Теоретическое введение. Тема: радиационное загрязнение

Тема: радиационное загрязнение

Практическое занятие

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.

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	τ1/2	Число
р^+	n
		↓ α	4,46·10^9 лет
		↓ β	24,1 сут
		↓ β	6,7 час
		↓ α	2,45·10^5 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

Вид излучения	k	Вид излучения	k
Электроны, позитроны		Нейтроны с энергией 0,1–10 МэВ
α-Излучение		Протоны с энергией < 10 МэВ
Рентгеновское излучение и g-излучение		Тяжелые ядра отдачи
Нейтроны с энергией < 20 МэВ		á-Излучение с энергией < 10 МэВ

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:

Дата добавления: 2015-07-02