Теоретическая часть

Теоретическая часть. Что такое радиация В результате исследований учеными атома мы можем представить себе его строение.

Мы знаем, что атом похож на Солнечную систему в миниатюре, в которой вокруг крошечного ядра движутся по орбитам планеты электроны. Размеры ядра в сто тысяч раз меньше размеров самого атома, но плотность его очень велика, поскольку масса ядра почти равна массе всего атома. Ядро, как правило, состоит из более мелких частиц, которые плотно сцеплены друг с другом. Некоторые из этих частиц имеют положительный заряд и называются протонами. Число протонов в ядре и определяет, к какому химическому элементу относится данный атом ядро атома водорода содержит всего один протон, атом кислорода 8, урана 92. В каждом атоме число электронов в точности равно числу протонов в ядре каждый электрон несет отрицательный заряд, равный по величине заряду протона, так что в целом атом нейтрален.

В ядре, как правило, присутствуют и частицы другого типа, называемые нейтронами, поскольку они электрически нейтральны. Ядра атомов одного и того же элемента всегда содержат одно и то же число протонов, но число нейтронов в них может быть разным.

Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, относятся к разным разновидностям одного и того же химического элемента, называемым изотопами данного элемента. Чтобы отличить их друг от друга, к символу элемента приписывают число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа. Так, уран-238 содержит 92 протона и 146 нейтронов в уране-235 тоже 92 протона, но 143 нейтрона. Ядра всех изотопов химических элементов образуют группу нуклидов.

Некоторые нуклиды стабильны, т.е. при отсутствии внешнего воздействия никогда не претерпевают никаких превращений. Большинство же нуклидов нестабильны, они все время превращаются в другие нуклиды. В качестве примера возьмем хотя бы атом уран-238, в ядре которого протоны и нейтроны едва удерживаются вместе силами сцепления. Время от времени из него вырывается компактная группа из четырех частиц двух протонов и двух нейтронов a-частица.

Уран превращается, таким образом, в торий-234, в ядре которого содержится 90 протонов и 144 нейтрона. Но торий-234 тоже нестабилен. Его превращение происходит, однако не так, как в предыдущем случае один из его нейтронов превращается в протон, и торий-234 превращается в проактиний-234, в ядре которого содержатся 91 протон и 143 нейтрона. Эта метаморфоза, происшедшая в ядре, сказывается и на движущихся по своим орбитам электронах один из них становится неспаренным и вылетает из атома.

Протактиний очень нестабилен и ему требуется совсем немного времени на превращение. Далее следуют иные превращения, сопровождаемые излучениями, и вся эта цепочка в конце концов оканчивается стабильным нуклидом свинца. Разумеется, существует много таких цепочек самопроизвольных превращений распадов разных нуклидов по разным схемам превращений и их комбинациям. При каждом таком акте распада высвобождается энергия, которая и передается дальше в виде излучения. Можно сказать хотя это и не совсем строго, что испускание ядром частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов, это a-излучение испускание электрона, как в случае распада тория-234, это b-излучение.

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

Большинство приборов оперативного радиационного контроля построено на измерении экспозиционной дозы Х ионизации воздуха под воздействием излучения. Экспозиционная доза измеряется в рентгенах Р. Упрощенно, 1 рентген g-излучения производит в 1 см3 воздуха 2,08 109 пар ионов и, в то же время, 1 рентген соответствует дозе в 1 рад, поглощенной в биологической ткани 1 Р1 рад. При одинаковой поглощенной дозе воздействие разных видов излучения может сильно отличаться. Чтобы учесть этот факт, значение поглощенной дозы умножают на коэффициент, так называемый коэффициент качества излучения, отражающий способность излучения данного вида повреждать ткани организма.

По этому качеству a-излучение, например, в двадцать раз опаснее g-излучения. Пересчитанную таким образом дозу называют эквивалентной дозой. Ее измеряют в системе СИ в единицах, называемых зивертами Зв, 1 Зв 1 Джкг для Y -и b-излучения и 0,05 Джкг для a-излучений. Для измерения эквивалентной дозы используется также единица, называемая бэр с некоторой условностью расшифровывается как биологический эквивалент рентгена 1 0,01 Зв. Вид излученияЗначение коэффициента Qa20b1g1Для g-излучения коэффициент качества равен 1, поэтому 1 бэр1 Р1 рад 0,01 Зв. Следует учитывать также, что одни части тела органы, ткани более чувствительны к ИИИ, чем другие например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений.

Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с разными коэффициентами.

Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав по всем органам и тканям, получим эффективную эквивалентную дозу или эффективную дозу. Ткани и органыКоэффициентыГонады половые железы0,20Костный мозг красный0,12Толстый кишечник прямая, сигмовидная, нисходящая часть ободочной кишки0,12Легкие0,12Желудок0,12Мочевой пузырь0,05Грудная железа0,05Печень0,05Пищевод0,05Щитовидна я железа0,05Кожа0,01Клетки костных поверхностей0,01Остальное0,05 1.2. Взаимосвязь радиации и медицины В настоящее время основной вклад в дозу, получаемую человеком от техногенных источников радиации, вносят медицинские процедуры и методы лечения, связанные с применением радиоактивности.

Во многих странах этот источник ответствен практически за всю дозу, получаемую от техногенных источников радиации. Радиация используется в медицине как в диагностических целях, так и для лечения.

Одним из самых распространенных медицинских приборов является рентгеновский аппарат. Получают все более широкое распространение и новые сложные диагностические методы, опирающиеся на использование радиоизотопов. Как ни парадоксально, но одним из способов борьбы с раком является лучевая терапия. В принципе, облучение в медицине направлено на исцеление больного. Однако нередко дозы оказываются неоправданно высокими их можно было бы существенно уменьшить без снижения эффективности, причем польза от такого уменьшения была бы весьма существенна, поскольку дозы, получаемые от облучения в медицинских целях, составляют значительную часть суммарной дозы облучения от техногенных источников.

Воздействие ионизирующего излучения на живые клетки Заряженные частицы. Проникающие в ткани организма a- и b-частицы теряют энергию вследствие электрических взаимодействий с электронами тех атомов, близ которых они проходят. g-излучение и рентгеновские лучи передают свою энергию веществу несколькими способами, которые в конечном счете также приводят к электрическим взаимодействиям. Электрические взаимодействия.

За время порядка десяти триллионных секунды после того, как проникающее излучение достигнет соответствующего атома в ткани организма, от этого атома отрывается электрон. Последний заряжен отрицательно, поэтому остальная часть исходно нейтрального атома становится положительно заряженной. Этот процесс называется ионизацией.

Оторвавшийся электрон может далее ионизировать другие атомы. Физико-химические изменения. И свободный электрон, и ионизированный атом обычно не могут долго пребывать в таком состоянии и в течение следующих десяти миллиардных долей секунды участвуют в сложной цепи реакций, в результате которых образуются новые молекулы, включая и такие чрезвычайно реакционноспособные, как свободные радикалы. Химические изменения. В течение следующих миллионных долей секунды, образовавшиеся свободные радикалы реагируют как друг с другом, так и с другими молекулами и через цепочку реакций, еще не изученных до конца, могут вызвать химическую модификацию важных в биологическом отношении молекул, необходимых для нормального функционирования клетки. Биологические эффекты.

Биохимические изменения могут произойти как через несколько секунд, так и чрез десятилетия после облучения и явиться причиной немедленной гибели клеток или таких изменений в них, которые могут привести к раку. Разумеется, если доза облучения достаточно велика, облученный человек погибнет.

Во всяком случае, очень большие дозы облучения порядка 100 Гр вызывают настолько серьезное поражение центральной нервной системы, что смерть, как правило, наступает в течение нескольких часов или дней. При дозах облучения от 10 до 50 Гр при облучении всего тела поражение центральной нервной системы может оказаться не настолько серьезным, чтобы привести к летальному исходу, однако облученный человек, скорее всего, все равно умрет через одну-две недели от кровоизлияний в желудочно-кишечном тракте.

При еще меньших дозах может не произойти серьезных повреждений желудочного тракта или организм с ними справится, и тем не менее, смерть может наступить через один-два месяца, с момента облучения главным образом из-за разрушения клеток красного костного мозга главного компонента кроветворной системы организма от дозы 3-5 Гр при облучении всего тела умирает примерно половина всех облученных. Таким образом, в этом диапазоне доз облучения бoльшие дозы отличаются от меньших лишь тем, что смерть в первом случае наступает раньше, а во втором позже.

Глава 2. Методы дозиметрии 1. Биологические методы дозиметрии Основаны на изучении тех реакций, которые возникают в организме человека или животных при применении определенных доз лучистой энергии. Изучение реакции кожи на облучение на первых этапах развития рентгено-радиологии являлось единственным способом измерения количества ионизирующего излучения.

Эмпирическим путем была установлена такая доза рентгеновых лучей, после подведения которой на коже человека появлялось ярко выраженное покраснение. Этот биологический эффект был принят в качестве единицы измерения рентгеновских лучей, которая получила название эритемной дозы. Эритемной дозой называется то минимальное количество рентгеновских лучей, которое при условии минимального местного облучения вызывает на соответствующем участке кожи спустя 10-14 дней после облучения эритему с последующим выпадением волос.

Эритемная кожная доза примерно равна 500-800 г в зависимости от качества излучения. Существенный недостаток данного способа измерения дозы - большая ее изменчивость в зависимости от неодинаковой чувствительности различных субъектов к излучению а также от способа и физических условий облучения. Кроме того, величина дозы становится известной лишь по прошествии определенного, довольно длительного времени после облучения. Виду этого биологические методы измерения излучений, имевшие в свое время большое значение, теперь в связи с наличием более совершенных способов дозиметрии практически не применяются. 2. Фотохимические методы дозиметрии Ионизирующее излучение при воздействии на фотографическую эмульсию подобно лучам видимого света вызывают фотохимическую реакцию разложения бромистого серебра с выделением металлического серебра и свободного брома.

После проявления на пластинке в местах облучения выявляются участки почернения фотографической эмульсии.

Это действие излучения на фотографическую пластинку впервые послужило способом, с помощью которого была открыта естественная радиоактивность. Фотографический метод дозиметрии основан на том принципе, что плотность почернения фотографической эмульсии находится в прямой зависимости от величины дозы излучения, падающего на фотопластинку. 3. Физические ионизационные методы дозиметрии. В процессе ионизации вещества наступает изменение его электропроводности. Так, газы в обычных условиях практически не обладающие электропроводностью, в момент ионизации становятся хорошими проводниками электричества. Ионизационные методы дозиметрии основаны на том, что число образованных пар ионов в каком-либо определенном объеме вещества находится в прямой зависимости от количества поглощенного в нем излучения.

Другими словами, мерой количества ионизирующего излучения является ионизация, которая возникает в результате поглощения энергии излучения в веществе. В практике дозиметрии радиоактивных излучений применяются два типа приборов дозиметры для измерения дозы или мощности дозы, работающие на принципе определения суммарного эффекта ионизации в данном объеме, и счетчики радиоактивных излучений, позволяющие регистрировать действие отдельных частиц, или квантов. 4. Сцинтилляционные люминисцентные методы дозиметрии Сцинтилляционные или люминисцентные методы дозиметри ионизирующих излучений основаны на измерении интенсивности эффекта люминистенции, возникающей при облучении некоторых флуоресцирующих веществ.

Общеизвестным приемом использования этого эффекта для обнаружения излучений является рентгеноскопия, которая также основана на принципе свечения экрана под действием рентгеновых лучей.

В первые годы использования радиоактивности применяли прибор - спинтарископ, с помощью которого производили визуальный подсчет световых вспышек сцинтилляций, возникающих при бомбардировке альфа-частицами флуоресцирующих веществ. Сцинтилляционные методы оказались особенно эффективными в медицинских исследованиях, в которых требуется высокая точность определения дозы гамма-излучения.