Безопасность жизнедеятельности человека

Знак минус показывает, что число N исходных атомов уменьшается во времени. Экспериментально показано, что свойства ядер со временем не меняются. Отсюда следует, что * есть величина постоянная и носит название - постоянная распада. Из (11) следует, что * = - dN/N = const, при dt = 1, т.е. постоянная

* равна вероятности распада одного радионуклида за единицу времени.

В уравнении (11) поделим правую и левую части на N и проинтегрируем:

dN/N = - *dt (12)

ln N/N0 = - лtиN = N0 е- лt , (14)

где N0 есть начальное число распадающихся атомов (N0 при t =0).

Формула (14) имеет два недостатка. Для определения числа распадающихся ядер необходимо знать N0. Прибора для его определения не существует. Второй недостаток - хотя постоянная распада л имеется в таблицах, но прямой информации о скорости распада она не несет.

Чтобы избавиться от величины л вводится понятие период полураспада Т (иногда в литературе обозначается Т1/2). Периодом полураспада называется промежуток времени, в течение которого исходное число радиоактивных ядер уменьшается вдвое, а число распадающихся ядер за время Т остается постоянным

(л = const).

В уравнении (10) правую и левую часть поделим на N, и приведем к виду:

N0/N = еlt(15)

Полагая, что N0/N = 2, при t = T, получим ln2 = ?Т, откуда:

ln2 = 0,693l = 0,693/T(16) Подставив выражение (16) в (10) получим:

N = N0е-0.693t/T (17)

На графике (рис.2.) показана зависимость числа распадающихся атомов от времени распада. Теоретически кривая экспонента никогда не может слиться с осью абсцисс, но на практике можно считать, что примерно через 10-20 периодов полураспада радиоактивное вещество распадается полностью. Для того, чтобы избавиться от величин N и N0,пользуются следующим свойством явления радиоактивности. Есть приборы, которые регистрируют каждый распад. Очевидно, что можно определить количество распадов за определенный промежуток времени. Это есть не что иное, как скорость распада радионуклида, которую можно назвать активностью: чем больше распадается за одно и тоже время ядер, тем больше активность.

Итак, активность - это физическая величина, характеризующая число радиоактивных распадов в единицу времени:

А = dN/dt (18)

Исходя из определения активности, следует, что она характеризует скорость ядерных переходов в единицу времени. С другой стороны, количество ядерных переходов зависит от постоянной распада *. Можно показать, что:

A = A0е-0,693t/T (19)

Вывод формулы (19). Активность радионуклида характеризует число распадов в единицу времени (в секунду) и равна производной по времени от уравнения (14):

А = dN/dt = *N0е-lt = *N (20)

Соответственно начальная активность в момент времени t = 0 равна:

Аo = *No (21)

Исходя из уравнения (20) и с учетом (21), получим:

А = Аoе-ltилиА = А0е- 0,693t/T (22)

Единицей активности в системе СИ принят 1 распад/с=1 Бк (назван Беккерелем в честь французского ученого (1852-1908 г), открывшего в 1896 году естественную радиоактивность солей урана). Используют также кратные единицы: 1 ГБк=109 Бк - гигабеккерель, 1 МБк=106 Бк - мегабеккерель, 1 кБк=103 Бк - килобеккерель и др.

Существует и внесистемная единица Кюри, которая изымается из употребления согласно ГОСТ 8.41781 и РД 5045484. Однако на практике и в литературе она используется. За 1Кu принята активность 1г радия.

1Кu = 3,7Ч1010 Бк; 1Бк = 2,7Ч10-11Ки (23)

Используют также кратную единицу мегакюри 1Мки=1?106Ки и дольные - милликюри, 1мКи=10-3Ки; микрокюри, 1мкКи=10-6 Ки.

Радиоактивные вещества могут находиться в различном агрегатном состоянии, в том числе аэрозольном, взвешенном состоянии в жидкости или в воздухе. Поэтому в дозиметрической практике часто используют величину удельной, поверхностной или объемной активности или концентрации радиоактивных веществ в воздухе, жидкости и в почве.

Удельную, объемную и поверхностную активность можно записать соответственно в виде:

Аm = А/m; Аv = А/v; Аs = A/s (24)

где: m - масса вещества; v - объем вещества; s - площадь поверхности вещества.

Очевидно, что:

Аm = A/m = A/s*h = Аs/*h = Av/* (25)

где: * - плотность почвы, принимается в Республике Беларусь равной 1000кг/м3; h - корнеобитаемый слой почвы, принимается равным 0,2м; s - площадь радиоактивного заражения, м2. Тогда:

Аm = 5Ч10-3 Аs ; Аm = 10-3 Av (26)

Аm может быть выражена в Бк/кг или Кu/кг; As может быть выражена в Бк/м2 ,Кu/ м2, Кu/км2; Av может быть выражена в Бк/м3 или Кu/м3.

На практике могут быть использованы как укрупненные, так и дробные единицы измерения. Например: Кu/ км2 , Бк/см2, Бк/г и др.

В нормах радиационной безопасности НРБ2000 дополнительно введены еще несколько единиц активности, которыми удобно пользоваться при решении задач радиационной безопасности.

Активность минимально значимая (МЗА) - активность открытого источника ионизирующего излучения в помещении или на рабочем месте, при превышении которой требуется разрешение органов санитарно-эпидемиологической службы Министерства здравоохранения на использование этих источников, если при этом также превышено значение минимально значимой удельной активности.

Активность минимально значимая удельная (МЗУА) - удельная активность открытого источника ионизирующего излучения в помещении или на рабочем месте, при превышении которой требуется разрешение органов санитарно-эпидемиологической службы Министерства здравоохранения на использование этого источника, если при этом также превышено значение минимально значимой активности.

Активность эквивалентная равновесная (ЭРОА) дочерних продуктов изотопов радона 222Rn и 220Rn - взвешенная сумма объемных активностей короткоживущих дочерних продуктов изотопов радона - 218Ро (RaA); 214Pb (RaB); 212Pb (ThB); 212Вi (ThC) соответственно:

(ЭРОА)Rn = 0,10 АRaA + 0,52 АRaB + 0,38 АRaC ;

(ЭРОА)Th = 0,91 АThB + 0,09 АThC ,

где А - объемные активности дочерних продуктов изотопов радона и тория.

 Краткая характеристика ионизирующих излучений

Ионизирующее излучение (ИИ) - это излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию в этой среде ионов разных знаков. Излучение считается ионизирующим, если оно способно разрывать химические связи молекул. Ионизирующее излучение делят на корпускулярное и фотонное.

Радиоволны, световые волны, тепловая энергия Солнца не относятся к ионизирующим излучениям, так как они не вызывают повреждения организма путем ионизации.

Корпускулярное - это поток частиц с массой отличной от нуля (электроны, протоны, нейтроны, альфачастицы).

Фотонное - это электромагнитное излучение, косвенно ионизирующее излучение (гамма излучение, характеристическое излучение, тормозное излучение, рентгеновское излучение, аннигиляционное излучение).

Альфаизлучение - это поток альфачастиц (ядер атомов гелия), испускаемых при радиоактивном распаде, а также при ядерных реакциях и превращениях. Альфачастицы обладают сильной ионизирующей способностью и незначительной проникающей способностью. В воздухе они проникают на глубину несколько сантиметров, в биологической ткани - на глубину доли миллиметра, задерживается листом бумаги, тканью одежды. Альфаизлучение особо опасно при попадании его источника внутрь организма с пищей или с вдыхаемым воздухом.

Бетаизлучение - это поток электронов или позитронов, испускаемых ядрами радиоактивных элементов при бетараспаде. Их ионизирующая способность меньше, чем у альфачастиц, но проникающая способность во много раз больше, и составляет десятки сантиметров. В биологической ткани они проникают на глубину до 2 см, одеждой задерживается только частично. Бетаизлучение опасно для здоровья человека, как при внешнем, так и при внутреннем облучении.

Протонное излучение - это поток протонов, составляющих основу космического излучения, а также наблюдаемых при ядерных взрывах. Их пробег в воздухе и проникающая способность занимают промежуточное положение между альфа и бетаизлучением.

Нейтронное излучение - поток нейтронов, наблюдаемых при ядерных взрывах, особенно нейтронных боеприпасов и работе ядерного реактора. Последствия его воздействия на окружающую среду зависят от начальной энергии нейтрона, которая может меняться в пределах 0,025 -300 МэВ.

Гаммаизлучение - электромагнитное излучение (длина волны 10-10-10-14 м), возникающее в некоторых случаях при альфа и бетараспаде, аннигиляции частиц и при возбуждении атомов и их ядер, торможении частиц в электрическом поле. Проникающая способность гаммаизлучения значительно больше, чем у вышеперечисленных видов излучений. Глубина распространения гаммаквантов в воздухе может достигать сотен и тысяч метров. Ионизирующая способность (косвенная) значительно меньше, чем у вышеперечисленных видов излучений. Большинство гаммаквантов проходит через биологическую ткань, и только незначительное количество поглощается телом человека.

Тормозное излучение - фотонное излучение с непрерывным энергетическим спектром, испускаемое при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц. Воздействие на окружающую среду такое, как и гаммаизлучения.

Характеристическое излучение - фотонное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома. Воздействие на биологическую ткань аналогично гаммаизлучению.

Аннигиляционное излучение - фотонное излучение, возникающее в результате аннигиляции частицы и античастицы (например, позитрона и электрона). Воздействие на биологическую ткань аналогично гаммаизлучению.

Рентгеновское излучение - фотонное излучение (длина волны 10-9-10-12 м), состоящее из тормозного и (или) характеристического излучения, генерируемого рентгеновскими аппаратами, и возникающее при некоторых ядерных реакциях. В отличие от гаммаизлучения оно обладает такими свойствами как отражение и преломление.

40. Взаимодействие гаммаизлучений с веществом

Взаимодействие гаммаквантов с веществом может сопровождаться фотоэффектом, комптоновским рассеянием и образованием электронпозитронных пар. Вид эффекта зависит от энергии гаммакванта:

Ек = hн - Еи, (1)

где: h - постоянная Планка; н - частота излучения; Еи - энергия ионизации соответствующей атомной оболочки (энергия связи выбитого электрона из атома).

Фотоэффект возникает при Е = 10 эВ-1 МэВ, то есть при относительно малых значениях энергий. В этом случае вся энергия гаммакванта передается орбитальному электрону, и он выбивается из орбиты (рис.3).

Выбитый электрон называется фотоэлектроном. В результате его отрыва в атоме появляется свободный уровень, который заполняется одним из наружных электронов. При этом, либо испускается вторичное мягкое характеристическое излучение (процесс флюоресценции), либо энергия передается одному из электронов, который покидает атом (электрон Оже). Флюоресцентное излучение наблюдают в материалах с большим атомным номером. В материалах с низким атомным номером преобладает образование электронов Оже. Вероятность фотоэффекта увеличивается с ростом атомного номера материала и уменьшается с ростом энергии фотона.

С ростом энергии гаммаквантов явление фотоэффекта становится все меньше, а при энергии 100-200 кэВ начинает преобладать Комптон эффект.

Комптоновским рассеиванием называется процесс взаимодействия фотонного излучения с веществом, в котором фотон в результате упругого столкновения с орбитальным электроном теряет часть своей энергии и изменяет направление своего первоначального движения, а из атома выбивается электрон отдачи (комптоновский электрон) (рис.4).

Энергия комптоновского электрона равна:

Е = hн - hн\ (2)

Образование электроннопозитронных пар. Если энергия гамма кванта превышает 1,02 МэВ, то он поглощается ядром, а из последнего одновременно вылетают электрон и позитрон (рис.5). Таким образом, гамма кванты способны косвенно ионизировать вещество. Возникшей паре передается вся энергия гамма кванта за вычетом энергии покоя пары, равной 1,022 МэВ.

Следует отметить, что позитрон нестабилен в присутствии электронов среды. Он быстро исчезает за счет аннигиляции с одним из электронов. В этом случае испускается 2 фотона с энергией по 0,511 МэВ.

Рассмотрим, проникающую способность гаммаквантов.

Как уже отмечалось, гаммаквант образуется при переходе ядра в более низкие энергетические состояния. Не имея массы, они не могут замедляться в среде, а лишь поглощаются или рассеиваются.

При прохождении через вещество их энергия не меняется, но уменьшается интенсивность излучения по следующему закону (рис.6):

I = Iо е- µх (3)

где: I = Егn/t; n/t - число гаммаквантов, падающих на единицу поверхности в единицу времени (плотность потока гаммаквантов); *- коэффициент поглощения; х - толщина поглотителя (вещества), см; Iо - интенсивность квантов до прохождения поглотителя, МэВ/с.

В формуле (3) величину µ можно найти в таблицах, но она не несет прямой информации о степени поглощения гамма лучей веществом.

В практических расчетах удобно пользоваться и такой табличной величиной, как «толщина слоя половинного ослабления». Толщина слоя половинного ослабления - это такая толщина слоя материала, проходя которую интенсивность излучения гаммаквантов уменьшается в 2 раза

Расчеты показывают, что проникающая способность гаммаизлучения в воздухе - десятки и сотни метров, в твердых телах - многие сантиметры, в биологической ткани человека часть гаммаквантов проходят через человека насквозь, другие поглощаются.

41. Взаимодействие бетаизлучений с веществом

В отличие от фотонов заряженные частицы теряют свою энергию в конденсированной фазе сравнительно небольшими порциями в результате многократных столкновений с электронами среды.

Прохождение бетачастиц через вещество сопровождается упругими и неупругими соударениями с ядрами и электронами тормозящей среды.

Упругое рассеяние бетачастиц на ядрах более вероятно и осуществляется при относительно низких энергиях электронов

Ев < 0,5 МэВ (рис.7). Упругое рассеяние бетачастиц на электронах в Z раз (Z - величина заряда ядра) менее вероятно, чем на ядрах (рис.8). Возможен в редких случаях и сдвиг ядер атомов кристаллической решетки (рис.9).

При энергии бетачастиц выше энергии связи электрона c ядром (до ? 1 МэВ) основным механизмом потерь энергии является неупругое рассеяние на связанных электронах, приводящее к ионизации и возбуждению атомов.

При больших энергиях электронов главным механизмом потерь энергии является радиационное торможение, при котором возникает тормозное излучение.

4.2. Одним из вариантов неупругого взаимодействия является К-захват

Таким образом, процессы взаимодействия бетачастиц со средой характеризуются радиационным торможением и относительно большой потерей энергии или значительным изменением направления их движения в элементарном акте. Вследствие этого взаимодействия интенсивность пучка бетачастиц уменьшается почти по экспоненте с ростом толщины поглощающего слоя х, т.е. для бетачастиц справедлива формула (4).

Путь бетачастиц в веществе представляет ломаную линию, а пробег бетачастиц одинаковых энергий имеет значительный разброс. Это связано с тем, что масса бетачастиц крайне мала, поэтому вероятность упругого рассеяния на ядрах больше, чем у тяжелых частиц. В таблице 2 показана средняя глубина пробега бетачастиц в воздухе, биологической ткани и для примера в алюминии.

Итак, бетачастицы не имеют точной глубины проникновения, так как обладают непрерывным энергетическим спектром. Для грубой оценки глубины пробега бетачастиц пользуются приближенными формулами. Одна из них:

Rср/Rвозд = *возд/*ср (8)

где: Rср - длина пробега в среде; Rвозд - длина пробега в воздухе, Rвозд = 450 E*; *возд и *ср - плотность воздуха и среды соответственно; E* - энергия бетачастиц.

43. Способы обнаружения и измерения ионизирующих излучений

Для решения задач радиационной безопасности необходимо знать основные характеристики ионизирующих излучений. Известно, что все ионизирующие излучения взаимодействуют со средой и вызывают изменения ее физических и химических свойств. Это и используется для обнаружения и измерения характеристик ионизирующих излучений.

Наиболее распространенные способы регистрации: фотографический, химический, полупроводниковый, сцинтилляционный, биологический, ионизационный.

Фотографический - основан на потемнении фотоэмульсии под воздействием ионизирующих излучений (разновидность химического).

Химический - основан на измерении концентрации ионов воды, которые появились в результате ее облучения ионизирующими излучениями. Можно использовать свойство некоторых веществ изменять свой цвет под воздействием излучений.

Полупроводниковый - основан на том, что некоторые полупроводники изменяют свое сопротивление под воздействием ионизирующих излучений.

Сцинтилляционный - основан на том, что некоторые вещества под воздействием ионизирующих излучений испускают фотоны видимого света.

Биологический - основан на исследовании состава крови и структуры зубов.

Ионизационный - основан на ионизации газов.

44. Экспозиционная, поглощенная, эквивалентная и эффективная дозы. Мощности доз

Основной физической величиной, принятой в дозиметрии для измерения ионизирующего излучения, является доза излучения. Понятие «доза» допускает два толкования. В соответствии с первой трактовкой доза излучения является количественной характеристикой излучения, в соответствии со второй трактовкой - количественной характеристикой результата взаимодействия излучения с веществом. Приведенный ниже термин «экспозиционная доза» в большей степени соответствует первой трактовке, а термин «поглощенная доза» - второй.

Радиационную обстановку на местности определяет имеющееся там поле ионизирующего излучения, и в первую очередь поле гамма излучения вследствие его большой проникающей способности. Взаимодействуя с воздухом, гамма излучение вызывает его ионизацию, причем уровень ионизации воздуха соответствует интенсивности излучения и может служить характеристикой поля излучения.

Экспозиционная доза X определяется как отношение суммарного заряда всех ионов одного знака, созданных гамма излучением в элементарном объеме воздуха, к массе dm воздуха в этом объеме:

Само определение экспозиционной дозы допускает простой и удобный способ ее измерения: для этого достаточно измерить заряд ионов одного знака, образовавшихся в облучаемой воздушной ионизационной камере.

Единицей измерения экспозиционной дозы в системе СИ должен быть кулон на килограмм [C/kg; Кл/кг]. Однако исторически сложилось так, что экспозиционную дозу обычно выражают во внесистемных единицах - рентгенах [R; Р].

Рентген это единица экспозиционной дозы фотонного излучения, при прохождении которого через 0,001293 г воздуха (это 1см3 воздуха при нормальных условиях) в результате всех ионизационных процессов в воздухе создаются ионы, несущие одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака.

То, что экспозиционная доза определена только для воздуха и только для фотонного излучения, существенно ограничивает область ее применения. Переход на единицы СИ предполагает изъятие из употребления понятия экспозиционная доза.

Воздействие ионизирующего излучения на вещество зависит как от состава вещества, так и от энергии, переданной излучением этому веществу. Результат воздействия излучения характеризуется поглощенной дозой, определяемой следующим образом.

Поглощенная доза ионизирующего излучения D равна отношению средней энергии dE, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме:

В системе СИ поглощенная доза измеряется в джоулях, деленных на килограмм (Дж/кг), и имеет специальное название - грей [Gy; Гр].

Грэй равен поглощенной дозе ионизирующего излучения, при которой веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения, равная 1 Дж.

Вопрос о соответствии между экспозиционной и поглощенной дозами можно ставить только в том случае, если эти дозы создаются гамма излучением в воздушной среде. Даже в этом случае, строго говоря, нет взаимно однозначного соответствия между ними. Одно и то же количество поглощенной воздухом энергии может образовать различное число пар ионов в зависимости от энергии гамма излучения. Тем не менее, это различие невелико и можно говорить, что 1 рентген в среднем соответствует поглощенной в воздухе энергии 87,3 эрг т.е.

1Р ? 0,873*10-2 Гр или 1 Гр ? 115 Р.

Любая доза является интегральной по времени характеристикой. Скорость накопления дозы характеризуется понятием мощность дозы - это отношение приращения дозы dD за некоторый промежуток времени dt к этому интервалу времени:

Мощность экспозиционной дозы в системе СИ должна выражаться в единицах ампер на килограмм [А/кг]. На практике используется внесистемная единица - рентген в секунду [P/с] и ее производные: [Р/час], [мР/час], [мкР/час].

Мощность поглощенной дозы в СИ измеряется в единицах грэй в секунду [Гр/с]. Также используются производные единицы - [Гр/мин], [мкГр/час] и т.п.

Эквивалентная доза ионизирующего излучения Н - произведение поглощённой дозы D на средний коэффициент качества K ионизирующего излучения в данном элементе объема биологической ткани стандартного состава

Единицей измерения эквивалентной дозы излучения является Дж/кг, имеющей специальное название - зиверт (Sv,Зв). Отметим, что для рентгеновского, бета и гамма излучения численные значения поглощенной и эквивалентной дозы совпадают.

Эквивалентная доза более адекватно учитывает возможный ущерб здоровью человека от воздействия ионизирующего излучения произвольного состава. Однако необходимо принять во внимание и тот факт, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны к действию радиации, чем другие. Например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно изза риска генетических повреждений. Для учета неодинаковой чувствительности различных органов к радиации вводится специальная дозовая характеристика эффективная эквивалентная доза.

Эффективная эквивалентная доза определяется как сумма произведений эквивалентных доз, полученных каждым органом, на соответствующие коэффициенты радиационного риска:

Эффективная эквивалентная доза отражает суммарный эффект облучения для организма и используется как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения. Она также измеряется в зивертах.

Доза в 1 Гр, получаемая водой, сможет нагреть ее только на 0,00024 ?С. Тем не менее, для человека доза в 1 Зв приблизительно соответствует порогу появления детерминированных последствий после облучения или, как говорят, «лучевой болезни». При дозе 6 Зв смертность достигает 50%. При дозе менее 1 Зв явных последствий облучения не наблюдается, однако возрастает вероятность раковых заболеваний или генетических нарушений у потомства. При этом считается, что возрастание вероятности неблагоприятных последствий пропорционально полученной дозе.

Поскольку 1Зв - это очень большая доза, обычно пользуются тысячной или миллионной дозой зиверта: мЗв, мкЗв.

Мощность экспозиционной дозы фонового гамма излучения, типичная для равнинных территорий, сложенных осадочными породами, соответствует 10 - 20 мкР/час (или 0,1 - 0,2 мкЗв/час для мощности поглощенной дозы). Такой фон характерен для территории Беларуси. Годовая доза при этом составляет приблизительно 1 - 2 мЗв, что существенно ниже порога «лучевой болезни».

45. Космическая и земная радиация

Космическое излучение делят на галактическое, межгалактическое и солнечное. Их также делят на первичное и вторичное излучение.

Галактическое и межгалактическое космическое излучение - это поток протонов (92%) альфачастиц (7%). Остальное (около 1%) - это в основном, ядра легких элементов: лития, бериллия, азота, углерода, кислорода, фтора и др. Средний возраст галактического излучения от 1 млн. до 10 млн. лет, а плотность потока частиц величина постоянная и составляет 1-2 частицы/см2с.

Низкое содержание нейтронов в космических лучах объясняется тем, что нейтрон в свободном состоянии неустойчив и распадается на протон и электрон. Время его «жизни» составляет около16 минут. Считается, что электроны, позитроны и гаммалучи поглощены космической пылью, поэтому их очень мало в составе космического излучения.

Галактическое излучение обладает очень высокой энергией - 1012 - 1015 МэВ. Считается, что такая большая энергия объясняется разгоном частиц магнитными полями звезд.

Такое излучение губительно для всего живого. К счастью, протоны задерживаются радиационными поясами Земли, их энергия несколько уменьшается.

Существование поясов связано с наличием магнитного поля Земли. Заряженные частицы обычно движутся вдоль магнитных силовых линий по спирали. Имеется два радиационных пояса. Внешний радиационный пояс находится на расстоянии от 1 до 8 радиусов Земли, внутренний на расстоянии 400-10000 км. Наибольший прорыв космического излучения на полюсах, поэтому Северный и Южный полюса получают больше космической радиации.

Частично потерявшие энергию космические лучи попадают в атмосферу и ею поглощаются, вызывая вторичное излучение, представляющее почти все известные частицы и фотоны.

Первичное излучение преобладает на высотах 45 км и выше, а вторичное излучение достигает максимальной величины на высотах 20-25 км. На широте г. Минска человек получает на Земле 50 мрад/год, но с ростом высоты интенсивность облучения с каждым километром увеличивается вдвое.

Космические лучи, проходя через атмосферу, вызывают появление космогенных радионуклидов, которых насчитывается около 20. Наиболее значительные из них тритий, углерод14, берилий7, сера32, натрий22, 24. Эти радионуклиды, распадаясь, испускают бетачастицы. Наиболее опасными из них являются тритий (период полураспада 12,3 года) и углерод14 (период полураспада - 5730 лет). Оба радионуклида непрерывно возникают и непрерывно распадаются. Существует определенное равновесие в природе и всегда имеется некоторый его запас. Смешиваясь с углеродом и водородом, тритий и углерод14 попадают в воду, в человека, в животных, в растения и представляют определенную угрозу для жизни и здоровья человека.

Углерод14 поступает в организм человека через желудочнокишечный тракт и через легкие. В организме распределяется равномерно. Период биологического полувыведения из организма около 200 суток. Он вызывает трансмутационный эффект: встраиваясь в азотистые основания нуклеиновых кислот, углерод при распаде превращается в стабильный азот14, что вызывает изменение структуры азотистых оснований ДНК, в результате чего меняется смысл генетического кода. Эти изменения не поддаются репарации, и их доля от всех мутаций составляет около 10%.

Наша справка. С помощью углерода14 можно определить по останкам людей или животных время их смерти. Пока человек или животное живые, то идет постоянный процесс обновления углерода. После смерти этот процесс прекращается и начинается процесс распада углерода14. Зная начальное количество и период полураспада можно определить время, прошедшее после смерти животного или человека.

Вклад в космическое излучение вносят и вспышки на Солнце. В этом случае происходит выброс в космическое пространство протонов с энергией до 40 МэВ, иногда энергия достигает и 100 МэВ. Однако, по сравнению с галактическим излучением эта энергия незначительна.

Человек, живущий на уровне моря, получает в среднем от космического облучения 0,315 мЗв/год, в том числе за счет внешнего облучения - 0,3 мЗв/год и за счет внутреннего облучения 0,015 мЗв/год.

ЗЕМНАЯ РАДИАЦИЯ

По мнению большинства ученых Солнечная система и планета Земля образовались в результате космического взрыва.

В начале практически все химические элементы Земли были радиоактивными, так как в ядрах атомов был избыток протонов или нейтронов. Почему так произошло науке точно неизвестно.

С тех пор на планете Земля идет процесс распада радионуклидов.

Поэтому, в любой почве, в воздухе, в воде, в живых организмах всегда имеются в незначительных количествах радионуклиды, но больше всего их в гранитах, в глиноземах, в песчаниках, в известняках. Возраст Земли 5,3 млрд. лет, поэтому на Земле сохранились только радионуклиды с большим периодом полураспада, остальные распались.

Радионуклиды земного происхождения подразделяются на радионуклиды средней части Периодической таблицы Д.И.Менделеева и на радиоактивные семейства тяжелых элементов.

Родоначальником семейства урана является уран238 с периодом полураспада 4,5 млрд. лет.

Родоначальником семейства тория является торий232 с периодом полураспада 10 млрд. лет.

Родоначальником семейства актиния является уран235 с периодом полураспада 700 лет.

Конечный продукт распада всех семейств - свинец.

Во всех трех семействах один из продуктов распада - газ. В семействе урана это радон, в семействе тория - торон, в семействе актиния - актион. Последние два изотопы радона. Именно газ попадает в воздух, почву, растворяется в воде и попадает, наконец, в организм человека.

В Республике Беларусь таким газом является радон. Человек половину земной радиации получает именно от радона. Радон повсеместно выделяется из земли, воды, стройматериалов.

Анализ показывает, что в типичный дом поступает радона: из почвы - 70%, из внешнего воздуха - 13%, из стройматериалов - 7%, из воды - 5-10%, из природного газа - 4%, от других источников - 2%.

Это бесцветный инертный газ, не имеющий вкуса и запаха, тяжелее воздуха примерно в 7,5 раз. Являясь альфаизлучателем, радон является причиной заболеваний раком легких, желудка и других органов. Особенно опасен радон для легких, надпочечников, гонад и костного мозга.

Следует помнить, что концентрация радона в закрытых помещениях летом выше не менее чем в 8 раз, а в зимнее время выше в 5000 раз по сравнению с минимальным фоном. Обычно концентрация радона на кухне примерно в 40 раз выше, чем в жилой ком нате. Высокое содержание радона в ванне, в спальных помещениях. Исследования в квартирах жителей г.Минска и некоторых других городов показали, что в ванной комнате объемная активность составила 8,5-9 кБк/м3, на кухне - 3-3,5 кБк/м3, в жилых помещениях 0,2 кБк/м3.

С геологической точки зрения около 40% территории Республики Беларусь являются потенциально радоноопасными. Исследования содержания радона в квартирах в летнее время показали, что оно по Минску и в большинстве городов составляет

30-35 Бк/м3, но в Дзержинском районе Минской области оно достигало 400 Бк/м3. Имеются требования НРБ2000 по содержанию радиоактивности в строительных материалах.

Для ослабления воздействия радона на организм человека необходимо проветривать помещения не менее 5 часов в сутки, во время кипения воды в чайнике или другой закрытой посуде необходимо открывать на несколько секунд крышку, чтобы радон испарился из воды. Сушка белья должна быть вне помещений, а после стирки ванна должна быть хорошо проветрена. Следует помнить, что и при сжигании газа на кухне также необходимо проветривать помещение, так как из природного газа также выделяется радон. Так как, радон является альфаизлучателем и выделяется, в том числе и из стен, то их рекомендуется или красить или оклеивать обоями.

Справка. Ученые обнаружили и следующие противоречия: в зонах с высокими уровнями радиации заболеваемость раком иногда наблюдается даже меньше, чем в зонах с минимальным радиационным фоном. Одновременно в зонах с повышенным радиационным фоном рождаемость в 2 раза меньше.

Как уже отмечалось, в средней части таблицы Менделеева находятся 12 радионуклидов с большим периодом полураспада, это: калий40, кальций28, церий132, индий115, лантан138, рубидий87 и другие. Однако, только калий40 и рубидий87 оказывают существенное влияние на здоровье человека, так как являются элементами биологической ткани.

В Республике Беларусь радионуклиды находятся, в основном, в верхнем 30сантиметровом слое почвы. На некоторых участках, например активность калия40 достигает 1-2 Кu/км2.

По подсчетам НКДАР ООН средняя эффективная доза внешнего облучения, которую человек получает за год от земных источников естественной радиации, составляет 0,35 мЗв.

Таким образом, от естественного радиационного фона человек получает дозу: от радона - около 55%, от калия40 - около 13%, от космических лучей - 15-16%, от других естественных источников около 15%.

46. Антропогенные источники ионизирующих излучений

За счет хозяйственной и социальной деятельности люди дополнительно получают облучения от антропогенных источников. В одних случаях отдельные категории населения, в других - значительная часть населения. В ряде случаев могут возникнуть чрезвычайные ситуации, вызванные выбросом радиоактивных веществ. В Республике Беларусь более 1000 объектов, на которых применяются радиоактивные вещества в значительных количествах (более 55 тысяч устройств и установок), которые приносят пользу людям. Назовем только некоторые источники:

*тепловые электростанции;

*склады минеральных (фосфорных) удобрений, имеющих повышенное содержание радионуклидов уранового и ториевого рядов;

*часы, компасы со светящимся циферблатом;

*телефонные диски, указатели входавыхода;

*цветные телевизоры и дисплеи компьютеров;

*установки для снятия статического электричества;

*пожарные дымовые детекторы;

*краски, содержащие повышенное количество урана;

*рентгеновские установки для проверки пассажиров и их багажа в аэропортах;

*установки для контроля качества и структуры сплавов;

*установки для исследования смазочных материалов;

*установки для холодной стерилизации перевязочного материала и медицинского инструмента;

*рентгеновские аппараты и установки для диагностики заболеваний человека;

*радиоизотопные материалы для исследования в медицине;

*радиационная терапия для лечения онкологических заболеваний;

*установки для облучения автомобильных шин с целью увеличения срока их пробега;

*установки для контроля толщины некоторых изделий при их производстве;

*приборы для определения толщины покрытий из золота и серебра, наносимые на отдельные изделия;

*приборы для бесконтактного контроля агрессивных сред;

*установки для контроля износа некоторых деталей технических устройств;

*изотопные приспособления в радиолокаторах для обеспечения слепой посадки самолетов и др.

Кроме того, на отдельных объектах содержится значительное количество радиоактивных веществ, в том числе и в местах захоронения радиоактивных отходов, которые представляют опасность для большого числа людей в случае аварий и катастроф. Например, В Минской области таких объектов 2 - это Молодечненский центр стандартизации и метрологии, где суммарная активность источников цезия достигает 70 Ки, и Несвижский завод медпрепаратов, где суммарная активность источников кобальта равна 800 Кu. В Брестской области насчитывается 12 объектов, использующих в своей деятельности радиоактивные вещества, из них 9 сконцентрированы в городах Брест, Пинск, Барановичи; в Гродненской области - 8 объектов, их них 7 в Гродно и Лиде; В Гомельской области - 17 объектов, из них 14 - в Мозыре и Гомеле; В Витебской области - 12 объектов, из них 10 - в Витебске и Новополоцке; в Могилевской области -14 объектов, из них 11 - в Могилеве и Бобруйске.

Ниже приведены в таблице 1 некоторые искусственные источники ионизирующих излучений, используемые в различных отраслях.

Кратко остановимся только на некоторых источниках радиации.

Уголь, который сжигается на тепловых электростанциях (ТЭС) и в котельных содержит значительное количество таких радионуклидов, как: калий40, уран238, торий232 и продукты их распада, что составляет от 7 до 52 Бк/кг. При сгорании угля радионуклиды выбрасываются в атмосферу в количестве, которое зависит от степени очистки фильтрами.

Источники, используемые в медицинских исследованиях и терапии, стали одним из основных способов антропогенного облучения человека. Вот некоторые примеры: рентгенография зуба - (0,03-3) мЗв, рентгеноскопия желудка - до 0,25 Зв, флюорография - (0,1-0,5) мЗв, рентгеноскопия грудной клетки - (0,1-1) мЗв. Это значительные дозы, полученные одноразово.

Радиоизотопы используются для исследования различных процессов, протекающих в организме человека. Радиоизотопы излучают, что позволяет не только обнаружить их с помощью счетчика импульсов человека (СИЧ), но и определить характер распределения введенного изотопа. Приведем примеры использования изотопов в медицине.

Оценка функции щитовидной железы выполняется с помощью радиоактивного йода, который в незначительных количествах вводится в организм человека, но накапливается в щитовидной железе. По ряду характеристик делается вывод о работе щитовидной железы.

Другие примеры использования радиоизотопов в медицине:

*натрий24 - позволяет определять скорость кровотока и проницаемости сосудов;

*калий42 - индикатор биологических процессов;

*стронций85 - используется в ампликаторах при лечении кожных и глазных болезней;

*технеций99 - применяется для визуализации внутренних органов (изучение функционального состояния щитовидной железы, слюнных желез, сердца, крупных сосудов, скелета, опухолей головного мозга, для исследования печени, почек и др.). Полученная при этом доза примерно равна дозе от рентгеновского излучения при рентгеновских исследованиях;

*кобальт60 - применяется в терапии и как индикатор;

*цезий137 - применяется в терапии;

*углерод14 - медикобиологические исследования;

*индий111, 113 - используется для диагностики путем сканирования печени (при диагностике гепатита и церроза), полостей сердца, ангиография почек.

Поглощенная доза в облучаемом с целью терапии органе очень велика и, как правило, составляет 20-60 Гр за несколько сеансов. Индивидуальная доза на критический орган может составлять до нескольких Грей на одну процедуру. В Республике Беларусь средняя индивидуальная доза облучения населения от радиоизотопной диагностики составляет около 5мЗв/год.

Наиболее опасными антропогенными источниками ионизирующих излучений являются атомные электростанции в результате аварий на них и возможные взрывы ядерных боеприпасов и радиологических боеприпасов.

47. Механизм воздействия радиации на молекулы биологической ткани и способность их к самовыживанию

При облучении биологической ткани ионизирующими излучениями схематично все процессы можно выразить следующим образом: физический этап (поглощение энергии), физикохимический этап (возбуждение атомов или их ионизация), химический этап (образование свободных радикалов), биомолекулярные повреждения (изменения молекул белков, нуклеиновых кислот), биологические и физиологические изменения в организме. Схематично эти процессы отражены на рис.13.

Вслед за поглощением энергии ионизирующего излучения, сопровождаемым физическими изменениями клеток, происходят процессы химического и биологического характера, которые закономерно приводят, прежде всего, к повреждению жизненно важных биомолекул в клетке.

Эффекты воздействия ионизирующего излучения могут длиться от долей секунды до столетий (табл. 7).

В результате действия излучений на организм наблюдаются изменения на всех уровнях организации живой материи (табл. 8).

От чего же зависит действие радиоактивных веществ на организм?

Так называемая биологическая эффективность зависит от многих факторов:

*вида радиоактивного вещества;

*энергии излучения;

*периода полураспада;

*величины всасывания (накопления);

*скорости выведения из организма.

МЕХАНИЗМ ВОЗДЕЙСТВИЯ РАДИАЦИИ НА МОЛЕКУЛЫ И КЛЕТКИ

Ионизирующее излучение обладает высокой биологической активностью. Оно способно разрывать любые химические связи и индуцировать длительно протекающие реакции. Реакции вовлекают в химические превращения сотни и тысячи молекул. Первичное действие излучений на организм может быть непосредственным и косвенным.

Прямое действие ионизирующих излучений вызывает ионизацию атомов и молекул, образование ионов, возникновение возбужденных атомов, появление радикалов. Активные молекулы и обломки молекул индуцируют различные химические реакции, повреждая комплексы клеток.

Косвенное действие излучений заключается в том, что образованные радикалы воды и пероксиды вступают в химические реакции с молекулами белка, с липидами и т.д. и приводят к структурным изменениям тканей и клеток.

Молекула воды

Наиболее многочисленными в организме человека являются молекулы воды. При облучении молекул воды ионизирующими излучениями образуются различные радикалы:

Н2О Н2О+ + е-Н2О* Н* + ОН*

Н2О Н+ + ОН*Н* + ОН* Н2О*

Н2О + е- Н2О*ОН* + ОН* Н2О2

Н2О+ + Н2О Н3О+ + ОН*

Свободные радикалы Н*, ОН* особенно химически активны. Время их жизни 10-15с. За это время они либо реагируют между собой с образованием молекулы воды, пероксидов водорода, либо с растворенным субстратом.

Продукты радиолиза воды (пероксид водорода) вступают в реакцию с липидами, белками, что приводит к гибели тканевых элементов, разрушению надклеточных структур (нитей хроматина), происходит разрыв углеродных связей, нарушения ферментативных систем, синтеза ДНК, белка. Нарушаются обменные процессы в организме. В связи с нарушением обмена веществ и энергии прекращается и замедляется рост тканей, наступает гибель клеток. Всасывание продуктов клеточного распада вызывает отравление организма, что приводит к преждевременному старению.

В организме человека имеются «гигантские молекулы» - это нуклеиновые кислоты, белки и полисахариды. Основу жизни на Земле составляет молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Она входит в состав клеток.

Молекула ДНК

Из основ биологии известно, что молекула ДНК - это хранитель генетической информации, и она же «руководит» синтезом белка в соматических клетках. Она является составной частью всех живых организмов, входит в состав хромосом, которые имеются в ядре клетки. При облучении молекулы ДНК она возбуждается в целом, но изза миграции энергии в молекуле происходит разрыв в самом слабом месте, а именно, рвутся водородные связи между отдельными участками молекулы.

Если между нуклеотидами происходят однонитчатые разрывы, то работает механизм репарации (восстановления) под генетическим контролем.

Установлено, что в молекуле может быть восстановлено до 7 разорванных связей в однонитиевых разрывах, и при этом поражения генов молекулы не наблюдается. Но если количество однонитиевых разрывов больше 7, или имеются двухнитиевые разрывы, то происходят хромосомные аберрации (разорванные концы и целые фрагменты в дальнейшем «склеиваются» в новых сочетаниях, и, закодированная в генах, информация искажается или теряется совсем).

По мере накопления дозы облучения растет и количество хромосомных аберраций по линейноквадратичному закону (рис.15) и зависит от вида облучения (рис.14).

Таким образом, в результате аберраций искажаются гены, возможна и гибель молекулы ДНК. Находясь в составе хромосом соматической клетки, молекулы ДНК могут вызвать бесконтрольное деление, приводящее к раку.

Молекула белка

Ученые считают, что именно белок, как одна из молекул жизни появилась первой на Земле.

Белки в организме разнообразны. Свыше 10 миллионов белков выполняют разные функции: структурные, регуляторные (гормоны), каталитические (ферменты), защитные (антитела), транспортные (гемоглобин), энергетические и др.

Постоянное обновление белка лежит в основе обмена веществ, и он играет важную роль в жизнедеятельности организма. До 20% поглощенной энергии облучения связано с повреждением белка. При облучении молекул белка ионизирующими излучениями она возбуждается в целом и за счет миграции энергии (как в молекуле ДНК), разрыв происходит в наиболее слабых местах, а именно, в связях между аминокислотами. В отличие от молекулы ДНК, молекула белка системы защиты от радиации не имеет.

Нарушения в структуре белка приводят к нарушению его функций. Но большое количество молекул белка в организме, их постоянное обновление позволяет на биологическом уровне противостоять радиации с учетом степени их облучения.

Липиды

Липиды - жироподобные вещества и жиры, плохо растворимые в воде. Они входят в состав клеточных перегородок (мембран). В связи с плохой проводимостью тепла, они выполняют защитную функцию, а также играют и роль запасных питательных веществ в организме человека.

При облучении липидов ионизирующими излучениями последствия во многом зависят от того, какие именно липиды облучаются. Если липиды не активно участвуют в процессах обмена веществ, то они мало влияют на здоровье человека.

Действие ионизирующих излучений на липиды следующее. Под влиянием облучения происходит образование свободных радикалов ненасыщенных жирных кислот, которые при взаимодействии с кислородом образуют перекисные радикалы, а они, в свою очередь, реагируют с нативными жирными кислотами. Это процесс перекисного окисления липидов. Так как липиды - основа биомембран, то перекисное окисление повлечет за собой изменение их свойств. А поскольку клетка представляет собой систему взаимосвязанных мембран, и многие процессы клеточного метаболизма проходят именно на мембранах, то в клетке нарушаются биохимические процессы. Выражено нарушение энергетического обмена, что связано с повреждением митохондрий. Нарушение целостности наружной мембраны клетки приводит к сдвигу ионного баланса клетки изза выравнивания концентраций натрия и калия (в клетке - повышенное количество калия, в межклеточном пространстве - натрия).

Углеводы

Общая формула углеводов может быть представлена в виде Сn(H2O)m. Учитывая, что молекула углерода более устойчива к облучению, чем молекула воды, то при облучении возникают радикалы воды, о свойствах которых уже говорилось ранее. Поскольку углеводы - источник энергии в организме, то при их разрушении такой источник исчезает, что приводит к угнетению многих жизненно важных систем организма.

48. Механизм воздействия радиации на соматическую клетку, клетки крови и способность их к самовыживанию

Клетка

Клетка имеет достаточно сложное строение и изучается в биологии.

В организме человека можно выделить много видов клеток, выполняющих разные функции. Различают клетки: половые, соматические, жировые, лейкоциты, лимфоциты и др. Радиобиологический закон выделяет два типа клеток. Делящиеся клетки и малодифференцированные ткани относятся к радиочувствительным. Такими являются кроветворные клетки костного мозга, зародышевые клетки семенников, кишечный и плоский эпителий.

Неделящиеся клетки и дифференцированные ткани относят к радиоустойчивым. К ним относят мозг, мышцы, печень, почки, хрящи, связки. Исключение в этом списке составляют лимфоциты, несмотря на их дифференциацию и неспособность к делению.

Наибольший вред организму приносит облучение соматических клеток и клеток крови. Рассмотрим в качестве примера вначале соматическую клетку, так как их в организме много. Выделим в клетке только те элементы, которые больше всего подвержены воздействию радиации и вызывают наиболее тяжелые последствия. Поняв механизм воздействия радиации на клетку можно предпринимать меры защиты, которые снизят результаты этого воздействия.

Модель клетки (ее фрагменты) показана на рис.16. Клетка состоит из мембраны, цитоплазмы, ядра, рибосом, митохондрий, транспортных молекул тРНК (рибонуклеиновой кислоты), матричных мРНК, молекул АТФ (аденозинтрифосфата), рибосомных рРНК и др. В ядре клетки находится 46 хромосом.

При облучении клетки, например, бетачастицами, прежде всего, повреждается мембрана. Если учесть, что давление внутри клетки больше, чем в межклеточном пространстве, то через образовавшиеся «бреши» будет вытекать цитоплазма. В этом случае ядро вырабатывает ферменты, которые тРНК транспортируют к местам повреждений мембраны и «зашивают» бреши. Таким образом, тРНК вместо того, чтобы заниматься своим делом - транспортировать аминокислоты в рибосомы для синтеза белка, занимаются «ремонтом» мембраны. Если интенсивность облучения превышает некоторый предел, то тРНК задачу «ремонта» мембраны решить не могут, и клетка погибает. Дальнейшее проникновение бетачастиц в клетку может вызвать разрушения любых органов. При облучении бетачастицами самих молекул тРНК, они повреждаются и не могут выполнять свои функции.

При облучении рибосом, за счет разрушений рибосомной РНК и белка, в рибосоме может быть построен другой белок, который ведет себя как инородное тело. Такое облучение не всегда представляет большую опасность, так как в последующих циклах может быть сформирован и «свой» белок. Повреждение матричных мРНК также может привести к формированию «чужого» белка. Если в последующих циклах облучение отсутствует или не приведет к разрушению мРНК, то информация для строительства белка будет достоверной.

Наиболее драматичная ситуация возникает, если поражаются хромосомы и их главная часть - молекулы ДНК. В этом случае клетка или погибает или начинает бесконтрольно делиться. Если учесть воздействие ионизирующего излучения и на другие основные органеллы клетки, то можно выделить следующие последствия облучения:

*при облучении ядра клетки возможны: подавление клеточного деления (если клетка делится), двунитчатые разрывы нуклеотидов и хромосомные аберрации, однонитчатые разрывы нуклеотидов и репарация (восстановление) связей, нарушение синтеза ДНК и остановка деления (для делящихся клеток), генные мутации, нарушение транспортной функции и репарация, нарушение синтеза клеточных белков, запуск механизма бесконтрольного деления (в соматических клетках);

*нарушение проницаемости цитоплазматической мембраны;

*цитолиз лизосом (лизосомы - цитоплазматические включения, с которыми связано накопление некоторых ферментов и процессы внутриклеточного пищеварения);

*нарушение энергетического обмена за счет разрушения (повреждения) митохондрий и молекул АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты);

*нарушение синтеза белков в рибосомах;

*радиационный автолиз эндоплазматической сети (специальная структура цитоплазмы).

Если обобщить реакцию клетки на облучение (биологическая стадия), то можно выделить три возможные типа реакции на облучение:

1. Радиационный блок митозов (временная задержка деления);

2. Митотическая (репродуктивная) гибель клетки;

3. Интерфазная гибель клетки.

Наиболее универсальная реакция клетки на воздействие ионизирующих излучений - временная задержка деления (радиационный блок митозов). Длительность его зависит от дозы: на каждый Грей дозы облучения клетка отвечает задержкой митоза в

1 час. Проявляется этот эффект независимо от того, выживет ли клетка в дальнейшем. Причем с увеличением дозы облучения увеличивается не число реагирующих клеток, а именно время деления каждой клетки. Эта реакция имеет огромное приспособительное значение: увеличивается длительность интерфазы, оттягивается вступление клетки в митоз, создаются благоприятные условия для нормальной работы системы репарации ДНК.

При увеличении дозы облучения, развивается митотическая гибель клетки. Это относится к клеткам, которые не делятся или делятся редко. В клетке не выражены дегенеративные процессы.

...