2015-02-04
2564
Все виды ИИ по природе принято делить на 2 группы:
1). корпускулярные (от лат. corpusculum – «тельце»);
2). волновые (электромагнитные).
Корпускулярные излучения представляют собой потоки лучей определен-
ной массы, создаваемых элементарными и атомными частицами. Большин-
ство этих лучей имеет электрический заряд, массу покоя и скорость распро-
странения. Выделяют 4 группы корпускулярных излучений. Рассмотрим их подробнее.
a (альфа) - излучение. Это излучение создается альфа- частицами, каждая из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов, прочно связанных между собой. Масса a-частицы составляет 4,00273 атомных единиц массы (а.е.м.) или 6,644•10 -24 г, а её заряд равен двум положительным элементарным единицам. Энергия альфа-частиц, испускаемых изотопами естественных радиоактивных элементов, лежит в пределах от 2 до 9 МэВ (мегаэлектронвольт),а с помощью ускорителей заряженных частиц можно получить a-частицы с энергией порядка сотенМэВ. При вылете из ядер одного и того же радиоизотопа все альфа-частицы имеют одинаковую энергию. Скорость их движения составляет от 0,05 до 0,08 скорости света, т.е. 14-20,6 тыс. км в секунду. В вакууме альфа-частица могла бы полностью обогнуть земной шар по экватору за 2 секунды (рис. 1).
|
|
|
Рис.1. Образование альфа-излучения
Длину пробега альфа-частиц в других веществах легко вычислить, исходя из того, что тормозная способность вещества, отнесённая к одному атому, пропорциональна квадратному корню из атомной массы. Для плотных веществ длина пробега a-частиц составляет порядка сотых долей миллиметра (например, в стекле R = 0,04 мм).
Альфа-частиц пользуются для осуществления различных ядерных реакций, в частности для получения нейтронов и некоторых радиоактивных изотопов. Так как масса a-частиц значительно больше (в 7345 раз) в сравнении с массой электронов атомов, с которыми они сталкиваются, то траектория движения a-частиц практически прямолинейна.
Вследствие положительного заряда и относительно невысокой скорости a-частицы весьма интенсивно взаимодействуют с электронами поглощаю-
щего материала; быстро расходуя свою энергию. При этом они успевают
пройти очень небольшое расстояние и обладают самой высокой степенью линейной, удельной и объемной ионизации различных сред и веществ. Так, в воздухе на своем коротком пути движения одна альфа-частица приводит к образованию от 116 до 254 тыс. пар ионов. В воздухе a- частицы имеют путь пробега от 2,5 до 11 см, а в мягких тканях живых организмов – всего лишь 30-130 микрон в зависимости от своей энергии (табл. 1).
Таблица 1. Пробеги a-частиц в воздухе, биологической ткани и металле
|
|
|
| Среды | Путь пробега | Энергия α-частиц, МэВ | |||
| Воздух | см | 2,5 | 4,6 | 7,4 | 10,6 |
| Биологические ткани | мкм | ||||
| Алюминий | мкм |
Поток альфа-частиц легко остановит даже лист бумаги. Поэтому обладаю-
щие самой большой энергией альфа-частицы не могут проникнуть сквозь огрубевшие верхние слои клеток кожи.
Однако, альфа-излучение гораздо опаснее, когда его источники находятся внутри организма. Ниже приведены основные альфа-излучатели и соответст-
вующие им эффективные дозы, которые может получить человек за год при употреблении воды, содержащей любой из этих альфа-радионуклидов с уровнем радиоактивности 0,1 Бк/л (табл. 2).
Таблица 2. Основные альфа-излучатели
| Радионуклид | Обозначение | Период полураспада | Годовая доза при уровне радиоактивности 0,1 Бк/л, мЗв |
| Полоний-210 | Po210 | 138,38 дня | 0,045 |
| Радий-224 | Ra224 | 3,66 дня | 0,006 |
| Торий-232 | Th232 | 13,9 млрд. лет | 0,130 |
| Уран-234 | U234 | 247 тыс. лет | 0,003 |
| Уран-238 | U238 | 4,47 млрд. лет | 0,003 |
| Плутоний-239 | Pu239 | 24,1 тыс. лет | 0,04 |
Так как торий-232 обычно составляет лишь малую долю общей альфа-радиоактивности, то Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) сочла возможным рекомендовать величину 0,1 Бк/л в качестве предельного значе-
ния общей альфа-активности для контроля радиологической безопасности питьевой воды.
Действие на организм потока альфа-частиц приводит к развитию всех
признаков лучевого поражения, вплоть до гибели организма. Влияние альфа-излучения сходно с биологическим действием ионизирующих излучений других видов. Особенностью действия альфа-частиц является поражение тканей только в непосредственной близости от источника и высокая относительная биологическая эффективность (ОБЭ). Это определяется незначительной величиной пробега a-частиц в тканях (сотые или даже тысячные доли миллиметра) и, как уже говорилось выше, большой плотностью, вызываемой ими ионизации различных атомов и молекул.
При внешнем облучении поражаются только открытые участки кожи и роговица; но большие дозы a-частиц могут вызвать появление долго незаживающих язв. Гораздо опаснее внутреннее облучение в результате попадания a-излучателей в организм с воздухом или пищей. В этом случае альфа-излу-
чатели (особенно изотоп Pu239) накапливаются в лёгких, печени, почках, селезёнке и, обладая достаточно длительным периодом полураспада и высокой канцерогенностью, обусловливают длительное облучение организма, приводящее к хронической лучевой болезни и возникновению злокачественных опухолей.
Кроме a-частиц, представляющих собой ядра гелия, существуют альфа-лучи, создаваемые дейтронами - ядрами дейтерия Н 2 (одного из изотопов водорода).Такое ядро состоит из одного протона и нейтрона, а сама частица при одинарном положительном заряде имеет массу, равную приблизительно
двум атомным единицам массы.
b (бета) - излучение. По знаку может быть положительным и отрицатель-
ным. В первом случае оно создается потоком позитронов, а во втором - электронов.
В отличие от a-частиц b-частицы характеризуются непрерывным энергетическим спектром. Путь электрона в веществе извилист, поскольку он обладает малой массой и легко изменяет направление вследствие соударения с электронами встречных атомов.
Поэтому начальный пучок электронов в тканях имеет тенденцию к расхождению (рассеяние электронов). При торможении быстрых электронов в поле ядра атомов возникает тормозное фотонное излучение.
В отличие от альфа-излучения бета-частицы одного и того же радиоизото-
па обладают разным уровнем энергии. Скорость, с которой они движутся в пространстве, колеблется от 10 до 28,9 тыс. км в секунду (0,029-0,099 скоро-
сти света).
Вследствие большой скорости проникающая способность b -частиц выше, чем у альфа. В воздухе она составляет около 10 м, а в мягких тканях - до 10 мм и более. С помощью современных ускорителей создаются электронные пучки высоких энергий от 15 до 50 МэВ, обладающие сравнительно большой проникающей способностью. Эффективные пробеги электронов в различных веществах приведены в таблице 3. Средняя длина свободного пробега таких электронов может достигать в тканях живых организмов 10-20 см.
|
|
|
Таблица 3. Эффективные пробеги (в см) электронов в различных веществах в зависимости от их энергии
| Вещество | Энергия электрона, МэВ | ||||
| 0,05 | 0,5 | ||||
| Воздух | 4,1 | 2•103 | 1,7•104 | 6,3•104 | |
| Вода | 4,7•10-3 | 0,19 | 2,6 | ||
| Алюминий | 2•10-3 | 0,056 | 0,95 | 4,3 | 8,6 |
| Свинец | 5•10-4 | 0,02 | 0.30 | 1,25 | 2,5 |
Современные ускорители дают возможность плавно регулировать энер-
гию пучка электронов, создавая тем самым требуемую дозу на любой глуби-
не. Электронный пучок с энергией до 5 МэВ используют при лечении по-
верхностных злокачественных опухолей, а с энергией от 20 до 50 МэВ – для более глубоко расположенных.
В таблице 4 приведены основные бета-излучатели и соответствующие им эффективные дозы, которые человек может получить за год употребления воды, содержащей любой из этих бета-радионуклидов с уровнем радиоактив-
ности 1 Бк/л.
Таблица 4. Основные бета-излучатели
| Радионуклид | Обозначение | Период полураспада | Годовая доза при уровне радиоактивности 1 Бк/л, мЗв |
| Кобальт-60 | Co60 | 5,27 года | 0,005 |
| Стронций-89 | Sr89 | 50,52 дня | 0,003 |
| Стронций-90 | Sr90 | 29,1 года | 0,020 |
| Йод-129 | I129 | 15,7 млн.лет | 0,080 |
| Йод-131 | I131 | 8,04 дня | 0,016 |
| Цезий-134 | Cs134 | 2,065 года | 0,014 |
| Цезий-137 | Cs137 | 30,17 года | 0,009 |
| Свинец-210 | Pb210 | 22,3 года | 0,95 |
| Радий-228 | Ra228 | 5,76 года | 0,20 |
Поток нейтрально заряженных частиц (нейтронов) представляет собой третью группу корпускулярных излучений. Оно возникает при превращении ядер одних химических элементов в другие. Нейтроны – это элементарные частицы, не имеющие заряда, и массой, практически равной массе протонов.
Лучи, создаваемые этими частицами, обладают сравнительно высоким коэффициентом ионизации, уступающим только a-лучам. В связи с отсутст-
|
|
|
вием у нейтронов электрического заряда они проходят в веществе без взаи-
модействий сравнительно большие расстояния, измеряемые сантиметрами.
Нейтроны сталкиваются, главным образом, с ядрами атомов различных ве-
ществ.
Явления, происходящие при взаимодействии нейтронов с ядрами, зависят от кинетической энергии нейтронов. Поэтому обычно нейтроны делят на отдельные энергетические группы - тепловые, медленные и быстрые нейт-
роны. Границы этих энергетических групп условны (табл. 5).
Таблица 5. Классификация нейтронов по энергии
| Энергия нейтронов | Типы нейтронов |
| < 0,05 эВ | Тепловые нейтроны |
| 0,05 эВ - 1 кэВ | Медленные нейтроны |
| > 1 кэВ | Быстрые нейтроны |
В среде из легких ядер нейтроны могут передавать практически всю свою энергию в результате одного лобового столкновения. Для быстрых нейтронов наиболее важным результатом взаимодействия являются упругие и неупру-
гие столкновения с атомными ядрами.
Эти нейтроны передают энергию главным образом в результате прямых столкновений с атомными ядрами. Энергия, переданная от нейтрона ядру (Еядра), зависит от массы ядра и угла рассеяния (см. рис. 2 и формулу).
Рис. 2. Энергия, переданная нейтроном ядру
где M, m - масса ядра и масса нейтрона;
Еn - начальная энергия нейтрона;
θ-угол между первоначальным направлением движения нейтрона и
направлением движения ядра отдачи в лабораторной системе координат.
Данные о длине свободного пробега быстрых нейтронов в различных материалах приведены в таблице 6.
Таблица 6. Длина свободного пробега быстрых нейтронов в различных материалах
| Материал | Химическая формула | Удельная плотность материала, г/см3 | Пробег (см) при энергии | |
| 4 МэВ | 14,9 МэВ | |||
| Полиэтилен | (СН2)4 | 0,92 | 5,5 | 13,9 |
| Плексиглас | С5Н802 | 1,18 | 6,3 | 15,2 |
| Карбид бора | В4С | 1,67 | 12,0 | 17,2 |
| Графит | С | 1,69 | 11,4 | 24,0 |
| Алюминий | Аl | 2,7 | 14,1 | 15,9 |
| Железо | Fe | 7,89 | 7,6 | 8,3 |
| Свинец | Рb | 11,34 | 15,0 | 15,5 |
При взаимодействии с ядрами тяжелых элементов нейтроны могут вызывать реакции деления. Однако для живой материи, состоящей преимущественно из атомов легких элементов, эти реакции несущественны.
В зависимости от типа ядра и энергии налетающего нейтрона величина сечения изменяется в интервале нескольких барн (1 барн = 10 -28 м2). Для медленных нейтронов наблюдаются максимумы в сечении взаимодействия при определенных значениях энергий нейтронов Еn, характерных для данного вещества. Основными процессами при этом будут рассеяние и замедление нейтронов до тепловых скоростей.
Энергия тепловых нейтронов не превышает энергии связи атомов в водородосодержащих молекулах. Поэтому в том случае, когда не происходит ядерной реакции, тепловые нейтроны могут вызывать лишь нагрев вещества.
Для защиты от нейтронных источников высокой интенсивности наиболее употребительным материалом в промышленности является бетон. В лабораторных условиях для защиты от быстрых нейтронов обычно используют комбинированную защиту, состоящую из парафина (воды), кадмия (бора) и свинца. В такой защите последовательно происходит замедление быстрых нейтронов (парафин, вода), их поглощение в результате (n, γ) реакции (кадмий, бор) и ослабление интенсивности образующихся γ-квантов (свинец).
p-мезоны - бесспиновые элементарные частицы с массой, величина которых занимает промежуточное место между массами электрона и протона.
Отрицательные p-мезоны при входе в вещество в начале пути ведут себя подобно протонам, затем основная часть мезонов останавливается на определенной глубине и со 100%-ой вероятностью захватывается атомами (кислорода и азота тканей), а затем поглощается их ядрами. При этом в ядро вносится очень большая энергия (>100 МэВ), в результате чего оно сильно возбуждается и распадается с испусканием нейтронов, протонов, дейтронов и альфа-частиц, которые и вызывают сильную ионизацию вещества.
Таким образом, все заряженные частицы в результате их электростатического взаимодействия с электронами облучаемого вещества приводят к непосредственной прямой ионизации его атомов и молекул. Это взаимодействие тем эффективнее, чем больше порядковый номер вещества-поглотите-
ля.
Поэтому защитные устройства, экранирующие воздействие ИИ на биологические объекты, изготавливаются из химических веществ с большим атом-
ным номером.
Второй вид ИИ представлен различными группами волновых (электромаг-
нитных) лучей, которые распространяются в пространстве в виде колебаний электромагнитных полей. Характерным их свойством является постоянная скорость распространения в вакууме, равная скорости света (около 300 тыс. км в сек). Имея сходную природу образования, эти излучения отличаются между собой условиями образования, длиной волны, частоты колебания и энергией. При этом, чем меньше длина волны и больше частота колебания, тем больше энергия и проникающая способность электромагнитного ионизи-
рующего излучения.
Электромагнитное излучение имеет широкий спектр энергий и различные источники: гамма-излучение атомных ядер и тормозное излучение ускоренных электронов, радиоволны и т.д. (табл. 7).
Таблица 7.Характеристики электромагнитных излучений
| Энергия, эВ | Длина волны, м | Частота, Гц | Источник излучения |
| 109 | 10-16 | 1024 | Тормозное излучение |
| 105 | 10-12 | 1020 | Гамма излучение ядер |
| 103 | 10-10 | 1018 | Рентгеновское излучение |
| 101 | 10-8 | 1016 | Ультрафиолетовое излучение |
| 10-1 | 10-6 | 1014 | Видимый свет |
| 10-3 | 10-4 | 1012 | Инфракрасное излучение |
| 10-5 | 10-2 | 1010 | Микроволновое излучение |
| 10-7 | 100 | 108 | СВЧ |
| 10-9 | 102 | 106 | Радиоволны ВЧ |
| 10-11 | 104 | 104 | Радиоволны НЧ |
Ионизирующим эффектом из перечисленных излучений обладают рентге-
новские и гамма-лучи, а также дальний («жесткий») ультрафиолет.
Наибольшее значение для всех живых организмов, населяющих Землю, имеют гамма-лучи. Это коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны менее 10 - 10см, возникающее при распаде радиоактивных ядер и элементарных частиц, взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом.
По своей сути эти лучи представляют собой кванты, то есть порции электромагнитных колебаний, имеющих наименьшую длину волны и наибольшую частоту колебания с другими видами волновых излучений. В межзвёздном пространстве γ -излучение может возникать в результате соударений квантов более мягкого длинноволнового электромагнитного излучения, например света, с электронами, ускоренными магнитными полями космических объектов. При этом быстрый электрон передаёт свою энергию электромагнитному излучению и видимый свет превращается в более жёсткое гамма-излучение.
Гамма-кванты являются электрически нейтральными, не отклоняются в магнитном поле, не имеют массы покоя и не вызывают прямой ионизации.
При прохождении среды они способны выбивать электроны с оболочек ато-
мов, передавая им часть или всю свою энергию. Эти выбитые электроны (b -лучи) и производят эффект вторичной ионизации. Гамма-лучи отличаются очень высокой скоростью прохождения различных сред на довольно боль-
шие расстояния. Так, в воздухе путь их пробега равен 100-120 м, а в мягких тканях животных и человека - до 0,5 м и более.
Действие на организм гамма-излучения подобно действию других видов ионизирующих излучений. Оно может вызывать лучевое поражение организма, вплоть до его гибели. Характер влияния гамма-радиации зависит от энергии γ -квантов и пространственных особенностей облучения (например, внешнее или внутреннее). Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) гамма-лучей (эффективность жёсткого рентгеновского излучения принимается за 1) составляет 0,7-0,9. Однако в реальных условиях (при хроническом воздействии в малых дозах) ОБЭ гамма-излучения принимается равной единице.
При прохождении через вещество гамма-кванты взаимодействуют с ато-
мами, электронами и ядрами, в результате их интенсивность уменьшается. В области энергий до 10 МэВ наиболее существенными процессами являются эффект Комптона (комптон-эффект),образование электрон-позитрон-
ных пар и фотоэффект (см. рис. 3).
| - эффект Комптона |
| - эффект образования электрон-позитронных пар |
| - фотоэффект |
Рис. 3. Эффекты, вызываемые в веществах гамма-квантами
При фотоэффекте происходит поглощение γ -кванта одним из электронов атома, причём энергия γ -кванта преобразуется (за вычетом энергии связи электрона в атоме) в кинетическую энергию электрона, вылетающего за пределы атома. Вероятность фотоэффекта прямо пропорциональна пятой степени атомного номера элемента и обратно пропорциональна третьей степени энергии гамма-излучения. Таким образом, фотоэффект преобладает в области малых энергий γ-квантов (≤100 кэВ) на тяжёлых элементах (Pb, U).
При комптон-эффекте происходит рассеяние γ-кванта на одном из электронов, слабо связанных в атоме, В отличие от фотоэффекта, при этом взаимодействии γ-квант не исчезает, а лишь изменяет энергию (длину волны) и направление своего распространения. Узкий пучок гамма-лучей в результа-
те комптон-эффекта становится более широким, а само излучение - более мягким (длинноволновым).
Интенсивность комптоновского рассеяния пропорциональна числу электронов в 1 см3вещества, и поэтому вероятность этого процесса пропорциональна атомному номеру вещества. Комптон-эффект становится заметным в веществах с малым атомным номером и при энергиях гамма-излучение, превышающих энергию связи электронов в атомах.
Например, в свинце комптон-эффект вносит главный вклад в энергетические потери фотонов при энергиях порядка 1-10 МэВ (в более лёгком элементе - алюминии - этот диапазон составляет 0,1-30 МэВ).
Если же энергия γ -кванта превышает 10 МэВ, становится возможным процесс образования электрон-позитронных пар в электрическом поле ядер. Вероятность этого образования пар пропорциональна квадрату атомного номера и увеличивается с ростом величины hv (где h - постоянная Планка, а v - частота излучения). Поэтому при hv, равным приблизительно 10 МэВ,основным процессом в любом веществе оказывается образование пар. В свою очередь противоположный процесс аннигиляции электрон-позитронной пары является источником гамма-излучения.
Гамма-излучение часто используется в медицине для лечения опухолей, для стерилизации помещений, аппаратуры и лекарственных препаратов.
Рентгеновские (X) лучи - это невидимое глазом электромагнитное излу-
чение с длиной волны 10- 5 - 10 2 нм. Эти лучи проникают через некоторые
непрозрачные материалы. Испускаются при торможении быстрых электро-
нов в веществе (непрерывный спектр) и при переходах электронов с внешних электронных оболочек атома на внутренние (линейчатый спектр).
Их источники - рентгеновская трубка, некоторые радиоактивные изотопы, ускорители и накопители электронов (синхротронное излучение). Их приемники - фотопленка, люминесцентные экраны, детекторы ядерных излучений.
Рентгеновские лучи применяют в рентгеновском структурном анализе, медицине, дефектоскопии, рентгеновском спектральном анализе.
Рис. 4.Обычный рентгеновский спектрсостоит из непрерывного спектра
(«континуума») и характеристических линий (острые пики)
Линии К β и К α возникают вследствие взаимодействий ускоренных электронов
с электронами внутренней К-оболочки
Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии электронов, движущихся с большими скоростями, с веществом. Когда электроны соударяются с атомами какого-либо вещества, они быстро теряют свою кинетическую энергию. При этом большая ее часть переходит в тепло, а небольшая доля, обычно менее 1%, преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Эта энергия высвобождается в форме квантов – частиц, называемых фотонами, которые обладают энергией, но масса покоя которых равна нулю (см. рис. 4).
Широким «континуумом» называют непрерывный спектр или «белое» излучение. Налагающиеся на него острые пики называются характеристическими рентгеновскими линиями испускания. Хотя весь спектр есть результат столкновений электронов с веществом, механизмы возникновения его широкой части и линий разные.
Вещество состоит из большого числа атомов, каждый из которых имеет ядро, окруженное электронными оболочками, причем каждый электрон в оболочке атома данного элемента занимает некоторый дискретный уровень энергии. Обычно эти оболочки, или энергетические уровни, обозначают символами K, L, M и т.д., начиная от ближайшей к ядру.
Когда налетающий электрон, обладающий достаточно большой энергией, соударяется с одним из связанных с атомом электронов, он выбивает этот электрон с его оболочки. Опустевшее место занимает другой электрон с оболочки, которой соответствует большая энергия. Этот последний отдает избыток энергии, испуская рентгеновский или гамма-фотон.
Поскольку электроны оболочек имеют дискретные значения энергии, возникающие рентгеновские фотоны тоже обладают дискретным спектром. Этому соответствуют острые пики для определенных длин волн, конкретные значения которых зависят от элемента-«мишени». Характеристические линии образуют K -, L - и M - серии, в зависимости от того, с какой оболочки (K, L или M) был выбит электрон.
Соотношение между длиной волны рентгеновского излучения и атомным номером определяется действием закона Мозли (названного в честь его первооткрывателя - английского физика Генри Мозли): чем больше атомный номер элемента, тем меньше длина волны характеристической линии (рис. 5).
Рис. 5. Длина волны характеристического рентгеновского излучения
в зависимости от атомного номера элемента
Если электрон наталкивается на относительно тяжелое ядро, то он тормозится, а его кинетическая энергия выделяется в виде рентгеновского фотона примерно той же энергии. Если же он пролетает мимо ядра, то потеряет лишь
часть своей энергии, а остальную будет передавать попадающимся на его пути другим атомам. Каждый акт потери энергии ведет к излучению фотона с какой-то энергией. Возникает непрерывный рентгеновский спектр, верхняя граница которого соответствует энергии самого быстрого электрона.
Таков механизм образования непрерывного спектра, а максимальная энергия (или минимальная длина волны), фиксирующая границу непрерывного спектра, пропорциональна ускоряющему напряжению, которым определяется скорость налетающих электронов. Спектральные линии характеризуют материал бомбардируемой мишени, а непрерывный спектр определяется энергией электронного пучка и практически не зависит от материала мишени.
Рентгеновское излучение можно получить не только электронной бомбардировкой, но и облучением «мишени» рентгеновским же излучением от другого источника. В этом случае, однако, большая часть энергии падающего пучка переходит в характеристический рентгеновский спектр и очень малая ее доля приходится на непрерывный. Очевидно, что пучок падающего рентгеновского излучения должен содержать фотоны, энергия которых достаточна для возбуждения характеристических линий бомбардируемого элемента. Высокий процент энергии, приходящейся на характеристический спектр, делает такой способ возбуждения рентгеновского излучения удобным для научных исследований.
Вредное биологическое действие рентгеновского излучения обнаружилось вскоре после его открытия Рентгеном. Оказалось, что новое излучение может вызвать что-то вроде сильного солнечного ожога (эритему), сопровождающегося, однако, более глубоким и стойким повреждением кожи. Появлявшиеся при этом язвы нередко переходили в рак. Во многих случаях приходилось ампутировать пальцы или руки. Случались также и летальные исходы.
Было установлено, что поражения кожи можно избежать, уменьшив время и дозу облучения, применяя экранировку (например, свинец) и средства дистанционного управления. Но постепенно выявились и другие, более долговременные последствия рентгеновского облучения, которые затем были подтверждены и изучены на подопытных животных. К эффектам, обусловленным действием рентгеновского излучения, а также других ионизирующих излучений (таких, как гамма-излучение, испускаемое радиоактивными материалами) относятся:
1). временные изменения в составе крови после относительно небольшого
избыточного облучения;
2). необратимые изменения в составе крови (гемолитическая анемия) пос-
ле избыточного длительного облучения;
3). рост заболеваемости раком (включая лейкемию);
4). более быстрое старение и ранняя смерть;
5). возникновение катаракты.
Ко всему прочему, биологические эксперименты на мышах, кроликах и мушках-дрозофилах показали, что даже малые дозы систематического облучения больших популяций вследствие увеличения темпа мутаций приводят к вредным генетическим эффектам. Большинство генетиков признает применимость этих данных и к человеческому организму.
Что же касается биологического воздействия рентгеновского излучения на человеческий организм, то оно определяется уровнем дозы облучения, а также тем, какой именно орган тела подвергался облучению. Так, например, заболевания крови вызываются облучением кроветворных органов, главным образом костного мозга, а генетические последствия – облучением половых желёз, способного привести также и к стерильности организма.
Накопление знаний о воздействии рентгеновского излучения на организм человека привело к разработке национальных и международных стандартов на допустимые дозы облучения, опубликованных в различных справочных изданиях.
Ультрафиолетовое (UV) излучение. Вся область ультрафиолетового излучения условно делится на ближнюю (200-400 нм) и дальнюю (вакуумную) (10-200 нм). Последнее название обусловлено тем, что излучение этого диапазона сильно поглощается воздухом и его исследование производят с помощью вакуумных спектральных приборов.
Ближнее ультрафиолетовое излучение было открыто в 1801 г. немецким учёным Н. Риттером и английским учёным У. Волластоном по фотохимическому действию этого излучения на хлористое серебро.
Вакуумное ультрафиолетовое излучение было обнаружено немецким учёным В.Шуманом при помощи построенного им вакуумного спектрографа с флюоритовой призмой (1885-1903 г.г.) и безжелатиновых фотопластинок. Он получил возможность регистрировать коротковолновое излучение до 130 нм.
Английский учёный Т. Лайман, впервые построив вакуумный спектрограф с вогнутой дифракционной решёткой, зарегистрировал ультрафиолет с
длиной волны до 25 нм (1924 г.). Уже к 1927 г. был изучен весь диапазон
волн между вакуумным ультрафиолетовым и рентгеновским излучениями.
UV - радиация находится в конце видимого фиолетового спектра, имеет длину волн короче 400 нм и подразделяется на:
1). U VA (320-400 нм), которая не вызывает покраснения или ожога кожи после чрезмерного воздействия;
2). U VB (280-320 нм) - этот подвид является основным в естественном солнечном свете, и именно он обусловливает острые и хронические повреждения кожи. UVB-радиация (спектр загара) является с биологической точки зрения наиболее опасной и требующей особого внимания;
3). UVC (100-280 нм), воздействию этих лучей кожа человека подвергается редко, поскольку они полностью рассеиваются в атмосфере.
Естественный солнечный свет является наиболее распространенным источником UVB - радиации. Слой озона в стратосфере, лежащий на высоте примерно от 15 до 30 км над уровнем моря, играет наиболее важную роль в защите от вредного воздействия ультрафиолета на здоровье. Озон поглощает большую часть УФ-радиации, излучаемой солнцем и вредной для человека.
Искусственные источники ультрафиолетовой радиации включают в себя флуоресцентные лампы, которые вырабатывают в основном UVA -лучи и используются в качестве ламп для загара в соляриях, а также для диагностики и терапии в дерматологии.
Как оказалось, с уменьшением длины коэффициент поглощения ультрафиолетового излучения большинства прозрачных тел растет, в то время как коэффициент отражения материалов падает.
Источники ультрафиолетового излучения: высокотемпературная плазма, ускоренные электроны, некоторые лазеры, Солнце, звезды и др. Однако лишь длинноволновая часть ультрафиолетового излучения (l > 290 нм) достигает земной поверхности. Ультрафиолетовый свет звёзд и других космических тел, кроме поглощения в земной атмосфере, в интервале от 20 до 91,2 нм практически полностью поглощается межзвёздным водородом.
Биологическое действие ультрафиолетового излучения обусловлено химическими изменениями поглощающих их молекул живых клеток, главным образом молекул нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и белков, и выражается в нарушениях деления, возникновении мутаций и гибели клеток.
При действии на живые организмы ультрафиолетовые лучи поглощаются внешними слоями тканей растений или кожи человека и животных. В основе биологического действия ультрафиолета лежат химические изменения молекул биополимеров. Эти изменения вызываются как непосредственным погло-
щением ими квантов излучения, так и, в меньшей степени, образующимися при облучении радикалами воды и других низкомолекулярных соединений.
На человека и животных малые дозы ультрафиолетового излучения оказывают благотворное воздействие, способствуя образованию витаминов группы D и повышению иммунитета организма.
Характерной реакцией кожи на ультрафиолет является ее специфическое покраснение или эритема. При этом максимальным эритемным действием обладают ультрафиолетовые лучи с длиной волны от 253,7 до 296,7 нм, которые обычно вызывают защитную реакцию кожи в виде увеличения ее пигментации (загар).
Большие дозы ультрафиолетовой радиации могут вызывать повреждения глаз (фотоофтальмию) и ожог кожи, а частые и чрезмерные дозы, в некоторых случаях, могут оказывать канцерогенное действие на кожу.
В растениях ультрафиолет изменяет активность ферментов и гормонов, влияет на синтез пигментов, интенсивность фотосинтеза и фотопериодической реакции. Не установлено, полезны ли и тем более необходимы ли для прорастания семян, развития проростков и нормальной жизнедеятельности высших растений малые дозы этих лучей.
Большие дозы ультрафиолетового излучения, несомненно, неблагоприятны для растений, о чём свидетельствуют существующие у них защитные приспособления (например, накопление определённых пигментов, клеточные механизмы восстановления повреждений).
На микроорганизмы и культивируемые клетки высших животных и растений лучи ультрафиолета оказывают губительное и мутагенное действие (особенно в пределах 240-280 нм).
Обычно спектр летального и мутагенного действия этого излучения примерно совпадает со спектром поглощения нуклеиновых кислот — ДНК и РНК (рис. 6, А), а в некоторых случаях – он близок к спектру поглощения белков (рис. 6, Б).
Рис. 6. Спектры действия ультрафиолетового излучения на некоторые биологические объекты: А - возникновение мутаций в пыльцевых зернах кукурузы (кружки) и спектр поглощения нуклеиновых кислот (сплошная кривая);
Б - иммобилизация (прекращение движения) парамеций (кружки) и спектр
поглощения альбумина (сплошная кривая)
Основная же роль в действии дальнего (жесткого) ультрафиолета на клетки принадлежит, как полагают, химическим изменениям, происходящим в молекуле ДНК. При этом входящие в её состав пиримидиновые основания (главным образом тимин) при поглощении квантов ультрафиолета образуют димеры, которые препятствуют нормальному удвоению (репликации) молекул ДНК при подготовке клетки к делению.
Это может приводить к гибели клеток или изменению их наследственных свойств (мутациям). Определённое значение в летальном действии ультрафиолетового излучения на клетки имеют также повреждение и нарушение синтеза различных компонентов мембран и клеточной оболочки [18]. Большинство живых клеток может восстанавливаться от вызываемых ультрафиолетом повреждений благодаря наличию у них систем восстановления или репарации. Способность восстанавливаться от повреждений, вызываемых этим видом ионизирующих излучений, возникла, вероятно, на ранних этапах эволюции и сыграла важную роль в выживании первичных организмов, подвергавшихся интенсивному солнечному ультрафиолетовому облучению.
Рис. 7. Зависимость выживаемости разных бактерий от дозы ультрафиолетового излучения: А - кишечная палочка, длина волны 253,7 нм; 1, 2 - мутантные штаммы; 3 - природный тип; Б - M. radiodurans, длина волны 265,2 нм
По чувствительности к ультрафиолетовой радиации биологические объекты различаются очень сильно. Например, доза излучения, вызывающая ги
бель 90% клеток, для разных штаммов кишечной палочки соответственно
равна 10, 100 и 800 эрг/мм 2 ,а для бактерий Micrococcus radiodurans – уже 7000 эрг/мм 2 (рис. 7, А и Б).
Чувствительность клеток к ультрафиолету в большей степени зависит также от их физиологического состояния и условий культивирования до и после облучения (температура, состав питательной среды и др.). Сильно влияют на чувствительность клеток мутации некоторых генов. У бактерий и дрожжей известно около 20 генов, мутации которых повышают чувствительность к ультрафиолетовому облучению. В ряде случаев такие гены ответственны за восстановление клеток от лучевых повреждений.
Мутации других генов нарушают синтез белка и строение клеточных мембран, тем самым, повышая радиочувствительность негенетических компонентов клетки. Мутации, повышающие чувствительность к ультрафиолету, известны и у высших организмов, в том числе у человека.
Так, наследственное заболевание пигментная ксеродерма, при которомотмечается повышенная чувствительность кожи к ультрафиолетовым лучам, обусловлено мутациями генов, контролирующих соответствующую репарацию.
Генетические последствия облучения ультрафиолетовым светом пыльцы высших растений, клеток растений и животных, а также микроорганизмов выражаются в повышении частот мутирования генов и хромосом. Частота мутирования отдельных генов, при действии высоких доз может повышаться в тысячи раз по сравнению с естественным уровнем и достигает нескольких процентов. В отличие от генетического действия ионизирующих излучений, мутации генов под влиянием ультрафиолетовых лучей возникают относительно чаще, чем мутации хромосом.
Благодаря сильному мутагенному эффекту ультрафиолетовые лучи широко используют как в генетических исследованиях, так и в селекции растений и промышленных микроорганизмов, являющихся продуцентами антибиотиков, аминокислот, витаминов и белковой биомассы. Генетическое действие
ультрафиолета, как считает ряд ученых, могло сыграть существенную роль в
эволюции живых организмов на Земле.
Проникающая способность различных ионизирующих излучений определяется составом и толщиной эффективно поглощающих их материалов.
Как известно, альфа-излучение - наименее проникающее. Оно эффективно поглощается слоем воздуха толщиной несколько сантиметров, слоем воды толщиной около 0,1 мм или, например, листом бумаги.
Бета-излучение обладает существенно большей проникающей способностью; чтобы его задержать, нужен, например, слой алюминия толщиной в несколько миллиметров, а пробег b-частиц в биологической ткани достигает нескольких сантиметров.
Для гамма-излучения все эти преграды почти прозрачны. Чтобы его задержать, нужен очень толстый (десятки сантиметров и даже метры) слой вещества с как можно большим атомным номером (например, свинца). Сказанное иллюстрируется рисунком 8.
Рис. 8. Проникающая способность ионизирующих излучений
Нетрудно заметить, что для a-, b- и g-излучений наблюдается простая закономерность: чем выше ионизирующая способность излучения, тем ниже способность проникающая. Это вовсе не случайно: при взаимодействии
этих излучений с веществом основная часть энергии расходуется именно на ионизацию.
Итак, ионизирующие излучения представляют собой потоки частиц и квантов электромагнитного излучения, прохождение которых через вещество приводит к ионизации и возбуждению его атомов или молекул. Это электроны, позитроны, протоны, нейтроны и другие элементарные частицы, а также атомные ядра и электромагнитное излучение гамма, рентгеновского и оптического диапазонов.
В случае воздействия нейтрального излучения (X-,γ-кванты и нейтроны) ионизацию осуществляют вторичные заряженные частицы, образующиеся при взаимодействии излучения с веществом. Это - электроны и позитроны (в случае воздействия Х- и γ-квантов) и протоны или ядра отдачи (в случае бомбардировки ядер нейтронами).
