Биологическое действие ионизирующих излучений кратко физика

Обновлено: 06.07.2024

Радиационное воздействие при определённых условиях поражает клетки живых организмов. Известно, что облучение мы получаем ежедневно - в соответствии с природным фоном, который является для нас естественным. Однако если речь идёт о более высоких дозах облучения, это может быть чревато как лучевой болезнью, так и другими тяжёлыми и опасными патологиями, в том числе и злокачественными заболеваниями. Есть радиационные дозы, которые не встречаются в повседневной жизни и являются смертельными (речь идёт о тех, которые превышают естественный фон в десятки тысяч раз).

Действие радиации

В состав ядра атома входят протоны и нейтроны. Есть понятие нестабильного атомного ядра, которое при определённом стечении обстоятельств обладает лишней энергией, стремящейся вырваться наружу. Если такое происходит, можно наблюдать следующие процессы:

выброс из атомного ядра мелких частиц с двумя нейтронами и двумя протонами в составе. Такое явление получило название альфа-распада;
превращение в ядре протона в нейтрон и, наоборот, нейтрона в протон — с выбросом бета-частиц. Это электроны либо двойники электронов, которые называют антиэлектронами;
лишняя энергия выбрасывается из атомного ядра. Она представляет собой электромагнитную волну. Такое явление называется гамма-распадом.

Независимо от типа радиации речь идёт о высокоэнергетическом потоке частиц. Скорость их движения огромна: от десятков и сотен тысяч километров ежесекундно.

В естественных условиях внутри нас постоянно рождаются и гибнут клетки. Если речь идёт о радиоактивном излучении, не превышающем естественных пределов, частицы радиации могут повреждать до 8000 ДНК-связей ежечасно, после чего происходит их самостоятельное восстановление. Неслучайно среди медиков есть мнение о том, что радиация, получаемая человеком в малых дозах, способствует активизации иммунной системы. Однако большие дозы радиоактивных веществ действуют с точностью до наоборот, полностью разрушая как иммунную систему, так и весь организм в целом.

Высокие дозы радиоактивного облучения оказывают губительное воздействие, прежде всего, на систему кроветворения. Радиация почти полностью уничтожает лимфоциты, отвечающие за иммунную защиту, а в клетках возрастает количество необратимых генетических дефектов на уровне хромосом.

Средняя максимально допустимая доза облучения для человека составляет около 1 мл зивертов ежегодно. Если речь идёт об облучении в 17 мл зивертов существует почти стопроцентная вероятность возникновения злокачественного процесса. В результате разрушительного воздействия радиации происходит деформация структур ДНК, а сам процесс деструкции может быть запущен всего лишь одной радиационной частицей, которая обладает для этого соответствующим потенциалом.

На уровне атомов картина выглядит примерно следующим образом. Частицы, обладающие высокой радиоактивностью, движутся с огромными скоростями. При этом, они буквально выбивают из атомов электроны. Как результат, у атомов появляется положительный заряд. Электрон, теперь являющийся свободным, вступает в сложнейшую реакцию с ионизированным атомом. В процессе этой реакции происходит образование свободных радикалов. В качестве примера можно привести реакцию, возникающую между радиоактивными частицами и водой.

Как известно, вода составляет более 80% от общей массы нашего тела. Когда на воду действует радиация, вода начинает распадаться на два радикала — ОН и Н. Их называют патологически активными частицами. В свою очередь, они контактируют со всеми молекулами, имеющимися в организме, вторгаясь в их структуру и вызывая необратимые изменения. Количество клеток и молекул, которые повреждены, возрастает, что пагубным образом действует на все обменные процессы. Спустя некоторое время происходит гибель поражённых клеток или серьёзное нарушение их функций.

С облучённым организмом происходит следующее: поскольку структура ДНК повреждена, это препятствует нормальному клеточному делению, что является самым фатальным последствием облучения. При больших дозах радиации клетки бывают повреждены в таких объёмах, что у человека отказывают буквально все органы и системы. При этом самые тяжёлые удары приходятся на органы с максимально интенсивным клеточным делением. Речь идёт:

о лёгких;
о костном мозге;
о слизистой оболочке желудка и кишечника;
о половых органах.

Радиация опасна тем, что, воздействуя на живой организм, она поначалу не имеет никаких внешних проявлений. Она незаметно поражает большую часть органов, а люди при этом ничего не чувствуют.

Бесплатная консультация по вопросам обучения

Наши консультанты всегда готовы рассказать о всех деталях!

Степень и характер облучения могут быть различными и могут привести:

к острой лучевой болезни;
к поражениям центральной нервной системы;
к местным лучевым ожогам;
к раку;
к злокачественным болезням крови;
к иммунным патологиям;
к бесплодию;
к мутациям.

Человек не имеет того органа чувств, который мог бы предупреждать его о радиационной опасности. Единственная возможная защита в таких случаях — это бытовой дозиметр.

Действие ионизирующей радиации

Под ионизирующим излучением понимают разновидность энергии, которую высвобождают атомы. Эта энергия представляет собой электромагнитные волны двух видов:

гамма-излучение;
рентгеновское излучение;
частицы (в виде альфа-, бета-частиц и нейтронов).

Собственно, радиоактивность — не что иное как результат спонтанного распада атомов. При распаде атомов всегда возникает избыток энергии или форма ионизирующего излучения. Уже упоминалось о нестабильности атомного ядра. Те его элементы, которые являются нестабильными, возникают при ядерном распаде и обладают ионизирующим излучением, получили название радионуклидов. В свою очередь, радионуклиды принято идентифицировать на основании типа излучения, испускаемого ими, его энергии и периода полураспада.

Ежедневно мы подвергаемся как естественному, так и искусственному радиационному излучению. Под естественными источниками следует понимать больше 60 веществ, средой обитания для которых служат почва, воздух и вода. Например, образование газа радона в естественных условиях происходит в горных породах. Каждый день мы получаем определённое количество радионуклидов, которые находятся в пище, воде и воздухе.

Если человек находится на слишком большой высоте, на него начинают воздействовать космические лучи. В целом, около 80% дозы радиации, получаемой нами каждый год — это фоновое излучение в виде наземных и космических источников. Уровни радиации в них различны. Иногда они могут составлять в 100 или 200 раз больше средней величины.

Кроме естественных источников ионизирующего излучения, на нас могут воздействовать и источники искусственного происхождения. Прежде всего, это производство ядерной энергии на атомных электростанциях. Медицинская аппаратура, применяемая в диагностических и лечебных целях, тоже является искусственным радиационным источником.

Степень повреждения живого организма радиационным воздействием определяется полученной дозой облучения либо поглощённой дозой. Её выражают в единицах, называемых греями (Гр). Что касается эффективной дозы, применяемой с целью измерения показателей излучения и уровня его вреда, её измеряют в зивертах (Зв). При этом учитывают тип радиационного воздействия и степень чувствительности того или иного органа либо ткани. Измерение уровня радиации в зивертах помогает определить, насколько серьёзным будет нанесённый ею урон.

Зиверт — большая единица, поэтому в целях измерения часто применяют милли- и микрозиверты. Кроме основного показателя радиации (её дозы), с помощью зивертов обозначают и скорость, с которой эта доза выделяется в окружающую среду (к примеру, микрозиверты в час или год).

внутреннее воздействие излучения;
внешнее воздействие излучения.

Внутреннее воздействие происходит при вдыхании радионуклидов либо их поглощении любым путём. Например, они могут попасть в организм через рану или инъекцию. Прекращение внутреннего воздействия радионуклидов происходит при их самопроизвольном выведении из организма или в процессе лечения.

Внешнее радиационное воздействие происходит при попадании радиации из воздуха на кожные покровы или предметы одежды. Радионуклиды могут попасть через пылевые частицы, аэрозоль или любую жидкость.

Кроме того, воздействие может быть:

запланированным, например, в результате применения медицинского оборудования в лечебных или диагностических целях. Также к запланированному воздействию относят применение излучения в сферах промышленности и науки;
в результате действия уже существующих источников. Это радон, обнаруживаемый в жилых домах, либо фоновое излучение. В таких случаях необходимо принимать соответствующие контрольные меры.

И, наконец, последний тип воздействия — при чрезвычайной ситуации, возникшей в результате непредвиденного события. Такие ситуации требуют безотлагательных и экстренных мероприятий, так как речь может идти о ядерном ЧП либо намеренном действии злоумышленников.

Действие солнечной радиации

Солнце является звездой, а его недра — местами постоянного возникновения сильнейших термоядерных реакций. Их сопровождают мощные выбросы энергии. Солнечную радиацию принято разделять:

на инфракрасное излучение;
на ультрафиолетовое излучение.

Под солнечной радиацией подразумевают электромагнитное излучение с потоком частиц. При этом задействован как видимый, так и невидимый спектр излучения. Распространение солнечной радиации происходит электромагнитными волнами со скоростью, равной скорости света. Таким образом, она приходит в атмосферу Земли:

Бесплатная консультация по вопросам обучения

Наши консультанты всегда готовы рассказать о всех деталях!

В свою очередь, мощность энергетического потока зависит от того, на какой высоте стоит Солнце и каковы географическая широта той или иной местности, время года и дня.

Солнечную радиацию, доходящую до нашей планеты, принято делить на три вида излучения: свет, инфракрасный и УФ-спектр. Каждое из них обладает своим действием и по-разному влияет на наш организм.

В целом, лучи солнца одаривают нас теплом и светом, способствуют улучшению здоровья и образованию в кожных покровах активных и полезных веществ, стимулирующих нервную систему. Они стимулируют процессы восстановления в органах и тканях, работу иммунной системы, рост ногтей и волос.

Не стоит забывать и о витамине D, образующемся в нашем организме благодаря воздействию ультрафиолета. Без него костная ткань не может полноценно расти и развиваться. Недостаток витамина D приводит к рахиту у маленьких детей, а у взрослых — к остеопорозу. Наконец, УФ-излучение убивает злокачественные клетки и прекрасно лечит кожные заболевания, в том числе псориазы и нейродермиты. Оно обладает выраженным бактерицидным и противовирусным действием, поэтому в медицинских учреждениях часто используют разные УФ-аппараты с целью обеззараживания атмосферы.

Инфракрасное излучение не менее полезно для человека. Именно оно прогревает Землю и воздух до нужных температур и является естественным видом теплопередачи. Длинные волны ИК-излучения широко применяют в хирургической, косметологической и стоматологической практике. Популярно и отопление с их применением, которое благоприятно воздействует на иммунную систему и уничтожает болезнетворные бактерии. Использование длинноволнового инфракрасного излучения является полезным и абсолютно безопасным для здорового человека.

Тем не менее, если воздействие солнечного излучения продолжается долгое время, это чревато:

солнечными ожогами;
злокачественными опухолями (начиная от меланомы и заканчивая плоскоклеточным кожным раком);
обострением туберкулёза и болезней женской половой системы;
потерей кожи эластичности в результате того, что разрушаются коллагеновые связи её дермального слоя. Не исключены появление преждевременных глубоких морщин и преждевременные процессы старения;
солнечным или тепловым ударом. Он особенно опасен для людей с заболеваниями сосудов и сердца.

Известно, что длительная инсоляция способствует возникновению кожных инфекций, в том числе герпеса и грибков, а также гнойничковых образований.

Безусловно, важно знать о том, каким образом можно использовать солнечную радиацию себе во благо и как защитить себя от опасностей, связанных с нею. Если человек находится в зоне умеренной широты, для полноценной солнечной ванны ему будет достаточно не больше 10-15 минут, а в тени — около получаса. При этом утреннее время суток для солнечной ванны является оптимальным, так как инфракрасное излучение утром слабее, а тепло и свет — сильнее. Атмосфера утром тоже намного чище, особенно рядом с водой, поэтому можно без опаски находиться не солнце и не получить перегрева. Тем не менее, без головного убора и тёмных очков появляться на солнце не рекомендуется, равно как и без хорошего солнцезащитного крема.

Действие проникающей радиации

Под проникающей радиацией понимают нейтронные потоки и излучения, которые исходят из места ядерного взрыва. Действие такой волны продолжается от 10 до 15 минут. В случаях, когда взрыв происходит под водой, радиацию полностью поглощают её толща и пары. В приземных воздушных слоях поникающее излучение распространяется от эпицентра взрыва на расстояние до 3 км.

Существуют разные виды ядерных взрывов с одним либо двумя факторами поражения, связанными с излучениями, имеющими различное происхождение. Факт проникающей радиации является общей чертой для всех ядерных взрывов. Что касается дополнительного фактора, в данном случае происходит поражение радиацией окружающей местности.

Проникающая радиация может иметь источники в виде:

ядерной реакции. Её продолжительность составляет примерно 0,07 мк/секунду с выпуском почти 100% квантовых и нейтронных частиц;
осколков деления. Они выпускают нейтроны через 2-3 секунды после взрыва. Выпуск квантов происходит дольше;
наведённой активностью. Она появляется, когда атомы воздуха захватывают нейтроны.

Исходя из этого становится ясно, что основной энергетический поток при проникающем радиоактивном воздействии исходит в первые секунды после того как произошёл взрыв. Продолжительность остаточных излучений может наблюдаться ещё в течение длительного времени.

Воздействие излучения и нейтронного потока на объекты происходит в одно и то же время. Именно по этой причине уже давно обозначено понятие суммарной дозы. Когда в воздухе происходит распространение лучей и нейтронов, оно сопровождается их многократным рассеиванием. Таким образом, проникающая радиация действует не только с того направления, в котором произошёл взрыв, но и с любого другого, хотя и меньше.

Уровень поражающего действия проникающей радиации также определяет величина дозы, зависящая от ядерных боеприпасов. Мощность взрыва и его разновидность тоже имеют огромное значение, равно как и расстояние от его центра. Интересным фактом является то, что если речь идёт о взрывах, имеющих малую и среднюю мощность, проникающая радиация будет воздействовать на объекты гораздо меньше, чем ударная волна и световое излучение. В качестве основного фактора поражения проникающую радиацию рассматривают, когда взрываются боеприпасы, имеющие малую и сверхмалую мощность либо боеприпасы на нейтронной основе. У них излучение возникает в результате процессов, происходящих с быстрыми нейтронами.

Немного о лучевой болезни

Лучевая болезнь возникает при разных условиях радиационного поражения и характеризуется четырьмя степенями тяжести и течения:

1 степень. Её считают лёгкой. Суммарная доза облучения составляет от 1 до 2 грей, продолжительность скрытого периода от трёх до пяти дней. После этого больной испытывает чувство общей слабости, недомогания. Типично появление головокружения и тошноты, температуры повышена. Когда пациент выздоравливает, его способность к труду сохранена;
2 степень. Средняя. Суммарная доза поглощённой человеком радиации составляет от 2 до 4 грей. В отличие от лёгкой степени, в данном случае у больного наблюдают бурную первичную реакцию в виде массированной рвоты. После этого болезнь переходит в скрытую форму течения длительностью от 15 до 20 дней. Если вовремя приступить к лечению, пациент выздоравливает спустя два или три месяца;
3 степень. Тяжёлая. Общая доза облучения составляет уже от 4 до 6 грей. Выраженная первичная реакция с последующим скрытым периодом до 10 дней, после чего наблюдается тяжёлое течение. Исход может быть разным, в том числе и благоприятным, но с серьёзными последствиями для здоровья в целом (спустя три месяца или даже полгода);
4 степень. Крайне тяжёлая. Суммарная доза излучения составляет выше 6 грей. Самая опасная стадия обычно заканчивается смертью пациента.

Если поглощённое излучение составляет выше 50 грей, лучевая болезнь протекает в молниеносной форме с первичной реакцией в течение первых минут после массированного радиационного воздействия. Скрытого периода нет, а больные умирают в первые дни.

Даже когда человек получает сравнительно небольшие дозы облучения, это негативным образом влияет на его организм, снижая иммунную защиту, приводя к кислородному голоданию и проблемам в системе кроветворения.

Излучения радиоактивных веществ оказывают очень сильное воздействие на все живые организмы.
Даже сравнительно слабое излучение, которое при полном поглощении повышает температуру тела лишь на 0,001 °С, нарушает жизнедеятельность клеток.

Живая клетка — это сложный механизм, не способный продолжать нормальную деятельность даже при малых повреждениях отдельных его участков.
Между тем и слабые излучения способны нанести клеткам существенные повреждения и вызвать опасные заболевания (лучевая болезнь).

При большой интенсивности излучения живые организмы погибают.
Опасность излучений усугубляется тем, что они не вызывают никаких болевых ощущений даже при смертельных дозах.

Механизм биологического действия излучения, поражающего объекты, еще недостаточно изучен.
Но ясно, что оно сводится к ионизации атомов и молекул и это приводит к изменению их химической активности.
Наиболее чувствительны к излучениям ядра клеток, особенно клеток, которые быстро делятся.
Поэтому в первую очередь излучения поражают костный мозг, из-за чего нарушается процесс образования крови.
Далее наступает поражение клеток пищеварительного тракта и других органов.

Сильное влияние оказывает облучение на наследственность, поражая гены в хромосомах.
В большинстве случаев это влияние является неблагоприятным.

Облучение живых организмов может оказывать и определенную пользу.
Быстроразмножающиеся клетки в злокачественных (раковых) опухолях более чувствительны к облучению, чем нормальные.
На этом основано подавление раковой опухоли γ-лучами радиоактивных препаратов, которые для этой цели более эффективны, чем рентгеновские лучи.

Доза излучения

Воздействие излучений на живые организмы характеризуется дозой излучения.
Поглощенной дозой излучения называется отношение поглощенной энергии Е ионизирующего излучения к массе m облучаемого вещества:

В СИ поглощенную дозу излучения выражают в граях (сокращенно: Гр).

1 Гр равен поглощенной дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж:

Естественный фон радиации (космические лучи, радиоактивность окружающей среды и человеческого тела) составляет за год дозу излучения около 2 • 10 -3 Гр на человека.
Международная комиссия по радиационной защите установила для лиц, работающих с излучением, предельно допустимую за год дозу 0,05 Гр.
Доза излучения 3—10 Гр, полученная за короткое время, смертельна.

Рентген

На практике широко используется внесистемная единица экспозиционной дозы излучения — рентген (сокращенно: Р).
Эта единица является мерой ионизирующей способности рентгеновского и гамма-излучений.
Доза излучения равна одному рентгену (1 Р), если в 1 см 3 сухого воздуха при температуре 0 °С и давлении 760 мм рт. ст. образуется столько ионов, что их суммарный заряд каждого знака в отдельности равен 3 • 10 -10 Кл.
При этом получается примерно 2 • 10 9 пар ионов.
Число образующихся ионов связано с поглощаемой веществом энергией.
В практической дозиметрии можно считать 1 Р примерно эквивалентным поглощенной дозе излучения 0,01 Гр.

Характер воздействия излучения зависит не только от дозы поглощенного излучения, но и от его вида.
Различие биологического воздействия видов излучения характеризуется коэффициентом качества k.
За единицу принимается коэффициент качества рентгеновского и гамма-излучения.

Самое большое значение коэффициента качества у α-частиц (k = 20), α-лучи являются самыми опасными, так как вызывают самые большие разрушения живых клеток.

Для оценки действия излучения на живые организмы вводится специальная величина — эквивалентная доза поглощенного излучения.
Это произведение дозы поглощенного излучения на коэффициент качества:

Н = D • k.

Единица эквивалентной дозы - зиверт (Зв).

1 Зв — эквивалентная доза, при которой доза поглощенного гамма-излучения равна 1 Гр.

Максимальное значение эквивалентной дозы, после которого происходит поражение организма, выражающееся в нарушении деления клетки или образовании новых клеток, 0,5 Зв.

Среднее значение эквивалентной дозы поглощенного излучения за счет естественного радиационного фона (космические лучи, радиоактивные изотопы земной коры и т. д.) составляет 2 мЗв в год.

Защита организмов от излучения

При работе с любым источником радиации (радиоактивные изотопы, реакторы и др.) необходимо принимать меры по радиационной защите всех людей, могущих попасть в зону действия излучения.

Самый простой метод защиты — это удаление персонала от источника излучения на достаточно большое расстояние.
Даже без учета поглощения в воздухе интенсивность радиации убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника.
Поэтому ампулы с радиоактивными препаратами не следует брать руками.
Надо пользоваться специальными щипцами с длинной ручкой.

В тех случаях, когда удаление от источника излучения на достаточно большое расстояние невозможно, для защиты от излучения используют преграды из поглощающих материалов.

Наиболее сложна защита от γ-лучей и нейтронов из-за их большой проникающей способности.
Лучшим поглотителем γ-лучей является свинец.
Медленные нейтроны хорошо поглощаются бором и кадмием.
Быстрые нейтроны предварительно замедляются с помощью графита.

После аварии на Чернобыльской АЭС Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ) по предложению нашей страны приняты рекомендации по дополнительным мерам безопасности энергетических реакторов.
Установлены более строгие регламенты работ персонала АЭС.

Авария на Чернобыльской АЭС показала огромную опасность радиоактивных излучений.
Все люди должны иметь представление об этой опасности и мерах защиты от нее.

Физика атомного ядра. Физика, учебник для 11 класса - Класс!ная физика

В этом видеоуроке мы с вами выясним, какие излучения называют ионизирующими. Узнаем, в чём проявляется их биологическое воздействие на живые организмы. Познакомимся с некоторыми характеристиками радиоактивных излучений. А также познакомимся с коэффициентом качества радиоактивного излучения.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока "Биологические действия радиоактивных излучений"

В ходе серии экспериментов, проведённых в конце XIX начале ХХ века было обнаружено, что радиоактивное излучение имеет сложный состав, среди которого наиболее выделяются альфа-, бета- и гамма-излучения. Каждый из видов радиоактивного излучения отличается своими свойствами. Проникая в вещество, они взаимодействуют с электронными оболочками и ядрами атомов, возбуждая их либо вызывая ядерные реакции.

Часто одна радиоактивная частица в состоянии ионизировать несколько атомов, поэтому процесс распространения такого излучения через вещество сопровождается его сильной ионизацией. Вследствие этого ионизирующими называют такие излучения, взаимодействие которых с веществом приводит к ионизации его атомов и молекул.

Основу биологического действия ионизирующих излучений на живые ткани составляют сложные химические процессы, происходящие в клетках при поглощении излучений. Ионизация атомов и молекул вещества приводит к повреждению клеток и изменению структуры тканей. Часть атомов и молекул переходит в возбуждённое состояние и, возвращаясь в невозбуждённое состояние, отдаёт излишек энергии в виде ультрафиолетового излучения. Под его воздействием образуются новые молекулы, чуждые нормальной клетке, нарушается клеточное деление. В свою очередь это приводит к хромосомным перестройкам и возникновению мутаций, приводящих к изменениям в генах клетки. Таким образом, биологическое действие ионизирующих излучений сказывается не только на данном организме, но и на последующих поколениях.

Повреждения живого организма, вызванные действием ионизирующих излучений, называются лучевой болезнью. При большой интенсивности излучения живые организмы погибают. Опасность излучений усугубляется тем, что они не вызывают никаких болевых ощущений даже при смертельных дозах.

Человек может подвергнуться облучению двумя способами. Когда радиоактивные вещества находятся вне организма и облучают его снаружи, то говорят о внешнем облучении. Основную часть облучения, население земного шара получает от внешних естественных источников ионизирующих излучений: космических лучей, естественной радиоактивности горных пород и почвы.

В то же время радиоактивные изотопы могут попасть внутрь организма с пищей и водой, с вдыхаемым воздухом. Такой способ облучения называют внутренним.

Основными источниками внутреннего фонового облучения человеческого организма являются:

естественные изотопы углерода-14, которые содержатся во всех тканях человеческого организма;

естественные радиоактивные изотопы калия-40, содержащиеся в мягких тканях (в основном в мы́шцах);

долгоживущие изотопы радия-226 и его короткоживущие изотопы радия-224, откладывающиеся в костных тканях;

а также радон-222, торий-232 и их дочерние продукты распада, вдыхаемые с воздухом и откладывающиеся в дыхательных органах человека.

Поэтому очень важно уметь определять результат действия ионизирующего излучения на вещество, мерой которого является доза. А занимается этим наука, названная дозиметрией. Под дозой мы будем понимать количество энергии, переданной организму ионизирующим излучением. Существуют различные виды доз в зависимости от вида излучения, вида органа или ткани, подвергшихся облучению. Однако универсальной мерой воздействия на вещество любого вида излучения является поглощённая доза.

Поглощённой дозой ионизирующего излучения называют энергию излучения, поглощённой облучаемым веществом и рассчитанной на единицу массы.

В СИ за единицу поглощённой дозы излучения принят грей (Гр) в честь английского физика Стивена Грея.

Поглощённая доза излучения равна 1 Гр, если веществом массой 1 кг поглощено ионизирующее излучение, энергия которого равна 1 Дж.

Естественный фон радиации (космические лучи, радиоактивность земной коры и окружающей среды в целом) составляет дозу излучения около двух миллигрей (2 мГр) за год на человека. А доза излучения от трёх до десяти грэй (3—10 Гр), полученная за короткий промежуток времени, смертельна.

Поглощённая доза излучения имеет свойство накапливаться со временем: при одинаковых условиях она тем больше, чем больше время облучения. Поэтому в дозиметрии используют также понятие мощность дозы. Она равна отношению поглощённой дозы к промежутку времени, за который оно произошло:

Величина поглощённой дозы зависит от вида излучения, энергии его частиц, плотности их потока и от состава облучаемого вещества. Так, при одинаковой поглощённой дозе альфа-излучение гораздо опаснее бета- или гамма-лучей. Для учёта этого фактора вводится коэффициент относительной биологической активности (КОБА), или коэффициент качества.

Коэффициент качества показывает, во сколько раз радиационная опасность от воздействия на живой организм данного вида излучения больше, чем от воздействия гамма-излучения (при одинаковых поглощённых дозах).

В 1990 году Международная комиссия по радиологической защите при расчёте эквивалентной дозы рекомендовало вместо коэффициента качества применять взвешивающие коэффициенты излучения — безразмерные множители, на которые умножаются накопленные в органах и тканях эквивалентные дозы, чтобы оценить вклад облучения данного органа или ткани в общий вред здоровью.

Пересчитанную таким образом дозу называют эквивалентной дозой.

В СИ единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв). 1 Зв равен эквивалентной дозе, при которой доза поглощённого рентгеновского или гамма-излучения равна 1 Гр. Единица зиверт введена в честь шведского радиофизика Рольфа Зиверта, основоположника науки о защите от радиоактивного излучения.

При оценке воздействия ионизирующего излучения на живой организм учитывают и то, что одни части тела более чувствительны к облучению, чем другие. Иначе говоря, каждый орган и ткань организма имеют определённый взвешивающий тканевый коэффициент.

Интенсивность радиоактивного излучения оценивают также по его ионизирующей способности, поскольку физическое воздействие любого излучения на среду прежде всего связано с ионизацией атомов и молекул вещества. Данная характеристика называется экспозиционной дозой. В СИ она измеряется в кулонах на килограмм:

1 Кл/кг равен экспозиционной дозе излучения, при воздействии которого в сухом атмосферном воздухе массой 1 кг создаются ионы, суммарный электрический заряд которых каждого знака равен 1 Кл.

На практике продолжают также использовать внесистемную единицу экспозиционной дозы — рентген (Р):

1 Р = 2,58 · 10 –4 Кл/кг.

При дозе 1 Р в 1 см 3 сухого воздуха при нормальных условиях образуется примерно 2,08 · 10 9 пар ионов.

Заметим, что естественному облучению ионизирующим излучением подвергается любой житель Земли, а естественный радиационный фон, как мы упоминали ранее, составляет примерно 2 мЗв/год на человека. Половина этой дозы приходится на радон и продукты его распада. Человек подвергается также небольшим, как правило, облучениям от искусственных источников, в основном рентгеновского излучения при медицинских обследованиях. Также радиационный фон создаётся космическими лучами. Однако он даёт меньше половины внешнего облучения, получаемого населением от естественных источников радиации.

Для закрепления нового материала, решим с вами небольшую задачу. Средняя доза, поглощённая врачом, работающим с рентгеновской установкой 2 ч в день, равна 14 мкГр. Не заболеет ли врач, работающий 200 дней в году по 4 ч в день, если предельно допустимая доза равна 50 мГр в год?

В заключение отметим, что при работе с любым источником радиации необходимо принимать меры по радиационной защите всех людей, которые могут попасть в зону действия излучения. Самый простой и наиболее очевидный метод защиты — это держаться от источника излучения подальше, так как интенсивность излучения от объёмного источника убывает пропорционально расстоянию, а от точечного — пропорционально квадрату расстояния. Так же следует ограничить время пребывания в зоне воздействия ионизирующего излучения. В тех случаях, когда удаление от источника излучения на достаточно большое расстояние невозможно, для защиты от излучения используют преграды из поглощающих материалов и средства индивидуальной защиты, в основе которых присутствуют вещества, эффективно поглощающие ионизирующие излучения: свинец, бор или кадмий.

изменения, вызываемые в жизнедеятельности и структуре живых организмов при воздействии коротковолновых электромагнитных волн (рентгеновского излучения и гамма-излучения (См. Гамма-излучение)) или потоков заряженных частиц (альфа-частиц (См. Альфа-частицы), бета-излучения (См. Бета-излучение), Протонов) и Нейтронов.

Исследования Б. д. и. и. были начаты сразу после открытия рентгеновского излучения (1895) и радиоактивности (См. Радиоактивность) (1896). В 1896 русский физиолог И. Р. Тарханов показал, что рентгеновское излучение, проходя через живые организмы, нарушает их жизнедеятельность. Особенно интенсивно стали развиваться исследования Б. д. и. и. с началом применения атомного оружия (1945), а затем и мирного использования атомной энергии (см. Радиобиология).

Радиочувствительность разных видов организмов различна. Смерть половины облученных животных (при общем облучении) в течение 30 сут после облучения (летальная доза — ЛД 50 /₃₀) вызывается следующими дозами рентгеновского излучения: морские свинки 250 р, собаки 335 р, обезьяны 600 р, мыши 550—650 р, караси (при 18°С) 1800 р, змеи 8000—20000 р. Более устойчивы одноклеточные организмы: дрожжи погибают при дозе 30000 р, амёбы — 100000 р, а инфузории выдерживают облучение в дозе 300000 р. Радиочувствительность высших растений тоже различна: семена лилии полностью теряют всхожесть при дозе облучения 2000 р, на семена капусты не влияет доза в 64000 р.

Большое значение имеют также возраст (рис. 2), физиологическое состояние, интенсивность обменных процессов организма, а также условия облучения. При этом, помимо дозы облучения организма, играют роль: мощность, ритм и характер облучения (однократное, многократное, прерывистое, хроническое, внешнее, общее или частичное, внутреннее), его физические особенности, определяющие глубину проникновения энергии в организм (рентгеновское и гамма-излучение проникает на большую глубину, альфа-частицы до 40 мкм, бета-частицы — на несколько мм), плотность вызываемой излучением ионизации (под влиянием альфа-частиц она больше, чем при действии других видов излучения). Все эти особенности воздействующего лучевого агента определяют относительную биологическую эффективность (См. Относительная биологическая эффективность) излучения. Если источником излучения служат попавшие в организм радиоактивные Изотопы, то огромное значение для Б. д. и. и.. испускаемого этими изотопами, имеет их химическая характеристика, определяющая участие изотопа в обмене веществ, концентрацию в том или ином органе, а следовательно, и характер облучения организма.

Первичное действие радиации любого вида на любой биологический объект начинается с поглощения энергии излучения, что сопровождается возбуждением молекул и их ионизацией. При ионизации молекул воды (косвенное действие излучения) в присутствии кислорода возникают активные радикалы (ОН- и др.), гидратированные электроны, а также молекулы перекиси водорода, включающиеся затем в цепь химических реакций в клетке. При ионизации органических молекул (прямое действие излучения) возникают свободные радикалы (см. Радикалы свободные), которые, включаясь в протекающие в организме химические реакции, нарушают течение обмена веществ и, вызывая появление несвойственных организму соединений, нарушают процессы жизнедеятельности. При облучении в дозе 1000 р в клетке средней величины (10 -9 г) возникает около 1 млн. таких радикалов, каждый из которых в присутствии кислорода воздуха может дать начало цепным реакциям окисления, во много раз увеличивающим количество измененных молекул в клетке и вызывающим дальнейшее изменение надмолекулярных (субмикроскопических) структур. Выяснение большой роли свободного кислорода в цепных реакциях, ведущих к лучевому поражению, т.н. кислородного эффекта, способствовало разработке ряда эффективных радиозащитных веществ, вызывающих искусственную гипоксию (См. Гипоксия) в тканях организма. Большое значение имеет и Миграция энергии по молекулам биополимеров, в результате которой поглощение энергии, происшедшее в любом месте макромолекулы, приводит к поражению её активного центра (См. Активные центры) (например, к инактивации белка-фермента). Физические и физико-химические процессы, лежащие в основе Б. д. и. и., т. е. поглощение энергии и ионизация молекул, занимают доли сек (рис. 3).

Последующие биохимические процессы лучевого повреждения развиваются медленнее. Образовавшиеся активные радикалы нарушают нормальные ферментативные процессы в клетке, что ведёт к уменьшению количества богатых энергией (макроэргических) соединений. Особенно чувствителен к облучению синтез дезоксирибонуклеиновых кислот (См. Дезоксирибонуклеиновая кислота) (ДНК) в интенсивно делящихся клетках. Т. о., в результате цепных реакций, возникающих при поглощении энергии излучения, изменяются многие компоненты клетки, в том числе макромолекулы (ДНК, ферменты и др.) и сравнительно малые молекулы (аденозинтрифосфорная кислота, коферменты и др.). Это приводит к нарушению ферментативных реакций, физиологических процессов и клеточных структур.

Воздействие ионизирующего излучения вызывает повреждение клеток. Наиболее важно нарушение клеточного деления — Митоза. При облучении в сравнительно малых дозах наблюдается временная остановка митоза. Большие дозы могут вызвать полное прекращение деления или гибель клеток. Нарушение нормального хода митоза сопровождается хромосомными перестройками (См. Хромосомные перестройки), возникновением мутаций (См. Мутации), ведущими к сдвигам в генетическом аппарате клетки, а следовательно, к изменению последующих клеточных поколений (цитогенетический эффект.) При облучении половых клеток многоклеточных организмов нарушение генетического аппарата ведёт к изменению наследственных свойств развивающихся из них организмов (см. Генетическое действие излучении (См. Генетическое действие излучений)). При облучении в больших дозах происходит набухание и Пикноз ядра (уплотнение хроматина), затем структура ядра исчезает. В цитоплазме при облучении в дозах 10 000—20 000 р наблюдаются изменение вязкости, набухание протоплазматических структур, образование вакуолей (См. Вакуоли), повышение проницаемости. Всё это резко нарушает жизнедеятельность клетки.

Сравнительное изучение радиочувствительности ядра и цитоплазмы показало, что в большинстве случаев чувствительно к облучению ядро (например, облучение ядер сердечной мышцы тритона в дозе нескольких протонов на ядро вызвало типичные деструктивные изменения; доза в несколько тысяч раз большая не повредила цитоплазмы). Многочисленные данные показывают, что клетки наиболее радиочувствительны в период деления и дифференцировки: при облучении поражаются прежде всего растущие ткани. Это делает облучение наиболее опасным для детей и беременных женщин. На этом же основана и радиотерапия опухолей — растущая ткань опухоли погибает при облучении в дозах, которые меньше повреждают окружающие нормальные ткани.

Возникающие в облучаемых клетках изменения ведут к нарушениям в тканях, органах и жизнедеятельности всего организма. Особенно выражена реакция тканей, в которых отдельные клетки живут сравнительно недолго. Это слизистая оболочка желудка и кишечника, которая после облучения воспаляется, покрывается язвами, что ведёт к нарушению пищеварения и всасывания, а затем к истощению организма, отравлению его продуктами распада клеток (токсемия) и проникновению бактерий, живущих в кишечнике, в кровь (Бактериемия). Сильно повреждается кроветворная система, что ведёт к резкому уменьшению числа лейкоцитов в периферической крови и к снижению её защитных свойств. Одновременно падает и выработка антител (См. Антитела), что ещё больше ослабляет защитные силы организма. (Уменьшение способности облученного организма вырабатывать антитела и тем самым противостоять внедрению чужеродного белка используется при пересадке органов и тканей — перед операцией пациента облучают.) Уменьшается и количество эритроцитов, с чем связано нарушение дыхательной функции крови. Б. д. и. и. обусловливает нарушение половой функции и образования половых клеток вплоть до полного бесплодия (стерильности) облученных организмов. Важную роль в развитии лучевого поражения животных и человека играет нервная система. Так, у кроликов смертельный исход при облучении в дозе 1000 р часто определяется нарушениями в центральной нервной системе, вызывающими остановку сердечной деятельности и паралич дыхания. Исследования биоэлектрических потенциалов мозга облученных животных и людей, подвергающихся лучевой терапии, показали, что нервная система раньше других систем организма реагирует на радиационное воздействие. Облучение собак в дозе 5—20 р и хроническое облучение в дозе 0,05 р при достижении дозы в 3 р ведёт к изменению условных рефлексов. Большую роль в развитии лучевой болезни (См. Лучевая болезнь) играют и нарушения деятельности желёз внутренней секреции.

Для Б. д. и. и. характерно последействие, которое может быть очень длительным, т.к. по окончании облучения цепь биохимических и физиологических реакций, начавшихся с поглощения энергии излучения, продолжается долгое время. К отдалённым последствиям облучения относятся изменения крови (уменьшение числа лейкоцитов и эритроцитов), Нефросклероз, Циррозы печени, изменения мышечных оболочек сосудов, раннее старение, появление опухолей (см. Бластомогенное действие излучений). Эти процессы связаны с нарушением обмена веществ и нейроэндокринной системы, а также повреждением генетического аппарата клеток тела (Соматические мутации).

Растения, по сравнению с животными, более радиоустойчивы. Облучение в небольших дозах может стимулировать жизнедеятельность растений (рис. 4) — прорастание семян, интенсивность роста корешков, накопление зелёной массы и др. Большие дозы (20 000—40 000 р) вызывают снижение выживаемости растений, появление уродств, мутаций, возникновение опухолей. Нарушения роста и развития растений при облучении в значительной степени связаны с изменениями обмена веществ и появлением первичных радиотоксинов, которые в малых количествах стимулируют жизнедеятельность, а в больших — подавляют и нарушают её. Так, промывка облученных семян в течение суток после облучения снижает угнетающий эффект на 50—70%.

Лучевое повреждение организма сопровождается одновременно текущим процессом восстановления, который связан с нормализацией обмена веществ и регенерацией клеток. Поэтому облучение дробное или с малой мощностью доз вызывает меньшее повреждение, чем массивное воздействие. Изучение процессов восстановления важно для поисков радиозащитных веществ, а также средств и методов защиты организма от излучений (См. Защита организма от излучений). В небольших дозах все обитатели Земли постоянно подвержены действию ионизирующего излучения — космических лучей и радиоактивных изотопов, входящих в состав самих организмов и окружающей среды (см. Радиоактивность атмосферы, Радиоактивное загрязнение биосферы). Испытания атомного оружия и мирное применение атомной энергии повышают Фон радиоактивный. Это делает изучение Б. д. и. и. и поиски защитных средств всё более важными.

Б. д. и. и. пользуются в биологических исследованиях, в медицинской и с.-х. практике. На Б. д. и. и. основаны Лучевая терапия, Рентгенодиагностика, радиоизотопная терапия.

В сельском хозяйстве радиационные воздействия применяются с целью выведения новых форм растений, для предпосевной обработки семян, борьбы с вредителями (путём выведения и выпуска на поражаемые плантации обеспложенных облучением самцов), для лучевой консервации фруктов и овощей, предохранения продуктов растениеводства от вредителей (дозы, губительные для насекомых, безвредны для зерна) и др.

Лит.: Ливанов М. Н., Некоторые проблемы действия ионизирующей радиации на нервную систему, М., 1962; Кузин А. М., Радиационная биохимия, М., 1962; Бак З., Александер П. А., Основы радиобиологии, пер. с англ., М., 1963; Основы радиационной биологии, М., 1964; Первичные процессы лучевого поражения. Сб. ст., М., 1957; Корогодин В. И., Проблемы пострадиационного восстановления, М., 1966; Гродзенский Д. Э., Радиобиология, М., 1966; Радиационная медицина, М., 1968.

Читайте также: