Реферат на тему:

Іонізуючі випромінювання

Назва "іонізуючі випромінювання” поєднує різні за своєю фізичною природою потоки енергії. Подібність між ними в тім, що всі ці випромінювання мають велику енергію, близьку за своїм характером хімічної дії на речовину, а також на живі організми.

Усі види іонізуючих випромінювань можна розділити на дві групи: електромагнітні випромінювання, до яких відносяться рентгенівські і гамма-промені, і потоки різного роду ядерних частинок.

Рентгенівські і гамма-промені належать до широкого спектру електромагнітних хвиль (рис. 2.2) і займають у ньому крайнє місце слідом за радіохвилями, інфрачервоними променями, видимим світлом і ультрафіолетовим випромінюванням. Усі ці види випромінювань розрізняються між собою по довжині хвилі. Найбільш коротку довжину хвилі і найбільшу частоту електромагнітних коливань у цьому спектрі мають рентгенівські і гамма-промені. Так, довжина хвилі рентгенівських променів, що випромінюється діагностичним рентгенівським апаратом, у 10 тис. разів коротша, а гамма-променів, що випромінюються радіоактивним кобальтом (60Со), майже у 450 тис. разів коротша довжини хвилі променів фіолетового світла .

Чим коротша довжина хвилі і, отже, чим більша частота коливань, тим вища енергія випромінювань і більша їхня проникаюча здатність.

У ядерній фізиці енергію прийнято вимірювати в електрон-вольтах (еВ) і в

Довжина хвиль, см | Тип випромінювання | Частота, Гц

100 000 000 000 |

Електричні хвилі | 10-1

10 000 000 000 | 100

1 000 000 000 | 101

100 000 000 | 102

10 000 000 | 103

1 000 000 | 104

100 000 | 105

10 000 | 106

1 000 |

Радіохвилі | 107

100 | 108

10 | 109

1,0 | 1010

0,1 | 1011

0,01 | 1012

0,001 | Інфрачервоні промені | 1013

0,000 1 | 1014

0,000 01 | Промені, що ми бачимо | 1015

0,000 001 | Ультрафіолетові промені | 1016

0,000 000 1 | 1017

0,000 000 01 | Рентгенівське випромінювання | 1018

0,000 000 001 | Гамма випромінювання | 1019

Рис. 2.2. Типи випромінювання та їхні довжина хвиль і частота.

похідних від цієї одиниці тисячах електрон-вольт (кеВ) і мільйонах електрон-вольтів (МеВ). Один електрон-вольт – це енергія, яку здобуває електрон при проходженні між пластинами конденсатора з різницею потенціалів у 1 В. Виходячи з деяких фізичних явищ, вважають, що рентгенівські і гамма-промені нагадують згустки енергій, які називають фотонами. Енергія фотона променів фіолетового світла, виражена в електрон-вольтах, дорівнює 3 еВ, рентгенівських променів для діагностики – 30 000 еВ, гамма-кванта 60Со – 1 160 000 і 1 330 000 еВ. Зі зменшенням довжини хвилі енергія квантів зростає. Математично ця залежність виражається так:

де – довжина хвилі в ангстремах (1 ангстрем (А0) = 1·10-8 см).

Незалежно від енергії фотони рентгенівських променів і гамма-квантів поширюється у вакуумі зі швидкістю світла 299 790 км/с.

Звичайним джерелом рентгенівського випромінювання є трубка рентгенівського апарату. У ній електрони, що випускаються при розігріві катода, прискорюються в електричному полі, створюваному прикладеною до анода високою напругою.

Підлітаючи до атомів матеріалу анода, електрони гальмуються, їхня кінетична енергія перетворюється в енергію фотонів рентгенівських променів. Максимальна енергія таких фотонів не перевищує прикладеної до анода напруги, але може мати будь-яке значення нижче її.

Середня енергія фотонів рентгенівських променів складає від половини до третини величини анодної напруги. Фотони рентгенівських випромінювань дуже високої енергії одержують за допомогою бетатрона ? приладу для прискорення електронів. Тут при гальмуванні розігнаних до великої швидкості електронів виникають фотони, енергія яких може досягати мільйонів електрон-вольт. Сонце теж є джерелом рентгенівських променів, але, на щастя, ці промені поглинаються земною атмосферою і виявляються тільки приладами, встановленими на супутниках і космічних ракетах.

Гамма-кванти утворюються в ході ядерних реакцій і при розпаді багатьох радіоактивних речовин. Їхня енергія може мати значення від десятків тисяч до мільйонів електрон-вольт. Для розпаду кожної радіоактивної речовини характерна властива їй енергія гамма-квантів, що випромінюються.

Фізичні властивості рентгенівських і гамма-променів і, що дуже важливо, їхня біологічна дія на живі організми однакові.

Як було згадано раніше, до іонізуючих відносяться також випромінювання різного роду ядерних частинок. До числа легких ядерних частинок належать бета-частинки.

Бета-частинки по своїй фізичній природі не відрізняються від електронів, що знаходяться на оболонках атомів та їх античастинок – позитронів. Маса бета-частинок, як і електронів у спокої складає 1/1 840 маси ядра водню. Бета-частинки подібно електронам і позитронам мають елементарний негативний або позитивний заряди. Вони виникають у ядрах атомів в процесі радіоактивного розпаду і негайно ж випромінюються відтіля. Наприклад, так розпадається радіоактивний фосфор, перетворюючись у сірку. Цю реакцію можна записати в такий спосіб:

(число ліворуч знизу – атомний чи порядковий номер у таблиці періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва, число ліворуч зверху – масове число, тобто атомна маса, виражені в цілих числах). Бета-частинки, що вилітають з ядер атомів, мають різну швидкість. Однак максимальна швидкість бета-частинок для конкретного виду радіоактивних атомів – величина цілком визначена. Наприклад, для радіоактивного фосфору () вона не набагато менша швидкості світла. Енергія над швидких бета-частинок дорівнює 1,7 МеВ. Середня енергія бета-частинок дорівнює однієї третини цієї величини. В результаті вильоту з ядра бета-частинки, що несе елементарний негативний заряд, вихідний радіоактивний атом перетворюється в атом іншого елемента, що стоїть в періодичній системі елементів праворуч (зрушення праворуч). Виліт позитрона супроводжується зрушенням ліворуч, тобто перетворенням в атом елемента, що має на одиницю менший атомний номер, ніж у вихідного .радіоактивного атома.

Бета-частинки (електрони, позитрони), на відміну від електромагнітних випромінювань (рентгенівських і гамма-променів), відхиляються від свого шляху в електричному і магнітному полях.

До важких ядерних часток відносяться альфа-частинки.

Альфа-частинка в 7 300 разів важкіша за бета-частинку. По своїй фізичній природі альфа-частинки є ядрами атома гелію з атомною масою 4,003 (). Альфа-частинка несе два елементарних позитивних електричних заряди. Ці частинки випромінюються при радіоактивному розпаді деяких елементів. Таким шляхом розпадається, наприклад, радій

.

Швидкість альфа-частинок, що випромінюються радієм, дорівнює приблизно 17 000 км/с. У результаті вильоту альфа-частинки атомний номер зменшується на дві одиниці, а атомна маса на чотири одиниці.

Альфа-частинки складають близько 6% загального числа частинок у космічних променях біля землі.

Відомо близько 30 різних природних радіоактивних речовин, при розпаді яких вилітають альфа-частинки. Зараз штучно отриманий ряд нових альфа-випромінювачів, що не зустрічаються в природі. Це так називані трансуранові елементи з атомним номером більше 92 (93…109).

Протони і дейтрони – це ядра легкого і важкого водню з одним елементарним позитивним зарядом. Маса протона майже в чотири рази, а дейтрона в два рази менша маси альфа-частинки. При деяких ядерних реакціях протони випромінюються з атомних ядер. Протони, які мають колосальну енергією, приходять на Землю зі світового простору в складі космічних променів. Вони переважають над іншими частинками у внутрішньому радіаційному поясі Землі (600…1 000 км і вище й у місцях магнітних аномалій нижче 600 км).

В результаті ядерних реакцій при поглинанні енергії протонів в атмосфері виникає радіоактивний вуглець ().

До іонізуючого випромінюванням потрібно віднести і нейтральні, не несучі електричного заряду частинки – нейтрони. Ці частинки вилітають з ядер атомів при деяких ядерних реакціях, зокрема при реакціях ділення ядер урану та плутонію. Маса нейтрона майже дорівнює масі протона. Нейтрони характеризуються різною швидкістю. Швидкі нейтрони мають енергію порядку 1 МеВ і вище, повільні – від одиниць до декількох електрон-вольт. Розрізняють також нейтрони проміжної енергії.

Ядра елементів більш важких, ніж водень і гелій, розігнані до великих швидкостей, також варто віднести до іонізуючого випромінювання. Дія важких іонів на живі організми вивчено ще мало, але майбутнім космонавтам прийдеться вважатися з тим, що такі частинки є поза земною атмосферою в складі первинного космічного випромінювання. Ядра більш важких, ніж гелій, елементів складають у Землі близько 1% усього числа частинок у космічних променях, що мають галактичне походження.

Ефект іонізації. Швидко рухаючись ядерні частинки, поширюючись у будь-якому середовищі, будуть зіштовхуватися (взаємодіяти) з молекулами й атомами речовини, розтрачуючи при цьому свою енергію.

Механізм поглинання енергії різних за своїй фізичній природі випромінювань (рентгенівських і гамма-квантів, заряджених частинок, нейтронів) неоднаковий, але в кінцевому рахунку він зводиться до виникнення іонів і збуджених атомів і молекул. Ефект іонізації, властивий усім цим випромінюванням, дозволяє віднести їх до однієї категорії – іонізуючих промінів.

Ефект іонізації полягає в тім, що заряджена частинка електрично взаємодіє з електроном на зовнішній оболонці атома чи молекули речовини, через яку вона пролітає. Це приводить до розриву зв'язку цього електрона з відповідним атомом або молекулою, в наслідок чого атом або молекула стає позитивно зарядженим іоном. Позитивний іон разом з електроном, що відірвався, утворює пару іонів. Електрон, зірваний з оболонки атома при первинному зіткненні з іонізуючою частинкою, може у свою чергу іонізувати молекули й атоми середовища, що зустрічаються на його шляху, поки не вичерпає свою кінетичну енергію і не приєднається до нейтральної молекули з утворенням негативного іона. На утворення пари іонів витрачається тільки частина енергії іонізуючої частинки. Повна ж передача її енергії супроводжується утворенням у поглинаючому середовищі багатьох пар іонів. На кожну пару іонів виникає, крім того, два-три збуджених атома чи молекули. Перескок електрона з ближньої до ядра атома оболонки на більш далеку (на що також витрачається енергія) «збуджує» атом. При зворотному перескоку електрона на ближню оболонку надлишок енергії випромінюється у виді фотонів видимого, ультрафіолетового світла чи рентгенівських променів. Спалахи світла, які виникають у деяких речовинах (сцинтиляторах), при поглинанні випромінювання можуть бути зареєстровані за допомогою фото примножувача й електронного пристрою. Це один зі способів виявлення і виміру параметрів іонізуючих випромінювань.

Може виникнути питання, як же іонізують поглинаюче середовище нейтрони, якщо вони не заряджені і не можуть, електрично взаємодіяти з електронами молекул та атомів? Нейтрон дійсно не є безпосередньо іонізуючою часткою. Механізм поглинання нейтронів у тканинах живих організмів насамперед залежить від їх енергії. Для швидких нейтронів з енергією 1 МеВ і вище найбільш важливою реакцією є розсіювання на ядрах водню. Відштовхуючись від ядра водню, тобто протона, нейтрон передає останньому частину своєї кінетичної енергії. Такий протон, чи, як його звичайно називають, протон віддачі, і буде безпосередньо іонізуючою частинкою. Кожне зіткнення нейтрона з ядром водню приводить до зниження енергії нейтрона. Після декількох зіткнень нейтрон перейде в категорію повільних та теплових нейтронів. У тканинах поряд із протонами віддачі можуть виникати ядра віддачі вуглецю, кисню, азоту та ін. Однак імовірність виникнення ядер віддачі більш важких атомів, ніж водень, порівняно невелика. Головною реакцією при поглинанні теплових нейтронів є реакція радіаційного захоплення. Так називають реакцію, при якій відбувається захоплення нейтрона з випущенням гамма-кванта. Прикладом такої реакції може бути захоплення нейтрона ядром легкого водню з утворенням важкого водню:

.

Важкий водень – дейтерій – стійкий. Атоми дейтерію не піддані радіоактивному розпаду. Але поглинання повільних нейтронів приводить також до виникнення радіоактивних атомів. Прикладом можуть служити наступні дві ядерні реакції, що поряд з іншими протікають в організмі при опроміненні нейтронами:

У цих реакціях (як і при реакції з воднем) в момент захоплення нейтрона виникає гамма-квант. Іонізацію в середовищі викликають процеси поглинання цього гамма-кванту. Крім того, іонізацію викликають також випромінювання, що генеруються радіоактивними атомами, які утворилися, при їхньому розпаді.

В залежності від енергії гамма-квантів і елементного складу поглинаючого середовища по-різному буде відбуватися їхня взаємодія з атомами чи молекулами. Гамма-квант при взаємодії із середовищем може віддати усю свою енергію електрону, що вибивається з атома, і перестати існувати (фотоефект), або електрон здобуває тільки частину енергії гамма-кванта (ефект Комптона). В останньому випадку електрон вилітає з атома в одному напрямку, гамма-квант зі зменшеною в порівнянні з первісною енергією – в іншому. Електрон розтрачує свою кінетичну енергію на іонізацію і збудження інших атомів і молекул поглинаючого середовища, гамма-квант продовжує взаємодіяти із середовищем доти, поки не зникне в результаті фотоефекта.

При енергії гамма-кванта 1,02 МеВ і вище можливий ще третій вид взаємодії із атомами речовини, де вони розповсюджуються, – утворення пари електрон - позитрон. Ці частинки з'єднуються один з одним (або позитрон вступає у реакцію анігіляції з електроном іншого атома) і породжують два гамма-кванти з енергією 0,51 МеВ кожний.

Хоча вторинний електрон, що виникає при повному чи частковому поглинанні гамма-квантів, іонізує середовище точно так само, як бета-частинка відповідної енергії, розподіл йонів в об’ємі, що опромінюється, буде далеко не однаковий. При зовнішнім опроміненні бета-частинка з енергією 1 МеВ проникає в тканину на глибину лише декількох міліметрів. Більш глибокі шари тканини залишаються незачепленими таким випромінюванням. Гамма-квант тієї ж енергії буде проникати глибоко в тканину, поступово утрачаючи свою енергію на вибивання електронів, а електрони на іонізацію і руйнування молекул.

Таким чином, якщо навіть в об’ємі тканини, що опромінюється, у результаті дії різних видів випромінювань утвориться однакове число іонів, просторовий їхній розподіл буде різним. Альфа-частинки і протони дадуть щільні рої іонів. Бета-частинки високої енергії спочатку дають у тканини досить розосереджені по сліду пари іонів; наприкінці свого шляху вони так само як і альфа-частинки, утворюють пари іонів, що збиваються в тісний ряд. Гамма-кванти утворюють пари іонів рівномірно розподілені по всьому обсязі тканини, що опромінюється.

Швидкі нейтрони в силу їхнього великого пробігу в тканині вибивають протони з атомів на різній глибині. Іони, збуджені молекули та атоми, що утворюються при поглинанні енергії протонів, подібно тому, як це відбувається при взаємодії з гамма-квантами, розподілені у всьому об’ємі, що опромінюється. Різниця в тім, що протони – важкі частинки, тому вони мають короткий пробіг у тканині і дають щільну іонізацію, тоді як вторинні електрони при рівній енергії пробігають більший шлях у тканинах і дають меншу щільність іонів.

Чи буде людина, приймаючи сонячні ванни, радуватися красивій засмазі, або буде страждати від опіків, залежить від дози променевої енергії, поглиненої шкірою. Точно так само біологічна дія іонізуючих випромінювань пов'язана з кількістю енергії, поглиненою тканиною. Цю енергію, як згадувалося раніше, вимірюють у електрон-вольтах. Разом з тим зручніше скористатися іншою одиницею – ергом. Один електрон-вольт еквівалентний – 1,6·10-12 ерг. Ерг – одиниця роботи. Це сила в одну діну (1 дін), що діє на шляху 1 см. Ерг – мала величина. Для нагрівання одного граму води на 1°С потрібно виконати роботу у 4,2·106 ерг, що еквівалентно однієї малої калорії (1 кал).

Одиниця поглиненої дози будь-якого виду іонізуючого випромінювання зветься рад. Доза, що дорівнює 1 рад, означає, що кожен грам речовини, при опроміненні, поглинає 100 ерг енергії. Безпосередньо визначити кількість поглиненої енергії, а отже і поглинену дозу, можна в тому випадку, якщо поглинаюче середовище в кінцевому рахунку хімічно не змінюється; тоді вся енергія іонізуючого випромінювання перетворюється в тепло. Цей ефект вимірюють у калориметрі – приладі, у якому можна визначити кількість тепла, що виділилося. Але зробити це дуже важко, тому що навіть великі дози іонізуючого випромінювання, перетворені в тепло, дають дуже невеликий підйом температури.

Практично дозу визначають по числу пар іонів, що утворюються у визначеному обсязі повітря. Для цього існує багато приладів різної конструкції, призначених для виміру іонізаційного ефекту.

Дозу рентгенівських та гамма-променів, що називають експозиційною, обмірювану цими приладами і виражають у рентгенах (Р). Загальноприйнята вже багато років одиниця рентген означає, що в 1 см3 сухого повітря при 00С і тиску 760 мм рт. ст. утворюється 2,08·109 пар іонів. Ця величина не випадкова. Якщо врахувати, що кожен іон несе один елементарний електричний заряд (позитивний чи негативний), рівний 4,80·10-10 електростатичним одиницям, то 2,08·109 пар іонів будуть нести по одній електростатичній одиниці зарядів обох знаків. 1 г повітря при нормальних умовах (тиск 760 мм рт. ст., температура 00С) займає об’єм 770 см3. При дозі в 1 Р у 1 г повітря утвориться 1,6·1012 пар іонів. Якщо вважати, що на утворення однієї пари іонів і відповідного числа збуджених молекул потрібно 34 еВ, то на утворення 1,6·1012 пар іонів буде потрібно 54,4·1012 еВ, тобто 87 ерг.

Гальмова здатність водяної пари більше, ніж повітря. Тому в її масі – 1 г при дозі 1 Р утворюється більше пар іонів, ніж у 1 г повітря. В зв’язку з тим, що витрати енергії на утворення пари іонів залишається однаковою (34 еВ), то доза в 1 Р у одному грамі водяної пари відповідає для випромінювання, що розглядається, 98 ерг поглиненої енергії. Гальмова здатність речовини незалежно від її стану (газоподібного, рідкого чи твердого) залишається однаковою, тому в 1 г води доза 1 Р теж приведе до поглинання 98 ерг енергії. До води, з точки зору іонізуючого випромінювання, відносять і м'які тканини, наприклад м'язи.

Вимірюючи дозу рентгенівських і гамма-променів у повітрі, можна прийняти, що доза, виражена в рентгенах, приблизно відповідає дозі в радах для воді або м'яких тканин.

Для практики оцінки впливу іонізуючого випромінювання на людину необхідно визначити співвідношення між дією випромінювання на організми з дозою, обмірюваною в рентгенах, у повітрі. Для оцінки дії випромінювання необхідно також знати потужність дози, інакше кажучи дозу в рентгенах або радах за одиницю часу (секунду, хвилину, годину).

Для виміру активності, радіоактивних речовин прийнята спеціальна одиниця – кюрі (Ku). Один Ku означає, що за 1 с розпадається 3,7·1010 атомів; дробові частки – одну тисячну й одну мільйонну – кюрі називають відповідно мілікюрі (мKu) і мікрокюрі (мкKu). Один мKu відповідає 3,7·107, а один мкKu – 3,7·104 росп/с. Схема розпаду у різних радіоактивних ізотопів неоднакова, тому на один розпад може випромінюватися різна кількість енергії. Щоб від активності, вираженої в кюрі, перейти до дози, вираженої в радах, користаються перерахунковими залежностями.

Виражаючи дозу в радах, варто ще врахувати, яким випромінюванням і якої енергії вона обумовлена. Суть справи в тім, що через розходження в просторовому розподілі іонів, характерному для кожного виду й енергії випромінювання при одній і тій же дозі, але з різною лінійною передачею енергії, біологічна дія випромінювання буде неоднакова. Вона виявляється більш високою для іонізуючих випромінювань з великою лінійною передачею енергія.

Неоднакова біологічна дія різних видів і енергії випромінювань при одній і тій же поглиненій дозі привело до необхідності враховувати відносну біологічну ефективність (ВБЕ).

Для розрахунків захисту від випромінювань санітарні правила передбачають ВБЕ для різних видів випромінювань, що наведена в табл. 2.3. За одиницю прийнята біологічна ефективність рентгенівських променів з енергією 200 кеВ.

Відносна біологічна ефективність буде мінятися в досить широких межах у залежності від об'єкта й умов опромінення, а також обраного показника дії іонізуючого випромінювання. Так, наприклад, те саме променеве ураження – виникнення катаракти (помутніння кристалика) у 50% мишей при опроміненні рентгенівськими променями викликалася дозою 800 рад, а при опроміненні нейтронами – дозою 200 рад. У даному випадку ВБЕ дорівнює чотирьом.

Таблиця 2.3

Відносна біологічна ефективність іонізуючих випромінювань

Вид випромінювання | ВБЕ | Вид випромінювання | ВБЕ

Рентгенівські і гамма - промені | 1 | Повільні нейтрони | 3

Бета - частинки | 1 | Швидкі нейтрони | 10

Альфа - частинки | 20 | Важкі йони та ядра віддачи | 20

Ця величина зростала, якщо опромінення тією же дозою здійснювалася не відразу, а окремими порціями. Для гігієнічних розрахунків приймають відносні величини, що наведені в табл. 2.3. Отже, доза швидких нейтронів величиною в 1 рад зробить таку ж біологічну дію на людину, що і доза 10 рад рентгенівських чи гамма-променів. Якщо людина піддавалася змішаному опроміненню гамма-променями і нейтронами, простого підсумовування дози (кількості поглиненої енергії) ще недостатньо для того, щоб оцінити можливий біологічний ефект. Потрібно знати внесок у загальну дозу кожного виду випромінювання, і внести виправлення на величину відносної ефективності опромінення нейтронами. Дозу випромінювання з урахуванням виправлення на ВБЕ виражають в одиницях, що називають біологічним еквівалентом рентгена (бер). При опроміненні гамма-променями дозою 300 рад і швидкими нейтронами дозою 100 рад сумарна доза буде дорівнює (300·1) + (100·10) = 1 300 бер. Необхідність зіставлення біологічної ефективності альфа-частинок з іншими видами випромінювань виникає в тому випадку, коли альфа-випромінювач потрапляє усередину організму. Через більшу біологічну ефективність альфа-частинки при влученні їх джерел у середину організму значно більш токсичні, ніж бета-частинки.

Протони, подібно альфа-частинкам, теж належать до іонізуючих з великою щільністю іонізації, однак якщо їхня енергія дуже висока, ВБЕ їх може бути нижче одиниці. ВБЕ протонів високої і надвисокої енергії становить інтерес для дослідників тому, що з них, мабуть, складається внутрішній радіаційний пояс Землі і вони становлять 80% частинок первинного космічного випромінювання, що приходять на Землю зі світового простору.

Для вищих тварин і людини смертельна доза при опроміненні усього тіла рентгенівськими чи гамма - променями дорівнює 600...800 рад, що означає поглинання в 1 мм3 тканині енергії 6·104…8·104 ерг – кількості енергії, при перетворенні якої у тепло, могло б підняти температуру тіла усього на 0,0020С. Таке незначне підвищення температури ніяк не повинно було б уплинути на життєві процеси. Це означає, що при поглинанні, здавалося б, незначної по абсолютній величині енергії іонізуючого випромінювання в організмі починається послідовний ряд фізико-хімічних, біохімічних і фізіологічних процесів, які підсилюють первинний ефект та в кінцевому рахунку приводить до загибелі організму.

Можна було б припустити, що іонізація торкається значної частини молекул, з яких складається тваринна чи рослинна клітина. Розрахунок показує, що це не так. При опроміненні тканини дозою в 1 рад в 1 мкм3 утворюється приблизно дві іонізовані молекули. Об’єм клітини складає приблизно 500 мкм3. Отже, при такій дозі опромінення в клітині утвориться до 1 000 іонізованих молекул, а при смертельній дозі для тварини – 600 рад, у клітині виникає 1 млн. іонізованих молекул. На перший погляд таке число здається значною величиною, але якщо врахувати, що клітина складається приблизно з 1012 молекул, то вийде, що при смертельній дозі первісні зміни відбуваються тільки в одній молекулі з мільйона. З цього можна заключити, що після опромінення вступають у дію механізми, які підсилюють первісні зміни. Говорячи приблизно і схематично, перші фізико-хімічні реакції в організмі служать як би поштовхом і для запуску наступних процесів, що ведуть у кінцевому результаті до променевого ураження організму.

Стадію впливу випромінювання на біологічні об'єкти, що приводить до утворення іонів і збуджених молекул, можна назвати фізичною. Тривалість її коротка – 10-16 с. За нею йде фізико-хімічна стадія тривалістю – 10-11 с.

Не можна випустити з уваги, що не всі молекули в клітині мають однакові значення для її життєдіяльності і нормальний хід біологічних процесів у ній може бути обумовлений невеликим числом молекул деяких речовин, а також цілісністю внутрішньоклітинних структур.

Розглянемо хімічну дію іонізуючого випромінювання.

Головною складовою частиною всіх живих організмів, у яких йдуть інтенсивно процеси обміну речовин, є вода. Людський організм містить приблизно 65…85% води, деякі органи його тіла – до 90% води. Тому увага радіо біологів притягнута до пошуків відповіді на те, що відбувається у воді і водяних розчинах під впливом іонізуючого випромінювання. Це складає предмет дослідження радіаційної хімії води.

Розглянемо, що теоретично може відбутися при опроміненні чистої води. Дослідження свідчать: молекули води будуть іонізуватися. Вони втрачають електрон і перетворюються в позитивний іон. Записати цю реакцію можна так:

іонізуюче випромінювання (hн) > Н2О > Н2О+ + електрон (е-).

Електрон, що відлітає, взаємодіє з нейтральною молекулою води і перетворює її в негативний іон – Н2О–. Іони такого роду вкрай хитливі. Цим іони Н2О+ і Н2О– відрізняються від іонів Н+ і ОН–, що утворюються при електричній дисоціації молекул води. Продуктом розщеплення іонів Н2О+ і Н2О– є вільні радикали. При розщепленні іонів води утворюються радикали ОН* та ОН– (крапка в хімічного символу означає, що даний атом чи група атомів є вільним радикалом).

Якщо ж електрон знову приєднається до тієї молекули, відкіля спочатку вилетів, молекула знову стане електронейтральною, але перейде в сильно збуджений стан. Надлишкова енергія буде витрачена на розщеплення молекули з утворенням вільних радикалів.

Отже, при впливі іонізуючого випромінювання на чисту воду виникають вільні радикали Н* і ОН*; де Н* – атомарний водень. У такому стані атом водню може існувати тільки дуже короткий час – порядку 10-5…10-6 с. У цей термін два атоми водню з'єднаються разом, утворюючи молекулу водню, або вільні радикали, що виникають при розщепленні молекули, Н* і ОН* з'єднуються, створивши знову молекулу води, або Н* втратить електрон, віддавши його іншому атому, і перетвориться в іон Н+, чи нарешті, якщо у воді розчинене яка-небудь речовина, Н* може приєднатися до нього. Настільки ж хитливий і вільний радикал ОН*. У цій сукупності атомів одна валентність кисню зв'язана з воднем, а інша залишається незайнятою. Для перетворення в стійке з'єднання необхідне заміщення вільної валентності в радикалі ОН*. Потрібно, щоб непарний електрон став парним і в молекулі, що утворилася, було б парне число електронів.

Радикал ОН* може виникати у воді без участі іонізуючого випромінювання по ходу хімічної реакції (наприклад, окислювання перекисом водню двовалентного заліза в тривалентне). Вільний радикал хімічно дуже активний.

При наявності у воді розчиненого кисню найбільш ймовірними будуть наступні реакції:

іонізуюче випромінювання (hн) > Н2О + О2 > ОН* + НО2

або – Н*+О2>НО2.

Таким чином, розщеплення води, у якій є розчинений кисень, йде з утворенням молекул НО2. У рідинах організму, як правило, існує розчинений кисень, тому утворення молекул НО2 є першою ступінню перетворення енергії іонізуючого випромінювання в енергію хімічних реакцій.

Молекули НО2, з'єднуючись, перетворюються в перекис водню і кисень НО2+НО2>Н2О2+О2.

При наявності у воді розчиненого з'єднання НО2, – гідропероксиду, у силу своїх властивостей, буде віднімати електрон від іншого з'єднання, перетворюючи його в іон НО-2 а останній у всіх розчинах, за винятком лугових, переходить у перекис водню: НО-2+Н+>Н2О2.

Таким чином, при опроміненні води, у якій розчинений кисень, повинна утворюватися перекис водню. Це дійсно відбувається при опроміненні такої води рентгенівськими та гамма-променями. Перекис водню, що утворився, можна кількісно визначити хімічними методами.

Перекис водню утворюється й у чистій воді, у якій не розчинений кисень, але у вимірних кількостях тільки при опроміненні її альфа-частинками або протонами, тобто випромінюванням з великою щільністю іонізації. У цьому випадку радикали ОН* утворюються в безпосередній близькості один від одного, тому найбільш ймовірною стає реакція з'єднання цих радикалів: ОН*+ОН*>Н2О2.

Отже, розкладання води альфа-частинками і протонами веде до утворення перекису водню і молекулярного водню.

Утворення перекису водню можливо й в організмі, що опромінюється, але довести це важко, тому що в клітинах організму є дуже активний фермент каталаза, що розкладає Н2О2 відразу ж після її утворення на воду і кисень.

Чутливість до іонізуючого опромінення різних живих організмів на диву дуже широкого діапазону. Наприклад, ріст одного з видів грибка може бути загальмований геть лише 0,01 Р, у той же час мухи, опромінені дозою 80 000 Р, літають, годуються і поводяться як звичайно. Інфузорію убиває доза значно вище 300 000 Р. Але і це не межа. Одноклітинна водорість хлорела – цей ймовірний майбутній постачальник кисню, а може бути, і їжі для космонавтів, хоча і «занедужує» але не гине від доз у мільйони рентгенів.

Недавно співробітники лабораторії в Лос-Аламосі (США) помітили, що вода, яка оточує занурений у неї ядерний реактор, помутніла. Під мікроскопом у краплі води було виявлено величезне число бактерії виду Pseudomanos. І це в умовах, коли доза у воді за 8 годин складала 10 млн. Р. Бактерії розмножилися, харчуючись іонообмінною смолою водяних фільтрів. У живому світі бактерія Pseudomanos – рекордсменка по стійкості до опромінення. Залишається загадковим, як при таких величезних дозах бактерії в стані жити і розмножуватися. По всім даним, у клітинах навіть при значно менших дозах повинні були би згорнутися білок і розірватися молекули ДНК.

Не менш разюче також і те, у яких широких межах і як швидко може мінятися радіочутливість клітинок. Так, наприклад, опромінення корінця рослини на відстані 1 см від його верхівки дозою 200 000 Р викликає незначну тимчасову затримку росту, а цілодобово раніш ці клітки розташовувалися на самій верхівці кореня і доза всього 30 Р була достатньою для помітної затримки їхнього росту. За добу стійкість кліток до опромінення збільшилася в тисячі разів.

Розрізняються між собою по чутливості окремі породи тварин одного виду й окремі штами бактерій. Виділено, наприклад, штами кишкової палички, відносно резистентні і, навпаки, мало стійкі до опромінення.

У табл. 2.4 наведені дані про дози рентгенівських променів, що убивають половину опромінених тварин при спостереженні за результатами протягом 30 днів.

Така доза зветься 50% смертельною (летальною) дозою(LD50). Вже сам факт, що при визначеній дозі половина тварин гине, а інша залишається в живих, свідчить про різну чутливість до опромінення навіть тварин одного виду, однієї породи, інакше кажучи, про індивідуальні коливання радіочутливості.

На підставі вивчення нещасних випадків при аварії ядерних реакторів і оцінки вражаючого дії атомних бомб у Хіросімі і Нагасакі для людини LD50 дорівнює приблизно 400…600 Р.

Ссавці, як правило, більш чутливі до опромінення, ніж птахи, риби, амфібії, а тим більше молюски й одноклітинні. Пацюк, наприклад, у 5 разів більш чутливий до опромінення, ніж голуб.

У світі рослин розходження в радіочутливості окремих видів теж дуже великі. Це досить точно перевірено при опроміненні рослин на так званих гамма-полях. Рослини на них розсаджують по колу на різних радіусах. У центрі кола знаходиться гамма-випромінювач, найчастіше 60Со. Зі збільшенням відстані від джерела доза випромінювання зменшується зворотно пропорційно квадрату відстані. Знаючи потужність дози і час опромінення, можна розрахувати сумарну дозу, отриману рослинами на різних відстанях від джерела. Так одночасно досліджують велику чисельність рослин на дію різних доз гамма-випромінювання.

Таблиця 2.4

Дози, що викликають загибель, половини опромінених організмів при спостереженні протягом 30 днів

Вид тварини | Доза, Р | Вид тварини | Доза, Р

Морська свинка

Свиня

Собака

Миша

Пацюк

Мавпа | 300…350

275…300

325…400

350…500

450…550

500…550 | Кролик

Птаха

Амеба

Дріжджі

Інфузорія |

900

1 000

100 000

30 000

300 000

Результати такого роду обстежень можуть допомогти вирішити питання про те, наскільки великий ризик для кожної людини окремо, для всього людства і для майбутніх поколінь, якщо опромінення перевищує звичайну сумарну довічну дозу 5…7 Р. З такого роду обстежень повинні бути зроблені дуже відповідальні висновки. Але зробити їх дуже важко, тому що для цього потрібно нагромадити великий і доброякісний статистичний матеріал.

Іонізуюче випромінювання робить на організм тільки ушкоджуючи дії, тому ідеальним було б для людства збереження на землі природного рівня опромінення і попередження всякої можливості його перевищення. Недарма передові учені в усьому світі наполегливо борються за заборону ядерних випробувань, за ліквідацію небезпеки ядерної війни. Радіобіологі спонукують лікарів звужувати показання для застосування рентгенівського просвічування, обмежуючи їх випадками, де користь від постановки правильного діагнозу за допомогою рентгенівських променів переважує можливу шкоду від них. Тим же порозумівається, що за останні десятиліття неодноразово переглядалися убік зниження встановлені санітарним законодавством гранично допустимі дози опромінення при роботі з джерелами випромінювання і радіоактивними речовинами.

Ми розглянули вплив великих доз опромінювання на організм живої істоти. Разом з тим проблема хронічного впливу малих доз привертає серйозну увагу в наслідок ядерної катастрофи у Чорнобилі. Але, що ж вважати малою дозою при хронічних впливах? Очевидно, за малі треба прийняти дози, порівнянні з природним тлом та перевищують його лише на один-два порядки, тобто в десятки, сотню разів.

Вивчення дії малих доз у таких межах наштовхується на дуже великі труднощі. Насамперед тому, що нелегко знайти такий показник, який був би специфічний для дії іонізуючого випромінювання. У практичному житті організм людини протистоїть багатьом хвороботворним факторам. Мільйони людей дихають не ідеально чистим і здоровим повітрям альпійських лугів і соснових лісів, а в більшій чи меншій мері задимленим повітрям великих міст. Ми п'ємо воду, за своїми якостями далеку від джерельній, мільйони людей курять, вживають алкоголь і протягом багатьох років отруюються нікотином й харчовими спиртами. Чи можна на такім тлі виділити якусь дію малих доз іонізуючого випромінювання? Американці й англійці провели порівняльне анкетне обстеження лікарів-рентгенологів і лікарів інших спеціальностей. Їх цікавила середня тривалість життя, захворюваність у тій і іншій групі лікарів, число дітей у родині, кількість з них мертвонароджених, з уродженими дефектами і т.д. Однак статистична обробка зібраного матеріалу не дозволила зробити цілком достовірних висновків.

Справа ще ускладнюється тим, що залишається поки остаточно не встановленим, які прояви дії випромінювань можуть виникнути при будь-який малій, додатковій до природного опромінення дозі і які ураження розвиваються тільки по досягненні визначеного рівня дози (гранична дія). Коли мова йде про вплив доз, що перевищують природне тло на один-два порядки, то деяких змін можна чекати лише при тривалому опроміненні такими дозами. Самі по собі ці зміни будуть такого роду, що для їхнього розвитку потрібний тривалий час. Сюди відносяться, наприклад, такі показники можливої прояви дії малих доз, як виникнення лейкемій, пухлин чи генетичної дії випромінювання.

При проведенні тривалого хронічного досліду на рівні клітини і з тваринами їх розміщають на різній відстані від джерела (60Со чи 137Сs). Як рослини на гамма-полях, так і тварини в цих умовах опромінюються в залежності від відстані до джерела гамма-променями різної інтенсивності.

Вчені намагаються виявити, чим тварини, що хронічно опромінюються, відрізняються від контрольних, котрі в усьому подібні піддослідним, одержують однакове харчування, але піддаються тільки природному опроміненню. Критерії дії хронічного опромінювання – тривалість життя, частота захворювань, зміни в крові і виникнення пухлин, плідність, якість потомства і т. д.

Враховувалося скорочення тривалості життя, не викликане якими-небудь захворюваннями, а відповідно природному старінню. Укорочення життя було явним при щотижневих дозах вище 10 рад, тобто приблизно в 6 000…10 000 разів вище природного тла. Це вже малою дозою не можна назвати. У цих дослідах зненацька було виявлено, що при потужності дози менше 1 рад у тиждень тривалість життя тварин, що хронічно опромінюються, була навіть вища, ніж у контрольних. Це дуже зацікавило вчених, і в літературі з'явилися й інші зведення про подібний ефект, але їх ще не вистачає для того, щоб визнати вірогідність цього явища. Однак ефект не знайшов підтвердження в процесі проведених у США досліджень де опромінювали новонароджених пацюків на четвертий день життя однократними дозами 5, 25 і 125 Р. Тривалість життя у пацюків-самців при всіх цих трьох дозах опромінення залишалася такою, як і у контрольних; пацюки-самки після опромінення дозою 125 Р жили трохи менше, ніж контрольні.

Дані про скорочення тривалості життя гризунів, про їхнє передчасне старіння при дозах, що перевищують 10 рад у тиждень, не можна безпосередньо перенести на людину. Цінність цих даних у тім, що вони орієнтують нас у можливих наслідках хронічного опромінення; але яких – це повинні показати подальші дослідження.

Автори, що займалися вивченням закономірностей з цього питання, висловлювали припущення, що доза 1 Р скорочує тривалість життя людини на одну добу, інші вважали – на 15 діб. Песимістично настроєні дослідники називали і більші терміни. Але у всіх авторів немає ще досить серйозних підстав для подібного роду розрахунків.

У зв'язку з забрудненням земної поверхні радіоактивними опадами стало актуальним питання про дію малих доз опромінювання радіоактивними речовинами, що потрапили у нутро організму. На відміну від загального зовнішнього опромінення тут на перший план виступає нерівномірне опромінення клітин організму бета- і альфа-частинками. Таке положення призводить не стільки до якісної різниці реакції організму на такого роду хронічну дію випромінювання, скільки до особливостей у локалізації можливих ушкоджень організму в наслідок концентрації відповідних радіоактивних хімічних елементів у так називаних критичних органах (рис. 2.3).

Якщо дія малих доз опромінювання залишається схованою і воно частково чи цілком нейтралізується силами організму, то дія великих доз виявляється бурхливо. У цьому випадку як показник теж можна обрати виживаність і тривалість життя людей після однократного загального опромінення. Детальні дослідження дії випромінювання різними дозами проведені на мишах, пацюках, собаках і мавпах. На спеціальних апаратах, де можна було досягти великої потужності випромінювання, мишей опромінювали дозою понад 100 тис. Р. Миші при цьому гинули прямо "під променем”. Причиною смерті було руйнування найважливіших для життя хімічних речовин. У цьому випадку смерть назвали "молекулярною”. При дозах від 30 000 до 100 000 Р миші живуть кілька годин після опромінення, при цьому тим менше, чим більша доза (наприклад, при дозі 64 000 Р – 6 годин). Смерть тут настає при явних ознаках поразки центральної нервової системи (судороги). Такі симптоми виявляються і при опроміненні тільки голови. У діапазоні доз від 1 000 до 16 000 Р тварини залишаються живими 3,5 доби. Поразки тут захоплюють ряд систем і органів, однак до смерті ведуть у всьому цьому діапазоні доз наслідки ураження шлунково-кишкового тракту. При дозах нижче 1 000 Р тривалість життя збільшується зі зниженням доз. Піки смертності приходяться па 3…6, 6…9 і 9…30 дні після опромінення. У період з 6-го по 30-й день смерть обумовлена поразкою кровотворних органів і інфекційних ускладнень. При дозах нижче 100 Р променеве ураження виявляється слабко і миші залишаються живими в контрольний термін.

У людини все різноманіття проявів променевого ураження спостерігається при дозах порядку 400…1 000 Р; тобто при дозах, що не приводять до летального наслідку у перші дні після опромінення.

Рис. 2.3. Органи людини, де накопичуються радіоактивні речовини.

Найбільш ретельно вивчені випадки гострої променевої хвороби у людей, що постраждали при аваріях. Описано таких випадків не мало. Завжди при цьому відома з більшою чи меншою точністю доза опромінення потерпілих.

Типовими для променевої хвороби були зміни в крові. Картина крові до опромінення у всіх була нормальною. У перший день після опромінювання число білих кров'яних тілець (лейкоцитів) підвищувалося з 5 000…7 000 до

10 000…11 000 у 1 мм3 крові; протягом латентного періоду число кров'яних клітин поступово зменшувалося. Повільніше всього знижувалося число червоних кров'яних тілець (еритроцитів), більше всього – число лімфоцитів. Кількість лімфоцитів зменшувалося до мінімуму в перші п'ять діб, надалі воно коливалося біля досягнутого низького рівня. Зменшувався також вміст кров'яних пластинок і молодих форм еритроцитів. У найбільш важко уражених в період розпалу хвороби склад крові вказував на майже повне руйнування кісткового мозку. Число лейкоцитів у них падало до 50 у I мм3. Розвивалося недокрів'я. Часті були кровотечі з носа, ясен, з'являлися очагові крововиливи у ногах. Люди, що отримали великі дози страждали кровотечіями в кишечнику і легенях. Блювота і відхаркування кров'ю у них поступово зростали. У всіх потерпілих наприкінці критичного періоду підсилювалися розлади діяльності шлунково-кишкового тракту: розвивався запальний процес у роті і гортані, з'являлася біль у животі, порушувалася перистальтика кишечнику. Незважаючи на усі вжиті заходи, ураження внутрішніх органів зростало: виникала непрохідність кишечнику, жовтяниця, нирки перестали виділяти сечу і на 30…32 день люди вмирали. При анатомічних дослідженнях у них знайшли крововилив по всьому кишечнику, у легенях, невеликі крововиливи в нирках і сечовому міхурі, сильне ураження гонадів.

Дослідження сперми чоловіків на другому тижні свідчили про зменшення числа сперматозоїдів, їх морфологічні і функціональні зміни. Наступні аналізи у 20% чоловік сперматозоїдів узагалі не знаходили, а у інших їх було дуже мало. Французький лікар Жамме систематизував ознаки хвороби. Вони типові для кожної форми гострої променевої хвороби.

Через явну погрозу смертельного результату хворих був випробуваний розроблений раніше в експерименті метод лікування шляхом переливання кісткового мозку. Метод виявився в даному випадку високоефективним, але не всі уражені були врятовані від смерті. Наступні спостереження за ураженими показали, що стан здоров'я був у них задовільним, однак сліди перенесеної хвороби залишалися: стомлюваність, біль під ложечкою, не зовсім задовільне травлення й ін.

На завершення слід зауважити: ступінь ураження людини іонізуючими промінями залежить від енергії, що передається організмові, визначається великою кількістю чинників і носить імовірний характер. Наслідки променевої хвороби у будь якому випадку негативні, тому необхідно передбачати небезпеку іонізуючого ураження та застосовувати заходи захисту від неї.

ЛІТЕРАТУРА

Про захист населення і територій від надзвичайних ситуацій техногенного та природного характеру: Закон України.– К.: – 2000.

Бабенко О.І., Задорожна О.М.,Черевко Р.І. Безпека життєдіяльності людини в надзвичайних ситуаціях: Навч.посібник.– К.: ІЗМН. – 1996.– 224с.

Миценко І.М. Забезпечення життєдіяльності людини в навколишньому середовищі: Навч. Посібник. – Кіровоград. – 1998.– 292с.

Чирва Ю.О.,Баб’як О.С. Безпека життєдіяльності: Навч.посібник. – К.: АТІКА.– 2001.– 304с.

Джигирей В.А. та ін. Безпека життєдіяльності: Навч.посібник. – Львов: "Афіша”. – 1999.–254с.

Литвак С.М., Михайлик В.О. Безпека життєдіяльності: Навч.посібник. – Миколаїв: ТОВ "Компанія ВІД”. – 2001. – 230с.

Методичні вказівки і завдання для самостійної роботи студентів з курсу "Безпека життєдіяльності людини”, КНЕУ.– 1998. –44с.

Каммерер Ю.Ю.,Кутырев А.К., Харкевич А.Е. Защитные сооружения гражданской обороны :Учеб.пособие.– М.: Энергоатомиздат. – 1985.– 232с.

Шубин Е.П. Гражданская оборона : Учебное пособие. – М.: Просвещение. – 1991. – 223с.

Жалібо Е.П. Безпека життєдіяльності.– Львів.: "Новий світ”. – 2000. –320с.

СтеблюкМ.І. Цивільна оборона.– Київ.: "Знання-прес”. –2003.– 430 с.

Алексеенко В.А. Биосфера и жизнедеятельность: Учеб.пособие. – Логос, 2002.– 212с.