Радиация - излучение (от radiare - испускать лучи) - распространение энергии в форме волн или частиц. Свет, ультрафиолетовые лучи, инфракрасное тепловое излучение, микроволны, радиоволны представляют собой разновидность радиации. Часть излучений получили название ионизирующих, благодаря своей способности вызывать ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе.

Ионизирующее излучение - излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию ионов разных знаков. Это поток частиц или квантов, способных прямо или косвенно вызывать ионизацию окружающей среды. Ионизирующее излучение объединяет разные по своей физической природе виды излучений. Среди них выделяются элементарные частицы (электроны, позитроны, протоны, нейтроны, мезоны и др.), более тяжелые многозарядные ионы (a-частицы, ядра бериллия, лития и других более тяжелых элементов); излучения, имеющие электромагнитную природу (g-лучи, рентгеновские лучи).

Различают два типа ионизирующих излучений: корпускулярное и электромагнитное.

Корпускулярное излучение - представляет собой поток частиц (корпускул), которые характеризуются определенной массой, зарядом и скоростью. Это электроны, позитроны, протоны, нейтроны, ядра атомов гелия, дейтерия и др.

Электромагнитное излучение - поток квантов или фотонов (g-лучи, рентгеновские лучи). Оно не имеет ни массы, ни заряда.

Различают также непосредственно и косвенно ионизирующие излучения.

Непосредственно ионизирующее излучение - ионизирующее излучение, состоящее из заряженных частиц, имеющих кинетическую энергию, достаточную для ионизации при столкновении ( , частица и др.).

Косвенно ионизирующее излучение - ионизирующее излучение, состоящее из незаряженных частиц, и фотонов которые могут создавать непосредственно ионизирующее излучение и (или) вызвать ядерные превращения (нейтроны, рентгеновские и g-излучения).

Основными свойствами ионизирующих излучений является способность при прохождении через любое вещество вызывать образования большого количества свободных электронов и положительно заряженных ионов (т.е. ионизирующая способность).

Частицы или квант высокой энергии выбивают обычно один из электронов атома, который уносит с собой единичный отрицательный заряд. При этом оставшаяся часть атома или молекулы, приобретя положительный заряд (из-за дефицита отрицательно заряженной частицы), становится положительно заряженным ионом. Это так называемая первичная ионизация.

Выбитые при первичном взаимодействии электроны, обладая определенной энергией, сами взаимодействуют со встречными атомами, превращают их в отрицательно заряженный ион (происходит вторичная ионизация ). Электроны, которые потеряли в результате столкновений свою энергию, остаются свободными. Первый вариант (образование положительных ионов) происходит лучше всего с атомами, у которых на внешней оболочке имеется 1-3 электрона, а второй (образование отрицательных ионов) - с атомами, у которых на внешней оболочке имеется 5-7 электронов.

Таким образом, ионизирующий эффект - главное проявление действия радиации высоких энергий на вещество. Именно поэтому радиация и называется ионизирующей (ионизирующими излучениями).

Ионизация возникает как в молекулах неорганического вещества, так и в биологических системах. Для ионизации большинства элементов, которые входят в состав биосубстратов (это значит для образования одной пары ионов) необходимо поглощение энергии в 10-12 эВ (электрон-вольт). Это так называемый потенциал ионизации . Потенциал ионизации воздуха равен в среднем 34 эВ.

Таким образом, ионизирующие излучения характеризуются определенной энергией излучения, измеряемой в эВ. Электрон-вольт (эВ) - это внесистемная единица энергии, которую приобретает частица с элементарным электрическим зарядом при перемещении в электрическом поле между двумя точками с разностью потенциалов в 1 вольт.

1эВ=1,6 х 10-19 Дж = 1,6 х 10-12 эрг.

1кэВ (килоэлектрон-вольт) = 103 эВ.

1МэВ (мегаэлектрон-вольт) = 106 эВ.

Зная энергию частиц, можно подсчитать, сколько пар ионов они способны образовать на пути пробега. Длина пути - полная длина траектории частицы (какой бы сложной она не была бы). Так, если частица обладает энергией в 600 кэВ, то она может образовать в воздухе около 20000 пар ионов.

В тех случаях, когда энергии частицы (фотона) недостаточно для того, чтобы преодолел притяжение атомного ядра и вылетел за пределы атома, (энергия излучений меньше потенциала ионизации) ионизация не происходит. , приобретя излишек энергии (так называемый возбужденный ), на доли секунды переходит на более высокий энергетический уровень, а затем скачком возвращается на прежнее место и отдает излишнюю энергию в виде кванта свечения (ультрафиолетового или видимого). Переход электронов с внешних орбит на внутренние сопровождается рентгеновским излучением.

Однако, роль возбуждения в воздействии радиации второстепенная в сравнении с ионизацией атомов, поэтому общепринято название радиации высоких энергий: «ионизирующая », что подчеркивает ее главное свойство.

Второе название радиации - «проникающая » - характеризует способность излучений высокой энергии, прежде всего, рентгеновских и
g-лучей, проникать в глубину вещества, в частности, в тело человека. Глубина проникновения ионизирующего излучения зависит, с одной стороны, от природы излучения, заряда составляющих его частиц и энергии, а с другой - состава и плотности облучаемого вещества.

Ионизирующие излучения обладают определенной скоростью и энергией. Так, b-излучение и g-излучение распространяются со скоростью, близкой к скорости света. Энергия, например, a-частиц колеблется в пределах 4-9 МэВ.

Одной из важных особенностей биологического воздействия ионизирующей радиации является невидимость, неощутимость. В этом и заключается их опасность, человек ни визуально, ни органолептически не может обнаружить воздействие излучений. В отличие от лучей оптического диапазона и даже радиоволн, которые вызывают в определенных дозах нагревание тканей и ощущение тепла, ионизирующие излучения даже в смертельных дозах нашими органами чувств не фиксируется. Правда, у космонавтов наблюдались косвенные проявления действия ионизирующей радиации - ощущение вспышек при закрытых глазах - за счет массивной ионизации в сетчатке глаза. Таким образом, ионизация и возбуждение - основные процессы, в которых тратится энергия излучений, поглощаемая в облучаемом объекте.

Возникшие ионы исчезают в процессе рекомбинации, это значит воссоединения положительных и отрицательных ионов, в котором образуются нейтральные атомы. Как правило, процесс сопровождается образованием возбуждаемых атомов.

Реакции с участием ионов и возбужденных атомов имеют чрезвычайно важное значение. Они лежат в основе многих химических процессов, в том числе и биологически важных. С ходом этих реакций связываются отрицательные результаты воздействия радиации на организм человека.

Виды ионизирующих излучений

Ионизирующие излучения (ИИ) - потоки элементарных частиц (электронов, позитронов, протонов, нейтронов) и квантов электромагнитной энергии, прохождение которых через вещество приводит к ионизации (образованию разнополярных ионов) и возбуждению его атомов и молекул. Ионизация - превращение нейтральных атомов или молекул в электрически заряженные частицы – ионы.ьИИ попадают на Землю в виде космических лучей, возникают в результате радиоактивного распада атомных ядер (απ β-частицы, γ– и рентгеновские лучи), создаются искусственно на ускорителях заряженных частиц. Практический интерес представляют наиболее часто встречающиеся виды ИИ – потоки а– и β-частиц, γ-излучение, рентгеновские лучи и потоки нейтронов.

Альфа-излучение (а) – поток положительно заряженных частиц – ядер гелия. В настоящее время известно более 120 искусственных и естественных альфа-радиоактивных ядер, которые, испуская α-частицу, теряют 2 протона и 2 нейтрона. Скорость частиц при распаде составляет 20 тыс. км/с. При этом α-частицы обладают наименьшей проникающей способностью, длина их пробега (расстояние от источника до поглощения) в теле равна 0,05 мм, в воздухе – 8–10 см. Они не могут пройти даже через лист бумаги, но плотность ионизации на единицу величины пробега очень велика (на 1 см до десятка тысяч пар), поэтому эти частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью и опасны внутри организма.

Бета-излучение (β) – поток отрицательно заряженных частиц. В настоящее время известно около 900 бета-радиоактивных изотопов. Масса β-частиц в несколько десятков тысяч раз меньше α-частиц, но они обладают бо́льшей проникающей способностью. Их скорость равна 200–300 тыс. км/с. Длина пробега потока от источника в воздухе составляет 1800 см, в тканях человека – 2,5 см. β-частицы полностью задерживаются твердыми материалами (алюминиевой пластиной в 3,5 мм, органическим стеклом); их ионизирующая способность в 1000 раз меньше, чем у α-частиц.

Гамма-излучение (γ) – электромагнитное излучение с длиной волны от 1 · 10 -7 м до 1 · 10 -14 м; испускается при торможении быстрых электронов в веществе. Оно возникает при распаде большинства радиоактивных веществ и обладает большой проникающей способностью; распространяется со скоростью света. В электрических и магнитных полях γ-лучи не отклоняются. Это излучение обладает меньшей ионизирующей способностью, чем а– и β-излучение, так как плотность ионизации на единицу длины очень низкая.

Рентгеновское излучение может быть получено в специальных рентгеновских трубках, в электронных ускорителях, при торможении быстрых электронов в веществе и при переходе электронов с внешних электронных оболочек атома на внутренние, когда создаются ионы. Рентгеновские лучи, как и γ-излучение, обладают малой ионизирующей способностью, но большой глубиной проникновения.

Нейтроны - элементарные частицы атомного ядра, их масса в 4 раза меньше массы α-частиц. Время их жизни – около 16 мин. Нейтроны не имеют электрического заряда. Длина пробега медленных нейтронов в воздухе составляет около 15 м, в биологической среде – 3 см; для быстрых нейтронов – соответственно 120 м и 10 см. Последние обладают высокой проникающей способностью и представляют наибольшую опасность.

Выделяют два вида ионизирующих излучений:

Корпускулярное, состоящее из частиц с массой покоя, отличной от нуля (α-, β– и нейтронное излучения);

Электромагнитное (γ– и рентгеновское излучение) – с очень малой длиной волны.

Для оценки воздействия ионизирующего излучения на любые вещества и живые организмы используются специальные величины – дозы излучения. Основная характеристика взаимодействия ионизирующего излучения и среды – это ионизационный эффект. В начальный период развития радиационной дозиметрии чаще всего приходилось иметь дело с рентгеновским излучением, распространявшимся в воздухе. Поэтому в качестве количественной меры поля излучения использовалась степень ионизации воздуха рентгеновских трубок или аппаратов. Количественная мера, основанная на величине ионизации сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении, достаточно легко поддающаяся измерению, получила название экспозиционная доза.

Экспозиционная доза определяет ионизирующую способность рентгеновских и γ-лучей и выражает энергию излучения, преобразованную в кинетическую энергию заряженных частиц в единице массы атмосферного воздуха. Экспозиционная доза – это отношение суммарного заряда всех ионов одного знака в элементарном объеме воздуха к массе воздуха в этом объеме. В системе СИ единицей измерения экспозиционной дозы является кулон, деленный на килограмм (Кл/кг). Внесистемная единица – рентген (Р). 1 Кл/кг = 3880 Р. При расширении круга известных видов ионизирующего излучения и сфер его приложения оказалось, что мера воздействия ионизирующего излучения на вещество не поддается простому определению из-за сложности и многообразности протекающих при этом процессов. Важнейшим из них, дающим начало физико-химическим изменениям в облучаемом веществе и приводящим к определенному радиационному эффекту, является поглощение энергии ионизирующего излучения веществом. В результате этого возникло понятие поглощенная доза.

Поглощенная доза показывает, какое количество энергии излучения поглощено в единице массы любого облучаемого вещества, и определяется отношением поглощенной энергии ионизирующего излучения на массу вещества. За единицу измерения поглощенной дозы в системе СИ принят грэй (Гр). 1 Гр – это такая доза, при которой массе 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж. Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад. 1 Гр = 100 рад. Изучение отдельных последствий облучения живых тканей показало, что при одинаковых поглощенных дозах различные виды радиации производят неодинаковое биологическое воздействие на организм. Обусловлено это тем, что более тяжелая частица (например, протон) производит на единице пути в ткани больше ионов, чем легкая (например, электрон). При одной и той же поглощенной дозе радиобиологический разрушительный эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая излучением. Чтобы учесть этот эффект, было введено понятие эквивалентной дозы.

Эквивалентная доза рассчитывается путем умножения значения поглощенной дозы на специальный коэффициент – коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ) или коэффициент качества. Значения коэффициента для различных видов излучений приведены в табл. 7.

Таблица 7

Коэффициент относительной биологической эффективности для различных видов излучений

Единицей измерения эквивалентной дозы в СИ является зиверт (Зв). Величина 1 Зв равна эквивалентной дозе любого вида излучения, поглощенной в 1 кг биологической ткани и создающей такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр фотонного излучения. Внесистемной единицей измерения эквивалентной дозы является бэр (биологический эквивалент рада). 1 Зв = 100 бэр. Одни органы и ткани человека более чувствительны к действию радиации, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения разных органов и тканей следует учитывать с разным коэффициентом, который называется коэффициентом радиационного риска. Умножив значение эквивалентной дозы на соответствующий коэффициент радиационного риска и просуммировав по всем тканям и органам, получим эффективную дозу, отражающую суммарный эффект для организма. Взвешенные коэффициенты устанавливают эмпирически и рассчитывают таким образом, чтобы их сумма для всего организма составляла единицу. Единицы измерения эффективной дозы совпадают с единицами измерения эквивалентной дозы. Она также измеряется в зивертах или бэрах.

Ионизирующее излучение - это совокупность различных видов микрочастиц и физических полей, обладающих способностью ионизировать вещество, то есть образовывать в нем электрически заряженные частицы - ионы. Различают несколько видов ионизирующих излучений: альфа-, бета-, гамма-излучение, а также нейтронное излучение.

Альфа-излучение

В формировании положительно заряженных альфа-частиц принимают участие 2 протона и 2 нейтрона, входящих в состав ядер гелия. Альфа-частицы образуются при распаде ядра атома и могут иметь начальную кинетическую энергию от 1,8 до 15 МэВ. Характерными особенностями альфа-излучения являются высокая ионизирующая и малая проникающая способности. При движении альфа-частицы очень быстро теряют свою энергию, и это обуславливает тот факт, что ее не хватает даже для преодоления тонких пластмассовых поверхностей. В целом, внешнее облучение альфа-частицами, если не брать в расчет высокоэнергичные альфа-частицы, полученные с помощью ускорителя, не несет в себе никакого вреда для человека, а вот проникновение частиц внутрь организма может быть опасно для здоровья., поскольку альфа-радионуклиды отличаются большим периодом полураспада и обладают сильной ионизацией. В случае попадания внутрь организма альфа-частицы часто могут быть даже опаснее, чем бета- и гамма-излучение.

Бета-излучение

Заряженные бета-частицы, скорость которых близка к скорости света, образуются в результате бета-распада. Бета-лучи обладают большей проникающей способностью, чем альфа-лучи - они могут вызывать химические реакции, люминесценцию, ионизировать газы, оказывать эффект на фотопластинки. В качестве защиты от потока заряженных бета-частиц (энергией не более 1МэВ) достаточно будет использовать обычную алюминиевую пластину толщиной 3-5 мм.

Фотонное излучение: гамма-излучение и рентгеновское излучение

Фотонное излучение включает в себя два вида излучений: рентгеновское (может быть тормозным и характеристическим) и гамма-излучение.

Наиболее распространенным видом фотонного излучения являются обладающие очень высокой энергией при ультракороткой длине волны гамма-частицы, которые представляют собой поток высокоэнергичных, не обладающих зарядом фотонов. В отличие от альфа- и бета-лучей гамма-частицы не отклоняются магнитными и электрическими полями и обладают значительно большей проникающей способностью. В определенных количествах и при определенной продолжительности воздействия гамма-излучение может вызвать лучевую болезнь, привести к возникновению различных онкологических заболеваний. Препятствовать распространению потока гамма-частиц могут только такие тяжелые химические элементы, как, например, свинец, обедненный уран и вольфрам.

Нейтронное излучение

Источником возникновения нейтронного излучения могут быть ядерные взрывы, ядерные реакторы, лабораторные и промышленные установки. Сами нейтроны представляют собой электрически нейтральные, нестабильные (период полураспада свободного нейтрона составляет около 10 минут) частицы, которые благодаря тому, что у них отсутствует заряд, отличаются большой проникающей способностью при слабой степени взаимодействия с веществом. Нейтронное излучение очень опасно, поэтому для защиты от него используют ряд специальных, в основном водородосодержащих, материалов. Лучше всего нейтронное излучение поглощается обычной водой, полиэтиленом, парафином, а также растворами гидроксидов тяжелых металлов.

Как ионизирующие излучения воздействуют на вещества?

Все виды ионизирующих излучений в той или иной степени оказывают воздействие на различные вещества, но сильнее всего оно выражено у гамма-частиц и у нейтронов. Так, при длительном воздействии они могут существенно изменить свойства различных материалов, изменить химический состав веществ, ионизировать диэлектрики и оказывать разрушительный эффект на биологические ткани. Естественный радиационный фон не принесет человеку особого вреда, однако при обращении с искусственными источниками ионизирующих излучений стоит быть очень осторожными и предпринимать все необходимые меры, чтобы до минимума снизить уровень воздействия излучения на организм.

Ионизирующие излучения - потоки фотонов, а также заряженных или нейтральных частиц, взаимодействие которых с веществом среды приводит к его ионизации. Ионизация играет важную роль в развитии радиационно-индуцированных эффектов, особенно в живой ткани. Средний расход энергии на образование одной пары ионов сравнительно мало зависит от вида ионизирующих излучений , что позволяет судить по степени ионизации вещества о переданной ему энергии И. и. Для регистрации и анализа ионизирующих излучений инструментальными методами также используют ионизацию.

Источники ионизирующих излучений делят на естественные (природные) и искусственные. Естественными источниками ионизирующих излучений являются космос и распространенные в природе радиоактивные вещества (радионуклиды). В космосе формируется и достигает Земли космическое излучение - корпускулярные потоки ионизирующего излучения. Первичное космическое излучение состоит из заряженных частиц и фотонов, отличающихся высокой энергией. В атмосфере Земли первичное космическое излучение частично поглощается и инициирует ядерные реакции, в результате которых образуются радиоактивные атомы, сами испускающие И. и. , поэтому космическое излучение у поверхности Земли отличается от первичного космического излучения. Различают три основных вида космического излучения: галактическое космическое излучение, солнечное космическое излучение и радиационные пояса Земли. Галактическое космическое излучение является наиболее высокоэнергетической составляющей корпускулярного потока в межпланетном пространстве и представляет собой ядра химических элементов (преимущественно водорода и гелия), ускоренных до высоких энергий; по своей проникающей способности этот вид космического излучения превосходит все виды ионизирующих излучений , кроме нейтрино. Для полного поглощения галактического космического излучения потребовался бы свинцовый экран толщиной около 15 м . Солнечное космическое излучение представляет собой высокоэнергетическую часть корпускулярного излучения Солнца и возникает при хромосферных вспышках днем. В период интенсивных солнечных вспышек плотность потока солнечного космического излучения может в тысячи раз превысить обычный уровень плотности потока галактического космического излучения. Солнечное космическое излучение состоит из протонов, ядер гелия и более тяжелых ядер. Солнечные протоны высоких энергий представляют наибольшую опасность для человека в условиях космического полета (см. Космическая биология и медицина ). Радиационные пояса Земли сформировались в околоземном пространстве за счет первичного космического излучения и частичного захвата его заряженной компоненты магнитным полем Земли. Радиационные пояса Земли состоят из заряженных частиц: электронов - в электронном поясе и протонов - в протонном. В радиационных поясах устанавливается поле И. и. повышенной интенсивности, что учитывают при запуске пилотируемых космических кораблей.

Природные, или естественные, радионуклиды имеют различное происхождение; часть из них принадлежит к радиоактивным семействам, родоначальники которых (уран, торий) входят в состав пород, слагающих нашу планету, с периода ее образования; некоторая часть естественных радионуклидов является продуктом активации стабильных изотопов космическим излучением. Отличительным свойством радионуклидов является радиоактивность, т.е. самопроизвольное превращение (распад) атомных ядер, приводящее к изменению их атомного номера и (или) массового числа. Скорость радиоактивного распада, характеризующая активность радионуклида, равна числу радиоактивных превращений в единицу времени.

В качестве единицы радиоактивности Международной системой единиц (СИ) определен беккерель (Бк ); 1 Бк равен одному распаду в секунду. На практике применяется также внесистемная единица активности кюри (Ки ); 1 Ки равен 3,7× 10 10 распадов в секунду, т.е. 3,7× 10 10 Бк . В результате радиоактивных превращений возникают заряженные и нейтральные частицы, формирующие поле И. и.

По виду частиц, входящих в состав ионизирующих излучений , различают альфа-излучение, бета-излучение, гамма-излучение, рентгеновское излучение, нейтронное излучение, протонное излучение и др. Рентгеновское и гамма-излучение относят к фотонным, или электромагнитным, ионизирующим излучениям , а все остальные виды ионизирующих излучений - к корпускулярным. Фотоны - это «порции» (кванты) электромагнитных излучений. Их энергия выражается в электрон-вольтах. Она в десятки тысяч раз превосходит энергию кванта видимого света.

Альфа-излучение представляет собой поток альфа-частиц, или ядер атомов гелия, несущих положительный заряд, равный двум элементарным единицам заряда. Альфа-частицы относятся к сильно ионизирующим частицам, быстро теряющим свою энергию при взаимодействии с веществом. По этой причине альфа-излучение является слабопроникающим и в медицинской практике используется либо для облучения поверхности тела, либо альфа-излучающий радионуклид вводится непосредственно в патологический очаг при внутритканевой лучевой терапии.

Бета-излучение - поток отрицательно заряженных электронов или положительно заряженных позитронов, испускаемых при бета-распаде. Бета-частицы относятся к слабоионизирующим частицам; однако по сравнению с альфа-частицами при одинаковой энергии они имеют большую проникающую способность.

Нейтронное излучение - поток электрически нейтральных частиц (нейтронов), которые возникают в некоторых ядерных реакциях при взаимодействии высокоэнергетических элементарных частиц с веществом, а также при делении тяжелых ядер. Нейтроны передают часть своей энергии ядрам атомов вещества среды и инициируют ядерные реакции. В результате в облученном нейтронным потоком веществе возникают заряженные частицы различного вида, ионизирующие вещество среды, могут также образовываться радионуклиды. Свойства нейтронного излучения и характер его взаимодействия с живой тканью определяются энергией нейтронов.

Некоторые виды ионизирующих излучений возникают в ядерно-энергетических и ядерно-физических установках; ядерных реакторах, ускорителях заряженных частиц, рентгеновских аппаратах, в также созданных с помощью этих средств искусственных радионуклидов.

протонное излучение генерируется в специальных ускорителях. Око представляет собой поток протонов - частиц, несущих единичный положительный заряд и обладающих массой, близкой к массе нейтронов. Протоны относятся к сильно ионизирующим частицам; будучи ускоренными до высоких энергий, они способны сравнительно глубоко проникать в вещество среды. Это позволяет эффективно использовать протонное излучение в дистанционной лучевой терапии .

Электронное излучение генерируется специальными ускорителями электронов (например, бетатронами, линейными ускорителями), если пучок ускоренных электронов выводится наружу. Эти же ускорители могут быть источником тормозного излучения - разновидности фотонного излучения, возникающего при торможении ускоренных электронов в веществе специальной мишени ускорителя. Рентгеновское излучение, используемое в медицинской радиологии, представляет собой также тормозное излучение электронов, ускоренных в рентгеновской трубке.

Гамма-излучение - поток фотонов высоких энергий, испускаемых при распаде радионуклидов; широко применяется при лучевой терапии злокачественных новообразований. Различают направленное и ненаправленное И. и. Если все направления распространения ионизирующие излучения равноценны, то говорят о изотропном И. и. По характеру распространения во времени И. и. может быть непрерывным и импульсным.

Для описания поля И. и. используют физические величины, определяющие пространственно-временное распределение излучения в веществе среды. Важнейшими характеристиками поля И. и. являются плотность потока частиц и плотность потока энергии. В общем случае плотность потока частиц - это число частиц, проникающих в единицу времени в элементарную сферу, отнесенное к площади поперечного сечения этой сферы. Плотность потока энергии И. и. является синонимом распространенного на практике термина «интенсивность излучения». Она равна плотности потока частиц, умноженной на среднюю энергию одной частицы, и характеризует скорость переноса энергии И. и. Единицей измерений интенсивности И. и. в системе СИ является Дж/м 2 × с .

Биологическое действие ионизирующих излучении . Под биологическим действием И. и. понимают многообразные реакции, возникающие в облучаемом биологическом объекте, начиная от первичных процессов размена энергии излучения до эффектов, проявляющихся спустя длительное время после радиационного воздействия. Знание механизмов биологического действия ионизирующих излучений необходимо для экстренного принятия адекватных мер обеспечения радиационной безопасности персонала и населения при авариях на атомных электростанциях и других предприятиях атомной промышленности. Для ионизации большинства элементов, входящих в состав биологического субстрата, необходимо достаточно большое количество энергии - 10-15 эВ , называемое потенциалом ионизации. Поскольку частицы и фотоны ионизирующих излучений обладают энергией от десятков до миллионов эВ , что намного превышает энергию внутри- и межмолекулярных связей молекул и веществ, составляющих любой биологический субстрат, то поражающему радиационному воздействию подвержено все живое.

Максимально упрощенная схема начальных этапов лучевого поражения состоит в следующем. Вслед и по сути одновременно с передачей энергии И. и. атомам и молекулам облученной среды (физический этап биологического действия И. и. ) в ней развиваются первичные радиационно-химические процессы, в основе которых лежат два механизма: прямой, когда молекулы вещества испытывают изменения при непосредственном взаимодействии с ионизирующими излучениями , и косвенный, при котором изменяемые молекулы непосредственно не поглощают энергию ионизирующих излучений , а получают ее путем передачи от других молекул. В результате этих процессов образуются свободные радикалы и другие высокореакционные продукты, приводящие к изменению жизненно важных макромолекул, а в финале - к конечному биологическому эффекту. В присутствии кислорода радиационно-химические процессы интенсифицируются (кислородный эффект), что при прочих равных обстоятельствах способствует усилению биологического действия И. и. (см. Радиомодификация , Радиомодифицирующие агенты ). Следует иметь в виду, что изменения облучаемого субстрата не являются обязательно окончательными и необратимыми. Как правило, конечный результат в каждом конкретном случае не может быть предсказан, т. к наряду с лучевым повреждением может произойти и восстановление исходного состояния.

Воздействие ионизирующих излучений на живой организм принято называть облучением, хотя это не совсем точно, ибо облучение организма может осуществляться и любым другим видом неионизирующего излучения (видимым светом, инфракрасным, ультрафиолетовым, высокочастотным излучением и др.). Эффективность облучения зависит от фактора времени, под которым понимают распределение дозы ионизирующего излучения во времени. Наиболее эффективно однократное острое облучение при высокой мощности дозы И. и. Пролонгированное хроническое или прерывистое (фракционированное) облучение в заданной дозе оказывает меньшее биологическое действие, благодаря процессам пострадиационного восстановления .

Различают внешнее и внутреннее облучение. При внешнем облучении источник И. и. располагается вне организма, а при внутреннем (инкорпорированном) оно осуществляется радионуклидами, попавшими в организм через дыхательную систему, желудочно-кишечный тракт или через поврежденную кожу.

Биологическое действие ионизирующих излучений в значительной степени зависит от его качества, в основном определяемого линейной передачей энергии (ЛПЭ) - энергией, теряемой частицей на единице длины ее пробега в веществе среды. В зависимости от значения ЛПЭ все ионизирующие излучения делят на редкоионизирующие (ЛПЭ менее 10 кэВ/мкм ) и плотноионизирующие (ЛПЭ более 10 кэВ/мкм ). Воздействие разными видами ионизирующих излучений в равных поглощенных дозах приводит к разным по величине эффектам. Для количественной оценки качества излучения введено понятие относительной биологической эффективности (ОБЭ), которую обычно оценивают сравнением дозы изучаемого И. и. , вызывающей определенный биологический эффект, с дозой стандартного И. и. , обусловливающей такой же эффект. Условно можно считать, что ОБЭ зависит только от ЛПЭ и возрастает с увеличением последней.

На каком бы уровне - тканевом, органном, системном или организменном не рассматривалось биологическое действие И. и. , его эффект всегда определяется действием И. и. на уровне клетки. Детальное изучение реакций, инициируемых в клетке ионизирующими излучениями , составляет предмет фундаментальных исследований радиобиологии . Следует заметить, что большинство реакций, возбуждаемых ионизирующими излучениями , в том числе и такая универсальная реакция, как задержка клеточного деления, является временной, преходящей и не сказывается на жизнеспособности облученной клетки. К реакциям такого типа - обратимым реакциям - относятся также различные нарушения метаболизма, в т.ч. угнетение обмена нуклеиновых кислот и окислительного фосфорилирования, слипание хромосом и др. Обратимость этого типа лучевых реакций объясняется тем, что они являются следствием повреждения части множественных структур, утрата которой очень быстро восполняется или просто остается незамеченной. Отсюда и характерная особенность этих реакций: с увеличением дозы И. и. возрастает не доля реагирующих особей (клеток), а величина, степень реакции (например, продолжительность задержки деления) каждой облученной клетки.

Существенно иную природу имеют эффекты, приводящие облученную клетку к гибели, - летальные лучевые реакции. Под клеточной гибелью в радиобиологии понимают утрату клеткой способности к делению. Напротив, «выжившими» считаются те клетки, которые сохранили способность к размножению (клонированию).

Существуют две формы летальных реакций, которые гибельны для делящихся и малодифференцированных клеток: интерфазная, при ней клетка погибает вскоре после облучения, во всяком случае до наступления первого митоза, и репродуктивная, когда пораженная клетка гибнет не сразу после воздействия И. и. , а в процессе деления. Наиболее распространена репродуктивная форма летальных реакций. Основной причиной гибели клеток при ней являются возникающие под влиянием облучения структурные повреждения хромосом. Эти повреждения легко обнаруживаются при цитологическом исследовании клеток на разных стадиях митоза и имеют вид хромосомных перестроек, или хромосомных аберраций. Из-за неправильного соединения хромосом и просто утраты их концевых фрагментов при делении потомки такой поврежденной клетки несомненно погибнут сразу же после данного деления или в результате двух-трех последующих митозов (в зависимости от значимости утраченного генетического материала для жизнеспособности клетки). Возникновение структурных повреждений хромосом - процесс вероятности, в основном связанный с образованием двойных разрывов в молекуле ДНК, т.е. с нерепарируемыми повреждениями жизненно важных клеточных макромолекул. В связи с этим, в отличие от рассмотренных выше обратимых клеточных реакций, с увеличением дозы И. и. возрастает число (доля) клеток с летальным повреждением генома, строго описываемая для каждого вида клеток в координатах «доза - эффект». В настоящее время разработаны специальные методы выделения клоногенных клеток из различных тканей in vivo и их выращивания in vitro, с помощью чего после построения соответствующих дозовых кривых выживания количественно оценивают радиочувствительность изучаемых органов и возможности ее изменения в нужном направлении. Кроме того, подсчет числа клеток с хромосомными аберрациями на специальных препаратах используют в целях биологической дозиметрии для оценки радиационной обстановки, например на борту космического корабля, а также для определения степени тяжести и прогноза острой лучевой болезни.

Описанные лучевые реакции клеток лежат в основе непосредственных эффектов, проявляющихся в первые часы, дни, недели и месяцы после общего облучения организма или локального облучения отдельных сегментов тела. К ним относятся, например, эритема, лучевые дерматиты, различные проявления острой лучевой болезни (лейкопения, аплазия костного мозга, геморрагический синдром, поражения кишечника), стерильность (временная или постоянная, в зависимости от дозы ионизирующих излучений ).

Спустя длительное время (месяцы и годы) после облучения развиваются отдаленные последствия местного и общего радиационного воздействия. К ним относятся сокращение продолжительности жизни, возникновение злокачественных новообразований и радиационная катаракта. Патогенез отдаленных последствий облучения в большей степени связывают с повреждением тканей, характеризующихся низким уровнем пролиферативной активности, из которых состоит большинство органов животных и человека. Глубокое знание механизмов биологического действия ионизирующих излучений необходимо, с одной стороны, для разработки способов противолучевой защиты и патогенетического лечения радиационных поражений, а с другой - для изыскания путей направленного усиления лучевого воздействия при радиационно-генетических работах и других аспектах радиационной биотехнологии или при лучевой терапии злокачественных новообразований с помощью радиомодифицирующих агентов. Кроме того, понимание механизмов биологического действия ионизирующих излучений необходимо врачу на случай экстренного принятия адекватных мер обеспечения радиационной безопасности персонала и населения при авариях на атомных электростанциях и других предприятиях атомной промышленности.

Библиогр.: Гозенбук В.Л. и др. Дозовая нагрузка на человека в полях гамма-нейтронного излучения, М., 1978; Иванов В.И. Курс дозиметрии, М., 1988; Кеирим-Маркус И.Б. Эквидозиметрия, М., 1980; Комар В.Е. и Хансон К.П. Информационные макромолекулы при лучевом повреждении клеток, М., 1980; Моисеев А.А. и Иванов В.И. Справочник по дозиметрии и радиационной гигиене, М., 1984; Ярмоненко С.П. Радиобиология человека и животных, М., 1988.

Ионизирующим называется излучение, которое, проходя через среду, вызывает ионизацию или возбуждение молекул среды. Ионизирующее излучение, так же как и электромагнитное, не воспринимается органами чувств человека. Поэтому оно особенно опасно, так как человек не знает, что он подвергается его воздействию. Ионизирующее излучение иначе называют радиацией.

Радиация — это поток частиц (альфа-частиц, бета-частиц, нейтронов) или электромагнитной энергии очень высоких частот (гамма- или рентгеновские лучи).

Загрязнение производственной среды веществами, являющимися источниками ионизирующего излучения, называется радиоактивным загрязнением.

Радиоактивное загрязнение — это форма физического (энергетического) загрязнения, связанного с превышением естественного уровня содержания радиоактивных веществ в среде в результате деятельности человека.

Вещества состоят из мельчайших частиц химических элементов — атомов. Атом делим и имеет сложное строение. В центре атома химического элемента находится материальная частица, называемая атомным ядром, вокруг которой вращаются электроны. Большинство атомов химических элементов обладают большой устойчивостью, т. е. стабильностью. Однако у ряда известных в природе элементов ядра самопроизвольно распадаются. Такие элементы называются радионуклидами. Один и тот же элемент может иметь несколько радионуклидов. В этом случае их называют радиоизотопами химического элемента. Самопроизвольный распад радионуклидов сопровождается радиоактивным излучением.

Самопроизвольный распад ядер некоторых химических элементов (радионуклидов) называется радиоактивностью.

Радиоактивное излучение бывает различного вида: потоки частиц с высокой энергией, электромагнитная волна с частотой более 1,5 .10 17 Гц.

Испускаемые частицы бывают различных видов, но чаще всего испускаются альфа-частицы (α-излучение) и бета-частицы (β-излучение). Альфа-частица тяжелая и обладает высокой энергией, это ядро атома гелия. Бета-частица примерно в 7336 раз легче альфа-частицы, но может обладать также высокой энергией. Бета-излучение — это потоки электронов или позитронов.

Радиоактивное электромагнитное излучение (его также называют фотонным излучением) в зависимости от частоты волны бывает рентгеновским (1,5 . 10 17 ...5 . 10 19 Гц) и гамма-излучением (более 5 . 10 19 Гц). Естественное излучение бывает только гамма-излучением. Рентгеновское излучение искусственное и возникает в электронно-лучевых трубках при напряжениях в десятки и сотни тысяч вольт.

Радионуклиды, испуская частицы, превращаются в другие радионуклиды и химические элементы. Радионуклиды распадаются с различной скоростью. Скорость распада радионуклидов называют активностью . Единицей измерения активности является количество распадов в единицу времени. Один распад в секунду носит специальное название беккерель (Бк). Часто для измерения активности используется другая единица — кюри (Ku), 1 Ku = 37 .10 9 Бк. Одним из первых подробно изученных радионуклидов был радий-226. Его изучили впервые супруги Кюри, в честь которых и названа единица измерения активности. Количество распадов в секунду, происходящих в 1 г радия-226 (активность) равна 1 Ku.

Время, в течение которого распадается половина радионуклида, называется периодом полураспада (Т 1/2). Каждый радионуклид имеет свой период полураспада. Диапазон изменения Т 1/2 для различных радионуклидов очень широк. Он изменяется от секунд до миллиардов лет. Например, наиболее известный естественный радионуклид уран-238 имеет период полураспада около 4,5 миллиардов лет.

При распаде уменьшается количество радионуклида и уменьшается его активность. Закономерность, по которой снижается активность, подчиняется закону радиоактивного распада:

где А 0 — начальная активность, А — активность через период времени t .

Виды ионизирующих излучений

Ионизирующие излучения возникают при работе приборов, в основе действия которых лежат радиоактивные изотопы, при работе электровакуумных приборов, дисплеев и т.д.

К ионизирующим излучениям относятся корпускулярные (альфа-, бета-, нейтронные) и электромагнитные (гамма-, рентгеновское) излучения, способные при взаимодействии с веществом создавать заряженные атомы и молекулы-ионы.

Альфа-излучение представляет собой поток ядер гелия, испускаемых веществом при радиоактивном распаде ядер или при ядерных реакциях.

Чем больше энергия частиц, тем больше полная ионизация, вызванная ею в веществе. Пробег альфа-частиц, испускаемых радиоактивным веществом, достигает 8-9 см в воздухе, а в живой ткани — нескольких десятков микрон. Обладая сравнительно большой массой, альфа-частицы быстро теряют свою энергию при взаимодействии с веществом, что обусловливает их низкую проникающую способность и высокую удельную ионизацию, составляющую в воздухе на 1 см пути несколько десятков тысяч пар ионов.

Бета-излучение - поток электронов или позитронов, возникающих при радиоактивном распаде.

Максимальный пробег в воздухе бета-частиц — 1800 см, а в живых тканях — 2,5 см. Ионизирующая способность бета-частиц ниже (нескольких десятков пар на 1 см пробега), а проникающая способность выше, чем альфа-частиц.

Нейтроны, поток которых образует нейтронное излучение, преобразуют свою энергию в упругих и неупругих взаимодействиях с ядрами атомов.

При неупругих взаимодействиях возникает вторичное излучение, которое может состоять как из заряженных частиц, так и из гамма- квантов (гамма-излучение): при упругих взаимодействиях возможна обычная ионизация вещества.

Проникающая способность нейтронов в значительной степени зависит от их энергии и состава вещества атомов, с которыми они взаимодействуют.

Гамма-излучение - электромагнитное (фотонное) излучение, испускаемое при ядерных превращениях или взаимодействии частиц.

Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью и малым ионизирующим действием.

Рентгеновское излучение возникает в среде, окружающей источник бета-излучения (в рентгеновских трубках, ускорителях электронов) и представляет собой совокупность тормозного и характеристического излучения. Тормозное излучение — фотонное излучение с непрерывным спектром, испускаемое при изменении кинетической энергии заряженных частиц; характеристическое излучение — это фотонное излучение с дискретным спектром, испускаемое при изменении энергетического состояния атомов.

Как и гамма-излучение, рентгеновское излучение обладает малой ионизирующей способностью и большой глубиной проникновения.

Источники ионизирующего излучения

Вид радиационного поражения человека зависит от характера источников ионизирующих излучений.

Естественный фон излучения состоит из космического излучения и излучения естественно-распределенных радиоактивных веществ.

Кроме естественного облучения человек подвержен облучению и из других источников, например: при производстве рентгеновских снимков черепа — 0,8-6 Р; позвоночника — 1,6-14,7 Р; легких (флюорография) — 0,2-0,5 Р: грудной клетки при рентгеноскопии — 4,7- 19,5 Р; желудочно-кишечного тракта при рентгеноскопии — 12-82 Р: зубов — 3-5 Р.

Однократное облучение в 25-50 бэр приводит к незначительным скоропроходяшим изменениям в крови, при дозах облучения 80-120 бэр появляются признаки лучевой болезни, но без летального исхода. Острая лучевая болезнь развивается при однократном облучении 200-300 бэр, при этом летальный исход возможен в 50% случаев. Летальный исход в 100% случаев наступает при дозах 550- 700 бэр. В настоящее время существует ряд противолучевых препаратов. ослабляющих действие излучения.

Хроническая лучевая болезнь может развиться при непрерывном или повторяющемся облучении в дозах, существенно ниже тех, которые вызывают острую форму. Наиболее характерными признаками хронической формы лучевой болезни являются изменения в крови, нарушения со стороны нервной системы, локальные поражения кожи, повреждения хрусталика глаза, снижение иммунитета.

Степень зависит от того, является облучение внешним или внутренним. Внутреннее облучение возможно при вдыхании, заглатывании радиоизотопов и проникновении их в организм человека через кожу. Некоторые вещества поглощаются и накапливаются в конкретных органах, что приводит к высоким локальным дозам радиации. Например, накапливающиеся в организме изотопы йода могут вызывать поражения щитовидной железы, редкоземельные элементы — опухоли печени, изотопы цезия, рубидия — опухоли мягких тканей.

Искусственные источники радиации

Кроме облучения от естественных источников радиации, которые были и есть всегда и везде, в XX веке появились и дополнительные источники излучения, связанные с деятельностью человека.

Прежде всего — это использование рентгеновского излучения и гамма-излучения в медицине при диагностике и лечении больных. , получаемые при соответствующих процедурах, могут быть очень большими, особенно при лечении злокачественных опухолей лучевой терапией, когда непосредственно в зоне опухоли они могут достигать 1000 бэр и более. При рентгенологических обследованиях доза зависит от времени обследования и органа, который диагностируется, и может изменяться в широких пределах — от нескольких бэр при снимке зуба до десятков бэр — при обследовании желудочно-кишечного тракта и легких. Флюрографические снимки дают минимальную дозу, и отказываться от профилактических ежегодных флюорографических обследований ни в коем случае не следует. Средняя доза, получаемая людьми от медицинских исследований, составляет 0,15 бэр в год.

Во второй половине XX века люди стали активно использовать радиацию в мирных целях. Различные радиоизотопы используют в научных исследованиях, при диагностике технических объектов, в контрольно-измерительной аппаратуре и т. д. И наконец — ядерная энергетика. Ядерные энергетические установки используют на атомных электрических станциях (АЭС), ледоколах, кораблях, подводных лодках. В настоящее время только на атомных электрических станциях работают свыше 400 ядерных реакторов общей электрической мощностью свыше 300 млн кВт. Для получения и переработки ядерного горючего создан целый комплекс предприятий, объединенных в ядерно-топливный цикл (ЯТЦ).

ЯТЦ включает предприятия по добыче урана (урановые рудники), его обогащению (обогатительные фабрики), изготовлению топливных элементов, сами АЭС, предприятия вторичной переработки отработанного ядерного горючего (радиохимические заводы), по временному хранению и переработке образующихся радиоактивных отходов ЯТЦ и, наконец, пункты вечного захоронения радиоактивных отходов (могильники). На всех этапах ЯТЦ радиоактивные вещества в большей или меньшей степени воздействуют на обслуживающий персонал, на всех этапах могут происходить выбросы (нормальные или аварийные) радионуклидов в окружающую среду и создавать дополнительную дозу на население, особенно проживающее в районе предприятий ЯТЦ.

Откуда появляются радионуклиды при нормальной работе АЭС? Радиация внутри ядерного реактора огромна. Осколки деления топлива, различные элементарные частицы могут проникать через защитные оболочки, микротрещины и попадать в теплоноситель и воздух. Целый ряд технологических операций при производстве электрической энергии на АЭС могут приводить к загрязнению воды и воздуха. Поэтому атомные станции снабжены системой водо- и газоочистки. Выбросы в атмосферу осуществляются через высокую трубу.

При нормальной работе АЭС выбросы в окружающую среду малы и оказывают небольшое воздействие на проживающее по близости население.

Наибольшую опасность с точки зрения радиационной безопасности представляют заводы по переработки отработанного ядерного горючего, которое обладает очень высокой активностью. На этих предприятиях образуется большое количество жидких отходов с высокой радиоактивностью, существует опасность развития самопроизвольной цепной реакции (ядерная опасность).

Очень сложна проблема борьбы с радиоактивными отходами, которые являются весьма значимыми источниками радиоактивного загрязнения биосферы.

Однако сложные и дорогостоящие от радиации на предприятиях ЯТЦ дают возможность обеспечить защиту человека и окружающей среды до очень малых величин, существенно меньших существующего техногенного фона. Другая ситуация имеет место при отклонении от нормального режима работы, а особенно при авариях. Так, произошедшая в 1986 г. авария (которую можно отнести к катастрофам глобального масштаба — самая крупная авария на предприятиях ЯТЦ за всю историю развития ядерной энергетики) на Чернобыльской АЭС привела к выбросу в окружающую среду лишь 5 % всего топлива. В результате в окружающую среду было выброшено радионуклидов с общей активностью 50 млн Ки. Этот выброс привел к облучению большого количества людей, большому количеству смертей, загрязнению очень больших территорий, необходимости массового переселения людей.

Авария на Чернобыльской АЭС ясно показала, что ядерный способ получения энергии возможен лишь в случае принципиального исключения аварий крупного масштаба на предприятиях ЯТЦ.