16.1. Радіоактивні перетворення і види випромінювань

Під радіоактивністю розуміють здатність деяких природних чи штучних елементів до розпаду. Такі елементи називають радіоактив­ними. Розпад елемента супроводиться зміною порядкового номера з перетворенням одного елемента на інший або масового числа з ви­никненням ізотопів даного хімічного елемента. Розпад триває доти, доки не утвориться стабільний, нерадіоактивний ізотоп. Більшість хімічних елементів мають як радіоактивні, так і стабільні ізотопи.

Інтенсивність розпаду підпорядковується природному закону, який називають законом радіоактивного розпаду. Сформулювати його можна таким чином: кількість атомів радіоактивного елемента (ра­діонукліда), що розпадаються за одиницю часу, пропорційна їх за­гальній кількості; за рівні проміжки часу відбувається ядерне пере­творення рівних часток активних елементів речовини.

Із законом радіоактивного розпаду пов'язане поняття періоду на­піврозпаду (Т) радіоактивного елемента. За останнім визначається час, упродовж якого розпадається половина всіх атомів радіонукліда в даній масі речовини. Період напіврозпаду визначений для всіх відомих радіоактивних елементів: він коливається від часток секун­ди до мільярдів років. У зв'язку з цим розрізняють короткоживучі радіонукліди, період напіврозпаду яких не перевищує 60 діб, та до-вгоживучі — з тривалішим періодом напіврозпаду.

З інтенсивністю ядерних перетворень пов'язане поняття актив­ності, що визначає кількість перетворень за одиницю часу. Актив­ність є мірою кількості радіоактивної речовини у загальній ЇЇ масі. Визначення поняття активності і ЇЇ одиниці наведені в табл. 121.

Розрізняють такі види ядерних перетворень:

1. Альфа-розпад, при якому вивільняються альфа-частинки й ут­ ворюються нові елементи з масовим числом меншим на чотири, за­ рядом — на дві одиниці.

2. Бета-електронний розпад, коли вивільнюються електрони і заряд нового елемента зростає на одиницю, а масове число не змінюється.

3. Бета-позитронний розпад, коли вивільнюються позитрони; за­ ряд елемента зменшується на одиницю, масове число не змінюється.

4. Електронне К-захоплення. В цьому випадку ядро захоплює електрон з внутрішньої оболонки. Заряд зменшується на одиницю, масове число не змінюється.

5. Самовільний поділ ядер. Інколи ядра важких елементів захоп­ люють повільні нейтрони. При цьому ядра розпадаються з утворен­ ням осколків. Реакція некерована, може бути причиною ядерного вибуху.

6. Термоядерні реакції. В умовах, коли температура середовища досягає мільйонів градусів, а тиск — декількох мільйонів атмосфер, ядра легких елементів, наближаючись одне до одного, об'єднуються у важкі. При цьому звільняються нейтрони і величезна кількість енергії.

Кожний акт радіоактивного розпаду супроводиться виникнен­ням іонізуючого випромінювання. Розрізняють:

1. Корпускулярне випромінювання: альфа-, бета-частинки, ней­ трони, протони, ядра віддачі. При цьому носії енергії мають масу спокою.

2. Квантове випромінювання: гама- та рентгенівське.

Альфа-випромінювання — випромінювання, що складається з аль­фа-частинок (ядер гелію), які випромінюються при згаданому вище виді перетворення і мають велику іонізаційну та незначну проникну здатність.

Т а б л и ця 121
Одиниці доз та активності, що використовуються на практиці
Величина, ІМ(І вимірюється	1)п:інач(мміи	Одиниця в СІ	ІІгаагигггмпд одиниця
Експозиційна доза	До.ча квантового випромінювання, що визначається за ступенем іонізації повітря	1 кулон на кілограм (1 Кл/кг)	1 рентген (IP) - доза рентгенівського чи гама-випромінювання, що створює в 1 см:) при нормальних умовах 2,08-Ю'1 пар іонів. 1 Р = 2,58-10 1 Кл/кг
Поглинена	Доза будь-якого виду випромінювання, яка	1 джоуль на кілограм	1 Рад — поглинена доза, при якій 1 г
до.ча	відповідне кількості енергії, що передається одиниці маси речовини	(1 Дж/кг) 1 грсй (ІГр)	речовини поглине 100 ерг енергії. 1 Рад = 0,01 Дж/кг = 0,01 Гр
Екіііпалсптна доза	Поглинена доза з поправкою па коефіцієнт якості (КЯ), який для бета-, гама- та рентгенівського випромінювання становить 1 , для теплових нейтронів -3, для альфа-частинок — 10, для ядер піддачі — 15^20	1 зівсрт (1 Зв) 1 бер -1 Зв=1 Гр-КЯ	- поглинена доза будь-якого виду випромінювання, яка викликає біологіч­ний ефект, що дорівнює 1 Рад рентге­нівського чи гама-пнпроміпюваппя 1 бер = 1 Рад • КЯ; 1 бер = 0,01 Зв
Ефективна до.ча	Сума добутків еквівалентних доз в окремих органах і тканинах на відповідні тканинні зважуючі фактори (коефіцієнти, які відбивають відпоєний стохастичний ризик опромінення окремої тканини і становлять для гонад — 0,20, червоного кісткового мозку, товстої кишки, легенів, шлунка 0,12, шкіри — 0,01, інших органік - 0,05)	Те ж саме	Те ж саме
Активність	Міра кількості радіоактивної речовини, що виражається числом ядерних перетворень за одиницю часу	1 бсккерсль (1 Бк) 1Бк= 1 розп/с	1 кюрі (1 Кі) — активність речовини, в якій за 1 с відбувається 3,7-10"' розпадів. 1 Кі = 3,7 • 10"' Бк

Бета-випромінювання — потік електронів чи позитронів з без­перервним енергетичним спектром, який характеризується значно мен­шою, ніж альфа-частинки, іонізуючою та більшою проникною здат­ністю.

Гама-випромінювання — короткохвильове, з довжиною хвилі мен­ше 0,1 нм, електромагнітне випромінювання, що виникає при розпа­ді радіоактивних ядер, переході ядер зі збудженого стану в спокій­ний, при взаємодії швидких заряджених частинок з речовиною, ані­гіляції електронно-позитронних пар тощо. Часто супроводжує ос­новні види випромінювання (альфа- та бета-) і завжди — акти поділу ядер і термоядерні реакції.

Рентгенівське випромінювання — електромагнітне випроміню­вання з довжиною хвилі 10~⁵-1СГ² нм. Джерела — рентгенівська трубка, прискорювачі нейтронів. Як і гама-випромінювання воно характери­зується незначною іонізуючою та великою проникною здатністю — людину пронизує наскрізь.

Енергія різних видів випромінювання при взаємодії з речови­ною об'єктів середовища, зокрема, біологічною тканиною, призводить до іонізації атомів. Зі ступенем іонізації пов'язане поняття дози оп­ромінення. Визначення видів дози та їх одиниці наведені в табл. 121.

На сучасному рівні технічного розвитку суспільства людство кон­тактує з численними джерелами іонізуючого випромінювання. Дже­рело іонізуючого випромінювання — це об'єкт, що містить радіоак­тивну речовину, або технічний пристрій, який створює за певних умов іонізуюче випромінювання. Розрізняють такі види джерел:

закриті джерела — радіоактивна речовина у такому агрегатному стані, що виключає можливість забруднення радіоактивним матері­алом об'єктів середовища. Це переважно тверді (металеві) конгло­мерати різної форми — бруски, кульки, голки тощо, що унеможлив­люють розсипання радіоактивної речовини по робочій поверхні, та надходження у повітря ЇЇ парів;

відкриті джерела — радіоактивні речовини у такому агрегатно­му стані, який за певних умов, зокрема аварійних, допускає забруд­нення середовища радіоактивним матеріалом (рідини, порошки то­що);

генератори випромінювання — пристрої, що не мають постійної активності речовини у вигляді закритих чи відкритих джерел, але здатні генерувати випромінювання в увімкненому вигляді, наприк­лад, рентгенівський апарат.

Залежно від способу контакту з різними видами джерел люди­на може підлягати зовнішньому чи внутрішньому опроміненню. Зов­нішнє опромінення — опромінення об'єкта від джерел, що перебува­ють поза ним, внутрішнє — опромінення тіла людини чи окремих органів і тканин від джерела, що розташоване в самому тілі, т. зв. інкорпорованого радіонукліда.

При опроміненні тіла людини в той чи інший спосіб можуть виникати біологічні ефекти:

1. Соматичні наслідки, що спровоковані відносно великими доза­ ми, — гостра променева хвороба; хронічна променева хвороба; ло­ кальні ураження — променеві опіки.

2. Віддалені (в часі) соматичні наслідки — героефекти — скоро­ чення тривалості життя; лейкози — злоякісні зміни клітин крові; неоплазми — пухлини органів і тканин різної локалізації.

3. Віддалені генетичні наслідки — домінантні та рецесивні генні мутації; хромосомні аберації.

Соматичні наслідки, спровоковані великими дозами, називають детерміністичними (нестохастичними) ефектами. Такі ефекти ви­являються тільки при перевищенні певного дозового порога і їх тяжкість залежить від отриманої дози. Віддалені наслідки в світлі сучасної термінології характеризують як стохастичні ефекти. Це без-порогові ефекти радіаційного впливу, ймовірність виникнення яких існує при будь-яких дозах опромінення і зростає при збільшенні дози, тоді як відносна тяжкість проявів від дози не залежить. Вони виникають при тривалому опроміненні невеликими дозами, що не можуть спричинити навіть хронічну променеву хворобу. Перші про­яви віддаленого впливу опромінення населення в результаті вики­ду радіоактивного матеріалу з реактора Чорнобильської АЕС за-прогнозовані на 1997-2002 pp.

В основу захисту населення від шкідливого впливу іонізуючого випромінювання покладено гігієнічне нормування радіаційного фак­тора. Для забезпечення диференціювання нормативів все населення згідно з "Нормами радіаційної безпеки України" (НРБУ-97) поді­лено на три категорії:

категорія А — особи з числа персоналу, які постійно або тимча­сово працюють безпосередньо з джерелами іонізуючого випроміню­вання;

категорія Б — особи з числа персоналу, які безпосередньо не працюють з джерелами іонізуючого випромінювання, але в зв'язку з розташуванням робочих місць у приміщеннях та на промислових майданчиках об'єктів з радіаційно-ядерними технологіями можуть отримувати додаткове опромінення;

категорія В — все населення.

Крім того, для визначення допустимого рівня впливу випроміню­вання на різні ділянки тіла людини встановлені групи критичних органів:

I — все тіло, гонади, червоний кістковий мозок;

II — внутрішні органи;

III — кісткова тканина, шкіра, кисті рук і стопи.

Нормами радіаційної безпеки представлені два класи нормати­вів — ліміти доз та допустимі рівні.

Ліміт дози — основний радіаційно-гігієнічний норматив, метою якого є обмеження опромінення осіб категорії А, Б, В від усіх дже­рел іонізуючого випромінювання в ситуаціях практичної діяльності. Числові значення лімітів дози наведені в табл. 122.

Таблиця 122
Ліміти доз опромінення, мЗв/рік
Ліміт дози	Категорії осіб
	А'	Б*	В*
Ліміт ефективної дози	20**	2	1
Ліміти еквівалентної дози
зовнішнього опромінення:
для кришталика ока	150	15	15
для шкіри	500	50	50
для кистей І стіп	500	50
Примітки. * — розподіл дози опромінення упродовж календарного року не регламентується. ** — в середньому за будь-які послідовні п'ять років, але не більше 50 мЗв за рік.

Допустимі рівні — величини, що регламентують можливий вплив на організм при внутрішньому опроміненні за рахунок інкорпорації радіонуклідів. Розрізняють такі види допустимих рівнів:

1. Допустима концентрація радіонукліда. НРБУ визначає розмі­ ри забруднення радіоактивними речовинами повітря робочої зони (для категорії А, Б), атмосферного повітря та води — для катего­ рії В.

2. Допустиме надходження — річне надходження радіонукліда в організм, що забезпечує неперевищення ліміту дози за будь-яких поєднань віку. Для персоналу розглядається лише референтний вік "дорослий".

3. Допустимий рівень — похідний норматив для надходження радіонуклідів в організм за календарний рік, усереднених за рік по­ тужності еквівалентної дози, концентрації радіонуклідів у повітрі, воді та раціоні, щільності потоку частинок і т. ін., розрахований для умов опромінення зі значень ліміту доз.

Крім того, для забезпечення умов роботи осіб категорії А вста­новлений окремий норматив — допустиме радіоактивне забруд­нення поверхні. Це рівень, що не допускає перевищення ліміту дози за рахунок радіоактивного забруднення поверхні робочих приміщень, обладнання, індивідуальних засобів захисту і шкірних покривів для осіб категорії А та робочих поверхонь.

Допустимі рівні для кожного радіонукліда наведені в "Нормах радіаційної безпеки України".

Органами санітарного нагляду при проведенні поточного кон­тролю за умовами праці осіб, що професійно контактують з джере­лами іонізуючого випромінювання, в кожному конкретному випад­ку можуть бути встановлені контрольні рівні опромінення з метою зниження дози опромінення до мінімального рівня на основі враху­вання особливостей виробничого процесу та потужності наявних си­стем захисту. Контрольні рівні кількісно завжди нижчі від допусти­мих.