Фізика. 9 клас. Сиротюк

§ 27. Йонізаційна дія радіоактивного випромінювання. Природний радіоактивний фон

Під час роботи на ядерних установках і з радіоактивними препаратами, які використовуються в різних галузях науки і техніки (дефектоскопія в машинобудуванні, радіоактивні прилади для контролю товщини, рівня рідин, променеві датчики, пристрої для автоматизації виробничих процесів, застосування випромінювань у медицині, добування і переробка уранових руд тощо), людина зазнає зовнішнього радіоактивного опромінення.

Йонізуючим називають випромінювання, яке під час взаємодії з речовиною спричиняє йонізацію складових його атомів і молекул, тобто перетворює нейтральні атоми або молекули на йони.

До різновидів йонізуючого випромінювання, які ви вже знаєте (α-, β- і γ-випромінювання, рентгенівські промені), належать потоки нейтронів, протонів тощо. Коли випромінювання проходить крізь речовину, атоми і молекули, з яких вона складається, йонізуються. Унаслідок збудження молекул у живому організмі їх функції можуть порушитися. У разі йонізації атомів відповідна жива клітина виявляється пошкодженою. Електрони, що входять до складу атомів чи молекул середовища, відриваються від них і можуть переміщуватися по всій речовині. Наприклад, під упливом опромінення збільшується ступінь дисоціації молекул води на йони Гідрогену і гідроксид-йони.

Йони і радикали, що утворюються у тканинах організму під безпосереднім упливом випромінювання, починають взаємодіяти з іншими молекулами. Продукти вторинних реакцій, у свою чергу, реагують з новими молекулами, унаслідок чого склад речовин у тканинах змінюється. Склад різних сполук, що регулюють діяльність організму, змінюється, і залежно від інтенсивності опромінення можуть виникнути так звані променева хвороба, ракові пухлини, лейкемія (білокрів’я) тощо.

Нейтрони безпосередньо йонізації не викликають, але, вступаючи в реакцію з різними тканинами тіла людини, спричиняють появу вторинного йонізуючого випромінювання.

Будь-які зміни в опроміненому об’єкті, спричинені йонізуючим випромінюванням, називають радіаційно індукованим ефектом.

Залежно від рівня біологічної організації живої речовини радіобіологи розрізняють такі види біопошкоджень йонізуючим випромінюванням: молекулярний - ушкодження молекул ДНК, РНК, ферментів; негативний вплив на процеси обміну; субклітинний - ушкодження біомембран і складових елементів клітин; клітинний - гальмування і припинення поділу клітин та часткове перетворення їх у злоякісні; тканинний - ушкодження найчутливіших тканин і органів (наприклад, червоний кістковий мозок); організмовий - помітне скорочення тривалості життя або швидка загибель організму; популяційний - зміна генетичних характеристик в окремих індивідів.

Для кількісної характеристики дії йонізуючого випромінювання на навколишнє середовище введено такі фізичні величини та їх одиниці.

Основну фізичну величину, що характеризує радіоактивне джерело, називають активністю А:

де N - кількість радіоактивних розпадів; t - час розпаду. У CI за одиницю активності прийнято один беккерель (1 Бк). Активності 1 беккерель відповідає один розпад за секунду. Історично першою речовиною, на якій вивчали закон радіоактивного розпаду, був радій-226. В одному грамі радію відбувається 3,7 • 10¹⁰ розпадів за секунду. Тому в практичній дозиметрії та радіаційній фізиці користуються й іншою одиницею активності - 1 кюрі (1 Кі):

1 Кі = 3,7 • 10¹⁰ Бк.

Прийнято вважати, що зміни, які відбуваються в опроміненій речовині, визначаються поглинутою енергією радіоактивного випромінювання.

Поглинутою дозою випромінювання D називають відношення поглинутої дози енергії Е до маси т опроміненої речовини:

За одиницю поглинутої дози прийнято 1 рад (англ. radation absorbed dose - «поглинута доза випромінювання»).

1 рад — це доза, при якій опроміненій речовині масою 1 кг передається енергія 10^-2 Дж.

У СІ поглинуту дозу випромінювання визначають у греях (Гр).

1 грей дорівнює поглинутій дозі, при якій опроміненій речовині масою 1 кг передається енергія йонізуючого випромінювання 1 Дж:

Проте, якщо б навіть удалося здійснити вимірювання поглинутої дози випромінювання безпосередньо в живій тканині, незважаючи на їх складність, цінність цих вимірювань була б невеликою, оскільки однакова енергія різних частинок викликає неоднаковий біологічний ефект. Тому для медичної діагностики використовують здатність рентгенівських променів, що проходять крізь тканини організму, йонізувати також тканиноеквівалентну речовину - повітря. Вимірювання цієї йонізації привело до появи дозиметричної величини - експозиційної дози D_e, як міри йонізаційної дії на повітря.

Експозиційна доза — кількісна характеристика γ- і рентгенівського випромінювань, яка ґрунтується на їх йонізуючій дії і визначається сумарним електричним зарядом йонів одного знака, утворених в одиниці маси повітря:

де q - заряд утворених йонів; m - маса повітря.

Одиницею експозиційної дози є один кулон на кілограм (1 Кл/кг). При такій експозиційній дозі внаслідок йонізаційної дії випромінювання на повітря і м’які тканини в 1 кг сухого повітря за нормальних умов утворюються йони кожного знака, що мають заряд 1 Кл.

Ця одиниця дала змогу пов’язати поглинуту енергію з йонізаційним і біологічним ефектами. У практичній дозиметрії використовують експозиційну дозу випромінювання - один рентген (1 Р).

Один рентген — це така експозиційна доза рентгенівського чи γ-випромінювань, при якій в 1 см³ сухого повітря (1,29 • 10^-6 кг) при 0 °С і тиску 760 мм рт. ст. утворюються йони, які мають заряд кожного знака, що дорівнює 3,34 • 10^-10 Кл.

Експозиційна доза практично зручна, оскільки йонізацію повітря легко виміряти за допомогою дозиметра. Можна використовувати зв’язок між позасистемною (Кл/кг) і системною (1 Р) одиницями:

1 Р = 2,58 • 10^-4 Кл/кг;

1 Кл/кг = 3,88 • 10³ Р;

1 рад = 1,1 Р.

При дозі 1 Р утворюється приблизно 2,08 • 10⁹ пар йонів.

Зазначимо, що в повітрі й м’яких тканинах організму людини однакові експозиційні дози рентгенівського чи γ-випромінювань створюють приблизно однакову кількість йонів у 1 см³. Тому можна оцінювати поглинання енергії м’якими тканинами не за поглинутою дозою випромінювання (2)), а за еквівалентною дозою D_екв.

Еквівалентна доза (D_екв) — це поглинута доза, помножена на коефіцієнт К, що відображає здатність випромінювання певного типу чинити дію на тканини організму:

D_екв = KD.

Коефіцієнт К називають відносною біологічною ефективністю (ВБЕ), або коефіцієнтом якості. Для рентгенівського, γ- і β-випромінювань К = 1, для теплових нейтронів К = 5, для швидких нейтронів і протонів К = 10, для α-частинок К = 20.

Мал. 252

Треба врахувати й те, що різні частини тіла мають різну чутливість до опромінення. Через це дози опромінення органів і тканин потрібно обчислювати з різними коефіцієнтами радіаційного ризику (мал. 252).

Помноживши еквівалентні дози на відповідні коефіцієнти радіаційного ризику для всіх органів і тканин та підсумувавши їх, отримаємо значення ефективної еквівалентної дози, що відображає сумарний ефект опромінення організму. Ефективна еквівалентна доза введена Міжнародною комісією з радіаційного захисту (МКРЗ). Її одиницею в СІ є також один зіверт (1 Зв).

Підсумувавши індивідуальні ефективні еквівалентні дози, одержані групою людей, визначимо колективну ефективну еквівалентну дозу. Її одиницею в СІ є один людино-зіверт.

Проте виникає потреба ще в одному визначенні, оскільки багато радіоактивних нуклідів (атомів з певними характеристиками) розпадаються досить повільно і надовго залишаються радіоактивними.

Колективну ефективну дозу, що одержать багато поколінь людей від радіоактивного джерела впродовж усього часу його подальшого існування, називають очікуваною (повного) колективною ефективною еквівалентною дозою.

Проблема біологічного впливу йонізуючих випромінювань на живі організми й установлення значень безпечних доз опромінення тісно пов’язана з існуванням природного радіоактивного фону на поверхні Землі. Справа в тому, що в будь-якому місці на поверхні Землі, під землею, у воді, в атмосферному повітрі й у космічному просторі є йонізуючі випромінювання різних видів і різного походження. Ці випромінювання існували, коли ще не було життя на Землі, є вони й сьогодні, будуть і надалі. В умовах існування природного радіаційного фону на Землі виникло життя, яке пройшло шлях еволюції до свого теперішнього стану. Тому можна з упевненістю сказати, що дози опромінення, близькі до рівня природного фону, не становлять серйозної небезпеки для живих організмів.

Чим же зумовлене існування природного радіаційного фону і яке значення фонової дози опромінення?

У більшості місць на Землі значна частина дози природного фону зумовлена зовнішнім опроміненням, створюваним γ-випромінюванням природних радіоактивних ізотопів земної кори - Урану, Торію, Калію та інших елементів. Потужність дози зовнішнього опромінення залежить від типу порід земної кори в даній місцевості, від матеріалів, з яких споруджено будинки. Найбільшу радіоактивність мають гранітні породи й стіни кам’яних будинків, найменшу - стіни дерев’яних будинків. Доза зовнішнього фонового γ-опромінення коливається в більшості місць від 0,3 до 0,6 мЗв за один рік.

На Землі є місцевості, у яких ґрунти містять велику кількість Урану й Торію, тому рівень зовнішнього γ-опромінення в них може сягати до 8-15 мЗв за рік. Середнє значення еквівалентної дози від зовнішнього фонового γ-опромінення можна прийняти рівним 0,4 мЗв за рік.

Друге джерело опромінення - космічне випромінювання. Космічним випромінюванням на поверхню Землі (вторинне космічне випромінювання) називають потік γ-випромінювання й швидких заряджених частинок, що виникають в атмосфері під дією первинного космічного випромінювання, яке складається в основному з протонів, що надходять з космосу. Земну атмосферу можна прирівняти до десятиметрового шару води, яка поглинає більшу частину космічного випромінювання й надійно захищає все живе на Землі від його впливу. На рівні моря доза опромінення дорівнює 0,3 мЗв за рік. З підняттям у верхні шари атмосфери потужність потоку космічного випромінювання зростає. На висоті 3000 м над рівнем моря вона збільшується приблизно втричі.

Крім зовнішнього опромінення, кожний живий організм піддається внутрішньому опроміненню. Воно зумовлене тим, що з їжею, водою й повітрям в організм потрапляють різні хімічні елементи, що мають природну радіоактивність: Карбон, Калій, Уран, Торій, Радій, Радон. Кількість цих елементів в організмі людини залежить від їжі, яку вона вживає. У цілому середнє значення еквівалентної дози опромінення, зумовленої природними радіоактивними ізотопами, що потрапляють в організм людини з їжею і водою, дорівнює приблизно 0,3 мЗв за рік.

Значну частину дози внутрішнього опромінення в більшості місць на Землі складає радіоактивний Радон і продукти його розпаду, що потрапляють в організм людини з диханням. Радон постійно утворюється у ґрунті повсюди на Землі. Це інертний газ, тому в ґрунті він не втримується й поступово виходить в атмосферу. Концентрація радону підвищується в закритих непровітрюваних приміщеннях, особливо висока вона в підвальних приміщеннях, у нижніх поверхах будинків, близьких до ґрунту. У більшості будинків питома активність радону й продуктів його розпаду дорівнює близько 50 Бк/м, що приблизно у 25 разів вище за середній рівень питомої активності атмосферного повітря поза будинками.

Середнє значення річної еквівалентної дози опромінення, зумовленої радоном і продуктами його розпаду, дорівнює 1 мЗв. Це приблизно половина середньої річної дози опромінення, яку одержує людина від природних джерел радіації. Отже, середнє значення еквівалентної дози опромінення, зумовленої природним радіаційним фоном, дорівнює близько 2 мЗв за рік.

У наш час усі люди на Землі піддаються дії йонізуючої радіації не тільки природного, а й штучного походження. Штучними джерелами радіації, створеними людиною, є рентгенівські діагностичні й терапевтичні установки, засоби автоматичного контролю й керування, що використовують радіоактивні ізотопи, ядерні енергетичні й дослідницькі реактори, прискорювачі заряджених частинок і різні високовольтні електровакуумні прилади, відходи теплових і атомних електростанцій, продукти ядерних вибухів.

З усіх штучних джерел йонізуючої радіації найбільше впливають на людину джерела рентгенівського випромінювання, які використовуються в медицині. Середня еквівалентна доза, одержувана людиною за рік у промислово розвинених країнах, дорівнює близько 1 мЗв, тобто близько половини дози природного фону.

Радіаційна небезпека під час роботи з радіоактивними джерелами справді існує, і вона надзвичайно підступна, оскільки важкі, часто непоправні патологічні зміни в організмі настають під дією випромінювання без щонайменших суб’єктивних ознак, які сигналізують про небезпеку. Ці зміни нагромаджуються, наростають в організмі й іноді проявляються лише через значний час (десятиріччя) після фактичного опромінення, коли лікувальне втручання виявляється запізнілим. Тому легковажне ставлення до радіації абсолютно неприпустиме.

Зменшити поглинену дозу випромінювання (захист від випромінювання) під час роботи з джерелами йонізуючої радіації можна такими заходами і вимогами.

«Захист відстанню» - зі збільшенням відстані від точкового джерела радіації інтенсивність випромінювання і поглинена доза зменшуються обернено пропорційно квадрату відстані.

«Захист часом» - що менший час перебування в зоні дії випромінювання, то менша поглинена доза.

Установлення захисних екранів, що поглинають випромінювання. Ступінь екранування залежить від проникної здатності різних типів випромінювання.

Обов’язкове знання і виконання персоналом правил безпеки під час роботи в зоні дії випромінювання, а також поінформованість персоналу і населення про наявність небезпеки радіоактивного опромінення чи забруднення.

На малюнку 253, а показано основний знак радіаційної небезпеки, а на малюнку 253, б - уведений у 2007 році додатковий знак радіаційної небезпеки. Зазвичай такими знаками позначають транспортні засоби для перевезення радіоактивних речовин, а також тару для їх зберігання і транспортування, місця зберігання радіоактивних речовин, робочі зони, у яких є радіація, забруднені ділянки території тощо.

Мал. 253

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

• 1. Дайте визначення дози випромінювання. Які її одиниці в СІ?
• 2. Що називають поглинутою дозою?
• 3. Дайте визначення одного грея.
• 4. Як пов’язана експозиційна доза із зарядом тіла?
• 5. Дайте визначення одного зіверта.
• 6. Чим відрізняється ефективна еквівалентна доза від колективної ефективної еквівалентної дози?
• 7. Що таке природний радіаційний фон? Як від нього захищаються?