221Из зарубежных приборов хорошие характеристики имеют акусти ческие комплекты фирм rft, Брюль и Кьер, svan. Для защиты
 Скачать 0.9 Mb.
|
|
§ 7.8. ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ Ионизирующим излучением называется излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к образованию в этом веществе ионов разного знака. Ионизирующее излучение состоит из заряженных и незаряженных частиц, к которым относятся также фо- тоны. Энергию частиц ионизирующего излучения измеряют во вне- системных единицах — электрон-вольтах (эВ); 1 эВ = 1,6Ч10 –19 Дж. Различают корпускулярное и фотонное ионизирующее излучение. Корпускулярное ионизирующее излучение — поток элементарных частиц с массой покоя, отличной от нуля, образующихся при радиоак- тивном распаде, ядерных превращениях либо генерируемых на уско- рителях. К нему относятся: a- и b-частицы, нейтроны (n), протоны (p) и др. a-излучение — это поток частиц, являющихся ядрами атома гелия и обладающих двумя единицами заряда. Энергия a-частиц, испускае- мых различными радионуклидами, лежит в пределах 2…8 МэВ. При этом все ядра данного радионуклида испускают a-частицы, обладаю- щие одной и той же энергией. b-излучение — это поток электронов или позитронов. При распа- де ядер b-активного радионуклида, в отличие от a-распада, различ- ные ядра данного радионуклида испускают b-частицы различной энер- гии, поэтому энергетический спектр b-частиц непрерывен. Средняя энергия b-спектра составляет примерно 0,3E max . Максимальная энер- гия b-частиц у известных в настоящее время радионуклидов может достигать 3,0…3,5 МэВ. Нейтронное излучение. Нейтроны — нейтральные элементарные частицы. Поскольку нейтроны не имеют электрического заряда, при прохождении через вещество они взаимодействуют только с ядрами атомов. В результате этих процессов образуются либо заряженные час- тицы (ядра отдачи, протоны, дейтроны), либо g-излучение, вызываю- щие ионизацию. По характеру взаимодействия со средой, зависяще- му от уровня энергии нейтронов, они условно разделены на 4 группы: 1) тепловые нейтроны — 0,0…0,5 кэВ; 2) промежуточные нейтроны — 0,5…200 кэВ; 3) быстрые нейтроны — 200 кэВ…20 МэВ; 4) релятивистские нейтроны — свыше 20 МэВ. Фотонное излучение — поток электромагнитных колебаний, кото- рые распространяются в вакууме с постоянной скоростью 300 000 км/с. К нему относятся g-излучение, характеристическое, тормозное и рент- геновское излучения. 55 / 70 276 Безопасность жизнедеятельности Обладая одной и той же природой, эти виды электромагнитных излучений различаются условиями образования, а также свойства- ми — длиной волны и энергией. g-излучение испускается при ядерных превращениях или при ан- нигиляции частиц. Характеристическое излучение — фотонное излучение с дискретным спектром, испускаемое при изменении энергетического состояния ато- ма, обусловленного перестройкой внутренних электронных оболочек. Тормозное излучение связано с изменением кинетической энер- гии заряженных частиц, имеет непрерывный спектр и возникает в сре- де, окружающей источник b-излучения, в рентгеновских трубках, в ускорителях электронов и т. п. Рентгеновское излучение — совокупность тормозного и характе- ристического излучений, диапазон энергии фотонов которых состав- ляет 1 кэВ…1 МэВ. Излучения характеризуются по их ионизирующей и проникаю- щей способностям. Ионизирующая способность излучения определяется удельной ио- низацией, то есть числом пар ионов, создаваемых частицей в единице объема массы среды или на единице длины пути. Излучения различ- ных видов обладают различной ионизирующей способностью. Проникающая способность излучений определяется величиной пробега. Пробегом называется путь, пройденный частицей в веществе до ее полной остановки, обусловленной тем или иным видом взаимо- действия. a-частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью и наименьшей проникающей способностью. Их удельная ионизация изменяется от 25 до 60 тыс. пар ионов на 1 см пути в воздухе. Длина пробега этих частиц в воздухе составляет несколько сантиметров, а в мягкой биологической ткани — несколько десятков микрон. b-излучение имеет существенно меньшую ионизирующую способ- ность и большую проникающую способность. Средняя величина удель- ной ионизации в воздухе составляет около 100 пар ионов на 1 см пути, а максимальный пробег достигает нескольких метров при больших энергиях. Наименьшей ионизирующей способностью и наибольшей прони- кающей способностью обладают фотонные излучения. Во всех про- цессах взаимодействия электромагнитного излучения со средой часть энергии преобразуется в кинетическую энергию вторичных элек- тронов, которые, проходя через вещество, производят ионизацию. Прохождение фотонного излучения через вещество вообще не мо- 56 / 70 Раздел 2. Человек в мире опасностей 277 жет быть охарактеризовано поня- тием пробега. Ослабление потока электромагнитного излучения в ве- ществе подчиняется экспоненци- альному закону и характеризуется коэффициентом ослабления m, ко- торый зависит от энергии излуче- ния и свойств вещества. Особен- ность экспоненциальных кривых состоит в том, что они не пересека- ются с осью абсцисс. Это значит, что при любой толщине слоя веще- ства нельзя полностью поглотить поток фотонного излучения, а мож- но только ослабить его интенсив- ность в любое число раз. В этом за- ключается существенное отличие характера ослабления фотонного излучения от ослабления заряжен- ных частиц, для которых существу- ет минимальная толщина слоя ве- щества-поглотителя (пробег), где происходит полное поглощение по- тока заряженных частиц. Открытие ионизирующего из- лучения связано с именем фран- цузского ученого Анри Беккереля. В 1896 г. он обнаружил следы ка- ких-то излучений, оставленных минералом, содержащим уран, на фотографических пластинках. В 1898 г. Мария Кюри и ее муж Пьер Кюри установили, что после излучений уран самопроизвольно последовательно превращается в другие элементы (рис. 7.11). Этот процесс превращения одних эле- ментов в другие, сопровождающийся ионизирующим излучением, Мария Кюри назвала радиоактивностью. Так была открыта естествен- ная радиоактивность, которой обладают элементы с нестабильными ядрами. В 1934 г. Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри показали, что, воз- действуя нейтронами на ядра стабильных элементов, можно получить изотопы с искусственной радиоактивностью. Рис. 7.11 Распад урана-238 57 / 70 278 Безопасность жизнедеятельности Таким образом, различают природные и технические источники ионизирующего излучения. К природным относятся космические, а также земные источники, создающие природное облучение (естест- венный фон). К техническим относятся источники, специально соз- данные для полезного применения излучения или являющиеся по- бочным продуктом деятельности. ФИЗИКА РАДИОАКТИВНОСТИ Природа радиоактивных излучений хорошо изучена. Чтобы по- нять, как возникают такие излучения, необходимо вспомнить некото- рые сведения из атомной физики. Согласно планетарной модели атома, предложенной в 1911 г. анг- лийским физиком Резерфордом, ядро атома состоит из положительных протонов и нейтральных нейтронов. Вокруг ядра вращаются по своим орбитам отрицательно заряженные электроны. Заряд ядра равен сум- марному заряду электронов, то есть атом электрически нейтрален. Ядра атомов одного и того же элемента всегда содержат одинаковое число протонов, но количество нейтронов в них может быть разным. Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но разли- чающиеся по числу нейтронов, относятся к разновидностям одного и того же химического элемента и называются изотопами. Чтобы отли- чать их друг от друга, к символу элемента приписывают число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа. Так, уран-238 содержит 92 протона и 238 – 92 = 146 нейтронов; в уране-235 тоже 92 протона, но 235 – 92 = 143 нейтрона. Протоны и нейтроны имеют общее назва- ние «нуклоны». Полное число нуклонов называется массовым чис- лом A и является мерой стабильности ядра. Чем ближе расположен элемент к концу таблицы Менделеева, тем больше A, тем больше ней- тронов в ядре и тем менее устойчивы эти ядра. Ядра всех изотопов образуют группу «нуклидов». Некоторые нук- лиды стабильны, то есть при отсутствии внешнего воздействия не пре- терпевают никаких превращений. Большинство же нуклидов неста- бильны, они все время превращаются в другие нуклиды. Электроны располагаются на орбитах в строгой последовательно- сти. На ближайшей к ядру орбите может находиться не более 2 элек- тронов, на следующей не более 8, на третьей — 18, далее — 32. Эти условия постулировал в 1913 г. датский физик Нильс Бор. Затем они были подтверждены экспериментами. Энергия атома дискретна. Пе- реход из одного состояния в другое происходит скачкообразно с излуче- нием или поглощением строго фиксированной порции энергии — кван- та. Этот термин ввел основоположник квантовой теории Макс Планк. 58 / 70 Раздел 2. Человек в мире опасностей 279 Электроны могут переходить с одной орбиты на другую и покидать атом. Сложные процессы, происходящие внутри атома, сопровожда- ются высвобождением энергии в виде излучения. Можно сказать, что испускание ядром двух протонов и двух ней- тронов — это a-излучение, испускание электрона — это b-излучение. Если нестабильный нуклид оказывается перевозбужденным, он выбрасывает порцию чистой энергии, называемую g-излучением (g-квантом). Как и в случае рентгеновских лучей (во многом подобных g-излучению), при этом не происходит испускания каких-либо частиц. Процесс самопроизвольного распада нуклида называется радио- активным распадом, а сам такой нуклид — радионуклидом. Уровень нестабильности радионуклидов неодинаков: одни распадаются очень быстро, другие — очень медленно. Время, в течение которого распадается половина всех радионукли- дов данного типа, называется периодом полураспада. Например, пери- од полураспада урана-238 равен 4,47 млрд лет, а протактиния-234 — чуть больше одной минуты. ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА Распад радионуклидов описывается экспоненциальным законом N = N 0 exp(–lt) или, в другой форме, N = N 0 e –lt , где N 0 — первона- чальное количество радионуклидов; N — число ядер, не распавших- ся за время t; l — постоянная распада (постоянная для каждого нук- лида), l = 0,693/T; T — период по- лураспада. Окончательный вид: 1 2 12345 1 6 1 2 3 3 4 Число испущенных частиц про- порционально числу распавшихся ядер DN и равно: DN = N 0 – N t = N 0 (1 – e –lt ). Можно построить график радио- активного распада. Для этого соста- вим следующую таблицу: Время 0 T 2T 3T 4T 5T Кол-во нераспавшихся атомных ядер, % 100 50 25 12,5 6,25 3,12 Откладывая в прямоугольной системе по оси ординат количество нераспавшихся атомов в процентах, а по оси абсцисс общее время, получим экспоненту распада для условного нуклида (рис. 7.12). Рис. 7.12 Иллюстрация закона радиоактивного распада 59 / 70 280 Безопасность жизнедеятельности Экспоненциальные кривые не пересекаются с осью абсцисс. Это значит, что число нераспавшихся ядер не может быть равным 0. Знание периодов полураспада и закона радиоактивного распада необходимо для оценки радиационной обстановки. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ Под воздействием ионизирующего излучения на организм чело- века в тканях могут происходить сложные физические и биологиче- ские процессы. В результате ионизации живой ткани происходит раз- рыв молекулярных связей и изменение химической структуры раз- личных соединений, что в свою очередь приводит к гибели клеток. Еще более существенную роль в формировании биологических последствий играют продукты радиолиза воды, которая составляет 60…70% массы биологической ткани. Под действием ионизирующего излучения на воду образуются свободные радикалы HЧ и OHЧ, а в при- сутствии кислорода также свободный радикал гидропероксида (НОЧ 2 ) и пероксида водорода (Н 2 О 2 ), являющиеся сильными окислителями. Продукты радиолиза вступают в химические реакции с молекулами тканей, образуя соединения, не свойственные здоровому организму. Это приводит к нарушению отдельных функций или систем, а также жизнедеятельности организма в целом. Интенсивность химических реакций, индуцированных свободны- ми радикалами, повышается, и в них вовлекаются многие сотни и ты- сячи молекул, не затронутых облучением. В этом состоит специфика действия ионизирующего излучения на биологические объекты, то есть производимый излучением эффект обусловлен не столько количест- вом поглощенной энергии в облучаемом объекте, сколько той фор- мой, в которой эта энергия передается. Никакой другой вид энергии (тепловой, электрической и др.), поглощенной биологическим объек- том в том же количестве, не приводит к таким изменениям, какие вы- зывают ионизирующие излучения. Нарушения биологических процессов могут быть либо обрати- мыми, когда нормальная работа клеток облученной ткани полностью восстанавливается, либо необратимыми, ведущими к поражению от- дельных органов или всего организма и возникновению лучевой бо- лезни. Различают две формы лучевой болезни — острую и хроническую. Острая форма возникает в результате облучения большими доза- ми в короткий промежуток времени. При дозах порядка тысяч рад поражение организма может быть мгновенным («смерть под лучом»). 60 / 70 Раздел 2. Человек в мире опасностей 281 Острая лучевая болезнь может возникнуть и при попадании внутрь организма больших количеств радионуклидов. Хронические поражения развиваются в результате систематического облучения дозами, превышающими предельно допустимые (ПДД). Изменения в состоянии здоровья называются соматическими эф- фектами, если они проявляются непосредственно у облученного лица, и наследственными, если они проявляются у его потомства. Для решения вопросов радиационной безопасности в первую оче- редь представляют интерес эффекты, наблюдаемые при «малых дозах» — порядка нескольких сантизивертов в час (определение см. далее) и ниже, которые реально встречаются при практическом использовании атом- ной энергии. В нормах радиационной безопасности в качестве единицы време- ни, как правило, используется год, и как следствие этого, понятие го- довой дозы облучения. Весьма важным здесь является то, что, согласно современным пред- ставлениям, выход неблагоприятных эффектов в диапазоне «малых доз», встречающихся в обычных условиях, мало зависит от мощности дозы. Это означает, что эффект определяется прежде всего суммарной накопленной дозой вне зависимости от того, получена она за 1 день, за 1 с или за 50 лет. Таким образом, оценивая эффекты хронического об- лучения, следует иметь в виду, что эти эффекты накапливаются в ор- ганизме в течение длительного времени. Еще в 1899 г. был установлен факт подавления раковых клеток ионизирующим излучением. В дальнейшем полезное применение ра- диоактивных веществ в различных сферах деятельности стремитель- но развивалось. В 1954 г. в Советском Союзе была пущена первая в мире АЭС. К сожалению, исследования атома привели к созданию и применению в 1945 г. атомной бомбы в Хиросиме и Нагасаки. 26 ап- реля 1986 г. на ЧАЭС произошла тяжелейшая авария, которая при- вела к гибели и заболеванию людей, заражению значительной тер- ритории. Исследователи излучений первыми столкнулись с их опасными свойствами. Анри Беккерель получил ожог кожи. Мария Кюри пред- положительно умерла от рака крови. По крайней мере 336 человек, работавших с радиоактивными материалами, умерли от переоблуче- ния. Отказаться от применения радиоактивных веществ в науке, меди- цине, технике, сельском хозяйстве невозможно по объективным при- чинам. Остается один путь — обеспечить радиационную безопасность, то есть такое состояние среды обитания, при котором с определенной вероятностью исключается радиационное поражение человека. 61 / 70 282 Безопасность жизнедеятельности ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ Действие ионизирующего излучения на вещество проявляется в ионизации и возбуждении атомов и молекул, входящих в состав ве- щества. Количественной мерой этого воздействия служит поглощен- ная доза Д п — средняя энергия, переданная излучением единице мас- сы вещества. Единица поглощенной дозы — грей (Гр), названа в честь физика Грея, 1 Гр = 1 Дж/кг. На практике применяется также вне- системная единица — рад, 1 рад = 100 эрг/г = 1Ч10 –2 Дж/кг = 0,01 Гр. Поглощенная доза излучения зависит от свойств излучения и по- глощающей среды. Для заряженных частиц (a, b, протонов) небольших энергий, быст- рых нейтронов и некоторых других излучений, когда основными про- цессами их взаимодействия с веществом являются непосредственная ио- низация и возбуждение, поглощенная доза служит однозначной харак- теристикой ионизирующего излучения по его воздействию на среду. Это связано с тем, что между параметрами, характеризующими данные виды излучения (поток, плотность потока и др.) и параметром, характеризую- щим ионизационную способность излучения в среде, — поглощенной дозой, можно установить адекватные прямые зависимости. Для рентгеновского и g-излучений таких зависимостей не наблю- дается, так как эти виды излучений косвенно ионизирующие. Следо- вательно, поглощенная доза не может служить характеристикой этих излучений по их воздействию на среду. До последнего времени в качестве характеристики рентгеновского и g-излучений по эффекту ионизации используют так называемую экспозиционную дозу. Экспозиционная доза выражает энергию фотон- ного излучения, преобразованную в кинетическую энергию вторич- ных электронов, производящих ионизацию в единице массы атмосфер- ного воздуха. За единицу экспозиционной дозы рентгеновского и g-излучений принимают кулон на килограмм (Кл/кг) — это такая доза рентгенов- ского или g-излучения, при воздействии которой на 1 кг сухого атмо- сферного воздуха при нормальных условиях образуются ионы, несу- щие 1 Кл электричества каждого знака. На практике до сих пор широко используется внесистемная еди- ница экспозиционной дозы — рентген (Р). 1 рентген — экспозицион- ная доза рентгеновского или g-излучения, при которой в 0,001293 г (1 см 3 воздуха при нормальных условиях) образуются ионы, несущие заряд в одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака, 1 Р = 2,58Ч10 –4 Кл/кг. 62 / 70 |