Ионизирующие излучения

Радиоактивность – отнюдь не новое явление; новизна состоит лишь в том, как люди пытались ее использовать. И радиоактивность, и сопутствующие ей ионизирующие излучения существовали на Земле задолго до зарождения на ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения самой Земли.

Ионизирующее излучение сопровождало и Большой взрыв, с которого, как мы сейчас полагаем, началось существование нашей Вселенной около 20 миллиардов лет назад. С того времени радиация наполняет космическое пространство. Радиоактивные материалы вошли в состав Земли с самого ее рождения. Даже человек слегка радиоактивен, так как во всякой живой ткани присутствует в следовых количествах радиоактивные вещества. Но с момента открытия этого универсального фундаментального открытия прошло лишь немногим более ста лет.

В 1896 году французский ученый Анри Беккерель положил несколько фотографических пластинок в ящик стола, придавив их кусками какого-то материала, содержащего уран. Когда он проявил пластинки, то, к своему удивлению, обнаружил на них следы каких-то излучений, которые он приписал урану. Вскоре этим явлением заинтересовалась Мария Кюри, молодой химик, полька по происхождению, которая и ввела в обиход слова “радиоактивность”.
В 1898 году она и ее муж Пьер Кюри обнаружили, что уран после излучения превращается в другие химические элементы. Один из этих элементов супруги назвали полонием в память о родине Марии Кюри, а еще один – радием, поскольку по-латыни это слово обозначает “испускающий лучи”. И открытие
Беккереля, и исследования супругов Кюри были подготовлены более ранним, очень важным событием в научном мире – открытием в 1895 году рентгеновских лучей; эти лучи были названы так по имени открывшего их (тоже, в общем, случайно) немецкого физика Вильгельма Рентгена.

Беккерель один из первых столкнулся с самым неприятным свойством радиоактивного излучения: речь идет о его воздействии на ткани живого организма. Ученый положил пробирку с радием в карман и получил в результате ожог кожи. Мария Кюри умерла, по всей видимости, от одного из злокачественных заболеваний крови, поскольку слишком часто подвергалась воздействию радиоактивного излучения. По крайней мере 336 человек, работавших с радиоактивными материалами в то время, умерли в результате облучения.

Несмотря на это, небольшая группа талантливых и большей частью молодых ученых направила свои усилия на разгадку одной из самых волнующих загадок всех времен, стремясь проникнуть в самые сокровенные тайны материи.

Виды ионизирующих излучений

Главным объектом исследования ученых был сам атом, вернее – его строение. Мы знаем теперь, что атом похож на Солнечную систему в миниатюре: 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 самого атома. Ядро, как правило, состоит из нескольких 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, атома кислорода – 8, урана – 92. В каждом атоме число электронов в точности равно числу протонов в ядре; каждый электрон несет отрицательный заряд, равный по абсолютной величине заряду протона, так что в целом атом нейтрален.

В ядре, как правило, присутствуют и частицы другого типа, называемые нейтронами, поскольку они нейтральны. Ядра атомов одного и того же элемента всегда содержат одно и то же число протонов, но число нейтронов в них может быть различным. 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 приписывают число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа. Так, уран-238 содержит 92 протона, но
143 нейтрона; в уране-235 тоже 92 протона, но 143 нейтрона. Ядра всех изотопов химических элементов образуют группу нуклидов.

Некоторые нуклиды стабильны, то есть в 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 урана-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 (?-излучение). Уран-238 превращается, таким образом, в торий-234, в ядре которого содержатся 90 протонов и 144 нейтрона… Далее следуют иные превращения (показанные ниже в таблице), сопровождаемые излучениями, и вся цепочка в конце концов оканчивается стабильным нуклидом свинца. Разумеется, существует много таких цепочек самопроизвольных превращений разных нуклидов по разным схемам превращений и их комбинациям.

При каждом акте распада нуклида высвобождается энергия, которая и передается дальше в виде излучения.

Существуют три вида ионизирующих излучений:

. ?-излучение:

Представляет собой поток ядер атомов гелия, называемых ?–частицами.

Начальная скорость альфа-частиц достигает 10000-20000 км./сек.

Они обладают большой ионизирующей способностью. Длина пробега альфа-частиц в воздухе составляет всего 10 см., а в твердых телах еще меньше.

Одежда, индивидуальные средства защиты полностью задерживают альфа- частицы. Внешнее их воздействие не опасно для человека. Из-за высокой ионизирующей способности альфа-частицы крайне опасны при попадании внутрь организма.

. ?-излучение:

Это поток электронов, называемых ?–частицами. Скорость бета-частиц может в некоторых случаях достигать скорости света.

Проникающая способность их меньше, чем гамма-излучения. Одежда и индивидуальные средства защиты значительно ослабляют бета- излучение.

Ионизирующее действие бета-излучения в сотни раз сильнее гамма- излучения.

. ?-излучение:

Это электромагнитные волны, аналогичные рентгеновским лучам и лучам света, распространяющиеся в воздухе со скоростью

300000км./сек. На сотни метров.

Они способны проникнуть через толщи защитных материалов и через индивидуальные средства защиты.

Гамма излучение представляет основную опасность для людей. При радиоактивном заражении местности гамма-излучение действует в течение суток, недель и месяцев.

Источники радиоактивного облучения

Все источники радиации можно условно разделить на два вида:
1. Естественные источники радиации;

Источники, созданные человеком;

Естественные источники радиации

Космические лучи:

Радиационный фон, создаваемый космическими лучами, дает чуть меньше половины внешнего облучения, получаемого населением от естественных источников радиации. Космические лучи в основном приходят к нам из глубин
Вселенной, но некоторая их часть рождается на Солнце во время вспышек. Они взаимодействуют с атмосферой Земли, порождая вторичное излучение и приводя к образованию различных радионуклидов.
2. Земная радиация:

Основные радиоактивные изотопы, встречающиеся в горных породах Земли,
- это калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств, берущих начало соответственно от урана-238 и тория-232 – долгоживущих изотопов, включившихся в состав Земли с самого ее рождения.

Средняя эффективная эквивалентная доза, которую человек получает за год от земных источников радиации, составляет примерно 350 микрозивертов.
3. Внутреннее облучение:

В среднем примерно 2/3 эффективной эквивалентной дозы облучения, которую человек получает от естественных источников радиации, поступает от радиоактивных веществ (калий-40, свинец-210, полоний-210 и пр.), попавших в организм с пищей, водой и воздухом.
4. Радон:

Это невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый (в 7,5 раза тяжелее воздуха) газ. Радон вместе со своими дочерними продуктами распада ответствен примерно за 3/4 годовой индивидуальной эффективной эквивалентной дозы. Встречается в двух основных формах: радон-222 и радон-220.

Он высвобождается из земной коры повсеместно, но основную часть дозы облучения человек получает, находясь в закрытом, непроветриваемом помещении.

Источники, созданные человеком
5. Источники, использующиеся в медицине:
Это:

Рентген; Компьютерная томография; Радиотерапевтические установки для лечения рака; Радиоизотопы, использующиеся для исследования различных процессов в организме;

Средняя индивидуальная доза за счет этого источника во всем мире составляет ~ 400 мкЗв на человека в год. Таким образом, коллективная эффективная эквивалентная доза для всего населения равна примерно 1600000 чел-Зв в год.
6. Ядерные взрывы:

Наиболее опасны воздушные взрывы. Часть радиоактивного материала выпадает неподалеку от места испытания, какая-то часть задерживается тропосфере (самом нижнем слое атмосферы), подхватывается ветром и перемещается на большие расстояния, оставаясь примерно на одной и той же широте. Находясь в воздухе в среднем около месяца, радиоактивные вещества во время этих перемещений постепенно выпадают на землю. Однако большая часть радиоактивного материала выбрасывается в стратосферу – следующий слой атмосферы, лежащий на высоте 10-50 км., где он остается многие месяцы, медленно опускаясь и рассеиваясь по всей поверхности земного шара.

АЭС:

Вносят весьма незначительный вклад в суммарное облучение населения. При нормальной работе ядерных установок выбросы радиоактивных материалов очень невелики.

Влияние ионизирующих излучений на живые организмы и защита от них

Приведем ниже поэтапное воздействие всех видов ионизирующих излучений на любой живой организм.

Заряженные частицы:

Проникающие в ткани организма альфа- и бета-частицы теряют энергию вследствие электрических взаимодействий с электронами тех атомов, близ которых они проходят. Гамма-излучение и рентгеновские лучи передают свою энергию веществу несколько иными 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 реакционно-способные, 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 через десятилетия после облучения и явиться причиной немедленной гибели клеток или таких изменений в них, которые могут привести к раку.

Еще ниже приведем разновидности доз радиоактивного облучения.

Поглощенная доза – энергия ионизирующего излучения, поглощенная облучаемым телом, в пересчете на единицу массы.

Эквивалентная доза – поглощенная доза, умноженная на коэффициент, отражающий способность данного излучения повреждать ткани организма.

Коллективная эквивалентная доза – эффективная эквивалентная доза, полученная группой людей от какого-либо источника радиации.

Полная коллективная эффективная эквивалентеая доза – коллективная эффективная эквивалентная доза, которую получат поколения людей, от какого- либо источника за все время его дальнейшего существования.

Приведем некоторые внесистемные, но широко распространенные единицы.

Беккерель (Бк, Bq) – единица активности нуклида в радиоактивном источнике
(в системе СИ). Один беккерель соответствует одному распаду в секунду для любого радионуклида.

Грей (Гр, Gy) – единица поглощенной дозы в системе СИ. Представляет собой количество энергии ионизирующего излучения, поглощенной единицей массы какого-либо физического тела, например, тканями организма.

Зиверт (Зв,Sv) – единица эквивалентной дозы в системе СИ. Представляет собой единицу поглощенной дозы, умноженную на коэффициент, учитывающий неодинаковую радиационную опасность разных видов ионизирующих излучений.
Один зиверт соответствует поглощенной дозе в 1 Дж/кг (для рентгеновского, (- и (- излучений).

Стоит также привести некоторые широко распространенные внесистемные единицы и их связь с единицами СИ:

Кюри (Ки, Сu) – единица активности изотопа:

1 Ки = 3,700*1010 Бк;

рад (рад, rad) – единица поглощенной дозы излучения:

1 рад = 0,01 Гр;

бэр (бэр, rem) – единица эквивалентной дозы:

1 бэр = 0,01 Зв.

Защита от ионизирующих излучений
. Защита от (- и (-излучения:

Для защиты от данных видов излучений достаточно слоя воздуха в 10 см, тонкой фольги. Одежда, как было сказано выше, тоже полностью ослабляет
(–частицы, а экран из алюминия, плексигласа, стекла толщиной несколько миллиметров полностью экранирует поток (–частиц.

Однако при энергии (–частиц ?>2 МэВ существенную роль начинает играть тормозное излучение, которое требует более усиленной защиты.
. Защита от нейтронного излучения:

При проектировании защиты от нейтронного излучения необходимо учитывать, что процесс поглощения эффективен для тепловых, медленных и резонансных нейтронов, поэтому быстрые нейтроны должны быть предварительно замедленны. Тяжелые материалы хорошо ослабляют быстрые нейтроны.
Промежуточные нейтроны эффективнее ослаблять водородосодержащими веществами. Это означает, что следует искать такую комбинацию тяжелых водосодержащих веществ, которые давали бы наибольшую эффективность
(например, используют комбинации H2O+Fe,H20+Pb).

Поражение людей и животных проникающей радиацией. При воздействии проникающей радиации у людей и животных может возникнуть лучевая болезнь.
Степень поражения зависит от экспозиционной дозы излучения, времени, в течение которого эта доза получена, площади облучения тела, общего состояния организма. Также учитывают, что облучение может быть однократным и многократным. Однократным считается облучение, полученное за первые четверо суток. Облучение, полученное за время, превышающее четверо суток, является многократным. При однократном облучении организма человека в зависимости от полученной экспозиционной дозы различают 4 степени лучевой болезни.

Лучевая болезнь первой (легкой) степени возникает при общей экспозиционной дозе излучения 100-200 Р. Скрытый период может продолжаться 2-3 недели, после чего появляется недомогание, общая слабость, чувство тяжести в голове, стеснение в груди, повышение потливости, может наблюдаться периодическое повышение температуры.

В крови уменьшается содержание лейкоцитов. Лучевая болезнь первой степени излечима.

Лучевая болезнь второй (средней) степени возникает при общей экспозиционной дозе излучения 200-400 Р. Скрытый период длится около недели. Лучевая болезнь проявляется в более тяжелом недомогании, расстройстве функций нервной системы, головных болях, головокружениях, вначале часто бывает рвота, возможно повышение температуры тела; количество лейкоцитов в крови, особенно лимфоцитов, уменьшается более чем наполовину. При активном лечении выздоровление наступает через 1,5-2 месяца. Возможны смертельные исходы (до 20%).

Лучевая болезнь третьей (тяжелой) степени возникает при общей экспозиционной дозе 400-600 Р. Скрытый период- до нескольких часов.

Отмечают тяжелое общее состояние, сильные головные боли, рвоту, иногда потерю сознания или резкое возбуждение, кровоизлияния в слизистые оболочки и кожу, некроз слизистых оболочек в области десен. Количество лейкоцитов, а затем эритроцитов и тромбоцитов резко уменьшается. Ввиду ослабления защитных сил организма появляются различные инфекционные осложнения. Без лечения болезнь в

20-70% случаев заканчивается смертью, чаще от инфекционных осложнений или от кровотечений.

При облучении экспозиционной дозой более 600 Р. развивается крайне тяжелая четвертая степень лучевой болезни, которая без лечения обычно заканчивается смертью в течение двух недель.

Летальные дозы при их измерении в греях:

3-5 Гр

Вывод

Самые опасные с точки зрения общественности факторы, угрожающие здоровью и жизни людей, далеко не всегда являются таковыми на самом деле.
Трем группам граждан США – членам лиги Женщин-избирательниц, студентам высших учебных заведений и представителям деловых и промышленных кругов – было предложено расположить 30 всевозможных источников, приводящих к преждевременной гибели людей, в порядке убывания их опасности для человека.
Эти три последовательности, представленные ниже в трех столбцах, сравниваются с результатами статистических оценок числа людей в США, погибших за год от соответствующего источника. Можно делать выводы.

Таблица

Список использованной литературы

1. Безопасность жизнедеятельности/ Под ред. С. В. Белова.- 3-е изд., перераб.- М.: Высш. шк., 2001.-485с.
2. Гражданская оборона/ Под ред. П. Г. Якубовского.- 5-е изд., испр.- М.:

Просвещение, 1972.-224c.
3. Радиация. Дозы, эффекты, риск: Пер. с англ.- М.: Мир,-79c., ил.
-----------------------
[pic]

Рис. Три вида излучений и их проникающая способность

?-излучение

?-кванты

Металл

Человек

Бумага

100 Гр

10-50 Гр

А. Смерть наступает через несколько часов или дней вследствие повреждения
ЦНС.

Б. Смерть наступает через одну две недели вследствие внутренних кровотечений (главным образом из ЖКТ).

В. 50% облученных умирает в течение одного-двух месяцев вследствие поражения клеток костного мозга.

Число случаев со смертельным исходом

Бизнесмены

Студенты

Женщины

|А |Курение |150000|
|Б |Спиртные |100000|
| |напитки | |
|В |Автомобили |50000 |
|Г |Ручное |17000 |
| |огнестрельное | |
| |оружие | |
|Д |Электричество |14000 |
|Е |Мотоциклы |3000 |
|Ж |Плавание |3000 |
|З |Хирургическое |2800 |
| |вмешательство | |
|И |Рентгеновское |2300 |
| |облучение | |
|К |Железные |1950 |
| |дороги | |
|Л |Авиация общего|1300 |
| |назначения | |
|М |Большая |1000 |
| |стройка | |
|Н |Велосипеды |1000 |
|О |Охота |800 |
|П |Бытовые травмы|200 |
|Р |Тушение |195 |
| |пожаров | |
|С |Работа в |160 |
| |полиции | |
|Т |Противозачаточ|150 |
| |ные средства | |
|У |Гражданская |130 |
| |авиация | |
|Ф |Атомная |100 |
| |энергетика | |
|Х |Альпинизм |30 |
|Ц |Сельскохозяйст|24 |
| |венная техника| |
|Ч |Национальный |23 |
| |футбол | |
|Ш |Лыжи |18 |
|Щ |Прививки |10 |
|Э |Пищевые |0 |
| |красители | |
|а |Консерванты |0 |
|б |Пестициды |0 |
|в |Применение |0 |
| |антибиотиков | |
|г |Применение |0 |
| |аэрозолей в | |
| |быту | |