Часть 6 ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Раздел 17 ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

17.16. Биологическое действие излучения онізуючого

Кроме угрозы ядерной катастрофы открытие и практическое использование ядерной энергии породило много других проблем. Одной из важнейших проблем является возможность дополнительного облучения населения Земли. Если на протяжении тысячелетий все живые организмы действовал только естественный радиационный фон и все живое на Земле пристосувалось до его обычного уровня, то в недалеком будущем возникнет реальная угроза многократного его увеличение в результате деятельности человека. Уже сегодня из-за загрязнения атмосферы и почвы радиоактивными продуктами экспериментальных ядерных взрывов и атомной энергетики, значительное распространение медицинской диагностики и лучевой лечение, использование новых строительных материалов облучения человека от природных и искусственных источников радиации увеличилось более чем вдвое.

Если до аварии на Чернобыльской АЭС слово «радиация» еще было абстрактным понятием для широких слоев населения и для многих специалистов различных отраслей, то теперь оно приобрело реального и повседневного значение. Поэтому целесообразно остановиться на воздействии ионизирующего излучения на живой организм.

Основной величиной в дозиметрии для предсказания или оценки радиационного эффекта, в частности радиобиологического, ныне является поглощенная доза излучения - энергия, которую поглощает единица массы облученной вещества. До недавнего времени единицей поглощенной дозы излучения был рад. В СИ единицей поглощенной дозы излучения является грей (Гр). Она равна поглощенной энергии в 1 джоуль одним килограммом вещества. Единицы излучения связаны между собой соотношением: 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад.

Результаты многочисленных исследований подтвердили различие эффектов облучения от различных видов и продолжительности действия ионизирующих излучений. Это обусловило введение нового понятия - эквивалентная доза излучения. Для расчета эквивалентной дозы излучения с разной йонізаційною способностью и соответственно разной относительной биологической эффективностью нормами радиационной безопасности установлен специальный коэффициент качества излучения для каждого вида iонізуючих излучений, который характеризуется средним значением линейной передачи энергии. Для различных видов излучений установлены следующие средние коэффициенты качества:

Рентгеновское излучение - 1

Гамма-излучение - 1

Бета-излучение - 1

Излучение нейтронов и протонов - 10

Альфа-излучения - 20

Излучение тяжелых ядер - 20

Эквивалентная доза излучения численно равна произведению поглощенной дозы и коэффициента качества излучения:

D = КD_n. (17.58)

Поскольку коэффициент К является безразмерным, то эквивалентная доза в СИ выражается в тех же единицах, что и поглощена. Единицей эквивалентной дозы является зиверт. 1 зиверт (Зв) - это доза любого вида iонізуючого излучения, которая вызывает такое же биологическое действие, как и доза рентгеновского или гамма-излучения 1 Гр.

Мощность поглощенной (или эквивалентной) дозы равна поглощенной (или эквивалентной) дозе за единицу времени, например за секунду (с) или за час (ч). Для измерения мощности дозы излучения пользуются следующими единицами: микрозиверт в час (мкЗв/ч), мілігрей за минуту (мГр/мин), мілігрей за секунду (мГр/с) и др.

Для количественной характеристики внешнего рентгеновского или γ-излучения пользуются понятие «экспозиционная доза излучения». Экспозиционная доза излучения D₀ является мерой iонізації воздуха рентгеновским или γ-излучением. Поскольку поглощена доза пропорциональна падающему йонізуючому излучению, то между поглощенной и экспозиционной дозами существует пропорциональная зависимость:

где f -некоторый переходный коэффициент, зависит от многих причин, прежде всего от облученной вещества и энергии фотона. Для воды и мягких тканей тела человека f = 1. Следовательно, доза в советах численно равна соответствующей экспозиционной дозе в рентгенах. Это обуславливает удобство использование внесистемных единиц - советов и рентген. Для костных тканей коэффициент f уменьшается с увеличением энергии фотонов приближенно от 4,5 к 1. Соответственно в СИ единицей ее измерения является кулон на килограмм (Кл/кг), но еще до сих пор пользуются внесистемной, традиционной единицей измерения экспозиционной дозы - рентген.

Рентген - доза излучения, под действием которой в 1 см³ воздуха при нормальных температур и давления образуются ионы, несущие заряд в одну единицу электричества каждого знака. 1 рентген (Р) равна 2,58 ∙ 10 Кл/кг, его производные - миллирентген (10^-3 Г) и микрорентген (10^-6 Г). Мощность экспозиционной дозы - это доза рентгеновского или гамма-излучения за единицу времени, например миллирентген в час (мР/ч).

Поскольку облучение человека почти всегда неравномерное, то введено еще одно понятие - эффективная эквивалентная доза, что дает возможность учитывать риск облучения отдельных органов или тканей сравнению с риском облучения всего тела. Этот показатель используется с целью противорадиационной защиты лиц, профессиональная деятельность которых связана с iонізуючим излучением. Вследствие действия iонізуючого излучения на организм человека в ее тканях могут происходить сложные физические, химические и биологические процессы. Известно, что биологическая ткань на 60...70 % по массе состоит из воды. Под действием iонізації молекулы воды образуются свободные радикалы Н* и ОН* по такой схеме:

Под влиянием кислорода образуются также свободный радикал надпероксиду (НО₂⁺) и перекись водорода (Н₂O₂), которые являются сильными окислителями.

Свободные радикалы и окислители, возникают в процессе радиолиза воды, характеризуются высокой химической активностью, вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментов и других структурных элементов биологической ткани, что изменяет биохимические процессы в организме. В результате нарушаются обменные процессы, подавляется активность ферментных систем, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму - токсины. Это может привести к нарушению жизнедеятельности отдельных функций систем или организма в целом.

Индуцированные свободными радикалами химические реакции развиваются с большим выходом, вовлекая в этот процесс много сотен и тысяч молекул, не пораженных излучением. В этом заключается специфика действия ионизирующего излучения на биологические объекты, то есть вызванный им эффект обусловлен не столько количеством поглощенной энергии облученным объектом, сколько той формой, в которой эта энергия передается. Никакой другой вид энергии (тепловая, электрическая и др.), которая поглощается биологическим объектом в том же количестве, не приводит к таким изменениям, какие вызывает йонізаційне излучения.

Итак, в зависимости от поглощенной дозы излучения и индивидуальных особенностей организма эти изменения могут быть обратимыми или необратимыми. При небольших дозах пораженная ткань восстанавливает свою функциональную деятельность. Большие дозы при длительном воздействии могут вызвать поражения отдельных органов или всего организма.

Биологический эффект йонізаційного излучения зависит от суммарной дозы и продолжительности воздействия излучения, вида излучения, размеров облученной поверхности и индивидуальных особенностей организма.

В связи с существенными различиями индивидуальной чувствительности к облучению для характеристики относительной чувствительности было взято более воспроизводимая на опыте величину - так называемую напівлетальну (от лат, letalis - смертельный) поглотительную дозу, которая приводит к гибели 50 % облученных животных по тридцятидобовий срок наблюдения. В табл. 17.2 приведены значения напівлетальної по - глинальної дозы для некоторых живых организмов - от одноклеточных до млекопитающих, характеризующие видовую чувствительность к радиационному облучению.

Таблица 17.2

Поглощенная доза излучения, которая вызывает поражения отдельных частей тела, а затем смерть, превышает смертельную дозу облучения всего тела. Смертельные поглощающие дозы для отдельных частей тела такие, Гр: голова - 20, нижняя часть живота - 30, верхняя часть живота - 50, грудная клетка - 100, конечности - 200.

Важным фактором для действия iонізуючого излучения на организм является время облучения. С увеличением мощности дозы уражальна действие излучения возрастает. Чем более перервне излучения со временем, тем меньше его уражальна действие.

Внешнее облучение α-, а также β-частицами менее опасное. Они имеют небольшой пробег в ткани и не достигают кроветворных и других внутренних органов. При внешнем облучении необходимо учитывать нейтронное и γ-облучения, которые проникают в ткани на большую глубину и разрушают их.

Степень поражения организма зависит от размера облученной поверхности. С уменьшением облученной поверхности уменьшается и биологический эффект.

Радиоактивные вещества могут попасть внутрь организма при вдыхании воздуха, зараженного радиоактивными элементами, с зараженными продуктами или водой и, наконец, через кожу, а также через открытые раны.

Попадание твердых частиц в дыхательные органы зависит от дисперсности частиц. Исходя из опытов над животные, установлено, что в легких может оставаться только незначительная часть твердых частиц. Крупные частицы размерами более 5 мкм почти все задерживаются носовой полостью.

Если радионуклиды, которые попадают внутрь организма, однотипные с элементами, которые человек употребляет с пищей (натрий, хлор, калий и др.), то они не задерживаются длительное время в организме, а выводятся вместе с ними.

Инертные радиоактивные газы (аргон, ксенон, криптон и др.), которые попали через легкие в кровь, не являются соединениями, входят в состав ткани. Поэтому они через некоторое время полностью выводятся из организма.

Некоторые радиоактивные вещества, попадая в организм, распределяются в нем почти равномерно, другие концентрируются в отдельных внутренних органах. Так, в костных тканях откладываются источники α-излучения - радий, уран, плутоний; β-излучения - стронций и иттрий; γ-излучение - цирконий. Эти элементы химически не связаны с костной тканью, и их очень трудно выводить из организма. Длительное время удерживаются в организме также элементы с большим атомным номером (полоний, уран и др.). Элементы, образующие в организме легкорастворимые соли и накапливаются в мягких тканях, легко выводятся из организма.

При действии iонізуючих излучений с низкой линейной передачей энергии (γ-, β-излучения, рентгеновское излучение) низкими дозами считают дозы, меньшие по 2 Гр, промежуточными - 0,2...1,5 Гр, высокими -1,5...3,5 Гр, очень высокими - более 3,5 Гр. При действии излучений с высокой линейной передачей энергии (α-частицы, нейтроны), относительная биологическая эффективность которых в 10...20 раз выше, верхняя граница поглощающих доз соответственно снижается.

При оценке радиационной безопасности населения за малые дозы iонізуючого излучения берут уровень естественного радиоактивного фона. В настоящее время установлено, что любые, даже самые маленькие, дозы iонізуючого излучения способны оказывать биологическое действие. Iонізуюче излучения, действуя на ядра и хромосомы клетки, способствует изменению генетической информации, затрагивает основных наследственных функций организма.

Различные биологические объекты характеризуются уровнем радиочувствительности. Например, некоторые простейшие организмы, бактерии и вирусы, способные переносить огромные дозы радиации - 1000...10 000 Гр и при этом сохраняют свою жизнеспособность (табл. 17.3). Гораздо меньшая стабильность к iонізуючих излучений у человека. Анализ несчастных случаев свидетельствует, что опасная доза внешнего γ-излучения для человека составляет (6±1) Н, а непосредственные вредные эффекты облучения не развиваются при дозах, меньших по 1 Зв кратковременного облучения, что видно из табл. 17.3.

Таблица 17.3

Следовательно, дозы, которые воспринимает человеческий организм от естественного радиационного фона, в тысячи раз меньше, чем смертельная доза йонізуючо - го излучения для человека.

Учитывая широкое использование ядерной энергии на практике, проблемы влияния ионизирующих излучений на здоровье человека и живые организмы в целом будут актуальными еще достаточно долго.