Биологическое действие радиации
Введение
Применение и использование технологии мирного атома требует крайней осторожности. Об этом напоминает известная всем жителям нашей планеты, крупнейшая в истории техногенная катастрофа, связанная с использованием ядерных технологий, которая произошла 26 апреля 1986 года в украинском городе Чернобыль. В результате аварии на четвёртом энергоблоке ЧАЭС произошёл пожар и выброс радиоактивных веществ (см. Рис. 1). Город был полностью эвакуирован и по сей день является непригодным для проживания людей. В результате ликвидации аварии и из-за её последствий погибло множество людей, а экосистема района претерпела значительные изменения. Не только Украина, но и жители соседних государств ощутили на себе пагубное воздействие радиации.
Рис. 1. Разрушенный четвёртый энергоблок на ЧАЭС
Ионизация
Радиация оказывает на живые существа пагубное влияние. Альфа-, бета-, гамма-излучение при прохождении через вещество может его ионизировать, то есть выбивать из его атомов и молекул электроны.
Ионизация – процесс образования ионов из нейтральных атомов и молекул.
Ионизация живых тканей нарушает их правильную работу, что приводит к разрушительному воздействию на живые клетки.
Характеристики ионизирующего излучения
В любой точке земного шара человек всегда находится под воздействием радиации, такое воздействие называют радиационным фоном.
Радиационный фон – ионизирующее излучение земного и космического происхождения.
Степень воздействия радиации на организм зависит от нескольких факторов:
- поглощённая энергия излучения;
- масса живого организма и количество энергии, приходящееся на один килограмм его веса.
Поглощённая доза излучения (D) – энергия ионизирующего излучения, поглощённая облучаемым веществом и рассчитанная на единицу массы.
,
где E – энергия поглощённого излучения, m – масса тела.
– единица измерения, названная в честь английского физика Льюиса Грэя.
Для измерения воздействия несильных излучений используют внесистемную единицу измерения – рентген. Сто рентген равны одному грею:
При одинаковой поглощенной дозе излучения её воздействие на живые организмы зависит от типа излучения и от органа, который подвергается данному излучению.
Принято сравнивать воздействие от различных излучений с рентгеновским излучением либо с гамма-излучением. Для альфа-излучения эффективность воздействия в 20 раз превышает гамма-излучение. Эффективность воздействия быстрых нейтронов в 10 раз превышает гамма-излучение. Для описания характеристики воздействия введена величина, которая называется коэффициентом качества (для альфа-излучения он равен 20, для быстрых нейтронов – 10).
Коэффициент качества (K) показывает, во сколько раз радиационная опасность от воздействия на живой организм данного вида излучения больше, чем от воздействия гамма-излучения (γ-излучения) при одинаковых поглощённых дозах.
Для того чтобы учесть коэффициент качества, введено понятие – эквивалентная доза излучения (H), которая равна произведению поглощённой дозы и коэффициента качества.
– единица измерения, названная в честь шведского учёного Рольфа Максимилиана Зиверта.
Различные органы живых организмов имеют разную чувствительность к ионизирующему излучению. Для оценки данного параметра введена величина – коэффициент радиационного риска.
При оценке воздействия радиационного излучения на живые организмы важно учитывать время его действия. В процессе радиоактивного распада количество радиоактивных атомов в веществе уменьшается, следовательно, уменьшается интенсивность облучения. Для возможности оценки количества оставшихся радиоактивных атомов в веществе используется величина, которая называется период полураспада.
Период полураспада (T) – это промежуток времени, в течение которого исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое.
С использованием периода полураспада вводится закон радиоактивного распада (закон полураспада), который показывает, сколько атомов радиоактивного вещества останется через определённое время распада.
,
где 
– количество нераспавшихся атомов;
– начальное количество атомов;
t – прошедшее время;
T – период полураспада.
Значения периодов полураспада для различных веществ являются уже вычисленными и известными табличными величинами.
Задача на поглощённую дозу излучения
Вычислите поглощённую двумя литрами воды дозу излучения, если вследствие поглощения этой дозы вода нагрелась на 
.
Дано: , 
– удельная теплоёмкость воды (табличное значение).
Найти 
и:D – доза излучения.
Решение
Излучение нагрело воду, то есть его поглощённая энергия перешла во внутреннюю энергию воды. Запишем это как передачу определённого количества теплоты.
Формула количества теплоты, которое передалось воде при нагреве:
Энергию излучения, которая преобразовалась в данное количество теплоты, выразим из формулы поглощённой дозы излучения:
Приравняем эти два выражения (энергию и количество теплоты):
Отсюда получаем искомую формулу для вычисления дозы излучения:
Ответ:
Задача на эквивалентную дозу излучения
Безопасной эквивалентной дозой ионизирующего облучения является 15 мЗв/год. Какой мощности поглощённой дозы для γ-излучения это соответствует?
Дано:
; 
; 
– коэффициент качества γ-излучения.
Найти: 
– мощность поглощённой дозы.
Решение
Переводим данные в СИ:
Выразим из формулы эквивалентной дозы поглощённую дозу:
Подставим получившееся выражение в выражение мощности поглощённой дозы:
Ответ: 
.
Задача на период полураспада
Имелось некоторое количество радиоактивного изотопа серебра. Масса радиоактивного серебра уменьшилась в 8 раз за 810 суток. Определите период полураспада радиоактивного серебра.
Дано: 
– отношение начальной массы к оставшейся; 
суток.
Найти: T.
Решение
Запишем закон полураспада:
Отношение начальной и конечной массы будет равно отношению начального и конечного количества атомов серебра:
Решим полученное уравнение:
суток
Ответ: 
суток.
Методы защиты от ионизирующего радиационного излучения
Как минимум, при исследовании нельзя брать в руки радиационные образцы, для этого используются специальные держатели.
При опасности попадания в зону излучения необходимо пользоваться средствами защиты дыхательных путей: масками и противогазами, а также специальными костюмами (см. Рис. 2).
Рис. 2. Защитные средства
Воздействие альфа-излучений хоть и опасно, но задерживается даже листом бумаги (см. Рис. 3). Для защиты от данного излучения достаточно одежды, которая покрывает все участки тела, главное не допустить попадание α-частиц в лёгкие с радиоактивной пылью.
Рис. 3. Воздействие α-излучения
Бета-излучение имеет гораздо большую проникающую способность (проникает в ткани организма на 1–2 см.). Защита от этого излучения затруднена. Для изоляции от β-излучения потребуется, например, пластинка из алюминия толщиной несколько миллиметров или пластинка из стекла (рис. 4).
Рис. 4. Воздействие β-излучения
Наибольшей проникающей способностью обладает гамма-излучение. Его задерживают толстым слоем свинца или бетонными стенами толщиной в несколько метров, поэтому индивидуальные средства защиты для человека от такого излучения не предусмотрены (рис. 5).
Рис. 5. Воздействие γ-излучения