Конспект бжч. Конспект лекций БЖЧ-радиационная безопасность. Конспект лекций к общему курсу для студентов специальностей
 Скачать 0.99 Mb.
|
|
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра биофизики БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА Краткий конспект лекций к общему курсу для студентов специальностей 1-31 03 01 Математика (по направлениям, 1-31 03 02 Механика и математическое моделирование (по направлениям, 1-31 03 08 Математика и информационные технологии, 1-31 03 09 Компьютерная математика и системный анализ В трех частях Часть 3 РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ МИНСК 2016 2 УДК 502/504(075.8) ББК 20.1я73-1+31.19я73-1 Б Составители ОД. Бичан, Л. К. Герасимова, ТА. Кулагова Рекомендовано советом физического факультета 31 марта 2016 г, протокол № 7 Рецензент доцент кафедры радиационной химии и химико-фармацевтических технологий химического факультета БГУ кандидат биологических наук Г. Н. Семенкова Б40 Безопасность жизнедеятельности человека : краткий конспект лекций к общему курсу для студентов спец. 1-31 03 01 Математика Механика и математическое моделирование, 1-31 03 08 Математика и информационные технологии, 1-31 03 09 Компьютерная математика и системный анализ». В 3 ч. Ч. 3: Радиационная безопасность / сост ОД. Бичан, Л. К. Герасимова, ТА. Кулагова. – Минск : БГУ, 2016. – 68 с. Включенные в пособие материалы помогут студентам, обучающимся по специальностям 1-31 03 01 Математика, 1-31 03 02 Механика и математическое моделирование, 1-31 03 08 Математика и информационные технологии Компьютерная математика и системный анализ в усвоении общего курса Безопасность жизнедеятельности человека. УДК 502/504(075.8) ББК 20.1я73-1+31.19я73-1 БГУ, 2016 3 1. РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ Радиационная безопасность – это научно-практическая дисциплина, разрабатывающая способы оценки, прогнозирования радиационной обстановки и дающая рекомендации для приведения ее в соответствие с установленными нормативами. 1.1. Строение вещества и радиоактивность Известно, что вещество состоит из молекул. Молекула – это наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свой- ствами. В свою очередь, молекулы состоят из атомов одного или нескольких химических элементов (например, водород – Ни вода – НО. Атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов, имеющих отрицательный заряд. Размер атома порядкам, ядрам. Ядро состоит из положительно заряженных протонов (р) и не имеющих заряда нейтронов (n). Число протонов в атоме совпадает с порядковым номером химического элемента в периодической системе Менделеева и обозначается буквой р или Z. Это атомный номер. Именно величина Z (те. количество протонов) и обуславливает отличие одного химического элемента от другого. Основная масса атома сосредоточена в ядре и складывается из массы протона и массы нейтрона. Масса нейтрона и масса протона практически одинаковы. Сумму количеств нейтронов и протонов объединяют общим названием нуклоны. Нуклоны в ядре располагаются не беспорядочно, а сгруппированы определенным образом. Одной из таких группировок является сочетание из двух протонов и двух нейтронов – это альфа-частица или ядро атома гелия. Общее число нуклонов в ядре (нуклиде) называют массовым числом атома. Обозначим его буквой а а = n + или а = n + р Для характеристики какого-либо нуклида используют cимвол химического элемента Х (например, Н – водород, С – медь и др) и указывают атомный номер и массовое число встречаются также следующие обозначения z X-a или X-a Число нейтронов в ядре может быть легко определено по формуле n = a – Z В ядрах атомов одного итого же химического элемента число нейтронов может быть различным, а число протонов Z всегда одинаково. 4 Атомы, ядра которых содержат одинаковое число протонов Z, но разное число нейтронов n называют изотопами. Пример атом водорода может существовать в виде трех изотопов Рис. 1. Изотопы атома водорода Таким образом, химический элемент водород может существовать в виде трех типов атомов различной массы (изотопов, нос одинаковым зарядом. Практически каждый элемент периодической системы Менделеева состоит из нескольких изотопов, например 131 53 I, 133 53 I, 135 53 I; 12 С, 13 С, 14 С. Одни из этих изотопов устойчивые (стабильные, другие – неустойчивые (нестабильные, радиоактивные) Изотопы, ядра которых со временем распадаются, называют радиоактивными или радионуклидами. Самопроизвольное превращение ядер, при котором испускаются частицы или гамма-кванты, называют радиоактивным распадом. Это происходит, как правило, в тяжелых ядрах при взаимном превращении нейтронов и протонов. Так, при избыточном количестве протонов p + → n + e + + , где – нейтрино, e + – позитрон при избыточном количестве нейтронов n → p + + e - + , где – антинейтрино, e – – -частица При этом соблюдаются законы сохранения массы, энергии и заряда, например Особенности явления радиоактивности 1. Радиоактивность – это самопроизвольный процесс. Он характерен для ядер радиоактивных элементов. На явление радиоактивности не влияют такие факторы как давление, температура, магнитные и электрические поля, химические реагенты. 2. В процессе радиоактивного распада выполняется закон сохранения энергии энергия материнского ядра равна энергии продуктов распада. 3. При радиоактивном распаде атома происходит превращение атомного ядра, приводящее к изменению заряда, массы и энергетического состояния ядра. 1.2. Закон радиоактивного распада Отдельные радиоактивные ядра в веществе распадаются независимо друг от друга, при этом ядерные превращения происходят не одновременно, а подчиняются экспоненциальному закону N = N 0 e - t , где число нераспавшихся ядер в момент времени t = 0 число оставшихся радиоактивных ядер в момент времени t – постоянная распада. Ее размерность – с. Она численно равна доле ядер, распадающихся в единицу времени. Значение является величиной постоянной для данного радионуклида и не зависит от времени распада и от количества радиоактивных ядер. Например, = 0,01. Это значит, что каждую секунду распадается 0,01 часть всех ядер. Число распавшихся радиоактивных ядер можно определить из основного закона ΔN = N 0 – N = N 0 – N 0 e - t = N 0 [1– e – t ] Продолжительность (длительность) существования радионуклидов обычно характеризуется периодом полураспада Т, который также является постоянной величиной для данного вещества. Период полураспада – это время, за которое подверглась радиоактивному распаду половина всех ядер, те. N = 1/2·N 0 . Это значение может быть рассчитано следующим образом. В момент времени t = Т закон радиоактивного распада примет вид 2 / 1 0 0 2 / 1 T e N N , 2 / 1 2 / 1 T e , 693 , 0 или 2 / 1 2 / 1 693 , 0 2 ln T T 6 тогда = N 0 e – t = N 0 Т = 1/ – среднее время жизни радиоактивного ядра Период полураспада для разных радионуклидов может изменяться от долей секунды до многих миллиардов лет. Активность радионуклида – это число спонтанных ядерных превращений в единицу времени. Активность изменяется стечением времени по закону радиоактивного распада или Наименьшей единицей активности радионуклидов (радиоактивности) является беккерель 1 Бк = 1 расп/с Более крупная единица радиоактивности кюри, которая равна радиоактивности г радия 226 88 Ra. В 1 грамме чистого радия, выделенного из продуктов распада урана, ежесекундно распадаются 37 млрд. ядер Ra 226 Таким образом, 1 Ки равен 3,7 10 10 распадов в секунду или 3,7 10 10 Бк. Если в радиоактивном препарате (например, в почве) содержится смесь нескольких радионуклидов, то активность препарата определяется как сумма активностей отдельных радионуклидов Зависимость, описывающая закон радиоактивного распада, может быть представлена графически Рис. 2. Зависимость, описывающая закон радиоактивного распада Спустя время Т, 2 Т, 3 Т, 4 Т в радиоактивном материале будет оставаться соответственно 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 части нераспавшихся радионуклидов. Считают, что за период времени враз больший периода полураспада данного радиоэлемента, последний распадается практически полностью 7 В организме человека происходят биохимические процессы, способствующие выведению радиоактивных веществ. Для характеристики времени выведения радионуклидов используется специальный параметр – период полувыведения Т б . Это время, в течение которого выводится половина радиоактивного вещества, попавшего в организм или орган. Эффективный период полувыведения Т эф характеризует одновременно и биологическое выведение и физический распад. 2 / 1 б эф Т Т Т T T б где Т б – период полувыведения за счет биохимических процессов Т – период полураспада за счет физических процессов. Зная, что в атомной массе а любого радионуклида содержится 6,023 10 23 атомов (число Авогадро, можно установить связь между активностью радионуклида Аи его массой m A= N N =N a m/a , где N a – число Авогадро 1/2 T 0,693 a 23 10 023 , 6 m A , Бк или 10 10 7 , 3 1/2 T 0,693 a 23 10 023 , 6 m A , Ku = 1,13·10 13 м/(а·Т 1/2 ) где a 23 10 число атомов в 1 г радионуклида, Т – период полураспада в секундах. Соответственно массу радионуклида можно рассчитать по формуле м = a·N/N a = Т 8,9·10 -14 ·а·А·Т 1/2 Из формулы легко можно получить активность 1 г любого радионук- лида А = 1,13·10 13 /а·Т 1/2 , Ки, где Т в секундах, или А = 4,17 10 23 / а Т, Бк 8 На практике часто пользуются величиной удельной активности, характеризующей активность единицы объема, единицы поверхности, единицы массы радиоактивного вещества. Называются они, соответственно объемная удельная активность А, Бк/м 3 , Бк/л или Ки/м 3 , Ки/л поверхностная удельная активность А, Бк/м 2 или Ки/м 2 , Ки/км 2 массовая удельная активность А, Бк/кг или Ки/кг Рассчитываются они последующим формулам где V – объем исследуемого образца, S – площадь его поверхности, m – масса исследуемого образца. 1.3. Дозиметрические величины Для количественной оценки действия ионизирующего излучения на облучаемый объект вводится понятие дозы. Различают экспозиционную, поглощенную и эквивалентную дозы ионизирующего излучения. 1.3.1. Экспозиционная доза Экспозиционная доза введена только для воздуха и только для квантового (например, гамма, рентгеновское) излучения. Она характеризует поле внешнего облучения объекта – экспозицию. Экспозиционная доза характеризует энергию фотонного излучения, преобразованную в кинетическую энергию заряженных частиц в единице массы воздуха. Экспозиционная доза – это отношение приращения суммарного заряда dQ всех ионов одного знака, образованных в воздухе под действием ионизирующего излучения в элементарном объеме к массе dm воздуха в этом объеме Д эксп. = dQ/dm, Кл/кг 1 Кл/кг – это доза гамма-излучения, при прохождении которого через 1 кг массы воздуха образуются ионы, несущие заряд в 1 Кл Внесистемной единицей измерения экспозиционной дозы является рентген 1 Р – это единица экспозиционной дозы рентгеновского или гамма излучения. Он равен заряду, образованному в 1 см воздуха при нормальных условиях. Масса этого объема воздуха равна г. Нормальными условиями считаются следующие Т = 0 0 С, р = 760 мм рт. ст. В этих условиях в воздухе при действии гамма излучения в 1 Р образуется 2,08 10 9 пар ионов. 1 Кл/кг = 3,876 10 3 Р или 1 Р = 2,58 10 –4 Кл/кг 9 Уровень радиации может изменяться во времени, поэтому на практике часто пользуются понятием мощность экспозиционной дозы. Р эксп = dД эксп /dt Единицы измерения мощности экспозиционной дозы Кл/кг с = Ампер/кг, мР/с, мР/ч, мкР/ч По аналогии для ионизирующего излучения корпускулярной природы, те. альфа- и бета- частиц введен так называемый физический эквивалент рентгена ФЭР. Это внесистемная единица дозы ионизирующего излучения, при которой в воздухе образуется столько же пар ионов, как и при экспозиционной дозе гамма-излучения в 1 Р. На практике используют для характеристики полей излучения (сколько частиц или фотонов, с какой энергией ив каком направлении приходят в каждую точку пространства) используют понятия поток ионизирующих частиц, плотность потока частиц, флюенс (перенос. Поток ионизирующих частиц – это число частиц dN, проходящих через данную поверхность S в единицу времени F = dN/dt , частиц/с или с Плотность потока частиц – это отношение числа частиц dN, пересекающих в единицу времени малую сферу, к площади поперечного сечения этой сферы. (Понятие малой сферы поле излучения на поверхности этой воображаемой сферы постоянно. В частном случае параллельного пучка частиц плотность потока равна числу частиц, пересекающих в единицу времени поверхность единичной площади, расположенную перпендикулярно к направлению распространения излучения = dN/dS dt Плотность потока частиц измеряется в следующих единицах см бета-частиц/(с м) Флюенс ионизирующих частиц – это отношение числа частиц dN, проникающих в элементарную сферу, к площади центрального сечения dS этой сферы Ф = dN/dS, размерность м бета-частиц/м 2 1.3.2. Поглощенная доза Для характеристики повреждающего действия биообъектов введено понятие поглощенной дозы. Поглощенную дозу определяют как среднюю энергию, переданную излучением единице массы вещества Д ПОГЛ = Е Дж/кг или Гр (грей) 10 1 Гр равен дозе излучения, при которой облучаемому веществу массой в 1 кг передана энергия ионизирующего излучения в 1 Дж, те Гр = = 1 Дж/кг Интегральная доза – это энергия, суммарно поглощенная во всем объеме объекта (1 Дж = 1 Гр кг. Внесистемной единицей поглощенной дозы служит рад 1 Гр = 100 рад или 1 рад = 0,01 Гр = 100 эрг/г В отличие от экспозиционной дозы поглощенная доза определена для любых видов ионизирующего излучения и их смесей, поглощающих в любой среде. В случае квантового (гамма-излучения) поглощенная и экспозиционная дозы неравны между собой и это видно из их определения поглощенная доза выражает поглощенную энергию излучения, а экспозиционная заряд ионов одного знака. Тем не менее, имеет место частный случай, когда Д ЭКСП. = 0,88 Д ПОГЛ Это справедливо только в условиях электронного равновесия, при котором экспозиционная доза в 1 Р соответствует поглощенной дозе равной рад (1 Р = 88 эрг/г = 0,88 рад или 1 рад = Р) С целью упрощения на практике часто считают, что Р ≈ 1 рад или Д ЭКСП. ≈ Д ПОГЛ Тогда, измерив экспозиционную дозу в условиях электронного равновесия можно судить о поглощенной дозе. Поглощенная доза может также изменяться во времени. Тогда определяют мощность поглощенной дозы Р погл = dД погл /dt Единицы измерения Гр/с; рад/с; Р/час и мкР/час. При прохождении через вещество альфа- и бета- частицы сталкиваясь с атомами и молекулами вещества растрачивают свою энергию в отдельных актах ионизации, при которых образуются пары отрицательно и положительно заряженных ионов. Полная ионизация, п – это количество пар ионов, образованных излучением на всем пути в веществе п = Е , где Е – энергия излучения, эВ – энергия образования одной пары ионов, эВ В более плотной среде, где концентрация атомов вещества велика, столкновение ионизирующей частицы сними, а, следовательно, и ионизация, будут происходить чаще. Для характеристики этого процесса используют понятие линейного пробега, массового пробега и слоя половинного ослабления. 11 Линейный пробег (ЛП), R – это путь, пройденный частицей в веществе до полной остановки. В радиационной защите – это минимальная толщина поглотителя, необходимая для полного поглощения ионизирующего излучения. Длина пробега зависит от природы поглотителя, вида и энергии излучения. Пробег увеличивается с ростом энергии излучения, пропорционален массе частицы и обратно пропорционален квадрату ее заряда R E; m; 1/q 2 Массовый пробег (МП), пробег частицы в единицах массы. Его рассчитывают в г/кв.см. Он связан с линейным пробегом следующим соотношением, кг/м 2 ; г/см 2 , где – плотность поглощающего вещества, г/куб.см Толщину поглотителя удобно определять через массовый пробег, т. к. для частиц с одинаковой энергией он имеет примерно одинаковое значение в различных веществах. Слой половинного ослабления, Δ 1/2 – это толщина поглощающего вещества, уменьшающая излучение в два раза. С биологической точки зрения важно знать не только количество ионов, образованных в единице массы вещества или биологической ткани, но и то, как распределены эти ионы по длине пути ионизирующей частицы. Для этого служит параметр, который называется линейная плотность ионизации или удельная ионизация (N l ). Это количество пар ионов, образованных излучением на единице пути N l = N n / R = E /{ R} Критерием, позволяющим сравнивать различные типы излучения, служит величина потери энергии частиц на единицу длины пути или линейная передача энергии, ЛПЭ: ЛПЭ = dЕ/dх ЛПЭ – это величина, характеризующая распределение энергии, переданной веществу, вдоль трека частицы. Иными словами, это средняя энергия, теряемая заряженной частицей на единице длины ее пути в веществе. За единицу ЛПЭ принят 1 кэВ на 1 мкм пути = 62 Дж/м В зависимости от значения ЛПЭ все ионизирующие излучения делят на редкоионизирующие (ЛПЭ < 10 кэВ/мкм пути) и плотноионизирую- щие (более 10 кэВ на мкм пути. ЛПЭ зависит от вида заряженной частицы (электрон, протон, альфа-частица и т. д, ее энергии, а также от свойств вещества – поглотителя. ЛПЭ возрастает со снижением скорости частицы, а в конце пробега – максимальна. 12 Чем выше значение ЛПЭ, тем больше энергии теряет частица на единице пути, тем плотнее распределены ионы и возбужденные молекулы вдоль трека и тем эффективнее относительное биологическое воздействие частиц. Иными словами, чем выше линейная плотность ионизации, тем больше повреждающее воздействие излучения при одном и том же количестве энергии ионизирующего излучения, поглощенной в единице массы вещества. Для количественно оценки этого эффекта используют коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ). ОБЭ – это отношение поглощенной дозы эталонного (стандартного) излучения Д, вызывающего определенный биологический эффект, к поглощенной дозе данного излучения Д, вызывающего такой же биологический эффект ОБЭ = Д 0 /Д ОБЭ служит для сопоставления биологического действия разных видов излучения и определяется в конкретных условиях радиобиологического эксперимента. Как правило, эталоном служит рентгеновское излучение с энергией порядка кэВ со средней ЛПЭ = 3 кэВ/мкм воды. Для него ОБЭ равно 1. Коэффициент ОБЭ зависит от многих факторов от вида и энергии ионизирующего излучения, его дозы, вида биологической ткани, содержания в ней кислорода и т. д. Значение ОБЭ определяется из эксперимента. Регламентированной величиной ОБЭ является коэффициент качества К. Его значение для гамма и бета-излучения равно 1, для альфа- излучения 20. С позиций радиационной опасности считают, что поглощенная доза при облучении альфа-частицами производит в теле человека такое же разрушительное воздействие, как ив раз большая доза гамма-квантов или электронов. |