12.4. радиационные воздействия

12.4. радиационные воздействия

Ионизирующее излучение

Земля находится под постоянным воздействием потока быстрых частиц и квантов жесткого электромагнитного излучения, приходящих из космоса. Этот поток называют космическими лучами. Космические лучи приходят из глубин вселенной и от Солнца. Часть потока космических лучей достигает поверхности Земли, а часть поглощается атмосферой, порождая вторичное излучение и приводя к образованию различных радионуклидов. Взаимодействие космических лучей с веществом приводит к его ионизации.

Поток частиц или электромагнитных квантов, взаимодействие которых со средой приводит к ионизации ее атомов, называется ионизирующим излучением.

Ионизирующее излучение может иметь и земное происхождение. Например, возникать при радиоактивном распаде.

Радиоактивность

Явление радиоактивности было открыто в 1896 г. А. Беккерелем.

Радиоактивность — способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием частиц.

Существуют два вида радиоактивности:

• естественная, которая встречается у природных неустойчивых ядер;

• искусственная, которая встречается у радиоактивных ядер, образованных в результате различных ядерных реакций.

Оба вида радиоактивности имеют общие закономерности.

Основной закон радиоактивного распада

Радиоактивный распад — явление статистическое. Можно установить вероятность распада одного ядра за определенный промежуток времени. За равные промежутки времени распадаются одинаковые доли наличных (т. е. еще не распавшихся к началу данного промежутка времени) ядер радиоактивного элемента.

Пусть за малое время dt распадается dN ядер. Это число пропорционально интервалу времени dt и общему числу радиоактивных ядер N:

где λ — постоянная распада, пропорциональная вероятности распада радиоактивного ядра и зависящая от природы элемента; знак «—» указывает на убывание количества радиоактивных ядер.

Решением дифференциального уравнения (12.23) является экспоненциальная функция:

где N0— число радиоактивных ядер в момент t = 0, a N — число не распавшихся ядер в текущий момент времени t.

Формула (12.24) выражает закон радиоактивного распада.

Число радиоактивных ядер убывает со временем по экспоненциальному закону.

На практике вместо постоянной распада А, часто используют другую величину, называемую периодом полураспада.

Период полураспада (Т) — это время, в течение которого распадается половина радиоактивных ядер.

Период полураспада может быть как очень большим, так и очень маленьким. Например, для урана Т = 4,5·109 лет, а для лития ТLi = 0,89 с.

Характеристики распада Т и λ, связаны соотношением: •

Закон радиоактивного распада с использованием периода полураспада записывается так:

На рис. 12.7 изображены процессы радиоактивного распада для двух веществ с различными периодами полураспада.

Рис. 12.7. Убывание количества ядер исходного вещества при радиоактивном распаде

Активность

При работе с радиоактивным источником важно знать общее число частиц, вылетающих из препарата за единицу времени. Эта величина зависит от того, сколько частиц (включая у-фотоны) образуется при распаде одного ядра, и от числа распадов за t = 1 с. Скорость радиоактивного распада называется активностью.

Активность — число ядер радиоактивного препарата, распадающихся за единицу времени:

Единица измерения активности в СИ — беккерель (Бк), что соответствует одному акту распада в секунду.

На практике более употребительна внесистемная единица активности — Кюри (Ки): 1 Ки = 3,77·1010 Бк = 3,77·1010с-1.

Приведем еще одну полезную формулу. Пусть в некоторый момент времени активность равна А0 тогда через время t активность определяется соотношением:

Зная активность препарата и продукты, образующиеся при распаде одного ядра, можно вычислить, сколько частиц каждого вида испускает препарат за 1 с. Например, если при делении одного ядра образуется п частиц, то за одну секунду препарат испускает поток частиц N = п·А.

Основные виды радиоактивного излучения

Первоначально при изучении явления радиоактивности были обнаружены 3 вида лучей, испускаемых радиоактивными ядрами, которые получили названия α-, βи γ-лучей. Позже было установлено, что α-лучи — это поток ядер гелия, β-лучи — поток электронов, а γ-лучи — поток квантов электромагнитного излучения с длиной волны λ ≤10-10 м. Кроме перечисленных видов излучения при радиоактивном распаде возникают и потоки быстрых нейтронов, но собственного названия нейтронное излучение не получило.

Биофизические основы действия ионизирующего излучения

Под воздействием ионизирующего излучения в тканях организма возникают следующие процессы:

• при воздействии излучения на молекулы воды, содержащейся в тканях, происходят различные реакции, названые радиолизом воды;

• воздействие излучения на молекулы органических соединений приводит к образованию возбужденных молекул, ионов, радикалов, перекисей. Эти высокоактивные в химическом отношении соединения будут взаимодействовать с остальными молекулами биологической системы, что, в свою очередь, приведет к нарушениям мембран, клеток, а следовательно, и функций всего организма.

Отметим общие закономерности биологического действия ионизирующего излучения:

• большие нарушения при малой поглощенной энергии;

• действие на последующие поколения через наследственный аппарат клетки;

• характерен скрытый, латентный период;

• разные части клеток по-разному чувствительны к излучению;

• прежде всего, поражаются делящиеся клетки, что особенно опасно для детского организма;

• губительное действие на ткани взрослого организма, в которых есть деление.

Дозиметрия

Дозиметрия — раздел ядерной физики и измерительной техники, в котором изучают величины, характеризующие действие ионизирующего излучения на вещества, а также методы и приборы для их измерения.

Количественно действие ионизирующего излучения (независимо от его природы) оценивается по энергии, переданной веществу. Для этого вводится величина — доза излучения (доза — порция).

а) Поглощенная доза

Поглощенная доза (D) — величина, равная отношению энергии А.Е, переданной элементу облучаемого вещества, к массе т этого элемента:

В СИ единицей поглощенной дозы является грей [Гр].

1 Гр соответствует дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж.

Иногда пользуются внесистемной единицей поглощенной дозы — рад.

1рад=10-2Гр.

Практическое определение поглощенной дозы затруднено из-за неоднородности тела, рассеивания энергия излучения по различным направлениям и т. п. Для электромагнитного излучения поглощенную телом дозу можно оценить по ионизирующему действию излучения в воздухе, окружающем объект.

б) Экспозиционная доза

Экспозиционная доза оценивает действие рентгеновского и g-излучения по ионизации, вызываемой ими в воздухе, окружающем облучаемое тело.

Экспозиционной дозой (X) называется отношение суммарного заряда всех ионов одного знака, созданных излучением в некотором объеме воздуха, к массе воздуха в этом объеме.

В СИ единицей экспозиционной дозы является кулон на килограмм.

1 Кл/кг соответствует экспозиционной дозе фотонного излучения, при которой в результате ионизации в 1 кг сухого воздуха (при нормальных условиях) образуются ионы, несущие заряд, равный 1 Кл каждого знака.

На практике пользуются единицей, которая называется рентген [Р].

1Р = 2,58·10-4Кл/кг.

При экспозиционной дозе 1 Р в результате ионизации в 1 см3 сухого воздуха при нормальных условиях образуется 2 • 109 пар ионов. Связь между поглощенной и экспозиционной дозами:

D = f·X, (12.29)

где ƒ — некоторый коэффициент, зависящий от облучаемого вещества и энергии фотонов.

Для костной ткани ƒ = 1 — 4,5. Для воды и мягких тканей ƒ  1. Следовательно, поглощенная доза излучения в радах численно равна соответствующей экспозиционной дозе в рентгенах (1 рад = 1 Р). Это определяет удобство использования внесистемных единиц рад и Р.

в) Эквивалентная доза

При облучении живых организмов возникают биологические эффекты, величина которых при одной и той же поглощенной дозе различна для разных видов излучений. По этой причине принято сравнивать биологические эффекты, вызываемые любыми ионизирующими излучениями, с эффектами от рентгеновского и γ-излучений. Коэффициент, показывающий во сколько раз радиационная опасность данного вида излучения выше, чем радиационная опасность рентгеновского излучения (при одинаковой поглощенной дозе), называется коэффициентом качества излучения (K) Для рентгеновского и γ-излучений К = 1, а для всех других видов ионизирующего излучения К устанавливается на основании радиобиологических данных.

Эквивалентной дозой (Н) называется произведение коэффициента качества излучения на поглощенную дозу:

H = K·D. (12.30)

Единица измерения эквивалентной дозы имеет такую же размерность, что и единица поглощенной дозы, но название у нее другое. В СИ единицей эквивалентной дозы является зиверт [Зв]:

1 Зв = 1 Дж/кг.

Внесистемная единица эквивалентной дозы — бэр:

1 бэр = 10-2 Зв.

Коэффициент качества устанавливается на основании опытных данных. Он зависит не только от вида частицы, но и от ее энергии. В табл. 12.5 представлены приближенные значения К для некоторых излучений.

Таблица 12.5

Значения коэффициента качества для некоторых излучений

Физиологическое действие ионизирующего излучения

Физиологическое действие излучения с различной эквивалентной дозой указано в табл. 12.6.

Таблица 12.6

Физиологическое действие излучения для различных эквивалентных доз

Приняты предельно допустимые эквивалентные дозы (Нпред):

• 0,17 бэр за год — для обычного человека;

• 5 бэр за год — для профессионалов.

Соотношения между различными дозами

В табл. 12.7 представлены соотношения между различными дозами облучения.

Таблица 12.7

Соотношение между дозами

Мощность дозы

Доза облучения пропорциональна времени действия ионизирующего облучения:

где ΔD— доза облучения, полученная за время Δt. Коэффициент пропорциональности N называется мощностью дозы.

Мощность дозы (N) — величина, определяющая дозу, полученную объектом за единицу времени:

При равномерном действии излучения доза равна произведению мощности на время действия излучения:

D = N·t. (12.32)

• Единица мощности поглощенной дозы излучения — [Гр/с], внесистемная единица мощности — [рад/с].

• Единица мощности экспозиционной дозы — [ А/кг], внесистемные единицы мощности — [Р/с], [Р/ч], [мкР/ч]

• Единица мощности эквивалентной дозы — [Зв/с], внесистемная единица мощности — [бэр/с].

Мощность эквивалентной дозы, соответствующая нормальному радиационному фону, равна 1,25 мЗв/год (125 мбэр/год). Предельно допустимый фон составляет 5 мЗв/год.

На земном шаре есть места, где нормальный фон равен 13 мЗв/год.

Газ радон

Существенным среди естественных источников радиации является невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ радон (в 7,5 раз тяжелее воздуха). В природе радон встречается в двух основных формах, которые являются продуктами распада урана 238 и тория 232. Радон высвобождается из земной коры повсеместно. Основную часть дозы облучения от радона человек получает, находясь в закрытом, непроветриваемом помещении. В зоне умеренного климата концентрация радона в закрытых непроветриваемых помещениях в среднем примерно в 8 раз выше, чем в наружном воздухе. Радон концентрируется в воздухе внутри помещения лишь тогда, когда оно изолировано от внешней среды. При этом он поступает в помещение различными путями:

• из грунта (просачиваясь через фундамент и пол);

• из материалов, использованных для строительства данного помещения.

В табл. 12.8 представлена удельная активность некоторых строительных материалов. Здесь же для сравнения приведено значение для отходов урановых обогатительных предприятий.

Таблица 12.8

Удельная активность строительных материалов

Поступление радона в помещение складывается из следующих источников:

Таблица 12.9

Поступление радона в помещения

Концентрация радона в верхних этажах ниже, чем на первом этаже. Эмиссия радона уменьшается при облицовке стен некоторыми материалами. Даже при оклейке стен обоями эмиссия радона уменьшается примерно на 30\%.

Герметизация помещений с целью утепления затрудняет выход радиоактивного газа из помещения. Тщательная герметизация может привести к 5000-кратному превышению концентрации радона. Поэтому чрезвычайно важно регулярно проветривать помещения. На рис. 12.8 показано влияние проветривания помещений на содержание радона в воздухе.

Рис. 12.8. Влияние проветривания на содержание радона в воздухе жилой комнаты одноквартирного дома

Особо следует обратить внимание на содержание радона в воде. При кипячении воды и приготовлении горячих блюд радон в значительной степени улетучивается. Основное поступление в организм с пищей связано с употреблением не кипяченой воды. Радон поступает в организм и другим путем: попадание паров воды с высоким содержанием радона в легкие вместе с вдыхаемым воздухом, что чаще всего происходит в ванной комнате. При включении теплого душа концентрация радона и его дочерних продуктов в ванной возрастает в десятки раз. Снижение их концентрации до исходного уровня происходит довольно медленно.