Основные представления о радиоактивности и ионизирующих излучениях

О существовании ионизирующего излучения и радиоактивности челове­чество узнало немногим более 100 лет назад. В 1895 г. немецкий физик Виль­гельм Конрад Рентген открыл неизвестные ранее Х-лучи, которые впослед­ствии в его честь были названы рентгеновскими лучами. Через год, в 1896 г, французский физик Анри Беккерель, работая с солями урана, первым в исто­рии человечества установил факт его естественной радиоактивности. Еще через год английский физик Эрнст Резерфорд доказал, что излучение урана состоит из а- и 0- частиц.

Следующим большим шагом вперед были исследования физиков Пьера Кюри и Марии Склодовской-Кюри. Они получили около 1 г нового химиче­ского элемента, радиоактивность которого оказалась в миллион раз выше, чем урана. Новый элемент получил название «радий» (от лат. radium - лучи­стый). В течение следующих 20 лет различные ученые обнаружили большин­ство химических элементов, обладающих естественной радиоактивностью.

Позже, в 1938 г., О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили, что атом урана при бомбардировке его нейтронами распадается на более легкие ядра, а К.А. Пет-ржак и Г.Н. Флеров установили, что процесс деления ядер урана может про­исходить и самопроизвольно, без внешних воздействий. В дальнейшем эти положения легли в основу создания ядерных реакторов - специальных уста­новок для осуществления цепной реакции деления. Так на рубеже двух веков были сделаны открытия, послужившие фундаментом для новой науки - ядер­ной физики, благодаря которой XX в. назван ядерным веком.

Изучать биологическое действие невидимых радиоактивных излучений стали много позже. Первыми это испытали на себе исследователи, работав­шие с радиоактивными веществами, не зная об их разрушительном биологи­ческом действии. Уже через год после открытия В.К. Рентгена, в 1896 г., русский ученый И.Р. Тарханов писал: «Х-лучами можно не только фотогра­фировать, но и влиять на ход жизненных функций». На основе таких откры­тий возникла еще одна новая наука - радиобиология.

Одним из основоположников радиобиологии по праву считается рус­ский ученый Е.С. Лондон, который уже в 1903 г. описал смертельное дейст­вие лучей радия на организм некоторых животных и впоследствии проде­монстрировал высокую чувствительность кроветворных органов и половых желез к этому излучению. В 1904 г. Г. Петере обнаружил повреждение хро­мосом при облучении радием делящихся клеток, а в 1908 г. А. Бенжамин и А. Слюк установили угнетение под воздействием ионизирующих излучений за­щитных сил организма - иммунитета.

• История познания человеком радиоактивных свойств материи окрашена в трагические тона. Человечество дорого заплатило за полученные све­дения - ценой здоровья и жизни первых исследователей и первых врачей-
рентгенологов. За первые 40 лет развития рентгенологии погибло более
200 врачей и рентгенотехников от так называемого рентгеновского ра­ка, вызванного рентгеновским облучением.

• В 1936 г. в Гамбурге был воздвигнут монумент, на котором высечены
имена ПО ученых и инженеров, ставших жертвами первых эксперимен­тов по изучению рентгеновских лучей. В 1959 г. в Германии издана «Книга
почета», куда занесены фамилии 360 врачей, физиков, лаборантов и меицинских сестер разных наций, в том числе 13 наших соотечественни­ков, умерших от отдаленных последствий профессионального облучения.

• Люди никогда не забудут трагедии Хиросимы, Нагасаки, Чернобыля, не только унесших одновременно жизни сотен тысяч людей, но продолжающие еще и сегодня творить свое черное дело - вызывать у облучен­ных людей лейкозы и злокачественные опухоли.

Радиоактивное излучение и его воздействие на человека стали в послед­ние десятилетия для многих регионов планеты одним из основных токсикан­тов окружающей среды.

Электромагнитный спектр излучений, известных в природе, включает волны различной длины - от очень длинных волн, возникающих, например, при работе электрогенераторов, до очень коротких - рентгеновских и косми­ческих лучей. Отрицательное влияние излучений различной природы на здо­ровье человека зависит от длины волны.

Неионизирующие излучения представляют собой длинные волны - от ближнего ультрафиолета (УФ) до радиоволн, микроволн и далее. Неионизи-рующее излучение усиливает тепловое движение молекул в живой ткани. Это приводит к повышению температуры ткани и может вызвать ожоги и ка­таракты, а также аномалии развития плода. Возможны разрушения биологи­ческих структур, например клеточных мембран, для нормального функцио­нирования которых необходимо упорядоченное расположение молекул. Не исключена также возможность и более глубоких последствий.

Известно, что каждый орган человека работает на определенной частоте: сердце - 700...800 Гц, печень - 300...400, мозг - в зависимости от степени воз­буждения - от 10 до 50 Гц и т.д. Если на область сердца будет воздействовать источник излучения, работающий на аналогичной или кратной частоте, то он может либо увеличить, либо «погасить» частоту, которая является для сердца нормой. Повышение частоты колебаний сердца до 1200 Гц приводит к стено­кардии. Аналогичные изменения могут произойти и с другими органами.

Большая часть опытных данных по неионизирующим излучениям отно­сится к радиочастотному диапазону. Эти данные показывают, что дозы выше 100 мВт/см² вызывают прямое тепловое повреждение тканей, включая разви­тие катаракты (помутнение хрусталика глаза). При дозах величиной от 10 до 100 мВт-см"² наблюдали термический стресс, приводящий к врожденным аномалиям у потомков. При значениях 1...10 мВт-см" отмечались изменения в иммунной системе и гематоэнцефалическом барьере. При меньших дозах излучения не было достоверно установлено почти никаких последствий.

Рост использования микроволн в мире составляет около 15 % в год. По­мимо применения в бытовых микроволновых печах, они используются в ра­дарах, как средство передачи сигналов в телевидении, в телефонной и теле­графной связи, в компьютерах различных типов. Законы об охране труда ре­комендуют, чтобы рабочие не подвергались воздействию неионизирующих излучений выше 10 мВт-см"².

Ионизирующие излучения включают более короткие волны: рентгенов­ские лучи, у-лучи и космические лучи. Они обладают достаточной энергией, чтобы высвободить электрон из атома. В результате образуются ионы, воз­действие которых на живые клетки и обусловливают изменения в организме человека. Ионизирующие излучения вызывают радиационное поражение и различные формы рака.

Распад ядер нестабильных радиоактивных элементов порождает иони­зирующие частицы и ионизирующие излучения. Это свойство атомов хими­ческих элементов самопроизвольно превращаться в другие, испуская при этом элементарные частицы или фотоны, получило название радиоактивно­сти. Различают естественную радиоактивность, присущую радионуклидам, встречающимся в природе, например радиоактивность урана, тория и других элементов, и искусственную, свойственную радионуклидам, полученным ис­кусственно в результате ядерных реакций.

Атомы, ядра которых содержат одинаковое число протонов (р), но раз­ное число нейтронов (п), относятся к разновидностям одного и того же хими­ческого элемента. Это изотопы данного элемента. Чтобы отличать их друг от друга, к символу элемента приписывается число, равное сумме всех час­тиц в ядре данного изотопа. Например, уран - 238 содержит 92 р и 146 n, a уран - 235 тоже 92 р, но 143 п.

Ядра всех изотопов химических элементов образуют группу нуклидов. Некоторые нуклиды стабильны, т.е. в отсутствии внешнего воздействия не претерпевают никаких превращений. Большинство же нуклидов нестабиль­ны; они все время превращаются в другие нуклиды. При каждом акте распада высвобождается энергия, которая передается дальше в виде излучения.

Весь процесс самопроизвольного распада нестабильного нуклида назы­вается радиоактивным распадом, а сам такой нуклид - радионуклидом. Ве­щества, имеющие в своем составе радиоактивные нуклиды, называют радио­активными. Физическая величина, характеризующая число радиоактивных распадов в единицу времени, называется активностью нуклида; чем больше радиоактивных превращений происходит в радиоактивном веществе в единицу времени, тем выше его активность. Единицей измерения активности в системе СИ служит беккерель — в честь ученого, открывшего явление радио­активности:

1 Бк = 1 распад в секунду.

Радиоактивные вещества обладают радиоактивностью только до тех пор, пока в них происходят ядерные превращения. По истечении определенного времени они становятся нерадиоактивными, превращаясь в стабильные изо­топы. Все радионуклиды нестабильны в разной степени.

Для оценки продолжительности жизни радионуклида введено понятие период полураспада - время, в течение которого радиоактивность вещества (или число радиоактивных ядер) в среднем уменьшается вдвое. Период полу­распада различных радионуклидов колеблется в широких пределах - от долей секунды до многих миллионов лет. Периоды полураспада некоторых радио­нуклидов, внесших значительный вклад в облучение населения и загрязнение территории после чернобыльской катастрофы, приведены ниже: йод-133 -20,8 ч; йод-131 - 8,05 суток; цезий-144 - 284 суток; рутений-106 - 1 год; це­зий-134 - 2,1 года; стронций-90 - 28 лет; цезий-137 - 30 лет; плутоний-239 -20 000 лет.

Принято считать, что вещество становится нерадиоактивным по истече­нии 10 периодов полураспада. За 1 период полураспада распадутся каждые 50 атомов из 100; за второй период полураспада (такой же промежуток вре­мени) распадутся 25 атомов из 50 и т.д. - по экспоненте.

Повреждений, вызванных в живом организме, будет тем больше, чем больше энергии оно передаст тканям. Количество переданной организму энергии излучения называется дозой.

При характеристике единиц измерения применяют также понятия «по­глощенная доза», «эквивалентная доза», «эффективная эквивалентная доза».

Количество энергии излучения, поглощенное единицей массы облучае­мого тела (тканями организма), называется поглощенной дозой.

Но эта величина не учитывает того, что при одинаковой поглощенной дозе а- излучение гораздо опаснее 0- или у- излучений. Чтобы учесть этот факт, поглощенную дозу следует умножить на коэффициент, отражающий способность излучения данного вида повреждать ткани организма (коэффи­циент качества ионизирующего излучения). При этом а- излучение считает­ся в 20 раз опаснее других видов излучений. Пересчитанную таким образом поглощенную дозу называют эквивалентной дозой.

При определении эквивалентной дозы ионизирующего излучения ис­пользуют следующие значения коэффициента качества: рентгеновское и гамма-излучение - 1; 0- излучение - 1; тепловые (медленные) нейтроны - 2; быстрые нейтроны - 10; а- излучение -10...20.

Следует также учитывать, что разные органы и ткани имеют неодинако­вую чувствительность, поэтому для них введены соответствующие коэффициенты. Если принять в качестве критерия чувствительности к ионизи­рующему излучению морфологические изменения, то клетки и ткани орга­низма человека по степени возрастания чувствительности можно располо­жить в следующем порядке: нервная ткань, хрящевая и костная ткани, мы­шечная ткань, соединительная ткань, щитовидная железа, пищеварительные органы, легкие, кожа, слизистые оболочки, половые железы, лимфоидная ткань, костный мозг.

Для оценки ущерба здоровью человека с учетом неравномерного облу­чения введено понятие эффективной эквивалентной дозы. Она отражает суммарный эффект облучения для организма. Ее получают, умножив экви­валентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав их по всем органам и тканям.