Источники природной и искусственной радиоактивности

Основную часть облучения население земного шара получает от естественных источников радиации. Большинство из них таковы, что избежать облучения от них совершенно невозможно.

Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи (внешнее облучение). Радиоактивные вещества могут оказаться в воздухе, в пище или в воде и попасть внутрь организма (внутреннее облучение).

Природная радиоактивность обусловлена радиоактивными изотопами естественного происхождения, присутствующими во всех оболочках земли — литосфере, гидросфере, атмосфере, биосфере.

Радиоактивные элементы условно могут быть разделены на три группы.

1.  Радиоактивные изотопы, входящие в состав радиоактивных семейств, родоначальниками которых являются уран U²³⁸, торий Th²³² и актиноуран AcU²³⁵.

2.  Генетически не связанные с ними радиоактивные элементы: калий К⁴⁰, кальций Са⁴⁸, рубидий Rb⁸⁷ и др.

3.  Радиоактивные изотопы, непрерывно возникающие на Земле в результате ядерных реакций, под воздействием космических лучей.

Наиболее важными из них являются углерод (С¹⁴) и тритий (Н³).

Естественные радиоактивные вещества — это в основном долгоживущие изотопы с периодом полураспада 10⁸-10¹⁶ лет.

Кроме естественных радиоактивных изотопов, существующих в природной смеси элементов, известно много искусственных, полученных в результате различных ядерных реакций. Например, при ядерных взрывах образуется около 250 различных изотопов (из них 225 радиоактивных), являющихся непосредственными осколками деления ядер тяжелых элементов и продуктов их распада.

В число образовавшихся радионуклидов входит непро-реагировавшая часть ядерного горючего, представляющая собой неразделившиеся ядра атомов урана, плутония, которые являются а-излучателями.

К искусственным радионуклидам с особо высокой токсичностью относятся Pb²¹, Ra²²⁶, Ac²²⁷, Th^{228, 230, 232}.

Группа радионуклидов с высокой радиотоксичностью включает Sr⁹⁰, Ru¹⁰⁶, I¹³¹, Се¹⁴⁴ и др.

К группе радионуклидов, обладающих средней радиотоксичностью, относятся Na²², Sr⁸⁹, Cs¹³⁷, Fe⁵⁹, Zn⁶⁵, Ba¹⁴⁰ и др.

За последние несколько десятилетий человек создал несколько сотен искусственных радионуклидов и научился использовать энергию атома в самых разных целях: в медицине, для создания атомного оружия, для производства энергии, для поиска полезных ископаемых. Все это приводит к увеличению дозы облучения населения Земли в целом.

Продукты питания — источники поступления радионуклидов в организм человека

По данным научного комитета по действию атомной радиации при ООН, 2/3 дозы облучения, которую человек получает от естественных источников радиации, поступает от радиоактивных веществ, попавших в организм с пищей, водой и воздухом.

Прежде чем попасть в организм человека, радиоактивные вещества проходят в окружающей среде по сложным маршрутам (рис. 6.2).

Характер и уровень радионуклидов в продуктах питания определяется сложившейся радиационной обстановкой. Продукты питания могут содержать отдельные радионуклиды, а также различного рода их смеси. В растения радионуклиды поступают в результате непосредственного загрязнения и из почвы. Особое значение имеет прямое загрязнение растений из радиоактивного облака в период их вегетации. По степени содержания радионуклидов растения могут быть расположены в ряд: капуста — свекла — картофель — пшеница — естественная травяная растительность.

По скорости листовой абсорбции водорастворимые радионуклиды можно расположить в ряд: Cs-Ba—Sr-Pu.

Из почвы растения поглощают те радионуклиды, которые растворяются в воде. По степени поступления из почвы радионуклиды можно расположить в ряд: Sr-I-Ba—Cs—Pu— -Ce-Zn-Nb-Po.

В организм животных радионуклиды могут поступить через желудочно-кишечный тракт, органы дыхания и кожный покров. По способности концентрировать всосавшиеся радионуклиды основные органы можно расположить в ряд:: щитовидная железа — печень — почки — скелет мышцы.

Технологическая переработка пищевого сырья и кулинарная обработка продуктов приводят к значительному снижению содержания в них радионуклидов, удаляемых с малоценными в пищевом отношении отходами. Например, в картофеле и свекле при их очистке удаляется 30-40% Sr⁹⁰. При варке активность радионуклидов снижается еще на 10-20%. Со свеклы, капусты, гороха, щавеля, грибов в отвар переходит соответственно 60, 80, 45, 50, 85% радионуклидов. При варке говядины в бульон переходит от 20 до 50% Cs¹³⁷, а мяса кур — до 45%.

Существенное снижение содержания радионуклидов в молочных продуктах достигается путем получения из него жировых и белковых концентратов.

Биологическое действие ионизирующих излучений

Радиация по самой своей природе вредна для жизни. Малые дозы могут "запустить" не до конца еще установленную цепь событий, приводящую к раку или генетическим повреждениям. При больших дозах радиация может разрушать клетки, повреждать ткани органов и вызвать гибель организма.

Биологическое действие ионизирующего излучения условно можно подразделить на две группы воздействия:

•   первично-химические процессы, возникающие в молекулах живых клеток и окружающего их субстрата;

•  нарушение функций всего организма как следствие первичных процессов.

В результате облучения живой ткани, как и в любой среде, поглощается энергия и возникает возбуждение и ионизация атома облучаемого вещества.

Поскольку у человека основную часть массы тела составляет вода (около 75%), первичные процессы во многом определяются ионизацией молекул воды с образованием высокоактивных в химическом отношении свободных радикалов типа ОН и Н и последующими цепными реакциями с участием этих радикалов (в основном окислением этими радикалами молекул белка).

Прямое действие ионизирующего излучения может вызвать расщепление молекул белка.

В дальнейшем под действием первичных процессов в клетках возникают функциональные изменения, подчиняющиеся уже биологическим законам жизни клеток.

Наиболее важными изменениями в клетках являются:

•   повреждение механизма митоза (деления) и хромосомного аппарата облученной клетки;

•   блокирование процессов обновления клетки;

•   блокирование процессов пролиферации (новообразования клеток) и последующей физиологической регенерации тканей.

Наиболее радиочувствительными являются клетки постоянно обновляющихся тканей и органов (костный мозг, половые железы, селезенка, щитовидная железа).

Методы регистрации ионизирующих излучений

Ионизирующие излучения невидимы, не имеют цвета, запаха или других признаков, на основании которых человек мог бы определить их наличие, поэтому их обнаружение и измерение проводят косвенным путем на основании какого-либо их свойства.

В радиологии для определения радиоактивности и дозы излучения применяют физические, химические, фотографические, биологические и математические (расчетные) методы.

Чаще всего используются физические методы, в которых применяют ионизационное или освобождающее действие излучений (флуоресценцию или сцинтилляцию), измеряют электрические или другие свойства твердых или жидких сред, тепловое действие излучений. Их называют соответственно ионизационными, сцинтилляционными, колориметрическими и др. методами.

В основе химических методов лежит количественное определение изменений в химических растворах (цвета, прозрачности, выпадения осадков, выделения газа), которые возникают в результате поглощения энергии излучения. На этом принципе основано действие химических дозиметров ДП-70 и ДП-70М.

Фотографический метод основан на измерении степени почернения фотоэмульсии. Плотность почернения пропорци-

ональна дозе облучения. Сравнивая плотность почернения с эталоном, определяют дозу облучения, полученную пленкой. На этом основан принцип действия индивидуальных фотодозиметров.

В биологических методах дозиметрии использована способность излучений изменять биологические объекты. Величину дозы оценивают по уровню летальности животных, степени лейкемии, количеству хромосомных аберраций (структурные изменения), изменению окраски кожи, выпадению волос и др. Биологические методы не очень точны и менее чувствительны по сравнению с физическими.

В расчетных методах дозу излучений определяют путем математических вычислений. Это единственный метод, которым можно определить дозы проникнувших в живой организм и зафиксированных в его органах и тканях радионуклидов.

В основу работы измерительных приборов положена количественная оценка физических явлений, сопровождающих взаимодействие излучений с веществом.

Регистрирующий излучение прибор состоит из трех основных частей: чувствительного элемента, воспринимающего излучение (детектора, датчика), в который поступают частицы или кванты и с помощью преобразователя эффекта взаимодействия превращаются в электрические импульсы, источника электрического питания и измерительного устройства (счетчика электрических импульсов).

В качестве единицы активности принято одно ядерное превращение в секунду или один распад в секунду. В системе СИ эта единица называется беккерель (БК). В практической дозиметрии эта единица называется кюри (Ки), 1 Ки = = 3,7 х 10¹⁰ ядерных превращений в 1 с.

Биологический эффект излучения зависит от величины поглощенной дозы.

Единицей поглощенной дозы принят грей (Гр), равный джоулю на 1 кг (Дж/кг). 1 Гр — это поглощенная доза излучения, измеряемая энергией в один джоуль, переданная массе

в 1 кг облученного вещества. Несистемной единицей поглощенной дозы является рад.

Эквивалентная доза определяется как произведение поглощенной дозы на некоторый коэффициент, называемый фактором качества Q, приблизительно равен 1 для у-излуче-ния, 20 — для а-излучения. Единицей эквивалентной дозы принят зиверт (Зв), внесистемной единицей является бэр.

Ионизирующая способность характеризуется экспозиционной дозой излучения, единицей которой является кулон на 1 кг. 1 Кл/кг — это экспозиционная доза излучения, при котором сопряжается корпускулярная эмиссия на 1 кг сухого атмосферного воздуха, производит в воздухе ионы, несущие заряд в один кулон электричества каждого знака. Несистемной единицей экспозиционной дозы является рентген (Р). Один рентген — это такая доза излучения, при которой на 1 см³ сухого воздуха при температуре 0°С и давлении 760 мм рт. ст. образуется 2,083 млрд пар ионов, каждый из которых имеет заряд, равный заряду электрона.