Радиация и Жизнь
Эрик Холл
Профессор Университета штата Колумбия, США.
"Жизнь на земле развивалась с существующим фоном радиации. Это не что-то новое, изобретенное умом человека: радиация была всегда". (Из книги Эрика Холла, "Радиация и Жизнь") |
|
Содержание:
4. Измерение и контроль ионизирующего излучения
5. Сколько ионизирующего излучения опасно ?
9. Факторы радиационного риска
11. Нормы радиологической безопасности
Радиация – это энергетические потоки в пространстве. Солнечный свет - одна из наиболее знакомых форм радиации. Он дает нам свет, теплоту и загары. Мы защищаем себя солнечными очками, тенью, кондиционерами, шляпами, одеждой и солнцезащитным кремом. Не было бы никакой жизни на Земле без солнечного света, но мы все больше понимаем, что большое количество солнечного света для людей – это не всегда хорошо. Он может быть и опасен. Поэтому мы
и управляем экспозицией солнечного света на наши тела.Солнечный свет – это электромагнитное излучение в диапазоне длин волн между самой длинной волной инфракрасного излучения и самой короткой длиной волны ультрафиолетового излучения.
За ультрафиолетовым диапазоном находятся такие виды радиации, которые используются в медицине, и которые все мы получаем в малых дозах от окружающего пространства, воздуха и земли. Все вместе эти виды радиации называют ионизирующим излучением. Их воздействие в больших дозах может приводить к вредным последствиям, что имеет особое значение для живых организмов.
Живые существа развиваются в окружающей их среде, которая имеет нормальные и безопасные уровни ионизирующего излучения. Более того, многие из нас обязаны своей жизнью и здоровьем радиации, произведенной искусственно. Всем известно, что медицинское рентгеновское исследование человека помогает выявлять скрытые проблемы здоровья.
Некоторые виды излучения используется, чтобы диагностировать болезни, а иногда применяют излучение, чтобы предотвратить развитие болезни. Все мы, так или иначе, извлекаем выгоду из множества достижений науки и техники, ставших возможными благодаря осторожному использованию радиоактивных материалов.
Радиационный фон - это то, что является естественным и неизбежным фактором в окружающей нас среде. Уровни радиационного фона могут быть очень разными и непостоянными. Так, например, люди, живущие в областях, богатых гранитом или на минерализованных песках, получают больше земной радиации чем другие, в то
время как люди, проживающие или работающие на высокогорье, получают большее количество космической радиации. Достаточно высокий уровень экспозиции мы получаем из-за радона, радиоактивного газа, который просачивается из-под земной коры и всегда присутствует в воздухе, который мы вдыхаем.Источником ионизирующего излучения являются атомы.
Большинство атомов в природе устойчивы; атом углерода-12, например, остается атомом углеродом-12 всегда, и атом кислорода-16, остается атомом кислорода-16 всегда, но некоторые атомы непостоянны, и распадаются полностью на новые атомы. Эти атомы называют "нестабильными" или "радиоактивными". Нестабильный атом имеет избыточную внутреннюю энергию, так что в итоге ядро атома может подвергнуться изменению к более устойчивой форме. Это явление называется "радиоактивным распадом".
Каждый вид атома называется изотопом, а нестабильные (которые являются, таким образом, радиоактивными) называются радиоизотопами. Некоторые элементы, типа урана, не имеют вообще устойчивых изотопов.
Когда атом радиоизотопа распадается, то при этом выделяется часть его избыточной энергии в форме гамма-лучей или быстрых частиц. Если это распад с испусканием альфа- или бета-частиц, то образуется новый элемент. Атом постоянно стремится к стабильному состоянию, в котором он не радиоактивен.
Другой источник ядерной радиоактивности - это когда одна форма радиоизотопа изменяется в другую форму, или в изомер, в процессе испускания гамма-лучей. Гамма-лучи часто испускаются вместе с альфа или бета-частицами также, как при распаде ядра к менее возбужденному состоянию.
Вместо обыкновенных единиц измерения массы и объема, количество радиоактивного материала измеряется в Беккерелях (Bq), мера, которая позволяет нам количественно сравнить радиоактивность некоторых естественных и других материалов.
Здесь мы рассмотрим процесс ионизации атома в результате воздействия радиации. Это процесс происходит в двух формах - под воздействием лучей и частиц.
Ионизация радиацией создает в материалах, подвергнутых облучению, заряженные частицы, называемые ионами. Этот процесс называется ионизацией.
Ионизирующее излучение способно воздействовать на большие химические молекулы, из которых состоят все живые существа, и может становиться причиной многих биологических изменений.
Имеется несколько типов ионизирующего излучения:
Рентгеновское излучение и гамма-лучи
, подобно свету, представляют собой энергию, передаваемую с помощью электромагнитных волн, подобно теплоте или свету, распространяющимся в пространстве. По своим свойствам рентгеновское излучение и гамма-лучи практически одинаковы, за исключением того, что рентгеновское излучение, в отличие от гамма-лучей, происходит не из атомного ядра. В отличие от света, они имеют большую проникающую способность и могут проникать сквозь человеческое тело. Массивные барьеры из бетона или воды обычно используются как средство защиты от их негативного воздействия.Альфа-частицы
имеют положительный электрический заряд и испускаются от естественно существующих тяжелых нестабильных элементов типа урана и радия, а также и от некоторых искусственных элементов. Из-за их относительно большого размера, альфа-частицы при столкновениях с другими частицами в веществе быстро теряют свою энергию. Поэтому они имеют небольшую проникающую способность и могут быть остановлены, например, тонким слоем фольги.Однако, если альфа-частицы попадают в организм, например, при вдыхании или глотании, они могут воздействовать на клетки организма. Внутри организма альфа-частицы могут причинить больший биологический вред, чем другие виды радиации, потому что они теряют свою энергию на относительно коротком расстоянии.
Бета-частицы
- быстрые электроны, испущенные атомными ядрами. Эти частицы намного меньшие чем альфа-частицы и могут проникать в водную среду или в человеческое тело от 1 до 2 сантиметров. Бета-частицы испускаются от многих радиоактивных элементов. Они могут быть остановлены пластинкой алюминия толщиной в несколько миллиметров.Космическая радиация
состоит из большого многообразия быстрых частиц, включая протоны, которые бомбардируют землю от космоса. Космическое излучение более интенсивно в высокогорных местах, чем на уровне моря, где атмосфера земли наиболее плотна и обеспечивает самую эффективную защиту.Нейтроны
- частицы, не имеющие электрического заряда, которые также обладают очень высокой проникаемостью. Появляются они, главным образом, в результате ядерного распада или деления некоторых атомов внутри ядерного реактора. Вода и бетон – наиболее часто используемые защитные экраны против нейтронной радиации.Важно отметить, что в результате воздействия ионизирующего излучения человеческий организм вовсе не становится радиоактивным.
Измерение и контроль ионизирующего излучения
Греи и Зиверты
Человеческие органы чувств не способны обнаружить радиацию и различить, является ли материал радиоактивным или нет. Однако, существуют приборы, которые в состоянии обнаружить и измерить радиацию точно и надежно.
Ионизирующее излучение измеряется в международных единицах, Грей (Gy) и Зиверт (Sv).
Количество радиации, или "доза облучения", полученная человеком, определяется количеством энергии, поглощенной тканью тела, и выражается в Греях.
Однако равная экспозиция различных типов радиации необязательно производит равные биологические эффекты. Один Грей альфа-излучения, например, будет давать больший эффект чем один Грей бета-излучения. Поэтому, когда мы говорим о биологическом воздействий ионизирующего излучения, мы выражаем радиацию в единицах, называемых Зивертами.
Один Зиверт радиации оказывает одинаковый биологический эффект независимо от типа радиации.
Меньшие количества выражены в “миллиЗивертах” (одна тысячная часть Зиверта) или “микроЗивертах” (одна миллионная часть Зиверта). Обычно используются наиболее удобные единицы, миллиЗиверты (
mSv).
Сколько ионизирующего излучения опасно?
Шкала лучевых уровней
Ниже приведены данные, которые представляют наиболее вероятные эффекты при различных значениях доз облучения и мощностей дозы к целому телу:
10,000 mSv (10 Зивертов) - при кратковременном облучении причинили бы
немедленную болезнь и последующую смерть в течение нескольких недель.
Между 2 и 10 Зивертами - при кратковременном облучении причинили бы острую лучевую болезнь с вероятным фатальным исходом.
1,000 mSv (1 Зиверт) - при кратковременном облучении, вероятно, причинили бы временное недомогание, но не привели бы к смерти.
Поскольку доза облучения накапливается в течение времени, то облучение в 1000 mSv вероятно привело бы к риску появления раковых заболеваний многими годами позже.
50 mSv/в год, самая низкая мощность дозы, при которой еще возможно появление раковых заболеваний. Это также мощность дозы, получаемая от естественных фоновых уровней в некоторых местах. Облучение при дозах выше этой приводит к увеличению вероятности заболевания раком.
20 mSv/в год - усредненный более чем 5 лет - предел для персонала в ядерной и горнодобывающих отраслях промышленности.
10 mSv/в год - максимальный уровень мощности дозы, получаемый шахтерами, добывающими уран.
3 - 5 mSv/в год - обычная мощность дозы, получаемая шахтерами, добывающими уран.
3 mSv/в год - нормальный радиационный фон из естественных природных источников ионизирующего излучения, включая мощность дозы почти в 2 mSv/в год от радона в воздухе. Эти уровни радиации близки к минимальным дозам, получаемым всеми людьми на планете.
0.3 – 0.6 мSv/в год - типичный диапазон мощности дозы от искусственных источников излучения, главным образом медицинских.
0.05 мSv/в год - уровень естественной фоновой радиации, требуемый по нормам безопасности, вблизи ядерных электростанций. Фактическая доза вблизи ядерных объектов намного меньше.
Для низких уровней радиационной экспозиции биологические эффекты настолько малы, что они не всегда могут быть обнаружены. Международные стандарты радиационной защиты предполагают однако, что эффект прямо пропорционален дозе облучения, даже на низких уровнях. Согласно этой "линейной" теории действия излучения, если доза облучения в два раза меньше, то эффект, или риск любого эффекта, также в два раза меньше.
Ранее накопленные дозы радиации, хотя и не были фатальными для человека, могут привести к риску появления раковых заболеваний несколькими годами позже.
Человеческий организм имеет защитные механизмы против вредного воздействия, вызванного радиацией, также как и против химически активных и ядовитых веществ. Однако, организм может справиться лишь с относительно небольшим вредным воздействием радиации, а не с большими дозами сразу, как это было с оставшимися в живых людьми после атомной бомбардировки Хиросимы и Нагасаки в 1945 году. Данное обстоятельство учитывается в урегулировании оценок профессионального риска, но степень защиты для малоактивной лучевой экспозиции должна быть все-таки больше, чем эти оценки. Много людей профессионально связаны с работами в такой среде, где они могут быть подвергнуты радиационному облучению выше фоновых уровней. Соответственно, они постоянно во время работы должны иметь при себе индивидуальные дозиметры, и их экспозиции тщательно контролируются.
Естественный фоновый уровень радиации обычно колеблется в пределах от 1.0 до 3.5 миллиЗивертов в год, а в некоторых местах может быть и выше. Самый высокий известный уровень радиационного фона, воздействующего на население, находится в Керале и Государствах Мадраса в Индии, где приблизительно 140 тысяч людей получают ежегодно достаточно большую дозу, которая составляет в среднем более чем 15 миллиЗивертов в год в основном от гамма-излучения и некоторого количества от радона.
Сопоставимые уровни радиационного фона в Бразилии, Иране и Судане, со средними экспозициями до 38 mSv/в год. Четыре места известны в Индии и Европе, где естественная фоновая радиация имеет дозы более чем 50 mSv/в год. Никаких вредных воздействий, являющихся результатом этих высоких естественных фоновых уровней радиации, на людей в этих местах не наблюдалось.
Ионизирующее излучение производится искусственно для медицинских, коммерческих и индустриальных целей. Наиболее известный населению и самый распространенный из этих источников экспозиции - медицинское рентгеновское излучение. Если естественная радиация дает приблизительно 88% ежегодной дозы облучения населения, то медицинским процедурам соответствует лишь 12 %. Эффекты воздействия естественной и искусственной радиации одинаковы.
Атомы радиоактивных веществ распадаются случайно. Период времени, который занимает этот процесс, число требуемых шагов и видов ионизирующего излучения, испущенного на каждом шаге, известен для всех существующих в природе элементов. Период полураспада – это интервал времени, на протяжении которого активность радиоактивного вещества убывает в два раза. Период полураспада меняется в широких пределах: от миллионных долей секунды до миллионов лет в зависимости от вещества. После одного периода полураспада уровень радиоактивности вещества понижается в два раза, после двух периодов полураспада – в четыре раза, после трех – в восемь раз, и так далее.
Использование человечеством многих, потенциально выгодных, достижений науки и техники всегда связано с определенным риском. Не являются исключением и проблемы радиологии и радиационной безопасности. Следует, однако, заметить, что радиоактивные материалы должны использоваться только там, где выгоды от их применения значительно перевешивают степени риска для людей.
Ионизирующее излучение – это только один из сотен факторов, которые могут оказывать серьезное влияние на здоровье людей. Степень ущерба, вызываемого радиационным облучением, зависит от многих показателей, например, от дозы облучения, ее мощности, типа радиации, части подвергнутого облучению тела, возраста и здоровья человека.
Давно известно, что большие дозы ионизирующего облучения, гораздо большие, чем фоновые уровни, могут приводить к заметному увеличению частоты раковых образованьях, лейкемии (раку крови) и генетическим мутациям, которые могут влиять на будущие поколения. Но какова вероятность развития рака от низких доз радиации? Любая доза радиации, независимо от того, насколько она мала, приводит к рискам для человеческого здоровья, но при дозах облучения ниже 50 миллиЗивертов эффекты воздействия настолько малы, что риск возникновения заболеваний незначительный.
Также по прошествию многих лет после облучения человека могут проявляться факторы, приводящие к потенциальной причине рака и появлению болезни. Это, однако, трудно утверждать с уверенностью, так как существуют различные причины возникновения рака. Курение табака, неправильное питание и солнечное облучение находятся среди наиболее вероятных причин рака. Но, тем не менее, очевидно, что радиация, используемая ненадлежащим образом, может увеличивать факторы риска.
С другой стороны, большие дозы радиации, направленные на опухоль, используются в лучевой терапии, чтобы подавить злокачественные клетки. Намного большие дозы используются для того, чтобы уничтожить вредные бактерии в продуктах питания, и стерилизовать медицинское оборудование. Радиация стала ценным инструментом в нашем современном мире.
Поскольку облучение ионизирующим излучением несет определенный риск, то должны ли мы избегать его полностью? Даже если бы мы этого хотели, осуществить это будет невозможно. Мы уже сказали, что радиация всегда существует в окружающей среде и в нашем теле, и мы можем лишь уменьшить ее вредное воздействие.
Существует достаточное количество простых и чувствительных приборов, способных обнаружить радиацию как естественного, так и искусственного происхождения. Кроме того, имеются четыре способа, которые могут защитить нас – это время, расстояние, экранировка и объем:
Время. Для людей, которые подвергаются воздействия радиации, в дополнение к естественной фоновой радиации, в связи с их профессиональной деятельностью, ограничивают время экспозиции.
Расстояние. Так же как тепло от огня меньше, чем дальше вы от него, так и интенсивность радиации меньше, чем дальше вы от источника радиации.
Экранировка. Барьеры из металлов, бетона или воды дают хорошую защиту от проникающей радиации типа гамма-лучей. Поэтому радиоактивные материалы часто хранятся глубоко под водой, и работают с ними в специальных помещениях, построенных из толстого бетона или защищенных металлом.
Объем. Радиоактивные материалы помещаются и хранятся в, по возможности, малом пространстве. Радиоактивные изотопы для медицинского использования, например, хранятся в специальных закрытых контейнерах - "свинцовых домиках", в то время как ядерные реакторы оперируют в пределах закрытых систем с множественными барьерами, которые изолируют материалы, содержащие радиоактивность. Помещения оборудуются и проектируются таким образом, чтобы любые утечки не произошли за их пределы.
Нормы радиологической безопасности
Большинство стран имеют свои собственные стандарты и нормы радиологической безопасности, которые часто основаны на рекомендациях Международной Комиссии по Радиологической Защите (ICRP). Авторитет ICRP обеспечивается научным уровнем ее членов и качеством рекомендаций, даваемых в течение уже более чем пятидесяти лет.
ICRP рекомендует, чтобы максимальная среднегодовая допустимая доза облучения для профессиональных работников была 20 миллиЗивертов в течение более чем пяти лет (то есть 100 миллиЗивертов) с максимумом 50 миллиЗивертов в любом году. Для облучения населения пределом является среднегодовая доза облучения 1 миллиЗиверт в течение более чем пяти лет. В обеих категориях, приведенные цифры выше фоновых уровней, и исключают медицинскую экспозицию.
г
Перевод с английского, Студия "Князь ГвиДон", 2000