem un raķešu triecieniem par to teritorijā esošiem gan izpētes reaktoriem, gan atomspēkstacijām. Arī ASV 1991. gadā bombardēja kodolreaktorus Irānas teritorijā. Krievija 2022. gadā atkārtoti apšaudīja Zaporižjes atomelektrostaciju Ukrainas terito- rijā, atslēdza to no elektroapgādes tīkla, kas draudēja ar būtiskām sekām reaktora darbībai. Kodolreaktori ir augsta riska objekts, ņemot vērā teroristu uzbrukuma riskus. Kaut arī mūsdienās atomspēkstacijas tiek izbū- vētas, lai izturētu tiešu lidmašīnas vai raķetes triecienu, tomēr senāk izbūvētās stacijās šādu drošības pasākumu nav. Riska gadījumos, piemēram, teroristu uzbrukuma gadījumā, ir tikušas veiktas atom- spēkstaciju evakuācijas (piemēram, 2016. gadā Beļģijā) vai arī to aiz- sardzībai tiek izvietotas pretgaisa aizsardzības sistēmas. Teroristu uzbrukuma mērķis var būt arī kodolspēkstaciju teritorijās glabātie radioaktīvie atkritumi, kas var tikt izmantoti tā saucamo netīro bumbu izgatavošanā. Par kodolspēkstaciju darbības būtisku drošības risku uzskatāma dabas katastrofu un reaktoru darbības kļūdu kombinācija. Neskato- ties uz reaktoru izbūves augstajām drošības prasībām, tādas dabas parādības kā taifūni, plūdi (7.19. attēls) var apdraudēt atomspēksta- ciju darbu, bet, piemēram, sausums var radīt reaktora darbināšanai nepieciešamā ūdens trūkumu. 7.19. attēls. Kodolreaktors ASV, kuru aptver Misūri plūdi 2011 . gadā 92 RADIOAKTIVITĀTE Par būtiskākiem dabas katastrofu riskiem uzskatāmi seismis- kās darbības riski, tāpēc kodolreaktoru būve pieļaujama seismiski neaktīvās teritorijās. Tomēr tieši cunami viļņa radītais elektroap- gādes pārrāvums apvienojumā ar reaktora vadības kļūdām radīja atomspēkstacijas avāriju Fukušimā (Japāna). Par augsta riska objektu uzskatāms Mecamoras atomspēkstacijas reaktors Armēnijā. Tas ir izbūvēts, izmantojot novecojušu un riskantu konstrukciju, turklāt reaktora konstrukcija spēj izturēt līdz 7 magnitūdām stipru zemes- trīci, bet zemestrīču risks tā izbūves vietā var sasniegt 8 magnitūdas. Līdz ar to šī reaktora avārija apdraud ne tikai Turciju (robeža atrodas 16 km attālumā), bet arī Armēnijas galvaspilsētu Erevānu. Kodolreaktoru darbības drošības paaugstināšana ir viens no gal- venajiem kodolenerģētikas attīstības virzieniem un galvenais mērķis, veidojot IV paaudzes reaktorus, kuros izmantotie risinājumi sama- zina drošības riskus vai pat nepieļauj to veidošanos. Tiek uzskatīts, ka arī modulārie kodolreaktori ir ievērojami drošāki, salīdzinot ar citiem reaktoru tipiem. 7.4. Čornobiļas kodolkatastrofa Čornobiļas kodolkatastrofa notika mūsdienu Ukrainas teritorijā 1986. gada 26. aprīlī netālu no Pripjatas, uzsprāgstot atomelektrosta- cijas ceturtajam energoblokam. Atomspēkstacijas būve tika uzsākta 1970. gadā, bet 4. energobloka ekspluatācija – 1983. gadā. Spēkstacija tika veidota pēc PSRS izveidotas koncepcijas, izmantojot maz bagāti- nātu urānu (urāna-235 saturs bija ~ 2%). Par neitronu moderatoru tika izmantots grafīts, bet par siltumnesēju – ūdens. Čornobiļas atomelek- trostacija sastāvēja no četriem RBMK-1000 reaktoriem, no kuriem katrs spēja saražot 1000 megavatu (MW) elektroenerģijas, kopā nodro- šinot 10% no Ukrainas elektroenerģijas. Vienlaikus, kaut arī šāda tipa reaktori tika deklarēti kā padomju zinātnes sasniegums, to darbība bija parādījusi augstu negadījumu un avāriju riskus, tomēr šie signāli par reaktoru potenciālu bīstamību netika ņemti vērā (7.20. attēls). 1. Grafīta izmantošana par neitronu palēninātāju ar ūdeni dzesētā reaktorā destabilizē reaktora darbību, ja samazinās ūdens daudzums 2. Tvaika veidošanās, kas var radīt tvaika sprādzienu 3. Vadības stieņu konstrukcija, kuru galos izvietotais grafīts, stieņus iegremdējot, nevis palēnina, bet paātrina reaktora darbību 4. Nav izveidots sprādziendrošs apvalks LWR RBMK 11 22 33 4 4 7.20. attēls. Konstrukcijas atšķirības starp LWR (ūdens– grafīta) reaktora un Čornobiļā izbūvētā reaktora modifikācijām, kas izstrādātas PSRS (RBMK – kr . val . РБМК – реактор большой мощности канальный) 7. Kodolenerģētika 93 Katastrofa notika, veicot pētījumu, kura mērķis bija noskaidrot rīcību reaktora strāvas padeves pārtraukuma gadījumā. Eksperi- mentu veica reaktora nakts maiņa, kas nebija sagatavota šāda darba veikšanai. Eksperimenta plāns bija nodrošināt pakāpenisku reaktora jaudas samazināšanu līdz jaudai 700–1000 MW, tomēr Čornobiļā izmantotā reaktora darbības rezultātā veidojās kodoldalīšanās pro- dukts ksenons-135, kas spēcīgi absorbē neitronu plūsmu. Līdz ar to reaktora jauda turpināja samazināties, neskatoties uz operatora darbībām (šo procesu sauc par reaktora saindēšanu). Normālā dar- bības režīmā ksenons tiek ātri patērēts, tomēr reaktora jauda turpi- nāja samazināties līdz gandrīz pilnīgai reaktora apstādināšanai un sasniedza 30 MW. Reaktoru apkalpojošais personāls, lai palielinātu tā jaudu, atvienoja reaktora vadības automātiskās drošības sistēmas un izcēla lielu daļu vadības stieņu, kas kritiski samazināja reaktora darbības stabilitāti. Gandrīz visi 211 vadības stieņi bija izcelti, bet vienlaikus dzesētāja – ūdens – plūsma samazināta. Uzsākot vadī- bas stieņu iegremdēšanu, lai stabilizētu reaktora darbību, reaktora apakšējā daļā strauji pieauga temperatūra, reaktora masa pārkarsa, vadības stieņi iestrēga, bet reaktora jauda pieauga līdz 30 000 MW, respektīvi, 10 reizes pārsniedzot tā darbību normālā darba režīmā. Ūdenim saskaroties ar pārkarsušo kodolreaktora masu, veidojās tvaiks, kura augstais spiediens radīja sprādzienu, kas aizsvieda reak- tora jumtu un izsvieda atmosfērā aktīvās zonas masu un pārkarsu- šos grafīta blokus (7.21. attēls). Dažas sekundes pēc pirmās eksplozi- jas sekoja otrā, kuras rezultātā aktīvās zonās materiāls tika izmests un izkliedēts spēkstacijas teritorijā un uz blakus esošo energobloku jumta, kur radioaktīvais grafīts uzliesmoja un sāka degt. Vienlaikus kodolreaktora aktīvā zona, kas tagad bija atsegta, turpināja izdalīt intensīvu starojumu, kas radīja jonizētā gaisa mirdzēšanu. Lai likvidētu daudzos ugunsgrēkus, tika izsaukta vietējā uguns- dzēsēju komanda, neinformējot par radioaktīvā piesārņojuma bīs- tamību. Ugunsdzēsējiem izdevās apdzēst degošos grafīta gabalus, bet lielākā daļa ugunsdzēsēju brigādes saņēma lielas apstarojuma devas un daudzi mira akūtas staru slimības dēļ. Ugunsgrēks reaktora aktīvajā zonā turpinājās līdz pat 10. maijam, un tiek lēsts, ka vairāk nekā puse tajā esošā grafīta sadega. Lai likvidētu degšanu sagrautajā reaktora aktīvajā zonā, izmantojot helikopterus, tika izgāzts vairāk nekā 6000 tonnu smilšu, svina un bora kā neitronu plūsmas sor- bentu. Apzinoties radioaktīvā piesārņojuma bīstamību, nākamajā dienā pēc avārijas tika evakuēti Pripjates iedzīvotāji, bet kopumā no reaktora tuvumā esošajām teritorijām ir tikuši pārvietoti apmēram 250 000 iedzīvotāju. Vienlaikus reaktora aktīvajā zonā esošā masa turpināja degt, temperatūra sasniedza 1200 ºC, veidojās lavai līdzīga masa. Augstās temperatūras dēļ sākās reaktora grīdas sabrukšana un radās draudi, 7.21. attēls. Čornobiļas atomspēkstacijas sagrautais ceturtais energobloks 94 RADIOAKTIVITĀTE ka izkususī reaktora aktīvās zonas masa var sasniegt zem reaktora esošos ūdens rezervuārus, radot vēl vienu, iespējams, lielāka apjoma sprādzienu. Turpinājās atomspēkstacijas teritorijā izkliedētā reak- tora, bet īpaši tās aktīvās zonas materiālu, savākšana. Tiem bija augsta radioaktivitāte, bet to masa bija vairāk nekā 100  tonnu. Sākotnēji atkritumu savākšanā izmantotie roboti augstās starojuma intensitātes dēļ izgāja no ierindas, tāpēc uzdevums savākt tika dots cilvēkiem, pieļaujot strādāt ne ilgāk par 40–60 sekundēm. Šo uzde- vumu izpildīja ap 5000 mobilizēto, katrs no tiem saņēma radiācijas devu vidēji ap 250 mSv. Lai ierobežotu radiācijas izplatīšanos, no sabrukušā reaktora paliekām ap to 1986. gadā tika uzbūvēts sarkofāgs, bet 2016. gadā tika pabeigta jauna, izturīgāka sarkofāga celtniecība. Pakāpeniski tika slēgti pārējie atomspēkstacijas energobloki, bet līdz 2065. gadam ir paredzēts spēkstaciju nojaukt un veikt teritorijas dekontamināciju (atbrīvošanu no radioaktīvā piesārņojuma) (7.22. attēls). Čornobiļas kodolkatastrofa pēc tās ietekmes uzskatāma par pasaulē līdz šim lielāko kodolkatastrofu, tās seku likvidācijā bija iesaistīti vairāk nekā 500 000 cilvēku, bet avārijas izmaksas tiek lēstas 18 miljardu PSRS rubļu apmērā, kas aptuveni atbilst 68 mil- jardiem ASV dolāru (2019. gada salīdzināmās cenās). Kopējie avārijas radītie ekonomikas zaudējumi tiek lēsti 225 miljardu ASV dolāru apmērā. Šīs izmaksas bija smags trieciens sabrūkošajai PSRS ekono- mikai. Reaktora energoblokā atradās 180–190 tonnu urāna dioksīda kodoldegvielas un jau izveidojušies sabrukšanas produkti, no kuriem 5–30% tika izkliedēti vidē. Avārijas rezultātā vidē tika izmesti radio- aktīvie elementi ar aktivitāti līdz 14 × 1018 Bq. Vairāki kodolreaktora darbinieki, kas atradās tajā sprādziena laikā, kā arī ugunsdzēsēju komanda, kas bija ieradusies dzēst ugunsgrēku, un cilvēki, kas bija iesaistīti mēģinājumos novērst reaktora aktīvās zonas sprādzienu, saņēma letālas starojuma devas un gāja bojā staru slimības dēļ. 7.22. attēls. Čornobiļas atomspēkstacijas ceturtā energobloka sākotnējais (1986 . gadā izbūvētais) un pašreizējais (2016 . gadā pabeigtais) sarkofāgs 7. Kodolenerģētika 95 1480 40 kBq/m2 Ci/km2 185 5 40 1,08 10 0,27 2 0,054 Avārijas rezultātā ir piesārņota teritorija ap pašu reaktoru, kas mūsdienās veido slēgto zonu apmēram 30 km attālumā ap reaktoru (7.23. attēls). Ap atomspēkstaciju 28 000 kvadrātkilometru teritorijas piesārņojums ar cēziju-137 sasniedz 185 kBq/m2. Gan atomspēkstaci- jas avārijas, gan plašu teritoriju radioaktīvā piesārņojuma rezultātā veidotā radioaktīvā piesārņojuma sekas uz cilvēku veselību izpaužas kā būtiski pieaugošs risks attīstīties ļaundabīgajiem audzējiem, īpaši vairogdziedzera audzējam, kā DNS mutāciju skaita pieaugums, citu saslimstību skaita statistiski būtisks pieaugums. Slēgtā zona ap Čornobiļas atomspēkstaciju ir pamesta, bet pēc avārijas tajā esošie 7.23. attēls. Pamesta ēka Čornobiļas atomspēkstacijas slēgtajā zonā 7.24. attēls. Čornobiļas atomspēkstacijas kodolkatastrofas rezultātā radītais Eiropas teritorijas radioaktīvais piesārņojums 96 RADIOAKTIVITĀTE dzīvnieki tika likvidēti un apglabāti. Savvaļas augos un dzīvniekos konstatētas mutācijas, kuras avots mūsdienās ir joprojām aug- stais augsnes un ūdeņu radioaktīvā piesārņojuma līmenis, kas līdz 100 reižu pārsniedz to, kāds bija pirms avārijas. Čornobiļas kodolkatastrofas sekas ir ne tikai radioaktīvais piesār- ņojums ap atomspēkstaciju, bet arī, tā kā kodolreaktora sprādziena rezultātā reaktora aktīvo zonu veidojošie materiāli tika izsviesti atmosfērā, plašu teritoriju piesārņojums pat tūkstošu kilometru attā- lumā (7.24. attēls). Gaisa masu kustību rezultātā radioaktīvi putekļi un gāzes sasniedza Skandināvijas valstis un pat Lielbritāniju un Spāniju, bet būtiskākais piesārņojums skāra Baltkrievijas teritoriju. 7.5. Fukušimas kodolkatastrofa Nopietna kodolkatastrofa notika Fukušimas Daiči (angļu val. Fukushima Daiichi) atomspēkstacijā Japānā. Fukušimas atomspēksta- cija ir viena no lielākajām pasaulē, un tās jauda ir 4,7 GW. Šī atom- spēkstacija bija projektēta tā, lai spētu izturēt spēcīgas zemestrīces. Galvenais faktors, kas izraisīja avāriju, bija zemestrīce un tai sekojošs cunami vilnis, kura augstums bija 13–14 m. Uztverot zemestrīci, tika uzsākta automātiska reaktoru izslēgšanas procedūra un kodol- reaktora darbības nodrošināšanai tika iedarbināti dīzeļģeneratori, lai netiktu pārtraukta kodolreaktora dzesēšanas sūkņu darbība un tiktu nodrošināta kodolreaktora dzesēšana. Cunami vilnis pārva- rēja ap atomspēkstaciju izbūvēto aizsargsienu un applūdināja atom- spēkstacijas teritoriju, izraisot ģeneratoru darbības pārtraukšanu Maks./ 100 000 000 Maks./ 10 000 000 Maks./ 1 000 000 Maks./ 100 000 Maks./ 10 000 Maks./ 1000 Maks./ 100 Maks./ 10 Maks. Piesārņojuma avots Maksimālā piesārņojuma koncentrācija 7.25. attēls. Cēzija-137 koncentrācija (attiecībā pret maksimāli konstatēto) atmosfērā 2011 . gada 19 . martā 7. Kodolenerģētika 97 un reaktora pārkaršanu, un kodolreaktora masas kušanu. Notiekot ķīmiskai reakcijai, starp cirkoniju saturošiem reaktora elementiem un ūdens tvaiku veidojās ūdeņradis (tiek vērtēts, ka kopā izveidojās līdz 1000 kg ūdeņraža), kura uzliesmojums radīja eksploziju, sagrau- jot reaktora konstrukciju. Ņemot vērā draudus iedzīvotājiem, no tuvākās apkaimes tika evakuēti 154 000 cilvēku. Tiek uzskatīts, ka līdz pat 70% no 1. reaktorā esošās kodoldegvielas sakusa kopā ar to veidojošajiem materiāliem, veidojot augstu radioaktīvo piesārņo- jumu, kā arī piesārņojot dzesēšanai izmantoto ūdeni, kurš savukārt tika izvadīts okeānā. Kodolkatastrofas rezultātā vidē nokļuva 100–500 PBq joda-131, 6–20 PBq cēzija-137. Lielākā daļa emisiju atmosfērā tika izkliedēta plašā Klusā okeāna teritorijā (7.25. attēls). Fukušimas AES avārija, tāpat kā Čornobiļas kodolkatastrofa, tiek vērtēta kā augstākā 7. līmeņa katastrofa pēc starptautiskās kodolnegadījumu skalas. 7.6. Kodoltermiskā sintēze Kodoltermiskā sintēze ir divu vai vairāku atomu kodolu sav- starpēja reakcija, kuras rezultātā veidojas jaunu atomu kodoli, izda- lās enerģija un nukloni, piemēram, protoni un neitroni. Veidotās enerģijas daudzums ir atbilstošs masas starpībai Δm starp reakcijas izejvielām un veidoto atomu kodolu masu atbilstoši formulai: E = mc2 Galvenā reakciju secība, kas notiek uz Saules, ir ūdeņraža atoma kodolu reakcija, veidojoties hēlija atoma kodolam un izdaloties ener- ģijai (7.26. attēls). 4He 2H γ ν 1H 1H 1H1H 1H 3He 1H 2H 3He γ γν 1H 1H ν Protons Neitrons Pozitrons Gamma starojums Neitrīno 7.26. attēls. Kodoltermiskās sintēzes reakcija, kurā no ūdeņraža atoma kodoliem veidojas hēlija atoma kodols 98 RADIOAKTIVITĀTE Hipotēzi par to, ka, ūdeņraža atomu kodoliem reaģējot, veidojas hēlija atoma kodoli un šī reakcija ir Saules enerģijas avots, izvirzīja Arturs Stenlijs Edingtons (Arthur Stanley Eddington). Kodoltermiskā sintēze notiek uz lielākās daļas zvaigžņu, un, vispirms sintēzes reak- cijā izmantojot ūdeņraža atomu kodolus, bet zvaigznēm novecojot, veidojas elementi, kuru sintēzē izdalās enerģija – līdz elementam ar kārtas skaitli 56 – dzelzs. Kodoltermiskā sintēze notiek vairāku desmitu miljonu grādu temperatūrā un milzīgā spiedienā, kas pastāv zvaigžņu kodolos. Elementu ar augstāku kārtas skaitli sin- tēzei nepieciešama enerģijas pievadīšana, un tā notiek, piemēram, zvaigžņu (supernovas) sprādziena rezultātā. Kodoltermiskās sintēzes rezultātā izdalītā enerģija līdz šim ir izmantota ūdeņraža bumbu radīšanai. Tajā pašā laikā vilinājums izveidot neizsīkstošas enerģijas avotu – aizdegt uz Zemes Sauli – ir pastāvējis jau kopš 20. gs. 50. gadiem. Lai ūdeņraža atomu kodoli (pozitīvi lādētie protoni) varētu saplūst, ir jāpārvar kuloniskās atgrūšanās spēki, respektīvi, jānodrošina nepieciešamais spiediens un daļiņu enerģija līdzīgi tai, kas pastāv Saules kodolā. Tiek lēsts, ka katru sekundi Saules kodolā reaģē 620 miljoni tonnu ūdeņraža, veidojot 616 tonnu hēlija. Lai nodrošinātu vadāmu kodoltermiskās sintēzes reakciju, tiek plānots izmantot ūdeņraža izotopus deitēriju un tritiju, kā tas tiek darīts ūdeņraža bumbās, jo šo atomu kodolu mijiedarbības gadījumā kuloniskās atgrūšanās spēki ir mazāki (7.27. attēls). 2H 3H 4He + 3,5 MeV n + 14,1 MeV Protons Neitrons Ūdeņraža bumbas gadījumā kodoltermiskās sintēzes norisei nepieciešamos apstākļus nodrošina tās “deglis”  – atombumbas sprādziens, kura rezultātā veidojas spiediens un temperatūra, kas nodrošina tritija veidošanos no litija-6 un reakcijas uzsākšanai nepieciešamo temperatūru un spiedienu, veidojot plazmu. Lai kodol- termisko sintēzi īstenotu kā vadāmu procesu, jānodrošina plazmas uzturēšanai nepieciešamā temperatūra un spiediens, turklāt uzturot to stabilu, bet arī degvielas – ūdeņraža izotopu – pievadīšana un, galvenais, izdalītās enerģijas aizvadīšana. Nākamā problēma ir tā, ka tritijs ir relatīvi nestabils un līdz ar to tritiju iegūst no litija-6, to apstarojot ar neitronu plūsmu līdzīgi, kā tas notiek ūdeņraža bumbas sprādziena apstākļos. 7.27. attēls. Deitērija un tritija reakcija, kas ir pamatā kodoltermiskās sintēzes reakcijai ūdeņraža bumbā, bet ko iespējams izmantot vadāmajā kodoltermiskajā sintēzē 7. Kodolenerģētika 99 Tomēr galvenais izaicinājums vadāmās kodoltermiskās sintēzes nodrošināšanai ir karstās plazmas stabilitātes nodrošināšana, kura, ņemot vērā tās augsto temperatūru, nedrīkst saskarties ar cietu materiālu, tāpēc tai jāatrodas dziļā vakuumā. Tālāk, lai saglabātu augsto temperatūru, nepieciešams sasniegt augstu spiedienu, lai novērstu plazmas izplešanos. Šādus apstākļus zvaigznēs nodrošina gravitācijas spēks, bet, lai izveidotu iekārtu, uz Zemes tiek izmantota plazmas saspiešana magnētiskā lauka iedarbībā. Koncepciju kodoltermiskās sintēzes īstenošanai nepieciešamos apstākļos, plazmu stabilizējot, izmantojot magnētisko lauku toroi- dālā ierīcē – tokamakā (kr. val. токамáк – тороидальная камера с магнитными катушками), piedāvāja PSRS fiziķi Andrejs Saharovs un Igors Tamms, bet pirmo darbojošos tokamaku PSRS izveidoja 1958. gadā (7.28. attēls). Magnētiskais lauks ir ideāls plazmas stabili- zēšanai, jo to veidojošās lādētās daļiņas izkārtojas atbilstoši magnē- tiskā lauka spēka līnijām. Mūsdienās tokamaku izmantošana ir kļu- vusi par vienu no vadošajām koncepcijām kodoltermiskās sintēzes procesu nodrošināšanai, un, piemēram, Eiropas Savienībā aktīvi tiek veikti pētījumi “Apvienotais Eiropas tors” (Joint European Torus, JET) un tā nākamajā etapā “Starptautiskais eksperimentālais kodolter- miskais reaktors” (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) (7.29. attēls), kura darbību plānots uzsākt 2025.–2035. gadā. Izmantojot tokamakus, ir izdevies plazmu uzkarsēt līdz 10 milj. °C. Vienlaikus ar toroidālo tokamaku attīstību tiek pētīti citi risinā- jumi kodoltermiskās sintēzes apstākļu nodrošināšanai. No tiem var minēt cita veida magnētiskā lauka stabilizēšanas izmantošanu, aug- stas enerģijas lāzera starojuma izmantošanu kodoltermiskās sintēzes uzsākšanai un uzturēšanai. Būtisks jautājums ir materiālu piemek- lēšana, lai nodrošinātu reakcijas vides stabilitāti. ASV nacionālajā kodoltermiskās sintēzes iekārtā (angļu val. National Ignition Facility), koncentrējot 192 lāzeru starojumu, tika nodrošināta deitērija un 7.28. attēls. Tokamaka stabilizēta plazma 100 RADIOAKTIVITĀTE tritija maisījuma saspiešana un uzkarsēšana līdz 100 000 000 °C. Sākās kodoltermiskās sintēzes reakcija, un pirmo reizi veidotās enerģijas daudzums ~ 1,5 reizes pārsniedza reakcijas uzsākšanai izmantoto enerģijas daudzumu, kas ir uzskatāms par pavērsienu kodolenerģētikas risinājumu attīstībā. Kodoltermisko sintēzi aktīvi pēta ASV, Krievija, kā arī Eiropas Savienības valstis, aktīvi sadarbojoties savā starpā un arī ar Liel- britāniju, ASV, Japānu vairākos starptautiskos projektos. Vienlai- kus Ķīna ir uzsākusi milzīgus investīciju projektus, lai attīstītu risinājumus un sāktu būvēt jaudīgu tokamaku, kas būs lielāks nekā ITER projektētais, kā arī izmantotu esošās iekārtas, iegūstot jaunus rezultātus, piemēram, nodrošinot plazmas ar temperatūru 160 milj. °C uzturēšanu 20 sekundes. Vadāmās kodoltermiskā sin- tēzes priekšrocības, salīdzinot ar citiem enerģijas ražošanas veidiem, ir milzīgas, jo tā var nodrošināt enerģijas patēriņu, neradot negatīvu ietekmi uz vidi, ņemot vērā arī neizbēgami pieaugošo pieprasījumu pēc enerģijas. Šī veida enerģijas ražošanai izejvielu avots ir neizsme- ļams. Kodoltermiskās sintēzes iekārtu avārijas riski ir ievērojami mazāki nekā kodolreaktoriem, jo, notiekot to darbības bojājumiem, reakcija mirklī tiek pārtraukta. Iespējami riski, kurus var radīt kodoltermiskās sintēzes iekārtas, ir tritija izplūde vidē, jo tas ir nestabils izotops: pussabrukšanas periods ir 12,3 gadi, bet pilnībā tas sabrūk ~ 125 gados. Tritijam nokļūstot vidē, tas var tikt asimi- lēts biomasā un nokļūt dzīvajos organismos. Kaut arī paši kodol- termiskās sintēzes reakcijas produkti nav radioaktīvi, par tādiem 7.29. attēls. Apvienotais Eiropas tors tā izbūves gaitā (1991) 7. Kodolenerģētika 101 kļūs reaktoru konstrukcijā izmantotie materiāli, to veidojošajiem elementiem mijiedarbojoties ar intensīvu neitronu plūsmu. Tomēr arī šajā gadījumā veidoto apglabājamo atkritumu daudzums būs ievērojami mazāks nekā radioaktīvo atkritumu daudzums, kas vei- dojas kodolreaktoru gadījumā. 8. Kodolieroči 103 8. KODOLIEROČI Kodolieroču darbības pamatā ir atomu kodolu pārvērtības, kuru rezultātā izdalās enerģija. Konvencionālos ieročos sprādziena ener- ģijas avots ir ķīmiskas reakcijas (parasti oksidēšanās) rezultātā izda- lītā enerģija, bet tos veidojošo ķīmisko savienojumu (sprāgstvielu) atomu kodoli netiek izmainīti. Līdzās ķīmiskajiem un bioloģiska- jiem ieročiem kodolieroči pieder pie masu iznīcināšanas ieročiem. Kodolieroču sprādziena rezultātā izdalās liels daudzums enerģijas siltumenerģijas veidā, sprādziena vilnis un jonizējošais starojums. Kodolieroču sprādziena rezultātā veidotais triecienvilnis nosaka to graujošo iedarbību, jonizējošais starojums var izraisīt staru slimību, bet sprādziena rezultātā veidotie radioaktīvie elementi rada teri- torijas radioaktīvo piesārņojumu, padarot to neizmantojamu vai būtiski ierobežojot radioaktīvi piesārņotās teritorijas izmantoša- nas iespējas. Kodolieroču jaudu parasti izsaka trotila ekvivalentos, kas atbilst sprāgstvielas trinitrotoluola (TNT) sprādziena rezultātā izdalītai enerģijai. Piemēram, neliela taktiskā kodollādiņa ar jaudu 1 kT efektivitāte atbilst 1000 tonnu trotila efektivitātei. Kodolie- roču jaudu parast izsaka kilotonnās (kT – 1000 tonnas TNT) vai megatonnās (MT), respektīvi, tā ir, piemēram, atombumbas jauda, kas atbilst miljons tonnu TNT sprādzienam. Kodolieročus iedala stratēģiskas nozīmes un taktiskas nozīmes kodolieročos. Stratēģis- kas nozīmes kodolieroču lietošanas mērķis ir nodrošināt stratēģisku uzdevumu izpildi, sagraujot objektus, kas atrodas pretinieka terito- rijā, piemēram, iznīcinot pilsētas, rūpniecības centrus, armijas bāzes, komandcentrus, enerģijas ražošanas infrastruktūru. Uzspridzinot jaudīgu bumbu jūrā, var radīt cunami vilni, kas var iznīcināt jebko piekrastes joslā. Taktiskos kodolieročus var lietot kaujas laukā, bet to jauda var sasniegt desmitus vai pat simtus kilotonnu TNT ekvi- valenta. Atkarībā no izmantošanas mērķa kodolieroču nogādei tiek izmantotas raķetes, bumbvedēji, uz zemūdenēm (8.1. attēls) izvieto- tas raķetes (ballistiskās, vidēja darbības rādiusa raķetes stratēģisko kodolieroču gadījumā), bet taktiskas nozīmes kodolieroču lietošanai var tikt izmantotas vidēja un tuva darbības rādiusa raķetes, bum- bvedēji vai pat artilērija. Taktisko kodolieroču izmantošanas mērķis var būt pretinieku lidmašīnas, Zemes pavadoņi, zemūdenes, tos var lietot torpēdās ar kodolgalviņām, kā mīnas uz sauszemes un jūrā. Kaut arī kodolieroči ir tikai dažu valstu rīcībā, to izmantošanas risks ir viens no galvenajiem draudiem cilvēces pastāvēšanai. Drauds ir ne tikai to lietošanas iespēja, bet arī to ražošanas, uzglabāšanas radītie riski, kā arī milzīgs resursu patēriņš, kas citādi varētu tikt izmantots cilvēku labklājībai. 104 RADIOAKTIVITĀTE Kodolieroču darbības pamatā ir: 1) atomu kodolu dalīšanās, kas notiek kā ķēdes reakcija, kuru ierosina neitronu plūsma. Šis princips tiek izmantots atom- bumbās, lietojot urāna (235U) vai plutonija izotopus (239Pu); 2) atomu kodolu sintēze (kodoltermiskā sintēze), izmantojot ūdeņraža vai hēlija izotopus, veidojoties hēlija atomam (ūdeņ- raža bumba). 8.1. Atombumba Vēsture Atombumbas izstrādes iespēju atklāja vācu fiziķis Oto Hāns un ķīmiķis Fricis Štrāsmanis, bet teorētiski pamatoja Līze Meitnere un Oto Frics. Pēc šo atklājumu publicēšanas gan Lielbritānijas fiziķi, gan uz ASV emigrējošie Leo Silārds un Alberts Einšteins brīdināja 8.1. attēls. No zemūdenes palaista, ar kodolgalviņu apbruņota ballistiskā raķete Trident II 8. Kodolieroči 105 par iespēju, ka Vācija var izstrādāt jauna veida ieroci ar nebijušu iznīcinošo spēku. Pateicoties ASV prezidenta F. D. Rūzvelta atbal- stam, 1940. gadā tika uzsākts darbs pie kodolreaktora izveides, bet, kad tika pierādīta tā darbības iespējamība, 1942. gadā tika uzsākta atombumbas izstrāde: Manhetenas projekts (Manhattan Project). Atombumbas izstrādē piedalījās arī Kanāda un Lielbritānija, pro- jektu vadīja ASV fiziķis Roberts Openheimers (Robert Oppenheimer), bet tajā piedalījās tālaika izcilākie fiziķi: gan no Eiropas emigrē- jušie Enriko Fermī (Enricco Fermi), Leo Silārds, gan daudzi izcili ASV zinātnieki: Edvards Tellers (Edward Teller), Karls Komptons (Karl Taylor Compton) un citi. Atombumbas izstrādes pamatā bija gan jaunu zināšanu radīšana par atomu dalīšanās procesiem, gan daudzas tehnoloģiju inovācijas. Par kodolmateriālu atombumbā tika piedāvāts izmantot urānu. ASV tajā laikā tika uzkrāts pasaulē lielākais urāna daudzums, kurš bija iegūts Beļģijas kolonijā Kongo. Par būtisku problēmu izrādījās urāna izotopu sadalīšanas teh- noloģijas izstrāde, jo dabā sastopami 3 urāna izotopi, bet atom- bumbā izmantojams tikai 235U, kas veido tikai 0,7198–0,7202%, pārējo urāna masu veido 238U. Lai nodrošinātu atomsprādzienu, urāna-235 koncentrācijai jābūt vismaz 85% (ieroču tīrības urāns). Urāna izotopu sadalīšanai tika izstrādāta un izmantota gāzu difū- zijas metode, iegūstot gaistošu urāna heksafluorīdu un izmantojot atšķirīgu dažādo izotopu difūzijas ātrumu caur membrānām. Tā kā masas starpība starp urāna izotopiem ir ~ 1%, tad vieglākā izotopa savienojums kustas ātrāk un izotopus var atdalīt. Urāna izotopu atdalīšanai tika izmantota arī elektromagnētiskās separācijas un termālās difūzijas metodes. Paralēli tika attīstīts cits risinājums: izmantot plutoniju-239, kuru 1940. gadā atklāja ASV fiziķis Glens Sīborgs. Plutoniju-239 var iegūt, apstarojot urānu-238 (galvenais dabā sastopamais urāna izotops) ar neitroniem. Lai veiktu šo pro- cesu, 1942.  gadā Čikāgā tika uzbūvēts kodolreaktors, kura mēr- ķis bija iegūt plutoniju bumbas izveidei. Plutoniju no urāna atdalīt bija vienkāršāk, jo šo elementu ķīmiskās īpašības atšķīrās būtiski. Gan pēc urāna-235, gan plutonija-239 savienojumu iegūšanas bija nepieciešams šos elementus iegūt tīra metāla veidā. Būtiska pro- blēma, kas arī tika atrisināta, bija nepieciešamā urāna daudzuma iegūšana, augstas tīrības citu nepieciešamo izejvielu (grafīts, smagais ūdens u. c.) ražošana. Vienlaikus tika izstrādāts bumbas lietošanas un nogādes risinājums. Manhetenas projektā bija iesais- tīti vairāk nekā 130 000 cilvēku, bet tā izmaksas tālaika cenās bija gandrīz 2 miljardi ASV dolāru. Neskatoties uz projekta slepenību, tajā bija iefiltrējušies PSRS spiegi, kuru sniegtā informācija palī- dzēja vēlāk PSRS izstrādāt savu atombumbu. 1945. gada 16. jūlijā tika veikts pirmās atombumbas izmēģinājums, tās jauda atbilda 20 TNT kilotonnām. 8.2. attēls. Manhetenas projekta vadītājs ASV fiziķis Roberts Openheimers Kodolieroču sprādziena jaudu izsaka, salīdzinot konvencionālās sprāgst­ vielas trinitrotoluola (tro­ tila) jaudu ar kodolieroču sprādziena jaudu, to izsa­ kot trinitrotoluola tonnās. 106 RADIOAKTIVITĀTE Lai likvidētu Japānas pretošanos un Padomju Savienībai demonstrētu ASV militāro potenciālu, tika pieņemts lēmums lie- tot atombumbas pret Japānu. 1945. gada 6. augustā uz Hirosimu tika nomesta urāna-235 bumba (nosacītais nosaukums Little Boy), bet 9. augustā uz Nagasaki – plutonija-239 bumba (Fat Man) (8.4. attēls). Hirosimas atombombardēšanas rezultātā ~ 69% pilsētas ēku tika sagrautas (8.4. attēls), ~ 30% pilsētas iedzīvotāju gāja bojā tūlīt, bet vēl 70 000 tika ievainoti un saslima ar staru slimību. 1949. gadā atombumbas izmēģinājumus veica PSRS, 1952. gadā Lielbritānija, bet 1960. gadā Francija, 1964. gadā Ķīna. 8.3. attēls. Transportēšanai sagatavotā plutonija bumba, kas tika izmantota Nagasaki bombardēšanā 8.4. attēls. Atombumbas sprādziena rezultātā sagrautā Hirosima 8. Kodolieroči 107 Atombumbu uzbūve un darbība Atombumbās var izmantot urānu-235 un plutoniju-239. Retāk izmanto urānu-233, bet iespējams lietot arī neptūniju-237 un amerīcija izotopus. Atombumbas darbības pamatā ir kodolmate- riāla gabalu, no kuriem katram masa ir mazāka par kritisko masu, satuvināšana, sasniedzot kritisko masu, un kodoldalīšanās ķēdes reakcijas uzsākšana. Atombumba sastāv no kodolmateriāla un kon- vencionālās sprāgstvielas, bet liela nozīme var būt citiem izmantota- jiem materiāliem, kas, piemēram, var nodrošināt neitronu plūsmas vadību. Atombumbas izveidē tiek izmantoti divi principi (8.5. attēls): 1) lielgabala tipa atombumbā zemkritiskās masas parasti urāna-235 gabalus, kas izveidoti puslodes formā, satuvina konvencionālā sprāgstviela, līdz izveidojas lode, kuras masa pārsniedz kritisko masu, un sākas sprādziens; 2) implozijas tipa bumbā (parasti izmantojot plutoniju-239) kodolmateriāls ir sadalīts vairāku sfēru veidā. Sprāgstviela ir izvietota ap plutonija-239 gabaliem, un tās sprādziena spēks ir vērsts uz centru (implozija), kodolmateriālu satuvinot un saspiežot. Sasniedzot kritisko masu, veidoto neitronu dau- dzums pieaug eksponenciāli, temperatūra var sasniegt mil- joniem grādu, spiediens – miljardiem atmosfēru un atbrīvotā enerģija rada sprādziena triecienvilni. Urāna-235 zemkritiskā stāvoklī bloki Plutonija kodolsParastā sprāgstviela Parastā sprāgstviela Lielgabala tipa kodollādiņš Implozijas tipa kodollādiņš 8.5. attēls. Atombumbas uzbūve un darbības veids: lielgabala tipa atombumba un implozijas tipa bumba 108 RADIOAKTIVITĀTE Atombumbu izveidē svarīgi ir nodrošināt, lai kodolmateriāla masa iespējami pilnīgi tiek iesaistīta kodolšķelšanās reakcijā, pirms sprādziena spēks to izkliedē. 50 g urāna-235 šķelšanās atbrīvo 1 kT enerģijas. No Hirosimā izmantotās bumbas kopumā 64 kg urāna sprādziena efektu nodrošināja tikai 650 g urāna kodolu šķelšanās, bet atlikusī masa tika izkliedēta un radīja vides piesārņojumu. Atom- bumbu jaudu ierobežo izmantotā kodolmateriāla daudzums, kas nedrīkst pārsniegt kritisko masu, un līdz ar to atombumbu jaudas robeža tiek vērtēta kā 500 kT TNT ekvivalenta. Mūsdienās atombumbu izgatavošanā izmanto materiālus, kas nodrošina neitronu atstarošanu, kad kodolreakcija ir sākusies. Šim nolūkam izmanto urāna-238 vai berilija slāni ap kodolmateriālu, kas neitronus atstaro atpakaļ kodolmateriāla virzienā, kā arī nodrošina to, ka kodolmateriāls ilgāk paliek kompaktāks, sasniedz augstāku temperatūru un līdz ar to ļauj paaugstināt tā paša kodolmateriāla izmantošanas efektivitāti par 20% un vairāk. Atombumbas sprādziena norise laikā ir no sekundes daļām līdz dažām minūtēm: 1) kodolmateriāla ķēdes reakcija (0–10–6 sek.); 2) ugunslodes un sprādziena viļņa veidošanās (10–6–0,1 sek.); 3) triecienviļņa izplatīšanās, ugunslodes atdzišana (0,1–10 sek.); 4) atomsēnes izveidošanās (sek.–min.) (8.6. attēls); 5) gaisā paceltā materiāla izkliede, izkrišana (min.–mēn.). Atombumbu un kodolieroču iedarbībai ir vairāki postoši faktori: 1. Gaismas un siltuma starojums. Gaismas starojumu nodrošina kodolsprādzienā izveidotā augstā temperatūra (60–100 milj. grādu), gaisu veidojošā viela, kodollādiņa materiāls, bet, ja sprādziens notiek tuvu zemei, tad iztvaicētā zemes virskārtu veidojošā viela. Gaismas starojums veido ugunīgu lodi (puslodi). 8.6. attēls. Pirmās atombumbas izmēģinājums (koda nosaukums Trinity) – 16 milisekundes pēc sprādziena . Kolsprādziena pacelto putekļu augstums ir 200 m 8. Kodolieroči 109 Gaismas un siltuma starojumā pārvēršas aptuveni trešā daļa no sprādziena enerģijas, un tas izplatās ar gaismas ātrumu kā elektromagnētiskais starojums. Vienlaikus gaismas un siltuma starojuma iedarbība var samazināties atkarībā no putekļu dau- dzuma nokrišņu laikā. Gaismas starojums var radīt aklumu, ādas apdegumus, bet ievērojami bīstamāks ir siltuma starojuma efekts, kas rada uzliesmojošo priekšmetu un materiālu uzlies- mojumu (8.7. attēls). Atkarībā no kodolsprādziena augstuma no zemes, zem tā centra gandrīz jebkura viela iztvaiko. 2. Elektromagnētiskais impulss. Kodolsprādzienā veidotais rent- genstarojums un γ starojums, mijiedarbojoties ar gaisu veidojo- šajiem atomiem un molekulām, rada spēcīgu elektromagnētisko lauku (Komptona efekts). Kodolsprādzienā veidotais elektromag- nētiskais impulss ilgst sekundes daļas, bet, ņemot vērā tā jaudu, tas inducē elektrisko strāvu un spriegumu elektropārvades sis- tēmā, kabeļos, antenās. Elektromagnētiskais impulss izplatās lielos attālumos un var radīt bojājumus vai iznīcināt elektriskās iekārtas, radīt traumas cilvēkiem, kas to izmanto. 3. Caurspiedīgā radiācija. Kodolieroči sprādziena laikā veido jonizējošo starojumu. Jonizējošais starojums izdalās gan paša kodolsprādziena laikā, gan mijiedarbojoties ar vides komponen- tiem, un to veido: 1) neitronu plūsma, kas veidojas kodolšķelša- nās reakciju laikā; 2) γ starojums, kura avots ir gaisu veidojošo atomu kodolu reakcijas; 3) γ starojums, kura avots ir veidoto nestabilo atomu kodolu sabrukšanas reakcijas. No kopējās sta- rojuma jaudas caurspiedīgās radiācijas veidā izdalās tikai daži procenti kopējās sprādziena jaudas. Kodolsprādziena laikā vei- dojas arī α un β daļiņas, bet, tā kā to kustības distance gaisā ir zema, tās piedalās vides radioaktīvā piesārņojuma veidošanā. Caurspiedīgās radiācijas starojums nav ilgāks par minūti, bet tā lielākā intensitāte ir pirmās 15 sekundes un tā distance atkarībā no ieroča jaudas nepārsniedz 3–5 km no kodolsprādziena centra, turklāt ēkas, patvertnes un citi aizsegi no tā aizsargā. Staro- juma deva, kas ir lielāka par 1 Sv, rada staru slimību, deva virs 6 Sv nozīmē, ka ir niecīgas izdzīvošanas iespējas, bet starojuma devas > 10 Sv rada nāvi dažu dienu līdz nedēļu laikā. 4. Triecienvilnis. Tas veidojas sprādziena momentā, un to veido saspiesta gaisa josla un tai sekojoša izretināta gaisa josla. Trie- cienvilnis izplatās ar virsskaņas ātrumu, savā ceļā iznīcinot ēkas, konstrukcijas, stādījumus. Spiediena amplitūdai sasnie- dzot 350 kPa, tiek iznīcinātas pat izturīgas mūra/betona ēkas (šāda spiediena amplitūda bija, piemēram, Hirosimā nomestās bumbas sprādziena epicentrā), bet, tai sasniedzot 2000 kPa, tiek noslaucīta zemes virsma (piemēram, ūdeņraža bumbas “Cars- bumba” izmēģinājuma laikā). 8.7. attēls. Minerāls trinitīts (nosaukts par godu pirmajam kodolizmēģinājumam ASV), kas izveidojas atombumbas sprādziena rezultātā sakūstot augsnes (smilšu) masai 110 RADIOAKTIVITĀTE 5. Radioaktīvais piesārņojums. Vides radioaktīvo piesārņojumu veido kodoldalīšanās rezultātā veidotie radioaktīvie elementi (primārais piesārņojums) un kodolsprādzienā veidoto elemen- tārdaļiņu plūsmu un γ starojuma mijiedarbība ar gaisu, augsni, ēku veidojošo vielu. Uz zemes veiktie kodolsprādzieni rada tā saukto atomsēni, kuru veido augsnes, iežu materiāls, kas var pacelties līdz stratosfērai un izkliedēties, un tikt pārnests lielos attālumos. Radioaktīvais piesārņojums veidojas gan sprādziena brīdī, gan izkrītot augsnes daļiņām, kas paceltas gaisā ar atom- sēni. Līdz ar to piesārņojuma teritorijas veidošanos ietekmē vēja kustība un radioaktīvo vielu izkrišana ar atmosfēras nokrišņiem. Pārējie kodolieroču iedarbības veidi izpaužas kodolsprādziena laikā, bet radioaktīvais piesārņojums var saglabāties simtiem gadu atkarībā no veidoto izotopu sabrukšanas ātruma. 8.2. Ūdeņraža bumba Vēsture Ūdeņraža bumbas izstrādes pamatā ir koncepcija izmantot ener- ģiju, kas veidojas ūdeņraža atomu reakcijā, kurā vairākās stadijās veidojas hēlija atoma kodols. Šī ir reakcija, kas norisinās uz Saules un lielākās daļas zvaigžņu – to kodolos augstā temperatūrā un spie- dienā. Tomēr, tā kā ūdeņradis ir gāze, bet stabilu spiedienu uz Zemes nodrošināt ir sarežģīti, bumbas izveidei tiek izmantoti citi elementi un darbības principi. Ideju izveidot ūdeņraža bumbu pirmais izteica ASV fiziķis Edvards Tellers jau 1941 gadā. Tomēr kā prioritāte un tehniski vieglāk realizējama ideja tika izvirzīts uzdevums izveidot atom- bumbu, kam Manhetenas projekta īstenošanas laikā tika veltīta galvenā vērība. Arī pēc Otrā pasaules kara noslēguma ASV un citu valstu kodolieroču izstrāde koncentrēja uzmanību uz atombumbu konstruk cijas pilnveidošanu. Pavērsiens notika pēc tam, kad PSRS kļuva par kodollielvalsti un starp PSRS un ASV aukstā kara aps- tākļos sākās kodolbruņošanās sacensība, respektīvi, sacensība par to, kura valsts izstrādās vairāk jaudīgu kodolieroču un to nogādes līdzekļu, plānojot savstarpējus uzbrukumus un kodolkaru. ASV Edvarda Tellera idejas guva atbalstu, un 1950. gadā ASV prezidents Harijs Trumens apstiprināja programmu ūdeņraža bumbas izvei- dei. 1951. gadā tika izstrādāts tā saucamais Tellera–Ulama ūdeņraža bumbas dizains (būtisku ieguldījumu bumbas izstrādē sniedza poļu matemātiķis Staņisavs Ulams), un 1952. gadā Enivetokas atolā tika demonstrētas iespējas izmantot kodoltermiskās sintēzes procesu 8. Kodolieroči 111 sprādzienu radīšanai. Tomēr sprādzienā izmantotās ierīces (nosau- kums Ivy Mike) masa bija 74 tonnas (8.8. attēls) un to kā bumbu lietot nebija iespējams. PSRS jau 1947. gadā (pirms atombumbas izmē- ģinājuma) krievu fiziķis Andrejs Saharovs piedāvāja risinājumus ūdeņraža bumbas izveidei, tā tika izmēģināta 1953. gadā. Gan PSRS, gan ASV turpināja pilnveidot tehniskos risinājumus un iespējas palielināt bumbas jaudu nākamajos izmēģinājumos. Vienlaikus tika pilnveidoti kodolieroču nogādes risinājumi, attīstot tā saucamo kodolieroču nogādes triādi: stratēģiski bumbvedēji, ballistiskās raķe- tes, zemūdenes. Ūdeņraža bumbas uzbūve un darbība Ūdeņraža bumbas darbību (sprādzienu) nodrošina divu ūdeņraža izotopu – tritija un deitērija – reakcija, kuras rezultātā izdalās enerģija (17,60 MeV) un neitrons. Tritijs un deitērijs ir gāzes, kas ierobežo to izmantošanu bumbā. 3 1H + 21H → 42He + 10n Ūdeņraža bumbā tritija avots ir litijs-6, kuram reaģējot ar neitronu veidojas hēlija atoma kodols, tritijs un izdalās enerģija (4,78 MeV). 6 3Li + 10n → 42He + 31H Cita nozīmīga šādas reakciju secības izmantošana ir tā, ka par izejmateriālu kodoltermiskās sintēzes reakcijai iespējams izmantot cietu vielu – litija deiterīdu (LiD). Galvenā problēma ūdeņraža bumbas izveidei ir sasniegt tempe- ratūru un spiedienu, kuros reakcija uzsākas, un tie tiek sasniegti, izmantojot atombumbas sprādzienu kā detonatoru. Andrejs Saha- rovs PSRS izstrādāja ūdeņraža bumbas koncepciju “kārtainība, 8.8. attēls. Pirmās ASV ūdeņraža bumbas izmēģinājuma sprādziens 1952 . gadā 112 RADIOAKTIVITĀTE slāņainība” (kr. val. слойка), kurā izmantotie materiāli ir izvietoti vairākos slāņos, bet mūsdienās vairāk lieto tā saukto Tellera–Ulama bumbas dizainu (8.9. attēls). Bumbas galvenais elements ir implozijas tipa plutonija bumba, kuras sprādziens izraisa plutonija “detonatora” sprādzienu, kas savukārt 1 2 3 4 5 Izejas stāvoklis Konvencionālā sprāgstviela saspiež plutonija puslodes, līdz tās sasniedz kritisko masu: sākas kodolreakcija Plutonija kodošķelšanās rezultātā veidotais γ starojums uzkarsē polistirola putas līdz plazmas stāvoklim Plazma saspiež ūdeņraža bumbas kodolu, un tās centrā esošais plutonija stienis uzsāk kodoldalīšanās reakciju Sakarsētajā un saspiestajā litija deiterīdā sākas kodoltermiskās sintēzes pirmā stadija – litijs pārvēršanas par tritiju un sākas otrā stadija – deitērija reakcija ar tritiju. Neitronu plūsmas rezultātā sākas urāna-238 apvalka kodoldalīšanās: izveidojas ugunslode8.10. attēls. Ūdeņraža bumbas darbības shēma sprāgstviela, kas nodrošina implozijas sprādzienu urāna-238 apvalks ar berilija neitronu reektoru vakuums plutonija vai urāna puslodes, kuru centrā ir tritijs polistirola putu pildījums urāna apvalks litija-6 deiterīds plutonija kodols apvalks, kas reektē γ starojumu Implozijas tipa atombumba Ūdeņraža bumba8.9. attēls. Ūdeņraža bumbas izveides koncepcija: Tellera–Ulama dizains 8. Kodolieroči 113 rada apstākļus kodoltermiskās sintēzes reakcijas uzsākšanai. Būtiska loma bumbas konstrukcijā ir tās apvalkam, kuru veido vai nu urāns, vai svins, kas nodrošina neitronu atstarošanu un sekmē kodolreakcijai nepieciešamo apstākļu (neitronu plūsmas) sasniegšanu (8.10. attēls). Atombumbu jaudas maksimumu nosaka izmantotā kodolma- teriāla kritiskā masa, bet ūdeņraža bumbai jaudas ierobežojumi nepastāv. Kaut arī kodoltermiskajā sintēzē neveidojas ātri sabrū- koši radioaktīvie elementi, ūdeņraža bumbas rada ievērojamu vides radioaktīvo piesārņojumu. Vides radioaktīvo piesārņojumu ūdeņraža bumbu izmantošanas gadījumā nosaka gan kodolmateriāli, kas tiek izmantoti kodoltermiskās sintēzes reakcijas “aizdedzināšanai”, – plu- tonija un urāna kodolšķelšanās produkti, reflektori, kas nodrošina nepieciešamās temperatūras sasniegšanu reakcijas uzsākšanai, gan reakcijā veidoto neitronu mijiedarbība ar vielām, kas veido apkārtējo vidi, piemēram, augsni. 8.3. Neitronu bumba Neitronu bumba (pastiprinātā starojuma bumba) ir kodolter- miskā bumba, kuras konstrukcija paredz sprādziena jaudas sama- zināšanu un neitronu plūsmas palielināšanu. Lai sekmētu neit- ronu izdalīšanos sprādziena rezultātā, neitronu bumbas apvalku veido materiāli, kas neitronu plūsmu neaiztur vai pat piedalās tās veidošanā. Bez tam neitronu enerģija, kas rodas neitronu bum- bas sprādziena rezultātā, ir ievērojami augstāka (~ 14 MeV) nekā tā, kas veidojas atombumbā (1–2 MeV). Neitronu bumbas izveides ideju izvirzīja Semjuels Koens (Samuel Theodore Cohen) 1958. gadā, 8.11. attēls. ASV armijas haubices M110, kurās par munīciju izmantojama neitronu bumba W79 114 RADIOAKTIVITĀTE piedāvājot to kā līdzekli, kas apturētu PSRS bruņutanku vienības gadījumā, ja tās iebruktu Rietumeiropā (8.11. attēls). Bumba tika izmēģināta 1962. gadā, bet to ražošana uzsākta 1964. gadā un tur- pinājās līdz 1992. gadam, kad, sākoties atbruņošanās procesam, tās tika demontētas. Pēdējā neitronu bumba tika demontēta 1996. gadā. Neitronu bumbu ražošanas tehnoloģija ir zināma PSRS (Krievijai), ASV, Francijai, Ķīnai, Pakistānai un Indijai. Atombumbās, ūdeņraža bumbās caurspiedīgā radiācija veido līdz 5% no bumbas jaudas, bet neitronu bumbā 30–45% sprādziena enerģijas veido caurspiedīgā radiācija neitronu plūsmas veidā. Attie- cīgi sprādziena enerģija, kas rada triecienvilni, ir samazināta līdz pat 20%. Tātad šī kodolieroču veida lietošanas mērķis ir nodrošināt pretinieku dzīvā spēka iznīcināšanu, vienlaikus saudzējot ēkas, īpa- šumus. Tā kā neitronu plūsma gaisā zaudē savu enerģiju, tad neit- ronu bumbu jaudas ir ievērojami zemākas nekā, piemēram, ūdeņraža bumbām, un tās var izmantot par taktiskiem ieročiem. Vienlaikus neitronu bumbas bija plānots izmantot par pretra- ķešu ieroci tā sauktajā zvaigžņu kara programmā, jo to veidotā neitronu plūsma var izraisīt kodoldalīšanās reakciju raķetes kodol- galviņā. Neitronu plūsma var izraisīt tā saucamo neitronu aktivāciju, kuras rezultātā materiāli kļūst radioaktīvi, un līdz ar to ierobežot pretinieka kustību sprādziena skartajā teritorijā. 8.4. Kobalta bumba Kobalta bumba ir kodolierīce, kuras lietošanas mērķis ir radīt intensīvu radioaktīvu piesārņojumu tās izmantošanas vietā un padarīt teritoriju par neapdzīvojamu un neizmantojamu. Kobalta bumbas izveides koncepciju piedāvāja Leo Silārds 1950. gadā, tomēr tā bija nevis ieroča izveides ideja, bet gan pierādījums tam, ka kodol- ieroču attīstība var radīt pastardienu. Kobalta bumba ir ūdeņraža bumba, kuras apvalku veido kobalts (59Co). 59 27Co + n → 6027Co →6028Ni + e– + γ Notiekot ūdeņraža bumbas sprādzienam, veidojas neitronu plūsma, kas kobaltu pārvērš par radioaktīvu izotopu – kobaltu-60, kas savukārt sprādziena laikā iztvaiko, bet pēc tam putekļu veidā izkrīt uz zemes, radot radioaktīvu piesārņojumu. Kobalta-60 pus- sabrukšanas laiks ir 5,27 gadi, un tas pārvēršas par 60Ni, izdalot γ starojumu ar augstu enerģiju. Intensīvais γ starojums piesārņotajā teritorijā padarītu uzturēšanos tajā un tās izmantošanu par neie- spējamu uz ilgu laiku. Kaut arī neviena kodolvalsts nav atzinusi, ka tās rīcībā būtu šāda veida kodolieroči, to izveides iespējas ir pētītas. 8. Kodolieroči 115 8.5. Kodolieroču izmantošana un izmēģinājumi Kodolieroči kaujas apstākļos izmantoti tikai 2 reizes: 1945. gadā bombardējot Japānas pilsētas Hirosimu un Nagasaki. Kā pirmā vieta bombardēšanai tika izvēlēta Hirosima, izmantojot urāna-235 bumbu (koda nosaukums Little Boy). Bumba tika nomesta no 9 km augstuma, un tā sprāga 576 m virs zemes. Bumbas jauda atbilda 13–18 kt TNT. Cilvēki, kas atradās zem sprādziena epicentra, gāja bojā momentāni vai pārogļojās (8.12. attēls). Gaisā lidojošie putni sadega gaisā, bet degoši priekšmeti uzliesmoja līdz 2 km attālumā no epicentra. Cietušo atmiņās iespiedies apžilbinošs gaismas uzlies- mojums, kam seko dedzinoša karstuma vilnis. Dažu minūšu laikā līdz 90% cilvēku, kuri atradās 800 m attālumā no epicentra, gāja bojā, bet sprādziena viļņa iedarbība sniedzās līdz 19  km no epi- centra. Jau dažu dienu laikā tiem, kas bija izdzīvojuši, sākās staru slimības simptomi, kurus mediķi tajā laikā neatpazina, uzskatot, ka cietušie saslimuši ar dizentēriju, un nezināja, kā ar slimības izpausmēm cīnīties. Mirstība akūtas staru slimības rezultātā mak- simumu sasniedza 3–4 nedēļas pēc sprādziena un sāka mazināties tikai pēc 7–8 nedēļām. Tiek vērtēts, ka sprādziena rezultātā gāja bojā 70 000–80 000 cilvēku, bet kopējais bojā gājušo skaits 5 gadu laikā staru slimības rezultātā bijis ~ 200 000 cilvēku. Līdzīgas sekas radīja Nagasaki bombardēšana. Kodolieroču izstrādes laikā informācija un priekšstati par to darbību, iespējām izveidot tos par lietojamiem ieročiem un daudzi citi jautājumi nebija zināmi. Piemēram, urāna-235 un plutonija-239 kritiskā masa tika noteikta eksperimentāli, tuvinot vienu otrai metālu puslodes, turklāt eksperimentatoru kļūdu dēļ šajos izmēģi- nājumos gāja bojā pētnieki. Liela nozīme bija kodolieroču empīriskai izpētei – izmēģinājuma sprādzieniem. Kopā kodolvalstis līdz šim veikušas vairāk nekā 2000 kodolsprādzienu izmēģinājumu, kuri ir radījuši būtisku vides piesārņojumu. Kodolieroču izmēģinājumus var iedalīt atkarībā no vides, kurā tie tiek veikti (8.13. attēls): 1. Kodolizmēģinājumi atmosfērā. Šādā veidā tika pārbaudītas pir- mās atombumbas, tās izvietojot uz estakādēm, bet sprādzieni atmosfērā veikti, arī nometot lādiņus no lidmašīnām, izvieto- jot uz salām (Francijas kodolizmēģinājumi) vai arī pārbaudot ar kodolgalviņām apbruņotas raķetes. Izmēģinājumi atmosfērā rada lielāko vides piesārņojumu, jo, atkarībā no sprādziena augstuma, gaisā tiek pacelta liela masa, kas veido augsni un kas, sajaucoties ar kodolskaldīšanas produktiem un neizreaģējošo skaldmateriālu, tiek radioaktīvi piesārņota, bet izkrītot piesārņo lielas teritorijas. 8.12. attēls. Ēna, kuru atstājis cilvēks, kas sprādziena momentā bija stāvējis pie bankas Hirosimā 116 RADIOAKTIVITĀTE 2. Kodolizmēģinājumi pazemē. Lielākā daļa izmēģinājuma kodol- sprādzienu veikti pazemē dažādos dziļumos. Pazemes kodolizmē- ģinājumiem teorētiski nevajadzētu būt vides piesārņojuma avotam, tomēr daudzos gadījumos kodolsprādziena produkti ir izlauzušies līdz virszemei, radot vides radioaktīvo piesārņojumu. Kodoliz- mēģinājumi pazemē rada seismisku triecienu, un, atkarībā no sprādziena jaudas, var veidoties zemes virsmas iekritumi. Kodoliz- mēģinājumi pazemē ir īpaši bīstami seismiski nestabilās zonās. 3. Kodolizmēģinājumi kosmosā ir veikti gan atmosfēras augšējos slāņos, gan uz kosmiskās telpas robežas, piemēram, izstrādājot elektromagnētiskā impulsa ieročus vai jauna veida ieročus pret ballistiskajām raķetēm. 4. Zemūdens kodolizmēģinājumi ir veikti, lai izstrādātu kodolie- ročus, kas izmantojami zemūdeņu iznīcināšanai, kodoldziļbum- bas, torpēdas ar kodolgalviņām, kā arī lai radītu sprādzienus, kuru mērķis ir izraisīt cunami vilni. Kodolizmēģinājumi to izstrādes sākumā bija nepieciešami to uzbūves un darbības pilnveidošanai, jaunu kodolieroču izstrādei, tomēr primārais kodolizmēģinājumu mērķis daudzos gadījumos bija demonstrēt konkrētās valsts piederību tā sauktajam kodolvalstu klubam un sasniegt politiskos mērķus. Tieši šie faktori liek, piemē- ram, Ziemeļkorejai turpināt kodolizmēģinājumus, un tā ir vienīgā valsts, kas to dara 21. gadsimtā. Cits būtisks faktors, kas lika veikt kodolieroču izmēģinājumus, bija pētīt to iedarbību, tajā skaitā uz dzīviem objektiem, un izstrādāt kodolkara taktiku. 1 2 3 4 8.13. attēls. Galvenie kodolieroču izmēģinājuma veidi: 1– atmosfērā; 2 – pazemē; 3 – kosmosā; 4 – zem ūdens 8. Kodolieroči 117 Piemērs šādiem izmēģinājumiem ir 1954.  gadā PSRS veiktie karaspēka manevri, kuru mērķis bija pārbaudīt iespējas pārva- rēt pretinieka aizsardzību, izmantojot kodolieročus. Operācijas kodētais nosaukums bija “Sniedziņš” (kr. val. cнежок), un tajā bija iesaistīti ~ 50 000 karavīru. Lidmašīnām tika dots uzdevums šķēr- sot atomsēni, bet stundas laikā pēc 40 kT TNT bumbas sprādziena karavīriem bija uzdevums šķērsot radioaktīvi piesārņoto zonu. Ne karavīri, ne vietējie iedzīvotāji par radiācijas bīstamību un nepie- ciešamiem aizsardzības pasākumiem informēti netika, daudzi no tiem, kuri piedalījās izmēģinājumos, jau tūlīt cieta no atombumbas sprādziena sekām (apdegumi, staru slimība). To vidū, kuri piedalī- jās šajos manevros, tika novērota paaugstināta saslimstība ar vēzi, hromosomu mutācijas un cita veida radioaktīvā piesārņojuma sekas. Šādi paši izmēģinājumi tika veikti arī ASV (8.14. attēls). Jaudīgākais kodolizmēģinājums bija PSRS izstrādātas ūdeņ- raža bumbas (koda nosaukums AN602, bet to vairāk pazīst ar nosaukumu “Cars-bumba”) izmēģinājums poligonā Novaja Zemļa arhipelāgā. Bumba bija izstrādāta aktīva aukstā kara fāzē, kad ASV piederēja līderpozīcijas kodoltehnoloģiju attīstībā, un tāpēc PSRS vadība izvirzīja uzdevumu demonstrēt ja ne pārākumu, tad vismaz spējas veikt iznīcinošu kodoluzbrukumu. Bumbas izstrāde sākās 1956. gadā, un tās plānotā jauda bija 100 Mt, ko bija paredzēts nodro- šināt, kombinējot atombumbas sprādzienu, kas “aizdedzinātu” ūdeņ- raža bumbu, bet sprādziena efektu pastiprinātu urāna-238 apvalks, kas nodrošinātu vēl 50 Mt sprādziena jaudas. Tomēr pēc Andreja 8.14. attēls. Kodolizmēģinājumi ASV 1951 . gadā (Nevada, operācija Buster, atombumbas jauda 21 kT) . Karavīri, kuri piedalījās šajā kodolizmēģinājumā, atradās 9,7 km no sprādziena epicentra 118 RADIOAKTIVITĀTE Saharova ierosinājumu no bumbas urāna-238 apvalka atteicās, lai mazinātu veidoto radioaktīvo piesārņojumu, taču tās jauda ~ 300 reižu pārsniedza Hirosimā nomestās bumbas jaudu. Bumbas masa bija 27 tonnas, un tās nogādei tika izveidots modificēts lidmašīnas modelis. Sprādziena uzliesmojums bija redzams vairāk nekā 1000 km attālumā, atomsēne pacēlās līdz 67 km augstumam, sprādziena radī- tais triecienvilnis un seismiskais vilnis 3 reizes apriņķoja Zemi, bet pilnīgas iznīcināšanas zona uz zemes ir salīdzināma ar mūsdienu lielpilsētas, piemēram, Parīzes, izmēru. No otras puses, šīs ūdeņ- raža bumbas destruktīvais spēks parādīja tālākas kodolbruņošanās sacensības bezjēdzību (ASV nesāka attīstīt līdzīgas bumbas) un sekmēja kodolieroču izmēģinājumu ierobežošanas un kodolatbru- ņošanās sākšanu. Izmēģinājuma kodolsprādzienu mērķi var būt testēt izstrādā- tos ieročus. Mūsdienās kodollielvalstis izmanto ieroču jaudas un sprādziena efektu datormodelēšanu, bet to izstrādes sākumā tikai izmēģinājumi ļāva pārliecināties par to, ka zinātnieku izstrādātās izveides koncepcijas ir funkcionējošas. Kodolieroču izmēģinājumi ir radījuši būtisku vides piesārņo- jumu ne tikai to izmēģinājumu vietās, bet, pateicoties izkliedei atmosfērā, globāli. No ietekmes uz vidi viedokļa kaitīgākie ir izmēģi- nājumi atmosfērā, kuru rezultātā radioaktīvās daļiņas tiek izkliedē- tas plašā teritorijā. Poligoni, kuros tika veikti kodolizmēģinājumi, ir visvairāk radioaktīvi piesārņotās vietas uz Zemes. Piemēram, Semi- palatinskas poligons (mūsdienās Kazahstānas teritorijā) bija galvenā PSRS kodolieroču izmēģinājuma vieta. Par piesārņojuma apmēriem liecina tas, ka pēc poligona slēgšanas tika veikta sanācija, lai savāktu un utilizētu ~ 200 kg polonija, kas bija izkliedēts poligona teritorijā. Atzīstot kodolizmēģinājumu bīstamību, 1963. gadā tika panākta vienošanās par kodolizmēģinājumu ierobežošanu atmosfērā, ūdenī un uz zemes, bet tomēr kodolizmēģinājumi turpinājās pazemē. 1996.  gadā tika sasniegta vienošanās par vispārēju kodolieroču izmēģinājumu aizliegumu, un līdz ar to pēdējos kodolizmēģinā- jumus PSRS veica 1990. gadā, ASV – 1992. gadā, bet Francija un Ķīna – 1996. gadā. Kodolsprādzieni ir tikuši veikti ne tikai, lai izmēģinātu bum- bas, bet arī lai risinātu inženiertehniskas problēmas. Kā pirmā kodolsprādzienus civilām vajadzībām sāka īstenot ASV 1957. gadā (programma Project Plowshare), bet 1965. gadā līdzīgu programmu (Ядерные взрывы для народного хозяйства) sāka īstenot PSRS. Kodolsprādzienus bija plānots izmantot, lai izveidotu mākslīgas ūdenstilpes, kanālus, piemēram, bija plānots izveidot Panamas kanā- lam paralēlu kanālu, kas šķērsotu Nikaragvas teritoriju un savie- notu Kluso un Atlantijas okeānu, izmantojot kodolsprādzienus. Bija plānots lietot kodolsprādzienus, lai izbūvētu ostas, sekmētu derīgo Lielvaru (ASV un PSRS) vienošanās par kodolizmēģinājumu ierobežošanu un kodolieroču izplatības ierobežošanu joprojām ir piemērs, kā sarunu un sadarbības rezultātā tiek mazināti draudi cilvēcei. 8. Kodolieroči 119 izrakteņu, naftas, gāzes ieguvi un risinātu citas inženiertehniskas problēmas. Piemēram, operācijas Storax laikā, Nevadas tuksnesī uzspridzinot 104 Kt ūdeņraža bumbu, tika pārvietotas 120  milj. tonnu augsnes un izveidots 100 m dziļš krāteris, kura diametrs ir 390 m (8.15. attēls). Tomēr šī kodolsprādziena rezultātā vidē nokļuva liels daudzums radioaktīvā piesārņojuma, kuru veidoja jods-131, kā arī citi ātri sabrūkoši izotopi, bet kopējais piesārņojums bija 880 000 kirī (Ci). Veidotā vides piesārņojuma risks izrādījās pārāk būtisks, un ASV tika veikti 48 kodolsprādzieni civilām vajadzībām pirms to aizlieguma. Apjomīgāku šāda veida programmu izvērsa PSRS, veicot kodol- sprādzienus ne tikai poligonu teritorijā, bet arī, piemēram, uz Ukrai- nas zemes. Veikto izmēģinājumu piemērs ir Čagana ezers (kr. val. Чаган, sauc arī par Atomezeru), kurš atrodas mūsdienu Kazahstānā un kurš izveidojās, uzspridzinot 140 Kt ūdeņraža bumbu (8.16. attēls). Ezera tilpums ir 17–20 miljoni m3, un to bija plānots izmantot iri- gācijai un kā ūdens tilpni lopkopības vajadzībām. Vienlaikus ezerā tika veikti bioloģiski pētījumi par to, kā radioaktīvais starojums ietekmē dzīvos organismus: ezerā tika ielaistas vairākas zivju sugas, tajā skaitā Amazonē dzīvojošās piraijas. Introducētajām sugām tika novērotas būtiskas mutācijas. Mūsdienās Atomezers ir viena no piesārņotām vietām Kazahstānā. Padomju Savienībā 1965.–1988. gadā tautsaimniecības vajadzī- bām tika īstenoti 124 kodolsprādzieni, kuri praktiski visos gadīju- mos radīja vides piesārņojumu. Mūsdienās par iespējamu tiek uzskatīta tādu kodolieroču izmantošana, kuri ir izvietoti uz raķetēm. Tie būtu nepieciešami, 8.15. attēls. Kodolsprādziena rezultātā izveidots krāteris (Sedan Crater) 120 RADIOAKTIVITĀTE lai iznīcinātu asteroīdus, kuri varētu apdraudēt Zemi. Kaut arī šāda nepieciešamība var būt aktuāla un, no otras puses, tehniski īsteno- jama, tomēr rīcības, lai šādus draudus novērstu, netiek koordinētas un informācijas par būtiskiem sasniegumiem, lai izveidotu šādus kodolieročus un to nogādes nesējus kosmosā, nav. 8.6. Kodolbruņošanās sacensība un atbruņošanās Kodolieroču izstrāde ir notikusi bruņošanās sacensības laikā vis- pirms starp PSRS un ASV, tad ASV pievienojās Lielbritānija un Fran- cija, bet mūsdienās – starp minētajām valstīm un Krieviju. Vienlaikus Indijas un Pakistānas kodolprogrammās līdzīgi notiek bruņošanās sacensība starp abām šīm valstīm. Kodolieroču izstrādes sākumā ASV bija monopols uz kodolieročiem un cerības, ka PSRS izstrādās tos pēc 1950. gada. Pastāvēja plāni vispirms uzbrukt PSRS, sagraujot tās galvenos rūpniecības centrus. Tika pieļauta iespēja kodoliero- čus izmantot Korejas kara laikā. Tomēr pēc padomju atombumbu izveides tās kļuva par uzbrukuma atturēšanas līdzekļiem un gan PSRS, gan ASV ieguldīja milzīgus resursus jaunu ieroču un to nogā- des līdzekļu izstrādē. Mūsdienās kodolieroči vispirms ir uzbrukuma atturēšanas instruments, proti, drauds, ka uzbrukuma gadījumā (pir- mais trieciens) uzbrucējs saņems prettriecienu, kas būs iznīcinošs. Pēc informācijas, kas pieejama par ASV un PSRS/Krievijas kodolie- roču izmantošanas plāniem, pirmā trieciena mērķis ir kodolieroču izvietojuma vietas, bruņoto spēku vadības centri, bet arī lielākās 8.16. attēls. Čagana ezers Kazahstānā, kas izveidots kodolsprādziena rezultātā 8. Kodolieroči 121 pilsētas, rūpniecības centri, kritiskā infrastruktūra, piemēram, hid- roelektrostacijas, atomspēkstacijas. Otrā trieciena mērķi pirmkārt ir apdzīvotas vietas. Līdz ar to kodolieroču lietojums novestu pie savstarpējas garantētas iznīcināšanas – pilsētu, lielākās iedzīvotāju daļas, rūpniecības iznīcināšanas – un pie teritorijas radioaktīvā pie- sārņojuma, kas ierobežotu zemes izmantošanu pārtikas ražošanai. Stratēģiskie bumbvedēji aukstā kara sākumā bija galvenais kodolieroču nogādes līdzeklis, bet, kad PSRS, palaižot pirmo Zemes māk slīgo pavadoni, nodemonstrēja, ka tās rīcībā ir ieroči, kas spēja sasniegt ASV teritoriju, sākās īstā bruņošanās sacensība. Līdzās starpkontinentālajām ballistiskajām raķetēm tika attīstītas tuvas un vidējas darbības raķetes un zemūdenes (parasti ar kodoldzinējiem), kuras bija bruņotas ar raķetēm. Tika attīstītas raķetes, kuras nesa vairākas kodolgalviņas (bumbas), katru no tām varēja novirzīt uz savu mērķi. Pasaule vairākas reizes ir bijusi soļa attālumā no kodolkara sākšanas, un viens no piemēriem šādām situācijām ir Kubas krīze 1962. gadā (8.17. attēls). 1959. gadā Kubā pie varas nāca Fidela Kastro vadīts komunistu režīms, kuram PSRS sniedza vispusēju, arī mili- tāru, atbalstu. Pēc slepenas vienošanās starp Kubas režīmu un PSRS vadību tika izstrādāts plāns Kubā izvietot kodolraķetes, kuras spētu sasniegt ASV būtiskākos objektus dažu minūšu laikā. 1962. gada 14. oktobrī ASV analītiķi, izmantojot aerofoto uzņēmumus, atklāja kodolraķešu izvietošanas vietas Kubā. Kā reakcija uz to bija ASV prezidenta Džona Kenedija rīkojums sākt Kubas blokādi un izslu- dināt kaujas gatavību, pieļaujot arī kodoltriecienu Kubai un PSRS. Notika intensīvas sarunas starp abu valstu valdībām, un 1962. gada 28. oktobrī tika panākta vienošanās, ka PSRS atvilks savas raķetes no Kubas, bet ASV – no militārām bāzēm Turcijas teritorijā. 8.17. attēls. Vairāk nekā 100 ar kodolgalviņām bruņotas ASV raķetes tika izvietotas Itālijā un Turcijā pirms Kubas krīzes 122 RADIOAKTIVITĀTE Kodolieroči regulāri ir bijuši dažādu negadījumu objekts. Lidma- šīnas, kuras aukstā kara laikā veica regulārus patrulēšanas lidojumus, nesot kodolieročus, ir gan avarējušas, gan pazaudējušas ieročus, un katrs no šiem incidentiem varēja beigties ar kodolsprādzienu, bet diezgan tipiski šādu negadījumu rezultātā izveidojās teritorijas radioaktīvais piesārņojums. Piemēram, 1968. gadā ASV stratēģis- kais bumbvedējs B-52, kas patrulēja gar PSRS ziemeļu robežām ar 4 ūdeņraža bumbām uz borta, avarēja, nosēžoties Tules karabāzē Grenlandē (Dānija). Lidmašīna uzliesmoja, notika ūdeņraža bumbu sastāvā esošo konvencionālo sprāgstvielu sprādziens, un radioaktī- vais materiāls tika izkliedēts plašā teritorijā. Pēc avārijas ASV savāca piesārņoto sniegu un izkliedēto kodolmateriālu, bet, tā kā Dānija nebija piekritusi kodolieroču izvietošanai tās teritorijā, šis gadījums radīja plašu rezonansi. Arī uz zemūdenēm, kuras bija bruņotas ar kodolieročiem, ir notikušas avārijas, kuru rezultātā joprojām okeānos glabājas nogrimušas bumbas, turklāt risku pastiprina kodolzemūde- nes dzinējos izmantotais materiāls un tā radītais piesārņojums. Arī kodoluzbrukumu novērošanas sistēmas, kuru mērķis ir kon- statēt, vai valstij tuvojas pretinieka raķetes, ir bijušas daudzu kļūdu un negadījumu objekts. Piemēram, 1983. gada 26. septembrī PSRS apakšpulkvedis Staņislavs Petrovs dežurēja agrīnās brīdināšanas sta- cijā, kuras mērķis bija noteikt, vai PSRS teritorijai tuvojas ienaidnieka raķetes. Pēc pusnakts S. Petrovs pamanīja vienu un pēc tam vēl četrus signālus, kas atbilda ballistiskās raķetes lidojumam, kurš nozīmētu kodoluzbrukumu PSRS. Pēc instrukcijas par konstatēto situāciju bija jāinformē PSRS vadība un jāsniedz atļauja prettriecienam. Tomēr, uzskatot, ka radars jau iepriekš bija sniedzis kļūdainus signālus un uzbrukums no ASV nozīmētu simtiem kodolraķešu uzbrukumu, S. Petrovs signālu ignorēja, līdz ar to novēršot kodolkaru. Kodolbruņošanās sacensības kulminācijā PSRS un ASV rīcībā bija vairāk nekā 60 000 kodolbumbu, kuru sprādziena jauda ļautu vairākkārt iznīcināt visu dzīvo uz Zemes (8.18. attēls). Pašlaik (2022) Ko do lg al vi ņu s ka its 45,000 40,000 35,000 30,000 25,000 20,000 15,000 10,000 5,000 0 1950 1960 20001970 1980 1990 2010 Gads PSRS/Krievija ASV 8.18. attēls. ASV un PSRS/Krievijas rīcībā esošo kodolieroču skaita mainība (1945–2014) 8. Kodolieroči 123 Krievijas rīcībā ir 5977 kodolbumbas, ASV – 5428, Lielbritānijas – 225, Francijas – 290, bet Ķīnas – 350 kodolbumbu, turklāt ir dekla- rēti Ķīnas plāni kodolbumbu skaitu palielināt līdz 1000. Indijas un Pakistānas rīcībā ir ap 160 kodolbumbu. Tiek vērtēts, ka Ziemeļ- korejas rīcībā varētu būt ~ 20 kaujas galviņu. Pēc PSRS sabrukuma kodolieroči atradās Baltkrievijas, Kazahstānas un Ukrainas rīcībā, bet šīs valstis tos nodeva Krievijai, pretī saņemot garantijas par savas valsts teritorijas aizsardzības garantēšanu. Ukrainas gadījumā Buda- peštas memorands noteica, ka ASV, Lielbritānija, Krievija garantē tās teritorijas integritāti, ko Krievija 2014. gadā pārkāpa, okupējot Krimu un daļu Ukrainas teritorijas. Tiek uzskatīts, ka Izraēlas rīcībā ir 75–200 kodolbumbu, kaut arī Izraēla nekad nav apliecinājusi to esamību un arī nav veikusi kodolieroču izmēģinājumus. Daudzie riski, kas saistījās ar kodolieroču izmantošanu, vides pie- sārņojums un dramatiskās sekas, kādas radītu kodolkarš, pasaules sabiedrībā jau pēc Japānas kodolbombardēšanas radīja atbruņošanās kustības un negatīvu attieksmi pret kodolieročiem. Modelēšanas rezultāti parādīja vēl vienu katastrofālu kodolkara rezultātu, pat tikai daļēji uzspridzinot PSRS un ASV rīcībā esošos kodolieročus, – milzīga putekļu daudzuma pacelšanās atmosfērā, kuras rezultātā būtiski paze- minātos temperatūra uz Zemes, – iestātos kodolziema. Tātad kodol- ieroču lietojums apdraudētu ne tikai karojošās valstis, bet visu cilvēci. Jau ar pirmo kodolieroču izstrādi sākās kustības par kodolieroču izplatības ierobežošanu, lai nepieļautu jaunu ieroču un to nesēju izstrādi un ierobežotu arsenālus (8.19. attēls). Būtiski, ka daudzos gadījumos iniciatīvu autori bija zinātnieki, ņemot vērā informē- tību par šo ieroču radītajiem draudiem, kā arī saprotot atbildību par izmantošanas sekām 8.20. attēls). Tomēr daudzie negadījumi ar 8.20. attēls. Miera simbols, kuru 1958 . gadā izstrādāja Džeralds Holtoms un kurš ir kodolatbruņošanās kampaņas simbols 8.19. attēls. Protesta demonstrācija 1983 . gadā Hāgā (Nīderlande) pret ASV vidējas darbības ar kodolgalviņām bruņoto raķešu Pershing II izvietošanu Eiropā 124 RADIOAKTIVITĀTE kodolieročiem, resursi, kas tika patērēti to ražošanai, un informāci- jas izplatība par kodolkara riskiem vispirms Rietumeiropā un ASV radīja plašu protesta kustību par kodolatbruņošanos. Piemēram, 1982.  gada 12. jūnijā ASV, Ņujorkā, notikušā demonstrācijā pret kodolieročiem, pieprasot izbeigt bruņošanās sacensību, piedalījās vairāk nekā miljons cilvēku. No otras puses, kodolieroču un to nesēju ražošana prasīja milzī- gus resursus un īpaši tehnoloģiski atpalikušajā PSRS 80. gadu beigās kritiski ietekmēja tautsaimniecības spējas nodrošināt iedzīvotāju prasības. Pirmā vienošanās, kuras mērķis bija mazināt kodolizmēģinā- jumu ietekmi uz vidi, bija vienošanās starp ASV un PSRS par kodol- ieroču izmēģinājumu ierobežošanu, kas tika panākta 1963. gadā. 1968. gadā tika panākta vienošanās par kodolieroču neizplatīšanu, 1972. gadā tika parakstīts līgums starp PSRS un ASV par starpkon- tinentālo ballistisko raķešu skaita samazināšanu. Tomēr reāls un bezprecedenta progress kodolatbruņošanās jomā tika sasniegts, pateicoties PSRS prezidenta Mihaila Gorbačova iniciatīvām, kuru rezultātā PSRS un ASV apņēmās samazināt vidējas darbības un stratēģisko kodolieroču skaitu, turklāt to uzkrājumus iznīcināt un sekmēt kodolieroču ražošanas un izmēģinājumu rezultātā piesārņo- tās vides atjaunošanu (8.21. attēls). Kodolatbruņošanās gaita izmainījās, sākot ar ASV prezidenta Donalda Trampa vadības laiku, kad vispirms ASV vienpusēji pār- trauca, bet pēc tam arī Krievija pārtraucu dalību vairākos līgumos. Sākot ar 2020. gadu, ASV un Krievijas aizsardzības doktrīnas pieļauj ierobežotu kodolieroču lietojumu arī reģionāla (lokāla) kara gadī- jumā, respektīvi, barjeras kodolieroču lietošanas ierobežošanai ir pazeminājušās. 2022. gadā Krievijas vadība bija pieļāvusi kodolkara iespēju, par kodoluzbrukuma mērķi minot gan Lielbritāniju, gan 8.21. attēls. PSRS Komunistiskās partijas ģenerālsekretārs Mihails Gorbačovs un ASV prezidents Ronalds Reigans 1987 . gadā paraksta vienošanos par vidēja darbības rādiusa kodolieroču (INF treaty) ierobežošanu 8. Kodolieroči 125 arī Ukrainu. Ziemeļkoreja pieļauj iespēju veikt preventīvu kodol- triecienu. Nozīmīgākā attīstība kodolieroču izmantošanas taktikā saistās ar to nesēju (raķešu) attīstību, kuras pārtvert ir ievērojami sarežģītāk vai pat neiespējami, – ar hiperskaņas raķetēm. Tāpat attīstās vidējas darbības raķešu izmantošanas risinājumi – tās var tikt apbruņotas ar kodolgalviņām. Pārējās valstis, kuru rīcībā ir kodolieroči, to skaitu nav samazi- nājušas (kaut arī to rīcībā ir līdz dažiem simtiem kodolbumbu), bet izmaiņas to skaitā ir notikušas, novecojušus kodolbumbu modeļus nomainot ar efektīvākiem modeļiem. 9. Radioaktīvo elementu un radioaktivitātes lietojums 127 9. RADIOAKTĪVO ELEMENTU UN RADIOAKTIVITĀTES LIETOJUMS Mūsdienās radioaktīvie izotopi un jonizējošais starojums atrod lietojumu daudzās tautsaimniecības un sadzīves jomās, ieskaitot plaša patēriņa produktu ražošanu, lauksaimniecību, transportu, vides aizsardzību, medicīnu un daudz citas jomas. Radioaktivitā- tes fenomens tika izmantots jau pirms radioaktivitātes atklāša- nas. Urāna sāļu spēja iekrāsot keramikas emaljas un stiklu, radot luminiscences efektu, bija pazīstama jau Senajā Ķīnā un Romā, bet 19. gadsimtā izmantoja Čehijā un Vācijā iegūtu urāna rūdu stikla iekrāsošanai un unikālā efekta izmantošana attīstījās, plaši ražojot tā saucamo urāna stiklu (9.1. attēls). Radioaktīvi elementi un radioaktivitāte tika lietota jau tūlīt pēc to atklāšanas. Sākumā radioaktivitāti lietoja bez pietiekamas izpratnes par radioaktīvo elementu un to veidotā starojuma iedar- bību un novērtējumu, kā arī bez strādājošo aizsardzības. Viena no pirmajām rādija savienojumu izmantošanas jomām bija tumsā spīdošu pulksteņu ciparnīcu, instrumentu paneļu izgatavošana. Šādu tumsā mirdzošas pulksteņu ciparnīcas efektu nodrošināja 9.1. attēls. Ar urāna sāļu piedevu iekrāsota stikla luminiscence 128 RADIOAKTIVITĀTE apmēram 1 mikrograms rādija. Tomēr daudzas sievietes, kuras bija nodarbinātas ASV Rādija korporācijas darbnīcās, saslima, kā arī bija nāves gadījumi hroniskas staru slimības rezultātā, kuru radīja pilnīgs izpratnes trūkums par radioaktīvā starojuma bīstamību. Kopš 1960. gada rādija un citu radioaktīvo elementu izmantošana luminiscējošās krāsās ir aizliegta. Būtiska radioaktīvo elementu lietošanas joma ir radioaktīvie marķieri (angļu val. radioactive tracers), kas ir ķīmiski savienojumi, kuros vienu vai vairākus elementus aizvieto radioaktīvi izotopi. Līdz ar to, izmantojot radioaktīvā starojuma noteikšanas metodes, iespē- jams izsekot, kas ar pētāmajām vielām notiek dzīvajā organismā, vidē, ražošanas procesā, jo radioaktīvā starojuma un marķiera klāt- būtni var noteikt ar ļoti augstu precizitāti. Radioaktīvos marķierus var izmantot, lai pētītu ķīmisku reakciju norisi, kā arī bioķīmiskos procesus organismā. Par marķieriem izmanto elementu izotopus, kuri dabiski veido dzīvos organismus vai atrodas dabas vidē, pie- mēram, ogleklis-14, tritijs, fosfors-32, slāpeklis-13 un citi. Medicīnā izmanto tehnēciju-99, joda izotopus. Tos nekaitīgos daudzumos ievadot organismā, iespējams pētīt ļaundabīgo audzēju veidoša- nās gaitu un veikt to diagnostiku, respektīvi, noteikt vietu, kurā elements vai to saturošs ķīmisks savienojums (piemēram, pretvēža zāles) uzkrājas. Izmantojot ar oglekli-14 iezīmētu glikozi, iespējams analizēt enerģijas veidošanās procesus organismā, taukskābju vei- došanās procesus. Iezīmētus savienojumus var izmantot, lai diag- nosticētu saslimšanu ar Helicobacter pylori, kas ir bieži sastopama infekcija, kura saistīta ar dažādu gastrointestinālu slimību attīstību. Pastāv arī viedoklis, ka baktērijai varētu būt aizsargājoša loma aler- ģisku un autoimūnu slimību gadījumā. Radioaktīvie marķieri var tikt izmantoti, lai pētītu pazemes ūdeņu sastāvu, plūsmas un faktorus, kas ietekmē to veidošanos. Radioaktīvo marķieru lietošana ļauj novērtēt, piemēram, piesārņo- juma kustību un pazemes ūdeņu pasargātību no piesārņojuma. Par radioaktīviem marķieriem pazemes ūdeņu izpētē tiek izmantoti gan radioaktīvie izotopi, gan stabilie izotopi un to attiecības. Nozīmīga radioaktīvo marķieru lietojumu joma ir dabasgāzes ieguve, izman- tojot iežu drupināšanu (frekingu), lai atbrīvotu tajos ieslēgto gāzi. Frekings – hidrauliskā sašķelšana – ir urbumu stimulēšanas paņē- miens, kas ietver iežu sašķelšanu ar ievadītā šķīduma paaugstinātu spiedienu. Process ietver “skaldīšanas šķīduma” (galvenokārt ūdens, kas satur smiltis vai citas suspendētas palīgvielas) augstspiediena ievadīšanu urbumā, lai radītu plaisas dziļo iežu veidojumos, caur kuriem tiek izvadīta dabasgāze vai nafta. Cēzija-137 izmantošana ļauj novērtēt šīs metodes ietekmi uz gruntsūdeņiem, noteikt opti- mālo dziļumu, kur iespējams gāzi iegūt, un citus tehnoloģiskos parametrus gāzes iegūšanai. Radioaktīvo marķieru izmantošana ir viens no piemēriem, kas demonstrē radioaktīvo elementu izmantošanas nepieciešamību. 9. Radioaktīvo elementu un radioaktivitātes lietojums 129 Attīstās radioaktīvo izotopu un jonizējošā starojuma lietojums lauksaimniecībā un pārtikas ražošanā. Viena no aktuālām problē- mām ir pārtikas bojāšanās, kuru rada baktērijas, raugi, sēnītes un citi mikroorganismi, kuri dabiski atrodas uz pārtikas produktiem. Pārtikas uzglabāšanas ilgumu un līdz ar to tās kvalitāti var uzlabot, to apstarojot ar γ starojumu, kas iznīcina kaitīgos mikroorganismus (sterilizē pārtiku), bet neveido paliekošu radioaktivitāti un novērš nepieciešamību pievienot ķīmiskus konservantus. Apstarošana nodrošina tādu pašu efektu kā sasaldēšana, žāvēšana, tomēr γ sta- rojums neizmaina pārtikas kvalitāti. Vairāk nekā 60 pasaules valstīs likumdošanā paredzētas iespējas izmantot apstarošanu pārtikas pro- duktu sterilizācijai. Klīniski pētījumi ir pierādījuši, ka ar γ starojumu apstarota pārtika ir droša izmantošanai. Apstarošanu ar rentgenstarojumu un γ starojumu var izmantot par kaitīgu insektu apkarošanas metodi. Tā ir kukaiņu sterilizācijas metode (no angļu val. sterile insect technique, SIT) – bioloģiska insektu kontroles metode, kura tiek veikta, dabā palaižot lielu skaitu sterilu kukaiņu (vēlams, tēviņu), kas ir sterilizēti, izmantojot jonizējošo starojumu. Sterilizētie kukaiņi sacenšas ar savvaļā esošiem, lai pāro- tos, bet, tā kā nerodas pēcnācēji, populācija samazinās, savukārt, veicot atkārtotu insektu apkarošanu, – izzūd. Šī metode, atšķirībā no ķīmisku insekticīdu izmantošanas, skar tikai vienu sugu, bet neie- tekmē citas kukaiņu sugas, kuras ir nozīmīgas bioloģiskās daudz- veidības saglabāšanai. Sterilo kukaiņu metode tiek sekmīgi izman- tota jau vairāk nekā 60 gadus Ziemeļamerikā un Centrālamerikā vītņtārpu (9.2. attēls), augļu mušu apkarošanai, bīstamas infekcijas pārnēsātājas – cece mušas (izraisa miega slimību) – apkarošanai, bet nesen efektīvi lietota cilvēkiem bīstamā Zika vīrusa pārneses apkarošanai Brazīlijā (slimību pārnēsā moskīti). Vītņtārpu muša bija pirmais kukainis, kura populācija tika sek- mīgi apkarota Ziemeļamerikā un Centrālamerikā. Šīs mušas kāpuri attīstās cilvēku un siltasiņu dzīvnieku audos un var radīt bīstamus iekaisumus. Jonizējošā starojuma izraisītās mutācijas augos tiek lietotas, lai iegūtu jaunas, produktīvākas kultūraugu šķirnes. Šim mērķim tiek izmantota sēklu, ziedputekšņu apstarošana ar γ starojumu vai neitronu plūsmu. Kombinācijā ar citām metodēm līdz šim izveidotas vairāk nekā 3000 dažādu jaunu varietāšu tādām sugām kā sorgo, kvieši, rīsi, banāni, kafija u. c., turklāt iegūtie augi ir noturīgāki pret sausumu, slimībām. Šāda veida jaunu augu sugu izveides metodes intensīvi attīstās trešās pasaules valstīs, kā arī Ķīnā, Krievijā, Indijā un līdz ar to ir nozīmīgas bada novēršanai un iedzīvotāju nodroši- nāšanai ar kvalitatīvu pārtiku. Jonizējošo starojumu (rentgenstarus, γ starojumu, neitronu plūsmu) plaši izmanto dažādās ražošanas nozarēs materiālu 9.2. attēls. Vītņtārpu muša (Cochliomyia hominivorax) 130 RADIOAKTIVITĀTE 9.3. attēls. Kravas furgona caurskate, izmantojot γ starojumu viendabīguma un īpašību pārbaudei, līdzīgi kā medicīnā veic izmeklējumus, izmantojot rentgenstarus. Radiogrāfija ļauj iegūt informāciju par objektu un materiālu iekšējo formu un uzbūvi. Par starojuma avotiem tiek izmantoti rentgenstari, radioaktīvo izo- topu veidots γ starojums (to iegūst, lietojot irīdiju-192, kobaltu-60, cēziju-137 vai citus izotopus) vai neitronu plūsma. Pēc tam, kad sta- rojums ir šķērsojis pētāmo paraugu, fotoni tiek uztverti, piemēram, fotogrāfiskajā filmā vai detektoros, kas reģistrē starojumu. Tieši tāpat kā rentgenfilmā ir redzami organisma audi, kauli, tā arī γ sta- rojums ļauj saskatīt defektus, dobumus, plaisas monolītā metāla lējumā. Izmantojot digitālus detektorus un starojuma avotam pār- vietojoties ap objektu, pēc iegūto signālu matemātiskas apstrādes iespējams iegūt tā uzbūves trīsdimensiju attēlu, un šo metodi sauc par datortomogrāfiju. Radiogrāfijas lietojums ir kritiski svarīgs izstrādājumiem, kuriem tiek izvirzītas augstas izturības prasības, tāpēc tehnikā radiogrāfiju izmanto metālu lējumu, metinājumu pār- baudē, lai pārbaudītu turbīnu detaļas, virsmas īpašības. Radiogrāfiju, izmantojot γ starojumu, lieto kravu pārbaudē (9.3. attēls). Ņemot vērā radiogrāfijas plašo lietojumu, speciālistiem, kuri to veic, ir izstrādāti drošības pasākumi un instrukcijas, kas novērš vai minimizē iespējamā kaitīgā jonizējošā starojuma ietekmi (9.4. attēls). Aizvien pieaugošs ir kodolenerģijas lietojums ūdens atsāļošanā, kas ir viena no nozīmīgām problēmām karsta klimata reģionos, īpaši ņemot vērā klimata pārmaiņu sekas. Pašlaik puse ūdens atsāļoša- nas jaudu atrodas Tuvajos Austrumos, bet strauji pieaug atsā ļošanas izmantošana Eiropas dienvidos, ASV, Ķīnā. Ūdens atsāļošanai tiek lietotas membrānu tehnoloģijas (reversā osmoze) vai arī ūdens iztvai- cēšana un kondensēšana. Abas tehnoloģiskās pieejas raksturo liels enerģijas patēriņš, kas nepieciešams gan sūkņu darbināšanai, gan ūdens iztvaicēšanai, un būtiskas priekšrocības, salīdzinot ar fosilā kurināmā izmantošanu elektriskās enerģijas ražošanā, ir kodo- lenerģijas izmantošanai, kas nodrošina gan siltumenerģijas, gan elektrības ražošanu. Nenovērtējama ir radioaktīvo elementu, jonizējošā staro- juma izmantošana medicīnā gan pēc apjoma, gan nozīmības. Medicīna (medicīnas nozare radioloģija) nav iedomājama bez 9.4. attēls. Rentgenstaru ģenerators, kuru izmanto nesagraujošajā testēšanā 9. Radioaktīvo elementu un radioaktivitātes lietojums 131 9.5. attēls. Ar pozitronu emisijas tomogrāfiju iegūts summārais galvas smadzeņu skenējums un skenējums pa slāņiem rentgenizmeklējumiem, bet ne mazāk nozīmīga ir radioaktīvo izotopu izmantošana saslimšanas diagnosticēšanā (diagnostiskā radioloģija). Apstarojums ar jonizējošo starojumu tiek lietots tera- pijā (radioterapija), īpaši vēža ārstēšanā, lai vājinātu vai iznīcinātu audzēja šūnas. Tiek vērtēts, ka apmēram 40 milj. procedūru, kurās tiek izmantoti radioaktīvie elementi vai starojums, tiek pasaulē veikti katru gadu, bet pieprasījums pēc medicīnā izmantojamajiem radioizotopiem pieaug vidēji par 5% katru gadu. Izmantojot radio- aktīvos izotopus un detektorus, kas reģistrē γ starojumu, iespējams izprast procesus, kuri notiek pacienta ķermenī noteiktos orgānos, bet, izmantojot tomogrāfiju, var iegūt slimībai pakļautā orgāna tel- pisku attēlu. Piemērs vienai no efektīvākajām mūsdienu diagnosti- kas metodēm ir pozitronu emisijas tomogrāfija/datortomogrāfija, kura ir divu tehnoloģiju apvienojums (9.5. attēls). 132 RADIOAKTIVITĀTE Pozitronu emisijas tomogrāfija balstās uz anihilācijas reakcijā emitēta γ starojumu ceļa reģistrēšanu (9.6. attēls). Šajā metodē tiek izmantota vairāku radioaktīvo izotopu spēja sabrukšanas laikā emi- tēt pozitronu, kurš, veicot audos distanci no 2 līdz 20 mm un sasto- pot savā ceļā elektronu, izraisa anihilācijas reakciju, kuras rezultātā tiek emitēti 2 fotoni ar enerģiju 511 keV, kuri no anihilācijas vietas izplatās 180 ± 0,3–0,5 grādu leņķī. Šādas enerģijas γ kvants spēj iziet caur audiem un speciālā detektorā, kurš ir noregulēts tieši šādas jaudas γ kvantu reģistrācijai, izraisa scintilācijas efektu. Pozitronu emisijas tomogrāfijā izmantotajiem izotopiem ir īss pussabrukšanas periods (no 9,96 minūtēm slāpeklim-13 līdz 109,77 minūtēm fluo- ram-18). Radioaktīvā viela izmeklējuma beigās ir sabrukusi līdz līme- nim, kas nav kaitīgs ne videi, ne apkārtējiem. Viens izmeklējums, izmantojot ar fluoru-18 iezīmētu glikozi, dod ~ 6 mSv apstarojuma dozu, bet kombinācijā ar datortomogrāfiju – 25 mSv dozu. Dažādo radionuklīdu uzkrāšanās koncentrāciju dažādās šūnās nosaka tas, kādās molekulās šie radionuklīdi ir iesaistīti. Minēto ķīmisko savie- nojumu molekulu (ar tajās ieslēgtajiem izotopiem kā marķieriem) uzkrāšanos noteiktās šūnās nosaka šo šūnu vielmaiņas īpatnības un paaugstināta vielmaiņa, kas ir raksturīga audzēja šūnām. Iegūtie pozitronu emisijas un datortomogrāfijas attēli tiek digitāli uzslāņoti cits virs cita, tādējādi iegūstot informāciju par cilvēka orgāniem un izmaiņām tajos. Būtisks radiācijas terapijas lietojums ir dažāda veida ļaundabīgo audzēju ārstēšana, izmantojot augstas enerģijas rentgenstarojumu vai γ starojumu. Augstas enerģijas jonizējošais starojums var iznī- cināt audos lokalizētu audzēju, var to samazināt pirms operāci- jas vai iznīcināt šūnas, kas palikušas pēc operācijas. γ starojuma 9.6. attēls. Pozitronu emisijas un datortomogrāfijas skeneris 9. Radioaktīvo elementu un radioaktivitātes lietojums 133 kūlis (to var iegūt, izmantojot kobalta-60 veidoto starojumu) var tikt izmantots līdzīgi kā ķirurga skalpelis (9.7. attēls), lai iznīcinātu audzēja šūnas. Alfa starojumu emitējošus bismuta-213 vai svina-212 izotopus iespējams izmantot metodē, ko sauc par alfa starojuma terapiju un kas var nodrošināt audzēja metastāžu iznīcināšanu. Radiācijas terapijā var lietot radioaktīvo izotopu ievadīšanu orga- nismā. Ar šādu mērķi var izmantot jodu-131, samāriju-153, fosforu-32 vai citus izotopus. Terapeitisko iedarbību nodrošina gan β staro- juma, gan γ starojuma izmantošana. Slimību izplatīšanās draudu mazināšanā nozīmīga ir ste- rilizācija. Šim nolūkam izmanto γ starojumu, kura avots var būt kobalts-60, cēzijs-137 vai citi izotopi. Sterilizācija ar γ starojumu ir lētāka un efektīvāka, nekā lietojot karsēšanu, un to var izmantot termiski neizturīgiem izstrādājumiem, kā arī audu materiāla, piemē- ram, ādas, pārstādīšanā. Radiācijas sterilizācijas piemērs ir vienreiz izmantojamās šļirces, bet tā ir efektīvi lietojama arī pārsienamā materiāla, cimdu, ķirurģijā izmantojamo instrumentu un daudzu citu instrumentu sterilizēšanā. 9.7. attēls. Ārsti apstrādā audzēju, izmantojot koncentrētu γ starojumu 10. Vides piesārņojums ar radioaktīviem elementiem 135 10. VIDES PIESĀRŅOJUMS AR RADIOAKTĪVIEM ELEMENTIEM Radioaktīvo elementu un jonizējošā starojuma avots vidē var būt gan dabiski procesi (fona radiācija vai dabiskais radioaktīvā starojuma līmenis), gan cilvēka radīts piesārņojums. Fona radiāci- jas līmeni var noteikt vietas ģeogrāfiskais izvietojums, ģeoloģiskā uzbūve vai citi faktori, bet parasti tas ir reģionāls vai lokāls, proti, raksturīgs noteiktam reģionam. Mūsdienu civilizācija ir attīstīju- sies reģionos, kuros dabiskais radiācijas līmenis ir zems, bet cilvēku kopienas, kuras dzīvo vidē ar paaugstinātu dabisko radiācijas fonu, piemēram, augstkalnos vai vietās, kurās ir paaugstināta radona koncentrācija, parasti ir mazskaitlīgas. No otras puses, radioaktīvie elementi, vispirms urānu saturošas rūdas atrodas pazemē, turklāt reģionos, kas ir mazapdzīvoti, un tāpēc ietekme uz cilvēkiem ir minimāla. Radioaktīvo elementu izmantošana kodolieroču ražo- šanā, kodolenerģētikā ir izveidojusi milzīgu industriju, kas ietver liela iežu daudzuma ieguvi un pārstrādi, bagātināšanu, kodolieroču izgatavošanu, kodolenerģētikas atkritumu pārstrādi, apglabāšanu, turklāt katrā no šiem posmiem veidojas radioaktīvi atkritumi, kas izkliedējas vidē. Tātad cilvēka darbības rezultātā litosfērā stabili noglabātie radioaktīvie elementi tiek izkliedēti vidē ar atmosfēras gaisa masu kustību, jūru un okeānu ūdeņu apriti, bet uzkrājas dzī- vajos organismos, biosfērā, ietekmējot to un rezultātā ietekmējot cilvēku. Radioaktīvo elementu koncentrāciju vidē vai jonizējošā starojuma daudzumu, kas pārsniedz fona radiācijas līmeni, var uzskatīt par cilvēka radītu vides piesārņojumu. Vides piesārņojums ar radioaktīviem elementiem ir saistīts ar paaugstinātu jonizējošo starojumu, un šo piesārņojumu rada: 1) radioaktīvo elementu, galvenokārt urāna, ieguve, izdalīšana, bagātināšana, transports; 2) kodolieroču ražošana, uzglabāšana, lietošana (izmēģinājumi), negadījumi ar kodolieročiem; 3) kodolenerģijas ražošana, avārijas atomspēkstacijās, kodoldeg- vielas pārstrāde, apglabāšana pēc izmantošanas; 4) radioaktīvo elementu izmantošana: izmantošanas noteikumu pārkāpumi, ļaunprātīga lietošana. Vides piesārņojums var veidoties gan lokāli, reģionāli, radioaktī- vajiem elementiem izkliedējoties vidē, gan arī globāli. Piesārņojuma 10.1. attēls. Korodējusi muca, kurā glabājās radioaktīvie atkritumi (Rocky Flats Plant, ASV) 136 RADIOAKTIVITĀTE ietekme var izpausties, tieši kontaktējoties ar radioaktīviem ele- mentiem, bet tie var iesaistīties arī barības ķēdē, un līdz ar to var tikt ietekmēti dzīvie organismi, kuriem nav bijusi tieša saskare ar radioaktīviem elementiem. Ir pamats uzskatīt, ka vides piesārņojuma ar radioaktīviem ele- mentiem galvenais avots ir cilvēks. Šādu piesārņojumu veicina: 1) zināšanu trūkums par radioaktīvo elementu un jonizējošā starojuma bīstamību; 2) apzināta vai neapzināta paviršība darbā ar radioaktīviem elementiem, iekārtām, kuri tās satur; 3) nepilnīgi, nekvalitatīvi un līdz ar to nedroši radioaktīvo ele- mentu izmantošanas risinājumi un tehnoloģijas; 4) apzināta ļaunprātība. Urāna rūdu var iegūt, vai nu izmantojot atklātas ieguves metodi (10.2. attēls) (rūdas atrodas tuvu zemes virsmai), ieguvi šahtās, vai arī izskalošanas metodi (ekstrakcijas metodi). Izskalošanas metodi var izmantot, ja urāns atrodas karbonā- tisku iežu formā. Šajā gadījumā pazemē tiek iesūknēts sērskābes šķīdums. Tai reaģējot ar urānu saturošiem iežiem, veidojas urāna sāļu šķīdums, kuru izsūknē virszeme un kurš tālāk tiek apstrādāts. Izmantojot šādu metodi, veidojas būtisks pazemes ūdeņu piesārņo- jums, jo pilnīgi atgūt urāna sāļu šķīdumu nav iespējams. Iegūstot rūdu atklātās raktuvēs vai šahtās, iegūto iežu masa tiek malta, vei- dojot putekļus, bet pēc tālākas apstrādes paliek iežu masa, kurai joprojām piemīt radioaktivitāte (10.3. attēls). Uzsākot kodolieroču izstrādi, gan PSRS, gan ASV netika pie- vērsta vērība radioaktīvo atkritumu drošai uzglabāšanai, kas 10.2. attēls. Atvērtā urāna rūdas raktuve Namībijā 10. Vides piesārņojums ar radioaktīviem elementiem 137 vairākos gadījumos radīja ievērojamu reģionālu vides piesārņo- jumu. Šāda vides piesārņojuma piemērs ir Kištimas avārija (kr. val. Кыштымская катастрофа), kas ir trešā nozīmīgākā kodolavārija pēc Čornobiļas un Fukušimas AES avārijas. Avārija notika 1957. gada 29. septembrī augsti radioaktīvu kodolieroču ražošanas atkritumu glabātuvē. Plutonija ražošanas atkritumi sākotnēji tika izvadīti Tečas upē, kuras ūdeni izmantoja vietējie iedzīvotāji. Vēlāk radioaktīvie atkritumi tika uzglabāti Karačajas ezerā, kas mūsdienās uzska- tāms par vienu no visintensīvāk radioaktīvi piesārņotajām vietām uz Zemes. Dzesēšanas sistēmas bojājuma dēļ notika sprādziens tvertnē ar tilpumu 300 m³, kurā līdz tam laikam atradās aptuveni 70–80 tonnu izžuvušu, ļoti radioaktīvu atkritumu (sākotnēji šķidro atkritumu bija ap 256 m³: izotopi stroncijs-90, cēzijs-137, cērijs-144, cirkonijs-95, niobijs-95, rutēnijs-106). Avārija notika vēlāk izveidotā radioaktīvo atkritumu glabātuvē, kas bija piesārņojusi teritoriju vai- rāk nekā 52 000 km2 platībā, tika evakuēti ~ 10 000 cilvēku, bet liels skaits cilvēku palika dzīvot smagi piesārņotā teritorijā. Sprādziena rezultātā atmosfērā tika izmesti 800 PBq radioaktivitātes, kas, izkliedējoties ar gaisa masām, radīja plašu teritoriju piesārņojumu (10.4. attēls). Padomju slepenības apstākļos avārija un radioaktīvā piesārņojuma ietekme uz cilvēku veselību tika slēpta. Būtisks vides piesārņojuma avots ar radioaktīviem elementiem ir kodolizmēģinājumi, kuri līdz 1963.  gadam tika veikti atmos- fērā, ūdenī, pazemē. Laikā no 1946. līdz 2006. gadam tika veikti 2053 kodolsprādzieni, un no šī skaita 85% veido PSRS un ASV veik- tie izmēģinājumi. Kopējā izmēģinājuma kodolsprādzienu jauda bija 530 Mt, bet no tām 430 Mt bija atmosfērā veikto kodolsprādzienu 10.3. attēls. Pēc urāna izdalīšanas palikušo iežu masa (terikons) Rustā (Vācija) . Vācijas Demokrātiskās Republikas teritorijā iegūtais urāns tika izmantots Padomju Savienībā kodolieroču ražošanā 138 RADIOAKTIVITĀTE jauda. Kodolizmēģinājumu rezultātā ir piesārņotas poligonu terito- rijas, kurās tie tika veikti, piemēram, Padomju Savienībā – Semipa- latinskas poligons (mūsdienās Kazahstānas teritorijā), kā arī vairāk nekā 12 citi poligoni, bet ASV – poligons Nevadas štatā. Semipala- tinskā gan augsne, gan pazemes ūdeņi satur augstas koncentrācijas 90Sr, 137Cs, 239Pu, 231Am u. c. 23 kodolizmēģinājumus ASV veica Klusā okeāna salās, kuras veidojošie karbonātu ieži sprādziena rezultātā tika sadrupināti, radot baltu, sniega pārslām līdzīgu masu (atomu sniegs), un izmesti atmosfērā, izraisot plašu teritoriju piesārņojumu, turklāt arī mūsdienās tas ir saglabājies augsts. Radioaktīvie elementi, kuri nokļuva troposfērā, gaisa masām pārvietojoties, izkliedējas pa visu Zemi un izkrīt ar atmosfēras nokrišņiem, bet piesārņojošās vielas, kuras nokļūst stratosfērā, var tajā saglabāties pat gadiem ilgi. 90% kodolizmēģinājumu veikti ziemeļu puslodē un veido poligonos ne tikai lokālu, bet arī globālu piesārņojumu. Nozīmīgākais izo- tops, kas veido vides piesārņojumu kodolizmēģinājumu rezultātā, ir ogleklis-14, kas veidojas, slāpekļa (14N) atoma kodolam satverot neitronu, kurš savukārt izdalās gan kodolsintēzes, gan kodolskaldī- šanas rezultātā. Tiek lēsts, ka 1 Mt atombumbas sprādzienā veidojas 1026 atomu oglekļa-14, kā arī tritijs (3H). Ogleklis-14 atmosfērā ātri pārvēršanas par 14CO2, kas savukārt tiek izmantota fotosintēzes reakcijā un pēc tam akumulējas dzīvajos organismos, kā arī iesais- tās neorganisko oglekļa savienojumu apritē un saglabāsies vidē ilgu laiku (oglekļa-14 pussabrukšanas laiks ir 5730 gadu). No starojuma devas, kas kodolizmēģinājumu rezultātā piesārņo vidi, ogleklis-14 veido ~ 70%, bet pārējo devu – cēzijs-137 (13%) un stroncijs-90 (3%), 10.4. attēls. Vides piesārņojums, kas izveidojās Kištimas avārijas rezultātā, un tā izkliedes raksturs 10. Vides piesārņojums ar radioaktīviem elementiem 139 kā arī niecīgākos daudzumus citi radioaktīvie elementi. Kaut arī poligoni, kuros tika veikti kodolizmēģinājumi, atrodas nomaļās vie- tās, tomēr vairākos pētījumos pierādīta vidē nokļuvušo radioaktīvo elementu ietekme uz cilvēku veselību, piemēram, uz vairogdziedzera vēža izplatību ASV, kuru rada vides piesārņojums ar jodu-131. Vides piesārņojums ar kodolieročos esošajiem radioaktīvajiem elementiem ir veidojies arī atombumbu un ūdeņraža bumbu nesēju avāriju rezultātā. Avārijas ir notikušas gan ar bumbvedējiem, kuri avarēja, nesot kodolieročus, gan ar atomzemūdenēm, kuras bija bru- ņotas ar kodolieročiem un kuras darbināja kodolreaktori. 1963. gadā nogrima ASV zemūdene ar atomdzinēju Thresher (bojā gāja visa 129 cilvēku apkalpe), 1968. gadā zemūdene Scorpion, 1979. gadā PSRS zemūdene K-27, 1970. gadā zemūdene K-8. Kopā pasaules jūrās un okeānos ir nogrimušas 9 zemūdenes ar atomdzinējiem, bet pēdējais negadījums bija 2000. gadā, kad Barenca jūrā nogrima Krievijas zemūdene “Kurska” (kr. val. Курск). Kaut arī lielākajā daļā gadījumu zemūdeņu vraki atrodas lielā dziļumā okeānos, tomēr dažos gadī- jumos tās nogrima relatīvi seklūdeņos, kad tās izdevās izcelt. Taču lielākā daļa nogrimušo zemūdeņu paliks okeānu dzelmē un, notie- kot zemūdeņu korpusu korozijai, to reaktorus veidojošie radioaktīvie elementi nokļūs okeānu ūdeņos. Aukstā kara gados lidmašīnas ar kodolieročiem regulāri (īpaši saspīlējuma laikā) veica patruļlidojumus gar pretinieka robežām. Notiekot avārijām, gadījās, ka kodolieroči tika pazaudēti. Vairākos gadījumos tikai par mata tiesu izdevās izvairīties no kodolsprā- dziena. Piemēram, 1957. gada 27. jūlijā ASV Gaisa spēku lidmašīna C-124, lidojot virs Atlantijas okeāna, konstatēja, ka lidmašīnas jauda zūd. Lai izglābtos, tika pieņemts lēmums atombumbas izmest oke- ānā, un pēc tam tās nav tikušas atrastas. 1961. gada 24. janvārī ASV stratēģiskajā bumbvedējā B-52 notika degvielas noplūde un lidma- šīna gaisā uzliesmoja. Apkalpe pameta lidmašīnu, izlecot ar izplet- ņiem, bet 2 MRK 39 ūdeņraža bumbas ietriecās zemē un sašķīda. Vienu bumbu izdevās atgūt, bet otra nogrima muklājā, tās paliekas neizdevās savākt. Dramatisks negadījums notika 1968. gada 21. janvārī netālu no Tules aviācijas bāzes Grenlandē (Dānija). ASV Gaisa spēku stratēģis- kais bumbvedējs B-52 ar četrām B28FI ūdeņraža bumbām uz borta atradās patruļlidojumā, kad tā pilota kabīnē izcēlās ugunsgrēks. Seši no komandas locekļiem katapultējās, bet vienam tas neizdevās, un bez vadības palikusī lidmašīna nokrita uz jūras ledus netālu no Bafina līča. Krītot lidmašīna sašķīda, bet konvencionālā sprāgst- viela, kas ietilpa ūdeņraža bumbu sastāvā, eksplodēja un bumbu veidojošie radioaktīvie elementi tika izkliedēti plašā apvidū, radot tā radioaktīvo piesārņojumu. Tika veikta apjomīga piesārņotā ledus savākšanas operācija (operācija Crested Ice), tomēr galu galā izrādījās, 10.5. attēls. Piesārņotas vietas tīrīšana pēc avārijas atomspēkstacijā ASV (Three Miles Island Nuclear Energy Generation Station) 140 RADIOAKTIVITĀTE ka viena bumba bija pazaudēta (10.5. attēls). Piesārņotās teritorijas attīrīšanas darbi izmaksāja 73,3 milj. ASV dolāru (2022. gada cenās). Avārija radīja protestus Dānijā, kas sevi pozicionēja kā kodolbrīva valsts. Ir pamats uzskatīt, ka šādi paši vai līdzīgi negadījumi notika arī PSRS Bruņotajos spēkos, bet slepenības apstākļos informācija par tiem bija valsts noslēpums. Vides piesārņojumu ar radioaktīviem elementiem ir radījušas daudzas kodolreaktoru avārijas, no tām nozīmīgākās avārijas ir notikušas Vindskeilā (Lielbritānija), Čornobiļā (PSRS), Fukušimā (Japāna). Kodolreaktoru avārijas ir sekmējušas globālā radioaktīvā piesārņojuma veidošanos, bet daudzos gadījumos lokāla un reģio- nāla vides piesārņojuma rašanos. Mūsdienās radioaktīvo elementu izmantošanas apjomi ir būtiski pieauguši ļoti dažādās nozarēs, bet līdz ar to pieaug gan kontakta iespējas ar radioaktīvus elementus saturošiem materiāliem, gan arī negadījumu, avāriju un ļaunprātības iespējas šādu materiālu izmantošanā. Parasti gan šādi negadījumi noved pie vietēja vides piesārņojuma, protams, ietekmējot tajos iesaistītos cilvēkus. Kodolieroču ražošanā un kodolenerģētikā izmantojamie radio- aktīvie elementi, pieeja tiem tiek stingri kontrolēta, bet medicīnā izmantotie radioaktīvie elementi acīmredzot ir pieejami vieglāk, un to izmantošanas kontrole, kā to parāda daudzi negadījumi ar cilvēku upuriem, ir ievērojami paviršāka. 10.6. attēls. Stratēģiskais bumbvedējs B-52 lidojumā . Ar radioaktīviem elementiem piesārņoto ledu iekrauj tērauda konteineros, lai transportētu attīrīšanai Literatūra 141 LITERATŪRA Monogrāfijas, mācību grāmatas, zinātniskās publikācijas Angelo, J. A. (2004). Nuclear technology. Greenwood Press. Available at: https:// books.google.ru/books?id=ITfaPxY3LsC&printsec=frontcover&hl=ru#v= onepage&q&f=false Basdevant, J. L., Rich, J., Spiro, M. (2005).  Fundamentals in Nuclear Physics. Springer. Bernstein, J. (2008). Nuclear Weapons: What You Need to Know. Cambridge Uni- versity Press. Bethge, K., Werner, G., Wiedemann, G. (2008). Kernphysik. Eine Einführung. 3. Auflage, Springer. Bomford, C. K., Kunkler, I. H., Walter, J. (2002). Walter and Miller’s Textbook of Radiation therapy. 6th Ed. Churchill Livingstone. Dalrymple, G. B. (1994). The age of the earth. Stanford: Stanford Univ. Press. Dantas, R. C., Navoni, J. A., deAlencar, F. L. S. et al. (2020). Natural radioacti- vity in Brazil: a systematic review. Environmental Science and Pollution, 27, 143–157. Dean, S. O. (2013). Search for the Ultimate Energy Source: A History of the U.S. Fusion Energy Program. Springer Science & Business Media. Available at: https://books.google.lv/books?id=KSA_AAAAQBAJ&pg=PA212&redir_ esc=y#v=onepage&q&f=false Deffeyes, K. S., MacGregor, I. D. (1980). World Uranium Resources. Scientific American, 242(1): 66. doi:10.1038/scientificamerican0180-66. OSTI 6665051. Diesendorf, M. (2007). Greenhouse Solutions with Sustainable Energy. University of New South Wales Press. Džonsons, K., Hjūita, S., Holta, S., Millers, D. Rokasgrāmata fizikā (1988). Rīga: Zvaigzne. Fred, A. M. (2018). Essential of Radiology. 4th ed. Elsevier Gaisser, T. K. (1990). Cosmic Rays and Particle Physics. Cambridge University Press: Cambridge. Gerosa, G. (1986). Schutz bei Atomunfällen. Vorbereitet sein auf den Notfall. Gustav Lübbe Verlag, Bergisch Gladbach. Golubev, V. I., Dolgov, V. V., Dulin, V. A. et al. (1993). Fast-reactor actinoid trans- mutation. Atomic Energy, 74: 83. doi:10.1007/BF00750983. Grieder, P. K. F. (2001). Cosmic Rays at Earth: Researcher’s Reference Manual and Data Book. Elsevier. Gusev, I. A. (2001). Medical management of radiation accidents. CRC Press, Boca Raton. Hillas, A. M. (1972). Cosmic Rays. Pergamon Press, Oxford. Joyce, M. (2018). Nuclear Engineering. Elsevier. doi:10.1016/c2015-0-05557-5.  Karam, A. P., Stein, B. P. (2009). Radioactivity. Chelsea House. Kauffmann, G. W., Sauer, R., Weber, W. A. (2006). Radiologie. 3. Auflage. Urban & Fischer: München/Jena. 142 RADIOAKTIVITĀTE Kleiner, K. (2008). Nuclear energy: Assessing the emissions. Nature Reports Cli- mate Change, 2(810): 130–1. doi:10.1038/climate.2008.99. Kondev, F. G., Wang, M., Huang, W. J. et al. (2021).  The NUBASE2020 evaluation of nuclear properties. Chinese Physics C.,  45(3): 030001. doi:10.1088/1674-1137/abddae. Krane, K. S. (1987). Introductory Nuclear Physics. Wiley-VCH. Krieger, H. (2007). Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes. 2. Auflage. Teubner, Wiesbaden. Krivit, S. (ed.) (2011). Nuclear Energy Encyclopedia: Science, Technology, and App- lications. Hoboken, NJ: Wiley, pp. 48, 85. L’Annunziata, M. F. (2019). Radioactivity: Introduction and history. Elsevier. Lieser, K. H. (1997). Nuclear and radiochemistry: fundamentals and application. VCH Publishers: NY. Lockwood, M. (2012). Solar Influence on Global and Regional Climates. Surveys in Geophysics, 33(3–4): 503–534. doi:10.1007/s10712-012-9181-3. Man made and natural radioactivity in environmental pollution and radiochrono- logy. Eds. R. Tykva, D. Berg. (2004). Springer Science and Business Media. Available at: https://books.google.de/books?id=WqJfBgAAQBAJ&lpg=PA8 5&pg=PA85#v=onepage&q&f=false Mayer-Kuckuk, T. (1994). Kernphysik. 6. durchgesehene Auflage. B. G. Teubner, Stuttgart. Meshik, A. P. (2005). The Workings of an Ancient Nuclear Reactor. Scientific American, 293(5), 82–91. doi: 10.1038/scientificamerican1105-82. Millers, A., Rūse, I. (1995). Vispārīgā radiobioloģija un praktiskā radioekoloģija. Rīga: Latvijas Universitāte. Nordyke, M. D.  (2000). Peaceful Nuclear Explosions in the Soviet Union (by date): Appendix A. In: The Soviet Program for Peaceful Uses of Nuclear Explo- sions. U.S. Department of Energy, P. A-(1−6). Nuclear Power Reactors in the World. 2015 Edition (2017). International Atomic Energy Agency (IAEA). Pellegriti, G., Frasca, F., Regalbuto, C. et al. (2013). Worldwide increasing inci- dence of thyroid cancer: Update on epidemiology and risk factors. Journal of Cancer Epidemiology. Article ID 965212. doi:10.1155/2013/965212. Petrucci, R. H., Harwood, W. S., Herring, F. G. (2002). General chemistry. 8th ed. Prentice Hall, p. 1025. Poenaru, D. N. (1996). Nuclear Decay Modes. First ed. Taylor & Francis. Pravalie, R. (2014). Nuclear weapons tests and environmental consequences: a global perspective. Ambio, 43, 729–744. Radvanyi, P., Villain, J. (2017). The discovery of radioactivity. Comptes Rendus Physique, 18(9–10), 544–550. Avaialable at: https://doi.org/10.1016/j. crhy.2017.10.008. Rēvalds, V. (2006). Fizikas un tehnikas vēstures lappuses. Rīga: LU Akadēmiskais apgāds. Robock, A., Toon, O. B. (2010). Local Nuclear War, Global Suffering. Scientific American, 302(1), 74–81. doi:10.1038/scientificamerican0110-74. Rolovs, B. (1989). Par fiziku un fiziķiem. Fizikas terminu skaidrojošā vārdnīca. Rīga: Zinātne. Seidlitz, A., Combs, S. E., Debus, J. et al. (2016). Practice points for radiation oncology. In: Kerr, D. J., Haller, D. G., van de Velde, C. J., Baumann, M. (eds.). Oxford Textbook of Oncology. Oxford University Press. Sharon, M., Sharon, M. (2021). Nuclear chemistry. 2nd ed. Springer. Available at: https://doi.org/10.1007/978-3-030-62018-9 Literatūra 143 Simon, S. L., Bouville, A., Land, C. E. (2006). Fallout from nuclear weapons tests and cancer risks. American Scientist, 94(1). doi: 10.1511/2006.57.982. Sitenko, A. G., Tartakovskii, V. K. (1997). Theory of Nucleus: Nuclear Structure and Nuclear Interaction. Kluwer Academic. Sloan, T., Wolfendale, A. W.  (2013). Cosmic rays, solar activity and the cli- mate. Environmental Research Letters,  8(4): 045022. doi:10.1088/ 1748-9326/8/4/045022. Sovacool, B. K. (2008). The costs of failure: A preliminary assessment of major energy accidents, 1907–2007. Energy Policy, 36(5): 1802–20. doi:10.1016/j. enpol.2008.01.040. Stabin, M. G. (ed.) (2007). Radiation Protection and Dosimetry: An Introduction to Health Physics. Springer. doi:10.1007/978-0-387-49983-3. Stolz, W. (2005). Radioaktivität. Grundlagen, Messung, Anwendungen. 5. Auflage. Teubner, Wiesbaden. Ten years after Chernobyl: what do we really know (1996). International Atomic Energy Agency Division of Public Information. Vienna, Austria. Tipler, P., Llewellyn, R. (2002). Modern Physics. 4th ed. W. H. Freeman. van der Meer, S. (2011). Not that bad: Looking back on 65 years of nuclear non- proliferation efforts. Security & Human Rights, 22(1): 37–47. Von Gunten, H. R. (1995). Radioactivity: A Tool to Explore the Past. Radiochi- mica Acta, 70–71(s1), 305–413. doi:10.1524/ract.1995.7071.special-issue.305. Weitz, R. (2011). Nuclear safety, nuclear security. World Affairs, 174(4): 56–66. Starptautisko organizāciju ziņojumi United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (2000). Sources and Effects of Ionizing Radiation. Unscear 2000 Report to the General Assembly. Available at: https://www.unscear.org/docs/publications/2000/ UNSCEAR_2000_Report_Vol.I.pdf Sources and Effects of Ionizing Radiation. United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (UNSCEAR) (Report). Vol. I. New York: United Nations. 2010 [2008], p. 6. ISBN 978-92-1-142274-0. American Nuclear Society. Oklo’s Natural Fission Reactors. Available at: https:// ans.org/pi/np/oklo/ Oklo: Natural Nuclear Reactor.  Office of Civilian Radioactive Waste Manage- ment. Available at: https://rinconeducativo.org/en/recursos-educativos/ oklos-natural-fission-reactors/ United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (1982). Report to the general assembly (Annex E – Exposures resulting from nuclear explosions). Available at: http://www.unscear.org/unscear/en/publicati- ons/1982.html. Retrieved January 5, 2013. United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (1988). Report to the general assembly (Annex D – Exposures from Chernobyl accident). Available at: http://www.unscear.org/ United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (1993). Report to the general assembly (Annex B – Exposures from man-made sources of radiation). Available at: http://www.unscear.org/docs/reports/1993/1993c_ pages%2091-120.pdf. Retrieved September 25, 2013. United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (2000a). Report to the general assembly (Annex C – Exposures to the public from man-made sources of radiation). Available at: http://www.unscear.org/ docs/reports/annexc.pdf. Retrieved September 27, 2013. 144 RADIOAKTIVITĀTE United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (2000b). Report to the general assembly (Annex A – Dose assessment metho- dologies). Available at: http://www.unscear.org/docs/reports/annexa.pdf. Retrieved September 27, 2013. United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (2006). Report to the general assembly (Annex A – Epidemiological studies of radiation and cancer). Available at: http://www.unscear.org/docs/ reports/2006/07-82087_Report_Annex_A_2006_Web_corr.pdf. Retrieved October 2, 2013. The criticality accident in Sarov. Available at: https://www-pub.iaea.org/MTCD/ publications/PDF/Pub1106_scr.pdf Atomicarchive. Available at: https://www.atomicarchive.com/index.html Canadian nuclear safety organisation. Available at: http://www.nuclearsafety. gc.ca/eng/ European atomic energy community. Available at: https://energy.ec.europa.eu/ topics/nuclear-energy_en European Nuclear Society. Available at:.http://www.euronuclear.org/sitemap.htm Fusion energy. Available at: https://www.iter.org/ Fusion energy sciences. Available at: https://science.energy.gov/fes/ Fusion Industry Association. Available at: https://www.fusionindustryassocia- tion.org/ Homepage – World Nuclear News (world-nuclear-news.org). Available at: https:// www.world-nuclear-news.org/ International Atomic Energy Agency. Available at: https://www.iaea.org/ Nuclear energy agency. Available at: https://www.oecd-nea.org/jcms/j_6/home Nuclear Energy. Available at: https://nuclear-energy.net/ Nuclear Energy Institute. Available at: https://www.nei.org/home Radioactive Decay. Available at: https://en.wikipedia.org/wiki/Radio active_ decay Radioactivity. Available at: https://www.radioactivity.eu.com/ The Database on Nuclear Power Reactors – IAEA. Available at: https://pris.iaea. org/signin/ UN Office for disarmament affairs. Available at: https://www.un.org/ disarmament/wmd/nuclear/ Union of concerned scientists. Available at: https://www.ucsusa.org/ United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation. Available at: https://www.unscear.org/unscear/en/publications/index.html Uranium Maps and Statistics (wise-uranium.org). Available at: http://www.wise- uranium.org/umaps.html World Nuclear Association. Available at: https://www.world-nuclear.org/ Tiešsaistes resursi Radiation therapy. Available at: https://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_ therapy Rentgenoloģija. Latvijas veselības portāls (medicine.lv) (skatīts: 17.12.2019.). Kodolieroči. Pieejams: https://enciklopedija.lv/skirklis/6554 Sievert – Wikipedia. Available at: https://en.wikipedia.org/wiki/Sievert Radons Latvijā. Pieejams: https://www.vi.gov.lv/lv/radons-latvija?utm_ source=https% 3A%2F%2Fwww.google.lv%2F Radona līmenis mājsaimniecībās. Pieejams: https://www.vvd.gov.lv/lv/ radona-limenis-majsaimniecibas Literatūra 145 Radons – dabiskais jonizējošā starojuma avots. Pieejams: https://www.vvd.gov.lv/ sites/vvd/files/radons_dabiska_jonizejosa_starojuma_avots_vvd_ rdc_20161_0.pdf European Atlas of Natural Radiation. Available at: https://remap.jrc.ec.europa. eu/Consent/Atlas.aspx?layerID=3 Sākotnējais radona gāzes novērtējums Latvijas teritorijā. Pieejams: https:// www.varam.gov.lv/lv/petijumi-vides-un-dabas-joma Radona gāzes novērtējums. Pieejams: https://www.vvd.gov.lv/lv/radona-gazes- novertejums Radioactivity. Available at: https://www.britannica.com/science/radioactivity Uranium. Available at: https://www.britannica.com/science/uranium#ref1106285 Literatūra krievu valodā Абрамов, А. И., Казанский, Ю. А., Матусевич, Е. С.  (1985). Основы экспе- риментальных методов ядерной физики. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат. Андрюшин, И. А., Трутнев, Ю. А., Чернышёв, А. К. (2005). Использование ядерных взрывов в мирных целях. Бюллетень по атомной энергии, № 8, 43−50. Василенко, О. И., Ишханов, Б. С., Капитонов, И. М.  (1996). Радиация. М.: Изд-во Московского университета. Васильев, А. П., Водолага, Б. К., Волошин, Н. П. (2005). Государственная программа «Ядерные взрывы для народного хозяйства» и ВНИИТФ. Бюллетень по атомной энергии, № 4, 20−24. ВОЗ/МАГАТЭ/ПРООН. Чернобыль: истинные масштабы аварии. www.who. int, 2005-09-05.  Грешилов, А. А., Егупов, Н. Д., Матущенко, А. М. (2008). Ядерный щит. М.: Логос. Гусев, Н. Г., Климанов, В. А., Машкович, В. П. и др. (1989). Защита от иони- зирующих излучений. В 2-х томах. M.: Энергоатомиздат. Дементьев, Б. А.  (1990). Ядерные энергетические реакторы. М.: Энерго- атомиздат.  Климов, А. Н.  (1985). Яерная физика и ядерные реакторы. Москва: Энерго- атомиздат.  Круглов, А. К. (1995). Как создавалась атомная промышленность в СССР. М.: ЦНИИ Атоминформ.  Кудряшов, Ю. Б. (2004). Радиационная биофизика. Москва: Физматлит. Машкович, В. П., Кудрявцева, А. В. (1995). Защита от ионизирующих излуче- ний: Справочник. 4-е изд. М.: Энергоатомиздат.  Саркисов, А. А. (2011). Атомные станции малой мощности: новое направле- ние развития энергетики. М.: Наука. Grāmatā izmantoto attēlu un tabulu informācijas avoti 147 Attēlu avoti 1.1. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Wilhelm_R%C3%B6 ntgen#/media/File:Roentgen2.jpg First medical X-ray by Wilhelm Röntgen of his wife Anna Bertha Ludwig's hand - 18951222 - Wil- helm Röntgen - Wikipedia 1.2. attēls. Pieejams: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8e/ Portrait_of_Antoine-Henri_Becquerel.jpg 1.3. attēls. Pieejams: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/41/ Pierre_Curie_%281859-1906%29_and_Marie_Sklodowska_ Curie_%281867-1934%29%2C_c._1903_%284405627519%29.jpg 1.4. attēls. Sagatavots, izmantojot https://de.wikipedia.org/wiki/Radio- aktivit%C3%A4t#/media/Datei:Alfa_beta_gamma_radiation.svg 1.5. attēls. Pieejams: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e0/ Nagasakibomb.jpg Nagasaki temple destroyed - Atomic bombings of Hiroshima and Nagasaki - Wikipedia 1.6. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Tsar_Bomba#/media/ File:Tsar_Bomba_Revised.jpg 2.1. attēls. Pieejams: https:// lv.wikipedia .org /wiki/Atoms#/media/ Att%C4%93ls:Helium_atom_QM_latviski.svg Atoms — Vikipēdija (wikipedia.org) CC BY-SA 3.0 2.2. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_nucleus#/media/ File:Nucleus_drawing.svg 2.3. attēls. Pieejams: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/46/ Views_of_the_LHC_tunnel_sector_3-4%2C_tirage_2.jpg 2.4 attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Isotope#/media/ File:Hydrogen_Deuterium_Tritium_Nuclei_Schmatic-en.svg 2.5. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Gas_centrifuge#/media/ File:Gas_centrifuge_cascade.jpg 2.6. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Stable_nuclide#/media/ File:Table_isotopes_en.svg 2.7. attēls. File: Binding energy curve – common isotopes.svg – Wikimedia Commons. Available at: https://commons.wikimedia.org/wiki/ File:Binding_energy_curve_-_common_isotopes.svg 3.1. attēls. Pieejams: https://de.wikipedia.org/wiki/Halbwertszeit#/media/ Datei:Exponential-decay-half-life.svg 3.2. attēls. Pieejams: https://de.wikipedia.org/wiki/Radioaktivit%C3%A4t#/ media/Datei:Periodic_Table_Radioactivity_de.svg 3.3. attēls. Pieejams: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9c/ Radioisotope_thermoelectric_generator_plutonium_pellet.jpg GRĀMATĀ IZMANTOTO ATTĒLU UN TABULU INFORMĀCIJAS AVOTI 148 RADIOAKTIVITĀTE 3.4. attēls. Pieejams: https://sv.wikipedia.org/wiki/Rolf_Sievert#/media/ Fil:Rolf_Sievert_1896-1966.jpg 3.5. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Radioactive_decay#/ media/File:Alpha_Decay.svg 3.6. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Beta_decay#/media/ File:Beta-minus_Decay.svg 3.7. attēls. Pieejams: https://de.wikipedia.org/wiki/Betastrahlung#/media/ Datei:Beta-plus_Decay.svg 3.8. attēls. Pieejams: https://lv.wikipedia.org/wiki/Elektromagn%C4% 93tiskais_starojums#/media/Att%C4%93ls:EM_Spectrum_Proper- ties_edit-lv.svg 3.9. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Gamma_ray#/media/ File:Cobalt-60_Decay_Scheme.svg 3.10. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Gamma_ray#/media/ File:Gamma_Decay.svg 3.11. attēls. Pieejams: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/67/ Irrdiamond.jpg 3.12. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fission#/media/ File:Nuclear_fission.svg 3.13. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Demon_core#/media/ File:Tickling_the_Dragons_Tail.jpg 3.14. attēls. Pieejams: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Uranova_ rada.svg 3.15. attēls. Pieejams: https://de.wikipedia.org/wiki/Uran-Actinium-Reihe#/ media/Datei:Aktiniova_rada.svg 3.16. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Particle_accelerator#/ media/File:Fermilab.jpg 4.1. attēls. Pieejams: https://remap.jrc.ec.europa.eu/Atlas.aspx?layerId=11 4.2. attēls. Pieejams: https://doi.org/10.1093/rpd/ncu244 arī šis avots https:// remap.jrc.ec.europa.eu/Atlas.aspx?layerId=3 4.3. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Radon_mitigation#/ media/File:Radon_test_kit.jpg 4.4. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Radon#/media/ File:Radon_detector.jpg 4.5. attēls. Pieejams: https://de.wikipedia.org/wiki/Radon#/media/Datei:Bad_ Elster_Das_heilende_Radon.jpg 4.6. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_ray#/media/ File:PIA16938-RadiationSources-InterplanetarySpace.jpg 4.7. attēls. Pieejams: Ihttps://remap.jrc.ec.europa.eu/Atlas.aspx?layerId=1 4.8. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Air_shower_(physics)#/ media/File:Protonshower.jpg Permission details CC-BY-2.5. 5.1. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Ionization_energy#/ media/File:Ionization_energies_of_atoms_-_labeled_-_atomic_ orbital_filling_indicated.svg 5.2. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Non-ionizing_radiation#/ media/File:Radio_waves_hazard_symbol.svg 5.3. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Ionizing_radiation#/ media/File:Radioactive.svg 5.4. attēls. Pieejams: https://lv.wikipedia.org/wiki/Joniz%C4%93jo%C5% A1ais_starojums#/media/Att%C4%93ls:Logo_iso_radiation.svg Grāmatā izmantoto attēlu un tabulu informācijas avoti 149 5.5. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect#/ media/File:Photoelectric_effect_in_a_solid_-_diagram.svg 5.6. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Compton_scattering#/ media/File:Light-matter_interaction_-_schematic.svg 5.7. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Alpha_particle#/media/ File:Alpha_radiation_in_a_cloud_chamber.jpg 5.8. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Pavel_Cherenkov#/media/ File:Advanced_Test_Reactor.jpg 5.9. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Frenkel_defect#/media/ File:NaCl_-_Frenkel_defect.jpg 5.10. attēls. Pieejams: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0b/ ProteinStructures.png 5.11. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Complementarity_(mole- cular_biology)#/media/File:GC_base_pair_jypx3.png; https:// en.wikipedia.org/wiki/Complementarity_(molecular_biology)#/ media/File:AT_base_pair_jypx3.png 5.12. attēls. Attēls veidots pēc: https://en.wikipedia.org/wiki/DNA_repair 6.1. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Radioresistance#/media/ File:Effectofselfrepair.svg 6.2. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Food_irradiation#/media/ File:Cobalt-60_Irradiator.tif 6.3. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Food_irradiation#/media/ File:Radura_international.svg 6.4. attēls. Pieejams: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a1/ AtomicGardeningMurielPlant.jpg 6.5. attēls. Sagatavots, izmantojot https://www.researchgate.net/pub- lication/299688747_Data_on_Hiroshima_and_Nagasaki/ figures?lo=1 6.6. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Geiger_counter#/media/ File:Geiger-Muller-counter-en.png 6.7. attēls. Pieejams: https://www.meditron.ch/quality-assurance/index.php/ dosimetry/product/606-tld-200%E2%84%A2-thermoluminescent- dosimetry-material 6.8. attēls. Pieejams: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/ab/ Filmdosimeter.jpg 7.1. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Chicago_Pile1#/media/ File:HD.5A.028_(10542725116).jpg 7.2. attēls. Pieejams: https://www.world-energy.org/article/11218.html 7.3. attēls. Pieejams: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c4/ Heterogeneous_reactor_scheme.png 7.4. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Uranium_dioxide#/ media/File:UO2_Pellet.jpg 7.5. attēls. Pieejams: https://de.wikipedia.org/wiki/CROCUS_(Reaktor)#/ media/Datei:Crocus-p1020484.jpg 7.6. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_marine_propul- sion#/media/File:USS_Nimitz_(CVN-68).jpg 7.7. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Pressurized_water_reac- tor#/media/File:Reactor_Vessel_head.jpg 7.8. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Boiling_water_reactor#/ media/File:Boiling_water_reactor_no_text.svg 150 RADIOAKTIVITĀTE 7.9. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Generation_III_reactor#/me- dia/File:Usina_Nuclear_em_Novovoronezh,_R%C3%BAssia_01.jpg 7.10. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Generation_IV_reactor#/ media/File:Gas-Cooled_Fast_Reactor_Schemata.svg 7.11. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Small_modular_reactor#/ media/File:Figure_4_Illustration_of_a_light_water_small_modu- lar_nuclear_reactor_(SMR)_(20848048201).jpg 7.12. attēls. Sagatavots, izmantojot https://www.eia.gov/energyexplained/ nuclear/the-nuclear-fuel-cycle.php 7.13. attēls. Pieejams: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D1%80%D0% B0%D0%BD_(%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0 %BD%D1%82)#/media/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Ura niumUSGOV.jpg; https://de.wikipedia.org/wiki/Uran#/media/Datei:Yellowcake.jpg; https://de.wikipedia.org/wiki/Uran#/media/Datei:HEUranium.jpg 7.14. attēls. Pieejams: https://www.world-nuclear.org/nuclear-essentials/how- is-uranium-made-into-nuclear-fuel.aspx 7.15. attēls. Pieejams: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0b/ Aeri al_view_Sellafield%2C_Cumbria_-_geograph.org.uk_-_50827.jpg 7.16. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Deep_geological_reposi- tory#/media/File:Loppusijoituskapseli.jpg 7.17. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Deep_geological_reposi- tory#/media/File:Onkalo_2.jpg 7.18. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_safety_and_secu- rity#/media/File:Flag_of_IAEA.svg 7.19. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_safety_and_secu- rity#/media/File:Corp_of_Eng._6-16-11A_267.JPG 7.20. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Chernobyl_disaster#/ media/File:Chernobyl-LWR-comparison.PNG 7.21. attēls. Pieejams: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A7%D0%B5%D1%8 0%D0%BD%D0%BE%D0%B1%D1%8B%D0%BB%D1%8C%D1%81% D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%90%D0%AD%D0%A1#/media/% D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Chernobyl_Disaster.jpg 7.22. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Chernobyl_disaster#/ media/File:NSC-Oct-2017.jpg; https://en.wikipedia.org/wiki/ Chernobyl_disaster#/media/File:Chernobylreactor_1.jpg 7.23. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Chernobyl_disaster#/ media/File:Chernobyl_BW_2019_G28.jpg 7.24. attēls. Pieejams: https://www.eea.europa.eu/data-and-maps/figures/depo- sition-from-chernobyl-in-europe/map_10_1_plate01_ro_clean.eps/ image_large 7.25. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Fukushima_nuclear_disa- ster#/media/File:Fukushima-_Panache-19-mars.svg 7.26. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Stellar_nucleosynthesis#/ media/File:Fusion_in_the_Sun.svg 7.27. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_weapon_design#/ media/File:Deuterium-tritium_fusion.svg 7.28. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_confinement_ fusion#/media/File:MAST_Tokamak_(32476489303).jpg 7.29. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Fusion_power#/media/ File:The_JET_magnetic_fusion_experiment_in_1991.jpg Grāmatā izmantoto attēlu un tabulu informācijas avoti 151 8.1. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Ballistic_missile#/media/ File:Trident_II_missile_image.jpg 8.2. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/J._Robert_Oppenheimer#/ media/File:JROppenheimer-LosAlamos.jpg 8.3. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Fat_Man#/media/ File:Fat_Man_Assembled_Tinian_1945.jpg 8.4. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_bombings_of_ Hiroshima_and_Nagasaki#/media/File:Hiroshima_aftermath.jpg 8.5. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_weapon#/media/ File:Fission_bomb_assembly_methods.svg 8.6. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Trinity_(nuclear_test)#/ media/File:Trinity_Test_Fireball_16ms.jpg 8.7. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Trinitite#/media/File: Trinitite_from_Trinity_Site.jpg 8.8. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Ivy_Mike#/media/File: Ivy_Mike_-_mushroom_cloud.jpg 8.9. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Thermonuclear_weapon#/ media/File:Teller-ulam-multilang.svg 8.10. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Thermonuclear_weapon#/ media/File:BombH_explosion.svg 8.11. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_bomb#/media/ File:M110_Column.JPEG 8.12. attēls. Pieejams: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/d/db/ Human_Shadow_Etched_in_Stone.jpg 8.13. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_weapons_tes- ting#/media/File:Types_of_nuclear_testing.svg 8.14. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_disarmament#/ media/File:Exercise_Desert_Rock_I_(Buster-Jangle_Dog)_002.jpg 8.15. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Sedan_(nuclear_test)#/ media/File:Sedan_Plowshare_Crater.jpg 8.16. attēls. Pieejams: https://www.ixbt.com/live/travel/samoe-radioaktivnoe- ozero-iz-sovetskogo-proshlogo-proekt-chagan.html#pid=3 8.17. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_arms_race#/ media/File:Jupiter_on_its_launch_pad.jpg 8.18. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_states_with_nuc- lear_weapons#/media/File:US_and_USSR_nuclear_stockpiles.svg 8.19. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_disarmament#/ media/File:Anti_kernwapendemonstratie_in_Den_Haag_(_550_ duizend_deelnemers_)_overzichten_m,_Bestanddeelnr_253-8818.jpg 8.20. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_disarmament#/ media/File:Peace_symbol_(fixed_width).svg 8.21. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_arms_race#/ media/File:Reagan_and_Gorbachev_signing.jpg 9.1. attēls. Pieejams: https://de.wikipedia.org/wiki/Uranglas#/media/ Datei:U_glass_with_black_light.jpg 9.2. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Cochliomyia_hominivo- rax#/media/File:Cochliomyia_hominivorax_(Coquerel,_1858).jpg 9.3. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Industrial_radiography#/ media/File:VACIS_Gamma-ray_Image_with_stowaways.GIF 152 RADIOAKTIVITĀTE 9.4. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Industrial_radiography#/ media/File:GemX-200_(mb).png 9.5. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Positron_emission_ tomography#/media/File:PET-image.jpg https://en.wikipedia.org/wiki/Computed_tomography_of_the_ head#/media/File:Computed_tomography_of_human_brain_-_ large.png 9.6. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Positron_emission_ tomography#/media/File:16slicePETCT.jpg 9.7. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Radiosurgery#/media/ File:Dr._B._K._Misra_performing_Stereotactic_Gamma_Radio- surgery.jpg 10.1. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_and_radia- tion_accidents_and_incidents#/media/File:Leaking_drum_from_ pad_903.JPG 10.2. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Uranium_mining#/ media/File:Arandis_Mine_quer.jpg 10.3. attēls. Pieejams: https://de.wikipedia.org/wiki/Wismut_(Unterneh- men)#/media/Datei:Bundesarchiv_Bild_183-1990-1109-004,_ Th%C3%BCringen,_Abraumhalten,_Uranbergbau.jpg 10.4. attēls. Pieejams: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%8B%D1%8 8%D1%82%D1%8B%D0%BC%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_% D0%B0%D0%B2%D0%B0%D1%80%D0%B8%D1%8F#/media/%D0 %A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Ostural-Spur.png 10.5. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/Three_Mile_Island_acci- dent#/media/File:TMI_cleanup-2.jpg 10.6. attēls. Pieejams: https://en.wikipedia.org/wiki/1968_Thule_Air_Base_ B-52_crash#/media/File:Boeing_B-52G_in_f light_061026-F- 1234S-021.jpghttps://en.wikipedia.org/wiki/1968_Thule_Air_ Base_B-52_crash#/media/File:Crested_Ice_Tank_Loading.jpg Tabulu avoti 2.1. tabula. Pieejams: https://likumi.lv/ta/id/261495-mervienibu-noteikumi 3.1. tabula. Loveland, W., Morrissey, D., Seaborg, G. T. (2006). Modern Nuclear Chemistry. Wiley-Interscience, p. 57; Martin, B. R. (2011). Nuclear and particle physics: An introduction. 2nd ed. John Wiley & Sons, p. 240. 3.2. tabula. L’Annunziata, Michael F. (2007). Radioactivity: Introduction and History. Amsterdam, Netherlands: Elsevier Science. 3.3. tabula. Pieejams: https://chemed.chem.purdue.edu. Retrieved 5 May 2022. 4.1. tabula. “How many?”. Auger.org. Cosmic rays. Pierre Auger Observa- tory. Archived from the original on 12 October 2012. Retrieved 17 August 2012. 6.1. tabula. Dzīvo organismu radiojutība (Millers, Rūse 1995). 6.2. tabula. Augu sēklu radiojutība (Millers, Rūse 1995). 6.3. tabula. Cilvēka organisma un orgānu jutības faktors WT (Millers, Rūse 1995). 6.4. tabula. Salīdzinošas visa organisma apstarojuma dozas un to sekas (sagata- vota, izmantojot Radiation | Nuclear Radiation | Ionizing Radiation | Health Effects – World Nuclear Association (world-nuclear.org). Summary 153 SUMMARY Radioactivity is one of the  exciting topics of contemporary science, not only from perspective of history of science, but also considering the impacts on progress in physics, chemistry, techno- logies. This book describes the history of research progress of radio- activity, and it demonstrates how fast the discoveries in basic science are able to impact everyday life and how significant are the impacts of scientific discoveries on technological progress. Thus, the story about radioactivity is also a story about significance of science for society. At the same time, the discovery and studies of radioactivity have fundamentally changed the content as well as the priorities of science itself, creating a totally new understanding of the properties of matter, development of Universe, and, furthermore, – a potential to create absolutely new applications of results of basic research. There are positive, as well as dark aspects in the story about radio- activity. Radioactivity was a cause of death of scientists who first began to study it! Henri Becquerel, Marie Curie are just a few to mention, and the reason was the work with a new phenomenon not understanding risks associated with it. Many more suffered from radiation sickness during uranium mining and radioactive element processing, as well as development of nuclear weapons. Knowle- dge of atom nucleus properties supported the development of most powerful armaments ever invented – nuclear weapons, whilst their use in Hiroshima and Nagasaki on 6 and 9 August 1945 accelerated the end of World War II, resulting in death of ~ 200 000 people, simultaneously starting a new era – Nuclear Era and nuclear weapon race. The intended readers of the book “Radioactivity” are students, teachers, as well as anyone interested in radioactivity and its signi- ficance in everyday life, its applications and possible effects thereof. The book consists of 10 chapters, starting with the history of disco- very of radioactivity and concentrating on the effects of application of ionizing radiation and use of radioactive elements. In Chapter 2, the building of atomic nucleus is analysed, focussing upon factors affecting its stability. Chapter 3 is dedicated to nuclear decay pro- cesses, types of decay and particles formed, as well as their impacts. The concept of isotopes is explained, also touching upon their use. 154 RADIOAKTIVITĀTE Chapter 4 describes natural radiation of both terrestrial origin, as well as cosmic rays. The presence of radon, uranium in soils is forming a background radiation with levels significantly differing on Earth, depending on geological structures and other factors. The adaptation mechanisms in respect to background radiation are discussed. In Chapter 5, the impact of radiation on substances and materials is described, analysing the mechanisms, how different particles or electromagnetic radiation are affecting materials, and the  risks associated with these interactions. Chapter 6 explores the effects of ionizing radiation on living substances, starting with the  impacts at molecular level (ionization of water, amino acids, nucleic acids, etc.), and also viewing the  impacts on biomacro- molecules, such as proteins. The differences of radiation impacts on different groups of living organisms (microorganisms, plants, human beings) are characterized. Particular attention is focussed on radiation sickness, including acute radiation syndrome – an acute illness caused by irradiation of the entire body (or most of the body) by a high dose of penetrating radiation. In Chapter 7, the use of radioactive decay for energy production are analysed, discussing different types of nuclear reactors, nuclear energy safety aspects, as well as possibilities and progress in respect to development of industrial scale thermonuclear synthesis. Chapter 8 is dedicated to nuclear weapons – principles of their functioning and their impacts. Chapter 9 characterizes the application of radioactive elements and ionizing radiation in very differing fields, especially in medicine, as well as many application areas in differing technologies. The final chapter emphasises the safety aspects of radioactive element appli- cations and risks associated with them. In preparation of the book, 120 literature sources (textbooks, monographs, articles in scientific journals, Internet resources) in Latvian, English, German, Russian languages have been examined, and the current volume has been illustrated with ~ 140 figures. The main expected contribution of the book “Radioactivity” is raising the awareness of society about this phenomenon, expanding the understanding of the risks associated with any contact with radioactive elements, ionizing radiation, and explaining the met- hods how to prevent these risks. We cannot renounce the use of radioactive elements, radiation, thus, it is essential to understand the potential of their use and be aware on risks, at the same time being equipped with the  knowledge of employing this resource safely. Māris Kļaviņš Radioaktivitāte LU Akadēmiskais apgāds Aspazijas bulv. 5–132, Rīga, LV-1050 www.apgads.lu.lv