Радиоактивность. Действие ионизирующих излучений на организм человека

Радиоактивные или, по-другому, ионизирующие излучения объединяют разные по своей физической природе виды излучений. Сходство между ними в том, что все они обладают высокой энергией, реализуют свое биологическое действие через эффекты ионизации и последующее протекание химических реакций в биол.

Понятие об ионизирующем излучении. Виды ионизирующего излучения. Излучения, способные при взаимодействии с веществом создавать в нем ионы (заряженные атомы и молекулы), называются ионизирующими.

Виды ионизирующих излучений, основные характеристики

1. Альфа - излучение (a-частицы – положительно заряженные тяжелые ядра гелия). Ионизирующая способность очень велика, образуют около 3 тысяч пар ионов на 1 см пробега в воздухе. Проникающая способность мала, в воздухе пробегает 20-25 см. не проходят даже через поверхность кожи человека (оседают) не причиняя вред. Особенно опасны при попадании вовнутрь организма с пищей, водой и воздухом.

2. Бета - излучение (β-частицы – отрицательно заряженные электроны, позитроны). Ионизирующая способность больше чем у α-частиц, порядка 130-200 пар ионов на 1 см пробега в воздухе. Проникающая способность больше чем у α-частиц, в воздухе пробегают десятки метров. Проникают на глубину кожи, вызывая радиационные ожоги, которые практически не заживают. Особенно опасны при попадании внутрь организма с пищей, водой и воздухом. Защищают экраны из алюминиевой фольги, стекла. [1 ст.24]

3. Гамма - излучение (электромагнитное излучение с короткой длиной волны, гамма-кванты). Невысокая ионизирующая способность – до 130 пар ионов на один сантиметр пробега в воздухе. Высокая приникающая способность. Способность проходить через многие существующие материалы, в том числе через человека. Защитой служат специальные экраны или специальные индивидуальные средства защиты. Экраны выполнены из материалов с высоким удельным весом.

4. Нейтронное излучение – поток нейтральных частиц. Имеет очень высокую ионизирующую способность (1000 пар ионов на один сантиметр пробега). Высокая проникающая способность, проходит через все существующие материалы.

Период полураспада – время, за которое распадается половина радиоактивного вещества.

5. Рентгеновское излучение возникает в среде, окружающей источник β‑излучения, в рентгеновских трубках, в ускорителях электронов и представляет собой совокупность тормозного и характеристического излучения, энергия фотонов которых составляет меньше 1 МэВ.

6. Тормозное излучение – это фотонное излучение с дискретным спектром, испускаемое при изменении кинетической энергии заряженных частиц. [1 ст.25]

7. Характеристическое излучение - это фотонное излучение с дискретным спектром, испускаемое при изменении энергетического состояния атома. Как и γ-излучение рентгеновское излучение обладает малой ионизирующей способностью и большой глубиной проникновения.

Основные виды лучевых поражений развивающихся при воздействии ионизирующих излученийИонизирующее излучение вызывает 2 вида эффектов – пороговые и беспороговые. К пороговым относятся лучевая болезнь, лучевой ожог (явно проявляются), беспороговые опухоли, снижение иммунитета.

Ионизирующие излучения поражают главным образом глаза, кроветворные органы (костный мозг), железы внутренней секреции и кожу (лучевая болезнь). В результате воздействия ионизирующих излучений возникают лучевая болезнь, которая может протекать в острой и хронической форме, а также в виде общих и местных поражений. Острые поражения наступают при облучении большими дозами в течение короткого промежутка времени. Острая форма лучевой болезни характерна цикличностью протекания и имеет 4 периода: первичные реакции, видимое благополучие (скрытый период); разгар болезни; выздоровление (либо смерть). Первичные реакции возникают через несколько часов после облучения – появляются тошнота и рвота, головокружение, вялость, учащение пульса, иногда повышение температуры, увеличение числа белых кровяных телец (лейкоцитов).

Ионизирующие излучения состоят из частиц (заряженных и незаряженных) и квантов электромагнитной энергии. С ними население в любом регионе земного шара встречается ежедневно. Это, прежде всего, так называемый радиационный фон Земли, который складывается из трех компонентов:

– космического излучения, приходящего на Землю из Космоса;

– излучения от находящихся в почве, строительных материалах, воздухе и воде естественных радионуклидов (ЕРН);

– излучения от природных радиоактивных веществ, которые с пищей и водой попадают внутрь организма, фиксируются тканями и могут сохраняться в теле человека в течение всей его жизни.

Кроме того, человек встречается с искусственными источниками излучения, широко применяемыми в народном хозяйстве. Сюда относится, например, ионизирующее излучение, используемое в медицинских целях.

Основной вклад в естественный радиационный фон среды вносят радиоактивные вещества, содержащие радионуклиды семейств урана 238, тория 232, калий 40, а также излучения радионуклидов образующихся при взаимодействии космических лучей с элементами атмосферы и земной коры. Это в основном тритий, углерод 14, бериллий 7, кремний 32, натрий 22. Для средних широт космический фон создает мощность экспозиционной дозы на поверхности земли от 1 до 3 мкР/ч.

В естественном радиационном фоне выделяют так называемый технологически измененный естественный радиационный фон, который представляет излучения от природных источников, претерпевших определенные изменения в результате хозяйственной деятельности человека. Добываемые полезные ископаемые (фосфаты, сланцы, нефть, газ и увлекаемые с ними пластовые воды) выносят на дневную поверхность многие химические вещества, включая и естественные радионуклиды. Их количественное содержание в земных породах колеблется в широких пределах, в результате чего уровни радиоактивных загрязнений в прилегающих районах различны – от незначительного превышения естественного фона до величин, представляющих определенную опасность для здоровья персонала и населения.

В результате воздействия ионизирующего излучения на организм человека в тканях могут происходить сложные физические, химические и биологические процессы.

Первичным физическим актом взаимодействия ионизирующего излучения с биологическим объектом является ионизация. Именно через ионизацию происходит передача энергии объекту. [6 ст.124]

Известно, что в биологической ткани 60-70 % по массе составляет вода. В результате ионизации молекулы воды образуют свободные радикалы Н- и ОН-

В присутствии кислорода образуется также свободный радикал гидроперекиси (H₂O-) и перекись водорода (H₂O), являющиеся сильными окислителями.

Получающиеся в процессе радиолиза воды свободные радикалы и окислители, обладая высокой химической активностью, вступают в химические реакции с молекулами белков, ферментов и других структурных элементов биологической ткани, что приводит к изменению биологических процессов в организме. В результате нарушаются обменные процессы, подавляется активность ферментных систем, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму - токсины. Это приводит к нарушениям жизнедеятельности отдельных функций или систем организма в целом. В зависимости от величины поглощенной дозы и индивидуальных особенностей организма, вызванные изменения могут быть обратимыми или необратимыми.

Некоторые радиоактивные вещества накапливаются в отдельных внутренних органах. Например, источники α-излучения (радий, уран, плутоний), β-излучения (стронций и иттрий) и γ-излучения (цирконий) отлагаются в костных тканях. Все эти вещества трудно выводятся из организма.

Особенности воздействия ионизирующего излучения при действии на живой организмПри изучении действия излучения на организм были определены следующие особенности: [2 ст.56]

- высокая эффективность поглощенной энергии. Малые количества поглощенной энергии излучения могут вызвать глубокие биологические изменения в организме;

- наличие скрытого, или инкубационного, проявления действия ионизирующего излучения. Этот период часто называют периодом мнимого благополучия. Продолжительность его сокращается при облучении большими дозами;

- действие от малых доз может суммироваться или накапливаться. Этот эффект называется кумуляцией;

- излучение воздействует не только на данный живой организм, но и на его потомство. Это так называемый генетический эффект;

- различные органы живого организма имеют свою чувствительность к облучению. При ежедневном воздействии дозы 0.02-0.05 Р уже наступают изменения в крови; [3 ст.84]

- не каждый организм в целом одинаково реагирует на облучение.

- облучение зависит от частоты. Одноразовое облучение в большой дозе вызывает более глубокие последствия, чем фракционирование.

В результате воздействия ионизирующего излучения на организм человека в тканях могут происходить сложные физические, химические и биологические процессы. [1 ст.86]

Известно, что две трети общего состава ткани человека составляют вода и углерод. Вода под воздействием ионизирующего излучения расщепляется на Н и ОН, которые либо непосредственно, либо через цепь вторичных превращений образуют продукты с высокой химической активностью: гидратный окисел НО₂ и перекись водорода Н₂О₂. Эти соединения взаимодействуют с молекулами органического вещества ткани, окисляя и разрушая ее.

В результате воздействия ионизирующего излучения нарушается нормальное течение биохимических процессов и обмен в организме. [2]

Поглощенная доза излучения, вызывающая поражение отдельных частей тела, а затем смерть, превышает смертельную поглощенную дозу облучения всего тела. Смертельные поглощенные дозы для всего тела следующие: голова - 2 000 рад, нижняя часть живота - 5 000 рад, грудная клетка - 10 000 рад, конечности - 20 000 рад. [5 ст.141]

Степень чувствительности различных тканей к облучению неодинакова. Если рассматривать ткани органов в порядке уменьшения их чувствительности к действию излучения, то получим следующую последовательность: лимфатическая ткань, лимфатические узлы, селезенка, зобная железа, костный мозг, зародышевые клетки. Большая чувствительность кроветворных органов к радиации лежит в основе определения характера лучевой болезни. При однократном облучении всего тела человека поглощенной дозой 50 рад через день после облучения может резко сократиться число лимфоцитов, уменьшится также и количество эритроцитов (красных кровяных телец) по истечению двух недель после облучения. У здорового человека насчитывается порядка 1014 красных кровяных телец при ежедневном воспроизводстве 1012, а у больного такое соотношение нарушается.

Важным фактором при воздействии ионизирующего излучения на организм является время облучения. С увеличением мощности дозы поражающее действие излучения возрастает. Чем более дробно излучение по времени, тем меньше его поражающее действие.

Биологическая эффективность каждого вида ионизирующего излучения находится в зависимости от удельной ионизации. Так, например, α- частицы с энергией 3 мэв образуют 40 000 пар ионов на одном миллиметре пути, β- частицы с такой же энергией - до четырех пар ионов. α-частицы проникают через верхний покров кожи до глубины до 40 мм, β-частицы - до 0.13 см.

Наружное облучение α, β - излучениями менее опасно, т. к. α и β- частицы имеют небольшую величину пробега в ткани и не достигают кроветворных и других органов. [3 ст47]

Степень поражения организма зависит от размера облучаемой поверхности. С уменьшением облучаемой поверхности уменьшается и биологический эффект. Так при облучении фотонами поглощенной дозой 450 рад участка тела площадью 6 см² заметного поражения организма не наблюдалось, а при облучении такой же дозой всего тела было 50% смертельных случаев.

Индивидуальные особенности организма человека проявляются лишь при небольших поглощенных дозах.

Чем моложе человек, тем выше его чувствительность к облучению, особенно высока она у детей. Взрослый человек в возрасте 25 лет и старше наиболее устойчив к облучению.

Есть ряд профессий, где существует большая вероятность облучения. При некоторых чрезвычайных обстоятельствах (например, взрыв на АЭС) облучению может подвергнуться население, живущее на определенных территориях. Не известны вещества, способные полностью защитить, но есть частично защищающие организм от излучения. К ним относятся, например, азид и цианид натрия, вещества содержащие сульфогидридные группы и т.д. Они входят в состав радиопротекторов. [2 ст.93]

Радиопротекторы частично предотвращают возникновение химически активных радикалов, которые образуются под воздействием излучения. Механизмы действия радиопротекторов различны. Одни из них вступают в химическую реакцию с попадающими в организм радиоактивными изотопами и нейтрализуют их, образуя нейтральные вещества, легко выводимые из организма. Другие имеют отличный механизм. Одни радиопротекторы действуют в течение короткого промежутка времени, время действия других более длительное. Существует несколько разновидностей радиопротекторов: таблетки, порошки и растворы.

При попадании радиоактивных веществ внутрь организма поражающее действие оказывают в основном α- источники, а затем β- и γ - источники, т.е. в обратной наружному облучению последовательности. α- частицы, имеющие плотность ионизации, разрушают слизистую оболочку, которая является слабой защитой внутренних органов по сравнению с наружным покровом.

Попадание твердых частиц в дыхательные органы зависит от степени дискретности частиц. Частицы размером меньше 0.1 мкм при входе вместе с воздухом попадают в легкие, а при выходе удаляются. В легких остается только небольшая часть. Крупные частицы размером больше 5 мкм почти все задерживаются носовой полостью.

Степень опасности зависит также от скорости выведения вещества из организма. Если радионуклиды, попавшие внутрь организма однотипны с элементами, которые потребляются человеком, то они не задерживаются на длительное время в организме, а выделяются вместе с ними (натрий, хлор, калий и другие). [5 ст.76]

Инертные радиоактивные газы (аргон, ксенон, криптон и другие) не являются входящими в состав ткани. Поэтому они со временем полностью удаляются из организма.

Некоторые радиоактивные вещества, попадая в организм, распределяются в нем более или мене равномерно, другие концентрируются в отдельных внутренних органах. Так в костных тканях отлагаются такие источники α- излучений, как радий, уран и плутоний. Стронций и иттрий, которые являются источниками β- излучения, и цирконий - источник γ- излучения тоже отлагаются в костных тканях. Эти элементы, химически связанные с костной тканью, очень трудно выводятся из организма.

Продолжительное время удерживаются в организме также элементы с большим атомным номером (полоний, уран и др.). Элементы, образующие в организме легкорастворимые соли и накапливаемые в мягких тканях, легко удаляются из организма.

Основные особенности биологического действия ионизирующего излучения следующие:

- действие ионизирующего излучения на организм не ощутимо человеком. Поэтому это опасно. Дозиметрические приборы являются как бы дополнительным органом чувств, предназначенным для восприятия ионизирующего излучения;

- видимые поражения кожного покрова, недомогание, характерные для лучевого заболевания, появляются не сразу, а спустя некоторое время; суммирование доз происходит скрыто. Если в организм человека систематически будут попадать радиоактивные вещества, то со временем дозы суммируются, что неизбежно приводит к лучевым болезням.

Основные принципы обеспечения радиационной безопасности

Ионизирующая радиация при воздействии на организм человека может вызвать два вида эффектов, которые клинической медициной относятся к болезням: детерминированные пороговые эффекты (лучевая болезнь, лучевой дерматит, лучевая катаракта, лучевое бесплодие, аномалии в развитии плода и др.) и стохастические (вероятностные) беспороговые эффекты (злокачественные опухоли, лейкозы, наследственные болезни). [5 ст.193]

Нормирование радиационного воздействия началось в 30-е гг. ХХ века. В это время для профессиональных работников была установлена дневная допустимая доза, которая соответствовала допустимому пределу дозы (ДПД), равному 0,5 Зв в год. До середины 1970-х гг. ДПД рассматривался как некий пороговый уровень, ниже которого отсутствуют вредные для здоровья эффекты облучения, в т. ч. отдаленные.

В 1977 г., в целях повышения уровня безопасности при использовании ионизирующего излучения и исходя из современных представлений о действии малых доз радиации, Международная комиссия радиационной защиты (МКРЗ) приняла концепцию беспороговой линейной зависимости возникновения злокачественных новообразований и генетических повреждений при нормировании радиационного фактора и оценки возможных неблагоприятных для здоровья отдаленных последствий облучения. Из этой концепции вытекают три основных принципа радиационной защиты, которые приняты в современном нормировании.

Принцип обоснования. Не должна проводиться любая деятельность, связанная с использованием источников ионизирующего излучения, если польза для отдельных лиц и общества в целом не превышает риска, вызванного дополнительным облучением (по отношению к естественному радиоактивному фону). [2 ст.24]

Принцип оптимизации. При использовании любого источника ионизирующего излучения индивидуальные дозы и число облучаемых людей должны поддерживаться на столь низком уровне, насколько это возможно и достижимо с учетом экономических и социальных факторов. [1]

Принцип нормирования. Индивидуальная доза облучения персонала и населения от всех источников ионизирующего излучения в процессе их эксплуатации не должна превышать действующих дозовых пределов.

Реализация первого принципа осуществляется путем обязательного лицензирования деятельности, связанной с возможным воздействием на людей ионизирующего излучения.

Второй принцип реализуется путем автоматизации технологических процессов, оптимизации труда и введения системы контрольных уровней. Контрольные уровни – это значения дозовых пределов и допустимых уровней, устанавливаемых руководством учреждения (предприятия) и местными органами Госсанэпиднадзора в целях максимально возможного снижения радиационного воздействия на персонал, население и объекты окружающей природной среды по отношению к регламентируемым нормативам и исходя из достигнутого уровня радиационной безопасности. [1 ст.74]

Третий принцип реализуется путем осуществления государственного надзора за обеспечением радиационной безопасности и установленным порядком ответственности за превышение регламентируемых дозовых пределов.

Радиационная безопасность персонала, населения и окружающей природной среды считается обеспеченной, если соблюдаются основные принципы радиационной безопасности (обоснование, оптимизация, нормирование) и требования радиационной защиты. [5 ст.147]

Основу системы радиационной безопасности составляют современные международные научные рекомендации, опыт стран, достигших высокого уровня радиационной защиты населения, и отечественный опыт. Данные мировой науки показывают, что соблюдение Международных основных норм безопасности, которые легли в основу отечественных нормативных документов, надежно гарантирует безопасность и работающих с источниками излучения, и всего населения. Главной целью радиационной безопасности является охрана здоровья населения, включая персонал, от вредного воздействия ионизирующего излучения путем соблюдения основных принципов и норм радиационной безопасности без необоснованных ограничений полезной деятельности при использовании излучения в различных областях хозяйства, в науке и медицине.