Воздействие облучения

Содержание:

1. Введение

2. Радиация

3. Воздействие радиации на ткани живого организма

4. Дозы излучения и единицы измерения

5.  Предельно допустимые дозы облучения

          6.  Воздействие радиации на человека

         7.  Меры защиты

8. Заключение
9. Список используемой литературы

                                                        Введение

Явление радиоактивности было открыто  в 1896 году французским ученым Анри Беккерелем, В настоящее время оно широко используется в науке, технике, медицине, промышленности.

Радиоактивные элементы естественного происхождения присутствуют повсюду в окружающей человека среде. В больших объемах образуются искусственные радионуклиды, главным образом в качестве побочного продукта на предприятиях оборонной промышленности и атомной энергетики. Попадая в окружающую среду они оказывают воздействия на живые организмы, в чем и заключается их опасность.

Для правильной оценки этой опасности  необходимо четкое представление о  масштабах загрязнения окружающей среды, о выгодах, которые приносят производства, основным или побочным продуктом которых являются радионуклиды, и потерях, связанных с отказом  от этих производств, о реальных механизмах действия радиации, последствиях и  существующих мерах защиты.

В массовом сознании населения доминирует настороженное отношение к производствам, деятельность которых приводит к  образованию радиоактивных изотопов и в первую очередь к предприятиям ядерного цикла. Этому способствуют как объективные (крупные аварии), так и субъективные (некомпетентность, искаженная картина в средствах  массовой информации) факторы.

При этом не принимаются  во внимание два обстоятельства. Первое - это необходимость сравнительного подхода. Например, ценой за использование  автомобиля являются десятки тысяч  людей, ежегодно погибающих в авариях, еще большее количество получает травмы. Происходит загрязнение окружающей среды выхлопными газами автомобилей, особенно в густонаселенных городах. И это далеко не полный перечень негативных последствий от использования  автомобильного транспорта. Второе обстоятельство — это экономическая и технологическая необходимость использования атомной энергии в современном мире. Привлекательность использования АЭС связана с ограниченностью и постоянным ростом стоимости энергоносителей для тепловых электростанций, меньшими радиоактивными и значительно более низкими химическими загрязнениями окружающей среды, гораздо меньшими объемами транспортных перевозок у предприятий ядерного цикла, отнесенными к единице производимой в конечном счете электроэнергии, по сравнению с аналогичными показателями для предприятий топливного цикла.

Альтернативы использованию АЭС  в глобальной экономике в настоящее  время нет, а в обозримом будущем  она может появиться только со стороны термоядерных установок. Первая в мире опытно-промышленная АЭС мощностью в 5 МВт была пущена в СССР 27 июня 1954 г. в г. Обнинске. В последующий период производство электроэнергии на АЭС быстро росло и в настоящее время в развитых странах они превратились в основного поставщика электроэнергии. Работа предприятий ядерного цикла в режиме нормальной эксплуатации не наносит человеку сколько-нибудь заметного вреда и значительно безопаснее последствий других видов деятельности.

Аварии на АЭС значительно увеличивают  экологическую угрозу, но не в большей  степени, чем аварии на крупных химических производствах, бесконтрольное использование  пестицидов и минеральных удобрений, аварии на транспорте и т.д.

Следует также иметь в виду, что  радиация, связанная с нормальным развитием ядерной энергетики, составляет лишь малую долю радиации, порождаемой  деятельностью человека. Значительно большие дозы мы получаем от других источников, вызывающих меньше нареканий. Применение рентгеновских лучей в медицине, сжигание угля, использование воздушного транспорта, пребывание в хорошо герметизированных помещениях могут привести к значительному увеличению уровня облучения. Отметим, что и зарождение жизни на Земле и ее последующая эволюция протекали в условиях постоянного воздействия радиации. Хорошее знание свойств радиации и ее воздействия позволяет свести к минимуму связанный с ее использованием риск и по достоинству оценить те огромные блага, которые приносит человеку применение достижений ядерной физики в различных сферах.

                                           Радиация

Радиация - обобщенное понятие. Оно включает различные виды излучений, часть которых встречается природе, другие получаются искусственным путем. Прежде всего следует различать корпускулярное излучение состоящее из частиц с массой отличной от нуля, и электромагнитное излучение. Корпускулярное излучение может состоять как из заряженных, так и из нейтральных частиц.

1.1 Корпускулярное  излучение

Альфа-излучение - представляет собой ядра гелия, которые испускаются при радиоактивном распаде элементов тяжелее свинца или образуются в ядерных реакциях. Бета-излучение - это электроны или позитроны, которые образуются при бета-распаде различных элементов от самых легких (нейтрон) до самых тяжелых. Космическое излучение. Приходит на Землю из космоса. В его состав входят преимущественно протоны и ядра гелия. Более тяжелые элементы составляют менее 1%. Проникая вглубь атмосферы, космическое излучение взаимодействует с ядрами, входящими состав атмосферы, и образует потоки вторичных частиц (мезоны, гамма-кванты, нейтроны и др.). Продукты деления. Содержатся в радиоактивных отходах переработанного топлива ядерных реакторов. 1.2 Электромагнитное излучение

Электромагнитное излучение  имеет широкий спектр энергий  и различные источники: гамма-излучение  атомных ядер и тормозное излучение  ускоренных электронов, радиоволны (табл.1).

Таблица1.

                      Воздействие радиации на ткани живого 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 сек. Вo второй, химико-физической фазе, протекающей 10^-10 сек 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^-б сек, 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. Различные виды

излучений характеризуются  различной биологической эффективностью, что связано с отличиями в  их проникающей способности (рисунок 3) и характером передачи энергии  органам и тканям живого объекта, состоящего в основном из легких элементов (таблица 2).

Рис. 3. Схематическое изображение проникающей способности различных излучений.

Таб.2

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.

Гамма-излучение имеет  еще более высокую проникающую  способность. Под его действием  происходит облучение всего организма. Биологический эффект от действия тепловых нейтронов в основном обусловлен процессами Н(n, )²H и ^l4N(n,p)^l4C Сечения этих реакций составляют соответственно 0.33 и 1.76 барн.

Основной эффект воздействия  на биологическую ткань происходит под действием протонов, образующихся в реакции (n,р) и теряющих всю свою энергию в месте рождения. Для медленных нейтронов сечения захвата нейтронов малы. Большая часть энергии расходуется на возбуждение и расщепление молекул ткани. Для быстрых нейтронов до 90% энергии в ткани теряется при упругом взаимодействии. При этом решающее значение имеет рассеяние нейтронов на протонах. Дальнейшее выделение энергии происходит в результате ионизации среды протонами отдачи.

               Дозы излучения и единицы измерения

Действие ионизирующих излучений  представляет собой сложный процесс. Эффект облучения зависит от величины поглощенной дозы, ее мощности, вида излучения, объема облучения тканей и органов. Для его количественной оценки введены специальные единицы, которые делятся на внесистемные и единицы в системе СИ. Сейчас используются преимущественно единицы системы СИ. Ниже в таблице 3 дан перечень единиц измерения радиологических величин и проведено сравнение единиц системы СИ и внесистемных единиц.

Таблица 3.

Для описания влияния ионизирующих излучений на вещество используются следующие понятия и единицы  измерения : Активность радионуклида в источнике (А). Активность равна отношению числа самопроизвольных ядерных превращений в этом источнике за малый интервал времени (dN) к величине этого интервала (dt) :

A = dN/dt

Единица активности в системе  СИ - Беккерель (Бк). Внесистемная единица - Кюри (Ки).

Число радиоактивных ядер N(t) данного изотопа уменьшается со временем по закону:

N(t) = N₀ exp(-tln2 / T_1/2) = N₀ exp(-0.693t / T_1/2)

где N_o - число радиоактивных ядер в момент времени t = 0, Т_1/2 -период полураспада - время, в течение которого распадается половина радиоактивных ядер. Массу m радионуклида активностью А можно рассчитать по формуле :

m = 2.4*10^-24 M T_1/2 A

где М - массовое число радионуклида, А - активность в Беккерелях, T_1/2 - период полураспада в секундах. Масса получается в граммах.

Экспозиционная  доза (X). В качестве количественной меры рентгеновского и -излучения принято использовать во внесистемных единицах экспозиционную дозу, определяемую зарядом вторичных частиц (dQ), образующихся в массе вещества (dm) при полном торможении всех заряженных частиц :

X = dQ/dm

Единица экспозиционной дозы - Рентген (Р). Рентген - это экспозиционная доза рентгеновского и -излучения, создающая в 1куб.см воздуха при температуре О°С и давлении 760 мм рт.ст. суммарный заряд ионов одного знака в одну электростатическую единицу количества

электричества. Экспозиционной дозе 1 Р соответствует 2.08*10⁹ пар ионов (2.08*10⁹ = 1/(4.8*10^-10)). Если принять среднюю энергию образования 1 пары ионов в воздухе равной 33.85 эВ, то при экспозиционной дозе 1 Р одному кубическому сантиметру воздуха передается энергия, равная : (2.08*10⁹)*33.85*(1.6*10^-12) = 0.113 эрг, а одному грамму воздуха : 0.113/ _возд ⁼ 0.113/0.001293 = 87.3 эрг.

Поглощение энергии ионизирующего излучения является первичным процессом, дающим начало последовательности физико-химических преобразований в облученной ткани, приводящей к наблюдаемому радиационному эффекту. Поэтому естественно сопоставить наблюдаемый эффект с количеством поглощенной энергии или поглощенной дозы.

Поглощенная доза (D) - основная дозиметрическая величина. Она равна отношению средней энергии dE, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме :

D = dE/dm

Единица поглощенной дозы - Грей (Гр). Внесистемная единица Рад  определялась как поглощенная доза любого ионизирующего излучения, равная 100 эрг на 1 грамм облученного вещества.

Эквивалентная доза (Н). Для оценки возможного ущерба здоровью человека в условиях хронического облучения в области радиационной безопасности введено понятие эквивалентной дозы Н, равной произведению поглощенной дозы D_r, созданной облучением - r и усредненной по анализируемому органу или по всему организму, на весовой множитель w_r (называемый еще - коэффициент качества излучения) (таблица 4).

Единицей измерения эквивалентной  дозы является Джоуль на килограмм. Она  имеет специальное наименование Зиверт (Зв).

Таб.4

Влияние облучения носит  неравномерный характер. Для оценки ущерба здоровью человека за счет различного характера влияния облучения  на разные органы (в условиях равномерного облучения всего тела) введено  понятие эффективной эквивалентной  дозы Е_эфф применяемое при оценке возможных стохастических эффектов - злокачественных новообразований. Эффективная доза равна сумме взвешенных эквивалентных доз во всех органах и тканях:

где w_t - тканевый весовой множитель (таблица 5), а H_t -эквивалентная доза, поглощенная в ткани - t. Единица эффективной эквивалентной дозы - Зиверт.

Таблица 5.

Коллективная  эффективная эквивалентная доза. Для оценки ущерба здоровью персонала и населения от стохастических эффектов, вызванных действием ионизирующих излучений, используют коллективную эффективную эквивалентную дозу S, определяемую как:

где N(E) - число лиц, получивших индивидуальную эффективную эквивалентную дозу Е. Единицей S является человеко-Зиверт (чел-Зв).

Радионуклиды - радиоактивные атомы с данным массовым числом и атомным номером, а для изомерных атомов - и с данным определенным энергетическим состоянием атомного ядра. Радионуклиды (и нерадиоактивные нуклиды) элемента иначе называют его изотопами. Помимо названных выше величин для сравнения степени радиационного повреждения вещества при воздействии на него различных ионизирующих частиц с разной энергией используется также величина линейной передачи энергии (ЛПЭ), определяемая соотношением :

где - средняя энергия, локально переданная среде ионизирующей частицей вследствие столкновений на элементарном пути dl. Пороговая энергия обычно относится к энергии электрона. Если в акте столкновения первичная заряженная частица образует -электрон с энергией больше , то эта энергия не включается в значение dE, и -электроны с энергией больше рассматриваются как самостоятельные первичные частицы. Выбор пороговой энергии является произвольным и зависит от конкретных условий. Из определения следует, что линейная передача энергии является некоторым аналогом тормозной способности вещества. Однако между этими величинами есть различие. Заключается оно в следующем: 1. ЛПЭ не включает энергию, преобразованную в фотоны, т.е. радиационные потери. 2. При заданном пороге ЛПЭ не включает в себя кинетическую энергию частиц, превышающую .

Величины ЛПЭ и тормозной  способности совпадают, если можно  пренебречь потерями на тормозное излучение  и

Таблица 6.

                        Предельно допустимые дозы облучения

По отношению к облучению  население делится на 3 категории.

Категория А облучаемых лиц или персонал (профессиональные работники) - лица, которые постоянно или временно работают непосредственно с источниками ионизирующих излучений.

Категория Б облучаемых лиц или ограниченная часть населения - лица, которые не работают непосредственно с источниками ионизирующего излучения, но по условиям проживания или размещения рабочих мест могут подвергаться воздействию ионизирующих излучений.

Категория В облучаемых лиц или население - население страны, республики, края или области. Для категории А вводятся предельно допустимые дозы -наибольшие значения индивидуальной эквивалентной дозы за календарный год, при которой равномерное облучение в течение 50 лет не может вызвать в состоянии здоровья неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами. Для категории Б определяется предел дозы.

Устанавливается три группы критических органов: 1 группа - все тело, гонады и красный костный мозг. 2 группа - мышцы, щитовидная железа, жировая ткань, печень, почки, селезенка, желудочно-кишечный тракт, легкие, хрусталики глаз и другие органы, за исключением тех, которые относятся к 1 и 3 группам. 3 группа - кожный покров, костная ткань, кисти, предплечья, голени и стопы. Дозовые пределы облучения для разных категорий лиц даны в таблице 7.

Таблица 7.

Помимо основных дозовых  пределов для оценки влияния излучения  используют производные нормативы  и контрольные уровни. Нормативы  рассчитаны с учетом непревышения дозовых пределов ПДД (предельно допустимая доза) и ПД (предел дозы).

Расчет допустимого содержания радионуклида в организме проводят с учетом его радиотоксичности и непревышения ПДД в критическом органе. Контрольные уровни должны обеспечивать такие низкие уровни облучения, какие можно достичь при соблюдении основных дозовых пределов.

Для категории А (персонала) установлены: - предельно допустимое годовое поступление ПДП радионуклида через органы дыхания; - допустимое содержание радионуклида в критическом органе ДС_А; - допустимая мощность дозы излучения ДМД_А; - допустимая плотность потока частиц ДПП_А; - допустимая объемная активность (концентрация) радионуклида в воздухе рабочей зоны ДК_А; - допустимое загрязнение кожных покровов, спецодежды и рабочих поверхностей ДЗ_А.

Для категории Б (ограниченной части населения) установлены: - предел годового поступления ПГП радионуклида через органы дыхания или пищеварения; - допустимая объемная активность (концентрация) радионуклида ДК_Б в атмосферном воздухе и воде; - допустимая мощность дозы ДМД_Б; - допустимая плотность потока частиц ДПП_Б; - допустимое загрязнение кожных покровов, одежды и поверхностей ДЗ_Б . Численные значения допустимых уровней в полном объеме содержатся в "Нормах радиационной безопасности".

                  Воздействие радиации на человека

Эффекты воздействия радиации на человека обычно делятся на две категории (таб.8): 1) Соматические (телесные) - возникающие в организме человека, который подвергался облучению. 2) Генетические - связанные с повреждением генетического аппарата и проявляющиеся в следующем или последующих поколениях: это дети, внуки и более отдаленные потомки человека, подвергшегося облучению.

Таб8. Радиационные эффекты облучения человека.

Различают пороговые (детерминированные) и стохастические эффекты. Первые возникают когда число клеток, погибших в результате облучения, потерявших способность воспроизводства или нормального функционирования, достигает критического значения, при котором заметно нарушаются функции пораженных органов. Зависимость тяжести нарушения от величины дозы облучения показана в таблице 9.

Таблица 9.