Людина і радіація

1. Дози випромінювання і одиниці вимірювання
2. Гранично допустимі дози опромінення
3. Вплив радіації на людину
4. Радіоактивність людини

Радіація є постійним супутником життя людини. Ми живемо в світі, в якому радіація присутня всюди. Світло і тепло ядерних реакцій на Сонце є необхідними умовами нашого існування. Радіоактивні речовини природного походження присутні в навколишньому середовищі. Наше тіло містить радіоактивні ізотопи 14C, 40K, 210Po. Зародження життя на Землі і її подальша еволюція протікали в умовах постійного впливу радіації.

Довгоживучі радіоактивні ізотопи

У природі існує ~ 45 радіоактивних ізотопів, період напіврозпаду яких можна порівняти або більше віку Всесвіту (13.7 · 109 років). У таблиці 16.1 перераховані ізотопи, період напіврозпаду яких перевищує 109 років. Більшість довгоживучих радіоактивних ізотопів в результаті декількох послідовних розпадів перетворюється в стабільні ізотопи.
Явище радіоактивності широко використовується в науці, техніці, медицині, промисловості. Рентгенівські промені і радіоактивні ізотопи використовуються в медичних дослідженнях. Однак відразу ж стало ясно, що радіація є потенційно небезпечним джерелом для живих організмів. У великих обсягах штучні радіонукліди утворюються в якості побічного продукту на підприємствах оборонної промисловості та атомної енергетики. Потрапляючи в навколишнє середовище, вони чинять негативний вплив на живі організми. Для правильної оцінки радіаційної небезпеки необхідно чітке уявлення про масштаби забруднення навколишнього середовища, про реальні механізми дії радіації, наслідки і існуючі заходи захисту.
Радіація - узагальнене поняття. Воно включає різні види випромінювань, частина яких зустрічається природі, інші виходять штучним шляхом. Перш за все, слід розрізняти корпускулярне випромінювання складається з частинок з масою відмінною від нуля, і електромагнітне випромінювання. Корпускулярне випромінювання може складатися як із заряджених, так і з нейтральних частинок.
Альфа-випромінювання - являє собою ядра гелію, які випускаються при радіоактивному розпаді елементів важких свинцю або утворюються в ядерних реакціях.
Бета-випромінювання - це електрони або позитрони, які утворюються при бета-розпаді різних елементів від найлегших (нейтрон) до найважчих.
Космічне випромінювання. Приходить на Землю з космосу. До його складу входять переважно протони і ядра гелію. Більш важкі елементи складають менше 1%. Проникаючи вглиб атмосфери, космічне випромінювання взаємодіє з ядрами, що входять склад атмосфери, і утворює потоки вторинних частинок (мезони, гамма-кванти, нейтрони і ін.).
Нейтрони. Утворюються в ядерних реакціях (в ядерних реакторах і в інших промислових і дослідницьких установках, а також при ядерних вибухах). Продукти поділу. Містяться в радіоактивних відходах переробленого палива ядерних реакторів.
Протони, іони. В основному виходять на прискорювачах.

Таблиця 16.1

Довгоживучі радіоактивні ізотопи,
період напіврозпаду яких перевищує 10 9 років

Ізотоп, масове число Період напіврозпаду, років Канал розпаду Ізотоп, масове число Період напіврозпаду, років Канал розпаду K-40 1.25 · 109 β (89%),
ε (11%) Ce-136 ≥0.7 · 1014 2ε Ca-40 ≥3 · 1 021 2ε Ce-138 ≥0.9 · 1014 2ε Ca-46> 2.8 · 1015 2β- Ce-142 ≥5 · 1016 2β- Ca-48 1.9 · 1019 2β- (75%),
β (25%) Nd-144 2.3 · 1015 α V-50 1.4 · 1017 ε (83%),
β- (17%) Nd-150 0.8 · 1019 2β- Cr-50 ≥1.3 · 1018 2ε Sm-147 1.1 · 1011 α Zn-70 ≥1.3 · 1016 2β- Gd-152 1.1 · 1014 α Kr-78 ≥2.3 · 1020 2ε Gd-160 ≥3.1 · 1019 2β- Rb-87 4.8 • 1010 β- Lu-176 3.8 • 1010 β- Zr-96 2 · 1019 2β- Hd-174 2.0 · 1015 α Mo-100 7.3 · 1018 2β - Ta-180 1.2 · 1015? Cd-113 7.7 · 1015 β- W-180 1.8 · 1018 α Cd-116 3.1 · 1019 2β- W-182 8.3 · 1018 α In-115 4.4 · 1014 β- W-183 1.3 · 1019 α Te-123 ≥9.2 · 1016 ε W-186 4.1 • 1010 α Te-128 8.8 · 1018 2β- Re-187 3.1 · 1019 β- Te-130 ≥5.0 · 1023 2β- Os-184 5.6 · 1013 α Xe-124 ≥1.6 · 1014 2ε Os-186 2.0 · 1015 α Xe-134 ≥5.8 • 1022 2β- Pt-190 6.5 · 1011 α Xe-136 ≥2.4 · 1021 2β- Pb-204 1.4 · 1017 α Ba-132 3.0 · 1021 2ε Th-232 1.4 • 1010 α La-138 ≥1.0 · 1011 ε (65,6%), β- (34,4%) U-235 0.7 · 109 α (93%),
SF (7%) U-238 4.4 · 109 α

Електромагнітне випромінювання має широкий спектр енергій і різні джерела: гамма-випромінювання атомних ядер і гальмівне випромінювання прискорених електронів, радіохвилі (таблиця 16.2).

Таблиця 16.2

Характеристики електромагнітних випромінювань

Енергія, еВ Довжина хвилі, м Частота, Гц Джерело випромінювання 109 10 - 16 1024

гальмівне випромінювання

105 10 - 12 1020

Гамма випромінювання ядер

103 10-10 1018

рентгенівське випромінювання

101 10 - 8 1016

Ультрафіолетове випромінювання

10 посилання - 1 10 - 6 1014

видиме світло

10 - 3 10 - 4 1012

Інфрачервоне випромінювання

10 - 5 102 1010 Мікрохвильове випромінювання 10 - 7 10 - 0 108 СВЧ 10 - 9 102 106 Радіохвилі ВЧ 10 - 11 104 104 Радіохвилі НЧ

Різні види радіації по-різному взаємодіють з речовиною в залежності від типу частинок, що випускаються, їх заряду, маси і енергії. Заряджені частинки іонізують атоми речовини, взаємодіючи з атомними електронами. Нейтрони і гамма-кванти, стикаючись з зарядженими частинками в речовині, передають їм свою енергію, в разі гамма-квантів можливе народження електрон-позитронного пар. Ці вторинні заряджені частинки, гальмують в речовині, викликають його іонізацію. Вплив випромінювання на речовина на проміжному етапі призводить до утворення швидких заряджених частинок та іонів. Радіаційні ушкодження викликаються в основному цими вторинними частками, так як вони взаємодіють з великою кількістю атомів, ніж частки первинного випромінювання. В кінцевому підсумку енергія первинної частки трансформується в кінетичну енергію великої кількості атомів середовища і призводить до її розігріву і іонізації.
В органах і тканинах біологічних об'єктів, як і в будь-якому середовищі, при опроміненні в результаті поглинання енергії йдуть процеси іонізації і збудження атомів. Ці процеси лежать в основі біологічної дії випромінювань. Його мірою служить кількість поглиненої в організмі енергії.
В реакції організму на опромінення можна виділити чотири фази. Тривалість перших трьох швидких фаз не перевищує одиниць мікросекунд, протягом яких відбуваються різні молекулярні зміни. У четвертій повільній фазі ці зміни переходять в функціональні і структурні порушення в клітинах, органах і організмі в цілому.
Перша, фізична фаза іонізації і збудження атомів триває 10 - 13 с. Вo другий, хіміко-фізичної фазі, що протікає 10-10 с утворюються високоактивні в хімічному відношенні радикали, які, взаємодіючи з різними сполуками, дають початок вторинним радикалам, які мають значно більші порівняно з первинними терміни життя. У третій, хімічної фазі, що триває 10 - 6 с, що утворилися радикали, вступають в реакції з органічними молекулами клітин, що призводить до зміни біологічних властивостей молекул.
Описані процеси перших трьох фаз є первинними і визначають подальший розвиток променевого ураження. У наступній за ними четвертої, біологічній фазі хімічні зміни молекул перетворюються в клітинні зміни. Найбільш чутливим до опромінення є ядро ​​клітини, а найбільші наслідки викликає ушкодження ДНК, що містить спадкову інформацію. В результаті опромінення в залежності від величини поглиненої дози клітка гине або стає неповноцінною у функціональному відношенні. Час протікання четвертої фази дуже по-різному і в залежності від умов може розтягнутися на роки чи навіть на все життя.
Бета-випромінювання має більшу проникаючу здатність. Пробіг бета-частинок в повітрі може досягати декількох метрів, а в біологічній тканині декількох сантиметрів. Так пробіг електронів з енергією 4 МеВ в повітрі становить 17.8 м, а в біологічній тканині 2.6 см.
Гамма-випромінювання має ще більш високу проникаючу здатність. Якщо зовнішнє альфа- і бета-випромінювання поглинається як правило в одязі або шкірі і представляє в основному небезпека при попаданні радіонуклідів всередину організму, то при зовнішньому гамма-опроміненні його впливу піддається весь організм. Це з одного боку вимагає спеціальних заходів захисту від гамма-випромінювання, а з іншого дозволяє використовувати його в різноманітних методах дистанційної діагностики.

Мал. 16.1. Схематичне зображення проникаючої здатності різних випромінювань.

Нейтрони. Біологічний ефект від дії теплових нейтронів в основному обумовлений процесами H (n, γ) 2H і l4N (n, p) l4C. Перетину цих реакцій складають відповідно 0.33 і 1.76 барн. Основний ефект впливу на біологічну тканину відбувається під дією протонів, що утворюються в реакції (n, p) і втрачають всю свою енергію в місці народження.
Для повільних нейтронів велика частина енергії витрачається на збудження і розщеплення молекул тканини.
Для швидких нейтронів до 90% енергії в тканини втрачається при пружному взаємодії. При цьому основним процесом є розсіяння нейтронів на протонах. Подальше виділення енергії відбувається в результаті іонізації середовища протонами віддачі.

Дози випромінювання і одиниці вимірювання

Дія іонізуючих випромінювань являє собою складний процес. Ефект опромінення залежить від величини поглиненої дози, її потужності, виду випромінювання, обсягу опромінених тканин і органів. Для його кількісної оцінки введені спеціальні одиниці, які діляться на позасистемні і одиниці в системі СІ. Зараз використовуються переважно одиниці системи СІ. У таблиці 16.3 подано перелік одиниць вимірювання радіологічних величин і проведено порівняння одиниць системи СІ і позасистемних одиниць.

Таблиця 16.3

Основні радіологічні величини і їх одиниці

Фізична величина Одиниця, її найменування,
позначення (міжнародне, російське) Співвідношення між позасистемної одиницею і одиницею СІ позасистемні СІ

Активність нуклида в радіоактивному джерелі

кюрі (Ci, Кі) бекерель
(Bq, Бк) 1 Ки =
3.7 • 1010 Бк Експозиційна доза випромінювання рентген (R, Р) кулон / кілограм (C / kg, Кл / кг) 1Р =
2.58 · 10-4 Кл / кг Поглинена доза випромінювання радий (rad, радий) грей (Gy, Гр) = Дж / кг 1 рад = 0.01 Гр Еквівалентна доза випромінювання бер (rem, бер) зіверт (Sv, Зв) 1 бер = 0.01 Зв Потужність експозиційної дози випромінювання рентген в секунду (R / s, Р / с) ампер / кілограм (A / kg, А / кг) 1 Р / с =
2.58 · 10-4 А / кг Потужність поглиненої дози випромінювання радий в секунду (rad / s, рад / с) грей за секунду (Gy / s, Гр / с) 1 рад / с =
0.01 Гр / с Потужність еквівалентної дози випромінювання бер в секунду (rem / s, бер / с) зіверт в секунду (Sv / c, Зв / с) 1 бер / с =
0.01 Зв / с Інтегральна доза випромінювання радий-грам
(Rad · g, радий · г) грей-кілограм (Gy · kg, Гр · кг) 1 рад · г =
10-5 Гр · кг

експозиційна доза X. В якості кількісної міри рентгенівського і γ-випромінювання прийнято використовувати у позасистемних одиницях експозиційну дозу визначається зарядом вторинних частинок dQ, що утворюються в масі речовини dm при повному гальмуванні всіх заряджених частинок:

X = dQ / dm. .

Одиниця експозиційної дози - рентген (Р) .Рентген - це експозиційна доза рентгенівського і γ-випромінювання, що створює в 1 см3 повітря при температурі 0 ° Сі тиску 760 мм рт. ст. сумарний заряд іонів одного знака в одну електростатичну одиницю кількості електрики. Експозиційної дози 1 Р відповідає 2.08 · 109 пар іонів [2.08 · 109 = 1 / (4.8 · 10-10)]. Якщо прийняти середню енергію освіти 1 пари іонів в повітрі рівній 33.85 еВ, то при експозиційній дозі 1 Р одному кубічному сантиметрі повітря передається енергія, рівна:

T = (2.08 · 109) × 33.85 × (1.6 · 10-12) = 0.113 ерг,

а одному граму повітря:

T / ρвозд = 0.113 / 0.001293 = 87.3 ерг.

Поглинена доза D - основна дозиметрична величина. Вона дорівнює відношенню середньої енергії dE, переданою іонізуючим випромінюванням речовині в елементарному об'ємі, до маси dmвещества в цьому обсязі:

D = dE / dm.

Одиниця поглиненої дози - грей (Гр).

1 Гр = 1 Дж / кг = 100 рад = 104 ерг / м

Позасистемна одиниця рад визначається як поглинена доза будь-якого іонізуючого випромінювання, що дорівнює 100 ерг на 1 грам опроміненого речовини.

Еквівалентна доза Н.Ізученіерезультатов опромінення живих тканин показує, що при однаковій поглиненої дози різні види радіації мають різне біологічний вплив на організм. Для оцінки можливого збитку здоров'ю людини в умовах хронічного опромінення введено поняття еквівалентної дози Н, що дорівнює добутку поглиненої дози Dr, створеної опроміненням r і усередненої по аналізованому органу або по всьому організму, на ваговій множник Wr, званий ще коефіцієнтом якості випромінювання (таблиця 16.4).

H = ΣWrDr.

Одиницею вимірювання еквівалентної дози є Джоуль на кілограм. Вона має спеціальне найменування - зіверт (Зв).
Вплив опромінення носить нерівномірний характер. Для оцінки збитку здоров'ю людини за рахунок різного впливу опромінення на різні органи (в умовах рівномірного опромінення всього тіла) введено поняття ефективної еквівалентної дози Eефф, що застосовується при оцінці можливих стохастичних ефектів - злоякісних новоутворень.

Таблиця 16.4

Коефіцієнти відносної біологічної ефективності (коефіцієнти якості) W r для різних видів випромінювання

Вид і енергія випромінювання

ваговій
множник випромінювання Wr

Фотони, все енергії 1 Електрони і мюони, всі енергії 1 Нейтрони c енергією <10 кеВ 10 ÷ 100 100 кеВ ÷ 2 МеВ 2 ÷ 20 МеВ> 20 МеВ протони c енергією> 2 МеВ
(Крім протонів віддачі) 5 α-частинки, осколки поділу, важкі ядра 20

Гранично допустимі дози опромінення

Норми радіаційної безпеки розробляються на міжнародному рівні і рівні держави і призначені для регламентації опромінення людей (табл. 16.5).
Норми поширюються на такі види впливу іонізуючого випромінювання на людину:

1. в умовах нормальної експлуатації техногенних джерел опромінення;

2. в результаті радіаційної аварії;

3. від природних джерел випромінювання;

4. при медичному опроміненні.

Межа індивідуального довічного ризику (ймовірності виникнення у людини будь-якого ефекту в результаті опромінення) в умовах нормальної експлуатації для техногенного опромінення протягом року персоналу приймається рівним 1.0 · 10-3, а для населення - 5.0 · 10-5. Рівень пренебрежимо ризику становить 10-6.
Категорії осіб, що опромінюються. Потенційно опромінювані особи розділені на дві категорії.

1. персонал, що працює на підприємстві атомної промисловості (групи А і Б);

2. все населення, включаючи осіб з персоналу, поза сферою і умов їх виробничої діяльності.

Таблиця 16.5

Основні межі доз

Нормовані величини * Ліміти доз Персонал (група A) ** Населення Ефективна доза 20 мЗв на рік в середньому за будь-які послідовні 5 років, але не більше 50 мЗв на рік 1 мЗв на рік в середньому за будь-які послідовні 5 років, але не більше 5 мЗв на рік Еквівалентна доза за рік в кришталику ока *** шкірі **** кистях і стопах
150 мЗв 500 мЗв 500 мЗв
15 мЗв 50 мЗв 50 мЗв

* Допускається одночасне опромінення до зазначених меж за всі нормованих величин.
** Основні межі доз, як і всі інші рівні опромінення персоналу групи Б, рівні 1/4 значень для персоналу групи А.
*** Відноситься до дозі на глибині 300 мг / см2.
**** Відноситься до середнього за площею в 1 см2 значенням в базальному шарі шкіри товщиною 5 мг / см2 під покривним шаром товщиною 5 мг / см2. На долонях товщина покривного шару - 40 мг / см2. Зазначеним межею допускається опромінення всієї шкіри людини за умови, що в межах усередненого опромінення будь-якого 1 см2 шкіри цей межі не буде перевищений. Межа дози при опроміненні шкіри обличчя забезпечує неперевищення ліміту дози на кришталик ока від бета-частинок.

Вплив радіації на людину

Таблиця 16.6

Радіаційні ефекти опромінення людини

Соматичні ефекти Генетичні ефекти Променева хвороба
Локальні променеві ураження
лейкози
Пухлини різних органів Генні мутації
хромосомніаберації

Ефекти впливу радіації на людину зазвичай діляться на дві категорії (таблиця 16.6):

1. Соматичні (тілесні) - виникають в організмі людини, який піддавався опроміненню;
2. Генетичні - пов'язані з пошкодженням генетичного апарату і проявляються в наступних поколіннях: це діти, онуки та більш віддалені нащадки людини, яка зазнала опромінення.

Залежність тяжкості порушення від величини дози опромінення показана в таблиці 16.7.

Таблиця 16.7

Вплив різних доз опромінення на людський організм

Доза, Гр

(0.7 ÷ 2) 10-3 Доза від природних джерел в рік 0.05 Гранично допустима доза професійного опромінення на рік 0.1 Рівень подвоєння ймовірності генних мутацій 0.25 Одноразова доза виправданого ризику в надзвичайних обставинах 1.0 Доза виникнення гострої променевої хвороби 3 ÷ 5 Без лікування 50% опромінених вмирає протягом 1-2 місяців внаслідок порушення діяльності клітин кісткового мозку 10 ÷ 50 Смерть настає через 1-2 тижні внаслідок поразок головним чином шлунково-кишкового тракту 100 Смерть наступ ає через кілька годин або днів внаслідок ушкодження центральної нервової системи

Заходи радіаційного захисту персоналу та населення регламентуються нормами радіаційної безпеки і основними санітарними правилами.
Заходи захисту спрямовані на обмеження опромінення дозою нижче порога виникнення цих ефектів (нормування річної дози).
У випадках аварійних ситуацій вживаються додаткові заходи захисту, що забезпечують зниження дози опромінення населення забрудненої території і включають:

• відселення жителів (тимчасове або постійне);

• відчуження забрудненої території або обмеження проживання і функціонування населення на цій території;

Радіоактивність людини

Організм людини складається з різніх хімічніх елементів, Які знаходяться в певній пропорції. Серед ціх хімічніх елементів два елементи займають особливе становище, це Вуглець и калій. Їх виделенность обумовлена ​​тим, що серед різних ізотопів цих хімічних елементів є ізотопи, які мають великий період напіврозпаду, вони накопичуються всередині організму і є джерелом внутрішньої радіоактивності людини. Ізотопний склад вуглецю наведено в таблиці 16.8.

14С

Таблиця 16.8

Ізотопний склад вуглецю С

ізотоп

Період напіврозпаду або
відсотковий вміст

Канал розпаду

12 С

98.89%

стабільний

13С

1.1%

стабільний

14С

5700 років

β-розпад

Радіоактивний вуглець 14С утворюється на Землі при взаємодії нейтронів космічних променів з ядрами азоту атмосфери.

14N + n → 14С + p.

Щорічно в атмосфері Землі під дією космічних нейтронів утворюється 8 кг радіоактивного вуглецю 14С, стільки ж 14С розпадається протягом року, тобто радіовуглець знаходиться в рівновазі. Всього в атмосфері Землі знаходиться ≈ 60 тонн ізотопу 14С, що становить ≈ 1.2 · 10-14% щодо ізотопу 1 2 За. Ізотоп 14С присутній в екологічному ланцюжку у вигляді з'єднання 14С O2, молекули якого рівномірно перемішуються з повітрям атмосфери і засвоюється рослинами в процесі фотосинтезу. Радіовуглець у вигляді різних сполук входить до складу морської води і океанів. Схема розпаду ізотопу 14С показана на рис. 16.2.

Мал. 16.2. Схема розпаду ізотопу 14С.

Відомо, що в 1 г природного вуглецю за рахунок присутності ізотопу 14С відбувається 15.3 розпадів ізотопу 14С в хвилину. В людині масою 70 кг міститься 14 кг вуглецю. Тому в організмі людини відбуватимуться 15.3 × 70 · 103 = 1.1 · 106 розпадів ізотопу 14С в хвилину. Енергія β - розпаду Qβ = 0.16 МеВ.

У таблиці 16.9 наведена поширеність довгоживучих ізотопів K в земній корі.

Таблиця 16.9

Ізотопний склад калію K

ізотоп

Період напіврозпаду
або поширеність Канал розпаду 39K 99.2581% 40K 0.0117%
1.248 · 109 років β- (89.28%),
е-захоплення (10.72%) 41K 6.7302%

На рис. 16.3 наведена схема розпаду радіоактивного ізотопу 40K.

Мал. 16.3. Схема розпаду ізотопу 40K.

Q (β +) = 0.48 МеВ, Q (е-захоплення) = 1.507 МеВ, Q (β-) = 1.31 МеВ

Ізотоп 40K може розпадатися як в результаті β + розпаду і е-захоплення, перетворюючись на ізотоп 40Ar, так 40K і в результаті β - розпаду, перетворюючись на ізотоп 40Ca. Відносні ймовірності розпадів наведені на рис. 16.3 в дужках.
В людині масою 70 кг міститься 0.2% калію (140 г). Отже, число ядер радіоактивного 40K становить 2.5 · 1020 ядер. Виходячи з періоду напіврозпаду число розпадів радіоактивного калію 40K в організмі людини так само

або

.