При работе на ядерных установках и с радиоактивными препаратами, использующимися в разных областях науки и техники (дефектоскопия в машиностроении, радиоактивные приборы для контроля толщины, уровня жидкости, лучевые датчики, устройства для автоматизации производственных процессов, применение излучений в медицине, добыча и переработка урановых руд и т. п.), человек подвергается внешнему радиоактивному облучению.
Ионизирующим называют излучение, которое при взаимодействии с веществом вызывает ионизацию составляющих его атомов и молекул, то есть превращает нейтральные атомы или молекулы в ионы.
К известным вам видам ионизирующего излучения (а-, |3- и у-излуче-ние, рентгеновские лучи) принадлежат потоки нейтронов, протонов и т. п. Когда излучение проходит через вещество, атомы и молекулы, из которых оно состоит, ионизируются. Вследствие возбуждения молекул в живом организме, их функции могут нарушаться. В случае ионизации атомов живой клетки она повреждается. Электроны, входящие в состав атомов или молекул среды, отрываются от них и могут перемещаться по всему веществу. Например, при облучении увеличивается степень диссоциации молекул воды на ионы Гидрогена и гидроксид-ионы.
Ионы и радикалы, образующиеся в тканях организма под действием излучения, начинают взаимодействовать с другими молекулами. Продукты вторичных реакций, в свою очередь, реагируют с новыми молекулами, вследствие чего состав веществ в тканях изменяется. Состав соединений, регулирующих деятельность организма, изменяется, и в зависимости от интенсивности облучения могут возникнуть так называемые лучевая болезнь, раковые опухоли, лейкемия (белокровие) и т. п.
Нейтроны непосредственно ионизации не вызывают, но, вступая в реакцию с различными тканями тела человека, служат причиной возникновения вторичного ионизирующего излучения.
Любые изменения в облученном объекте, вызванные ионизирующим излучением, называют радиационно индуцированным эффектом.
В зависимости от уровня биологической организации живого вещества радиобиологи различают следующие виды биоповреждений ионизирующим излучением: молекулярный - повреждения молекул ДНК, РНК, ферментов; отрицательное влияние на процессы обмена; субклеточный — повреждения биомембран и составляющих элементов клеток; клеточный — торможение и прекращение деления клеток и частичное преобразование их в злокачественные; тканевый - повреждение наиболее чувствительных тканей и органов (например, красный костный мозг); организменный -заметное сокращение продолжительности жизни или быстрая гибель организма; популяционный — изменение генетических характеристик у отдельных индивидов.
Для количественной характеристики действия ионизирующего излучения на окружающую среду введены следующие физические величины и их единицы.
Основную физическую величину, характеризующую радиоактивный источник, называют активностью А:
где N — число радиоактивных распадов; t - время распада. В СИ за единицу активности принят один беккерель (1 Бк). Активности 1 беккерель соответствует один распад в секунду. Исторически первым веществом, на котором изучали закон радиоактивного распада, был радий-226. В одном грамме радия происходит 3,7 • Ю10 распадов в секунду. Поэтому в практической дозиметрии и радиационной физике пользуются и другой единицей активности - 1 кюри (1 Ки):
Принято считать, что изменения, происходящие в облученном веществе, определяются поглощенной энергией радиоактивного излучения.
Поглощенной дозой излучения D называют отношение поглощенной дозы энергии Е к массе т облученного вещества:
За единицу поглощенной дозы излучения принят 1 рад (англ, radation absorbed dose - «поглощенная доза излучения»).
1 рад — это доза, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия 10-2 Дж.
В СИ поглощенная доза излучения определяется в греях (Гр).
1 грей равен поглощенной дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж:
Однако, если бы даже удалось измерить поглощенную дозу излучения непосредственно в живой ткани, несмотря на сложность, ценность этих измерений была бы невелика, поскольку одинаковая энергия различных частиц вызывает неодинаковый биологический эффект. Поэтому для медицинской диагностики используют способность рентгеновских лучей, проходящих сквозь ткани организма, ионизировать также тканеэквивалентное вещество — воздух. Измерение степени этой ионизации привело к появлению дозиметрической величины -экспозиционной дозы D3, как меры ионизирующего действия на воздух.
Экспозиционная доза — количественная характеристика у- и рентгеновского излучений, которая характеризует их ионизирующее действие и определяется суммарным электрическим зарядом ионов одного знака, образованных в единице массы воздуха:
где q - заряд образованных ионов; т - масса воздуха.
Единицей экспозиционной дозы является один кулон на килограмм (1 Кл/кг). При такой экспозиционной дозе вследствие ионизирующего действия излучения на воздух и мягкие ткани в 1 кг сухого воздуха при нормальных условиях образуются ионы каждого знака, имеющие заряд 1 Кл.
Эта единица дала возможность связать поглощенную энергию с ионизирующим и биологическим эффектами. В практической дозиметрии используют экспозиционную дозу излучения — один рентген (1 Р).
Один рентген — это такая экспозиционная доза рентгеновского или у-излучения, при которой в 1 см3 сухого воздуха (1,29 ' 10-6 кг) при О °С и давлении 760 мм рт. ст. образуются ионы, имеющие заряд каждого знака, равный 3,34 ' Ю-10 Кл.
Экспозиционная доза практически удобна, поскольку ионизацию воздуха легко измерить с помощью дозиметра. Можно использовать связь между внесистемной (1 Р) и системной (Кл/кг) единицами:
При дозе 1 Р образуется приблизительно 2,08 • 109 пар ионов.
Отметим, что в воздухе и мягких тканях организма человека одинаковые экспозиционные дозы рентгеновского или у-излучений создают приблизительно одинаковое количество ионов в 1 см3. Поэтому можно оценивать поглощение энергии мягкими тканями не по поглощенной дозе излучения (D), а по эквивалентной дозе Пэкв.
Эквивалентная доза (Пэкв) — это поглощенная доза, умноженная на коэффициент К, отображающий способность излучения определенного типа оказывать действие на ткани организма:
Коэффициент К называют относительной биологической эффективностью (ОБЭ), или коэффициентом качества. Для рентгеновского, у- и Р-из-лучений К — 1, для тепловых нейтронов К — 5, для быстрых нейтронов и протонов К - 10, для а-частиц К - 20.
Единицей эквивалентной дозы в СИ является один зиверт (1 Зв), в
честь шведского радиобиолога Рольфа Зиверта.
для рентге
новского, а- и Р-излучений.
Надо учесть и то, что различные части тела имеют разную чувствительность к облучению. Из-за этого дозы облучения органов и тканей необходимо рассчитывать с разными коэффициентами радиационного риска (рис. 252).
Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты радиационного риска для всех органов и тканей и сложив их, получим значение эффективной эквивалентной дозы, отображающей суммарный эффект облучения организма. Эффективная эквивалентная доза введена Международной комиссией по радиационной защите (МКРЗ). Ее единицей в СИ является также один зиверт (1 Зв).
Сложив индивидуальные эффективные эквивалентные дозы, полученные группой людей, определим коллективную эффективную эквивалентную дозу. Ее единицей в СИ является один человеко-зиверт.
Однако возникает необходимость еще в одном определении, поскольку многие радиоактивные нуклиды (атомы с определенными характеристиками) распадаются довольно медленно и надолго остаются радиоактивными.
Коллективную эффективную дозу, которую получат многие поколения людей от радиоактивного источника в течение всего времени его дальнейшего существования, называют ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозой.
Проблемы биологического влияния ионизирующих излучений на живые организмы и установление значений безопасных доз облучения тесно связаны с существованием естественного радиационного фона на поверхности Земли. Дело в том, что в любом месте на поверхности Земли, под землей, в воде, в атмосферном воздухе и в космическом пространстве имеются ионизирующие излучения различных видов и разного происхождения. Эти излучения существовали, когда еще не было жизни на Земле, они есть и сейчас, будут и в дальнейшем. В условиях существования естественного радиационного фона на Земле возникла жизнь, которая прошла эволюционный путь до нынешнего состояния. Поэтому можно с уверенностью сказать, что дозы облучения, близкие к уровню естественного фона, не представляют серьезной опасности для живых организмов.
Чем же обусловлено существование естественного радиационного фона и каково значение фоновой дозы облучения?
В большинстве мест на Земле значительная часть дозы естественного фона обусловлена внешним облучением, создаваемым у-излучением естественных радиоактивных изотопов земной коры - Урана, Тория, Калия и других элементов. Интенсивность дозы внешнего облучения зависит от типа пород земной коры в данной местности, от материа
лов, из которых построены дома. Наибольшую радиоактивность имеют гранитные породы и стены каменных домов, наименьшую - стены деревянных домов. Доза внешнего фонового у-излучения колеблется в большинстве мест от 0,3 до 0,6 мЗв в год.
На Земле есть местности, в которых почвы содержат большое количество Урана и Тория, поэтому уровень внешнего у-облучения в них может достигать 8—15 мЗв в год. Среднее значение эквивалентной дозы от внешнего фонового у-излучения можно принять равным 0,4 мЗв в год.
Второй источник облучения - космическое излучение. Космическим излучением у поверхности Земли (вторичное космическое излучение) называют поток у-излучения и быстрых заряженных частиц, возникающих в атмосфере под действием первичного космического излучения, которое состоит в основном из протонов, приходящих из космоса. Земная атмосфера эквивалентна десятиметровому слою воды, поглощает большую часть космического излучения и надежно защищает все живое на Земле от его действия. На уровне моря доза облучения равна 0,3 мЗв в год. При подъеме в верхние слои атмосферы интенсивность потока космического излучения возрастает. На высоте 3000 м над уровнем моря она увеличивается почти в три раза.
Кроме внешнего облучения, каждый живой организм подвергается внутреннему облучению. Оно обусловлено тем, что с пищей, водой и воздухом в организм попадают различные химические элементы, имеющие естественную радиоактивность: Карбон, Калий, Уран, Торий, Радий, Радон. Количество этих элементов в организме человека зависит от потребляемой пищи. В целом среднее значение эквивалентной дозы облучения, обусловленного природными радиоактивными изотопами, попадающими в организм человека с пищей и водой, равно приблизительно 0,3 мЗв в год.
Значительную долю дозы внутреннего облучения в большинстве мест на Земле составляет радиоактивный Радон и продукты его распада, попадающие в организм человека при дыхании. Радон постоянно образуется в почве повсюду на Земле. Это инертный газ, поэтому в почве он не удерживается и постепенно выходит в атмосферу. Концентрация Радона повышается в закрытых непроветриваемых помещениях, особенно она высока в подвальных помещениях, в нижних этажах домов, близких к почве. В большинстве домов удельная активность Радона и продуктов его
о
распада близка к 50 Бк/м , это приблизительно в 25 раз выше среднего уровня удельной активности атмосферного воздуха вне домов.
Среднее значение годовой эквивалентной дозы облучения, обусловленной Радоном и продуктами его распада, равно 1 мЗв. Это приблизительно половина средней годовой дозы облучения, которую получает человек от естественных источников радиации. Следовательно, среднее значение эквивалентной дозы облучения, обусловленной естественным радиационным фоном, равно приблизительно 2 мЗв в год.
В наше время все люди на Земле подвергаются действию ионизирующего излучения не только естественного, но и искусственного происхождения. Искусственными источниками радиации, созданными человеком, являются рентгеновские диагностические и терапевтические установки, средства автоматического контроля и управления, использующие радиоактивные
изотопы, ядерные энергетические и исследовательские реакторы, ускорители заряженных частиц и разные высоковольтные электровакуумные приборы, отходы тепловых и атомных электростанций, продукты ядерных взрывов.
Из всех искусственных источников ионизирующего излучения больше всего влияют на человека источники рентгеновского излучения, используемые в медицине. Средняя эквивалентная доза, получаемая человеком за год в промышленно развитых странах, равна приблизительно 1 мЗв, то есть около половины дозы естественного фона.
При работе с радиоактивными источниками существует радиационная опасность, и она очень коварна, поскольку тяжелые, часто неисправимые патологические изменения в организме наступают под воздействием излучения без малейших субъективных признаков, сигнализирующих об опасности. Эти изменения накапливаются в организме и могут проявиться спустя очень большое время (десятилетия) после облучения, когда лечение оказывается запоздалым. Поэтому легкомысленное отношение к радиации абсолютно недопустимо.
Уменьшить поглощенную дозу излучения (защита от излучения) при работе с источниками радиации можно следующими мероприятиями и требованиями.
«Защита расстоянием» — с увеличением расстояния от точечного источника радиации интенсивность излучения и поглощенная доза уменьшаются обратно пропорционально квадрату расстояния.
«Защита временем» - чем меньше время пребывания в зоне действия излучения, тем меньше поглощенная доза.
Установление защитных экранов, поглощающих излучение. Степень экранирования зависит от проникающей способности различных типов излучения.
Обязательное знание и выполнение персоналом правил безопасности во время работы в зоне действия излучения, а также информирование персонала и населения о наличии опасности радиоактивного облучения или загрязнения.
На рисунке 253, а показан основной знак радиационной опасности, а на рисунке 253, б - введенный в 2007 г. дополнительный знак радиационной опасности. Обычно такими знаками обозначают транспортные средства для перевозки радиоактивных веществ, тару для их хранения и транспортировки, места хранения радиоактивных веществ, рабочие зоны, в которых есть радиация, загрязненные участки территории и т. п.
ВОПРОСЫ К ИЗУЧЕННОМУ
1. Дайте определение дозы излучения. Какие ее единицы в СИ?
2. Что такое поглощенная доза?
3. Дайте определение одного грея.
4. Как связана экспозиционная доза с зарядом тела?
5. Дайте определение одного зиверта.
6. Чем отличается эффективная эквивалентная доза от коллективной эффективной эквивалентной дозы?
7. Что такое естественный радиационный фон? Как от него защищаются?
Это материал учебника Физика 9 класс Сиротюк