Человек и радиация

16. Человек и радиация

Радиация является постоянным спутником жизни человека. Мы живем в мире, в котором радиация присутствует повсюду. Свет и тепло ядерных реакций на Солнце являются необходимыми условиями нашего существования. Радиоактивные вещества естественного происхождения присутствуют в окружающей среде. Наше тело содержит радиоактивные изотопы ¹⁴C, ⁴⁰K, ²¹⁰Po. Зарождение жизни на Земле и её последующая эволюция протекали в условиях постоянного воздействия радиации.

Долгоживущие радиоактивные изотопы

    В природе существует ~ 45 радиоактивных изотопов, период полураспада которых сопоставим или больше возраста Вселенной (13.7·10⁹ лет). В таблице 16.1 перечислены изотопы, период полураспада которых превышает 10⁹ лет. Большинство долгоживущих радиоактивных изотопов в результате нескольких последовательных распадов превращается в стабильные изотопы.
    Явление радиоактивности широко используется в науке, технике, медицине, промышленности. Рентгеновские лучи и радиоактивные изотопы используются в медицинских исследованиях. Однако сразу же стало ясно, что радиация является потенциально опасным источником для живых организмов. В больших объёмах искусственные радионуклиды образуются в качестве побочного продукта на предприятиях оборонной промышленности и атомной энергетики. Попадая в окружающую среду, они оказывают негативное воздействие на живые организмы. Для правильной оценки радиационной опасности необходимо чёткое представление о масштабах загрязнения окружающей среды, о реальных механизмах действия радиации, последствиях и существующих мерах защиты.
    Радиация − обобщённое понятие. Оно включает различные виды излучений, часть которых встречается природе, другие получаются искусственным путем. Прежде всего, следует различать корпускулярное излучение состоящее из частиц с массой отличной от нуля, и электромагнитное излучение. Корпускулярное излучение может состоять как из заряженных, так и из нейтральных частиц.
    Альфа-излучение − представляет собой ядра гелия, которые испускаются при радиоактивном распаде элементов тяжёлее свинца или образуются в ядерных реакциях.
    Бета-излучение − это электроны или позитроны, которые образуются при бета-распаде различных элементов от самых лёгких (нейтрон) до самых тяжёлых.
    Космическое излучение. Приходит на Землю из космоса. В его состав входят преимущественно протоны и ядра гелия. Более тяжёлые элементы составляют менее 1%. Проникая вглубь атмосферы, космическое излучение взаимодействует с ядрами, входящими состав атмосферы, и образует потоки вторичных частиц (мезоны, гамма-кванты, нейтроны и др.).
    Нейтроны. Образуются в ядерных реакциях (в ядерных реакторах и в других промышленных и исследовательских установках, а также при ядерных взрывах). Продукты деления. Содержатся в радиоактивных отходах переработанного топлива ядерных реакторов.
    Протоны, ионы. В основном получаются на ускорителях.

Таблица 16.1

Долгоживущие радиоактивные изотопы,
период полураспада которых превышает 10⁹ лет

Изотоп, массовое число	Период полураспада, лет	Канал распада	Изотоп, массовое число	Период полураспада, лет	Канал распада
K-40	1.25·10⁹	β (89%), ε (11%)	Ce-136	≥0.7·10¹⁴	2ε
Ca-40	≥3·10²¹	2ε	Ce-138	≥0.9·10¹⁴	2ε
Ca-46	>2.8·10¹⁵	2β^-	Ce-142	≥5·10¹⁶	2β^-
Ca-48	1.9·10¹⁹	2β^- (75%), β (25%)	Nd-144	2.3·10¹⁵	α
V-50	1.4·10¹⁷	ε (83%), β^- (17%)	Nd-150	0.8·10¹⁹	2β^-
Cr-50	≥1.3·10¹⁸	2ε	Sm-147	1.1·10¹¹	α
Zn-70	≥1.3·10¹⁶	2β^-	Gd-152	1.1·10¹⁴	α
Kr-78	≥2.3·10²⁰	2ε	Gd-160	≥3.1·10¹⁹	2β^-
Rb-87	4.8·10¹⁰	β^-	Lu-176	3.8·10¹⁰	β^-
Zr-96	2·10¹⁹	2β^-	Hd-174	2.0·10¹⁵	α
Mo-100	7.3·10¹⁸	2β^-	Ta-180	1.2·10¹⁵	?
Cd-113	7.7·10¹⁵	β^-	W-180	1.8·10¹⁸	α
Cd-116	3.1·10¹⁹	2β^-	W-182	8.3·10¹⁸	α
In-115	4.4·10¹⁴	β^-	W-183	1.3·10¹⁹	α
Te-123	≥9.2·10¹⁶	ε	W-186	4.1·10¹⁰	α
Te-128	8.8·10¹⁸	2β^-	Re-187	3.1·10¹⁹	β^-
Te-130	≥5.0·10²³	2β^-	Os-184	5.6·10¹³	α
Xe-124	≥1.6·10¹⁴	2ε	Os-186	2.0·10¹⁵	α
Xe-134	≥5.8·10²²	2β^-	Pt-190	6.5·10¹¹	α
Xe-136	≥2.4·10²¹	2β^-	Pb-204	1.4·10¹⁷	α
Ba-132	3.0·10²¹	2ε	Th-232	1.4·10¹⁰	α
La-138	≥1.0·10¹¹	ε (65,6 %), β^- (34,4%)	U-235	0.7·10⁹	α (93%), SF (7%)
			U-238	4.4·10⁹	α

Электромагнитное излучение имеет широкий спектр энергий и различные источники: гамма-излучение атомных ядер и тормозное излучение ускоренных электронов, радиоволны (таблица 16.2).

Таблица 16.2

Характеристики электромагнитных излучений

Энергия, эВ	Длина волны, м	Частота, Гц	Источник излучения
10⁹	10^–¹⁶	10²⁴	Тормозное излучение
10⁵	10^–¹²	10²⁰	Гамма излучение ядер
10³	10^–¹⁰	10¹⁸	Рентгеновское излучение
10¹	10^–8	10¹⁶	Ультрафиолетовое излучение
10^–¹	10^–⁶	10¹⁴	Видимый свет
10^–³	10^–⁴	10¹²	Инфракрасное излучение
10^–⁵	10^–²	10¹⁰	Микроволновое излучение
10^–⁷	10^–⁰	10⁸	СВЧ
10^–⁹	10²	10⁶	Радиоволны ВЧ
10^–¹¹	10⁴	10⁴	Радиоволны НЧ

    Различные виды радиации по-разному взаимодействуют с веществом в зависимости от типа испускаемых частиц, их заряда, массы и энергии. Заряженные частицы ионизируют атомы вещества, взаимодействуя с атомными электронами. Нейтроны и гамма-кванты, сталкиваясь с заряженными частицами в веществе, передают им свою энергию, в случае гамма-квантов возможно рождение электрон-позитронных пар. Эти вторичные заряженные частицы, тормозясь в веществе, вызывают его ионизацию. Воздействие излучения на вещество на промежуточном этапе приводит к образованию быстрых заряженных частиц и ионов. Радиационные повреждения вызываются в основном этими вторичными частицами, так как они взаимодействуют с большим количеством атомов, чем частицы первичного излучения. В конечном итоге энергия первичной частицы трансформируется в кинетическую энергию большого количества атомов среды и приводит к ее разогреву и ионизации.
    В органах и тканях биологических объектов, как и в любой среде, при облучении в результате поглощения энергии идут процессы ионизации и возбуждения атомов. Эти процессы лежат в основе биологического действия излучений. Его мерой служит количество поглощенной в организме энергии.
    В реакции организма на облучение можно выделить четыре фазы. Длительность первых трёх быстрых фаз не превышает единиц микросекунд, в течение которых происходят различные молекулярные изменения. В четвёртой медленной фазе эти изменения переходят в функциональные и структурные нарушения в клетках, органах и организме в целом.
    Первая, физическая фаза ионизации и возбуждения атомов длится 10^–13 с. Вo второй, химико-физической фазе, протекающей 10^–10 с образуются высокоактивные в химическом отношении радикалы, которые, взаимодействуя с различными соединениями, дают начало вторичным радикалам, имеющим значительно большие по сравнению с первичными сроки жизни. В третьей, химической фазе, длящейся 10^–6 с, образовавшиеся радикалы, вступают в реакции с органическими молекулами клеток, что приводит к изменению биологических свойств молекул.
    Описанные процессы первых трёх фаз являются первичными и определяют дальнейшее развитие лучевого поражения. В следующей за ними четвёртой, биологической фазе химические изменения молекул преобразуются в клеточные изменения. Наиболее чувствительным к облучению является ядро клетки, а наибольшие последствия вызывает повреждение ДНК, содержащей наследственную информацию. В результате облучения в зависимости от величины поглощённой дозы клетка гибнет или становится неполноценной в функциональном отношении. Время протекания четвёртой фазы очень различно и в зависимости от условий может растянуться на годы или даже на всю жизнь.
    Бета-излучение обладает большей проникающей способностью. Пробег бета-частиц в воздухе может достигать нескольких метров, а в биологической ткани нескольких сантиметров. Так пробег электронов с энергией 4 МэВ в воздухе составляет 17.8 м, а в биологической ткани 2.6 см.
    Гамма-излучение имеет еще более высокую проникающую способность. Если внешнее альфа- и бета-излучение поглощается как правило в одежде или коже и представляет в основном опасность при попадании радионуклидов внутрь организма, то при внешнем гамма-облучении его воздействию подвергается весь организм. Это с одной стороны требует специальных мер защиты от гамма-излучения, а с другой позволяет использовать его в разнообразных методах дистанционной диагностики.

Рис. 16.1. Схематическое изображение проникающей способности различных излучений.

    Нейтроны. Биологический эффект от действия тепловых нейтронов в основном обусловлен процессами H(n, γ)²H и ^l4N(n,p)^l4C. Сечения этих реакций составляют соответственно 0.33 и 1.76 барн. Основной эффект воздействия на биологическую ткань происходит под действием протонов, образующихся в реакции (n,p) и теряющих всю свою энергию в месте рождения.
    Для медленных нейтронов большая часть энергии расходуется на возбуждение и расщепление молекул ткани.
    Для быстрых нейтронов до 90 % энергии в ткани теряется при упругом взаимодействии. При этом основным процессом является рассеяние нейтронов на протонах. Дальнейшее выделение энергии происходит в результате ионизации среды протонами отдачи.

Дозы излучения и единицы измерения

Действие ионизирующих излучений представляет собой сложный процесс. Эффект облучения зависит от величины поглощенной дозы, ее мощности, вида излучения, объема облученных тканей и органов. Для его количественной оценки введены специальные единицы, которые делятся на внесистемные и единицы в системе СИ. Сейчас используются преимущественно единицы системы СИ. В таблице 16.3 дан перечень единиц измерения радиологических величин и проведено сравнение единиц системы СИ и внесистемных единиц.

Таблица 16.3

Основные радиологические величины и их единицы

Физическая величина	Единица, её наименование, обозначение (международное, русское)		Соотношение между внесистемной единицей и единицей СИ
Физическая величина	внесистемные	СИ	Соотношение между внесистемной единицей и единицей СИ
Активность нуклида в радиоактивном источнике	кюри (Ci, Ки)	беккерель (Bq, Бк)	1 Ки = 3.7·10¹⁰ Бк
Экспозиционная доза излучения	рентген (R, Р)	кулон/килограмм (C/kg, Кл/кг)	1Р = 2.58·10^-4 Кл/кг
Поглощённая доза излучения	рад (rad, рад)	грей (Gy, Гр) = Дж/кг	1 рад = 0.01 Гр
Эквивалентная доза излучения	бэр (rem, бэр)	зиверт (Sv, Зв)	1 бэр = 0.01 Зв
Мощность экспозиционной дозы излучения	рентген в секунду (R/s, Р/с)	ампер/килограмм (A/kg, А/кг)	1 Р/с = 2.58·10^-4 А/кг
Мощность поглощённой дозы излучения	рад в секунду (rad/s, рад/с)	грей в секунду (Gy/s, Гр/с)	1 рад/с = 0.01 Гр/с
Мощность эквивалентной дозы излучения	бэр в секунду (rem/s, бэр/с)	зиверт в секунду (Sv/c, Зв/с)	1 бэр/с = 0.01 Зв/с
Интегральная доза излучения	рад-грамм (rad·g, рад·г)	грей-килограмм (Gy · kg, Гр · кг)	1 рад·г = 10^-5 Гр·кг

Экспозиционная доза X. В качестве количественной меры рентгеновского и γ-излучения принято использовать во внесистемных единицах экспозиционную дозу определяемую зарядом вторичных частиц dQ, образующихся в массе вещества dm при полном торможении всех заряженных частиц :

X = dQ/dm..

Единица экспозиционной дозы − рентген (Р). Рентген − это экспозиционная доза рентгеновского и γ-излучения, создающая в 1 см³ воздуха при температуре 0°С и давлении 760 мм рт. ст. суммарный заряд ионов одного знака в одну электростатическую единицу количества электричества. Экспозиционной дозе 1 Р соответствует 2.08·10⁹ пар ионов [2.08·10⁹ = 1/(4.8·10^-10)]. Если принять среднюю энергию образования 1 пары ионов в воздухе равной 33.85 эВ, то при экспозиционной дозе 1 Р одному кубическому сантиметру воздуха передается энергия, равная:

T = (2.08·10⁹)×33.85×(1.6·10^-12) = 0.113 эрг,

а одному грамму воздуха:

T/ρ_возд = 0.113/0.001293 = 87.3 эрг.

Поглощённая доза D − основная дозиметрическая величина. Она равна отношению средней энергии dE, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме:

D = dE/dm.

Единица поглощённой дозы − грей (Гр).

1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад = 10⁴ эрг/г.

Внесистемная единица рад определяется как поглощённая доза любого ионизирующего излучения, равная 100 эрг на 1 грамм облучённого вещества.

Эквивалентная доза Н. Изучение результатов облучения живых тканей показывает, что при одинаковой поглощенной дозе различные виды радиации имеют различное биологическое воздействие на организм. Для оценки возможного ущерба здоровью человека в условиях хронического облучения введено понятие эквивалентной дозы Н, равной произведению поглощённой дозы D_r, созданной облучением r и усреднённой по анализируемому органу или по всему организму, на весовой множитель W_r, называемый ещё коэффициентом качества излучения (таблица 16.4).

H = ∑W_rD_r.

Единицей измерения эквивалентной дозы является Джоуль на килограмм. Она имеет специальное наименование − зиверт (Зв).
Влияние облучения носит неравномерный характер. Для оценки ущерба здоровью человека за счет различного влияния облучения на разные органы (в условиях равномерного облучения всего тела) введено понятие эффективной эквивалентной дозы E_эфф, применяемое при оценке возможных стохастических эффектов − злокачественных новообразований.

Таблица 16.4

Коэффициенты относительной биологической эффективности (коэффициенты качества) W_r для различных видов излучения

Вид и энергия излучения

Весовой
множитель излучения W_r

Фотоны, все энергии

Электроны и мюоны, все энергии

Нейтроны c энергией

< 10 кэВ

10 ÷ 100

100 кэВ ÷ 2 МэВ

2 ÷ 20 МэВ

> 20 МэВ

протоны c энергией > 2 МэВ
(кроме протонов отдачи)

α-частицы, осколки деления, тяжёлые ядра

Предельно допустимые дозы облучения

Нормы радиационной безопасности разрабатываются на международном уровне и уровне государства и предназначены для регламентации облучения людей (табл. 16.5).
Нормы распространяются на следующие виды воздействия ионизирующего излучения на человека:

в условиях нормальной эксплуатации техногенных источников облучения;
в результате радиационной аварии;
от природных источников излучения;
при медицинском облучении.

Предел индивидуального пожизненного риска (вероятности возникновения у человека какого-либо эффекта в результате облучения) в условиях нормальной эксплуатации для техногенного облучения в течение года персонала принимается равным 1.0·10^-3, а для населения − 5.0·10^-5. Уровень пренебрежимого риска составляет 10^-6.
Категории облучаемых лиц. Потенциально облучаемые лица разделены на две категории.

персонал, работающий на предприятии атомной промышленности (группы А и Б);
всё население, включая лиц из персонала, вне сферы и условий их производственной деятельности.

Таблица 16.5

Основные пределы доз

Нормируемые величины^*

Пределы доз

Персонал (группа A)^**

Население

Эффективная доза

20 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 50 мЗв в год

1 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 5 мЗв в год

Эквивалентная доза за год

в хрусталике глаза^***

коже^****

кистях и стопах

150 мЗв

500 мЗв

15 мЗв

50 мЗв

^* Допускается одновременное облучение до указанных пределов по всем нормируемым величинам.^** Основные пределы доз, как и все остальные уровни облучения персонала группы Б, равны 1/4 значений для персонала группы А.^*** Относится к дозе на глубине 300 мг/см².^**** Относится к среднему по площади в 1 см² значению в базальном слое кожи толщиной 5 мг/см² под покровным слоем толщиной 5 мг/см². На ладонях толщина покровного слоя - 40 мг/см². Указанным пределом допускается облучение всей кожи человека при условии, что в пределах усреднённого облучения любого 1 см² кожи этот предел не будет превышен. Предел дозы при облучении кожи лица обеспечивает непревышение предела дозы на хрусталик глаза от бета-частиц.

Воздействие радиации на человека

Таблица 16.6

Радиационные эффекты облучения человека

Соматические эффекты	Генетические эффекты
Лучевая болезнь Локальные лучевые поражения Лейкозы Опухоли разных органов	Генные мутации Хромосомные аберрации

Эффекты воздействия радиации на человека обычно делятся на две категории (таблица 16.6):

Соматические (телесные) − возникающие в организме человека, который подвергался облучению;
Генетические − связанные с повреждением генетического аппарата и проявляющиеся в последующих поколениях: это дети, внуки и более отдаленные потомки человека, подвергшегося облучению.

Зависимость тяжести нарушения от величины дозы облучения показана в таблице 16.7.

Таблица 16.7

Воздействие различных доз облучения на человеческий организм

Доза, Гр	Причина и результат воздействия
(0.7 ÷ 2)10^-3	Доза от естественных источников в год
0.05	Предельно допустимая доза профессионального облучения в год
0.1	Уровень удвоения вероятности генных мутаций
0.25	Однократная доза оправданного риска в чрезвычайных обстоятельствах
1.0	Доза возникновения острой лучевой болезни
3 ÷ 5	Без лечения 50% облученных умирает в течение 1–2 месяцев вследствие нарушения деятельности клеток костного мозга
10 ÷ 50	Смерть наступает через 1–2 недели вследствие поражений главным образом желудочно-кишечного тракта
100	Смерть наступает через несколько часов или дней вследствие повреждения центральной нервной системы

    Меры радиационной защиты персонала и населения регламентируются нормами радиационной безопасности и основными санитарными правилами.
    Меры защиты направлены на ограничение облучения дозой ниже порога возникновения этих эффектов (нормирование годовой дозы).
    В случаях аварийных ситуаций принимаются дополнительные меры защиты, обеспечивающие снижение дозы облучения населения загрязненной территории и включающие:

отселение жителей (временное или постоянное);
отчуждение загрязненной территории или ограничение проживания и функционирования населения на этой территории;

Радиоактивность человека

Организм человека состоит из различных химических элементов, которые находятся в определённой пропорции. Среди этих химических элементов два элемента занимают особое положение, это углерод и калий. Их выделенность обусловлена тем, что среди различных изотопов этих химических элементов есть изотопы, которые имеют большой период полураспада, они накапливаются внутри организма и являются источником внутренней радиоактивности человека. Изотопный состав углерода приведен в таблице 16.8.

¹⁴С

Таблица 16.8

Изотопный состав углерода С

Изотоп	Период полураспада или процентное содержание	Канал распада
¹²С	98.89%	стабильный
¹³С	1.1%	стабильный
¹⁴С	5700 лет	β-распад

Радиоактивный углерод ¹⁴С образуется на Земле при взаимодействии нейтронов космических лучей с ядрами азота атмосферы.

¹⁴N + n → ¹⁴С + p.

Ежегодно в атмосфере Земли под действием космических нейтронов образуется 8 кг радиоактивного углерода ¹⁴С, столько же ¹⁴С распадается в течение года, т.е. радиоуглерод находится в равновесии. Всего в атмосфере Земли находится ≈ 60 тонн изотопа ¹⁴С, что составляет ≈ 1.2·10^-14% относительно изотопа ¹²С. Изотоп ¹⁴С присутствует в экологической цепочке в виде соединения ¹⁴СO₂, молекулы которого равномерно перемешиваются с воздухом атмосферы и усваивается растениями в процессе фотосинтеза. Радиоуглерод в виде различных соединений входит в состав морской воды и океанов. Схема распада изотопа ¹⁴С показана на рис. 16.2.

Рис. 16.2. Схема распада изотопа ¹⁴С.

Известно, что в 1 г природного углерода за счет присутствия изотопа ¹⁴С происходит 15.3 распадов изотопа ¹⁴С в минуту. В человеке массой 70 кг содержится 14 кг углерода. Поэтому в организме человека будут происходить 15.3×70·10³ = 1.1·10⁶ распадов изотопа ¹⁴С в минуту. Энергия β^--распада Q_β = 0.16 МэВ.

⁴⁰K

В таблице 16.9 приведена распространенность долгоживущих изотопов K в земной коре.

Таблица 16.9

Изотопный состав калия K

Изотоп	Период полураспада или распространенность	Канал распада
³⁹K	99.2581%
⁴⁰K	0.0117% 1.248·10⁹ лет	β^- (89.28%), е-захват (10.72%)
⁴¹K	6.7302%

На рис. 16.3 приведена схема распада радиоактивного изотопа ⁴⁰K.

Рис. 16.3. Схема распада изотопа ⁴⁰K.

Q(β⁺) = 0.48 МэВ, Q(е-захват) = 1.507 МэВ, Q(β^-) = 1.31 МэВ

Изотоп ⁴⁰K может распадаться как в результате β⁺-распада и е-захвата, превращаясь в изотоп ⁴⁰Ar, так⁴⁰K и в результате β^--распада, превращаясь в изотоп ⁴⁰Ca. Относительные вероятности распадов приведены на рис. 16.3 в скобках.
В человеке массой 70 кг содержится 0.2% калия (140 г). Следовательно, число ядер радиоактивного ⁴⁰K составляет 2.5·10²⁰ ядер. Исходя из периода полураспада число распадов радиоактивного калия ⁴⁰K в организме человека равно

или