Радиация

Введение

 

В порыве за открытиями в конце XIX в. двумя  учеными: Пьером Кюри и Марией Сладковской-Кюри было открыто явление радиоактивности. Радиация играет огромную роль в развитии цивилизации на данном историческом этапе. Благодаря явлению радиоактивности  был совершен существенный прорыв в  области медицины и в различных  отраслях промышленности, включая энергетику. Но одновременно с этим стали всё  отчётливее проявляться негативные стороны свойств радиоактивных  элементов: выяснилось, что воздействие  радиационного излучения на организм может иметь трагические последствия. Подобный факт не мог пройти мимо внимания общественности. И чем больше становилось  известно о действии радиации на человеческий организм и окружающую среду, тем  противоречивее становились мнения о том, насколько большую роль должна играть радиация в различных  сферах человеческой деятельности.

Проблема  радиационного загрязнения стала  одной из наиболее актуальных. Поэтому  необходимо прояснить обстановку и  найти верный подход. Радиоактивность  следует рассматривать как неотъемлемую часть нашей жизни, но без знания закономерностей процессов, связанных  с радиационным излучением, невозможно реально оценить ситуацию.

Для  этого  создаются специальные международные  организации,   занимающиеся проблемами радиации,  в их числе существующая с конца 1920-х годов Международная  комиссия по радиационной защите (МКРЗ), а также созданный в 1955 году в  рамках ООН Научный Комитет по действию атомной радиации (НКДАР).

 

Радиация

 

Радиация существовала всегда. Радиоактивные элементы входили  в состав Земли с начала ее существования  и продолжают присутствовать до настоящего времени. Однако само явление радиоактивности  было открыто всего сто лет  назад.

В 1896 году французский ученый Анри Беккерель случайно обнаружил, что  после продолжительного соприкосновения  с куском минерала, содержащего уран, на фотографических пластинках после  проявки появились следы излучения. Позже этим явлением заинтересовались Мария  Кюри (автор термина «радиоактивность») и ее муж Пьер Кюри. В 1898 году они  обнаружили, что в результате излучения  уран превращается в другие элементы, которые молодые ученые назвали  полонием и радием. К сожалению  люди, профессионально занимающиеся радиацией, подвергали свое здоровье, и даже жизнь опасности из-за частого  контакта с радиоактивными веществами. Несмотря на это исследования продолжались, и в результате человечество располагает  весьма достоверными сведениями о процессе протекания реакций в радиоактивных  массах, в значительной мере обусловленных  особенностями строения и свойствами атома.

Известно, что в состав атома  входят три типа элементов: отрицательно заряженные электроны движутся по орбитам  вокруг ядра – плотно сцепленных  положительно заряженных протонов и  электрически нейтральных нейтронов. Химические элементы различают по количеству протонов. Одинаковое количество протонов и электронов обуславливает электрическую  нейтральность атома. Количество нейтронов  может варьироваться, и в зависимости  от этого меняется стабильность изотопов.

Большинство нуклидов (ядра всех изотопов химических элементов)  нестабильны и постоянно  превращаются в другие нуклиды. Цепочка  превращений сопровождается излучениями: в упрощенном виде, испускание ядром  двух протонов и двух нейтронов (a-частицы) называют a-излучением, испускание электрона – b-излучением, причем оба этих процесса происходят с выделением энергию. Иногда дополнительно происходит выброс чистой энергии, называемый g-излучением.

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные  термины и единицы измерения (терминология НКДАР)

 

Радиоактивный распад – весь процесс самопроизвольного распада нестабильного нуклида.

Радионуклид – нестабильный нуклид, способный к самопроизвольному распаду.

Период полураспада  изотопа – время, за которое распадается в среднем половина всех радионуклидов данного типа в любом радиоактивном источнике.

Радиационная активность образца – число распадов в секунду в данном радиоактивном образце; единица измерения – беккерель (Бк).

Поглощенная доза – энергия ионизирующего излучения, поглощенная облучаемым телом (тканями организма), в пересчете на единицу массы.

Эквивалентная доза – поглощенная доза, умноженная на коэффициент, отражающий способность данного вида излучения повреждать ткани организма.

Эффективная эквивалентная доза – эквивалентная доза, умноженная на коэффициент, учитывающий разную чувствительность различных тканей к облучению.

Коллективная эффективная эквивалентная доза – эффективная   эквивалентная доза, полученная группой людей от какого-либо источника радиации.

Полная коллективная эффективная  эквивалентная доза – коллективная эффективная эквивалентная доза, которую получат поколения людей от какого-либо источника за все время его дальнейшего существования».

 

Влияние радиации на организмы

 

Воздействие радиации на организм может  быть различным, но почти всегда оно  негативно. В малых дозах радиационное излучение может стать катализатором  процессов, приводящих к раку или  генетическим нарушениям, а в больших  дозах часто приводит к полной или частичной гибели организма  вследствие разрушения клеток тканей.

Сложность в отслеживании последовательности процессов, вызванных облучением, объясняется  тем, что последствия облучения, особенно при небольших дозах, могут  проявиться не сразу, и зачастую для  развития болезни требуются годы или даже десятилетия.

Альфа-частицы представляют собой атомы  гелия без электронов, т.е. два  протона и два нейтрона. Эти  частицы относительно большие и  тяжелые, и поэтому легко тормозят. Их пробег в воздухе составляет порядка  нескольких сантиметров. В момент остановки  они выбрасывают большое количество энергии на единицу площади, и  поэтому могут принести большие  разрушения.Из-за ограниченного пробега  для получения дозы необходимо поместить  источник внутрь организма. Изотопами, испускающими альфа- частицы, являются, например, уран (235U и 238U) и плутоний (239Pu).

Бета-частицы – это отрицательно или положительно заряженные электроны (положительно заряженные электроны называются позитроны). Их пробег в воздухе составляет порядка нескольких метров. Тонкая одежда способна остановить поток радиации, и, чтобы получить дозу облучения, источник радиации необходимо поместить внутрь организма, изотопы, испускающие бета-частицы – это тритий (3H) и стронций (90Sr).

Гамма-радиация – это разновидность электромагнитного излучения, в точности похожая на видимый свет. Однако энергия гамма-частиц гораздо больше энергии фотонов. Эти частицы обладают большой проникающей способностью, и гамма-радиация является единственным из трех типов радиации, способной облучить организм снаружи. Два изотопа, излучающих гамма-радиацию, - это цезий (137Сs) и кобальт (60Со).

  Кроме того, вследствие различной  проникающей способности разных  видов радиоактивных излучений  они оказывают неодинаковое воздействие на организм: a-частицы наиболее опасны, однако для a-излучения даже лист бумаги является непреодолимой преградой; b-излучение способно проходить в ткани организма на глубину один-два сантиметра; наиболее безобидное g-излучение характеризуется наибольшей проникающей способностью:  его может задержать лишь толстая плита из материалов, имеющих высокий коэффициент поглощения, например, из бетона или свинца.

Также различается чувствительность отдельных  органов к радиоактивному излучению. Поэтому, чтобы получить наиболее достоверную  информацию о степени риска, необходимо учитывать соответствующие коэффициенты чувствительности тканей при расчете  эквивалентной дозы облучения:

0,03 – костная ткань

0,03 – щитовидная железа

0,12 – красный костный мозг

0,12 – легкие 

0,15 – молочная железа

0,25 – яичники или семенники

0,30 – другие ткани

1,00 – организм в целом.

Вероятность повреждения тканей зависит от суммарной  дозы и от величины дозировки, так  как благодаря репарационным  способностям большинство органов  имеют возможность восстановиться после серии мелких доз.

 

В таблице 1 приведены крайние значения допустимых доз радиации:

Орган	Допустимая доза
Красный костный мозг	0,5-1 Гр.
Хрусталик глаза	0,1-3 Гр.
Почки	23 Гр.
Печень	40 Гр.
Мочевой пузырь	55 Гр.
Зрелая хрящевая ткань	>70 Гр.
Примечание: Допустимая доза - суммарная  доза, получаемая человеком в течение 5 недель

Таблица 1.

 

Тем не менее, существуют дозы, при которых летальный исход  практически неизбежен. Так, например, дозы порядка 100 г приводят к смерти через несколько дней или даже часов вследствие повреждения центральной  нервной системы, от кровоизлияния  в результате дозы облучения в 10-50 г смерть наступает через одну-две  недели, а доза в 3-5 грамм грозит обернуться летальным исходом примерно половине облученных. Знания конкретной реакции организма на те или иные дозы необходимы для оценки последствий действия больших доз облучения при авариях ядерных установок и устройств или опасности облучения при длительном нахождении в районах повышенного радиационного излучения, как от естественных источников, так и в случае радиоактивного загрязнения. Однако даже малые дозы радиации не безвредны и их влияние на организм и здоровье будущих поколений до конца не изучено. Однако можно предположить, что радиация может вызвать, прежде всего, генные и хромосомные мутации, что в последствии может привести к проявлению рецессивных мутаций. Следует более подробно рассмотреть наиболее распространенные и серьезные повреждения, вызванные облучением, а именно рак и генетические нарушения. В случае рака трудно оценить вероятность заболевания как  следствия облучения.  Любая, даже самая малая доза, может привести к необратимым последствиям, но это не предопределено. Тем не менее, установлено, что вероятность заболевания  возрастает прямо пропорционально дозе облучения.

Среди наиболее распространенных раковых заболеваний, вызванных облучением,  выделяются  лейкозы. Оценка вероятности  летального исхода при лейкозе более надежна, чем аналогичные оценки для других видов раковых заболеваний. Это  можно объяснить тем, что лейкозы  первыми проявляют себя, вызывая  смерть в среднем через 10 лет после  момента облучения. За лейкозами  «по популярности» следуют: рак  молочной железы, рак щитовидной железы и рак легких. Менее чувствительны  желудок, печень, кишечник и другие органы и ткани.

Воздействие радиологического излучения резко усиливается  другими неблагоприятными экологическими факторами (явление синергизма). Так, смертность от радиации у курильщиков  заметно выше.

Существует три  пути поступления радиоактивных  веществ в организм: при вдыхание воздуха,  загрязненного радиоактивными веществами, через зараженную пищу или воду,  через кожу, а также  при заражении открытых ран. Наиболее опасен первый путь,  поскольку:

• объем легочной вентиляции очень большой
• значения коэффициента усвоения в легких более высоки.

При попадании радиоактивных веществ  в организм  любым  путем  они  уже через  несколько  минут  обнаруживаются в крови.  Если поступление  радиоактивных веществ было однократным,  то концентрация  их  в  крови  вначале  возрастает  до  максимума,  а  затем  в  течение  15-20 суток  снижается. Концентрации в  крови  долгоживущих  изотопов  в дальнейшем могут удерживаться практически на одном уровне в течение длительного времени вследствие обратного вымывания отложившихся веществ.

 

Основные этапы воздействия  излучения на ткани показаны в  таблице 2:

 

	Заряженные частицы. Проникающие  в ткани организма a- и b-частицы теряют энергию вследствие электрических взаимодействий с электронами тех атомов, близ которых они проходят (Гамма-излучение и рентгеновские лучи передают свою энергию веществу несколькими способами, которые, в конечном счете, также приводят к электрическим взаимодействиям.)
	Электрические взаимодействия. За время  порядка десяти триллионных секунды  после того, как проникающее излучение  достигнет соответствующего атома  в ткани организма, от этого атома  отрывается электрон. Последний заряжен  отрицательно, поэтому остальная  часть исходного нейтрального атома  становится положительно заряженной. Этот процесс называется ионизацией. Оторвавшийся электрон может далее  ионизировать другие атомы.
	Физико-химические изменения. И свободный  электрон, и ионизированный атом обычно не могут долго пребывать в  таком состоянии и в течение  следующих десяти миллиардных долей  секунды участвуют в сложной  цепи реакций, в результате которых  образуются новые молекулы, включая  и такие чрезвычайно реакционно-способные, как «свободные радикалы».
	Химические изменения. В течение  следующих миллионных долей секунды  образовавшиеся свободные радикалы реагируют как друг с другом, так  и с другими молекулами и через  цепочку реакций, еще не изученных  до конца, могут вызвать химическую модификацию важных в биологическом  отношении молекул, необходимых  для нормального функционирования клетки.
	Биологические эффекты. Биохимические  изменения могут произойти как  через несколько секунд, так и  через десятилетия после облучения  и явиться причиной немедленной  гибели клеток, или такие изменения  в них могут привести к раку.