|
|
полный текст. История открытия радиоактивности Предмет и задачи радиоэкологии
Содержание
1 Ведение
История открытия радиоактивности……………………………..…..4
Предмет и задачи радиоэкологии………………………………….…7
2 Основы ядерной физики, необходимые для курса радиационной экологии…………………………………………………………………….12
Понятие о строении атомного ядра. Изотопы……………………….12
Типы ионизирующего излучение и его взаимодействие
с веществом……………………………………………………………….16
Единицы измерения радиоактивности и доз ионизирующего излучения………………………………………………………………20
Биологическое действие ионизирующей радиации…………………22
3.1 Понятие радиочувствительности…………………………………….22
3.2.Лучевое поражение клеток…………………………………………..23
3.3 Теории механизма биологического действия ионизирующих излучений…………………………………………………………………25
3.4 Радиациооное поражение организма………………………………..30
4 Естественный радиационный фон (ЕРФ)……………………………37
Космическое излучение……………………………………………...37
4.2 Земная радиация……………………………………………………..40
4.3. Природный радиоактивный фон и эволюция………………………49
5 Миграция радионуклидов в различных компонентах
биосферы……………………………………………………………....56
5.1 Атмосфера…………………………………………………………...56
5.2Гидросфера……………………………………………………..……62
5.3 Почва…………………………………………………………..……..71
5.4 Растения…………………………………………………………..….83
5.5 Сельскохозяйственные животные…………………………………91
6 Радиационное воздействие на сообщества живых организмов …...100
6.1 Первичные радиационные эффекты в биогеоценозах……………103
6.2 Вторичные лучевые реакции в биогеоценозах …………………..109
6.3Пострадиационное восстановление в биогеоценозах ……………112
7 Радиационное поражение естественныхи искусственных биогеоценозов основных типов …………………………………..…….115
7.1 Естественные и культурные травяные экосистемы..………………115
7.2 Лесные экоистемы………………………………….………………..118
7.3 Чернобыльский лес…………………………………………………..126
8 Ядерный топливный цикл……………………………………………..132
8.1 Общая характеристика ЯТЦ…………………………………………132
8.2 Добыча урановой руды, обогащение урана и производство ядерного топлива……………………………………………………………………143
8.3 Ядерныи реактор……………………………………………………155
8.3.1 Уран-графитовый реактор канального типа……………………..162
8.3.2 Легко-водный реактор……………………………………………..166
8.3.3 Реактор на быстрых нейтронах……………………………….…..170
8.4 Радиоактивные отходы…………………………………………….177
8.4.1. Переработка отработанного ядерного топлива
(замкнутый цикл)………………………………………………………179
8.4.2 Переработка и захоронение отходов (открытый цикл)……….195
9 Гигиенические и экологические основы радиационной защиты человека и окружающей среды…………………………………….…...204
9.1 Определение допустимых уровней облучения ……………….….204
9.2 Обеспечение радиационной безопасности природной среды…..206
9.3 Методы защиты населения, проживающего на загрязненных радионуклидами территориях …………………….…………………213
9.3.1. Общие принципы ведения сельского хозяйства на загрязненыйх территориях……………………………………………………………213
9.3.2 Зональный принцип ведения сельского хозяйства……………217
9.3.3. Переработка растениеводческой и животноводческой
продукции…………………………………………………………….….220
9.3.4 Выведение радионуклидов из организма…………..……………221
Список использованной литературы…………………………………..227
1 Ведение
1.1 История открытия радиоактивности
К моменту открытия периодического закона только лишь стали утверждаться представления о молекулах и атомах. Причем атом считался не только наименьшей, но и элементарной (т. е. не делимой) частицей. Прямым доказательством сложности строения атома было открытие самопроизвольного распада атомов некоторых элементов, названное радиоактивностью.
26 февраля 1896 г. французский ученый Андре Беккерель, химик по специальности, работавший с солями урана, приготовил для своих экспериментов пластинку из уранилсульфата и, пока в ней не было надобности, случайно положил ее на пачку фотобумаги, как всегда упакованную в черную, не проницаемую для света бу магу. Пластинка пролежала несколько дней. В ходе дальнейшей работы Беккерель, проявляя фотобумагу, к своему удивлению, обнаружил, на ней отчетливое изо бражение такой же формы, какую он придавал своим пластинкам из солей урана.
Случайное наблюдение побудило Беккереля поста вить ряд проверочных экспериментов с самыми различ ными солями. Все соли, содержащие уран, засвечивали фотопластинку через черную бумагу. Год спустя Бекке рель делает доклад в Парижской академии наук о том, что выделенный им чистый элемент — уран. Согласно его исследованиям, ато мы урана испускают невидимые лучи, проникающие че рез непрозрачную бумагу и способные ионизировать воз дух. Так была открыта атомная радиация.
В 1898 г. Мария Кюри-Складовская, великий польский физик и химик, работавшая вместе со своим мужем Пьером Кюри во Франции, обнаружила, что соединения тория испускают лучи, аналогичные лучам урана (Рис.1). Уже в то время стало ясно, что испускаемое ураном излучение не связано с его физико-химическим состоянием. Оно является характерным, для данного элемен та атомным свойством, которое супруги Кюри назвали радиоактивностью (28).
Обнаружив, что некоторые природные урановые минералы (урановая смоляная руда, уранит и т. д.) оказываются более активными, чем металлический уран и его искусственные соединения, М. Кюри высказала 
Рисунок 1. Супруги Кюри в лаборатории (115)
предположение, что в подобных минералах содержатся малые количества неизвестных высокорадиоактивных элементов. После двухлетней интенсивной работы супруги Кюри в 1898 г. выделяют из таких руд новое, ранее не известное вещество, обладающее, как и уран, излучением, ко торое Мария Кюри (урожденная полька) в честь своей ро дины называет полонием.
В том же году они выделяют еще один ранее не известный элемент, обладающий уже в сотни раз более сильным излучением, чем атомы ура на. Этому веществу было дано название радий (излу чающий).
Резерфорд, Оуэнс, Дорн и Дебьерн (1889—1902 гг.) обнару жили, что препараты урана, тория и открытого в это же время радиоактивного элемента актиния выделяют эманации—благо родные радиоактивные газы (изотопы элемента с порядковым номером Z= 86).
Дальнейшее изучение эманаций показало, что активность радиоактивных веществ не остается постоянной, а убывает во времени. Какова бы ни была первоначальная активность, она уменьшается наполовину всегда за одно и то же время, называе мое периодом полураспада и характерное для данного индивиду ального вещества.
Затем Э. Резерфорд, 1899—1903 гг уста новил природы α-, β и γ - лучей, образующихся при радиоактивном распаде, а в 1909—1911 гг обнаружил ядра атомов диаметром 106 нм, занимающих незначительную долю объема атома (диаметр 10-1 нм) (41,81).
1.2 Предмет и задачи радиоэкологии
Выдающуюся роль в развитии представлений о роли радиоактивных веществ в жизни организмов и закономерностях их миграции в биосфере сыграли труды основоположника биогеохимии советского академика В.И.Вернадского и его учеников. Термин «радиоэкология» был предложен в 1956 г. независимо друг от друга советскими учеными А. М. Кузиным и А. А. Передельскимм и американским профессором Е.Одумом. Впервые развернутое определение задач радиоэкологии было сформулировано А. Передельским в 1957 г.:
«Радиоэкология - наука о взаимоотношениях в природе радиоактивной среды и организмов и их сообществ, о миграциях и концентрациях радиоэлементов вследствие деятельности организмов, об экологических цепях радиоактивного питания и индикаторных видах, указывающих на присутствие значительных залеганий радиоактивных руд и радиоактивных загрязнений, о качественных и количественных изменениях в растительном и животном населении под влиянием внешних и находящихся внутри организма изменений уровня радиоактивности»(74).
Радиоэкология — наука, изучающая особенности существования организмов и сообществ растений и животных в естественной среде обитания, загрязненной радиоактивными веществами. Радиоэкология является частью биоэкологии (55).
По мнению Е. Одума, задачи радиоэкологии заключаются в исследовании действия ионизирующего излучения на особи, популяции, сообщества и экосистемы, а также в изучении миграции радионуклидов в среде обитания и роли животных в их распределении.
В самых ранних радиоэкологических исследованиях основное внимание было обращено на изучение особенностей накопления тяжелых естественных радионуклидов (ура на, радия, тория) растениями. Это объясня лось, прежде всего, разработкой биогеохимического метода поисков урана. К этому же времени относится и начало изучения био логического действия ионизирующего излу чения на живые организмы в местах с повышенным содержанием естественных радио нуклидов; определение доли естественной радиоактивности в общей облученности живых организмов; исследование миграции и концентрирования естественных радионуклидов в биосфере и установление роли естественной радиоактивности в жизненных процессах и общей эволюции живого. Было установлено, что живой ор ганизм в процессе своего развития и жизнедеятельности всегда подвергался как внеш нему облучению, так и внутреннему облучению(54).
Уже в первых исследованиях было выяв лено, что накопление радионуклидов в тка нях животных и растений происходит по-разному и выра жает видовую специфику. Избирательность тканей по отношению к определенным радионуклидам наиболее отчетливо проявля ется в животном мире, поскольку в тканях животных протекают более сложно дифференцированные процессы, чем в растительных организмах. Однако в полной мере ценность полученных резуль татов выявилась после возникновения угро зы радиоактивного загрязнения биосферы вследствие ядерных испытаний. С этого вре мени начинается изучение радиоактивности окружающей среды и живых организмов (55).
В связи с созданием атомной (1945 г.), а затем и водородной бомбы и их испыта ниями, когда в биосферу планеты стали по ступать в большом объеме искусственные радионуклиды, получили развитие исследо вания проблем воздействия искусственных радионуклидов на живые организмы. Выбра сываемые во время взрыва в верхние слои атмосферы радионуклиды быстро распро странялись с воздушными течениями по все му земному шару, выпадая на поверхность суши и Мирового океана. Радиоактивный фон Земли, который в течение тысячеле тий оставался относительно постоянным, стал из года в год возрастать, искусственные радионуклиды включались в биогеохими ческие циклы миграции химических эле ментов в наземных и водных экосистемах. Вследствие этого помимо облучения от ес тественного радиоактивного фона все живые организмы, в том числе человек, стали объек тами воздействия искусственных радионук лидов. Кроме того, в конце 1950-х—начале 1960-х гг. произошли две крупные аварии на предприятиях ядерной промышленнос ти: Кыштымская (сентябрь 1957 г., Россия), и на заводе в Уиндскейле (октябрь 1957 г., Великобритания). В результате увеличилось число территорий с высоким уровнем загрязнения радионуклидами искусственного происхождения. В это время основные проблемы радиоэкологии стали связывать с экологическими аспектами безопасного использования ядерной энергетики и начинающегося применения радиационных биотехнологий. После аварии на Чернобыльской АЭС произошло резкое ужесточение требований к системам безопасности АЭС, а также значительное расширение территорий, на которых мигрируют искусственные радионуклиды. Поэтому возрастает число исследований о воздействии ионизирующих излучений на все компоненты природных и агроэкосистем. Глобальный контроль за состоянием при родной среды, который начал осуществлять ся в этот период, позволил изучить законо мерности миграции по пищевым цепочкам в различных экосистемах Земли стронция-90 и цезия-137 (основных долгоживущих ис кусственных радионуклидов в составе сме си продуктов деления). А также особеннос ти накопления растениями и животными большого набора радиоактивных продуктов деления, радионуклидов с наведенной ак тивностью, некоторых трансурановых эле ментов. Были оценены закономерности на копления искусственных радионуклидов в сельскохозяйственной продукции расти тельного и животного происхождения в раз личных биогеохимических условиях внеш ней среды, получены данные о действии ионизирующего излучения на растения и животных, находящихся в естественных экосистемах с высоким уровнем радиоактивного загрязнения. Полученные результаты стали основой для определения дозовых нагрузок на население, животный и растительный мир и объективного анализа последствий загрязнения биосферы глобальными радиоактивными выпадениями после ядерных испытаний (55).
Современная радиоэкология представляет собой разветвленную отрасль науки, в которой с учетом специфических особенностей объектов природной среды, выделяют два крупных направления: радиоэкологию гидробиоценозов или водную радиоэкологию, и радиоэкологию наземных биогеоценозов. Основные задачи водной радиоэко логии — изучение миграции радионуклидов в гидробиоценозах и действия ионизирую щего излучения на гидробионты и околоводные сообще ства растений и животных. Одна из приклад ных задач этого направления — обеспечение охраны водной среды от радиоактивного загрязнения. Особенно важно изучение эко логии рыб, обитающих в загрязненных радионуклидами водоемах, поскольку рыба яв ляется существенным компонентом пище вого рациона человека (9).
Один из разделов радиоэкологии назем ных биогеоценозов — лесная радиоэколо гия изучает закономерности миграции радионуклидов в лесных экологических системах и действие ионизирующих излучений на лесные биогеоценозы. Лесная радиоэкология разрабатывает научно-методические основы для обеспечения устойчивости лесного хозяйства в условиях радиоактивного загрязнения.
Появление лесной радиоэкологии, как и радиоэкологии в целом, связано с освоением атомной энергии и, как следствие, рассеиванием искусственных радионуклидов в биосфере. Первые радиоэкологические исследования в России были начаты по инициативе В. И. Вернадского еще в начале XX в. Существенный вклад в развитие лесной радиоэкологии был внесен А. X. Сперроу в Брукхевенской национальной лаборатории США. Совместно с Г. М. Вудвелом он изучил радиочувствительность более 200 видов древесных пород (49, 106,)
Лес служит своеобразным аккумулято ром радионуклидов при глобальных выпа дениях или выпадениях из переносимого ветром радиоактивного облака. Пиломате риалы, дрова, грибы, ягоды и другие продук ты леса при повышенном содержании в них радионуклидов могут стать источником об лучения человека.
Расширение исследований по изучению поведения искусственных и естественных радионуклидов в пищевых цепочках, с учас тием сельскохозяйственных растений и жи вотных, привело к выделению в самостоя тельный раздел сельскохозяйственной радиоэкологии (60).
Изучением закономерностей накопления, распределения, выведения и влияния на организм аккумулированных в нем радионук лидов и внешнего облучения занимается экспериментальная радиоэкология. Здесь наименее изученным вопросом является ра диочувствительность различных живых ор ганизмов.
Успехи радиоэкологии в значительной степени зависят от разработки методов экологической дозиметрии, основная задача которой состоит в оценке доз излучения, получаемых организмами в среде их обита ния.
Каждое направление современной ра диоэкологии имеет свои задачи и перспек тивы развития, но в практическом отноше нии наиболее важным является изучение закономерностей миграции радионуклидов по пищевым цепочкам — в целях решения проблемы максимального снижения их по ступления в организм человека.
2 Основы ядерной физики, необходимые для курса радиационной экологии
Понятие о строении атомного ядра. Изотопы
Атом является наименьшей частицей химического элемента, которая несет все физико-химические свойства данного вещества, поэтому каждому элементу соответствует свой определенный вид атомов. В природе обнаружены 94 химических элемента и еще 24 получены в результате ядерных реакций.
Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые формируют его электронную оболочку. Принадлежность атома к данному химическому элементу определяет величина электрического заряда ядра – атомный номер Z. Обычно атом электронейтрален, т.к. положительный заряд ядра компенсируется соответствующим числом отрицательно заряженных электронов. При отрыве электронов атом превращается в положительно заряженный ион. Величина заряда соответствует числу потерянных электронов.
Основная масса атома сосредоточена в ядре (99,9%), при этом оно занимает ничтожный объем и имеет чрезвычайно высокую плотность (примерно 1017кг/м3). Ядро состоит из частиц двух видов: положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Общее название ядерных частиц нуклоны. Число протонов равно заряду атома, т.е. атомному номеру Z. Число общее число нуклонов в ядре равно атомному или массовому числу атома А. Таким образом, А = Z(число протонов)+N( число нейтронов). Атомный номер и массовое число входят в обозначение элемента в Периодической таблице Менделеева в качестве верхнего и нижнего индекса соответственно(67).
Нуклоны в ядре удерживаются вместе очень мощными ядерными силами взаимного притяжения, которое преодолевает электростатическое отталкивание между одноименно заряженными протонами. Каждое ядро можно охарактеризовать числом протонов и нейтронов, входящий в его состав. Пока число протонов относительно невелико, т. е. в области легких элементов наиболее стабильны ядра с равным количеством протонов и нейтронов. С возрастанием атомного номера число нейтронов увеличивается, и для тяжелых элементов их количество в полтора раза превышает число протонов.
Ядра с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов называются изотопами одного элемента. По химико-физическим показателям изотопы практически одинаковы, но их ядерные свойства могут отличаться очень сильно. Легкие элементы имеют мало изотопов, в середине периодической таблицы изотопов особенно много, к концу – их вновь становится меньше. В земной коре преобладают изотопы с четным числом протонов и четным числом нейтронов (около87% атомов). Известно лишь четыре стабильных элемента с нечетным числом протонов и нечетным числом нейтронов – водород, литий, бор и азот.
Все ядра делятся на стабильные и радиоактивные. Стабильные могут неограниченно долго существовать, сохраняя неизменным свой нуклонный состав и все свойства. Радиоактивные ядра с течением времени распадаются, т.е. происходит изменение их нуклонного состава, как правило, с испусканием частицы. При α-распаде испускается α-частица, которая содержит 2 протона и 2 нейтрона (ядро атома гелия), и «дочернее» ядро смещается на клетки периодической таблицы влево. При β-распаде либо 1 протон превращается в нейтрон, либо нейтрон – в протон и соответственно испускается позитрон или электрон, а «дочернее» ядро смещается на одну клетку вправо. Самопроизвольный распад атомных ядер происходит всегда с одинаковой скоростью. Никакими доступными методами невозможно ни ускорить, ни замедлить этот процесс. Каждый радиоактивный элемент характеризуется периодом полураспада – это промежуток времени, за которое распадается половина начального числа атомов. Эта величина варьирует от долей секунды до миллиардов лет. Предполагают, что в процессе формирования Земли равновероятно возникали и стабильные и радиоактивные ядра, однако к настоящему времени большинство радиоактивных уже распалось, поэтому сейчас преобладают стабильные ядра. Из естественных изотопов до современности сохранились только самые долгоживущие изотопы: торий-232, уран-235, уран-238, калий-40.
Атомное ядро является сложным объектом для теоретического описания, поэтому при изучении атомных свойств прибегают к упрощенным моделям. Наибольшее распространение получили 2 модели: модель жидкой капли и оболочечная модель.
Согласно модели жидкой капли атомное ядро является сгустком очень плотного, положительно заряженного вещества (ядерная материя), которое ведет себя в ядерных реакциях подобно капли жидкости, т.е. может нагреваться, колебаться, вращаться и даже разрываться надвое. Эта модель как раз наилучшим образом объясняет такое явление как деление ядра (16).
Оболочечная модель основана на представлении, что нуклоны движутся внутри ядра по определенным орбитам (оболочкам) подобно движению электронов в атоме. Каждый нуклон движется в поле, создаваемом остальными нуклонами. Эта модель была призвана объяснить существование магических ядер – это ядра с максимальной энергией связи нуклонов, поскольку в них содержится определенное число нуклонов. Числа нуклонов, соответствующие полностью заполненным оболочкам протонов или нейтронов, называют магическими числами. Это числа 2,8,20,28,50,82 и 126. Если число протонов или нейтронов соответствует одному из магических чисел, то ядро называется магическим, когда и Z и N – равно магическим числа, то ядро является наиболее прочным дважды магическим (гелий, кислород и кальций) (44) .
2 Типы ионизирующего излучение и его взаимодействие с веществом
Ионизирующее излучение – это поток заряженных или нейтральных частиц, а также квантов электромагнитного излучения, которые проходя через вещество, способны вызывать возбуждение или ионизацию атомов или молекул среды. Все излучения делят на фотонные или корпускулярные. В фотонных – энергию переносят кванты электромагнитного излучения. К нему относят γ-излучение, рентгеновское излучение и некоторые другие. В корпускулярном излучении энергию переносят заряженные или нейтральные частицы. К этому типу излучений относят α-излучение, β-излучение, нейтронное излучение (Рис.2).
Рисунок 2. Виды ионизирующих излучений (116)
Заряженные частицы с достаточно высокой энергией способны вызывать непосредственную ионизацию атомов при столкновении, поэтому такие излучения относят к классу непосредственно ионизирующих излучений. Нейтральные частицы и кванты излучений сами не способны вызвать ионизацию и в процессе продвижения через среду могут высвобождать электроны, которые способны вызвать ионизацию атомов среды. Такие излучения относят к косвенно ионизирующим.
Различные типы атомных излучений, при прохождении через вещество передают ему энергию различными путями. Относительно крупная α–частица имеет большую вероятность столкнуться с электронами атомов. Поэтому она неглубоко проникает в вещество, быстро теряет энергию, оставляет в поверхностном слое сгусток ионов и относится к плотноионизирующей радиации. Такой тип ионизирующего излучения задерживается поверхностными слоями кожи или одеждой, но может представлять угрозу при воздействии на поверхность легких или внутренних органов при инкорпорированном воздействии. γ-кванты обладают высокой энергией и очень малой длиной волны, поэтому они редко взаимодействуют с электронами атомов, т.е. одна ионизация будет образовываться на значительном расстоянии от другой, поэтому γ- излучение относится к редкоинизирующему. Такое излучение очень незначительно рассеивается в веществе и поэтому обладает большой проникающей способностью и легко пронизывает любой организм, независимо от его размеров ( 38).
β-излучение занимает промежуточное положение. Чем выше энергия β–частиц, тем глубже они проникают в вещество и тем меньше плотность ионизации. В конце движения, когда значительная часть энергии уже потеряна, они дают большую плотность ионизации.
К α-излучателям относят около 160 природных и искусственных радионуклидов, расположенных в конце периодической системы и имеющих атомный номер более 82. β-излучателей значительно больше, около 700. Как было сказано выше, и α-, и β- распад сопровождается γ- излучением.
При взаимодействии с атомами твердого тела ионизирующее излучение вызывает смещение атомов из устойчивых положений в решетке, ионизацию и, в некоторых слу чаях, появление в решетке примесей за счет деления и ядерных реакций. Облучение вы зывает более или менее устойчивые изме нения свойств твердого тела — радиацион ное повреждение, характер которого зависит от типа связей в об лучаемом теле, вида и условий облучения (37).
При взаимодействии с веществом любой частицы ионизирующего излучения возможны упругое и неупругое рассеяние. Упругое рассеяние происходит по правилам ньютоновской (классической) механики, т.е. суммарная кинетическая энергии частиц до и после столкновения одинакова, но частицы изменяют направление движения. При неупругом рассеянии часть кинетической энергии налетающей частицы расходуется на ионизацию, возбуждение атомов среды и тормозное излучение.
Передача энергии заряженной частицей вещест ву осуществляется в основном, посредством возбуждения и ионизации атомов. Однако, чтобы осуществить ионизацию, квант или частица должны непосредственно столкнуться, попасть в ядро или электрон атома. Если мы примем во внима ние ничтожно малую длину волны или размер ионизи рующей частицы, то такое попадание будет очень ред ким явлением. Наименьшей проникающей способностью обладает α-частица, однако при прохождении ее через вещество образуется цепочка ионов с максимумом в конце пути. Кроме того, тяжелая α-частица, способна вызывать смещение атомов из узлов кристаллической решетки. Эти смещенные атомы обладают значительной энергией, чтобы также вызывать ионизацию. Таким образом, α-частица будет неглубоко проникать в вещество, но при этом вызывать в поверхностном слое массированное радиационное повреждение (19).
При прохождении через вещество γ- излучения возможны три типа взаимодействия с атомами: фотоэлектричес кий эффект (фотоэффект), эффект Комптона и образование электрон-позитронных пар.
Фотоэффект процесс взаимодействия фотона с электроном, связанным с атомом, при ко тором электрону передается вся энергия фо тона. При этом электрон выбрасывается за пределы атома (рис.3). Фотоэффект на свободном электроне невозможен.
Рисунок 3 Фотоэффект (117)
Эффект Комптона представляет собой рассеяние фотона. Фотон при этом не поглощается, а лишь теряет часть энергии и изменяет направление движения. Избыток его энергии передается комптоновскому электро-ну. При комптоновском рассеянии угол между направлением движения пер вичного и рассеянного фотонов может из меняться от нуля до180°.
Рисунок 4. Эффект Комптнона (117)
Образование электрон-позитронной па ры — третий вид взаимодействия фотонов с веществом, который может происходить при достаточно высокой энергии фотонов в поле атомного ядра. Образованные электрон и позит рон производят ионизацию среды.
Рисунок 5. Образование электрон-позитронной пары (117)
Единицы измерения радиоактивности и доз ионизирующего излучения
В соответствии с Международной систе мой единиц с 1 июля 1964 г. в СССР введе ны единицы измерения в области радиоак тивности и ионизирующего излучения, ко торые должны применяться во всех областях науки и техники. До 1980 г. ГОСТ допускал применение внесистемных единиц. В науч но-технической литературе эти единицы встречаются до сих пор, поэтому необходимо знать и те и другие, а также соотношения между ними (31).
Количество радиоактивного вещества из меряется не только единицами массы, но и активностью, кото рая равна числу ядерных рас падов в единицу времени. Поскольку скорость распада ра дионуклидов различна, одинаковое весовое количество радиоактивных изотопов имеет разную активность.
Беккерель (Бк) - единица активности нуклида в радиоактивном источнике. Один беккерель соответствует одному распаду в секунду для любого радионуклида (31).
Наиболее употребительной внесистемной международной единицей является кю ри - Ки (Сi), 1 Ки = 3,7-Ю10 Бк, что соответствует активности 1 г радия.
Кюри очень большая величина, поэтому обычно употребляют дольные единицы, а Беккерель, напротив, очень маленькая ве личина, поэтому часто употребляют кратные единицы.
Концентрация радиоактивного вещества обычно характеризуется величиной удельной активности, т. е. активностью, приходящей ся на единицу массы. Единицами концентрации являются Ки/т, мКи/г, кБк/кг и т. п. Объемная концентрация в жидких или га зообразных веществах обычно выражается в Ки/м3, Бк/л.
Для характеристики радиоактивного за грязнения территории используют основные единицы активности, отнесенные к единице площади: Ки/км2 или Бк/м2,
Этими единицами измеряют плотность радиоактивного загрязнения (112).
Повреждений, вызванных в живом орга низме излучением, будет тем больше, чем больше энергии оно передаст тканям. Для характеристики этого показателя использу ется понятие поглощенной дозы, т. е. вели чины энергии, поглощенной единицей мас сы (объема) облучаемого вещества.
  , где  - средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемся в объеме массой  .
Грей (Гр) - единица поглощенной дозы в системе СИ. Представляет собой количество энергии ионизирующего излучения, поглощенной единицей массы какого-либо физического тела, например, тканями организма. 1 Гр - 1 Дж/кг. В физической системе единицей поглощенной дозы является рад. 1Гр=100 рад.
Доза, учитывающая био логическую эффективность ионизирующего излучения, называется эквивалентной по глощенной дозой и равна поглощенной до зе, умноженной на соответствующий коэф фициент качества (112).
Зиверт (Зв) — единица эквивалентной дозы в системе СИ. Представляет собой единицу поглощенной дозы, умноженную на коэффициент, учитывающий неодинаковую радиационную опасность для организма разных видов ионизирующего излучения. Зиверт — это количество энергии, поглощённое килограммом биологической ткани, равное по воздействию поглощённой дозе гамма-излучения в 1 Гр .Один зиверт соответствует поглощенной дозе в 1 Дж/кг также для рентгенов ского, и бета-излучения. Для альфа-излучения - 20, для нейтронного излучения – 10 (83). Внесистемной единицей является бэр (биологический эквивалент рентгена). 100 бэр = 1 Зв. При действии фотонного излучения (рентгеновского или гамма-излучения) используют также такую величину эквивалентной дозы как рентген. 100 рентген = 1 Зв.
Как правило, эквивалентную дозу исполь зуют только для целей радиационной безопасности до значений, не превышающих 0,25 Зв (25 бэр), при кратковременном воздействии излучения на биологический объект. Если рассматриваемый организм облучается несколькими видами излучения, то эквивалентные дозы суммируются.
Следует учитывать также, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны к излучению, чем другие. Поэтому дозы облуче ния органов и тканей также следует рассчитывать с разными коэффициентами (0,12 — для красного костного мозга, легких, желудка, кишечника; 0,05 — для пищевода, щитовидной же лезы, ; 0,15 — для молочной железы; 0,25 — для гонад(половые клетки) ; 0,01 — для кожи, костных поверхностей, 0,05 - других тканей).
Умножив эквивалентные дозы всех ор ганов и тканей на соответствующие коэффициенты и просуммировав их, получим эффективную эквивалентную дозу, отра жающую суммарный эффект облучения для организма, которая также измеряется в зивертах (112).
Приведенные выше понятия описывают дозу, получаемую человеком индивидуально. Коллективная эффективная эквивалентная доза — эффективная эквивалентная доза, полученная группой людей от какого-либо источника радиации, которая измеряется в человеко-зивертах (чел-Зв).
Биологическое действие ионизирующей радиации
3.1 Понятие радиочувствительности
Радиочувствительность – это мера чувствительности живых организмов к действию ионизирующей радиации. Вскоре после открытия биологического действия ионизирующих излучений было установлено, что любой живой объект может быть убит этим агентом. Однако летальные дозы излучения различаются в очень широких пределах: от нескольких десятков до тысяч грей. Мерой радиочувствительности, как правило, является доза вызывающая гибель 50% особей за 30 суток (ЛД 50/30). Например, для разных видов млекопитающих этот параметр колеблется в пределах от 1,5 до 10 Гр, для птиц и рыб– от 8 до 20 Гр, для змей – от 80 до 200 Гр, для растений - от 10 до 1500 Гр, для простейших – от 1000 до 3000 Гр. Бактерии обладают еще большей радиоустойчивостью. Выявлен вид Micrococcus radiodurens — микрококк радиоустойчивый, который обитает в каналах реактора АЭС и в сутки получает поглощенную дозу около 106 Гр. 
Рисунок 6. Micrococcus radiodurens (микрококк радиоустойчивый)
Радиочувствительность значительно колеблется и в пределах одного вида (индивидуальная радиочувствительность). Кроме того она зависит от пола и возраста индивидуума. Молодые особи характеризуются меньшей устойчивостью, чем пожилые. Внутри одного организма клетки и ткани также характеризуются разной радиочувствительностью.
Таким образом, для большинства многоклеточных организмов поглощённая доза, способная вызвать летальный эффект не превышает 10 Гр. Это несоответствие между ничтожной дозой поглощенный энергии и крайней степенью выраженности реакций биологического объекта отмечал в первой четверти прошлого века Н.В. Тимофеев-Ресовский. Он назвал это явление «радиобиологическим парадоксом» (95).
3.2.Лучевое поражение клеток
При действии ионизирующих излучений повреждаются практически все структуры клетки, но некоторые из них имеют большее значение для поддержания жизнеспособности. Наибольшее значение имеют повреждения ДНК и ее комплексов, такие как разрывы молекулы ДНК, изменение состава оснований, нарушения связей ДНК с белками и другими молекулами. Некоторые из этих повреждений клетка способна репарировать, другие приводят к гибели. Например, при небольших поглощенных дозах возникают одиночные разрывы молекулы ДНК. При этом участки поврежденной нити молекулы ДНК прочно удерживаются на месте за счет второй неповрежденной нити и могут быть быстро восстановлены репарационными системами клетки. При увеличении дозы возрастает вероятность того, что однонитевые разрывы возникнут друг напротив друга, при этом молекула ДНК распадется на части (двунитевой разрыв).
Рисунок 7. Взаимодействие излучения с молекулой ДНК (118)
Редкоионизирующие излучения вызывают 1 двунитевой разрыв на 20 – 100 однонитевых, а для плотноионизирующих число двойных разрывов значительно выше.
Нарушением последовательности оснований в ДНК определятся мутагенное действие ионизирующих излучений. Нарушение целостности ДНК- мембранного комплекса приводит к нарушению пространственной организации молекул ДНК и ошибкам при делении клетки . В его состав помимо ДНК входят белки и липиды, и распад комплекса происходит при дозе всего в 2 Гр. Кроме того, под действием излучений происходит нарушение целостности мембран, что приводит к инактивации ферментных комплексов клетки и нарушениям выдачи в цитоплазму информации с ДНК. Как следствие – сбой основных процессов жизнедеятельности клетки. Еще одним следствием облучения является повреждение внехромосомных молекул ДНК, которые локализованы в некоторых цитоплазматических органоидах. Это может снижать функциональную активность дочерних клеток (54).
Рис. 8. Основные виды лучевого поражения клетки (схема) (55):
I — однонитевые (одиночные) разрывы в молекуле ДНК. 2—двунитевые (двойные) разрывы ДНК. 3 — нарушение связи ДНК с белком, 4 — повреждение структуры ДНК-мембранного комплекса, 5 — разру шение ядерной мембраны, 6 — повреждение митохондриальной мембраны.
3.3 ТЕОРИИ МЕХАНИЗМА БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Принцип попадания и мишеней
Эта теория появилась одной из первых и к настоящему времени считается опровергнутой. Согласно этой гипотезе биологический эффект облучения определяется не общим количеством поглощенной энергии, а формой ее передачи.
Принцип попаданий характеризует особенно сти действующего агента — дискретность поглощения энергии. Принцип мишени учитывает особенность облучаемой клет ки. Согласно ему в каждой клетке существует чрезвычайно малый чувствительный объем (мишень), который воспринимает поражающее действие облучения, в то время как остальная, наибольшая, часть клетки остается к нему нечувствительной. Мишени по их размерам неодинаковы, что и должно было бы объяснять различную радиочувствительность клеток. (6,55).
При этом количество попаданий должно быть прямо пропорцио нальным дозе излучения. Эта зависимость сохраняется для малых доз излучений, когда число пораженных мишеней строго пропорционально дозе, или числу попаданий, так как поражается лишь небольшая их часть из общего количества.
По мере возрастания дозы из лучения эффективность попаданий уменьшается, т.к. возможно поражение одной и той же мишени несколькими попаданиями. В конечном итоге, хотя общее число остается пропорциональным до зе, но количество пораженных ми шеней возрастает медленнее, постепенно приближаясь к 100% .
Теорию попадания и мишени используют лишь для количественной характери стики первичных механизмов радиобиологического эффекта.
Стохастическая гипотеза
Стохастическая гипотеза рассматривает клетку, как лабильную динамическую систему, постоянно находящуюся в состоянии перехода из одного состоя ния в другое. В процессе жизнедеятельности под влиянием разнообразных факторов в такой сложной системе возникает вероятность нарушений функционирования. Поэтому любое событие можно предсказать лишь с известной вероятностью.
При облуче нии объекта стохастичность взаимодействия излучения с вещест вом накладывается на стохастичность событий, происходящих в клетке как биологической системе. При этом увеличивается вероятность нарушения деятельности системы (6,55).
Вероятностная модель радиационного поражения клетки
Согласно этой модели разные клетки, подвергнутые облучению в одной и той же дозе, поражаются в разной степени в соответствии с принципом попадания, но любые повреждения проявляются с вероятностью меньше единицы. Реализованные повреждения наследуются при делении клеток и с некоторой вероятностью, зависящей от числа этих повреждений, приводят к неосуществлению клеточного деления.
С позиций же вероятностной модели процесс радиационного пора жения клетки можно формально разделить на три этапа.
Первый этап — осуществление событий попадания, в результате которых формируются первичные потенциальные повреждения.
Второй этап радиационного поражения — реализация потен циальных повреждений. Так как клетки способны восста навливаться от лучевых повреждений, то реализованными оказываются не все возникшие потенциальные поврежде ния, а лишь часть их. Следовательно, радиочувствитель ность клетки определяется и вероятностью реализации потен циального повреждения
Третий этап радиационного поражения — различные вторичные нарушения нормального протекания внутриклеточных процессов, вызываемые реализацией повреждений. На этом этапе также возможно восстановление клеток от последствий реализован ных повреждений или их компенсация (6,55).
Изложенные выше гипотезы придают основное значение в процессах лучевого поражения клетки первичным повреждениям, т.е непосредственному воздействию квантов и частиц ионизирующих излучений на клетку. Однако, существует ряд гипотез, которые уделяют основное внимание непрямому действию радиоактивных агентов на клетку.
|
|
|
Скачать 11.76 Mb.