Теоретическое введение. Практическое занятие

Практическое занятие

Тема: радиационное загрязнение

Цель занятия: рассмотреть основные источники, сущность и последствия загрязнений ионизирующими излучениями

Значимость темы: для сохранения жизни на планете очень важно представлять специфику действия ионизирующего излучения на биологические объекты. Никакой другой вид энергии (тепловой, электрический и иной), поглощенной биологическим объектом в том же количестве, не приводит к таким изменениям, какие вызывает ионизирующее излучение. В связи с этим, является весьма важным положение о радиационной безопасности, которая представляет собой комплекс научно обоснованных мероприятий по обеспечению защиты от воздействия ионизирующего излучения.

Теоретическое введение

В природе и технологии круг методов, вызывающих активацию молекул и их последующие химические превращения или взаимодействия достаточно широк. Наиболее весомый вклад вносят радиационио - химические, плазмо - химические и лазеро - химические реакции.
Радиационно - химические реакции протекают под воздействием на вещества ионизирующих излучений: g - лучей, a - частиц, b - частиц, нейтронов, быстрых электронов и ядер, осколков деления ядер. Энергия таких частиц на несколько порядков выше, чем энергия фотонов. При радиационно-химических реакциях в газовой фазе образуются такие же виды частиц, как и при фотохимических реакциях, а именно, возбужденные короткоживущие молекулы и ионы. В конденсированных средах ионизирующие излучения вызывают образование относительно долгоживущих свободных радикалов, ион - радикалов и различных стабильных продуктов. Так, в воде при облучении образуются радикалы ОН^·, молекулярные продукты H₂ и H₂O₂, ионы H₃O⁺ и гидратированные электроны. Образование последних связано с захватом электронов средой в результате поляризации окружающих их молекул. Время жизни гидратированных электронов - тысячные доли секунды. Такие электроны проявляют сильную восстанавливающую способность. Под действием ионизирующих излучений в неводных средах образуются сольватированные электроны.
Радиационно-химические реакции характеризуются радиационно - химическим выходом G, который показывает число молекул, испытывающих превращение или образовавшихся вновь на 100 эВ поглощенной энергии излучения. Величина G является основным кинетическим параметром реакции данного типа. Для нецепных реакций в газовой фазе радиационно-химический выход обычно не превышает несколько единиц. Радиационно-химический выход гидратированного электрона равен 2, 7-2, 9.
Ионизирующие излучения высоких энергий вызывают дефекты в структуре твердых тел. Под действием ионизирующих излучений происходит разложение твердых неорганических веществ со слабыми химическими связями. Так, нитраты щелочных металлов переходят в нитриты, выделяя кислород. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществами приводит к образованию в них радикалов, положительных и отрицательных ионов. Образовавшиеся активные частицы вызывают в производстве процессы полимеризации органических веществ.

Особого внимания заслуживает вопрос о действии радиации на живые организмы и окружающую среду. Радиация смертельно опасна. При больших дозах она вызывает серьёзнейшие поражения тканей, а при малых может вызвать рак и индуцировать генетические дефекты, которые, возможно, проявятся у детей, внуков человека, подвергшегося облучению или более отдалённых потомков. Однако для основной массы населения самыми опасными источниками радиации являются естественные источники. Радиация, связанная с развитием атомной энергетики, составляет лишь малую часть радиации, порождаемой деятельностью человека. Значительную часть человек получает от применения рентгеновских лучей в медицине. Такие формы повседневной деятельности, как сжигание угля и использование воздушного транспорта, в особенности, пребывание в хорошо герметизированных помещениях, могут привести к значительному увеличению уровня облучения за счёт естественной радиации.

Радиоактивность и сопутствующее ей ионизирующее излучение существовали на Земле задолго до зарождения на ней жизни и присутствовали в Космосе до возникновения самой Земли. С момента Большого взрыва радиация наполняет космическое пространство. Радиоактивные материалы вошли в состав Земли с самого её рождения. Даже человек слегка радиоактивен, так как во всякой живой ткани присутствуют в следовых количествах радиоактивные вещества. Основную часть облучения население Земли получает таким образом, что избежать его невозможно (рис.1).

Рис.1 Факторы радиоактивного загрязнения

А – естественные факторы; Б – антропогенные факторы (см. прил.)

На протяжении всей истории существования Земли разные виды излучения падают на поверхность Земли из Космоса и поступают от радиоактивных веществ, находящихся в земной коре. Человек подвергается облучению двумя способами – внешним, когда облучению подвергаются снаружи, и внутренним, когда радиоактивные вещества могут оказаться в воздухе, которым дышит человек, в пище или воде и попадают внутрь организма.

Земные источники радиации в сумме ответственны за большую часть излучения (5/6 эквивалентной дозы), которому подвергается человек за счёт естественной радиации, в основном, вследствие внутреннего облучения. Остальную часть вносят космические лучи, главным образом путём внешнего облучения.

Земная радиация. Самые долгоживущие природные радиоактивные изотопы — ²³²Th и ²³⁸U, а также ²³⁵U (периоды полураспада T _1/2 этих радиоактивных изотопов равны (1, 4 ⋅ 10¹⁰), (4, 5 ⋅ 10⁹) и (7 ⋅ 10⁸) лет, соответственно). Эти радионуклиды являются родоначальниками трех радиоактивных рядов: ряда тория (²³²Th), ряда урана (²³⁸U) и ряда актиния (²³⁵U). В результате радиоактивного распада этих радионуклидов образуется ряд короткоживущих радиоактивных изотопов различных химических элементов. Некоторые из них в тех или иных количествах содержатся в животных и растительных организмах. К таким радионуклидам относятся, например, ²¹⁰Ро, ²¹⁰Pb, ²²⁶Ra, ²³⁰Th, периоды полураспада которых составляют 138, 4 дня, 22 года, 1600 лет и 8 ⋅ 10⁴ лет, соответственно. Несмотря на сравнительно небольшое время жизни, эти изотопы относятся к природным, т. к. они могут быть получены из урановых и ториевых минералов, откуда попадают в почву, воду и далее — в животные и растительные организмы. В природе существуют также радиоактивные изотопы ⁴⁰K с периодом полураспада T _1/2 = 1, 26 ⋅ 10¹⁰ лет и рубидия ⁸⁷Rb с T _1/2 = 5 ⋅ 10¹⁰ лет. Что касается чрезвычайно важного с точки зрения биологии радионуклида ¹⁴С с периодом полураспада T _1/2 = 5 730 лет, то его образование связывают с протеканием реакций под воздействием космического излучения в верхних слоях атмосферы. Нейтроны, образовавшиеся при взаимодействии космических лучей с молекулами газов земной атмосферы, взаимодействуют с молекулами азота, в результате чего ежегодно образуется ~ 3, 4 ⋅ 10²⁶ ядер изотопа углерода ¹⁴С:

Таким образом, современную природную радиоактивность Земли определяют в основном радионуклиды ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th и ⁴⁰K, радиоактивный распад которых сопровождается α - и β -излучением.

Излучение называют ионизирующим, если, проходя через среду, оно вызывает ее ионизацию. Помимо ионизации, излучения могут вызывать возбуждение молекул среды. По своей природе ионизирующее излучение бывает фотонное и корпускулярное.

Фотонное излучение представляет собой электромагнитное ионизирующее излучение. Оно включает в себя α -излучение и рентгеновское излучение. Электромагнитное излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер или при аннигиляции частиц (например, электрона и позитрона), называется β - излучением. Рентгеновское излучение — это электромагнитное излучение — тормозное или характеристическое. Под тормозным понимают фотонное излучение с непрерывным энергетическим спектром, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц. Характеристическим называют фотонное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома.

Корпускулярное излучение — это ионизирующее излучение, состоящее из частиц с массой, отличной от нуля. Корпускулярное излучение бывает следующих видов: β -излучение, состоящее из электронов е^– или позитронов е⁺; протонное излучение, состоящее из протонов Н⁺; нейтронное излучение, состоящее из нейтронов; дейтронное, состоящее из ядер изотопа водорода — дейтерия D⁺; α - излучение, состоящее из α - частиц, имеющих строение, аналогичное строению ядра атома гелия, т. е. состоящих из двух протонов и двух нейтронов — He²⁺; потоки многозарядных ионов; продукты ядерных реакций деления.

Ионизирующее излучение делят также на первичное и вторичное. Первичным называется ионизирующее излучение, которое в рассматриваемом процессе взаимодействия со средой принимается исходным. Под вторичным ионизирующим излучением понимают ионизирующее излучение, возникающее в результате взаимодействия первичного излучения со средой.

По способу воздействия на вещество излучения подразделяются на непосредственно ионизирующее и косвенно ионизирующее. Непосредственно ионизирующим излучением называется ионизирующее излучение, представляющее собой поток заряженных частиц, имеющих кинетическую энергию, достаточную для ионизации при столкновении. Косвенно ионизирующее излучение — это поток фотонов или незаряженных частиц, которые могут создавать непосредственно ионизирующее излучение или вызывать ядерные превращения.

Излучение называют моноэнергетическим, если оно состоит из фотонов одинаковой энергии или частиц одного вида с равной кинетической энергией. Излучение называют немоноэнергетическим, когда оно состоит из фотонов разной энергии или одинаковых частиц с разной кинетической энергией. Энергетический спектр немоноэнергетического излучения может быть либо дискретным (состоящим из отдельных линий), либо непрерывным.

Итак, при взаимодействии жёсткого излучения и высокоэнергетических частиц с веществом происходит процесс ионизации. Энергия частиц, способных ионизировать среду, определяется кинетической энергией, а для фотонов рентгеновского и g - излучений – соотношением hn (h – постоянная Планка; n - частота излучения). Энергия ионизирующих частиц обычно выражается в электрон – вольтах (эВ; 1 эВ = 1, 6× 10^-19 Дж = 1, 6× 10^-12 эрг).

Радиационное загрязнение биосферы обусловлено наличием неустойчивых атомов радиоактивных элементов, подвергающихся радиоактивному распаду, скорость которого не зависит от внешних условий и подчиняется кинетическому уравнению 1-го порядка:

,

где N₀ – начальное число радиоактивных ядер;

N – число ядер, не испытавших радиоактивного распада ко времени τ;

е – основание натурального логарифма (2, 71);

λ – постоянная радиоактивного распада.

Обычно процесс характеризуют периодом полураспада τ _1/2 – временем, за которое число радиоактивных ядер уменьшается в два раза от начального количества. Период полураспада связан с постоянной радиоактивного распада соотношением: τ _1/2 = ln 2/ λ = 0, 693/λ.

Преобразованная формула имеет вид: .

Число ядер (N) в радиоактивном изотопе вычисляют по формуле: N=N_А ·т/М,

где N_А – постоянная Авогадро, равная 6, 022·10²³ моль^-1;

т – масса изотопа, г; М – молярная масса изотопа, г/ моль.

Активность изотопа (А – число распадов в секунду) зависит от постоянной радиоактивного распада (λ) и начального количества ядер (N₀) в начальный момент времени:

А = λ ·N₀, во времени изменяется по экспоненциальному закону: , а преобразованная имеет вид: .

Радиоактивный распад сопровождается α -, β -, γ - излучениями, опасными (в разной степени) для живых организмов, поскольку вызывают ионизацию атомов и молекул, разрушение химических связей и дальнейшее неконтролируемое образование новых связей между фрагментами молекул.

Альфа-распад сопровождается испусканием ядром частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов, образованием ядра-продукта с атомным номером, меньшим на две единицы, чем начальный изотоп (испусканием α -частицы – ядра атома гелия (⁴₂Не)).

Альфа-распад, инициированный α -частицей, сопровождается образованием протона – ядра атома водорода (¹₁Н, p) и изотопа элемента, имеющего порядковый номер на единицу больший, чем начальный изотоп.

Бета – распад электронный – самопроизвольное превращение атомного ядра путём испускания электрона (е^-), при этом, нейтрон превращается в протон, испуская антинейтрино. Продуктом β -распадаявляется изотоп элемента, имеющий порядковый номер на единицу больше, чем исходный изотоп.

Бета – распад позитронный – самопроизвольное превращение атомного ядра изотопа путём испускания позитрона (е⁺), при этом, протон превращается в нейтрон. Продуктом позитронного β -распадаявляется изотоп элемента, имеющий порядковый номер на единицу меньший, чем исходный изотоп.

Часто нестабильный нуклид оказывается настолько возбуждённым, что испускание частицы не приводит к полному снятию возбуждения и тогда он выбрасывает порцию чистой энергии, называемую гамма – излучением (g - квантом). Как и в случае рентгеновских лучей (во многом подобных гамма - излучению), при этом не происходит испускания каких – либо частиц.

Разные виды излучений сопровождаются высвобождением разного количества энергии и обладают разной проникающей способностью и разным воздействием на живые организмы.

Поток ионизирующих частиц (Ф) определяется отношением числа частиц, проходящих через данную поверхность (S) в единицу времени:

Ф = dN/dt.

Плотность потока определяется отношением dФ/dS, а поток энергии ионизирующих частиц – величиной Ф_Е = dЕ/dt. Данная величина определяется отношением суммарной энергии SdЕ всех частиц, перемещающихся в данном направлении за определённый промежуток времени dt.

Альфа – излучение представляет собой поток тяжёлых частиц, состоящих из нейтронов и протонов, задерживается листом бумаги и, практически, не способно проникнуть через наружный слой кожи, образованный отмершими клетками. Поэтому оно не представляет опасности до тех пор, пока радиоактивные вещества, испускающие α – частицы не попадут внутрь организма через открытую рану, с пищей или вдыхаемым воздухом.

Бета – излучение обладает большей проникающей способностью: оно проходит в ткани организма на глубину 1 – 2 см.

Проникающая способность гамма – излучения, распространяющегося со скоростью света, очень велика: его может задержать лишь толстая свинцовая или бетонная плита. В табл. 1 приведён пример радиоактивного распада

Таблица 1

Семейство продуктов радиоактивного распада урана

№	Нуклид	Распад	τ 1/2	Число
р+	n
		↓ α	4, 46·109 лет
		↓ β	24, 1 сут
		↓ β	6, 7 час
		↓ α	2, 45·105 лет
		↓ α	75400 лет
		↓ α	1600 лет
		↓ α	91 ч 41 мин
		↓ α	3, 11 мин
		↓ β	26, 8 мин
		↓ β	19, 7 мин
		↓ α	1, 64·10-4 с
		↓ β	22, 3 года
		↓ β	5, 01 сут
		↓ α	138, 4 сут
		устойчив

Количество переданной организму энергией называют дозой. Oсновной дозиметрической величиной, используемой при количественной оценках воздействия ионизирующего излучения на человека является поглощённая доза D_n:

D_n = dE/dm.

Поглощённой дозой называется количество энергии излучения, поглощённое единицей массы облучаемого тела; измеряется в СИ в грэях (Гр, Gy), равном одному джоулю, поглощённому килограммом вещества.

Отношение приращения поглощённой дозы к интервалу времени, за который оно произошло, называется мощностью (Р) поглощённой дозы:

Р = dD/dt.

Значение Р принято выражать в грей в секунду – Гр/с; грей в час – Гр/час и т.д. если закон изменения мощности дозы во времени известен, то доза за время t может быть найдена с помощью формулы:

.

Соотношение между вероятностью возникновения радиационного эффекта и дозой принято называть доза – эффект. Для стохастических эффектов эта зависимость в ограниченном интервале доз может быть аппроксимирована линейной зависимостью и может считаться показателем вероятности последующих стохастических эффектов. Для детерминированных – соматических – эффектов зависимость доза – эффект нелинейна.

Эти величины не учитывают того, что при одинаковой поглощённой дозе альфа – излучения гораздо опасней (» в 20 раз) бета- и гамма – излучений. Пересчитанную таким образом дозу называют эквивалентной дозой, измеряемой в СИ в зивертах (Зв, Su).

При определении эквивалентной дозы ионизирующего излучения используют значения коэффициента качества ионизирующего излучения, представленные в табл. 2.

Таблица 2.

Значения коэффициентов качества k в зависимости от вида излучения

Таким образом, биологическое воздействие ионизирующего излучения зависит не только от поглощённой дозы излучения, но и от глубины проникновения в живой организм. Если радиационное поле представлено различными по виду и энергии излучениями с различными весовыми множителями, то для оценки опасности облучения человека используется эквивалентная доза, равная сумме произведений поглощённых доз излучений на соответствующие им весовые множители:

H_T = SW_RD_{T, R},

где D_{T, R} - поглощённая доза, усреднённая по Т-й ткани или органу и образованная R-м излучением; W_R – весовой множитель.

Соотношение между эквивалентной дозой и вероятностью стохастических эффектов, зависящее от особенностей органа и тканей, подвергнувшихся воздействию ионизирующего излучения, оценивают с помощью ещё одного взвешивающего коэффициента, так называемого тканевого весового множителя W_Т (индекс Т относится к соответствующей ткани или органу и опрежделяет относительный вклад данного органа или ткани в полный ущерб, вызванный стохастическими эффектами пери тотальном, равномерном облучении всего тела).

Значения коэффициента W тизменяются от 0, 03 (щитовидная железа) до 1 (все тело).

Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав по всем органам и тканям, получают эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения для организма; она также измеряется в зивертах (табл. 2):

Использование понятия эффективной дозы позволяет учесть относительный риск облучения различных органов.

Просуммировав индивидуальные эффективные эквивалентные дозы, полученные группой людей, приходят к коллективной эффективной эквивалентной дозе, которая измеряется в человеко – зивертах (чел-Зв). И, наконец, коллективную эффективную эквивалентную дозу, которую получат многие поколения людей от какого – либо радиоактивного источника за всё время его дальнейшего существования называют ожидаемой (полной) коллективнойэффективной эквивалентной дозой. В интегральной форме коллективная мощность дозы Р_s, зависящая от времени выражается формулой:

.

Если зависимость мощности дозы от времени в интервале t₁ - t₂ известна, то коллективную дозу можно найти, проинтегрировав величину Р_s (t):

Действие конкретного источника за весь период его существования характеризует парциальная (коллективная) доза:

,

где Р_{s, k} (t) – парциальная коллективная мощность дозы в момент t.

При наличии нескольких источников общая коллективная доза равна сумме парциальных доз. Накопление парциальной дозы происходит за всё время действия источника, поэтому изучение её временного поведения позволяет прогнозировать дальнейшее развитие радиационных условий, связанных с излучением этого источника.

Если коллективная доза определяется на основании информации о распределении облучаемых людей по индивидуальным дозам, полученным от какого – либо источника, то можно представить величину D_s с учётом для всех лиц (N) значений доз от 0 до D_max в форме:

.

Упрощённый вариант этой формулы в дискретной форме, широко используемый на практике, имеет вид:

где D_i - среднее значение индивидуальной дозы для i – го дозового интервала; N (D_i) – число людей, получивших дозу, приходящуюся на i – й интервал; n – полное число интервалов, на которые приходятся все значения индивидуальных доз (табл.3).

Таблица 3.

Единицы СИ и внесистемные единицы измерения радиоактивности

Экспозиционная доза характеризует меру ионизационного действия рентгеновского и g - излучения. Она определяется по степени ионизации воздуха при электронном равновесии – условии равенства между энергией излучения, поглощённой в некотором объёме вещества и суммарной кинетической энергией вторичных частиц - электронов и позитронов, образованных в том же объёме вещества под действием первичного излучения. Для определения экспозиционной дозы измеряется общий электрический заряд, возникающий в воздухе во время облучения.

Если при облучении в объёме воздуха V образуется N пар ионов (равное числу ионов одного знака), тогда

где W – средняя энергия, затрачиваемая на образование одной пары ионов в воздухе, равная 34 эВ; m_V - масса объёма воздуха V. Единицей экспозиционной дозы в СИ является один кулон на килограмм (Кл/кг). Внесистемной единицей - служит рентген (R)/ Один рентген – доза, при которой 1 см³ воздуха при температуре 0 ^оС и давлении 760 мм рт.ст. образуется 2, 08× 10⁹ пар ионов. 1 R = 2, 56× 10^-4 Кл/кг = 88 эрг/г» 1 рад. Эта внесистемная единица и её доли (миллирентген – mR, равный 10-3 R; микрорентген – мкR, 10-6 R и др.) широко используются на практике. За основной процесс при радиоактивности принят один распад, сопровождающийся испусканием α - или β – частиц, нейтронов и g - излучения. Если в 1 с происходит 1 распад, подобную интенсивность (активность) распада принято оценивать в 1 беккерель (Бк). Внесисистемные единицы связаны соотношениями: 10⁶ Бк = 1 Рд (резерфорд); 3, 7× 10¹⁰ Бк = 1 Ки (кюри).