Ионизирующее излучение. 1. Виды ионизирующих излучений
 Скачать 268.98 Kb.
|
1 2 1. Виды ионизирующих излучений После открытия деления ядер тяжелых элементов начала развиваться ядерная энергетика. Развитие этой новой области связано с появлением различных методов исследования. После страшной чернобыльской катастрофы, которая встревожила весь мир, началось активное развитие новой среди разделов общей экологии - радиоэкология. Когда ядерное горе постигло летом 1945 г. Хиросиму и Нагасаки, ужасные последствия атомной бомбардировки и первого в истории человечества взрыва такой силы тоже обратили на себя внимание и вызвали беспокойство всего человечества. Однако тогда на фоне трагедии Второй мировой войны и из-за нехватки информированности и отсутствие знаний о возможных последствиях радиоактивных загрязнений и нанесения вреда биосфере человечество еще не могло объективно оценить всю серьезность этой проблемы. Наоборот, под влиянием милитаристических сил в развитых странах невидаными темпами начали сохранять и наращивать арсенал ядерного оружия, стремясь достичь самой большой разрушительной силы. Однако уже через 10-15 лет начали понимать всю недальновидность такой политики, увеличение угрозы мировой катастрофы в результате ядерной войны. Были сделаны первые расчеты возможных изменений экосистем регионального масштаба, огромных потерь не только государственного, но и мирового масштаба. Появились первые предостережения. С 70-х годов нашего века широкие массы общества начали активно включаться в борьбу за разоружение, мирное сосуществование государств с разным социально-политическим устроем. Изучение радиоактивности началось с 1933 г., а ее губительного воздействия как компонента ядерной бомбы - с 1945 г. Исследования с целью определения глобального влияния на биосферу антропогенной радиации, ядерного оружия, отходов от производства, действующих АЭС, аварий на них, а также прогнозирование развития атомной энергетики на далекую перспективу были начаты в 1986 г. Быстрое развитие ядерной энергетики и широкое внедрение источников ионизирующих излучений в различных областях науки, техники и народного хозяйства создали потенциальную угрозу радиационной опасности для человека и загрязнения окружающей среды радиоактивными веществами. Поэтому вопросы защиты от ионизирующих излучений (или радиационная безопасность) превращаются в одну из важнейших проблем. Связи между жизнью, здоровьем людей, положением флоры и фауны и современным уровнем радиационного загрязнения всей планеты и отдельных ее регионов очень сложные. Изучение и использование их на благо человека - одно из главных заданий радиоэкологии. Основными аспектами радиоэкологии является изучение радиоактивного фона, характера антропогенных радиоактивных загрязнений геосфер, продуктов питания, организма человека, исследование эффектов и установка нормативов ионизирующего излучения. До середины ХХ в. основным источником ионизирующего излучения были природные источники - горные породы, Космос. Однако и тогда уровни земной радиации в разных регионах были различны, достигая максимальных значений в районах залежей урановых руд, радиоактивных сланцев, фосфоритов или кристаллических пород, ториевых песков, радоновых минеральных источников (Индия - штаты Керала и Тамилнад, Бразилия - штат Рио-де-Жанейро, Иран, Канада, Чехия и Словакия, ЮАР, Нигерия и др.). Известны такие аномальные районы и у нас на Украине - Хмельник, Мироновка, Желтые воды. В этих местах уровни природного активного фона в десятки и сотни раз выше, чем в других. Из-за того, что до недавнего времени не было известно о присутствии тех или иных отклонений в здоровье и развитии людей, которые проживают в районах с повышенным радиоактивным фоном, показатели продолжительности жизни, количество мертворожденных, болезни на лейкоз, рак у жителей этих районов был среднестатистично нормальным. На основе новых исследований и глубокого анализа проблемы можно сделать вывод, что и раньше, десятки и сотни лет тому назад, повышенный радиационный фон негативно влиял на население. Это выявлялось в значительном увеличении количества больных с синдромом Дауна (почти в 5 раз), другими патологическими проявлениями, особенно раковыми опухолями. Сейчас главными источниками радиоактивных загрязнений биосферы являются радиоактивные аэрозоли, которые поступают а атмосферу во время испытаний ядерного оружия, аварий на АЭС и радиоактивных производствах, а также радионуклиды, которые выделяются из радиоактивных отходов, захороненных на суше и в море, с отработанных атомных реакторов и сооружений. Во время аварий атомных реакторов, разгерметизации залежей радиоактивных отходов радиационная грязь расползается на десятки и сотни километров, вследствие взрывов ядерных бомб - по всей планете. По силе и глубине влияния на организм ионизирующее излучение считается самым сильным. Разные организмы имеют неодинаковую стойкость к действию радиоактивного облучения, даже клетки одного организма имеют разную чувствительность. Различают несколько видов ионизирующего излучения. Излучение, отклоняющееся в сторону Севера, называется альфа-излучением, Юга - бета-излучением; излучение, не отклоняющееся магнитным полем, называется гамма-излучением (оно не имеет электрического заряда). В настоящее время известно около 40 естественных и более 200 искусственных альфа-активных ядер. Альфа-распад характерен для тяжелых элементов (урана, тория, полония, плутония и др.). Альфа-частицы - это положительно заряженные ядра гелия. Они обладают большой ионизирующей и малой проникающей способностью и двигаются со скоростью 20000 км/с. Бета-излучение - это поток отрицательно заряженных частиц (электронов), которые выпускаются при бета-распаде радиоактивных изотопов. Их скорость приближается к скорости света. Бета-частицы при взаимодействии с атомами среды отклоняются от своего первоначального направления. Поэтому путь, проходимый бета-частицей в веществе, представляет собой не прямую линию, как у альфа-частиц, а ломаную. Наиболее высокоэнергетические бета-частицы могут пройти слой алюминия до 5 мм., однако ионизирующая способность их меньше, чем у альфа-частицы. Гамма-излучение, испускаемое атомными ядрами при радиоактивных превращениях, обладает энергией от нескольких тысяч до нескольких миллионов электрон-вольт. Распространяется оно, как и рентгеновское излучение, в воздухе со скоростью света. Ионизирующая способность гамма-излучения значительно меньше, чем у альфа- и бета-частиц. Гамма-излучение - это электромагнитные излучения высокой энергии. Оно обладает большой проникающей способностью, изменяющейся в широких пределах. Ионизирующие излучения имеют ряд общих свойств, два из которых - способность проникать через материалы различной толщины и ионизировать воздух и живые клетки организма - заслуживают особенно пристального внимания. При изучении действия излучения на организм были определены следующие особенности: Высокая эффективность поглощенной энергии. Малые количества поглощенной энергии излучения могут вызывать глубокие биологические изменения в организме. Наличие скрытого, или инкубационного, периода проявления действия ионизирующего излучения. Этот период часто называют периодом мнимого благополучия. Продолжительность его сокращается при облучении в больших дозах. Действие от малых доз может суммироваться или накапливаться. Этот эффект называется кумуляцией. Излучение воздействует не только на данный живой организм, но и на его потомство. Это так называемый генетический эффект. Различные органы живого организма имеют свою чувствительность к облучению. При ежедневном воздействии дозы 0,002 - 0,005 Гр уже наступают изменения в крови. Не каждый организм в целом одинаково реагирует на облучение. Облучение зависит от частоты. Одноразовое облучение в большой дозевызывает более глубокие последствия, чем фракционированное. Энергия, излучаемая радиоактивными веществами, поглощается окружающей средой. В результате воздействия ионизирующего излучения на организм человека в тканях могут происходить сложные физические, химические и биохимические процессы. Известно, что 2/3 общего состава ткани человека составляют вода и углерод; вода под воздействием излучения расщепляется на водород H и гидроксильную группу ОН, которые либо непосредственно, либо через цепь вторичных превращений образуют продукты с высокой химической активностью: гидратный оксид НО и перекись водорода Н О. Эти соединения взаимодействуют с молекулами органического вещества ткани, окисляя и разрушая ее. В результате воздействия ионизирующего излучения нарушаются нормальное течение биохимических процессов и обмен веществ в организме. В зависимости от величины поглощенной дозы излучения и индивидуальных особенностей организма вызванные изменения могут быть обратимыми или необратимыми. При небольших дозах пораженная ткань восстанавливает свою функциональную деятельность. Большие дозы при длительном воздействии могут вызвать необратимое поражение отдельных органов или всего организма. Любой вид ионизирующих излучений вызывает биологические изменения в организме как при внешнем (источник находится вне организма), так и при внутреннем облучении (радиоактивные вещества попадают внутрь организма, например пероральным или ингаляционным путем). Рассмотрим действие ионизирующего излучения, когда источник облучения находится вне организма. Биологический эффект ионизирующего излучения зависит от суммарной дозы и времени воздействия излучения, размеров облучаемой поверхности и индивидуальных особенностей организма. При однократном облучении всего тела человека возможны биологические нарушения в зависимости от суммарной поглощенной дозы излучения. При облучении дозами, в 100-1000 раз превышающими смертельную дозу, человек может погибнуть во время облучения. Поглощенная доза излучения, вызывающая поражение отдельных частей тела, а затем смерть, превышает смертельную поглощенную дозу облучения всего тела. Смертельные поглощенные дозы для отдельных частей тела следующие: голова - 20, нижняя часть живота - 30, верхняя часть живота - 50, грудная клетка - 100, конечности - 200Р/ч Степень чувствительности различных тканей к облучению неодинакова. Если рассматривать ткани органов в порядке уменьшения их чувствительности к действию излучения, то получим следующую последовательность: лимфатическая ткань, лимфатические узлы, селезенка, зобная железа, костный мозг, зародышевые клетки. Большая чувствительность кроветворных органов к радиации лежит в основе определения характера лучевой болезни. При однократном облучении всего тела человека поглощенной дозой 0,5 Гр через сутки после облучения может резко сократиться число лимфоцитов (продолжительность жизни которых и без того незначительна - менее 1 сут. Уменьшится также и количество эритроцитов (красных кровяных телец) по истечении двух недель после облучения (продолжительность жизни эритроцитов примерно 100 сут.). У здорового человека насчитывается порядка 10 красных кровяных телец и при ежедневном воспроизводстве 10, у больного лучевой болезнью такое соотношение нарушается, и в результате погибает организм. Важным фактором при воздействии ионизирующего излучения на организм является время облучения. С увеличением мощности дозы поражающее действие излучения возрастает. Чем более дробно излучение по времени, тем меньше его поражающее действие. Неодинаковую радиочувствительность имеют организмы разного возраста. Чем моложе организм, тем он чувствительнее к радиации, чем сложнее организм, тем он больше поражается радиацией. В сложно построенных организмах с их тонкоскоординированными и взаимозависимыми функциями бесчисленных органов и систем намного больше и слабых звеньев, где возникают цепные реакции дезадаптации и патологии. Считается, что биологическая эффективность альфа-частиц и тяжелых ядер в 20 раз выше, а нейтронов и протонов с энергией меньше 10 МеВ в десять раз выше, чем гамма-частиц и рентгеновского излучения. Конечный результат облучения (кроме отдаленных последствий) зависит не столько от полной дозы, сколько от действия ее мощности, или времени, за которое она была накоплена, а также характера ее распределения. Это связано с тем, что в живых организмах в ответ на облучение включаются защитные механизмы системы адаптации и компенсации, которые должны обеспечить стабильность внутренней среды организма (гомеостаз) и обновить нарушенные функции. Результат зависит от соотношения количества поврежденных тканей и защитно-обновляющей способности организма. Внешнее облучение альфа-, а также бета-частицами менее опасно. Они имеют небольшой пробег в ткани и не достигают кроветворных и других внутренних органов. При внешнем облучении необходимо учитывать гамма- и нейтронное облучение, которые проникают в ткань на большую глубину и разрушают ее. Степень поражения организма зависит от размера облучаемой поверхности. С уменьшением облучаемой поверхности уменьшается и биологический эффект. Так, при облучении фотонами поглощенной дозой 450 рад участки тела площадью 6 кв. см заметного поражения не наблюдалось, а при облучении такой же дозой всего тела было 50 % смертельных случаев. Радиоактивные вещества могут попасть внутрь организма при вдыхании воздуха, зараженного радиоактивными элементами, с зараженной пищей или водой и, наконец, через кожу, а также при заражении открытых ран. Попадание твердых частиц в дыхательные органы зависит от степени дисперсности частиц. Из проводившихся над животными опытов установлено, что частицы пыли размером менее 0,1 мкм ведут себя так же, как и молекулы газа, т.е. при вдохе они попадают вместе с воздухом в легкие, а при выдохе вместе с воздухом удаляются. В легких может оставаться только самая незначительная часть твердых частиц. Крупные частицы размером более 5 мкм почти все задерживаются носовой полостью. Гораздо чаще вследствие несоблюдения правил техники безопасности радиоактивные вещества попадают в организм через пищеварительный тракт. Проникновение радиоактивных загрязнений через раны или через кожу можно предотвратить, если соблюдать соответствующие меры предосторожности. Опасность радиоактивных элементов, попадающих тем или иным путем в организм человека, тем больше, чем выше их активность. Степень опасности зависит также от скорости выведения вещества из организма. Если радионуклиды, попавшие внутрь организма, однотипны с элементами, которые потребляются человеком с пищей (натрий, хлор, калий и др.), то они не задерживаются в организме, а выделяются вместе с ними. Инертные радиоактивные газы (аргон, ксенон, криптон и др.), попавшие через легкие в кровь, не являются соединениями, входящими в состав ткани. Поэтому они со временем полностью удаляются из организма. Некоторые радиоактивные вещества, попадая в организм, распределяются в нем более или менее равномерно, другие концентрируются в отдельных внутренних органах. Так, в костных тканях отлагаются источники альфа-излучения - радий, уран, плутоний; бета-излучения - стронций и иттрий; гамма-излучения - цирконий. Эти элементы, химически связанные с костной тканью, очень трудно выводятся из организма. Продолжительное время удерживаются в организме также элементы с большим атомным номером (полоний, уран и др.). Элементы, образующие в организме легкорастворимые соли и накапливаемые в мягких тканях, легко удаляются из организма. Следует помнить, что рассчитывая величины доз радиационного облучения для того или иного человека, групп людей или объектов, всегда нужно отличать и учитывать космическое (внеземное), природное радиоактивное земное излучение и излучение, связанное с использованием человеком радиоактивных веществ. Космическое излучение состоит из галактического и солнечного, которое изменяется в зависимости от активности процессов на Солнце и в его недрах. Энергия космического излучения по сравнению с другими достаточно малая возле поверхности Земли, однако в области стратосферы, ионосферы и экзосферы ее значение в облучении очень растет. Это излучение состоит из протонов и тяжелых ядерных частиц с очень большой энергией. Часть этой энергии используется на столкновение с ядрами атмосферного азота, кислорода, аргона, в результате чего на высотах около 20 км возникает вторичное высокое энергетическое свечение. Оно состоит из мезонов, нейтронов, протонов и электронов. Тут появляются космогенные радионуклиды, которые с атмосферными осадками попадают на поверхность Земли - тритий, уголь-14, бериллий-7, натрий-22 и др. (всего более десяти). Поскольку интенсивность космического излучения растет, экипажи самолетов и пассажиры, которые часто летают на высоте 8 - 11 км, со временем получают довольно значительные дозы радиации (за 2 часа полета больше, чем за неделю на земной поверхности). Каждый житель планеты в среднем от космического облучения на протяжении года получает радиационную дозу около 300 мкЗв (0,03 Бер). Земных природных источников излучения сейчас насчитывается около 60, а именно: 32 - ураново-радиевые и ториевые группы, 11 - из групп других долгоживущих радионуклидов, таких как калий-40, рубидий-87 и др. Исследования, которые проводились на протяжении последних лет, свидетельствуют, что дома, в которых живут и работают люди, с одной стороны, защищают их от внешних радиационных облучений, а с другой - увеличивают общую дозу облучения за счет радионуклидов, которые содержатся в строительных материалах, и радона, который внутри помещений. Уже досконально известно, что в деревянных домах мощность радиационной дозы в два-три раза меньше, чем в каменных или бетонных. А в домах, построенных из шлакоблоков, мощность радиационной дозы, как правило, в десятки раз больше, чем в деревянных. Население городов, особенно больших, в целом всегда получает дозы выше по сравнению с жителями сельских местностей. Самый сильный радиационный фон в городах повышают граниты, в которых урана больше в два-три раза, тория в три-десять раз, чем в песчаниках и известняках. Остановимся на таком факте, как негативное влияние на здоровье человека радона, который в последнее время обратил на себя внимание ученых в Америке и в Европе. В 1992 г. ему было посвящено много публикаций в научной литературе и прессе. Радон - радиоактивный газ, продукт радиоактивного превращения урана, тория, радия. Попадая в организм, он сразу наносит вред железам внутренней секреции, гипофизу, коре надпочечных органов. Это вызывает у трети населения удушье, сердцебиение, мигрень, тревожное состояние, бессонницу. Иногда развиваются злокачественные опухоли в легких, печени, селезенке. Этот газ не имеет цвета, запаха, вкуса. Еще около 400-300 лет тому назад в Южной Германии были известны случаи смерти рудокопов-горников, которые отравлялись под землей каким-то газом. Теперь известно, что это был радон. Болезнь горников в 1937 г. исследовал немецкий врач Л. Телепи. Он установил, что эта смертельная болезнь является раком легких и развилась она из-за высокой концентрации радона в воздухе шахт и рудников. Сегодня установлено, что на всех континентах во многих домах (сотни тысяч) присутствует радон. Он накапливается в помещениях, где плохая вентиляция, из-за присутствия так называемого "эффекта печной трубы", когда тяжелый, полный радона воздух втягивается через щели, окна, двери в жилище. Кроме того, он выделяется из строительных материалов и конструкций. В 1984 г. Национальная комиссия радиационной безопасности США сообщила населению своей страны об опасности отравления радоном. Тогда в США было обследовано сотни тысяч домов и во многих из них выявлено повышенное количество радона, влияние которого на организм было негативным, аналогичным выкуриванию сорока сигарет на день. Около 20 % домов США имеют такое количество радона в воздухе, что проживать в них опасно. Американские ученые считают, что от рака легких радонового происхождения в США каждый год умирает около 10 тыс. человек. В 1987 г. было образовано Бюро по защите от радона во Франции. Сейчас установлено также, что одной из причин резкого увеличения концентрации радона в помещениях являются магнитные бури. Вследствие исследования домов в России и на Украине во многих из них выявлено повышенное количество радона, в двух-трех из сотни дозы являются очень опасными. Украинский научный центр радиационной медицины начал осмотр сооружений определенных районов и исследование этой проблемы. Ученые центра утверждают, что около 70 % дозы облучения населения Украины от всех источников природной радиоактивности припадает на радон. Виноватым является украинский щит - тектоническая структура, которая тянется с севера на юг почти посередине Украины и занимает около 30 % всей территории. Состоит этот щит из гранитов и других кристаллических пород, которые имеют повышенную радиоактивность. Как было выявлено, природные радионуклиды, которые входят в состав строительных материалов, могут быть одним из основных источников облучения населения. Повышенную радиоактивность имеют сланцы, фосфориты. Поэтому фосфорные минеральные удобрения часто являются носителями радиоактивного загрязнения грунтов и грунтовых вод. Персонал и больные курортов, где лечат радоновыми ваннами, получают дозы облучения, что в шесть раз больше установленных международных норм (более 300 мЗв в год). Радионуклиды ведут себя по разному в воздухе, грунтах, воде и в живых организмах, потому что в разных средах неодинаково действуют физико-химические факторы: адсорбция, ионный обмен, седиментация, флокуляция. Из трех путей проникновения радионуклидов в организм (с воздухом, через кожу и с едой) наибольшее значение имеет потребление с едой. В зависимости от распределения в тканях организма различают такие радионуклиды: остеотропные - накапливаются в костях (стронций, кальций, барий, радий, иттрий, цирконий, плутоний); те, что задерживаются в печенке (до 60 %) и скелете (до 25 %) - церий, лантан, прометий; те, что распределяются равномерно (тритий, уголь, железо, полоний, инертные благородные газы);те, что остаются в мышцах (калий, рубидий, цезий), селезенке и лимфатических узлах (ниобий, рутений), щитовидной железе (йод). Радиоизотопы йода в щитовидной железе концентрируются в 100-200 раз больше, чем в других тканях и органах. Разрушение железы начинается при дозе облучения, которое равняется 100 Гр. Ионизирующее излучение, воздействуя на живой организм, вызывает в нем цепочку обратимых изменений, которые приводят к тем или иным биологическим последствиям, зависящим от воздействия и условий облучения. Первичным этапом - спусковым механизмом, инициирующим многообразные процессы, происходящие в биологическом объекте, являются ионизация и возбуждение. Именно в этих физических актах взаимодействия происходит передача энергии ионизирующего излучения облучаемому объекту. 1 2 |