II. Ионизирующие излучения

Радиационное загрязнение окружающей природной среды

 

Конец XIX века ознаменовался тремя великими открытиями: рентгеновских лучей (В.К.Рентген, 1895), естественной радиоактивности урана (А. Беккерель, 1896), радиоактивных свойств полония и радия (Пьер и Мария Складовские Кюри, 1898). Тем самым было положено начало принципиально новому направлению в деятельности человечества — овладению энергией атома.

 

В книге Парацельса «Uber die Bergsucht und andere Bergkrankeiten», изданной в 1567 году, описано загадочное заболевание горняков, поз­же получившее название «Шнеебергская легочная болезнь». В сере­дине XIX века его идентифицировали как рак легких. Заболевание оказалось связанным с воздействием ионизирующих излучений ра­диоактивного газа радона и короткоживущих продуктов его распада, накапливающихся в воздухе плохо вентилируемых шахт.

1895 год - открытие немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном невидимых глазом лучей.

1896 год - французский ученый Анри Беккерель исследует уран, обнаруживая вызываемое им излучение.

1898 год - Мария Кюри-Складовская и ее муж Пьер Кюри откры­вают превращение урана в другие радиоактивные элементы (полоний и радий).

Уже к 1906 году накопилось достаточно данных для фундамен­тального научного обобщения, сделанного французскими учеными Жаном Бергонье и Луи Трибондо. Радиочувствительность клеток находится в прямой зависимости от уровня их пролиферативной активности и обратной - от степени их дифференцировки (правило Бергонье и Трибондо). Синонимом радиочувствительности является радиопоражаемость.

6 и 9 августа 1945 года - атомная бомбардировка Хиросимы и На­гасаки в Японии. В результате бомбардировки Хиросимы и Нагасаки общее число жертв достигло 200 тыс. человек, из которых более 130 тыс. составили санитарные потери. Среди них почти половина имела лучевые поражения (чаще комбинировавшиеся с ожоговой и/или ме­ханической травмами).

Первая в мире атомная электростанция была запущена в Совет­ском Союзе в июне 1954 года. В 1957 году спущен на воду первый в мире атомный ледокол «Ленин».

1986 год - Чернобыльская катастрофа, 2011 год - «Фукусима-1», Япония.

Уже в 1896 году появились первые сообщения о поражениях кожи у лиц, подвергавшихся частому рентгеновскому облучению, а в 1902 году был описан первый случай лучевого рака кожи.

Мария Кюри умерла, по всей видимости, от одного из злокаче­ственных заболеваний крови, поскольку слишком часто подвергалась воздействию радиоактивного излучения. На памятнике, воздвигнутом в 1936 году в Гамбурге Германским обществом рентгенологов, высечены имена 169 врачей и ученых, умерших к тому времени от радиационных поражений. Через 23 года этот список пришлось увеличить более чем вдвое.

Принято считать, что радиационная гигиена возникла в 40-х годах XX века. Однако уже в 1896 году Иван Рамазович Тарханов (Тархан- Моурави) описывал реакцию кожи лягушки на лучевое воздействие. Вопросы обеспечения радиационной безопасности (РБ) персонала и пациентов широко обсуждались на I Всероссийском съезде по борьбе с раковыми заболеваниями в 1914 году и I Международном конгрессе по рентгенорадиологии в 1925-м.

В 1928 году для разработки способов защиты от ионизирующих излучений (ИИ) и установления допустимых уровней облучения создана Международная комиссия по радиационной защите (МКРЗ)- Intemational Commission on Radiological Protection (ICRP), затем - научный комитет ООН по действию атомной радиации (НКДАР) (1955 г.), а в 1957 г. - Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ). В СССР впервые предельно допустимая доза была принята в 1934 году. Российская научная комиссия по радиационной защите (РНКРЗ) образована в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации № 91 от 16 февраля 1992 г.

I. Радиоактивность

С ростом в ядре числа одноименно заряженных протонов действующие кулоновские силы отталкивания значительно возрастают. С другой стороны, энергия связи между нуклонами (ядерные силы) с увеличением атомного номера (размера ядра), ростом числа нейтральных нейтронов уменьшается. У элементов с атомным номером более 82 (свинец) ядерные силы притяжения уже не способны обеспечить полную устойчивость ядер. К тому же в «тяжелых» ядрах все более увеличивается соотношение между количеством протонов и нейтронов в пользу последних (про­исходит как бы «разрыхление» ядра) и при превышении его в 1,6 раз стабильность ядер стремительно снижается. Неустойчивость нуклидов также повышается при недостатке нейтронов (при соотношении между нейтронами и протонами менее единицы). В связи с этим даже ядра атомов элементов, расположенных в начале и середине Периодической таблицы, могут становится неустойчивыми.

Таким образом, в зависимости от состава и энергетического состояния ядра нуклиды могут быть стабильными и нестабильными, иначе — радиоактивными. Ядра радиоактивных нуклидов (радионуклидов) неустойчивы, вследствие чего в них про­исходят сложные процессы - ядерные превращения, конечным результатом которых является образование стабильного нуклида той или иной разновидности. Совокупность таких ядерных превращений называется радиоактивным распадом, или ра­диоактивностью (самопроизвольное превращение ядер химических элементов (урана, тория, радия), сопровождающееся изменением их физических и химических свойств и испусканием радиоактивных излучений). Этот процесс самопроизвольного превращения ядер был открыт в 1896 г.

В Периодической системе Д.И. Менделеева ядра всех элементов с порядковым номером больше 82 радиоактивны.

Ра­диоактивность является исключительно свойством атомного ядра и зависит только от его внутреннего состояния. Нельзя повлиять на течение процесса радиоактивного распада, не изменив состояния атомного ядра. На скорость течения радиоактивных превращений не оказывают никакого воздействия изменения температуры и дав­ления, наличие электрического и магнитного полей, вид химичес­кого соединения данного радиоактивного элемента и его агрегатное состояние.

Радиоактивные явления, происходящие в природе, называют естественной радиоактивностью; аналогичные процессы, происходя­щие в искусственно полученных веществах (через соответствующие ядерные реакции) - искусственной радиоактивностью. Однако деление это условно, так как оба вида радиоактивности подчиняют­ся одним и тем же законам.

Радионуклиды по своему происхождению подразделяются на природные, или естественные - радий, торий, уран - (появившиеся на Земле при ее возникновении или образующиеся постоянно в ядерных реакциях под воздействием космического излучения), искусственные (образующиеся из стабильных нуклидов при работе ядерных устройств - реакторов, ускорителей либо в результате ядерных взрывов).

 

II. Ионизирующие излучения

Радиоактивный распад сопровождается излучением – выделением из ядер элементарных частиц и (или) γ-квантов, неизбежно взаимодействующих с атомами и молекулами среды, в которой находятся радионуклиды. Это взаимодействие воз­можно благодаря некоторому запасу энергии, с которым частицы и кванты вылетают из материнского ядра. Результаты этого взаимодействия различны, однако наиболее важным из них является эффект ионизации - образование ионов - положительно и отрицательно заряженных частиц. Излучение, производящее в среде эффект иони­зации, называется ионизирующим (в качестве сокращенной формы допускается ис­пользование термина «излучение»).

Ионизирующее излучение – любое излучение, за исключением видимого света и ультрафиолетового излучения, взаимодействие которого со средой приводит к ее ионизации, т.е. образованию зарядов обоих знаков (ультрафиолетовое излучение и видимый свет, способные при определенных условиях вызывать ионизацию среды (например, в газоразрядных лампах), не относят к ионизирующему).

По физическому состоянию различают два вида ионизирующего излучения: корпускулярное и фотонное.

Корпускулярное излучение представляет собой поток элементарных частиц, обладающих определенной энергией и массой покоя, отличной от нуля.

Частицы, имеющие электрический заряд (α-частицы, электроны, позитроны, протоны) и кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов среды, относятся к непосредственно ионизирующему излучению. Нейтральные элементарные частицы (нейтроны с разной энергией) из-за отсутствия электрического заряда сами по себе не вызывают ионизацию, однако в процессе взаимодействия их со средой происходит образование заряженных частиц, способных давать эффект ионизации. Поэтому нейтральные частицы относят к косвенно ионизирующим.

α-излучение – поток положительно заряженных частиц (ядер атомов гелия), движущихся со скоростью около 20000 км/с. α-частицы – это ядра атома гелия, несущие положительный заряд, по абсолютной величине, равный двум зарядам электрона. Масса α-частиц превышает массу электрона в 7300 раз. Обладая значительно большой массой и зарядом, α-частицы имеют незначительную проникающую способность. Пробег α-частиц в воздухе составляет в зависимости от энергии 2-10 см, в мягкой биологической ткани порядка 30 микрон (не способны проникать через наружный слой клеток, образованный эпидермальными клетками). α-частицы они могут быть полностью задержаны листом плотной бумаги, одеждой, слоем резины хирургических перчаток и эпидермисом кожи. Однако при попадании α-излучающих нуклидов внутрь организма (вместе с вдыхаемым воздухом, водой и продуктами питания) степень их опасности возрастает, так как они обладают большой ионизирующей способностью.

β-излучение возникает при радиоактивном распаде ядер или нестабильных частиц или при взаимодействии фотонов с веществом. Бета-частица (-β) -высокоэнергетический электрон (-1е). Поскольку масса электрона в несколько тысяч раз меньше массы альфа-частицы, скорость электрона будет значительно больше (так, если скорость α-частицы достигает 20 тыс. км/с, то скорость полета бета-частицы близка к скорости света и составляет 200-270 тыс. км/с). Чем меньше скорость частицы, тем больше вероятность ее взаимодействия с атомами среды, следовательно, больше потери энергии на единице длины пробега, а значит, и меньше пробег. Кроме того, заряд электрона по абсолютной величине вдвое меньше заряд альфа-частицы. Вследствие этого вероятность взаимодействия электрона с атомами среды в один и тот же момент времени и соответственно количество образуемых ионов на единице пробега будет меньше, чем у альфа-частицы. Таким образом, при равенстве энергии длина пробега электрона будет значительно больше, чем у альфа-частицы в одной и той же среде, а плотность ионизации существенно меньше. Так, например, пробег бета-частиц составляет в воздухе до 25 м, в мягкой биологической ткани – 2 см. Удельная же плотность ионизации, создаваемая β-частицами, примерно в 1000 раз меньше, чем для альфа-частиц той же энергии.

β-излучение опасно не только при внутреннем, но и при внешнем облучении человека. Необходимы защитные экраны из легкого материала (алюминий, стекло, пластмасса).

Фотонное ионизирующее излучение также является косвенно ионизирующим. Оно представляет собой поток элементарных частиц (квантов) с определенной длиной волны и энергией, распространяющихся прямолинейно и равномерно во все стороны от источника в вакууме с постоянной скоростью, близкой к скорости света (299792,8 км/с).

По условиям образования различают следующие виды фотонного ионизирующего излучения:

- γ-излучение с прерывистым (дискретным) энергетическим спектром, испускаемое при изменении энергетического состояния ядер в процессе радиоактивного распада, а также при аннигиляции частиц (позитрона и электрона). Испускание γ-квантов происходит в тех случаях, когда в дочернем ядре оказывается избыток энергии, не захваченный корпускулярным излучением. Этот избыток мгновенно высвечивается в виде γ-кванта. γ-излучение близко к рентгеновскому, но обладает значительно большей скоростью и энергией. Оно распространяется со скоростью света. Ионизирующая способность значительно меньше, чем α иβ-частиц. Обладает большой проникающей способностью, опасно при внешнем облучении;

- тормозное излучение с непрерывным энергетическим спектром, которое возникает при изменении скорости и кинетической энергии заряженных частиц, связанное с их торможением в электрическом поле ядра атома. Оно возникает в среде, окружающей источник β-излучения, в рентгеновских трубках;

- характеристическое излучение с дискретным энергетическим спектром, образующееся при изменении энергетического состояния атома в связи с перестройкой его внутренних электронных оболочек (перестройка внешних электронных оболочек атома сопровождается испусканием видимого света, инфракрасного или УФ-излучения, которые, как уже отмечалось, не относятся к ИИ;

- рентгеновское излучение – совокупность тормозного и характеристического излучения, генерируемого рентгеновскими аппаратами в диапазоне энергии квантов от 1 кэВ до 1 МэВ. Рентгеновское излучение представляет собой электромагнитые колебания с короткой длиной волны. Длина волны рентгеновского излучения измеряется в нанометрах (нм), т.е. в миллионных долях миллиметра. Диапазон излучения составляет от 0,01 до 0,05 нм (длина видимого глазом спектра – около 550 нм). Основные свойства рентгеновского излучения следующие:

1. обладает большой проникающей способностью, но малой ионизирующей (кванты ионизирующего излучения способны выбивать из электронной оболочки атома отрицательно заряженные электроны, в результате чего образуются положительно заряженные ионы), опасно при внешнем облучении;

2. способно вызывать флюоресценцию – свечение солей некоторых металлов (ими покрывают экран для просвечивания);

3. обладает фотохимическим действием – восстанавливает металлическое серебро из его солей (используют при получении рентгеновских снимков);

4. не воспринимается органами чувств человека;

5. имеет свойства, присущие обычному свету:

- распространяется прямолинейно во все стороны от источника излучения;

- частично поглощается при прохождении через тело человека; степень поглощения зависит от плотности ткани (больше всего поглощают излучение кости, меньше всего – воздух в легких); от толщины объета (чем больше толщина, тем больше поглощение);

- от длины волны рентгеновских лучей (мягкие лучи, с большей длиной волны поглощаются больше); от порядкового номера элемента поглотителя в таблице Менделеева (чем выше порядковый номер, тем больше поглощение).

- частично рассеиваются при прохождении через тело человека.

 

III. Радиационный фон

– ионизирующие излучения от источников космического и земного происхождения, а также искусственных радионуклидов, образующихся в результате хозяйственной деятельности человека. 3 компонента:

- естественный (природный). Обусловлен космическим излучением и естественными радионуклидами, содержащимися в земной коре, биосфере (в том числе в теле человека), воздухе. За счет ЕРФ человек может подвергаться внешнему и внутреннему облучению. Ведущую роль в формировании дозы внутреннего облучения от естественных источников радиации играет невидимый, не имеющий вкуса и запаха, тяжелый (в 7,5 раза тяжелее воздуха) инертный газ радон и, главным образом, дочерние продукты его распада (ДПР). Радон образуется при распаде естественных радионуклидов, содержащихся в земных породах, в минералах, грунтах и во всех типах почв, и рассеивается в атмосфере. Как ни парадоксально это может показаться на первый взгляд, но основную часть дозы облучения от радона человек получает, находясь не в условиях открытой атмосферы, а в закрытом, непроветриваемом помещении: в зонах с умерен­ным климатом концентрация радона в закрытых помещениях в среднем примерно в 8 раз выше, чем в наружном воздухе. Концентрация его в наружном воздухе незначительна (около 3-9 Бк/м³), а в воздухе поме­щений может быть намного выше (от единиц до ~100 тыс. Бк/м³, сред­няя величина ~40 Бк/м³). Другим источником радона, хотя и менее значимым, и особенно торона в помещениях, в частности, в многоэтажных зданиях, могут быть строительные материалы, из которых изготовлены стены и перекрытия. Наиболее в этом плане неблагоприятны: кальций-силикатный шлак, фосфогипс, глинозем, гранит, пемза, красный кирпич из красной глины (отходы производства алюминия). Таким образом, блоки, штукатурка, перегородки и цемент с фосфогипсом, бетоны с глиноземами или кальций-силикатным шлаком, особый красный кирпич, некото­рые шлаки и золы характеризуются повышенными выделе­нием радона и гамма-излучением от других радионуклидов. Меньше всего радия и тория содержится в дереве, природном гипсе, песке и гравии. Высокое содержание радона наблюдается в зданиях, если они стоят на грунте с большим содержанием радия. В этом случае радон поступает в помещение через щели и микротрещины в полу и перекрытиях. Содержание радона в воде зависит от источника водоснабжения и колеблется от 0 до 100 млн. Бк/м³. Обычно в воде радона мало, исключение может составлять вода из глубоких колодцев или скважин. При кипячении воды или приготовлении горячих блюд радон в значительной степени улетучивается. Но даже при поступлении с некипяченой водой радон очень быстро выводится из организма. Сырая вода с радоном, попавшая в организм не столь вредна и опасна, как радон, попадающий в легкие. При высоком содержании радона в воде он может в больших количествах поступать в легкие с вдыхаемыми водяными парами. Так, концентрация радона в ванной комнате при приеме горячей ванны оказывается примерно в 40 раз выше, чем в жилых помещениях. Исследования, проведенные в Канаде, показали, что все 7 минут, в течение которых был включен теплый душ, концентрация радона и его дочерних продуктов в ванной комнате быстро возросла, и прошло более полутора часов с момента отключения душа, прежде чем содержание радона вновь упало до исходного уровня. Еще одним источником радона является природный газ. В природный газ радон проникает под землей. В результате предварительной переработки и в процессе хранения газа перед поступлением его к потребителю большая часть радона улетучивается, но концентрация радона в помещении может заметно возрасти, если кухонные плиты, отопительные и другие нагревательные устройства, в которых сжигается газ, не снабжены вытяжкой. При наличии вытяжки, которая сообщается с наружным воздухом, пользование газом практически не влияет на концентрацию радона в помещении. Очень большую роль в создании повышенных концентраций радона имеет герметизация помещений с целью сбережения тепла, особенно в зимнее время. При дыхании в легкие за одну минуту попадают миллионы радиоактивных атомов радона, они избирательно накапливаются в некоторых органах и тканях, особенно в гипофизе и коре надпочечников, т.е. в двух важнейших железах внутренней секреции, определяющих гормональную активность организма и регулирующих деятельность вегетативной нервной системы. Радон также может концентрироваться в сердце, печени, и других жизненно важных органах. Радон хорошо растворяется в крови и лимфе, и поэтому содержание его в единице объема человеческого тела достигает примерно 50 % от содержания в окружающем воздухе. Растворяясь в крови и лимфе, радон и продукты его распада быстро разносятся по всему телу и приводят к внутреннему массированному облучению. Радон и торон являются мощными альфа-излучателями и приводят к повышенным лучевым нагрузкам на эпителий носоглотки, трахеи, бронхов, альвеол. По оценкам Международной комиссии по радиационной защите (МКРЗ), облучение за счет радона и дочерних продуктов его распада обусловливает 10-20 % общего количества заболеваний раком легкого у населения Земли.

- технологически измененный естественный радиационный фон (техногенно повышенный) – результат развития техники, промышленности, обусловлен перераспределением естественных радионуклидов в окружающей природной среде вследствие хозяйственной деятельности человека. Главными направлениями хозяйственной деятельности человека, способствую­щими увеличению радиационного фона, являются угольный топливный цикл, ис­пользование строительных материалов из отходов добычи руд и с добавкой угольной золы, добыча и производство минеральных удобрений (фосфатных, калийных), применение в хозяйстве термальных вод и ряд других. Основными загрязнителями окружающей среды и дозообразующими факторами при работе указанных отраслей хозяйства являются такие радионуклиды, как калий-40, радон-222, радий-226, свинец-210, полоний-210, радий-228, торий-232, уран-238 и другие.

- искусственный радиационный фон - загрязнения биосферы искусственными радионуклидами вследствие развития ядерных технологий (главным образом из-за испытаний ядерного оружия, эксплуатации предприятий и объектов ядерного топливного цикла (ЯТЦ), производства различных радиоизотопных приборов (РИП) промышленного назначения).