Фізика. Профільний рівень. 11 клас. Засєкіна

§ 62. Біологічна дія радіації та захист від йонізуючого випромінювання

Біологічна дія йонізуючого випромінювання. Біологічна дія йонізуючих випромінювань на живі тканини пов’язана зі збудженням та йонізацією атомів і молекул, утворенням вільних радикалів. Збуджені атоми та йони, вільні радикали мають високу хімічну активність, тому в клітинах організму утворюються нові хімічні сполуки, руйнуються клітини, порушується їх здатність до поділу. Найчутливіші до йонізованого випромінювання — ядра клітин, особливо тих клітин, які швидко діляться. Тому радіоактивне випромінювання уражає в організмі насамперед кістковий мозок, унаслідок чого порушується процес утворення крові. Потім ушкоджуються клітини травного тракту та інших органів. Ураження статевих органів призводить до необоротних генетичних змін (мутацій) хромосом, унаслідок чого виникають спадкові хвороби нащадків. Небезпека радіоактивного випромінювання посилюється тим, що воно не спричинює відчуття болю навіть за смертельних доз.

Організм людини постійно підлягає дії радіоактивного випромінювання. Джерелами цього випромінювання є космічні промені, природні копалини в надрах Землі, будинки, де ми живемо (радіоактивними будівельними матеріалами є граніт, бетон, цегла), електронно-променеві трубки кінескопів телевізорів, рентгенівські апарати. Навіть у самої людини в тілі міститься близько 0,01 г радіоактивного Калію, який розпадається зі швидкістю 4000 розпадів за секунду.

Характер впливу радіоактивних речовин залежить від їхнього виду та кількості (дози).

Дози випромінювання. Для оцінки дії радіоактивного випромінювання користуються дозиметричними величинами.

Незалежно від природи йонізуючого випромінювання його вплив на речовину оцінюють енергією, яка поглинається одиницею маси речовини, тобто поглинутою дозою випромінювання,

Одиниця в СІ поглинутої дози йонізуючого випромінювання — грей, 1 Гр.

1 Гр дорівнює дозі випромінювання, за якої опроміненій речовині масою 1 кг передається енергія будь-якого йонізуючого випромінювання 1 Дж.

Використовують також і позасистемну одиницю 1 рад (rad — за першими літерами англійського словосполучення radation absorbed dose — поглинута доза випромінювання).

1 рад — це доза, за якої опроміненій речовині масою 1 кг передається енергія 10-2 Дж.

Поглинута енергія затрачується на нагрівання речовини, на її хімічні й фізичні перетворення.

Поглинута доза випромінювання має властивість накопичуватись із часом: за інших однакових умов вона тим більша, що триваліший час опромінення. Тому застосовують поняття потужності дози,

Інтенсивність радіоактивного випромінювання оцінюють також за його йонізаційною здатністю, оскільки фізична дія будь-якого випромінювання пов’язана насамперед з йонізацією атомів і молекул речовини.

Цю характеристику називають експозиційною дозою:

У СІ експозиційну дозу вимірюють у кулонах на кілограм, 1 Кл/кг.

1 Кл/кг означає, що сумарний заряд усіх йонів одного знака, утворених в 1 кг сухого атмосферного повітря, дорівнює 1 Кл.

Позасистемна одиниця експозиційної дози — рентген (Р).

1 Р означає, що під час опромінення рентгенівським або гамма-випромінюванням в 1 см3 повітря за нормальних умов створюється йонів із загальним зарядом кожного знака в 1/(3∙109) Кл.

Зв’язок між позасистемною (Р) та системною одиницями :

Відповідно 1 рад = 1,1 Р.

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

Експозиційна доза більш зручна на практиці, оскільки йонізацію повітря легко виміряти за допомогою дозиметра — приладу для вимірювання доз випромінювання. В основу дії дозиметрів покладено методи реєстрації йонізуюючого випромінювання.

При опроміненні живих організмів, зокрема людини, виникають біологічні ефекти, які за тієї самої поглинутої дози різні для різних видів випромінювання. Прийнято порівнювати біологічні ефекти, які зумовлюються будь-якими йонізуючими випромінюваннями, з ефектами від рентгенівського й гамма-випромінювань. Для цього користуються поняттям еквівалентної дози випромінювання.

Еквівалентна доза Dек — це поглинута доза, помножена на коефіцієнт К, що відображає здатність випромінювання певного типу чинити дію на тканини організму: Dек = KD, де К — відносна біологічна ефективність, або коефіцієнт 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.

У СІ еквівалентну дозу вимірюють у зівертах, 1 Зв.

Позасистемну одиницю еквівалентної дози йонізуючого випромінювання називають біологічним еквівалентом рентгена (бер): 1 бер =1 Р = = 0,01 Гр = 0,01 Зв.

При оцінці біологічної дії радіоактивного випромінювання треба враховувати ще 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: 0,03 — для кісткової тканини та щитоподібної залози; 0,12 — для червоного кісткового мозку; 0,15 — для легенів; 0,25 — для статевих залоз; 0,3 — для інших органів.

Помноживши еквівалентні дози на відповідні коефіцієнти ризику для всіх органів і тканин та підсумувавши їх, дістанемо значення ефективної еквівалентної дози, що відображає сумарний ефект опромінення організму.

У процесі короткочасного опромінення людини доза у 20-50 Р призводить до змін у крові, доза у 100-250 Р спричинює променеву хворобу, а доза в 600 Р — смертельна. Природний фон радіації дорівнює річній дозі 0,2 Р, гранично допустима доза — 5 Р за рік.

Захист від йонізуючого випромінювання. Оскільки радіоактивне випромінювання шкідливо впливає на живі клітини, то, зрозуміло, потрібно організувати захист від нього. Для зниження дози опромінення навколо джерел радіоактивного випромінювання розташовують біологічний захист із речовин, що добре поглинають випромінювання. Найпростішим методом захисту є віддалення на достатню відстань від джерел випромінювання. Якщо це неможливо, то для захисту використовують перешкоди з різних поглинальних матеріалів, а робота з радіаційними препаратами здійснюється за допомогою маніпуляторів. Відомо, що α-частинки затримуються навіть аркушем паперу, γ-випромінювання слід екранувати шаром пластмаси або спеціального скла, що містить свинець. Для захисту від γ-використовують свинцеві контейнери. Для захисту від особливо потужних джерел (ядерних реакторів, прискорювачів частинок) споруджують бетонні стіни відповідної товщини.

Радіоактивні речовини можуть потрапити в організм під час вдихання забрудненого радіоактивними елементами повітря, із харчовими продуктами або водою. Щоб деякою мірою захистити організм від радіації, застосовують речовини-оксиданти, що належать до радіопротекторів (їх необхідно вживати до опромінення).

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Який вплив справляє радіоактивне випромінювання на живі тканини? 2. Які дозиметричні величини характеризують радіоактивне випромінювання? Назвіть їх одиниці. 3. Які допустимі та небезпечні дози опромінення людини?