Введение

ЧТО НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ КАЖДОМУ ЧЕЛОВЕКУ О РАДИАЦИИ

Вы видите перед собой электронную версию довольно редкого издания (тираж всего лишь 1000 экземпляров), выпущенного в 1993 году издательством Томского Политехнического Университета. Авторы — профессора Физико-Технического Факультета ТПУ (В. И. Бойко ныне является деканом ФТФ ТПУ), а один из рецензентов (Ю. Г. Зубков) — выпускник ФТФ ТПУ. В работе понятно и доступно объясняются основные понятия, связанные со строением атома, радиацией, биологическими последствиям облучения, а также приводятся некоторые факты, говорящие о степени воздействия радиации в повседневной жизни. Проводится также сравнение опасности радиации с другими видами опасности, с которыми мы постоянно имеем дело в быту и не только.

Название вполне соответствует содержанию — информация, содержащаяся в этой брошюре, является необходимым минимумом знаний для любых дальнейших разговоров о радиации, атомной энергетике и смежных областях. Можно сказать даже больше: человек, не знающий основных изложенных здесь теоретических положений и некоторых базовых фактов, не может считаться хоть сколько-нибудь компетентным в данных вопросах и не имеет никакого права высказывать по ним своё мнение. Поэтому я рекомендую эту брошюру к обязательному прочтению любому взрослому индивиду, претендующему на элементарную грамотность.

УДК 621.039

Бойко В. И., Кошелев Ф. П. Что должен знать каждый грамотный человек о радиации.

Научно-методическая публикация составлена на основе обзора отечественных и зарубежных информационных источников.

Рассмотрены основные термины и определения ионизирующего излучения, в популярной форме рассказано об естественных и техногенных (искусственных) источниках радиации, их воздействии на организм человека. Риск, связанный с облучением, сопоставлен с другими видами опасности, с которыми мы постоянно имеем дело в современном обществе.

Информация рассчитана на широкий круг читателей.

Содержание:

Введение

1. Радиация (термины и определения)

2. Естественные источники радиации

3. Техногенные (искусственные) источники радиации в жизни и в быту

4. Воздействие радиации на живой организм

5. Риск для населения от различных источников опасности

Заключение

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Знание — лучшее противоядие от страха и подозрений. Чем больше люди знают о радиации, о той пользе, которую она дает, и об опасности, которую она влечет за собой, тем лучше они будут выполнять свои функции как добропорядочные граждане.

И радиоактивность, и сопутствующие ей ионизирующие излучения существовали на Земле задолго до зарождения в ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения самой Земли.

С самого начала жизнь во всех ее проявлениях развилась на Земле на фоне постоянно существующей радиации. Поэтому есть основания полагать, что живые организмы должны хорошо переносить воздействие ее в том случае, если уровень последней не очень высок.

Радиация присутствовала всегда. И все, чем мы сегодня на нее влияем, заключается в добавлении к существующему фону дополнительной дозы излучения в результате использования человеком созданных устройств.

Тот факт, что все виды флоры и фауны Земли, в том числе высших животных, включая млекопитающих и человека, возникли и эволюционно развивались на протяжении сотен миллионов лет при постоянном воздействии так называемого естественного (природного) радиационного фона, остался вне внимания большинства населения. Поэтому важным является осознание того, что радиация - один из многих естественных факторов окружающей среды.

В конце 1896 года французский физик Анри Беккерель обнаружил, что уран с постоянной интенсивностью испускает проникающее излучение. Вскоре была выявлена радиоактивность еще одного тяжелого элемента - тория. В 1898 году французские ученые Пьер и Мария Кюри открыли 2 новых химических элемента конца таблицы Менделеева — радий и полоний со значительно более интенсивным излучением, чем уран и торий.

Несколько раньше немецким физиком Вильгельмом Рентгеном были открыты рентгеновские лучи.

Беккерель один из первых столкнулся с воздействием радиоактивного излучения на ткани живого организма. Он положил пробирку с радием в карман и получил в результате ожог кожи.

Чтобы понять, как возникают излучения, напомним, как устроен атом.

Согласно планетарной модели в положительно заряженном ядре исключительно малых размеров сконцентрирована практически вся масса атома. Вокруг ядра на очень больших (в атомном масштабе) расстояниях от него по круговым и эллиптическим траекториям вращаются отрицательно заряженные электроны, почти невесомые по сравнению с ядром: электрон в 1836 раз легче ядра водорода, которое называют протоном. В атоме тяжелого элемента электроны вращаются вокруг ядра под разными углами, образуя электронную оболочку. Это своего рода шуба, окружающая атомное ядро, удалена от него на огромное расстояние: радиус ядра порядка 10^-12 см, тогда как радиус атома — 10^-8 см, т. е. атомное ядро в 10 тыс. раз меньше окружающей его электронной оболочки. Можно привести следующее сравнение: атом во столько раз меньше горошины, во сколько раз горошина меньше нашей планеты. В свою очередь, атомное ядро занимает ту же долю площади атома, что и копейка по сравнению с Красной площадью Москвы.

Ядро состоит из нескольких более мелких частиц, которые плотно сцеплены друг с другом (рис. 1).

Некоторые из этих частиц имеют положительный заряд и называются протонами. Число протонов в ядре и определяет, к какому химическому элементу относится данный атом. Например, ядро атома водорода содержит всего один протон, атом кислорода — 8, а урана — 92.

В каждой системе число электронов в точности равно числу протонов в ядре. Каждый электрон несет отрицательный заряд, равный по абсолютной величине заряду протона, так что в целом атом нейтрален. В ядре, как правило, присутствуют и частицы другого типа, которые называют нейтронами, поскольку они электрически нейтральны. Ядра атомов одного и того же элемента всегда содержат одно и то же число протонов, но число нейтронов в них может быть разным. Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, относятся к разным разновидностям одного и того же химического элемента, называемыми изотопами данного элемента. Чтобы отличить их друг от друга, к символу элемента приписывают числа, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа. Например, уран-238 содержит 92 протона и 146 нейтронов, уран-235 тоже 92 протона, но 143 нейтрона. Атомы всех изотопов химических элементов образуют группу нуклидов. Некоторые нуклиды стабильны, то есть в отсутствие внешнего воздействия никогда не претерпевают никаких превращений. Большинство же нуклидов нестабильны, так как они все время превращаются в другие нуклиды. Например, возьмем атом урана-238, в ядре которого протоны и нейтроны едва удерживаются вместе силами «сцепления». Время от времени из него вырывается компактная группа из четырех частиц — двух протонов и двух нейтронов (эта группа называется альфа-частицей). Уран-238 при этом превращается в торий-234, в ядре которого содержится 90 протонов и 144 нейтрона. Торий тоже нестабилен и превращается в протактиний-234, но превращение происходит по-другому, а именно: один из его нейтронов превращается в протон. В новом ядре содержится 91 протон и 143 нейтрона. Далее следуют другие превращения, сопровождаемые излучением, и вся эта цепочка в конце концов оканчивается стабильным нуклидом свинца-206. Разумеется, существует множество таких цепочек самопроизвольных превращений (распадов) разных нуклидов по разным схемам превращений и их комбинациям.

При каждом таком акте распада высвобождается энергия, которая и передается в виде излучения. Можно сказать (хотя это и не совсем строго), что испускание ядром частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов,— это альфа-излучение. Если вылетает электрон (в случае распада тория-234),— это бета-излучение. Часто нестабильный нуклид оказывается настолько возбужденным, что испускание частицы не приводит к полному снятию возбуждения. В этом случае он выбрасывает порцию энергии, называемую гамма-излучением.

Разные виды излучений сопровождаются высвобождением разного количества энергии и обладают разной проникающей способностью, поэтому они оказывают неодинаковое воздействие на ткани живого организма. Альфа-излучение, которое представляет собой поток тяжелых частиц, состоящих из нейтронов и протонов, задерживается, например, листом бумаги и практически не способно проникнуть через наружный слой кожи. Поэтому оно не представляет опасности до тех пор, пока альфа-частицы не попадут внутрь организма через открытую рану, с пищей или с вдыханием воздуха. В этом случае они становятся очень опасными.

Рис. 2. Схема действия некоторых типов ионизирующего излучения, обозначенная до того, как стала известна их истинная природа, α-, β и γ-лучами, γ-лучи формируют часть электромагнитного спектра и имеют ту же природу, что и тепло или свет. Они способны проникать глубоко в вещество или проходить сквозь толстые барьеры, β-лучи представляют поток электронов — мельчайших отрицательно заряженных частиц. β-лучи могут пройти сквозь руку человека, но если они не будут иметь очень высокую энергию, их может задержать барьер средней толщины, α-лучи — относительно массивные, положительно заряженные частицы. В действительности они представляют ядра гелия, состоящие из тесно соединенных двух нейтронов и двух протонов. Обычно α-лучи может задержать тонкий барьер, например, лист картона.

Бета-излучение обладает большей проникающей способностью. Оно проходит в ткани организма на глубину один-два сантиметра. Проникающая способность гамма-излучения, которое распространяется со скоростью света, очень велика. Его может задержать лишь толстая свинцовая или бетонная плита. (рис. 2).

В данной публикации под словом радиация мы будем понимать более конкретное название — «ионизирующее излучение». Радиация будет ионизирующей в том случае, если она способна разрывать химические связи молекул, составляющие живые организмы, и тем самым вызывать биологически важные изменения. Свет, радиоволны так же, как и радиационное тепло от солнца, тоже представляют собой разновидность радиации. Однако они не вызывают повреждений путем ионизации, хотя, конечно, могут оказывать биологические эффекты, если интенсивность их воздействия увеличить.

Вспомним последствия длительного пребывания летом на солнцепеке — ожог — следствие переоблучения кожи в результате воздействия инфракрасного излучения на верхний слой кожи.

Отмеченное в последние годы снижение слуха у подростков — это последствие акустического переоблучения у домашних магнитофонов и в дискотеках. Причина выявленной в годы второй мировой войны анемии у операторов мощных радиолокаторов — воздействие чрезвычайно больших доз сверхвысокочастотного электромагнитного излучения, сопровождающего работу генераторов этих установок.

Одна из интереснейших в современной биофизике гипотез связывает акселерацию людей в послевоенные годы с переоблучением всего населения Земли вездесущими радиоволнами.

РАДИАЦИЯ (термины и определения)

Радиоактивный распад — это процессе самопроизвольного превращения неустойчивых ядер в другие ядра (в конечном итоге, стабильные).

Радиация — излучение энергии в виде частиц или электромагнитных волн. При превращениях (распадах) радиоактивных ядер возникают различные виды излучения: альфа-, бета-, гамма-излучение, рентгеновское излучение, нейтроны, тяжелые ионы. При взаимодействии с веществом энергия излучения передается атомам и молекулам, превращая их в заряженные частицы — ионы. В результате ионизации разрываются химические связи молекул, составляющих живые организмы, и тем самым вызываются биологически важные (соматические и генетические) изменения. Процесс радиоактивного распада происходит с постоянной относительной скоростью, присущей данному виду радиоактивных ядер (радионуклидов). Время, за которое распадается в среднем половина имеющихся радионуклидов, называется ПЕРИОДОМ ПОЛУРАСПАДА (T_1/2). Хотя все радионуклиды нестабильны, одни из них более нестабильны, чем другие. Например, протактиний-234 распадается почти моментально (T_1/2=1,17 минуты), а уран-238 — очень медленно (4,47 млрд. лет). На рис. 3 представлен радиоактивный распад ядер урана-238. Количество распадающихся радионуклидов в веществе определяют термином АКТИВНОСТЬ. Единицы измерения активности радиоактивных веществ — кюри (Ки) и беккерель (Бк). Численному значению активности 1 Ки приблизительно соответствует активность 1 г радия в равновесии с продуктами его распада. За масштаб единицы 1 Бк принят 1 распад в секунду. Между единицами активности существует взаимосвязь: 1 Ки = 37 млрд. Бк, 1 Бк=1 расп./с.

Понятие активности ничего не говорит о виде радиоактивного излучения или о величине его энергии, а указывает лишь число атомов, распадающихся в секунду. Более того, одинаковая активность различных радиоактивных веществ не подразумевает одну и ту же степень поражения биологических тканей. Разные виды излучений сопровождаются высвобождением разного количества энергии и обладают разной проникающей способностью, поэтому они оказывают неодинаковое воздействие на ткани живого организма. Количественную характеристику излучения, обычно называемую ДОЗОЙ, измеряют в величинах энергии, поглощенной тканями организма.

ПОГЛОЩЕННАЯ ДОЗА — количество энергии излучения, поглощенное единицей массы облучаемого вещества. Единицы измерения поглощенной дозы — грей (Гр) и рад. 1 рад=100 эрг/г, 1 Гр=1 Дж/кг, 1 Гр=100 рад. Существует также количественная характеристика поля ионизирующего излучения, основанная на величине ионизации сухого воздуха при атмосферном давлении. Единицей измерения является рентген (Р). Доза 1 Р соответствует примерно 1 млрд. пар ионов в 1 см³ воздуха. Доза 1 Р накапливается за 1 ч на расстоянии 1 м от источника радия массой 1 г, т. е. активностью примерно 1 Ки.

В последнее время в соответствии с рекомендациями Международной комиссии по радиационной защите (МКРЗ) основными дозиметрическими величинами поглощенной и эквивалентной дозы являются Грей и Зиверт, соответственно. В данной публикации мы воспользуемся специальными единицами рад и бэр, которые ранее широко использовались, более привычны и часто применяются на практике в настоящее время.

Отдельные виды излучений отличаются друг от друга различной способностью повреждать ткани организма. Равные поглощенные дозы не обязательно должны вызывать одинаковые биологические эффекты. Обычно при одинаковой величине поглощенной дозы рентгеновские лучи, гамма- и бета-излучение вызывают меньшие повреждения по сравнению с потоками ионов. Нейтронное излучение занимает промежуточное положение. Поэтому при одной и той же поглощенной дозе радиобиологический эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая излучением. Для количественной оценки этого влияния вводится "переводной" коэффициент ОТНОСИТЕЛЬНОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ (ОБЭ) или КОЭФФИЦИЕНТ КАЧЕСТВА (КК) излучения.

ОБЭ или КК какого-либо излучения — численный коэффициент, который устанавливает некий эквивалент между различными видами излучений и равен отношению поглощенной дозы эталонного излучения (принято рентгеновское излучение с энергией 180—250 кэВ), вызывающей определенный радиобиологический эффект, к дозе рассматриваемого излучения, вызывающей тот же биологический эффект. Поэтому мерой биологического воздействия каждого вида радиационного облучения служит ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ДОЗА, которая определяется как поглощенная доза, умноженная на коэффициент качества. Коэффициент качества ионизирующего излучения равен 1 для рентгеновского, бета- и -гамма-излучения, 3—10 — для протонов и быстрых нейтронов, 20 — для альфа-частиц. Единицами измерения эквивалентной дозы является бэр (биологический эквивалент рада) и зиверт (Зв). 1 Зв соответствует поглощенной дозе в 1 Дж/кг (для рентгеновского, гамма- и бета излучения), 1 Зв = 100 бэр, 1 бэр = 10 мЗв. 1 бэр = 10³ мбэр = 10⁶ мкбэр.

Рис. 4. Коэффициенты радиационного риска для разных органов человека при равномерном облучении (1,00 — организм в целом).

Органы и ткани человека имеют разную чувствительность к облучению. Наиболее уязвимы красный костный мозг, гонады, легкие. Менее восприимчивы печень, щитовидная железа, мышцы и другие внутренние органы. Например, при одинаковой дозе облучения возникновение заболевания легких более вероятно, чем щитовидной железы, а облучение гонад опасно из-за возможности генетических повреждений. (Рис. 4). Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с разными коэффициентами, так называемыми коэффициентами радиационного риска для различных органов и тканей. Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав их по всем органам и тканям, получим ЭФФЕКТИВНУЮ ЭКВИВАЛЕНТНУЮ ДОЗУ, отражающую суммарный эффект облучения для организма; она также измеряется в зивертах или бэрах. Эти понятия описывают индивидуальные дозы облучения. Просуммировав индивидуальные эффективные эквивалентные дозы, полученные группой людей, получают КОЛЛЕКТИВНУЮ ЭФФЕКТИВНУЮ ЭКВИВАЛЕНТНУЮ ДОЗУ, которая измеряется в человеко-бэрах (чел-бэр) или человеко-зивертах (чел-Зв).

Рис. 5. Связь понятий поля, дозы, радиобиологического эффекта и единиц их измерений

Поскольку многие радионуклиды распадаются очень медленно и останутся радиоактивными и в отдаленном будущем, существует еще одно определение.

Ожидаемая (полная) коллективная эффективная эквивалентная доза — это коллективная эффективная эквивалентная доза, которую получат многие поколения людей от какого-либо радиоактивного источника за все время его дальнейшего существования.

На рис. 5 проиллюстрирована связь понятий поля, дозы и радиобиологического эффекта и единиц их измерения.

Дата добавления: 2015-07-12