Дія радіоактивних речовин та джерел іонізуючого випромінювання на живі організми і радіаційний захист

До іонізуючих випромінювань відносяться ті, які діючи в речовинному середовищі, обумовлюють утворення електричних зарядів протилежних знаків – іонів. За своєю природою іонізуюче випромінювання поділяється дві групи.

До першої групи відноситься потік елементарних часток з масою спокою більшою від «0». Такими частками можуть бути електрично нейтральні нейтрони, оскільки вони не несуть електричного заряду. Атомна маса нейтрона дорівнює «1». Через свою електричну нейтральність вони мають велику довжину пробігу, за виключенням речовин легких хімічних елементів. Корпускулярними з масою більшою за «0» є також α (альфа)- і β (бета)-частинки, які випромінюються при радіоактивному розпаді нестійких хімічних елементів.

До другої групи відноситься іонізуюче радіоактивне випромінювання електромагнітного хвильового типу – γ(гама)-фотони, а також штучно створюване рентгенівське випромінювання, яке природним шляхом не виникає. Гама-фотони і рентгенівські промені не мають маси і електричних зарядів, але переносять електромагнітну енергію, що і обумовлює їх іонізуючу дію на речовини.

При геологічних дослідженнях працівники можуть опромінюватися як природним, так і штучно створюваним радіоактивним випромінюванням. Явище радіоактивності полягає в самовільному поділу ядер нестійких елементів радіоактивних речовин. При цьому утворюються нові ядра нових хімічних елементів з одночасним випромінюванням компонентів іонізації. Найважливішими і найбільш вивченими компонентами природного і штучного радіоактивного випромінювання є альфа-частинки, бета-частинки, гама-фотони і нейтрони.

Альфа-частинки (α-частинки) представляють собою потік атомних ядер, які включають два протони і два нейтрони. Такий склад мають атоми гелію. Атомна маса альфа-часток як і ядер атомів гелію дорівнює 4, а заряд 2⁺. Через велику масу і заряд мають низьку проникну здатність, довжина пробігу невелика: у повітрі – 20 – 110 мм (2 – 11 см), у біологічних тканинах – 0,03 – 0,15 мм (0,003 – 0,015 см). Швидкість руху альфа-часток від 14000 до 20000 км/с. На шляху розповсюдження відбувається іонізація великої щільності.

Вета-частинки (β-частинки) у фізичному плані представляють собою потік електронів або позитронів, що утворюються при радіоактивному рас паді. Швидкість їх руху наближається до швидкості світла, а довжина пробігу становить: у повітрі – кілька метрів, у тканинах людського тіла – 1 см або 10 мм, у металах – не більше 1 мм. Іонізуюча здатність β-частинок менша ніж у α-частинок у 10 разів.

Γама-промені – високочастотне випромінювання, що поширюється у формі електромагнітних хвиль із швидкістю світла, тобто 300000 км/с, має високу проникну здатність. Проходячи через речовину взаємодіє з нею, в тому числі викликає іонізацію, утворюючи позитивні і негативні іони. Не дивлячись на те, що іонізуюча здатність γ-фотонів значно нижча від дії α- і β-частинок, наслідки їх дії можуть бути дуже тяжкими, навіть смертельними.

Наявність радіоактивних елементів у середовищі, як правило, незначна. Тому їх мірою є не вага, а активність. Активність радіоактивних елементів пропорційна їх кількості у середовищі.

Активність джерела радіоактивності визначається кількістю актів розпаду за одну секунду. Одиницею вимірювання активності в системі СІ є Беккерель (Бк). Один Беккерель дорівнює одному ядерному розпаду за одну секунду. До введення системи СІ використовувалася і до сьогодні досить широко використовується позасистемна одиниця вимірювання активності – Кюрі (Ки):

1 Ки = 3,7 × 10¹⁰ Бк

Чим вища активність джерела, тим вищий рівень іонізації при взаємодії іонізуючого випромінювання з речовинним середовищем. Внаслідок такої взаємодії відбувається поглинання певної кількості енергії іонізуючого випромінювання. В неживій матерії після припинення опромінення речовини іони переходять у нейтральний стан.

Основною особливістю дії іонізуючого випромінювання на живу матерію є те, що на відміну від неживої матерії, після припинення опромінення рекомбінації іонів (іонізованих атомів і молекул) не відбувається. Цей процес вважається початковим етапом біологічної дії опромінення і в подальшому викликає функціональні і органічні пошкодження живої тканини, органів і систем. В основі виникнення променевої хвороби – складні механізми прямої і непрямої дії іонізуючого опромінення на живий організм. Пряма дія радіації великими дозами на молекули білка обумовлює випадання молекул білка із колоїдного розчину, обумовлюючи подальші негативні процеси живої матерії. Непряма дія іонізуючого опромінення пояснюється механізмом радіолізу води, яка на 80% складає масу всіх органів і тканин організму людини. При іонізації води утворюються радикали з окислюючими і відновлюючими властивостями. Найбільше значення із них мають атомарний водень (Н), гідроксид (НО₂), перекис водню (Н2О₂). Кількість ДНК і РНК в ядрах клітин зменшується, що обумовлює порушення структур хромосом, а також всієї генетичної системи.

Внаслідок біохімічних процесів у ядрах вражених радіоактивним опроміненням тканин утворюються радіотоксини і змінюється нейрогуморальна та гормональна регуляція тканин та клітин. Порушуються обмінні процеси, накопичуються токсичні гістаміноподібні амінокислоти. Все це обумовлює інтоксикацію організму з подальшим порушенням нервової діяльності, зміною функцій внутрішніх органів. Одним із найтяжчих у патогенезі променевої хвороби є ураження органів кровотворення.

Клінічний ефект який виникає при опроміненні тіла людини залежить від кількості поглинутої ним енергії випромінювання на одиницю маси.

Важливим завданням у захисті від іонізуючого опромінення є оцінка його небезпечності для працюючих і населення у різних умовах радіаційної обстановки.

Іонізуючу властивість радіації характеризують дозою опромінювання. Доза опромінення – це кількість енергії радіоактивних випромінювань поглинутих одиницею об’єму середовища, яке опромінюється. Вона є мірою уражуючої дії радіоактивних випромінювань на організм людини, тварин, рослини. Вона накопичується за різний час, а ураження від опромінення залежить від величини дози та від часу її накопичення. Розрізняють експозиційну, поглинуту і еквівалентну дози.

Експозиційною називають дозу випромінювання, що характеризує іонізаційний ефект рентгенівського і гама-випромінювання у повітрі. Експозиційну дозу вимірюють у рентгенах (скорочено: Р). Один рентген (1Р) – це доза рентгенівського або гама-випромінювання, яка в 1 см³ сухого повітря при температурі 0 градусів за Цельсієм (t^o = 0^oС ) і тиску 760 мм рт. ст. створює 2 млрд. (а точніше 2,08×10⁹) пар іонів.

Оскільки така одиниця дуже велика для практичного застосування на практиці застосовуються менші часткові одиниці: мілірентген і мікрорентген ( 1Р = 1000 мР = 1000000 мкР; 1 мР = 10^-3Р = =10³мкР; 1 мкР = 10^-6Р = 10^-3мР ).

У системі СІ експозиційна доза вимірюється системними одиницями в кулонах на кілограм (Кл/кг) – це одиниця експозиційної дози випромінювання, при якому в кожному кілограмі (1 кг) повітря утворюються електричні заряди (іони) у кількості, що дорівнює одному кулону (1Кл).

Між системною і позасистемною одиницями вимірювання експозиційної дози опромінення визначено такі співвідношення:

1 Кл/кг = 3876 Р; 1Р = 2,58×10^-4 Кл/кг

Рентген визначає кількість енергії (дозу), яку одержує об’єкт, але не характеризує час, за який вона одержана. Для оцінки дії опромінення (дози) за одиницю часу застосовується поняття потужність дози.

Потужність експозиційної дози (рівень радіації) – це інтенсивність випромінювання, що характеризується експозиційною дозою за одиницю часу. В системі СІ це ампер на кілограм (А/кг = Кл/кг×с), бо кулон за секунду це ампер (Кл/с). Несистемною одиницею для вимірювання потужності експозиційної дози рентген за годину (Р/год). Але у практиці найчастіше використовується одиниця мікрорентген за годину (мкР/год).

Рентген характеризує взаємодію іонізуючого випромінювання із повітрям і не пов’язує кількість енергії, яка поглинається об’єктом, що опромінюється. Адже в процесі взаємодії випромінювання з речовиною його енергія зменшується аж до повного поглинання.

Для оцінки впливу іонізуючого випромінювання на речовину використовується поняття поглинута доза. Поглинута доза – це кількість енергії іонізуючого випромінювання, яка поглинається одиницею маси речовини. В системі СІ енергія вимірюється в джоулях (Дж), а маса в кілограмах (кг), отже одиницею вимірювання поглинутої дози є грей (Гр): 1 Гр = 1 Дж/кг. На практиці застосовується позасистемна одиниця вимірювання поглинутої дози – рад: 1Гр = 100 рад = 1 Дж/кг, 1 рад = 0,01 Гр = 0,01 Дж/кг .

Для визначення дози опромінення біологічних об’єктів вимірюється експозиційна доза в повітрі, яка як уже ми визначили, вимірюється Рентгенах (Р), а потім методом розрахунків знаходиться поглинута доза в радах. Якщо експозиційна доза в повітрі дорівнює 1 Р, то поглинута біологічним об’єктом доза буде дорівнювати 0,88 рад.

Одиницею потужності поглинутої дози в системі СІ є Грей за секунду або Джоуль на кілограм за секунду. Мають місце такі співвідношення:

1 Гр/с = 1 Дж/кг×с = 100 рад/с

Потрібно зазначити, що поглинута доза не враховує різну ступінь впливу різних видів іонізуючого випромінювання на живий організм. Адже дія α-, β-, γ-, рентгенівських променів, нейтронів та інших видів іонізуючих випромінювань не однакова. Тому для порівняння і визначення ефекту дії іонізуючих випромінювань на людину вводиться поняття еквівалентної дози.

Еквівалентна доза характеризує те, що різні види іонізуючого випромінювання під час опромінення організму однаковими дозами призводить до різного ефекту. Так кількість іонів, що утворюються під дією альфа-частинок, у сотні разів перевищує кількість іонів, породжуваних гама-випромінюванням. Тому в роботі з джерелами іонізуючого випромінювання введено також поняття відносна біологічна активність.

Відносна біологічна активність показує співвідношення поглинутих доз різних видів випромінювання, що викликають однаковий біологічний ефект.

Одиницею еквівалентної дози в системі СІ є зіверт (Зв). Один зіверт (1 Зв) дорівнює поглинутій дозі в 1 Дж/кг для рентгенівського, бета- та гама-випромінювання. Один зіверт дорівнює еквівалентній дозі будь-якого виду випромінювання, яке поглинається одним кілограмом біологічної матерії, що створює такий же біологічний ефект, як і поглинуту доза в один грей рентгенівського і гама-випромінювання. Оскільки 1 Зв еквівалентний для живої матерії 1 грею, то 1 Зв = 1 Дж/кг.

Для обліку біологічної ефективності дії випромінювань введена несистемна одиниця поглинутої дози – бер. 1 бер є біологічний еквівалент 1 рентгена.

Один бер – це доза будь-якого випромінювання, яка створює в організмі такий же біологічний ефект, як і рентгенівського або гама-випромінювання і відповідає експозиційній дозі один рентген (1 Р).

Доза в берах виражається тоді, коли необхідно оцінити загальний біологічний ефект незалежно від виду діючих випромінювань.

1 Зв = 100 бер, 1 бер = 0,01 Зв

Зіверт відображає біологічну дію іонізуючого випромінювання на відміну від фізичної, яка характеризується поглинутою дозою та вимірюється в греях. Як уже зазначалося, при опроміненні живих організмів, і людини в тому числі, виникають біологічні ефекти, величина яких при одній і тій самій поглинутій дозі різна для різних видів випромінювання. Тому біологічні ефекти від різних видів випромінювання повинні враховувати коефіцієнт якості випромінювання.

Коефіцієнт якості випромінювання (К) показує, у скільки разів при однаковій поглиненій дозі радіаційна небезпека для конкретного виду випромінювання вища від рентгенівського і гама-випромінювання.

Для рентгенівського і гама-випромінювання К = 1, для нейтронного – від 3 до 10, для протонів і альфа-частинок К = 10.

Еквівалентна доза визначається множенням значення поглиненої дози на коефіцієнт якості випромінювання.

При будь-якій роботі з радіоактивними речовинами, на пошуках і розвідці родовищ корисних копалин із значними скупченнями радіоактивних елементів, при лабораторних дослідженнях, в ремонті і наладці радіометричної, ядерно-геофізичної апаратури існує імовірність опромінення персоналу радіоактивними променями. Для безпеки персоналу і населення встановлюються гранично допустимі дози опромінення (ГДД).

Рівень опромінення за рік допускається таким, щоб за умови рівномірного накопичення організмом дози протягом 50 років у стані здоров’я працівника не сталося змін, а також не вплинуло на стан здоров’я його нащадків.

Нормування гранично допустимого рівня опромінення та принципи радіаційної безпеки регламентовані «Нормами радиационной безопасности» (НРБ-76/87) та «Основными санитарными правилами работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений» (ОСП-72/87).

Відповідно до вимог ОСП проектуються і розміщуються установи, дільниці, лабораторії та обладнання, призначені для роботи з джерелами іонізуючого випромінювання, здійснюється виконання робіт, отримання, облік, зберігання і перевезення джерел, визначені вимоги до вентиляції, пило-, газоочищення, опалення приміщень, водопостачання і каналізації, збирання, зберігання, переробці і утилізації радіоактивних відходів. В нормах також передбачені заходи індивідуального захисту і особистої гігієни, вимоги до утриманню і дезактивації виробничих приміщень тощо.

Згідно з НРБ всі особи, що можуть зазнавати дії іонізуючого опромінення поділено на три категорії. До категорії А відноситься персонал, що постійно чи тимчасово працює з джерелами іонізуючого випромінювання відповідно до функціональних обов’язків. До категорії Б віднесена частина населення, яка за місцезнаходженням робочих місць або умов проживання попадає під дію іонізуючого випромінювання. До категорії В відноситься решта населення.

Відповідно до НРБ визначені гранично допустимі дози опромінення на критичні органи людини (опромінення яких обумовлює найбільшу шкоду здоров’ю особи чи його потомству: окремий орган, жива тканина, частина тіла або усе тіло).

Для прикладу в таблиці приведені гранично допустимі дози (ГДД) для персоналу категорії А і граничні дози (ГД) для категорії Б. Зазначені показники визначають річні рівномірні дози.

За деяку кількість років (Т) еквівалентна доза опромінення персоналу категорії А не повинна перевищувати дозу, яка визначається за формулою:

ЕД ≤ ГДД_А × Т (Зв)

В окремих випадках, наприклад, підчас упередження чи ліквідації наслідків аварій допускається певне перевищення ГДД. Якщо перевищення сталося на рівні двох ГДД то в наступні п’ять років дозове навантаження повинно бути зменшене, а у випадку перевищення ГДД у п’ять разів норма повинна бути зменшена у наступні 10 років.

Через велику небезпеку радіоактивних еманацій, які з повітрям попадають у легені, максимально допустимі концентрації радону в атмосфері виробничих приміщень, гірничих виробіток не повинні перевищувати 37 Бк/л.