авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
-- [ Страница 1 ] --

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ

НАРОДОВ

------------------------------------------------------------------------------------------

Кафедра безопасности

жизнедеятельности

и управления природными и техногенными рисками

В.Г. Плющиков., О.Г. Семенов

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

ПО СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ

РАДИОЭКОЛОГИИ

Часть I

ФИЗИЧЕСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ Москва - 2006 УДК 631.: 614.76 + 621.039.8 Утверждено РИС Ученого Совета Российского университета дружбы народов Плющиков В.Г., Семенов О.Г. Учебно-методическое пособие по курсу «Сельскохозяйственная радиоэкология», ч.1 «Физические и биологические основы действия ионизирующих излучений». М.: Изд-во РУДН.- 2006.- 64с.

Учебно-методическое пособие по сельскохозяйственной радиоэкологии предназначено для студентов агрономических, зооинженерных и ветеринарных специальностей. Пособие содержит разделы по физическим и биологическим основам действия ионизирующих излучений на живые организмы и по источникам радиоактивного загрязнения внешней среды.

Пособие подготовлено с целью совершенствования учебного процесса на кафедре Безопасности жизнедеятельности и управления природными и техногенными рисками аграрного факультета РУДН.

Рецензент:

Кандидат химических наук, доцент, заведующий лабораторией, Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии им.

Д.Н.Прянишникова, академик МАЭН А.В.Кузнецов.

© Коллектив авторов, © Издательство РУДН, ПРЕДИСЛОВИЕ Сельскохозяйственная радиоэкология - сравнительно молодая и развивающаяся область знаний. Она ориентирована на решение такой актуальной задачи как обеспечение полноценной и безопасной среды обитания человека в условиях воздействия на него радиации и радиоактивного загрязнения через почву, удобрения, воздух, воду и пищевые продукты.

Радиоактивное загрязнение сельскохозяйственных угодий в Российской Федерации обусловлено преимущественно аварией на Чернобыльской АЭС (ЧАЭС). Именно сельскохозяйственные экосистемы являются наиболее уязвимыми и критическими вследствие того, что производимая на них продукция обеспечивает основной вклад в дозу внутреннего облучения населения, проживающего на загрязненных территориях.



В Российской Федерации радиоактивное загрязнение зафиксировано на территории 21 региона, а общая площадь, подвергшаяся загрязнению, составила 150 тыс. км 2. Проблема реабилитации загрязненных территорий крайне сложна и зависит не только от радиологической обстановки, но и от экономической ситуации в стране. Под термином реабилитация загрязненных территорий понимают систему мер, направленных на обеспечение безопасного проживания сельского населения, получение экологически безопасных продуктов питания, бесперебойное функционирование АПК. Понимание закономерностей поведения долгоживущих радионуклидов в агроценозах, оценка размера их переноса по сельскохозяйственной цепочке в организм человека и возможности регулирования потока 137Cs в сельскохозяйственной продукции остается актуальной и в отдаленный период после аварии на ЧАЭС.

Данное учебно-методическое пособие (часть первая) включает разделы, раскрывающие физические и биологические основы действия ионизирующих излучений на живые организмы, а также разделы об источниках радиации и типичных ситуациях радиоактивного загрязнения внешней среды.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ 1.1. Строение атома и изотопы По своему строению атом похож на Солнечную систему в миниатюре: вокруг ядра движутся по орбитам электроны.

Размеры ядра чрезвычайно малы по сравнению с пространственными характеристиками самого ядра: если диаметр атома составляет приблизительно 10-8см, то диаметр ядра – порядка 10-13см, т.е. ядро в сто тысяч раз меньше размеров атома.

Масса атома настолько мала (10-22 – 10-24г), что ее принято выражать в относительных единицах атомных единицах массы (а.е.м.). 1 а.е.м. равна 1/12 массы атома углерода и соответствует 1,66·10-24г. Плотность ядра велика и масса ядра почти равна массе всего атома, практически вся масса атома заключена в его ядре.

Ядро, как правило, состоит из нескольких более мелких частиц – протонов и нейтронов, которые плотно сцеплены друг с другом. Протоны и нейтроны имеют общее название — нуклоны.

Атом состоит из положительно заряженного ядра и оболочки из отрицательно заряженных электронов, которые могут располагаться только на определенных орбитах.

В зависимости от энергии, которая удерживает электроны при вращении вокруг ядра, они группируются на той или иной электронной орбите. Электронную орбиту называют еще уровнем или слоем. Число слоев у разных атомов неодинаково. В атомах с большой массой число орбит достигает семи. Их обозначают или цифрами, или буквами латинского алфавита: K,L,M,N,O,P,Q;

K – ближайший к ядру слой. Число электронов в каждом слое строго определенное: K-слой имеет не более двух электронов, L-слой – до 8;

M-слой – 18 электронов;

N-слой – 32 электрона и т.д.

Соответственно числу электронных слоев в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева все элементы размещаются в семи периодах.

Электрон – устойчивая элементарная частица с массой покоя (масса частицы, скорость которой равно 0) равной 0, а.е.м., а в абсолютных единицах массы – 9,1 10-28г.

(Энергетический эквивалент 1 а.е.м. составляет 931МэВ).

Энергетический эквивалент электрона составляет 0,000548 · 931 = 0,511МэВ.





Электрон несет один элементарный отрицательный заряд электричества, т.е. наименьшее количество электричества, встречающееся в природе – 1,610-19Кл. Поэтому в ядерной физике заряд электрона принят за единицу.

Электроны на внутренних оболочках связаны с ядром наиболее прочно, на внешней (валентной) оболочке прочность связи наименьшая, так как взаимное отталкивание электронов в многоэлектронном атоме существенно уменьшает их связь с ядром.

Структура орбит и количество электронов на внешней оболочке определяют химическую индивидуальность элемента — его валентность, степень окисления и другие свойства. Таким образом, каждый электрон несет единичный (элементарный) электрический заряд, а общий отрицательный заряд электронной оболочки атома равен числу электронов.

Водород Гелий Литий H1 4 2He 3Li Рис.1 Схема строения атома Атомы электронейтральны, поэтому ядро должно численно иметь тот же заряд, но со знаком (+). Носителями заряда в ядре являются протоны, каждый из которых обладает одним элементарным положительным зарядом (1,610-19Кл), следовательно, число протонов в ядре должно быть равно числу электронов на оболочках атома. Число протонов в ядре строго постоянно для атомов каждого данного элемента и соответствует порядковому номеру в Периодической таблице Д.И.Менделеева.

Таким образом, число протонов в ядре определяет, к какому химическому элементу относится данный атом. Например (рис.1), 1 протон - в ядре водорода (первый период), 2 протона – в ядре гелия (первый период), 3 протона – в ядре лития (второй период).

В ядре цезия (шестой период) – 55 протонов, а уран содержит протона. Находясь вне ядра, протоны стабильны и не испытывают превращений.

Кроме того, в ядре содержатся нейтроны — частицы примерно той же массы, что и протоны, но не имеющие заряда, т.е.

электрически нейтральные. Нейтроны в ядрах стабильны, а в свободном состоянии неустойчивы. При распаде нейтрон, испуская электрон и антинейтрино, высвобождает некоторое количество энергии (0,78МэВ) и превращается в протон.

Итак, 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. Присутствие в ядре того или иного числа нейтронов отражается на общей массе атома, но не на его химических свойствах. Сумма числа протонов и нейтронов в ядре атома данного элемента называется его массовым числом, оно близко к значению атомного веса (атомной массы) элемента.

Таким образом, атом содержит всего три вида элементарных частиц, их заряд и масса приведены в таблице 1.

Таблица Элементарные частицы ядра Название Обозначение Масса покоя, Заряд частицы а.е.м.

Электрон 0,000548 = 1/1840 - Нуклоны Протон р 1 + Нейтрон n 1 Так как масса электрона в 1840 раз меньше массы протона или нейтрона, то суммарная масса атома почти целиком (на 99,97 99,98%) сосредоточена в ядре, тогда как на все орбитальные электроны приходится чуть больше 0,02% общей массы атома.

При этом ядро в атоме занимает чрезвычайно малый объем.

Линейные размеры атома имеют порядок 10-10м, а ядра – 10-15 м, т.

е. в сотни тысяч раз меньше. Соответственно плотность материи в ядре – 1017кг/м3 (105т/мм3). Все остальное пространство в атоме (кроме ядра и электронов) представляет собой пустоту. Это важно иметь в виду при рассмотрении вопросов взаимодействия и поглощения излучений в веществе, т.е. для оценки вероятности столкновения (и электрического взаимодействия) при пролете частиц через атомы среды.

Атомы, имеющие определенный состав и структуру ядра, называются нуклидами. Индивидуальность нуклида определяется зарядом ядра (числом протонов), Но один и тот же элемент может иметь несколько разновидностей, которые различаются числом нейтронов, следовательно, атомной массой, сохраняя при этом практически одинаковые химические свойства.

Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, относящиеся к разновидностям одного и того же химического элемента, называемым изотопами (isos – одинаковый;

topos – место) данного элемента. Такие элементы имеют одинаковый номер в таблице Менделеева, но разное массовое число. Чтобы отличить их друг от друга, к символу элемента приписывают число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа. Так уран-238 (238U) содержит 92 протона и 146 нейтронов, в уране-235 (235U) тоже протона, но 143 нейтрона.

Каждый отдельный химический элемент может существовать в виде относительно устойчивых ядерных структур – стабильных изотопов, и неустойчивых – радиоактивных изотопов.

Стабильность ядра определяется соотношением числа протонов и нейтронов: у большей части стабильных изотопов легких элементов оно составляет 1:1 или близко к этой величине. Но к концу периодической таблицы это соотношение постепенно уменьшается и достигает 1:1,6 (уран), при этом стабильность ядер резко снижается. При недостатке или избытке нейтронов (относительно некоего оптимального для данного элемента соотношения) ядерные структуры оказываются неустойчивыми, что приводит к возникновению радиоактивного распада. Это характерно для радиоактивных элементов, расположенных в конце таблицы Менделеева, образующих радиоактивные семейства (например, семейство 238U, 232Th и др.).

Понятия изотоп и радиоизотоп применимы лишь для обозначения разновидностей атомов одного элемента. Как уже говорилось, если атомы отличаются друг от друга не только массовым числом, но и химическими свойствами, то их называют нуклидами, а в том случае, если они обладают свойствами радиоактивности - радионуклидами. Некоторые нуклиды стабильны, т. е. в отсутствие внешнего воздействия никогда не претерпевают никаких превращений.

Радиоактивный распад происходит самопроизвольно: это внутриядерный процесс, на который обычные физические или химические факторы воздействовать не могут, т.е. не могут задержать или ускорить ход радиоактивных превращений.

Большинство нуклидов нестабильны. В качестве примера возьмем атом урана-238 (92 протона и 146 нейтронов), 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 ( частица). Уран-238 превращается, таким образом, в торий-234, в ядре которого содержится 90 протонов и 144 нейтрона. Но торий-234 также нестабилен. Его превращение происходит, однако, не так, как в предыдущем случае: один из его нейтронов превращается в протон, и торий-234 превращается в протактиний-234, в ядре которого содержатся 91 протон и нейтрона. Эта метаморфоза, произошедшая в ядре, сказывается и на движущихся по своим орбитам электронах: один из них становится неспаренным и вылетает из атома.

Протактиний очень нестабилен и ему требуется совсем немного времени на превращение. Далее следуют иные превращения, сопровождаемые излучениями, и вся эта цепочка в конце концов оканчивается появлением атомов нового стабильного химического элемента, нуклида свинца. В конечном счете, схема распада урана-238 выглядит так:

Уран-238 Торий-234 Протактиний-234 Уран- Торий-230 Радий-226 Радон-222 Полоний- Свинец-214 Висмут-214 Полоний-214 Свинец- Висмут-210 Полоний-210 Свинец-206 (стабильный) Существует много таких цепочек самопроизвольных превращений (распадов) разных нуклидов по разным схемам превращений и их комбинациям. При каждом таком акте распада высвобождается энергия, которая передается дальше в виде излучения.

Итак, радиоактивность – это свойство атомных ядер определенных химических элементов самопроизвольно (без каких либо внешних воздействий) превращаться в ядра других элементов с испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным. Само явление называется радиоактивным распадом. Таким образом, радиоактивность является исключительно свойством атомного ядра и зависит только от его внутреннего состояния. Нельзя повлиять на течение радиоактивного процесса, не изменив состояние атомного ядра.

На скорость течения радиоактивных превращений не оказывают никакого воздействия изменения температуры и давления, наличие магнитного или электрического полей, вид химического соединения данного радиоактивного элемента и его агрегатное состояние.

Радиоактивные явления, происходящие в природе, называют естественной радиоактивностью;

аналогичные процессы, происходящие в искусственно полученных веществах (через соответствующие ядерные реакции) – искусственной радиоактивностью. Это деление весьма условно, так как оба эти вида радиоактивности подчиняются одним и тем же законам.

1.2. Закон радиоактивного распада Главное свойство радиоактивного вещества - способность к спонтанному распаду. Это означает, что ядра вещества распадаются по случайному, статистическому закону.

Невозможно точно определить, сколько времени проживет отдельное ядро, прежде чем оно распадется. Как было отмечено, радиоактивный распад – это свойство атомного ядра, определяющееся только его внутренним состоянием и не зависящее от внешних условий.

При исследовании радиоактивного распада Резерфорд установил опытным путем характер зависимости активности радиоактивных веществ от времени — основной закон радиоактивного распада. Оказалось, что для каждого радиоактивного вещества существует определенный интервал времени, на протяжении которого активность убывает в 2 раза.

Этот интервал носит название периода полураспада. Период полураспада Т — это то время, в течение которого распадается половина наличного числа радиоактивных атомов.

Примем, что в начальный момент времени (t = 0) число радиоактивных атомов равно N0. Тогда по истечении периода полураспада это число будет равно N0/2. Спустя еще один такой же интервал времени это число станет равным: 1/2•(N0/2) = N0/4 = N0/22. По истечении времени t = п•Т, т. е. спустя п периодов полураспада Т, радиоактивных атомов останется: N = No•(1 / 2n) или N=No• (2-t/T) - это и есть основной закон радиоактивного полураспада, согласно которому число ядер радиоактивного изотопа уменьшается с течением времени по экспоненциальному закону, приведенному на рис.2: с увеличением числа периодов полураспада число нераспавшихся атомов убывает, постепенно приближаясь к нулю.

Итак, период полураспада — основная величина, характеризующая скорость радиоактивного распада, т.е. это время, в течение которого распадается половина исходного количества радиоактивных ядер.

Для разных веществ он имеет различающиеся значения от долей секунды до миллиардов лет.

Причем у одного и того же элемента могут быть изотопы с различными периодами полураспада.

Соответственно и радиоактивные элементы разделяются на короткоживущие (часы, Рис 2. Кривая радиоактивного дни) и долгоживущие распада (годы). Так, для урана Т=4, млрд лет. Именно поэтому активность урана на протяжении отрезка времени в несколько лет заметно не меняется. Для радия Т=1600 лет. Поэтому активность радия значительно больше, чем урана. Чем меньше период полураспада, тем интенсивнее протекает распад. Есть радиоактивные элементы с периодом полураспада в миллионные доли секунды. Период полураспада можно определить, подсчитав число атомов, распавшихся за некоторый промежуток времени, и зная число атомов в начальный момент. Сам закон радиоактивного распада довольно прост. Но физический смысл этого закона представить себе нелегко.

Действительно, согласно этому закону за любой интервал времени распадается одна и та же доля имеющихся атомов (за период полураспада — половина атомов). Значит, с течением времени скорость распада нисколько не меняется. Это главное свойство статистического закона радиоактивного распада иногда формулируют в виде утверждения, что радиоактивные ядра не стареют.

Время существования отдельных атомов может колебаться от долей секунды до миллиардов лет. Предсказать, когда произойдет распад данного атома, невозможно. Определенный смысл имеют только утверждения о поведении в среднем большой совокупности атомов. Именно в среднем число атомов, распадающихся за данный интервал времени, определяется законом радиоактивного распада.

Закон радиоактивного распада является статистическим законом. Он справедлив в среднем для большого количества частиц. Для малого числа атомов говорить об определенном законе радиоактивного распада не имеет смысла.

Количество радиоактивного вещества обычно определяется не единицами массы, а активностью данного вещества, которая равна числу распадов в единицу времени.

Чем больше радиоактивных превращений испытывают атомы данного препарата в секунду, тем больше его активность. Как следует из закона радиоактивного распада, активность радионуклида пропорциональна числу радиоактивных атомов, т.е.

возрастает с увеличением количества данного вещества.

Поскольку скорость распада радиоактивных изотопов различна, то одинаковые по массе количества различных радионуклидов имеют разную активность. Единицей активности в системе единиц (СИ) служит распад в секунду (расп/сек). Этой единице присвоено название беккерель (Бк). 1Бк = 1с-1.

Наиболее часто употребляемая внесистемная международная единица - кюри (Ки). Кюри – это такое количество любого радиоактивного вещества, в котором число радиоактивных распадов в секунду равно 3,7 1010. Единица кюри соответствует радиоактивности 1г радия.

Кюри – очень большая величина, поэтому обычно употребляют дробные производные единицы: милликюри (1мКи = 10-3Ки), микрокюри (1мкКи=10-6Ки) и т.д. (Приложение, табл. 1,2).

1.3. Виды излучений и их проникающая способность Радиация — это все виды электромагнитного излучения:

свет, радиоволны, энергия солнца и множество иных излучений вокруг нас. Источниками проникающей радиации, создающими природный фон облучения, являются галактическое и солнечное излучение, наличие радиоактивных элементов в почве, воздухе и материалах, используемых в хозяйственной деятельности, а также изотопов, главным образом, калия в тканях живого организма.

Одним из наиболее весомых естественных источников радиации является радон – газ, не имеющий вкуса и запаха.

Интерес представляет не любая радиация, а ионизирующая, которая, проходя сквозь ткани и клетки живых организмов, способна передавать им свою энергию, разрывая химические связи внутри молекул и вызывая серьезные изменения в их структуре.

Ионизирующее излучение возникает при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образует при взаимодействии со средой ионы разных знаков.

Таблица Основные виды радиоактивных излучений Вид Название частиц Масса покоя, Заряд излучения а.е.м.

Электромагнитное излучение, фотонное Фотон 0 Корпускулярное излучение -частица 4 + - Электрон 0,000548 - + Позитрон 0,000548 + Нейтронное Нейтрон 1 Нейтринное Нейтрино Близка к нулю Антинейтрино Близка к нулю Ионизирующие излучения получили свое название благодаря способности вызывать ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе (образование положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул). По своей природе ионизирующие излучения подразделяются на электромагнитные и корпускулярные (табл. 2).

1.3.1. Электромагнитные (фотонные) излучения.

К электромагнитным излучениям относятся:

• рентгеновское излучение;

• -излучения радиоактивных элементов;

• видимый свет и радиоволны.

Рентгеновское излучение - электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, в пределах длин волн от 10-12 до 10-15см. Различают жесткое рентгеновское излучение (с длиной волны до 2нм;

1нм=10-9м) и мягкое. Жесткое излучение проникает через различные материалы и мягкие ткани человеческого тела (это свойство рентгеновского излучения (Х-лучи) нашло применение в медицине).

Гамма-излучение - коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны менее 0,01нм. На шкале электромагнитных волн оно граничит с жёстким рентгеновским излучением, занимая область более высоких частот. Гамма излучение обладает чрезвычайно малой длиной волны (менее 0.05нм.) и вследствие этого ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. ведёт себя подобно потоку частиц - гамма квантов, или фотонов. Гамма-излучение испускается возбужденными атомными ядрами при ядерных реакциях, радиоактивных превращениях атомных ядер, при аннигиляции (превращении при столкновении частицы и античастицы в другие частицы) электрона и позитрона и при других превращениях элементарных частиц.

Фотон – носитель электромагнитного излучения – является в одинаковой мере и квантом энергии, проявляющим волновые свойства, и частицей (корпускулой). Фотоны могут существовать только в движении, их масса покоя равна нулю, но это не значит, что они вообще не имеют массы. Так, при энергии гамма-излучения в 1МэВ масса фотона составляет 1/940 (0, а.е.м.).

Видимый свет и радиоволны – тоже электромагнитные излучения, но они не ионизируют, т.к. характеризуются большей длиной волны и соответственно меньшей энергией.

1.3.2. Корпускулярные излучения Корпускулярное излучение состоит как из заряженных, так и из нейтральных частиц с массой отличной от нуля (табл.2):

• альфа – частицы;

• бета – частицы;

• космическое излучении;

• нейтроны;

• продукты деления, содержащиеся в радиоактивных отходах переработанного топлива ядерных реакторов;

• протоны, ионы, в основном получающиеся на ускорителях.

Космическое излучение, в состав которого входят преимущественно протоны и ядра гелия. Проникая вглубь атмосферы, космическое излучение взаимодействует с ядрами, входящими в состав атмосферы, и образует потоки вторичных частиц (мезоны, гамма-кванты, нейтроны и др.).

Нейтрино и антинейтрино, образующиеся при -распаде – частицы очень малого размера и чрезвычайно высокой проникающей способности в силу того, что они из-за своего малого размера крайне редко взаимодействуют с веществом, хотя и уносят с собой значительную часть энергии радиоактивного распада (эти частицы свободно проходят сквозь Землю и Солнце).

Нейтронное излучение. Нейтроны - единственные незаряженные частицы, образующиеся при некоторых реакциях деления ядер атомов урана или плутония. Поскольку эти частицы электронейтральны, они глубоко проникают во всякое вещество, включая живые ткани, и теряют свою энергию практически только при соударении с ядрами атомов. Отличительной особенностью нейтронного излучения является его способность превращать атомы стабильных элементов в их радиоактивные изотопы, т.е.

создавать наведенную радиацию, что резко повышает опасность нейтронного излучения. Проникающая способность нейтронов сравнима с гамма-излучением. В зависимости от уровня носимой энергии условно различают нейтроны быстрые (обладающие энергией от 0,2 до 20МэВ) и тепловые (от 0,25 до 0,5МэВ). Это различие учитывается при проведении защитных мероприятий.

Быстрые нейтроны замедляются, теряя энергию ионизации, веществами с малым атомным весом (так называемыми водородсодержащими: парафин, вода, пластмассы и др.).

Тепловые нейтроны поглощаются материалами, содержащими бор и кадмий.

Альфа-излучение:

-частицы — состоят из двух протонов и двух нейтронов;

это положительно заряженные ядра атомов гелия, испускаемые при радиоактивном распаде изотопов тяжелых элементов — урана или радия. Они обладают малой проникающей способностью (пробег в воздухе - не более 10см), даже человеческая кожа является для них непреодолимым препятствием. В биотканях пробег -частицы редко превышает 40-60мкм, т.е. действие ее обычно ограничено размерами одной клетки. Опасны они лишь при попадании внутрь организма, так как способны выбивать электроны из оболочки нейтрального атома любого вещества, в том числе и тела человека, и превращать его в положительно заряженный ион со всеми вытекающими последствиями.

Бета-излучение:

-частицы — отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные позитроны, испускаемые во время радиоактивного распада ядерных элементов с промежуточной ионизирующей и проникающей способностью. частица намного легче, чем -частица поэтому, чтобы потерять ту же энергию, ей потребуется переместиться на большее расстояние, чем -частица. Пробег -частицы в воздухе достигает 10м и более, но в плотных слоях невелик, всего несколько миллиметров.

Поэтому в случае радионуклидного загрязнения -излучение не представляет серьезной опасности при внешнем облучении от поверхности земли. Даже небольшого перемещения нуклидов с поверхности земли в глубь почвы оказывается достаточно для поглощения -излучения почвой.

1.4. Особенности взаимодействия ионизирующих излучений с веществом Как уже было сказано, негативное воздействие на организмы связано со способностью высокоэнергетических частиц излучения выбивать электроны из атомов живой материи (вызывать ионизацию) или переводить электроны в возбужденное состояние.

Обнаружение и регистрация всех видов ядерных излучений, выбор материала для защиты от них, оценка биологического действия излучений на организмы возможны при понимании того, каким образом различные по природе излучения (альфа-, бета-частицы, гамма-кванты, нейтроны и т. д.) взаимодействуют с веществом.

Если, приложив соответствующую энергию, один или несколько электронов оторвать от электронной оболочки, произойдет ионизация атома. Если под действием приложенной энергии электрон переходит на другую орбиту, более удаленную от ядра, но не покидает атом, - происходит возбуждение атома.

Этот переход сопровождается поглощением энергии. Переход электрона на более низкий уровень сопровождается испусканием энергии. Величина поглощенной или испускаемой энергии строго определенная: она равна разности энергий начального и конечного энергетических уровней.

Существует, как уже упоминалось, два вида ионизирующих излучений – электромагнитные и корпускулярные, физическая природа этих излучений различна и определяет особенности их взаимодействия с веществом.

1.4.1 Корпускулярные излучения.

Механизм передачи энергии от всех заряженных частиц в объекте характеризуется тем, что при прохождении через вещество заряженная частица теряет свою энергию, вызывая ионизацию и возбуждение атомов до тех пор, пока общий запас ее энергии не уменьшится настолько, что частица утратит ионизирующую способность.

В зависимости от знака заряда при пролете в веществе частица, испытывая электростатическое взаимодействие, притягивается или отталкивается от положительно заряженных ядер. Чем больше масса летящей частицы, тем меньше она отклоняется от первоначального направления. Поэтому траектория протонов и более тяжелых ядерных частиц практически прямолинейна, а траектория электронов сильно изломана в результате рассеяния на орбитальных электронах и ядрах атомов.

При взаимодействии заряженных частиц с веществом выделяют упругое и неупругое взаимодействие. При упругом взаимодействии (упругое столкновение) суммарная кинетическая энергия частиц до взаимодействия равна суммарной кинетической энергии после их взаимодействия. Следствие такого взаимодействия — лишь изменение направления движения частиц.

Неупругое взаимодействие (неупругое столкновение) — это процесс, при котором часть кинетической энергии частиц расходуется на ионизацию и возбуждение атомов, возбуждение ядер, расщепление ядер или тормозное излучение. При таком взаимодействии суммарная кинетическая энергия частиц до взаимодействия будет равна суммарной кинетической энергии частиц после взаимодействия плюс энергия, затраченная на ионизацию и возбуждение атомов, возбуждение и расщепление ядер (тормозное излучение). Неупругое взаимодействие наблюдается при прохождении электрона очень высокой энергии вблизи ядра. При этом скорость летящего электрона снижается, и часть его энергии испускается в виде фотона электромагнитного (тормозного) излучения 1.4.1.1 Основные эффекты взаимодействия альфа излучения с веществом.

Альфа-излучение – представляет собой поток тяжелых частиц, представляющих собой ядро атома гелия (4He), состоящих из двух протонов и двух нейтронов, обладающих положительным зарядом (+2), суммарная масса которых (4а.е.м.) значительно больше массы электрона (0,000548а.е.м.). Это излучение задерживается даже листом бумаги и практически не способно проникнуть через наружный слой кожи. Поэтому оно не представляет опасности при внешнем облучении, т.е. до тех пор, пока альфа-частицы не попадут внутрь организма через открытую рану, с пищей или с вдыханием воздуха. В этом случае они становятся очень опасными.

При взаимодействия альфа-излучения с веществом возможны следующие ситуации:

1. Упругое рассеяние частиц на атомных ядрах. Поскольку алфа-частица несет положительный заряд, то при взаимодействии с ядром возникают кулоновские силы и частица отталкивается, изменяя направление своего движения.

2. Неупругое взаимодействие альфа-частиц с орбитальными электронами:

• ионизация нейтральных атомов (рис.3), при которой образуется свободный электрон и положительно заряженный ион;

• возбуждение электронов атомных оболочек (рис.3), при котором орбитальные электроны, получая дополнительную энергию, переходят в возбужденное состояние, переходя на другую орбиту, но не покидают атом.

• альфа-частица, обладающая энергией, Ионизация достаточной для преодоления кулоновских сил взаимодействия, проникает в ядро. При Возбуждение этом образуется промежуточное ядро, Рис. 3. Механизм взаимодействия которое распадается с альфа-излучения с веществом испусканием заряженных частиц, нейтронов или гамма квантов.

1.4.1.2 Основные эффекты взаимодействия бета излучения с веществом.

Бета-излучение – поток частиц, имеющих отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные позитроны.

Для большинства природных и искусственных радионуклидов характерен электронный или отрицательный (-) распад.

Значительно реже встречается позитронный (+) распад, свойственный отдельным искусственным радионуклидам. При их взаимодействии с веществом тоже наблюдаются все варианты взаимодействия.

1. Упругое взаимодействие бета-частиц с атомными ядрами наблюдается в результате притяжения бета-частиц (-) к положительно заряженным ядрам атомов. Следствие такого взаимодействия — изменение направления движения частиц.

Основную роль в рассеянии электронов играет упругое рассеяние на атомных ядрах, хотя электроны рассеиваются и на электронах атомных оболочек.

2. Неупругое рассеяние бета-частиц:

• Рассеяние бета-частиц на атомных ядрах: наблюдается, если бета-частица (-) имеет высокую энергию, а поглотителем служит материал большой плотности (имеет большой атомный номер), при этом бета-частица тормозится в электрическом поле ядра и теряет часть своей энергии. В результате возникает тормозное излучение. Интенсивность тормозного излучения определяется энергией бета-частиц и атомным номером вещества-поглотителя. В практике такой вариант взаимодействия используют для получения рентгеновского излучения в рентгеновской трубке (рис.4).

Возбуждение Ударная ионизация Тормозное излучение Упругое рассеяние Рис.4. Схема взаимодействия бета-излучения с веществом (А.Д.Фокин и др., 2005г) • Ионизация и возбуждение атомов при взаимодействии бета частиц (-) с орбитальными электронами (рис.4). В зависимости от количества переданной энергии происходит возбуждение или ионизация атомов вещества. В этом и другом случае воздействующий электрон теряет свою энергию. Чтобы описать интенсивность процесса ионизации применяется термин удельная ионизация – число пар ионов, образуемых ионизирующей частицей на единицу длины пробега.

1.4.1.3. Взаимодействие нейтронов с веществом Нейтроны не имеют заряда, что позволяет им беспрепятственно проникать в глубь атомов, в атомные ядра. При этом возможно упругое и неупругое рассеяние нейтронов на ядрах. Их масса (1а.е.м.) много больше массы электронов (0,000548а.е.м.), поэтому они теряют свою энергию практически только при соударении с ядрами атомов. Достигая ядер, они либо поглощаются ими, либо рассеиваются на них. При упругом рассеянии на ядрах углерода, азота, кислорода и других элементов, входящих в состав тканей, нейтрон теряет лишь 10-15% энергии, а при столкновении с почти равными с ним по массе ядрами водорода – протонами, энергия нейтрона уменьшается в среднем вдвое, передаваясь протону отдачи (рис.5). Нейтрон рассеяния отклоняется от прежнего направления и обладает меньшей энергией. Протон отдачи, получивший дополнительную энергию, движется с повышенной скоростью и вызывает ионизацию встречающихся на его пути атомов. Такие столкновения нейтронов с ядрами атомов происходят до тех пор, пока они не израсходуют свою энергию и не превратятся в тепловые нейтроны (энергия 0,025эВ), скорость которых становится сравнимой со скоростью теплового движения атомов и молекул.

Протон отдачи Быстрый нейтрон Нейтрон (с меньшей энергией) Н Рис.5 Взаимодействие быстрого нейтрона с атомом водорода Тепловые нейтроны захватываются ядрами атомов элементов, увеличивая его массовое число на единицу (например U превращается в 236U), при этом ядро становится возбужденным, энергетически неустойчивым. Переход возбужденного ядра на более низкие энергетические уровни сопровождается испусканием гамма-квантов (наведенная радиоактивность). Образовавшиеся гамма-кванты вызывают ионизацию. Захват медленного нейтрона (энергия менее 1 кэВ) ядрами урана-233, 235 и плутония-239 вызывает деление ядер на два и более осколков, которые представляют собой ядра радионуклидов, находящихся в средней части Периодической таблицы от номера 30 (цинк) до 65 (тербий).

Процесс деления изотопов урана 238U и 235U под действием нейтронов представляет особый интерес, т.к. они используются в качестве топлива в ядерных реакторах.

1.4.2. Электромагнитные излучения Гамма излучение непосредственную ионизацию не производит, однако, взаимодействуя с веществом, вызывает образование электронов, двигающихся с высокой скоростью и ионизирующих среду (косвенно ионизирующее излучение).

Основными механизмами взаимодействия гамма-излучения с веществом являются (рис.6):

1. Фото-эффект. Гамма-квант (при низкой энергии излучения до 0,05МэВ), взаимодействуя с орбитальным электроном внутренней оболочки атома, полностью передает ему свою энергию, выбивая электрон из электронной орбиты. Энергия выбитого электрона равна исходной энергии гамма-кванта за вычетом энергии связи электрона с атомом. Выбитый электрон называется фотоэлектроном. Вырванный из атома фотоэлектрон замещается другим электроном с верхнего слоя (т.е., если освобождается место в орбите К-слоя его заменяет электрон L–слоя, освободившееся место L–слоя замещается электроном с М-слоя и т.д.). Это явление сопровождается испусканием рентгеновского (Х) излучения (рис.6) и дополнительного электрона с малой энергией и малым пробегом (электрон Оже). Вероятность фотоэлектрического эффекта увеличивается с возрастанием атомного номера элемента.

2. Эффект Комптона или комптоновское рассеяние. Это эффект упругого столкновения гамма-фотонов со слабо связанными орбитальными электронами. Он состоит в том, что гамма-квант (при средних энергиях облучения более 0,2МэВ) передает орбитальному электрону только лишь часть своей энергии, превращается в гамма-квант с меньшей энергией и отклоняется от своего первоначального пути.

Электрон Оже Х-излучение ФОТОЭФФЕКТ Фотоэлектрон Электрон отдачи Е 0,2МэВ ЭФФЕКТ КОМТОНА Рассеянный фотон ОБРАЗОВАНИЕ ПАР Е 0,51МэВ Рис. 6 Схема взаимодействия гамма излучения с веществом (А.Д.Фокин и др. 2005г) Вследствие соударения с гамма-квантами электроны отдачи (рис.

6) приобретают значительную энергию, которую расходуют на ионизацию вещества (вторичная ионизация).

3. Образование электрон-позитронных пар. Это явление наблюдается при прохождении гамма-фотона на очень близком расстоянии от ядра и при условии, что энергия фотона превышает величину 1,02МэВ. При этих условия некоторые гамма-кванты, проходя через вещество, превращаются под действием сильного электрического поля вблизи ядра в пару «электрон –позитрон е + ». Образовавшиеся частицы расходуют свою энергию на ионизацию и возбуждение атомов среды, т.е. вызывают вторичную ионизацию в веществе (рис.6.). При этом позитрон, встречая на своем пути электрон, соединяется с ним, в результате чего образуются два фотона, но уже с энергией 0,51МэВ (явление аннигиляции).

Ядерный эффект. Этот эффект бывает крайне редко и состоит в том, что при высоких энергиях гамма-квантов (8МэВ и более) они взаимодействуют с ядрами атомов облучаемого вещества, при этом происходит выбивание из ядра протона, и оно становится радиоактивным (ядерный эффект).

ВОПРОСЫ 1. Какие элементарные частицы входят в состав атома?

2. Почему отрицательно заряженные электроны с оболочки атома не поглощаются положительно заряженным ядром?

3. Чем вызвана неустойчивость ядерных структур радиоактивных изотопов?

4. Что такое явление изотопии?

5. Перечислите все виды радиоактивных излучений 6. Что такое естественная и искусственная радиоактивность?

7. В чем практическое значение закона радиоактивного распада?

8. Почему обычные физические и химические воздействия не оказывают влияния на скорость течения радиоактивных процессов?

9. Можно ли ускорить или замедлить процесс распада радиоактивных атомов?

10. Что такое «ионизирующее излучение» и «ионизация»?

11. Почему одни виды электромагнитного излучения опасны для человека, а другие нет?

12. В чем причина различных проникающих способностей альфа- и бета-частиц?

13. В чем особенности ионизирующего действия гамма-излучения?

14. Что означает «активность препарата» и от чего она зависит?

15. Что такое наведенная радиоактивность, где и в каких случаях она может проявляться?

16. Почему количество радиоактивного вещества определяют в единицах активности, а не массы?

17. Какие эффекты возникают при взаимодействии корпускулярных и электромагнитных излучений с веществом?

2. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ Механизм взаимодействия с веществом -излучения сильно отличается от механизма действия - и -радиации. Альфа и бета- излучения, обладающие электрическим зарядом, и вызывающие ионизацию и возбуждение атомов окружающей среды относят к непосредственно ионизирующим излучениям.

Гамма-фотоны не имеют заряда и не обладают непосредственным ионизирующим действием. Ионизацию вызывают вторичные электроны, которые возникают в среде поглощения (косвенно ионизирующее излучение).

Альфа-частица, имея большую массу (4 а.е.м.) и заряд (2+), обладает огромной ионизирующей способностью (удельная ионизация - до 3000 пар ионов на 1 мм пробега в воздухе) и, взаимодействуя с веществом, быстро теряет энергию. Ее проникающая способность очень мала. Длина пробега альфа частиц в воздухе составляет несколько сантиметров, а лист бумаги является для большинства из них непреодолимой преградой (рис.

7). Поэтому как источник внешнего облучения они опасности не представляют и при работе с закрытыми источниками альфа излучения экранирования не требуется.

Бета-излучение обладает значительно меньшей ионизирующей способностью (удельная ионизация составляет несколько десятков - сотен пар ионов на 1 мм пробега в воздухе).

Поэтому длина пробега бета-частиц в воздухе измеряется уже метрами и при работе с закрытыми источниками бета-излучения в определенных случаях требуется экранирование.

Итак, альфа-частица, имеющая массу и заряд больше, чем бета частица, обладает более высокой ионизирующей способностью.

Альфа- и бета- излучения наиболее опасны при попадании внутрь организма.

Проникающая способность гамма-излучения, которое распространяется со скоростью света очень велика: его может задержать лишь толстая свинцовая или бетонная плита. С учетом фактора геометрического рассеяния реальный радиус действия лучей составляет – 200—300м от источника. С помощью летательных аппаратов, оснащенных чувствительной аппаратурой, можно достаточно надежно выявлять и наносить на карты уровни загрязнения земель по пролетам на высотах от 25—50 до 200— 250м.

Альфа-частицы Бета частицы Гамма-кванты Бумага Металл Рис. 7. Три вида излучений и их проникающая способность В плотных средах -излучение проходит толщу в десятки и даже сотни сантиметров. Для надежного экранирования от излучения требуются защитные материалы с высокой плотностью, например из свинца, толщиной до 5—20см.

2.1. Доза излучения и его мощность.

Биологическое действие рентгеновского и ядерных излучений на организм обусловлено ионизацией и возбуждением атомов и молекул биологической среды, на которые излучения расходуют свою энергию. Таким образом, в результате этого взаимодействия живому организму передается определенное количество энергии. Часть поступающего излучения пронизывает облучаемый объект (без поглощения) и действия на него не оказывает. Поэтому основная физическая величина, характеризующая действие излучения на организм, находится в прямой зависимости от количества поглощенной энергии. Для измерения количества поглощенной энергии введено понятие – доза излучения. Это величина энергии, поглощенной в единице объема (массы) облучаемого вещества.

Таким образом: доза ионизирующего излучения - это характеристика количества излучения и мера его воздействия на облучаемую среду или объекты окружающей среды. Обычно доза ионизирующих излучений обозначается буквой Д (в русском варианте) или D (в латинском варианте). Однако, если иметь в виду конкретный способ выражения дозы, более корректно придерживаться обозначений документа «Нормы радиационной безопасности» (НРБ-99).

Поглощенная доза (D) – энергия ионизирующего излучения, поглощенная облучаемым телом (тканями организма), в пересчете на единицу массы: D = dE/dm, где Е – энергия излучения, m – масса объекта.

В Международной системе единиц (СИ) поглощенная доза выражается в джоулях на килограмм массы - Дж/кг (табл. Приложения). Эта величина получила название грей (Гр). При облучении человека доза 1 грей - крупная величина. Достаточно указать, что LD50 (доза, при которой погибают 50% опытных животных) при экстраполяции на человека составляет около 4Гр.

Поэтому иногда используют другую, внесистемную единицу измерения поглощенной дозы - рад, причем 1рад =10 -2 Гр. Рад это поглощенная доза, при которой количество поглощенной энергии в 1 грамме вещества составляет 100 эрг независимо от вида и уровня энергии излучения (табл. 1 Приложения).

Различают дозу в воздухе, на поверхности (кожная доза) и в глубине облучаемого объекта (глубинная доза), очаговую и интегральную (общую поглощенную) дозы.

Экспозиционная доза. Измерить ионизацию непосредственно в глубине тканей живого организма трудно. В связи с этим для количественной характеристики рентгеновского и гамма-излучений, действующих на объект, определяют так называемую экспозиционную дозу D0, которая характеризует ионизирующую способность этих излучений в воздухе. От экспозиционной дозы с помощью соответствующих коэффициентов переходят к дозе, поглощенной в объекте.

Установленная в СИ единица измерения экспозиционной дозы - кулон, отнесенный к килограмму (Кл • кг-1). На практике и в научной литературе распространена другая, внесистемная, единица экспозиционной дозы - рентген (Р). Один рентген - это доза фотонного излучения, при которой в I см3 сухого воздуха в процессе ионизации образуется 2,079 • 109 пар ионов каждого знака (или 1,61 • 1015 пар ионов в 1 кг воздуха).

Соотношения между единицами экспозиционной дозы (табл.3 Приложения): 1Р (1 рентген) = 2,58 • 10-4Кл • кг-1;

1Кл • кг-1 (1 кулон) = 3,88 • 103Р. Экспозиционная доза - специфическая величина в дозиметрии и используется только для оценки внешнего рентгеновского или -излучения.

Энергетический эквивалент экспозиционной дозы составляет: для воздуха 1Р = 0,84рад, для воды и биологических тканей 1Р = 0,93 - 0,96рад в зависимости от энергии -фотонов.

Это означает, что если живой объект находится в некотором пространстве, в котором экспозиционная доза за определенное время оценивается значением 1Р (рентген), поглощенную дозу, полученную этим объектом, следует приблизительно оценить в рад.

Экспозиционная доза корректна только для воздуха объекта с практической точки зрения менее интересного и значимого, чем биологические объекты (органы, ткани, организмы). Кроме того, интерпретация экспозиционной дозы на биологические объекты носит лишь приблизительный характер. В связи с этим экспозиционной дозой в современной дозиметрии рекомендуется не пользоваться и в последнем варианте НРБ- этот вид дозы и ее мощность не упоминаются. С другой стороны, в силу многолетней традиции в радиологии, биологии и медицине этим видом дозы ионизирующего излучения и ее внесистемной единицей «рентген» пользуются достаточно широко. К примеру, фоновый уровень мощности дозы на той или иной территории Российской Федерации в СМИ до настоящего времени приводится в мкР/час.

Эквивалентная доза. Установлено, что биологическое действие одинаковых доз различного вида излучений на организм неодинаково. Биологический эффект облучения при прочих равных условиях различен для разных видов излучения прежде всего потому, что он определяется не только величиной поглощенной энергии, но и характером распределения этой энергии в облучаемом объекте.

Разные виды излучений создают ионы с неодинаковым пространственным распределением. Например, -частица, обладая значительными величинами размера, массы, заряда и энергии, по сравнению с -частицей характеризуется большими значениями линейной плотности ионизации (ЛПИ) и создает на единице пути в ткани гораздо больше ионов. При одной и той же поглощенной энергии (поглощенной дозе) биологический эффект будет несоизмеримо больше при более высокой плотности ионизации.

Для сравнения биологических воздействий, вызванных различными видами излучения, используется понятие относительной биологической эффективности (ОБЭ), которое показывает, во сколько раз радиобиологический эффект данного вида излучения больше радиобиологического эффекта образцового излучения при одной и той же поглощенной дозе:

= D/Dобр, где - относительная биологическая активность, Dобр и D - поглощенные дозы, соответственно, образцового и данного излучения.

За образцовое излучение принимают рентгеновское излучение с энергией фотонов 200кэВ. Очевидно, что для образцового излучения =1 величина ОБЭ зависит в основном от плотности ионизации или размеров потерь энергии на единицу длины пути ионизирующей частицы - показателя линейных потерь энергии (ЛПЭ). С ростом ЛПЭ излучения увеличивается вероятность повреждений биологических тканей и, что немаловажно, снижается способность к самовосстановлению повреждений. ОБЭ проявляет зависимость также и от скорости частиц излучения: чем меньше скорость, тем выше ОБЭ.

Для определения дозы ионизирующего излучения с учетом биологического эффекта на практике используют не относительную биологическую эффективность, а регламентированный ОБЭ-показатель, который называют взвешивающим коэффициентом (WR), а доза в этом случае называется эквивалентной дозой НТ,R, ее рассчитывают следующим образом:

НТ,R = DT,R • WR где WR - взвешивающий коэффициент для излучения R.

DT,R - средняя поглощенная доза в органе или ткани Т, т.к.

эквивалентная доза излучения рассчитывается для «средней»

ткани организма человека.

Взвешивающие коэффициенты для расчета эквивалентной дозы (для отдельных видов излучения) в соответствии с Нормами радиационной безопасности -99 приведены в табл.3.

Таблица Взвешивающие коэффициенты (WR) для отдельных видов излучения при расчете эквивалентной дозы (по НРБ-99) Фотоны любых энергий Электроны и мюоны любых энергий Нейтроны с энергией менее 10кэВ От 10кэВ до 100кэВ От 100кэВ до 2 МэВ От 2МэВ до 20МэВ Более 20Мэв Протоны с энергией более 2МэВ, кроме протонов отдачи Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра Примечание: все значения относятся к излучению, падающему на тело, а в случае внутреннего облучения – испускаемому при ядерном превращении Эквивалентная доза излучения НT,R - это поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения, т е.

коэффициент, отражающий способность данного вида излучения повреждать ткани. Эквивалентная доза учитывает различия в биологическом действии излучений различного вида в соответствии с их относительной биологической эффективностью.

Эквивалентную дозу в СИ выражают в зивертах (Зв).

Внесистемная единица измерения - бэр (биологический эквивалент рада), 1 бэр = 0,01Зв. Один зиверт равен эквивалентной дозе, при которой произведение поглощенной дозы в биологической ткани стандартного состава на средний взвешивающий коэффициент составляет 1Дж/кг.

В случаях, когда на объект воздействуют разные виды излучений с различными взвешивающими коэффициентами, эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для этих видов излучения:

HT = HT, R R Эффективная эквивалентная доза. Различные органы и ткани живых организмов обладают разной чувствительностью к воздействию ионизирующих излучений (табл. 4). Например, при одной и той же поглощенной дозе вероятность возникновения рака легких больше, чем щитовидной железы, а при облучении половых желез более вероятны генетические отклонения. Для оценки биологического эффекта (или меры риска) при облучении органов, тканей и организма в целом с учетом влияния разных видов излучения и радио-чувствительности отдельных органов вводят эффективную эквивалентную дозу (Е). Для организма в целом она может быть определена как сумма произведений эквивалентной дозы в отдельных органах и тканях на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного органа или ткани (коэффициент радиационного риска).

W E= • HT T T Таблица Значения взвешивающих коэффициентов (WT) или коэффициентов радиационного риска для оценки эффективной дозы в различных органах и тканях (по НРБ-99) Органы и ткани WT, Органы и ткани WT, Зв/Гр Зв/Гр Гонады 0,20 Печень 0, Костный мозг (красный) 0,12 Пищевод 0, Толстый кишечник 0,12 Щитовидная железа 0, Легкие 0,12 Кожа 0, Желудок 0,12 Клетки костных 0, поверхностей Мочевой пузырь 0, Грудная железа 0,05 Остальное* 0, *Примечание: при расчете учитывать, что «Остальное» включает надпочечники, головной мозг, экстраторокальный отдел (бронхи, дыхательное горло) органов дыхания, тонкий кишечник, почки, мышечную ткань, поджелудочную железу, селезенку, вилочковую железу и матку.

Эффективная коллективная доза. В тех случаях, когда возникает необходимость оценить меру риска появления стохастических эффектов облучения, используют эффективную коллективную дозу, которая является суммой индивидуальных эффективных доз (рис.8). Единица измерения эффективной коллективной дозы - человеко-зиверт (чел.-Зв).

В настоящее время в связи с появлением новых норм радиационной безопасности (НРБ-99) в системе классификации доз появились новые величины эквивалентных доз.

Введено понятие тканеэквивалентного материала, т. е.

материала, взаимодействие излучения высокой энергии с которым эквивалентно таковому с тканью живого организма. Для этого используют шаровой фантом МКРЕ (Международная комиссия по радиационным единицам и измерениям), который представляет собой шар диаметром 30см, изготовленный из тканеэквивалентного материала, имеющего следующий химический состав (по массе, %): 76,2 - кислород;

11,1 - углерод;

10,1 - водород и 2,6 - азот;

плотность материала 1г/см3.

Ионизирующее излучение Поглощенная доза – энергия ионизирующего излучения, поглощенная облучаемым телом.

Эквивалентная доза – поглощенная доза, умноженная на взвешивающий коэффициент WR, учитывающий способность данного излучения повреждать ткани Эффективная эквивалентная доза – эквив. доза, умноженная на взвешивающий коэффициент WT, учитывающий радиочувствительность органа Эффективная коллективная доза – сумма индивидуальных эффективных доз, полученных группой населения Полная коллективная эффективная доза – доза, полученная поколением людей от какого-либо радиоактивного источника за все время его существования Рис. 8. Дозы излучения 2.2. Радио-чувствительность различных биологических видов Вскоре после открытия биологического действия ионизирующих излучений было установлено, что любой живой объект может быть убит этим агентом. Однако дозы облучения, приводящие различные объекты к гибели, отличаются в очень широких пределах, даже на несколько порядков. Иными словами, каждому биологическому виду свойственна своя мера чувствительности к действию ионизирующей радиации, своя радио-чувствительность.

В качестве примера крайне низкой радиочувствительности можно привести бактерии, обнаруженные в канале ядерного реактора. В этих условиях бактерии не только не погибали, но жили и размножались, почему и получили название - микрококк радиорезистентный. Степень радиочувствительности сильно варьирует и в пределах одного вида - индивидуальная радио чувствительность, а для определенного индивидуума зависит также от его возраста и пола Таблица Порог детерминированных эффектов у взрослых людей для наиболее радиочувствительных тканей (НРБ-99) Порог Ткань и эффект Доза одного Мощность дозы кратковременного ежегодного облучения, Зв фракционированного или протяженного облучения, Зв/год Семенники Временная стерильность 0,15 0, Постоянная стерильность 3,5-6,0 2, Яичники Стерильность 2,5-6,0 0, Хрусталики Обнаруживаемые помутнения 0,5-2,0 0, Нарушение зрения (катаракта) 5,0 0, Красный костный мозг Угнетение кроветворения 0,5 0, Кроме того, даже в одном организме различные клетки и ткани значительно различаются по радиочувствительности. К наиболее чувствительным относятся кроветворная система, эпителий слизистой тонкого кишечника. Имеются относительно устойчивые ткани: мышечная, нервная, костная, которые принято называть резистентными (табл.5).

Конечный радиобиологический эффект тесно связан с количеством энергии, поглощенной живой тканью во время облучения, и зависит от радио-чувствительности растений и животных, которая изменяется в довольно широком диапазоне.

Причины неодинаковой реакции растений и животных различных видов на ионизирующие излучения полностью не установлены.

Однако экспериментально доказано, что степень радио чувствитёльности организмов тесно связана с размером ядра, числом хромосом, скоростью деления клеток и рядом других факторов.

Реакция живых организмов на ионизирующую радиацию изменяется в зависимости от вида ионизирующей радиации, времени облучения и мощности дозы. Влияние различных видов ионизирующей радиации на биологические объекты коррелирует с плотностью ионизации. Чем выше линейная плотность ионизации, тем выше биологическое воздействие. Известно, что -кванты и частицы образуют в биологических тканях до 10 пар ионов на мкм пути, тогда как у -частиц и быстрых нейтронов ионизация в 10 раз выше. Кроме того, нейтронное излучение вызывает наведенную радиоактивность. Чем выше разовая доза и чем короче время ее воздействия, тем быстрее выявляется поражающее действие ионизирующих излучений на живые организмы.

Одним из критериев оценки биологической эффективности излучений является гибель организмов. Обязательным требованием к используемому критерию является его строгая количественная связь с дозой облучения. Доза ионизирующей радиации, при которой гибнет половина организмов, называется полулетальной (LD50). Минимальная доза, смертельная для всех облученных организмов, называется летальной (LD100). Для сравнения радио-чувствительности и радиорезистентности по величинам LD50 и LD|00 учитывается время, в течение которого облученные организмы погибают (для животных принят период продолжительностью 30 дней). Радио чувствительность различных организмов неодинакова:

полулетальная доза (в Гр) у растений колеблется от 10 до 1500, у птиц - от 8 до 20 и у млекопитающих - от 2 до 15 (табл. 6).

Величины LD50 в природе различаются довольно значительно даже в пределах одного вида, например мышами разных линий). Определенное влияние на степень радио чувствительности оказывает видовая и даже индивидуальная реактивность организмов. Из таблицы 6 видно, что, чем выше уровень биологического развития организма, тем выше его радио чувствительность (за некоторым исключением) - закон радио чувствительности.

Таблица Дозы -излучения (LD50), вызывающие 50%-ную смертность (О.Т.Балуев, 1997) Биологический вид Доза, Гр. Биологический Доза, Гр.

вид Овца 1,5-2,5 Птицы 8,0-20, Осел 2,0-3,8 Рыбы 8,0-20, Собака 2,5-3,0 Кролик 9,0-10, Человек 2,5-3,5 Хомяк 9,0-10, Обезьяны 2,5-6,0 Змеи 80,0-200, Мыши 6,5-15,0 Насекомые 10,0-100, Крысы 7,0-9,0 Растения 10,0-1500, Разумеется, если доза облучения достаточно велика, облученный человек погибнет. Во всяком случае, очень большая доза облучения, порядка 100Гр, вызывает настолько серьезное поражение центральной нервной системы, что смерть, как правило, наступает в течение нескольких часов или дней. При дозах облучения от 10 до 50Гр при облучении всего тела поражение центральной нервной системы может оказаться не настолько серьезным, чтобы привести к летальному исходу, однако облученный человек, скорее всего, умрет через одну-две недели от кровоизлияния в желудочно-кишечном тракте. При еще меньших дозах могут произойти серьезные повреждения желудочно-кишечного тракта, но организм с ними справится. И, тем не менее, смерть может наступить через один-два месяца с момента облучения, главным образом из-за разрушения клеток красного костного мозга - главного компонента кроветворной системы организма: от дозы 3-5Гр при облучении всего тела умирает половина всех облученных.

Согласно оценкам хроническое облучение при мощности дозы 1Гр на поколение (для человека в течение 30 лет) приведет к появлению около 2000 серьезных случаев генетических заболеваний на каждый миллион живых новорождённых среди детей тех, кто подвергся такому облучению.


Этим методом пользуются также для оценки суммарной частоты появления серьезных наследственных дефектов в каждом поколении при условии, что тот же уровень будет действовать все время. Согласно этим оценкам, примерно 15000 живых новорожденных из каждого миллиона будут рождаться с серьезными наследственными дефектами из-за такого радиационного фона. Следует иметь в виду, что радиация бывает разной вредности. Одна поражает мембраны клеток, другая энергетический аппарат, третья, самая опасная – ядро.

При расчете последствий аварий крайне важно (если вообще можно говорить о каком-то строгом расчете) определить величину коллективной дозы облучения, которую вобрала в себя популяция, т. е. все те, кто так или иначе - непосредственно или опосредованно - соприкасался с "зоной".

Нельзя забывать, что радиация поражает иммунную систему, вследствие чего развиваются "обычные" заболевания, приводящие к смертельному исходу.

При внешнем облучении сельскохозяйственных растений не только гамма-излучение, но и бета-частицы могут иметь весьма важное значение, так как пробег этих частиц может превышать толщину листьев и стеблей. Внутреннее облучение у растений происходит в том случае, когда радиоактивные вещества вовлекаются в растения через листья и корни.

Интенсивность проникновения и включения радионуклидов в обменные процессы в растениях связана с их химической природой. Высокой подвижностью в растениях обладают радиоизотопы цезия, йода, иттрия, а изотопы стронция, церия, бария имеют сравнительно небольшую способность к перемещению.

2.3. Суммарная доза облучения человека, проживающего на территории, загрязненной радионуклидами.

Все живое на Земле находится под непрерывным воздействием ионизирующих излучений (рис.9). Следует различать две компоненты радиационного фона: природный фон и порожденный деятельностью человека.

Ядерные Космические Ядерная энергия и взрывы излучения и радиоактивные естественная изотопы радиоактивность АТМОСФЕРА Аэрозоли, осадки Водоемы, грунтовые Почва воды Питьевая вода, Пища (растения, животные, молоко) Наружное Суммарная Дыхание облучение доза облучения человека Малые источники Лица, облучаемые в Медицина (часы, цветные связи с работой (рентген и т.д.) телевизоры, и т.д.) Рис.9 Источники формирования суммарной дозы облучения человека (по И.Н.Борчук, 1998г) Природный фон обусловлен космическим излучением и природными радиоактивными веществами, содержащимися в земле, воздухе и во всей биосфере.

Техногенный фон обусловливается работой АЭС, урановых рудников, использованием радиоизотопов в промышленности, сельском хозяйстве, испытанием (применением) ядерного оружия. Схема формирования суммарной дозовой нагрузки на человека приведена на рис. 9. Суммарное воздействие искусственных источников ионизирующего излучения на человека складывается из внешнего облучения от источников излучения, находящихся вне человека, и внутреннего облучения от источников излучения, попадающих в организм человека с воздухом, водой, пищей или другими путями.

Таблица Места накопления радионуклидов в организме человека* Органы и Радионуклиды ткани Щитовидн 129 131 ая железа I, I, Tc Kr, 238Pt, 239Pt, 222Rd, 233U, 133Xe, 135Xe Легкие Cs, 58Co, 60Co, 239Ne, 238Pt, 239P, 241Pt Печень Ba, 14C, 154Er, 32P, 238Pt, 239Pt, 241Pt, 147Pr, 226Ra, 89Sr, Кости Sr, 234Th, 233U, 90Y, 65Zn Селезенка Po Cs, 137Cs, 106Pt Почки Ba, 134Cs, 137Cs, 58Ko, 131I, 85Kr, 239Pt,40K, 42K, 106Rt, Яичники Y, 65Zn Cs, 137Cs, 154Er, 155Er, 40K, 42K Мышцы Кожа S *«Большая медицинская библиотека», VIII. Радиационная медицина Величина дозы внешнего облучения человека зависит от целого ряда факторов: вида и энергии излучения радионуклида, количества и активности нуклида в почве, распределения нуклидов в слое почвы, времени нахождения человека на открытой территории, наличия защитных сооружений, расстояния от загрязненной поверхности и т.д.

В организм радионуклиды могут поступить тремя путями: в желудочно-кишечный тракт, через легкие и кожу.

Наиболее важным и потенциально опасным является ингаляционное поступление радионуклидов: этому способствует огромная дыхательная поверхность альвеол (легкие, бронхи), площадь которой ~ 100м2 (в 50 раз больше, чем поверхность кожи). Второй по значимости путь – поступление радионуклидов с пищей и водой. Дальнейшая судьба поглощенных радионуклидов зависит от их растворимости в жидкой среде желудочно кишечного тракта. В организм поступает лишь некоторая часть попавших в кишечник нуклидов, большая часть проходит «транзитом» и удаляется из кишечника.

Радионуклиды в составе жидких и газообразных соединений проникают через кожу людей и животных достаточно быстро, а иногда и в значительных количествах.

В связи с тем, что спустя некоторое время после аварии подавляющее количество радионуклидов оказывается локализованным в верхнем слое почвы, главным источником внутреннего облучения становятся продукты питания, полученные из сельскохозяйственного сырья с загрязненных территорий.

По способности накапливать радионуклиды основные органы располагаются следующим образом: щитовидная железа (максимум), печень, кишечник, почки, скелет, мышцы (табл.7).

По скорости выведения радионуклидов органы располагаются несколько иначе: щитовидная железа (максимум), печень, почки, селезенка, кожа, мышцы, скелет.

2.4. Характеристика основных радионуклидов – загрязнителей агроэкосистем Поступления радиоактивных веществ во внешнюю среду происходят различными путями. Особенно большое количество радиоактивных продуктов деления было выброшено в результате испытания ядерного оружия.

При наземном ядерном взрыве слой грунта под влиянием колоссальных давлений и высокой температуры перемещается с радиоактивными продуктами деления, расплавляется и частично переходит в парообразное состояние. Огромное количество грунта вместе с огненным шаром поднимается в верхние слои атмосферы и по мере остывания этой массы происходит конденсация паров расплавленного грунта;

после затвердевания расплавленной массы радиоактивные продукты деления оказываются, в основном, фиксированными в стекловидных частицах.

Весьма важным обстоятельством, от которого в дальнейшем зависит степень миграции радионуклидов по биологическим и пищевым цепочкам, являются физико химические свойства грунта, вовлеченного в огненный смерч.

Если взрыв произошел на силикатной почве, то доступность радиоактивных продуктов деления в районе локальных выпадений будет низкой. Если из воронки в огненный шар вовлечен карбонатный грунт, то оплавленные частицы в дальнейшем быстро разрушаются под воздействием воды, температуры и других факторов, а радионуклиды выщелачиваются в почвенный раствор и становятся доступными микроорганизмам и растениям.

При попадании оплавленных частиц из карбонатных грунтов в желудок животных они сравнительно легко растворяются желудочным соком, поступают в организм и переходят далее в продукты животного происхождения. Образующиеся при воздушных взрывах частицы весьма малы - от сотых до тысячных долей миллиметра, тогда как при наземных испытаниях их размеры варьируют в довольно широких пределах: от нескольких миллиметров до его тысячных долей.

Основная масса радиоактивного вещества (до 80 %) после наземного взрыва выпадает в непосредственной близости от места взрыва в виде шлака и крупных частиц. Радиоактивная пыль, попавшая в верхние слои атмосферы - в тропосферу и стратосферу, выпадает медленно на поверхность почвы в районах, удаленных на большие расстояния от места взрыва.

Радиоактивные продукты деления из тропосферы выпадают в течение 2-3 месяцев, тогда как из стратосферы они поступают на поверхность земли в течение многих лет. Эти выпадения называют глобальными, т. к. они рассеиваются по всей поверхности планеты. Миграция радиоактивных аэрозолей в тропосфере происходит в соответствии с законами перемещения воздушных масс. Скорость переноса радиоактивных веществ в тропосфере весьма высока, и прежде чем тропосфера очистится от радиоактивности, радиоактивная пыль успевает пройти несколько раз вокруг земного шара.

Не все из образующихся радиоактивных элементов в одинаковой степени представляют опасность для функционирования экосистем. Прежде всего это зависит от физических, химических и биологических свойств радионуклидов, попадающих в окружающую среду. Более 2/3 из всех радионуклидов (табл. 8), которые образуются в результате аварий и испытания ядерного оружия, характеризуются коротким периодом полураспада и поэтому практически не представляют опасности для долгосрочного загрязнения агроэкосистем. С течением времени их доля быстро уменьшается, и в составе загрязнений начинают преобладать долгоживущие радионуклиды, такие как цезий-137 (137Cs) c периодом полураспада (Т1/2) 30 лет и стронций-90 (90Sr) c периодом полураспада 29 лет.

Таблица Группа нуклидов по видам излучения, представляющих опасность при аварийных выбросах на АЭС (О.Н.Федосеев, Л.М.Хурнова, 2000г.) Излучение Радиоактивные изотопы U235;

U236;

U238;

Pu239;

Pu241;

Ra223;

Ra226;

Th232;

Np Sr89;

Sr90;

Y91;

Sr95;

Pr Co57;

Co60;

Zn63;

Zr95;

Nb95;

Ru103;

Ru106;

Sb125;

I131;

Cs134;

Cs137;

Ce141;

Ce Кроме того, большие периоды полураспада имеют некоторые, образующиеся при работе реактора трансурановые элементы. Например, в выбросах Чернобыльской аварии присутствовал 239Pu (-излучение) с периодом полураспада(Т1/2) 24100 лет). Этот радионуклид отмечен в 30-ти километровой зоне вокруг реактора, там проживание и ведение сельского хозяйства запрещено категорически. Однако, при свежих выпадениях содержание -активных радионуклидов в составе загрязнений может быть существенным и вклад -излучения в суммарную дозовую нагрузку значительно повышается.

Итак, спустя короткое время после большинства аварий главными радионуклидами – загрязнителями становятся 137Cs и Sr, имеющие почти одинаковые периоды полураспада и относящиеся к долгоживущим радионуклидам. 137Cs является источником - и - излучений, а 90Sr – источником только излучения, следовательно 137Cs может быть источником как внешнего, так и внутреннего облучения, а 90Sr – в основном источником внутреннего облучения.

При распаде 137Cs образуется одна -частица, а при распаде Sr и его дочернего радионуклида 90Y – две, причем энергии этих частиц (0,55 и 2,27 МэВ соответственно) больше, чем при распаде Cs (0,51 МэВ). Именно это делает 90Sr более опасным при внутреннем облучении.

ВОПРОСЫ 1. Каковы особенности биологического действия радиации как этиологического фактора?

2. Что означает «прямое» и «косвенное» ионизирующее излучение?

3. Источниками каких излучений являются долгоживущие радионуклиды 137Cs и 90Sr?

4. Что такое доза излучения, какие существуют виды доз и единицы их измерения?

5. Раскройте содержание закона радиочувствительности организмов.

6. Назовите факторы, формирующие суммарную дозу облучения человека.

7. От чего зависит конечный радиобиологический эффект облучения организма?

8. Раскройте содержание взвешивающих коэффициентов для отдельных видов излучений при расчете эквивалентной дозы.

9. Раскройте содержание взвешивающих коэффициентов для тканей и органов при расчете эффективной эквивалентной дозы.

10. Какие особенности живых организмов определяют их различную радио-чувствительность?

11. Приведите уровень полулетальной дозы ионизирующего излучения (ЛД50) человека и для некоторых животных.

12. От каких факторов среды зависит степень миграции радионуклидов по биологическим и пищевым цепочкам?

13. Какие радионуклиды являются наиболее опасными загрязнителями агроэкосистем и по какой причине?

3. МЕХАНИЗМ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ Основной радиобиологический парадокс по определению Н.В.Тимофеева-Ресовского, состоит в очень значительной диспропорции между количеством поглощенной энергии ионизирующей радиации и величиной вызванного ею биологического эффекта. Смертельная для человека и большинства млекопитающих поглощенная доза - 10 Гр ( рад) энергетически эквивалентна приблизительно 170 кал, т. е.

такому количеству тепловой энергии, которое передается человеку от выпитого стакана горячего чая, вызывая повышение температуры тела всего на 0,001 °С.

Особенность ионизирующих излучений состоит в том, что они обладают высокой биологической активностью. Они способны вызывать ионизацию любых химических соединений биосубстратов и этим индуцировать длительно протекающие реакции в живых тканях. Поэтому результатом биологического действия радиации является, как правило, нарушение нормальных биохимических процессов с последующими функциональными и морфологическими изменениями в клетках и тканях животного.

3.1 Теория «мишени»

Одним из объяснений основного радиобиологического парадокса послужила развиваемая с начала 1920-х гг. теория мишеней (теория классического формализма): сильно выраженное повреждение клетки связывалось с поглощением большой энергии ядерных частиц в некоторых жизненно важных высокочувствительных точках клетки — «мишенях», размеры которых значительно меньше размеров самой клетки. Попадание в такую мишень (ген или ансамбль генов) одной или нескольких высокоэнергетических частиц атомной радиации достаточно для разрушения и гибели клетки. Чем больше доза, тем оно вероятнее (доза-эффект);

чем меньше, тем оно менее вероятно, но по закону случайности попадания оно всегда возможно.

Исходя из принципов классической теории мишени следует вывод, что количество попаданий должно быть прямо пропорционально дозе излучения: в определенном диапазоне малых доз число пораженных мишеней строго пропорционально дозе (или числу попаданий), однако с повышением дозы излучения вероятность попадания в одну и ту же мишень увеличивается и хотя общее число попаданий остается пропорциональным дозе, их эффективность (на единицу дозы) уменьшается, и количество пораженных мишеней возрастает медленнее, асимптотически приближаясь к 100%. Иначе говоря, количество жизнеспособных единиц с увеличением дозы уменьшается в экспоненциальной зависимости от дозы.

Главное достоинство теории «мишени» состоит в том, что она дала простое объяснение радиобиологического парадокса экстремальный эффект, возникающий в клетке в результате поглощения ничтожной по величине энергии, происходит вследствие дискретного акта ее размена (попадания) в крошечном, но жизненно важном микрообъеме (мишени), например, в уникальной молекуле ДНК.

Таким образом, в основе теории мишени лежат два положения. Первое из них – принцип попадания – характеризует особенность действующего излучения. Эта особенность заключается в дискретности поглощения энергии излучения, т.е.

поглощения порции энергии при случайном попадании в мишень.

Второе положение – принцип мишени – учитывает особенность облучаемого объекта (клетки), т. е. различие в ее ответе на одно и тоже попадание.

Под прямым действием ионизирующего излучения понимают такие изменения, которые возникают в результате утери или приобретения электрона самими молекулами мишенями.

3.2 Стохастическая теория Дальнейшим развитием теории прямого действия излучений явилась стохастическая теория, которая, так же как и теория мишени, учитывает вероятностный характер попадания излучения в чувствительный объем клетки, но в отличие от нее она еще учитывает и состояние клетки как биологического объекта, лабильной динамической системы.

Клетка как лабильная динамическая система постоянно находится в стадии перехода из одного состояния в другое путем клеточного деления — митоза. На каждой стадии деления существует вероятность повреждения ее вследствие различных факторов, в том числе и радиационного.

Излучение влияет на все фазы и стадии клеточного цикла, однако радиочувствительность клетки в различные стадии митоза неодинаковая. В зависимости от стадии деления излучение оказывает на клетку разное действие: наибольшую чувствительность к ионизирующему излучению имеет клетка в начале деления (стадия профазы) - облучение тормозит его завершение. Облучение в период интерфазы (стадия жизненного цикла клетки между двумя последовательными митотическими делениями) приводит к потери способности приступать к новому делению. В этих случаях легко нарушается структура хроматинового вещества, в результате чего клетка может погибнуть.

На основании различия радиочувствительности клеток французские ученые Бергонье и Трибондо сформулировали правило: чувствительность клеток к облучению прямо пропорциональна интенсивности клеточного деления и обратно пропорциональна степени их дифференцировки (исключение составляют высокодифференцированные, но неделящиеся нервные клетки и лимфоциты крови).

Следовательно, наиболее повреждаемы клетки тех тканей, которые обладают высокой митотической активностью. К ним относятся клетки органов кроветворения (красный костный мозг, селезенка, лимфоузлы), половых желез, эпителия кишечника и желудка, а также клетки быстрорастущих опухолей. Поэтому не случайно при развитии острой лучевой болезни в первую очередь наблюдаются нарушения кроветворения, поражения желудочно-кишечного тракта, половых клеток и т. д.

Главную ответственность за гибель клетки при облучении несет ядро. Именно на принципах радиопоражаемости быстро растущих клеток базируется практическое применение ионизирующей радиации в онкологии для подавления злокачественного роста опухолевых клеток 3.3 Теория свободных радикалов Как было сказано, большая часть повреждений приходится на ядро. Теория «мишени» оказалась не в состоянии объяснить механизмы, приводящие к гибели клетки в результате ионизации всего лишь одного из 109—1011 атомов или гибели целого организма от ионизации примерно одной из 107 молекул.

Начало развития новых представлений, объяснявших механизмы первичных радиационных воздействий, приходится на 1940-е гг. Новая теория свободных радикалов объясняет радиобиологический эффект не столько прямым действием поглощенной энергии ядерных частиц, как в теории мишеней, сколько косвенным, или вторичным, действием высокореакционных продуктов радиолиза (радиационного разложения) веществ, составляющих клетку.

Под косвенным действием понимают изменения «мишеней», вызванные продуктами радиолиза окружающей эти молекулы воды и растворенных в ней низкомолекулярных соединений, а не энергией излучения, поглощенной самими молекулами.

Ключевые роли в этой теории отведены воде, которая может составлять до 90% массы клетки, и свободным радикалам — вторичным продуктам ионизации вещества (в первую очередь — молекул воды), обладающим чрезвычайно высокой химической активностью. Именно в воде растворены белки, нуклеиновые кислоты, ферменты, гормоны и другие жизненно важные вещества, являющиеся основными компонентами клетки, которым легко может быть передана энергия, первоначально поглощенная водой.

Первичные процессы, вызванные поглощением энергии ядерных частиц, сводятся к явлениям ионизации и возбуждения атомов и молекул с образованием положительно и отрицательно заряженных ионов, а также свободных радикалов — незаряженных фрагментов молекулы.

Появление свободных радикалов и их взаимодействие составляют первый этап первичных химических реакций воды и растворенных в ней веществ, а в случае облучения животных и растений – и биологических молекул. Свободные радикалы существуют очень короткое время, но они все же способны диффундировать на довольно значительные расстояния и приводить к разнообразным изменениям внутри клетки на молекулярном уровне.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 

Похожие работы:





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.