6.2.7.1.
Ионизирующее излучение, его виды и краткая характеристика.
Радиоактивность
и сопутствующие ей ионизирующие излучения существовали на Земле задолго до
зарождения на ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения самой
Земли. Да и само появление, и развитие жизни на планете Земля происходило в
присутствии радиационного фона окружающей среды. Радиация входит в состав
постоянно действующих физических факторов, присутствие которых предопределяет в
значительной степени эволюцию жизни на Земле.
С
последствиями воздействия ионизирующего излучения человечество столкнулось в
конце XVIII века. В 1885 году Вильгельм Конрад Рентген обнаружил существование
невидимых глазу лучей, способных проникать сквозь живые объекты, а его помощник
В. Груббе получил радиационный ожог рук при работе с рентгеновскими лучами. В
1896 году французский физик А.Беккерель обнаружил радиоактивность урана, а
двумя годами позднее, в 1898, супруги Кюри исследовали природу этого явления.
Многие из
тех, кто стоял у истоков радиологии, погибли, изучая явления радиоактивности
различных материалов. На памятнике, воздвигнутом в
Обеспокоенные
появлением таких эффектов, специалисты всего мира создали в конце 20-х годов
Международную комиссию по радиационной защите (МКРЗ), которая разрабатывала и
разрабатывает правила работы с радиоактивными веществами. Используя
рекомендации МКРЗ, национальные эксперты комиссии разрабатывают в странах, так
называемых «ядерных державах», национальные нормативы. Помимо МКРЗ этими
проблемами занимается еще одна международная организация – Научный Комитет по
действию атомной радиации (НКДАР) – United Nations Scientific Committe on the Effects of Atomic Radiation (UNSCEAR), созданного в рамках ООН в 1955
году. Это и неслучайно, так как НКДАР отчитывается перед секретариатом ООН по
результатам своей деятельности.
Необходимость
в системе радиационной безопасности возникла в связи с работами по созданию
атомного оружия и развитием атомной энергетики.
Под радиацией, в самом широком смысле
слова понимают все существующие в природе излучения – радиоволны, микроволны,
инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, и, наконец,
ионизирующее излучение (ИИ). Ионизирующим оно
является потому, что, обладая высоким энергетическим потенциалом, способно
ионизировать атомы и молекулы облучаемой среды, т.е. нарушать структуру атомов
и молекул живого объекта, на который воздействует.
Все ИИ подразделяются на электромагнитные и корпускулярные. В
свою очередь электромагнитные ИИ подразделяют на тормозное излучение, которое возникает при торможении в электрическом
поле, создаваемом атомными ядрами, ускоренных заряженных частиц и
характеристическое излучение, которое
возникает при энергетических перестройках внутренних электронных оболочек
возбужденных атомов. Совокупность тормозного и характеристического излучения
называют рентгеновским излучением. В земных условиях оно, как правило, имеет
техногенное происхождение. Кроме рентгеновских трубок, источниками
рентгеновского излучения могут служить радиолампы, электронно-лучевые трубки и
некоторые другие электронные агрегаты, хотя в этих случаях его интенсивность,
как правило, пренебрежимо мала.
Гамма-излучение – продукт ядерных превращений радиоактивных
элементов (радиоизотопов). Источником гамма-излучения могут быть как естественные,
так и искусственно получаемые радиоизотопы.
К корпускулярным ионизирующим излучениям относят ускоренные заряженные
частицы и нейтроны. Ускоренная заряженная частица - это перемещающийся в
пространстве источник электрического поля.
Естественными источниками ускоренных заряженных частиц являются
природные радиоизотопы. К искусственным
источникам относятся искусственные
радиоизотопы и ускорители заряженных частиц. При прохождении через вещество
заряженные частицы могут принять участие в ряде процессов. Важнейшими из них
являются:
1) упругое рассеяние - изменение траектории заряженной
частицы в результате притяжения ядер без потери энергии. Чем больше масса
частицы, тем меньше ее отклонение от прямого направления. Поэтому траектории
электронов изломаны, а траектории
протонов и более тяжелых частиц практически прямые;
2) неупругое торможение. Электрон, имеющий энергию, превышающую
1 МэВ, при прохождении вблизи ядра атома
теряет скорость и энергию. При этом испускаются фотоны тормозного излучения, летящие
в том же направлении, что и электрон;
3) ионизация и возбуждение атомов в результате взаимодействия частицы с электронами оболочек
атомов - основной путь потери энергии ускоренной заряженной частицы, в веществе. Под действием ее поля происходит возмущение электронной
оболочки атома, вблизи которого частица оказалась. Чем медленнее движется
частица, тем длительнее, а следовательно, значительнее ее влияние. Это влияние
положительно связано также с зарядом частицы, но не с ее массой.
Результатом действия ускоренной заряженной частицы на атом
является его переход в возбужденное или ионизированное состояние.
Важнейшей характеристикой излучения служит линейная
передача энергии (ЛПЭ) - это количество энергии, передаваемой заряженной частицей веществу в среднем
на единицу длины пройденного в нем пути:
ЛПЭ = dE/dx,
где Е - энергия
частицы (эВ), х - путь частицы (мкм).
ЛПЭ зависит от
вида ИИ и плотности вещества.
Значения этого показателя, приводимые в справочных таблицах,
обычно соответствуют величине ЛПЭ конкретного излучения в воде. Зная ЛПЭ, можно
определить среднее число ионов, образующихся на единицу длины пути заряженной
частицы. Для этого надо разделить величину ЛПЭ на величину энергии, необходимой
для образования одной пары ионов (W). Для ионизации атомов
большинства элементов, входящих в состав биологических тканей, требуется
10-15 эВ. На каждый акт ионизации приходится несколько актов возбуждения, на
которые также расходуется энергия. Поэтому одна пара ионов образуется при поглощении
в веществе биосубстрата около 34 эВ.
Количество пар ионов, образующихся на 1 мкм пути,
пройденного заряженной частицей в веществе, называется линейной плотностью ионизации
(ЛПИ):
ЛПИ = ЛПЭ:W = ЛПЭ:34
ЛПЭ и ЛПИ для частиц, имеющих одинаковый заряд, определяется
исключительно их скоростью. Например, у электрона и протона, движущихся с одной и той же скоростью, эти величины
одинаковы, хотя энергия протона, в 1836 раз больше.
Если же сопоставить частицы с одной энергией, то ЛПИ и ЛПЭ
тем больше, чем больше масса частицы.
При увеличении заряда частицы, ЛПЭ и ЛПИ также увеличиваются.
Определяемые величиной заряда ионизация и возбуждение атомов, неупругое
торможение сопровождаются снижением энергии ускоренной заряженной частицы,
поэтому пробег ее в веществе органичен. При прочих равных условиях, чем выше
ЛПЭ, тем ниже проникающая способность излучения. Короткий пробег ускоренных
заряженных частиц в веществе обусловливает значительную неравномерность
распределения интенсивности ИИ в теле при облучении человека и крупных
животных. Неравномерность облучения является одним из важных факторов, влияющих
на его радиобиологические эффекты. В случае же воздействия ускоренных
заряженных частиц на мелкие биологические объекты (например, на клетки),
фактором неравномерности облучения можно пренебречь.
Нейтронное излучение возникает в лабораторных условиях при
бомбардировке ядра соответствующей заряженной частицей или фотоном высокой
энергии, кроме того, образование нейтронов реализуется при взрывах атомных
боеприпасов, где источником этих частиц служат цепные реакции деления ядер
урана-235 или плутония-239. Образование нейтронов происходит в процессе -
синтеза ядер легких элементов - дейтерия, трития и лития, который осуществляется
при взрывах термоядерных («водородных») боеприпасов.
При прохождении через вещество нейтроны могут вступать во
взаимодействие только с атомными ядрами, но не с электронами. Сталкиваясь с ядрами,
нейтроны либо отталкиваются от них, либо поглощаются ими.
1) Упругое рассеяние.
При столкновении с ядрами C, N, P, O и других элементов, входящих, в том числе,
в состав биологических тканей, нейтроны теряют 10-15% своей энергии; при
столкновении с ядрами водорода (протонами) энергия нейтронов уменьшается, в среднем, почти втрое. Потерянная нейтронами
в процессе упругого рассеяния энергия передается протонам или другим ядрам
отдачи, отличающимся высокой ионизирующей способностью. Упругое рассеяние -
основной путь потери энергии нейтронами в процессе деления и синтеза ядер.
2) Неупругое рассеяние.
В этом случае часть энергии нейтрона расходуется на возбуждение ядра-мишени. В
невозбужденное состояние ядро возвращается, испуская фотоны гамма-излучения.
3) Ядерные перестройки. При поглощении
ядрами нейтронов происходит выброс протонов, альфа-частиц, гамма-квантов,
возникают искусственные радиоактивные изотопы (наведенная активность).
Образующиеся при взаимодействии нейтронов с веществом
ускоренные заряженные частицы - протоны и другие ядра отдачи - являются
основным фактором ионизации и возбуждения атомов вещества. Таким образом,
нейтроны, как и гамма-кванты, относятся к косвенно ионизирующим излучениям.
В зависимости от энергии, которой обладают, нейтроны могут быть разделены на группы:
1). Сверхбыстрые Е >
103 МэВ
2). Очень больших энергий
Е = 10-103 МэВ
3). Быстрые Е = 0,1-10
МэВ
4). Промежуточные Е = 0,5-100 КэВ
5). Медленные Е = 0,1 эВ - 0,5 КэВ
6). Тепловые Е < 0,1 эВ
К основным
особенностям биологического действия ионизирующего излучения относятся:
·
отсутствие
субъективных ощущений и объективных изменений в момент контакта с излучением;
·
наличие
скрытого периода действия;
·
несоответствие
между тяжестью острой лучевой болезни и ничтожным количеством первично пораженных
клеток;
·
суммирование
малых доз;
·
генетический
эффект (действие на потомство);
·
различная
радиочувствительность органов (наиболее чувствительна, хотя и менее
радиопоражаемость, нервная система, затем органы живота, таза, грудной клетки);
·
высокая
эффективность поглощенной энергии;
·
тяжесть
облучения зависит от времени получения суммарной дозы (однократное облучение в
большой дозе вызывает более выраженные последствия, чем получение этой же дозы
фракционно);
·
влияние
на развитие лучевого поражения обменных факторов.
При этом, основную
часть дозы облучения население земного шара получает от естественных источников
радиации, которые формируют, примерно 4/5
общего радиационного фона. Суммарная
годовая доза от перечисленных источников составляет около 2 мЗв. Большинство
из естественных источников ионизирующих излучений таковы, что избежать
облучения от них совершенно невозможно. Человек подвергается облучению двумя
способами. Радиоактивные вещества, как и другие источники ИИ могут находиться
вне организма и облучать его снаружи. В этом случае говорят о внешнем
облучении. Если же радионуклиды оказываются в воздухе, которым дышит человек, в
пище или в воде и попадают внутрь организма, они создают внутреннее облучение.
Земные источники радиации в сумме
ответственны за большую часть облучения, которому подвергается человек за счет
естественной радиации. В среднем они обеспечивают более 5/6 годовой эффективной
эквивалентной дозы, получаемой населением, в основном вследствие внутреннего
облучения. Остальную часть в формирование дозы от естественных ИИ вносят космические
лучи, главным образом путем внешнего облучения.
Величина естественного радиационного
фона, который обусловлен космическим излучением и природными радиоактивными
веществами, содержащимися в земле, воде, воздухе и всей биосфере варьирует от
10-15 мкР/ч до 26-30 мкР/ч ( на территории РФ фон варьирует от 4до 20 мкР/ч).
В
Облучение, связанное с проводившимися ранее испытаниями
ядерного оружия или с функционированием
ядерной энергетики, составляет лишь малую долю облучения, порождаемого
деятельностью человека (т.е. облучения от искусственных источников -
техногенный фон). Куда большие дозы, мы получаем от других, привлекающих
гораздо меньший общественный интерес, форм этой деятельности. К ним относятся
применение ИИ в медицине, сжигание угля, использование воздушного транспорта,
постоянное пребывание в плохо вентилируемых помещениях. Однако при авариях
промышленных и исследовательских объектов, содержащих значительные количества
РВ, а также при применении ядерного оружия, основной вклад в дозу облучения
населения вносят ИИ от искусственных источников.
Так, дозовые нагрузки
на людей и радиационные эффекты состовляют:
· 0,1 мЗв: одна флюорография или
один трансатлантический перелет;
· 2-4 мЗв: среднегодовая доза
радиационной нагрузки для большинства людей на Земле;
· 20 мЗв: предельно допустимая
годовая доза для населения большинства стран;
· 100 мЗв за год: пороговая доза для
развития детерминированных эффектов
пролонгированного или хронического облучения;
· 1000 мЗв: пороговая доза для
развития детерминированных эффектов острого облучения;
· 10 000 мЗв: смертельная доза для
человека при остром облучении.
В итоге, на сегодняшний день миллионы
людей контактируют с источниками ионизирующих излучений в различных сферах
своей деятельности.