Опасность ионизирующих излучений, виды поражений человека

Понятие радиации. Радиоактивность самопроизвольное превращение (распад) атомных ядер некоторых химических элементов (урана, тория, радия, калифорния и др.), приводящее к изменениям их атомного номера и массового числа. Такие элементы называются радиоактивными. В качестве примера на рисунке 12 показан радиоактивный распад ядер урана 238 [32]. Радиоактивные вещества распадаются со строго определенной скоростью, измеряемой периодом полураспада, т. е. временем, в течение которого распадается половина всех атомов. Радиоактивный распад не может быть остановлен и сопровождается выделением ионизирующих излучений: g, a, b и нейтронного излучения. За время, равное одному периоду полураспада, останутся неизменными каждые 50 атомов из 100, за следующий аналогичный промежуток времени 25 из них распадутся, и так далее по экспоненциальному закону.

Ионизирующие излучения могут быть получены также искусственным путем, например, рентгеновское и позитронное излучения. Основным свойством этих излучений является ионизирующее действие. При прохождении их в тканях нейтральные атомы или молекулы приобретают положительный или отрицательный заряд и превращаются в ионы. Наибольшую плотность ионизации вызывает a излучение (альфа частицы), представляющее собой положительно заряженные ядра гелия. Альфа частицы не могут проникнуть ни через одежду человека, ни через кожный эпителий. Поэтому если источник излучений этих частиц находится вне организма (внешнее облучение), они не представляют сколько нибудь серьезной опасности для здоровья людей. Однако при попадании этого источника внутрь организма, например, с пищей или воздухом (внутреннее облучение), альфачастицы становятся наиболее опасными для человека. b излучение (бета частицы) поток электронов, который выбрасывается из атомных ядер и может нести большую или меньшую энергию, но ионизирующее действие выражено слабее, чем у a излучения. Бета частицы задерживаются одеждой, а при внешнем облучении открытого тела человека, в зависимости от величины энергии излучения, они могут задерживаться в кожном эпителии, вызывая его пигментацию (ядерный загар), ожоги кожи, либо образуя язвы на теле. Особую опасность для здоровья представляют источники бета излучения при внутреннем облучении. Позитронное излучение отличается от b излучения только положительным знаком заряда. Рентгеновское и g — излучения обладают наименьшей плотностью ионизации, но наибольшей проникающей способностью через вещества, в том числе и через ткани человека. Ослабление интенсивности гамма излучения различными веществами характеризуется величиной слоя половинного ослабления (табл. 24), при прохождении которого интенсивность гамма излучения уменьшается в два раза [20]. Высокая проникающая способность гамма излучения делает его одинаково опасным как при внутреннем, так и при внешнем облучении.

Нейтронное излучение имеет место только при искусственно вызванном радиоактивном распаде [11]. Нейтроны электрически нейтральны, поэтому поток обладает высокой проникающей способностью, зависящей от плотности облучаемого вещества и энергии нейтронов. Особенностью нейтронного излучения является и то, что после прохождения его через вещество, оно само становится радиоактивным и в свою очередь начинает излучать все виды ионизирующих излучений a, b и g. Оно опасно и при внешнем, и при внутреннем облучении. Энергия g излучения, МэВ Величина слоя половинного ослабления Воздух, м Алюминий, см Свинец, см 0,5 1,0 2,0 60 85 120 3,2 4,4 6,0 0,4 1,0 1,4 Единицы измерения. Активность (А) радиоактивного вещества характеризуется числом распадов в единицу времени. В системе СИ активность измеряется в беккерелях (Бк); один беккерель равен одному распаду в секунду. Повреждений, вызванных в живом организме излучением, будет тем больше, чем больше энергии оно передает тканям; количество такой переданной организму энергии называется дозой. Дозу излучения организм может получить от любого радионуклида или их смеси независимо от того, находятся ли они вне организма или внутри его (в результате попадания с пищей, водой или воздухом). Дозы можно рассчитывать по разному, с учетом того, каков размер облученного участка и где он расположен, один ли человек подвергся облучению или группа людей и в течение какого времени это происходило. Поглощенная доза (D) количество энергии ионизирующего излучения, поглощенное облученным телом (тканями организма) в пересчете на единицу массы. В системе СИ поглощенная доза измеряется в греях (1 Гр = 1 Дж/кг). Разные виды излучений сопровождаются высвобождением разного количества энергии и обладают разной проникающей способностью, поэтому они оказывают неодинаковое воздействие на ткани живого организма (рис. 13) [32]. Альфа излучение, которое представляет собой поток тяжелых частиц, состоящих из нейтронов и протонов, задерживается, например, листом бумаги и практически неспособно проникнуть через наружный слой кожи, образованный ороговевшими частицами кожи. 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. Однако поглощенная доза не учитывает того факта, что при одинаковой дозе альфа излучения гораздо опаснее бета и гамма излучений. Если принять во внимание этот факт, то дозу следует умножить на коэффициент, отражающий способность излучения данного вида повреждать ткани организма: альфа излучение считается при этом в двадцать раз опаснее других видов излучений. Пересчитанную таким образом дозу называют эквивалентной дозой. Эквивалентная доза (Н) поглощенная доза излучения, умноженная на средний коэффициент (Q) качества излучения, отражающий способность данного вида излучения повреждать ткани организма: H = D · Q, где Q для отдельных видов излучения равно: гамма и бета излучения 1, нейтроны с различными энергиями — 5 — 20, альфа излучение и тяжелые ядра — 20. В системе СИ эквивалентная доза измеряется в зивертах (Зв). Один зиверт соответствует поглощенной дозе в 1 Гр для рентгеновского, g и b излучений. Следует учитывать также, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны, чем другие: например, при одинаковой й эквивалентной дозе облучения возникновение рака легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с разными коэффициентами. Рекомендовано использовать следующие коэффициенты (W) радиационного риска [20]:

половые железы … 0,25.

молочная железа … 0,15.

красный костный мозг … 0,12.

легкие … 0,12.

щитовидная железа … 0,03.

костная ткань … 0,03.

остальные органы … 0,3.

Организм в целом … 1,0.

Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав по всем органам и тканям, получим эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения всего организма. Эффективная эквивалентная доза (Нэ) эквивалентная доза, умноженная на коэффициент (W), учитывающий разную чувствительность различных тканей к облучению: Hэ = H · W Она также измеряется в зивертах (Зв). Эти три понятия описывают только индивидуально получаемые дозы. Просуммировав индивидуальные эффективные эквивалентные дозы, полученные группой людей, мы придем к коллективной эффективной эквивалентной дозе, которая измеряется в человеко-зивертах (чел. Зв). Следует ввести, однако, еще одно определение, поскольку многие радионуклиды распадаются очень медленно и останутся радиоактивными и в отдаленном будущем. Коллективную эффективную эквивалентную дозу, которую получат многие поколения людей от какого либо радиоактивного источника за все время его дальнейшего существования, называют ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозой. Для характеристики дозы по эффекту ионизации, вызываемому в воздухе, используется так называемая экспозиционная доза рентгеновского и g излучений количественная характеристика рентгеновского и g излучений, основанная на их ионизирующем действии и выраженная суммарным электрическим зарядом ионов одного знака, образованных в единице объема воздуха в условиях электронного равновесия. В системе СИ экспозиционная доза измеряется в кулонах на килограмм (Кл/кг). Поглощенная и экспозиционная дозы излучений, отнесенные к единице времени, называются мощностью поглощенной и экспозиционной доз (напр., Зв/с, Гр/с, Кл/(кг. с)). Для характеристики загрязнения среды обитания радионуклидами используется их активность в беккерелях или удельная активность, т. е. активность, отнесенная к единице массы или обьема вещества. Для оценки поверхностной загрязненности местности применяется плотность загрязнения, выраженная в беккерелях на квадратный метр.

Биологическое действие. Действие ионизирующего излучения на организм человека имеет свои особенности: — высокая эффективность поглощенной энергии и даже малые количества поглощенной энергии излучения могут вызвать глубокие биологические изменения в организме. Никакой другой вид энергии (тепловой, электрической и др.), поглощенной биологическим объектом в том же количестве, не приводит к таким изменениям, какие вызывает ионизирующее излучение. Например, смертельная доза ионизирующего излучения, которая для млекопитающих равна 5 Гр (500 рад), соответствует поглощенной энергии излучения 5 Дж/кг (5· 104 эрг/г). Если эту энергию использовать в виде источника тепла, то она нагрела бы тело едва ли на 0,001С. Это тепловая энергия, заключенная в стакане горячего чая. Именно ионизация и возбуждение атомов и молекул среды обусловливает специфику действия ионизирующего излучения; - наличие скрытого или инкубационного периода проявления действия (период мнимого благополучия); с увеличением дозы продолжительность наименование определение в системе СИ внесистемные Активность (в источнике) Удельная активность Объемная активность Плотность загрязнения Мера количества радиоактивного вещества, выраженная числом радиоактивных превращений в секунду Концентрация активности в массе радиоактивного вещества Концентрация активности в объеме радиоактивного вещества Концентрация активности на поверхности территории Беккерель (Бк) Бк/кг Бк/м3 Бк/м2 Кюри (Ки) Ки/кг Ки/л Ки/км2 Определяется числом ядерных распадов в секунду: 1Бк=1 расп/с 1Ки/кг соответствует такой активности, которую создает 1 г радия Используется для оценки загрязнения воздуха и воды Используется для оценки площадной загрязненности местности его сокращается; - действие от малых доз может суммироваться или накапливаться (кумуляция); - излучение воздействует не только на данный живой организм, но и на его потомство (генетический эффект); - различные органы живого организма имеют свою чувствительность к облучению; при ежедневном воздействии дозы 0,002 — 0,005 Гр уже наступают изменения в крови; - не каждый организм в целом одинаково реагирует на облучение; - облучение зависит от частоты; одноразовое облучение в большой дозе вызывает более глубокие последствия, чем фракционированное. В результате воздействия излучения на организм человека в тканях могут происходить сложные физические, химические и биохимические процессы.

Известно, что две трети общего состава ткани человека составляет вода и углерод. Вода под воздействием излучения расщепляется на водород Н и гидроксильную группу ОН, которые либо непосредственно, либо через цепь вторичных превращений образуют продукты с высокой химической активностью: гидратный оксид НО2 и перекись водорода Н2О2. Эти соединения взаимодействуют с молекулами органического вещества ткани (белки, ферменты и др.), окисляя и разрушая их. В результате нарушаются обменные процессы, подавляется активность ферментных систем, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму, токсины. Это приводит к нарушению жизнедеятельности отдельных функций или систем и организма в целом. Индуцированные свободными радикалами химические реакции развиваются с большим выходом и вовлекают в этот процесс многие сотни и тысячи молекул, не затронутых излучением. В этом состоит специфика действия ионизирующего излучения на биологические объекты, заключающаяся в том, что производимый им эффект обусловлен не только количеством поглощенной энергии облучаемым объектом, сколько той формой, в которой эта энергия передается. В зависимости от величины поглощенной дозы излучения и индивидуальных особенностей организма вызванные изменения могут быть обратимыми и необратимыми. При небольших дозах пораженная ткань восстанавливает свою функциональную деятельность. Большие дозы при длительном воздействии могут вызвать необратимое поражение отдельных органов или всего организма. Ионизирующие излучения вызывают биологические изменения в организме как при внешнем (источник находится вне организма), так и при внутреннем облучении (радиоактивные вещества попадают внутрь организма пероральным или ингаляционным путями). Рассмотрим внешнее облучение, т. е. источник облучения находится вне организма. Биологический эффект ионизирующего излучения зависит от суммарной дозы и времени воздействия излучения, вида излучения, размеров облученной поверхности и индивидуальных особенностей человека. При облучении дозами, превышающими смертельную дозу (6.10 Гр) в 100 — 1000 раз, человек может погибнуть во время облучения. Поглощенная доза излучения, вызывающая поражение отдельных частей тела, а затем смерть, превышает смертельную поглощенную дозу облучения всего тела. Смертельные поглощенные дозы для отдельных частей тела следующие: голова 20, нижняя часть живота 30, верхняя часть живота 50, грудная клетка 100, конечности 200 Гр. Степень чувствительности различных частей тела к облучению неодинакова. Большая чувствительность кроветворных органов к радиации определяет характер лучевой болезни. При однократном облучении всего тела человека поглощенной дозой 0,5 Гр через сутки после облучения может резко сократиться число лимфоцитов (продолжительность жизни которых и без того незначительна менее 1 сут). А через две недели после облучения уменьшится также и количество эритроцитов (красных кровяных телец, продолжительность жизни которых около 100 сут). У здорового человека в организме примерно 1014 красных кровяных телец и ежедневно воспроизводится приблизительно 1012 штук. У больного лучевой болезнью это соотношение нарушается, что ведет к гибели организма. Внешнее облучение a и b частицами менее опасно. Они имеют небольшой пробег в ткани и не достигают кроветворных и других внутренних органов. При внешнем облучении необходимо учитывать g и нейтронное излучения, которые проникают в ткань на большую глубину и разрушают ее. Степень поражения организма зависит от размера облучаемой поверхности. С уменьшением облучаемой поверхности уменьшается и биологический эффект. Так, при облучении поглощенной дозой в 4,5 Гр участка тела площадью 6 см² заметного поражения организма не наблюдалось [24], а при облучении такой же дозой всего тела было 50% смертельных случаев. Рассмотрим внутреннее облучение организма человека. Радиоактивные вещества могут попасть внутрь при дыхании, через желудочно — кишечный тракт с пищей или водой, а также через кожу или через открытые раны на теле человека. Попадание твердых частиц в дыхательные органы зависит от степени дисперсности частиц. Установлено, что частицы пыли размером менее 0,1 мкм ведут себя так же, как и молекулы газа, т. е. при вдохе они попадают вместе с воздухом в легкие, а при выдохе вместе с воздухом удаляются. В легких может остаться только самая незначительная часть твердых частиц. Крупные частицы размером более 5 мкм почти все задерживаются носовой полостью. Гораздо чаще радиоактивные вещества попадают в организм через пищеварительный тракт. Проникновение радиоактивных веществ через раны или через кожу можно предотвратить, если соблюдать соответствующие меры предосторожности. Опасность радиоактивных элементов, попадающих тем или иным путем в организм человека, тем больше, чем выше их активность. Степень опасности зависит также от скорости выведения вещества из организма. Если радионуклиды, попавшие внутрь организма, однотипны с элементами, которые потребляются человеком с пищей (натрий, калий, хлор и др.), то они не задерживаются на длительное время в организме, а выделяются вместе с ними. Инертные радиоактивные газы (аргон, ксенон, криптон и др.), попавшие через легкие в кровь, не являются соединениями, входящими в состав ткани. Поэтому они со временем полностью удаляются из организма. Некоторые радиоактивные вещества, попадая в организм, распределяются в нем более или менее равномерно, другие концентрируются в отдельных внутренних органах. Так, в костных тканях отлагаются источники a излучения радий, уран, плутоний; b излучения стронций и иттрий; g излучения цирконий. Эти элементы, химически связанные с костной тканью, очень трудно выводятся из организма. Продолжительное время удерживаются также элементы с большим атомным номером (полоний, уран и др.). Элементы, образующие легкорастворимые соли и накапливаемые в мягких тканях, легко удаляются из организма. Таким образом, особенности биологического действия ионизирующих излучений следующие: — действие ионизирующих излучений неощутимо человеком; - видимые поражения кожного покрова, недомогания, характерные для лучевого заболевания, появляются не сразу, а спустя некоторое время; - суммирование доз происходит скрыто, что неизбежно приводит к лучевым заболеваниям. Допустимые дозы облучения. Допустимые уровни ионизирующего излучения регламентируются Нормами радиационной безопасности НРБ 96. и Основными санитарными правилами работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений ОСП 72/87. Нормами радиационной безопасности НРБ 96 регламентированы три категории облучаемых лиц и три группы критических органов: категория, А персонал; категория Б ограниченная часть населения; категория В население, не входящее в категории, А и Б; I группа все тело, гонады, красный костный мозг; II группа мышцы, щитовидная железа, жировая ткань, печень, почки, селезенка, желудочно-кишечный тракт, легкие, хрусталики глаз и другие органы, за исключением тех, которые относятся к группам I и III; III группа костная ткань, кожный покров, кисти, предплечья, лодыжки и стопы. Основные дозовые пределы приведены в таблицах.

Дозовые пределы для лиц категорий, А и Б, приведенные в таблицах 28 и 29, не включают в себя дозы от естественных радионуклидов с питьевой водой (0,2 мЗв/год) и дозы, получаемые при медицинских обследованиях (1 мЗв/год) и лечении, а также при авариях с выбросом радиоактивных веществ. Источники облучения человека. Облучение человека в процессе жизни происходит за счет: космического излучения; естественных (природных) источников; искусственных источников в окружающей среде и быту (технологически полученные источники); радиоактивных осадков от испытаний ядерного оружия и выбросов предприятий атомной энергетики; медицинского обследования и радиотерапии.

Эффективные дозы облучения.

Космическое излучение — это излучение галактик и солнечное, зависящее от вспышек на солнце. Космическое излучение играет существенную роль за пределами атмосферы, а на Землю попадает вторичное излучение, которое образуется в результате взаимодействия первичного космического излучения с атмосферой Земли и участвует во внешнем облучении человека. Интенсивность космического облучения зависит от солнечной активности, географического расположения объекта и возрастает с высотой над уровнем моря.

среднем эффективная эквивалентная доза внешнего облучения составляет примерно 300 мкЗв/год [20]. Естественные (природные) источники — это более 60 естественных радионуклидов (источники излучения), находящихся в биосфере Земли. Они подразделяются на две категории: первичные и космогенные. В первичную категорию входят 32 радионуклида продукты распада урана и тория и 11 долгоживущих радионуклидов (40К, 87Rb и др.), имеющих период полураспада (Т½) от 107 до 1015 лет. Космогенные радионуклиды образуются в атмосфере в результате взаимодействия протонов и нейтронов с ядрами N, О и Аr, а затем поступают на земную поверхность с атмосферными осадками. К ним относятся 3Н, 14С, 7Ве, 22Nа и др. (всего 14 радионуклидов). 3Н (Т½ = 12,3 года) и 14С (Т½ = 5 700 лет) являются космогенными источниками последующего внутреннего облучения человека на Земле. А 7Ве (Т½ = 53 сут), 22Nа (Т½ = 2,6 года) и 24Nа (Т½ = 15 час) космогенные источники внешнего облучения. Внешнее облучение человека от указанных естественных источников вне помещений обусловлено их присутствием в почве, приземном воздухе, гидросфере и биосфере. В таблице 31 приведено содержание радионуклидов в этих средах.