9

1. «АВАРИИ НА РОО». Часть 1: Радиоактивность и связанные с ней опасности.

1.1.Активность радионуклидов.

Атомы одного и того же химического элемента отличающиеся массой (т.е. количеством нейтронов в ядре при равном количестве протонов) называются изотопами этого элемента. Среди изотопов большинства химических элементов один является стабильным, устойчивым изотопом, тогда как остальные способны самопроизвольно распадаться, превращаясь в другие изотопы. Поскольку этот самопроизвольный распад сопровождается излучением различной природы, то неустойчивые изотопы были названы радиоизотопами (от лат Radio – излучать), их ядра - радионуклидами, а процесс самопроизвольных превращений - радиоактивностью (иногда более кратко – активностью). Процесс радиоактивности в любом конкретном образце вещества характеризуется числом распадов радионуклидов, измеренным на временном интервале, причем интенсивность процесса со временем уменьшается. Поскольку каждый радиоизотоп распадается со строго определенной скоростью, которая может характеризоваться либо периодом полураспада (Т_1/2), т.е. временем, в течение которого распадается половина всех радионуклидов в образце, либо постоянной распада , т.е. долей распадающихся в единицу времени радионуклидов от их общего числа, то изменение радиоактивности образца любого радиоизотопа описывается законом радиоактивного распада:

A(t) = A_o  e^-t = A_o  2^-t/T ,

где

А_о – активность образца радиоизотопа в начальный момент времени;

Т_1/2 - период полураспада данного радиоизотопа;

 - постоянная распада данного радиоизотопа.

Период полураспада и постоянная распада связаны зависимостью:

ln 2)/ Т_1/2 = 0,693/ Т_1/2

Периоды полураспада для различных изотопов изменяются в пределах от долей секунды до миллиардов лет.

Мерой активности является число радиоактивных превращений в единицу времени. Единицей активности в системе СИ является беккерель (Бк), равный одному распаду в секунду

1Бк = 1 расп/с

Внесистемной единицей активности является кюри (Ки), которой соответствует активность 1г радия:

1Ки = 3,710¹⁰ Бк .

1.2.Виды ионизирующих излучений

Изучение радиоизотопов показало, что активность образца вещества является необходимой, но не достаточной характеристикой для оценки его взаимодействия с окружающей средой, поскольку характеризует процесс только в самом образце. В то же время, как указывалось выше, радиоактивность сопровождается различными излучениями, воздействие которых на среду приводит к ионизации атомов и молекул, за что они были названы ионизирующими излучениями. Таким образом, другими характеристиками радиоизотопов являются характеристики ионизирующих излучений, присущих этим веществам.

Поместив препарат радия между полюсами магнита, ученые обнаружили, что поток частиц, уносящих энергию возбужденного радионуклида, неоднороден и разделяется на 3 разновидности:  - и  - частицы и  – излучение. Энергия ионизирующих излучений измеряется во внесистемных единицах - электрон-вольтах (эВ)¹.

 - частицы соответствуют ядрам гелия, лишенным электронных оболочек.  – частицы (He⁺⁺) обладают массой, определяемой массовым числом А, равным 4 (т.к. состоят из двух протонов и двух нейтронов), и электрическим зарядом +2е. Начальная скорость  - частиц составляет 10 -:- 20 тыс.км/с, энергия в момент вылета 4 -:- 9 МэВ.  - частица обладает очень высокой ионизирующей способностью. В приземном воздухе она может создать до 300 000 пар ионов на 1 см пути. Растратив свою энергию, она превращается в атом гелия, преодолев при этом расстояние в несколько сантиметров (до 10 см), а в более плотных средах еще меньше (в воде 0,1 мм). Лист бумаги полностью задерживает  - частицы любых энергий, поэтому считается, что  - частицы обладают очень низкой проникающей способностью и не играют какой-либо роли во внешнем облучении, однако, изотопы, испускающие  - частицы очень опасны при попадании внутрь организма.

- частицы - это электроны (иногда и позитроны) со скоростями от нескольких тысяч км/час до близких к световой и энергиями от нескольких тысяч кэВ до 3 МэВ. Ионизирующая способность  -частиц умеренная, на 2-3 порядка меньше, чем у  - частиц, а проникающая способность несколько выше и в воздухе может достигать нескольких метров. Обычная летняя одежда ослабляет поток - частиц в два раза, однако они вносят определенный вклад во внешнее облучение и представляют опасность при попадании - излучающих изотопов на открытые участки тела и внутрь организма.

Электрически нейтральное - излучение представляет собой поток энергетичных квантов электромагнитной энергии (фотонов) с длинами волн =10^-5-:-10^-7 мкм ( =10^-1-:-10^-3А^о) и энергиями от нескольких десятков кэВ до нескольких МэВ и нулевой массой покоя. Если учесть, что связь между длиной волны  (мкм) и энергией электромагнитного излучения Е (эВ) можно выразить как Е = 1,2 ^-1, то области различных излучений и их воздействия на вещество среды можно проиллюстрировать рисунком (рис.1).

 – излучение обладает довольно низкой ионизирующей способностью (примерно на два порядка ниже, чем у -частиц) и очень высокой проникающей способностью. В приземном воздухе  - излучение распространяется на сотни метров, слабо ослабляется различными материалами и играет основную роль во внешнем облучении.

Кроме самопроизвольного распада радиоизотопов в природе имеет место деление тяжелых ядер некоторых трансурановых элементов в результате взаимодействия последних с нейтронами. Это взаимодействие называется ядерной реакцией. Масштаб выделения энергии в этом процессе в сотни раз больше, чем при радиоактивном распаде. Помимо  и- излучений (более высоких энергий, чем при самопроизвольном распаде) при ядерных реакциях возникают потоки нейтронов. Нейтроны – это элементарные частицы, не имеющие электрического заряда, с массовым числом А=1, с энергиями от десятков кэВ до 20 МэВ. Нейтроны являются нейтральными нестабильными частицами, которые не взаимодействуют с электронными оболочками атомов, однако они активно взаимодействуют с ядрами, отдавая им свою энергию и возбуждая атомы, что приводит к их ионизации. Опосредованная ионизирующая способность нейтронов высока. Одновременно нейтроны обладают большой проникающей способностью, что представляет большую опасность при внешнем облучении. Однако, в составе излучений при радиоактивном распаде нейтроны отсутствуют.

1.3.Дозовые характеристики ионизирующих излучений.

Ионизирующие излучения, воздействуя на облучаемую среду, вызывают определенный радиационный эффект облучения. Исторически первым был обнаружен и измерен ионизационный эффект излучения в воздухе и назван экспозиционной дозой².

Экспозиционная доза (Х) - количественная характеристика поля ионизирующего излучения, характеризующая его ионизирующие возможности. Единицей экспозиционной дозы является рентген (Р), под воздействием которого в 1 см³ сухого воздуха при атмосферном давлении и температуре +18^оС возникают ионы, несущие суммарный заряд в 1 электростатическую единицу каждого знака, что соответствует 2,08310⁹ пар ионов. Рентген является внесистемной единицей. В системе СИ ему аналогична составная единица 1 кулон/кг = 3876 Р.

В практической дозиметрии применяется удобное правило: доза в 1 Р накапливается за 1 час на расстоянии 1 м от источника радия массой 1 г, т.е. имеющего активность ~ 1 Ки.

Другой характеристикой взаимодействия ионизирующего излучения с облучаемым объектом явилась поглощенная им энергия, названная поглощенной дозой³.

Поглощенная доза (D) – количество энергии излучения, поглощенное единицей массы облучаемого тела. В системе СИ единица поглощенной дозы – грей (Гр). Грей равен дозе излучения, при которой веществу массой 1 кг передается энергия, равная 1 Дж: 1Гр = 1Дж/кг.

Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад⁴: 1 рад = 100эрг/г или 1 Гр = 100 рад.

Для биологической ткани⁵ в поле рентгеновского или -излучения поглощенная доза 1 рад примерно соответствует экспозиционной дозе 1 Р: 1Р1рад ( точно: 1Р=0,93 рад), т.е. можно принять, что для -излучения Х_(Р)=D_(рад)

Кроме того, следует учитывать, что в поле излучения между источником и облучаемым объектом может находиться экран, ослабляющий энергию, достигающую объект. В таком случае, связь между экспозиционной и поглощенной дозами будет:

Х_(Р)=К_осл D_(рад)

где К_осл – коэффициент ослабления экранирующего тела.

Между поглощенной дозой определенного вида ионизирующего излучения и вызванным ею радиационным эффектом существует прямая зависимость: чем больше поглощенная доза, тем больше радиационный эффект. Примером может служить почернение фотопленки в поле R- или - излучения: чем больше доза, тем интенсивнее почернение фотослоя.

Однако, на биологические объекты равные поглощенные дозы различных видов ионизирующих излучений могут оказывать разный радиационный эффект. Для учета таких эффектов, производимых одинаковой поглощенной дозой разных видов (r) ионизирующих излучений, медицина ввела понятие эквивалентной дозы (Н) и взвешивающих коэффициентов (Wr), для каждого излучения:

Н=W_r D,

где W_r – взвешивающий коэффициент, равный отношению поглощенной дозы эталонного R-излучения, вызывающей определенный радиобиологический эффект, к дозе данного излучения, вызывающей тот же эффект (см. табл.1.).

В системе СИ единицей эквиваленнтной дозы является зиверт (Зв) : 1Зв=1Дж/кг, а внесистемной - бэр (биологический эквивалент рада), 1Зв=100 бэр.

Таблица 1.3—1 Взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения

Следует также сказать, что медицину часто интересуют более детальные радиобиологические эффекты, проявляющиеся в отдельных частях тела человека, в его органах или тканях.

Известно, что одни из них более радиочувствительны, чем другие. Например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение гонад особенно опасно из-за риска генетических повреждений.

Поэтому для учета меры риска от последствий облучения отдельных органов человека медики ввели понятие эффективной дозы (Е_т), которая определяется как произведение эквивалентной дозы в органе (Н_т) на взвешивающий коэффициент данного органа (W_т):

Е_т=Н_т W_т

Т.к. W_т = 1, то для внешнего облучения организма в целом H_Ti = H эффективная доза равна эквивалентной:

Е = Н_т W_т = Н W_т = Н.

Если же учитывается и внутреннее облучение отдельных органов, то Е  Н.

Единица измерения эффективной дозы в СИ – зиверт (Зв) :

1Зв = 1 Дж/кг.