Іонізуючі випромінювання

Вступ

Світова громадськість стала виявляти серйозну занепокоєність із приводу впливу іонізуючих випромінювань на людину і навколишнє середовище з початку 50-х років. У результаті іспитів ядерної зброї в атмосфері, проведених трьома країнами (СРСР, США, Великобританія), радіоактивні опади стали поширюватися по всій земній кулі. У грудні року Генеральна Асамблея ООН заснувала науковий комітет щодо дії атомної радіації (НКДАР). Завдання цього комітету – вивчення рівнів радіації, її дії на навколишнє середовище і небезпеку для населення, що утворюється будь-яким джерелом радіації: як природним, так і штучним, включаючи радіоактивні опади. Це і стало початком наукових досліджень в галузі забезпечення захисту людини від іонізуючого випромінювання.

Велика частина випромінювань  надходить від радіоактивних  речовин, що знаходяться у земній корі. Іонізуючі випромінювання існували на Землі задовго до зародження на ній життя і були присутні в Космосі до виникнення самої Землі.

Джерела випромінювання поділяються  на природні і штучні. Природним  джерелом іонізуючого опромінення  є космічний простір, а також радіоактивні речовини, що знаходяться в земній корі. Опроміненню від природних джерел піддається будь-який житель планети. Дози опромінення залежать від місця проживання, від способу життя, від місця роботи. Штучними джерелами іонізуючого випромінювання є ядерні установки, ядерні реактори, рентгенівські апарати, прилади з радіоактивними елементами.

Питання захисту людини від  негативного впливу іонізуючого випромінювання виникли майже одночасно з відкриттям рентгенівського випромінювання і радіоактивного розпаду. Це обумовлено наступними факторами: по-перше, надзвичайно швидкий розвиток застосування знову відкритих випромінювань у науці та на практиці, і, по-друге, виявлення негативного впливу випромінювання на організм.

1. Іонізуючі випромінювання.

Іонізація – це утворення  позитивних і негативних іонів та вільних електронів з електрично нейтральних атомів та молекул. Атом, що загубив електрони, стає іоном, він має позитивний заряд. Для цього необхідно витратити енергію. Атом, що приєднав електрон, стає негативним іоном. Цей процес може супроводжуватись як витратою, так і виділенням енергії. Випромінювання, взаємодія яких із середовищем призводить до іонізації атомів і молекул, називається іонізуючим.

 Велика частина випромінювань  надходить від радіоактивних  речовин, що знаходяться у земній  корі. Іонізуючі випромінювання існували на Землі задовго до зародження на ній життя і були присутні в Космосі до виникнення самої Землі.

 Родоначальником науки  про радіацію є французький  вчений Анрі Беккерель, який  поклав у ящик столу фотографічні  плівки і притиснув їх шматком мінералу, що містив уран. Коли він проявив плівки, то виявив на них сліди якихось випромінювань. Він назвав їх радіоактивними (1986 р.)           Радіоактивність – це самовільне перетворення ядер атомів одних елементів у інші. Атом складається з ядра й електронів, що обертаються навколо нього. Ядро складається з протонів, що мають позитивний заряд, і нейтронів – нейтральних часток. Атоми, що мають ядро з однаковим числом протонів, але не однакове число нейтронів, до різновидів одного хімічного елемента і називаються ізотопами. Так, уран 238 містить 92 протони і 146 нейтронів, а уран 235 – 92 протони і 143 нейтрони. Ядра всіх ізотопів хімічних елементів утворюють групу “нуклідів”. Більшість нуклідів не стабільні, вони увесь час перетворюються в інші нукліди. Так, уран 238 час від часу втрачає 4 частки (2 протони і 2 нейтрони) і перетворюється у торій 234. [1]

 При кожному такому акті розпаду визволяється енергія, що поширюється у вигляді випромінювання. Якщо випромінюється позитивно заряджена частинка або нейтральна (2 протони і 2 нейтрони), як у випадку з ураном 238, то це називається a-випромінюванням, якщо випромінюються електрони – це називається -випромінюванням. При випромінюванні частинок ядра збуджуються й атоми. Знімається збудження викидом чистої енергії. Це називається g-випромінювання. Вони характеризуються активністю (числом радіоактивних перетворень за одиницю часу).

 Одиницями радіоактивності є:

 Беккерель: “Бк” –  дорівнює 1 перетворенню за секунду.

 Кюрі “Кі” – дорівнює 3,7 ґ 1 010 ядерних перетворень за  секунду.

 Тобто Кі більш вагома порівняно з Бк одиницею.

 Зміна енергетичного  стану електронів атомів може  викликатися й іншими причинами.  Так, наприклад, у результаті енергетичних процесів, що відбуваються на сонці, змінюється енергетичний стан електронів, що знаходяться на зовнішніх оболонках атомів. При цьому випромінюється енергія довгої хвилі (400…1) ґ 10-9 м, що називається ультрафіолетовим випромінюванням. Якщо випромінювання виникає внаслідок зміни енергетичного стану електронів на внутрішніх оболонках атомів, ці випромінювання називають рентгенівськими (…1) ґ 10-12 м. Але природа цих випромінювань загальна. Вони виникають при зміні енергетичних станів ядер або електронів атомів і являють собою короткохвильове електромагнітне випромінювання чистої (квантової) енергії. Таким чином, іонізуюче випромінювання поділяється на 2 види: електромагнітне (фотонне), до якого належать ультрафіолетове, рентгенівське і випромінювання, та корпускулярне .

 Різні види випромінювання супроводжуються звільненням різної кількості енергії і мають різну проникну здатність. Звідси і неоднаковий вплив на органи живого організму.

 Так, корпускулярне  випромінювання, що складається  з -часток (потік важких часток) затримується, наприклад, листом паперу і практично не здатне проникнути через зовнішній прошарок шкіри. Довжина пробігу в повітрі – 2,5 см, у біологічній тканині – 31 мкм, в алюмінію – 16 мкм.

Дія часток надзвичайно небезпечна, якщо вони потрапляють усередину організму через рану, з їжею, повітрям.

 Корпускулярне випромінювання, що складається з -частинок, має більшу проникну спроможність. Довжина пробігу в повітрі – 17,8 м, у біологічній тканині – 1–2 см, у воді – 2,6 см, в алюмінію – 9,8 см.

 Електромагнітні випромінювання поширюються зі швидкістю світла і мають високу проникну здатність. Цей вид випромінювання може затримати лише товста бетонна (приблизно 0,5 м товщиною) або свинцева плита. Довжина пробігу в повітрі – декілька сотень метрів.

 Ушкоджень у живому організмі, викликаних іонізуючим випромінюванням, буде тим більше, чим більше енергії воно передасть тканинам. Кількість такої переданої організму енергії називається дозою.

 Доза, яка характеризує  іонізуючу спроможність випромінювання  в повітрі, називається експозиційною (Х). Вона вимірюється в кулонах на кілограм.

Поглинена доза – це кількість  енергії випромінювання, поглинена  одиницею маси тіла, що опромінюється. Поглинена доза вимірюється в греях (Гр).Одиниця виміру 1 грей = 1Дж / 1кг. У радіобіології і медицині частіше використовують позасистемну одиницю – рад (1 рад = 0,01 Гр). Проте ця доза (поглинена) не враховує того, що різний вид випромінювання при одній і тій самій поглиненій дозі має різну небезпеку. Скажімо, -випромінювання більш небезпечне, ніж -випромінювання або -випромінювання.

 Доза, що враховує спроможність  даного виду опромінення уражати  тканини, називається еквівалентною.

 Еквівалентна доза  – це поглинена доза (Н), помножена  на коефіцієнт, що показує спроможність  даного виду випромінювання ушкоджувати  тканини організму. Еквівалентна  доза вимірюється в зівертах (Зв). За основний вид випромінювання (еквівалент), з яким порівнюють  усі інші, прийняте або рентгенівське  випромінювання. Коефіцієнт якості випромінювання для випромінювання дорівнює одиниці ( = 1 для випромінювання).

Позасистемна одиниця 1 бер = 0,01 зв = 0,01 Гр = 1 рад. Тобто для випромінювання поглинена доза дорівнює еквівалентній дозі. Отже, 1 рад » 1 бер » 1 Р.

 Варто враховувати,  що різні біологічні системи й органи не однаково сприймають одні й ті самі дози опромінення. Чутливість біологічних систем підвищується із збільшенням маси і ступеня організації: найбільш стійкі спори, потім – рослини, найпростіші організми, тварини. Людина належить до одного із найбільш чутливих біологічних об’єктів (у 50 % випадків при дозі опро-мінення 4 Зв (400 бер) спостерігається загибель людини протягом 30 діб). У той же час для рослин ця доза, для рівноцінного ефекту, складає приблизно 1 500 Зв; амеби – 1 000 Зв; равликів – 200 Зв; риби, птиці – 8–20 Зв.

 Вплив опромінення  залежить від чутливості органів.  Тому еквівалентні дози опромінення  варто використовувати з різними коефіцієнтами, що враховують чутливість органів до опромінення. Це реалізується в ефективній еквівалентній дозі.

 Ефективна еквівалентна  доза – це еквівалентна доза (Неф), помножена на коефіцієнт, що  враховує різну чутливість органів до- опромінення.

 Коефіцієнт Т для  різноманітних органів має різні значення, наприклад: статеві органи – 0,25; молочна залоза – 0,15; червоний відсталий мозок – 0,12; легені – 0,12; щитовидна залоза, кістки – 0,03; інші органи і тканини – 0,3.

 Враження живої тканини  іонізуючим опроміненням залежить  так само від часу опромінення.

 Короткочасне опромінення  більш небезпечне, ніж опромінення  такою ж дозою, але протягом  тривалого часу.

 Короткочасна сумарна  еквівалентна доза опромінення  людини, що дорівнює 4 Зв, призводить  у 50 % випадків до смерті, загальне опромінення такої ж дози протягом десятиліть не дає ніяких безпосередніх негативних ефектів. [1]

2. Джерела іонізуючого випромінювання.

 Джерела випромінювання  поділяються на природні і  штучні. Природним джерелом іонізуючого  опромінення є космічний простір, а також радіоактивні речовини, що знаходяться в земній корі. Опроміненню від природних джерел піддається будь-який житель планети. Дози опромінення залежать від місця проживання (тому що не скрізь рівномірно залягають породи, що містять радіоактивні речовини ); від способу життя (у помешканні або зовні людина проводить більшу частину життя); від місця роботи (наприклад, у будівництві часто застосовують будівельні матеріали з підвищеною радіацією, пілоти одержують більшу дозу порівняно з іншими професіями і т. д.).

 Космічні промені нерівномірно  розподілені на поверхні Землі.  Так, Північний і Південний полюси одержують більше радіації, ніж екваторіальна область, через наявність магнітного поля Землі, що відхиляє заряджені частинки.

 Рівень опромінення росте з висотою, оскільки розряджається повітря, а воно відіграє роль захисного екрана. Люди, що живуть на рівні моря, одержують від космосу в середньому 300 мікрозівертів (мільйонних долей Зв) на рік. Люди, що живуть у горах вище 200 м, одержують дозу в декілька разів більшу, ніж жителі рівнини. Людина, що летить в аероплані на висоті 12 000 м, одержує дозу опромінення приблизно в 25 разів більшу, ніж на Землі.

 Земна радіація нерівномірна, вона залежить від складу земних  порід. Так, у США, Франції,  Німеччині, Італії, Японії жителі  одержують від 0,3 до 0,6 мілізіверта  на рік. У Бразилії, неподалік від міста Посус-ді-Калдас (200 км від Сан-Паулу), рівень радіації досягає 200 мілізв/рік (у 800 разів більше середнього). Там же, у курортному місті Гуарапари – 175 мілізв/рік. В Індії, штат Керала – 70 000 осіб живуть на вузькій (55 км) прибережній смузі й одержують від 3,8 до 8,7 мілізв/рік. Ці території Індії і Бразилії розташовані на ґрунтах і пісках, багатих торієм.

 За підрахунками НКДАР ООН, середня ефективна доза зовнішнього опромінення від земних джерел дорівнює 350 мікрозівертів на рік. Трохи менше людина одержує з космосу.

 Більшу частину, приблизно  2/3 ефективної дози природного опромінення, людина одержує від радіоактивних речовин, що потрапили в організм із їжею, водою, повітрям. Цей природний фон зазнає зміни в результаті діяльності людини. Ядерні іспити, аварії на АЕС, добування корисних копалин, згоряння усіх видів палива і т. д. до природного фона додає 1–3 %.

 У даний час природний  радіаційний фон (ПРФ) дорівнює  приблизно 10 – 20 мікрорентген  у час. Вимірюють його на відстані 110 см від поверхні землі, що відповідає центру тіла дорослої людини. [1]

 Штучними джерелами  іонізуючого випромінювання є  ядерні установки, ядерні реактори, рентгенівські апарати, прилади  з радіоактивними елементами. Підписаний договір про припинення ядерних випромінювань у 3-х сферах (у 1963 р. США, СРСР, Англія) дав позитивний результат. Знизилася кількість радіоактивних опадів, зменшилося радіоактивне забруднення рослинності. Проте радіоізотопи з тривалим періодом напіврозпаду продовжують накопичуватися в ґрунті і надходити у флору.

 Безумовно, аварії  на АЕС є дуже великою загрозою для безпечного існування людини. Проте внесок атомної енергетики в сумарну дозу опромінення населення є одним із найскромніших. Статистика говорить про те, що атомна енергетика займає 20-те місце в числі небезпек сучасного середовища існування людини, у той час як рентгенівське опромінення займає 9-те місце, а протизаплідні засоби – 18-те.