Лекция № 9. 3. Радиоактивность. Типы радиоактивных превращений

Тема: Ионизирующие излучения (ИИ). Дозиметрия

План лекции:

1. Рентгеновское излучение (РИ)

2. Взаимодействие РИ с веществом. Применение РИ в медицине

3. Радиоактивность. Типы радиоактивных превращений

4. Дозиметрия ИИ.

5. Биофизические основы действия ИИ на организм.

Защита от ИИ

1. Ионизирующим излучением называют потоки частиц и электромагнитных волн, взаимодействие которых со средой приводит к ионизации ее атомов и молекул (рентгеновское, γ – излучение, потоки α-частиц, электронов, позитронов, протонов, нейтронов.

Рентгеновское излучение - это электромагнитные волны в диапазоне от 10ˉ⁵ нм до 80 нм.

8 ноября 1895 г. немецкий физик В. Рентген, как обычно, работал в своей лаборатории. Он изучал катодные лучи. Около полуночи он собирался уйти домой. Однако после того, как погас свет, он заметил в темноте какое-то светящееся пятно. Оказалось, что светился экран из синеродистого бария. Рентген забыл выключить катодную трубку. При выключении свечение исчезло, при повторном включении во­зобновилось. Однако трубка была закрыта черным чехлом из карто­на, а расстояние между трубкой и экраном было около 1 м.

Рентген начал изучать обнаруженное явление. Дни и ночи на­пролет в течение 50 суток, забыв семью, учеников, не заботясь о своем здоровье, Рентген изучает свойства Х-лучей. Оказалось, что они обладают большой проникающей способностью, а когда рука ученого оказалась на пути неизвестных лучей, он увидел на экране четкий силуэт ее костей. Он обнаруживает, что лучи засвечивают и фотопластинку.

28 декабря 1895 г. Рентген направляет свою статью «О новом роде лучей» председателю физико-медицинского общества универ­ситета, а 20 января 1896 г. американские врачи с помощью Х-лучей впервые увидели перелом руки человека. Над Европой и Америкой прокатился шквал газетных сообщений о сенсационном открытии профессора Вюрцбургского университета. Слава, триумф, почет, в 1901 г. вручение Нобелевской премии (Рентген стал первым в мире нобелевским лауреатом). Однако не это волнует ученого. Его ум занимает природа нового излучения. Проблема не поддается экспе­риментальному исследованию. Лишь спустя 16 лет(!), в 1912 г., в Мюнхенском университете М. Лауэ с помощниками открыл интер­ференцию и дифракцию рентгеновских лучей. Это была победа — волновые свойства новых лучей были доказаны!

Рентгеновская трубка - это стеклянная колба с двумя электродами — катодом и анодом (рис.1). Катод подключен к источнику низкого пере­менного напряжения (напряжение накала).

Рис.1

Рентгеновская трубка - это стеклянная колба с двумя электродами — катодом и анодом (рис.1). Катод подключен к источнику низкого пере­менного напряжения (напряжение накала). При протекании по спи­рали катода переменного электрического тока она нагревается и некоторые свободные электроны получают дополнительную энер­гию, достаточную для того, чтобы покинуть поверхность катода. Попадая в электрическое поле между катодом и анодом, электроны разгоняются до больших скоростей, а затем резко тормозятся, по­падая в поле ионов кристаллической решетки анода. Изменение траектории электрона означает появление у него ускорения, а как следует из электродинамики Максвелла, любой ускоренно движу­щийся заряд излучает энергию в виде электромагнитных волн. В данном случае это электромагнитные волны рентгеновского диапа­зона, получившего по понятным причинам название тормозного. Спектр этого излучения приведен на рис. 2 (а и б).

.

Рис.2 (а) Рис.2 (б)

Спектр непрерывный, но в нем обнаруживается коротковолно­вая граница λmin. Она обусловлена тем, что энергия излучающегося кванта рентгеновского излучения не может быть больше энергии, которую электрон приобрел в ускоряющем поле:

hν ≤ eU, (1)

где h - постоянная Планка; ν - частота рентгеновского кванта; е — заряд электрона; U - ускоряющее напряжение.

Для максимальной частоты из­лученного рентгеновского кванта получим:

ν max = eU/ h. (2)

Это соответствует случаю, когда энергия тормозящегося элект­рона (eU) полностью переходит в энергию рентгеновского кванта (hνmax). Обладая максимально возможной частотой, квант будет ха­рактеризоваться минимальной длиной волны:

λmin = c/ ν max = hc/ eU, (3)

где с - скорость света.

Очевидно, что величиной λmin можно управлять, увеличивая или уменьшая ускоряющее напряжение U: чем оно больше, тем меньше и тем жестче будет возникающее рентгеновское излучение. Пло­щадь под спектральной кривой при некотором фиксированном напряжении выражает полный поток Ф (или мощность) возникающего рентгеновского излучения. Он равен:

Ф = k I U² Z, (4)

где I - сила тока в трубке; U - анодное напряжение; Z - порядко­вый номер атома вещества, из которого сделан анод; k - коэффициент пропорциональности.

Иногда на фоне сплошного спектра тормозного излучения наблюдаются отдельные линии — это характеристическое рентгеновское излучение. Оно возникает в рентгеновской трубке, например, если бомбардирующий анод электрон обладает энергией, достаточной для того, чтобы «выбить» электрон с внутренней, глубинной орбитали атома вещества, из которого сделан анод. При этом на указанную орбиталь может перейти электрон с внешней орбитали (рис. 3).

Рис.3

Такой переход, естественно, будет сопровождаться появлением кванта электромагнитного излучения; его длина волны будет соот­ветствовать рентгеновскому диапазону. Поскольку уровни энергии атома дискретны, то и спектр характеристического рентгеновского излучения также будет диск­ретным (линейчатым) (рис. 4).

Рис.4

Поскольку каждый атом характеризуется собственным (индиви­дуальным) набором энергетических уровней, то и спектр характе­ристического рентгеновского излучения будет индивидуальным для атомов того или иного химического элемента.

2. Рассмотрим некоторые особенности взаимодействия РИ с веществом.

Если имеются рентгеновские кванты относительно небольшой энергии, недостаточной для ионизации атома вещества, то происходит лишь изменение направления распространения квантов без изменения частоты (когерентное рассеяние).

Если энергия рентгеновского кванта больше работы ионизации атома Аi, может возникнуть рентгеновский фотоэффект - поглощение рентгеновского кванта атомом, сопровождающееся «вырыванием» из атома какого- либо электрона. При этом выполняется соотношение:

hν = Аi + mv² /2 (5)

Последнее слагаемое есть кинетическая энергия вылетевшего электрона.

Если энергия рентгеновского кванта больше работы ионизации атома, может возникнуть и другой эффект, носящий название эффекта Комптона. Это взаимодействие квантов рентгеновского излучения (или γ-излучения) со слабо связанными с ядрами электронами внешних орбиталей или со свободными электронами. В дополнение к тому, что происходит при рентгеновском фотоэффекте, в данном процессе появляется вторичный рентгеновский квант с частотой, естественно, меньшей, чем у внешнего кванта, содействующего с атомом. Это видно из соотношения, выражающего закон сохранения энергии:

hν = Аi + mv² /2 + hν´, (6)

где hν´ — энергия этого вторичного фотона.

На рис.5 приведена схема возможных процессов, возникающих при попадании РИ в вещество.

Рис.5

Эти эффекты обусловливают ослабление интенсивности рентгеновского излучения в веществе. В простейшем случае закон ослаб­ления имеет вид:

, (7)

где I₀ - интенсивность рентгеновского излучения, падающего на вещество; Il — интенсивность рентгеновского излучения, прошед­шего в веществе слой длины l; μ — линейный коэффициент ослаб­ления рентгеновского излучения веществом.

На практике часто используется величина слоя половинного ослабления d0.5 - расстояния, после прохождения которого интен­сивность рентгеновского излучения уменьшается в 2 раза. Исполь­зуя закон ослабления, легко найти связь между толщиной слоя половинного ослабления d0.5 и линейным коэффициентом ослабления μ:

(8)

μ = ln 2 / d0.5 (9)

Коэффициент ослабления играет важную роль в диагностике заболеваний различных внутренних органов при помощи просвечивания тела рентгеновскими лучами (рентгенодиагностика). При этом важную роль играет зависимость линейного коэффициента ослабления от свойств тканей и вытекающее из него различное поглоще­ние рентгеновского излучения различными тканями и органами тела. В большинстве случаев этот коэффициент прямо пропорционален средней плотности ткани ρ, третьей степени длины волны рентге­новского излучения λ, и, что самое для нас важное, третьей степени порядкового номера атома вещества, составляющего ткань, — Z:

μ = Z³ ρ λ³ (10)

Наряду с линейным вводят понятие массового коэффициента ослабления:

μ m = μ/ ρ (11)

Если принять различие параметра Z для костных и мягких тка­ней равным 2 (Z_кост=2Z_мягк), то для соотношения массовых коэффи­циентов ослабления получим:

μ кост ≈ 2³ • μ _МЯГК (12)

Следовательно, кости значительно сильнее ослабляют рентгено­вское излучение, чем мягкие ткани, поэтому можно получить кон­трастную картину рентгеновского изображения: интенсивность рен­тгеновского излучения, прошедшего некоторый слой мягкой ткани (и падающего на фотопленку), будет гораздо большей, чем интен­сивность излучения, прошедшего такой же толщины слой костной ткани. На этом основаны рентгеноскопия (наблюдение органов и тканей в проходящем рентгеновском излучении с помощью флюо­ресцирующего экрана) и рентгенография (получение изображения внутренних органов, просвечиваемых рентгеновскими лучами, на фотопленке, покрытой чувствительной эмульсией). Вследствие сильного поглощения кости на негативном изображении будут очень светлыми, а мягкие ткани – более темными.

Рентгеновскую компьютерную томографию изобрели английские физики А. Кормак и Г. Хаунсфилд в 1979 г. и получили за это Нобелевскую премию. Рассмотрим две идеи, лежащие в основе метода.

Во-первых, авторы предложили получить изображения органов в тех или иных срезах (поперечных сечениях), а затем при необходимости из полученных срезов «собирать» объемное изображение объекта (рис. 6).

Рис.6

Во-вторых, авторы предложили получать изображение в срезах, просвечивая объект с разных сторон (рис.7), источник излучения вращается, его последовательные положения обозначены цифрами 1, 2, 3, 4.

Рис.7

Принципиальная техническая модель томографа представлена на рис.8: на нем изображены система неподвижных датчиков и вращающийся источник рентгеновского излучения, что позволяет просвечивать по нескольку раз одни и те же ткани и учитывать соответствующие коэффициенты ослабления малых квадратов, на которые разбита поверхность обследуемого среза, много раз.

Рис.8

Точки 1 и 2 – два последовательных положения источника РИ, соответствующие секторы просвечивания показаны стрелками. Прошедшее исследуемый объект излучение фиксируется неподвижными датчиками, расположенными по периметру окружности.

Просвечиваясь много раз под самыми разными углами, выделенная квадратом область среза объекта автоматически «записывает» свой коэффициент ослабления сразу в несколько уравнений. ЭВМ определяет его значение и раскрашивает с определенной яркостью. В таком рисованном при помощи ЭВМ изображении по результатам предварительных расчетов коэффициентов ослабления принципиально не может быть наложения изображений одних органов на другие (что имеется на обычном рентгеновском снимке) и есть возможность добиться более высокой, чем при обычной методике, контрастности. В этом отличие томограммы от обычного рентгеновского снимка.

3. Естественной радиоактивностью называют самопроизвольные вращения ядер одних элементов в ядра других с испусканием частиц или квантов электромагнитного излучения.

Радиоактивные свойства впервые обнаружил у урана французский физик А. Беккерель (1852-1908) в 1896 г.

Открытие радиоактивности произошло вслед за открытием рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи впервые были замечены при бомбардировке стеклянных стенок разрядной трубки катодными лучами. Наиболее эффектным результатом такой бомбардировки является интенсивное зеленое свечение стекла — люминесценции. Это обстоятельство навело на мысль, что рентгеновское излучение есть продукт люминесценции и сопровождает всякую люминесценцию, например возбужденную светом. Опытной проверкой этого предположения занялся Беккерель. Он возбуждал люминесцирующие вещества светом, а затем подносил их к обернутой в черную бумагу фотопластинке. Проникающие лучи должны были бы обна­ружиться по почернению фотопластинки после проявления. Из всех испытанных Беккерелем люминесцирующих веществ почерненение пластинки сквозь черную бумагу вызывала лишь соль урана. Одна­ко при этом оказалось, что образец, предварительно возбужденный сильным освещением, чернел так же, как и невозбужденный обра­зец. Отсюда следовало, что испускаемые урановой солью лучи не связаны с люминесценцией и независимы от внешних воздействий. Этот вывод подтвердился опытами с нелюминесцирующими соеди­нениями урана — все они испускали проникающие лучи.

Рассмотрим некоторые типы радиоактивных превращений. Преж­де чем записать соответствующие уравнения, отметим ту важную мысль, что радиоактивные излучения испускаются атомными ядрами радиоактивных элементов. Это очевидно в отношении α-частиц (ядер атома гелия), так как в электронной оболочке их нет. Ядерное происхождение β-частиц электронов или позитронов доказывается химическими опытами. Если β -частицы испускаются ядрами, то β -радиоактивность должна приводить к изменению химической природы атома. В самом деле, электрон уносит из ядра единицу отрицательного заряда, т.е. увеличивает положительный заряд ядра на единицу. Ядро будет удерживать вокруг себя уже не Z, а Z+1 электрон; радиоактивный атом превратится в атом следующего по порядку элемента периодической системы. Действительно, химические исследования обнаружили, что в веществах, испускающих β -частицы, накапливаются атомы элемента с порядковым номером, на единицу превышающим порядковый номер β - излучателя.

Испускание α -частиц также изменяет заряд ядра и потому также должно приводить к изменению химической природы радиоактивного атома. Это предсказание полностью подтверждается опытами.

Итак, испуская α- и β -частицы, атомы радиоактивного элемента изменяются, превращаясь в атомы нового элемента. Видимо, поэтому испускание радиоактивных излучений называют радиоактивным распадом.

Как же осуществляется в ядрах сильное взаимодействие нуклонов

(по современным представлениям протон и нейтрон являются двумя разными состояниями одной и той же частицы – нуклона). Протоны и нейтро­ны удерживаются в ядре в результате сильного взаимодейст­вия, существующего между этими частицами. Наличие та­кого взаимодействия было подтверждено в 1919 г. опытами Резерфорда. В этих опытах бомбардировке α -частицами под­вергались легкие ядра атомов (с малым Z) для уменьшения кулоновского отталкивания. При бомбардировке ядер атома водорода (протонов) α -частицы испытывали кулоновское от­талкивание от протона, находясь от него на расстоянии, пре­вышающем 3 фм (1 фм = 10ˉ¹⁵м). На меньших расстояниях пролета от протона наблюдалось притяжение α -частиц к про­тону, обусловленное сильным взаимодействием нуклонов друг с другом. Нейтрон начинает притягиваться к протону, находясь от него на расстоянии, меньшем 2 фм. На расстоянии, меньшем 0,4 фм, действуют мощные силы от­талкивания между ними.

Притяжение между протоном и нейтроном объясняется их постоянным обменом друг с другом виртуальной (экспе­риментально ненаблюдаемой при таком взаимодействии) частицей — π⁺-мезоном (рис. 9).

Рис.8

Подобный обмен условно можно продемонстрировать на следующем примере. Один из двух людей, стоящих друг на­против друга, с очень тяжелым шаром в руках, будучи не в состоянии удержать равновесие, наклоняется вперед. В этот момент второй человек, до этого лишь придерживавший шар, его подхватывает и ситуация вскоре зеркально повторяется.

Приведем уравнения радиоактивных распадов.

[Верхнее число А, сопровождающее химические символы ядер элементов, есть массовое число рассматриваемого изотопа, нижнее Z - электрический заряд ядра атома этого элемента (порядковый номер в таблице Менделеева).]

α - распад: так как α -частица Не⁴2 уносит положительный заряд в 2 единицы и массу в 4 единицы, то в результате α -распада радиоактивный элемент превращается в другой элемент, порядковый номер которого на 2 единицы меньше, а массовое число на 4 единицы меньше:

(13)

β ^{- _} распад: масса β -частицы ничтожно мала по сравнению с атомной единицей массы, поэтому испускание β -частицы не изменяет массовое число ядра. Следовательно, в результате β -распада радиоактивный элемент превращается в элемент с порядковым номером, на единицу большим, и с тем же массовым числом:

(14)

(- символ частицы, именуемый антинейтрино).

β⁺-распад: уравнение выглядит так:

(15)

(e⁰ - символ позитрона).

На первый взгляд кажется, что, помимо нейтронов и протонов ядра элементов должны содержать также позитроны и электроны, поскольку многие ядра (ядра радиоактивных изотопов) испускают эти частицы. Однако детальный анализ различных свойств ядер заставляет признать, что в них отсутствуют как позитроны, так и электроны.

Однако если позитроны и электроны в «готовом» виде в ядре не присутствуют, то, очевидно, в процессе распада ядра, сопровождающегося вылетом одной из этих частиц, они образуются заново в результате превращений внутри ядра. При этом при вылете позитрона (положительного заряда) один из протонов превращается в нейтрон, а при вылете электрона (отрицательного заряда), наоборот, один из нейтронов превращается в протон. Допущение об образовании электронов и позитронов при радиоактивном распаде тем более естественно, что образование этих частиц наблюдается и в других процессах.

Наконец, обсудим γ-излучение, при испускании которого ядро некоторого элемента переходит из возбужденного в невозбужденное состояние (рис. 9). Излучающийся при этом квант электромагнитного излучения высокой частоты и малой длины волны называется γ-квантом.

Рис.9

При взаимодействии радиоактивного излучения с веществом оно проявляет проникающую и ионизирующую способность. Ионизирующая способность численно равняется среднему числу пар ионов, образующихся при движении радиоактивной частицы в веществе на еди­нице длины пробега. Проникающая способность — это расстояние, которое проходит частица в веществе до того момента, когда ее энергия станет равной средней энергии теплового хаотического движения окружающих ее частиц вещества (для α - и β -излучений). Для γ -излучения проникающая способность оценивается расстоянием, после прохождения которого поток γ -излучения уменьшается в определенное число раз [иногда для оценки принимают расстояние, на котором первоначальная интенсивность уменьшается в е (е=2,71...) раз, иногда — то, на котором она уменьшается в 10 раз].

Закон радиоактивного распада описывает зависимость числа нераспавшихся ядер от времени. Согласно этому закону последнее уменьшается по сравнению с начальным моментом времени по экс­поненциальному закону, что описывается следующим уравнением:

, (16)

где N(t) — число нераспавшихся к моменту времени t ядер; N0 — начальное число нераспавшихся ядер; λ — постоянная распада.

Скорость изменения числа нераспавшихся ядер, взятая по абсолютной величине, называется активностью радиоактивного препарата.

Находя производную числа нераспавшихся ядер по времени, получим для зависимости активности от времени выражение:

, (17)

где А0 - активность радиоактивного препарата в начальный момент времени: Ао=λN₀. Очевидно, что со временем активность (как и число нераспавшихся ядер) уменьшается по экспоненциальному закону.

Единицей измерения активности является беккерель (Бк) (1 Бк соот­ветствует 1 распаду за секунду). Часто используется внесистемная единица: Кюри (Ки): 1 Ки = 3,7-10¹⁰ Бк.

При движении через вещество заряженные α - и β -частицы взаи­модействуют с электронными оболочками атомов, в результате про­исходит возбуждение или ионизация атомов. Длина пробега части­цы в среде зависит от ее заряда, начальной энергии и массы, а также от плотности среды, в которой происходит движение, причем длина пробега увеличивается с возрастанием начальной энергии частицы и с уменьшением плотности среды. При равных значениях начальной энергии она больше у тех частиц, у которых меньше масса, поскольку потери энергии на единице пути убывают с увеличением скорости движения частицы. Так, α -частицы, обладающие большой массой, при равных значениях начальной энергии движутся значительно медленнее β -частиц и растрачивают свою энергию в веществе на очень коротких расстояниях (например, при энергии 4 МэВ длина пробега у них в воздухе -2,5 см, а в воде или мягких тканях животных и человека - сотые доли миллиметра). Проникающая способность частиц обоих этих видов незначительна (правда, у β -частиц она несколько больше, чем у α -частиц), благодаря чему они обычно не представляют опасности при внешнем облучении (например, от потока β –частиц с максимальной энергией 2 МэВ полностью защищает слой алюминия толщиной 3,5 мм). Плотная одежда может поглотить значительную часть β -частиц и совсем не пропускает α -частицы. Однако при попадании внутрь человеческого организма с пищей, водой и воздухом при загрязнении поверхности тела α - и β -радиоактивные изотопы могут представлять серьезную опасность.

γ-кванты взаимодействуют с атомами вещества, передавая часть своей энергии электронам оболочки, что вызывает возбуждение и ионизацию атомов среды. Пути пробега γ -квантов в воздухе измеряются сотнями метров, в твердом веществе — десятками сантиметров и даже метрами. Проникающая способность γ -лучей уменьшается с увеличением плотности вещества.

4. В разделе «Дозиметрия» изучаются различные количественные показатели (характеристики) радиоактивного излучения и степени его воздействия на организм.

Первой такой характеристикой является доза энергии радиоак­тивного излучения, поглощенная единицей массы вещества за все время облучения (поглощенная доза):

(18)

Единицами измерения этой величины служат джоуль на кило­грамм, или грэй, и рад; 1 рад = 10^-2 Гр.

Непосредственное измерение поглощенной дозы весьма затрудни­тельно, поэтому, в частности, вводится еще одна характеристика -экспозиционная доза.

Экспозиционная доза (X) численно равна заряду ионов, образованных радиоактивным излучением в 1 кг сухого воздуха (вблизи поверхности поглощающего тела), и математически выражается формулой:

(19)

Единицами ее измерения являются кулон на килограмм (Кл/кг) и рентген (Р); 1Р=2,58 • 10^-4 Кл/кг. Эту величину измеряют дозиметром, а затем по результатам этих измерений вычисляют поглощен­ную дозу по формуле:

Dn = f X, (20)

где f — табличный коэффициент, зависящий от типа поглощающей радиоактивное излучение ткани (для мягких тканей он равен при­мерно единице). Формулу можно использовать лишь тогда, когда обе дозы измеряются во внесистемных единицах: радах и рентгенах.

Для характеристики биологического действия различных типов радиоактивного излучения введено понятие биологической (экви­валентной) дозы Н. Ее вычисляют по формуле:

Н = к • Д_погл , (21)

где к - коэффициент качества, определяемый типом радиоак­тивного излучения, для γ-излучения и рентгеновского излучения он равен единице, для потока нейтронов варьирует в пределах от 3 до 5 в зависимости от их энергии, для потока α -частиц — около 20 (рис.10). Системной единицей измерения биологической дозы являет­ся зиверт, внесистемной - биологический эквивалент рада (бэр). 1 бэр = 0,01 Зв.

Рис.10

Важна не только доза облучения, но и время, в течение которого объект подвергается облучению. Поэтому вводится понятие мощ­ности дозы. Это отношение дозы ко времени облучения.

В заключение приведем некоторые конкретные количественные характеристики: безопасная мощность дозы (так называемый ра­диоактивныйфон) составляет примерно 12—14 мкР/ч (микрорентген в час), при дозе 30—50 мкР/ч после достаточно длительного облучения организм начинает болезненно реагировать. Однократная доза около 500 Р смертельна.

В любом месте на поверхности Земли, под землей, в водоемах, в атмосфере и в космическом пространстве существует ионизирующее излучение, или естественный радиационный фон. Среднее значение эквивалентной дозы поглощенного излучения, обусловленной радиационным фоном, составляет около 2 мЗв в год.

Наиболее значительный вклад в естественный радиационный фон вносит радиоактивный радон и продукты его распада, попадающие в организм человека при дыхании. Образуясь в почве, инертный газ выходит в атмосферу. Его концентрация особенно велика в закрытых непроветриваемых помещениях. Процентный вклад различных источников ионизирующего излучения в естественный радиационный фон приведен на рис.11.

Гамма-излучение естественных радиоактивных изотопов земной коры (урана, тория, калия) составляет около 8% естественного фона. Такой же процент составляет космическое излучение – поток гамма-квантов и быстрых заряженных частиц, проникающих сквозь атмосферу к поверхности Земли. Пища, дыхание: углерод, калий, уран, радий, радон.

Наличие естественного радиационного фона – необходимое условие эволюции жизни на Земле. Обязательным условием эволюции является изменчивость как следствие мутации генов. Одним из факторов, вызывающих мутации, является естественный фон ионизирующей радиации. В отсутствии естественного радиационного фона, вероятно, не было бы и жизни на Земле в ее настоящем виде.

Рис.11

В медицине широко используются различные радиоактивные изо­топы; например изотоп йода вводят в организм затем, чтобы с помощью специальных датчиков β - и γ -излучения зарегистрировать места его скопления и зафиксировать (локализовать) ту или иную патологию (например, в щитовидной железе). Радиоактивные изо­топы используют также в онкотерапии для разрушения опухолей, злокачественных образований и т.п.

5. Физическое воздействие ионизирующей радиации не может быть непосредственной причиной лучевой болезни и смерти человека. Ос­новной механизм биологического воздействия радиации обусловлен химическими процессами, происходящими в клетках после их облу­чения.

Организм млекопитающего состоит примерно на 75% из воды. При дозе 6 Гр происходит ионизация примерно 10¹⁵ молекул воды в 1 см³ ткани. Эта цифра (миллион миллиардов!) представляется очень большой, но она означает, что ионизируется приблизительно 1 из 10 миллионов молекул воды, т.е. около 5 мг воды во всем организме человека. Если бы такое количество воды удалить из тела, то чело­век не получил бы никакого вреда (при одном выдохе из организма выводится большее количество воды). Однако ионизированные мо­лекулы воды не выводятся из тканей живого организма. Ионы воды нестабильны, каждый из них разлагается, затем ионы рекомбинируют с образованием нейтральной молеку­лы воды. Свободные радикалы ОН^- и Н⁺ представляют собой очень активные окислители. В результате реакций окисления они разруша­ют белки живых клеток, вызывают химическую модификацию моле­кул, необходимых для нормального функционирования клеток.

Процессы ионизации и химические взаимодействия продуктов ионизации происходят в клетке за миллионные доли секунды. Биохимические изменения в ней, обусловленные образованием новых, чуждых молекул, начинаются сразу после облучения, но не завершаются за короткое время. Одни следствия таких изменений проявляются уже через несколько секунд после облучения, другие могут привести к гибели клетки или ее раковому перерождению через десятилетия. Одним из первых следствий облучения становится нарушение самой сложной функции клетки — деления. В связи с этим в первую очередь нарушаются функции органов и тканей организма, в которых происходит деление, образование новых клеток.

Различают 3 основных вида последствий воздействия ионизирующей радиации на живой организм: острое поражение, отдаленные последствия и генетические последствия.

Острое поражение. Таким поражением называют повреждение живого организма, вызванное большими дозами радиации и прояв­ляющееся в течение нескольких часов или дней после облучения.

Первые признаки общего острого поражения организма взрослого человека обнаруживаются при дозе примерно с 0,5-1,0 Зв (50- 100 бэр). Эту эквивалентную дозу можно считать пороговой для общего острого поражения при однократном облучении. Когда человек получает такую дозу, у него начинаются нарушения в работе кроветворной системы. При эквивалентных дозах облучения всего тела 3-5 Зв (300—500 бэр) около 50% облученных умирают в течение 1-2 мес от лучевой болезни, причем главной причиной смерти становится поражение костного мозга, приводящее к резкому снижению количества лейкоцитов в крови. При дозах облучения 10 -50 Зв (100—5000 бэр) смерть наступает через 1—2 нед от кровоизлияний в желудочно-кишечном тракте в результате гибели клеток его слизистых оболочек. При дозе 100 Зв (10 000 бэр) человек умирает через несколько часов или дней вследствие повреждения центральной нервной системы.

При одинаковых дозах облучения биологические последствия их действия на взрослый и растущий организм существенно различаются. Объясняется это тем, что наиболее сложная функция живой клетки — функция размножения — раньше других наруша­ется под действием радиации. Делящиеся клетки гибнут или утра­чивают способность к делению при таких малых дозах облучения, при которых основные жизненные функции обычных клеток су­щественно не нарушаются.

Отдаленные последствия облучения. В опытах на животных и при наблюдении за здоровьем жертв атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки было установлено, что общее облучение живого организма может иметь не только близкие (лучевая болезнь), но и отдаленные последствия. Значительная часть повреждений клеток, вызванных радиацией, необратима, причем эти повреждения увеличивают вероятность возникновения различных заболеваний, в том числе раковых. От момента облучения до смерти от лейкоза проходит в среднем 10 лет.

Вероятность возникновения ракового заболевания растет про порционально дозе облучения. Эквивалентная доза облучения 1 Зв (100 бэр) в среднем приводит к 2 случаям лейкоза, 10 случаям рака щитовидной железы, 10 случаям рака молочной железы у женщин, 5 случаям рака легких на 1000 облученных. Раковые заболевания других органов под действием облучения возникают значительно реже.

На основании приведенных данных можно оценить вероятность ракового заболевания для взрослого человека, получившего эквивалентную дозу облучения 0,01 Зв (1 бэр); она составляет 2-10^-4—З-10^-4 .

Генетические последствия облучения. Облучение человека может принести вред и его потомкам.

Вся информация о строении организма будущего ребенка и программа его развития записаны в генах двух половых клеток родителей. Гены, представляющие собой молекулы или части молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), входят в сложные структуры, называемые хромосомами. В каждой из родительских клеток, в результате соединения которых зарождается новый организм, имеется по 46 хромосом, содержащих около 100 000 генов. Разрушение 1 молекулы ДНК или утрата какой-то ее части в половой клетке означают потерю части генов, несущих информацию о строение организма будущего человека. Изменение состава генов в клетке организма потомка по сравнению с составом генов в клетках роди­телей называется мутацией. Мутация приводит к тому, что потомок чем-то отличается от своих родителей.

Достоверных количественных данных о генетическом влиянии на человека различных доз облучения пока нет. Риск появления наследственных дефектов у детей при облучении их будущих роди­телей оценивается по результатам экспериментов на животных. Та­кие данные нельзя считать полностью верными в применении к человеку, но их можно принять в качестве оценочных. Согласно этим данным, хроническое облучение родителей с эквивалентной дозой 1 Зв (100 бэр) на поколение (за 30 лет) приведет к появлению 2 случаев серьезных генетических заболеваний на 1000 новорожденных. Если такой уровень облучения будет воздействовать постоянно на родителей на про­тяжении многих поколений, то число генетических жертв увеличится до 15 на 1000 новорожденных.

Эти числа можно сравнить с известными статистическими данными об общем числе детей, рождающихся с генетическими дефектами: такие дефекты имеют около 10% новорожденных, а 2% детей рождаются с серьезными генетическими нарушениями. Следовательно, если несколько поколений людей окажутся облученными эквивалентной дозой 1 Зв за 30 лет, это приведет к существенному уве­личению числа неполноценных детей и поставит человечество под угрозу генетического вырождения.

Работа с любыми источниками ионизирующих излучений тре­бует защиты персонала от их вредного действия. Это большая и специальная проблема, в значительной степени выходящая за пределы чисто физических вопросов. Рассмотрим кратко некото­рые аспекты этой проблемы.

Различают три вида защиты: защита временем, расстоя­нием и материалом.

Проиллюстрируем первые два вида защиты на модели точечно­го источника γ-излучения с помощью формулы:

Отсюда видно, что чем больше время и чем меньше расстояние, тем больше экспозиционная доза. Следовательно, необходимо на­ходиться под воздействием ионизирующего излучения минималь­ное время и на максимально возможном расстоянии от источника этого излучения.

Защита материалом основывается на различной способности веществ поглощать разные виды ионизирующего излучения.

Защита от α-излучения проста: достаточно листа бумаги или слоя воздуха толщиной в несколько сантиметров, чтобы полно­стью поглотить α -частицы. Однако, работая с радиоактивными источниками, следует остерегаться попадания α -частиц внутрь организма при дыхании или приеме пищи.

Для защиты от β-излучения достаточно пластин из алюминия, плексигласа или стекла толщиной в несколько сантиметров. При взаимодействии β -частиц с веществом может появиться тормоз­ное рентгеновское излучение, а от β⁺-частиц — β⁺-излучение, воз­никающее при аннигиляции этих частиц с электронами. Наибо­лее сложна защита от «нейтрального» излучения: рентгеновское и γ-излучения, нейтроны. Эти излучения с меньшей вероятностью взаимодействуют с частицами вещества и поэтому глубже прони­кают в вещество. Ослабление пучка рентгеновского и γ-излучений приближенно соответствует закону . Коэффициент ослабле­ния зависит от порядкового номера элемента вещества поглотите­ля и от энергии γ -фотонов. При расчете защиты учитывают эти зависимости, рассеяние фотонов, а также вторичные процессы. Защита от нейтронов наиболее сложна. Быстрые нейтроны сначала замедляют, уменьшая их скорость в водородсодержащих веществах. Затем другими веще­ствами, например кадмием, поглощают медленные нейтроны.

Дата добавления: 2014-01-03