Биологические действия радиоактивных излучений

В ходе серии экспериментов, проведённых в конце XIX начале ХХ века было обнаружено, что радиоактивное излучение имеет сложный состав, среди которого наиболее выделяются альфа-, бета- и гамма-излучения. Каждый из видов радиоактивного излучения отличается своими свойствами. Проникая в вещество, они взаимодействуют с электронными оболочками и ядрами атомов, возбуждая их либо вызывая ядерные реакции.

Часто одна радиоактивная частица в состоянии ионизировать несколько атомов, поэтому процесс распространения такого излучения через вещество сопровождается его сильной ионизацией. Вследствие этого ионизирующими называют такие излучения, взаимодействие которых с веществом приводит к ионизации его атомов и молекул.

Основу биологического действия ионизирующих излучений на живые ткани составляют сложные химические процессы, происходящие в клетках при поглощении излучений. Ионизация атомов и молекул вещества приводит к повреждению клеток и изменению структуры тканей. Часть атомов и молекул переходит в возбуждённое состояние и, возвращаясь в невозбуждённое состояние, отдаёт излишек энергии в виде ультрафиолетового излучения. Под его воздействием образуются новые молекулы, чуждые нормальной клетке, нарушается клеточное деление. В свою очередь это приводит к хромосомным перестройкам и возникновению мутаций, приводящих к изменениям в генах клетки. Таким образом, биологическое действие ионизирующих излучений сказывается не только на данном организме, но и на последующих поколениях.

Повреждения живого организма, вызванные действием ионизирующих излучений, называются лучевой болезнью. При большой интенсивности излучения живые организмы погибают. Опасность излучений усугубляется тем, что они не вызывают никаких болевых ощущений даже при смертельных дозах.

Человек может подвергнуться облучению двумя способами. Когда радиоактивные вещества находятся вне организма и облучают его снаружи, то говорят о внешнем облучении. Основную часть облучения, население земного шара получает от внешних естественных источников ионизирующих излучений: космических лучей, естественной радиоактивности горных пород и почвы.

В то же время радиоактивные изотопы могут попасть внутрь организма с пищей и водой, с вдыхаемым воздухом. Такой способ облучения называют внутренним.

Основными источниками внутреннего фонового облучения человеческого организма являются:

естественные изотопы углерода-14, которые содержатся во всех тканях человеческого организма;

естественные радиоактивные изотопы калия-40, содержащиеся в мягких тканях (в основном в мы́шцах);

долгоживущие изотопы радия-226 и его короткоживущие изотопы радия-224, откладывающиеся в костных тканях;

а также радон-222, торий-232 и их дочерние продукты распада, вдыхаемые с воздухом и откладывающиеся в дыхательных органах человека.

Кроме того, источники ионизирующих излучений избирательно концентрируются в отдельных органах. Так, например, радиоактивный йод «предпочитает» щитовидную железу, стронций — кости, а уран — почки.

Поэтому очень важно уметь определять результат действия ионизирующего излучения на вещество, мерой которого является доза. А занимается этим наука, названная дозиметрией. Под дозой мы будем понимать количество энергии, переданной организму ионизирующим излучением. Существуют различные виды доз в зависимости от вида излучения, вида органа или ткани, подвергшихся облучению. Однако универсальной мерой воздействия на вещество любого вида излучения является поглощённая доза.

Поглощённой дозой ионизирующего излучения называют энергию излучения, поглощённой облучаемым веществом и рассчитанной на единицу массы.

В СИ за единицу поглощённой дозы излучения принят грей (Гр) в честь английского физика Стивена Грея.

Поглощённая доза излучения равна 1 Гр, если веществом массой 1 кг поглощено ионизирующее излучение, энергия которого равна 1 Дж.

Иногда встречается устаревшая внесистемная единица рад (от английских слов «radiation absorbed dose»): 1 рад = 0,01 Гр.

Естественный фон радиации (космические лучи, радиоактивность земной коры и окружающей среды в целом) составляет дозу излучения около двух миллигрей (2 мГр) за год на человека. А доза излучения от трёх до десяти грэй (3—10 Гр), полученная за короткий промежуток времени, смертельна.

Поглощённая доза излучения имеет свойство накапливаться со временем: при одинаковых условиях она тем больше, чем больше время облучения. Поэтому в дозиметрии используют также понятие мощность дозы. Она равна отношению поглощённой дозы к промежутку времени, за который оно произошло:

Величина поглощённой дозы зависит от вида излучения, энергии его частиц, плотности их потока и от состава облучаемого вещества. Так, при одинаковой поглощённой дозе альфа-излучение гораздо опаснее бета- или гамма-лучей. Для учёта этого фактора вводится коэффициент относительной биологической активности (КОБА), или коэффициент качества.

Коэффициент качества показывает, во сколько раз радиационная опасность от воздействия на живой организм данного вида излучения больше, чем от воздействия гамма-излучения (при одинаковых поглощённых дозах).

В 1990 году Международная комиссия по радиологической защите при расчёте эквивалентной дозы рекомендовало вместо коэффициента качества применять взвешивающие коэффициенты излучения — безразмерные множители, на которые умножаются накопленные в органах и тканях эквивалентные дозы, чтобы оценить вклад облучения данного органа или ткани в общий вред здоровью.

Пересчитанную таким образом дозу называют эквивалентной дозой.

В СИ единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв). 1 Зв равен эквивалентной дозе, при которой доза поглощённого рентгеновского или гамма-излучения равна 1 Гр. Единица зиверт введена в честь шведского радиофизика Рольфа Зиверта, основоположника науки о защите от радиоактивного излучения.

При оценке воздействия ионизирующего излучения на живой организм учитывают и то, что одни части тела более чувствительны к облучению, чем другие. Иначе говоря, каждый орган и ткань организма имеют определённый взвешивающий тканевый коэффициент.

Интенсивность радиоактивного излучения оценивают также по его ионизирующей способности, поскольку физическое воздействие любого излучения на среду прежде всего связано с ионизацией атомов и молекул вещества. Данная характеристика называется экспозиционной дозой. В СИ она измеряется в кулонах на килограмм:

1 Кл/кг равен экспозиционной дозе излучения, при воздействии которого в сухом атмосферном воздухе массой 1 кг создаются ионы, суммарный электрический заряд которых каждого знака равен 1 Кл.

На практике продолжают также использовать внесистемную единицу экспозиционной дозы — рентген (Р):

1 Р = 2,58 · 10^–4 Кл/кг.

При дозе 1 Р в 1 см³ сухого воздуха при нормальных условиях образуется примерно 2,08 · 10⁹ пар ионов.

Заметим, что естественному облучению ионизирующим излучением подвергается любой житель Земли, а естественный радиационный фон, как мы упоминали ранее, составляет примерно 2 мЗв/год на человека. Половина этой дозы приходится на радон и продукты его распада. Человек подвергается также небольшим, как правило, облучениям от искусственных источников, в основном рентгеновского излучения при медицинских обследованиях. Также радиационный фон создаётся космическими лучами. Однако он даёт меньше половины внешнего облучения, получаемого населением от естественных источников радиации.

Для закрепления нового материала, решим с вами небольшую задачу. Средняя доза, поглощённая врачом, работающим с рентгеновской установкой 2 ч в день, равна 14 мкГр. Не заболеет ли врач, работающий 200 дней в году по 4 ч в день, если предельно допустимая доза равна 50 мГр в год?

В заключение отметим, что при работе с любым источником радиации необходимо принимать меры по радиационной защите всех людей, которые могут попасть в зону действия излучения. Самый простой и наиболее очевидный метод защиты — это держаться от источника излучения подальше, так как интенсивность излучения от объёмного источника убывает пропорционально расстоянию, а от точечного — пропорционально квадрату расстояния. Так же следует ограничить время пребывания в зоне воздействия ионизирующего излучения. В тех случаях, когда удаление от источника излучения на достаточно большое расстояние невозможно, для защиты от излучения используют преграды из поглощающих материалов и средства индивидуальной защиты, в основе которых присутствуют вещества, эффективно поглощающие ионизирующие излучения: свинец, бор или кадмий.