Радіоактивність. Взаємодія іонізуючого випромінювання з біологічними тканинами. Дозиметрія
Закон радіоактивного розпаду
Природна радіоактивність – це явище самовільного перетворення атомних ядер нестійких ізотопів у стійкі, що супроводжується випромінюванням частинок речовини і високочастотним електромагнітним випромінюванням. Радіоактивність була відкрита в 1896 р. французьким фізиком А. Беккеррелем (Нобелівський лауреат 1903 р.). Він виявив, що солі урану випускають невидимі промені або частинки, які проникають через непрозорі тіла, викликаючи фотолюмінесценцію, іонізують речовину і здатні засвічувати фотопластинку. А. Беккерель, пропускаючи бета-частинки через перехресні електричні і магнітні поля, першим виміряв відношення заряду до маси бета-частинки(1900р). Він, незалежно від П. Кюрі, виявив фізіологічну дію радіоактивного випромінювання(1901р). Подальші дослідження, які були проведені П. Кюрі і М. Кюрі – Склодовською (лауреати Нобелівської премії 1903 р.), показали, що природна радіоактивність властива не тільки для урану, але й для багатьох важких хімічних елементів.
М. Склодовська – Кюрі також отримала Нобелівську премію з хімії (1911 р.) за відкриття і виділення природного радіоактивного елементу радію.
Радіоактивний розпад має імовірнісний характер, оскільки неможливо передбачити, який саме атом розпадеться. Інтенсивність радіоактивного випромінювання зменшується з часом.
Експериментально було встановлено, що число атомів 
, які розпалися за час , пропорційне часу і загальному числу атомів радіоактивного елемента:
|
|
|
де – стала розпаду. Ця величина пропорційна імовірності розпаду ядра і неоднакова для різних радіоактивних елементів. Знак мінус показує, що число атомів у радіоактивному елементі з часом зменшується.
Інтегрування рівняння (1) в межах від до дає
|
|
|
де – число атомів елементу в початковий момент часу ;
– число атомів того ж елементу в момент часу .
Період напіврозпаду – проміжок часу, за який кількість ядер, які розпалися, зменшується вдвоє. Підставляючи в рівняння (2) і , одержуємо зв’язок між і :
|
|
|
Величину називають середнім часом життя радіоактивного ядра. За середній час життя атомів у збудженому стані приймається час, протягом якого число атомів зменшиться в рази.
Оскільки всі рослини використовують для свого росту вуглекислий газ, який засвоюється ними із атмосфери, частина вуглецю в рослинах дещо радіоактивна. Коли рослина гине, додаткова кількість вуглецю С14 у неї не поступає, а той вуглець, який накопичився у тканинах рослини, починає розпадатися. Вимірюючи кількість ізотопів вуглецю С14 і С12 в органічних археологічних залишках, ми отримуємо дуже чутливий метод датування історичних подій.
Активність. Одиниці активності
Активністю елемента називається число атомних розпадів, які відбуваються в радіоактивному елементі за одну секунду:
|
|
|
Тоді
|
|
|
Активність елемента пропорційна кількості атомів елемента і обернено пропорційна періоду напіврозпаду. Активність препарату з часом зменшується за експоненціальним законом.
Одиниці активності.
Бекерель (Бк) – така активність ядерного ізотопу, при якій за 1с відбувається один акт розпаду, .
Резерфорд (Рд): .
Кюрі (Кі). За одиницю активності приймають Кюрі (Кі) – активність такого препарату, в якому за 1с відбуваються актів розпаду.
розпадів/с.
Використовують також похідні одиниці від Кі: мКі (мілікюрі) і мкКі (мікрокюрі).
1мКі=Кі, 1мкКі=Кі.
Для характеристики активності одиниці маси радіоактивного джерела вводять величину, яка є питомою активністю, що дорівнює відношенню активності ізотопу до його маси (Бк/кг).
Види радіоактивного розпаду
Альфа – розпад. Альфа – випромінювання – це потік -частинок, які вилітають із ядер атома. -частинки складаються із двох протонів і двох нейтронів – це ядра гелію. Швидкість -частинок м/с, що відповідає кінетичній енергії від 4 до 8,8 МеВ. Спектр -випромінювання складається з декількох близько розміщених ліній, тобто лінійчастий.
При -розпаді “материнське ядро” випускає частинку і перетворюється в “дочірнє ядро”. Якщо врахувати закон збереження заряду і маси, то реакція має вигляд:
|
|
|
Наприклад, перетворення радону в полоній здійснюється за схемою:
.
Вперше пояснив -розпад геніальний фізик Г. Гамов (1904-1968) який народився в Одесі. Він любив підкреслювати, що його родовід походить із запорізьких козаків Лебединців.
Г. Гамов у 24-річному віці завоював визнання наукового світу своєю теорією – розпаду. У 1931 р. 27-річний Гамов став членом-кореспондентом АН СРСР.
У 1933 р., перебуваючи на конгресі фізиків у Брюсселі, прийняв рішення не повертатися в СРСР. З 1934 р. працював в США. Його модель атомного ядра у вигляді рідкої краплини привела до створення сучасної теорії ядерних реакцій розщеплення і злиття.
Г. Гамову належить теорія «великого вибуху» Всесвіту, і саме він першим зробив розрахунок генетичного коду. Недооцінений за життя, сьогодні він є одним з найбільш цитованих авторів. І навіть через десятиріччя після його смерті, висунуті ним наукові гіпотези знаходять підтвердження. Серед них гіпотеза про реліктове випромінювання космосу, температуру якого він зумів оцінити, і та , що зірка, яка спалахує, як нова, втрачає 99 % енергії внаслідок випромінювання величезного потоку нейронів.
Бета – розпад. Існують три різновиди – розпаду. В першому випадку ядро, яке зазнає радіоактивного розпаду, випускає електрон, в другому – позитрон, а в третьому електрон захоплюється ядром – – захоплення (або електронне захоплення).
Електронний -розпад. Якщо в ядрі є надлишок нейтронів, то відбувається електронний -розпад ядра, при якому один з нейтронів перетворюється в протон, при цьому утворюються електрон і антинейтрино:
.
При -розпаді елемент у періодичній таблиці зміщується на один номер без зміни масового числа. Символічно це зміщення записується так:
|
|
|
Наприклад, ізотоп калію перетворюється в ізотоп кальцію.
-розпад, так само як і -розпад, може супроводжуватися випусканням – променів. Дочірнє ядро, яке виникає, може перебувати не тільки в нормальному стані, але і в збуджених його станах. Переходячи потім у стан з меншою енергією, ядро випромінює – квант.
Наприклад, кобальт є джерелом -квантів великих енергій, які використовуються в медицині з терапевтичною метою:
.
Позитронний -розпад. Якщо в ядрі є надлишок протонів, то відбувається позитронний -розпад ядра, при якому один з протонів перетворюється в нейтрон при цьому утворюються позитрон і нейтрино:
.
Для вільного протона такий процес неможливий.
Схема -розпаду:
|
|
|
Прикладом -розпаду є перетворення ізотопу фосфору в ізотоп кремнію .
Експериментно було доведено, що при -розпаді енергія розподіляється між -частинкою і нейтрино або антинейтрино.
Швидкість -частинок змінюється в широких інтервалах. Найбільша їх початкова швидкість порядку м/с. Максимальна кінетична енергія для м’якого -випромінювання лежить у межах , а для жорсткого – . Спектр – випромінювання неперервний. Альфа і бета частинки відхиляються в електричному і магнітному полях.
-захоплення або е-захоплення полягає в тому, що ядро поглинає один із електронів, який знаходиться на К оболонці (рідше захоплюється електрон із L- або М-оболонки). В результаті такого ефекту один з протонів перетворюється в нейтрон і випускає нейтрино:
.
Схема електронного захоплення:
|
|
|
Прикладом -захоплення є перетворення ізотопу калію ізотоп аргону.
Існує також протонна радіоактивність. При такому виді радіоактивності ядро випускає один або два протони.
Гамма промені – це потік квантів електромагнітного випромінювання, які мають дуже велику частоту – порядку Гц, що відповідає довжині хвилі порядку м. Енергія – променів для різних радіоактивних речовин змінюється в межах від 0,2 до 5,0 МеВ або більше.
Види і основні властивості іонізуючого випромінювання
Іонізуючим випромінюванням називаються випромінювання, здатне іонізувати середовище, в якому воно поширюється. До нього відносяться: Х- промені (рентгенівські), – випромінювання, а також потоки заряджених і нейтральних частинок (електронів, позитронів, нейтронів, – частин і інших).
Х-промені і -випромінювання мають електромагнітну природу і являють собою потік фотонів з високою енергією і відповідно малою довжиною хвилі. Діапазон довжин хвиль для Х-променів нм для -випромінювання нм. Для цих видів іонізуючого випромінювання характерна велика проникна здатність, а їх іонізуюча здатність значно менша, ніж у – і -частинок. -частинки – двічі іонізовані атоми гелію. Ядро гелію складається з двох протонів і двох нейтронів, початкова кінетична енергія (48,8) МеВ. Проходячи через речовину – частинки гальмуються за рахунок іонізації і збудження атомів і молекул, а також дисоціації молекул. Довжина пробігу: – частинки з високою енергією можуть пройти шар повітря при нормальному атмосферному тиску (79) см, шар води ~ см, шар скла см.
-частинки – це електрони і позитрони, які випромінюються при -розпаді ядер. Позитрон (-частинка) це стійка елементарна частинка, маса якої рівна масі електрона з позитивним елементарним зарядом. Проникна здатність -випромінювання значно вища, ніж – випромінювання. Так, – випромінювання високої енергії пронизує шар алюмінію товщиною 5 мм. Енергія -частинок лежить в межах від (0,0150,05)МеВ (м’яке -випромінювання) до (1012) МеВ (жорстке випромінювання).
Нейтрони – це нейтральні елементарні частинки. У вільному стані нейтрон нестабільний і має час життя близько 16 хв. Разом з протонами нейтрони входять до складу ядра; в ядрі нейтрон є стабільною частинкою. Нейтронне випромінювання має велику проникну здатність.
Джерелом іонізуючих випромінювань є природна і штучна радіоактивність. Радіоактивність – самочинне перетворення (розпад) атомних ядер, яке приводить до зміни їх атомного номера (якщо випромінюються заряджені частини) або масового числа при випромінюванні нейтральних частинок. Зміна атомного номера приводить до перетворення одного хімічного елемента в інший: при зміні масового числа проходить перетворення ізотопів даного елемента. До явища радіоактивності відноситься також зміна енергетичного стану ядер, яке супроводиться -випромінюванням, при цьому склад ядер не змінюється.
Природні джерела випромінювань розподіляють на дві категорії: зовнішнього і внутрішнього опромінення. До зовнішніх відносяться: космічне випромінювання, сонячна радіація, випромінювання земної кори і повітря. Внутрішнє опромінення обумовлено тими природними радіоактивними речовинами, які попадають всередину організму: уран, радій та інші. Природні джерела створюють природний фон Землі. Середнє значення потужності поглинутої дози в повітрі на висоті 1 м від поверхні Землі складає (4,851,1)10-8 Гр/год.
Механізм взаємодії іонізуючого випромінювання з речовиною
Дія іонізуючого випромінювання на речовину приводить до:
o збудження атомів і молекул;
o іонізації або рекомбінації атомів і молекул;
o появи нового випромінювання;
o виникнення нових радіонуклідів.
В ядерній фізиці розрізняють іонізаційні і радіаційні витрати. Іонізаційні витрати залежать від виду частинки, її енергії, властивостей середовища: густини і товщини шару речовини, з якою вони взаємодіють. Частинки, які мають велику швидкість, іонізують речовину слабо, оскільки вони не встигають передати свою енергію навколишнім електронам. Навпаки, при малій швидкості частинки проводять сильну іонізацію. Частинки з великою масою мають дуже малий пробіг.
Існують деякі особливості проходження електронів через речовину. Вони пов’язані з тим, що з усіх заряджених частинок у них найменша маса. Електрони малої енергії при зіткненні з електронами, а тим більше з ядрами атомів середовища, часто сильно змінюють напрям свого руху, а в той же час важкі частинки при зустрічі з електронами не змінюють свого напряму. Якщо товщина шару менша довжини пробігу важких частинок в речовині, то із нього практично виходять всі частинки, які попадають в речовину. При товщині шару більшій за довжину пробігу, важкі частинки зовсім не виходять із нього. Якщо електрони володіють великою енергією, то, згідно з теорією відносності, їх маса збільшується і вони ведуть себе подібно до важких частинок.
Розглянемо особливості взаємодії , – частинок і – випромінювання з речовиною.
Альфа-частинки з енергією 1 МеВ здатні іонізувати середовище і проникають в організм на малу глибину (10100) мкм. Пролітаючи через речовину, – частинки гублять свою енергію, затрачаючи її на іонізацію атомів і молекул речовини. Зрештою – частинка захоплює два електрони і перетворюється в атом гелію. Альфа-частинки повністю поглинаються, наприклад, шаром алюмінію товщиною 0,06 мм або шаром біологічної тканини чи листком паперу.
Для утворення однієї пари іонів у повітрі необхідно затратити енергію 31еВ. Таким чином, – частинка утворює на своєму шляху пар іонів/м.
Бета-частинки мають меншу іонізуючу здатність, але більшу проникність у повітрі, яка сягає 10–15 мм при тій же енергії.
Пробіг -частинок великої енергії в повітрі – 40 мм, в алюмінії – 2 см, а в біологічних тканинах – приблизно 6 см. Захиститися від -частинок можна металевими або пластмасовими листами відповідної товщини.
Гамма-промені поглинаються атомами речовини і вибивають із них електрони, які потім беруть участь в іонізації. Взаємодія -квантів великої енергії (0,0210 МеВ) приводить до фотоефекту, комптон-ефекту і утворення пари позитрон-електрон.
Гама-промені мають найбільшу проникну здатність. Жорсткі – промені проходять через свинець товщиною 5 см або шар повітря товщиною в декілька сотень метрів, пронизують все тіло людини.
Іонізуюча здатність -променів невелика; в повітрі утворюється 100 пар іонів (в середньому 1-2 іон на 1 см пробігу).
Що стосується взаємодії нейтронного випромінювання з речовиною, то слід відмітити, що у зв’язку з відсутністю заряду первинна іонізуюча здатність потоку нейтронів низька, проникна – відповідно висока. В результаті взаємодії нейтронів з ядрами атомів утворюються заряджені частини і -випромінювання. Іонізуючий ефект від дії нейтронів на речовину є наслідком вторинних процесів. При співударі нейтронів з ядрами атомів може проходити пружне розсіювання і захоплення нейтронів ядром (радіаційне захоплення). При пружному співударі, особливо з ядрами легких елементів, нейтрони передають частину кінетичної енергії. Ядро, яке називається ядром віддачі, за рахунок одержаної енергії викликає вторинну іонізацію. Оскільки тканини організму містять багато води, то нейтрони можуть викликати у них значну іонізацію.
Взаємодія заряджених частин ( і ) з речовиною кількісно оцінюється такими характеристиками:
а) лінійна густина іонізації – це відношення числа іонів одного знаку утворених зарядженою іонізуючою частиною на елементарному шляху до цього шляху:
б) лінійна гальмівна здатність речовини – це відношення енергії , яка втрачається зарядженою частиною при проходженні елементарного шляху в речовині, до довжини цього шляху:
в) середній лінійний пробіг частини зарядженої частини – це середнє значення віддалі між початком і кінцем пробігу зарядженої іонізуючої частини в даній речовині. Коли швидкість іонізуючої частини приблизно буде дорівнювати швидкості теплового руху, то вона втрачає свою активність.
Дозиметрія іонізуючих випромінювань
Дозиметрія – це галузь прикладної ядерної фізики, в якій вивчають фізичні величини, котрі характеризують дію іонізуючого випромінювання на різні об’єкти, а також методи і прилади їх вимірювання. Дія іонізуючого випромінювання перш за все визначається поглинутою дозою.
Поглинута доза – це універсальне поняття, яке характеризує результат взаємодії поля іонізуючого випромінювання і середовища, на яке воно діє. Між поглинутою дозою і радіаційним ефектом існує пряма залежність: чим більша поглинута доза, тим більший радіаційний ефект.
Поглинута доза випромінювання (або просто доза випромінювання) – це кількість енергії іонізуючого випромінювання, яка поглинається одиницею маси опроміненої речовини.
залежить від природи і властивостей випромінювання (зокрема, від енергії частинок), та від природи речовини, в якій воно поглинається, і пропорційна часу опромінення. Одиницею вимірювання поглинутої дози випромінювання в системі СІ є грей (Гр), 1Гр=1Дж/кг. Застосовується також позасистемна одиниця, яка називається рад (Radiation Absorbed Dose). Співвідношення між греєм і радом таке: 1Гр=100 рад. Відношення дози до часу опромінення, називають потужністю дози. В системі СІ потужність дози вимірюється в Гр/с, позасистемна одиниця – рад/с.
На практиці для визначення радіаційного ефекту практично неможливо користуватися вимірюванням , оскільки тіло, як правило, неоднорідне і енергія іонізуючого випромінювання розсіюється по всіх можливих напрямках і т.п., але можна оцінити поглинуту дозу за іонізуючою дією випромінювання в повітрі, яке оточує тіло. В зв’язку з цим вводять ще одне поняття дози для рентгенівського і -випромінювання – експозиційну дозу випромінювання, яка є мірою іонізації сухого повітря рентгенівським або – випромінюванням при нормальному атмосферному тиску.
За одиницю експозиційної дози прийнято Кл/кг. На практиці частіше використовують позасистемну одиницю, яку називають рентгеном (Р). Рентген – експозиційна доза рентгенівського або -випромінювання, при якій в результаті повної іонізації в 1 повітря при нормальному атмосферних умовах (0°С і 760 мм рт. ст.) утворюється пар іонів. Одиницею потужності експозиційної дози є 1А/кг, а позасистемною одиницею – 1Р/с.
Для переходу в розрахунках від експозиційної дози Декс, як характеристики взаємодії поля і опроміненого середовища, необхідно знати властивості цього середовища і врахувати, що поглинута доза пропорційна падаючому іонізуючому випромінюванню. Зв’язок між цими величинами має наступний вигляд:
|
|
(20) |
де – коефіцієнт пропорційності, який залежить від складу опромінюваної речовини і енергії фотонів. Для води і м’яких тканин тіла людини , тобто доза випромінювання в радах чисельно рівна відповідній експозиційній дозі в рентгенах. Це обумовлює використання позасистемних одиниць рада і рентгена. Для повітря f=0,88, для кісткової тканини із збільшенням енергії фотона зменшується від 4,5 до 1. Це значить, що при одній і тій же експозиційній дозі повітрю буде передана енергія менша ніж воді, а воді менша, ніж речовині, яка складається із елементів середини таблиці Менделєєва.
Оскільки Декс характеризує поле випромінювання, а воно в свою чергу, залежить від активності А радіопрепарату, то можна встановити зв’язок між потужністю експозиційної дози на відстані від джерела, і його активністю. Цей зв’язок задається виразом:
|
|
(21) |
де Кg – гамма стала, яка характерна для даного радіонукліда; таблична величина – враховує той факт, що енергія -кванта різна у різних радіонуклідів.
Біологічна дія іонізуючого випромінювання. Еквівалентна доза
Виявилось, що для живих організмів потрібно врахувати при переході від до не тільки склад тканин і енергію частин (коефіцієнт ), але й тип випромінювання – рентгенівське, нейтронне, g – випромінювання тощо. Одні і ті ж поглинуті дози випромінювання різної природи по різному діють на живий організм. Крім того, виявилось, що радіобіологічний ефект залежить не тільки від поглинутої дози, але й від деяких інших факторів. Основним серед них слід вважати лінійну густину іонізації.
Для кількісної оцінки цього фактора введено поняття коефіцієнта відносної біологічної ефективності або коефіцієнта якості випромінювання. Цей коефіцієнт показує, у скільки разів ефективність біологічної дії даного виду випромінювання більша, ніж рентгенівського або g-випромінювання, при однаковій поглинутій дозі в тканинах. Так, при вивченні катаракти, яка виникає при опроміненні, показано, що ця хвороба при дії g-випромінювання, виникає при дозі 200 рад, а при дії швидких нейтронів при дозі 20 рад. Таким чином, для швидких нейтронів коефіцієнт якості рівний 10.
У випадку сумарної дії – і -випромінювання, що характерно для забрудненої місцевості після аварії ядерного реактора, можна користуватись вимірюванням поглинутої дози і потім переводити її в еквівалентну дозу. Практично в таких випадках завжди вимірюють потужність експозиційної дози в мР/год або мкР/с.
Радіаційну загрозу радіоактивної речовини зручно оцінювати за активністю, яка вимірюється в Кюрі (Кі) або бекерелях (Бк).
Знаючи активність джерела можна розраховувати потужність експозиційної дози на різних відстанях від нього і таким чином визначити допустимий час перебування в цьому полі.
Ступінь радіаційного впливу на людину іонізуючого випромінювання і радіонуклідів, які накопичуються в окремих органах і тканинах, визначається дозами зовнішнього і внутрішнього опромінення. Характер накопичення радіонуклідів в організмі і його окремих органах і тканинах залежить від швидкості їх поступлення з харчовими продуктами, водою і повітрям в шлунково-кишковий тракт або легені, засвоєння і розподілу їх в органах або тканинах, часу їх утримання у них тощо.
Для розрахунку дози опромінення необхідно знати деякі фізіологічні параметри, які характеризують обмінні процеси в організмі. Міжнародна комісія із радіаційного захисту рекомендує використовувати при таких розрахунках наступні величини: хвилинний об’єм дихання; кількість повітря, яку вдихає людина; споживання води; водний баланс. Кількісна інформація про радіобіологічні ефекти для людини наведена в таблиці 2.
Наведемо ще деякі додаткові відомості:
0,011 мбер/год потужність дози обумовлена природною радіоактивністю Землі і космічним випромінюванням, тобто природний фон Землі;
100 мбер – фонове опромінення за рік;
500 мбер – допустиме опромінення населення в нормальних умовах за рік.
Доза в 600 рад (6 Зв або 6 Гр) для -або рентгенівського випромінювання (одноразове опромінення) є смертельною для людини, проте відносна кількість іонів, які утворюються при такій дозі, невелика. Цій дозі відповідає близько 1000 тканини, що в перерахунку на іонізацію молекул води складає лише одну іонізовану молекулу води на 10 мільйонів молекул. Таким чином, прямою іонізацією (без врахування вторинних ефектів) не можна пояснити шкідливої дії випромінювання.
Основним процесом, який пояснює біологічну дію випромінювання, є втрати поглинутої енергії на розрив хімічних зв’язків з утворенням високоактивних в хімічному відношенні збуджених молекул, іонів радикалів. Розглядаючи первинні фізико-хімічні процеси в організмі при дії іонізуючих випромінювань, слід врахувати дві принципово різні можливості взаємодії з молекулами води (радіоліз води) і з молекулами органічних сполук. Сполуки, які отримуються в результаті опромінення, взаємодіють з іншими молекулами біологічної системи, що приведе до порушення мембран, клітин і функцій всього організму, тобто буде генеруватися ряд процесів, які в своїй сукупності складають радіаційний синдром. При опромінені нитки молекул ДНК скручуються, що приводить до руйнування спіральної будови молекул. Молекулярна вага і радіус спіралей ДНК змінюються залежно від величини дози опромінення.
Розглядаючи питання про радіобіологічні ефекти слід відмітити, що сприйнятливість до дії іонізуючих випромінювань різна у різних тканин і органів людини. Неоднакова радіостійкість різних тканин організму пояснюється особливостями тканинних клітин.
При опроміненні організму його витривалість і ступінь прояву синдрому визначається виходом за межі норми функціонування найбільш пошкоджених тканин і органів, які відіграють визначальну роль в життєдіяльності організму. Такі тканини і органи відносять до критичних, серед них виділяють наступні три групи:
1 група – червоний кістковий мозок, гонади;
2 група – щитоподібна залоза, печінка, легені, нирки, селезінка, шлунково-кишковий тракт, м’язи, кришталик очей;
3 група – кісткова тканина, шкіра, передпліччя, стопи.
Гранично-допустимі дози опромінення при профілактичних дослідженнях для першої, другої і третьої груп становлять відповідно 5.0; 15; 30 мЗв/год. Для онкохворих даних груп потужність опромінення зросте у 50 разів.
У людини радіаційне пошкодження має системний характер і проявляється по різному, залежності від рівня дози опромінення. За клінічною картиною при гострій променевій хворобі виділяють три патогенетичних механізми променевого пошкодження:
¾ при малих дозах критичною тканиною є кістковий мозок, пошкодження якого впливає на процес кровотворення;
¾ при більш високих дозах відбувається радіаційне пошкодження тканин шлунково-кишкового тракту;
¾ при високих дозах наступають загальні церебральні порушення.
Розглянемо вплив внутрішнього опромінення – процесу, при якому джерело опромінювання знаходиться всередині людського організму, попадаючи туди при диханні, з їжею, а також через пошкоджену шкіру. Внутрішнє опромінення має ряд особливостей, внаслідок яких воно в багато разів шкідливіше за зовнішнє при одних і тих же кількостях радіонуклідів.
Різке збільшення часу опромінення тканин організму, оскільки на відміну від зовнішнього опромінення, при якому доза визначається часом перебування в зоні дії радіоактивного випромінювання, при внутрішньому опроміненні цей час збігається з часом перебування радіоактивної речовини в організмі. Деякі речовини, такі як радій-226 () або плутоній-239 () з організму практично не виводяться і опромінення здійснюється протягом всього життя.
Доза внутрішнього опромінення різко зростає через практично нескінченно малу віддаль до тканини, яка опромінюється, із збільшенням тілесного кута до .
Введення радіоактивних речовин в організм означає виключення поглинання -частинок роговим шаром шкіри і переводить -активні речовини із розряду повністю безпечних при зовнішньому опроміненні в розряд найбільш шкідливих.
Радіоактивні речовини розподіляються по тканинах організму не рівномірно, а селективно, концентруючись в окремих тканинах, підсилюючи їх локальне опромінення.
У випадку внутрішнього опромінення немає можливості застосувати методи захисту, які розроблені для зовнішнього опромінення.
Кількісні значення гранично допустимих доз при внутрішньому опроміненні були встановленні на основі аналізу радіаційних пошкоджень. Дозові межі розраховані, виходячи із уявлень про недопустимість поглинання протягом всього життя більше 1 мкг радію. При розрахунках гранично допустимих концентрацій всіх інших радіонуклідів, які вводяться в організм при диханні, споживанні води, харчових продуктів, використовується ця величина.
За характером розподілу в організмі людини радіонукліди поділяються на три групи:
а) переважно накопичуються в скелеті – , , , ,;
б) переважно накопичуються в кровотворних органах і лімфатичній системі –,;
в) рівномірно розподіляються по всіх органах і тканинах –, , ,.
Слід окремо виділити йод як речовину, яка надзвичайно селективно відкладається в щитоподібній залозі. При розрахунках допустимих величин внутрішнього опромінення використовують ефективну сталу розпаду або ефективний період, які враховують виведення радіоактивної речовини з організму двома шляхами: за рахунок розпаду і в результаті звичайних процесів виділення.
При внутрішньому опроміненні слід враховувати межу річного поступлення радіонуклідів в організм людини. Крім цього критерію існує ще гранично допустимий вміст радіонуклідів в так званих критичних органах, опромінення яких несе максимальну шкоду здоров’ю людини. Виходячи з цього, встановлені граничні концентрації радіонуклідів в повітрі, воді і харчових продуктах. Причому ці величини малі для повітря, значно менші, ніж для води і продуктів. Як приклад, приведемо граничні концентрації (кюрі на літр) деяких радіонуклідів:
в повітрі – 110-14; у воді – 510-11;
в повітрі – 110-11; у воді – 110-8
Останнім часом апробовані тисячі препаратів у пошуках ефективних радіопротекторів – речовин, введення яких в організм підвищують його стійкість до дії йонізуючих випромінювань. Було досліджено, що полісахариди (пектин, декстрин, ліпополісахариди, які містяться в листках винограду і чаю), флаваноїди, які присутні у мандаринах, чорноплідній горобині, обліпісі, бояришнику, пустирнику, а також етиловий спирт, здатні зв’язувати і виводити із організму радіонукліди.
Основні методи вимірювання іонізуючого випромінювання
Сцинтиляційний лічильник – детектор, основними елементами якого є речовина, що люмінесціює під впливом швидких частинок, та фотоелектронний помножувач. Заряджена частинка проходить через речовину, викликаючи не лише іонізацію атомів і молекул, а й їх збудження. Перехід атомів і молекул зі збудженого стану в основний супроводжується випромінюванням кванта видимого або ультрафіолетового діапазону. Кожний такий світловий спалах, що називається сцинтиляцією, реєструється фотоелектронним помножувачем, електричні імпульси з виходу якого подаються на систему реєстрації. Типовими матеріалами для сцинтиляційних лічильників є кристали ZnS (Ag), NaI (Tl), CsI (Tl) (в дужках указаний активатор, що спричинює сцинтиляції в кристалі), кадмієві та кальцієві солі вольфрамової кислоти, галіди літію, а також органічні сцинтилятори – антрацен С14Н10, стильбен С14Н12, розчини толуена, ксилолу, фенілциклогексану. Перевагою такого лічильника є висока чутливість (через високу густину робочої речовини), особливо до γ-випромінювання, швидкодія та здатність визначати енергію частинки або кванта випромінювання.
Газорозряднi лiчильники Гейгера-Мюллера складаються iз скляної трубки, вкритої всерединi шаром металу (катод), тонкої металевої нитки, що йде вздовж осi трубки (анод). Трубка заповнена газом. Заряджена частинки попадає в трубку i iонiзує газ. Електричне поле мiж анодом i катодом прискорює їх до енергiй, при яких починається ударна iонiзацiя. Струм, що проходить через лiчильник, рiзко зростає. Iмпульс напруги з опору навантаження подається на реєструючий пристрiй. Досконалi лiчильники реєструють десятки тисяч частинок за секунду. Лiчильники Гейгера-Мюллера застосовують в основному для реєстрацiї електронiв i g-квантiв.
Іонізаційна камера – детектор, дія якого базується на здатності заряджених частинок викликати іонізацію газу. Принциповою перевагою детектора цього типу є можливість одержання безпосередньої інформації щодо експозиційної або поглинутої дози. Дійсно, оскільки рентген є одиницею експозиційної дози і відповідає кількості зарядів, яка утворюється іонізуючим випромінюванням в 1 см3 повітря за нормальних умов, саме іонізаційна камера надає можливість оцінювати іонізуюче випромінювання в цих одиницях. Утворення кожної іонної пари супроводжується втратою енергії близько 34 еВ (1 еВ = 1,6·10-19 Кл
Поблизу електрода напруженість електричного поля настільки велика, що первинні електрони набувають енергії, достатньої для вторинної іонізації. Внаслідок цього на центральний електро попадає лавина електронів.
Радіометр типу РКС-20.03 “Прип’ять” є детектором b– і γ-випромінювань і сконструйований на основі газорозрядних лічильників СБМ-20. При попаданні іонізуючих частин або у-квантів у газовому об’ємі лічильника утворюється електричний розряд, який формує імпульси напруги, що з допомогою електронного пристрою перетворюються в цифрову інформацію і відображаються на чотирирозрядному рідкокристалічному індикаторі.
Індикатор радіоактивності РАДЕКС РД1503+ призначений для оцінки потужності експозиційної дози гама-випромінювання населенням в побутових умовах (продукти харчування, будматеріали, грунт і т.д.), а також може бути використаний персоналом, що працює з джерелами іонізуючих випромінювань. Крім того, він дозволяє знаходити забрудненість об’єктів бета-активными радіонуклідами. Лічильник підраховує кількість гама і бета – частинок за допомогою лічильника Гейгера – Мюллера протягом 40 с і відображає результати в мкЗв/год або мкР/год на рідкокристалічному дисплеї.
