Радиоактивные излучения и их воздействие на живые организмы кратко

Обновлено: 08.07.2024

Радиоактивные излучения, которые действуют на человека, разнообразны. Это не только β- и γ-лучи, но также, например, осколки ядер и нейтроны, возникающие в результате радиоактивного распада веществ. Основную часть облучения люди получают от естественных источников радиации, таких как горные породы, космические лучи, атмосферный воздух и пища. Совокупность излучения всех источников образует так называемый радиационный фон. Его влияние можно выразить формулой:

D – поглощённая доза, Гр
E – поглощённая энергия, Дж
m – масса вещества, кг

Согласно формуле, единицей поглощённой дозы является 1 грей (1 Гр = 1 Дж/кг). Например, для человека смертельная доза γ-излучения равна 6 Гр. Принимая массу человека за 70 кг, несложно подсчитать, что в организм попадает 420 Дж энергии – столько же, сколько при одном глотке горячего чая или кофе. Понятно, что тепловое воздействие γ-излучения не является непосредственной причиной поражения. Действительно, главным фактором возникновения лучевой болезни и последующей гибели организма является нарушение биохимических процессов клеток, возникающее по причине ионизации внутриклеточных веществ.

Поэтому необходимо учитывать не только энергию излучения, но и степень его опасности для живых клеток и тканей. Например, установлено, что поглощённая доза 1 Гр в виде α-излучения оказывает на организм примерно такое же воздействие, как и γ-излучение дозой 20 Гр. Поэтому для учёта биологического действия излучения применяют формулу:

H – эквивалентная доза, Зв
k – нормировочный коэффициент
D – поглощённая доза, Гр

Единицей эквивалентной дозы является 1 зиверт (1 Зв = 1 Дж/кг). Для рентгеновского и γ-излучения нормировочные коэффициенты равны единице, для остальных видов излучений они лежат в пределах от 1 до 20, что определяют по специальным таблицам. Их значения учитывают усреднённое биологическое воздействие разных видов ионизирующих излучений на живые ткани, органы и организмы в целом.

Из всех видов ионизирующих излучений α-лучи представляют наименьшую опасность для человека. В воздухе эти частицы могут пролететь всего лишь несколько сантиметров, кроме того, защитой может служить плотная одежда. Важно лишь не вдыхать радиоактивные газы и не употреблять продукты с радиоактивными примесями. Намного большую опасность представляет γ-излучение, поскольку летящие электроны, как правило, обладают значительной энергией. Они проходят в воздухе расстояние около 5 метров и легко проникают через одежду. Защитой могут служить обычные материалы, например каменные стены, толстый слой земли. Наибольший вред наносят γ- и нейтронное излучения. Например, γ-лучи проникают даже через метровый слой воды и 6-сантиметровый лист свинца. Для защиты применяют специальные многослойные материалы.

Для измерения мощности радиоактивного излучения есть специальные приборы – дозиметры. Как правило, в них используются счётчики Гейгера-Мюллера (см. § 15-е) и процессоры, автоматически пересчитывающие результаты в усреднённые по времени эквивалентные дозы для конкретного вида излучения. Например, на фотографии справа изображён дозиметр, измеряющий мощность γ-излучения в микрозивертах в час (мкЗв/ч). На табло вы видите значение 18,17 мкЗв/ч.

Допустимая доза, обусловленная суммарным воздействием природных (естественных) источников излучения, для населения нашей страны не регламентируется. Соответственно, не регламентируется и допустимая мощность дозы – радиационный фон. Для справки: радиационный фон 0,10-0,15 мкЗв/ч типичен для большинства местностей большинства стран. Однако в законодательстве нашей страны говорится, что если мощность γ-излучения в помещениях превышает радиационный фон на открытой местности более чем на 0,2 мкЗв/ч, то должны проводиться защитные мероприятия. Следовательно, если на индикаторе дозиметра вы видите менее 0,30-0,35 мкЗв/ч, радиационную обстановку вокруг вас можно считать безопасной. Примечание: радиационный фон 2,0-2,5 мкЗв/ч типичен для высот порядка 10 км над уровнем моря – это высота большинства пассажирских авиамаршрутов.

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

Радиация и виды радиоактивных излучений, состав радиоактивного (ионизирующего) излучения и его основные характеристики. Действие радиации на вещество.

Что такое радиация

Для начала дадим определение, что такое радиация:

В процессе распада вещества или его синтеза происходит выброс элементов атома (протонов, нейтронов, электронов, фотонов), иначе можно сказать происходит излучение этих элементов. Подобное излучение называют - ионизирующее излучение или что чаще встречается радиоактивное излучение, или еще проще радиация. К ионизирующим излучениям относится так же рентгеновское и гамма излучение.

Радиация - это процесс излучения веществом заряженных элементарных частиц, в виде электронов, протонов, нейтронов, атомов гелия или фотонов и мюонов. От того, какой элемент излучается, зависит вид радиации.

Ионизация - это процесс образования положительно или отрицательно заряженных ионов или свободных электронов из нейтрально заряженных атомов или молекул.

Радиоактивное (ионизирующее) излучение можно разделить на несколько типов, в зависимости от вида элементов из которого оно состоит. Разные виды излучения вызваны различными микрочастицами и поэтому обладают разным энергетическим воздействие на вещество, разной способностью проникать сквозь него и как следствие различным биологическим действием радиации.

Альфа, бета и нейтронное излучение - это излучения, состоящие из различных частиц атомов.

Гамма и рентгеновское излучение - это излучение энергии.

Альфа излучение

излучаются: два протона и два нейтрона
проникающая способность: низкая
облучение от источника: до 10 см
скорость излучения: 20 000 км/с
ионизация: 30 000 пар ионов на 1 см пробега
биологическое действие радиации: высокое

Альфа (α) излучение возникает при распаде нестабильных изотопов элементов.

Альфа излучение - это излучение тяжелых, положительно заряженных альфа частиц, которыми являются ядра атомов гелия (два нейтрона и два протона). Альфа частицы излучаются при распаде более сложных ядер, например, при распаде атомов урана, радия, тория.

Альфа частицы обладают большой массой и излучаются с относительно невысокой скоростью в среднем 20 тыс. км/с, что примерно в 15 раз меньше скорости света. Поскольку альфа частицы очень тяжелые, то при контакте с веществом, частицы сталкиваются с молекулами этого вещества, начинают с ними взаимодействовать, теряя свою энергию и поэтому проникающая способность данных частиц не велика и их способен задержать даже простой лист бумаги.

Однако альфа частицы несут в себе большую энергию и при взаимодействии с веществом вызывают его значительную ионизацию. А в клетках живого организма, помимо ионизации, альфа излучение разрушает ткани, приводя к различным повреждениям живых клеток.

Из всех видов радиационного излучения, альфа излучение обладает наименьшей проникающей способностью, но последствия облучения живых тканей данным видом радиации наиболее тяжелые и значительные по сравнению с другими видами излучения.

Облучение радиацией в виде альфа излучения может произойти при попадании радиоактивных элементов внутрь организма, например, с воздухом, водой или пищей, а также через порезы или ранения. Попадая в организм, данные радиоактивные элементы разносятся током крови по организму, накапливаются в тканях и органах, оказывая на них мощное энергетическое воздействие. Поскольку некоторые виды радиоактивных изотопов, излучающих альфа радиацию, имеют продолжительный срок жизни, то попадая внутрь организма, они способны вызвать в клетках серьезные изменения и привести к перерождению тканей и мутациям.

Радиоактивные изотопы фактически не выводятся с организма самостоятельно, поэтому попадая внутрь организма, они будут облучать ткани изнутри на протяжении многих лет, пока не приведут к серьезным изменениям. Организм человека не способен нейтрализовать, переработать, усвоить или утилизировать, большинство радиоактивных изотопов, попавших внутрь организма.

Нейтронное излучение

излучаются: нейтроны
проникающая способность: высокая
облучение от источника: километры
скорость излучения: 40 000 км/с
ионизация: от 3000 до 5000 пар ионов на 1 см пробега
биологическое действие радиации: высокое

Нейтронное излучение - это техногенное излучение, возникающие в различных ядерных реакторах и при атомных взрывах. Также нейтронная радиация излучается звездами, в которых идут активные термоядерные реакции.

Не обладая зарядом, нейтронное излучение сталкиваясь с веществом, слабо взаимодействует с элементами атомов на атомном уровне, поэтому обладает высокой проникающей способностью. Остановить нейтронное излучение можно с помощью материалов с высоким содержанием водорода, например, емкостью с водой. Так же нейтронное излучение плохо проникает через полиэтилен.

Нейтронное излучение при прохождении через биологические ткани, причиняет клеткам серьезный ущерб, так как обладает значительной массой и более высокой скоростью чем альфа излучение.

Бета излучение

излучаются: электроны или позитроны
проникающая способность: средняя
облучение от источника: до 20 м
скорость излучения: 300 000 км/с
ионизация: от 40 до 150 пар ионов на 1 см пробега
биологическое действие радиации: среднее

Бета (β) излучение возникает при превращении одного элемента в другой, при этом процессы происходят в самом ядре атома вещества с изменением свойств протонов и нейтронов.

При бета излучении, происходит превращение нейтрона в протон или протона в нейтрон, при этом превращении происходит излучение электрона или позитрона (античастица электрона), в зависимости от вида превращения. Скорость излучаемых элементов приближается к скорости света и примерно равна 300 000 км/с. Излучаемые при этом элементы называются бета частицы.

Имея изначально высокую скорость излучения и малые размеры излучаемых элементов, бета излучение обладает более высокой проникающей способностью чем альфа излучение, но обладает в сотни раз меньшей способность ионизировать вещество по сравнению с альфа излучением.

Бета радиация с легкостью проникает сквозь одежду и частично сквозь живые ткани, но при прохождении через более плотные структуры вещества, например, через металл, начинает с ним более интенсивно взаимодействовать и теряет большую часть своей энергии передавая ее элементам вещества. Металлический лист в несколько миллиметров может полностью остановить бета излучение.

Если альфа радиация представляет опасность только при непосредственном контакте с радиоактивным изотопом, то бета излучение в зависимости от его интенсивности, уже может нанести существенный вред живому организму на расстоянии несколько десятков метров от источника радиации.

Если радиоактивный изотоп, излучающий бета излучение попадает внутрь живого организма, он накапливается в тканях и органах, оказывая на них энергетическое воздействие, приводя к изменениям в структуре тканей и со временем вызывая существенные повреждения.

Некоторые радиоактивные изотопы с бета излучением имеют длительный период распада, то есть попадая в организм, они будут облучать его годами, пока не приведут к перерождению тканей и как следствие к раку.

Гамма излучение

излучаются: энергия в виде фотонов
проникающая способность: высокая
облучение от источника: до сотен метров
скорость излучения: 300 000 км/с
ионизация: от 3 до 5 пар ионов на 1 см пробега
биологическое действие радиации: низкое

Гамма (γ) излучение - это энергетическое электромагнитное излучение в виде фотонов.

Гамма радиация сопровождает процесс распада атомов вещества и проявляется в виде излучаемой электромагнитной энергии в виде фотонов, высвобождающихся при изменении энергетического состояния ядра атома. Гамма лучи излучаются ядром со скоростью света.

Когда происходит радиоактивный распад атома, то из одних веществ образовываются другие. Атом вновь образованных веществ находятся в энергетически нестабильном (возбужденном) состоянии. Воздействую друг на друга, нейтроны и протоны в ядре приходят к состоянию, когда силы взаимодействия уравновешиваются, а излишки энергии выбрасываются атомом в виде гамма излучения

Гамма излучение обладает высокой проникающей способностью и с легкостью проникает сквозь одежду, живые ткани, немного сложнее через плотные структуры вещества типа металла. Чтобы остановить гамма излучение потребуется значительная толщина стали или бетона. Но при этом гамма излучение в сто раз слабее оказывает действие на вещество чем бета излучение и десятки тысяч раз слабее чем альфа излучение.

Основная опасность гамма излучения - это его способность преодолевать значительные расстояния и оказывать воздействие на живые организмы за несколько сотен метров от источника гамма излучения.

Рентгеновское излучение

излучаются: энергия в виде фотонов
проникающая способность:высокая
облучение от источника: до сотен метров
скорость излучения: 300 000 км/с
ионизация: от 3 до 5 пар ионов на 1 см пробега
биологическое действие радиации: низкое

Рентгеновское излучение - это энергетическое электромагнитное излучение в виде фотонов, возникающие при переходе электрона внутри атома с одной орбиты на другую.

Рентгеновское излучение сходно по действию с гамма излучением, но обладает меньшей проникающей способностью, потому что имеет большую длину волны.

Рассмотрев различные виды радиоактивного излучения, видно, что понятие радиация включает в себя совершенно различные виды излучения, которые оказывают разное воздействие на вещество и живые ткани, от прямой бомбардировки элементарными частицами (альфа, бета и нейтронное излучение) до энергетического воздействия в виде гамма и рентгеновского излечения.

Каждое из рассмотренных излучений опасно!

Сравнительная таблица с характеристиками различных видов радиации

характеристика	Вид радиации
характеристика	Альфа излучение	Нейтронное излучение	Бета излучение	Гамма излучение	Рентгеновское излучение
излучаются	два протона и два нейтрона	нейтроны	электроны или позитроны	энергия в виде фотонов	энергия в виде фотонов
проникающая способность	низкая	высокая	средняя	высокая	высокая
облучение от источника	до 10 см	километры	до 20 м	сотни метров	сотни метров
скорость излучения	20 000 км/с	40 000 км/с	300 000 км/с	300 000 км/с	300 000 км/с
ионизация, пар на 1 см пробега	30 000	от 3000 до 5000	от 40 до 150	от 3 до 5	от 3 до 5
биологическое действие радиации	высокое	высокое	среднее	низкое	низкое

Как видно из таблицы, в зависимости от вида радиации, излучение при одной и той же интенсивности, например в 0.1 Рентген, будет оказать разное разрушающее действие на клетки живого организма. Для учета этого различия, был введен коэффициент k, отражающий степень воздействия радиоактивного излучения на живые объекты.

Коэффициент k
Вид излучения и диапазон энергий	Весовой множитель
Фотоны всех энергий (гамма излучение)	1
Электроны и мюоны всех энергий (бета излучение)	1
Нейтроны с энергией 20 МэВ (нейтронное излучение)	5
Протоны с энергий > 2 МэВ (кроме протонов отдачи)	5
Альфа-частицы, осколки деления и другие тяжелые ядра (альфа излучение)	20

Чем выше "коэффициент k" тем опаснее действие определенного вида радиции для тканей живого организма.

Видео: Виды радиации

Радиоактивность – это свойство некоторых веществ испускать невидимое излучение, превращаясь в другие вещества. Испускаемые при этом лучи (радиация) влияют на все окружающее, в том числе и на ткани человека и других живых организмов. Поговорим кратко о биологическом действии радиации.

Влияние радиации на живые клетки

Рис. 1. Живая клетка.

Радиоактивное излучение может выбивать электроны из электронных оболочек атомов, ионизируя их, из-за чего химические свойства вещества заметно меняются. Еще худшие последствия имеет влияние радиации на ядра атомов – хотя, такие события происходят значительно реже, атомы при этом полностью меняются, превращаясь в совсем другие вещества, при этом они сами становятся радиоактивными.

Все это приводит к ряду негативных последствий для работы клетки:

изменяется внутриклеточная среда, в ней появляются вещества, которых там быть не должно, а те, которые были там, изменяют свои свойства;
нарушается функционирование мембран клетки, что также влияет на внутриклеточную среду не лучшим образом;
на устранение изменений внутриклеточной среды клетка вынуждена тратить свои ресурсы;
изменяется наследственная информация ДНК.

В каждой клетке есть механизмы, поддерживающие внутриклеточное равновесие химических веществ, они могут устранять нарушения, производимые радиацией. Однако, их возможности рассчитаны на обычный природный фон. Если же полученная доза радиации превышает его – в клетке начинаются необратимые изменения, вплоть до ее гибели.

Доза радиации

Для оценки воздействия радиации на биологическое вещество используется ряд единиц. Суть действия радиации в том, что она передает веществу некоторую энергию, поэтому энергия радиации, полученная единицей массы вещества, называется поглощенной дозой, и в системе СИ измеряется в Греях. Доза радиации в 1 Грей это такая доза, при которой каждый килограмм вещества получает энергию радиации 1 Джоуль:

Также широко применяется устаревшая единица Рентген (Р), основанная на количестве ионизированных радиацией атомов. Для практических целей можно считать:

Следует учесть, что различные виды радиации по-разному влияют на биологические ткани, наименьшее влияние оказывают мягкие рентгеновские лучи, наиболее опасными являются α-частицы. Поэтому вводится специальный коэффициент качества $k$, равный единице для рентгеновского излучения. Для α-частиц $k_α=20$. А действие радиации на биологическую ткань характеризуется эквивалентной дозой, и измеряется в Зивертах (Зв), один Зиверт равен поглощенной дозе 1Грей при единичном коэффициенте качества. Умножая поглощенную дозу на коэффициент качества, получаем эквивалентную дозу:

Рис. 3. Максимальные дозы радиации.

Что мы узнали?

Биологическое действие радиации состоит в изменении химического состава вещества клетки, что приводит к нарушениям в ее работе. Более того, нарушения в наследственной информации могут привести к наследственным мутациям, и даже к невозможности дальнейшего размножения клетки и организма в целом.

Читайте также: