1. Общие сведения

1. Термины и определения

Ионизация– физическое превращение нейтральных атомов и молекул в положительно или отрицательно заряженные ионы.

Ион– электрически заряженная частица, ионы образуются при потере или приобретении электронов атомами вещества.

В стабильном атомном ядре протоны и нейтроны удерживаются ядерными силами притяжения.

Протон– стабильная элементарная частица с массой в 1836 масс электрона. Протоны с нейтронами образуют все атомные ядра.

Электрон– стабильная отрицательно заряженная частица массой 9·10^-28грамма.

Лептоны– (греч. – легкий) элементарные частицы не участвуют в сильном взаимодействии. Масса легких лептонов в 10⁹меньше массы электрона.

Нейтрон– нейтральная элементарная частица с массой, превышающей массу протона на 2,5 электронных масс. В свободном состоянии нейтрон не стабилен и имеет время жизни около 16 минут. Вместе с протоном нейтрон образует атомные ядра и там они стабильны.

Радиоактивность– самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием частиц илиg-кванта.

Известны четыре типа радиоактивности: 1. протонная; 2. a-распад; 3.b-распад; 4. спонтанное деление атомных ядер.

Впервые радиоактивность обнаружена А. Беккерелем в 1896 году.

Радиоактивные элементы– химические элементы, все изотопы которых радиоактивны (например, технеций, прометий, полоний и следующие за ними в периодической системе Д.И. Менделеева).

Изотопы– разновидности данного химического элемента, различающиеся по массе ядра.

Радионуклиды– те изотопы элементов, которые испускают радиоактивное излучение, способное выбивать электроны из атомов и присоединять их к другим атомам с образованием пар положительных и отрицательных ионов. Такое излучение называется ионизирующим. При испытании атомного оружия, аварии на АЭС выпадают осадки, содержащие радионуклиды.

Гамма излучение– коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны менее 10^-8см, возникающее при распаде радиоактивных ядер и элементарных части, при взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом.

Альфа-распад– самопроизвольный распад атомных ядер наa-частицы. Альфа радиоактивны почти исключительно ядра тяжелых металлов с порядковым номером более 82.

Бета-частицы– вылетающие из атомных ядер со всевозможными начальными энергиями частицы, обладающие различными пробегами в веществе.

Благодаря небольшой проникающей способности aиbизлучения не представляют опасности длявнешнего облучения.

Плотная одежда может поглощать значительную часть b-частиц и совсем не пропускатьa-частицы. Однако, при попадании внутрь организма человека с пищей, водой и воздухом эти частицы могут причинить серьезный вред здоровью.

Гамма-излучения(g-кванты) инейтроныне обладают электрическим зарядом. Они свободно проходят через атомы. Пути их пробега – сотни сантиметров (иногда метров). Гамма-излучения, взаимодействуя с веществами, производят его ионизацию и возбуждение атомов среды.

2. Единицы измерения радиации

Активность (А)– мера радиоактивности какого-либо количества радионуклида, находящегося в данном энергетическом состоянии в данный момент времени:

А=dN/dt, Бк (1)

где dN– ожидаемое число спонтанных ядерных превращений за времяdt.

Единицей измерения в системе СИ является Беккерель (Бк), равный одному распаду в секунду.

Доза поглощения (D)– величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу.

(Гр) (2)

где - средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме;

- масса вещества в этом объеме. В системе СИ она измеряется в Дж/кг и имеет название – Грей (Гр).

Мощностью поглощенной дозыявляется доза излучения за 1 с (Гр/с).

Доза эквивалентная (H_TR)– поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешенный коэффициент для данного вида излучения,W_R:

H_TR=W_R·D_TR, Зв, (3)

где D_TR– средняя поглощенная доза в органе или ткани Т, аW_R - взвешенный коэффициент для излученияR.

Единицей эквивалентной дозы является Зиверт (Зв). 1Зв=1Гр/ W_R.

При воздействии различных видов излучения с различными взвешенными коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для этих видов излучения:

(4)

Мощность эквивалентной дозы (Н)– доза излучения за единицу времени (секунду, минуту, час).

Единицей измерения в системе СИ является Зиверт в секунду (Зв/с).

Доза эффективная (Е) – величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на соответствующие взвешенные коэффициенты:

(5)

где - эквивалентная доза в органах или тканях Т;

- взвешивающий коэффициент для органов или тканей Т.

Единицей эффективности дозы является Зиверт (Зв).

Соотношения между единицами СИ и внесистемными представлены в табл. 1.

3. Биологическое воздействие ионизирующих излучений

Ионизирующие излучения подчиняются закону радиоактивного распада. Распад большого количества ядер любого радиоактивного изотопа подчиняется закону, который выражается формулой:

(6)

где N– количество ядер, не испытавших распада;

N₀– начальное количество радиоактивных ядер (приt=0);

T– постоянная величина, зависящая от типа радиоактивного изотопа и определяющая период полураспада.

Через промежуток времени t=Tисходное количество радиоактивных ядер убывает в 2 раза, поскольку в формуле цифра 2 становится в –1 степени.

На рисунке представлен график радиоактивного распада изотопа.

Таблица 1

Величина и ее символ	Название и обозначение единиц		Связь между единицами
	Единица СИ	Внесистемная единица
Активность А	Беккерель (Бк), равный одному распаду в секунду (расп./с)	Кюри (Ки)	1 Ки=3,700·1010 расп./с=3,700·1010 Бк; 1 Бк=1 расп./с; 1 Бк=2,703·10-11 Ки
Плотность потока I и JE энергии частиц	Ватт на квадратный метр (Вт/м2), равный одному джоулю на квадратный метр в секунду [Дж/(м2·с)]	Эрг на квадратный сантиметр в секунду [эрг/(см2·с)] или мегаэлектронвольт на квадратный сантиметр в секунду [МэВ/(см2·с)]	1 эрг/(см2·с)=1·10-3 Дж/ (м2·с)= =1·10-3 Вт/м2; 1 Вт/м2=1 Дж/ (м2·с)=1·10-3 эрг/(см2·с); 1 МэВ/(см2·с)=1,602·10-9 Дж/(м2·с)= =1,602·10-9 Вт/м2; 1 Вт/м2=1 Дж/ (м2·с)=6,24·108 МэВ/(см2·с)
Поглощенная доза D	Грэй (Гр), равный одному джоулю на килограмм (Дж/кг)	Рад (рад)	1 рад=100 эрг/г=1·10-2 Дж/кг=1·10-2 Гр; 1 Гр=1 Дж/кг; 1 Гр= 1 Дж/кг=104 эрг/г=100 рад
Мощность поглощенной дозы D	Грэй в секунду (Гр/с), равный одному джоулю на килограмм в секунду [Дж/(кг·с)]	Рад в секунду (рад/с)	1 рад/с=1·10-2 Дж/(кг·с)= 1·10-2 Гр/с; 1 Гр/с=1 Дж/(кг·с)= 1·10-2 рад/с
Эквивалентная доза Н	Зиверт (Зв), равный одному грэю на взвешивающий коэффициент для вида излучения – WR [1Гр/WR=1(Дж/кг)/WR]	Бэр (бэр)
Мощность эквивалентной дозы Н	Зиверт в секунду (Зв/с)	Бэр в секунду (бэр/с)	1бэр/с=1·10-2Зв/с 1 Зв/с=100 бэр/с
Экспозиционная доза* X	Кулон на килограмм (Кл/кг)	Рентген (Р)	1 Р=2,58·10-4 Кл/кг (точно); 1 Кл/кг=3,88·103 Р (приближенно)
Мощность экспозиционной дозы X	Кулон на килограмм в секунду [Кл/(кг·c)]	Рентген в секунду (Р/с)	1 Р/с=2,58 10-4 Кл/(кг·с) (точно); 1 Кл/(кг·с)=3,88·103 Р/с (приближенно)
Керма** К	Грэй (Гр), равный одному джоулю на килограмм (Дж/кг)	Рад (рад)	1 рад=100 эрг/г=1·10-2 Дж/кг=1·10-2 Гр; 1 Гр=1 Дж/кг; 1 Гр=1 Дж/кг=104 эрг/г=100 рад
Мощность кермы К	Грэй в секунду (Гр/с), равный одному джоулю на килограмм в секунду [Дж/(кг·с)]	Рад в секунду (рад/с)	1 рад/с=1·10-2 Дж/(кг·с)= 1·10-2 Гр/с; 1 Гр/с=1 Дж/(кг·с)= 1·10-2 рад/с

Примечание:

* Используется для гамма-излучения с энергией до 3 МэВ в воздухе. 1Р=0,87 рад=0,87·10^-2 Гр поглощенной в воздухе дозы.

** Для гамма-излучения с энергией до 10 МэВ керма практически не отличается от поглощенной дозы.

Рис. 1. График радиоактивности распада.

Прямое действие радиации приводит к диссоциации – распаду частиц (молекул, радикала, иона) на несколько более простых частиц. Свободные радикалы водорода и гидроксильной группы (ОН) обладают высокой активностью, вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментов и других элементов биоткани, что приводит к нарушению биохимических процессов в организме. Например, при диссоциации в растворе щелочи имеем:

NaOH

Na⁺+OH

_¬

^®

т.е. ион натрия Na⁺и гидроксильную группуOH.

В результате нарушаются обменные процессы, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму. Это приводит к нарушению деятельности отдельных функций и систем организма.

Индуцированные свободными радикалами химические реакции развиваются с большим выходом, вовлекая в процесс сотни и тысячи молекул, не задействованных излучением. Такова специфика воздействия ионизирующего излучения на биологические объекты. Эти цепные реакции могут развиваться в течение от нескольких секунд до нескольких лет.

Ионизирующая радиация, воздействуя на организм человека, может вызвать два вида аффектов (крайнее напряжение), относимые к болезням: 1) детерминированныепороговые аффекты (лучевая болезнь, лучевой ожог, лучевая катаракта, бесплодие, аномалии в развитии плода и др.); 2)стохастические(вероятностные) беспороговые аффекты (злокачественные опухоли, лейкозы, наследственные болезни).

Острые поражения развиваются при однократном равномерном g-облучении всего тела и поглощенной дозе выше 0,25 Гр. При дозе0,25-0,5 Грмогут наблюдаться временные изменения в крови, которые быстро нормализуются.

В интервале дозы 0,5-1,5 Грвозникаетчувство усталости,менее чем у10%облученных, может наблюдаться рвота, умеренные изменения в крови.

При дозе 1,5-2,0 Грнаблюдается легкая форма острой лучевой болезни, которая проявляется продолжительнойлимфопенией, в 30-50 % случаев – рвота в первые сутки после облучения.

Смертельныеисходы не регистрируются.

Лучевая болезньсредней тяжестивозникает при дозе2,5-4,0 Гр. При этом в первые сутки после облучения наблюдается тошнота, рвота, резко снижается в крови количество лейкоцитов, появляются подкожные кровоизлияния, в20%- возможен смертельный исход. Смерть может наступить через2-6 недельпосле облучения.

При дозе 4,0-6,0 Гр– развиваетсятяжелая форма лучевой болезни, приводящая к50%смертельных случаев в течениепервого месяца.

При дозах превышающих > 6,0 Гр, развивается крайне тяжелая форма лучевой болезни, которая приводит почти в100%случаев ксмертельному исходу, вследствиекровоизлиянияилиинфекционных заболеваний.

Все перечисленные данные о лучевых болезнях рассмотрены при полном отсутствии своевременного лечения!

В настоящее время имеются противолучевые средства, позволяющие, при комплексномлечении исключитьлетальный исходпри дозах =10 Гр!

Хроническая лучевая болезньможет развиваться при дозах значительно ниже указанных выше, если человек длительно и непрерывно подвергается облучению.

Характерными признаками хроническойлучевой болезни являются: 1) изменения в крови; 2) ряд симптомов со стороны нервной системы; 3) локальные поражения кожи; 4) поражения хрусталика глаза; 5) пневмосклероз; 6) снижение иммунореактивности организма.

Степень воздействия радиационных излучений зависит от: 1) является ли облучение внешним; 2) является ли излучениевнутренним(при попадании радиоактивного изотопа внутрь организма).

Внутреннееоблучение происходит при дыхании, заглатывании радиоизотопов, проникновения их в организм контактным путем через поверхность кожи.

Следует помнить, что кальций, радий, стронцийи некоторые другие радиоактивные элементы накапливаются в костях, создавая там их высокую локальную дозу.Изотопы йодавызывают повреждение щитовидной железы (недостаток йода в пище).Редкоземельныеэлементы вызываютопухоли печени. Привнутреннемоблучении наиболее опасны альфа-излучения изотопыполонияиплутония.

Ионизирующее излучение, воздействуя на организм человек, вызывают следующие отдаленные последствия: 1) лейкозы; 2) злокачественные новообразования; 3) раннее старение.