Биологическое действие радиоактивных излучений Элементы дозиметрии радиоактивных излучений

Дозиметрией называется раздел ядерной физики, в котором рассматриваются физические величины, характеризующие дей­ствие ионизирующих излучений на вещество, а также методы из­мерения этих величин.

При прохождении этих излучений через вещество они так или иначе взаимодействуют с веществом, которое поглощает их энергию. Поглощенной дозой называется величина, численно рав­ная энергии ионизирующего излучения, поглощенной единицей массы облучаемого вещества

В СИ поглощаемая доза измеряется в Дж/кг, эта единица назы­вается грей (Гр). Часто используется внесистемная единица рад (англ. radiation absorbed dose). 1 рад = 10^-2 Гр.

Мощность дозы характеризует энергию, поглощенную еди­ницей массы вещества в единицу времени:

Непосредственное измерение энергии, поглощенной веществом, в особенности внутри живой ткани, крайне затруднительно, тем более, что ткани разнородны по своему составу. В связи с этим для оценки действия рентгеновского и гамма-излучений введено понятие экспозиционной дозы D₀, которая определяется по сте­пени ионизации воздуха рентгеновским или гамма-излучением. В СИ экспозиционная доза измеряется в Кл/кг, но на практике более удобно использовать единицу, называемую рентгеном.

Поглощенная доза не полностью определяет те биологиче­ские эффекты, которые возникают при действии излучений на живые ткани. Биологическое действие в значительной степени зависит от характера излучения от его ионизирующей способ­ности. Для характеристики биологического действия данного излучения вводится единица биологической дозы — биологиче­ский эквивалент рентгена (бэр). Бэр — это такая доза любого ядерного излучения, при которой в тканях создается такой же биологический аффект, как при дозе гамма-излучения в 1 рент­ген (1 бэр = 0,01 Дж/кг). В бэрах измеряется так называемая эквивалентная доза:

где К — безразмерный коэффициент, называемый коэффициен­том качества, переводящий дозу в рентгенах в дозу в бэрах. Зна­чения коэффициента качества приведены ниже в таблице 1.

Значения коэффициентов качества. Табл. 1.

Вид излучения К

Рентгеновские и гамма-лучи, бета-частицы 1

Тепловые нейтроны 3-5

Нейтроны, быстрые протоны 10

Альфа-частицы 20

В системе СИ за единицу эквивалентной дозы принимает­ся 1 эиверт (Зв). Это единица соответствует поглощенной дозе 1 грей при k = 1 (1 Зв=100 бэр). Лля измерения дозы имеются специальные приборы — дозиметры. Они имеют различную кон­струкцию и позволяют осуществлять индивидуальный контроль за дозой радиации.

Источники радиоактивных излучений

Человек и животные в течение жизни постоянно подвергают­ся воздействию радиоактивных излучений. Источники таких из­лучений можно подразделить на естественные и искусственные.

а) Естественные источники радиации. Установлено, что в естественных условиях на живые организмы действует так на­зываемый радиоактивный фон, который в среднем равен 125 мбэр/год и не представляет какой-либо опасности, поскольку эволюция живых организмов протекала на этом фоне. Чело­век подвергается естественному облучению двумя способами — внешним и внутренним. Если радиоактивные вещества находятся вне организма, говорят о внешнем облучении. Если радиоактив­ные вещества через воздух, которым дышит человек, через пищу и воду попадают внутрь организма, говорят о внутреннем облу­чении.

Земные источники естественной радиации в сумме ответ­ственны за большую часть облучения человека от естественного фона. В среднем они обеспечивают более 5/6 годовой эффек­тивной эквивалентной дозы, получаемой населением, в основ­ном, вследствие внутреннего облучения. Остальную часть вно­сят космические лучи, главным образом, путем внешнего облу­чения.

Большой вклад во внутреннее облучение вносят изотопы калия-40, который усваивается организмом вместе с нерадиоак­тивными изотопами калия, необходимого для жизнедеятельности организма. Нуклиды урана-238, тория-232, свинца-210 и полония 210 поступают в организм с пищей. Они концентрируются в рыбе и моллюсках, которые потом употребляют в пищу люди, а также во мхах и лишайниках, поедаемых оленями и овцами.

В последнее время установлено, что наиболее весомым из всех источников естественной радиации является невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ радон. Подсчитали, что он ответственен примерно за 3/4 годовой индивидуальной эффек­тивной эквивалентной дозы облучения, получаемой населением от земных источников радиации. Радон концентрируется внутри помещений, когда они в достаточной мере изолированы от внеш­ней среды. Газ поступает внутрь помещений, просачиваясь через фундамент и пол из грунта, высвобождаясь из строительных ма­териалов (особенно гранита, пемзы, фосфогипса) и с водяными парами во влажных помещениях.

б) Искусственные источники радиации. За последние несколь­ко десятилетий человек создал несколько сотен искусственных радионуклидов и научился использовать энергию атома в раз­личных целях: в медицине и для создания атомного оружия, для производства энергии и обнаружения пожаров, для изготовления светящихся циферблатов часов и поиска, полезных ископаемых. Все это приводит к увеличению дозы облучения как отдельных людей, так и населения Земли в целом.

Общее облучение организма

Характерным и коварным свойством ионизирующих излуче­ний является то, что они не воспринимаются нашими органами чувств. Человек может получить смертельную дозу радиации и ничего не чувствовать до тех пор, пока не появятся первые при­знаки лучевой болезни.

Физиологические реакции организма при воздействии радиа­ции определяются как величиной поглощенной дозы, так и време­нем, в течение которого эта доза была получена, т.е. мощностью дозы, а также состоянием организма. Как уже говорилось выше, все живые существа живут под действием естественного радио­активного фона порядка 125 мбэр/год. Существует даже мнение, что этот фон необходим для эволюции жизни на нашей планете.

Повышение уровня радиации выше радиоактивного фона во многих случаях оказывает стимулирующее действие, т.е. приво­дит к ускорению развития и усилению роста организмов. Но при дозах, превышающих некоторый порог, в организмах возникают биологические нарушения, т.е. лучевая болезнь, и при опреде­ленных дозах организм погибает. При дозе, в 10 раз больше ле­тальной, смерть наступает во время облучения.

Характерно, что наибольшей чувствительностью обладают высшие животные; значительно меньшей чувствительностью — рыбы, земноводные, насекомые, а еще меньшей — бактерии и не­которые растения. Вообще, чем выше на эволюционной лест­нице стоят организмы, тем больше их радиочувствительность и тем в более узкие диапазоны радиочувствительности укладыва­ются отдельные представители данного класса. Зависит радио­чувствительность также и от возраста животного.

При длительном облучении малыми дозами может возник­нуть хроническая лучевая болезнь, которая проявляется в сни­жении трудоспособности, ослаблении памяти и изменении соста­ва крови. Отдаленными последствиями облучения дозами, дале­кими от летальных, может быть возникновение злокачественных опухолей. Так известно, что у врачей-рентгенологов раковые за­болевания встречаются чаще, чем у других групп населения.

И наконец, последствием облучения является повышенная вероятность генетических дефектов, связанных с нарушением структуры хромосом. Например, известно, что у родителей, под­вергшихся облучению в Хиросиме и Нагасаки, рождалось боль­шее количество уродов, чем в других городах Японии.