Воздействие ионизирующих излучений

(радиационная опасность)

5.9.1. Основные понятия о радиоактивности

Большинство атомов химических элементов обладает большой устойчивостью, или, как принято говорить, стабильностью. Однако в природе существует и ряд элементов, атомы которых неустойчивы и способны самопроизвольно распадаться.

Самопроизвольный распад атомов называется радиоактивностью, а вещества, подверженные самопроизвольному распаду – радиоактивными.

Ядра атомов радиоактивных веществ, будучи неустойчивыми, распадаются и переходят в более устойчивое состояние, испуская при этом невидимые излучения, обладающие проникающей и ионизирующей способностью, и нейтроны. Эти невидимые излучения состоят из потока альфа-, бета-частиц и гамма-квантов (лучей).

Различают естественную и искусственную радиоактивность.

Естественной называют радиоактивность химических радиоактивных элементов их изотопов, встречающихся в природе: урана, радия, полония и др.

Искусственной называют радиоактивность, полученную искусственным путем в результате поглощения ядрами устойчивых химических элементов свободных нейтронов и других частиц различных энергий, таких как альфа- частицы, протоны и др.

Весь процесс самопроизвольного распада нестабильного нуклида называется радиоактивным распадом, а сам такой нуклид – радионуклидом.

Естественный распад радиоактивного вещества происходит не сразу во всех атомах, а постепенно, со строго определенной постоянной и не зависящей от внешних условий скоростью, характерной для данного химического элемента. Эта скорость оценивается по величине периода полураспада – времени, в течение которого распадается половина всех атомов радиоактивного вещества.

Период полураспада различных радиоактивных химических элементов и их изотопов колеблется в самых широких пределах. Например, время, необходимое для распада половины всех атомов, U₂₃₈ – 4,6 млрд лет, Р_{о 212} – 3х10^-6 с.

5.9.2. Единицы радиоактивности

Радиоактивность определяется числом распадов, происходящих в данном количестве веществ за единицу времени.

В качестве единицы радиоактивности принято КЮРИ – такое количество радиоактивного вещества, в котором происходит 37 миллиардов распадов в секунду (3,7∙10¹⁰). Такой радиоактивностью обладает 1 г радия.

Кроме кюри, на практике используются и более мелкие единицы активности: милликюри (мк) и микрокюри (мкк).

Единицей измерения активности (в системе СИ) является беккерель (БК), названная в честь ученого, открывшего явление радиоактивности; один беккерель равен одному распаду в секунду (1 БК = 1 расп/с).

5.9.3. Характеристика радиоактивных излучений

Радиоактивный распад сопровождается испусканием радиоактивных излучений, представляющих собой поток заряженных частиц, названных альфа- и бета-частицами, и электромагнитных волн, названных гамма-лучами.

Разные виды излучений сопровождаются высвобождением разного количества энергии и обладают разной проникающей способностью, поэтому они оказывают неодинаковое воздействие на ткани живого организма.

Альфа-частицы (α) представляют собой ядра атомов гелия (с двумя положительными зарядами). Они вылетают из ядер атомов со скоростью 10‒20 тыс. км/с и способны проникать через слой воздуха толщиной в несколько сантиметров, образуя при этом 30 000 пар ионов на 1 см пробега. В твердых веществах, например, в металлах, бумаге, стекле, путь пробега их короче. Пластинкой алюминия толщиной в 0,05 мм, листом бумаги альфа-частицы задерживаются.

Альфа-частицы обладают высокой ионизирующей способностью и слабой проникающей способностью вследствие своей большой массы. Альфа-излучение практически не проникает через наружный слой кожи, образованный отмершими клетками. Поэтому оно не представляет опасность до тех пор, пока радиоактивные вещества, испускающие излучение, не попадут внутрь организма через открытую рану, с пищей или с вдыхаемым воздухом; тогда они становятся чрезвычайно опасными.

Бета-частицы (β) представляют собой электроны ядерного происхождения (с одним отрицательным зарядом). Скорость движения их достигает величины, близкой к скорости света, порядка 270‒290 тыс. км/с. Проникающая способность бета-частиц значительно больше, чем альфа-частиц; они способны пролететь в воздухе несколько десятков метров и пройти через пластинку из алюминия толщиной 3 мм.

Бета-частицы тоже ионизируют воздух и среду, в которой распространяются, но в меньшей степени, чем альфа-частицы. На 1 см пробега одна бета-частица образует до 70 пар ионов.

Бета-частицы обладают меньшей ионизирующей способностью по сравнению с альфа-частицами, но большей проникающей способностью. Бета-излучение проходит в ткани организма на глубину один-два сантиметра. Поэтому необходимо использовать индивидуальные средства защиты.

Гамма-излучение (γ) представляет собой поток электромагнитных волн, похожих по своей природе на рентгеновские лучи, но обладающие значительно большей энергией. Скорость распространения их в пустоте составляет 300.000 км/с. Длина их пробега равна сотням метров. Гамма-излучение способно проходить сквозь толстые слои многих веществ.

Под воздействием гамма-излучения воздух и среда ионизируются, но в значительно меньшей степени, чем при прохождении альфа-частиц. На 1 см пробега образуется несколько пар ионов.

Гамма-излучение обладает высокой проникающей способностью и представляет большую опасность для человека.

Нейтронное излучение – поток нейтронов, различной энергии, мало ослабляется средой и обладает большой проникающей способностью. В воздухе нейтроны проходят более тысячи метров, что делает их чрезвычайно опасными для живых организмов и, в первую очередь, для человека. Кроме того, нейтронный поток способен вызвать наведенную радиоактивность [22].

Повреждений, вызванных в живом организме излучением, будет тем больше, чем больше энергии оно передаст тканям; количество такой переданной организму энергии называется дозой.

5.9.4. Дозы излучений

Дозу излучения организм может получить от любого радионуклида или от их смеси независимо от того, находятся ли они вне организма или внутри его (в результате попадания с пищей, водой или воздухом).

Количество энергии излучения, поглощенное единицей массы облучаемого тела (тканями организма), называется поглощенной дозой и измеряется в системе СИ в грэях (Гр). 1 Гр = 1 Дж/кг. Внесистемной единицей является Рад. 1 Гр = 100 Рад. Но эта величина не учитывает того, что при одинаковой поглощенной дозе альфа-излучение гораздо опаснее бета- или гамма-излучений.

Если принять во внимание этот факт, то дозу следует умножить на коэффициент, отражающий способность излучения данного вида повреждать ткани организма: альфа-излучение считается при этом в двадцать раз опаснее других видов излучений. Пересчитанную таким образом дозу называют эквивалентной дозой; в системе СИ ее измеряют Зивертами (Зв) ‒ Дж/кг. Внесистемной единицей является бэр. 1 Зв = 100 бэр.

Следует учитывать также, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за генетических повреждений.

Поэтому дозы облучения органов и тканей следует учитывать с разными коэффициентами. Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав по всем органам и тканям, получим эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения организма. Она измеряется в зивертах.

5.9.5. Поражающее действие ионизирующих излучений

Радиоактивные вещества имеют ряд специфических особенностей:

‒ они не имеют запаха, цвета или других внешних признаков, по которым можно было бы их обнаружить; обнаружение радиоактивных веществ возможно только с помощью специальных дозиметрических приборов;

‒ радиоактивные вещества способны вызвать поражения не только при непосредственном соприкосновении с ними, но и с некоторого расстояния, что усложняет защиту от них;

‒ поражающие свойства радиоактивных веществ не могут быть уничтожены химическим или другим каким-либо способом, так как радиоактивный распад не зависит от внешних факторов.

Ионизирующее излучение вызывает в организме цепочку обратимых и необратимых изменений. Пусковым механизмом воздействия являются процессы ионизации и возбуждения атомов и молекул в тканях. Диссоциация сложных молекул в результате разрыва химических связей ‒ прямое действие радиации. Существенную роль в формировании биологических эффектов играют радиационно-химические изменения, обусловленные продуктами радиолиза воды. В результате радиолиза воды образуются: Н⁺, окисляющие радикалы ^–ОН, Н₂О₂, НО₂ и др.

В результате прямого и непрямого действия радиации возникают нарушения микроструктуры и обмена ДНК: разрывы водородных связей, уменьшение синтеза ДНК, нарушение генетического кода ДНК и, как следствие, появление радиационных мутаций. Кроме этого, при воздействии ионизирующих излучений происходит массовое клеточное окисление, нарушение размножения клеток, поражение кроветворной системы и слизистой оболочки кишечника.

Степень воздействия радиации зависит от того, является облучение внешним или внутренним (при попадании радиоактивного изотопа внутрь организма). Внутреннее облучение возможно при вдыхании, заглатывании радиоизотопов и проникновении их в организм через кожу.

Гигиеническая регламентация ионизирующего излучения осуществляется Нормами радиационной безопасности НРБ-99.