Человек ежесекундно подвергается воздействию излучений. Излучение Солнца является одним из ключевых факторов возникновения и существования жизни на Земле. Однако некоторые виды излучения опасны для здоровья человека. Какие это излучения? Как от них можно защититься?
Заряженные частицы, рентгеновское и излучение, распространяясь в веществе, взаимодействуют с его атомами. За счет своей энергии частицы излучения могут ионизировать атомы, выбивая из них электроны. Часто одна частица в состоянии ионизировать несколько атомов, поэтому процесс распространения такого излучения через вещество сопровождается его сильной ионизацией. Вследствие этого ионизирующим называют такой вид излучения, взаимодействие которого с веществом приводит к ионизации его атомов и молекул (рис. 227).
Основу биологического действия ионизирующего излучения на живые ткани составляют химические процессы, происходящие в их клетках при поглощении ими излучения. Ионизация атомов и молекул тканей вещества приводит к повреждению клеток и изменению структуры тканей. Часть атомов и молекул переходит в возбужденное состояние и, возвращаясь в невозбужденное состояние, отдает излишек энергии в виде электромагнитного излучения. Под воздействием этого излучения в тканях происходят биохимические реакции, обусловленные образованием новых молекул, чуждых нормальной клетке. В результате нарушается клеточное деление и образование новых клеток. В свою очередь это приводит к хромосомным перестройкам и возникновению мутаций, приводящих к изменениям в генах клетки. Таким образом, биологическое действие ионизирующего излучения сказывается не только на данном организме, но и на последующих поколениях.
Повреждения живого организма, вызванные действием ионизирующего излучения, называется лучевой болезнью. Опасность этой болезни усугубляется наличием скрытого периода, т.е. ее симптомы проявляются только через некоторый промежуток времени. Симптомами лучевой болезни являются тошнота, рвота, общая слабость, повышенная температура, выпадение волос, кровоизлияние.
Различные виды ионизирующего излучения обладают различной проникающей способностью (см. рис. 227). Биологическое действие различных видов излучения на живые организмы неодинаково Например, α-частицы не способны проникнуть через наружный слой кожи. Поэтому они не представляют опасности до тех пор, пока радиоактивные вещества, испускающие α- частицы, не попадут внутрь организма с пищей, вдыхаемым воздухом, на слизистую оболочку или через открытую рану. β — излучение обладает большей проникающей способностью: оно проникает в ткани организма на 1-2 см. Проникающая способность -излучения настолько велика, что поглотить его может только достаточно толстая свинцовая или бетонная плита. Чем больше энергии передает излучение тканям живого организма, тем больше в них будет повреждений.
Основную часть облучения население земного шара получает от естественных источников ионизирующих излучений: космических лучей, радиоактивных изотопов, естественной радиоактивности горных пород и почвы, попадающих в пищу радиоактивных радиоизотопов. Человек подвергается облучению двумя способами. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи. В этом случае говорят о внешнем облучении. В тоже время они могут находиться в пище, воде, воздухе и попасть внутрь организма. Такой способ облучения называют внутренним.
Основными источниками внутреннего фонового облучения человеческого организма являются:
1) естественный изотоп углерода , содержащийся во всех тканях человеческого организма;
2) радон , торий и их дочерние продукты распада, вдыхаемые с воздухом и откладывающиеся в дыхательных органах человека;
3) долгоживущий изотоп радия и его короткоживущий изотоп , отлагающиеся в костных тканях;
4) естественный радиоактивный изотоп калия , содержащийся в мягких тканях (преимущественно в мышцах).
Кроме того, отдельные источники ионизирующего излучения избирательно концентрируются в отдельных органах: йод — в щитовидной железе; стронций — в костях, уран — в почках и подвергают их повышенному облучению.
Очень важно уметь определять результат действия ионизирующего излучения на вещество, мерой которого является доза. Этим занимается дозиметрия.
Количество энергии, переданной единице массы организма ионизирующим излучением, называется дозой (от греч. (доза) — доля, порция). Существуют различные виды доз в зависимости от вида излучения, вида органа или ткани, подвергшихся облучению.
Поглощенная доза — количество энергии W, переданное веществу ионизирующим излучением любого вида в пересчете на единицу массы тела любого вещества.
Доза в органе или биологической ткани — средняя поглощенная доза D в определенном органе или ткани человеческого тела:
где W— полная энергия, переданная ионизирующим излучением ткани или органу; m— масса органа или ткани.
В СИ единицей поглощенной дозы является Грей ( Гр). .
Поглощенная доза излучения равна 1 Гр, если в 1 кг вещества поглощено ионизирующее излучение, энергия которого равна 1 Дж.
Поглощенная доза расходуется на нагревание вещества и на физические и химические превращения в нем. Величина дозы зависит от вида излучения, энергии его частиц, плотности их потока и от состава облучаемого вещества.
При одинаковой поглощенной дозе α-излучение гораздо опаснее β — и — излучений. Для учета этого фактора, дозу излучения следует умножить на коэффициент , учитывающий способность излучения данного вида повреждать ткани организма. Он называется коэффициентом качества излучения (взвешивающий коэффициент).
Коэффициент качества излучения показывает во сколько раз радиационная опасность от воздействия на живой организм данного вида излучения больше, чем от воздействия излучения (при одинаковых поглощенных дозах).
Значения для различных видов ионизирующего излучения приведены в таблице 12.
Таблица 12. Взвешивающие коэффициенты wR (коэффициенты качества) для различных видов ионизирующего излучения
Вид излучения
Взвешивающий коэффициент излучения ( wR )
Взвешивающие коэффициенты wr для отдельных видов излучений при расчете эквивалентной дозы
Нейтроны с энергией менее 10 кэВ
Протоны, кроме протонов отдачи, с
Альфа-частицы, осколки деления,
При одновременном воздействии различных видов излучения с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для этих видов излучения:
, гдеHR — эквивалентная дозадля излучения типа R.
Единица для эквивалентной дозы в СИ та же, что и поглощенной дозы, а именно Дж/кг, но со специальным наименованием – зиверт, Зв. Названа в честь Рольфа Зиверта — известного шведского ученого, первого председателя Международной комиссии по радиологической защите, внесшего большой вклад в различные области радиационной безопасности. Иными словами, зиверт — единица эквивалентной дозы любого вида излучения в биологической ткани, которое создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр образцового рентгеновского или-излучения. В качестве образцового излучения обычно принимают рентгеновское излучение с граничной энергией 200 кэВ. Предпочтительной единицей эквивалентной дозы является мЗв. Эквивалентная доза допустима к применению при ее значениях, не превышающих нескольких сотен мЗв при облучении всего тела человека.
Внесистемная единица эквивалентной дозы — бэр (биологический эквивалент рада). Бэр — единица эквивалентной дозы любого вида излучения в биологической ткани, которое создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 рад образцового рентгеновского или -излучения. Таким образом, 1 бэр = 0,01 Зв.
Эквивалентная доза, отнесенная к единице времени, называется мощностью эквивалентной дозы:
Предпочтительной единицей мощности эквивалентной дозы является мкЗв/час вне зависимости от размера величины.
Эффективная доза.Разные органы или ткани имеют разные чувствительности к излучению. Известно, например, что при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение гонад (половые железы) особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому в последние годы для случаев неравномерного облучения разных органов или тканей тела человека введено понятие эффективной дозы Е.
Для определения этой величины необходимо ввести понятие риска. Риск — вероятность возникновения неблагоприятных последствий для человека (частота смертельных случаев, снижение продолжительности жизни, частота возникновения профессиональных заболеваний, травматизма, нетрудоспособности и т.д.) вследствие облучения, аварии или другой причины, проявление которой носит стохастический характер
Эффективная доза E- величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности.
Эффективная доза Eопределяется как сумма произведений эквивалентной дозы в органе или ткани Т на соответствующий взвешивающий коэффициент WTдля данного органа или ткани:
, гдеHT — средняя эквивалентная доза в органе или тканиТ, аWT– взвешивающий коэффициент для органа или тканиТ, представляющий собой отношение стохастического риска смерти от отдаленных последствий облученияТ-го органа или ткани к риску смерти от равномерного облучения всего тела при одинаковых эквивалентных дозах. Таким образом, WTопределяет весовой вклад данного органа или ткани в риск неблагоприятных последствий для организма при равномерном облучении:
Эффективная доза также как эквивалентная доза измеряется в зивертах.
В таблице 1.2.2 приведены, рекомендованные для проведения расчетов радиационной защиты Нормами радиационной безопасности (НРБ-99), взвешивающие коэффициенты.
При пользовании рекомендованными данными учитывать, что “Остальное” включает надпочечники, головной мозг, экстраторокальный отдел органов дыхания, тонкий кишечник, почки, мышечную ткань, поджелудочную железу, селезенку, вилочковую железу и матку. В тех исключительных случаях, когда один из перечисленных органов или тканей получает эквивалентную дозу, превышающую самую большую дозу, полученную любым из двенадцати органов или тканей, для которых определены взвешивающие коэффициенты WT , следует приписать этому органу или ткани взвешивающий коэффициент, равный 0,025, а оставшимся органам или тканям из рубрики “Остальное” приписать суммарный коэффициент, равный 0,25.
Взвешивающие коэффициенты WT для тканей и органов при расчете эффективной эквивалентной дозы
Лпэ, коэффициент качества. Эквивалентная доза
Результат воздействия излучения на объект определяется не только поглощенной энергией, но и характером распределения этой энергии в облучаемом объекте, видом излучения, распределением облучения во времени и др. факторами. Оказывается, что даже частицы одной природы, но разных энергий могут вызвать неодинаковый радиационный эффект при одной и той же поглощенной дозе.
Считается, что ионизация живой ткани играет определяющую роль в биологическом действии и.и. Свойства ионов не зависят от того, как они возникли, а, следовательно, и от природы ионизирующих частиц. Однако разные виды излучений создают ионы с неодинаковым пространственным распределением. Например, тяжелые заряженные частицы создают более плотный трек ионов, чем легкие; различными оказываются диапазоны энергий, передаваемых δ- частицам (освобожденным электронам).
Таким образом, необходимо определить некоторую физическую величину, которая учитывала бы пространственное распределение переданной энергии. Такой величиной служит линейная передача энергии (ЛПЭ). К определению ЛПЭ можно придти из следующих рассуждений. При прохождении любой заряженной частицы через вещество за счет кулоновского взаимодействия с атомами она теряет свою энергию на ионизацию и возбуждение атомов среды, а часть на тормозное излучение. В зависимости от процессов взаимодействия потерянная энергия ΔΕ может преобразовываться различными путями. В общем случае ΔΕ можно представить в виде суммы
Где ΔΕα — энергия, локализованная непосредственно в месте взаимодействия; ΔEq — энергия, преобразованная в кинетическую энергию вторичных заряженных частиц (δ-электронов); ΔЕγ — энергия, преобразованная в энергию фотонов.
Если в выражении (1.12) учесть только первые два слагаемых
и разделить полученную энергию ΔЕ’ на отрезок пробега (трека) Δх частицы, где эта энергия была потеряна, получим выражение для ЛПЭ
Отметим, что выражение dE/dx определяет тормозную способность вещества, следовательно, ЛПЭ является частью ΔE/Δx. В частном случае, когда радиационными потерями Е можно пренебречь, ЛПЭ совпадает с тормозной способностью вещества. Значения ЛПЭ для заряженных частиц различного вида можно найти в справочных таблицах. Как следует из определения, ЛПЭ зависит от энергии частиц и типа вещества в котором частица теряет свою энергию. ЛПЭ оказывается характеристикой качества излучения. Под качеством понимают такую характеристику излучения, которая имеет одно и тоже значение у разных видов излучения, если при одинаковых условиях облучения данного объекта и одинаковой дозе наблюдается один и тот же радиационный эффект. Иначе говоря, радиационной действие излучений одинакового качества будет одинаковым при равных дозах.
Коэффициент качества (КК) является регламентированной величиной, устанавливаемой специальными научными комиссиями на основании медицинских и радиобиологических данных. Помимо численных значений коэффициент качества для различных видов излучений устанавливается зависимость кк от ЛПЭ излучения. Излучение с одинаковым КК при равных дозах и одинаковых условиях облучения приводит к одинаковому биологическому эффекту. Итак, коэффициент качества есть зависящий от ЛПЭ коэффициент, на который надо умножить поглощенную дозу, чтобы для целой радиационной защиты биологический эффект облучения людей выражался в одной и той же мере независимо от вида излучения.
В практической дозиметрии используют следующие значения коэффициентов качества различных видов излучения с неизвестным спектром.
Рекомендуемые значения КК для излучения с неизвестным энергетическим составом, Зв/Гр
Рентгеновское и гамма-излучение, β — излучение позитроны