Від гамма-випромінювання

того щоб відрізнити їх один від одного, до символу елемента при­писують число, що дорівнює сумі всіх частинок в ядрі даного ізотопу. Так, уран-238 має 92 протони і 238 - 92 = 146 нейтронів, в урані-235 також 92 протони, але 235 - 92 = 143 нейтрони. Протони і нейтрони мають загальну назву — нуклони.

Повну кількість нуклонів називають масовим числом (А). Воно є мірою стабільності ядра. Чим ближче розміщено елемент

до кінця таблиці Менделєєва, тим більше А, тим більше нейтро­нів у ядрі і тим менш стійкі ці ядра.

Ядра всіх ізотопів утворюють групу нуклідів. Деякі нук­ліди стабільні, тобто якщо немає зовнішньої дії, то не відбува­ється ніяких змін. Більшість нуклідів нестабільні, вони весь час перетворюються в інші нукліди.

Електрони розміщуються на орбітах у строгій послідов­ності: на найближчій до ядра орбіті може бути не більше двох елементів, на наступній — не більше восьми, на третій — 16, далі — 32. Ці умови постулював у 1913 р. датський фізик Н. Бор. Потім вони були підтверджені експериментально.

Енергія атома дискретна. Перехід із одного стану в другий відбувається стрибкоподібно з випромінюванням строго фіксо­ваної порції енергії — кванта. Цей термін ввів основополож­ник квантової теорії М. Планк. Електрони можуть переходити з однієї орбіти на другу і залишати атом. Складні процеси, що відбуваються всередині атома, супроводжуються вивільненням енергії у вигляді випромінювання. Можна сказати, що випуск ядром двох протонів і двох нейтронів — це альфа-випромінювання, а випуск електрона — це бета-випромінювання. Якщо нестабільний нуклід є перезбудженим, то він виділяє порцію чистої енергії, яку називають гамма-випромінюванням (гамма-квантом). У цей час будь-які інші частинки не виділяються.

Процес самочинного розпаду нукліда називають радіоак­тивним розпадом, а сам нуклід — радіонуклідом.

Кількісну характеристику іонізуючого випромінювання, яку називають дозою, визначають як енергію, поглинуту речови­ною. Першою із таких величин є поглинута доза (І)) — це кіль­кість енергії, що поглинута опроміненою речовиною і розрахова­на на одиницю маси цієї речовини. Одиницею її є грей (Гр) (назва­на на честь англійського фізика і радіобіолога Л. Грея). Один грей відповідає енергії 1 Дж іонізуючого випромінювання, поглину­тій речовиною масою в 1 кг.

Меншою одиницею поглинутої дози є рад: 1 рад = 0,01 Гр.

Однакові поглинуті дози випромінювання різних видів породжують неоднакові біологічні ефекти. Наприклад, погли­нута доза нейтронного випромінювання 0,5 Гр призводить до тяжчих наслідків, ніж така сама доза рентгенівського випромінювання

При однаковому значенні поглинутої дози рентгенівські промені, гамма- і бета-випромінювання спричинюють менше ураження, ніж випромінювання важких іонів. Щоб визначити радіаційні ефекти від випромінювання різних видів, використовують еквівалентну дозу (Н) — кількість поглинутої дози, помножену на радіаційний ваговий фактор W_r (коефіцієнт якості). Цей коефіцієнт характеризує ефективність дії конкретного випромінювання:

Вид іонізуючого випромінювання W_r

Рентгенівські промені, гамма- і бета-випромінювання 1

Протони з енергією понад 2 МеВ 5
Нейтрони з енергією:

менше ніж 10 кеВ 5

10...100 кеВ 10

100 кеВ...2 МеВ 20

2...20 МеВ 10

понад 20 МеВ 5

Альфа-випромінювання, важкі ядра віддачі 20

Еквівалентна доза виражається в зівертах (Зв) і берах (біологічний еквівалент рада): 1 Зв = 100 бер.

Різні органи або тканини організму мають різні чутливості до випромінювання. Відомо, наприклад, що при однаковій еквівалентній дозі опромінення виникнення раку в легенях імовірніше, ніж у щитовидній залозі, а опромінення гонад (сатевих залоз) особливо небезпечне через ризик генетичних пошкоджень. У разі нерівномірного опромінення різних органів або тканин тіла людини введено поняття ефективної дози (Е), дорівнює сумі добутків еквівалентних доз Н_Т в окремих органах (Т) людини і тканинах на відповідні тканинні вагові фактори W_t:

(4.11)

Ваговий фактор W_т дає змогу розраховувати дозу опромінення всього тіла, яка за ризиком віддалених соматичних наслідків еквівалентна даній дозі опромінення органа Т. Значені вагових факторів W_т для різних органів і тканин людини такі: гонади — 0,20; кістковий мозок (червоний), товста кишка, легені, шлунок — 0,12; сечовий міхур, молочна залоза, печінка, стравохід, щитовидна залоза — 0,05; шкіра, поверхня кістки — 0,01 інші органи — 0,05.

Отже, W_т визначає ваговий внесок даного органа або тканини до ризику несприятливих наслідків для організму при рівномірному опроміненні:

(4.12)

де n — кількість органів і тканин.

Застосування поняття ефективної дози допускається при значеннях еквівалентних доз, що лежать у межах значень, нижчих за поріг виникнення детерміністичних ефектів. Ефективна доза опромінення взята як один із головних критеріїв захисту населення, що потерпіло внаслідок катастрофи на ЧАЕС.

Одиницями ефективної дози є зіверт і бер.

Колективна ефективна доза — це сума добутків середніх ефективних доз Е на кількість осіб N, що були опромінені:

(4.13)

Одиниця колективної ефективної дози — людино-зіверт (люд-Зв). Наприклад, колективна ефективна доза, отримай 1 млн осіб, становить 3200 люд-Зв. Одна особа отримує в середньому 3,2 мЗв.

Щоб оцінити радіаційний вплив на людину в робочому чи житловому приміщенні та на місцевості, який зумовлений рентгенівським промінням або гамма-випромінюванням, використовують експозиційну дозу опромінення (X). Вона характеризує іонізуючу здатність випромінювань у повітрі. Одиниця експозиційної дози — кулон на кілограм (Кл/кг). В дозиметрії при використанні деяких дозиметричних приладів частіше вживають одиницю рентген

(Р): 1 Р = 2,58*10^-4 Кл/кг, 1 Кл/кг = 3876 Р. В 1 см³ сухого повітря за нормальних фізичних умов 1 Р утворює 2,08*10⁹ пар іонів. Експозиційна доза в 1Р відповідає приблизно 1 раду (в повітрі 1 Р = 0,88 рад, в біологічній тканині — 0,98 рад).

Радіаційне забруднення атмосфери, різних поверхонь, предметів контролюють за потужністю дози, тобто за дозою, віднесеною до одиниці часу. Потужність дози іонізуючого випромінювання називають (при визначенні потужності дози на висоті 1 м над поверхнею землі) також рівнем радіації або радіаційним фоном. Потужність дози характеризує швидкість її накопичення.

Активність радіоактивної речовини — це кількість ато­мів, що розпадаються за одну секунду. Цією величиною визначають кількість радіоактивної речовини. За одиницю активності взято бекерель (Бк) — один розпад за одну секунду. Крім того, використовують одиницю активності кюрі (Кі). Стосовно ра­дію один грам радію має активність 1 Кі. Для інших елементів 1 Кі — це розпад 37 млрд атомів за 1 с, тобто 1 Кі = 3,7*10¹⁰ Бк, 1 Бк = 2,7-10^-9 Кі.

Радіаційне забруднення середовища, предметів, харчових продуктів, води характеризують питомою, об'ємною і поверхневою активностями, що являють собою відношення кількості радіоактивної речовини, вираженої в кюрі (бекерелях) або їх похідних, до одиниці маси, об'єму або площі поверхні (Кі/кг, Кі/м³, Кі/л, Кі/м²).

Активність одного грама радіоактивного нукліда можна розрахувати за формулою

(4.14)

де N₀ - число Авогадро (N₀ = 6,02*10²³ ядер/грам-атом); М₀ — атомна маса; T_1/2 — період напіврозпаду радіонукліда.

Приклад. Визначити активність радію Rа. Період напіврозпаду Rа дорывнює 1,6*10³ років. Один рік має 3,16*10⁷ с. Отже,

Чим менші T_1/2 і М₀, тим більша А.

Використана у формулі (4.14) величина Т_1/2 — період напівіврозпаду — є важливою сталою для кожного радіонукліда. Період напіврозпаду — це час, протягом якого розпадається наполовину початкова кількість певної речовини, тобто зменшує наполовину свою активність. Наприклад, період напіврозпаду для ²³⁸U 4,5.10⁹ років, ¹⁰⁶Ru — 368,2 доби, ⁴⁰К — 1,3*10⁹ років, ⁹⁰Sr — 29 років, ¹³⁷Сs — ЗО років, ¹³¹І — 8,04 доби, ²²⁶Ra — 1600 років, ²⁴¹Аm — 432,2 року, ²⁴¹Рu — 14,4 року.

Закон радіоактивного розпаду має вираз

(4,15)

де А_t— активність радіонукліда на час t; А₀ — початкова активність радіонук­ліда; і — час, на який визначається активність.

Тобто активність радіонукліда зменшується з часом за експонен­ціальним законом (рис. 4.8).

Основні одиниці іонізуючих випромінювань наведено в табл. 4.7.

Рис. 4.8. Графічна залежність закону радіоактивного розпаду

Таблиця 4.7. Основні одиниці іонізуючих випромінювань

Зовнішнє і внутрішнє опромінення.Існують два різних шляхи, якими випромінювання досягає тканин організму і діє ні них. Перший шлях — зовнішнє опромінення від джерела, розміщеного поза організмом. В цьому разі зовнішнє радіаційне ураження спричинюється глибоким проникненням гамма- і рентгенівських променів, нейтронів та бета-частинон, що неглибоко проникають в організм людини. Другий шлях — внутрішнє опромінення, зумовлене радіоактивною речовиною, що потрапила всередину організму. В цій ситуації альфа-, бета- і гамма-випромінювання створюють серйозну небезпеку. Але найбільшою небезпоекою в цьому разі є концентрація в організмі ізотопів, що випромінюють альфа-частинки з коротким пробігом і високою густиною іонізації. Захист від небезпечної дії зовнішнього опромінення буде зовсім іншим, ніж захист від внутрішнього опромінення.

Засоби захисту від зовнішнього рентгенівського, гамма і нейтронного випромінювань, а також бета-частинок базуються на комбінації трьох чинників: часу, відстані, екранування. Тобто захист можливий, якщо регулювати тривалість опромінення, відстань до джерела випромінювання та розмістити між індивідумом і джерелом випромінювання поглинальний матеріал.

Вплив тривалості опромінення на величину отриманої люди­ною дози можна пояснити таким прикладом. Якщо людина перебуває в зоні випромінювання з рівнем радіації 10 мрад/год, то через 1 год вона отримає дозу 10 мрад, через 2 год — 20, череі 4 год — 40 мрад і т.д. Отже, роботу в зоні з підвищеною радіацією слід планувати так, щоб час, потрібний для виконання завдання в небезпечній зоні, був мінімальним.

Інтенсивність радіації знижується пропорційно квадрату відстані від джерела випромінювання. Так, якщо джерело іонізації створює рівень радіації 100 рад/год на відстані 1 м від нього, то із збільшенням відстані вдвоє інтенсивність зменшиться в чотири рази і буде дорівнювати 25 рад/год. У разі збільшення відстані в три рази інтенсивність опромінення зменшиться до 1/9 від початкового значення і т.д. Цю властивість слід використовувати як спосіб захисту від уражальної дії іонізуючих випро­мінювань.

І нарешті, використання різних екранувальних матеріа лів для захисту від проникнення рентгенівських гамма-променів

залежить від густини речовини, що застосовується для цього. Так свинець у даному разі підходить більше, ніж алюміній, вода або папір. З іншого боку, найефективнішим захистом від нейтронів є використання водневмісних матеріалів, парафіну, графіту тощо. Слід враховувати також, що захисні властивості збільшуються у разі використання кількох шарів захисного матеріалу. Кожний шар зменшує випромінювання наполовину, радіація за екраном зменшиться в чотири рази, три таких шари знизять радіацію у вісім разів, чотири шари — у 16 разів і т.д.

Внутрішнє радіаційне ураження можливе в разі потрапляння всередину організму радіоактивних речовин (РР) через легені при диханні забрудненим повітрям, разом з їжею, водою, зараженими радіоактивними речовинами, через пошкодження і порізи на шкірі та внаслідок адсорбції крізь здорову шкіру. Опромінення в цьому разі буде продовжуватись до того часу, поки РР не виведуться з організму внаслідок розпаду або фізіологічного обміну.

Під час дихання більші частинки радіоактивних речовин тримаються ворсинками та слизом у шляхах дихання і виштов­хуються на поверхню. Менші, нерозчинні частинки, затримуються в легенях, і легенева тканина отримує певну дозу радіації, якщо радіоактивна частинка розчинна, то речовина надходить в кровообіг і розноситься до різних тканин та органів тіла.

Радіоактивні речовини, що потрапили крізь шкіру, надходять безпосередньо в кров'яне русло і подальша доля радіоізотопу залежить від його хімічних властивостей. Деякі речовини поглинаються і накопичуються у конкретних органах, що призводить до високих локальних доз радіації. Якщо радіоактивні ізотопи не депонувалися у тканини та органи тіла, то вони з часом проходять через нирки і видаляються з сечею. Наприклад. кістки добре засвоюють кальцій. Оскільки радій, стронцій розміщуються в тій же групі періодичної таблиці хімічних елементів, що і кальцій, вони накопичуються здебільшого в кіст­ковій тканині, а це може призвести до значних місцевих доз опромінення. Іншим прикладом може бути радіоактивний йод, який засвоюється переважно щитовидною залозою, що сприяє виникненню значних місцевих доз.

Після того як радіоактивна речовина осіла в організмі, важ­ливими є значення енергії та вид випромінювання, форма і маса

органу, фізичний (Т_1/2) та біологічний (Т_1/2б) періоди напіврозпаду ізотопу. Біологічний період напіврозпаду — це той час, що потрібний для виведення з організму половини радіоактивної речовини (з потом, слиною, сечею, калом).

Кількісно швидкість виведення радіоактивної речовиніи з організму характеризують за ефективним періодом напівиведення Т_1/2еф. Це час, за який активність депонованого в органінізм ізотопу зменшується вдвоє:

(4.16)

Для різних радіоактивних ізотопів значення Т_1/2еф дуже відрізняються: від кількох годин (²⁴Na, ⁶⁴Сu) і днів (¹³¹І, ³²Р, ³⁵S) дj десятків років (²³⁶Rа, ⁹⁰Sr). Природно, що чим більший ефективний період в ізотопу, тим більша його радіотоксичність, оскільки сумарна доза при цьому збільшується із збільшенням Т_1/2еф. У табл. 4.8 наведено значення ефективного періоду напіввиведення інкорпорованого нукліда. Ефективний період напіввиведення може значно відрізнятися від Т_1/2 і Т_1/2б, але якщо Т_1/2 >> Т_1/2б , то Т_1/2еф = Т_1/2б , а якщо Т_1/2 << Т_1/2б , то Т_1/2еф = Т_1/2 .

Таблиця 4.8. Значення ефективного періоду