Радионуклиды. 
Безопасность пищевой продукции. 
Часть 1

Основные представления о радиоактивности и ионизирующих излучениях

Немногим более ста лет назад человечество впервые узнало о существовании ионизирующего излучения и радиоактивности.

Ш В 1895 г. немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген открыл неизвестные ранее Х-лучи, которые впоследствии в его честь были названы рентгеновскими лучами. Не успел еще ученый мир прийти в себя от потрясшего воображение открытия рентгеновского излучения, последовало новое, захватывающее дух сообщение. Сделал его французский физик Анри Беккерель в 1896 г., который, работая с солями урана, первым в истории человечества установил факт его естественной радиоактивности. Уже через год английский физик Эрнст Резерфорд показал, что излучение урана состоит из, а и Р-частиц.

Так, на рубеже двух веков были сделаны открытия, послужившие краеугольным камнем фундамента, на котором выросла новая наука — ядерная физика, благодаря которой XX век назван ядерным веком.

Ш Следующим большим шагом вперед были исследования физиков Пьера Кюри и Марии Склодовской-Кюри. Они получили около 1 г нового химического элемента, радиоактивность которого оказалась в миллион раз выше, чем урана. Новый элемент получил название «радий» (от лат. radium — лучистый). За последующие 20 лет ученые обнаружили большинство химических элементов, обладающих естественной радиоактивностью.

Щ Позже О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили в 1938 г., что атом урана при бомбардировке его нейтронами распадается на более легкие ядра, а К. А. Петржак и Г. Н. Флеров установили, что процесс деления ядер урана может происходить и самопроизвольно, без внешних воздействий. В дальнейшем эти положения легли в основу создания ядерных реакторов — специальных установок для осуществления цепной реакции деления.

Изучать биологическое действие невидимых радиоактивных излучений стали много позже. Первыми это испытали на себе исследователи, работавшие с радиоактивными веществами, не зная об их разрушительном биологическом действии.

• Ш А. Беккерель не только первым установил факт естественной радиоактивности, но и первым ощутил повреждающее действие радиации. Он в течение 6 ч носил в кармане жилета стеклянную пробирку с солями радия, подготовленную для демонстрации его свойств на конференции, а спустя 2 недели у него на коже под карманом образовалась длительно не заживающая язва. Это было первым столкновением человека с действием ионизирующего излучения.
• Ш Уже через год после открытия В. К. Рентгена, в 1896 г., русский ученый И. Р. Тарханов писал: «Х-лучами можно не только фотографировать, но и влиять на ход жизненных функций».

На основе таких открытий возникла еще одна новая наука — радиобиология.

О Одним из основоположников радиобиологии по праву считается русский ученый Е. С. Лондон, который уже в 1903 г. описал смертельное действие лучей радия на организм некоторых животных, а впоследствии продемонстрировал высокую чувствительность кроветворных органов и половых желез к этому излучению.

Ш В 1904 г. Г. Петерсом обнаружено повреждение хромосом при облучении делящихся клеток радием, а в 1908 г. А. Бенжамином и А. Слюком установлено угнетение под воздействием ионизирующих излучений защитных сил организма — иммунитета.

История познания человеком радиоактивных свойств материи окрашена в трагические тона. Человечество дорогой ценой заплатило за полученные сведения — ценой здоровья и жизни первых исследователей и первых врачей-рентгенологов. За первые 40 лет развития рентгенологии погибло более 200 врачей и рентгенотехников от так называемого рентгеновского рака, вызванного рентгеновским облучением.

Ш Нельзя без глубокого волнения читать трагические истории болезни таких ветеранов рентгенологии, как американца Уолтера Доддса, который умер после 46 операций в страшных мучениях от рака, вызванного рентгеном. Человечество чтит память немецкого рентгенолога Альберс-Шенберга, русского ученого С. В. Гольдберга, французского исследователя Ж. Бергонье и многих других погибших от лучевых воздействий. В 1936 г. в Гамбурге был воздвигнут монумент, на котором высечены имена 110 ученых и инженеров, ставших жертвами первых экспериментов по изучению рентгеновских лучей. В 1959 г. в Германии издана «Книга почета», куда занесены фамилии 360 врачей, физиков, лаборантов и медицинских сестер разных наций, в том числе 13 наших соотечественников, умерших от отдаленных последствий профессионального облучения.

Люди никогда не забудут трагедии Хиросимы, Нагасаки, Чернобыля, не только унесших одновременно жизни сотен тысяч людей, но продолжающие еще и сегодня творить свое черное дело — вызывать у облученных людей лейкозы и злокачественные опухоли.

Радиоактивное излучение и его воздействие на человека стали в последние десятилетия для многих регионов планеты одним из основных токсикантов окружающей среды.

Что же такое ионизирующие излучения?

Электромагнитный спектр излучений известных в природе включает волны различной длины — от очень длинных волн, возникающих, например, при работе электрогенераторов, до очень коротких, рентгеновских и космических лучей.

Отрицательное влияние излучений различной природы на здоровье человека зависит от длины волны. Последствия, которые чаще всего имеют в виду, говоря о повреждающих эффектах облучения — радиационное поражение и различные формы рака — вызываются более короткими волнами. Эти типы излучений — рентгеновские лучи, у-лучи и космические лучи — известны как ионизирующая радиация. В отличие от этого более длинные волны — от ближнего ультрафиолета (УФ) до радиоволн, микроволн и далее — называют неионизирующим излучением; его влияние на здоровье человека иное.

Неионизирующее излучение усиливает тепловое движение молекул в живой ткани. Это приводит к повышению температуры ткани и может вызвать ожоги и катаракты, а также аномалии развития утробного плода. Не исключена возможность разрушения биологических структур, например клеточных мембран, для нормального функционирования которых необходимо упорядоченное расположение молекул. Возможны последствия и более глубокие, хотя экспериментальных свидетельств этого пока недостаточно.

Известно, что каждый орган человека работает на определенной частоте: сердце — 700—800 Гц; печень — 300—400; мозг, в зависимости от степени возбуждения, от 10 до 50 и т. д. Если на область сердца будет воздействовать источник излучения, работающий на аналогичной или кратной частоте, то он может либо увеличить, либо «погасить» частоту, которая является для сердца нормой. Повышение частоты колебаний сердца до 1200 Гц приводит к стенокардии. Аналогичные изменения могут произойти и с другими органами.

Большая часть опытных данных по неионизирующим излучениям относится к радиочастотному диапазону. Эти данные показывают, что дозы выше 100 милливатт (мВт) на 1 см² вызывают прямое тепловое повреждение тканей, включая развитие катаракты — помутнение хрусталика глаза. При дозах от 10 до 100 мВт/см² наблюдали термический стресс, приводящий к врожденным аномалиям у потомков. При 1—10 мВт/см² отмечались изменения в иммунной системе и гематоэнцефалическом барьере. При меньших дозах излучения не было достоверно установлено почти никаких последствий. Следует отметить, что рост использования микроволн в мире составляет около 15% в год. Помимо применения в бытовых микроволновых печах они используются в радарах и как средство передачи сигналов в телевидении, в телефонной и телеграфной связи, в компьютерах различных типов.

Свойство атомов химических веществ самопроизвольно превращаться в другие, испуская при этом или элементарные частицы, или фотоны, получило название радиоактивности. Образующиеся при этом разновидности атомов с иным массовым числом и другим атомным номером называют нуклидами.

Различают естественную радиоактивность, присущую радионуклидам, встречающимся в природе, например радиоактивность урана, тория и других элементов, и искусственную, свойственную радионуклидам, полученным искусственно в результате ядерных реакций.

Вещества, имеющие в своем составе радиоактивные нуклиды, называют радиоактивными. Физическая величина, характеризующая число радиоактивных распадов в единицу времени, называется активностью нуклида — чем больше радиоактивных превращений происходит в радиоактивном веществе (нуклиде) в единицу времени, тем выше его активность.

В зависимости от характера взаимодействия с веществом все ионизирующие излучения делятся на две группы.

К первой относят излучения, состоящие из заряженных частиц — аи |3-частиц, пучков электронов, протонов, тяжелых ионов и отрицательных пи-мезонов. Эти излучения вызывают ионизацию вещества непосредственно при столкновениях с атомами и молекулами, поэтому их называют иногда непосредственно ионизирующими излучениями.

Вторую группу составляют излучения, не имеющие электрических зарядов — нейтронное, рентгеновское и гамма-излучения. Они передают свою энергию в веществе сначала электронам и положительно заряженным ядрам атома, сталкиваясь с ними, а затем уже электроны и ядра атомов производят ионизацию атомов и молекул. Поэтому излучения этой группы называют косвенно ионизирующими излучениями.

Радиоактивные вещества обладают радиоактивностью только пока в них происходят ядерные превращения. По истечении определенного времени они становятся нерадиоактивными, превращаясь в стабильные изотопы.

Для оценки продолжительности жизни радионуклида введено понятие периода полураспада — времени, в течение которого радиоактивность вещества (или число радиоактивных ядер) в среднем уменьшается вдвое. Период полураспада различных радионуклидов колеблется в широких пределах — от долей секунды до многих миллионов лет.

Периоды полураспада некоторых радионуклидов, внесших значительный вклад в облучение населения и загрязнение территории после чернобыльской катастрофы, приведены ниже: йод-133 — 20,8 ч; йод- 131 — 8,05 сут; цезий-144 — 284 сут; рутений-106 — 1 год; цезий-134 — 2,1 года; цезий-137 — 30 лет; стронций-90 — 28 лет; плутоний-239 — 20 000 лет.

Принято считать, что вещество становится нерадиоактивным по истечении 10 периодов полураспада.

Для измерения радиации существуют старые единицы — бэр, рад, кюри — и новые — беккерель, грей, зиверт. Однако часто эти единицы используются с приставками: кило (одна тысяча), милли (одна тысячная), микро (одна миллионная) или нано (одна миллиардная), так как даже новые единицы слишком велики или малы для определения доз радиации, которые с их помощью приходится измерять.

Бэр — биологический эквивалент рентгена. Эта единица служит для измерения степени биологического повреждения, вызываемого ионизирующим излучением. Бэр учитывает относительную биологическую эффективность энергии, поглощенной живой тканью. Один бэр приблизительно равен одному рентгену (1 р = 0,88 бэра) и производит то же биологическое действие.

Рад — (от англ, «radiation absorbed dose») служит для измерения излучения, поглощенного организмом. Для (3-, уи рентгеновского излучения один рад равен приблизительно одному бэру. Для a-излучения рад эквивалентен 10—20 бэрам.

Кюри (Ки) — единица непосредственного измерения радиоактивности, т. е. активности заданного количества определенного вещества. Один кюри равен 37 миллиардам распадов в секунду. Измеряя активность разных веществ, можно определить, какое из них является радиоактивным. Один грамм радия-226 имеет активность, равную одному кюри, а грамм прометия-145 — активность, равную 940 кюри.

Беккерель (Бк) — единица радиоактивности, равная одному ядерному превращению (или распаду) в секунду. После аварии на Чернобыльской АЭС органы здравоохранения и радиационного контроля очень часто использовали эти единицы лишь для определения количества (концентрации) радиоактивного вещества в единице массы, объема или на единицу площади. В этих целях употреблялись нанокюри или беккерели на килограмм, литр, квадратный или кубический метр в зависимости от среды, в которой производились измерения радиоактивности вещества. Например, в овощах — Бк/кг, в молоке — Бк/л, в воздухе — Бк/м³ или на поверхности земли — Бк/м².

Грей (Гр) — единица измерения поглощенной дозы излучения, т. е. величины энергии, поглощенной единицей массы облучаемого вещества. В соответствии с системой СИ 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад.

Зиверт (Зв) — единица измерения эквивалентной дозы ионизирующего излучения. Один зиверт равен 100 бэрам. Единица зиверт допускается только для измерения ионизирующего излучения в целях радиационной безопасности и при этом лишь для эквивалентных доз, не превышающих 250 Зв. Для характеристики суммарного биологического эффекта облучения единицей зиверт пользоваться нельзя, зато, наоборот, единицей грей в целях определения радиационной безопасности можно пользоваться без ограничений.

При характеристике единиц измерения применяют такие понятия, как «эквивалентная доза», «эффективная эквивалентная доза».

Эквивалентная доза — понятие, посредством которого учитывается неодинаковая биологическая активность различных видов излучения с помощью безразмерных оценочных коэффициентов, характеризующих радиационную биологическую активность — коэффициентов качества излучения. Эквивалентная доза равна произведению поглощенной дозы на средний коэффициент качества ионизирующего излучения К в данном элементе объема биологической ткани.

При определении эквивалентной дозы ионизирующего излучения используют следующие значения коэффициента качества (К): рентгеновское и гамма-излучение — 1; бета-излучение — 1; тепловые (медленные) нейтроны — 2; быстрые нейтроны — 10; альфа-излучение — 10 — 20.

Таким образом, эквивалентная доза определяется 1 рад х К = 1 бэр; 1 Гр х К = 1 Зв.

Для оценки ущерба здоровью человека при неравномерном облучении введено понятие эффективной эквивалентной дозы Н_эфф, применяемой при оценке возможных стохастических эффектов — злокачественных новообразований:

Значение коэффициентов W_T для различных органов и тканей приведены в табл. 4.7.

Для оценки ущерба от стохастических эффектов воздействия ионизирующих излучений на персонал или население используют коллективную эквивалентную дозу S, равную произведению индивидуальных эквивалентных доз на число лиц, подвергшихся облучению. Единица коллективной эквивалентной дозы — человеко-зиверт (чел.-Зв).

Таблица4.7

Значение взвешенного коэффициента W_T [3]

Летальная доза (ЛД) — доза, определяющая процент смертности после радиационного облучения. Например, ЛД₅₀ — доза, после получения которой погибает 50% облученных. означает, что в результате облучения погибнет 50% в течение 30 суток. Для людей доза ЛД§§ находится в пределах 4—5 Зв (400—500 бэр).