Общие сведения о радиации

Ионизирующее излучение

Радиация на земле присутствовала всегда. С самого начала жизнь во всех ее проявлениях развивалась на Земле на фоне постоянно существующей радиации. Поэтому есть все основания полагать, что живые организмы должны хорошо переносить ее воздействие в том случае, если уровень последней не слишком высок. Вместе с тем ясно, что воздействие на живые организмы слишком высокого уровня радиации, несомненно, приводит к нежелательным последствиям.

Слово «радиация» имеет более конкретное название «Ионизирующее излучение». Иногда ионизирующее излучение называют радиоактивным излучением.

Свет, радиоволны, радиационное тепло от солнца тоже представляют собой разновидность излучений и даже можно сказать разновидность радиации (рисунок 4.1). Однако они не вызывают повреждений путем ионизации, хотя, конечно, могут оказывать биологические эффекты, если интенсивность их воздействия увеличить.

Ионизирующее излучение – это, прежде всего, рентгеновское, гамма-, бета-, альфа- и нейтронное излучения.

Рентгеновское и гамма-излучение представляют собой энергию, передаваемую в виде волны, без какого-то ни было движения вещества.

Рентгеновское излучение и гамма-излучение по своей природе и свойствам не отличаются друг от друга. Различие между ними состоит в способах их образования и длинах волн.

Если рентгеновские лучи обычно получают с помощью электронного аппарата (рентгеновского аппарата), то гамма лучи испускаются нестабильными или радиоактивными изотопами.

Остальные типы ионизирующих излучений – это быстро движущиеся частицы – поток частиц.

Альфа-излучение – поток ядер атомов гелия (положительно заряженные, относительно тяжелые).

Бета-излучение – поток электронов.

Нейтронное излучение – поток нейтронов (т.к. эти частицы электронейтральны, они глубоко проникают в любое вещество, включая живые ткани).

Могут встречаться также потоки частиц из протонов и тяжелых ионов.

Рисунок 4.1 – Спектр электромагнитных волн

Ядерные превращения

Большинство атомов стабильны, но некоторые атомы неустойчивы (радиоизотопы), они самопроизвольно разрушаются и превращаются в другие. Существует три основных вида самопроизвольных ядерных превращений.

1. α-распад (альфа-распад).

Ядро испускает α-частицу, которая представляет собой ядро атома гелия (⁴Не) и состоит из двух протонов и двух нейтронов.

При α-распаде массовое число изотопа уменьшается на 4, а заряд ядра на 2, например:

2. β-распад (бета-распад).

В неустойчивом ядре нейтрон превращается в протон, при этом ядро испускает электрон (β-частицу) и антинейтрон:

(4.1)

При β-распаде массовое число изотопа не изменяется, поскольку общее число протонов и нейтронов сохраняется, а заряд ядра увеличивается на 1, например:

3. γ-распад (гамма-распад).

Возбужденное ядро испускает электромагнитное излучение с очень малой длиной волны и очень высокой частотой (γ-излучение), при этом энергия ядра уменьшается, массовое число и заряд ядра остаются неизменными.

Самопроизвольный распад ядра изображен на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 – Схема деления ядра

Ядро можно рассматривать как маленькую каплю, внешняя поверхность которой непрерывно изменяется. И может наступить момент когда в ядре возникает сначала перетяжка, а затем ядро делится на две части. Так, например, из ядра урана-238 возникают два новых элемента середины периодической таблицы Менделеева (приложение 1).

В процессе ядерных превращений происходит самопроизвольное испускание атомами излучение (гамма-излучение). Природа этого излучения состоит в освобождении энергии связи ядра. Так как «Луч» по латыни «radius», поэтому самопроизвольное испускание атомами излучения получило название радиоактивности.

Проведенные с радиоактивными веществами множественные экспериментальные исследования показали, что внешние условия не влияют на характер и скорость самопроизвольного распада ядер.

С течением времени число радиоактивных ядер уменьшается по закону радиоактивного распада:

		(4.2)
где N0 – число ядер в момент времени t; Т – период полураспада, т.е. время, за которое число ядер уменьшиться в два раза.

Зная период полураспада, можно рассчитать, сколько радионуклидов останется через определенное время.

Радиоактивное излучение свидетельствует о том, что ядра атомов претерпевают распад, в результате которого они превращаются в ядра новых элементов.

Энергия, выделяемая при распаде ядер атомов, называется ядерной.

Разные виды излучений сопровождаются высвобождением разного количества энергии и обладают разной проникающей способностью, поэтому они оказывают неодинаковое воздействие на ткани живого организма.

Альфа-излучение задерживается, например, листком бумаги и практически не способно проникнуть через наружный слой кожи, образованный отмершими клетками. Поэтому оно не представляет опасности до тех пор, пока радиоактивные вещества, испускающие альфа-частицы, не попадут внутрь организма через открытую рану, с пищей или вдыханием воздуха, тогда они становятся чрезвычайно опасными.

Бета-излучение обладает большей проникающей способностью: оно способно проходить в ткани организма на глубину 1-2 см.

Проникающая способность гамма-излучения, которое распространяется со скоростью света, очень велика: его может задержать лишь толстая свинцовая или бетонная плита (рисунок 4.3).

Если вблизи воздействия ядерной энергии находится живой организм, то он поглощает эту энергию. Поглощение энергии расходуется на разрыв химических связей в клетках организма с образованием высокоактивных в химическом отношении соединений, так называемых свободных радикалов. Вследствие этого в организме начинают происходить другие химические превращения (уже не ядерные). В организме возникают повреждения. Повреждений, вызванных в организме излучений будет тем больше, чем больше энергии оно передает тканям. Количество такой переданной тканям энергии называется дозой.

Рисунок 4.3 – Три вида ионизирующих излучений и их проникающая способность

Параметры радиации

Степень радиоактивного поражения определяется дозой ионизирующего излучения.

Доза ионизирующего излучения – количество энергии, поглощенной в единице массы среды.

Для количественной характеристики воздействия ионизирующего излучения введено такое понятие, как поглощенная доза (т.е. поглощенная энергия излучения), в каждом случае отнесенная к массе облучаемого материала.

Поглощенная доза

Поглощенная доза – количество энергии ионизирующего излучения, поглощенное единицей массы облученного тела.

Поглощенная доза равна поглощенной энергии излучения деленной на массу тела.

Распространенной несистемной единицей измерения поглощенной дозы является – 1 рад.

Поглощенная доза в 1 рад соответствует повышению температуры человеческого тела меньше, чем на 0,00001 ⁰С.

В системе СИ поглощенная доза измеряется в грэях (Гр):

Экспозиционная доза

Если количество поглощенной энергии гамма- или рентгеновского излучений рассматривать не для вещества, а для воздуха, то вводится понятие ионизации воздуха.

Причем для воздуха была введена специальная единица, которая связывала заряд ионов каждого знака в 1 см³ сухого воздуха, возникающих в процессе его ионизации гамма-излучением, с «количеством» этого гамма-излучения.

Для воздуха «количество» излучения, вызывающего ионизацию, было названо экспозиционной дозой.

Внесистемная распространенная единица измерения экспозиционной дозы – рентген (Р).

Единица измерения экспозиционной дозы в системе СИ – кулон на килограмм (Кл/кг).

1 Кл/кг – экспозиционная доза рентгеновского или гамма-излучения, при которой сопряженная корпускулярная эмиссия создает в 1 кг сухого атмосферного воздуха ионы, несущие заряд в 1 Кл электричества каждого знака.

Эквивалентная доза

Интерес вызывает случай измерения поглощенной дозы применительно к биологической ткани (в том числе к материалу, из которого, в среднем, состоит и организм человека). Причем представляет интерес не только сама энергия (хотя она является физической сущностью этого процесса), но и степень ее биологической опасности, она различна для разных видов ионизирующих излучений.

Таких единиц как рентген и рад, оказалось недостаточно для характеристики биологических поражений, вызванных излучением.

Для оценки степени биологической опасности на основе многочисленных исследований установлен коэффициент качества – k каждого вида излучений (фактически это коэффициент вредности). Также этот коэффициент называют радиационным взвешивающим фактором. Этот оценочный коэффициент отражает способность данного вида излучения повреждать ткани организма.

Он безразмерный (относительный). Для бета- и гамма-излучений он равен единице, для альфа-излучения в среднем 20, для нейтронных потоков – в среднем 10.

Таким образом, опасность для организма человека от поглощенной биологической тканью дозы излучения равна произведению этой дозы на оценочный коэффициент. Результат произведения называется эквивалентной дозой.

Эквивалентная доза – понятие, посредством которого производиться учет неодинаковой биологической активности различных видов излучений с помощью безразмерных коэффициентов, характеризующих радиационную биологическую активность – коэффициент качества излучения.

Несмотря на совпадение размерностей (взаимоотношение основных определяющих единиц) с размерностью поглощенной дозы (Дж/кг), для ее измерения с целью подчеркивания ее радиобиологического значения введена специальная единица – Зиверт (Зв).

Распространенная внесистемная единица эквивалентной дозы – бэр (биологический эквивалент рентгена).

Эффективная эквивалентная доза

Полученная человеком эквивалентная доза является основным радиобиологическим критерием опасности воздействия на него любого радиационного излучения. Следует учитывать также, что части тела (органы, ткани) более чувствительны, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с разными коэффициентами. Это так называемые тканевые взвешенные факторы (рисунок 4.4).

Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав по всем органам и тканям, получим эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения для организма; она также измеряется в Зивертах. Прямые замеры эквивалентной дозы проводят на чрезвычайно сложной профессиональной дорогостоящей аппаратуре – так называемых счетчиках излучения человека (СИЧ). Неплохие результаты дают и измерения при помощи накопительных дозиметров, которые люди, попадающие под такой вид контроля по условиям своей работы, или проживающие в сильно загрязненной местности, должны постоянно иметь при себе. Преимуществом обоих этих методов является учет фактического облучения человека.

Недостатками этих методов являются получение результатов только после полученного облучения, невозможность оперативного текущего учета радиационной обстановки в месте пребывания с целью исключения необоснованного облучения.

Рисунок 4.4 – Коэффициенты радиоактивного риска

Мощность дозы

Для обеспечения прогноза радиоактивных воздействий введено понятие мощность дозы. Это чрезвычайно важное понятие применяется и для экспозиционной, и для поглощенной, и для эквивалентной доз. В каждом случае соответствующая мощность дозы равна дозе, получаемой тем или иным веществом за единицу времени (за секунду, или в бытовых условиях чаще, за час). Мощность эквивалентной дозы принято обозначать МЭД. Зная эту величину, можно вычислить ожидаемое значение получаемой дозы за любой, наперед заданный, период времени, умножив МЭД на это время.

Например, дозиметрический прибор показал мощность эквивалентной дозы на ступеньках из гранита – 0,8 мкЗв/час (Р=0,8 мкЗв/час). Если человек посидит на этих ступеньках, например, 5 часов, то он получит радиационное облучение дозой 4 мкЗв: 0,8 мкЗв/час*5 часов = 4 мкЗв (400 мкбэр), что в 25-50 раз выше дозы от естественной солнечной радиации.