Лекции по РБ. Лекция 1 основные представления о радиоактивности строение атома

• Название: Лекция 1 основные представления о радиоактивности строение атома
• Анкор: Лекции по РБ.doc
• Дата: 16.01.2018
• Размер: 0.82 Mb.
• Имя файла: Лекции по РБ.doc
• Тип: Лекция; #14143
• страница: 3 из 15

Лекция № 3

ОСНОВНЫЕ ДОЗОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ

3.1. Понятие о дозиметрии

Радиометрия - обнаружение и измерение числа распадов атомных ядер в радиоактивных источниках либо некоторой доли их по испускаемому ядрами излучению.

Дозиметрия – измерение рассеяния и поглощения энергии ионизирующего излучения в определенном материале. Доза излучения строго зависит от энергии и вида падающего излучения, а также от природы поглощающего материала.

Мера воздействия ионизирующего излучения на вещество не поддается простому определению из-за сложности и многообразия происходящих при этом процессах. Изменения, возникающие в окружающей среде (нарушения структуры вещества) и живых объектах (биологические нарушения и даже гибель) называются радиационными эффектами. Основными величинами, которые дают количественную оценку возбуждаемому в веществе радиационному эффекту является поглощенная доза, эквивалентная доза, экспозиционная доза. Первичным процессом, который дает начало физико-химическим изменениям в облучаемом веществе и приводит к наблюдаемому радиационному эффекту, является энергия ионизирующего излучения, поглощенная веществом.
3.2. Активность радионуклида. Единицы активности

Вещество считается радиоактивным, или оно содержит в своем составе радионуклиды и в нем идет процесс радиоактивного распада. Количество радиоактивного вещества обычно определяют не единицами массы (грамм, миллиграмм и т.п.), а активностью данного вещества.

Активность вещества определяется интенсивностью или скоростью распада его ядер. Активность пропорциональна числу радиоактивных атомов содержащихся в данном веществе, т.е. возрастает с увеличением количества данного вещества. Активность – это мера количества радиоактивного вещества, которая выражается числом радиоактивных превращений (распадов ядер) в единицу времени. Так как скорость распада радиоактивных изотопов различна, то одинаковые по массе радионуклиды имеют различную активность. Чем больше ядер распадается в единицу времени, тем выше активность. Активность измеряется обычно в распадах в секунду. За единицу активности в Международной системе единиц (СИ) принят один распад в секунду. Эта единица названа в честь Анри Беккереля, открывшего впервые явление естественной радиоактивности в 1896 году, беккерелем (Бк). 1Бк – такое количество радионуклида, в котором за одну секунду происходит один распад. Так как беккерель очень малая величина, то используют кратные величина : кБк – калобеккерель (10³ Бк), МБк – мегабеккерель (10⁶ Бк), ГБк – гигабеккерель (10⁹ Бк).

Внесистемной единицей активности является кюри (Ки). Кюри – это такая активность, когда число радиоактивных распадов в секунду равно 3,7 х 10¹⁰ (37 млрд. расп./с). Кюри соответствует активности 1г радия. Так как кюри очень большая величина, то обычно употребляют производные величины: мКи – милликюри (тясячная доля кюри) – 3,7 х 10⁷ расп/с; мкКи – микрокюри (миллионная доля кюри) – 3,7 х 10⁴ расп/с; нКи – нанокюри (миллиардная доля кюри) – 3,7х10 расп/с.

Зная активность в беккерелях, не трудно перейти к активности в кюри и наоборот:

1 Ки = 3,7 х 10¹⁰ Бк = 37 гигабеккерель;

1 мКи = 3,7 х 10⁷ Бк = 37 мегабеккерель;

1 мкКи= 3,7 х 10⁴ Бк = 37 килобеккерель;

1 Бк = 1 расп/с = 2,7 х 10^-11 Ки.

На практике часто пользуются числом распадов в минуту.

1 Ки = 2,22 х 10¹² расп/мин

1 мКи = 2,22 х 10⁹ расп/мин

1 мкКи = 2,22 х 10⁶ расп/мин

При измерении активности радиоактивного образца ее обычно относят к массе, объему, площади поверхности или длине. Различают следующие виды активности радионуклида. Удельная активность – это активность, приходящаяся на единицу массы вещества (активность, отнесенная к единице массы) – Бк/кг, Ки/кг. Объемная активность – это активность, приходящаяся на единицу объема – Бк/л, Ки/л, Бк/м³, Ки/м³. В случае распределения радионуклидов на поверхности активность называется поверхностной (отношение активности радионуклида, на которой находится радионуклид) – Бк/м², Ки/м2 .Для характеристики загрязнения территории применяется величина Ки/км². Естественная радиоактивность калия-40 в почве соответствует 5мКи/км² (200 Бк/м²). При загрязнении местности в 40 Ки/км² по цезию-137 на 1м² поверхности размещается 2000000 млрд. ядер, или 0,455 микрограмм цезия-137. Линейная активность радионуклида – отношение активности радионуклида, содержащегося на длине отрезка к его длине.

Массу в граммах при известной активности (например, 1Ки) радионуклида определяют по формуле m = к х А х Т½ х а, где m - масса в граммах; А – атомная масса; Т½ - период полураспада; а – активность в кюри или беккерелях; к – константа, зависящая от единиц, в которых дан период полураспада и активность. Если период полураспада дан в секундах, то при активности в беккерелях константа равна 2,4 х 10^-24 , при активности в кюри – 8,86 х 10^-14. Если период полураспада дан в других единицах, то его переводят в секунды.

Подсчитаем массу ¹³¹J с периодом полураспада 8,05 дней для создания активности в 1 кюри.

М = 8,86 х 10^-14 х 131 х 8,05 х 24 х 3600 х 1 = 0,000008г. Для стронция-90 масса равна 0,0073, плутония-239 – 16,3г, урана-238 – 3т. Возможно вычислить активность в беккерелях или кюри радионуклида при известной его массе: а₀ = l x m/ (А х Т ¹/₂), где l- параметр, обратный константе «к». При Т½ измеренных в секундах, а активности – в беккерелях, l = 4,17 х 10²³, при активности в Ки l = 1,13 х 10¹³. Так, активность 32,6 г плутония- 239 равно

а₀ = 1,13 х 10¹³ х 32,6 (239 х 24300 х 365 х 24 х 3600)=2 Ки

а₀= 4,17 х 10¹³ х 32,6 ( 239 х 24300 х 365 х 24 х 3600)= 7,4 х 10¹⁰ Бк

Биологическое действие радиации обусловлено ионизацией облучаемой биологической среды. На процесс ионизации излучение растрачивает свою энергию. Т.е., в результате взаимодействия излучения с биологической средой живому организму передается определенная величина энергии. Часть излучения, которая пронизывает облучаемый объект (без поглощения ), действия на него не оказывает. Радиационный эффект зависит от многих факторов: количества радиоактивности снаружи и внутри организма, пути ее поступления, вида и энергии излучения при распаде ядер, биологической роли облучаемых органов и тканей т.д. Объективным показателем, увязывающем все эти разнообразные факторы, является количество поглощенной энергии излучения от ионизации, которую эта энергия производит в массе вещества.

Для того, чтобы предсказать величину радиационного эффекта, нужно научиться измерять интенсивность воздействия ионизирующего излучения. А это можно сделать, измерив поглощенную в объекте энергию или суммарный заряд образовавшихся при ионизации ионов. Эта величина поглощенной энергии получила название дозы.
3.3. Экспозиционная доза

Общее количество падающей на объект энергии излучения за время облучения может быть получено измерением так называемой экспозиционной дозы. Как уже отмечалось, гамма- или рентгеновское излучение образует в среде определенное количество ионов. Так как поглощенная энергия расходуется на ионизацию среды, то для измерения ее необходимо подсчитать число пар ионов, образующихся под действием излучения. Однако измерить число пар ионов непосредственно в глубине тканей живого организма сложно. В связи с этим для количественной характеристики рентгеновского и гамма-излучения, действующего на объект, определяют сначала экспозиционную дозу в воздухе, а затем расчетным путем определяют поглощенную дозу для тканей и органов организма. Экспозиционную дозу определяют по ионизирующему действию излучения в определенной массе воздуха и только при значениях энергии рентгеновского и гамма-излучения в диапазоне от десятков килоэлектронвольт до трех мегаэлектронвольт.

Экспозиционная доза рассчитывается только для рентгеновского и гамма-излучения, ибо только кванты этих излучений достаточно долгопробежные и могут создавать равномерное наружное облучение. Альфа- и бета-излучения короткопробежные, большая их часть поглощается одеждой и кожей, и не представляют большой опасности для внутренних органов.
Экспозиционная доза – это количественная характеристика рентгеновского и гамма-излучения, основанная на их ионизирующем действии и выраженная суммарным электрическим зарядом ионов одного знака, образованных в элементарном объеме воздуха в условиях электронного равновесия. За единицу экспозиционной дозы в Международной системе единиц (СИ) принят один кулон электрического заряда в одном килограмме облучаемого воздуха.

Кл/кг - это такая экспозиционная доза рентгеновских и гамма-лучей, под действием которой в 1 кг сухого воздуха образуется число пар ионов, суммарный заряд каждого знака которых равен одному кулону. Это число составляет 6,24х10¹⁸ пар ионов.

На практике до сих пор применяют внесистемную единицу экспозиционной дозы – рентген. Рентген (Р) – единица экспозиционной дозы, при которой в 1 см³ воздуха ( 0,001293 г ) при нормальных условиях (0⁰ С и 1013 ГПА) образуется 2,082 х 10⁹ пар ионов. Обычно используют производные рентгена – дробные доли: миллирентген – мР (тысячная доля рентгена), микрорентген – мкР (миллионная доля рентгена); мкР = 10^-6 Р, мР = 10^-3 Р.

При определении действия радиации на какую либо среду (особенно при облучении живого организма) необходимо учитывать не только общую дозу, но и время, за которое она получена. Поэтому вводится понятие мощность дозы. Мощность экспозиционной дозы (уровень радиации) – это доза, отнесенная к единице времени: Р/час, мР/час, мкР/час. В Международной системе единиц мощность экспозиционной дозы выражается в Кл/кг х с или А/кг (ампер на кг). Взаимосвязь между единицами экспозиционной дозы следующая: 1 Кл/кг = 3876Р; 1 Р = 2,58 х 10 ^-4 Кл/кг.

Поскольку на образование одной пары ионов в воздухе в среднем затрачивается 34 эВ, то энергетический эквивалент рентгена в 1 см³ воздуха составляет:

2,08 х 10⁹ х 34 = 7,08 х 10⁴ МэВ = 0,114 эрг/см³ или в 1г воздуха – 88 эрг.(0,114 : 0,001293 = 88).

Чтобы рассчитать поглощенную дозу в тканях организма сначала определяют поглощенную дозу в воздухе, а затем, используя переходный коэффициент, переходят к поглощенной дозе в тканях.

Так, например, зная, что на образование 1 пары в воздухе затрачивается 34эВ энергии (1эВ = 1,6 х 10^-19Дж), можно рассчитать, что при экспозиционной дозе в воздухе в 1Кл/кг на ионизацию 1кг воздуха (образование 6,24 х 10¹⁸ пар ионов) затрачивается 34Дж.

6,24 х 10¹⁸ х 34/1,6 х 10^-19 = 33,94Дж/кг, т.е. при экспозиционной дозе в 1Кл/кг поглощенная доза в воздухе составит 34 Дж/кг.

От поглощенной дозы в воздухе к поглощенной дозе в биологической ткани переходят с использованием множителя 1,09, т.е. при облучении организма экспозиционной дозой в 1 Кл/кг ткани организма поглощают 37 Дж/кг энергии ионизирующих излучений (34 Дж/кг х 1,09 = 37 Дж/кг),
3.4. Поглощённая доза

Поглощенная доза излучения является основной величиной, определяющей степень радиационного воздействия. Экспозиционная доза характеризует поле радиации вокруг объекта. Воздействие же на объект (организм) оказывает только на часть радиации, которую поглощает этот объект. Для измерения поглощенной энергии введено понятие поглощенная доза.

Поглощенная доза излучения – это величина энергии, поглощенной в единице объема ( или массы) облучаемого вещества.

За единицу поглощенной дозы в СИ принимают джоуль на килограмм (Дж/кг), т.е. это такая поглощенная доза, при которой в 1 кг массы облучаемого вещества поглощается 1 Дж энергии излучения. Этой единице присвоено наименование грей (Гр).

Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад (radiation absorbent dose), она в 100 раз меньше Гр. Рад – единица поглощенной дозы ионизирующего излучения, при которой веществом массой 1 г поглощается энергия излучения, равная 100 эрг.

1 рад = 100 эрг/г = 10^-2 Дж/кг. 1 Гр = Дж/кг = 100 рад.

Применяют такие производные величины от Гр и рад.

мГр – миллигрей (10^-3 Гр)

мкГр –микрогрей (10^-6 Гр)

крад – килорад (10^-9 рад) и т.д.

Мощность поглощенной дозы – это поглощенная доза, отнесенная к единице времени. За единицу мощности в СИ принят ватт/кг (Вт/кг) – ватт равен мощности, при которой работа в 1 Дж проводится за 1 с.

Внесистемные единицы: рад в час (рад/ч), рад в мин (рад/мин), грей в секунду (Гр/с), рад в секунду (рад/с).

Если в воздухе экспозиционная доза в 1 Р энергетически эквивалента 88 эрг/г, то поглощенная доза для этой среды составляет 0,88 раз (88:100), так как 1 рад = 100 эрг/г. Таким образом экспозиционная доза в 1 Р соответствует поглощенной дозе в 0,88 рад.

Для различных биологических тканей используют переходные коэффициенты (их определяют опытным путем). Для мягких тканей он составляет 0,93, для костной ткани – 2-5.

Поглощенная доза обычно рассчитывается для рентгеновского и гамма-излучения. Для других видов излучений принята эквивалентная доза.
3.5. Эквивалентная доза

При одной и той же поглощенной дозе различные виды излучений (альфа-, бэта-, гамма-излучения и др.) оказывают различные биологические эффекты. Объясняется это различной ионизирующей способностью. Для количественной оценки качества излучения, т. е. для сравнения различных видов излучения, введено понятие относительной биологической эффективности (ОБЭ).

ОБЭ оценивают сравнением дозы излучения, вызывающий определенный биологический эффект, с дозой стандартного излучения, обусловливающего тот же эффект. ОБЭ указывает, во сколько раз биологический эффект при воздействии данного вида излучения сильней за действия стандартного облучения на биологический объект (клетку, организм в целом). Обычно в качестве стандартного излучения используют рентгеновское излучение с энергией в 180-250 кэВ. Значение (величину, коэффициент) ОБЭ вычисляют по отношению дозы рентгеновского излучения к дозе данного излучения.

Регламентированные значения ОБЭ, установленные для контроля степени радиационной опасности при хроническом облучении, называют коэффициентом качества (КК) излучения. Коэффициент качества показывает, во сколько раз данный вид излучения более биологически опасен, чем рентгеновское и гамма-излучение при одинаковой поглощенной дозе. Для рентгеновского излучения, гамма-излучения, электронов и позитронов КК равен 1,0; для нейтронов с энергией меньше 20 кэВ – 3; для протонов с энергией меньше 10 МэВ – 10; для нейтронов с энергией 0,1 – 10 МэВ – 10; для альфа-излучений и тяжелых ядер отдачи – 20. Это означает, что альфа-излучение, которое попадает внутрь организма, в 20 раз более опасно, чем гамма-излучение. С учетом различия в повреждающем воздействии разных ионизирующих излучений на организм человека применяется понятие эквивалентной дозы. При ее помощи оцениваются вредные эффекты биологического воздействия любого типа ионизирующих излучений.

Эквивалентная доза – это произведение поглощенной дозы излучения в биологической ткани на коэффициент качества этого излучения в данной биологической ткани. Единицей эквивалентной дозы в СИ является зиверт (Зв). 1 3в = Дж/кг, т.е. зиверт равен эквивалентной дозе, при которой произведение поглощенной дозы в биологической ткани стандартного состава на средний коэффициент качества равно 1Дж/кг. Используются также производные единицы: мЗв – миллизиверт (в тысячу раз меньше Зв); мкЗв – микрозиверт (в миллион раз меньше Зв).

Эквивалентная доза ионизирующего излучения является основной величиной, определяющей уровень радиационной опасности при хроническом облучении человека в малых дозах. Понятие эквивалентной дозы и коэффициента качества применяют только при дозах в 10 ПДД (предельно допустимых доз). При больших дозах используют поглощенную дозу и соответствующие коэффициенты ОБЭ (Кобэ). Кобэ – отношение доз стандартного излучения (гамма-излучения ⁶⁰Со) и исследуемого ионизирующего излучения, необходимых для получения одинакового биологического эффекта. Кобэ для быстрых нейтронов равен 0,7-0,8, альфа-излучения – 0,55-1,3, нейтронов деления – 1,6-4,42.

Внесистемной единицей эквивалентной дозы является бэр (биологический эквивалент рентгена). Бэр – это поглощенная доза любого вида ионизирующего излучения, которая имеет такую же биологическую эффективность, как и один рад.

Соотношение между дозами: 1Зв = 1 Дж/кг; 1 Зв = 100бэр;

1 бэр = 0,01 Зв = 10 ^–2 Дж/кг, 1 бэр = 10 мЗв

Мощность эквивалентной дозы – отношение эквивалентной дозы к единице времени. Зв/с, мкЗв/час. Допустимая средне годовая мощность эквивалентной дозы при облучении всего тела работающих при 36 часовой рабочей неделе равен 28 мкЗв/час, естественный фон создает мощность эквивалентной дозы в пределах 0,05 – 0,2 мкЗв/час (по данным МКРЕ – Международной комиссии по радиологическим единицам и измерениям).

Поскольку коэффициент качества равен и больше единицы, то и эквивалентная доза больше поглощенной (или равна ей). Например, для бета-излучения КК = 1 и эквивалентной дозе в 1 Зв соответствует поглощенная доза в 1 Гр. Для альфа-излучения КК = 20 поэтому эквивалентной дозе в 1 Зв соответствует поглощенная доза в 0,05 Гр (1:20).


3.6. Эффективная эквивалентная доза

Эквивалентная доза рассчитывается для “усредненной” биологической ткани человеческого тела. Но дозы приходится определять и для отдельных органов (в случаях неравномерного облучения различных органов и тканей тела человека, а также при необходимости лучевой терапии опухолей, когда не требуется облучать все тело целиком).

По отношению к ионизирующим излучениям органы и биологические ткани имеют разную радиочувствительность. Сильнее всего поражается красный костный мозг, половые железы, меньше – нервная ткань. Учет радиочувствительности производят с помощью коэффициентов радиационного риска – КР, которые позволяют провести сопоставление последствий неравномерного облучения отдельных органов с такими же последствиями равномерного облучения всего тела. В случаях неравномерного облучения разных органов или тканей тела человека вводится понятие эффективной эквивалентной дозы.

Эффективная эквивалентная доза - это эквивалентная доза, умноженная на коэффициент радиационного риска, учитывающий разную чувствительность различных тканей к облучению. Международной комиссией по радиационной защите (МКРЗ) приняты следующие коэффициенты радиационного риска для различных тканей или органов человека: для красного костного мозга – 0,12; для молочной железы – 0,15; для половых желез – 0,25; для легких – 0,15; для щитовидной железы – 0,03.

С учетом этих коэффициентов, например, облучение щитовидной железы дозой в 1 Зв (100 бэр) приводит к такому же поражению организма, как и облучение всего организма дозой в 1 Зв х 0,03 = 0,03 Зв (3 бэра). Допустимая доза на щитовидную железу составляет 33 Зв (1 Зв: 0,03 = 33 Зв), так как допустимая доза на весь организм составляет 1 Зв.

Определение эффективной эквивалентной дозы очень важно при избирательном накоплении радионуклидов, например, йода-131 в щитовидной железе, стронция-90 в костях (облучение красного костного мозга). Таким образом, эффективная эквивалентная доза является основным показателем для оценки радиационного воздействия излучений на человека.

Единицей измерения эффективной эквивалентной дозы является Зиверт (Зв) и бэр.