Радиоактивность. Ее действие на организм человека

Радиоактивность. Ее действие на организм человека. 

 

ВВЕДЕНИЕ

1.Виды ионизирующего  излучения

2.Явление радиоактивности.  Закон радиоактивного распада

3.Единицы измерения  радиоактивности

4.Действие ионизирующего  излучения на организм человека

5.Основные принципы  обеспечения радиационной безопасности

5.1.Требования к  защите от природного облучения  в производственных условиях

5.2.Требования к  ограничению облучения населения 

5.3.Критерии вмешательства  на загрязненных территориях

5.4. Некоторые меры защиты от внешнего и внутреннего облучения

5.6. Расчет защиты  и защитные материалы

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

ВВЕДЕНИЕ

Радиоактивные или, по-другому, ионизирующие излучения  объединяют разные по своей физической природе виды излучений. Сходство между ними в том, что все они обладают высокой энергией, реализуют свое биологическое действие через эффекты ионизации и последующее протекание химических реакций в биологических структурах клетки, которые могут привести к ее гибели [1]. Важно отметить, что ионизирующие излучения не воспринимаются органами чувств человека: мы его не видим, не слышим и не чувствуем воздействия на наше тело.

Ионизирующие излучения  состоят из частиц (заряженных и  незаряженных) и квантов электромагнитной энергии. С ними население в любом регионе земного шара встречается ежедневно. Это, прежде всего, так называемый радиационный фон Земли, который складывается из трех компонентов:

– космического излучения, приходящего на Землю из Космоса;

– излучения от находящихся в почве, строительных материалах, воздухе и воде естественных радионуклидов (ЕРН);

– излучения от природных радиоактивных веществ, которые с пищей и водой  попадают внутрь организма, фиксируются  тканями и могут сохраняться  в теле человека в течение всей его жизни.

Кроме того, человек  встречается с искусственными источниками  излучения, широко применяемыми в народном хозяйстве. Сюда относится, например, ионизирующее излучение, используемое в медицинских  целях.

Основной вклад  в естественный радиационный фон среды вносят радиоактивные вещества, содержащие радионуклиды семейств урана 238, тория 232, калий 40, а также излучения радионуклидов образующихся при взаимодействии космических лучей с элементами атмосферы и земной коры. Это в основном тритий, углерод 14, бериллий 7, кремний 32, натрий 22. Для средних широт космический фон создает мощность экспозиционной дозы на поверхности земли от 1 до 3 мкР/ч.

В естественном радиационном фоне выделяют так называемый технологически измененный естественный радиационный фон, который представляет излучения от природных источников, претерпевших определенные изменения в результате хозяйственной деятельности человека. Добываемые полезные ископаемые (фосфаты, сланцы, нефть, газ и увлекаемые с ними пластовые воды) выносят на дневную поверхность многие химические вещества, включая и естественные радионуклиды. Их количественное содержание в земных породах колеблется в широких пределах, в результате чего уровни радиоактивных загрязнений в прилегающих районах различны – от незначительного превышения естественного фона до величин, представляющих определенную опасность для здоровья персонала и населения. Основные источники облучения населения приведены в таблице 1 [2].  

 

1.Виды ионизирующего излучения

Эффективность защиты от ионизирующего излучения в значительной степени зависит от знания его видов и свойств. Все виды ионизирующего излучения можно подразделить на две группы: электромагнитные, к которым относятся рентгеновское и g-излучение, и корпускулярные, или излучения ядерных частиц.

Рентгеновское и g-излучения  принадлежат к широкому спектру  электромагнитных излучений и располагаются  в нем вслед за радиоволнами, видимым  светом и ультрафиолетовыми лучами. Все эти виды излучений различаются  длиной волны. Наиболее короткой длиной волны и, соответственно, наибольшей частотой электромагнитных колебаний в этом спектре обладают g- и рентгеновское излучения. Чем меньше длина волны, тем выше энергия излучения и больше его проникающая способность. Энергия, например, g-кванта кобальта-60 равна 1,33 МэВ.

Источником рентгеновского излучения является Солнце. Но это  излучение поглощается земной атмосферой, иначе оно бы губительно действовало  на все живое. Рентгеновское излучение  также генерируется соответствующими аппаратами (ускорителями) для использования их в целях диагностики и лечения больных.

Гамма-излучение (?-излучение) сопровождает ядерные реакции и  распад многих радиоактивных веществ. Энергия g-излучения может иметь  различные значения – от десятков тысяч до миллионов электрон-вольт. Оно может пройти через человеческое тело. В качестве защиты от ?-излучения эффективно используются свинец, бетон или иные материалы с высоким удельным весом.

К ионизирующим относятся  также излучения разного рода ядерных частиц. К числу легких ядерных частиц принадлежат, например, ?-частицы, а к числу тяжелых – ?-частицы.

Бета-излучение (?-излучение) – это поток электронов или  позитронов. ?-частицы обладают элементарным отрицательным (электрон) или положительным (позитрон) зарядом. Они возникают в ядрах атомов при радиоактивном распаде и излучаются оттуда. ?-частицы могут проходить сквозь слой воды толщиной 1-2 см. Для защиты от ?-излучения, как правило, достаточно листа алюминия толщиной несколько миллиметров. При внешнем облучении ?- частицами тела человека на открытых поверхностях кожи могут образовываться радиационные ожоги различной тяжести. В случае поступления источников ?-излучения в организм с пищей, водой и воздухом происходит внутреннее облучение организма, способное привести к тяжелому лучевому поражению.

Альфа-излучение (?-излучение) – это поток тяжелых положительно заряженных частиц. Они в 7300 раз тяжелее ?-частиц. По своей физической природе ?-частицы представляют собой ядра атома гелия: они состоят из двух протонов и двух нейтронов и, следовательно, несут два элементарных положительных электрических заряда. Эти частицы испускаются при радиоактивном распаде некоторых элементов с большим атомным номером (в основном это трансурановые элементы с атомными номерами более 92). ?-излучение обладает большой ионизирующей способностью, но проникает в ткани тела человека на очень малую глубину. При облучении человека ?-частицы проникают лишь на глубину поверхностного слоя кожи. Защититься от них можно листом обычной бумаги. Их пробег в воздухе не превышает 11 см. Таким образом, в случае внешнего облучения защититься от неблагоприятного действия ?-частиц достаточно просто и они, казалось бы, не представляют серьезной угрозы здоровью людей. Положение коренным образом меняется в случае поступления источников ?-излучения в организм человека с пищей, водой или воздухом. В этом случае они будут чрезвычайно опасными облучателями организма изнутри.

Нейтроны – нейтральные, не несущие электрического заряда частицы  – при оценке радиационной аварийной  обстановки могут играть существенную роль. Эти частицы вылетают из ядер атомов при некоторых ядерных реакциях, в частности, при реакциях деления ядер урана или плутония. Нейтроны обладают высокой проникающей способностью. Ионизация среды в поле нейтронного излучения осуществляется заряженными частицами, возникающими при взаимодействии нейтронов с веществом. Отличительной особенностью нейтронного излучения является способность превращать атомы стабильных элементов в их радиоактивные изотопы, что резко повышает опасность нейтронного облучения. От нейтронного излучения хорошо защищают водородсодержащие материалы (парафин, полиэтилен).

Вполне естественно, что все защитные мероприятия  от воздействия ионизирующих излучений  основаны на знании свойств каждого  вида излучения, характеристики их проникающей способности, особенностей эффектов ионизации.  

 

2.Явление радиоактивности. Закон  радиоактивного распада

Радиоактивность –  это самопроизвольное превращение  неустойчивого изотопа одного химического  элемента из основного или возбужденного состояния в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц и электромагнитной энергии. Такие ядра или соответствующие атомы называют радиоактивными. Само явление называется радиоактивным распадом.

Количество любого радиоактивного изотопа со временем уменьшается в результате радиоактивного распада, который совершается самопроизвольно в результате внутриядерных процессов. Для каждого радиоактивного вещества скорость распада ядер его атомов постоянна, неизменна и характерна только для данного изотопа. Все радионуклиды распадаются в одном и том же порядке и подчиняются закону радиоактивного распада. Суть закона заключается в том, что за единицу времени распадается одна и та же часть имеющихся в наличии ядер атомов радиоактивного изотопа.

Для характеристики скорости распада радиоактивных  элементов на практике вместо постоянной распада ? пользуются периодом полураспада  Т1/2, который представляет собой  время, в течение которого распадается  половина исходного количества радиоактивных ядер. Для различных радиоактивных элементов период полураспада имеет значения от долей секунд до миллиардов лет.  

 

3.Единицы измерения радиоактивности

Активность (А) –  мера радиоактивности какого-либо количества радионуклида, находящегося в данном энергетическом состоянии в данный момент времени:  

 

А = dN/dt,

где dN – ожидаемое  число спонтанных ядерных превращений  из данного энергетического состояния, происходящих за промежуток времени dt. В системе СИ единицей измерения  активности является обратная секунда (с-1), имеющая специальное название беккерель (Бк). 1 Бк = 1 распад/с.

Используется и  внесистемная международная единица  активности кюри (Ки). Кюри – это  такое количество радиоактивного изотопа, в котором число радиоактивных  распадов в секунду равно 3,7?1010. Единица кюри соответствует радиоактивности одного грамма радия. В единицах беккерель и кюри выражают ?- и b-активность.

Для характеристики g-активности введена другая единица  – эквивалент одного миллиграмма  радия (226Ra). Миллиграмм эквивалент радия – это активность любого радиоактивного препарата, g-излучение которого создает такую же мощность экспозиционной дозы, как g-излучение одного миллиграмма радия Государственного эталона РФ при платиновом фильтре 0,5 мм. Точечный источник в один миллиграмм (1мКи) радия, после начальной фильтрации через 0,5 мм платины, создает в воздухе на расстоянии 1 см мощность дозы 8,4 Р/ч. Эта величина называется ионизационной g-постоянной радия (К), которая принята за эталон мощности дозы излучения. С ней сравнивают К других радиоактивных изотопов. g-эквивалент изотопа М связан с его активностью А через ионизационную g-постоянную соотношением:

М = А * К /8,4 ,

которое позволяет  сделать перерасчет от активности радиоактивного вещества, выраженной в мг-экв. радия, к активности, выраженной в Ки и наоборот.

Для характеристики рентгеновского и g излучения устанавливают  так называемую экспозиционную дозу (Х) ионизирующих излучений. Она характеризует  ионизирующую способность рентгеновских  и g-излучений в воздухе. На практике применяются внесистемная единица – рентген. Это такое количество излучения, при котором в одном см3 воздуха (0,001293 г) при атмосферном давлении 760 мм.рт.ст и температуре 0оС, образуется 2,08х109 пар ионов.

За единицу экспозиционной дозы в международной системе единиц (СИ) принят кулон на кг (Кл/кг), т.е. такое количество энергии рентгеновского и g-излучения, которое в кг сухого воздуха образует ионы, несущие суммарный заряд в 1 кулон электричества каждого знака. 1 Р = 2,58х10-4 Кл/кг, 1 Кл/кг = 3880 Р.

Экспозиционная  доза не учитывает энергию ионизирующих излучений, которая поглощается  облучаемым объектом. Для определения  эффекта воздействия ионизирующих излучений в веществе введено  понятие поглощенная доза (D) –  фундаментальная дозиметрическая величина, определяемая в виде:  

 

D = de / dm,

где de – средняя  энергия, передаваемая ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме; dm – масса вещества в элементарном объеме.

В единицах СИ поглощенная  доза измеряется в джоулях, деленных на килограмм (Дж/кг), и имеет специальное название – грей (Гр).

Внесистемной единицей измерения поглощенной дозы является рад. Единица рад (rad – radiation absorbed dose) – это такая доза, при которой  в одном грамме массы облучаемого вещества поглощается энергия любого вида излучения равная 100 эрг.

Поскольку, при  одной и той же дозе энергии g-квантов  и частиц в одном грамме разной по составу биологической ткани  поглощается различное количество энергии, поглощенную дозу в таких случаях находят расчетным путем:  

 

D = Х?f,

где D – поглощенная  доза; Х – экспозиционная доза в  Р в той же точке; f – переходный коэффициент.

Если в воздухе  доза излучения 1 Р эквивалентна 88 эрг/г, то поглощенная энергия для этой среды составит 88 /100 = 0,88 рад. Таким образом, для воздуха поглощенная доза равная 0,88 рад соответствует экспозиционной дозе в 1 Р.

Переходный коэффициент f обычно определяют опытным путем  на фантоме. Для воды и мягких тканей коэффициент f округленно принят за единицу (фактически он составляет 0,93). Следовательно, поглощенная доза в радах численно равна соответствующей экспозиционной дозе в рентгенах. Для костной ткани коэффициент f изменяется от 2 до 5.

Биологическое действие одних и тех же доз различного вида излучений не одинаково. Это связано с удельной ионизацией излучения. Чем выше удельная ионизация, тем больше коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ) или взвешивающий коэффициент (WR). Этот коэффициент показывает во сколько раз эффективность биологического действия данного вида излучения выше рентгеновского или g-излучения при одинаковой поглощенной дозе в тканях.

Для оценки биологического действия излучения введено понятие  эквивалентной дозы – это поглощенная  доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного излучения WR:

HTR = WR ?DTR, где, DTR –  средняя поглощенная доза в  органе или ткани Т, а WR –  взвешивающий коэффициент для  излучения R. Если поле излучения  состоит из нескольких излучений  с различными величинами WR, то эквивалентная доза определяется в виде:

Единицей измерения  эквивалентной дозы является Дж/кг, имеющий специальное название –  зиверт (Зв). Внесистемной единицей измерения  эквивалентной дозы является биологический  эквивалент рада – бэр.  

 

4.Действие ионизирующего излучения  на организм человека

В результате воздействия  ионизирующего излучения на организм человека в тканях могут происходить  сложные физические, химические и  биологические процессы.

Первичным физическим актом взаимодействия ионизирующего излучения с биологическим объектом является ионизация. Именно через ионизацию происходит передача энергии объекту.

Известно, что в  биологической ткани 60-70 % по массе  составляет вода. В результате ионизации  молекулы воды образуют свободные радикалы Н- и ОН-