Исследование влияния радиоактивного излучения на живые организмы
Когда в 1896 году А. Беккерель впервые обнаружил наличие ионизирующих излучений у соединений урана, никто не предполагал, что они настолько опасны. Только через полстолетия, после взрывов первых атомных бомб, человечество полностью осознало разрушительную мощь ядерной энергии.
Естественная радиоактивность встречается у элементов с атомным номером более 83. Скопление положительных зарядов в атомном ядре делает ядро настолько неустойчивым, что оно испускает либо a-частицы, т.е ядра гелия (два протона и два нейтрона), либо b-частицы (электроны). При этом атомные ядра приходят в возбужденное состояние и при обратном переходе в нормальное состояние испускают рентгеновские или g-лучи.
Ядерное излучение обладает большой энергией. Энергия a- излучения лежит в пределах 4 - 9 МэВ, b-излучения – 0,5 – 2 МэВ и g-излучения – 0,1 – 2 МэВ.
Высокая энергия ядерного излучения постепенно расходуется при его прохождении через воздух, воду и другие среды при встрече с атомами среды. В воздухе длина пробега g-излучения составляет в зависимости от энергии g-лучей от нескольких метров до нескольких километров. Это излучение проходит через мягкие ткани организма, такая же картина наблюдается в случае нейтронов. Длина пробега b-частиц в воздухе составляет 150 – 850см, в мягкие ткани растений и животных они проникают всего лишь на несколько миллиметров. Длина пробега ядер гелия в воздухе равна 2,5 – 9см, в ткани они проникают всего лишь на доли миллиметров. Поскольку a- и b-излучение отдают всю энергию в тканях организма на коротком отрезке пути, то очевидно, что они наносят тяжелейшие повреждения клеткам вблизи от места их проникновения.
Устойчивость различных организмов к действию излучения колеблется в широких пределах. При этом, чем крупнее и сложнее организм, тем сильнее он подвергается воздействию радиации. Так, например, бактерии в тысячи раз устойчивее к излучению, чем человек и высокоорганизованные животные. Установлено, что наиболее восприимчивы к лучевому воздействию быстро развивающиеся клетки: развивающиеся зародыши животных гораздо чувствительнее взрослых особей, а вегетативные формы бактерий несравненно чувствительнее бактериальных спор.
Присутствие радионуклида в тканях организма тем опаснее, чем чаще происходит ядерный распад. За единицу активности радионуклида был принят беккерель (Бк), эта единица соответствует 1 акту распада в секунду.
Облучение тканей организма при ядерном распаде в первую очередь вызывает процессы ионизации и образования радикалов. Мягкие ткани состоят главным образом из воды, и основные реакции, протекающие под действием облучения, связаны с ее распадом (радиолизом). В первую очередь молекулы воды дают сольватированные электроны (е -водн. ), т.е. электроны, окруженные гидратной оболочкой. При этом образуются два радикала:
Н2О ® Н· + ОН· + е -водн.
Продолжительность существования этих продуктов распада около 1 мс; в окислительных условиях в живых клетках в дальнейшем образуются новые радикалы и гидроксид водорода:
О2 + Н · = НО2·
О2 + е -водн. = О2·-
О2·- + НО2· Н+® Н2О2 + О2
Н2О2 + О2·- ® ОН- + ОН· + О2
Наряду с этими реакциями возможно взаимодействие первичных продуктов распада воды с образованием новых молекул воды, а также Н2 и Н2О2. Вызванное облучением образование радикалов ведет к возникновению множества дальнейших реакций, которые отражаются на функциях пораженных тканей организма. Сильная склонность к кровотечению после получения больших доз облучения, например 400 рентген, позволяет сделать вывод о повреждении мембран клеток.
Особое значение приобретают реакции радикалов, образовавшихся при облучении, с нуклеиновыми кислотами. Радикалы Н· и е -водн. особенно часто реагируют с азотистыми основаниями нуклеиновых кислот, при этом в свою очередь образуются разнообразные радикалы. Частично измененные основания при синтезе нуклеиновых кислот вступают в реакции с новыми партнерами, что приводит к образованию ложных нуклеотидов и возникновению мутаций. При синтезе нуклеиновых кислот наряду с нарушением нормального образования пар оснований, происходят как утрата оснований, так и разрыв мостиков в структуре ДНК. В то время как разрыв отдельных мостиков может быть скомпенсирован их восстановлением, массовое разрушение мостиков может привести к выпадению целых сегментов в молекуле ДНК. После получения высоких доз облучения, как и после взаимодействия с определенными веществами мутагенного действия, можно с помощью микроскопа наблюдать полностью разрушенные хромосомы.
Рис.1 Наверху: Фрагмент генетического кода белка. Внизу: Результат воздействия g-излучения на два ДНК-основания.
Химические превращения, происходящие в клетках после радиоактивного облучения, еще пока до конца не изучены. По-видимому, образуется ряд производных, обладающих мутагенным действием. Так, например, после облучения тимина образуются пероксидпроизводные этого основания, а после облучения 2-дезокси-D-рибозы образуются карбонильные соединения. Как показали опыты с микроорганизмами, эти соединения обладают мутагенным действием. При этом находящийся в клетках кислород, вероятно, играет роль катализатора. Считается, что в присутствии кислорода при облучении рентгеновскими или g-лучами мутагенное воздействие усиливается в 2-3 раза, а при облучении нейтронов – в полтора раза.
Биологический эффект или степень лучевого поражения растет с увеличением поглощенной дозы излучения. В результате радиоактивного облучения в организме человека могут возникать следующие виды нарушений: раковые заболевания, острый лучевой синдром и генетические изменения у потомства.
Уже при небольших дозах облучения может проявляться канцерогенное действие, при котором скрытый период болезни может длиться годами или даже десятилетиями. Причинную связь между первичным облучением и злокачественным перерождением клеток не всегда удается полностью проследить. Однако бесспорна связь между изменениями ДНК и возникновением раковых заболеваний.
В то время как раковые заболевания следует рассматривать в качестве отдаленного последствия крайне малых доз облучения, большие дозы, порядка 0.25 Гр ( 1 Гр (грей)= 1Дж/кг), могут вызывать симптомы острого лучевого поражения, а также легкой формы лучевой болезни. Признаки поражения сходны с гриппом и организм быстро восстанавливается, но однако всегда существует опасность рецидивов и отдаленных последствий.
Острый же лучевой синдром, который является последствием действия больших доз радиации, проявляется в недомогании, тошноте, общей слабости, кровотечениях, упадке сил, выпадении волос, иногда в лихорадке. Чем раньше начинают проявляться эти симптомы, тем сильнее была доза облучения и тем более неблагоприятны прогнозы по восстановлению здоровья. Трагическим примером могут служить жертвы атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки.
Наиболее непредсказуем генетический ущерб, который может быть нанесен потомству людей, подвергшихся облучению. Это не в последнюю очередь связано с тем, что большинство мутаций носит рецессивный характер, т.е. они проявляются только в тех случаях, когда в организме встречаются две однородные мутации. Образование таких мутаций часто протекает в скрытой форме и остается незамеченным. Таким образом, у человечества в целом идет накопление мутаций, что представляет большую опасность, так как большинство мутаций отрицательно влияет на жизнеспособность биологического вида.
Радиоактивность.
Радиоактивностью называется процесс самопроизвольного превращения неустойчивых элементов в устойчивые, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или излучением энергии.
a - излучение - это излучение a-частиц, которые представляют собой ядра гелия ;
b - излучение - это испускание электронов или позитронов;
g - излучение – это испускание электромагнитных волн чрезвычайно высоких энергий. Оно является результатом перехода ядер из возбужденных состояний в нормальное при радиоактивных превращениях.
Распад радиоактивных веществ количественно описывается законом радиоактивного распада:
N = N0 e-lt,
где N0 - число радиоактивных ядер в момент времени t = 0; N - число радиоактивных ядер, оставшихся нераспавшимися к моменту t.
l - постоянная радиоактивного распада: l = 
, где Т1/2- период полураспада. Период полураспада (Т1/2 ) –это время, в течение которого распадается половина начального числа радиоактивных атомов.
3. Закон поглощения g -излучения.
Гамма-кванты состоят из фотонов одной энергии или содержат группу фотонов с дискретными значениями энергии. Чаще всего энергия гамма-лучей находится в диапазоне от нескольких КэВ до нескольких МэВ.
Прохождение g -излучения через вещество сопровождается его поглощением. При прохождении поглотителя толщиной 
x интенсивность J g -лучей уменьшается на J, причем относительная интенсивность поглощения излучения пропорциональна толщине поглотителя:
 = -mDх | (1) |
где m - линейный коэффициент поглощения.
Если вместо конечной толщины Dх имеем бесконечно малую величину dx, бесконечно малое изменение интенсивности d J, то уравнение (1) примет вид:
 = - m dx | (2) |
Интегрируя это уравнение, получим
| J =J0 е-mх | (3) |
При рассмотрении процесса поглощения гамма-излучения веществом, полезным оказывается понятие о слое половинного поглощения х1/2.
Слоем половинного поглощения называется толщина поглотителя, в котором поглощается половина падающих на него фотонов.
Эта величина выражается: 
= е -mх 
Тогда, логарифмируя, получим:
х =  | (4) |
До сих пор рассматривали явление поглощения гамма-лучей, не касаясь конкретного взаимодействия гамма-лучей с веществом, обусловливающего процесс поглощения и величину m - коэффициента поглощения.
При прохождении g - лучей через вещество происходит ослабление интенсивности первоначального пучка. Это ослабление интенсивности является результатом взаимодействия g - квантов с электронами и атомами вещества, через которые они проходят.
Практически наиболее существенны три процесса взаимодействия с веществом: фотоэффект, комптоновское рассеяние и образование пар, приводящих к поглощению g - излучения.
а. Фотоэлектрический эффект
Фотоэффектом называется такой процесс взаимодействия g - кванта (фотона) с веществом, при котором g - квант исчезает, полностью передавая свою энергию и импульс электрону и атому. При этом электроны выбрасываются за пределы атома с кинетической энергией
| Wk = hn - Ai | (5) |
где hn - энергия g - кванта; Аi - работа выхода электрона с i -ой оболочки атома.
Фотоэффект наиболее вероятен в том случае, когда энергия фотона близка к работе выхода А. Именно поэтому, ослабление лучей вследствие фотоэффекта играет основную роль при малых энергиях (Еg £ 1 МэВ). Фотоэффект возможен лишь на связанных электронах.
б. Комптоновское рассеяние
Процесс рассеяния g - квантов на свободных или слабосвязанных электронах называется комптон-эффектом. В результате рассеяния изменяется направление движения g - кванта и уменьшается его длина волны:
Dl = l2 - l1
в. Образование пар
Третьим процессом, приводящим к ослаблению g - излучения при прохождении через вещество, является процесс образования пар. Согласно современной теории, падающий g - квант полностью поглощается в области кулоновского поля ядра ( или электрона), в результате чего возникает пара частиц: электрон-позитрон. Минимальная энергия фотона, необходимая для образования пары в области поля ядра, равна
Е = 2 Е0е = 2 m0 c2
mo – масса покоя электрона.
Таким образом, поглощение g - излучения веществом и величина m обусловлена тремя рассмотренными процессами, каждый из которых, в зависимости от энергии g - излучения и свойств поглощающего вещества, вносит свой вклад в значение: m = mфот + mкомп + mпар.
4. Описание установки и порядок выполнения работы.
В данной работе необходимо проверить закон поглощения g - излучения в веществе, построить график зависимости изменения интенсивности J g - излучения от толщины поглотителя. По графику определить слой половинного поглощения для g - излучения данной энергии и рассчитать коэффициент линейного поглощения m . В качестве источника излучения используется радиоактивный изотоп С060 (Е = 1,17 МэВ).
При выполнении работы используются приборы и принадлежности: радиометр-спектрометр (см. рис. 1); свинцовый домик типа "ТУР 74019 Robotron - masselectrone» ; источник g - излучения С060; набор пластин из оцинкованного железа (см. рис. 1). Радиометр-спектрометр состоит из сцинтилляционного датчика «Stintillation probe type - 484 В» и измерительного пульта «Nuclear analyzer - 482 В». Датчик присоединяется с помощью высоковольтного разъема (1) с измерительным пультом (1) и помещен внутри свинцового домика, напротив источника g - излучения С060 .
Между источником гамма-излучения и сцинтилляционным датчиком в свинцовом домике имеются приспособления для установки пластин, которые служат поглотителем g - излучения. Толщина поглотителя регулируется числом пластин.
1 - высоковольтный разъем датчика
2 - измеритель скорости счетчика и напряжения батарей
3 - переключатель поддиапазонов измерителя скорости счета
4 - дисплей
5 - переключатель дисплея
6 - тумблер Reset-start-star (cбор - пуск - стоп)
7 - переключатель селекции времени измерения
8 - регулятор высокого напряжения
9 - регулятор порога анализатора
10 - регулятор ширины окна анализатора
11 - переключатель режима измерения
12 - тумблер напряжения питания
Порядок выполнения: (см. обозначения на рис. 1 и приборе).
1. Включить сеть (тумблер ОN - 12).
2. Установить высокое напряжение 1200 В на многооборотном патенциометре "High - Vоltage" 400 ....1400 ® 8.
3. На блоке «Analyzer» - установить тумблер «int- diff» ® 12 в положение «int», ручку потенциометра 2 DE ® 10 в положение 0.0, ручку потенциометра «Е» ® 9в положение 860.
4.Переключатель «rate» ® 3 поставить в положение 3 × 105 .
5. Ручку переключателя «time» ® 7 поставить в положение «01».
6. Убедиться, что в свинцовом (защитном) домике нет пластин.
7.Тумблер «reset - start - stop» ® 6 поставить в положение «start». На экране дисплея 4 появится точка (отсчет начался) через 6 секунд (0,1минуты) на экране дисплея 4 высветится число, соответствующее количеству g - квантов, зарегистрированных детектором (датчиком) в отсутствие поглотителя. Это число n0 записать в таблицу.
8. Установить в защитный домик 3 пластины и повторить п.7. Записать число n1, которое высветится на экране дисплея. Оно будет соответствовать количеству g - квантов, прошедших 1-й поглощающий слой пластин.
9. Последовательно увеличивать число пластин, устанавливая в домик 6, 9, 12 ....i пластин и каждый раз повторять п.7, записывая значения n2 , n3 , ......ni c экрана дисплея в таблицу.
10. По результатам измерения построить график зависимости ni/n0 = f (i) (по оси координат 
, по оси абсцисс – число пластин i). По графику определить слой половинного поглощения и вычислить значения m; для этого вычислить толщину поглотителя, соответствующую слою половинного поглощения: 
= i d, где d – толщина пластины (мм).
ПРИМЕЧАНИЕ.
Числа на экране дисплея высвечиваются в течении 4 секунд, если за это время Вы не успели записать показания, то необходимо нажать тумблер «Display» ® 5 вверх и на экране дисплея высветиться это число, оно будет на экране до тех пор, пока Вы не отпустите тумблер.
5.Контрольные вопросы
1. Назовите и охарактеризуйте виды радиоактивного излучения.
2. Напишите основной закон радиоактивного распада.
3. Какие виды радиоактивного излучения обладают максимальной проникающей способностью?
4. Какие основные виды нарушений могут возникать в организме человека в результате радиоактивного поражения?
5. Сформулируйте закон поглощения g -излучения.
6. Чем обусловлен процесс поглощения g -излучения в веществе?
6.Тестовые задания
1. Радиоактивность – это…
А) превращение устойчивых химических элементов в неустойчивые
Б) превращение неустойчивых элементов в устойчивые
В) самопроизвольное превращение неустойчивых элементов в устойчивые, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или излучением энергии
Г) природное свойство стабильных изотопов
2. Период полураспада – это…
А) вероятность распада отдельного атома в единицу времени
Б) время, в течение которого распадается половина начального числа радиоактивных атомов
В) время, в течение которого распадается половина долго живущих изотопов
Г) обратная величина постоянного распада, которая определяет среднее время жизни отдельного радиоактивного атома
3. g - излучение – это …
А) испускание электронов и позитронов
Б) испускание ядер гелия
В) испускание электромагнитных волн чрезвычайно высоких энергий
Г) испускание электромагнитных волн любой энергии
Лабораторная работа №4