1. Правила по технике безопасности при выполнении лабораторных работ

1.1. Прежде чем приступить к выполнению лабораторной работы, каждый студент должен ознакомиться с действующей инструкцией по технике безопасности, имеющийся в лаборатории, послушать инструктаж по технике безопасности.

1.2. Инструктаж по технике безопасности проводит преподаватель один раз в семестр в данной лаборатории, после чего каждый студент расписывается в журнале инструктажа.

1.3 Выполняется работа только бригадой, состоящей не менее чем из двух человек

1.4 Приступать к выполнению лабораторной работы только после ознакомления с последовательностью проведения измерений и расчетов, порядка работы с приборами и получения разрешения от преподавателя.

1.5 Запрещается вскрывать прибор и производить ненужные переключения.

2. Общие сведения

2.1. Основные понятия

Среди вопросов, представляющих научный интерес, немногие приковывают к себе столь постоянное внимание общественности и вызывают так много споров, как вопрос о действии радиации на человека и окружающую среду.

Вспомним ряд определений.

ИЗОТОП - химический элемент, ядро атома которого содержит одинаковое число протонов, но различное число нейтронов.[3]

НУКЛИД- вид атомов с данным числом протонов и нейтронов в ядре, характеризующийся массовым числом А (атомной массой) и атомным номером Z.[2]

Процесс самопроизвольного распада нестабильного нуклида называется радиоактивным распадом (радиоактивность), а сам такой нуклид – радионуклидом.

Радиоактивность – это процесс самопроизвольного выделения энергии с постоянной скоростью, присущей данному виду ядер (радионуклидов) [5].

Радиоактивность – самопроизвольное превращение неустойчивого нуклида в другой нуклид; сопровождающееся испусканием ионизирующего излучения [2].

Радионуклид – нуклид, обладающий радиоактивностью [2].

Активность А радиоактивного вещества – число спонтанных (произвольных) ядерных превращений dN в этом веществе за малый промежуток времени dt, деленное на этот промежуток [1].

А=dN/dt

Единица измерения А в системе СИ – беккерель, Бк.

Внесистемная – Кюри, Ки.

Один беккерель равен одному распаду в секунду (см. приложение табл. 2).

Ионизация - это акт разделения электрически нейтрального атома на две противоположно заряженные частицы: отрицательный электрон и положительный ион [5].

Ионизирующее излучение - излучение, энергия которого достаточна для ионизации облучаемой среды.

Облучение - процесс взаимодействия излучения со средой [5].

Ионизирующее излучение - любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков [1].

В результате радиоактивности и ионизации возникают три вида излучения: альфа - излучение, бета - излучение, гамма - излучение, а также имеет место несколько отличное от выше находимых специфическое рентгеновское излучение.

Чем же они отличаются друг от друга и насколько опасны для человека ? Альфа частицы (a- частицы), образующиеся при a- распаде, представляют собой поток ядер гелия (Не).

Вследствие большой ионизирующей способности пробег a - частиц очень мал. В воздухе он составляет не более 10 см и до 0.1мм в биоткани (живой клетке). Они полностью поглощаются листом бумаги (см рис. 1).

Рис. 1

Поэтому, с точки зрения внешнего облучения a - частицы не представляют опасности для человека, за исключением случаев непосредственного контактного воздействия их на кожные покровы тела и слизистую оболочку глаз. Однако, при попадании их внутрь организма с воздухом, пищей и водой они могут оказать существенное поражающее действие на слизистую оболочку желудка и другие органы.

Бета - частицы (b- частицы) - электроны обладают в сотни раз меньшей ионизирующей способностью, чем a- частица. Вследствие этого они распространяются в воздухе до 10 - 20 м, в биоткани - на глубину 5 - 7 мм, в дереве - до 2.5 мм, алюминии - до 1 мм. Скорость их распространения различна и зависит от величины энергии b - частиц.

Одежда человека почти наполовину ослабляет действие b - излучения. Оно практически полностью поглощается оконными или автомобильными стеклами, бортом автомашины и любым металлическим экраном толщиной в несколько миллиметров. Но при контакте с кожными покровами и попадании внутрь организма они также опасны, как и a- излучение.

Обладая относительно небольшой ионизирующей способностью (в тысячи раз меньшей a - излучения), гамма - излучение ( - квант электромагнитной энергии) распространяется в воздухе на расстояние в несколько сот метров. Оно свободно проникает сквозь одежду, тело человека и через значительные толщи материалов. Поэтому гамма - излучение называют проникающим [5].

Для оценки проникающей способности гамма - излучения введено понятие «слой половинного ослабления», т. е. слой материала, ослабляющий излучение в два раза. Так для свинца он ориентировочно составляет 2 , бетона - 10, грунта - 14, воды 23, полиэтилена - 24, древесины - 33 см. Гамма - излучение представляет основную опасность для человека, как источник внешнего облучения.

Для оценки воздействия ионизирующих излучений используется понятие «доза» [3].

Различают экспозиционную, поглощенную и эквивалентную дозы излучения. Экспозиционная доза - это доза излучения в воздухе. Она характеризует потенциальную опасность воздействия излучения при общем и равномерном облучении тела человека (Рис. 2).

Экспозиционная доза Дэкс - полный заряд d Q ионов одного знака, возникающий в воздухе при полном торможении всех электронов, которые были образованы фотонами в малом объеме воздуха, деленный на массу воздуха в этом объеме [1,17].

Рис. 2. Связь поля, дозы, радиобиологического эффекта

и единиц их измерений

(1)

Единица экспозиционной дозы в СИ - кулон на килограмм (Кл / кг).

Внесистемной единицей экспозиционной дозы, широко применяемой в медицине, и работах по радиационной защите, является рентген (Р).

Внесистемной единицей мощности экспозиционной дозы (уровня радиации) является рентген в час (Р / ч), производные единицы : миллирентген в час (мР / ч) - 10 ^-3 Р/ч, микрорентген в час (мк / Р/ч) - 10 ^-6 Р/ч. Эти единицы широко используются при измерениях в дозиметрических приборах.

Величину мощности экспозиционной дозы Рэкс можно рассчитать по формуле [18]. :

(2)

где А - активность источника, мКм;

Кg гамма - постоянная изотопа, Р· см²/ (ч·мКм)

(приложение, таблица 9);

20. время обучения, ч;

R - расстояние от источника до рабочего места, см.

Поглощенная доза более точно характеризует воздействие ионизирующих излучений на биологические ткани. Поглощенная доза излучения Д - отношение средней энергии dW, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе вещества - в этом объеме:

(3)

Для характеристики поглощенной дозы в международной системе единиц (СИ) используется единица грей (Гр). Внесистемной единицей поглощенной дозы излучения является рад. Достоинство рада как дозиметрической единицы в том, что его можно использовать для измерения дозы любого вида излучений в любой среде.

Однако, биологическое действие излучений зависит не только от поглощенной дозы, но и от того, на какую глубину это излучение может проникать в биологические ткани, от величины линейной потери энергии. Поэтому, для оценки биологического действия ионизирующего излучения используется эквивалентная доза.

Эквивалентная доза ионизирующего излучения - произведения поглощенной дозы Д излучения в биологической ткани на коэффициент качества k (см. табл. 1 в прилож. ) этого излучения в данном элементе биологической ткани [17]:

(4)

Коэффициент качества излучения - безразмерный коэффициент k, на который должна быть умножена поглощенная доза рассматриваемого излучения для получения эквивалентной дозы этого излучения [2].

Для смешанного излучения

(5)

где индексы i относятся к компонентам излучения разного качества (a, b, g и др.).

В качестве единицы эквивалентной дозы в системе СИ используется единица зиверт (Зв). Внесистемной единицей эквивалентной дозы является бэр (биологический эквивалент рентгена).

1 Зв = 100 бэр

Для b и g- излучений 1 бэр = 1 рад = 1 Р.

Для a излучений 1 бэр = 20 рад.

Для общей оценки биологического действия ионизирующих излучений при неравномерном облучении различных участков тела или органов человека введено понятие «эффективная эквивалентная доза» (Дээд.). Величина этой дозы равна поглощенной дозе излучения данного участка тела (органа), умноженной на соответствующий коэффициент перерасчета: для половых желез - 0.25, красного костного мозга и легких - 0.12, щитовидной железы - 0.3 и т.д., все тело - 1.0. Например, доза излучения щитовидной железы в 200 бэр соответствует Дээд = 200 × 0.03 = 6 бэр т.е. в данном случае облучение щитовидной железы дозой 200 бэр эквивалентно биологическому действию на организм в целом дозы 6 бэр.

2. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Вредное действие ионизирующих излучений на начальном этапе взаимодействия с биотканью обусловлено их способностью ионизировать и возбуждать атомы и молекулы, входящие в состав живой клетки, и в первую очередь молекул воды, находящийся в организме в количестве до 70 процентов и более.

В результате этих процессов в организме образуются перекись водорода, продукты разложения воды и радикалы ОН, Н, которые даже в микроскопических количествах вредно действуют на живую ткань, вызывая своеобразное химическое отравление организма.

В дальнейшем поражающее действие проявляется в нарушении обмена веществ с изменением соответствующих функций органов.

Ионизирующее излучение по самой своей природе вредны для жизни. Малые дозы облучения могут «запустить» не до конца еще установленную цепь событий, приводящую к раку или к генетическим повреждениям. При больших дозах радиация может разрушать клетки, повреждать ткани органов и являться причиной скорой гибели организма.

Повреждения, вызываемые большими дозами облучения, обыкновенно проявляются в течение нескольких часов или дней. Раковые заболевания, однако, проявляются спустя много лет после облучения - как правило, не ранее чем через одно - два десятилетия. А врожденные пороки развития и другие наследственные болезни, вызываемые повреждением генетического аппарата, по определению проявляются лишь в следующем или последующих поколениях: это дети, внуки и более отдаленные потомки индивидуума, подвергшегося облучению [3].

Установлено, что однократное облучение (т.е. полученное одновременно или дробно в течение 4 суток, когда организм еще не в состоянии проявить свои защитные свойства) в дозе 0.25 Гр - не приводит к заметному изменению в организме. При дозе 0.25 - 0.5 Гр наблюдаются изменения в крови и другие незначительные нарушения. Дозы 0.5 - 1 Гр вызывают более значительные изменения в крови и другие нарушения [7].

В качестве пороговой однократной дозы общего облучения всего тела человека, выше которой возникает острая лучевая болезнь той или иной степени, принятая доза , равная одному Гр. Что же собой представляет острая форма лучевой болезни?

В процессе лучевой болезни выделяют 4 периода: первичной лучевой реакции, скрытный (латентный), разгара и восстановления и (выздоровления).

В зависимости от полученной дозы различают 4 степени лучевой болезни.

Лучевая болезнь 1-й степени (легкая степень поражения) возникает при однократной дозе облучения 1-2 Гр. Период первичной реакции начинается уже через 2-3 часа и длится до одних суток. Он сопровождается общей слабостью, повышенной утомляемостью, тошнотой, у некоторых однократной рвотой. Эти признаки выражены слабо и обычно исчезают через сутки. Скрытый период длится 3-5 недель. Период разгара- 10-15 суток. Выздоровление через 1-2 месяца [6,7].

Лучевая болезнь 2-й степени (средней тяжести) возникает при дозе облучения 2-4 Гр. Период первичной реакции начинается через 1-2 часа и длится до двух суток. Он сопровождается сильной головной болью, значительным повышением температуры, тошнотой и рвотой, расстройством функций желудочно-кишечного тракта, появлением кровотечений из внутренних органов. Скрытый период длится 10-15 суток. Выздоровление через 2-3 месяца. Смертельный исход 20%.

Лучевая болезнь 3-й степени (тяжелая степень поражения) возникает при дозах облучения 4-6 Гр. Период первичной реакции начинается через 10-60 минут и длится до 3-4 суток. Он сопровождается многократной, иногда неукротимой рвотой в течении 5-8 часов, резкой слабостью, головной болью, головокружением, шаткой походкой, жаждой . Скрытый период длится 5-10 суток. Период разгара - до 3-4 недель. Выздоровление возможно в условиях проведения своевременного и эффективного лечения через 3-6 месяцев. Смертность до 70%.

Лучевая болезнь 4-й степени (крайне тяжелая степень поражения) развивается при дозах облучения свыше 6 Гр. Период первичной реакции начинается через 10-15 минут и длится 3-4 суток. Характеризуется неукротимой рвотой, тяжелым состоянием . Скрытый период отсутствует. Период разгара - как и при тяжелой стадии. Выздоровление маловероятно. Смерть в течение 2 недель.

Лучевое поражение кожи, как и лучевая болезнь, протекает в четыре стадии: ранняя лучевая реакция, скрытый период, период разгара и период заживления.

В зависимости от полученной дозы поражения кожи могут быть: легкой степени - при местном облучении в дозах 8-10 Гр, средней - 10-20 Гр и тяжелой - 30 Гр и более. Продолжительность скрытого периода при легкой и тяжелой степени составляют соответственно от 2 до 1 недели. Полное восстановление кожи длится от 2 до 6 месяцев и сопровождается шелушением, пигментацией кожи, а при тяжелой степени - образованием эрозии и язв.

А какова опасность внутреннего облучения людей радионуклидами, попавшими внутрь организма?

Она, как установлено, зависит от многих факторов: физико-химических свойств радионуклидов, путей и продолжительности их поступления в организм, скорости выделения и другого.

Основными путями поступления радионуклидов внутрь организма человека являются ингаляционный (через органы дыхания) и так называемый иероральный (через желудочно-кишечный тракт).

При поступлении радионуклидов в легкие с вдыхаемым воздухом важное значение имеет степень дисперсности твердых частиц, склонность радионуклидов к гидролизу (реакции обменного разложения между радионуклидами и водой), период полураспада радионуклидов и другое.

Так, крупные частицы (более 5 микрон) почти все задерживаются в верхних дыхательных путях и не попадают в кровь. Более мелкие частицы (менее 1 микрона) частично выдыхаются обратно, часть их задерживается в верхних дыхательных путях и около 25 процентов всасываются в кровь.

При хронических поступлениях происходит накопление радионуклидов в органах дыхания. Поэтому в некоторых случаях критическим органом по облучению могут быть легкие.

Попадая в организм через желудочно-кишечный тракт некоторые радионуклиды распределяются в нем более или менее равномерно, другие концентрируются преимущественно в отдельных органах.

Следует заметить, что накопление радионуклидов при хроническом поступлении неодинаково и характеризуются кратностью накопления, т. е. отношением максимального накопленного количества радионуклида в организме или органе к величине ежедневного накопления.

Кратность накопления зависит от всасывания радионуклида, скорости его выделения вследствие обменных процессов и периода полураспада радионуклида.

Например, йод-131 накапливается в щитовидной железе с кратностью 164; цезий-137 - в мышечной ткани с кратностью 2,6, в легких - 0,2; стронций-90 - в скелете с кратностью 91.

Скорость выведения радионуклида из организма зависит от его биологического периода полувыведения (времени, в течении которого выводится половина попавшего в организм вещества) и период полураспада Т, которые вместе определяют эффективный биологический период полувыведения Т_эф. При этом, если Т  Т6, то Т_эф =Т6. И наоборот, если Т  Т6, то Т_эф = Т.

Труднее всего удаляются из организма радионуклиды, химически связанные с костной тканью; легче - накапливаемые в мягких тканях.