Биологическое действие ионизирующей радиации

На прошлых уроках мы изучали атомную энергетику и работу атомных электростанций. Мы увидели, что ядерные реакторы позволяют получать огромное количество энергии из небольшого количества топлива. Атомная энергетика обеспечивает миллионы людей электричеством и играет важную роль в современной энергетике (рисунок 1).

Но любой мощный источник энергии требует понимания его возможных опасностей. Так, в ядерном реакторе происходит цепная реакция деления ядер. Значит, образуются радиоактивные вещества и возникает ионизирующее излучение (рисунок 2). В процессе работы атомной электростанции накапливаются радиоактивные отходы, которые необходимо надежно хранить. Кроме того, история знает случаи аварий на атомных объектах, при которых радиация выходила за пределы защитных систем.

Поэтому возникает естественные вопросы: как это излучение действует на живые организмы? Почему радиация может быть опасной? И можно ли количественно оценить степень этой опасности?

На данном уроке мы ответим на эти вопросы. Мы разберем, как радиация влияет на клетки организма, познакомимся с понятиями поглощенной, эквивалентной и эффективной доз излучения. Также узнаем, как можно защититься от ионизирующего излучения и какие существуют нормы радиационной безопасности.

Ионизирующие излучения

Как мы уже знаем, радиоактивное излучение бывает трех основных видов: $\alpha$-, $\beta$- и $\gamma$-излучение. По своей физической природе они представляют собой потоки частиц или кванты электромагнитного излучения (рисунок 3).

Эти виды излучения соответствуют различным процессам, происходящим в нестабильном атомном ядре при его распаде. В каждом конкретном акте распада реализуется определенный механизм — происходит или $\alpha$-, или $\beta$-распад (рисунок 4).

При этом образовавшееся ядро часто оказывается в возбужденном состоянии. При его переходе в основное состояние (на более низкий энергетический уровень) испускается $\gamma$-квант (рисунок 5). Поэтому в реальных условиях радиоактивные атомные ядра могут испускать как один вид излучения, так и сразу несколько.

Несмотря на различную природу, все эти виды излучения обладают общим свойством. Энергия их частиц достаточно велика, чтобы при взаимодействии с веществом они выбивали электроны из атомов (рисунок 6). Этот процесс называется ионизацией. В результате в веществе образуются положительные ионы и свободные электроны.

Именно поэтому радиоактивное излучение часто называют ионизирующим.  Оно способно создавать ионы в веществе, через которое проходит.

Ионизирующим излучением является не только излучение, возникающее при радиоактивных распадах, но и другие виды высокоэнергетического излучения. Например, ионизацию вещества также вызывают рентгеновское и нейтронное излучения.

Рентгеновское излучение по своей природе близко к $\gamma$-излучению. Оно также относится к электромагнитному излучению. Но $\gamma$-кванты испускаются атомными ядрами, а рентгеновское излучение возникает при взаимодействии быстрых электронов с веществом (рисунок 7).

Быстрые нейтроны могут возникать в ядерных реакциях. Например, при делении ядер урана-235. Так как нейтроны не имеют электрического заряда, они не вызывают ионизацию напрямую. В отличие от $\gamma$-квантов, которые взаимодействуют чаще всего с электронами вещества, нейтроны взаимодействуют с атомными ядрами. При столкновениях с ними нейтроны передают ядрам энергию и вызывают появление заряженных частиц (например, протонов — рисунок 8). Эти протоны и производят ионизацию вещества. Также нейтроны могут вызывать и ядерные превращения, но основной эффект нейтронного излучения также связан с процессами ионизации.

{"questions":[{"content":"Какое излучение не является ионизирующим?[[choice-117]]","widgets":{"choice-117":{"type":"choice","options":["Инфракрасное излучение","$\\alpha$-излучение","$\\beta$-излучение","$\\gamma$-излучение","Рентгеновское излучение","Нейтронное излучение"],"answer":[0]}}}],"mix":1}

Биологическое действие ионизирующего излучения

Когда ионизирующее излучение проходит через твердые вещества (металлы, кристаллы), оно может вызывать не только ионизацию, но и смещение атомов из узлов кристаллической решетки. В результате возникают дефекты структуры (рисунок 9). Эти изменения могут приводить к изменению механических свойств материала. Например, делать материал более прочным или, наоборот, более хрупким.

Иногда при облучении металлов возможны ядерные реакции в веществе. В этом случае некоторые атомы превращаются в другие изотопы. Материал при этом может стать радиоактивным. Это явление называют наведенной радиоактивностью.

Но если ионизация происходит в живой ткани, ситуация меняется. Живой организм состоит из клеток. Клетки содержат сложные органические молекулы. Особое значение имеют молекулы ДНК — носители наследственной информации (рисунок 10).

Ионизирующее излучение может:

• непосредственно разорвать химические связи в молекуле ДНК,
• ионизировать молекулы воды в клетке. В результате этого образуются химически активные частицы (свободные радикалы), которые затем повреждают ДНК.

Клетки любого живого организма постоянно делятся (рисунок 11). Благодаря делению происходит рост организма, обновление тканей, заживление ран. При каждом делении клетка должна точно скопировать молекулу ДНК, чтобы передать наследственную информацию дочерним клеткам.

Если ионизирующее излучение повреждает ДНК (рисунок 12), то и процесс копирования может нарушиться. То есть эти повреждения нарушают процесс деления клетки. Возникают мутации — изменения в генетическом коде. Иногда клетке удается «исправить» повреждение. Если этого не происходит, клетка может погибнуть, запустив механизм самоуничтожения (апоптоз). А в некоторых случаях поврежденная клетка продолжает делиться с ошибками в генетическом коде. Это может со временем привести к образованию опухоли.

Важно понимать, что ионизирующее излучение опасно не потому, что «сразу больно», а потому что его действие часто незаметно в момент облучения. Повреждение одной или нескольких клеток человек никак не ощущает. В нашем организме постоянно происходят микроскопические процессы деления, гибели и восстановления клеток — это абсолютно нормально.

{"questions":[{"content":"Если ионизирующее излучение повреждает ДНК, то [[fill_choice_big-124]].","widgets":{"fill_choice_big-124":{"type":"fill_choice_big","options":["может нарушиться процесс копирования наследственной информации","человек сразу ощущает боль","клетка начинает быстрее делиться","организм становится невосприимчивым к радиации"],"answer":0}}}],"mix":1}

Последствия облучения

Последствия зависят от полученной дозы излучения. При малых дозах гибели большого числа клеток не происходит. Возможные последствия проявляются не сразу, а через годы. Они связаны с повышением вероятности онкологических заболеваний.

При больших дозах, полученных за короткое время, повреждений становится слишком много. Клетки массово погибают. Особенно страдают быстро делящиеся клетки костного мозга, кишечника, кожи.

В результате нарушается образование клеток крови, ослабевает иммунная система. Уже в первые часы или дни могут появиться слабость, тошнота, рвота, головокружение. Позже возможны выпадение волос, внутренние кровотечения (из-за снижения числа клеток крови), тяжелые инфекции. Страдают внутренние органы.

Такое состояние организма, возникающее при воздействии большой дозы ионизирующего излучения за короткое время, называют лучевой болезнью.

{"questions":[{"content":"При больших дозах излучения, полученных за короткое время, [[fill_choice_big-129]].","widgets":{"fill_choice_big-129":{"type":"fill_choice_big","options":["происходит массовая гибель клеток","организм полностью восстанавливается за несколько часов","повреждаются только кости","излучение перестаёт воздействовать на организм"],"answer":0}}}],"mix":1}

Лечение

Лечение лучевой болезни проводится в специализированных медицинских учреждениях. Оно направлено на поддержание жизненно важных функций организма, профилактику инфекций и восстановление кроветворения. Пациентам вводят препараты крови, назначают антибиотики, применяют средства, стимулирующие работу костного мозга. В тяжелых случаях возможна трансплантация костного мозга.

Прогноз напрямую зависит от полученной дозы излучения. При умеренных дозах возможно постепенное восстановление. Ведь сохранившиеся клетки продолжают делиться и компенсируют утраченные. При чрезвычайно больших дозах массовая гибель клеток и поражение внутренних органов могут привести к летальному исходу.

{"questions":[{"content":"Как называется состояние организма, возникающее при воздействии больших доз ионизирующего излучения за короткое время?[[choice-133]]","widgets":{"choice-133":{"type":"choice","options":["Лучевая болезнь","Интоксикация","Анемия","Иммунодефицит"],"answer":[0]}}}],"mix":1}

Проникающая способность ионизирующих излучений

Тяжесть биологических последствий зависит не только от величины дозы. Существенную роль играет характер самого излучения. Разные виды излучения по-разному взаимодействуют с организмом, поэтому их опасность также различается. Имеет большое значение, как глубоко излучение проникает в организм.

$\alpha$-частицы имеют малую проникающую способность (рисунок 13). Мы говорили, что их может остановить обычный лист бумаги. У живого организма их останавливает верхний слой кожи. Поэтому внешнее $\alpha$-излучение обычно не опасно. Но если источник излучения попадает внутрь организма с пищей или воздухом, $\alpha$-частицы начинают разрушать ткани изнутри.

$\beta$-частицы проникают глубже (рисунок 14). В живом организме они они проникают на глубину от  нескольких миллиметров до одного–двух сантиметров в зависимости от их энергии. Они поражают кожу и поверхностные ткани, иногда достигая подкожной клетчатки и мышц. Их может остановить слой алюминия толщиной несколько миллиметров.

Высокой проникающей способностью обладает $\gamma$-излучение (рисунок 15). Значительная часть $\gamma$-квантов проходит через все тело человека, лишь частично поглощаясь тканями. Это излучение может задержать только толстый слой свинца или бетона.

Нейтронное излучение также обладает высокой проникающей способностью. Это обусловлено тем, что нейтроны не имеют электрического заряда и могут глубоко проникать в вещество. Для защиты от нейтронного излучения используют материалы, содержащие легкие ядра (например, воду, парафин, полиэтилен), которые замедляют нейтроны. После замедления их поглощают специальные вещества — соединения бора или кадмия (рисунок 16).

Рентгеновское излучение по проникающей способности тоже близко к $\gamma$-излучению. В медицине используют этот вид излучения с заранее заданной невысокой энергией и низкой интенсивностью. В этих условиях оно проходит через мягкие ткани и почти полностью поглощается плотными структурами. Это позволяет получить изображение внутренних органов или костей (рисунок 17). Получаемая при этом пациентом доза облучения невелика. Она считается относительно безопасной для пациента — не приводит к заметным повреждениям тканей. Риск от такого обследования крайне мал по сравнению с его диагностической пользой.

{"questions":[{"content":"Внешнее $\\alpha$-излучение обычно не опасно, потому что [[fill_choice_big-137]].","widgets":{"fill_choice_big-137":{"type":"fill_choice_big","options":["его останавливает верхний слой кожи","оно не взаимодействует с тканями организма","оно проникает глубже $\\gamma$-излучения","его можно остановить только толстым слоем свинца"],"answer":0}}}],"mix":1}

Поглощенная доза излучения

Мы увидели, что последствия облучения зависят от того, какую дозу получил организм. Чтобы понять, что такое «доза» и как ее можно измерить, необходимо определить, сколько энергии ионизирующее излучение передает веществу.

Поглощенная доза — это энергия ионизирующего излучения, поглощенная облучаемым веществом (в частности, тканями живого организма) и рассчитанная на единицу массы.

Эта физическая величина обозначается буквой $D$. Она равна отношению поглощенной телом энергии $E$ к массе этого тела $m$ (рисунок 18).

$D = \frac{E}{m}$

В СИ единицей поглощенной дозы излучения является грэй ($Гр$).

Поглощенная доза излучения будет равна $1 \space Гр$, если веществу массой $1 \space кг$ передается энергия излучения в $1 \space Дж$:
$1 \space Гр = \frac{1 \space Дж}{1 \space кг}$.

В определенных случаях поглощенную дозу можно измерять в рентгенах ($Р$). Например, при облучении живых существ рентгеновским или $\gamma$-излучением. В мягких тканях человека можно считать, что $1 \space Гр$ соответствует примерно $100 \space Р$.

Чем больше энергии приходится на единицу массы, тем серьезнее повреждения. Также важно понимать, что доза накапливается со временем. Если человек долго находится рядом с источником радиации, полученная энергия увеличивается.

{"questions":[{"content":"По какой формуле можно рассчитать поглощенную дозу излучения?[[choice-141]]","widgets":{"choice-141":{"type":"choice","options":["$D = \\frac{E}{m}$","$D = Em^2$","$D = \\frac{m}{2E}$","$D = mgh$"],"answer":[0]}}}],"mix":1}

Коэффициент качества

Но при оценке тяжести последствий облучения возникает сложность. Дело в том, что одинаковая поглощенная доза разных видов излучений вызывает разный биологический эффект (рисунок 19).

Последствия излучения, вызванные любыми видами ионизирующих излучений, принято оценивать по сравнению с эффектом от рентгеновского или $\gamma$-излучения.

• $\alpha$-излучение при той же поглощенной дозе примерно в $20$ раз опаснее $\gamma$-излучения;
• от воздействия быстрых нейтронов эффект может быть в $10$ раз больше, чем от $\gamma$-излучения;
• от действия $\beta$-излучения эффект будет примерно такой же, как и от $\gamma$-излучения.

Чтобы учесть это различие, вводят коэффициент качества $K$. Это число — безразмерная величина.

Коэффициент качества $K$ — это коэффициент, показывающий, во сколько раз радиационная опасность от воздействия на живой организм данного вида излучения больше, чем от действия $\gamma$-излучения при одинаковых поглощенных дозах.

В таблице 1 приведены коэффициенты качества для разных видов излучений.

{"questions":[{"content":"Коэффициент качества $K$ нейтронного излучения равен [[fill_choice_big-145]].","widgets":{"fill_choice_big-145":{"type":"fill_choice_big","options":["$10$","$20$","$1$","$0$"],"answer":0}}}],"mix":1}

Эквивалентная доза

Итак, для оценки биологического действия излучения необходимо учитывать не только величину поглощенной дозы $D$, но и коэффициент качества $K$ данного вида излучения. С этой целью вводят новую физическую величину — эквивалентную дозу.

Эквивалентная доза — это физическая величина, отражающая биологический эффект ионизирующего излучения на ткани организма.  

Эквивалентная доза обозначается буквой $H$. Она равна произведению поглощенной дозы на коэффициент качества.

$H = DK$

Единицей измерения эквивалентной дозы в СИ является зиверт ($Зв$).

Эквивалентная доза излучения будет равна $1 \space Зв$, если поглощенная веществом доза равна $1 \space Гр$ от излучения с коэффициентом качества, равным $1$:
$1 \space Зв = 1 \space Гр \cdot 1$.

Из формулы эквивалентной дозы ($H = DK$) следует, что для рентгеновского, $\gamma$- и $\beta$-излучений $1 \space Зв$ будет соответствовать поглощенной дозе в $1 \space Гр$, потому что для этих видов излучений $K = 1$. Для других видов излучения — $1 \space Зв$ будет соответствовать дозе в $1 \space Гр$, умноженной на коэффициент качества данного вида излучения.

Часто применяются дольные единицы: миллизиверт $мЗв$ и микрозиверт $мкЗв$.

$1 \space мЗв = 10^{−3} \space Зв$,
$1 \space мкЗв = 10^{−6} \space Зв$.

{"questions":[{"content":"Эквивалентная доза излучения измеряется в [[fill_choice_big-150]].","widgets":{"fill_choice_big-150":{"type":"fill_choice_big","options":["зивертах ($Зв$)","грэях ($Гр$)","беккерелях ($Бк$)","кулонах ($Кл$)"],"answer":0}}}],"mix":1}

Коэффициент радиационного риска

Но даже эквивалентная доза не полностью характеризует радиационную опасность для организма. Дело в том, что разные органы и ткани обладают неодинаковой чувствительностью к излучению.

Например, при одинаковой эквивалентной дозе вероятность развития рака в легких выше, чем в щитовидной железе. Это означает, что вклад облучения разных органов в общий риск для здоровья различен (рисунок 20).

Для учета различной радиочувствительности тканей вводят коэффициенты радиационного риска (тканевые коэффициенты) $w_t$. Это безразмерные величины. Каждому органу соответствует свой коэффициент. Например, для легких он равен $0.12$, а для щитовидной железы — $0.03$ (таблица 2).

{"questions":[{"content":"Для учета различной радиочувствительности органов вводят [[fill_choice_big-159]].","widgets":{"fill_choice_big-159":{"type":"fill_choice_big","options":["тканевые коэффициенты радиационного риска","поглощенную дозу","коэффициенты проникающей способности","период полураспада"],"answer":0}}}],"mix":1}

Эффективная доза

Итак, каждому органу соответствует свой тканевой коэффициент. Эти коэффициенты показывают, насколько велик вклад облучения данного органа в общий риск для здоровья человека.

Но человек — это не один орган, а целый организм. Облучение может затрагивать сразу несколько тканей и органов. Поэтому важно понять, какой суммарный риск для всего организма в целом. Именно для этого вводится еще одна физическая величина — эффективная доза $E$.

Эффективная доза — это величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности.

Она рассчитывается следующим образом. Для каждого органа эквивалентную дозу $H$ умножают на его тканевой коэффициент $w_t$, а затем полученные значения складывают.

Так эффективная доза показывает суммарный биологический риск для всего организма. При этом она учитывает вид излучения и чувствительность конкретных органов (рисунок 21). Именно поэтому эффективная доза считается наиболее полной характеристикой радиационной опасности.

Единицей измерения эффективной дозы, как и эквивалентной, является зиверт ($Зв$).

{"questions":[{"content":"С помощью эффективной дозы можно [[fill_choice_big-163]].","widgets":{"fill_choice_big-163":{"type":"fill_choice_big","options":["оценить суммарный риск от воздействия радиации для всего организма","измерить активность радиоактивного вещества","узнать глубину проникновения излучения","вычислить скорость деления клеток"],"answer":0}}}],"mix":1}

Радиационные дозы

Итак, поглощенная доза показывает, сколько энергии излучение передало веществу, эквивалентная доза учитывает вид излучения через коэффициент качества, а эффективная доза учитывает чувствительность разных органов через коэффициенты радиационного риска (таблица 3).

{"questions":[{"content":"Какая доза учитывает вид излучения и чувствительность облучаемых органов?[[choice-167]]","widgets":{"choice-167":{"type":"choice","options":["Эффективная","Эквивалентная","Экспозиционная","Поглощенная"],"answer":[0]}}}],"mix":1}

Накопление дозы

Поглощенная, эквивалентная и эффективная дозы зависят от времени облучения. То есть от продолжительности воздействия излучения.

Чем дольше организм находится под воздействием излучения, тем больше полученные радиационные дозы.

Иначе говоря, радиационные дозы накапливаются со временем.

Если мощность излучения постоянна, то полученная доза увеличивается равномерно.
Например, если за один час человек получает $0.2 \space мЗв$, то за 5 часов он получит уже $1 \space мЗв$. Следовательно, при одинаковой интенсивности излучения решающим фактором становится время воздействия.

Однако в реальных условиях мощность излучения не всегда остается постоянной. Если излучение связано с радиоактивными изотопами, то число еще нераспавшихся атомов со временем постепенно уменьшается (рисунок 22). Также уменьшается и число распадов в единицу времени. Значит — уменьшается и интенсивность излучения. Таким образом, доза накапливается все медленнее, потому что сам источник со временем «ослабевает». Это явление связано с физической величиной, называемой периодом полураспада, которую мы подробно изучим на следующем уроке.

Получается, что при работе с источниками излучения необходимо учитывать и изменение активности источника, и время пребывания в зоне облучения.

{"questions":[{"content":"Если мощность излучения постоянна, то полученная доза [[fill_choice_big-172]].","widgets":{"fill_choice_big-172":{"type":"fill_choice_big","options":["увеличивается равномерно","уменьшается со временем","не зависит от времени облучения","зависит только от вида излучения"],"answer":0}}}],"mix":1}

Естественный радиационный фон

Мы живем в мире, где ионизирующее излучение существует с момента формирования Земли. Оно является естественной частью окружающей среды. Обычно такие малые дозы не вызывают повреждений организма, поскольку живые организмы приспособились к их воздействию. Это постоянное природное излучение называется естественным радиационным фоном.

Естественный радиационный фон — это постоянное ионизирующее излучение, которое существует в окружающей среде независимо от деятельности человека.

Он складывается из нескольких источников:

• космического излучения (поступает из космоса),
• излучения радиоактивных веществ, содержащихся в земной коре,
• радиоактивных изотопов, присутствующих в воздухе, воде, строительных материалах,
• естественных радиоактивных веществ, входящих в состав организма человека (рисунок 23).

Средняя эффективная доза от естественного фона составляет примерно $2–3 \space мЗв$ в год. В разных районах Земли эта величина может немного отличаться. Например, в горных районах уровень космического излучения выше — значит, больше и эффективная доза.

Этот фон является частью природных условий существования человека. При обычных значениях он не представляет опасности для нашего здоровья.

{"questions":[{"content":"Естественный радиационный фон — это [[fill_choice_big-176]].","widgets":{"fill_choice_big-176":{"type":"fill_choice_big","options":["постоянное ионизирующее излучение, существующее независимо от деятельности человека","излучение, возникающее только при работе атомных электростанций","искусственное излучение, создаваемое в медицине","излучение, появляющееся только во время аварий"],"answer":0}}}],"mix":1}

Допустимые уровни облучения

В радиационной безопасности существуют нормы, которые ограничивают максимально допустимую дозу облучения для человека. Эти нормы установлены для того, чтобы снизить риск вредных последствий для здоровья.

Важно понимать, что речь идет не о дозе, которую человек обязательно получает, а о предельной безопасной границе, превышать которую не рекомендуется. При установлении норм учитывается, что человек постоянно получает естественный радиационный фон. Поэтому ограничения устанавливаются для дополнительного облучения, не связанного с природным фоном.

Для населения такая дополнительная доза не должна превышать около $1 \space мЗв$ в год. Это ограничение относится к облучению, связанному с деятельностью человека. Например, с работой предприятий или с использованием источников излучения. Оно не включает медицинские процедуры.

А для работников, имеющих дело с источниками излучения, норма другая — в среднем до $20 \space мЗв$ в год. Это связано с тем, что такие специалисты проходят специальную подготовку, используют защитные средства и находятся под постоянным контролем доз облучения.

Где человек может получить дополнительную дозу излучения?

• Медицинские исследования
  Рентген, флюорография, компьютерная томография.
• Перелеты на больших высотах
  Повышенная радиация из-за усиленного космического излучения (рисунок 24).
• Работа с источниками излучения
  В медицине, промышленности, научных исследованиях.

Поэтому для разных категорий людей установлены допустимые уровни облучения, которые обеспечивают безопасность даже при длительном воздействии малых доз.

{"questions":[{"content":"Какова предельно допустимая дополнительная доза облучения для населения в год?[[choice-184]]","widgets":{"choice-184":{"type":"choice","options":["$1 \\space мЗв$","$20 \\space мЗв$","$1000 \\space мЗв$","$50 \\space мЗв$"],"answer":[0]}}}],"mix":1}

Примеры эффективных доз

Как вы увидели, одна компьютерная томография может дать дозу около $5 \space мЗв$ и больше. А это выше допустимого $1 \space мЗв$. Почему это допустимо?

Дело в том, что медицинское облучение рассматривается отдельно. В медицине действует принцип: если польза для здоровья больше возможного риска — исследование проводят. Например, КТ может обнаружить опухоль на ранней стадии (рисунок 25). Также это исследование помогает быстро найти внутреннее кровотечение после травмы. Риск от разовой дозы в несколько $мЗв$ очень мал, а польза может быть огромной.

Теперь мы можем сделать вывод. Естественный фон человек получает постоянно, и он не представляет опасности. Опасными становятся большие разовые дозы — сотни и тысячи миллизивертов. Такие уровни облучения возможны только при аварийных ситуациях или грубом нарушении правил безопасности.

{"questions":[{"content":"Почему проведение компьютерной томографии допустимо, несмотря на дозу свыше $1 \\space мЗв$?[[choice-188]]","widgets":{"choice-188":{"type":"choice","options":["Польза исследования превышает возможный риск.","Доза при КТ равна естественному фону.","КТ не связано с ионизирующим излучением.","Организм никак не реагирует на такие дозы."],"answer":[0]}}}],"mix":1}

Защита от радиации

Существует три основных способа защиты от ионизирующего излучения: расстояние, время и экранирование. Эти принципы применяются в медицине, промышленности и на атомных станциях.

Увеличение расстояния до источника

Интенсивность излучения уменьшается с расстоянием. То есть, чем дальше человек находится от источника, тем меньшее количество энергии излучения ему передается.

Чтобы уменьшить воздействие радиации, нужно увеличить расстояние до источника.

Для точечного источника интенсивность излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния: $I \sim \frac{1}{r^2}$, где $I$ — интенсивность излучения. Например, если расстояние увеличить в $2$ раза, то воздействие уменьшится в $4$ раза (рисунок 26).

Так, рентген-лаборант во время снимка выходит из кабинета или находится за защитным стеклом на расстоянии нескольких метров от пациента. Даже такое небольшое увеличение дистанции резко снижает получаемую дозу.

{"questions":[{"content":"Если расстояние до точечного источника излучения уменьшить в 2 раза, то интенсивность излучения [[fill_choice_big-192]].","widgets":{"fill_choice_big-192":{"type":"fill_choice_big","options":["увеличится в $4$ раза","уменьшится в $2$ раза","останется неизменной","увеличится в $2$ раза"],"answer":0}}}],"mix":1}

Сокращение время пребывания вблизи источника излучения

Как мы уже говорили, доза накапливается со временем. Чем дольше человек находится рядом с источником, тем больше суммарная доза.

Поэтому персонал атомной станции старается сократить время работ в зоне повышенного фона. А при проведении рентгена аппарат включается буквально на доли секунды.

{"questions":[{"content":"Чтобы уменьшить получаемую дозу излучения, необходимо [[fill_choice_big-199]].","widgets":{"fill_choice_big-199":{"type":"fill_choice_big","options":["сократить время пребывания в зоне излучения","увеличить время нахождения рядом с источником","полностью исключить естественный радиационный фон","увеличить мощность источника"],"answer":0}}}],"mix":1}

Использование защитных материалов (экранирование)

О проникающей способности разных видов излучения мы уже говорили выше, поэтому теперь свяжем это с защитой.

Разные виды излучения требуют разных материалов:

• $\alpha$-излучение
  Достаточно листа бумаги или слоя кожи. Опасно в основном при попадании внутрь организма (при вдыхании или проглатывании).
• $\beta$-излучение
  Проникает глубже, чем $\alpha$-частицы. Задерживается алюминием, пластиком или стеклом с толщиной $3–5 \space мм$. Чаще используют пластик, потому что при торможении $\beta$-частиц (электронов) в некоторых металлах может дополнительно возникать рентгеновское излучение.
• $\gamma$-излучение
  Имеет высокую проникающую способность. Полностью остановить его сложно, поэтому говорят не о «полной защите», а об ослаблении. Для этого используют слой свинца толщиной $1–5 \space см$ или бетона — от $30–50 \space см$ и более. Также могут использовать слои воды толщиной в десятки сантиметров.
  Поэтому на атомных реакторах применяются многометровые бетонные конструкции.

При работе в зонах возможного радиоактивного загрязнения используются специальные защитные костюмы (рисунок 27). Они предназначены прежде всего для защиты от радиоактивной пыли и предотвращения попадания радиоактивных веществ на кожу и внутрь организма. Такие костюмы хорошо защищают от $\alpha$- и частично от $\beta$-излучения. Но от интенсивного $\gamma$-излучения они практически не защищают — в этом случае необходимы специальные экраны из плотных материалов.

Для защиты от рентгеновского излучения используются те же методы, что для защиты от $\gamma$-излучения. Так, в рентген-кабинетах стены содержат свинцовые пластины. Персонал при этом использует свинцовые фартуки.

А для защиты от нейтронного излучения применяются другие материалы. Поскольку нейтроны не имеют электрического заряда, они плохо задерживаются свинцом. Поэтому используют вещества, содержащие легкие элементы — воду, бетон, парафин, материалы с добавками бора. Они эффективно замедляют и поглощают нейтроны. Именно поэтому ядерные реакторы окружены массивными слоями воды и бетона.

{"questions":[{"content":"Какой материал наиболее эффективно используется для защиты от нейтронного излучения?[[choice-203]]","widgets":{"choice-203":{"type":"choice","options":["Вода","Свинец","Бумага","Стекло"],"answer":[0]}}}],"mix":1}

Как было открыто воздействие радиации на человека

Опасность ионизирующего излучения была осознана далеко не сразу после открытия радиоактивности. В конце XIX и начале XX века ученые еще не представляли, какое воздействие новое явление оказывает на живой организм.

Одним из первых людей, столкнувшихся с действием радиации, был французский физик Анри Беккерель. Он носил в кармане пробирку с соединением урана и получил сильный ожог кожи. Это стало одним из первых задокументированных случаев поражения, вызванного радиоактивным излучением.

Мария Кюри и ее супруг Пьер Кюри, открывшие радий и полоний, тоже постоянно работали с радиоактивными веществами без какой-либо защиты. Известно, что записи Марии Кюри и некоторые ее личные вещи до сих пор хранятся в специальных свинцовых контейнерах, так как остаются радиоактивными. Длительное воздействие радиации серьезно подорвало ее здоровье.

В начале XX века радиоактивные вещества даже считались полезными. Радию приписывали целебные свойства. Производились кремы, зубные пасты, косметика, соли для ванн и другие товары с добавлением радия (рисунок 28). Выпускались светящиеся в темноте краски для часов и приборов. Лишь спустя годы стало очевидно, что подобное использование крайне опасно. Особенно трагичной оказалась история рабочих, раскрашивавших циферблаты часов светящейся краской с радием. Многие из них получили тяжелые заболевания.

Особенно остро проблема воздействия радиации проявилась после атомных бомбардировок городов Хиросима и Нагасаки в 1945 году. Помимо людей, которые погибших сразу при взрыве, многие выжившие вскоре начали страдать от неизвестной тогда болезни. Симптомы включали слабость, тошноту, рвоту, выпадение волос, кровоизлияния. Сначала эти проявления связывали с дизентерией, инфекциями и истощением. Лишь спустя несколько недель стало ясно, что речь идет о последствиях облучения. Позже это заболевание получило название лучевой болезни.

Осознание масштабов радиационного поражения стало важным этапом в развитии ядерной физики и радиационной медицины. Были начаты исследования биологического действия ионизирующего излучения, разработаны нормы радиационной безопасности и методы защиты.

Упражнения

Дано:
$m = 50 \space кг$
$D = 0.02 \space Гр$

$E — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

Дано:
$m = 0.5 \space кг$
$E = 0.02 \space Дж$
$K_{\alpha} = 20$

$H — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

Дано:
$D_{\beta} = 0.02 \space Гр$
$K_{\beta} = 1$
$D_n = 0.01 \space Гр$
$K_n = 10$

$H — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть