Излучение и жизнь

«Жизнь на Земле развивалась на фоне непрекращающегося потока излучений. Излучения не являются плодом человеческого ума – они всегда были здесь».

Из книги «Излучение и жизнь» Эрика Холла,
проф. радиологии, Медицинский и хирургический колледж Колумбийского университета, Нью-Йорк.

[250x252]

Космическое пространство пронизывает излучения различных видов.

Солнечный свет – это одна из наиболее знакомых нам его разновидностей. Свет Солнца приносит нам тепло, придает загар нашей коже. Мы спасаемся от солнечного излучения при помощи солнечных очков, тени, больших шляп, одежды и парасолек.

На Земле без солнечного света не было бы жизни, но с каждым годом мы все яснее понимаем, что и его избыток не приносит нам ничего хорошего.

Солнечный свет состоит из электромагнитных  волн различной длины. Его спектр простирается от длинноволнового инфракрасного до коротковолнового ультрафиолетового излучения, которое представляет серьезный источник проблем для здоровья.

За ультрафиолетом располагается область высокоэнергетического излучения, которое используется в медицине и которое мы в малых дозах получаем из космоса, из воздуха и от поверхности земли. Все виды таких излучений объединяют под общим названием «ионизирующее излучение». Такое излучение может причинить немалый вред живой ткани. Высокие уровни ионизирующих излучений очень опасны, поэтому продолжительность нашего пребывания в пределах их досягаемости необходимо строго контролировать.

[584x228]

Живые организмы развивались в среде, которая была значительно насыщена ионизирующим излучением. А сегодня многие из нас обязаны своим здоровьем и  жизнью излучению, полученному искусственным путем. В медицине, например, при лечении зубов, при помощи рентгена можно выявить проблемы, которые незаметны при поверхностном осмотре. Другие виды ионизирующих излучений часто применяются для выявления различных заболеваний, а также они используются для их лечения.

Фоновая радиация – это то радиационное излучение, которое постоянно присутствует в окружающей среде. И это естественное явление. Уровень фоновой радиации может значительно варьироваться. Люди, которые живут в местности, где гранитные породы выходят на поверхность земли или где присутствует большое количество песка с минеральными включениями, получают большие дозы радиационного облучения, чем все остальные. На уровень фоновой радиации в данной местности также влияет то, на какой  высоте она находится над уровнем моря. Поэтому люди, которые живут или работают на больших высотах, получают большие дозы космической радиации, чем те, кто живет на высоте моря. Огромная часть фонового радиационного излучения приходится на радон, газ, который просачивается сквозь трещины в земной коре и поступает в воздух, которым мы дышим.

[436x308] Данные по Европе – NRPB, Австралия – ARPANSA

Нестабильные атомы

Ионизирующее излучение испускают атомы – основные строительные элементы материи. Практически каждый элемент существует в виде нескольких изотопов, которые при одинаковом количестве протонов (положительно заряженных элементарных частиц) содержат разное количество нейтронов – элементарных частиц, не имеющих заряда. Большинство атомов стабильны, например, атом углерода-12 навсегда останется атомом углерода-12, а атом кислорода-16 – атомом кислорода-16. Но атомы некоторых видов распадаются, образуя новые атомы. Такие атомы называют «нестабильными» или  «радиоактивными». Нестабильный атом обладает избыточной внутренней энергией, от которой стремится избавиться, вследствие чего происходит его переход в более стабильную форму. Этот процесс называется «радиоактивный распад». Нестабильные изотопы называют «радиоизотопами». Некоторые химические элементы, например, уран, вообще не имеют стабильных изотопов.

Распад атомного ядра

Когда радиоизотоп претерпевает распад, он испускает некоторое количество своей избыточной энергии в виде радиоактивного излучения в форме гамма-лучей. Если распад происходит с образованием альфа- и бета-частиц, на свет появляется новый химический элемент. Таким образом, радиоактивное излучение может быть как альфа-, бета-, так и гамма-излучением. Атом будет испускать такое излучение до тех пор, пока не перейдет в стабильную форму.

Еще один источник ядерного излучения – радиоизотопы, переходящие из одной изомерной формы в другую и испускающие во время этого процесса гамма- излучение. Атомы, находящиеся в возбужденном состоянии обозначаются буквой «m» (сокращенно от «мета» – промежуточный), которая ставится рядом с его атомным номером. Например, технеций##99m (Tc-99m), который переходит в Tc-99.

Альфа- и бета-излучениее часто сопровождается гамма-излучением, так как распадаясь, атомы переходят в менее возбужденное состояние.

Количество излучения, испущенного радиоактивными атомами, измеряется в беккерелях  (Бк, Bq). Эта мера позволяет нам сравнивать величину радиоактивности различных веществ как природного, так и искусственного происхождения.

Один беккерель равен активности нуклида, при которой за 1 сек. происходит один акт распада.

1 Бк = 2,703•10^-11 кюри = 10^-6 резерфорда

Радиоактивность, испускаемая некоторыми объектами и веществами

Обратите внимание! Доза радиоактивного облучения, полученная при работе с 1 кг обогащенной урановой руды, будет намного больше дозы, полученной при работе с 1 кг выделенного урана, поскольку руда содержит высокоактивные короткоживущие продукты распада. (См. главу «Радиоактивный распад)»

Период полураспада

[247x443]

Атомы радиоактивного вещества распадаются случайным образом, но с определенной скоростью. Промежуток времени, за который происходит этот процесс, его стадии и виды радиоактивного излучения, испускаемого на каждом его этапе, хорошо известны.

Период полураспада – это промежуток времени, в течение которого исходное количество радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое.

N = N₀e^-λt, где N – число ядер, N₀ – число радиоактивных ядер в момент времени t = 0; λ  – постоянная радиоактивного распада.

Величина t = 1/τ называется средним временем жизни радиоактивных ядер. Период полураспада T_1/2 = t ln2 = 0,693 / τ.

Период полураспада ядер различных веществ может варьироваться от менее чем миллионной доли секунды до миллионов лет. По прошествии времени, равного одному периоду полураспада, радиоактивность вещества уменьшается наполовину, спустя два периода полураспада она уменьшается на четверть, после трех – на 1/8 и так далее.

Все атомы урана испускают незначительное количество радиоактивного излучения и распадаются до тех пор, пока весь уран не превратится в стабильный и нераспадающийся свинец. Каждый этап этого процесса сопровождается излучением определенного типа. Чем меньше живет изотоп данного вида, тем больше радиоактивного излучения он испускает на единицу его массы. Большая часть природной радиоактивности горных пород и почв приходится на уран-238 (U-238), находящийся на одном из этапов своего распада.
 

[557x127]

Виды ионизирующего излучения

Эта глава посвящена, в основном, радиоактивному излучению. Такое излучение принадлежит к высокоэнергетической части электромагнитного спектра и может иметь как волновую, так и корпускулярную природу.

Ионизирующее излучение производят электрически заряженные частицы, называемые ионами, когда они сталкиваются с частицами облучаемой среды. Этот процесс называется ионизацией. В больших молекулах, а именно из таких молекул состоят биологические организмы, подобное излучение может привести к фатальным изменениям.

Существует несколько типов ионизирующего излучения. Так, рентгеновские и гамма-лучи подобно световым волнам переносят энергию без переноса материальных частиц. Рентгеновские и гамма-лучи очень схожи, разница в том, что рентгеновские лучи, как правило, получают искусственным путем, они не образуются при самопроизвольном распаде атомного ядра. Но в отличие от солнечного света, и рентгеновские, и гамма-лучи обладают огромной проницающей способностью и способны проходить сквозь человеческое тело. Для защиты от проникающего излучения используются слои таких веществ как, например, бетон, свинец или вода.

[379x168]

Альфа-частицы состоят из двух протонов и двух нейтронов, частиц, из которых состоит атомное ядро. Поскольку протоны – положительно заряженные частицы, а нейтроны не несут никакого заряда, альфа-частицы обладают положительным зарядом. Они встречаются и в природе. Альфа-частицы излучают химические элементы с тяжелые ядрами, такие как уран или радий, а также те, что были получены человеком. Из-за своего относительно большого размера альфа-частицы часто сталкиваются с частицами среды и очень быстро теряют энергию. Поэтому они имеют малую проницающую способность и не способны преодолеть даже наружный слой кожи или лист бумаги.

Однако, при попадании источника альфа-излучения внутрь организма (через дыхательные пути или в желудочно-кишечный тракт путем вдыхания или проглатывания радиоактивной пыли),  такие частицы могут вызвать намного более серьезные повреждения биологической ткани, чем все прочие типы радиоактивного излучения.

Бета-частицы являются электронами – быстро движущимися отрицательно заряженными частицами, излучаемыми ядрами атомов. Эти частицы намного меньше по размеру, чем альфа-частицы и могут пронизывать слой воды толщиной от 1 до 2 см, а также проходить сквозь человеческое тело. Бета-частицы испускают многие радиоактивные химические элементы. Препятствием для них может стать лист алюминия в несколько миллиметров толщиной.

Космическое излучение состоит из высокоэнергетических частиц, в основном – протонов, которые бомбардируют Землю из космоса. Оно намного интенсивнее на больших высотах, чем на уровне моря, где атмосфера гораздо плотнее и дает более сильную защиту.

Нейтроны также являются частицами, которые обладают большой проницающей способностью. На Земле их получают, в основном, путем расщепления (деления) атомного ядра в атомных реакторах. Для защиты от нейтронного излучения, исходящего из ядерного реактора, используются, как правило, слои воды и бетона.

Важно понимать, что альфа-, бета-, гамма- и рентгеновское излучение не делает человеческое тело или какое-либо вещество радиоактивными. Однако, большинство веществ (в их число входит и ткани человеческого тела) по своей природе уже радиоактивно.

Единицы измерения радиации

Греи и Зиверты

Радиация не доступна человеческим органам чувств. Они не могут дать нам сигнал о том, что какое-либо вещество радиоактивно. Однако существует множество инструментов,  которые способны надежно и точно измерить уровни радиации.

Количество ионизирующего излучения или доза облучения, полученная человеком, определяется как энергия, поглощенная тканью человеческого тела. Эта величина выражается в грэях.

Один грэй (Гр, Gy) – единица поглощенной дозы ионизирующего излучения и кермы.

1 грэй равен дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия любого ионизирующего излучения в 1 Дж.

1 Гр = 1 Дж/кг = 104 эрг/г  = 102 рад

Кермá – сумма начальных кинетических энергий всех заряженных частиц, образуемых нейтронами, рентгеновскими и гамма-квантами в единице массы облучаемого вещества в результате взаимодействия с веществом. Керма измеряется в грэях (СИ) или в радах.

Если человек подвергается радиоактивному облучению, то одинаковое количество поглощенной дозы облучения, выражаемое в грэях,  не обязательно будет иметь одинаковый биологический эффект. Один грэй альфа-излучения, к примеру, окажет более сильное воздействие на биологическую ткань, чем один грэй бета-излучения. Когда речь идет о воздействии, оказываемом радиационным излучением на организм человека, говорится об его эффективной дозе, выражаемой в зивертах (Зв, Sv).

Зиверт – это наименование в СИ единицы эквивалентной дозы излучения.

1 Зв = 1 Дж/кг = 102 бэр.

Более малые количества эквивалентной дозы излучения называются миллизиверт (одна тысячная зиветра, mSv) и микрозиверт (одна миллионная, μSv).

Бэр (бэр, rem) – внесистемная единица эквивалентной дозы ионизирующего излучения.

1 Бр = 0,01 Дж/кг.

До 1963 года единица бэр определялась как биологический эквивалент рентгена.

Как ионизирующее излучение влияет на здоровье человека

Уже не первый год известно, что большие дозы ионизирующих излучений, многократно превышающие фоновый уровень, могут стать причиной заболевания раком и лейкемией (раком крови). При этом эффект от такого воздействия может проявиться спустя годы. Следует также учитывать тот факт, что ионизирующее излучение также может вызывать изменения генетической структуры организма и привести к мутациям у потомства. Это показали эксперименты на растениях и животных (по человеку таких подобных свидетельств не имеется). Пребывание в течение нескольких недель под воздействием радиационного излучения высокой мощности ведет к болезни и смерти.

Степень повреждений, вызываемых радиацией, зависит от многих факторов – от ее дозы, мощности излучения, типа радиационного излучения, от того, какая часть тела ему подверглась, от возраста и состояния здоровья у человека и т.д. Эмбрионы, в том числе и человеческие, особенно чувствительны к радиационному повреждению.

[194x269]

Каков же риск развития рака при получении низких доз радиации? Бытует мнение, что любые дозы излучения, даже самые малые, несут потенциальный риск для здоровья человека. Однако нет никаких научных свидетельств того, дозы облучения примерно равные 50 миллизивертам, будучи полученными за короткий период экспозиции, или примерно равные 100 миллизивертам за год несут какой-либо риска для здоровья. Были продемонстрированы как положительные эффекты от получения таких доз, так и отрицательные.

Более высокие накопленные дозы радиации способны вызывать рак, который может проявиться спустя несколько, а в некоторых случаях, даже спустя двадцать лет после радиационного облучения. Вследствие того, что эффект радиационного воздействия проявляется не сразу, становится невозможным со всей уверенностью утверждать, какой именно из многих существующих в мире канцерогенов стал причиной возникновения рака данного типа. В западных странах примерно четверть всех людей умирает от рака. Причиной тому становятся курение, нездоровое питание, генетические факторы, избыточное пребывание на солнце и многое другое. Радиация – это слабый канцероген, но ее продолжительное воздействие, без сомнения, представляет риск для здоровья.  

Человеческое тело имеет специальные защитные механизмы, спасающие его от радиационных повреждений, также как и от повреждений, возникающих под воздействием химических и иных канцерогенов. Эти механизмы стимулируются низкими дозами излучений, высокие же дозы их подавляют.

С другой стороны, большие дозы радиационного излучения, направленные прямо на раковую опухоль используются в радиационной медицине для того, чтобы убить раковые клетки, часто оставляя неповрежденными здоровые (такая терапия обычно сопровождается химиотерапией и хирургическим вмешательством). Еще более высокие дозы радиационного излучения используются для того, чтобы убить болезнетворные бактерии в пище и чтобы простерилизовать перевязочный материал и медицинское оборудование. Радиация становится важным инструментом в нашем современном мире.

Десять  человек из каждой тысячи проживающих в развитых странах, работает в такой обстановке, что могут подвергнуться воздействию радиационного излучения, превышающего фоновый уровень. Поэтому такие люди надевают специальную одежду, предохраняющую их во время работы, а длительность их пребывания под воздействием радиации тщательно регистрируются. Медицинские карты таких людей часто свидетельствуют, что у них наблюдается более низкий уровень смертности от рака, чем у других групп населения и, в некоторых случаях, значительно более низкие уровни смертности от рака, чем тех, кто проделывает аналогичную работу, не подвергаясь воздействию радиации.

Какие количества ионизирующего излучения опасны?

Дозы облучения и их эффект

Следующая таблица дает представление о возможных последствиях различных доз облучения:

Фоновая радиация

Большинство людей ежеминутно подвергается радиационному облучению, даже не подозревая об этом. Речь идет о воздействии фоновой радиации, имеющей природные источники. Дозы облучения, получаемые населением по причине фоновой радиации, обычно варьируются от 1,5 до 3,5 миллизивертов в год, но в отдельных регионах они могут превышать 50 mSv/год. Наиболее высоки уровни фоновой радиации в индийских штатах Керала и Мадрас. Население, проживающее на этой территории (около 140 тысяч человек), получает дозы облучения, превышающие 30 мЗв/год. Из них половина приходится на гамма-излучение, а половина на радон. Сравнимому в количественном отношении облучению подвергается население отдельных районов Бразилии и Судана. Там среднегодовая доза облучения достигает 40 mSv.

[636x238]

Известно также, что в некоторых регионах Ирана, Индии и Европы уровень фоновой радиации очень высок – годовая доза там превышает 50 mSv, а кое-где достигает 260 mSv/год (Рамсар, провинция Ирана). На протяжении всей своей жизни население этих регионов подвергается облучению, достигаему нескольких тысяч миллизивертов. Однако в данных регионах не наблюдается ни повышения уровня заболеваемости раком, ни другими болезнями, которые традиционно относят за счет избыточного радиационного облучения.

Источники радиоактивности искусственного происхождения

Ионизирующее излучение используется при проведении медицинских процедур и в некоторых производственных процессах. Чаще всего нам приходится сталкиваться с рентгеновским излучением.

Доза радиации, получаемая населением от фоновой радиации, составляет в среднем  88% от общей годовой дозы облучения, 12% облучения население получает в ходе медицинских процедур. По характеру своего воздействия естественная радиоактивность ничем не отличается от полученной искусственным путем.

Как защититься от радиации

Ионизирующие излучения несут определенный риск для здоровья. Можно ли сделать так, чтобы полностью от них избавиться? Даже если бы мы этого захотели, сделать это невозможно. Радиоактивное излучение постоянно сопровождает нас в окружающей среде. Однако мы должны стараться как можно меньше подвергаться воздействию мощных источников радиации искусственного происхождения.

Наличие радиационного излучения легко установить. Существует ряд простых, чувствительных приборов, которые способны уловить наличие минимальных количеств такого излучения от природных или искусственных источников радиации. Защититься от радиации можно четырьмя основными методами:

Ограничивать время пребывания вблизи источников излучения. Этому правилу обязательно должны следовать люди, которые работают с источниками радиоактивного излучения. В этом случае резко снижается риск заболевания.

Находится на приемлемом расстоянии от источников радиации. Чем дальше находится человек от источника радиации, тем в меньшей степени она на него воздействует.

Строить защитные сооружения. Свинцовые листы, бетонные стены и слой воды способны обеспечить достойную защиту от проникающей радиации, они спасают даже от гамма-лучей. Высокорадиоактивные материалы часто хранят под водой, в комнатах с толстыми бетонными стенами, обшитыми свинцом.

Работать с радиацией в условиях изоляции от внешней среды. Радиоактивные материалы не должны попасть в окружающую среду. Изотопы, используемые, к примеру, в медицине упаковываются в специальные герметичные контейнеры, а ядерные реакторы обязательно снабжаются многоуровневой системой защиты. В помещениях таких станций давление воздуха поддерживается более низким, чем атмосферное, поэтому воздух снаружи может проникнуть в эти помещения, но из них не выходит.

Правила и стандарты

Стандарты, установленные для защиты от радиации, базируются на допущении, что риск от радиационного воздействия прямо пропорционален полученной дозе облучения, даже при самых низких дозах радиции. Это предположение, называемое «линейная беспороговая гипотеза (LNT)» рекомендуется только в целях защиты от радиационного воздействия, например, для установки допустимых уровней радиационного воздействия на человека. Оно не может быть использовано для предсказания последствий реального воздействия низких доз радиации. К примеру, оно предполагает, что если взять дозу, вполовину меньшую наивысшей дозы, при которой  заметны эффекты радиационного воздействия, то эффект от уменьшенной дозы окажется также вполовину меньше эффекта от исходной дозы облучения и т.д. Это допущение может привести к ошибочным заключениям, если будет применено к большой группе людей, подвергшихся воздействию невысоких доз облучения, и может привести к излишним мерам по предотвращению данного воздействия.

Большая часть нынешних данных о влиянии радиационного излучения была получена в результате изучения его влияния на жертв ядерной бомбардировки 1945 г. Они  подверглись воздействию больших доз радиации за очень короткий период  времени. Однако при облучении малыми дозами радиации организм способен восстанавливать повреждения. <…>

Любая страна устанавливает собственные стандарты в отношении допустимого количества радиационного облучения различных групп работников, а также населения, по роду своей работы напрямую с воздействием радиации не сталкивающегося. Как правило, такие стандарты базируются на рекомендациях Международной комиссии по радиологической защите (ICRP) и сочетаются с условием стремиться к наиболее низким допустимым дозам радиационного облучения, принимая в расчет социальные и экономические факторы. <…>

ICRP рекомендует устанавливать максимально возможную дозу радиации для людей, которые по роду деятельности связаны с радиацией, более 20 миллизивертов в год  на протяжении 5 лет (то есть 100 зиллизивертов в точение 5 лет), при этом максимальная доза, которая может быть получена в течение одного любого года не должна превышать 50 миллизивертов. При этом население не должно получать дозу радиации, большую 1 миллизиверта в год.