Безпека життєдіяльності - Купчик

Рентгенівське і гамма-випромінювання належать до широкого спектра електромагнітних випромінювань, поширюються із швидкістю світла і мають велику проникну здатність.

Рентгенівське випромінювання — це електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі 10-9... 10-11 м. Випромінюється при гальмуванні швидких електронів у речовині (безперервний спектр) та при переходах електронів із зовнішніх електронних оболонок атома на внутрішні (лінійчастий спектр).

Джерела — рентгенівська трубка, деякі радіоактивні ізотопи, прискорювачі та накопичувачі електронів. Генерується для діагностики і лікування хворих і т. ін.

Діапазон енергії фотонів — від 1 кеВ до 1 МеВ.

Гамма-випромінювання — це короткохвильове електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі 10-12...10-14 м; воно супроводжує ядерні реакції й розпад ядер багатьох радіоактивних речовин, виникає також при переході ядер із збудженого стану в основний під час взаємодії швидких заряджених частинок з речовиною (гальмівне випромінювання). Маючи високу проникну здатність, може пройти крізь тіло і густіші середовища. У повітрі довжина пробігу сягає десятків і навіть сотень метрі Від гамма-випромінювання добре захищають свинець, бетон інші матеріали великої густини (рис. 4.7).

Розглянуті види іонізуючого випромінювання визначають радіоактивність,

що виникає переважно під час ядерних перетворень.

Для того щоб зрозуміти, як виникають іонізуючі випромінювання, досить згадати деякі відомості з атомної фізики.

Відповідно до планетарної моделі атома, запропонованої в 1911 р.

англійським фізиком Е. Резерфордом, ядро атома складається з позитивних протонів і нейтральних нейтронів. Навколо ядра обертаються на своїх орбітах негативно заряджені електрони. Заряд ядра дорівнює сумарному заряду електронів, тобто атом електрично нейтральний.

Ядра атомів одного й того самого елемента завжди мають однакову кількість протонів, але кількість нейтронів у них може бути різною.

Атоми, що мають ядра з однаковою кількістю протонів, але різняться за кількістю нейтронів, належать до різновидів одного й того самого хімічного елемента і називаються ізотопами. Для

90

до кінця таблиці Менделєєва, тим більше А, тим більше нейтронів у ядрі і тим менш стійкі ці ядра.

Ядра всіх ізотопів утворюють групу нуклідів. Деякі нукліди стабільні,

тобто якщо немає зовнішньої дії, то не відбувається ніяких змін. Більшість нуклідів нестабільні, вони весь час перетворюються в інші нукліди.

Електрони розміщуються на орбітах у строгій послідовності: на найближчій до ядра орбіті може бути не більше двох елементів, на наступній — не більше восьми, на третій — 16, далі — 32. Ці умови постулював у 1913 р.

датський фізик Н. Бор. Потім вони були підтверджені експериментально.

Енергія атома дискретна. Перехід із одного стану в другий відбувається стрибкоподібно з випромінюванням строго фіксованої порції енергії — кванта.

Цей термін ввів основоположник квантової теорії М. Планк. Електрони можуть переходити з однієї орбіти на другу і залишати атом. Складні процеси, що відбуваються всередині атома, супроводжуються вивільненням енергії у вигляді випромінювання. Можна сказати, що випуск ядром двох протонів і двох нейтронів — це альфа-випромінювання, а випуск електрона — це бета-

випромінювання. Якщо нестабільний нуклід є перезбудженим, то він виділяє порцію чистої енергії, яку називають гамма-випромінюванням (гамма-квантом).

У цей час будь-які інші частинки не виділяються.

Процес самочинного розпаду нукліда називають радіоактивним розпадом,

а сам нуклід — радіонуклідом.

Кількісну характеристику іонізуючого випромінювання, яку називають

дозою, визначають як енергію, поглинуту речовиною. Першою із таких величин є поглинута доза (І)) — це кількість енергії, що поглинута опроміненою речовиною і розрахована на одиницю маси цієї речовини. Одиницею її є грей

(Гр) (названа на честь англійського фізика і радіобіолога Л. Грея). Один грей відповідає енергії 1 Дж іонізуючого випромінювання, поглинутій речовиною масою в 1 кг.

Меншою одиницею поглинутої дози є рад: 1 рад = 0,01 Гр.

Однакові поглинуті дози випромінювання різних видів породжують неоднакові біологічні ефекти. Наприклад, поглинута доза нейтронного випромінювання 0,5 Гр призводить до тяжчих наслідків, ніж така сама доза рентгенівського випромінювання

92

При однаковому значенні поглинутої дози рентгенівські промені, гамма- і бета-

випромінювання спричинюють менше ураження, ніж випромінювання важких іонів. Щоб визначити радіаційні ефекти від випромінювання різних видів,

використовують еквівалентну дозу (Н) — кількість поглинутої дози, помножену на радіаційний ваговий фактор Wr (коефіцієнт якості). Цей коефіцієнт характеризує ефективність дії конкретного випромінювання:

Еквівалентна доза виражається в зівертах (Зв) і берах (біологічний еквівалент рада): 1 Зв = 100 бер.

Різні органи або тканини організму мають різні чутливості до випромінювання. Відомо, наприклад, що при однаковій еквівалентній дозі опромінення виникнення раку в легенях імовірніше, ніж у щитовидній залозі, а

опромінення гонад (сатевих залоз) особливо небезпечне через ризик генетичних пошкоджень. У разі нерівномірного опромінення різних органів або тканин тіла людини введено поняття ефективної дози (Е), дорівнює сумі добутків еквівалентних доз НТ в окремих органах (Т) людини і тканинах на відповідні тканинні вагові фактори Wt:

(4.11)

93

Ваговий фактор Wт дає змогу розраховувати дозу опромінення всього тіла,

яка за ризиком віддалених соматичних наслідків еквівалентна даній дозі опромінення органа Т. Значені вагових факторів Wт для різних органів і тканин людини такі: гонади — 0,20; кістковий мозок (червоний), товста кишка, легені,

шлунок — 0,12; сечовий міхур, молочна залоза, печінка, стравохід, щитовидна залоза — 0,05; шкіра, поверхня кістки — 0,01 інші органи — 0,05.

Отже, Wт визначає ваговий внесок даного органа або тканини до ризику несприятливих наслідків для організму при рівномірному опроміненні:

(4.12)

де n — кількість органів і тканин.

Застосування поняття ефективної дози допускається при значеннях еквівалентних доз, що лежать у межах значень, нижчих за поріг виникнення детерміністичних ефектів. Ефективна доза опромінення взята як один із головних критеріїв захисту населення, що потерпіло внаслідок катастрофи на ЧАЕС.

Одиницями ефективної дози є зіверт і бер.

Колективна ефективна доза — це сума добутків середніх ефективних доз Е на кількість осіб N, що були опромінені:

(4.13)

Одиниця колективної ефективної дози — людино-зіверт (люд-Зв).

Наприклад, колективна ефективна доза, отримай 1 млн осіб, становить 3200

люд-Зв. Одна особа отримує в середньому 3,2 мЗв.

Щоб оцінити радіаційний вплив на людину в робочому чи житловому приміщенні та на місцевості, який зумовлений рентгенівським промінням або гамма-випромінюванням, використовують експозиційну дозу опромінення (X).

Вона характеризує іонізуючу здатність випромінювань у повітрі. Одиниця експозиційної дози — кулон на кілограм (Кл/кг). В дозиметрії при використанні деяких дозиметричних приладів частіше вживають одиницю рентген

94

(Р): 1 Р = 2,58*10-4 Кл/кг, 1 Кл/кг = 3876 Р. В 1 см3 сухого повітря за нормальних фізичних умов 1 Р утворює 2,08*109 пар іонів. Експозиційна доза в 1Р

відповідає приблизно 1 раду (в повітрі 1 Р = 0,88 рад, в біологічній тканині —

0,98 рад).

Радіаційне забруднення атмосфери, різних поверхонь, предметів контролюють за потужністю дози, тобто за дозою, віднесеною до одиниці часу.

Потужність дози іонізуючого випромінювання називають (при визначенні потужності дози на висоті 1 м над поверхнею землі) також рівнем радіації або радіаційним фоном. Потужність дози характеризує швидкість її накопичення.

Активність радіоактивної речовини — це кількість атомів, що розпадаються за одну секунду. Цією величиною визначають кількість радіоактивної речовини.

За одиницю активності взято бекерель (Бк) — один розпад за одну секунду.

Крім того, використовують одиницю активності кюрі (Кі). Стосовно радію один грам радію має активність 1 Кі. Для інших елементів 1 Кі — це розпад 37 млрд атомів за 1 с, тобто 1 Кі = 3,7*1010 Бк, 1 Бк = 2,7-10-9 Кі.

Радіаційне забруднення середовища, предметів, харчових продуктів, води характеризують питомою, об'ємною і поверхневою активностями, що являють собою відношення кількості радіоактивної речовини, вираженої в кюрі

(бекерелях) або їх похідних, до одиниці маси, об'єму або площі поверхні (Кі/кг, КІ/м3, Кі/л, Кі/м2).

Активність одного грама радіоактивного нукліда можна розрахувати за формулою

(4.14)

1,6*103 років. Один рік має 3,16*107 с. Отже,

Чим менші T1/2 і М0, тим більша А.

95

Використана у формулі (4.14) величина Т1/2 — період напівіврозпаду — є

важливою сталою для кожного радіонукліда. Період напіврозпаду — це час,

протягом якого розпадається наполовину початкова кількість певної речовини,

тобто зменшує наполовину свою активність. Наприклад, період напіврозпаду для 238U 4,5.109 років, 106Ru — 368,2 доби, 40К — 1,3*109 років, 90Sr — 29 років, 137Сs — ЗО років, 131І — 8,04 доби, 226Ra — 1600 років, 241Аm — 432,2 року, 241Рu

— 14,4 року.

Закон радіоактивного розпаду має вираз

(4,15)

де Аt — активність радіонукліда на час t; А0 — початкова активність радіонукліда; і — час, на який визначається активність.

Тобто активність радіонукліда зменшується з часом за експоненціальним

законом (рис. 4.8).

Основні одиниці іонізуючих випромінювань наведено в табл. 4.7.

Рис. 4.8. Графічна залежність закону радіоактивного розпаду

96

Зовнішнє і внутрішнє опромінення. Існують два різних шляхи, якими випромінювання досягає тканин організму і діє ні них. Перший шлях —

зовнішнє опромінення від джерела, розміщеного поза організмом. В цьому разі зовнішнє радіаційне ураження спричинюється глибоким проникненням гамма- і

рентгенівських променів, нейтронів та бета-частинон, що неглибоко проникають в організм людини. Другий шлях — внутрішнє опромінення, зумовлене радіоактивною речовиною, що потрапила всередину організму. В цій ситуації альфа-, бета- і гамма-випромінювання створюють серйозну небезпеку. Але найбільшою небезпоекою в цьому разі є концентрація в організмі ізотопів, що випромінюють альфа-частинки з коротким пробігом і високою густиною іонізації. Захист від небезпечної дії зовнішнього опромінення буде зовсім іншим, ніж захист від внутрішнього опромінення.

Засоби захисту від зовнішнього рентгенівського, гамма і нейтронного випромінювань, а також бета-частинок базуються на комбінації трьох чинників:

часу, відстані, екранування. Тобто захист можливий, якщо регулювати тривалість опромінення, відстань до джерела випромінювання та розмістити між індивідумом і джерелом випромінювання поглинальний матеріал.

Вплив тривалості опромінення на величину отриманої людиною дози можна пояснити таким прикладом. Якщо людина перебуває в зоні випромінювання з рівнем радіації 10 мрад/год, то через 1 год вона отримає дозу

10 мрад, через 2 год — 20, череі 4 год — 40 мрад і т.д. Отже, роботу в зоні з підвищеною радіацією слід планувати так, щоб час, потрібний для виконання завдання в небезпечній зоні, був мінімальним.

Інтенсивність радіації знижується пропорційно квадрату відстані від джерела випромінювання. Так, якщо джерело іонізації створює рівень радіації

100 рад/год на відстані 1 м від нього, то із збільшенням відстані вдвоє інтенсивність зменшиться в чотири рази і буде дорівнювати 25 рад/год. У разі збільшення відстані в три рази інтенсивність опромінення зменшиться до 1/9 від початкового значення і т.д. Цю властивість слід використовувати як спосіб захисту від уражальної дії іонізуючих випромінювань.

І нарешті, використання різних екранувальних матеріа лів для захисту від проникнення рентгенівських гамма-променів

98

залежить від густини речовини, що застосовується для цього. Так свинець у даному разі підходить більше, ніж алюміній, вода або папір. З іншого боку,

найефективнішим захистом від нейтронів є використання водневмісних матеріалів, парафіну, графіту тощо. Слід враховувати також, що захисні властивості збільшуються у разі використання кількох шарів захисного матеріалу. Кожний шар зменшує випромінювання наполовину, радіація за екраном зменшиться в чотири рази, три таких шари знизять радіацію у вісім разів, чотири шари — у 16 разів і т.д.

Внутрішнє радіаційне ураження можливе в разі потрапляння всередину організму радіоактивних речовин (РР) через легені при диханні забрудненим повітрям, разом з їжею, водою, зараженими радіоактивними речовинами, через пошкодження і порізи на шкірі та внаслідок адсорбції крізь здорову шкіру.

Опромінення в цьому разі буде продовжуватись до того часу, поки РР не виведуться з організму внаслідок розпаду або фізіологічного обміну.

Під час дихання більші частинки радіоактивних речовин тримаються ворсинками та слизом у шляхах дихання і виштовхуються на поверхню. Менші,

нерозчинні частинки, затримуються в легенях, і легенева тканина отримує певну дозу радіації, якщо радіоактивна частинка розчинна, то речовина надходить в кровообіг і розноситься до різних тканин та органів тіла.

Радіоактивні речовини, що потрапили крізь шкіру, надходять безпосередньо в кров'яне русло і подальша доля радіоізотопу залежить від його хімічних властивостей. Деякі речовини поглинаються і накопичуються у конкретних органах, що призводить до високих локальних доз радіації. Якщо радіоактивні ізотопи не депонувалися у тканини та органи тіла, то вони з часом проходять через нирки і видаляються з сечею. Наприклад. кістки добре засвоюють кальцій. Оскільки радій, стронцій розміщуються в тій же групі періодичної таблиці хімічних елементів, що і кальцій, вони накопичуються здебільшого в кістковій тканині, а це може призвести до значних місцевих доз опромінення. Іншим прикладом може бути радіоактивний йод, який засвоюється переважно щитовидною залозою, що сприяє виникненню значних місцевих доз.

Після того як радіоактивна речовина осіла в організмі, важливими є значення енергії та вид випромінювання, форма і маса

99