3.2.5 Іонізуюче випромінювання та його вплив на організм людини
3.2.5.1 Види та характеристика іонізуючого випромінювання
Іонізуючим випромінюванням називають будь – яке випромінювання, що прямим або побічним чином викликає іонізацію середовища, тобто призводить до утворення заряджених атомів або молекул – іонів.
Іонізуючими властивостями володіють космічні промені та природні радіоактивні речовини. Штучними джерелами іонізуючих променів є ядерні реактори, прискорювачі заряджених часток, рентгенівські установки, штучні радіоактивні ізотопи. Джерела іонізуючого випромінювання широко використовуються в різних галузях промисловості (дефектоскопія металів, контроль технологічних операцій і т. п.), а також в сільському господарстві, геологічній розвідці, медицині, металургії.
За своєю природою іонізуюче опромінення може бути (рис. 8.1) електромагнітним (квантовим) та корпускулярним.
Квантове випромінювання являє собою електромагнітну хвилю певної довжини, яка має швидкість світла (300 тисяч км/с). В залежності від довжини хвилі це випромінювання поділяється на ультрафіолетове, рентгенівське та γ – випромінювання.
Ультрафіолетове випромінювання – це найбільша короткохвильова частина сонячного світла, яка генерується атомами чи молекулами внаслідок зміни стану електронів на зовнішніх оболонках атомів. Довжина його хвилі (1…400)•10-9м. Проникаюча здатність дуже мала, тому навіть звичайний одяг чи віконне скло повністю екранують від його дії. Багато ультрафіолетового випромінювання виділяється під час електричного зварювання металів і при попаданні на незахищені ділянки шкіри, чи очей викликає запалення шкіри та ураження очей (електрофтальмію).
Рис. 3.6 Класифікація іонізуючого опромінення.
Рентгенівське випромінювання виникає внаслідок зміни стану електронів на внутрішніх оболонках атомів і має довжину хвилі (1...1000)•10-12 м. Проникаюча здатність досить велика – навіть екрани з свинцю повинні бути завтовшки у декілька метрів.
Гамма випромінювання генерується збудженими ядрами атомів та елементарними частками і має довжину хвилі (1...10)•10-15 м. Це короткохвильове електромагнітне випромінювання, яке має велику проникаючу здатність. Так, шар свинцю завтовшки в 1 см. тільки в двічі послаблює його. Маючи дуже малу довжину хвилі воно має яскраво виражені корпускулярні властивості, тобто поводиться мов би потік часток. Виникає γ – випромінювання при ядерних вибухах, розпаді радіоактивних елементів, ядер і елементарних часток, а також при проходженні швидких заряджених часток крізь речовину. Завдяки великій енергії (до 5 МеВ у природних радіоактивних речовинах і до 70 МеВ – при штучних ядерних реакціях) γ - промені легко іонізують різні речовини та здатні самі викликати деякі ядерні реакції. Гамма – випромінювання дедалі ширше застосовують у науці і техніці, зокрема в γ - дефектоскопії, для передпосівної обробки насіння, знищення комах – шкідників, опромінення харчових продуктів для тривалого їх зберігання і т. п.
Корпускулярне опромінення – це потік елементарних часток і уламків атомів, які рухаються з великими швидкостями. До нього відносяться:
α – випромінювання являє собою потік ядер гелію. Це ядро складається з 2 протонів та 2 нейтронів без електронної оболонки, і рухається зі швидкістю ~ 20 000 км/с. Це випромінювання виникає при розпаді радіоактивних ізотопів. Зараз відомо близько 40 природних та понад 200 штучних α – активних ядер. Кінетична енергія α – часток 2...9 МеВ, а проникаюча здатність дуже мала – у повітрі – до 10 см. Екраном від неї може слугувати звичайний одяг або декілька аркушів газетного паперу. Альфа – випромінювання дуже небезпечно при потраплянні у середину організму людини чи при дії на відкриті ділянки шкіри, слизові оболонки або очі.
β – випромінювання являє собою потік електронів чи позитронів, що рухається із швидкістю, яка наближується до швидкості (до 250 тис. км/с). Вони мають більшу проникаючу здатність і переміщуються у повітрі до 1 метра та проникають в тіло людини на 1...2 см що може спричинити променеву хворобу. Це випромінювання дуже шкідливо впливає на шкіру та очі людини.
Потоки елементарних часток (протонів, нейтронів та інших) мають величину кінетичної енергії до кількох десятків МеВ в залежності від маси часток та їх швидкості. Вони утворюються на Сонці та інших зірках, а також при роботі синхрофазотронів, під час ядерних вибухів і мають різну проникаючу здатність.
Кількість енергії, яка поглинена речовиною називають дозою. За одиницю потужності дози взятий один рентген. Рентген - це така доза (кількість енергії) при поглинанні якої в кожному кубічному сантиметрі сухого атмосферного повітря при 00 С і тискові 760 мм ртутного стовпчика (980 кПа) утворюється 2,083 млрд. пар іонів, кожний з яких має заряд, що дорівнює заряду електрона. Рентген – позасистемна одиниця, яка була прийнята ще на початку ХХ століття і використовується зараз в приладах дозиметричного контролю. В зв’язку з тим, що ця одиниця дуже велика, використовують менші її значення: мілірентген 1мР= 10-6 Р, та мікрорентген 1мкР= 10-9 Р.
Доза випромінювання може бути експозиційною і поглиненою.
Експозиційна доза служить для кількісної оцінки випромінювання в сухому атмосферному повітрі і являє собою відношення повного заряду іонів одного знака, які виникають в елементарному об’ємі повітря, до маси повітря в цьому об’ємі:
Dе = dQ / dm, Кл / кг
де Q – повний заряд іонів одного знаку в кулонах; m – маса повітря в кілограмах.
Позасистемною одиницею вимірювання цієї дози є рентген.
Чим інтенсивніший потік іонізуючих випромінювань, тим скоріше накопичується доза опромінювання.
Потужність експозиційної дози, виміряної на висоті один метр від поверхні землі (ґрунту) називається рівнем радіації. Рівень радіації визначається за допомогою спеціальних приладів. Одиницями виміру рівня радіації є: Р/год., мР/год , мкР/год. Між дозою і рівнем радіації є залежність:
D = P • t, P
де D – доза радіації, Р; Р – рівень радіації, Р/год; t – час дії радіації (експозиція), год.
Дія радіоактивного (іонізуючого) випромінювання на біологічні об’єкти (людей, тварини, рослини) полягає в зміні і руйнуванні біологічних структур. Зміни в живому організмі будуть тим більші, чим більша енергія іонізації буде надаватися тканинам цього організму. Тому для характеристики дії випромінювання на живі організми ввели поняття поглиненої дози.
Поглиненою дозою називається кількість енергії випромінювання, що поглинається одиницею маси опроміненого тіла (тканинами організму):
Д = dE /dm, Гр. [Дж/кг].
де Е – кількість енергії випромінювання, Дж.; m – маса тіла, кг.
Одиниця випромінювання поглиненої дози – грей (Гр). 1 Гр = 1 Дж/кг, тобто грей – це така поглинена доза, коли кожним кілограмом опроміненого біологічного тіла поглинається енергія в один джоуль (система CІ). Позасистемна одиниця виміру поглиненої дози при взаємодії з тілом людини чи тварини – рад/с (рад за секунду).
Для повної оцінки комплексного впливу іонізуючого випромінювання на біологічні об’єкти ввели поняття еквівалентної дози, яка визначається в системі CІ в зівертах (Зв), а в позасистемних одиницях – в берах (бер – біологічний еквівалент рада).
Де = Д• Q , Зв (бер)
де Д – поглинута доза, Гр.; Q – коефіцієнт якості (впливу) різновиду випромінювання.
Коефіцієнт якості (Q) – це безрозмірна величина, що характеризує здатність певного виду випромінювання пошкоджувати тканини організму.
Різні частини людини (тканини і органи) мають різну чутливість до опромінювання. Саме тому організм людини при дії на нього іонізуючого випромінювання не можна розглядати як однорідне фізичне тіло, а саме так це враховується у всіх попередніх дозах. Тому навіть при однаковому опроміненні всього тіла різні його складові будуть реагувати на нього по-різному. Якщо помножити еквівалентні дози на відповідні коефіцієнти і підсумувати їх по всіх органах людини отримаємо ефективну еквівалентну дозу:
Дее = Σ Деі •Кі , [Зв].
де Деі – еквівалентна доза опромінення, яку отримав певний орган чи система організму людини, Зв; Кi – коефіцієнт радіоактивного ризику певного органу чи системи.