Биологическое действие ионизирующего излучения. Дозы излучения и их единицы

В органах и тканях биологических объектов как и в любой среде при облучении в результате поглощения энергии идут процессы ионизации и возбуждения атомов. Эти процессы лежат в основе биологического действия излучений. Его мерой служит количество поглощенной в организме энергии.

В реакции организма на облучение можно выделить четыре фазы. Длительность первых трех быстрых фаз не превышает единиц микросекунд, в течение которых происходят различные молекулярные изменения. В четвертой медленной фазе эти изменения переходят в функциональные и структурные нарушения в клетках, органах и организме в целом.

Первая, физическая фаза ионизации и возбуждения атомов длится ~10^-13 с. Вo второй, химико-физической фазе, протекающей ~ 10^-10 с, образуются высокоактивные в химическом отношении радикалы, которые, взаимодействуя с различными соединениями, дают начало вторичным радикалам, имеющим значительно большие по сравнению с первичными сроки жизни. В третьей, химической фазе, длящейся ~ 10^-6 с, образовавшиеся радикалы вступают в реакции с органическими молекулами клеток, что приводит к изменению биологических свойств молекул.

Описанные процессы первых трех фаз являются первичными и определяют дальнейшее развитие лучевого поражения. В следующей за ними четвертой, биологической фазе химические изменения молекул преобразуются в клеточные изменения. Наиболее чувствительным к облучению является ядро клетки, а наибольшие последствия вызывает повреждение ДНК, содержащей наследственную информацию. В результате облучения в зависимости от величины поглощенной дозы клетка гибнет или становится неполноценной в функциональном отношении. Время протекания четвертой фазы очень различно и в зависимости от условий может растянуться на годы или даже на всю жизнь.

Различные виды излучений характеризуются различной биологической эффективностью, что связано с отличиями в их проникающей способности

(рис. 8.7) и характером передачи энергии органам и тканям живого объекта, состоящего в основном из легких элементов (табл. 1).

Рис. 23.7

Альфа-излучение имеет малую длину пробега и не может проникнуть сквозь кожные покровы. Пробег альфа-частиц с энергией 4 Мэв в воздухе составляет 2.5 см, а в биологической ткани лишь 31 мкм. Но альфа-излучающие нуклиды представляют большую опасность при поступлении внутрь организма через органы дыхания и пищеварения, через открытые раны и ожоговые поверхности.

Бета-излучение обладает большей проникающей способностью. Пробег бета-частиц в воздухе может достигать нескольких метров, а в биологической ткани нескольких сантиметров. Так пробег электронов с энергией 4 МэВ в воздухе составляет 17.8 м, а в биологической ткани 2.6 см.

Гамма-излучение имеет еще более высокую проникающую способность. Под его действием происходит облучение всего организма.

Большая часть энергии тепловых нейтронов в основном расходуется на возбуждение и расщепление молекул ткани. Вследствие взаимодействия нейтронов с ядрами вещества возникают протоны, поэтому биологический эффект от действия тепловых нейтронов в основном проявляется в воздействии на биологическую ткань протонов, теряющих всю свою энергию в месте рождения.

Для быстрых нейтронов до 90% энергии в ткани теряется при упругом взаимодействии. При этом решающее значение имеет рассеяние нейтронов на протонах. Дальнейшее выделение энергии происходит в результате ионизации среды протонами отдачи.

Изучение отдельных последствий облучения живых тканей показало, что при одинаковых поглощенных дозах различные виды радиации производят неодинаковое биологическое воздействие на организм. Обусловлено это тем, что более тяжелая частица производит на единице пути в ткани больше ионов, чем легкая. При одной и той же поглощенной дозе радиобиологический разрушительный эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая излучением. Чтобы учесть этот эффект, введено понятие эквивалентной дозы.

Эквивалентная доза H рассчитывается путем умножения значения поглощенной дозы D _i на специальный коэффициент — коэффициент K _i

(табл. 2) относительной биологической эффективности (ОБЭ) или коэффициент качества:

Единицей измерения эквивалентной дозы в СИ является зиверт (Зв). Величина 1 Зв равна эквивалентной дозе любого вида излучения, поглощенной в 1 кг биологической ткани и создающей такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр фотонного излучения. Внесистемной единицей измерения эквивалентной дозы является бэр. 1 Зв = 100 бэр.

Радиация по разному воздействует на жизненно важные органы человека. Для оценки ущерба его здоровью в условиях равномерного облучения всего тела введено понятие эффективной эквивалентной дозы Е _эфф.

Эффективная доза E_эфф − величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы H_i во всех органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты r_i, т.е. E _эфф = .

Одни органы и ткани человека более чувствительны к действию радиации, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения разных органов и тканей следует учитывать с разным коэффициентом, который называется коэффициентом радиационного риска r_i (табл.23. 3).

Коэффициенты радиационного риска устанавливают эмпирически и рассчитывают таким образом, чтобы их сумма для всего организма составляла единицу. Единицы измерения эффективной дозы совпадают с единицами измерения эквивалентной дозы.

Биологическое действие ионизирующих излучений и способы защиты от них. 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.

Острая лучевая болезнь развивается при кратковременном облучении всего организма, при получении им дозы от 1 до 100 и более грей (Гр) за 1–3 дня. Летальным исходом, как правило, заканчиваются случаи, в которых организм получил более 10 Гр за 1–3 дня. При получении дозы до 10 Гр развивается острая лучевая болезнь 4-х степеней тяжести. Острая лучевая болезнь легкой степени тяжести развивается при воздействии излучения в дозе 1–2.5 Гр. Первичная реакция (первые 2–3 дня) – головокружение, тошнота. Латентный период (около 1 месяца) – постепенное снижение первичных признаков. Восстановление полное.

Острая лучевая болезнь средней степени тяжести развивается при воздействии излучения в дозе 2.5–4 Гр. Первичная реакция (первые 1–2 часа) головокружение, тошнота, рвота. Латентный период (около 25 дней) – наличие изменения слизистых оболочек, инфекционных осложнений, возможен летальный исход.

Острая лучевая болезнь тяжелой степени развивается при воздействии излучения в дозе 4–10 Гр. Первичная реакция (первые 30–60 минут) – головная боль, повторная рвота, повышение температуры тела. Латентный период (около 15 дней) – инфекционные поражения, поражения слизистых оболочек, лихорадка. Частота летальных исходов выше, чем при средней степени тяжести. Острая лучевая болезнь крайне тяжелой степени развивается при воздействии излучения в дозе более 10 Гр. Летальный исход почти неизбежен.

Лечение острой лучевой болезни заключается во введении в организм антибиотиков, с целью предотвратить инфекционные осложнения, введении в организм донорских тромбоцитов, пересадке костного мозга. Хроническая лучевая болезнь возникает при ежедневном получении дозы в 0.005 Гр. Наблюдается развитие различных заболеваний, связанных с дисфункцией желез внутренней секреции, нарушение артериального давления. Профилактика хронической лучевой болезни заключается в неукоснительном соблюдении принятых норм радиационной безопасности.

34 Радиационная безопасность –

новая научно практическая дисциплина, возникшая с момента создания атомной промышленности, решающая комплекс теоретических и практических задач, связанных с уменьшением возможности возникновения аварийных ситуаций и несчастных случаев на радиационно-опасных объектах.

Первой задачей радиационной безопасности является разработка критериев:

а) для оценки ионизирующего излучения как вредного фактора воздействия на отдельных людей, популяцию в целом и объекты окружающей среды;

б) способов оценки и прогнозирования радиационной обстановки, а также путей приведения ее в соответствие с выработанными критериями безопасности на основе создания комплекса технических, медико-санитарных и административно-организационных мероприятий, направленных на обеспечение безопасности в условиях применения атомной энергии в сфере человеческой деятельности.

В настоящий момент существует разработанная система допустимых пределов воздействия ионизирующего излучения на человеческий организм, оформленная в виде законодательных документов Норм Радиационной Безопасности (НРБ) [4].

Второй немаловажной задачей радиационной безопасности является разработка систем радиационного контроля. Различные условия эксплуатации радиационных установок, набор используемых радиоактивных веществ, экономия материальных средств диктуют необходимость осознанного выбора средств и частоты измерения уровня радиации, концентрации радиоактивных веществ. Так, при эксплуатацииg-дефектоскопов достаточно ограничиться контролем уровня g- излучения, а на радиохимических предприятиях наряду с указанным контролем необходимо проводить измерения концентрации радиоактивных газов в воздухе и уровень загрязнения рабочих помещений с целью не допустить пере облучение сотрудников.

Радиационная безопасность, кроме перечисленных выше задач, решает еще две функциональные задачи:

1) Снижение уровня облучения персонала и населения ниже (в крайнем случае, до) регламентируемого предела на основе следующих мероприятий: технических (создание защитных ограждений, автоматизация технологического процесса, очистка выбросов от радиоактивных веществ), медико-санитарных (обеспечение персонала средствами индивидуальной защиты-СИЗ, снабжение местных штабов ГО средствами защиты населения), организационных (создание специального графика работы в условиях пере облучения).

2)Создание эффективных систем радиационного контроля, позволяющих оперативно регистрировать изменения в радиационной обстановке.

В таблице 4 приведен перечень наиболее часто встречающихся природных радионуклидов и радиоактивных элементов, образующихся в процессе работы атомного реактора, а также указаны некоторые методы защиты от радиоактивного излучения.

Таблица 23.4

Перечень природных радионуклидов и радиоактивных отходов атомных реакторов

Название элемента	Характеристика элемента и меры предосторожности	Период полу- распада
Радон-222	Газ, испускающий α-частицы. Образуется в горных породах. Опасен при накоплении в подвалах, необходимо проветривание	3,8 суток
Ксенон-133	Газообразные изотопы. Образуются и распа- даются в процессе работы атомного реактора. В качестве защиты – изоляция	5 суток
Йод-131	Испускает β-частицы и γ-излучение. Образу- ется при работе атомного реактора. Вместе с зеленью усваивается животными и переходит в молоко. Накапливается в щитовидной желе- зе человека. В качестве защиты от облучения применяют «йодную диету», т.е. вводят в ра- цион человека стабильный йод	8 суток
Криптон-85	Тяжелый газ, испускающий β-частицы и γ-излучение. Входит в состав отработанного топливного элемента реактора. Выделяется при хранении. Защита – изолированное помещение.	10 лет
Стронций -	Металл, испускающий β-частицы. Основной продукт деления в радиоактивных отходах. Накапливается в костных тканях человека	29 лет
Цезий-137	Металл, испускающий β-частицы и γ-излучение. Накапливается в клетках мы- шечной ткани	30 лет
Радий-226	Тяжелый газ, испускающий α-частицы, β-частицы и γ-излучение. Защита – укрытия, убежища	1600 лет
Углерод-14	Испускает β-частицы. Естественный природ- ный изотоп углерода. Используется при опре- делении возраста материала	5500 лет
Плутоний-	Испускает α-частицы. Содержится в радиоак- тивных отходах. Защита – качественное захо- ронение радиоактивных отходов	лет
Калий-40	Испускает β-частицы и γ-излучение. Содер- жится во всех растениях и животных	1,3 млрд лет

35 Физика лазеров. Спонтанные и вынужденные переходы между энергетическими уровнями атома. Коэффициенты Эйнштейна.

Основываясь на представлениях Бора о квантовом характере механизма излучения света атомом, Эйнштейн в 1916 г. получил новый вывод формулы Планка, где ввел понятие индуцированного излучения – явления, на котором основан принцип действия лазера.

Состояние частицы или системы частиц в физике можно характеризовать энергией. Из квантовой механики известно, что связанная микрочастица или система микрочастиц может обладать дискретным спектром значений энергии E ₁, E ₂, E ₃,... Количество частиц, находящихся на некотором энергетическом уровне, называют населенностью этого уровня. Как отмечалось выше, состояние частицы с наименьшей энергией и соответствующий энергетический уровень E ₁ называют основным, а все остальные − возбужденными уровнями.

В реальных системах микрочастицы, находящиеся при абсолютной температуре Т > 0, вследствие обмена энергией с окружающей средой способны переходить с одного энергетического уровня на другой. Этот скачкообразный переход микрочастиц называется квантовым переходом.

При каждом значении температуры устанавливается динамическое равновесие, характеризуемое постоянным во времени распределением частиц по энергиям. При достаточно высоких температурах, например, для уровней с энергиями Е ₁ и Е ₂ частицы подчиняются закону распределения Максвелла-Больцмана:

, , (24.1)

где п ₂ и n ₁– концентрации частиц соответственно на верхнем и нижнем уровнях, Е ₂ > Е ₁. Избыточная энергия при квантовом переходе с более высокого энергетического уровня на более низкий может передаваться окружающим микрочастицам (безызлучательный переход) или выделяться в виде квантов света. В последнем случае частота ν излучаемого света связана с разностью энергий начального и конечного состояний микрочастицы формулой: hν = E ₂ – E ₁. В дальнейшем мы не будем учитывать безызлучательные переходы, принимая во внимание лишь переходы с излучением фотонов.

Первоначально считалось, что между энергетическими уровнями атомов происходят два вида переходов: спонтанные и вынужденные.

Спонтанные квантовые переходы атомов с более высоких энергетических уровней на более низкие осуществляются самопроизвольно, то есть без непосредственного воздействия на атомы извне. Эти переходы приводят к спонтанному испусканию фотонов.

Вынужденные переходы атомов с более низких на более высокие уровни происходят в результате поглощение внешнего излучения веществом.

Эйнштейн пришел к выводу, что для объяснения равновесия между излучением и веществом этих двух процессов переходов недостаточно. В самом деле, вероятность спонтанных переходов определяется лишь внутренними свойствами атомов и поэтому не зависит от интенсивности падающего излучения, вероятность же вынужденных переходов с более низких уровней зависит как от свойств атомов, так и от интенсивности падающего излучения. Далее согласно Эйнштейну необходимо учитывать еще третий процесс − переход атомов сболее высоких энергетических уровней на более низкие под воздействием внешнего излучения, в результате которого атомы излучают энергию вынужденно.

Для простоты рассмотрим два энергетических уровня атомов среды, между которыми согласно Эйнштейну возможны три типа процессов: поглощение, спонтанное излучение и вынужденное (индуцированное) излучение (рис. 24.1).

Рис. 24.1

Если атом находится в основном состоянии 1с энергией Е ₁, то под действием внешнего излучения может осуществиться вынужденный переход в возбужденное состояние 2 с энергией Е ₂, приводящий к поглощению излучения (рис. 24.1,а). Атомы, поглощая свет, переходят на энергетические уровни с большей энергией, причем в соответствии с законом сохранения энергии переход может быть вызван лишь светом определенной частоты. Такой процесс называют резонансным, а также вынужденным (индуцированным) поглощением света.

Атом, находясь в возбужденном состоянии 2, может через некоторый промежуток времени произвольно, без каких-либо внешних воздействий, перейти на более низкий энергетический уровень, отдавая избыточную энергию в виде электромагнитного излучения (испуская фотон с энергией hn=E ₂ -E ₁). Такие переходы называются спонтанными переходами, а излучение, сопровождающее такие переходы, − спонтанным излучением (рис. 24.1,б). Вследствие случайного характера спонтанных переходов свет, излучаемый микрочастицами, например, атомами, не согласован по фазе, по направлению распространения и поляризации. Следовательно, спонтанное излу­чение является некогерентным.

Из квантовой механики известно, что возбужденные состояния не являются стабильными. В любой момент микрочастица может с некоторой вероятностью перейти в более низкое возбужденное энергетическое состояние или же в основное, проведя в исходном возбужденном состоянии ограниченное время τ, называемое временем жизни микрочастицы в возбужденном состоянии. Для совокупности микрочастиц вводится понятие среднего времени жизни микрочастицы τ _ср в возбужденном состоянии.

Из квантово-механического соотношения Δ E· Δ t ≥ h (Δ E· τ _ср ≥ h) следует, что энергия атома в возбужденном состоянии не является строго определенной, т.е. возбужденные энергетические уровни несколько «размыты», причем тем более, чем меньше среднее время жизни этих уровней. В связи с этим частота света, излучаемого при спонтанных квантовых переходах различных атомов, несколько различается, т.е. свет не является строго монохроматическим.

Спонтанное излучение характерно для большинства обычных нелазерных источников света, например, пламён, ламп накаливания, газоразрядных трубок, люминесцентных ламп и др.

Для установления равновесия при произвольной интенсивности падающего излучения необходимы переходы, вероятность которых возрастала бы с увеличением интенсивности излучения, т.е. переходы, связанные с испусканием фотонов под действием излучения. Эйнштейн показал, что помимо поглощения и спонтанного излучения должен существовать третий, качественно иной тип взаимодействия.

Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии 2, действует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей условию hn=E ₂ -E ₁, то возникает вынужденный (индуцированный) переход в основное состояние 1 с из­лучением фотона той же энергии hn = E ₂ - Е ₁(рис. 24.1, в).

При подобном переходе происходит излучение атомом фотона дополнительнок тому фотону, под действием которого произошел переход. Возникающее в результате таких переходов излучение называется вынужденным (индуцированным) излучением. Это было весьма важное открытие, которое было реализовано лишь более чем через сорок лет.

Таким образом, в процесс вынужденного излучения вовлечены два фотона: первичный фотон, вызывающий испускание излучения возбужденным атомом, и вторичный фотон, испущенный атомом. Существенно, что вторичные фотоны неотличимыот первичных, являясь точной их копией.

Вероятность индуцированного испускания будет максимальна, если частота ν воздействующей волны совпадает с частотой перехода (2→1) между уровнями активной среды. При отклонении v от частоты перехода вероятность индуцированного испускания убывает.

В статистической физике известен принцип детального равновесия, согласнокоторому при термодинамическом равновесии каждому процессу можно сопоставить обратный процесс, причем скорость их протекания одинакова. А. Эйнштейн применил этот принцип и закон сохранения энергии для излучения и поглощения электромагнитных волн в случае черного тела.

Для объяснения процессов равновесия между веществом и излучением Эйнштейн показал, что вероятность поглощения фотона атомом зависит не только от состояния атома, но и от спектральной плотности падающего излучения. Вероятность спонтанных переходов зависит только от концентрации возбужденных атомов. Однако, для установления равновесия необходимо также существование переходов из возбужденных уровней на более низкие, вероятность которых зависит от спектральной плотности падающего излучения.

Динамическое равновесие осуществляется посредством постоянного обмена квантами между полем излучения и материальными телами, причем обмен квантами должен уравновешиваться для каждой частоты в отдельности. Поэтому рассмотрим лишь одну частоту. Для других частот все рассуждения будут аналогичными, меняются лишь уровни энергии атомов.

Установим количественные соотношения, связывающие населенности уровней энергии системы частиц, спектральную плотность энергии электромагнитного излучения, падающего на систему, вероятности спонтанного и вынужденного излучений и резонансного поглощения частиц системы.

Электромагнитное излучение в вакууме характеризуется полной объемной плотностью энергии излучения, состоящей из электрической и магнитной составляющих:

. (24.2)

Объемная плотность энергии излучения определенным образом распределена по спектру частот. Распределение энергии излучения по частотам описывается спектральной плотностью энергии излучения w (ν, T), равной отношению плотности энергии dw в интервале частот от ν до ν + dν к частотному интервалу dν:

. (24.3)

Так как из формулы (24.3) следует соотношение dw = w (ν, T) dν, то для вычисления интегральной плотности энергии во всем частотном диапазоне следует проинтегрировать его по всем частотам, т.е.

. (24.4)

Эйнштейн применил к описанию процессов спонтанного и вынужденного излучения вероятностные методы.

Если количество переходов атомов с верхнего уровня на нижний спонтанно равно , вынужденно – , с нижнего уровня на верхний вынужденно равно , то условие термодинамического равновесия запишется в виде

. (24.5)

Пусть А ₂₁ – вероятность спонтанного перехода () в секунду, п ₂ и n ₁– концентрации атомов соответственно на верхнем и нижнем уровнях. Тогда

. (24.6)

Количество вынужденных переходов пропорционально спектральной плотности излучения. Обозначим вероятности вынужденных переходов в секунду ( и ) соответственно величинами и , которые относятся к спектральной плотности излучения , тогда

, . (24.7)

С учетом (24.6) и (24.7) соотношение (24.5) примет вид:

. (24.8)

Подставляя (24.1) в (24.8) и сокращая полученное выражение на общий множитель п ₀, находим:

. (24.9)

Величины А ₂₁, В ₂₁, В ₁₂ называются коэффициентами Эйнштейна. Они являются характеристиками только самого атома и могут зависеть лишь от частоты . Для установления связи между коэффициентами Эйнштейна исследуем асимптотическое поведение выражения (24.9) при Т→∞. Из физических соображений полагают, что при величина w (ν, T) → ∞, поэтому и слагаемым A ₂₁ в скобках можно пренебречь. Кроме того, . В результате равенство (24.9) примет вид:

.

После сокращения последнего равенства на w (ν, T) получаем первое соотношение между коэффициентами Эйнштейна:

. (24.10)

Физический смысл этого соотношения заключается в том, что при постоянной спектральной плотности энергии w (ν,T) вероятность индуцированного излучения кванта света атомом равна вероятности резонансного поглощения кванта света этим же атомом за одинаковые промежутки времени.

Для вычисления спектральной плотности энергии w (ν, T) умножим соотношение (24.9) на множитель . После последующего преобразования и с учетом (24.10) получим:

, (24.11)

где .

Для определения отношения коэффициентов Эйнштейна А ₂₁/ В ₂₁ используем формулу Рэлея – Джинса, хорошо описывающую поведение излучения в предельном случае hν << kT:

.

В рассматриваемом предельном случае выражение разложим в ряд Тейлора по степеням , ограничившись в разложении двумя первыми слагаемыми: , тогда (24.11) запишется в виде:

. (24.12)

Формула Рэлея – Джинса для спектральной плотности излучения в случае малых частот имеет вид:

. (24.13)

Сравнивая выражения (24.11) и (24.13), находим второе соотношение между коэффициентами Эйнштейна:

. (24.14)

Формула (24.11) принимает вид

(24.15)

и совпадает с формулой Планка для спектральной плотности излучения.

Хотя элементарная квантовая теория излучения абсолютно черного тела не позволяет теоретически вычислить значения коэффициентов Эйнштейна, она демонстрирует необходимость существования спонтанных и вынужденных переходов, причем, для вероятностей вынужденных переходов имеет место важное соотношение (9.10).

Кванты, испущенные в результате вынужденных переходов, коррелируют по своим свойствам с излучением, которое вызывает эти переходы. Вынужденное излучение обладает той же поляризацией, тем же направлением распространения и той же фазой, что и вынуждающее переход излучение. Это свойство вынужденного излучения чрезвычайно важно для различных его применений.

Были созданы когерентно излучающие источники, в которых различные атомы вещества излучают кванты света согласованно, т.е. с одинаковыми частотами, фазами, поляризацией и направлениями распространения. Они называются оптическими квантовыми генераторами или лазерами. Слово "лазер" образовалось из первых букв полного английского выражения "light amplification by stimulated emission of radiation", что в переводе означает: усиление света посредством стимулированного излучения.