Активность радиоактивного источника ионизирующего излучения — среднее количество распадов ядер в единицу времени.
Основная характеристика взаимодействия ионизирующего излучения и среды — это ионизационный эффект (ионизация).
В начальный период развития радиационной дозиметрии чаще всего приходилось иметь дело с рентгеновским излучением, распространявшимся в воздухе. Поэтому в качестве количественной меры поля излучения использовалась степень ионизации воздуха рентгеновских трубок или аппаратов.
Экспозиционная доза — это отношение суммарного заряда всех ионов одного знака в элементарном объёме воздуха к массе воздуха в этом объёме.
В системе СИ единицей измерения экспозиционной дозы является кулон, деленный на килограмм (Кл/кг).
Внесистемная единица — рентген (Р).
1 Кл/кг = 3876 Р.
При расширении круга известных видов ионизирующего излучения и сфер его приложения, оказалось, что мера воздействия ионизирующего излучения на вещество не поддается простому определению из-за сложности и многообразности протекающих при этом процессов. Важным из них, дающим начало физико-химическим изменениям в облучаемом веществе и приводящим к определенному радиационному эффекту, является поглощение энергии ионизирующего излучения веществом. В результате этого возникло понятие поглощенная доза.
Поглощенная доза показывает, какое количество энергии излучения поглощено в единице массы любого облучаемого вещества и определяется отношением поглощенной энергии ионизирующего излучения к массе вещества.
За единицу измерения поглощенной дозы в системе СИ принят грэй (Гр).
1 Гр — это такая доза, при которой массе 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж. Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад (Radiation absorbed dose).
1 Гр=100 рад.
Изучение отдельных последствий облучения живых тканей показало, что при одинаковых поглощенных дозах различные виды радиации производят неодинаковое биологическое воздействие на организм. Обусловлено это тем, что более тяжелая частица (например, протон) производит на единице пути в ткани больше ионов, чем легкая (например, электрон).
При одной и той же поглощенной дозе радиобиологический разрушительный эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая излучением. Чтобы учесть этот эффект, введено понятие эквивалентной дозы.
Ионизирующие излучения, их характеристики и методы измерений
... значения энергий внутримолекулярных сил облучаемого вещества. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом зависит от соотношения масс и энергий частиц и может носить упругий или неупругий характер. С ... человека, так и некоторых объектов, приборов и т.д. Результаты взаимодействия ионизирующего излучения с веществом зависят: от массы, заряда потока частиц и их энергий; от вида фотонов и их ...
Эквивалентная доза рассчитывается путем умножения значения поглощенной дозы на коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ).
ОБЭ — это показатель, необходимый для количественной оценки качества излучения.
ОБЭ оценивают сравнением дозы излучения, вызывающей определённый биологический эффект, с дозой стандартного излучения, обуславливающий тот же эффект. Величину ОБЭ вычисляют по формуле:
ОБЭ = Dr/Dx,
где Dr — доза рентгеновского излучения, Гр; Dx — доза изучаемого излучения, Гр. Сейчас принимается, что в качестве стандартного bcgjkmpetncz гамма-излучение.
Единицей измерения эквивалентной дозы в СИ является зиверт (Зв).
Величина 1 Зв равна эквивалентной дозе любого вида излучения, поглощенной в 1 кг биологической ткани и создающей такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр фотонного излучения. Внесистемной единицей измерения эквивалентной дозы является бэр (биологический эквивалент рентгена) (англ. rem (roentgen equivalent man)).
Эффективная доза — величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности.
Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты. Одни органы и ткани человека более чувствительны к действию радиации, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения разных органов и тканей следует учитывать с разным коэффициентом, который называется коэффициентом радиационного риска.
Единицы измерения эффективной дозы совпадают с единицами измерения эквивалентной дозы. Она также измеряется в зивертах или бэрах.
|
Органы и ткани |
Коэффициент |
|
|
Половые железы |
0.2 |
|
|
Красный, костный мозг Толстый кишечник Желудок Лёгкие |
0.12 |
|
|
Мочевой пузырь Печень Пищевод Щитовидная железа |
0.05 |
|
|
Головной мозг |
0.025 |
|
|
Кожа |
0.01 |
|
Характеристика основных экологически значимых радионуклидов
Избежать облучения ионизирующим излучением невозможно. Жизнь на Земле возникла и продолжает развиваться в условиях постоянного облучения. Радиационный фон Земли складывается из трех компонентов:
1. космическое излучение;
2. излучение от рассеянных в земной коре, воздухе и других объектах внешней среды природных радионуклидов;
3. излучение от искусственных (техногенных) радионуклидов.
Облучение по критерию месторасположения источников излучения делится на внешнее и внутреннее. Внешнее облучение обусловлено источниками, расположенными вне тела человека. Источниками внешнего облучения являются космическое излучение и наземные источники. Источником внутреннего облучения являются радионуклиды, находящиеся в организме человека.
В настоящее время на Земле сохранилось 23 долгоживущих радиоактивных элемента с периодами полураспада от 10 7 лет и выше.
Естественные радионуклиды можно разделить на 2 группы:
1) тяжелые радиоактивные химические элементы, расположенные в периодической системе Менделеева с 82 атомного номера (тяжелые естественные радионуклиды), их период полураспада от долей секунды до миллиардов лет;
2) легкие естественные радиоактивные изотопы стабильных химических элементов с начала и середины периодической системы Менделеева.
В трех радиоактивных семействах: урана ( 238 U), тория (232 Th) и актиния (235 Ас) в процессах радиоактивного распада постоянно образуется 40 радиоактивных изотопов. Средняя эффективная эквивалентная доза внешнего облучения, которую человек получает за год от земных источников, составляет около 0.35 мЗв, т.е. чуть больше средней индивидуальной дозы, обусловленной облучением из-за космического фона на уровне моря.
Однако уровень земной радиации неодинаков в различных районах. Так, например, в 200 километрах к северу от Сан-Пауло (Бразилия) есть небольшая возвышенность, где уровень радиации в 800 раз превосходит средний и достигает 260 мЗв в год. На юго-западе Индии 70 000 человек живут на узкой прибрежной полосе, вдоль которой тянутся пески, богатые торием. Эта группа лиц получает в среднем 3.8 мЗв в год на человека. Как показали исследования, во Франции, ФРГ, Италии, Японии и США около 95% населения живут в местах с дозой облучения от 0.3 до 0.6 мЗв в год. Около 3% получает в среднем 1 мЗв в год и около 1.5% более 1.4 мЗв в год.
Если человек находится в помещении, доза внешнего облучения изменяется за счет двух противоположно действующих факторов:
1) Экранирование внешнего излучения зданием.
2) Облучение за счет естественных радионуклидов, находящихся в материалах, из которого построено здание.
В зависимости от концентрации изотопов 40 К, 226 Ra и 232 Th в различных строительных материалах мощность дозы в домах изменяется от 4х10-8 до 12х10-8 Гр/ч. В среднем в кирпичных, каменных и бетонных зданиях мощность дозы в 2-3 раза выше, чем в деревянных.
Основной природный радионуклид — К 40 . В природе есть изотопы калия с массовым числом от 39 до 41, но только К40 радиоактивен. Соотношение в природе К40 :К39 составляет 1:85.000. В земной коре содержится 3% К40 , в вулканических породах его содержание достигает 5%. Калий — это в и г излучатель.
Второй по распространённости радионуклид — U 238 . Содержание его в земной коре составляет 0.0003%. Это кальций-подобный металл, легко реагирующий с водой и воздухом. На данный момент известно 23 искусственных радиоактивных изотопа урана с массовыми числами от 217 до 242. Уран — это б излучатель.
Самыми опасными продуктами распада урана являются Торий и Радий.
Радий обладает высокой химической активностью. Все его изотопы радиоактивны. Период полураспада самого распространённого его изотопа — 1.500 лет. Чистый радий — это б излучатель. Соли радия — г излучатели.
Второй радиоактивный изотоп урана — торий. Он хорошо взаимодействует с водой и воздухом, но не реагирует с кислотами. Все изотопы тория — б излучатели.
Также незначительное влияние на радиационный фон оказывают С 13 и тритий (3 H).
Космическое облучение
Космическое излучение складывается из частиц, захваченных магнитным полем Земли, галактического космического излучения и корпускулярного излучения Солнца. В его состав входят в основном электроны, протоны и альфа-частицы. Это так называемое первичное космическое излучение, взаимодействуя с атмосферой Земли, порождает вторичное излучение. На долю первичного галактического излучения приходится 93% всего космического излучения.
За счет космического излучения большинство населения получает дозу, равную около 0.35 мЗв в год.
Космическому внешнему облучению подвергается вся поверхность Земли. Однако облучение это неравномерно. Интенсивность космического излучения зависит от солнечной активности, географического положения объекта и возрастает с высотой над уровнем моря. Наиболее интенсивно оно на Северном и Южном полюсах, менее интенсивно в экваториальных областях. Причина этого — магнитное поле Земли, отклоняющее заряженные частицы космического излучения. Наибольший эффект действия космического внешнего облучения связан с зависимостью космического излучения от высоты.
Солнечные вспышки представляют большую радиационную опасность во время космических полетов. Космические лучи, идущие от Солнца, в основном состоят из протонов широкого энергетического спектра (энергия протонов до 100 МзВ), Заряженные частицы от Солнца способны достигать Земли через 15-20 мин после того, как вспышка на его поверхности становится видимой. Длительность вспышки может достигать нескольких часов.
Биологические эффекты облучения
Сложившееся на протяжении ХХ столетия однозначно отрицательное отношение общества к ионизирующей радиации приводит к нежелательным последствиям. Так, гипертрофирована опасность атомных электростанций, предприятий по переработке радиоактивных отходов атомных производств, преувеличены масштабы аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 г., выделяются значительные бюджетные средства на реализацию программ помощи «пострадавшим» от ионизирующих излучений. Современное общественное мнение страдает радиофобией, которую необходимо оценивать как реальную угрозу дальнейшему техническому прогрессу цивилизации. Биологические эффекты ионизирующих излучений различны, что зависит, прежде всего, от интенсивности облучения. Помимо повреждающего действия, которое само по себе используется при лечении различных заболеваний, прежде всего злокачественных опухолей, существует стимулирующий эффект естественного (природного) фона и малых доз. Последние не только не оказывают отрицательного влияния на здоровье человека, но и способствуют его укреплению.
Биологические эффекты ионизирующего излучения делятся на:
I. Эффект естественного радиационного фона.
II. Эффект малых доз.
III. Эффект больших доз
Эффект естественного радиационного фона
Основным источником естественного радиационного фона является инертный газ радон (Rn 222 ).
Радон и его дочерние продукты вносят 50%-ный вклад в фоновое облучение живых организмов. К другим источникам фона относятся различные природные радионуклиды (уран, радий, калий40 ), а также г-излучение Земли и космическое излучение.
Синдром дефицита облучения
Природный фон радиации оказывает значительное влияние на живые организмы. Эксперименты, проведённые с лабораторными животными, растениями и микроорганизмами, длительное время находившимися в условиях пониженного в несколько раз радиационного фона, показали тесную связь процессов жизнедеятельности и влияющего на них ионизирующего излучения. При этом замедлялся рост животных, они теряли в весе, становились менее активными и менее сообразительными. Отмечались признаки анемии и выраженного иммунодефицита, который сопровождался развитием инфекционных процессов и злокачественных опухолей. Морфологически в их тканях обнаруживались атрофические изменения, аналогичные ускоренному старению. Продолжительность жизни сокращалась.
Комплекс подобных признаков получил название синдрома дефицита облучения. В его основе лежит угнетение процессов клеточной пролиферации. Радиационный фон можно считать стимулятором деления клеток, и, следовательно, процессов роста, обновления и восстановления тканей.
Эффект малых доз (радиационный гормезис)
Гормезис (от греч. hуrmзsis быстрое движение, стремление) — стимуляция какой-либо системы организма внешними воздействиями, имеющими силу, недостаточную для проявления вредных факторов.
В диапазоне дозы в пределах до 10- и даже 100-кратного превышения над фоном (в среднем 5—10 раз) повреждающее влияние радиации на организм человека не прослеживается. Напротив, отмечается выраженное биостимулирующее действие. Такой эффект получил название радиационного гормезиса — повышения жизнеспособности организма под влиянием малых доз ионизирующей радиации. Радиационный гормезис был установлен в ряде мест на Земле, где г-фон превышает в 2—10 раз средний по планете. В этих районах смертность от злокачественных новообразований соответствует среднему уровню в популяции. Проявлением радиационного гормезиса является также эффект радонотерапии.
Для различных живых организмов малые дозы не одинаковы. Для человека малые дозы — 4—5 рад (эту дозу человек получает за всю жизнь с естественным фоном).
Малая доза тем выше, чем более радиорезистентны организмы. Значительной радиорезистентностью обладают обитатели степей и пустынь, например, песчанки (грызуны) и скорпионы. Растения очень высокоустойчивы к радиации (полулетальная доза для них измеряется сотнями и тысячами Гр), в особенности это относится к сухим семенам растений, некоторым водорослям, а также спорам бактерий и грибам, переносящим без заметного вреда до 10.000 Гр и более. Другими словами, малая доза радиации для растений является абсолютно смертельной для всех животных и человека.
У млекопитающих и человека малые дозы радиации стимулируют противоинфекционные защитные механизмы, увеличивают долголетие и плодовитость. Установлено, что малая доза ионизирующего излучения способствует репарации повреждений ДНК.
В некоторых районах Земли естественный радиационный фон в десятки раз превышает средний планетарный уровень. В таких зонах с высокой природной радиоактивностью вредных последствий для здоровья населения не обнаружено. Наоборот, жители этих районов имеют более высокую среднюю продолжительность жизни и меньше болеют раком. Кроме того, у тех жителей Хиросимы и Нагасаки, которые получили во время атомной бомбардировки малую дозу радиации, не отмечено роста заболеваемости злокачественными опухолями.
Эффект больших доз
Эффект больших доз вызывает лучевую болезнь, но не следует рассматривать его только, как отрицательный, поскольку он применяется в медицине. Он используется при локальном облучении, в частности, при радиотерапии различных заболеваний.
Биологическое действие ионизирующей радиации на организм
Ионизирующие частицы, пронизывающие высокоорганизованную структуру живой клетки передают часть своей энергии отдельным молекулам. Эти молекулы переходят в возбуждённые состояния, часть которых заканчивается ионизацией. В облучённой клетке не существует структур, испытывающих преимущественное поглощение энергии, т.е. возбуждёнными и ионизированными могут в равной степени оказаться белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы, молекулы воды и различные низкомолекулярные органические соединения.
Это первая или физическая стадия действия излучения на клетку. Её продолжительность — 10 -13 с. Её результатом служит возникновение ионизированных и возбуждённых молекул.
Во время второй физико-химической стадии происходит перераспределение энергии внутри биомолекул и образование свободных радикалов. Эта стадия длится 10 -14 -10-10 с.
Во время первой и второй стадий происходит радиолиз воды с образование гидроксилов, активного кислорода, перекиси водорода. Все эти вещества обладают сильными окислительными свойствами.
В течение третьей химической стадии образуется широкий спектр молекул с изменёнными свойствами. Взаимодействие биорадикалов друг с другом и с окружающими молекулами приводит к возникновению стойких молекулярных изменений — разнообразных повреждений в структуре молекул, составляющих клетку. Длительность стадии 10 -6 с.
На четвёртой биологической стадии происходит поражение на всех уровнях организации: ферменты могут утратить каталитическую активность, субстратную специфичность, чувствительность к соответствующим активаторам и ингибиторам или аллостерические свойства. Различные типы инактивации имеют неодинаковые последствия для клеточного гомеостаза — одни ферменты окажутся исключенными из метаболических реакций, другие — будут нарабатывать токсические продукты, третьи перестанут регулироваться соответствующими эффекторами.
При поглощенной дозе 1 Гр происходит 1.000 одноцепочных разрывов ДНК. При увеличении дозы до 20 Гр перестаёт работать система репарации. Кроме разрывов ДНК происходят различные мутации.
Продукты радиолиза воды оказывают сильное действие на липиды мембран путём перекисного окисления.
Чем выше поглощённая доза радиации, тем больше первичных повреждений, тем меньше возможность восстановления.
Сравнительная радиочувствительность организма
Среди многоклеточных животных чувствительность к радиации возрастает в ряду: беспозвоночные — холоднокровные — теплокровные. Наиболее уязвимы к действию радиации млекопитающие. Для них смертельная доза находится в пределах 400-1.000 рад.
Внутри каждой филогенетической группы радиочувствительность значительно варьирует.
Среди рекордсменов радиоусточивости одними из первых стоят микроорганизмы Micrococcus radiodurans и Micrococcus radiophilus. Они обитают в воде, окружающий атомный реактор, где подвергаются облучению в дозах более миллиона рад. Такую высокую устойчивость связывают со способностью репаративных систем бактериальной клетки восстанавливать различные повреждения генетического аппарата.
Беспозвоночные животные также обладают высокой устойчивостью к радиации. Кишечнополостные гибнут после облучения в дозах, превышающих сотни тысяч рад.
Есть данные, что ионизирующее излучение применяли для обеззараживания продуктов. Так например, трихинеллы выдерживают облучение в 3-4 тысячи рад, а развитие их личинок после такой дозы прекращается.
Проводились исследования с целью практического применения ионизирующих лучей для уничтожения яиц, личинок, куколок или стерилизации взрослых особей насекомых. Так яйца дрозофил гибнут после 200-300 рад. Для куколок летальная доза составляет 3.000 рад, а половозрелые особи переносят гамма облучение в дозе до 60.000 рад, однако эта доза стерилизует их.
Среди позвоночных наиболее чувствительны к радиации млекопитающие.
Все органы и ткани человека чувствительны к ионизирующему излучению, но чувствительность их неодинакова. В одном и том же организме и даже внутри одного и того же органа ткани и клетки различно поражаются при облучении. Это свойство принято называть относительной радиочувствительностью.
Наиболее чувствительны к облучению кроветворная ткань, железистый аппарат кишечника, эпителий половых желез, эпителий кожи и сумки хрусталика глаза. Следовательно, при облучении таких органов, как лимфатические узлы, селезенка, костный мозг, гонады, тонкая кишка, возникают наибольшие лучевые повреждения.
Далее по степени радиочувствительности идут эндотелий, фиброзная ткань, паренхима внутренних органов, хрящевая ткань, мышцы и, наконец, нервная ткань.
Костный мозг и кишечник — типичные примеры активно обновляющихся радиочувствительных клеточных систем, а ЦНС — напротив, наименее делящихся (стационарных) радиорезистентных органов.
Радиочуствительность организма наиболее часто определяется поражением костного мозга, так как критической системой, ответственной за выживание при дозах до 10 Гр, является кроветворение. Критическим органом в следующем диапазоне от 10 до 100 Гр оказывается тонкий кишечник.
Классификация органов по радиочувствительности.
самые радиочувствительные (лимфоидные органы, красный костный мозг, гонады, тонкий кишечник)
средняя степень радиочувствительности (кожа, эндокринные железы)
радиорезистентные (печень, почки, головной мозг).
ионизирующий излучение радионуклид
