|
|
Радиационная экология. Радиационная экология
Радиационная экология - это раздел экологии, изучающий влияние радиоактивных веществ (нуклидов) на организмы, распределение и миграцию нуклидов в ценоэкосистемах (популяциях, биоценотической среде, почве, биоценозах).
Радиоактивный фон - это излучение природных источников. К радиоактивному фону относится космическое излучение и излучение, испускаемое природными материалами - радием и торием, находящимися в земной коре, а также радиоактивными изотопами калия (в почве и воде), углерода (в воздухе), водорода (в водяных порах) и др.
Приходящаяся в среднем на каждого человека общая доза ионизирующего излучения, создаваемая радиоактивным фоном на 30 лет, составляет 3....5 Р.
Слово «радиоактивность «ввела в обиход Мария Кюри-Склодовская, которая вместе с Пьером Кюри начала распад химических элементов.
Началом исследования радиоактивности считают 1896 год, когда французский ученый Анри Беккерель обнаружил, что фотографическая пластина, защищенная от света темной светонепроницаемой бумагой, оказалась засвеченной. На пакете с фотопленкой лежал минерал, содержащий уран. Опыты показали, что уран излучает, и это излучение засвечивает фотопластинку.
Один и тот же химический элемент может иметь разное количество изотопов («изо» значит равный, т. е. имеющий равное количество протонов). Многие ядра изотопов являются нестабильным, т.е. могут разрушаться. В процессе такого разрушения ядра излучают, поэтому их называют радионуклидами.
Радионуклидами называются радиоактивные атомы с данным массовым числом и атомным номером.
Различают следующие виды ионизирующих излучений:
n альфа-излучение - излучение, состоящее из ядер гелия;
n бета- излучение - электронное и позитронное излучение;
n гамма- излучение - фотонное (электромагнитное) излучение.
Кроме этих видов излучения выделяют тормозное и рентгеновское излучения, а также нейтронное. Определенные дозы излучений опасны не только для здоровья, но и для жизни. Серьезные биологические последствия воздействия радиоактивных веществ связаны с мутагенным действием ионизирующих лучей на половые клетки. Вызываемые ими мутации могут быть субмикроскопическими или же представить собой микроскопически видимые изменения в хромосомах.
Радиационные мутации бывают:
1. доминантными (если у индивидуума возникла доминантная мутация - то она проявится у всех его потомков);
2. рецессивными (проявляются только у тех индивидуумов, которые
получили одинаковые мутантные гены от обоих родителей).
Рецессивные мутации от воздействия радиации встречаются значительно чаще, чем доминантные.
Среди рецессивных мутантных генов много таких, которые внешне ничем не проявляются, однако снижают плодовитость и продолжительность жизни.
Влияние искусственных источников радиоактивного излучения все более повышает вероятность появления вредных генов. В США (по данным научно- исследовательских организаций) 2% новорожденных имеют ту или иную генетическую аномалию, проявляющуюся до наступления половой зрелости. К этим аномалиям относятся:
· умственная отсталость;
· врожденные аномалии нервной и нейромышечной системы, кожи, скелета, эндокринных желез;
· нарушения слуха , зрения;
· аномалии желудочно-кишечного тракта т мочеполовой системы.
Для выявлении степени опасности необходимо знать, с каким излучением приходится иметь дело. Следует иметь ввиду, что альфа -частицы во много тысяч раз тяжелее бета - частиц, т.е. электронов. Поэтому от альфа- излучения можно защититься листом бумаги. У бета - излучения проникающая способность намного выше, что касается гамма- излучения, то его проникающая радиация способность еще больше. От него можно защититься только свинцовой плитой.
Радионуклиды опасны еще и тем , что по пищевой цепочке они могут попасть непосредственно к человеку. Для оценки активности радионуклидов в системе СИ используется единица 1 беккерель, что соответствует 1 ядерному превращению за 1 секунду. Внесистемной, но часто применимой единицей активности является 1 кюри, что соответствует 3, 7, 10 ядерных превращений за 1 секунду. Минимальный уровень радиоактивного загрязнения, требующий внимания составляет 4 кБк/кг или 1.10 Ки/ кг если оценивается жидкость, то в знаменателе будет стоять л ).
Дозу, поглощенную организмом, имеет смысл определить на единицу массы. Такая доза (поглощенная доза) - это количество энергии излучения живого организма). В системе СИ она измеряется в греях (ГР).
1 Гр =1 Дж/кг. Но эта доза не учитывает тип излучения. С учетом излучения применяют понятие эквивалентной дозы, которой называется основная дозиметрическая величина в области радиационной безопасности, введенная для оценки возможного ущерба здоровью человека от хронического воздействия ионизирующего излучения произвольного состава. В системе СИ она измеряется в зивертах (Зв).
Поглощенную дозу часто измеряют не в Гр , а в радах:1рад= 0,01Гр.
Эквивалентную дозу часто измеряют не в Зв , а в бэрах: 1бэр=0,01Зв.
Далеко не все представляют , что они часто подвергают себя воздействию ионизирующих излучений.
Примеры:
1. При производстве удобрений используются фосфаты, которые содержат уран - источник радиоактивности. Полученные удобрения -радиоактивны. Особенно опасно, если вещества, содержащие фосфаты скармливают скоту. Процесс накопления идет и в том случае, если фосфатные удобрения вносят в почву в жидком виде, что тоже широко применяется в развитых странах.
2. При переработке фосфорных руд образуется кальций-силикатный шлак, обладающий высокой идеальной радиоактивностью. Он применяется при изготовлении бетона, что приближает источник естественной радиации к человеку.
Большой удельной радиоактивностью обладают гранит и пемза, которые широко применяются в качестве строительных материалов.
4. Человек, находящийся в помещении, облучается не только потому , что стены и перекрытия сделаны из радиоактивных материалов, но и в результате воздействия на него радиоактивного газа радона (радон 222 и радон 220 ), который попадает внутрь помещения из грунта под зданием, вместе с природным газом, с водой, а также с наружным воздухом. Если учитывать только те источники, которые исходят из земли, то на радон приходится около 75% . Специалисты подсчитали, что радона поступает в помещение около 60 кБк/ сутки.
Следует учитывать и такой момент, что накопление радиоактивных веществ может происходить не только в организме, но и в неживой природе (воде, почве, воздухе), если приток данного вещества в данный объем больше, чем его отток.
Решение этих проблем требуют комплексного подхода, и первым шагом в этом решении является получение достоверной информации о происходящих процессах.
РАДИАЦИОННАЯ ЭКОЛОГИЯ: ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ
Радиационная экология, как уже отмечалось ранее, изучает взаимоотношения радиоактивной среды с организмами и их сообществами, процессы миграции и накопления радионуклидов в пищевых цепях, а также качественные и количественные изменения биосферы под действием внешнего и внутреннего облучения.
Зарождение радиационной экологии в России относят к концу 20-х гг. XX в. В это время В. И. Вернадский изучал процесс накопления радия живыми организмами. Термин «радиационная экология» (радиоэкология) был предложен в 1956 г. А. М. Кузиным и А. А. Передельским (СССР), а также Е. Одумом (США).
Как уже отмечалось выше, окружающая нас среда всегда была радиационной. Конечно, создаваемые в последнее столетие искусственные источники излучения повышают уровень фона, однако это лишь небольшая дополнительная нагрузка, в отличие от многих других загрязняющих веществ, которых не существовало на Земле, пока люди не начали их промышленное производство.
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ РАДИАЦИОННОЙ ЭКОЛОГИИ
Чтобы говорить об активности радиоактивных источников, введем ряд понятий.
Радиоактивный распад — явление вероятностное (статистическое). Если в образце имеется N нераспавшихся ядер, то невозможно указать, какие из них распадутся за ближайший достаточно малый интервал времени. Полностью определенной является вероятность распада ядра за 1 с, называемая постоянной распада X.
Закон радиоактивного распада в дифференциальном виде предсказывает число (IN ядер, распавшихся за интервал времени сИ:
Активность радионуклида А (радиоактивность) — важнейшая его характеристика, определяется как скорость радиоактивного распада следующим образом: 
Единица измерения активности беккерель (Бк) названа в честь первооткрывателя явления радиоактивности. Активность радионуклида ничего не говорит о дозах радиации, она указывает только на число атомов, распадающихся в секунду, ничего не сообщая ни о виде радиоактивного излучения, ни о величине его энергии. Одинаковая активность различных веществ не подразумевает одинаковую степень поражения биологических тканей.
Закон радиоактивного распада в интегральном виде:
Здесь А0 — исходное число нераспавшихся ядер (при t = 0), N — число нераспавшихся ядер по истечении времени
Период полураспада Т1/2 — время, необходимое для того, чтобы радиоактивное веществопотеряло половину своей активности, определяют из условия  или
Каждый радионуклид имеет неизменный, характерный только ему период полураспада, который может составлять от нескольких секунд до миллионов лет. Например, радионуклиды 238и и 22б11а являются долгоживущими, так как для них значения Г1/2 равны 4,56 109 лети 1622 года соответственно, а половина изотопов 1311 распадается за 8 сут.
Взаимосвязь между активностью и массой т радионуклида устанавливается соотношением
где М — молекулярная масса в [г/моль], Аа = 6,022 Ю23 1/моль — число Аво- гадро, а размерности величин: А — [Бк], Г1/2 — [с], т — [г]. Анализ этого соотношения показывает, что активность радионуклида, опасная для здоровья, соответствует ничтожно малым значениям т. Например, предел годового поступления радионуклида 22611а (часто записываемого в виде Иа-226, Тц2 = 5,11010 с, М = 226 г/моль) через органы дыхания для условий профессионального облучения установлен как 1,3 103 Бк. Это соответствует значению массы всего т = 3,6 108 г.
Для того чтобы структурировать воздействие различных видов излучений и их последствия была введена логически последовательная система для расчета и согласования доз облучения. При этом под понятием доза подразумевается непосредственно количество энергии излучения, переданной организму.
Повреждений, вызванных в живом организме излучением, будет тем больше, чем больше энергии оно передаст тканям. Однако вследствие того, что энергия передается квантами (порциями), в общем случае, чтобы оценить последствия воздействия, для радиоактивного облучения необходимо учитывать не только общую энергию, но тип источника излучения и условия взаимодействия излучения с биологической тканью. Например, внутреннее облучение по последствиям считается наиболее опасным. Поэтому для количественной оценки облучения и нормирования радиоактивного излучения приходится вводить целый ряд дополнительных понятий.
Доза излучения — ионизационный эквивалент энергии, переданной радиационным излучением фиксированному объему (массе).
Дозы можно рассчитывать по-разному, с учетом того, каков размер облученного участка и где он расположен, один ли человек подвергся облучению или группа людей и в течение какого времени это происходило.
Различают следующие понятия.
Экспозиционная доза излучения X — ионизационный эквивалент энергии, переданной фотонами фиксированному объему воздуха.
Единицы измерения:
• в системе СИ — 1 Кл/кг (кулон-на-килограмм);
• специальная единица — 1 Р (сокращение от Рентген).
Рентген — специальная единица экспозиционной дозы, устанавливаемой только для фотонного излучения в системе единиц измерения СГСЭ (энергии, переданной фотонами единице массы сухого воздуха, находящегося при нормальных физических условиях: температура 273 К, давление 0,1 МПа). Названа по имени В. Рентгена, который в 1895 г. открыл Х-лучи (рентгеновское излучение).
Областью передачи энергии фотонного излучения является объем воздуха, равный 1 см3. 1 Р соответствует образованию за пределами рассматриваемого объема одной электростатической единицы заряда СГСЭ в результате полного торможения комптоновских электронов, образующихся в этом объеме. Единица экспозиционной дозы в системе СИ (1 Кл/кг = 3880 Р) менее удобна для практического применения, поскольку существенно превосходит смертельную дозу. Все отечественные приборы обычно прокалиброваны в традиционных единицах измерения.
Отметим, что в данном определении экспозиционной дозы область передачи и поглощения энергии имеет существенно разные пространственные масштабы.
Биологическая опасность зависит не от полной энергии излучения, а от той ее части, которая сконцентрирована в отдельной ее порции (кванте), т. е. квантовый характер воздействия на организм имеет решающее значение.
Поглощенная доза D — определяется как отношение энергии, переданной излучением любого вида единице массы вещества.
Единица измерения:
• в системе СИ — 1 Гр (грей) = 1 Дж/кг;
• в физической системе СГС — 1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Гр.
Исходные принципы дозиметрии фотонного излучения сформулировал английский физик и радиобиолог Л. Грей. Он же и предложил название «рад», являющееся акронимом термина «radiation absorbed dose». Следует отметить, что энергетический эквивалент рентгена для воды и биологической ткани равен 93 эрг/г, т. е. является достаточно близким к единице поглощенной дозы.
Мощность поглощенной дозы D = dD/dt определяется отношением приращения dD поглощенной дозы к интервалу времени dt, за который оно происходит.
Эквивалентная доза Н — мера индивидуального риска возникновения стохастического эффекта облучения. Определяется как произведение поглощенной дозы на взвешивающий коэффициент (коэффициент качества) WR для данного вида излучения (ранее называвшийся биологическим эквивалентом радиоактивного излучения).
Единица измерения:
• в системе СИ — 1 Зиверт (1 Зв = 1 Гр/1Гд);
• специальная единица — 1 бэр = 0,01 Зв.
До 1963 г. единица «бэр» понималась как «биологический эквивалент рентгена» (англ, rem — roentgen equivalent man). В этом случае 1 бэр соответствует такому облучению живого организма данным видом излучения, при котором наблюдается тот же биологический эффект, что и при экспозиционной дозе гамма-излучения в 1 рентген. В системе СИ бэр имеет ту же размерность и значение, что и рад — обе единицы равны 0,01 Дж/кг для излучений с коэффициентом качества, равным единице.
Значения WR устанавливаются для каждого вида излучения индивидуально. Например, в случае у- и р-излучений — WR = 1, для а-частиц — WR » 20, для протонов с энергией более 2 МэВ — WR » 5.
Радиационный риск R — вероятность проявления стохастического эффекта в результате облучения всего тела в течение года. Определяется как произведение годовой эквивалентной дозы на коэффициент риска г смертельного (ракового) исхода, или серьезных наследственных эффектов, приведенных к смертельным последствиям.
Следует учитывать, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны, чем другие. Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с разными коэффициентами (рис. 4.25). Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав по всем органам и тканям, получим эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения для организма. Для населения это среднее значение полагают обычно равным г = 7,3-10 2 1/Зв.
Эффективная эквивалентная доза Е — расчетная величина, определяемая из условия равенства значений индивидуального риска для эффективного наружного и реального внутреннего облучения. Измеряется в единицах эквивалентной дозы.
Рис. 4.25
Коэффициенты радиационного риска для разных тканей (органов) человека при равномерном облучении всего тела, рекомендованные Международной комиссией по радиационной защите (МКРЗ) для вычисления эффективной эквивалентной дозы
Ожидаемая эквивалентна доза Нс,
приведенная к средней длительности жизни (условно 70 лет) используется, если скорость выведения радионуклидов из внутренних органов мала, и следовательно, облучение продолжается спустя длительное время после окончания поступления радионуклидов. Для наиболее медленно выводящихся трансурановых радионуклидов отношение Нс к годовой эквивалентной дозе превышает 100.
Коллективная доза 5 = ЫЕ используется для определения радиационного ущерба в простейшем случае облучения группы численностью N одинаковой дозой Е. Считается, что при Д = N ? Е = 1 чел. ? 1 Зв отдаленные последствия облучения приводят к потере 1 человека в год. Согласно рекомендациям МКРЗ цена единицы коллективной дозы составляет (1-2)Ю4 долл./(чел.-Зв). Просуммировав индивидуальные эффективные эквивалентные дозы, полученные группой людей, мы придем к коллективной эффективной эквивалентной дозе, которая измеряется в человеко-зивертах (чел.-Зв).
Рис. 4.26
К понятию дозы облучения
Таблица 4.8
Сводка основных дозиметрических характеристик и единиц их измерений
Характеристика
|
Единица измерений в системе СИ
|
Внесистемная единица
|
Активность радионуклида
|
Беккерель (Бк): 1 Бк = 1 расп/с
|
Кюри (Ки):
1 Ки = 3,7-10111 расп/с[1] [2]
|
Экспозиционная доза
|
Кулон/кг (Кл/кг)
|
Рентген (Р):
1 Р = 0,258 мКл/кг = 0,87 рад
|
Поглощенная доза
|
Грей (Гр):
1 Гр = 1 Дж/кг
|
Рад:
1 рад = 0,01 Гр = 100 эрг/г
|
Эквивалентная доза
|
Зиверт (Зв):
1 Зв = 1 Гр/ И7«
|
Бэр:
1 бэр = 0,01 Зв
|
Эффективная доза
|
Зиверт (Зв)
|
Бэр
|
Коллективная эффективная доза
|
Человеко-зиверт
(чел.-Зв)
|
Человеко-бэр (чел.-бэр): 1 чел.-бэр = 0,01 чел.-Зв
|
Поскольку многие радионуклиды распадаются очень медленно и останутся радиоактивными в отдаленном будущем, вводят еще одну характеристику.
Ожидаемая (полная) коллективная эффективная эквивалентная доза —
коллективная эффективная эквивалентная доза, которую получат многие поколения людей от какого-либо радиоактивного источника за все время его дальнейшего существования.
Такая, внешне сложная иерархия понятий представляет собой логически последовательную систему и позволяет рассчитывать согласующиеся или сопоставимые друг с другом дозы облучения (рис. 4.26, табл. 4.8). |
|
|
Скачать 236.14 Kb.