Явление радиоактивности

«Явление радиоактивности»

Открытие радиоактивности

Открытие Анри Беккерелем невидимого излучения, испускаемого ураном и его соединениями, а также  классические работы Марии Склодовской-Кюри и Пьера Кюри, установившие природу  этих невидимых лучей, положили конец  представлению о неделимости  атома и явились началом проникновения  человека в тайны его строения.

Опыты Резерфорда и  его учеников неопровержимо доказали, что атом имеет сложное строение.

Как действует радиация на человека и окружающую среду? Как  он возникает? Это одни из многих сегодняшних  проблем, которые приковывают к  себе внимание людей.

Радиация действительно  опасна; в больших дозах она  приводит к поражению тканей, живой  клетки, в малых - вызывает раковые  явления и способствует генетическим изменениям. Однако опасность представляют вовсе не те источники радиации, о которых больше всего говорят. Радиация, связанная с развитием  атомной энергетики, составляет лишь малую долю, наибольшую дозу человек  получает от естественных источников - от применения рентгеновских лучей  в медицине, во время полет на самолете, от каменного угля, сжигаемого в бесчисленном количестве различными котельными и т.д.

Радиация существовала на Земле задолго до зарождения жизни. Человек в чрезвычайно малой  степени тоже радиоактивен.

Человек подвергается двум видам облучения: внешнему и  внутреннему. Дозы облучения сильно различаются и зависят от того, где люди живут.

Единицы измерения

В качестве единицы  гамма-излучения принят рентген (р), т.е. такая доза излучения, при которой  в 1 см 53 0 сухого воздуха при нормальных условиях образуется приблизительно 2 млрд. пар ионов, несущих одну электростатическую единицу заряда каждого знака.

За единицу активности принято одно ядерное превращение  в секунду. В целях сокращения обозначения пользуется термин "распад в секунду" (расп./с.). В системе СИ эта единица получила название беккерель (Бк). В практике радиационного контроля широко применялась внесистемная единица - кюри (Ки).

Концентрация радиоактивных  веществ обычно характеризуется  концентрацией его активности. Она  выражается в единицах активности на единицу массы: Ки/т, мКи/кг и т.п. (удельная активность), на единицу объема - Ки/м, мКи/л, Бк/см и т.п. (объемная концентрация) или на единицу площади - Ки/км 52 0, мКи/см 52 0, ПБк/м 52 0 и т.п.

Доза излучения (поглощенная  доза) - это энергия радиоактивного излучения, поглощенная единицей массы  облучаемого вещества или человеком. С увеличением времени облучения  она растет. При одинаковых условиях облучения зависит от состава  вещества. Поглощенная доза нарушает физиологически процессы и приводит к лучевой болезни различной  степени тяжести. В системе СИ обозначается единицей - грей (Гр). 1 грей - величина, при которой 1 кг облучаемого  вещества поглощает энергию в 1 Дж (джоуль), следовательно 1 Гр = 1 Дж/кг.

Поглощенная доза излучения  является основной физической величиной, определяющей степень радиационного  воздействия. Мощность дозы (мощность поглощенной дозы) - приращение дозы в единицу времени. Она характеризуется  скоростью накопления дозы и может  увеличиваться или уменьшаться  во времени. Ее единица в системе  СИ - грей в секунду, за одну секунду  в веществе создается доза излучения 1 грей.

На практике для  оценки поглощенной дозы излучения  до сих пор широко используется внесистемная единица мощности поглощенной дозы - рад в час(рад/ч) или рад в секунду (рад/с).

Эквивалентная доза. Это понятие введено для количественного  учета неблагоприятного биологического воздействия различных видов  излучения. В системе СИ эквивалентная  доза измеряется в зивертах (Зв).

Зиверт равен одному грею, деленному на коэффициент качества. При Q=1 получаем:

1 Гр 1 Дж/кг 100 рад

1 Зв = ---- = ------- = -------- = 100 бэр.

Q Q Q

Бэр (биологический  эквивалент рентгена) - это внесистемная единица зквивалентной дозы. Бэр - такая поглощенная доза любого излучения, которая вызывает то же биологический эффект, что и один рентген гамма-излучения. Поскольку коэффициент качества бета- гамма-излучений равен 1, то на местности, загрязненной радиоактивными веществами при внешнем облучении

1 Зв = 1 Гр; 1 бэр = 1 рад; 1 рад = 1 Р.

Строение атома  и радиоактивность.

Как замечено выше атом имеет сложное строение и состоит  из положительно заряженного ядра, где сосредоточено 99,95% массы атома, и вращающихся вокруг него электронов.

Дальнейшие исследование показали, что ядро атома также имеет сложное строение и состоит из протонов (ядер водорода) и нейтронов.

Протон обладает единицей положительного заряда, а  атомный вес его примерно равен  единице. Нейтрон является нейтральной  частицей, масса которого примерно равна массе протона.

Массовым числом называется целое число, ближайшее  к атомному весу изотопа данного  химического элемента. Массовое число  равно общему числу частиц (протонов и нейтронов), входящих в состав ядра. Элементы, обладающие одинаковыми химическими  свойствами, но разными массовыми  числами (или соответственно разными  атомными весами), называются изотопами. Очевидно, что ядра изотопов одного и тоже элемента состоят из одинакового  числа протонов и разного числа  нейтронов.

Между частицами, входящими  в состав ядра, т.е. между протонами  и протонами, нейтронами и нейтронами, протонами и нейтронами действуют  ядерные силы притяжения. Особенность  этих сил состоит в том, что  они чрезвычайно велики на расстояниях  порядка размера ядра (10 5-13 0 см) и  резко уменьшаются с увеличением  расстояния между частицами. Помимо ядерных сил притяжения между  одноименно заряженными частицами  ядра - протонами действуют кулоновские  силы отталкивания. У большинства  химических элементов ядерные силы притяжения превосходят кулоновские  силы отталкивания, чем и обусловливается  устойчивость ядер этих элементов.

Однако у тяжелых  элементов, ядра которых состоят  из большого числа частиц, ядерные  силы притяжения уже не способны скомпенсировать  кулоновские силы отталкивания. В  этом случае начинаются процессы самопроизвольного  перехода ядер из менее устойчивого  состояния в более устойчивое. Это явление получило название радиоактивность.

В процессе радиоактивного распада ядра атомов испускают либо альфа-частицу, либо Бетта-частицу, причем, как правило, все ядра данного радиоактивного изотопа испускают частицы одного рода. Альфа- частицы - поток ядер гелия - состоят из двух протонов и двух нейтронов. Таким образом , альфа-частица обладает двумя единицами положительного заряда, а ее атомный вес равен 4. Все ядра данного радиоактивного изотопа испускают альфа-частицы вполне определенной энергии. Энергия альфа-частицы, испускаемых известными в настоящее время радиоактивными изотопами, лежит примерно в пределах 3-9 Мэв.

Бета-частицы - поток  электронов или позитронов. Максимальная энергия бетта-спектра у известных в настоящее время радиоактивных изотопов лежит в пределах от нескольких десятков килоэлектронвольт до 3- 3,5 Мэв.

В некоторых случаях  дочернее ядро, образующееся в результате радиоактивного распада, может оказаться  в возбужденном состоянии. Переход  ядра из возбужденного состояния  в невозбужденное сопровождается испусканием гамма-излучения. Энергия гамма-квантов, испускаемых в процессе радиоактивного распада, лежит в пределах от нескольких десятков килоэлектронвольт до 3-4 Мэв.

Источники внешнего облучения

Радиационный фон, создаваемый космическими лучами, дает чуть меньше половины всего внешнего облучения (0,65 мЗв/год), получаемого населением. Земная радиация, дающая ориентировочно 0,35 мЗв/год внешнего облучения, исходит в основном от тех пород, которые содержат калий-40, рубидий-87, уран-238, торий-232. Естественно, уровни земной радиации на нашей планете неодинаковы и колеблются большей частью от 0,3 до 0,6 мЗв/год. Есть такие места, где эти показатели во много раз выше.

Внутреннее облучение  населения от естественных источников на две трети происходит от попадания  радиоактивных веществ в организм с пищей, водой и воздухом. В  среднем человек получает около 180 мЗв/год за счет калия-40, который усваивается организмом вместе с нерадиоактивным калием, необходимым для жизнедеятельности. Нуклиды свинца-210, полония-210 концентрируются в рыбе и моллюсках. Поэтому люди, потребляющие много рыбы и других даров моря, получают относительно высокие дозы внутреннего облучения. Недавно ученые установили, что наиболее весомым из всех естественных источников радиации является радон. Это невидимый, не имеющий ни вкуса, ни запаха тяжелый газ. Он в 7,5 раза тяжелее воздуха.

Значительную часть  дозы облучения человек получает от радионуклидов радона, попадающих в организм человека вместе с вдыхаемым  воздухом.

За последние десятилетие  человек усиленно занимался проблемами ядерной физики. Он создал сотни искусственных радионуклидов, научился использовать возможности атома в самых различных отраслях - в медицине, при производстве электро- и тепловой энергии, изготовления светящихся циферблатов часов, множества приборов, при поиске полезных ископаемых и в военном деле. Все это, естественно, приводит к дополнительному облучению людей. В большинстве случаев дозы невелики, но иногда техногенные источники оказываются во много тысяч раз интенсивнее, чем естественные.

Атомная энергетика вносит малый вклад в суммарное  облучение населения, если все реакторы работают без повреждений и поломок. Другим источником загрязнения радиоактивными веществами служат рудники и обогатительные фабрики. Медицинские процедуры  и методы лечения, связанные с  применением радиоактивности, вносят основной вклад в дозу, получаемую человеком от техногенных источников.

Ядерные взрывы тоже вносят свою лепту в увеличение дозы облучения человека. Ядерные взрывы различаются по типам: а) воздушный  взрыв; б) наземный или надводный  взрыв; в)подземный или подводный взрыв. При взрыве ядерных боеприпасов выделяют несколько поражающих факторов, одни из которых является проникающая радиация. Обычно взрыв сопровождается мощными и неощутимыми ядерными излучениями, на доля которых приходится около 16-20% энергии ядерного взрыва.

При ядерном взрыве испускаются нейтроны, гамма-лучи, бета- и альфа-частицы. Но если альфа- и бета-частицы способны распространяться в воздухе лишь на небольшие расстояния, то гамма-лучи и нейтроны распространяются во все стороны от центра взрыва на многие сотни метров и даже на километры. Именно поток гамма-лучей и нейтронов, испускаемых из зоны ядерного взрыва и радиоактивного облака, принято называть проникающей радиацией. Время действия проникающей радиации при ядерном взрыве определяется двумя факторами, во-первых, подъемом продуктов взрыва и , во-вторых, периодом полураспада короткоживущих радиоактивных "осколков".

Вредное биологическое  воздействие гамма-лучей и нейтронов  обусловлено их способностью ионизировать атомы и молекулы клеток живой ткани. В результате ионизация клетки погибают или теряют способность к дальнейшему делению. Во время облучения человек не испытывает боли. Однако через некоторое время у него может развиться лучевая болезнь.

Воздействие ионизирующего  излучения на биологические объекты

В результате воздействия  ионизирующего излучения на организм человека в тканях могут происходить  сложные физические, химические и  биохимические процессы.

При попадание радиоактивных  веществ внутрь организма поражающее действие оказывают в основном альфа-источники, а затем и бета-источники, т.е. в обратной наружному облучению  последовательности. Альфа-частицы, имеющие небольшую плотность ионизации, разрушают слизистую оболочку, которая является слабой защитой внутренних органов по сравнению с наружным кожным покровом.

Существует три  пути поступления радиоактивных  веществ в организм: при вдыхание воздуха, загрязненного радиоактивными веществами, через зараженную пищу или воду, через кожу, а также  при заражении открытых ран.

Наиболее опасен первый путь, поскольку во-первых, объем легочной вентиляции очень большой, а во-вторых, значения коэффициента усвоения в легких более высоки.

Пылевые частицы, на которых сорбированы радиоактивные  изотопы, при вдыхании воздуха через  верхние дыхательные пути частично оседают в полости рта и  носоглотке. Отсюда пыль поступает  в пищеварительный тракт. Остальные  частицы поступают в легкие. Степень  задержки аэрозолей в легких зависит  от их дисперсионности. В легких задерживается около 20% всех частиц; при уменьшении размеров аэрозолей величина задержки увеличивается до 70%.

При всасывании радиоактивных  веществ из желудочно-кишечного  тракта имеет значение коэффициент  резорбции, характеризующий долю вещества, попадающего из желудочно-кишечного  тракта в кровь. В зависимости  от природы изотопа коэффициент  изменяется в широких пределах: от сотых долей процента(для циркония, ниобия), до нескольких десятков процентов (водород, щелочно-земельные элементы). Резорбция через неповрежденную кожу в 200-300 раз меньше, чем через желудочно-кишечный тракт, и, как правило, не играет существенной роли.

При попадании радиоактивных  веществ в организм любым путем  они уже через несколько минут  обнаруживаются в крови. Если поступление  радиоактивных веществ было однократным, то концентрация их в крови вначале  возрастает до максимума, а затем  в течение 15-20 суток снижается.

Концентрации в  крови долгоживущих изотопов в дальнейшем могут удерживаться практически  на одном уровне в течение длительного  времени вследствие обратного вымывания  отложившихся веществ. Эффект воздействия  ионизирующего излучения на клетку - результат комплексных взаимосвязанных  и взаимообусловленных преобразований. По А.М. Кузину, радиационное поражение  клетки осуществляется в три этапа. На первом этапе излучение воздействует на сложные макромолекулярные образования, ионизируя и возбуждая их. Это  физическая стадия лучевого воздействия.

Второй этап - химические преобразования. Они соответствуют  процессам взаимодействия радикалов  белков, нуклеиновых кислот и липидов  с водой, кислородом, радикалами воды и возникновению органических перекисей.

Радикалы, возникающие  в слоях упорядоченно расположенных  белковых молекул, взаимодействуют  с образованием "сшивок", в результате чего нарушается структура биомембран. Из-за повреждения лизосомальных мембран происходит увеличение активности и высвобождение ферментов, которые путем диффузии достигают любой органеллы клетки и легко в нее проникают, вызывая ее лизис.

Конечный эффект облучения является результатом  не только первичного повреждения клеток, но и последующих процессов восстановления. Предполагается, что значительная часть  первичных повреждений в клетке возникает в виде так называемых потенциальных повреждений, которые  могут реализовываться в случае отсутствия восстановительных процессов. Реализация этих процессов способствуют процессы биосинтеза белков и нуклеиновых  кислот. Пока реализация потенциальных  повреждений не произошло, клетка может  в них "восстановиться". Это, как  предполагается, связано с ферментативными  реакциями и обусловлено энергетическим обменом. Считается, что в основе этого явления лежит деятельность систем, которые в обычных условиях регулируют интенсивность естественного  мутационного процесса.

Мутагенное воздействие  ионизирующего излучения впервые  установили русские ученые Р.А. Надсон и Р.С. Филиппов в 1925 году в опытах на дрожжах. В 1927 году это открытие было подтверждено Р.Меллером на классическом генетическом объекте - дрозофиле.

Ионизирующие излучения  способны вызывать все виды наследственных перемен. Спектр мутаций, индуцированных облучением, не отличается от спектра  спонтанных мутаций.

Последние исследования Киевского Института нейрохирургии  показали, что радиация даже в малых  количествах, при дозах в десятки  бэр, сильнейшим образом воздействует на нервные клетки - нейроны. Но нейроны  гибнут не от прямого воздействия  радиации. Как выяснилось, в результате воздействия радиации у большинства  ликвидаторов ЧАЭС наблюдается "послерадиационная  энцефлопатия". Общие нарушения в организме под действием радиации приводит к изменению обмена веществ, которые влекут за собой патологические изменения головного мозга.

Радиационные проблемы в Оренбургской области.

В этой области как и во многих других, проводились ядерные испытания, например Тоцкий воздушно-ядерный взрыв. Полученные данные свидетельствуют, что воздушно-ядерный взрыв в 1954 году на Тоцком полигоне сказался на состоянии биоты и здоровье населения. Заметим, что даже Чернобыль, несмотря на свою удаленность, внес свой вклад в радиоактивное загрязнение области, а также не обделил нас и ядерный полигон на Новой земле - вдоль по хребту Уральских гор. Было еще 11 подземных ядерных взрывов в Оренбуржье для создания так называемых емкостей - хранилищ, но их радиоактивное воздействие на окружающую среду спорно.

Однако нельзя без  проведения серьезного научного исследования связать данные изменения в здоровье населения с последствиями ядерных  взрывов. Необходимо определить уровень  гамма-излучения, концентрации продуктов  ядерного распада в объектах окружающей среды и сравнить данные показатели с фоновыми, т.е. характерными для Оренбургской области. Только при превышении фоновых значений в несколько раз можно с уверенностью говорить о негативном воздействии ядерных взрывов.

Исследованиями оренбургских ученых в течение последних лет  было установлено: 1) ухудшение медико-демографической  ситуации; 2) значительный рост онкопатологий; 3) негативные тенденции в здоровье детского населения;. 4) нарушения иммунного статуса у детей, проживающих в зоне влияния ядерного взрыва.

По данным международных  рекомендаций отдаленными последствиями  воздействия ионизирующих излучений  являются: а) злокачественные новообразования; б) сокращение средней продолжительности  жизни; в) генетические последствия. В  этом регионе прирост онкозаболеваний с 1985 по 1993 гг. составил: по органам дыхания - 225% , щитовидной железе - 260%, лимфатической и кроветворной системам - 670%, кожи - 131%.

Однако заболеваемость детского населения возросла в 2 раза. Злокачественные новообразования  кроветворной системы у детей  в 1,5 раза выше средне областных показателей. Стабильно на высоких цифрах сохраняется  младенческая смертность /смертность от врожденных уродств - на втором, а в отдельных населенных пунктах - на первом месте среди причин смертности/.

Цитогенетическое  обследование населения, проводимые кандидатом биологических наук Корнеевым А.Г. совместно с Центром Молекулярной Медицины (г. Москва), выявило статистически  достоверное превышение обменных аберрации  хромосомного типа, при этом в группе у детей их частота в 2 раза выше, чем в группе взрослых. По частоте  и спектру генетических отклонений полученные данные сходны с аналогичными результатами Брянской области (зона ЧАЭС).

Основные радиоактивные  загрязнители в 1994 г. являются цезий-137, стронций-90, плутоний-239, 240 и др. Немаловажно  заметить, если период полураспада  стронция-137 составляет около 30 лет (т.е. период времени меньшей, чем прошло с момента взрыва до настоящего времени), то период полураспада изотопов плутония составляет в среднем около 24 тысяч  лет. Но и содержание цезия-137 сегодня  превышает предельно допустимые уровни (ПДУ), при этом надо помнить, что опасность для человека возникает  при попадании данных радионуклидов  во вдыхаемый воздух или через  пищу в организм индивида. Отсюда возникает  риск роста онкологических заболеваний органов дыхания (легких) и пищеварения (пищевод, желудок). Высоко содержание данных радиоактивных веществ в продуктах питания произведенных в населенных пунктах перечисленных выше территорий. Особо большие концентрации отмечаются в молоке, мясе, картофеле, зерне и столовой зелени.

Маленькое отступление: молоко производимое Сорочинской молочной фабрикой, как и другие продукты, содержат радионуклиды, но в пределах ПДУ. Их можно накопить в организме человека необходимое количество для получения дозы радиоактивного облучения.

Проведенный анализ генетических изменений у населения  эпицентральной зоны подтвердил воздействие  радиационного фактора. По сравнению  с Чернобыльской катастрофой  наша проблема является более долговременной, хотя по мере загрязнения окружающей среды не такой тяжелой. Основным загрязнителем при аварии на ЧАЭС был и йод-131 с периодом полураспада  до 8 суток. Содержание изотопов плутония, цезия и стронция в Брянской и др. областях значительно ниже, чем в Оренбуржье. Проблема Чернобыля хорошо известно в мире и пострадавшим серьезно помогает не только правительство РФ, но и ВОЗ, и другие страны. Проблема Тоцкого взрыва только начинает обращать на себя внимание. Вероятность того, что она будет серьезно рассматриваться очень мала, так как это экономически не выгодно правительству РФ.