Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Безопасность товаров (продовольственных). Учебное пособие
.pdf
Одним из основных путей поступления радиоактивных веществ в организм человека является питание. Поэтому доведение до потребителя экологически чистой продукции приобретает большое значение. Ведь накопляемость радиоактивных
веществ в продуктах питания зависит от вида продукта, особенностей его химического состава, технологий возделывания
(сельскохозяйственные культуры) и переработки (продукты
растительного и животного происхождения), хранения и др.
С этой целью необходима конкретная деятельность специалиста: четко представлять себе теоретические вопросы о природе радиоактивных излучений, единицах измерения, о влиянии и взаимодействии радиоактивных излучений с компонентами пищевых продуктов; уметь квалифицированно управлять
процессами производства, хранения, потребления продуктов
питания; владеть методиками их радиологического контроля
и оценивать радиационную безопасность продуктов питания.
Основные представления о радиоактивности. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, образующих электронную оболочку –
«шу бу» вокруг ядра. В целом атом электрически нейтрален,
число протонов в ядре равно числу электронов в электронной
оболочке, размер его – около 10
–8
см, а ядра – около 10
–13
см.
Атомное ядро состоит из элементарных частиц: положительно
заряженных протонов (р) и нейтральных нейтронов (n), связанных между собой короткодействующими ядерными силами,
радиус их действия – порядка 1 Ферми. Протон – устойчивая
элементарная частица, заряд которой по абсолютной величине
равен заряду электрона, а масса равна 1,00758 а.е.м. (атомная
единица массы), которая примерно в 1840 раз больше массы
электрона. Нейтрон – электрически нейтральная час тица, имеющая массу 1,00898 а.е.м. Нейтроны, находящиеся в ядре,
дают в основном только физическую характеристику элемента.
Символическая запись атомного ядра любого химического
элемента Х имеет вид
A
, где А – массовое число (или атом-
X
Z
ная масса), т.е. суммарное число протонов и нейтронов; Z – зарядовое число – число протонов (совпадает с порядковым номером элемента Х в периодической системе Д.И. Менделеева).
Изотопами называют атомы одного и того же элемента Х,
ядра которых содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов.
Способность некоторых атомных ядер самопроизвольно
(спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием осо-
бых видов излучений и элементарных частиц называется радиоактивностью.
Радиоактивность подразделяется на естественную (наблюдается у неустойчивых изотопов, существующих в природе)
и искусственную (наблюдается у изотопов, полученных посредством ядерных реакций).
Основными видами радиоактивных превращений являются α-распад и β-распад, включающий β
–
-распад и К-захват.
Многие радиоактивные ядра (радионуклиды) в процессе распада испускают короткие электромагнитные волны – γ-излучение.
При α-распаде материнское ядро
представляющую собой ядро атома гелия –
–
При β
но ν
-распаде ядро испускает электрон е– и антинейтри-
, при β+-распаде – позитрон е+ и нейтрино νе. При К-за-
e
A
испускает α-частицу,
X
Z
4
.
He
2
хвате ядро поглощает один из электронов ближайшей к нему
электронной К-оболочки атома и испускает нейтрино.
Гамма-излучение представляет собой электромагнитное
излучение с длиной волны λ ≤ 0,2 нм. Источником γ-излучения
являются возбужденные атомные ядра, а также распад элементарных частиц, аннигиляция пар частица – античастица, торможение быстрых заряженных частиц в веществе и некоторые
другие процессы.
При всех видах радиоактивного распада выделяется энергия,
которая распределяется между дочерним ядром, испуc ка е мыми частицами и γ-излучением. Cледовательно, α- и β-час тицы,
испускаемые атомными ядрами при радиоактивных превращениях, и γ-излучение имеют различную энергию, в связи
с чем их пробег (проникающая способность) в веществе неодинаков. Ионизирующая способность излучения обоснована
процессом превращения нейтральных атомов вещества в электрически заряженные частицы – ионы.
Альфа-частицы обладают высокой ионизирующей и малой
проникающей способностями. Лист бумаги полностью задерживает α-частицы. В случае поступления источников α-излу-
чения с пищей, водой или воздухом они являются чрезвычайно опасными облучателями организма изнутри. Одежда, кожные
покровы человека полностью поглощают α-частицы, и при
внешнем облучении ими поражаются в основном кожные покровы.
Проникающая способность β-частиц примерно в 100 раз выше, а ионизирующая способность меньше, чем α-частиц. Бета-
112 113
частицы могут проникать через всю толщу кожи человека, проходить через слой воды толщиной 1...2 см, слой алюминия – до
2 мм, в биологических тканях – до 1 см. Ткани верхней летней
одежды могут задерживать лишь 30–40% всех β-частиц. Оконное стекло и металл толщиной в несколько миллиметров защищают организм от β-частиц (достаточно алюминия толщиной
10...15 мм, чтобы полностью их поглотить). При внешнем облучении β-частицами тела человека на открытых поверхностях
кожи могут образовываться ожоги различной тяжести. В случае поступления источников β-излучения в организм с пищей,
водой и воздухом происходит внутреннее облучение организма, способное привести к лучевому поражению.
Гамма-излучение по своим физическим свойствам напоминает рентгеновское излучение, но обладает большей скоростью и энергией, соответственно имеет высокую проникающую способность и незначительную ионизирующую способность. Обычная одежда практически не защищает от
γ-излучения. Большая проникающая способность делает γ-лучи особенно опасными при внешнем облучении. Бетонная
защита толщиной 30 м не гарантирует полного поглощения
γ-излучения.
В связи с тем что радиоактивные ядра распадаются независимо друг от друга, считается, что число ядер dN, распавших-
ся в среднем за интервал времени от t до t + dt, пропорцио-
нально промежутку времени dt и числу N нераспавшихся ядер
к моменту t:
N = N
exp(–λt), или N(t) = N0 e
0
– начальное число радиоактивных ядер в момент t = 0;
где N
0
–λt
,
N(t) – число радиоактивных нераспавшихся ядер в момент t;
λ = 1/τ – постоянная для данного радиоактивного вещества величина, называемая постоянной распада; τ – среднее время
жизни радиоактивного ядра; знак «–» указывает, что общее
число радиоактивных ядер в процессе распада уменьшается.
Формула выражает закон радиоактивного распада, согласно
которому число нераспавшихся ядер убывает со временем по
экспоненте.
Радиоактивный распад происходит со строго определенной
скоростью, характерной для каждого данного элемента. Вре-
мя, за которое исходное число радиоактивных ядер в среднем
уменьшается вдвое, называется периодом полураспада Т.
Период полураспада связан с постоянной распада следу-
ющим образом: Т = ln2/λ. Тогда закон радиоактивного распада
будет выглядеть следующим образом:
N(t) = N
Периоды полураспада известных радионуклидов имеют
значения, лежащие в очень широком диапазоне: от ∼10
∼1,4 ⋅ 10
17
лет. Для оценки полного распада радиоактивных
–t/T
2
.
0
–12
с до
ядер берут в среднем 10 промежутков Т.
Число радиоактивных распадов, происходящих в источнике
за единицу времени (т.е. скорость распада), называется актив-
ностью радиоактивного образца и определяется как А = λN.
Единица активности в СИ – беккерель (Бк): 1 Бк – активность нуклида, при которой за 1 с происходит один акт распада. На практике встречается внесистемная единица активности нуклида в радиоактивном источнике – кюри (Ки): 1 Ки =
= 3,7 ⋅ 10
10
Бк.
Для характеристики активности на практике вводится три
дополнительных величины:
удельная массовая активность:
Ам = А/m, где m – масса
образца, т.е. активность на единицу массы. Единица измерения в СИ А
удельная объемная активность:
образца. Единица измерения в СИ А
– Бк/кг;
м
АV = A/V, где V – объем
– Бк/м3 или Бк/л – для
V
жидких сред;
поверхностная активность:
верхности. Единица измерения в СИ A
AS = A/S, где S – площадь по-
– Бк/м2.
S
Поверхностная активность используется в системе радиационной безопасности для оценки загрязненности территории. Удельные массовую и объемную активности применяют
при нормировании содержания радионуклидов в продуктах
питания и питьевой воде.
Дозы излучения, их характеристики и единицы измерения. Каждый радионуклид испускает определенное излучение
с характерной энергией.
Повреждения, вызванные в живом организме излучением,
будут тем больше, чем больше энергии излучения передается
тканям. Количество переданной организму энергии называется дозой.
Воздействие на объект оказывает та часть излучения, которая поглотилась в нем. Поэтому приходится учитывать как
114 115
внешнее, так и внутреннее облучение. Радиоактивность попадает с пищей, водой, вдыхаемым воздухом, во время диагностических процедур. При этом в органической ткани поглощаются даже короткопробежные частицы, которые необходимо
учитывать наряду с γ-квантами. Поэтому вводится величина
D, называемая поглощенной дозой.
Поглощенная доза (D) – это количество энергии, поглощенной облучаемым веществом и рассчитанной на единицу массы
этого вещества. Поглощенная доза равна отношению средней
энергии dE, переданной ионизирующим излучением веществу
в элементарном объеме, к массе m вещества в этом объеме:
D = dE/m,
где dE – средняя энергия, переданная ионизирующим излуче-
нием веществу, находящемуся в элементарном объеме массы m.
Поглощенная доза используется для оценки всех видов радиоактивных излучений и их смеси; энергию можно мерить
для всех агрегатных состояний веществ, т.е. в любой среде.
Единица поглощенной дозы в Международной системе
единиц (СИ) – грей (Гр). Единица названа по имени Луи Гарольда Грея – лауреата премии имени Рентгена, радиобиолога,
давшего начало дозиметрии. При дозе в 1 Гр в каждом килограмме вещества поглощается энергия, равная 1 джоулю (Дж),
или 1 Дж ⋅ кг
6,25 ⋅ 10
–1
18
; 1 Дж соответствует 0,239 калориям, или
электрон-вольт, или 1 ⋅ 105 эрг.
Для оценки поглощенной дозы используется также внесистемная единица – рад; 1 рад = 100 эрг/г и, следовательно,
1 Грей = 100 рад.
Мощность поглощенной дозы
– это отношение прираще-
D
ния dD поглощенной дозы за малый промежуток времени
к его длительности dt:
dD
D
.=
dt
Единица мощности поглощенной дозы в СИ – грей на секунду (Гр/с). Мощность поглощенной дозы измеряется также
во внесистемных единицах: мкГр/ч, Гр/сут, рад/с и др.
Поглащенная доза излучения определяет нагрев вещества,
возбуждение и ионизацию его атомов и молекул, другие физические, химические и биохимические процессы, происходящие
в веществе при облучении. Понятие поглощенной дозы применимо при количественной оценке воздействия любых видов
ионизирующего излучения на любое вещество, а также на живые организмы животного и растительного происхождения.
Доза в органе или ткани (D
) – средняя поглощенная доза
т
в определенном органе или ткани человеческого тела:
1
DDdm
m
,=
∫
m
где тт – масса органа или ткани; D – поглощенная доза в элементе массы dm.
В лучевой терапии часто используют понятие интеграль-
ной дозы, т.е. энергии, суммарно поглощенной во всем объеме
объекта (при локальном облучении). Интегральная доза изме-
5
ряется в джоулях; 1 Дж = 10
рад ⋅ г; 1 рад ⋅ г = 10–5 Дж.
Поглощенная доза не учитывает пространственного распределения поглощенной энергии. Особенности радиационного воздействия различных ионизирующих излучений
на биологическую ткань позволяет учитывать эквивалентная доза.
По определению эквивалентная доза излучения Н представляет собой поглощенную дозу, умноженную на коэффициент, отражающий способность излучения данного вида повреждать ткань организма:
⋅ D,
R
где W
H = W
– взвешивающий коэффициент излучения (для различ-
R
ных сортов и энергий радиоактивного излучения); D – средняя
поглощенная доза в органе или ткани.
Что же это за коэффициент W
? Когда мы говорим об осо-
R
бенностях γ-, β-, α-излучения, то самым опасным является
α-излучение, так как оно полностью останется и разрушит по-
рядка 200 тыс. атомов, потому что обладает большой энергией, т.е. при одной и той же поглощенной дозе радиоактивное
излучение вызывают неравнозначный биологический эффект.
За эталон взято γ-излучение. К нему и относят взвешивающие
коэффициенты (табл. 10).
Коэффициент отражает степень воздействия радиоактивного излучения на организм человека.
116 117
Таблица 10. Взвешивающий коэффициент для различных сортов
и энергий радиоактивного излучения
Вид излучения
γ-фотоны любых энергий 1
β-электроны и мюоны
любых энергий
α-частицы 20 α-излучение очень опасно, в 20 раз
Ядра, осколки деления 20 Имеют одну структуру
Нейтронное, в зависимо-
сти от энергии
Протоны 5
Например, если человек получил 1 ⋅ 10–2 Гр, то при γ-излу-
чении H = D = 1 ⋅ 10
W
R
1 Считают, что β так же опасно, как и γ
сильнее действует на биологический
объект
5 ÷ 20 Вероятность взаимодействия имеет
–2
Гр, но если он подвергся α-излучению,
пик, резонансное влияние
Примечание
то облучение будет в 20 раз сильнее, следо вательно, чтобы
компоненты дали одинаковый эффект, α-из лучений должно
быть в 20 раз меньше. В природе α-частицы излучает родон
(газ распада урана). Если брать естественные источники, то
50% дает родон, который имеется везде. В разных странах
вводятся нормы на родон ∼50 Бк/м
страна) в помещениях ∼100 Бк/м
без вентиляции, то через 0,5 ч возрастет концентрация α-из-
лучения с 15 Бк/м
3
до 3000 Бк/м3. На первых этажах эта кон-
3
. В Швейцарии (горная
3
. Если взять горячую воду
центрация в 3 раза больше, чем на высоких, и т.д.
В системе СИ единица эквивалентной дозы 1 Зиверт (Зв) =
= 1 ⋅ 1 Гр = 1 Дж/кг. Это для γ и β при W
= 1, для α-излучения
R
один Зв = 20 Гр, так как WR = 20.
Внесистемная единица – 1 бэр (биологический эквивалент
рентгена); 1 Зв = 100 бэр.
До 60-х гг. считали, что этого достаточно, но эквивалентная доза рассчитывается для «средней» ткани человека, без
учета особенностей тканей. Дозы облучения приходится определять и для различных участков тела или органов (например,
при лучевой терапии). Чтобы обеспечить сравнимость и привести неравномерное облучение тела к такой же оценке его
последствий, как и при равномерном, вводится понятие эф-
фективной эквивалентной дозы (Н
). Она определяется по
эф
формуле
Н
= ∑W
эф
⋅ Hi = W
T
i
⋅ H1 + W
T
1
⋅ H2 + …,
T
2
где W
личный для различных органов и тканей человека); H
– взвешивающий коэффициент для i-го органа (раз-
T
i
– экви-
i
валентная доза, получаемая i-м органом человека, т.е. у человека исследуются различные органы по отдельности.
Величина Н
рассчитывается как сумма по всем органам.
эф
Что такое взвешивающий коэффициент для тканей? Каждый орган или биологические ткани имеют свою радиочувствительность. В первую очередь поражаются красный костный мозг, половые железы. Напротив, нервная ткань очень
устойчива к излучению. Учет радиочувствительности производят с помощью взвешивающих коэффициентов радиацион-
ного риска (W
), позволяющих выровнять риск последствий
T
облучения независимо от того, равномерно или неравномерно
облучается тело.
Взвешивающие коэффициенты вводятся для 12 органов
или тканей. Сумма всех взвешивающих коэффициентов для
человека равна 1 (табл. 11).
Единицы измерения в системе СИ – 1 Зв, внесистемная
единица измерения для эффективной эквивалентной дозы –
1 бэр (биологический эквивалент рентгена (рада)).
Для эффективной эквивалентной дозы Н
существуют
эф
нормы. Пределом среднегодовой эффективной дозы облучения населения за счет источников ионизирующего облучения
(не включая естественный и техногенно измененный радиационный фон, а также медицинское облучение) установлена величина 1 мЗв.
Таблица 11. Взвешивающие коэффициенты радиационного риска
Ткань или орган
Гонады (органы размножения) 0,20 Печень 0,05
Костный мозг (красный) 0,12 Пищевод 0,05
Толстый кишечник 0,12 Щитовидная железа 0,05
Легкие 0,12 Кожа 0,01
Желудок 0,12 Клетки костных поверхностей 0,01
Мочевой пузырь 0,05 Остальное 0,05
Грудная железа 0,05 Весь организм 1,00
W
T
Ткань или орган
W
T
118 119
Природа переноса радионуклидов в пищевых цепях. Все
радиоактивные вещества после поступления в окружающую
среду могут в той или иной мере загрязнять пищевые продукты, становясь источниками внутреннего облучения человека
и животных. Но в зависимости от физических и химических
свойств радионуклидов и места поступления в окружающую
среду содержание их в продуктах может меняться. Процессы
перемещения радиоактивных веществ из окружающей среды
в пищевые продукты обычно описываются как перенос радионуклидов через пищевые цепи.
Пищевые цепи, через которые радиоактивные вещества
могут поступать в сельскохозяйственные растения на суше,
существенно отличаются от пищевых цепей в водных средах.
Процессы переноса радионуклидов в этих двух ситуациях
изображены на рис. 3, 4.
Если вещество выпадает на поверхность суши, то растения, потребляемые в пищу животными или человеком, могут
загрязняться непосредственно в процессе выпадений. С другой стороны, выпавшие радиоактивные вещества могут попадать в почву и в конечном счете проникают в корни растений.
Природа пищевых цепей в воде сложнее (рис. 4).
Радиоактивные вещества могут поглощаться водорослями
или другими организмами, которые поедаются рыбой, потреб ляемой человеком. Кроме того, каждый участник вод ной
пищевой цепи может поглощать радионуклиды из окружающей воды.
Для поступления радионуклидов из внешней среды в организм человека основной начальной ступенью экологического
Растительность
Комбикорм, фуражное зерно
Домашние животные
Рис. 3. Пищевые цепи на суше: основные пути переноса
Атмосфера
Хлеб и другая растительная пища
Молоко
Мясо
Почва
Человек
Рис. 4. Пищевые цепи в воде
цикла является система почва – растение. Один из важнейших
процессов, происходящих на этой ступени, – миграция радионуклидов, под которой понимают перемещение содержащихся
в почве радионуклидов в вертикальном или горизантальном
направлении, а также перераспределение их между различными химическими соединениями.
Причинами миграции радионуклидов в вертикальном или
горизонтальном направлении являются перенос их вместе с атмосферными осадками вглубь почвы, капиллярные явления,
диффузия, перенос их по корневым системам растений, деятельность почвенных животных, хозяйственная деятельность
человека.
На накопление радионуклидов всеми сельскохозяйственными культурами существенное влияние оказывают показатели
почвенного плодородия. При повышении содержания гумуса
в почве от 1 до 3,5% переход радионуклидов в растения снижается в 1,5–2 раза, а по мере повышения содержания в почве
подвижных форм калия – от низкого (менее 100 мг К
О на 1 кг
2
почвы) до оптимального (200...300 мг/кг) – в 2–3 раза.
Поступление радионуклидов в культуры существенно зависит от гранулометрического состава почвы. На песчаных
почвах переход радионуклидов в растения примерно вдвое
выше, чем на суглинках, особенно при низкой обеспеченности
почвы обменным калием.
Переход радионуклидов из почвы в растительную продукцию зависит от биологических особенностей возделываемых
сельскохозяйственных культур. При одинаковой плотности загрязнения накопление цезия-137 в зерне озимой ржи в 10 раз
ниже, чем в семенах ярового рапса, и в 24 раза ниже, чем в зерне люпина. Многократные различия по накоплению стронция90 наблюдаются у зерновых злаковых и зернобобовых культур.
120 121
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]