Взаємодія іонізуючих випромінювань з речовиною. У речовині швидкі заряджені частинки взаємодіють з електронними оболонками і ядрами атомів. У результаті взаємодії з швидкою зарядженою часткою електрон отримує додаткову енергію і переходить на один з віддалених від ядра енергетичних рівнів або зовсім залишає атом. У першому випадку відбувається збудження, у другому - іонізація атома.
При проходженні поблизу атомного ядра швидка частинка відчуває гальмування в його електричному полі. Гальмування заряджених частинок супроводжується випусканням квантів гальмівного рентгенівського випромінювання. Нарешті, можливо пружне і непружне зіткнення заряджених часток з атомними ядрами.
Довжина пробігу частинки залежить від її заряду, маси, початкової енергії, а також від властивостей середовища, в якій частка рухається. Пробіг збільшується із зростанням початкової енергії частки і зменшенням щільності середовища. При однаковій початковій енергії масивні частки мають меншими швидкостями, ніж легкі. Повільно рухомі частинки взаємодіють з атомами більш ефективно і швидше розтрачують наявну в них енергію.
Проникаючу здатність бета-частинок зазвичай характеризують мінімальною товщиною шару речовини, повністю поглинає всі бета-частинки. Наприклад, від потоку бета-частинок, максимальна енергія яких 2 МеВ, повністю захищає шар алюмінію товщиною 3,5 мм.
Альфа-частинки, що володіють значно більшою масою, ніж бета-частинки, при зіткненнях з електронами атомних оболонок відчувають дуже невеликі відхилення від свого первісного напрямку і рухаються майже прямолінійно. Пробіги альфа-частинок в речовині дуже малі. Наприклад, у альфа-частинки з енергією 4 МеВ довжина пробігу в повітрі приблизно 2,5 см, у воді або в м'яких тканинах тварин і людини - соті частки міліметра.
Завдяки невеликій проникаючої здатності альфа-і бета-випромінювання зазвичай не представляють великої небезпеки при зовнішньому опроміненні. Щільна одяг може поглинути значну частину бета-частинок і зовсім не пропускає альфа-частинки. Проте при попаданні всередину організму людини з їжею, водою і повітрям або при забрудненні радіоактивними речовинами поверхні тіла альфа-і бета-випромінювання можуть завдати людині серйозної шкоди.
Нейтрони, що не мають електричного заряду, при русі в речовині не взаємодіють з електронними оболонками атомів. При зіткненнях з атомними ядрами вони можуть вибивати з них заряджені частинки, які іонізують і порушують атоми середовища.
Гамма-кванти взаємодіють в основному з електронними оболонками атомів, передаючи частину своєї енергії електронам - це явища фотоефекту (див. § 58), ефекту Комптона (див. § 63) або народження електронно-позитронного пар (див. § 90). Виникаючі швидкі електрони виробляють іонізацію атомів середовища.
Шляхи пробігу гамма-квантів і нейтронів в повітрі вимірюються сотнями метрів, в твердій речовині - десятками сантиметрів і навіть метрами. Проникаюча здатність гамма-випромінювання збільшується з ростом енергії гамма-квантів і зменшується зі збільшенням щільності речовини-поглинача. У таблиці 5 наведені як приклад значення товщини шарів води, бетону і свинцю, що послаблюють потоки гамма-випромінювання різної енергії в десять разів.
Потоки гамма-квантів і нейтронів - найбільш проникаючі види іонізуючих випромінювань, тому при зовнішньому опроміненні вони представляють для людини найбільшу небезпеку.
Поглинена доза іонізуючого випромінювання. Універсальної заходом впливу будь-якого виду випромінювання на речовину є поглинена доза випромінювання, що дорівнює відношенню енергії, переданої іонізуючим випромінюванням речовині, до маси речовини:
D = E / m
За одиницю поглиненої дози в СІ прийнятий грей (Гр). 1 Гр дорівнює поглиненої дози випромінювання, при якій опроміненому речовині масою 1 кг передається енергія іонізуючого випромінювання 1 Дж:
1 Гр = 1 Дж / 1 кг = 1 Дж / кг
Ставлення поглиненої дози випромінювання до часу опромінення називається потужністю дози випромінювання:
D = D / t
Одиниця потужності поглиненої дози в СІ - грей за секунду (Гр / с).
Еквівалентна доза. Поглинена доза D, помножена на коефіцієнт якості k, характеризує біологічну дію поглиненої дози і називається еквівалентною дозою Н:
H = Dk
Одиницею еквівалентної дози в системі СІ є з і вір т (Зв). 1 Зв дорівнює еквівалентній дозі, при якій поглинена доза дорівнює 1 Гр і коефіцієнт якості дорівнює одиниці.
Біологічна дія іонізуючих випромінювань. Основа фізичного впливу ядерних випромінювань на живі організми - іонізація атомів і молекул у клітинах.
При опроміненні людини смертельною дозою гамма-випромінювання, що дорівнює 6 Гр, в його організмі виділяється енергія, рівна приблизно:
E = mD = 70 кг · 6 Гр = 420 Дж.
Така енергія передається організму людини однією чайною ложкою гарячої води. Оскільки ця енергія мала, природно припустити, що тепловий вплив іонізуючої радіації не є безпосередньою причиною променевої хвороби і загибелі людини. Дійсно, основний механізм біологічної дії іонізуючої радіації на живий організм обумовлений хімічними процесами, що відбуваються в живих клітинах після їх опромінення.
Організм ссавця складається приблизно на 75% з води. При дозі 6 Гр в 1 см3 тканини відбувається іонізація приблизно 1015 молекул води. Процеси іонізації і хімічних взаємодій продуктів іонізації відбуваються в клітині за мільйонні частки секунди. Біохімічні зміни в клітині, зумовлені утворенням нових молекул, далеких нормальній клітині, починаються відразу після моменту опромінення, але не завершуються за короткий час. Деякі наслідки біохімічних змін в клітці проявляються вже через кілька секунд після опромінення, інші можуть призвести до загибелі клітини або її ракового переродження через десятиліття.
Одним із перших наслідків дії опромінення на живу клітину є порушення її функції розподілу як самої складної функції. Тому в першу чергу порушуються функції органів і тканин організму, в яких відбувається поділ клітин, утворення нових клітин.
Гостре ураження. Гострим поразкою називають пошкодження живого організму, викликане дією великих доз опромінення і проявляється протягом декількох годин або днів після опромінення. Перші ознаки загального гострого ураження організму дорослої людини виявляються, починаючи приблизно з 0,5-1,0 Зв. Цю еквівалентну дозу можна вважати порогової для загального гострого ураження при одноразовому опроміненні. При такій еквівалентній дозі починаються порушення в роботі кровотворної системи людини. При еквівалентних дозах опромінення всього тіла 3-5 Зв близько 50% опромінених вмирає від променевої хвороби протягом 1-2 місяців. Головною причиною загибелі людей при таких дозах опромінення є ураження кісткового мозку, що приводить до різкого зниження числа лейкоцитів у крові. При дозах опромінення в 10-50 Зв смерть настає через 1-2 тижні від крововиливів у шлунково-кишковому тракті. Ці крововиливи відбуваються в результаті загибелі клітин слизових оболонок кишечника і шлунку.
Віддалені наслідки опромінення. Значна частина пошкоджень, викликаних радіацією в живих клітинах, є незворотними. Ці ушкодження збільшують ймовірність виникнення різних захворювань, з яких найбільш небезпечні ракові захворювання. Середня тривалість часу від моменту опромінення до загибелі від лейкозу становить 10 років.
Імовірність виникнення ракового захворювання збільшується пропорційно дозі опромінення. Еквівалентна доза опромінення 1 Зв в середньому призводить до 2 випадків лейкозу, 10 випадків раку щитовидної залози, 10 випадків раку молочної залози у жінок, 5 випадків раку легенів на 1000 опромінених. Ракові захворювання інших органів під дією опромінення виникають значно рідше.
Ядерні вибухи. Ядерні вибухи, вироблені з 1945 р. в атмосфері і під водою, призвели до забруднення атмосфери Землі і земної поверхні радіоактивними продуктами поділу ядер урану. Серед продуктів поділу ядер урану найбільшу роль у тривалому опроміненні відіграють радіоактивні ізотопи стронцію-90 і цезію-137 з періодами напіврозпаду близько 30 років. Ці ізотопи засвоюються з грунту рослинами, потім з їжею потрапляють в організм людини і надовго затримуються в його тканинах і органах, піддаючи організм внутрішньому опроміненню.
Біологічний вплив малих доз випромінювання. Приносять чи дози іонізуючого випромінювання, порівнянні з природним фоном, якийсь збиток здоров'ю людини? На це питання неможливо дати точний і однозначну відповідь, подібно до того, як не можна дати однозначну відповідь на питання про вплив на організм людини звичайного сонячного світла. Сонячне світло, безумовно, необхідний людині, без нього життя на Землі неможлива. Але ультрафіолетове випромінювання Сонця може викликати опік шкіри, бути причиною захворювань шкіри і крові.
Аналогічна картина і з природним фоном іонізуючої радіації. З одного боку, людина як вид з'явився на Землі в результаті еволюції живої природи. Необхідними умовами еволюції є мінливість і природний добір. Мінливість є наслідок мутацій генів, а одним з факторів, що викликають мутації, є природний фон іонізуючої радіації. За сучасними уявленнями, без участі природного радіаційного фону, ймовірно, не було б і життя на Землі в теперішньому її вигляді. Тому немає підстав нарікати на долю, що нам дісталася планета, що містить в собі радіоактивні ізотопи. Не будь радіоактивності і космічного випромінювання, мабуть, не було б і людини на Землі.
Але може бути, природний фон іонізуючої радіації був корисним для еволюції життя на ранніх етапах її розвитку, але шкідливий зараз? Проти такого припущення свідчить ряд фактів. Досліди з рослинами показали, що якщо їх практично повністю захистити від зовнішнього іонізуючого випромінювання, видалити з грунту природні радіоактивні ізотопи, то розвиток рослин сповільнюється, їх продуктивність знижується. Багаторазово повторені досліди показали, що невеликі дози випромінювання, порівнянні з рівнем природного фону, стимулюють розвиток рослин. Подібні результати отримані і в дослідах на тваринах. Нешкідливість малих доз опромінення для людського організму підтверджується дослідженнями середньої тривалості життя людей залежно від рівня природного фону іонізуючої радіації.
Гранично допустимі дози. Люди деяких професій піддаються додаткового опромінення іонізуючою радіацією. Це лікарі-рентгенологи, працівники атомних електростанцій, вчені і технічний персонал, що працюють в галузі ядерної фізики і фізики елементарних частинок, космонавти. Повністю усунути додаткову дію іонізуючої радіації на їх робочих місцях виявляється неможливим. Тому потрібно було визначити допустиму межу додаткової дози опромінення.
Гранично допустимої дозою (ПДР) опромінення для осіб, професійно пов'язаних з використанням джерел іонізуючої радіації, є 50 мЗв за рік. Цей рівень опромінення був прийнятий за допустимий на тій підставі, що він близький до рівня природного радіаційного фону в деяких місцях на Землі і ніяких негативних наслідків для людини при дії таких доз не виявлено. Санітарними нормами встановлений допустимий рівень разового аварійного опромінення для населення-0, 1 Зв. Це приблизно дорівнює дозі фонового опромінення людини за все життя.
Як гранично допустимої дози систематичного опромінення населення встановлена еквівалентна доза опромінення 5 мЗв за рік, тобто 0,1 ПДР.
За весь час життя людини (70 років) допустима доза опромінення для населення становить 5 мЗв/год-70 років = = 350 м3в = 0,35 Зв.
Радіофобія. Панічну боязнь будь-якого іонізуючого випромінювання в будь-якій кількості називають радіофобією (від грец. Phobos - страх). Нерозумно вибігати з кімнати, в якій працює лічильник Гейгера і реєструє природний радіоактивний фон. Він лише реєструє те, що є в природі. Нерозумно лякатися радіоактивного препарату, від якого лічильник реєструє 100 або навіть 1000 імпульсів в хвилину. Потрібно розуміти, що такий препарат не більш небезпечний, ніж будь-яка людина, так як в тілі людини відбувається приблизно 5-Ю5 розпадів за хвилину. Швидкість рахунку лічильника майже не збільшується при наближенні до нього людини не тому, що людина не радіоактивний, а лише тому, що практично всі бета-частинки, що випускаються радіоактивними ядрами в тілі людини, поглинаються в тканинах його організму.
Радіофобія в даний час поширилася на телевізор як джерело рентгенівського випромінювання і на літак як транспортний засіб, що виносить людини у верхні шари атмосфери, де більш високий рівень космічного випромінювання. ТБ дійсно є джерелом рентгенівського випромінювання, але дуже м'якого і малої потужності. При щоденному перегляді телевізійних програм по три-чотири години на день за рік буде отримана доза порядку 10 -5 Зв. Це у 100-200 разів менше рівня природного фону. Політ у сучасному літаку на відстань 2000 км обумовлює приблизно таке ж опромінення, тобто одну соту частку середнього значення рівня природного опромінення на рік.
Зменшення дози випромінювання при необхідності роботи з джерелом іонізуючого випромінювання може бути здійснено трьома шляхами: збільшенням відстані від джерела; зменшенням часу перебування біля джерела; установкою екрана, що поглинає випромінювання. При видаленні від точкового джерела доза випромінювання зменшується обернено пропорційно квадрату відстані.