Лекции по БЖД. Конспект лекций по дисциплине б б14. Безопасность жизнедеятельности внимание! Так как законодательство постоянно меняется, ссылки на нормативные документы в конспекте лекций могут быть устаревшими!
 Скачать 0.51 Mb.
|
|
Ионизирующие излучения Ионизирующим излучением (ИИ) называют потоки частиц и электромагнитных квантов, образующихся при ядерных превращениях, т.е. в результате радиоактивного распада. Ионизирующее излучение состоит из заряженных и незаряженных частиц, к которым относятся также фотоны. Энергию частиц ионизирующего излучения измеряют в электрон-вольтах (1эв = 1,6*10-19 Дж). В безопасности жизнедеятельности ионизирующее излучение и радиоактивное загрязнениеокружающей среды часто отождествляют, что недопустимо. Корпускулярное ионизирующее излучение- поток элементарных частиц, образующихся при радиоактивном распаде, ядерных превращениях либо генерируемых на ускорителях. К нему относятся альфа-частицы(поток ядер атомов гелия, энергия которых находится в пределах от 2 до 8 МэВ); бета-частицы(поток электронов или позитронов с энергией около 3 МэВ); нейтроны - нейтральные элементарные частицы, которые при прохождении через вещество взаимодействуют только с ядрами атомов (именно потому, что не имеют электрического заряда). По характеру взаимодействия со средой и величине энергии нейтроны условно разделены на четыре группы: тепловые - до 0,5 кэВ, промежуточные _ 0,5-200 кэВ, быстрые - 200 кэВ -20 МэВ, релятивистские - свыше 20 МэВ. К корпускулярному виду излучения относятся также некоторые другие ядерные частицы и космические лучи. Фотонное излучение- поток электромагнитных колебаний, распространяющийся в вакууме с постоянной скоростью (300 000 км/с). К нему относятся гамма-излучение- электромагнитное излучение, испускаемое при ядерных превращениях или взаимодействии частиц, и рентгеновское излучение, которое возникает в среде, окружающей источник бета-излучения (в рентгеновских трубках, в ускорителях электронов), и представляет собой совокупность тормозного и характеристического излучения. Тормозное излучение- фотонное излучение с непрерывным спектром, испускаемое при изменении кинетической энергии заряженных частиц. Характеристическое излучение- это фотонное излучение с дискретным спектром, испускаемое при изменении энергетического состояния атомов. Все излучения характеризуются по их ионизирующейи проникающей способности. Ионизирующая способность излучения определяется удельной ионизацией, т. е. числом пар ионов, создаваемых частицей в единице объема, единице массы среды или на единице длины пути. Проникающая способность излучений или глубина проникновения излучения в живой организм зависит от его природы и определяется величиной пробега, т. е. расстоянием, пройденным частицей в веществе до ее полной остановки (это, в свою очередь, обусловлено тем или иным видом взаимодействия. Альфа-частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью, но наименьшей проникающей способностью (причем длина пробега этих частиц составляет в воздухе несколько сантиметров, а в мягкой биологической ткани - несколько десятков микрон). Их удельная ионизация изменяется от 25 до 60 тыс. пар ионов на 1 см пути в воздух. Бета-частицы имеют существенно меньшую ионизирующую способность, но большую проникающую способность. Средняя величина удельной 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 проникающей способностью обладают фотонные излучения (рентгеновское и гамма-излучения). Кроме того, нужно иметь в виду, что во всех процессах взаимодействия электромагнитного излучения со средой часть энергии преобразуется в кинетическую энергию вторичных электронов, которые, проходя через вещество, также производят ионизацию. Действие ионизирующих излучений на вещество определяется коэффициентом ослабления, величина которого зависит от энергии излучения и свойств вещества. Однако при любой толщине слоя вещества нельзя полностью поглотить поток фотонного излучения, а можно только ослабить его интенсивность в любое число раз (в связи с экспоненциальным законом ослабления потока энергии излучения). Именно в этом и состоит существенное отличие характера ослабления фотонного (электромагнитного) излучения от ослабления заряженных частиц (корпускулярного излучения), для которых существует минимальная толщина слоя вещества поглотителя (пробег), где происходит полное поглощение потока заряженных частиц. Процесс превращения одних элементов в другие, сопровождающийся ионизирующим излучением, называется радиоактивностью (Мария Кюри, 1898). Естественной радиоактивностью обладают элементы с нестабильными ядрами. Однако в 1934 г. французские ученые установили, что, воздействуя нейтронами на ядра стабильных элементов, можно получить изотопы с искусственной радиоактивностью. Известно, что ядро атома состоит из положительных протонов и нейтральных нейтронов. Вокруг ядра вращаются по своим орбитам отрицательно заряженные электроны. Заряд ядра равен суммарному заряду электронов, т. е. 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 различающиеся по числу нейтронов, относятся к разновидностям одного и того же химического элемента и называются изотопами. Чтобы отличить 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 = 46 нейтронов; в уране-235 тоже 92 протона, но 235 - 92 = 143 нейтрона. Протоны и нейтроны имеют общее название «нуклоны». Полное число нуклонов называется массовым числом и является мерой стабильности ядра. Чем ближе к концу Периодической таблицы Менделеева расположен элемент, тем больше массовое число, тем больше нейтронов в ядре и тем менее устойчивы эти ядра. Ядра всех изотопов образуют группу «нуклидов», некоторые из которых стабильны, но большинство - нестабильны и постоянно превращаются в другие нуклиды. Процесс самопроизвольного распада нуклида называется радиоактивным распадом, а сам нуклид - радионуклидом. В настоящее время известно около 50 естественных и более 200 искусственных радиоактивных нуклидов. Уровень нестабильности радионуклидов неодинаков: одни распадаются очень быстро, другие - медленно. Время, в течение которого распадаются половина всех радионуклидов данного типа, называется периодом полураспада. Эта величина для разных веществ весьма сильно различается, например, период полураспада аргона-41 составляет 2 часа, а урана-238 - 4,5 млрд. лет. Знание периодов полураспада необходимо для оценки радиационной обстановки. Действие ионизирующих излучений В безопасности жизнедеятельности значение разных изотопов различно. Кроме случаев, связанных со взрывами, вещества с короткими периодами полураспада (короткоживущие изотопы) сравнительно безопасны, так как высокий уровень радиации в биотопе сохраняется короткое время. Вещества с очень большим периодом полураспада (долгоживущие изотопы) также практически безопасны, поскольку они испускают очень слабое излучение в единицу времени. Наиболее опасными являются те вещества, у которых период полураспада изменяется от нескольких недель и месяцев до нескольких лет. Этого времени достаточно, чтобы данные элементы смогли проникнуть в организмы и накопиться в трофических цепях. Наиболее опасны изотопы стронция (Sr90) и цезия (CsI37), сходные по химическим свойствам с кальцием и калием. Они могут поступать в окружающую среду в виде отходов атомной промышленности или в радиоактивных осадках при ядерных взрывах. Вследствие сходства с кальцием стронций легко проникает в костную ткань, а цезий, замещая калий, накапливается в мышцах. Под воздействием ионизирующего излучения на организм человека в тканях могут происходить сложные биофизические и биохимические процессы. В результате ионизации происходит разрыв молекулярных связей в живой ткани и изменение химической структуры соединений. Существенную роль играют продукты радиолиза воды, составляющей до 70 % массы всей биологической ткани. Продукты радиолиза вступают в химические реакции с молекулами тканей, образуя соединения, не свойственные здоровому организму. Это приводит к нарушению как отдельных функций организма, так и жизнедеятельности организма в целом. Интенсивность химических реакций, инициированных свободными радикалами, повышается, и в них вовлекаются сотни и тысячи молекул, не затронутых облучением (цепные реакции). В этом состоит специфика действия ионизирующего излучения на биологические объекты. Причем эффект от облучения определяется не столько количеством поглощенной энергии, сколько ее видом. Другими словами, никакой другой вид энергии (( (тепловая, электрическая, химическая и т. д.), поглощенной биологическим объектом в том же количестве. Степень воздействия радиации зависит от того, является облучение внешним или внутренним. Внутреннее облучение возможно при вдыхании, заглатывании радиоизотопов и проникновении их в организм через кожу. Некоторые вещества поглощаются и накапливаются в конкретных органах, что приводит к высоким локальным дозам радиации. Например, накапливающиеся в организме изотопы йода могут вызвать поражения щитовидной железы, редкоземельные элементы - опухоли печени, изотопы цезия, рубидия - опухоли мягких тканей. Нарушения биологических процессов могут быть обратимыми (полное восстановление работы клеток облученной ткани) или необратимыми поражение отдельных органов или всего организма и, как следствие, возникновение лучевой болезни. Различают две формы лучевой болезни - острую и хроническую. Острая форма возникает в результате облучения большими дозами в короткий промежуток времени (например, при дозах порядка тысяч рад поражение организма может быть мгновенным и даже смертельным). Хронические поражения развиваются в результате систематического облучения дозами, превышающими предельно допустимые (ПДД). Изменения в состоянии здоровья называются соматическими эффектами, если они проявляются непосредственно у облученного лица, и наследственными, если они проявляются у его потомства. В нормах радиационной безопасности в качестве единицы времени, как правило, используется «год»; отсюда и понятие «годовая доза облучения». Кроме того, согласно современным представлениям степень отрицательного воздействия при относительно малых дозах практически не зависит от мощности дозы. Это означает, что отрицательный эффект определяется суммарно накопленной дозой вне зависимости от того, получена она за один день, за одну секунду или за 50 лет. Другой характеристикой чувствительности организмов к облучению является летальная доза (ЛД50) - теоретическая величина дозы, котораявызывает гибель 50 % рассматриваемой популяции через определенное время. Наименее чувствительны к любому виду ионизирующего излучения бактерии (около млн рад), затем - растения (несколько десятков и сотен тысяч рад), членистоногие и млеко питающие (сотни рад). Причем чувствительность живых существ к облучению тем больше, чем выше уровень их развития и чем сложней их организм. Кроме того, молодые особи более уязвимы, чем взрослые, так как для растущих организмов характерны многочисленные митозы (процессы деления клеток). По этой же причине очень чувствителен к облучению костный мозг позвоночных. Любые дозы ниже летальной оказывают соматические и генетические воздействия, т. е. могут вызвать функциональные расстройства организма или органические изменения на генетическом уровне. Это - замедление роста, снижение иммунитета, снижение средней продолжительности жизни, мутации в следующих поколениях и т. д. Из вышеизложенного можно сделать вывод: любое облучение (каким бы слабым оно ни было) постепенно накапливается, и поэтому принципиально не должно существовать допустимой дозы. Если иметь в виду мутагенные последствия, то вообще единственной дозой, не вызывающей никаких последствий, является нулевая доза. Дозиметрические величины и единицы их измерения Вещества, способные создавать ионизирующие излучения, различаются активностью (А), т.е. числом радиоактивных превращений в единицу времени. Единицей измерения активности является одно ядерное превращение в секунду, В системе единиц СИ она получила название беккерель (БК). За внесистемную единицу активности принят кюри (Ки) - активность такого количества радионуклида, в котором происходит1КИ= 3,7*1010актов распада в секунду. На практике широко пользуются производными единицами:(мКи) и (мкКи). Под удельной активностью понимают активность, отнесенную к единице массы или объема, например Ки/г, Ки/л и т. д. Для характеристики воздействия ионизирующего излучения на вещество введено понятие дозы облучения. Доза излучения (облучения) - это количество энергииионизирующего излучения, поглощенное единицей массы за время облучения. Различают экспозиционную, поглощенную и эквивалентную дозы (табл.). Таблица 4.3 Числовая зависимость между системными и внесистемными единицами активности и доз излучения
На организм воздействует не вся энергия излучения, а только поглощенная энергия. Количество энергии излучения, поглощенное единицей массы облучаемого тела (тканями организма), называется поглощенной дозой Dп. Она определяется как отношение поглощенной энергии к массе вещества. Dп=W/m, где W - поглощенная энергия ионизирующего излучения, Дж; т - масса вещества, кг. Единица поглощенной дозы - грей (Гр), 1 Гр = 1 Дж/кг. На практике применяется также внесистемная единица - рад, 1 рад = 100 эрг/г = =1· 10-2 Дж/кг = 0,01 Гр. Поглощенная доза излучения зависит от свойств излучения и поглощающей среды. Однако она не может служить характеристики рентгеновского и у-излучений по их воздействию на среду. До последнего времени в качестве характеристики рентгеновского и излучений по эффекту ионизации используют так называемую экспозиционную дозу. Экспозиционная доза (Dэксп) -излучения выражает энергию фотонного излучения, преобразованную в кинетическую энергию вторичных электро-нов, производящих ионизацию в единице массы атмосферного воздуха. Dэ=q/mв где q -суммарный электрический заряд, Кл; mв – масса воздуха, кг. За единицу экспозиционной дозы принимают кулон на килограмм (Кл/кг) – доза, при воздействии которой на 1 кг сухого атмосферноговоздуха при нормальных условиях образуются ионы, несущие 1 Кл электричества каждого знак. Внесистемная единица экспозиционной дозы - рентген (Р). 1 рентген - это такая доза гамма-излучения, при которой в 0,001293 г (1см3 сухого воздуха при нормальных условиях) образуются ионы, несущие заряд в одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака; 1 Р = 2,58' 10-4 Кл/кг = 0,88 рад. Поглощенная доза не учитывает, какой вид излучения воздействовал на организм человека. Если принять во внимание этот факт, то дозу следует умножить на коэффициент, отражающий способность излучения данного вида повреждать ткани организма. Пересчитанную таким образом дозу называют эквивалентной дозой Dэкв. Ее вычисляют по формуле: Dэкв=Dпогл·ККач, где Dпогл - поглощенная доза; Ккач- безразмерный коэффициент качества излучения, характеризующий степень неблагоприятных последствий при облучении разными видами излучения. Например, для -ϒ и Ḃ - излучения: К=1, для α-излучения с энергией меньше 10 МэВ, этот коэффициент принимают равным 20. Единицей измерения эквивалентной дозы является бэр(биологический эквивалент рада). Один бэр соответствует такому облучению организма, при котором наблюдается тот же биологический эффект, что и при дозе гамма-излучения в один рад. В системе СИ раду соответствуетгрей(1 Гр = 100 рад = 1 Дж/кг), а бэру соответствует зиверт(1 3в = 100 бэр). Разные органы или ткани тела человека имеют разные чувствительности к излучению. Например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака в легких более вероятно, чем в. щитовидной железе. Поэтому введено понятие эффективной эквивалентной дозы (Dэкв), которая определяется как произведение поглощенной дозы на средний коэффициент качества действующих видов ионизирующих излучений. Коэффициент качества (Ккач) характеризует зависимость неблагоприятных биологических последствий обучения человека от способности ионизирующего излучения различного вида передавать энергию облучаемой среде (табл. 4.4 ) По существу, биологические эффекты, вызываемые любыми ионизирующими излучениями, сравниваются с эффектом от рентгеновского и гамма-излучения. Таблица 4.4 | ||||||||||||||