3.5. Ионизирующие излучения

Источники ионизирующих излучений (ИИИ) получили широкое распространение в различных областях науки, техники, народного хозяйства и породили новую опасность для человечества – радиационную опасность, связанную с их применением.

Среди всех областей использования источников ионизирующих излучений следует отметить прежде всего ядерную энергетику. На сегодняшний день другой равноценной альтернативы ядерной энергетике в области энергоресурсов нет и при нормальной эксплуатации ядерная энергетика для окружающей среды наиболее безопасна. Поэтому нет сомнения в том, что и дальше ядерная энергетика будет развиваться быстрыми темпами как в нашей стране, так и в других странах мира. Авария же на Чернобыльской АЭС (1986) еще раз особенно ярко высветила значимость проблем радиационной безопасности.

Радиационная безопасность должна рассматриваться как составная часть общей техники безопасности, обеспечивающей безопасные условия труда персонала и населения при использовании различных источников ионизирующих излучений как в нормальном режиме их работы, так и аварийном. Радиационная безопасность есть совокупность технических, гигиенических и организационных мероприятий, обеспечивающих безопасные условия для персонала и населения в целом.

Радиоактивность – самопроизвольное превращение ядер атомов одних элементов в другие, сопровождающееся испусканием ионизирующих излучений.

Ионизирующее излучение — излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков, подразделяющиеся на фотонное и корпускулярное излучения.

К фотонному ионизирующему излучению относится γ-излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер и рентгеновское излучение. Фотонное излучение электрически нейтрально, поэтому само по себе ионизирующими свойствами не обладает. Ионизация происходит за счет передачи части энергии фотонов электронам облучаемого вещества, разрыва их связи с ядрами атома и придания им начальной скорости движения. Поэтому удельная ионизирующая способность фотонов относительно невелика и характеризуется образованием нескольких пар ионов на одном сантиметре пути. Вместе с тем расстояния, на которые распространяется фотонное излучение в воздухе, достигают нескольких километров. Фотонное излучение обладает высокой проникающей способностью через вещества, имеющие большую плотность, в том числе через ткани тела. При этом она тем выше, чем больше энергия излучения. На практике ослабление интенсивности фотонного излучения различными веществами характеризуется величиной половинного ослабления, представляющего слой вещества, при прохождении которого интенсивность фотонного излучения уменьшается в два раза. Для различных веществ величина этого слоя при одной и той же энергии излучения будет разной, так как она зависит от свойств вещества и прежде всего от его плотности.

Высокая проникающая способность фотонного излучения делает его одинаково опасным как при внутреннем, так и при внешнем расположении источника радиоактивного излучения.

К корпускулярному излучению относятся -излучение, электронное, протонное и нейтронное излучения.

-частицы имеют высокую ионизирующую способность (40000 пар ионов на 1 см пути в воздухе). Вследствие большого расхода энергии на ионизацию длина пробега этих частиц незначительна и в воздухе составляет 1–8 см. В тканях организма человека, имеющих большую по отношению к воздуху плотность, длина пробега -частиц ничтожна. -частицы не могут проникнуть через одежду человека и кожный эпителий. Поэтому, если источник излучения этих частиц находится вне организма (внешнее облучение), они не представляют сколько-нибудь серьезной опасности для здоровья людей. Однако при попадании этого источника внутрь организма, например с пищей или воздухом (внутреннее облучение), -частицы становятся исключительно опасными для человека.

-частицы подобно -частицам обладают способностью к ионизации вещества. Масса -частицы значительно меньше массы -частицы, а длина пробега – несколько метров. При облучении тела человека длина ее пробега составляет всего несколько миллиметров. -частицы задерживаются одеждой, а при внешнем облучении открытого тела человека в зависимости от величины энергии излучения они могут задерживаться в кожном эпителии, вызывая его пигментацию (так называемый «ядерный загар») и ожоги кожи, либо проникать через него, образуя язвы на теле. Особую опасность для здоровья представляет попадание источника -излучения внутрь организма с пищей, водой и ингаляционным путем.

Нейтронное излучение имеет место, как правило, при искусственно вызванном радиоактивном распаде в ядерных реакторах. Нейтроны электрически нейтральны, это позволяет им беспрепятственно проникать вглубь атомов облучаемого вещества. Достигая ядер, нейтроны либо поглощаются ими, либо рассеиваются на них, теряя значительную часть энергии и скорость. Атомные ядра при поглощении нейтронов становятся неустойчивыми и, распадаясь, испускают протоны, -частицы и γ-кванты. При таких ядерных реакциях могут образовываться новые радиоактивные изотопы элементов и возникает наведенная радиоактивность, в свою очередь создающая дополнительное ионизирующее излучение (например, при наземном ядерном взрыве происходит активация грунта).

Единицы измерения радиоактивности и ионизирующего излучения. Основная единица измерения радиоактивности в Международной системе единиц СИ – Беккерель (Бк). Беккерель равен активности радионуклида в источнике (образце), в котором за время 1 с происходит одно спонтанное ядерное превращение.

В практике измерения радиоактивности нередко используют внесистемную единицу – Кюри (Ки), 1Ки = 3,710¹⁰ Бк.

Поражение людей происходит за счет облучения ионизирующим излучением. Облучение – это воздействие на людей ионизирующего излучения, которое может быть внешним от источников вне тела человека или внутренним от источников, попавших внутрь его организма.

Важнейшие дозиметрические характеристики радиационного воздействия и критерии, определяющие меру его опасности для челове-ка, – дозы облучения.

При облучении организма человека разными видами ионизирующих излучений в различных дозах возникают количественно, а иногда и качественно различные биологические эффекты, определяемые критериями характера воздействия данного вида излучения на организм человека.

Поглощенная доза. Результат воздействия ионизирующих излучений на облучаемые объекты определяется количеством поглощенной энергии, приходящейся на единицу массы облучаемого вещества, и выражается поглощенной дозой. Поглощенная доза – фундаментальная дозиметрическая величина.

В радиобиологии и радиационной гигиене широкое применение получила внесистемная единица поглощенной дозы – рад. 1 рад соответствует поглощенной энергии 100 эрг на 1 г вещества.

Новая единица поглощенной дозы в системе единиц СИ – грей (Гр); один грей равен джоулю, поглощенному в килограмме вещества:

1 Гр = 1 Дж = 100 рад. Поглощенная доза, отнесенная к единице времени, называется мощностью поглощенной дозы, которая измеряется в Гр/с, Гр/ч, рад/с, рад/ч.

Эквивалентная доза. Для разных видов излучения биологический эффект при прочих равных условиях, в том числе и при одинаковой поглощенной дозе, оказывается различным. Например, при одинаковой поглощенной дозе -излучение гораздо опаснее - или фотонного излучения. Поэтому для оценки биологического эффекта воздействия излучения произвольного состава потребовалось введение новой характеристики дозы.

Для определения биологического воздействия различных видов излучения на организм человека и оценки радиационной опасности хронического облучения используется так называемая эквивалентная доза Н, которая вычисляется как произведение поглощенной дозы в органе или ткани D на соответствующий взвешивающий коэффициент wr для данного вида излучения

Н = wr • D

При одновременном воздействии различных видов излучения с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для этих видов излучения.

Эквивалентная доза в системе СИ измеряется в зивертах (Зв).

Зиверт – единица эквивалентной дозы любого вида излучения в биологической ткани, которое создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр образцового рентгеновского или γ-излучения.

Внесистемная единица эквивалентной дозы – бэр (биологический эквивалент рада). Бэр равен эквивалентной дозе, при которой произведение поглощенной дозы в биологической ткани стандартного состава на средний взвешивающий коэффициент равно 100 эрг/г. Иными словами, бэр — единица эквивалентной дозы любого вида излучения в биологической ткани, которое создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 рад образцового рентгеновского или γ-излучения. Таким образом, 1 бэр = 0,01 Зв.

Эквивалентная доза, отнесенная к единице времени, называется мощностью эквивалентной дозы и измеряется в Зв/с, Зв/ч, бэр/с, бэр/ч.

Основные реакции организма человека на действие ионизирующего излучения. В организме человека ионизирующие излучения вызывают многообразные обратимые и необратимые изменения. Пусковым механизмом воздействия ионизирующих излучений служат процессы ионизации и возбуждения атомов и молекул в тканях. Поскольку ткани организма состоят на 70% из воды, важную роль в формировании биологических эффектов играют свободные радикалы Н и ОН, которые образуются в результате радиолиза воды. При этом образуются новые химические вещества, являющиеся сильными окислителями (ОН, Н₂О₂, НО). Обладая высокой активностью, они вступают в реакции с молекулами белка, ферментов и других элементов биологической ткани, что влечет за собой нарушение обмена веществ и возникновение токсичных продуктов – радиотоксинов, т.е. веществ, несвойственных организму и оказывающих на него поражающее действие. В процесс вовлекаются тысячи молекул, не затронутых излучением. В результате не только нарушаются обменные процессы, но замедляется и прекращается рост тканей, нарушаются функции кроветворных органов, повышается проницаемость сосудов, снижается сопротивляемость организма, нарушаются функции желудочно-кишечного тракта и др.

Поражения людей могут возникать как в результате воздействия внешнего облучения, так и при попадании радиоактивных веществ внутрь организма и на кожу.

Внешнему облучению люди подвергаются в районе взрыва и на территории, зараженной выпавшими радиоактивными осадками. При этом ведущую роль играют γ-лучи.

Внутренним называют такое облучение, когда радиоактивные вещества попадают внутрь организма (с воздухом, зараженной пищей и водой) и, оставаясь там, воздействуют на внутренние органы и ткани. Наибольший вред приносят - и -частицы. Они обладают большей ионизирующей способностью по сравнению с γ-лучами.

Вследствие аварийного выброса, возникшего при аварии на Чернобыльской АЭС, доля внутреннего облучения населения обширных районов, прилегающих к АЭС, достигла 40% от суммарной дозы облучения, а в ряде случаев при использовании загрязненных продуктов она была определяющей.

Радиационные эффекты принято делить на соматические («со-мо» – по гречески «тело») и генетические (наследственные). Соматические эффекты проявляются непосредственно у самого облученного острой и хронической лучевой болезнью, а также поражением отдельных критических органов. Генетические (наследственные) эффекты обусловлены генными и хромосомными мутациями. В отдаленном периоде возможны стохастические (т.е. вероятностные) эффекты, приводящие к развитию доброкачественных опухолей, злокачественных новообразований и лейкозов, снижению продолжительности жизни.

Острая лучевая болезнь (ОЛБ) возникает при воздействии на организм ионизирующих излучений в дозах, превышающих предельно допустимые. У человека возможны молниеносная, острая, подострая и хроническая лучевая болезнь. Проявляется главным образом поражением органов кроветворения, нервной системы, желудочно-кишечного тракта и др. В табл. 7 представлена группировка острой лучевой болезни, развившейся вследствие относительного равномерного общего облучения, по степени тяжести и возможному исходу заболевания.

Хроническая форма лучевой болезни – результат многократного длительного облучения сравнительно в небольших дозах, превышающих предельно допустимые.

Т а б л и ц а 7