A. Основы дозиметрии

Поглощенная доза излучения и ее биологическое действие. Основы дозиметрии

Радиоактивные излучения вызывают ионизацию атомов и молекул вещества, поэтому их часто называют ионизирующими излучениями. Все виды радиоактивных излучений оказывают сильное действие на живые организмы. Характер этого действия зависит от вида излучения и его интенсивности.

Механизм биологического действия радиоактивных излучений сложен. Его основу составляют процессы ионизации и возбуждения атомов и молекул в живых тканях, происходящие при поглощении ими ионизирующих излучений. Эти процессы являются лишь начальным этапом в сложной цепи биохимических превращений, вызванных действием радиации.

Ионизация тканей приводит к разрыву молекулярных связей и изменению структуры химических соединений, входящих в состав тканей. Часть атомов и молекул вещества тканей при поглощении радиоактивных излучений не ионизируется, а только переходит в возбужденное состояние. Через определенное время эти атомы возвращаются в невозбужденное состояние, отдавая избыток энергии в виде квантов ультрафиолетового излучения. Под действием этого излучения, поглощаемого тканями организма, происходит биохимическая реакция, приводящая к разрушению молекул нуклеиновых кислот и белка.

Первичным результатом действия радиации на живой организм является поражение клеток. Как известно, клетка — это сложная структура, неспособная к продолжению нормальной деятельности при повреждении ее частей. Под действием облучения прежде всего поражаются ядра клеток, которые гораздо чувствительнее ее цитоплазмы. Нарушаются способность клеток к нормальному делению и обмен веществ в клетках.

Различные органы человеческого тела реагируют на облучение по-разному, наиболее чувствительны к радиации кроветворные органы (костный мозг, селезенка, лимфатические железы) и эпителий слизистых оболочек (в частности, кишечника). В результате действия радиоактивных излучений на организм возникают тяжелейшие заболевания: лучевая болезнь, злокачественные опухоли (часто со смертельным исходом).

Облучение оказывает сильное влияние и на наследственность, что может привести к появлению потомства с уродливыми отклонениями или врожденными заболеваниями.

Специфическая особенность радиоактивных излучений заключается в том, что они не воспринимаются органами чувств человека и даже при смертельных дозах не вызывают у него в момент облучения болевых ощущений. Это делает радиацию особенно опасной.

На организм влияет только та часть радиоактивного излучения, которая поглощается его тканями. Поэтому биологическое действие излучений принято характеризовать поглощенной дозой излучения.

Поглощенной дозой излучения D называют величину, равную отношению энергии ионизирующего излучения W, поглощенной облучаемым веществом, к массе m этого вещества.

\(~D = \frac{W}{m}.\)

В СИ единицей поглощенной дозы излучения является грэй (Гр). 1 Гр равен поглощенной дозе излучения, при которой облучаемому веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж:

Гр = Дж \ кг

Внесистемная единица поглощенной дозы излучения D — 1 рад = 10^-2Гр.

Мощность поглощенной дозы излучения N — это величина, равная поглощенной дозе излучения, отнесенной к единице времени.

\(~N = \frac{D}{t}\)

В СИ единицей мощности поглощенной дозы излучения является грэй на секунду (Гр\с; Гр\с = Вт\кг). Внесистемной единицей мощности поглощенной дозы излучения является радиан на секунду (рад\с).

Для измерения поглощенной дозы используются специальные приборы — дозиметры. Наибольшее распространение имеют дозиметры, в которых датчиками являются ионизационные камеры. В некоторых дозиметрах в качестве датчиков используют счетчики частиц, фотопленку или сцинтилляторы.

Действие излучения на вещество можно оценивать по эффекту ионизации сухого атмосферного воздуха. Экспозиционная доза излучения — это величина, равная отношению суммарного заряда ионов одного знака, образовавшихся под действием излучения в сухом атмосферном воздухе, к массе ионизированного воздуха:

\(~D_0 = \frac{q}{m}.\)

В СИ единицей экспозиционной дозы является кулон на килограмм (Кл\кг). Внесистемная единица — рентген (Р).

1 Р — экспозиционная доза излучения, при которой в 1 см³ сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении образуется около 2 • 10⁹ пар

ионов: 1 Р = 2,58 \(\cdot\) 10^-4 Кл\кг.

Мощность экспозиционной дозы излучения в СИ \(~N_0 = \frac{D_0}{t}.\) В СИ единицей мощности экспозиционной дозы излучения является ампер на килограмм (А\кг). Внесистемные единицы: 1 P\c = 2,58 \(\cdot\) 10^-4 А\кг и 1 Р\ч = 7,177\(\cdot\) 10^-8 А\кг

Воздействие на организм излучений различной природы при одной и той же дозе D₀ неодинаково.

Эквивалентная доза излучения (биологическая доза излучения) D_э— это величина, определяющая воздействие излучения на организм:

\(~D_3=kD,\)

где k — коэффициент качества, зависящий от вида излучения. Для рентгеновских лучей, \(~\gamma\)-лучей и электронов k = 1, для медленных нейтронов k = 3; для быстрых нейтронов и быстрых протонов k = 10, для продуктов распада и \(~\alpha\)-частиц k = 20.

Единицей эквивалентной дозы излучения D_э в СИ является зиверт (Зв). 1 Зв равен эквивалентной дозе, при которой поглощенная доза равна 1 Гр и коэффициент качества равен единице.

Внесистемная единица — бэр (биологический эквивалент рентгена), 1 бэр = 10^-2 Зв.

Предельно допустимой дозой облучения считается такая поглощенная доза, которая по порядку величины совпадает с естественным радиоактивным фоном, существующим на Земле и обусловленным в основном космическим излучением и радиоактивностью Земли.

С этой точки зрения, предельно допустимая доза для человека в диапазоне рентгеновского, \(~\beta\)- и \(~\gamma\)-излучений составляет около 10^-3 Гр в год. Для тепловых нейтронов эта доза в 5 раз ниже, а для быстрых нейтронов, протонов и \(~\alpha\)-частиц — в 10 раз ниже.

Международной комиссией по радиационной защите для людей, постоянно работающих с источниками радиоактивных излучений, установлена предельно допустимая доза не более 10^-3 Гр в неделю, т.е. около 0,05 Гр в год. Доза свыше 3—6 Гр. полученная за короткое время, для человека смертельна.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 627-630.