Материал: Промышленная безопасность в технологических процессах и аппаратах. Колодяжный С.А., Иванова И.А

15. ИСТОЧНИКИ И ВИДЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Ионизирующим излучением называют любое излучение, прямо или косвенно вызывающее ионизацию среды. Ионизирующие излучения возникают в процессе естественного спонтанного распада атомных ядер радионуклидов или могут быть получены искусственно.

Радионуклиды – общее название группы химических элементов или их изотопов, имеющих нестабильные атомные ядра, способные самопроизвольно распадаться с испусканием характерных излучений. Такой распад называют радиоактивным распадом, а способность атомных ядер к нему – радиоактивностью. В результате радиоактивного распада происходит изменение атомного номера или массового числа атомных ядер. Изменение атомного номера приводит к превращению одного химического элемента в другой; при изменении только массового числа происходит взаимопревращение изотопов одного элемента. К явлению радиоактивности относят также изменение энергетического состояния ядер, при котором их состав остается неизменным. Наряду с термином "радионуклиды" употребляют словосочетания "радиоактивные вещества" и "радиоактивные элементы".

Ионизирующие излучения воздействуют на нашу планету с самого начала ее образования ( 4.6 млрд. лет). Возникновение и развитие жизни на Земле происходило на фоне естественного ионизирующего излучения.

Естественное ионизирующее излучение (другими словами, естественный радиационный фон, естественная радиация) складывается из излучения, приходящего из космического пространства (галактическое и солнечное излучения) и излучения от радионуклидов, рассеянных в земной коре (почве, горных породах), воздухе, воде и внутри живых организмов. Количество естественных (изначально существующих в природе) радионуклидов невелико

– немногим более 60. Среди них наибольший вклад в формирование

естественного радиационного фона вносят следующие изотопы: 3H, 7Be, 14C, 22Na, 40K, 87Ru, 210Pb, 226Ra, 232Th, 235U, 238U и некоторые другие. Наиболее

распространенным среди естественных радионуклидов является 238U – на его долю приходится 99,8 % от общего количества радионуклидов.

Естественная радиация не оказывает неблагоприятного влияния на живые организмы, населяющие биосферу, поскольку они к ней приспособлены. Опасность (очень значительную!) представляет искусственное ионизирующее излучение, обусловленное деятельностью человека.

Искусственное ионизирующее излучение создается за счет действия целого ряда антропогенных факторов: разработка радиоактивных руд, сжигание минерального сырья, ядерные взрывы (военные и в мирных целях), применение радионуклидов в науке и различных отраслях хозяйства (медицина, энергетика и др.), ядерно-технические установки (подводные лодки и др.), аварии на атомных электростанциях и предприятиях, обращение радиоактивных отходов. Искусственное ионизирующее излучение является источником радиационного

96

и радиоактивного загрязнения биосферы: радиационное обусловлено действием ионизирующих излучений, радиоактивное связано с превышением естественного уровня содержания радионуклидов в окружающей среде. В настоящее время в биосфере в результате деятельности человека появилось большое количество искусственных радионуклидов – порядка нескольких сотен.

Ионизирующие излучения бывают двух типов:

1.Фотонные, представляющие собой коротковолновые электромагнитные колебания:

гамма ( ) ( 1 А);

рентгеновское ( = 0,06-20 А).

2.Корпускуляные, состоящие из элементарных частиц, заряженных положительно или отрицательно, либо нейтральных:

альфа ( ) – поток ядер атомов изотопа 4He, состоящих из 2-х

протонов и 2-х нейтронов и с положительным зарядом, равным двум элементарным зарядам*;

бета ( ) – поток электронов и/или позитронов (частиц с массой, равной массе электрона, но положительным зарядом);

нейтронное – поток нейтронов (незаряженных элементарных частиц);

протонное излучение ускорителей и некоторые другие. Естественными видами ионизирующих излучений являются -, - и -

излучения, остальные получают искусственно в специальных устройствах (рентгеновская трубка, ускорители заряженных частиц – циклотроны, фазотроны, синхрофазотроны и др.).

15.1. Биологическое действие ионизирующих излучений

Биологическое действие ионизирующих излучений заключается в том, что поглощенная живым организмом энергия расходуется на разрыв химических связей и разрушение клеток живой ткани.

Основными характеристиками всех видов ионизирующих излучений, определяющими эффект их воздействия на биологические объекты, являются ионизирующее действие и проникающая способность. Ионизирующее действие заключается в том, что при прохождении излучения по тканям живого организма нейтральные атомы и молекулы, входящие в состав тканей, приобретают положительный или отрицательный заряд, превращаясь, таким образом, в ионы.

Проникающая способность – это способность ионизирующих излучений проникать в глубину тканей живого организма. Ионизирующее действие излучений возрастает, а проникающая способность падает в ряду:

*Элементарный заряд равен заряду одного электрона: e = 1,6.10-19 Кл.

97

гамма рентгеновское нейтронное бета альфа Основные свойства -, - и -излучений приведены в табл. 15.1.

Различают непосредственно ионизирующие и косвенно ионизирующие излучения.

К непосредственно ионизирующим относят - и -излучения, протонное излучение ускорителей и некоторые другие, поскольку они состоят из частиц, кинетическая энергия которых достаточна для ионизации при столкновении с атомами вещества. Нейтронное, гамма и рентгеновское излучения являются косвенно ионизирующими, так как они представляют собой поток незаряженных частиц или электромагнитных волн, взаимодействие которых со средой приводит к возникновению таких заряженных частиц, которые уже способны непосредственно вызывать ионизацию.

Действие ионизирующих излучений на живой организм обычно называют облучением. Облучение может быть внешним и внутренним.

Внешнее облучение представляет собой облучение от источника, находящегося вне организма.

Внутреннее облучение наблюдается при попадании радионуклидов внутрь организма (с воздухом, водой, пищей). Внутреннее облучение во много раз опаснее внешнего, так как в этом случае облучение непрерывно и ему подвергаются практически все органы; отсутствует защитное действие кожных покровов; время облучения увеличивается и совпадает со временем пребывания радиоактивных веществ в организме; нельзя использовать методы защиты, разработанные для внешнего облучения и т.д. При внешнем облучении опасность ионизирующего излучения прямо пропорциональна его проникающей способности, при внутреннем – ионизирующему действию.

В результате облучения внутри тканей живого организма протекают сложные процессы, которые делят на два этапа:

1. Первичные или пусковые процессы, протекающие в начальный момент облучения в молекулах живых клеток и окружающего их субстрата. Их осуществление идет поэтапно:

физическая стадия (t 10-13c) – поглощение энергии излучения, сопровождаемое ионизацией (отрыв электрона от атома) и возбуждением

98

(переход электрона на более удаленную от ядра орбиту) атомов в молекулах биологической ткани;

физико-химическая стадия (t 10-10c) – перераспределение избыточной энергии возбужденных атомов, в результате чего происходит разрыв химических связей и появление частиц, обладающих высокой химической активностью – свободных радикалов, пероксидов и др.;

химическая стадия (t 10-6c) – взаимодействие продуктов предшествующих реакций (ионов, свободных радикалов и пр.) друг с другом, а также с окружающими их молекулами биологической ткани, что приводит к возникновению биологически активных соединений, разрушающих структуру живой клетки, и вызывает, таким образом, ее гибель.

2.Развитие лучевых эффектов или поражений, являющихся следствием изменений на клеточном уровне и заключающихся в нарушении нормального течения биохимических реакций, обмена веществ и изменении структуры и функций отдельных органов и систем живого организма. Выделяют три типа лучевых эффектов:

соматические (телесные) – развиваются в ранние сроки после облучения: лучевые ожоги, катаракта глаз, острая и хроническая лучевые болезни;

соматико-стохастические (вероятностные) – развиваются в отдаленные сроки после облучения: нарушение кроветворения (лейкемия, лейкозы и др.), сокращение продолжительности жизни, злокачественные новообразования, эмбриотоксический и тератогенный эффекты;

генетические – наследственные изменения: генные мутации и хромосомные аберрации.

Конечный эффект облучения является суммарным результатом облучения клеток и последующих процессов их восстановления. Восстановление связано с протеканием ферментативных реакций и обусловлено энергетическим обменом.

Различные органы и ткани человеческого организма обладают разной чувствительностью к ионизирующим излучениям. Если в качестве критерия радиочувствительности принять морфологические изменения, то по степени возрастания чувствительности органы и ткани организма человека можно расположить в следующем порядке: нервная ткань, хрящевая и костная ткани, мышечная ткань, соединительная ткань, щитовидная железа, пищеварительные железы, легкие, кожа, слизистые оболочки, половые железы, лимфоидная ткань, красный костный мозг.

Критическим органом называют орган, ткань, часть тела или все тело, облучение которых причиняет наибольший ущерб здоровью данного лица или его потомству.

Биологическое действие ионизирующих излучений характеризуется рядом особенностей:

1. Неощутимость действия на организм человека. У людей отсутствуют

99

органы чувств, которые воспринимали бы ионизирующие излучения. Поэтому человек может вдохнуть, проглотить радионуклид без всяких первичных ощущений.

2. Наличие латентного (скрытого) периода проявления лучевого поражения. Видимые изменения кожных покровов, недомогание, характерные для лучевого заболевания, проявляются не сразу, а спустя некоторое время.

3.Наличие эффекта суммирования поглощенных доз, которое происходит скрыто. Если в организм человека систематически будут попадать радиоактивные вещества, то со временем дозы суммируются, что неизбежно приводит к лучевым поражениям.

4.Поражающие свойства радионуклидов не могут быть уничтожены ни химическим, ни каким-либо другим способом, так как процесс радиоактивного распада не зависит от внешних факторов.

15.2.Количественная оценка излучений

Для количественной оценки излучения используются следующие величины: активность радионуклида, экспозиционная доза, поглощенная доза, эквивалентная доза, эффективная доза.

Распад всех атомных ядер данного радиоактивного элемента происходит постепенно. В каждую секунду распаду подвергается лишь некоторая часть от общего числа атомных ядер радионуклида.

Эта неизменная для каждого радионуклида величина называется постоянной радиоактивного распада (или радиоактивной постоянной) радионуклида и представляет собой вероятность распада на одно ядро в единицу времени. Для характеристики устойчивости ядер к радиоактивному распаду используется еще одна важная величина – период полураспада.

Период полураспада T1/2 – это время, в течение которого число ядер данного радионуклида в результате самопроизвольного радиоактивного распада уменьшается в два раза. В зависимости от величины периода полураспада различают короткоживущие (T1/2 1 год), среднеживущие (1 год

T1/2 100 лет) и долгоживущие изотопы (T1/2 100 лет).

Количество радиоактивного вещества принято выражать не в единицах массы, а в единицах активности.

Активность радионуклида A – это мера его количества, выраженная числом актов ядерного распада в единицу времени:

где NA = 6,02.1023 – число Авогадро, m – масса радиоактивного изотопа, M – молекулярная масса изотопа.

Для характеристики фотонных излучений по эффекту ионизации, вызываемому в воздухе, используется величина экспозиционной дозы.

100