Ионизирующие излучения и их воздействие на биогеоценоз

Размещено на http://www.allbest.ru/

Источники и область применения ионизирующих излучений

Быстрое развитие ядерной энергетики и широкое применение источников ионизирующих излучений (ИИИ) в различных областях науки, техники и народного хозяйства создали потенциальную угрозу радиационной опасности для человека и загрязнения окружающей среды радиоактивными веществами. Поэтому вопросы защиты от ионизирующих излучений (радиационная безопасность) превращаются в одну из важнейших проблем.

Радиация (от латинского radiatio - излучение) характеризуется лучистой энергией. Ионизирующим излучением (ИИ) называют потоки частиц и электромагнитных квантов, образующихся при ядерных превращениях, т.е. в результате радиоактивного распада. Чаще всего встречаются такие разновидности ионизирующих излучений, как рентгеновское и гамма-излучения, потоки альфа-частиц, электронов, нейтронов и протонов. Ионизирующее излучение прямо или косвенно вызывает ионизацию среды, т.е. образование заряженных атомов или молекул - ионов.

Источниками ИИ могут быть природные и искусственные радиоактивные вещества, различного рода ядерно-технические установки, медицинские препараты, многочисленные контрольно-измерительные устройства (дефектоскопия металлов, контроль качества сварных соединений). Они используются также в сельском хозяйстве, геологической разведке, при борьбе со статическим электричеством и др.

Характеристики основных радиоактивных элементов:

Название элемента	Характеристика элемента и меры предосторожности	Период полураспада
1	2	3
Радон-222	Газ, испускающий альфа-частицы. Постоянно образуется в горных породах. Опасен при накоплении в шахтах, подвалах, на 1 этаже. Необходима вентиляция (проветривание).	3,8 суток
Ксенон-133	Газообразные изотопы. Постоянно образуются и распадаются в процессе работы атомного реактора. В качестве защиты используют изоляцию.	5 суток
Йод-131	Испускает бета-частицы и гамма-излучение. Образуется при работе атомного реактора. Вместе с зеленью усваивается жвачными животными и переходит в молоко. Накапливается в щитовидной железе человека. В качестве защиты от внутреннего облучения применяют "йодную диету", т.е. вводят в рацион человека стабильный йод.	8 суток
Криптон-85	Тяжёлый газ, испускающий бета-частицы и гамма-излучение. Входит в состав отработанного топливного элемента реактора. Выделяется при их хранении. Защита - изолированное помещение.	10 лет
Стронций- 90	Металл, испускающий бета-частицы. Основной продукт деления в радиоактивных отходах. Накапливается в костных тканях человека.	29 лет
Цезий-137	Металл, испускающий бета-частицы и гамма-излучение. Накапливается в клетках мышечной ткани.	30 лет
Радий-226	Металл, испускающий гамма-излучение, альфа и бета-частицы. Защита - укрытия и убежища.	1600 лет
Углерод-14	Испускает бета-частицы. Естественный природный изотоп углерода. Используется при определении возраста археологического материала.	5500 лет
Плутоний-239	Испускает альфа-частицы. Содержится в радиоактивных отходах. Защита - качественное захоронение радиоактивных отходов.	24000 лет
Калий-40	Испускает бета-частицы и гамма-излучение. Содержится и замещается (выводится) во всех растениях и животных.	1,3 млрд. лет

Геодезисты могут сталкиваться с ионизирующими излучениями при выполнении работ на ускорителях заряженных частиц (синхрофазотронах, синхротронах, циклотронах), а также на атомных электростанциях, на урановых рудниках и др.

Альфа-частицы представляют собой положительно заряженные ядра атомов гелия. Эти частицы испускаются при радиоактивном распаде некоторых элементов с большим атомным номером, в основном это трансурановые элементы с атомными номерами более 92. Альфа-частицы распространяются в средах прямолинейно со скоростью около 20 тыс. км/с, создавая на своём пути ионизацию большой плотности. Альфа-частицы, обладая большой массой, быстро теряют свою энергию и поэтому имеют незначительный пробег: в воздухе - 20-110 мм, в биологических тканях - 30-150 мм, в алюминии - 10-69 мм.

Бета-частицы - это поток электронов или позитронов, обладающий большей проникающей и меньшей ионизирующей способностью, чем альфа-частицы. Они возникают в ядрах атомов при радиоактивном распаде и сразу же излучаются оттуда со скоростью, близкой к скорости света. При средних энергиях пробег бета-частиц в воздухе составляет несколько метров, в воде - 1-2 см, в тканях человека - около 1 см, в металлах - 1 мм.

Рентгеновское излучение представляет собой электромагнитное излучение высокой частоты и с короткой длиной волны, возникающее при бомбардировке вещества потоком электронов. Важнейшим свойством рентгеновского излучения является его большая проникающая способность. Рентгеновские лучи могут возникать в рентгеновских трубках, электронных микроскопах, мощных генераторах, выпрямительных лампах, электронно-лучевых трубках и др.

Гамма-излучение относится к электромагнитному излучению и представляет собой поток квантов энергии, распространяющихся со скоростью света. Они обладают более короткими длинами волн, чем рентгеновское излучение. Гамма-излучение свободно проходит через тело человека и другие материалы без заметного ослабления и может создавать вторичное и рассеянное излучение в средах, через которые проходит. Интенсивность облучения гамма-лучами снижается обратно пропорционально квадрату расстояния от точечного источника.

Нейтронное излучение - это поток нейтральных частиц. Эти частицы вылетают из ядер атомов при некоторых ядерных реакциях, в частности, при реакциях деления ядер урана и плутония. Вследствие того, что нейтроны не имеют электрического заряда, нейтронное излучение обладает большой проникающей способностью. В зависимости от кинетической энергии нейтроны условно делятся на быстрые, сверхбыстрые, промежуточные, медленные и тепловые. Нейтронное излучение возникает при работе ускорителей заряженных частиц и реакторов, образующих мощные потоки быстрых и тепловых нейтронов. Отличительной особенностью нейтронного излучения является способность превращать атомы стабильных элементов в их радиоактивные изотопы, что резко повышает опасность нейтронного облучения.

Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом

В веществе быстрые заряженные частицы взаимодействуют с электронными оболочками и ядрами атомов. В результате взаимодействия с быстрой заряженной частицей электрон получает дополнительную энергию и переходит на один из удаленных от ядра энергетических уровней или совсем покидает атом. В первом случае происходит возбуждение, во втором -- ионизация атома.

При прохождении вблизи атомного ядра быстрая частица испытывает торможение в его электрическом поле. Торможение заряженных частиц сопровождается испусканием квантов тормозного рентгеновского излучения. Наконец, возможно упругое и неупругое соударение заряженных частиц с атомными ядрами.

Длина пробега частицы зависит от ее заряда, массы, начальной энергии, а также от свойств среды, в которой частица движется. Пробег увеличивается с возрастанием начальной энергии частицы и уменьшением плотности среды. При одинаковой начальной энергии массивные частицы обладают меньшими скоростями, чем легкие. Медленно движущиеся частицы взаимодействуют с атомами более эффективно и быстрее растрачивают имеющуюся у них энергию.

Проникающую способность бета-частиц обычно характеризуют минимальной толщиной слоя вещества, полностью поглощающего все бета-частицы. Например, от потока бета-частиц, максимальная энергия которых 2 МэВ, полностью защищает слой алюминия толщиной 3,5 мм.

Альфа-частицы, обладающие значительно большей массой, чем бета-частицы, при столкновениях с электронами атомных оболочек испытывают очень небольшие отклонения от своего первоначального направления и движутся почти прямолинейно. Пробеги альфа-частиц в веществе очень малы. Например, у альфа-частицы с энергией 4 МэВ длина пробега в воздухе примерно 2,5 см, в воде или в мягких тканях животных и человека -- сотые доли миллиметра.

Благодаря небольшой проникающей способности альфа- и бета-излучения обычно не представляют большой опасности при внешнем облучении. Плотная одежда может поглотить значительную часть бета-частиц и совсем не пропускает альфа-частицы. Однако при попадании внутрь человеческого организма с пищей, водой и воздухом или при загрязнении радиоактивными веществами поверхности тела альфа- и бета-излучения могут причинить человеку серьезный вред.

Нейтроны, не имеющие электрического заряда, при движении в веществе не взаимодействуют с электронными оболочками атомов. При столкновениях с атомными ядрами они могут выбивать из них заряженные частицы, которые ионизируют и возбуждают атомы среды.

Гамма-кванты взаимодействуют в основном с электронными оболочками атомов, передавая часть своей энергии электронам -- это явления фотоэффекта, эффекта Комптона или рождения электронно-позитронных пар. Возникающие быстрые электроны производят ионизацию атомов среды.

Пути пробега гамма-квантов и нейтронов в воздухе измеряются сотнями метров, в твердом веществе -- десятками сантиметров и даже метрами. Проникающая способность гамма-излучения увеличивается с ростом энергии гамма-квантов и уменьшается с увеличением плотности вещества-поглотителя.

Потоки гамма-квантов и нейтронов -- наиболее проникающие виды ионизирующих излучений, поэтому при внешнем облучении они представляют для человека наибольшую опасность.

Единицы измерения радиоактивности и доз облучений

В качестве единицы активности принято одно ядерное превращение в секунду. В целях сокращения используется более простой термин один распад в секунду (распр./с). В системе СИ эта единица получила название беккерель (Бк). В практике радиационного контроля, в том числе и в Чернобыле до последнего времени широко использовалась внесистемная единица активности - кюри (Ки). Один кюри - это 3,7х10~" ядерных превращений в секунду.

Концентрация радиоактивного вещества обычно характеризуется концентрацией его активности. Она выражается в единицах активности на единицу массы: Ки/т, мКи/г, кБк/кг и т.п. (удельная активность). На единицу объема: Ки/м³, мКи/л, Бк/см³ и т.п. (объемная концентрация) или на единицу площади: Ки/км², мКи/см², ПБк/м² и т.п.

Единице активности кюри соответствует активность 1 г радия (Rа).

Для характеристики ионизирующих излучений введено понятие дозы облучения. Различают три дозы облучения: поглощённая, эквивалентная и экспозиционная.

Степень, глубина и форма лучевых поражений, развивающихся среди биологических объектов при воздействии на них ионизирующего излучения, в первую очередь зависят от величины поглощённой энергии излучения или поглощённой дозы (Д_погл). Поглощенная доза излучения является основной физической величиной, определяющей степень радиационного воздействия.

Поглощённая доза - энергия, поглощённая единицей массы облучаемого вещества, равная отношению энергии, переданной ионизирующим излучением веществу, к массе вещества: D=E/m.

В качестве единицы поглощенной дозы излучения в системе СИ предусмотрена специальная единица - грей (Гр). 1 грей - это такая единица поглощенной дозы, при которой 1 кг облучаемого вещества поглощает энергию в 1 джоуль (Дж). Следовательно 1 Гр = 1 Дж/кг.

В радиобиологии и радиационной гигиене широкое применение получила внесистемная единица поглощённой дозы - рад. Рад - это такая поглощённая доза, при которой количество поглощённой энергии в 1г любого вещества составляет 100 эрг независимо от вида и энергии излучения. Соразмерность грея и рада следующая:

1 Гр= 100 рад.

С увеличением времени облучения доза всегда растет. При одинаковых условиях облучения она зависит от состава вещества. Поглощенная доза нарушает физиологические процессы в организме и приводит в ряде случаев к лучевой болезни различной степени тяжести.

В связи с тем, что одинаковая поглощённая доза различных видов ионизирующего излучения вызывает в единице массы биологической ткани различное биологическое действие, введено понятие эквивалентной дозы (Д_экв), которая определяется как произведение поглощённой дозы на средний коэффициент качества действующих видов ионизирующих излучений.

Поглощенная доза D, умноженная на коэффициент качества k, характеризует биологическое действие поглощенной дозы и называется эквивалентной дозой Н:

H=Dk.

Это понятие введено для количественного учета неблагоприятного биологического воздействия различных видов излучений. Единицей эквивалентной дозы в СИ является зиверт (Зв). 1 Зв равен эквивалентной дозе, при которой поглощенная доза равна 1 Гр и коэффициент качества равен единице. Коэффициент качества излучения для различных видов ионизирующих излучений с неизвестным спектральным составом принят: для рентгеновского и гамма-излучения - 1, для бета- излучения - 1, для нейтронов с энергией от 0,1 до 10 МэВ - 10, для альфа- излучения с энергией менее 10 МэВ - 20. Из приведенных цифр видно, что при одной и той же поглощенной дозе нейтронное и альфа-излучение вызывают, соответственно, в 10 и 20 раз больший поражающий эффект.

В системе СИ эквивалентная доза измеряется в зивертах (Зв).

Зиверт равен одному грею, деленному на коэффициент качества. При Q=1 получаем:

Коэффициент качества (К_кач) характеризует зависимость неблагоприятных биологических последствий облучения человека от способности ионизирующего излучения различного вида передавать энергию облучаемой среде.

Значения К_кач для разных видов ионизирующего излучения:

Вид излучения	Коэффициент качества (Ккач)
Рентгеновское и гамма-излучения	1
Электроны и позитроны, бета-излучение	1
Протоны	10
Нейтроны тепловые	3
Нейтроны быстрые	10
Альфа-частицы и тяжёлые ядра отдачи	20

Для оценки эквивалентной дозы, полученной группой людей (персонал объекта народного хозяйства, жители населённого пункта и т.п.), используется понятие коллективная эквивалентная доза (Д_экв.к.) - это средняя для населения доза, умноженная на численность населения (в человеко-зивертах).

Экспозиционная доза - мера ионизационного действия фотонного излучения, определяемая по ионизации воздуха в условиях электронного равновесия. Она служит для характеристики рентгеновского и г-излучения. Она равна дозе фотонного излучения, при котором в 1 кг атмосферною воздуха возникают ионы, несущие заряд электричества в 1 кулон (Кл).

Соответственно

Д_эксп = КЛ/КГ.

В СИ единицей экспозиционной дозы является один кулон на килограмм (Кл/кг). Внесистемной единицей является рентген (Р), 1Р=2,58х10^-4Кл/кг. В свою очередь 1Кл/кг 3,876х10³Р. Для удобства в работе при пересчете числовых значений экспозиционной дозы из одной системы единиц в другую обычно пользуются таблицами, имеющимися в справочной литературе.

1) Поглощённая, эквивалентная и экспозиционная дозы, отнесённые к единице времени, носят название мощности соответствующих доз.

Мощность дозы (мощность поглощенной дозы) - приращение дозы в единицу времени:

D=D/t.

Она характеризуется скоростью накопления дозы и может увеличиваться или уменьшаться во времени. Ее единица в системе СИ - грей в секунду. Это такая мощность поглощенной дозы излучения, при которой за 1 с в веществе создается доза излучения в 1 Гр. На практике для оценки поглощенной дозы излучения до сих пор широко используют внесистемную единицу мощности поглощенной дозы - рад в час (рад/ч) или рад в секунду (рад/с).

Мощность эквивалентной дозы - отношение приращения эквивалентной дозы за какой-то интервал времени. Выражается в зивертах в секунду. Поскольку время пребывания человека в поле излучения при допустимых уровнях измеряется, как правило, часами, предпочтительно выражать мощность эквивалентной дозы в микрозивертах в час.

Мощность эквивалентной дозы, создаваемая естественным излучением (земного и космического происхождения), колеблется в пределах 1,5 - 2 мЗв/год, плюс искусственные источники (медицина, радиоактивные осадки) от 0,3 до 0,5 мЗв/год. Вот и выходит, что человек в год получает от 2 до 3 мЗв. Эти цифры примерные и зависят от конкретных условий. По другим источникам они выше и доходят до 5 мЗв/год.

Мощность экспозиционной дозы - приращение экспозиционной дозы в единицу времени. Ее единица в системе СИ - ампер на килограмм (А/кг). Однако в переходный период можно пользоваться внесистемной единицей - рентген в секунду (Р/с):

1Р/с = 2,58х10^-4 А/кг.

Надо помнить, что после 1 января 1990 г. не рекомендуется вообще пользоваться понятием экспозиционной дозы и ее мощности, Поэтому во время переходного периода эти величины следует указывать не в единицах СИ (Кл/ кг, А/кг), а во в несистемных единицах - рентгенах и рентгенах в секунду.

Для упрощенной оценки информации по однотипному ионизирующему излучению можно использовать следующие соотношения:

1) 1 Гр = 100 бэр = 100 Р = 100 рад = 1 Зв (с точностью до 10-15%);

2) радиоактивное загрязнение плотностью 1 Ки/м² эквивалентно мощности экспозиционной дозы 10 Р/ч, или мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения 1 Р/ч соответствует загрязнению в 10 мкКи/см².

Бэр (биологический эквивалент рентгена) - это внесистемная единица эквивалентной дозы, такая поглощенная доза любого излучения, которая вызывает тот же биологический эффект, что и 1 рентген гамма-излучения. Поскольку коэффициент качества бета и гамма-излучений равен 1, то на местности, загрязненной радиоактивными веществами при внешнем облучении,

1 Зв = 1 Гр; 1 бэр = 1 рад; 1 рад 1 Р.

Из этого можно сделать вывод, что эквивалентная, поглощенная и экспозиционная дозы для людей, находящихся в средствах защиты на зараженной местности, практически равны.

Дозиметрические величины и единицы их измерения:

Величина	Единица в СИ	Внесистемная единица	Примечания
Активность	Беккерель (Бк)	Кюри (Ки)	1Бк=1расп/с 1Ки=3,7х1010Бк
Доза излучения (поглощенная доза)	Грей (Гр)	рад	1Гр=100рад 1рад=10-2Дж/кг+10-2Гр
Эквивалентная доза	Зиверт (Зв)	бэр (биологический эквивалент рентгена)	1Зв=1Гр 1Зв=100бэр=100З 1бэр=10-2Зв
Экспозиционная доза	Кл/кг (кулон на килограмм)		1З=2,58х10-4Кл/кг 1Кл/кг=3,88х103Р

Люди некоторых профессий подвергаются дополнительному облучению ионизирующей радиацией. Это врачи-рентгенологи, работники атомных электростанций, ученые и технический персонал, работающие в области ядерной физики и физики элементарных частиц, космонавты. Полностью устранить дополнительное действие ионизирующей радиации на их рабочих местах оказывается невозможным. Поэтому нужно было определить допустимую границу дополнительной дозы облучения. Предельно допустимой дозой (ПДД) облучения для лиц, профессионально связанных с использованием источников ионизирующей радиации, является 50 мЗв за год. Этот уровень облучения был принят за допустимый на том основании, что он близок к уровню естественного радиационного фона в некоторых местах на Земле и никаких отрицательных последствий для человека при действии таких доз не обнаружено.

Санитарными нормами установлен допустимый уровень разового аварийного облучения для населения - 0,1 Зв. Это примерно равно дозе фонового облучения человека за всю жизнь.

В качестве предельно допустимой дозы систематического облучения населения установлена эквивалентная доза облучения 5 мЗв за год, т. е. 0,1 ПДД.

Механизм действия ионизирующего излучения

При воздействии б-, в-частиц или фотонов г-лучей на атомы, находящиеся в стабильном состоянии, их электроны могут выбиваться из своих обычных орбит. Атомы, потерявшие электроны, становятся положительно заряженными ионами. Свободные электроны присоединяются к нейтрально заряженным атомам, и те превращаются в отрицательно заряженные ионы. Ионы, входящие в состав молекул, повышают их химическую активность. Молекулы реагируют между собой, в результате чего появляются новые, чужеродные для организма молекулы. Если в результате воздействия б-, в-частиц или фотонов г-лучей на атомы, находящиеся в стабильном состоянии, им будет сообщена энергия недостаточная для того, чтобы "оторвался" электрон, произойдет возбуждение атома, то есть электрон перейдет на более высокий энергетический уровень. Молекула в результате этого также становится более реакционоспособной.

Радиационное излучение может оказывать как прямое, так и непрямое действие. Прямое действие - это непосредственное воздействие ионизирующей радиации на молекулы различных биологических структур (в первую очередь, гормонов и ферментов). В зависимости от дозы поглощенных лучей может идти процесс деполимеризации коллоидных структур или, наоборот, их полимеризации. Непрямое действие обусловлено вредным влиянием на биологические структуры организма продуктов радиолиза воды: Н₂О₂, О^2-, ОН^-. Пероксидные вещества обладают сильными окислительными и токсическими свойствами. Вступая в соединения с органическими веществами, они вызывают значительные химические изменения в клетках и тканях, денатурации белковых и других органических структур с образованием токсических гистаминоподобных веществ. Радиохимические процессы вызывают деполимеризацию гиалуроновой кислоты, глюко- и липопротеидов, нарушают проницаемость клеточных мембран, вызывают изменения в ДНК и РНК.

При облучении человека смертельной дозой гамма-излучения, равной 6 Гр, в его организме выделяется энергия, равная примерно E=mD=70 кг (6 Гр=420 Дж). Такая энергия передается организму человека одной чайной ложкой горячей воды. Поскольку эта энергия мала, естественно предположить, что тепловое воздействие ионизирующей радиации не является непосредственной причиной лучевой болезни и гибели человека. Действительно, основной механизм биологического воздействия ионизирующей радиации на живой организм обусловлен химическими процессами, происходящими в живых клетках после их облучения. Организм млекопитающего состоит примерно на 75% из воды. При дозе 6 Гр в 1 см³ ткани происходит ионизация примерно 1015 молекул воды. Процессы ионизации и химических взаимодействий продуктов ионизации происходят в клетке за миллионные доли секунды. Биохимические изменения в клетке, обусловленные образованием новых молекул, чуждых нормальной клетке, начинаются сразу после момента облучения, но не завершаются за короткое время. Некоторые следствия биохимических изменений в клетке проявляются уже через несколько секунд после облучения, другие могут привести к гибели клетки или ее раковому перерождению через десятилетия.

Одним из первых следствий действия облучения на живую клетку является нарушение ее функции деления как самой сложной функции. Поэтому в первую очередь нарушаются функции органов и тканей организма, в которых происходит деление клеток, образование новых клеток.

Острым поражением называют повреждение живого организма, вызванное действием больших доз облучения и проявляющееся в течение нескольких часов или дней после облучения. Первые признаки общего острого поражения организма взрослого человека обнаруживаются, начиная примерно с 0,5-1,0 Зв. Эту эквивалентную дозу можно считать пороговой для общего острого поражения при однократном облучении. При такой эквивалентной дозе начинаются нарушения в работе кроветворной системы человека. При эквивалентных дозах облучения всего тела 3-5 Зв около 50% облученных умирает от лучевой болезни в течение 1-2 месяцев. Главной причиной гибели людей при таких дозах облучения является поражение костного мозга, приводящее к резкому снижению числа лейкоцитов в крови. При дозах облучения в 10--50 Зв смерть наступает через 1-2 недели от кровоизлияний в желудочно-кишечном тракте. Эти кровоизлияния происходят в результате гибели клеток слизистых оболочек кишечника и желудка.

Значительная часть повреждений, вызванных радиацией в живых клетках, является необратимыми. Эти повреждения увеличивают вероятность возникновения различных заболеваний, из которых наиболее опасны раковые заболевания. Средняя продолжительность времени от момента облучения до гибели от лейкоза составляет 10 лет. Вероятность возникновения ракового заболевания увеличивается пропорционально дозе облучения. Эквивалентная доза облучения 1 Зв в среднем приводит к 2 случаям лейкоза, 10 случаям рака щитовидной железы, 10 случаям рака молочной железы у женщин, 5 случаям рака легких на 1000 облученных. Раковые заболевания других органов под действием облучения возникают значительно реже.

Биологическое действие ионизирующего излучения

радиоактивность излучение отход дозиметрический

Различают два вида эффекта воздействия на организм ионизирующих излучений: соматический и генетический. При соматическом эффекте последствия проявляются непосредственно у облучаемого, при генетическом - у его потомства. Соматические эффекты могут быть ранними или отдалёнными. Ранние возникают в период от нескольких минут до 30-60 суток после облучения. К ним относят покраснение и шелушение кожи, помутнение хрусталика глаза, поражение кроветворной системы, лучевая болезнь, летальный исход. Отдалённые соматические эффекты проявляются через несколько месяцев или лет после облучения в виде стойких изменений кожи, злокачественных новообразований, снижения иммунитета, сокращения продолжительности жизни.

При изучении действия излучения на организм были выявлены следующие особенности:

1) высокая эффективность поглощённой энергии, даже малые её количества могут вызвать глубокие биологические изменения в организме;

2) наличие скрытого (инкубационного) периода проявления действия ионизирующих излучений;

3) действие от малых доз может суммироваться или накапливаться;

4) генетический эффект - воздействие на потомство;

5) различные органы живого организма имеют свою чувствительность к облучению.

6) Не каждый организм (человек) в целом одинаково реагирует на облучение.

7) Облучение зависит от частоты воздействия. При одной и той же дозе облучения вредные последствия будут тем меньше, чем более дробно оно получено во времени.

Ионизирующее излучение может оказывать влияние на организм как при внешнем (особенно рентгеновское и гамма-излучение), так и при внутреннем (особенно альфа-частицы) облучении. Внутреннее облучение происходит при попадании внутрь организма через лёгкие, кожу и органы пищеварения источников ионизирующего излучения. Внутреннее облучение более опасно, чем внешнее, так как попавшие внутрь ИИИ подвергают непрерывному облучению ничем не защищённые внутренние органы.

Под действием ионизирующего излучения вода, являющаяся составной частью организма человека, расщепляется и образуются ионы с разными зарядами. Полученные свободные радикалы и окислители взаимодействуют с молекулами органического вещества ткани, окисляя и разрушая её. Нарушается обмен веществ. Происходят изменения в составе крови - снижается уровень эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов и нейтрофилов. Поражение органов кроветворения разрушает иммунную систему человека и приводит к инфекционным осложнениям.

Местные поражения характеризуются лучевыми ожогами кожи и слизистых оболочек. При сильных ожогах образуются отёки, пузыри, возможно отмирание тканей (некрозы).

Смертельные поглощённые дозы для отдельных частей тела следующие:

· голова - 20 Гр;

· нижняя часть живота - 50 Гр;

· грудная клетка -100 Гр;

· конечности - 200 Гр.

При облучении дозами, в 100-1000 раз превышающую смертельную дозу, человек может погибнуть во время облучения ("смерть под лучом").

Впервые поражающее действие ионизирующего излучения было отмечено в 1878 г. в Саксонии (Германия). У 75% шахтеров, добывающих железную руду, было обнаружено заболевание раком легких. Оказалось, что горная порода характеризуется высоким содержанием урана. Причиной заболеваний был радиоактивный газ радон, накапливающийся в воздухе плохо вентилируемых шахт. Примерно в то же время первые исследователи, не задумываясь об опасности, облучали свои руки рентгеновскими лучами для определения их интенсивности. Первым и самым легким симптомом, который они обнаружили, было временное покраснение кожи (эритема). Эффект появлялся спустя несколько часов, а через несколько дней исчезал, не оставляя следов. Позже стало ясно, что более интенсивное или длительное облучение может привести к серьезным последствиям. В 1902 г. был описан первый случай заболевания раком кожи вследствие воздействия рентгеновского излучения. Еще 10 лет спустя появились первые сообщения о лейкемии у врачей и медсестер, работавших с рентгеновской аппаратурой. А в 1930 г. было доказано, что лейкемия может возникать в результате действия ионизирующего излучения.

Сегодня наука располагает данными более чем пятидесятилетнего медицинского наблюдения за облученными людьми. Это 90 тысяч человек, переживших атомную бомбардировку в Японии, около 600 тысяч получивших дозу излучения во время ядерных испытаний и на ядерных производствах. Почти миллион ежегодно составляют пациенты, получающие лучевую терапию. Наиболее полно изучены последствия воздействия больших доз излучения.

Большие дозы - это дозы излучения, которые как минимум в сотни или тысячи раз превышают дозовые пределы. В радиобиологии принято считать, что это дозы, превышающие 1000 мЗв однократно или 50-100 мЗв в год в режиме хронического облучения. При облучении малыми дозами проявления носят вероятностный характер - с увеличением дозы возрастает лишь вероятность эффектов, но не их степень. Иная картина в диапазоне больших доз - с увеличением дозы усиливается как вероятность, так и степень проявления эффектов. Действие на человека больших доз излучения выражается в конкретных клинических формах: острая лучевая болезнь, лучевые ожоги, хроническая лучевая болезнь. Крайне высокая доза облучения всего тела приводит к смерти. Мировая история знает немного таких случаев. В августе 1945 года в результате атомной бомбардировки японских городов Хиросимы и Нагасаки непосредственно от взрывов и высоких доз облучения погибло более 100000 человек. С тех пор атомные бомбы в военных действиях не применялись.

В апреле 1986 года в Чернобыле смертельные дозы, превышающие 10000 мЗв, получил 31 человек. Все эти люди сразу после начала аварии на реакторе приняли участие в ликвидации ее последствий. Чернобыльская авария - это единственная авария на промышленной АЭС, во время которой находящиеся там люди получили смертельные дозы. Известны также другие случаи, когда профессиональные работники получали смертельные дозы в результате аварий на радиационных установках или грубого нарушения техники безопасности.

Единовременная доза не вызывает каких-либо заметных симптомов. В отсутствии дозиметра человек об облучении не узнает. Анализ крови в течение нескольких недель будет показывать небольшое снижение уровня лейкоцитов, но вскоре нормальные уровни восстанавливаются.

Единовременная доза через несколько часов после облучения может вызвать ухудшение самочувствия, которое проявляется в виде головной боли, тошноты или рвоты. Однако поскольку реакции людей индивидуальны, абсолютно минимальную дозу для наступления заметных симптомов установить невозможно. Доза в 2000 мЗв приводит к снижению уровня как лимфоцитов, так и тромбоцитов примерно на 50%. В течение нескольких месяцев нормальные уровни восстанавливаются. 3:

Наиболее общие симптомы лучевой болезни у многих людей будут проявляться, если доза составит или превысит 3000 мЗв. Симптомы являются неконкретными и напоминают симптомы многих обычных болезней: - это слабость, угнетенное состояние, головокружение, головная боль, потеря аппетита, тошнота, рвота. Через несколько дней пациент может почувствовать себя лучше, но наступает новый приступ болезни, сопровождающийся нарастающей депрессией, высокой температурой, кровавой рвотой, поносом, инфекционно-воспалительными процессами. В местах значительного облучения кожи наблюдается эритема, выпадение волос. Хотя существует небольшой риск смерти, выжившие, как правило, вполне выздоравливают в течение нескольких месяцев. Клинические проявления становятся более выраженными. Симптомы, появляющиеся через несколько недель после облучения, вызываются поражением слизистых оболочек внутренних органов и тканей костного мозга. При таких дозах поражение может быть слишком сильным для того, чтобы организм восстановился. 4000 мЗв создает существенную угрозу жизни, 5000 мЗв означает высокую вероятность смерти, а 6000 мЗв без интенсивного медицинского лечения почти определенно означает смерть. Поражение внутренних органов затрудняет прием и поглощение питательных растворов, и лечение включает восполнение жидкости. Поражение костного мозга сильно меняет формулу крови, что вызывает внутреннее кровотечение и повышает риск инфекции. Пациента необходимо защитить от инфекций. Лечение, связанное с переливанием крови и пересадкой костного мозга, заканчивались по-разному.

После получение единовременной дозы, превышающей 6000 мЗв, шансы выжить дольше нескольких недель весьма малы. Если доза превышает 10000 мЗв, слизистые оболочки внутренних органов будут поражены настолько, что восстановить их будет уже невозможно. Смерть наступает в течение двух недель от обезвоживания организма.

Дозы 1000 мЗв и более являются исключительными и могут быть получены только во время ядерной войны, в ходе лучевой терапии или в результате серьезной радиационной аварии, когда лицо находится на месте аварии или около него; ни дозы, получаемые в течение всей жизни, ни единовременные дозы менее 1000 мЗв не вызывают каких либо симптомов. Единственно возможное последствие - это повышение риска рака на более позднем этапе жизни.

До сих пор речь шла о дозах, которые намного выше тех, которые встречаются в реальных условиях производства и проживания людей. В подавляющем большинстве случаев доза, накопленная за жизнь, не превышает 1000 мЗв. Дозы излучения, ограниченные этим пределом, называют малыми.

Воздействие таких доз на организм сводится только к возрастанию риска стохастических эффектов. Особенность этих эффектов заключается в случайной, вероятностной природе их проявления. Это означает, что от дозы зависит не тяжесть поражения, а лишь вероятность его возникновения. На практике это проявляется в том, что с ростом дозы увеличивается частота возникновения рака. Например, в эксперименте увеличивается доля животных, у которых развивается рак. Но при этом нельзя заранее предсказать каждый конкретный исход - животное, получившее малую дозу, может заболеть, а то, которое получило в 100 раз больше, остаться здоровым.

Данные наблюдений позволяют с определенностью заключить, что длительное, многолетнее облучение дозами до 50 мЗв в год взрослого практически здорового человека (персонала) или дозами до 10 мЗв в год населения в целом не вызывает никаких неблагоприятных эффектов, которые можно зарегистрировать современными методами. Способность ионизирующих излучений вызывать рак и генетические нарушения выявлена только при больших дозах облучения, никак не меньших 1000 мЗв. Длительное наблюдение за людьми, пережившими атомную бомбардировку Хиросимы и Нагасаки, показало небольшое, но четкое увеличение заболеваемости определенными видами рака, такими как лейкемия, рак щитовидной железы, а также рак молочной железы у женщин. Общее увеличение частоты раковых заболеваний составило примерно 6%.

Чернобыльская авария выявила еще один важный аспект действия малых доз излучения, о котором нельзя не сказать. Речь идет о психосоматических эффектах. После радиоактивного загрязнения ни один житель стран Западной Европы и Скандинавии не получил единовременной дозы излучения выше 0,1 мЗв. Тем не менее многие говорили, что из-за радиации у них появилась сыпь, головные боли, тошнота, бессонница. Нет никаких оснований сомневаться в том, что эти симптомы действительно имели место, но утверждение о том, что их болезнь является биологическим последствием излучения, сомнительно. Страх, обеспокоенность, чувство тревоги и неосведомленность могут вызвать временные физические признаки болезни. У тех, кто получал достаточную информацию и хорошо понимал ситуацию, таких симптомов не наблюдалось, хотя они после аварии подвергались воздействию таких же доз облучения. Согласно исследованиям, проведенным международными экспертами в наиболее загрязненных районах России, Беларуси и Украины, причинами самых серьезных проблем было не непосредственное биологическое действие излучения, а травмы, страхи, чувство безнадежности, депрессия и нарушение питания. Во многих случаях причиной реальных проблем со здоровьем были именно они, а не излучение. Очевидно, что люди, находящиеся в таком состоянии, нуждаются в лечении. И если симптомы имеют психосоматический характер и вызваны страхом перед излучением, пациенту следует сказать правду: малые дозы излучения не вызывают признаков болезни. Любое предположение со стороны психологов или медицинских работников о связи симптомов с излучением может вызвать ненужную тревогу у человека и ухудшить его состояние.

Фоновое излучение и доза, им обусловленная

Радиоактивные излучения являются неотъемлемой частью мира, в котором мы живем; сама жизнь на Земле возникла на фоне этих излучений. Радиационный фон определяется радиоактивными изотопами ряда химических элементов, рассеянных в горных породах Земли, в почве, воде и воздухе, а также космическим излучением. На протяжении биологической истории Земли этот фон практически оставался неизменным, обуславливая дозу радиации порядка 10^-3 Гр/год, получаемую любым организмом. Считается, что эта доза не вызывает видимых биологических эффектов. Более того, можно предположить, что эта доза является необходимой для жизни на Земле в той форме, в какой она существует, поскольку эта жизнь возникла, эволюционировала и существует в условиях определенного радиационного фона.

Самый опасный вид облучения человека - внутреннее б-облучение за счет естественных радионуклидов уранового и ториевого рядов, основная масса которых концентрируется в скелете. Основные радионуклиды - ²³⁸U, ²²⁶Ra и ²¹⁰Pb - равномерно распределены по всему объему минеральной кости, а ²³²Th концентрируется в основном на костных поверхностях. Средняя концентрация ²³⁸U в костной ткани составляет 150 мБк/кг с колебаниями от 30 до 200 мБк/кг. Для ²²⁶Ra в костной ткани средняя концентрация 170 мБк/кг, для ²¹⁰Pb - 84 мБк/кг. Указанные концентрации обуславливают годовую поглощенную дозу облучения костных клеток и красного костного мозга:

Радионуклид	Доза, 10-7 Гр
	Костные клетки	Костный мозг
238U	18 / (13-22)	2,2 / (1,7-2,8)
234U	21 / (16-26)	2,6 / (1,9-3,2)
226U	41 / (22-63)	3,7 / (2,0-5,8)
210Pb - 210Po	325 / (216-408)	45 / (30-57)
232Th	72 / (50-112)	7,1 / (4,3-9,5)

Примечание: в знаменателе - пределы колебаний дозы в популяциях, связанные, по-видимому, с различиями рациона питания и биологическими особенностями индивидуумов.

За последние 50 лет уровень излучения во внешней среде несколько увеличился за счет радиоактвных отходов от атомных электростанций и предприятий атомной промышленности, главное же - за счет радиоактивных выпадений после испытаний атомного оружия.

Проблема радиоактивных отходов

Радиоактивные отходы (РАО) - это побочные биологически и/или технически вредные вещества, содержащиеся образовавшиеся в результате технической деятельности человека радионуклиды. Локализованы эти отходы в сравнительно небольших объемах, чем отличаются от радиоактивных выбросов, поступающих в окружающую среду, прежде всего - в атмосферу, и рассеивающихся в ней. Активность РАО определяется главным образом искусственными радионуклидами, имеющими Т_1/2 не менее нескольких часов.

В настоящее время в хранении и захоронении РАО существуют 2 тенденции: локальная и региональная. Захоронение отходов на месте их образования удобно во многих отношениях, однако по мере строительства новых объектов такой подход приводит к увеличению опасных зон захоронения. С другой стороны, с созданием ограниченного числа таких мест возникает проблема стоимости и обеспечения безопасности перевозок отходов. Окончательный выбор в этом вопросе еще не сделан, если он вообще возможен. В различных странах вопрос решается по-разному и, насколько можно судить, пока не окончательно.

В процессе образования РАО и борьбы с ними существуют следующие основные этапы: улавливание, концентрирование, упаковка, хранение, захоронение. Первый этап особенно важен в случае газообразных РАО, среди которых наиболее существенны радионуклиды криптона, ксенона, трития и углерода. Наиболее распространены жидкие РАО, которые для захоронения доводят до твердого состояния, концентрируя их и включая в стеклообразную массу, а затем - в металлическую матрицу, бетонные блоки или пористые керамические материалы. Полагают, что в реакторах АЭС мощностью 1 ГВт за год образуется 300-500 м³ твердых отходов, а от переработки ТВЭЛов еще 10 м³ высокоактивных, 40 м³ среднеактивных и 130 м³ низкоактивных.

Существенной проблемой является выбор геологических формаций для захоронения РАО. Наиболее пригодны для этого глубокие шахты и штольни, преимущественно в каменной соли. Используются скважины в глинах или скальных породах. В любом случае место захоронения должно характеризоваться высокой водонепроницаемостью. Своеобразными участками захоронения являются места подземных ядерных взрывов.

Особым видом РАО являются твердые отходы, образующиеся при переработке урановых и ториевых руд. Они характеризуются повышенным содержанием естественных радионуклидов (ЕР). Эти отходы с учетом их удельной активности могут использоваться в качестве строительных материалов. При этом концентрация ЕР в этих материалах, используемых во всех вновь строящихся жилых и общественных зданиях, не должна превышать утвержденных нормативов. Для сравнительных оценок радиоактивности стройматериалов применяют эффективную удельную активность ЕР, рассчитываемую по уравнению:

С_эфф = С_Ra + 1,26C_Th + 0,086C_K,

где С_i - содержание соответствующего радионуклида, пКи/г.

Радиационный фон помещений

В среднем 50% радиационного фона обусловлены радоном и продуктами его распада. Источником радона является земная кора, при этом образуется радон из радия, распространенного повсеместно. Весьма неприятным открытием явилось обнаружение достаточно заметных количеств радона в различных помещениях, особенно в жилых домах. Источниками радона в помещениях являются кирпич и бетон, но главное - земля под строением. Этот газ проникает в строения вместе с воздухом, втягивающимся из почвы вследствие разницы в давлениях и температурах внутри и вне дома через различные неплотности и микротрещины, т. е. благодаря эффекту «дымохода». Из-за конструкционных и иных особенностей поступление радона в помещение может значительно варьировать.

Учитывая, что население промышленно развитых стран около 80% времени проводит внутри жилых и производственных помещениях, где содержание радона повышено, нетрудно видеть в этом определенную проблему. В последние годы проблема радонового загрязнения жилых и иных помещений переносит центр тяжести с оценки загрязнения и существующих уровней облучения на изучение возможностей и способов их снижения.

Действие ионизирующего излучения на биогеоценоз

Неплохо изучены случаи накопления радионуклидов у животных и человека в тундровой зоне. Особенность этой зоны заключается в наличии очень простых экосистем, коротких пищевых цепей с участием лишайников, концентрирующих радионуклиды из воздуха и дождевой воды. Лишайники, особенно зимой, составляют основной корм оленей, а оленье мясо - основную пищу людей. В связи с этим в организм человека попадает повышенное количество радионуклидов, особенно ¹³⁷Cs.

Другой пример. Наиболее чувствительным к радиоактивному загрязнению среди сообществ наземных организмов является лесной биогеоценоз, а наиболее радиочувствительными видами - хвойные породы. Последнее связано с их своеобразной ролью фильтра, которую играют вечнозеленые кроны, задерживая значительную часть выпадающих радионуклидов. В результате - высокие дозовые нагрузки на единицу массы жизненно важных и репродуктивных органов. Следствием этого может явиться повышенное повреждение хвойных пород в биогеоценозе и даже их полная гибель. Отсюда вывод, что в лесу объектом нормирования радиоактивных загрязнений должны быть преобладающие виды хвойных пород, отличающихся наибольшей радиочувствительностью. В лиственных лесах объектами нормирования могут быть доминирующие виды травянистых растений при условии их радиочувствительности. Критическими звеньями природных экосистем, в которых происходит аккумуляция выпадающих радионуклидов и создаются высокие дозовые нагрузки, являются лесные подстилки, тонкий слой целинных луговых почв, лишайниково-моховые сообщества.

Приведенные примеры свидетельствуют о сложности вопросов, возникающих при изучении воздействия радиации на биогеоценоз. Как правило, эти вопросы далеко не решены. Например, нормирование в настоящее время базируется на санитарно-гигиенических принципах, т. е. на необходимости защиты в первую очередь человека. Однако всегда ли и в какой мере нормативы, устанавливаемые по человеку, обеспечивают защиту других объектов природы - организмы, популяции, экосистемы в целом? Для ионизирующей радиации этот вопрос открыт. Вместе с тем, например, почвенные микроорганизмы при загрязнении почвы тяжелыми металлами или нефтью до определенного уровня могут погибнуть, а сельскохозяйственная продукция окажется вполне пригодной по санитарным нормам для человека. При длительном воздействии диоксида серы в концентрациях, не превышающих ПДК для человека в воздухе, происходит повреждение хвойных пород. Лишайники в городах гибнут при уровнях загрязнения воздуха, считающихся безвредными для людей.

О воздействии ионизирующей радиации совместно с другими неблагоприятными факторами

Резорбция в организме ²³⁹Pu в виде нитрата заметно увеличивается - в 2 и более раз, а по времени - в 4-16 раз, если он оказывается в депо, на коже, в ране или в воздухе совместно с трибутилфосфатом.

Ингаляция диоксида серы в низких концентрациях крысами усиливает отложение в их легких также ингалируемого ¹⁴⁴Се. Более того, изменяются его хемобиокинетика и распределение в организме. Следовательно, диоксид серы как один из компонентов загрязненности атмосферного воздуха следует рассматривать в качестве фактора, усиливающего повреждающее действие церия и, вероятно, других радионуклидов.

Методы обнаружения и измерения ионизирующего излучения

В результате взаимодействия радиоактивного излучения со внешней средой происходит ионизация и возбуждение ее нейтральных атомов и молекул. Эти процессы изменяют физико-химические свойства облучаемой среды. Взяв за основу эти явления, для регистрации и измерения ионизирующих излучений используют ионизационный, химический и сцинтилляционный методы.

Ионизационный метод. Сущность его заключается в том, что под воздействием ионизирующих излучений в среде (газовом объеме) происходит ионизация молекул, в результате чего электропроводность этой среды увеличивается. Если в нее поместить два электрода, к которым приложено постоянное напряжение, то между электродами возникает направленное движение ионов, т.е. проходит так называемый ионизационный ток, который легко может быть измерен. Такие устройства называются детекторами излучений. В качестве детекторов в дозиметрических приборах используются ионизационные камеры и газоразрядные счетчики различных типов.

Ионизационный метод положен в основу работы таких дозиметрических приборов, как ДП-5А (Б, В), ДП-ЗБ, ДП-22В и ИД-1.

Химический метод. Его сущность состоит в том, что молекулы некоторых веществ в результате воздействия ионизирующих излучений распадаются, образуя новые химические соединения. Количество вновь образованных химических веществ можно определить различными способами. Наиболее удобным для этого является способ, основанный на изменении плотности окраски реактива, с которым вновь образованное химическое соединение вступает в реакцию. На этом методе основан принцип работы химического дозиметра гамма- и нейтронного излучения ДП-70МП.

Сцинтилляционный метод. Этот метод основывается на том, что некоторые вещества (сернистый цинк, йодистый натрий, вольфрамат кальция и др.) светятся при воздействии на них ионизирующих излучений. Возникновение свечения является следствием возбуждения атомов под действием излучений; при возвращении в основное состояние атомы испускают фотоны видимого света различной яркости (сцинтилляции). Фотоны видимого света улавливаются специальным прибором - так называемым фотоэлектронным умножителем, способным регистрировать каждую вспышку. В основу работы индивидуального измерителя дозы ИД-11 положен сцинтилляционный метод обнаружения ионизирующих излучений.

Приборы радиационной разведки и дозиметрического контроля

Приборы, предназначенные для обнаружения и измерения радиоактивных излучений, называются дозиметрическими. Их основными элементами являются воспринимающее устройство, усилитель ионизационного тока, измерительный прибор, преобразователь напряжения, источник тока.

Первая группа - это рентгенметры-радиометры. Ими определяют уровни радиации на местности и зараженность различных объектов и поверхностей. Сюда относят измеритель мощности дозы ДП-5В (А,Б) - базовая модель. На смену этому прибору приходит ИМД-5. Для подвижных средств создан бортовой рентгенметр ДП-ЗБ. Взамен ему поступают измерители мощности дозы ИМД-21, ИМД-22. Это основные приборы радиационной разведки.

Вторая группа - дозиметры для определения индивидуальных доз облучения. В эту группу входят: дозиметр ДП-70МП, комплект индивидуальных измерителей доз ИД-11.

...