Лабораторно-практичне заняття №5 Дослідження і оцінка радіоактивного забруднення об’єктів у навколишньому середовищі

Тема: Техногенні небезпеки та їх наслідки.

Мета: вивчити теоретичний матеріал теми, засвоїти методики вимірювання радіоактивного забруднення, дати відповіді на питання для контролю та самоконтролю.

Теоретичні відомості

Радіоактивне забруднення в атмосфері – це наявність радіоактивних речовин в кількостях, які перевищують рівень природного вмісту на поверхні і в об’ємах, в тілі людини, в побуті і на виробництві, в навколишньому середовищі.

З курсів хімії і фізики відомо, що на початку таблиці Менделєєва знаходяться особливо “міцні” і найбільш поширені у Всесвіті елементи, в ядрах яких число протонів дорівнює числу нейтронів (це водень, гелій, вуглець). У кінці таблиці ядра сильно збагачені нейтронами: число нейтронів в важких ядрах перевищує число протонів більш ніж в 1,5 рази. Наприклад, в ядрі урану ²³⁸₉₂U на 92 протони приходиться 238 – 92 = 146 нейтронів. Такі ядра (нукліди) нестабільні і самочинно розпадаються з виділенням енергії. При цьому їх атомний номер і масове число змінюються. Такий процес називається радіоактивністю, а самі елементи – радіоактивними. До них відносяться уран, торій, радій, калій та інші.

Так, з атома урану-238, в ядрі якого протони і нейтрони ледве утримуються разом силами зчеплень, час від часу виривається компактна група 3 4-х частин – двох протонів і двох нейтронів (α-частинка). Уран перетворюється в торій −234, з торію-234 один з нейтронів перетворюється в протон і вилітає неспарений електрон з атома (β-випромінювання) і утворюється протантиній-234 і т. п.

При кожному такому акті розпаду (самочинних перетворень) вивільняється енергія, яка і передається далі у вигляді випромінювання ядром частинки, яка складається з 2-х протонів і 2-х нейтронів, − це α-випромінювання; відрив електрона, як у випадку розпаду торію-234, − це β-випромінювання. Часто нестабільний нуклід виявляється настільки збудженим, що випромінювання не призводить до повного зняття збудження, тоді він викидає порцію чистої енергії (фотон світла), яка називається γ-випромінювання (γ-квантом).

Відомо, що альфа-випромінювання () представляє собою потік позитивно заряджених частинок (тобто двічі іонізованих ядер гелію – іонів Не⁺⁺), які рухаються із швидкістю  20 000 км/с. Вони мають дуже велику іонізуючу і малу проникну здатність. Пробіг -частинок в повітрі не перевищує 11 см, а в м’яких тканинах він вимірюється мікронами. Наприклад, листок паперу вже затримує -промені.

-випромінювання не представляє небезпеки до того часу, поки радіоактивні елементи, які випромінюють -частинки, не проникнуть всередину організму через відкриту рану, з їжею або з повітрям.

Бета-випромінювання () – це потік від’ємно заряджених частинок (електронів). Їх швидкість наближається до швидкості світла, тобто дорівнює 310⁸ м/с. Іонізуюча здатність їх менша ніж -частинок, а проникна здатність висока (проникають через шар алюмінію товщиною до 0,5 мм; в повітрі їх пробіг становить до декількох метрів, в тканини організму проникає на глибину 1-2 см). Вплив на організм людини цього випромінювання, і відповідно захист, залежить від енергії – частинки, що випромінюється. Для різних радіонуклідів вона є різною.

Гамма-випромінювання () – це потік фотонів із дуже малою довжиною хвилі і, отже, з дуже великою енергією. Іонізуюча здатність низька, а проникна – перевищує проникну здатність -, -променів і навіть рентгенівських (проникають через товщу свинцю в декілька сантиметрів). У повітрі проникає на сотні метрів, біологічні тканини проходить наскрізь. Отже, створюється так зване іонізуюче випромінювання, яке має здатність проникати через матеріали різної товщини, а також іонізувати повітря і живі клітини організмів.

Іонізація – це процес утворення іонів, тобто акт розділення електрично нейтрального атому на дві протилежно заряджені частини – позитивний іон і від’ємний електрон.

Процес утворення позитивного іона полягає у вириванні електрона з електронної оболонки нейтрального атома, для чого необхідно затратити деяку енергію. Електрон, вирваний із ядра в результаті іонізації, "прилипає" до нейтрального атома чи нейтральної молекули, утворюючи негативний іон. Іони, що виникли, зникають в результаті рекомбінації – процесу з’єднання негативних та позитивних іонів, в якому утворюються нейтральні атоми або молекули.

Отже, іонізуючим називається випромінювання, взаємодія якого з середовищем призводить до утворення іонів різних знаків.

Джерелом іонізуючого випромінювання (ІВ) є природні та штучні радіоактивні речовини та елементи (уран, радій, цезій, стронцій та ін.). Джерела ІВ широко використовуються в атомній енергетиці, медицині (для діагностики та лікування).та в різних галузях промисловості (для дефектоскопії металів, контролю якості зварних з’єднань, боротьби з розрядами статичної електрики, пошуку корисних копалин та ін.).

Одиниці вимірювання радіоактивних випромінювань та їх дози

Радіоактивне випромінювання є одним із видів ІВ. Радіоактивні елементи, радіонукліди утворюють випромінювання в момент перетворення одних атомних ядер в інші. Вони характеризуються періодом напіврозпаду (П. П.) – часом, за який розпадається половина ядер даного нукліда (від секунд до млн. років). Це означає, що за два періоди залишиться чверть радіоактивних ядер, за три – одна восьма і т. д.

Іонізуюча здатність радіоактивних елементів (радіонуклідів) характеризується їх активністю (числом радіоактивних розпадів за одиницю часу). За одиницю активності радіонукліду в системі СІ прийнято одне ядерне перетворення за секунду (розп/с). Ця одиниця називається беккерелем (бк) – 1 Бк = 1 розп/с. Позасистемною одиницею вимірювання активності являється Кюрі (Кі).

Кюрі – це одиниця радіоактивності, яка визначається як кількість будь-яких радіоактивних ядер, в яких проходить 3,710¹⁰ (37 млрд.) розпадів за секунду.

Міра дії ІВ в будь-якому середовищі залежить від енергії випромінювання й оцінюється дозою ІВ. Доза ІВ визначається для повітря, речовини і біологічної тканини. Відповідно розрізняють дозу поглинання (поглинуту і еквівалентну) та експозиційну дозу.

І. Доза поглинання D_n визначається:

D_n = dE ∕ dm, (7.1)

де dE – середня енергія, яка передана випромінюванням речовині в деякому елементарному об’ємі, Дж;

dm – маса речовини в цьому об’ємі, кг.

Поглинута доза характеризує енергію ІВ, що поглинається одиницею маси опроміненої речовини.

За одиницю поглинутої дози випромінювання в системі СІ прийнято джоуль на кілограм (Дж/кг) – це грей. Грей – це така поглинута доза випромінювання, при якій 1 кг речовини поглинає енергію в 1 Дж (1 Гр = 1 Дж/ кг). Застосовується і позасистемна одиниця рад (1 рад = 0,01 Гр= 0,01 Дж ∕ кг).

Проте поглинута доза ІВ не враховує того, що вплив на біологічний об’єкт однієї і тієї ж дози різних видів випромінювань неоднаковий. Так, при однаковій дозі поглинання α-випромінювання значно небезпечніше ніж β- або γ- випромінювання. Щоб врахувати цей ефект, введено поняття еквівалентної дози. За одиницю вимірювання еквівалентної дози в системі СІ прийнятий зіверт (Зв). Зіверт дорівнює поглинутій дозі в 1 Дж ∕ кг. Позасистемною одиницею являється бер (біологічний еквівалент рада). 1 бер = 0,01 Зв. Потужність еквівалентної дози в системі СІ вимірюється в Зв ∕ с, в позасистемній одиниці в бер ∕ с.

Вплив α-, β-, γ-променів на біологічні об’єкти характеризується відносною біологічною ефективністю (ВБЕ) коефіцієнтом якості опромінення – К; для α-променів К_α = 20; β-, γ-променів К_β,γ = 1.

Коефіцієнт якості К враховує те, що при однаковій поглинутій дозі α-випромінювання значно небезпечніше (приблизно в 20 разів) ніж β- чи γ-випромінювання. Отже, еквівалентна доза Н_екв. визначається як добуток поглинутої дози D_n та коефіцієнта якості даного випромінювання К_я:

Н_екв. = D_n ∙ К_я (7.2)

У зв’язку з тим, що різні частини тіла людини (органи, тканини) мають різну чутливість до опромінення, дози опромінення слід враховувати з різними коефіцієнтами. Якщо помножити еквівалентні дози на відповідні коефіцієнти і підсумувати їх по всіх органах, матимемо ефективну еквівалентну дозу. Вона показує сумарний ефект впливу радіоактивних випромінювань для організму і вимірюється в зівертах.

Н_е.еф. = ∑ Н_екв ∙ К_чутл., (7.3)

де Н_е.еф. – ефективна еквівалентна доза;

Н_екв. – еквівалентна доза;

К_чутл. − коефіцієнт, який враховує, чутливість різних тканин до опромінювання. Ці три поняття описують тільки індивідуально одержані дози.

II. Доза опромінювання.

Для характеристики дози по ефекту іонізації, який є в повітрі, використовується так звана експозиційна доза (х) рентгенівського і -випромінювання. Доза опромінювання – це кількість заряду, який виникає в результаті іонізації маси повітря. Доза опромінювання D_o визначається:

D_o = dQ ∕ dm,

де dQ – повний заряд іонів одного знаку, що виникають у малому об’ємі повітря; dm – маса повітря в цьому об’ємі, кг.

За одиницю експозиційної дози в системі СІ прийнято кулон на кілограм (Кл ∕ кг) – це експозиційна доза фотонового випромінювання, при якій корпускулярна емісія в сухому атмосферному повітрі масою 1 кг виробляє іони, які несуть заряд кожного знаку, рівний 1 Кл. Позасистемною одиницею являється рентген (Р).

Рентген – це доза рентгенівського або -випромінювання, під дією якого в 1 см³ сухого повітря при нормальних умовах (t = 0⁰С, Р = 760 мм.рт.ст.) утворюються іони, які несуть 1 електростатичну одиницю кількості електрики кожного знаку (дозі в 1 Р відповідає утворення 2,0810⁹ пар іонів в 1 см³ повітря). Потужність експозиційної дози в системі СІ вимірюється в кулонах на кілограм за годину; в позасистемній одиниці – в рентгенах за годину (Р/г). 1Р = = 2,58∙10^-4 Кл ∕ кг.

Біологічна дія іонізуючих випромінювань (ІВ)

Під впливом ІВ атоми і молекули живих клітин іонізуються, в результаті чого відбуваються складні фізико-хімічні процеси, які впливають на характер подальшої діяльності людини.

За даними одних досліджень, іонізація атомів і молекул, що виникає під дією випромінювання, веде до розриву зв’язків у білкових молекулах, що призводить до загибелі клітин і ураження організму.

Згідно з іншими даними, у формуванні біологічних наслідків ІВ відіграють роль продукти радіолізу води, яка, як відомо становить 70-75% маси організму людини. При іонізації води утворюються атом водню (Н⁺) і гідроксильна група (ОН^-) за схемою Н₂ ОН⁺ + ОН^-. Так як в організмі є кисень, то в присутності кисню утворюються пероксидні сполуки НО₂ і Н₂ О_2, які в свою чергу являються сильними окислювачами. Останні вступають у хімічну взаємодію з молекулами білків, ферментів, руйнуючи їх, що призводить до зміни біохімпроцесів, у результаті чого порушуються обмінні процеси, пригнічується активність ферментних систем, сповільнюється і припиняється ріст тканин, порушуються функції кровотворних органів, змінюється склад крові, виникають нові хімічні речовини – токсини. А це призводить до порушення життєдіяльності окремих органів і організму в цілому.

Вплив радіоактивного випромінювання можна уявити таким чином. Відомо, що їжа, яка надходить в організм людини, розкладається на більш прості сполуки, які потім надходять через мембрану в середину кожної клітини і будуть використані як будівельний матеріал для відтворення собі подібних. Під час потрапляння випромінювання на мембрану відразу ж порушуються молекулярні зв’язки, атоми перетворюються в іони. Крізь зруйновану мембрану в клітину починають надходити токсичні речовини, робота її порушується. Якщо доза випромінювання невелика, відбувається рекомбінація електронів, тобто повернення їх на своє місце. Молекулярні зв’язки відновлюються, і клітина продовжує виконувати свої функції. Якщо ж доза опромінення висока, або багато разів повторюється, то електрони не встигають рекомбінувати; молекулярні зв’язки не відновлюються; виходить із ладу велика кількість клітин; робота органів розладнується; нормальна життєдіяльність організму стає неможливою.

Специфічна дія ІВ полягає в тому, що швидкість протікання хімічних реакцій, які зумовлені вільним радикалами, висока; в цих реакціях беруть участь сотні і тисячі молекул, які не опромінені.

Таким чином, ефект дії ІВ зумовлений не кількістю поглинутої енергії об’єктом, що опромінюється, а формою, в якій ця енергія передається. Ніякий інший вид енергії, (електрична, теплова та ін.) що поглинається біологічним ефектом у тій самій кількості, не призводить до таких змін , які спричиняє ІВ.

Необхідно визначити деякі особливості дії ІВ на організм людини:

• висока ефективність поглинутої енергії. Навіть невелика кількість поглинутої енергії ІВ може викликати суттєві біологічні зміни в організмі людини;

• наявність прихованого періоду проявлення впливу ІВ;

• малі дози ІВ можуть накопичуватися в організмі (кумулятивний ефект);

• органи чуття не реагують на випромінювання;

• різні органи мають різну чутливість до ІВ;

• ІВ впливає не лише безпосередньо на саму людину, але і на його майбутнє потомство (генетичний ефект);

• ступінь впливу ІВ залежить від індивідуальних властивостей організму. Зміни в організмі можуть бути незворотного та невиліковного характеру.

Найсильнішого впливу зазнають клітини червоного кісткового мозку, щитовидна залоза, легені, внутрішні органи, тобто органи, клітини яких мають високий рівень поділу. При одній і тій самій дозі випромінювання у дітей вражається більше клітин, ніж у дорослих, тому що у дітей всі клітини перебувають у стадії поділу.

Червоний кістковий мозок та інші складники кровотворної системи дорослої людини найбільше страждають при опромінюванні і втрачають здатність нормально функціонувати вже при дозах 0,5-1 Гр. Якщо доза не дуже велика, щоб викликати пошкодження всіх клітин, кровотворна система може повністю відновити свої функції.

Необхідно відмітити, що, попадаючи в живі організми, радіонукліди викликають мутагенні, канцерогенні та інші зміни. Найбільш небезпечними являються ті, які мають період піврозпаду (Т = 1/2) від декількох діб до десятків років. Наприклад, для ¹³¹J – п.п. = 8,06 діб; ¹³⁷Cs – п.п. = 50,5 діб; ⁸⁹Sr – п.п. = 50 діб. Особливо небезпеними є ⁹⁰Sr і ¹⁴⁴Cs, які легко засвоюються рослинами, тваринами і людиною. ⁹⁰Sr за своїми хімічними властивостями подібний до кальцію і при недостатку останнього в організмі він може відкладатися в тканинах костей і в зубах.

Радіонукліди йоду (¹³¹J, ¹³³J, ¹³⁵J) можуть відкладатися у щитовидній залозі; цезію – у шлунково-кишковому тракті; у м’язах – калій, рубідій, цезій у печінці, нирках, селезінці – полоній, рутеній; тритій, вуглець, залізо, полоній – розподіляються рівномірно в організмі людини.

Нормування радіаційної безпеки

Радіаційна безпека регламентується нормами радіаційної безпеки України – НРБУ-97. У НРБУ-97 наведено три категорії людей, які ризикують зазнати опромінення:

• категорія А – персонал, що професійно працює з радіоактивними речовинами;

• категорія Б – особи, що безпосередньо не працюють із радіоактивними речовинами, але за умовами проживання або розміщення їх робочих місць можуть потрапити під дію опромінення;

• категорія Б – інше населення країни.

Для трьох категорій осіб встановлені норми на день, тиждень і рік, які приведені в табл. 7.1.

Таблиця 7.1

Норми для трьох категорій осіб

Категорія	День	Тиждень	Рік
А	17 мбер	100	0,5 бер
Б	17 мбер	10	0,5 бер
В	не вище, ніж для категорії Б

Для категорії В опромінення в основному відбувається за рахунок природного фону та ренгено-діагностики, дози, яких незначні і не можуть викликати в організмі відчутних несприятливих змін.