Основные представления о радиоактивности и ионизирующих излучениях

О существовании ионизирующего излучения и радиоактивности человечество узнало немногим более 100 лет назад. В 1895 г. немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген открыл неизвестные ранее Х-лучи, которые впоследствии в его честь были названы рентгеновскими лучами. Через год, в 1896 г, французский физик Анри Беккерель, работая с солями урана, первым в истории человечества установил факт его естественной радиоактивности. Еще через год английский физик Эрнст Резерфорд доказал, что излучение урана состоит из би в-частиц.

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). В течение следующих 20 лет различные ученые обнаружили большинство химических элементов, обладающих естественной радиоактивностью.

Позже, в 1938 г., О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили, 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. Так на рубеже двух веков были сделаны открытия, послужившие фундаментом для новой науки — ядерной физики, благодаря которой XX в. назван ядерным веком.

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. 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.

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 и впоследствии продемонстрировал высокую чувствительность кроветворных органов и половых желез к этому излучению. В 1904 г. Г. Петерс обнаружил повреждение хромосом при облучении радием делящихся клеток, а в 1908 г. А. Бенжамин и А. Слюк установили угнетение под воздействием ионизирующих излучений защитных сил организма — иммунитета.

История познания человеком радиоактивных свойств материи окрашена в трагические тона. Человечество дорого 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.

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.

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.

Неионизирующие излучения представляют собой длинные волны — от ближнего ультрафиолета (УФ) до радиоволн, микроволн и далее. 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 плода. Возможны разрушения биологических структур, например клеточных мембран, для нормального функционирования которых необходимо упорядоченное расположение молекул. Не исключена также возможность и более глубоких последствий.

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 Гц 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 радиочастотному диапазону.

Эти данные показывают, что дозы выше 100 мВт/см2 вызывают прямое тепловое повреждение тканей, включая развитие катаракты (помутнение хрусталика глаза). При дозах величиной от 10 до 100 мВт· см-2 наблюдали термический стресс приводящий к врожденным аномалиям у потомков. При значениях 1…10 мВт· см-2 отмечались изменения в иммунной системе и гематоэнцефалическом барьере. При меньших дозах излучения не было достоверно установлено почти никаких последствий.

Рост использования микроволн в мире составляет около 15% в год. Помимо применения в бытовых микроволновых печах, они используются в радарах, как средство передачи сигналов в телевидении, в телефонной и телеграфной связи, в компьютерах различных типов. Законы об охране труда рекомендуют, чтобы рабочие не подвергались воздействию неионизирующих излучений выше 10 мВт· см-2. Ионизирующие излучения включают более короткие волны: рентгеновские лучи, г-лучи и космические лучи. Они обладают достаточной энергией, чтобы высвободить электрон из атома. В результате образуются ионы, воздействие которых на живые клетки и обусловливают изменения в организме человека. Ионизирующие излучения вызывают радиационное поражение и различные формы рака.

Распад ядер нестабильных радиоактивных элементов порождает ионизирующие частицы и ионизирующие излучения. Это свойство атомов химических элементов самопроизвольно превращаться в другие, испуская при этом элементарные частицы или фотоны, получило название радиоактивности. 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.

Атомы, ядра которых содержат одинаковое число протонов (p), но разное число нейтронов (n), относятся к разновидностям одного и того же химического элемента. Это изотопы данного элемента. Чтобы отличать их друг от друга, к символу элемента приписывается число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа. Например, уран — 238 содержит 92 p и 146 n, а уран — 235 тоже 92 p, но 143 n. Ядра всех изотопов химических элементов образуют группу нуклидов.

Некоторые нуклиды стабильны, т. е. в отсутствие внешнего воздействия не претерпевают никаких превращений. Большинство же нуклидов нестабильны; они все время превращаются в другие нуклиды. При каждом акте распада высвобождается энергия, которая передается дальше в виде излучения.

Испускание ядром частицы, состоящей из двух p и двух n, представляет собой бизлучение; испускание электрона — в- - излучение; испускание позитрона — в+ - излучение. Часто нестабильный нуклид оказывается настолько возбужденным, что при испускании частицы не приводит к полному снятию возбуждения; тогда он высвобождает порцию чистой энергии — гизлучение (г — кванты). Как и в случае рентгеновских лучей (во многом подобных гизлучению), при этом не происходит испускания каких-либо частиц. В зависимости от характера взаимодействия с веществом все ионизирующие излучения делятся на две группы.

К первой относят излучения, состоящие из заряженных частиц (корпускулярные): б — и в-частиц, пучков электронов, протонов, тяжелых ионов и отрицательных р-мезонов. Эти излучения вызывают ионизацию вещества непосредственно при столкновениях с атомами и молекулами, поэтому их называют непосредственно ионизирующими излучениями.

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

Весь процесс самопроизвольного распада нестабильного нуклида называется радиоактивным распадом, а сам такой нуклид — радионуклидом. 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 в единицу времени, тем выше его активность. Единицей измерения активности в системе СИ служит беккерель — в честь ученого, открывшего явление радиоактивности: 1 Бк = 1 распад в секунду.

Радиоактивные вещества обладают радиоактивностью только до тех пор, пока в них происходят ядерные превращения. По истечении определенного времени они становятся нерадиоактивными, превращаясь в стабильные изотопы. Все радионуклиды нестабильны в разной степени. Для оценки продолжительности жизни радионуклида введено понятие период полураспада — время, 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 суток; цезий-144 — 284 суток; рутений-106 — 1 год; цезий-134 — 2,1 года; стронций-90 — 28 лет; цезий-137 — 30 лет; плутоний-239 — 159 лет.

Принято считать, что вещество становится нерадиоактивным по истечении 10 периодов полураспада. За 1 период полураспада распадутся каждые 50 атомов из 100; за второй период полураспада (такой же промежуток времени) распадутся 25 атомов из 50 и т. д. — по экспоненте. Повреждений, вызванных в живом организме, будет тем больше, чем больше энергии оно передаст тканям. Количество переданной организму энергии излучения называется дозой.

При характеристике единиц измерения применяют также понятия «поглощенная доза», «эквивалентная доза», «эффективная эквивалентная доза». Количество энергии излучения, поглощенное единицей массы облучаемого тела (тканями организма), называется поглощенной дозой. Но эта величина не учитывает того, что при одинаковой поглощенной дозе бизлучение гораздо опаснее вили гизлучений. Чтобы учесть этот факт, поглощенную дозу следует умножить на коэффициент, отражающий способность излучения данного вида повреждать ткани организма (коэффициент качества ионизирующего излучения). При этом бизлучение считается в 20 раз опаснее других видов излучений. Пересчитанную таким образом поглощенную дозу называют эквивалентной дозой. При определении эквивалентной дозы ионизирующего излучения используют следующие значения коэффициента качества: рентгеновское и гамма-излучение — 1; визлучение — 1; тепловые (медленные) нейтроны — 2; быстрые нейтроны — 10; бизлучение −10…−20. Следует также учитывать, что разные органы и ткани имеют неодинаковую чувствительность, поэтому для них введены соответствующие коэффициенты. Если принять в качестве критерия чувствительности к ионизирующему излучению морфологические изменения, то клетки и ткани организма человека по степени возрастания чувствительности можно расположить в следующем порядке: нервная ткань, хрящевая и костная ткани, мышечная ткань, соединительная ткань, щитовидная железа, пищеварительные органы, легкие, кожа, слизистые оболочки, половые железы, лимфоидная ткань, костный мозг.

Для оценки ущерба здоровью человека с учетом неравномерного облучения введено понятие эффективной эквивалентной дозы. Она отражает суммарный эффект облучения для организма. Ее получают, умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав их по всем органам и тканям.

Различные виды излучений характеризуются различной биологической эффективностью, что связано с отличиями в их проникающей способности и характером передачи энергии органам и тканям живого объекта.

Альфа-излучение имеет малую длину пробега частиц и характеризуется слабой проникающей способностью. Оно не может проникнуть сквозь кожные покровы. Пробег альфа-частиц с энергией 4 МэВ в воздухе составляет 2,5 см, а в биологической ткани лишь 31 мкм. Альфа — излучающие нуклиды представляют большую опасность при поступлении внутрь организма через органы дыхания и пищеварения, открытые раны и ожоговые поверхности. Бета-излучение обладает большей проникающей способностью. Пробег бета-частиц в воздухе может достигать нескольких метров, а в биологической ткани — нескольких сантиметров. Так, пробег электронов с энергией 4 МэВ в воздухе составляет 17,8 м, а в биологической ткани — 2,6 см.

Рис. 1. Схематическое изображение проникающей способности различных излучений.

Гамма-излучение имеет еще более высокую проникающую способность. Под его действием происходит облучение всего организма. В органах и тканях биологических объектов, как и в любой среде при облучении, в результате поглощения энергии идут процессы ионизации и возбуждения атомов. Эти процессы лежат в основе биологического действия излучений. Его мерой служит количество поглощенной в организме энергии. В реакции организма на облучение можно выделить четыре фазы. Длительность первых трех быстрых фаз не превышает единиц микросекунд, в течение которых происходят различные молекулярные изменения. В четвертой медленной фазе эти изменения переходят в функциональные и структурные нарушения в клетках, органах и организме в целом.

Первая, физическая фаза ионизации и возбуждения атомов длится 10−13 с.

Во второй, физико-химической фазе, протекающей 10 с, образуются высокоактивные в химическом отношении радикалы, которые, взаимодействуя с различными соединениями, дают начало вторичным радикалам, имеющим значительно большие по сравнению с первичными сроки жизни.

В третьей, химической фазе, длящейся 10−6 с, образовавшиеся радикалы вступают в реакции с органическими молекулами клеток, что приводит к изменению биологических свойств молекул. Описанные процессы первых трех фаз являются первичными и определяют дальнейшее развитие лучевого поражения.

В следующей за ними четвертой, биологической фазе, химические изменения молекул преобразуются в клеточные изменения. Наиболее чувствительным к облучению является ядро клетки, а наибольшие последствия вызывает повреждение ДНК, содержащей наследственную информацию. В результате облучения в зависимости от величины поглощенной дозы клетка гибнет или становится неполноценной в функциональном отношении. Время протекания четвертой фазы очень различно и в зависимости от условий может растянуться на годы или даже на всю жизнь.

По характеру распределения в организме человека радиоактивные вещества можно условно разделить на следующие группы:

• 1) остеотропные — отлагающиеся преимущественно в скелете (изотопы стронция, бария, радия, циркония, плутония и др.);
• 2) концентрирующиеся в печени (церий, лантан, плутоний и др.);
• 3) равномерно распределяющиеся по системам (тритий, углерод, инертные газы, железо и др.);
• 4) накапливающиеся в мышцах (калий, рубидий, цезий);
• 5) накапливающиеся в селезенке, лимфатических узлах, надпочечниках (ниобий, рутений);
• 6) накапливающиеся в щитовидной железе (радиоактивный йод-131).