Характеристика и свойства ионизирующих излучений

Для оценки  эквивалентной дозы, полученной группой  людей (персонал объекта народного  хозяйства, жители населённого пункта и т.п.), используется понятие  коллективная эквивалентная доза (Д_экв.к.) – это средняя для населения доза, умноженная на численность населения (в человеко-зивертах).

Поглощенная, эквивалентная и экспозиционная дозы, отнесённые к единице времени, носят название мощности соответствующих  доз (Х).

Мощность  поглощённой дозы (Х_пог) – Гр/с или рад/с, мощность эквивалентной дозы (Х_экв) – Зв/с или бэр/с, мощность экспозиционной дозы (Х_экс) – Кл/(кг·с) или Р/с. Для упрощенной  оценки информации по однотипному ионизирующему излучению можно использовать следующие соотношения. 1 Гр = 100 бэр = 100 Р = 100 рад = 1 Зв (с точностью до 10–15%).

Наряду  с величиной энергии, видом облучения, материалом и массой органа важным фактором является, так называемый биологический период полураспада  радиоактивного вещества – продолжительность времени, необходимого для выведения (с потом, слюной, мочой, калом и др.) из организма половины радиоактивного вещества. Уже через 1–2 ч после попадания РВ в организм они обнаруживаются в его выделениях.  Сочетание физического периода полураспада с биологическим даёт понятие «эффективный период полураспада» – наиболее важный в определении  результирующей величины облучения, которому подвергается организм, особенно критические органы. Наряду с понятием «активность» существует понятие «наведённая активность» (искусственная радиоактивность). Она возникает при поглощении медленных нейтронов (продуктов ядерного взрыва или ядерной реакции), ядрами атомов нерадиоактивных веществ и превращении их  в радиоактивные калий-28 и натрий-24, образующиеся, в основном, в грунте.

3. Биологическое действие ионизирующих излучений. Влияние  ионизирующих излучений  на организм.

Биологическое действие ионизирующих излучений зависит  от числа образовавшихся пар ионов, которое определяется поглощенной  энергией излучения.

Различают два вида эффекта воздействия на организм ионизирующих излучений: соматический и генетический. При соматическом эффекте последствия проявляются непосредственно у облучаемого, при генетическом – у его потомства. Соматические эффекты могут быть ранними или отдалёнными. Ранние возникают в период от нескольких минут до 30–60 с после облучения. К ним относят покраснение и шелушение кожи, помутнение хрусталика глаза, поражение кроветворной системы, лучевая болезнь, летальный исход. Отдалённые соматические эффекты проявляются через несколько месяцев или лет после облучения в виде стойких изменений кожи, злокачественных новообразований, снижения иммунитета,  сокращения продолжительности жизни. При изучении  действия излучения на организм были выявлены следующие особенности:

• высокая  эффективность поглощённой энергии: даже малые её количества могут вызвать глубокие биологические изменения в организме.
• наличие скрытого (инкубационного) периода проявления действия ионизирующих излучений.
• генетический эффект – воздействие на потомство.
• различные органы живого организма имеют свою чувствительность к облучению.
• не каждый организм (человек) в целом одинаково реагирует на облучение.
• облучение зависит от частоты воздействия. При одной и той же дозе облучения вредные последствия будут тем меньше, чем более дробно оно получено во времени.

   Ионизирующее  излучение может оказывать влияние  на организм как при внешнем (особенно рентгеновское и гамма-излучение), так и при внутреннем (особенно альфа-частицы) облучении. Внутреннее облучение происходит при попадании внутрь организма через лёгкие, кожу и органы пищеварения источников ионизирующего излучения. Внутреннее облучение более опасно, чем внешнее, так как попавшие внутрь ИИИ подвергают непрерывному облучению ничем не защищённые  внутренние органы.

Под действием  ионизирующего излучения вода, являющаяся составной частью организма человека,  расщепляется, и образуются ионы с  разными зарядами. Полученные свободные  радикалы и окислители взаимодействуют  с молекулами органического вещества  ткани, окисляя и разрушая её. Нарушается обмен веществ. Происходят изменения в составе крови – снижается уровень эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов и нейтрофилов. Поражение органов кроветворения разрушает иммунную систему человека и приводит к инфекционным осложнениям.

Местные поражения характеризуются лучевыми ожогами кожи и слизистых оболочек. При сильных ожогах образуются отёки, пузыри, возможно отмирание тканей (некрозы).

Смертельные поглощённые дозы для отдельных  частей тела следующие (Гр):

нижняя часть живота – 50; грудная клетка – 100 Г; конечности – 200 Гр.

При облучении  дозами, в 100–1000 раз превышающими смертельную  дозу, человек может погибнуть  во время облучения. Средняя летальная  доза для человека (50% смертельных  исходов) 4±1,5 Гр.

Основное физическое действие всех ионизирующих излучений на организм сводится к ионизации атомов и молекул в клетках тканей тех органов и систем, которые подвергаются их облучению. Приобретенные в результате этого заряды являются причиной возникновения несвойственных для  нормального состояния окислительных реакций в клетках, которые, в свою очередь, вызывают ряд ответных реакций. Происходит поглощение энергии ионизации организмом и разрыв химических  связей его молекул с образованием высокоактивных соединений, так называемых свободных радикалов. Таким образом, в облучаемых тканях живого организма происходит серия цепных реакций, нарушающих нормальное функциональное состояние отдельных органов, систем и организма в целом. Есть предположение, что в результате таких реакций в тканях организма образуются  вредные для здоровья продукты – токсины, которые и оказывают неблагоприятное влияние. Организм человека на 75% состоит из  воды, следовательно, решающее значение в этом случае будет иметь косвенное воздействие радиации через ионизацию молекулы воды и последующие реакции со свободными радикалами. При ионизации молекулы воды образуется положительный ион НО⁺ и электрон, который, потеряв энергию, может образовать отрицательный ион НО^–. Оба эти иона являются неустойчивыми и распадаются на пару стабильных ионов, которые образуют молекулы воды и двух свободных радикалов ОН^– и Н⁺, отличающихся исключительно высокой химической активностью. Непосредственно через цепь вторичных превращений, таких как образование перекисного радикала (гидроксида воды), а затем перекиси водорода Н₂О₂ и других активных окислителей группы ОН^– и Н⁺, взаимодействуя с молекулами белков, они ведут к разрушению ткани в основном за счет энергично протекающих процессов окисления. При этом одна активная молекула с большой энергией вовлекает в реакцию тысячи молекул живого вещества. В организме окислительные реакции начинают превалировать над восстановительными. Наступает насыщение организма свободным кислородом. Воздействие ионизирующего излучения на человека не ограничивается изменением структуры молекул воды. Меняется структура атомов, из которых состоит организм. В результате происходит  разрушение ядра, клеточных органелл и разрыв наружной мембраны. Так как основная функция растущих клеток – способность к делению, то утрата её  приводит к гибели. Для зрелых неделящихся клеток разрушение вызывает потерю тех или иных специализированных функций (выработку определённых продуктов,  распознавание чужеродных клеток, транспортные функции и т.д.). Наступает инициированная радиацией гибель клеток, которая в отличие от физиологической гибели необратима, так как реализация  генетической программы в этом случае осуществляется на фоне множественных изменений нормального течения биохимических процессов после облучения. Кроме того, дополнительное  поступление энергии ионизации в организм нарушает сбалансированность энергетических процессов, происходящих в нём. Ведь наличие энергии в  органических веществах зависит в первую очередь не от их элементарного состава, а от строения, расположения и характера связей атомов, т.е. тех элементов, которые легче всего поддаются энергетическому воздействию.

Альфа-излучение, проходя через вещество и сталкиваясь  с атомами, ионизирует их, выбивая  электроны. В редких случаях эти  частицы поглощаются ядрами атомов,  переводя их в состояние с большей энергией. Эта избыточная энергия способствует протеканию различных химических реакций. Альфа-излучение производит сильное действие на органические вещества, из которых состоит человеческий организм (жиры, белки и углеводы). На слизистых оболочках это излучение вызывает ожоги и  другие воспалительные процессы.

Под действием  бета-излучения происходит радиолиз (разложение) воды,  содержащейся в  биологических тканях, с образованием водорода, кислорода, пероксида водорода Н₂О₂, заряженных частиц (ионов) ОН^– и НО⁺. Продукты разложения воды обладают окислительными свойствами и вызывают разрушение многих органических веществ, из которых состоят ткани человеческого организма.

Действие  гамма- и рентгеновского излучений на биологические ткани обусловлено в основном  образующимися свободными электронами. Нейтроны, проходя через вещество, производят в нем наиболее сильные изменения по сравнению с другими  ионизирующими излучениями. Таким образом, биологическое действие ионизирующих излучений сводится к изменению структуры или разрушению различных органических, веществ (молекул), из которых состоит организм человека. Это приводит к нарушению биохимических процессов, протекающих в клетках, или даже к их гибели, в результате чего происходит поражение организма в целом. В организме радиоактивные вещества, как и все остальные продукты, разносятся кровотоком  по всем органам и системам, после чего частично выводятся из организма через выделительные системы (желудочно-кишечный тракт, почки, потовые и молочные железы и др.). Некоторая их часть отлагается в определенных органах и системах, оказывая на них выраженное воздействие. Некоторые же радиоактивные вещества (например, натрий-Na24) рас по всему организму относительно равномерно. Преимущественное отложение различных веществ в тех или иных органах и  системах определяется их физико-химическими свойствами и функциями этих органов и систем.

1. Пути  проникновения ионизирующих излучений в организм человека.

Существуют  два пути, по которым излучение проникает в ткани организма и воздействует на них. Первый путь – внешнее облучение от источника, расположенного вне организма (в окружающем пространстве): космические лучи, естественные радиоактивные источники, находящиеся в атмосфере, воде, почве, продуктах питания и др., источники альфа-, бета-, гамма-, рентгеновского и нейтронного излучений, используемые в технике и медицине, ускорители  заряженных частиц, ядерные реакторы (в том числе и аварии на ядерных реакторах) и др. Второй путь – внутреннее облучение, вызванное попаданием радиоактивных веществ внутрь организма через дыхательные органы, желудочно-кишечный тракт при приеме пищи, курении, питье загрязненной воды или через кожные покровы. Поступление радиоактивных веществ в человеческий организм через кожу происходит в редких случаях (если кожа имеет повреждения или открытые раны). Возможна абсорбция через здоровую кожу при  длительном воздействии радиоактивных веществ (РВ). Некоторые РВ, поступившие в организм через кожу, попадают в кровеносное русло и, в зависимости от их химических свойств, поглощаются и накапливаются в органах, что приводит к получению высоких локальных доз радиации. Например, растущие кости конечностей хорошо усваивают радиоактивный кальций, стронций, радий, почки – уран. Другие химические элементы, такие как натрий и калий, будут распространяться по всему телу более или менее равномерно, так как они содержатся во всех клетках организма. При этом наличие в крови натрия-24 означает, что организм дополнительно подвергся нейтронному облучению. Лечить больного, подвергшегося нейтронному облучению, особенно тяжело, поэтому необходимо проводить определение наведенной активности биоэлементов организма (Р, S и др.). Внутреннее облучение организма длится до тех пор, пока радиоактивное вещество не распадется или не будет  выведено из организма в результате процессов физиологического обмена. Внутреннее облучение опасно тем, что вызывает длительно незаживающие язвы  различных органов и злокачественные опухоли. Пути воздействия ионизирующих излучений могут быть двоякими: посредством внешнего и внутреннего облучения. Внешнее облучение может иметь место при работах на ускорителях, рентгеновских аппаратах и других установках, излучающих нейтроны и рентгеновские лучи, а также при работах с закрытыми радиоактивными источниками, то есть радиоактивными элементами, запаянными в стеклянные или другие глухие ампулы, если последние остаются неповрежденными. Источники бета-  и гамма-излучений могут представлять опасность как внешнего, так и внутреннего облучения. Альфа-излучение представляют опасность лишь при внутреннем облучении, так как вследствие весьма малой проникающей способности и малого пробега альфа-частиц в  воздушной среде незначительное удаление от источника излучения или небольшое экранирование устраняют опасность внешнего облучения.

При внешнем  облучении лучами со значительной проникающей  способностью ионизация происходит не только на облучаемой поверхности  кожных и других покровов, но и в  более глубоких тканях, органах и  системах. Период непосредственного внешнего воздействия ионизирующих излучений – экспозиция – определяется  временем облучения. Внутреннее облучение происходит при попадании радиоактивных веществ внутрь организма,  что может произойти при вдыхании паров, газов и аэрозолей радиоактивных веществ, занесение их в пищеварительный тракт или попадании в ток крови (в случаях загрязнения ими поврежденных кожи и  слизистых). Внутреннее облучение более опасно, так как, во-первых, при непосредственном контакте с тканями даже излучения незначительных энергий и с минимальной проникающей способностью все же оказывают действие на эти ткани;  во-вторых, при нахождении радиоактивного вещества в организме  продолжительность его воздействия (экспозиция), не ограничивается временем  непосредственной работы с источниками, а продолжается непрерывно до его полного распада или выведения из организма. Кроме того, при попадании внутрь некоторые радиоактивные вещества, обладая определенными токсическими свойствами, кроме ионизации, оказывают местное или общее токсическое действие.

В первые дни после радиационной аварии наиболее опасны радиоактивные изотопы йода, поступающие в организм с пищей  и водой. Весьма много их в молоке, что особенно опасно для детей. Радиоактивный  йод накапливается главным образом в щитовидной железе, масса которой составляет всего 20 г.  Концентрация радионуклидов в этом органе может быть в 200 раз выше, чем в других частях человеческого организма.

Попадание твердых радиоактивных веществ  в лёгкие при дыхании зависит  от степени дисперсности этих частиц. Из проводившихся над животными испытаний установлено, что частицы пыли размером менее 0,1 микрона ведут себя так же как и молекулы газов. При вдохе они попадают с воздухом в лёгкие, а при выдохе вместе с воздухом удаляются. В лёгких может оставаться лишь  незначительная часть твёрдых частиц. Крупные частицы размером более 5 микрон задерживаются носовой полостью. Инертные радиоактивные газы (аргон, ксенон,  криптон и др.), попавшие через лёгкие в кровь, не являются соединениями, входящими в состав тканей, и со временем удаляются из организма. Не задерживаются в организме длительное время и радионуклиды, однотипные с элементами, входящими в состав тканей и употребляемые человеком с пищей (натрий, хлор, калий и др.). Они со временем полностью удаляются из организма. Некоторые радионуклиды (например, отлагающиеся в костных тканях  радий, уран, плутоний, стронций, иттрий, цирконий) вступают в химическую связь с элементами костной ткани и с трудом выводятся из организма. При проведении медицинского обследования жителей районов, пострадавших от аварии на Чернобыльской АЭС, во Всесоюзном гематологическом центре АМН было  обнаружено, что при общем облучении организма дозой в 50 рад отдельные его клетки оказались облученными дозой в 1000 и более рад.

2. Облучение, острое лучевое поражение. Отдаленные последствия облучения.

По степени  чувствительности к ионизирующему  излучению клетки и ткани человеческого  организма неодинаковы. К особенно чувствительным органам относятся  семенники. Доза в 10–30 Р может снизить сперматогенез в течение года. Высокой чувствительностью к облучению обладает иммунная система. В нервной системе наиболее чувствительной оказалась сетчатка глаза, так как при облучении наблюдалось ухудшение зрения. Нарушения вкусовой чувствительности наступали при лучевой терапии грудной клетки, а повторные облучения дозами 30–500 Р снижали  тактильную чувствительность. Изменения в соматических клетках могут способствовать возникновению рака. Раковая опухоль возникает в организме в тот момент, когда соматическая клетка, выйдя из-под контроля организма, начинает быстро делиться. Первопричиной этого являются вызванные многократными или сильным разовым облучением мутации в генах, приводящие к тому, что раковые клетки теряют способность даже в случае нарушения равновесия погибать физиологической, а точнее программированной смертью. Они становятся как бы бессмертными, постоянно делясь, увеличиваясь в количестве и погибая лишь от недостатка питательных веществ. Так происходит рост опухоли. Особенно быстро развивается лейкоз (рак крови) – болезнь, связанная с избыточным появлением в костном мозге, а затем и в крови неполноценных белых клеток – лейкоцитов. Правда, в последнее время выяснилось, что связь между радиацией и заболеванием раком более сложная, чем предполагалось ранее. Так, в специальном докладе японско-американской ассоциации ученых сказано, что только некоторые виды рака: опухоли молочной и щитовидной желёз, а также  лейкемия – развиваются в результате радиационного поражения. Причем опыт Хиросимы и Нагасаки показал, что рак щитовидной железы наблюдается при облучении в 50 и более рад. Рак молочной железы, от которого умирают около 50%, наблюдается у женщин, многократно подвергавшихся рентгенографическим обследованиям. Характерным для радиационных поражений является то, что лучевые травмы сопровождаются тяжелыми  функциональными расстройствами, требуют сложного и длительного (более трёх месяцев) лечения. Жизнеспособность облученных тканей значительно снижается. Кроме того, через много лет и десятилетий после получения травмы возникают осложнения. Так, наблюдались случаи возникновения доброкачественных опухолей через 19 лет после облучения, а развитие лучевого рака кожи и молочной железы  у женщин – через 25–27 лет. Некоторые травмы обнаруживаются на фоне или после воздействия дополнительных факторов нерадиационной природы (диабет, атеросклероз, гнойная инфекция, термические или химические травмы в зоне облучения). Необходимо также учитывать, что люди, пережившую радиационную аварию, испытывают дополнительный стресс в течение нескольких месяцев и даже лет после неё. Такой стресс может включить  биологический механизм, который приводит к возникновению злокачественных заболеваний. Так, в Хиросиме и Нагасаки крупная вспышка заболеваний раком  щитовидной железы наблюдалась спустя 10 лет после атомной бомбардировки. Исследования, проведённые  радиологами на основании данных Чернобыльской аварии, свидетельствуют о снижении порога последствий от воздействия облучения. Так, установлено, что облучение в 15 бэр может вызвать нарушения в деятельности иммунной системы. Уже при получении дозы в 25 бэр у ликвидаторов аварии наблюдалось снижение в крови лимфоцитов – антител к бактериальным антигенам, а при 40 бэр увеличивается вероятность возникновения инфекционных осложнений. При воздействии постоянного облучения дозой от 15 до 50 бэр часто отмечались случаи неврологических расстройств, вызванных изменениями в структурах головного мозга. Причём эти явления наблюдались в отдалённые сроки после облучения. Одно из ранних проявлений  облучения – массовая гибель клеток лимфоидной ткани. Образно говоря, эти клетки первыми принимают на себя удар радиации. Гибель лимфоцитов ослабляет одну из основных систем жизнеобеспечения организма – иммунную систему, так как лимфоциты способны реагировать на появление чужеродных для организма антигенов выработкой строго специфических антител к ним. В результате воздействия энергии радиационного излучения в малых дозах в клетках происходят изменения генетического материала (мутации), угрожающие их жизнеспособности. Наступает деградация ДНК-хроматина, частично или полностью блокируется функция генома, происходит нарушение репарации ДНК – способности её к восстановлению и замене погибших клеток. Генетические мутации в половых клетках оказывают влияние на жизнь и развитие будущих поколений. С ростом дозы повышается не тяжесть, а частота их возможного проявления. При получении дозы в 1 бэр предыдущим поколением она даёт дополнительно в потомстве 0,02 % генных аномалий, т.е. у 250 младенцев на миллион. По выводам научного комитета ООН по атомной радиации, доза в 30 рад при остром облучении и 10 рад при хроническом (в течение репродуктивного периода) удваивает вероятность генных мутаций. Эти факты и многолетние исследования данных явлений привели ученых к выводу, что безопасных доз радиации не существует. Чувствительность клетки к радиации меняется на разных этапах процесса деления. Наиболее чувствительна клетка в конце покоя и начале первого месяца деления. Особенно  чувствительна к облучению зигота – эмбриональная клетка, образующаяся после слияния сперматозоида с яйцом.