Энергия ионизирующего излучения

Энергия ионизирующего излучения

«Отношение людей к той или иной опасности определяется тем, насколько хорошо она им знакома».

Настоящий материал – обобщённый ответ на многочисленные вопросы, возникающие пользователей приборов для обнаружения и измерения радиации в бытовых условиях.
Минимальное использование специфической терминологии ядерной физики при изложении материала поможет вам свободно ориентироваться этой в экологической проблеме, не поддаваясь радиофобии, но и без излишнего благодушия.

Опасность РАДИАЦИИ реальная и мнимая

«Один из первых открытых природных радиоактивных элементов был назван «радием»
— в переводе с латинского-испускающий лучи, излучающий».

Каждого человека в окружающей среде подстерегают различные явления, оказывающие на него влияние. К ним можно отнести жару, холод, магнитные и обычные бури, проливные дожди, обильные снегопады, сильные ветры, звуки, взрывы и др.

Благодаря наличию органов чувств, отведенных ему природой, он может оперативно реагировать на эти явления с помощью, например, навеса от солнца, одежды, жилья, лекарств, экранов, убежищ и т.д.

Однако, в природе существует явление, на которое человек из-за отсутствия необходимых органов чувств не может мгновенно реагировать — это радиоактивность. Радиоактивность — не новое явление; радиоактивность и сопутствующие ей излучения (т.н. ионизирующие) существовали во Вселенной всегда. Радиоактивные материалы входят в состав Земли и даже человек слегка радиоактивен, т.к. в любой живой ткани присутствуют в малейших количествах радиоактивные вещества.

Самое неприятное свойство радиоактивного (ионизирующего) излучения — его воздействие на ткани живого организма, поэтому необходимы соответствующие измерительные приборы, которые предоставляли бы оперативную информацию для принятия полезных решений до того, когда пройдет продолжительное время и проявятся нежелательные или даже губительные последствия.что его воздействие человек начнет ощущать не сразу, а лишь по прошествии некоторого времени. Поэтому информацию о наличии излучения и его мощности необходимо получить как можно раньше.
Однако, хватит загадок. Поговорим о том, что же такое радиация и ионизирующее (т. е. радиоактивное) излучение.

Ионизирующее излучение

Любая среда состоит из мельчайших нейтральных частиц-атомов, которые состоят из положительно заряженных ядер и окружающих их отрицательно заряженных электронов. Каждый атом похож на солнечную систему в миниатюре: вокруг крошечного ядра движутся по орбитам «планеты» — электроны.
Ядро атома состоит из нескольких элементарных частиц-протонов и нейтронов, удерживаемых ядерными силами.

Протоны частицы имеющие положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электронов.

Нейтроны нейтральные, не обладающие зарядом, частицы. Число электронов в атоме в точности равно числу протонов в ядре, поэтому каждый атом в целом нейтрален. Масса протона почти в 2000 раз больше массы электрона.

Число присутствующих в ядре нейтральных частиц (нейтронов) может быть разным при одинаковом числе протонов. Такие атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, относятся к разновидностям одного и того же химического элемента, называемым «изотопами» данного элемента. Чтобы отличить их друг от друга, к символу элемента приписывают число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа. Так уран-238 содержит 92 протона и 146 нейтронов; в уране 235 тоже 92 протона, но 143 нейтрона. Все изотопы химического элемента образуют группу «нуклидов». Некоторые нуклиды стабильны, т.е. не претерпевают никаких превращений, другие же, испускающие частицы нестабильны и превращаются в другие нуклиды. В качестве примера возьмем атом урана — 238. Время от времени из него вырывается компактная группа из четырех частиц: двух протонов и двух нейтронов -«альфа-частица (альфа)». Уран-238 превращается, таким образом, в элемент, в ядре которого содержится 90 протонов и 144 нейтрона — торий-234. Но торий-234 тоже нестабилен: один из его нейтронов превращается в протон, и торий-234 превращается в элемент, в ядре которого содержится 91 протон и 143 нейтрона. Это превращение сказывается и на движущихся по своим орбитам электронах (бета): один из них становится как бы лишним, не имеющим пары (протона), поэтому он покидает атом. Цепочка многочисленных превращений, сопровождающаяся альфа- или бета- излучениями, завершается стабильным нуклидом свинца. Разумеется, существует много подобных цепочек самопроизвольных превращений (распадов) разных нуклидов. Период полураспада, есть отрезок времени, за который исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается в два раза.
При каждом акте распада высвобождается энергия, которая и передается в виде излучения. Часто нестабильный нуклид оказывается в возбужденном состоянии и при этом испускание частицы не приводит к полному снятию возбуждения; тогда он выбрасывает порцию энергии в виде гамма-излучения (гамма-кванта). Как и в случае рентгеновских лучей (отличающихся от гамма-излучения только частотой) при этом не происходит испускания каких-либо частиц. Весь процесс самопроизвольного распада нестабильного нуклида называется радиоактивным распадом, а сам нуклид радионуклидом.

Различные виды излучений сопровождаются высвобождением разного количества энергии и обладают различной проникающей способностью; поэтому они оказывают неодинаковое воздействие на ткани живого организма. Альфа-излучение, задерживается, например, листом бумаги и практически не способно проникнуть через наружный слой кожи. Поэтому оно не представляет опасности до тех пор, пока радиоактивные вещества, испускающие альфа — частицы, не попадут внутрь организма через открытую рану, с пищей, водой или с вдыхаемым воздухом или паром, например, в бане; тогда они становятся чрезвычайно опасными. Бета — частица обладает большей проникающей способностью: она проходит в ткани организма на глубину один-два сантиметра и более, в зависимости от величины энергии. Проникающая способность гамма-излучения, которое распространяется со скоростью света, очень велика: его может задержать лишь толстая свинцовая или бетонная плита. Ионизирующее излучение характеризуется рядом измеряемых физических величин. К ним следует отнести энергетические величины. На первый взгляд может показаться, что их бывает достаточно для регистрации и оценки воздействия ионизирующего излучения на живые организмы и человека. Однако, эти энергетические величины не отражают физиологического воздействия ионизирующего излучения на человеческий организм и другие живые ткани, субъективны, и для разных людей различны. Поэтому используются усредненные величины.

Источники радиации

Источники радиации бывают естественными, присутствующими в природе, и не зависящими от человека.

Установлено, что из всех естественных источников радиации наибольшую опасность представляет радон -тяжелый газ без вкуса, запаха и при этом невидимый; со своими дочерними продуктами.

Радон высвобождается из земной коры повсеместно, но его концентрация в наружном воздухе существенно различается для различных точек земного шара. Как ни парадоксально это может показаться на первый взгляд, но основное излучение от радона человек получает, находясь в закрытом, непроветриваемом помещении. Радон концентрируется в воздухе внутри помещений лишь тогда, когда они в достаточной мере изолированы от внешней среды. Просачиваясь через фундамент и пол из грунта или, реже, высвобождаясь из стройматериалов, радон накапливается в помещении. Герметизация помещений с целью утепления только усугубляет дело, поскольку при этом еще более затрудняется выход радиоактивного газа из помещения. Проблема радона особенно важна для малоэтажных домов с тщательной герметизацией помещений (с целью сохранения тепла) и использованием глинозема в качестве добавки к строительным материалам (т.н. «шведская проблема»). Самые распространенные стройматериалы — дерево, кирпич и бетон — выделяют относительно немного радона. Гораздо большей удельной радиоактивностью обладают гранит, пемза, изделия из глиноземного сырья, фосфогипса.

Еще один, как правило менее важный, источник поступления радона в помещения представляет собой вода и природный газ, используемый для приготовления пищи и обогрева жилья.

Концентрация радона в обычно используемой воде чрезвычайно мала, но вода из глубоких колодцев или артезианских скважин содержит очень много радона. Однако основная опасность исходит вовсе не от питья воды, даже при высоком содержании в ней радона. Обычно люди потребляют большую часть воды в составе пищи и в виде горячих напитков, а при кипячении воды или приготовлении горячих блюд радон практически полностью улетучивается. Гораздо большую опасность представляет попадание паров воды с высоким содержанием радона в легкие вместе с вдыхаемым воздухом, что чаще всего происходит в ванной комнате или парилке (парной).

В природный газ радон проникает под землей. В результате предварительной переработки и в процессе хранения газа перед поступлением его к потребителю большая часть радона улетучивается, но концентрация радона в помещении может заметно возрасти, если кухонные плиты и другие нагревательные газовые приборы не снабжены вытяжкой. При наличии же приточно — вытяжной вентиляции, которая сообщается с наружным воздухом, концентрации радона в этих случаях не происходит. Это относится и к дому в целом -ориентируясь на показания детекторов радона можно установить режим вентиляции помещений, полностью исключающий угрозу здоровью. Однако, учитывая, что выделение радона из грунта имеет сезонный характер, нужно контролировать эффективность вентиляции три-четыре раза в год, не допуская превышения норм концентрации радона.

Другие источники радиации, к сожалению обладающие потенциальной опасностью, созданы самим человеком. Источники искусственной радиации — это созданные с помощью ядерных реакторов и ускорителей искусственные радионуклиды, пучки нейтронов и заряженных частиц. Они получили название техногенных источников ионизирующего излучения. Оказалось, что наряду с опасным для человека характером, радиацию можно поставить на службу человеку. Вот далеко не полный перечень областей применения радиации: медицина, промышленность, сельское хозяйство, химия, наука и т.д. Успокаивающим фактором является контролируемый характер всех мероприятий, связанных с получением и применением искусственной радиации.

Особняком по своему воздействию на человека стоят испытания ядерного оружия в атмосфере, аварии на АЭС и ядерных реакторах и результаты их работы, проявляющиеся в радиоактивных осадках и радиоактивных отходах. Однако только чрезвычайные ситуации, типа Чернобыльской аварии, могут оказать неконтролируемое воздействие на человека.
Остальные работы легко контролируются на профессиональном уровне.

При выпадении радиоактивных осадков в некоторых местностях Земли радиация может попадать внутрь организма человека непосредственно через с/х продукцию и питание. Обезопасить себя и своих близких от этой опасности очень просто. При покупке молока, овощей, фруктов, зелени, да и любых других продуктов совсем не лишним будет включить дозиметр и поднести его к покупаемой продукции. Радиации не видно — но прибор мгновенно определит наличие радиоактивного загрязнения. Такова наша жизнь в третьем тысячелетии — дозиметр становится атрибутом повседневной жизни, как носовой платок, зубная щетка, мыло.

ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ТКАНИ ОРГАНИЗМА

Повреждений, вызванных в живом организме ионизирующим излучением, будет тем больше, чем больше энергии оно передаст тканям; количество этой энергии называется дозой, по аналогии с любым веществом поступающим в организм и полностью им усвоенным. Дозу излучения организм может получить независимо от того, находится ли радионуклид вне организма или внутри него.

Читайте также:  Что такое газовая гангрена фото

Количество энергии излучения, поглощенное облучаемыми тканями организма, в пересчете на единицу массы называется поглощенной дозой и измеряется в Греях. Но эта величина не учитывает того, что при одинаковой поглощенной дозе альфа-излучение гораздо опаснее (в двадцать раз) бета или гамма-излучений. Пересчитанную таким образом дозу называют эквивалентной дозой; ее измеряют в единицах называемых Зивертами.

Следует учитывать также, что одни части тела более чувствительны, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения, возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения человека следует учитывать с различными коэффициентами. Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав по всем органам и тканям, получим эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения для организма; она также измеряется в Зивертах.

Заряженные частицы.

Проникающие в ткани организма альфа- и бета-частицы теряют энергию вследствие электрических взаимодействий с электронами тех атомов, близ которых они проходят. (Гамма-излучение и рентгеновские лучи передают свою энергию веществу несколькими способами, которые в конечном счете также приводят к электрическим взаимодействиям).

Электрические взаимодействия.

За время порядка десяти триллионных секунды после того, как проникающее излучение достигнет соответствующего атома в ткани организма, от этого атома отрывается электрон. Последний заряжен отрицательно, поэтому остальная часть исходно нейтрального атома становится положительно заряженной. Этот процесс называется ионизацией. Оторвавшийся электрон может далее ионизировать другие атомы.

Физико-химические изменения.

И свободный электрон, и ионизированный атом обычно не могут долго пребывать в таком состоянии и в течение следующих десяти миллиардных долей секунды участвуют в сложной цепи реакций, в результате которых образуются новые молекулы, включая и такие чрезвычайно реакционно способные, как "свободные радикалы".

Химические изменения.

В течение следующих миллионных долей секунды образовавшиеся свободные радикалы реагируют как друг с другом, так и с другими молекулами и через цепочку реакций, еще не изученных до конца, могут вызвать химическую модификацию важных в биологическом отношении молекул, необходимых для нормального функционирования клетки.

Биологические эффекты.

Биохимические изменения могут произойти как через несколько секунд, так и через десятилетия после облучения и явиться причиной немедленной гибели клеток или изменений в них.

ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИОАКТИВНОСТИ

Единицы активности радионуклида.
Представляют собой число распадов в единицу времени. Единицы поглощённой дозы.
Представляют собой количество энергии ионизирующего излучения, поглощенное единицей массы какого-либо физического тела, например тканями организма. 1 Зв = 1 Гр = 1 Дж/кг (для бета и гамма)
1 мкЗв = 1/1000000 Зв
1 бер = 0.01 Зв = 10 мЗв Единицы эквивалентной дозы. Единицы эквивалентной дозы.
Представляют собой единицу поглощенной дозы, умноженную на коэффициент, учитывающий неодинаковую опасность разных видов ионизирующего излучения. Единицы мощности дозы.
Представляют собой дозу полученную организмом за единицу времени.

Для информации, а не для запугивания, особенно людей, решивших посвятить себя работе с ионизирующим излучением, следует знать предельно допустимые дозы. Единицы измерения радиоактивности приведены в таблице 1. По заключению Международной комиссии по радиационной защите на 1990 г. вредные эффекты могут наступать при эквивалентных дозах не менее 1,5 Зв (150 бэр) полученных в течение года, а в случаях кратковременного облучения — при дозах выше 0,5 Зв (50 бэр). Когда облучение превышает некоторый порог, возникает лучевая болезнь. Различают хроническую и острую (при однократном массивном воздействии) формы этой болезни. Острую лучевую болезнь по тяжести подразделяют на четыре степени, начиная от дозы 1-2 Зв (100-200 бэр, 1-я степень) до дозы более 6 Зв (600 бэр, 4-я степень). Четвертая степень может закончиться летальным исходом.

Дозы, получаемые в обычных условиях, ничтожны по сравнению с указанными. Мощность эквивалентной дозы, создаваемой естественным излучением, колеблется от 0,05 до 0,2 мкЗв/ч, т.е. от 0,44 до 1,75 мЗв/год (44-175 мбэр/год).
При медицинских диагностических процедурах — рентгеновских снимках и т.п. — человек получает еще примерно 1,4 мЗв/год.

Поскольку в кирпиче и бетоне в небольших дозах присутствуют радиоактивные элементы, доза возрастает еще на 1,5 мЗв/год. Наконец, из-за выбросов современных тепловых электростанций, работающих на угле, и при полетах на самолете человек получает до 4 мЗв/год. Итого существующий фон может достигать 10 мЗв/год, но в среднем не превышает 5 мЗв/год (0,5 бэр/год).

Такие дозы совершенно безвредны для человека. Предел дозы в добавление к существующему фону для ограниченной части населения в зонах повышенной радиации установлен 5 мЗв/год (0,5 бэр/год), т.е. с 300-кратным запасом. Для персонала, работающего с источниками ионизирующих излучений, установлена предельно допустимая доза 50 мЗв/ год (5 бэр/год), т.е. 28 мкЗв/ч при 36-часовой рабочей неделе.

Согласно гигиеническим нормативам НРБ-96 (1996 г.) допустимые уровни мощности дозы при внешнем облучении всего тела от техногенных источников для помещения постоянного пребывания лиц из персонала — 10 мкГр/ч, для жилых помещений и территории, где постоянно находятся лица из населения — 0,1 мкГр/ч (0,1 мкЗв/ч, 10 мкР/ч).

ЧЕМ ИЗМЕРЯЮТ РАДИАЦИЮ

Несколько слов о регистрации и дозиметрии ионизирующего излучения. Существуют различные методы регистрации и дозиметрии: ионизационный (связанный с прохождением ионизирующего излучения в газах), полупроводниковый (в котором газ заменен твердым телом), сцинтиляционный, люминесцентный, фотографический. Эти методы положены в основу работы дозиметров радиации. Среди газонаполненных датчиков ионизирующего излучения можно отметить ионизационные камеры, камеры деления, пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера-Мюллера. Последние относительно просты, наиболее дешевы, не критичны к условиям работы, что и обусловило их широкое применение в профессиональной дозиметрической аппаратуре, предназначенной для обнаружения и оценки бета- и гамма-излучения. Когда датчиком служит счетчик Гейгера-Мюллера, любая вызывающая ионизацию частица, попадающая в чувствительный объем счетчика, становится причиной самостоятельного разряда. Именно попадающая в чувствительный объем! Поэтому не регистрируются альфа -частицы, т.к. они туда не могут проникнуть. Даже при регистрации бета — частиц необходимо приблизить детектор к объекту, чтобы убедиться в отсутствии излучения, т.к. в воздухе энергия этих частиц может быть ослаблена, они могут не преодолеть корпус прибора, не попадут в чувствительный элемент и не будут обнаружены.

Доктор физико-математических наук, Профессор МИФИ Н.М. Гаврилов
статья написана для компании "Кварта-Рад"

Основные факты

  • Ионизирующее излучение — это вид энергии, высвобождаемой атомами в форме электромагнитных волн или частиц.
  • Люди подвергаются воздействию природных источников ионизирующего излучения, таких как почва, вода, растения, и воздействию искусственных источников, таких как рентгеновское излучение и медицинские устройства.
  • Ионизирующее излучение имеет многочисленные полезные виды применения, в том числе в медицине, промышленности, сельском хозяйстве и в научных исследованиях.
  • По мере расширения использования ионизирующего излучения увеличивается и потенциал опасностей для здоровья, если оно используется или ограничивается ненадлежащим образом.
  • Острое воздействие на здоровье, такое как ожог кожи или острый лучевой синдром, может возникнуть, когда доза облучения превышает определенные уровни.
  • Низкие дозы ионизирующего излучения могут увеличить риск более долгосрочных последствий, таких как рак.

Что такое ионизирующее излучение?

Ионизирующее излучение — это вид энергии, высвобождаемой атомами в форме электромагнитных волн (гамма- или рентгеновское излучение) или частиц (нейтроны, бета или альфа). Спонтанный распад атомов называется радиоактивностью, а избыток возникающей при этом энергии является формой ионизирующего излучения. Нестабильные элементы, образующиеся при распаде и испускающие ионизирующее излучение, называются радионуклидами.

Все радионуклиды уникальным образом идентифицируются по виду испускаемого ими излучения, энергии излучения и периоду полураспада.

Активность, используемая в качестве показателя количества присутствующего радионуклида, выражается в единицах, называемых беккерелями (Бк): один беккерель — это один акт распада в секунду. Период полураспада — это время, необходимое для того, чтобы активность радионуклида в результате распада уменьшилась наполовину от его первоначальной величины. Период полураспада радиоактивного элемента — это время, в течение которого происходит распад половины его атомов. Оно может находиться в диапазоне от долей секунды до миллионов лет (например, период полураспада йода-131 составляет 8 дней, а период полураспада углерода-14 — 5730 лет).

Источники излучения

Люди каждый день подвергаются воздействию естественного и искусственного излучения. Естественное излучение происходит из многочисленных источников, включая более 60 естественным образом возникающих радиоактивных веществ в почве, воде и воздухе. Радон, естественным образом возникающий газ, образуется из горных пород, почвы и является главным источником естественного излучения. Ежедневно люди вдыхают и поглощают радионуклиды из воздуха, пищи и воды.

Люди подвергаются также воздействию естественного излучения из космических лучей, особенно на большой высоте. В среднем 80% ежегодной дозы, которую человек получает от фонового излучения, это естественно возникающие наземные и космические источники излучения. Уровни такого излучения варьируются в разных реогрфических зонах, и в некоторых районах уровень может быть в 200 раз выше, чем глобальная средняя величина.

На человека воздействует также излучение из искусственных источников — от производства ядерной энергии до медицинского использования радиационной диагностики или лечения. Сегодня самыми распространенными искусственными источниками ионизирующего излучения являются медицинские аппараты, как рентгеновские аппараты, и другие медицинские устройства.

Воздействие ионизирующего излучения

Воздействие излучения может быть внутренним или внешним и может происходить различными путями.

Внутренне воздействие ионизирующего излучения происходит, когда радионуклиды вдыхаются, поглощаются или иным образом попадают в кровообращение (например, в результате инъекции, ранения). Внутреннее воздействие прекращается, когда радионуклид выводится из организма либо самопроизвольно (с экскрементами), либо в результате лечения.

Внешнее радиоактивное заражение может возникнуть, когда радиоактивный материал в воздухе (пыль, жидкость, аэрозоли) оседает на кожу или одежду. Такой радиоактивный материал часто можно удалить с тела простым мытьем.

Воздействие ионизирующего излучения может также произойти в результате внешнего излучения из соответствующего внешнего источника (например, такое как воздействие радиации, излучаемой медицинским рентгеновским оборудованием). Внешнее облучение прекращается в том случае, когда источник излучения закрыт, или когда человек выходит за пределы поля излучения.

Люди могут подвергаться воздействию ионизирующего излучения в различных обстоятельствах: дома или в общественных местах (облучение в общественных местах), на своих рабочих местах (облучение на рабочем месте) или в медицинских учреждениях (пациенты, лица, осуществляющие уход, и добровольцы).

Воздействие ионизирующего излучения можно классифицировать по трем случаям воздействия.

Первый случай — это запланированное воздействие, которое обусловлено преднамеренным использованием и работой источников излучения в конкретных целях, например, в случае медицинского использования излучения для диагностики или лечения пациентов, или использование излучения в промышленности или в целях научных исследований.

Второй случай — это существующие источники воздействия, когда воздействие излучения уже существует и в случае которого необходимо принять соответствующие меры контроля, например, воздействие радона в жилых домах или на рабочих местах или воздействие фонового естественного излучения в условиях окружающей среды.

Читайте также:  Состав эссенциале форте в капсулах

Последний случай — это воздействие в чрезвычайных ситуациях, обусловленных неожиданными событиями, предполагающими принятие оперативных мер, например, в случае ядерных происшествий или злоумышленных действий.

На медицинское использование излучения приходится 98% всей дозы облучения из всех искусственных источников; оно составляет 20% от общего воздействия на население. Ежегодно в мире проводится 3 600 миллионов радиологических обследований в целях диагностики, 37 миллионов процедур с использованием ядерных материалов и 7,5 миллиона процедур радиотерапии в лечебных целях.

Последствия ионизирующего излучения для здоровья

Радиационное повреждение тканей и/или органов зависит от полученной дозы облучения или поглощенной дозы, которая выражается в грэях (Гр).

Эффективная доза используется для измерения ионизирующего излучения с точки зрения его потенциала причинить вред. Зиверт (Зв) — единица эффективной дозы, в которой учитывается вид излучения и чувствительность ткани и органов. Она дает возможность измерить ионизирующее излучение с точки зрения потенциала нанесения вреда. Зв учитывает вид радиации и чувствительность органов и тканей.

Зв является очень большой единицей, поэтому более практично использовать меньшие единицы, такие как миллизиверт (мЗв) или микрозиверт (мкЗв). В одном мЗв содержится тысяча мкЗв, а тысяча мЗв составляют один Зв. Помимо количества радиации (дозы), часто полезно показать скорость выделения этой дозы, например мкЗв/час или мЗв/год.

Выше определенных пороговых значений облучение может нарушить функционирование тканей и/или органов и может вызвать острые реакции, такие как покраснение кожи, выпадение волос, радиационные ожоги или острый лучевой синдром. Эти реакции являются более сильными при более высоких дозах и более высокой мощности дозы. Например, пороговая доза острого лучевого синдрома составляет приблизительно 1 Зв (1000 мЗв).

Если доза является низкой и/или воздействует длительный период времени (низкая мощность дозы), обусловленный этим риск существенно снижается, поскольку в этом случае увеличивается вероятность восстановления поврежденных тканей. Тем не менее риск долгосрочных последствий, таких как рак, который может проявиться через годы и даже десятилетия, существует. Воздействия этого типа проявляются не всегда, однако их вероятность пропорциональна дозе облучения. Этот риск выше в случае детей и подростков, так как они намного более чувствительны к воздействию радиации, чем взрослые.

Эпидемиологические исследования в группах населения, подвергшихся облучению, например людей, выживших после взрыва атомной бомбы, или пациентов радиотерапии, показали значительное увеличение вероятности рака при дозах выше 100 мЗв. В ряде случаев более поздние эпидемиологические исследования на людях, которые подвергались воздействию в детском возрасте в медицинских целях (КТ в детском возрасте), позволяют сделать вывод о том, что вероятность рака может повышаться даже при более низких дозах (в диапазоне 50-100 мЗв).

Дородовое воздействие ионизирующего излучения может вызвать повреждение мозга плода при сильной дозе, превышающей 100 мЗв между 8 и 15 неделей беременности и 200 мЗв между 16 и 25 неделей беременности. Исследования на людях показали, что до 8 недели или после 25 недели беременности связанный с облучением риск для развития мозга плода отсутствует. Эпидемиологические исследования свидетельствуют о том, что риск развития рака у плода после воздействия облучения аналогичен риску после воздействия облучения в раннем детском возрасте.

Деятельность ВОЗ

ВОЗ разработала радиационную программу защиты пациентов, работников и общественности от опасности воздействия радиации на здоровье в планируемых, существующих и чрезвычайных случаях воздействия. Эта программа, которая сосредоточена на аспектах общественного здравоохранения, охватывает деятельность, связанную с оценкой риска облучения, его устранением и информированием о нем.

В соответствии с основной функцией, касающейся "установления норм и стандартов, содействия в их соблюдении и соответствующего контроля" ВОЗ сотрудничает с 7 другими международными организациями в целях пересмотра и обновления международных стандартов базовой безопасности, связанной с радиацией (СББ). ВОЗ приняла новые международные СББ в 2012 году и в настоящее время проводит работу по оказанию поддержки в осуществлении СББ в своих государствах-членах.

ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ — любые излучения, взаимодействие которых со средой приводит к ионизации с образованием электрических зарядов разных знаков.

Ионизация (см.) и возникающее вместе с ней возбуждение атомов и молекул являются пусковым механизмом процессов, приводящих к развитию лучевого поражения биол, структур — клеток, тканей, органов, систем и всего организма в целом (см. Лучевая болезнь, Лучевая терапия, Лучевые повреждения).

И. и. может быть непосредственно или косвенно ионизирующим. Непосредственно ионизирующим излучением являются заряженные частицы с кинетической энергией, достаточной для ионизации при столкновении с атомами вещества. К непосредственно И. и. относятся корпускулярные излучения — потоки электронов, позитронов, тяжелых заряженных частиц — протонов. дейтронов, альфа-частиц, ядер других атомов, заряженных мезонов и гиперонов (см. Альфа-излучение, Космическое излучение, Протонное излучение, Электронное излучение, Ядро атомное).

Источниками И. и. являются естественные и искусственные радиоактивные вещества (см. Радиоактивность, Ядерное оружие), космическое пространство (см. Космическое излучение), ядерные реакторы (см. Реакторы ядерные), рентгеновские трубки (см. Рентгеновские аппараты) и различные ускорители заряженных частиц —бетатроны, циклотроны, линейные ускорители, синхротроны, микротроны и др. (см. Ускорители заряженных частиц).

Заряженные частицы при взаимодействии с атомами среды теряют свою энергию не только на возбуждение и ионизацию атомов (ионизационные потери), но и на излучение при торможении (радиационные потери). Потеря энергии может происходить и при упругих соударениях, т. к. в результате таких соударений передается часть кинетической энергии.

Среднее количество энергии, расходуемое заряженной частицей на возбуждение и ионизацию атомов на единице длины пути в данном веществе, называется линейной передачей энергии (см.) или линейной ионизационной тормозной способностью вещества. Число пар ионов, образующихся в среднем на единице длины пути заряженной частицы, называется линейной плотностью ионизации. Заряженная частица с начальной кинетической энергией (Е) создает на своем пути до полной остановки п = Е/W пар ионов, где W = так наз. средняя энергия ионообразования. Ионизационная тормозная способность описывается уравнением Бете. С увеличением атомного номера (Z) вещества, с к-рым происходит взаимодействие заряженных частиц, тормозная способность, поделенная на плотность вещества, медленно убывает. С увеличением энергии заряженных частиц от нуля ионизационная тормозная способность сначала возрастает, а затем уменьшается, т. к. сокращается время взаимодействия летящей частицы с атомами, расположенными на ее пути. Количество энергии, теряемой заряженной частицей на ионизацию и на тормозное излучение, зависит от массы, заряда и энергии частицы. Энергия, при к-рой ионизационные потери энергии частиц равны радиационным, называется критической энергией. Для электронов зависимость критической энергии от атомного номера (Z) среды может быть выражена:

Eкр = 800 / (Z + 1,2) МэВ

В воде и биол, ткани критическая энергия для электронов составляет 9,2 МэВ, а для протонов 10 7 —10 8 МэВ. Т. о., при обычно встречающихся значениях энергии радиационные потери у электронов могут быть значительными у протонов и у других тяжелых заряженных частиц они практически отсутствуют, наблюдаются только ионизационные потери энергии. Для альфа-частиц минимальная передача энергии в 4 раза больше, чем для протонов той же скорости. Зависимость линейной передачи энергии от энергии различных заряженных частиц имеет сходную форму, но с увеличением массы заряженной частицы кривая, изображающая эту зависимость, сдвигается в сторону более высоких энергий. В области малых значений энергии линейная передача энергии возрастает, достигает максимума, а затем уменьшается, проходит через минимум и при дальнейшем увеличении энергии снова медленно возрастает. Для электронов наименьшее значение линейной передачи энергии наблюдается при энергии ок. 1 МэВ, для протонов ок. 2000 МэВ.

Теряя свою энергию на ионизацию и излучение, заряженная частица проходит определенный путь в данном веществе, зависящий от энергии частицы. Т. к. траектория частицы, испытывающей многократные столкновения, не прямолинейна и у каждой частицы своя, то понятие «длина пробега» условно. Пропуская поток мононаправленных частиц через различные слои данного вещества, исследуют число частиц, прошедших через слои разной толщины, т. е. строят кривую ослабления. Для частиц с одинаковой начальной энергией число проходящих частиц резко уменьшается, начиная от нек-рой толщины слоя. Экстраполируя спадающую часть кривой к оси толщин, определяют средний или экстраполированный пробег частиц данной энергии в веществе. У протонов и других тяжелых заряженных частиц реальный пробег отдельных частиц мало отличается от среднего. У электронов разброс велик. Для бета-излучения (см.) с непрерывным энергетическим спектром от нуля до граничной энергии пробег (в см) в веществе можно определить по формуле:

R = (0,546 • Emax -0,16)ρ,

где Emax — граничная энергия электронов (бета-частиц) в МэВ и ρ — плотность вещества в г/см3. Этой формулой пользуются при расчетах толщины материалов, применяющихся для защиты от бета-излучения (см. Противолучевая защита). Бета-излучение с граничной энергией 50 кэВ имеет пробег в воздухе 4,4 см, а в воде или биол, ткани 47 мкм. При энергии в 5 МэВ пробег в воздухе составляет 20 м, в воде 2,6 см. Чем тяжелее заряженная частица с данной энергией, тем меньше длина пробега ее в данном веществе. Так, для протонов с энергией 5 МэВ длина пробега в воздухе порядка 40 см, в воде 0,5 мм. У альфа-частицы той же энергии пробег в воздухе порядка 3,5 см, в воде 45 мкм, Пробеги тяжелых ядер и их осколков составляют в воздухе несколько миллиметров, а в воде несколько микрометров.

Тяжелые заряженные частицы, обладая малой длиной пробега, создают большое число пар ионов на единице пути. Так, альфа-частица с энергией 5 МэВ создает в воздухе десятки тысяч нар ионов на 1 см пути, в биол, ткани несколько тысяч пар ионов на пути в 1 мкм. Протоны с той же энергией создают на 1 см пути в воздухе тысячи нар ионов и в биол, ткани сотни пар ионов на пути в 1 мкм. Из заряженных частиц электроны обладают наименьшей линейной плотностью ионизации и при той же энергии в 5 МэВ создают на 1 см пути в воздухе меньше сотни пар ионов и в биол, ткани несколько пар ионов на 1 мкм.

Ионизация на пути пробега частицы совершается неравномерно, плотность ионизации возрастает, образуя на конце пробега так наз. пик Брэгга. Плотность ионизации в пике Брэгга для тяжелых заряженных частиц (альфа-частиц, протонов, дейтронов) может в сотни раз превышать плотность ионизации в начале пути. Наличие неравномерного распределения плотности ионизации в биол, ткани для тяжелых заряженных частиц создает благоприятные условия их использования в лучевой терапии (см.), т. к. позволяет почти локально подвести нужное количество энергии излучения к облучаемому очагу. Изменяя энергию заряженных частиц, можно смещать положение пика Брэгга по глубине ткани и обеспечивать максимальное поглощение энергии излучения на нужной глубине. Это свойство используется, в частности, при лучевой терапии протонами, ускоренными на мощных ускорителях до энергии в сотни мегаэлектрон-вольт (см. Протонная терапия).

Читайте также:  Термография что это такое видео

При взаимодействии с веществом рентгеновское и гамма-излучения образуют вторичные электроны — фотоэлектроны (при фотоэффекте), электроны отдачи (при комптон-эффекте) или электронно-позитронные пары. Образованные фотонным излучением в веществе электроны производят ионизацию так же, как и первичные электроны той же энергии.

Нейтроны (см. Нейтронное излучение) в результате взаимодействия с ядрами атомов могут образовывать как заряженные частицы, так и фотоны гамма-излучения. Быстрые нейтроны теряют свою энергию в результате упругих и неупругих столкновений с ядрами, сообщая им часть своей энергии. При упругом рассеянии сумма кинетических энергий рассеянного нейтрона и ядра отдачи равна первоначальной кинетической энергии нейтрона. Если ядро отдачи приобретает большую кинетическую энергию, то оно способно производить ионизацию.

При упругом соударении энергия распределяется в зависимости от массы сталкивающихся частиц. Наибольшее количество энергии приобретают частицы, масса которых меньше или равна массе нейтрона, напр, ядра отдачи водорода, т. е. протоны. Поэтому наиболее эффективное замедление быстрых нейтронов происходит на водородсодержащих веществах (вода, парафин и др.), которые и используют при защите от нейтронного излучения (см. Противолучевая защита), а также на биол, ткани, содержащей ок. 10% водорода. При каждом упругом соударении с ядрами водорода нейтрон теряет в среднем половину своей энергии и, испытав несколько столкновений, превращается в медленный нейтрон. Основная часть энергии, передаваемой быстрыми нейтронами биол, объектам, обусловлена упругим рассеянием на ядрах водорода.

Медленные нейтроны теряют свою энергию в результате захвата их ядрами. При таком захвате образуются новые изотопы, часть которых является искусственно радиоактивными и распадается, испуская энергию в виде заряженных частиц и фотонов излучения. Основные реакции, в которых медленные нейтроны передают свою энергию облучаемым биол, объектам,— это реакции с водородом, сопровождающиеся испусканием фотонов гамма-излучения с энергией 2,2 МэВ и образованием дейтерия, и с азотом, сопровождающиеся испусканием протонов с энергией 0,59 МэВ и образованием бета-активного изотопа углерода 14 С с большим периодом полураспада (см. Изотопы). Нейтроны широко используют в медицине и биологии (см. Нейтронная терапия).

В зависимости от линейной плотности ионизации или линейной передачи энергии первично или вторично заряженных частиц разные виды И. и. при одинаковой дозе излучения вызывают различный по величине биол, эффект, т. е. обладают различной биол, эффективностью (см. Относительная биологическая эффективность излучений). Относительная биол, эффективность (ОБЭ) тем больше, чем больше линейная передача энергии И. и. или чем больше энергии передает частица веществу на единице длины своего пробега. При очень большой линейной передаче энергии ОБЭ перестает увеличиваться и даже уменьшается. При обеспечении радиационной безопасности различие биол, эффективности разных видов излучения определяется так наз. коэффициентом качества, являющимся коэффициентом пропорциональности поглощенной и эквивалентной доз излучения (см. Дозы ионизирующих излучений).

Биологическое действие ионизирующих излучений. Первичные физ. процессы, возникающие в результате воздействия И. и. на биол, объект, вызывают образование веществ с высокой хим. активностью. Биол, действие излучения в основном связывают с продуктами радиолиза воды, к к-рым относятся свободные атомы и радикалы H, OH, HO2 и перекись водорода H2O2. Однако И. и. может оказывать и прямое действие на биол, молекулы и надмолекулярные структуры. Излучение вызывает различные денатурационные изменения — разрыв наименее прочных связей, отрыв радикалов, деполимеризацию и другие изменения. В развитии биол, эффекта определенное значение могут иметь процессы миграции энергии и образования стойких метастабильных соединений, возникающих вследствие длительного сохранения состояния возбуждения в некоторых макромолекулярных субстратах. Использование в радиобиол. экспериментах радиоспектроскопических, масс-спектрометрических, люминесцентных и других физ. методов исследования позволило показать, что энергия излучения, полученная макромолекулами в результате прямого или косвенного действия излучения, как правило, не реализуется в том месте, где произошел акт взаимодействия. Она мигрирует по специфическим для данной структуры путям и поражает в наиболее «слабом» месте. Было показано, что при облучении в макромолекулах возникают скрытые долгоживущие повреждения, которые могут быть выявлены с помощью воздействия нерадиационных факторов.

H. М. Эммануэль высказал гипотезу о важной роли в развитии лучевого повреждения свободнорадикальных состояний (см. Радикалы), возникающих под действием облучения в главнейших биохим, компонентах. На участие цепных окислительных реакций в развитии первичных процессов лучевого поражения указывал Б. H. T ару сов. Помимо липидных радиотоксинов (см.), А. М. Кузиным идентифицированы токсические продукты хиноидной природы. При воздействии ионизирующего излучения в клетке возникают физ.-хим. нарушения — поражаются биологически важные макромолекулы, подавляется активность различных ферментных систем, изменяется структура молекулярных поверхностей многофазной среды клетки. Это приводит к повышению проницаемости мембран и изменению диффузионных процессов, что сопровождается явлениями денатурации белков, дегидратации системы, нарушениями внутренней среды клетки.

Считают, что радиочувствительность ядра и цитоплазмы одинакова. Однако роль повреждений клеточного ядра определяется биол, значимостью этой структуры для клетки. Структурные изменения хромосомного аппарата, как правило, ведут к гибели клетки в процессе митоза или к возникновению нежизнеспособного потомства клеток. Угнетение митотической активности тканей рассматривается как одно из специфических проявлений биол, действия ионизирующего излучения. С изменением ядерных хромосом связаны цитогенетические последствия поражений половых клеток.

Поражаемость клеток в значительной степени зависит от интенсивности митотического деления и обмена веществ, степени дифференцировки и развития клеток. С повышением уровня обменных процессов радиопоражаемость тканей увеличивается. В так наз. шкале радиочувствительности ткани занимают (по убывающему порядку) следующее положение: гемопоэтическая ткань, кишечный эпителий, гонады, эпителий кожи и сумки хрусталика, фиброзная ткань, хрящ, кость, мышцы, нервная ткань (см. Радиочувствительность).

Биологическое действие И. и. на организм зависит от вида и дозы излучения (см. Дозы ионизирующих излучений), линейной передачи энергии, условий облучения и распределения поглощенной дозы в организме (см. Облучение), фактора времени облучения (см.), избирательного поражения критических органов (см. Критический орган), а также от функц, состояния организма перед облучением. При местном внешнем облучении возможно выживание при дозах, намного превосходящих дозы, допустимые при общем облучении. Дробное (фракционированное) облучение легче переносится, и суммарная доза при повторных облучениях может значительно превышать однократную смертельную. Длительное хрон, облучение в достаточно больших дозах приводит к развитию хрон, лучевой болезни (см.).

При внешнем воздействии рентгеновского, гамма- и протонного излучений на все тело человека в дозе ок. 100 рад наблюдается временное изменение кроветворения (см. Кроветворение, в облученном организме).

Облучение в малых дозах может привести к временной стимуляции ряда функций при одновременном угнетении деятельности других, более радиочувствительных систем.

Наиболее ярко стимулирующее действие излучения выражено при облучении растительных объектов.

При общем внешнем облучении человека дозой в 150—400 рад развивается лучевая болезнь легкой и средней степеней тяжести, при дозе в 400—600 рад — тяжелая лучевая болезнь; облучение в дозе выше 600 рад является абсолютно смертельным, если не используются методы профилактики и терапии.

При облучении дозами в диапазоне 100—1000 рад в основе поражения лежит так наз. костномозговой механизм развития лучевой болезни. При общем или локальном облучении живота в дозах 1000—5000 рад превалирует кишечный механизм лучевого поражения в сочетании с явлениями токсемии. При остром облучении в дозах более 5000 рад развивается молниеносная форма лучевой болезни, для к-рой характерен церебральный механизм развития лучевого поражения (нарушение статики, судороги, общее возбуждение, нистагм, рвота). Облучение в дозах св. 20 000 рад приводит к гибели организма «под лучом».

Наряду с процессами, вызывающими непосредственное поражение тканей и клеток, необходимо учитывать действие излучения на системы, определяющие интегральные функции организма. Советскими учеными М. Н. Ливановым и А. В. Лебединским была показана высокая функц, чувствительность нервной системы. Отмечены сдвиги в биоэлектрической активности головного мозга, ретинограмме, изменения в условнорефлекторной деятельности при облучении экспериментальных животных и людей уже в дозах порядка 10 рад.

Влияние И. и. на нервную систему осуществляется как через рецепторные системы, так и в результате непосредственного поражения нервной ткани. Нарушение нервной регуляции функций может влиять на развитие ряда патол, изменений в организме.

В результате внешнего воздействия нейтронного излучения (см. Нейтронное излучение) в организме образуются различные радиоактивные вещества, напр, радионуклиды натрия, фосфора и др. При этом организм временно становится носителем радиоактивных веществ. Образование этой так наз. наведенной активности позволяет оценить дозу за счет определенной части спектра нейтронов, а ее влияние на общую дозу ничтожно мало.

Местное внешнее облучение вызывает в зависимости от дозы поражение различной степени тяжести (см. Катаракта, Ожоги). Оральный синдром возникает в условиях преимущественного облучения головы, для него характерны саливация, эпителииты (см. Радиоэпителиит), развитие язв в ротовой полости.

При облучении тяжелыми (много-зарядными) ионами возникают локальные повреждения, которые не исчезают самостоятельно и мало поддаются влиянию модифицирующих факторов.

При попадании в организм радионуклидов (см. Изотопы), которые могут быть источниками альфа-, бета- или гамма-излучений, происходит так наз. внутреннее облучение организма (см. Инкорпорирование радиоактивных веществ). Опасность его определяется особенностями метаболизма, удельной активностью, путями поступления радионуклидов в организм. Наиболее опасны радионуклиды, имеющие большой период полураспада и плохо выводящиеся из организма, напр., радий-226 ( 226 Ra), плутоний-239 ( 239 Pl). На поражающий эффект влияет место депонирования радионуклидов: стронций-89 ( 89 Sr) и стронций-90 ( 90 Sr)— кости; стронций-137 ( 137 Sr)— мышцы. Особую значимость и рано выявляющуюся опасность поражения имеют быстро резорбирующиеся радионуклиды с равномерным распределением в организме, напр, тритий ( 3 T) и полоний-210 ( 210 Po).

Библиография: Аглинцев К. К. Дозиметрия ионизирующих излучений, М., 1957, библиогр.; Голиков В. Я. и Коренков И. П. Радиационная защита при использовании ионизирующих излучений, М., 1975; Григорьев Ю.Г. Лучевые поражения и компенсация нарушенных функций, М., 1963, библиогр.; Джонс Г. Э. Физика радиологии, пер. с англ., М., 1965; И с а e в Б. М. и Б р е-г а д з e Ю. И. Нейтроны в радиобиологическом эксперименте, М., 1967, библиогр.; Справочник по рентгенологии и радиологии, под ред. Г. А. Зедгенидзе, М., 1972; Тюбиана М. и др. Физические основы лучевой терапии и радиобиологии, пер. с франц., М., 1969; Эйд у с Л. X. Физико-химические основы радиобиологических процессов и защиты от излучений, М., 1972.

А. Н. Кронгауз; Ю. Г. Григорьев (биологическое действие).

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector