Воздействие на организм человека ионизирующего излучения

Воздействие на организм человека ионизирующего излучения

Пьером Кюри и Марией Склодовской-Кюри около ста лет назад было открыто влияние радиоактивности. Это открытие положило начало бурному развитию новых направлений в химии и физике, которые, в свою очередь, стали фундаментом для создания атомно-промышленного комплекса.

Недолгое изучение привело  к необдуманному сбросу отходов, крупномасштабному загрязнению  окружающей среды и росту числа  заболеваний у работников атомной  промышленности и населения, проживающего в зоне радиоактивного загрязнения, вследствие неверного нормирования доз облучения. Первые предприятия  ядерного комплекса формировались  в условиях “гонки вооружения”, к  тому же эффекты воздействия радиации на организм человека и окружающую среду были мало изучены.

Радиобиология – комплексная  научная дисциплина, изучающая действие ионизирующего излучения на биологические  системы разных уровней организации. Объектами радиобиологических исследований являются макромолекулы, вирусы, простейшие, клеточные, тканевые и органные культуры, многоклеточные растительные и животные организмы, человек.

При внешнем облучении  человека альфа-частицы полностью  задерживаются поверхностным слоем  кожи; бета-частицы не могут проникнуть в глубь человеческого организма  больше, чем на несколько миллиметров; гамма-кванты способны вызвать облучение всего тела. Гамма-лучи, альфа- и бета-частицы обладают различной проникающей способностью. Пробег альфа-частицы в воздухе не превышает нескольких сантиметров; бета-частицы могут пройти в воздухе несколько метров, а гамма-кванты – десятки, сотни метров.

Под радиоактивностью понимается самопроизвольное превращение неустойчивого  нуклида. В другой нуклид, сопровождающееся испусканием ионизирующего излучения.

Наиболее употребительной  внесистемной международной единицей является кюри: 1Ки=3,7 10 ¹⁰ Бк, что соответствует активности 1г радия. Количество радиоактивного вещества измеряется единицами массы и активностью, которая равна числу ядерных превращений (распадов) в единицу времени. Резерфорд: 1резерфорд – такое количество радиоактивного вещества, в котором происходит 10 ⁶ распадов в 1с.Единицей активности в СИ служит распад в секунду: 1Бк=1расп/с.

В настоящее время существует 2 мнения относительно дальнейшего  развития атомной промышленности:

Атом – безусловное  благо. Наиболее приоритетным путем  развития энергетики является создание большого числа АЭС. На здоровье человека влияют исключительно большие дозы; атом настолько полезен, что следует  облучать даже продукты питания для  более длительного хранения.

Атом не может быть благом для человечества из-за неисключенной вероятности атомно-техногенных глобальных катастроф, его пагубного влияния на ОС и здоровье человека, вплоть до смертельного исхода.

Также применяются: Доли кюри: 1милликюри=0,001кюри;1микрокюри=0,000001кюри.

Рентген: 1рентген – такое  количество гамма-излучения (или рентгеновского излучения), которое вызывает образование 2,082 10 ⁹ пар ионов в 1см ³ воздуха (условия нормальные), или то количество излучения, которое вызывает выделение энергии 0,109эрг/см ³ воздуха.

В настоящее время атомно-промышленный комплекс представляет собой разветвленную  сеть предприятий с различными целями и задачами. В него входят предприятия  военно-промышленного комплекса, АЭС, научно-исследовательские центры и  институты.

Был введен запрет на испытания  и распространение ядерного оружия, а также подписано несколько  договоров о сокращении ядерного вооружения. 29 июля 1957 года была учреждена  МАГАТЭ – автономная межправительственная организация по вопросам мирного  использования ядерной энергии. За последние десятилетия произошла  переоценка эффектов влияния атомной  радиации на человека и окружающую среду. В боевых целях ядерное  оружие было применено 6 и 9 августа 1945 года, когда американцами были взорваны две атомные бомбы над японскими  городами Хиросима и Нагасаки.

Первые предприятия атомной  промышленности были направлены на создание атомной бомбы, что и было впервые  сделано в США. Первым предприятием атомной промышленности, созданным  в СССР, стало производственное объединение  “Маяк”, предназначенное для получения  делящихся ядерных материалов.

Целью ее создания стал контроль за деятельностью стран с развитой атомной промышленностью в соответствии с целями и принципами ООН, направленными на укрепление мира и поощрение международного сотрудничества.

Международные организации, работающие в сфере изучения влияния  радиации на человека и ОС, периодически пересматривали степень ее опасности  в сторону повышения. С 30-ых годов  этот уровень возрос в тысячу раз. Международная комиссия радиационной защиты официально признала концепцию  беспорогового действия радиации на здоровье человека.

Ионизирующее излучение  и радиоактивность

Ионизирующее излучение  – поток заряженных или нейтральных  частиц и квантов электромагнитного  излучения, прохождение которых  через вещество приводит к ионизации  и возбуждению атомов или молекул  среды.

Все ионизирующие излучения  по своей природе делятся на фотонные и корпускулярные. К фотонному ионизирующему излучению относятся гамма-излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер или аннигиляции частиц.

Тормозное излучение, возникающее  при уменьшении кинетической энергии  заряженных частиц, характеристическое излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении  энергетического состояния электронов атома. Рентгеновское излучение, состоящее  из тормозного или характеристического  излучений. К корпускулярному ионизирующему  излучению относят альфа-излучение, электронное, протонное, нейтронное и  мезонное излучения.

Корпускулярное излучение, состоящее из потока заряженных частиц (альфа-, бета-частиц, протонов, электронов), кинетическая энергия которых достаточна для ионизации атомов при столкновении, относится к классу непосредственно ионизирующего излучения.

Нейтроны и другие элементарные частицы непосредственно не производят ионизацию, но в процессе взаимодействия со средой высвобождают заряженные частицы (электроны, протоны), способные ионизировать атомы и молекулы среды, через  которую проходят. Соответственно, корпускулярное излучение, состоящее  из потока незаряженных частиц, называют косвенно ионизирующим излучением.

Источником ионизирующего  излучения называют объект, содержащий радиоактивный материал, или техническое  устройство, испускающее или способное (при определенных условиях) испускать  ионизирующее излучение.

Классификация источников излучения. Современные ядерно-технические  установки обычно представляют собой  сложные источники излучений.

Источниками излучений действующего ядерного реактора, кроме активной зоны, являются система охлаждения, конструкционные материалы, оборудование и др. Поле излучения таких реальных сложных источников обычно представляется как суперпозиция полей излучения  отдельных, более элементарных источников.

Любой источник излучения  характеризуется: Видом излучения – основное внимание уделяется наиболее часто встречающимся на практике источникам g -излучения, нейтронов, a -, b ⁺ -, b ^- -частиц.

ПКИ в основном состоит  из быстрых протонов, альфа-частиц и  небольшого количества ядер углерода, азота, кислорода и более тяжелых  ядер. За пределами земной атмосферы  в его состав входят также электроны, нейтроны, и, возможно, гамма-лучи. Значительная часть этих частиц задерживается  атмосферой и не достигает земной поверхности. Высокоэнергетичные частицы ПКИ, проникая в верхние слои атмосферы, воздействуют на ядра атомов составляющих ее элементов, вызывая ядерные реакции с образованием таких радионуклидов как тритий, бериллий-7,10, натрий –22,23.

При этих реакциях возникают  высокоэнергетичные протоны, пионы и каоны, в свою очередь вызывающие ядерные реакции. Нейтроны, теряя свою энергию, частично захватываются атомами азота воздуха, образуя радиоактивный изотоп углерод-14.

Потоки этих частиц образуют так называемые космические ливни, составляющие вторичное космическое  излучение, проникающее уже в  нижние слои атмосферы и облучающее биосферу. ВКИ состоит из “мягкой” (позитроны, фотоны) и “жесткой”  ( m -мезоны) компонент.

Мощность ВКИ у земной поверхности неравномерна: чем выше она расположена над уровнем  моря, тем меньше слой экранирующей атмосферы и, соответственно, выше мощность ВКИ. Это явление получило название барометрического эффекта.

Протяженные источники представляют суперпозицию точечных источников и  могут быть линейными, поверхностными или объемными с ограниченными, полубесконечными или бесконечными размерами.

Физически точечным можно  считать такой источник, максимальные размеры которого много меньше расстояния до точки детектирования и длины  свободного пробега в материале  источника (ослаблением излучения  в источнике можно пренебречь).

Геометрией источника (формой и размерами) – геометрически  источники могут быть точечными  и протяженными. Энергетическим составом – энергетический спектр источников может быть моноэнергетическим (испускаются  частицы одной фиксированной  энергии), дискретным (испускаются моноэнергетические частицы нескольких энергий) или  непрерывным (испускаются частицы  разных энергий в пределах некоторого энергетического диапазона).

Поверхностные источники  имеют толщину много меньшую, чем расстояние до точки детектирования и длина свободного пробега в  материале источника. Угловым распределением излучения – среди многообразия угловых распределений излучений  источников для решения большинства  практических задач достаточно рассматривать  следующие: изотропное, косинусоидальное, мононаправленное.

Иногда встречаются угловые  распределения, которые можно записать в виде комбинаций изотропных и косинусоидальных угловых распределений излучений. Влияние ионизирующего излучения на вещество характеризуется поглощенной дозой – количеством энергии, переданным единице массы вещества.

Поглощенная доза ионизирующего  излучения является основной физической величиной, определяющей степень радиационного  воздействия, т.е. мерой ожидаемых  последствий облучения объектов живой и неживой природы. В  объемном источнике излучатели распределены в трехмерной области пространства.

Мощностью и ее распределением по источнику – источники излучения  наиболее часто распределяются по протяженному излучателю равномерно, экспоненциально, линейно или по косинусоидальному закону.

В системе СИ единицей поглощенной  дозы служит грей (Гр) – доза, при которой 1кг вещества передается энергия 1Дж. Иногда используют внесистемную единицу – рад: 1рад=100эрг/г=10 ^-2 Гр. Поглощенная доза характеризует не само излучение, а его воздействие на среду.

Однако, для изучения влияния  радиации на живые организмы этих единиц недостаточно, поскольку такое  влияние зависит не только от плотности  поглощенной энергии, но и от ее распределения  в пространстве, точнее – от энергии, переданной частицами на единице  длины их пробега.

Для альфа-частиц, например, она в 20 раз выше, чем для гамма-квантов, и поэтому, при одинаковой поглощенной дозе облучение этими частицами примерно в 20 раз опаснее гамма-облучения. Чтобы учесть это, вводится понятие эквивалентной дозы, равной произведению поглощенной дозы на коэффициент качества k, который характеризует действие данного вида радиации на живые организмы. Коэффициент качества показывает, во сколько раз ожидаемый биологический эффект больше, чем для излучения с ЛПЭ=3,5кэВ на 1мкм пути в воде. (ЛПЭ (линейная передача энергии) вдоль пути пробега ионизирующей частицы характеризует потерю энергии заряженных частиц на единицу пути вследствие ионизации и возбуждения.) Единица эквивалентной дозы в системе СИ – зиверт (Зв). Внесистемная единица: бэр – биологический эквивалент рентгена; 1Зв=100бэр.

Характерные значения дозы облучения:

-1,0мбэр – одна тысячная  доля бэр;

-2,5бэр – доза космического  облучения пассажира гражданского  самолета, которую он получает  за время перелета в одну  сторону от Москвы до Новосибирска;

-10мбэр – одно медицинское  обследование грудной клетки  с использованием

современного флюорографического оборудования;

-10—40мбэр – средняя  доза, полученная среднестатистическим  жителем, проживающем в зоне  влияния ПО “Маяк” от всех  факторов внешнего и внутреннего  техногенного облучения за 1995 год.

-30мбэр – среднегодовая  доза облучения, обусловленная  космическим излучением на равнинной части территории России;

-60-80мбэр – среднегодовая  доза облучения, обусловленная  космическим излучением для людей,  живущих в горной местности;

-80мбэр – средняя годовая  доза для граждан США от  искусственных источников радиоактивного  излучения;

-160мбэр – средняя годовая  доза, получаемая экипажами гражданских  самолетов от космического излучения;

-300мбэр – средняя годовая  доза населения от всех источников  естественного радиоактивного облучения;

-500мбэр – предельно  допустимая годовая доза облучения  для ограниченной части населения;

-5000мбэр – предельно  допустимая годовая доза облучения  для персонала работников атомной  промышленности.

Космическое излучение. Космическое  излучение (космические лучи) было открыто  в 1912г. австрийским физиком В. Гессом, установившим, что ионизация воздуха  на большой высоте превышает таковую  на уровне моря. Он предположил, что  причиной этого являются лучи внеземного происхождения. Космическое излучение  представляет собой поток элементарных частиц очень высокой энергии (10 ¹⁰ -10 ²⁰ эВ и выше), попадающих на Землю из мирового пространства. В атмосфере Земли эти частицы (первичное космическое излучение – ПКИ), взаимодействуя с ядрами ее атомов, в столкновениях с ними теряют свою большую энергию, и порождают новую группу элементарных частиц, также обладающих высокой энергией и скоростью (вторичное космическое излучение - ВКИ).