Строение атома и характеристика основных элементарных частиц входящих в его состав

Все тела, включая нас самих, состоят из мельчайших “кирпичиков”, называемых атомами. Существует столько типов таких “кирпичиков”, сколько имеется в природе химических элементов. Химический элемент — это совокуп­ность атомов одного и того же типа.

Мысль о том, что вещество построено из мельчайших “частичек”, высказывалась еще древнегреческими учены­ми. Они-то и назвали эти частички атомами (от греческого слова, означающего “неделимый”). Древние греки предполагали, что атомы имеют форму правильных многогранни­ков: куба (“атомы земли”), тетраэдра (“атомы огня”), окта­эдра (“атомы воздуха”), икосаэдра (“атомы воды”). Прошло более двадцати столетий, прежде чем были получены экс­периментальные подтверждения идеи атомистического строения вещества. Окончательно эта идея утвердилась в науке во второй половине XIX века благодаря успехам химии и молекулярно-кинетической теории. К началу XX века физики уже знали, что атомы имеют размеры порядка 10'¹⁰ м и массу 10'²⁷ кг. К этому времени стало ясно, что атомы вовсе не “неделимы”, что они обладают определен­ной внутренней структурой, разгадка которой позволит объяснить периодичность свойств химических элементов, выявленную Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834-1907).

В 1903 году, вскоре после открытия электрона, англий­ский физик ДжозефДжон Томсон (1856-1940) предложил модель атома в виде положительно заряженной по объему сферы диаметром около 10"¹⁰ м, внутрь которой вкраплены электроны (см- Элементарные частицы). Суммарный отри­цательный заряд электронов компенсируется положитель­ным зарядом сферы. Когда электроны колеблются относи­тельно центра сферы, атом излучает свет. Томсон считал, что электроны группируются в слои вокруг центра.

В модели, предложенной Томсоном, масса атома рав­номерно распределена по его объему. Ошибочность такого предположения вскоре доказал английский физик Эрнест Резерфорд (1871-1937). В 1908-1911 годах под его руковод­ством были выполнены опыты по рассеянию а-частиц (ядер гелия) металлической фольгой, а -частица свободно проходила сквозь тонкую фольгу, испытывая лишь незна­чительные отклонения; однако в отдельных редких случаях (примерно в одном на 10000) наблюдалось рассеяние а-частиц на угол больше 90°.

“Это было почти так же невероятно, — вспоминал впоследствии Резерфорд, — как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, а снаряд вернулся бы назад и попал в вас”.

Опыты по рассеянию а-частиц убедительно показали, что почти вся масса атома сосредоточена в очень малом объеме — атомном ядре, диаметр которого примерно в

10000 раз меньше диаметра атома. Большинство а-частиц пролетает мимо массивного ядра, не задевая его, лишь изредка сталкиваясь с ним и “отскакивая” назад.

Эксперименты Резерфорда послужили основой для создания протонно-нейтронной модели атома. Эта модель к определяет современные представления об устройстве атома.

Итак, в центре атома находится атомное ядро (его размеры порядка 10'¹⁴ м); весь остальной объем атома — это электроны. Внутри ядра электронов нет (это стало ясно в начале 30-х годов); ядро состоит из положительно заря­женных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре; это есть атомный номер данного химического элемента (его поряд­ковый номер в периодической системе). Масса электрона примерно в 2000 раз меньше массы протона или нейтрона, поэтому почти- вся масса атома сосредоточена в ядре. Разные электроны в разной степени связаны с ядром;

некоторые из них “теряются” относительно легко, при этом атом превращается в положительный ион. Приобретая до­полнительные электроны, атом становится отрицательным ионом.

Создавая свою модель атома, Резерфорд предположил, что между отрицательно заряженными электронами и по­ложительно заряженным ядром действуют кулоновские силы. Ясно, что покоиться внутри атома электроны не могут, так как они упали бы тогда на ядро, поэтому, по предположению Резерфорда, электроны движутся вокруг ядра, -подобно тому как планеты обращаются вокруг Со­лнца. Поэтому резерфордовская модель атома была названа планетарной.

Простая и наглядная планетарная модель атома имеет прямое экспериментальное обоснование. Она совершенно необходима для объяснения опыта по рассеянию а-час­тиц. Но такая модель противоречит законам механики и электродинамики. Она не позволяет объяснить факт суще­ствования атома, его устойчивость. Ведь движение электро­нов по орбитам происходит с ускорением, причем очень большим. Ускоренно движущийся заряд по законам электродинамики Максвелла должен излучать электромаг­нитные волны с частотой, равной числу его оборотов вокруг ядра в секунду. Излучение сопровождается потерей энер­гии. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру, подобно тому как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слоях атмосферы. Как показывают совершенно строгие расчеты, основанные на механике Ньютона и электродинамике Максвелла, электрон за ни­чтожно малое время (порядка 10-⁸ с) должен упасть на ядро, и атом должен прекратить свое существование.

В действительности ничего подобного не происходит. Атомы устойчивы и в невозбужденном состоянии могут существовать неограниченно долго, совершенно не излучая электромагнитных волн. Отсюда следует важнейший вывод: к явлениям атомных масштабов законы классичес­кой физики неприменимы.

Выход из крайне затруднительного положения был найден в 1913 году великим датским физиком Нильсом Бором (1885-1962), который ввел свои знаменитые кванто­вые постулаты, определяющие строение атома и условия испускания и поглощения им электромагнитного излуче­ния. Вот они:

Первый постулат: атомная система может находиться только в особых стационарных, или квантовых, состо-яниях, каждому из которых соответствует определенная энергия Еп. В стационарном состоянии атом не излуча­ет.

Этот постулат находится в явном противоречии с клас­сической механикой, согласно которой энергия движущих­ся электронов может быть любой. Противоречит он и электродинамике Максвелла, так как допускает возмож­ность ускоренного движения без излучения электромаг­нитных волн.

Второй постулат: при переходе атома из одного стаци­онарного состояния в другое испускается или поглоща­ется квант электромагнитной энергии.

Второй постулат тоже противоречит электродинамике Максвелла, согласно которой частота излученного света равна частоте обращения электрона по орбите. По теории Бора частота связана только с изменением энергии атома.

АТОМНОЕ ЯДРО

Согласно протонно-нейтронной модели атомные ядра состоят из элементарных частиц двух видов: протонов и нейтронов (см. также Атом).

Известно, что заряд протона положительный и равен заряду электрона.

Нейтрон не имеет электрического заряда, его масса равна 1.00867 а.е.м. 1 атомная единица массы (а.е.м.) равна 1/12 массы атома углерода и связана с килограммом соот­ношением 1 а.е.м. =1.6605 • 10-²⁷ кг; 1 а.е.м. соответствует энергии 931.5 МэВ).

Число протонов в ядре называется зарядом ядра и равняется числу электронов в атомной оболочке, так как атом'в целом нейтрален. Следовательно, число протонов в ядре равно атомному номеру элемента zb таблице Менде­леева.

Массовым числом ядра А называют сумму числа прото­нов Z и числа нейтронов N в ядре: A=Z+N.

Так как массы протона и нейтрона близки друг к другу, то массовое число А очень близко к относительной атомной массе элемента. Массовые числа могут быть определены путем грубого измерения масс ядер приборами, не облада­ющими особо большой точностью.

Однако указанные в таблице Менделеева относитель­ные атомные массы некоторых элементов сильно отлича­ются от целого числа. Так, для бора она равна 10.81, для хлора — 35.45. Почему? Оказывается, ядра одного и того же химического элемента могут отличаться числом нейтронов при одинаковом числе протонов в ядре и электронов в электронной оболочке,                               

Такие ядра имеют одинаковые химические свойства и  располагаются в одной клетке таблицы Менделеева. Это  изотопы. Химически простые природные вещества являются смесью изотопов. Так, бор состоит из смеси двух изото-  пов: 20% его составляет изотоп с массовым числом 10 (5  протонов, 5 нейтронов), а 80% — с массовым числом 11 (5  протонов и 6 нейтронов).

Характеристика наиболее опастных для некоторых продуктов ядерного деления

Стронций - щелочноземельный элемент второй аналитической группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева, поэтому по химическим свойствам сходен с другими представителями этой группы - кальцием, барием. Он имеет более 10 радиоактивных изо-топов - от стронция-81 до стронция-97, наиболее важными из которых являются стронций-89 (период полураспада 51 сут, максимальная энергия бета-излучения 1,46 МэВ) и стронций-90 (период полураспада 28 лет, максимальная энергия бета-излучения 0,54 МэВ). Образуются они при делении урана в реакторах, а также при взрывах атомных бомб как продукты ядерного деления.

Стронций-90 претерпевает бета-распад и превращается в дочерний радиоактивный элемент иттрий-90, который находится с ним в равно­весном состоянии по радиоактивности. Период полураспада иттрия-90 составляет 64,2 ч, максимальная энергия бета-частиц 2,18 МэВ.

Как и другие радионуклиды, стронций-90 выпадает на поверхность земли в виде твердых частиц или с дождем в растворенном или нераст­воренном коллоидном состоянии и попадает на растительный покров или непосредственно на поверхность почвы. Около 70 % его задержи­вается в верхнем (до 5 см) слое почвы с очень большой сорбционной способностью в связи с богатым содержанием гумусовых веществ, имеющих высокую ионообменную емкость поглощения. В растения стронций попадает при оседании радиоактивных осадков из атмосфе­ры на поверхность листьев, стеблей и репродуктивных органов (аэральный путь) и при извлечении его из почвенного раствора корня­ми растений (почвенный путь). Почвенный путь поступления в рас­тения через корни менее интенсивный по сравнению с воздушным. Так, коэффициент накопления стронция-90 для клевера при аэральном пути поступления в 27 раз выше, чем при почвенном, для кукурузы он различается в 130 раз. В эксперименте при разбрызгивании раствора стронция-90 и цезия-137 на надземные части растений задерживалось пшеницей 20-60 %, капустой 8-20, картофелем 25-65, листьями сахарной свеклы 15-20, травами в плотном травостое 50-60 % нане­сенного количества радионуклидов. Особенности усвоения радионук­лидов растениями из почвы зависят от ее физико-химических свойств, вида растений, физико-химических параметров радионуклидов и технологии возделывания культур. Например, ряд экспериментов показал, что накопление стронция-90 растениями из темно-серой лесной почвы превышало таковое из дерново-подзолистой супесчаной и дерново-подзолистой песчаной соответственно в 1,1 и 5,2 раза.

Основной источник поступления радионуклида в организм сель­скохозяйственных животных - корм, в меньшей степени - вода (около 2 %) и воздух.

Поступление в организм через органы дыхания с воздухом может иметь практическое значение при нахождении животных на местности в период формирования радиоактивного следа, когда содержание радиоактивных частиц и аэрозолей в воздухе сравнительно велико.

Поступивший в организм с кормом и водой стронций-90 (как и его аналог кальций) хорошо всасывается в желудочно-кишечном тракте, уровень всасывания зависит от многих факторов (состава рациона, физико-химических свойств соединения, возраста животных, функ­ционального состояния организма) и колеблется от 5 до 100 %. Значи­тельно больше стронция всасывается из кишечника у молодых живот­ных. Это связано с более высокой потребностью их организма в щелоч­ноземельных элементах, необходимых для построения скелета. Добавка кальция к рациону с целью уменьшить усвоение стронция-90 эффективна только для молодых животных, а для взрослых и старых существенного влияния не имеет.

У изотопов стронция скелетный тип распределения. При любом пути поступления в организм они более чем на 90 % избирательно откладываются в костях. Депонирование стронция-90 в мягких тканях при хроническом поступлении невелико. Содержание его в мышцах обычно не превышает 10 % суточного поступления. Отмечена исключи­тельно высокая скорость обмена радиоизотопа в звене кровь ^ орга­ны и ткани. Быстрое снижение концентрации его в крови после поступ­ления в нее объясняется интенсивным включением радиоизотопа в органы и ткани и выведением через экскреторные органы и молочную железу (у лактирующих животных). Стронций-90 накапливается в участках костей, обладающих наибольшей зоной роста (в диафизе больше, чем в эпифизе). В компактном веществе кости всегда отмеча­ют большую концентрацию его, чем в губчатом. С возрастом животных эта разнчца сглаживается. Накопление стронция-90 в костях приводит к радиационному облучению не только костей и костного мозга, но и окружающих тканей.

При пероральном поступлении стронция-90 в организм главным каналом выведения является желудочно-кишечный тракт, а при инга­ляционном - мочевыделительная система. Стронций-90 выделяется и с молоком, но в значительно меньшем количестве. После однократного перорального введения дойным коровам максимальное содержание его в расчете на 1 л молока отмечено через 12-24 ч после поступления, а затем концентрация постепенно снижается и через 120-144 ч состав­ляет всего 0,01 % на 1 л. В течение 8 сут с молоком выделяется сум­марно 2,8 % введенной дозы. В условиях хронического поступления стронция-90 с кормом с суточным удоем выделяется от 0,2 до 4,7 % радионуклида, скармливаемого коровам в течение дня, или 0,06-0,38 % на 1 л удоя. При увеличении содержания кальция в рационе переход стронция в молоко снижается. После прекращения поступле­ния в организм концентрация его в молоке также быстро снижается.

Период полувыведения стронция-90 из мягких тканей составляет 2,5-8,5 сут, а из костей - 90-154 сут.

Реальные возможности снижения перехода радиоизотопов в животноводческую продукцию проявляются в организации рационально­го кормления и содержания животных. Например, содержание живот­ных на естественных пастбищах способствует повышенному переходу радиоизотопов в продукты животноводства, а при переводе их на культурные гастбища или на стойловое содержание в 10-15 раз сни­жается поступление радионуклидов в организм животных, следова­тельно, и в продукты животноводства.

Поступивший в организм стронций-90 действует неблагоприятно. Наиболее выраженные патологические изменения возникают в костях и костном мозге в связи с преимущественной концентрацией его в костной ткани. В разные сроки после поражения как при однократном, так и при длительном поступлении стронция-90 у животных развива­ются лейкозы, остеосаркомы, новообразования желез внутренней секреции и молочных, гипофиза, яичников и др. Существенно изменя­ются спермо- и овогенез, функции печени и почек, иммунологическая реактивность организма.

Цезий - элемент первой аналитической группы в периодической системе элементов. Многие химические соединения его (нитраты, хлориды, карбонаты) растворимы в воде, поэтому хорошо всасывают­ся в желудочно-кишечном тракте, разносятся по организму и быстро выводятся из него.

Из радиоактивных изотопов цезия наиболее биологически опасны цезий-134 и цезий-137. При распаде ядер атома цезия-137 излучаются бета-частицы с максимальной энергией 1,46 МэВ и гамма-кванты. Период полураспада равен 30 годам (долгоживуший радиоизотоп). Период полураспада дочернего радиоактивного изотопа бария-137 равен 2,57 мин. Радиоактивный цезий - продукт деления ядер тяже­лых элементов (урана, плутония), по степени радиотоксичности отно­сится к группе В (средней радиотоксичности). Оценка по глобальным выпадениям составляет 5,6 %.

Продукты ядерного деления, в том числе и цезий-137, от места образования распространяются в виде радиоактивного облака, состоя­щего из летучих веществ и частиц разного размера (от нескольких микрон до видимых глазом), выпадающих вместе с осадками (дождь, снег, сухие осадки) в течение многих лет после ядерного взрыва и загрязняющих воздух, почву и растительность.

Один из основных источников попадания цезия-137 в растения -почва. Она задерживает радионуклиды двумя способами. Во-первых, нерастворяющиеся в дождевой воде радиоактивные вещества задер­живаются механически в дерновом и самом верхнем слое почвы. Во-вторых, растворенные в воде радионуклиды сорбируются в верх­нем слое почвы по законам динамики сорбции. Верхний слой почвы (0-5 см) обладает очень большой сорбционной способностью, так как он обогащен гумусовыми веществами, имеющими высокую ионооб­менную емкость поглощения и высокую способность комплексообра-зующего связывания радионуклидов в катионной и анионной формах. Цезий в сравнении со стронцием прочно фиксируется в почве, и лишь 1 % его может перейти в водную вытяжку. Поэтому выносится цезия из нее растениями во много раз меньше, чем стронция. Степень загряз­ненности почвы зависит не только от количества годовых атмосфер­ных осадков, но и от локальных условий - типа почв” вида и густоты растительности и агротехнической обработки почвы.

Поступление цезия-137 в растения происходит в основном двумя путями: первый - оседание из атмосферы на поверхность листьев, стеблей и репродуктивных органов; второй - через корневую систему вовлечением из почвенного раствора. В первые годы после радиоак­тивного загрязнения поступление происходит в основном через наземные части растений, а в последующем преобладает "корневое" поступление радионуклида. Обладая большой "подвижностью", цезий-137 по сравнению со стронцием-90 более или менее равномерно распределяется по всему растению. Переработка и подготовка кормов к скармливанию могут значительно изменить в них концентрацию радионуклидов.

В естественных условиях цезий-137, как и другие радионуклиды, в организм животных, в том числе птиц, поступает через желудочно-ки-шечный тракт, органы дыхания, поврежденные и неповрежденные кожные покровы. Оральный путь - основной. Поступление радионук­лида через органы дыхания имеет намного меньшее значение, посколь­ку не все радиоактивные частицы задерживаются в дыхательных путях, часть их удаляется при выдохе, часть - со слизью при кашле, которая животным заглатывается.

Усвоение цезия-137 осуществляется в основном в тонком кишеч­нике. Степень всасывания его в желудочно-кишечном тракте достига­ет 100 %, так как он образует хорошо растворимые соединения. У моло­дых животных цезий усваивается больше, чем у старых. У животных с однокамерным желудком он всасывается быстрее, чем у животных с многокамерным желудком. Это, очевидно, обусловлено более быстрой эвакуацией химуса из однокамерного желудка в кишечник. Отмечена исключительно высокая скорость обмена радиоизотопа в звене кровь - органы - ткани. У животных с многокамерным желудком после разового орального поступления максимальная концентрация радионуклида в крови отмечалась через 12 ч и сохранялась на этом уровне в течение следующих 12 ч. У животных с однокамерным же­лудком максимум концентрации его в крови наступает быстрее. Быстрое снижение концентрации в крови объясняется тем, что, с одной стороны, происходит интенсивное включение в органы и ткани, а с другой - выведение через экскреторные органы или молочную железу.

Характер метаболизма цезия-137 своеобразен, сходен с обменом калия и определяется физико-химическими свойствами. Накаплива­ется цезий-137 в основном в мышцах и паренхиматозных органах, меньше - в крови, жировой ткани и коже. В условиях длительного непрерывного поступления с кормами и водой накопление его в ор­ганизме происходит постепенно, а затем наступает состояние оавно-27

весия, когда ежедневное поступление уравновешивается выведением. Так, равновесная концентрация радиоцезия в мягких тканях у коз устанавливается примерно за 10 дней, а у коров - за 30 дней. В мыш­цах овец накопление цезия-137 продолжается более 105 дней, а во внутренних органах - 8-18 дней. Величина перехода его в мясо у травоядных животных выше, чем у всеядных. При хроническом пос­туплении радиоцезия у кур равновесное состояние между содержани­ем его в рационе и яйце наступает через 6-7 сут, концентрация в эти сроки максимальная и равна 2,3-3,3 % суточного поступления. Причем концентрация цезия-137 в белке яйца в 2-3 раза выше, чем в желтке, а в скорлупе - лишь 1-2 % общего содержания в яйце.

Цезий-137, как и другие радиоизотопы, выводится из организма с калом, мочой, а у продуктивных животных - с молоком, яйцами и другими путями. При однократном пероральном поступлении в орга­низм лактирующих коров концентрация его в молоке постепенно нарастает в первые 24 ч, достигая максимума через 24-48 ч, а затем до б- 7-го дня медленно снижается. Суммарно за 8 сут с молоком выде­ляется около 18 % введенного количества. В условиях хронического перорального поступления цезия-137 выделение с 1 л молока варьи­рует у отдельных коров от 0,25 до 0,72 % суточного поступления радио­нуклида. Скорость выведения зависит от уровня продуктивности животных. У высокопродуктивных изотоп выводится быстрее. Так, при суточном удое 20 л выводится до 13 % суточного поступления радиоцезия, а при удое 14 л - только 8,8 %. Чем больше в рационе грубых кормов, тем меньше выводится с 1 л молока цезия-137. У коров с молоком обычно выводится 5-10 % цезия-137, поступившего с кор­мом. Эффективный период полувыведения (Ту^) по цезию-137 у лак­тирующих коров составляет от 20 до 50 дней, и величина его зависит от уровня продуктивности коровы и состава рациона.

Важный объект исследования при радиохимическом анализе на содержание цезия-137 - мясо разных животных, в том числе птиц. При исследовании трех видов мяса (говядины, баранины и свинины) наибольшая концентрация этого радиоизотопа установлена в барани­не; в говядине в 2 раза, а в свинине в 3 раза его меньше, в оленине в 10 раз выше, чем в мясе животных других видов. Зависит это от пое­даемой животными растительности, с которой поступает цезий-137. Высокое содержание его в оленине обусловлено тем, что олени в зимний период питаются мхами и лишайниками, в которых большая концентрация радиоцезия. В летний период концентрация цезия-137 в оленине снижается, так как животные едят в основном траву, актив­ность которой по данному радиоизотопу меньше, чем у лишайников. Уровень цезия-137 в организме животных зависит также от условий содержания. Животных кормят преимущественно сеяными травами при стойловом содержании, травостоем естественных лугов, содержа­щим больше радиоизотопов, - при пастбищном. Поэтому и концентра­ция их в мясе животных зимой выше, чем летом. Кроме того, при пастбищном содержании увеличивается содержание цезия-137 и в мо­локе.

Радиационно-гигиенические нормативы, которыми руководству­ются радиологи, исходят из предельно допустимых суточных доз (ПДС) поступлений радионуклидов в пищевом рационе людей. Отсюда можно определить допустимое суточное попадание радионуклидов с кормами сельскохозяйственным животным. Такие нормы окончатель­но не установлены, но приблизительно в суточном рационе молочного скота цезия-137 не должно быть более 1,3 мкКи, для мясного скота -0,33, а для овец - 0,175 мкКи. Как исключение, можно допустить трехкратное превышение этих норм. Разумеется, что любые изменения норм ПДС для человека должны повлечь за собой изменение ПДС для животных.

Йод - элемент седьмой группы периодической системы элементов, относится к подгруппе галогенов. В химических соединениях прояв­ляет переменную валентность: -1 (йодиды), +5 (йодаты), +7 (перйода-ты). В объектах внешней среды йод находится в виде этих анионов и в элементарном состоянии. Для выделения йода используют труднораст-воримый йодид серебра.

Известны 24 радиоактивных изотопа йода с массовыми числами в интервалах 117-126 и 128-139. Все они искусственные и являются продуктами ядерных реакций. Образуются при делении тяжелых ядер (урана, плутония). Наиболее важные: йод-125 (период полураспада 60 сут, максимальная энергия бета-излучения 0,61 МэВ), йод-129 (1,7-Ю⁷ лет, 0,12 МэВ), йод-131 (8,06 сут, 0,25-0,81 МэВ), йод-133 (21 ч, 0,4-1,2 МэВ).

В "свежих" выпадениях радиоактивных осадков после проведен­ных атомных испытаний или в результате аварий на атомных пред­приятиях вначале биологически опасны йод-131, -132, -133 и -135, через неделю - йод-131 и -132, через две недели - только йод-131.

Йод-131 является смешанным бета- и гамма-излучателем, высоко-токсичным радиоизотопом (группа Б), среднегодовая допустимая концентрация его в воде равна Ю-⁷- Ю-⁹ Ки/кг.

Источники загрязнения внешней среды, кормов и продуктов жи­вотноводства - испытательные ядерные взрывы в атмосфере и воде, радиоактивные отходы промышленных предприятий, лабораторий и научно-исследовательских институтов, работающих с радиоактивными веществами высокой активности при нарушении ими правил захоро­нения отходов и при авариях на этих предприятиях. Нормальная работа реакторов на атомной электростанции не приводит к облуче­нию населения, превышающему принятые предельно допустимые уровни. При аварийном радиоактивном выбросе из ядерного реактора в атмосферу радионуклиды йода (особенно йод-131) являются крити­ческим компонентом загрязнения внешней среды и по сравнению с другими радионуклидами представляют наибольшую опасность инкор­порированного облучения населения в первые месяцы после аварии.

Изотопы йода в смеси короткоживущих продуктов ядерного деления составляют около 20 %.

Радиоактивный йод-131 обладает высокой летучестью, химически активный элемент, имеет большую способность миграции по звеньям биологической цепи и высокий коэффициент концентрации. Он вклю­чается в компоненты биосферы почва - вода - флора - фауна и участ­вует в биологическом цикле обмена веществ. Хорошо растворимые в воде соединения йода усваиваются растениями и животными. В расте­ниях йод-131 прочно задерживается и практически не удаляется с их поверхности при промывании водой. Корневое усвоение йода-131 при произрастании растений на гумусной почве превосходит усвоение стронция-90 в 14 раз, а на песчаной почве - в 2 раза.

Радиоактивные изотопы йода в организм животных поступают преимущественно через пищеварительный тракт с кормом и водой, но могут попадать и через органы дыхания, кожу, конъюнктиву, раны и другими путями. Йод - активный биогенный элемент и, попадая в организм, в результате хорошей растворимости на 100 % всасывается в кровь. Через 13-14 ч концентрация его в крови уменьшается в 2 раза, так как он быстро перераспределяется по органам и тканям. От 20 до 60 % изотопов йода откладывается в щитовидной железе, которая является критическим органом для йода. Через сутки после однократ­ного перорального поступления в организм йода-131 в щитовидной железе обнаруживается всего'около 10 % введенной дозы, в то время как в остальных тканях и органах - примерно 50 %. На 14-й день в результате перераспределения в щитовидной железе оказывается примерно 18 % введенного йода-131 (с учетом физического распада), а в остальных органах и тканях - около 14 %. Концентрация йода-131 в тканях животных по отношению к концентрации его в крови (условно взята за 1) распределяется в следующем порядке: кровь - 1, почки, печень, яичники - 2-3, слюнная железа, моча - 3-5, кал, молоко -5-15, щитовидная железа - 10 000.

Радиотоксикологическое действие радиоактивного йода проявля­ется прежде всего в поражении щитовидной железы. Малые дозы не вызывают заметных нарушений в тиреоидной ткани. Большие дозы йода-131 у всех животных приводят к разрушению щитовидной желе­зы и замещению паренхимы соединительной тканью. Существенные изменения возникают в нервной и эндокринной системах. Атрофия щитовидной железы сопровождается слизистым перерождением мышцы сердца, подкожной клетчатки, ожирением печени. Отмечаются глубокие изменения в кроветворных органах, которые приводят к анемии, лимфопении, нейтропении и тромбоцитопении.

Из организма животных и птиц радиоактивный йод, как и стабиль­ный, выводится преимущественно почками с мочой, через желудочно-кишечный тракт с калом, а у продуктивных животных - с молоком, у птиц - с яйцами. При длительном поступлении йода-131 курам-несуш­кам с кормом в желток яйца переходит до 16 %, а в белок - около 1 % поступившей суточной дозы. У лактирующих коров с 1 л молока

выделяется около 1 % поступившего в организм за день йода-131. При выпасе коров на территории, однократно загрязненной йодом-131, пик выведения ею с молоком приходится на 3-и сутки, затем наступает медленный спад, и через 3 нед выведение сокращается в 4 раза.

В местностях с недостаточным содержанием йода у коров, потреб­ляющих загрязненные корма и воду, выделение йода-131 с молоком больше, чем в местностях с нормальным содержанием йода. Выведе­ние йода-131 с молоком в определенной мере уменьшает накопление его в щитовидной железе, так как установлено, что у лактирующих коров концентрация йода-131 в щитовидной железе ниже, чем у сухо­стойных.

На уровень усвоения животным йода-131 влияет содержание в кормах изотопных (стабильный йод) и неизотопных (хлор) носителей. Например, введение в организм стабильного йодистого калия на 50 % снижает включение радиоактивного йода в щитовидную железу овец и телят. Дача йодистого калия курам (80 мг на курицу) снижает включе­ние йода-131 в яйцо на 70 %, а неизотопного носителя йода в виде хло­ристого калия - даже на 90 %. Таким образом, эти препараты могут использоваться в качестве профилактики накопления радионуклидов йода в организме.

Для снижения поступления радиоактивных элементов животных в период йодной опасности переводят на стойловое содержание. Для кормления используют запасы кормов, не загрязненных радионукли­дами, а при их отсутствии скармливают скошенную зеленую массу. Если выпас животных нельзя прекратить полностью, то используют пастбища рационально.

При выпасе коров на удобренных пастбищах с хорошим травосто­ем содержание йода-131 в молоке снижается до 50 %. Это связано с понижением концентрации радионуклидов в растениях на единицу массы вследствие увеличения урожайности на удобренных почвах. Чем интенсивнее прирастает биомасса растений, тем сильнее идет разбавление радиоактивных веществ.

Патологоанатомические изменения при острой лучевой болезни

Изучение воздействия ионизирующих излучений на биологиче­ские объекты началось сразу после открытия лучей рентгена, а затем естественной радиоактивности радия и полония в конце XIX в.

Эту проблему глубоко изучает специальная наука — радиобиоло­гия.

В настоящее время накоплен значительный материал по воздей­ствию радиоизлучений различной природы на организм человека, лабораторных и в последние годы сельскохозяйственных животных. Эти работы активизировались в связи с трагедией в Хиросиме и Нагасаки, испытанием ядерного оружия в атмосфере, авариях на атомных станциях, особенно Чернобыльской, когда в поле действия комбинированного воздействия радионуклидов оказались большие территории, люди и животные. Значительное количество работ по­священо радиационной патологии.

Характер и тяжесть патологических процессов в организме живо­тного зависят от вида радиации: наружной (внешней) или внутрен­ней (за счет попадания радионуклидов с кормом, водой или воздухом в организм животного). Животные подвергаются воздействию и вы­падающих радиоактивных осадков. При внешнем облучении альфа-частицы глубоко не проникают и задерживаются в эпидермисе кожи, бета-частицы проникают в кожу, а гамма-лучи проходят через все тело животного.

Установлено, что воздействию радиации подвержены все виды сельскохозяйственных животных, хотя некоторые из них отличаются большей устойчивостью, например куры (В. А. Киршин, А. Д. Белов, В. А. Бударков, 1986).

Особенно тяжелые поражения, соответственно и более выражен­ные патоморфологические изменения бывают при комбинирован­ном воздействии радионуклидов (йод, цезий, стронций и др.), а также при их сочетании с патогенами нерадиоактивной природы (соли тяжелых металлов, пестициды, возбудители инфекционных болез­ней и т. д.).

Отмечено, что радиочувствительность отдельных органов и тка­ней у различных животных варьирует, хотя имеются и общие зако­номерности.

Считают, что наиболее сильно при лучевой болезни (а с ее острым или хроническим течением имеет дело специалист — патологоана­том) поражаются лимфоциты, незрелые кроветворные клетки, основ­ным депо которых являются костный мозг, кишечный эпителий, герминативные клетки. К высокорадиочувствительным относят эпи­телий мочевого пузыря, эпителий пищеварительного тракта, в том числе ротовой полости, глотки пищевода, эпителий кожи. Средней степенью чувствительности обладают эндотелий сосудов, клетки со­единительной ткани, хрящевой, клетки почек, печени, поджелудоч­ной и щитовидной желез, легочный эпителий. Низкую степень чув­ствительности к радиации имеют скелетные мышцы, зрелые клетки костного мозга, зрелая соединительная ткань, нейроны. Очевидно, это надо учитывать при оценке патологического воздействия прони­кающей радиации.

Но необходимо иметь в виду избирательное накопление некото­рых радионуклидов в различных органах и тканях. Так, радиоактив­

ный йод избирательно накапливается в щитовидной железе, отсюда понятно ее быстрое разрушение, а при длительном воздействии или как следствие его — развитие рака щитовидной железы. Радиоактив­ный цезий в большей степени накапливается в мышечной ткани, а стронций — в костной, где могут развиваться различные процессы — от аплазии костного мозга до остеосарком при длительном действии этого радионуклида.

Сильная степень радиоактивного поражения приводит к разви­тию острой лучевой болезни, являющейся причиной смерти.

Для острой лучевой болезни характерно развитие практически в большинстве органов и тканей выраженных в различной степени кровоизлияний — картина геморрагического диатеза (геморрагиче­ский синдром). Если на ранних стадиях болезни находят застойные явления в мелких кровеносных сосудах подкожной клетчатки, сердца, легких, кишечника, мозга, то затем в большинстве из них выявляют кровоизлияния. По своим размерам и форме это могут быть пятни­стые, полосчатые кровоизлияния, вплоть до образования гематом. Так, у облученных летальными дозами овец и свиней сильные крово­излияния описаны во многих органах, в том числе в почках, в корко­вом веществе, в слизистой лохани, в полости которой обнаруживали даже сгустки крови. Кровоизлияния выявляют в мышцах спины, брюшной полости, конечностей, груди, диафрагмы. Лимфатические узлы, миндалины набухшие, увеличены, с кровоизлияниями, на раз­резе темно-красные. В желудочно-кишечном тракте наряду с крово­излияниями развиваются язвенные поражения. Костный мозгтеряет свой красноватый цвет, становится сероватым, желатинообразным, часто приобретает желтоватый оттенок.

Микроскопические изменения коррелируют с макроскопической картиной и радиочувствительностью отдельных органов и систем, о чем говорилось выше. Незрелые кроветворные клетки, особеннолим-фоидные, костного мозга подвергаются дистрофическим изменени­ям и некрозу. В ядрах клеток наблюдается картина кариопикноза или кариолиза, а в ранних стадиях при электронной микроскопии выяв­ляют дистрофические процессы в органеллах клетки, набухание крист митохондрий и их распад. Появляются в тканях многоядерные клетки, что свидетельствует о поражении хромосом и развитии мута­ций и, как следствие, нарушении нормальных процессов деления клеток. Подвергается разрушению ДНК ядер.

В кровеносных сосудах наблюдают набухание, десквамацию эндо­телия, дистрофию клеток сосудистой стенки, что ведет к повышенно­му выходу за пределы сосудов плазмы и форменных элементов крови, развитию кровоизлияний и отеков.

Если животное остается в живых, то в дальнейшем в сосудах раз­виваются склеротические изменения, гиалиноз сосудистой стенки и развитие фиброзных процессов в органах.

Подробному гистологическому исследованию при острой луче-

вой болезни подвергнуты лимфоидная ткань, костный мозг, пищева­рительный тракт, половая система, кожа, органы дыхания, органы мочевыделения.

В лимфоидной ткани (лимфатические узлы, тимус, миндалины) развиваются альтеративные процессы. Некроз лимфоцитов наступа­ет при развитии кариопикноза, кариорексиса и кариолиза. Это наи­более частая и ранняя находка.                      ,

В результате этого из герминативных центров какбы “вымывают­ся” лимфоциты и остаются только ретикулярные клетки стромы. Синусы лимфатических узлов при этом расширены, наполнены мак­рофагами с примесью эритроцитов и продуктами распада ткани. Све­жие эритроциты хорошо просматриваются, а при длительном тече­нии накапливаются кровяные пигменты.

Вторичные процессы проявляются образованием кровотечений, язв, абсцессов, накапливаются кровяные пигменты.

Микроскопические изменения в костном мозге появляются в те­чение нескольких часов после тяжелого облучения. Некроз гемопоэ-тических клеток встречается очень рано. Более зрелые кроветворные клетки несколько устойчивы к поражению, а ретикулярные клетки почти резистентны.

Таким образом, в костном мозге развиваются аплазия, изчезно-вения кроветворных клеток, наличие жировых клеток, которые заме­щают нормальную кроветворную ткань, развиваются явления отеков, геморрагий, сохраняются лишь ретикулярные клетки.

В пищеварительном тракте развиваются изъязвления слизи­стых оболочек без выраженной лейкоцитарной реакции по перифе­рии язв, язвы образуются в слизистой ротовой полости, особенно вдоль краев языка, в слизистой глотки, в криптах миндалин. Сли­зистые оболочки при сильном облучении поражаются от пищевода до ануса. В них развивается отек как в подсерозном пространстве, так и в подслизистом слое в сочетании с некрозом эндотелия сли­зистых оболочек, кровоизлияниями по всей толщине кишечной стенки.

Кровеносные сосуды в зонах изъязвления расширены и содержат фибринозные пленки. При облучении разрушаются герминативные клетки семенников и яичников. Кожа часто поражается при внешнем облучении и выпадении радиоактивных осадков. На ней появляются облысевшие участки и изъязвления.

Высокие дозы облучения приводят к набуханию эпителия брон­хов и альвеол, их десквамации, развивается отек легких, а при затяж­ном течении болезни развиваются фиброзные процессы.

Отек легких при облучении может быть непосредственной причи­ной смерти.

В почках поражается эпителий канальцев, в которых развиваются дистрофические процессы, изменения развиваются и в клубочках (гиперемия, отек, набухание эндотелия сосудов, серозно-геморрагический гломерулонефрит, на фоне чего может развиться хронический нефрит).

Наиболее сильно страдает эпителий мочевого пузыря, который подвергается некрозу, за счет чего возникают эрозии и язвы.

Карциногенный эффект является одним из исходов лучевой бо­лезни при длительном облучении или как отдаленное последствие острой лучевой болезни или длительного воздействия радиации.

Список литературы

·        Белов А.Д., Пак В.В и др. Радиационная экспиртиза объектов ветеринарного надзора, М.,// “Колос” 1995

·        Шишков А.В., Патологическая анатомия с-х животных, М.,// “Колос” 1995