Руководство к лабораторным занятиям по коммунальной гигиене (стр. 13 )

Рис. 11. Зависимость количества ядер неустойчивых изотопов в

источнике излучения от времени (Т1/2 – период полураспада)

Излучения могут иметь корпускулярную или фотонную (электромагнитную) природу. Корпускулярные излучения представляют собой поток элементарных частиц: ?-лучи (ядра гелия), β-лучи (электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино и пр.), протоны (1p1), нейтроны (1n0) и др.; фотонное излучение (поток квантов энергии hн) представлено γ-излучением и сходным с ним по физико-химическим свойствам и биологическому действию рентгеновским (R - или Х-лучи).

Тип спонтанного превращения неустойчивого изотопа определяется типом испускаемых ядерных частиц:

Альфа-распад - характерен для естественных радиоактивных изотопов с большими порядковыми номерами и малыми энергиями внутриатомных связей. Выделяется α-частица и γ-квант: 22688Ra → 42α + 22286Rn + γ. Электронный бета-распад возможен у естественных и искусственных изотопов. Выделяются электрон, нейтрино и энергия: 4019K→e –1+4020Ca+ν+ γ.

3. Позитронный бета-распад имеет место у некоторых искусственных изотопов. Выделяются позитрон, нейтрино и γ-квант: 3215P→e +1+3214Si+ν+γ.

4. К-захват ядром электрона с К-орбиты атома. Выделяются нейтрино и γ-квант: 6429Cu + e –1 → 6428 Ni + ν + γ.

5. Деление ядер у радиоактивных элементов с большим атомным номером при ядерных реакциях с нейтронами. Выделяются нейтроны и энергия, идет цепная реакция:  23592U + 10n → 9036Kr + 14056Ba + 5 10 n + Е.

Рентгеновское излучение (Х-лучи) - это тормозное электромагнитное излучение или поток квантов энергии (hν), возникающих в результате торможения быстрых электронов (Я--излучения) ядрами атомов вещества (рис. 12). Рентгеновское излучение занимает спектральную область между гамма - и ультрафиолетовым излучением в пределах длин волн от 10-4 до 103 0А (ангстрем). Источники рентгеновских лучей – солнечное и космическое излучение; рентгеноизлучающие изотопы; рентгеновская трубка, в которой в результате бомбардировки металлической мишени электронами возникает тормозное рентгеновское излучение.

Рис. 12. Схема возникновения рентгеновского излучения

Рентгеновская трубка – это электровакуумный прибор, в котором катод испускает электроны, ускоряемые сильным электрическим полем между катодом и анодом. Электроны ударяются об анод и тормозятся, что вызывает испусканием анодом рентгеновских лучей. При этом энергия электронов частично преобразуется в энергию рентгеновских лучей. Рентгеновские трубки разнообразны и различаются по способу получения потока электронов (с термоэмиссионным катодом, с автоэмиссионным (острийным) катодом, с катодом, подвергаемым бомбардировке катионами и с радиоактивным источником бета-лучей); по способу вакуумирования (отпаянные, разборные); по времени излучения (непрерывные, импульсные); по способу охлаждения анода; по области излучения в рентгеновском диапазоне.

Нейтронное излучение возникает в результате ядерных реакций, например, при бомбардировке атомных ядер α-частицами. В первичном комплексе космических лучей нейтроны отсутствуют в силу нестабильности, но генерируются при их взаимодействии с атомами атмосферы3. Нейтроны в стабильных ядрах устойчивы, в свободном виде - нестабильны (распадаются на протоны, электроны и антинейтрино) и крайне реакционноспособны. Среднее время жизни нейтрона около 16 мин., в плотных средах – сотни микросекунд (мксек). Свободные быстрые нейтроны (с энергией > 0,5 Мэв) как и γ-лучи обладают большой проникающей способностью. При столкновении с ядрами углерода, азота, кислорода и других элементов, входящих в состав тканей живого организма, нейтроны теряют 10-15%, с ядрами водорода – 50% энергии. Поэтому вещества с большим числом атомов водорода (вода, парафин) замедляют нейтронный поток. При упругом столкновении в атомами нейтроны выбивают протоны, ионизирующие среду, и превращаются в медленные (тепловые) нейтроны, которые проникают в ядро и выбивают альфа-частицы, также вызывающие ионизацию среды. При неупругом столкновении «нейтрон - ядро атома» нейтрон поглощается атомом вещества с образованием тяжелого изотопа, подвергающегося бета-распаду с выделением γ-лучей. Таким образом, исчезая, нейтрон вызывает ядерные реакции, приводящие в ряде случаев к образованию радиоактивных изотопов. Поэтому основным эффектом нейтронного излучения является т. н. "наведенная радиоактивность" (искусственная радиоактивность, возникающая в результате ядерной реакции стабильного изотопа вещества с быстрыми нейтронами).

Характер взаимодействия лучей с облучаемым веществом и физические эффекты взаимодействия: ?-лучи и протоны - возбуждение и ионизация атомов; β-лучи - возбуждение, ионизация, тормозное рентгеновское излучение; γ-лучи – ионизация атомов, фотоэффект, люминесцентный эффект, рассеяние атомными электронами, образование пар «электрон+позитрон»; быстрые нейтроны - ядерные реакции и наведенная (искусственная) активность; медленные нейтроны – тепловой эффект. (табл. 17).

Таблица 17 Свойства различных видов ионизирующего излучения

Виды излучений	Масса, ед. массы	Заряд	Ионизация воздуха (на пути = 1 см)	Длина пробега
в воздухе	в тканях тела
Альфа-лучи	4,0	+2	Сотни тысяч пар ионов	< 10 см	< 0,05 мм
Бета-лучи	0,0005	-1, +1	Сотни пар ионов	10- 20 м	≈ 1 см
Гамма-лучи	0,001	0	Единицы (до 10) пар ионов	Тысячи м	> 2 м
Нейтроны	1,0	0	Ионизация вторична	сотни м	метры

Биологическое действие ионизирующих излучений на ядро и органеллы клетки на 1-м («физическом») этапе заключается в ионизации молекул воды и образовании химически активных центров («первичных радикалов»: О-2, ОН-, Н2О2-2, НО2-3), обладающих высоким окислительным потенциалом. Одновременно могут разрушаться SH-группы белков, группы тимина в ДНК, ненасыщенные связи липидов.

2-й этап («химический») – взаимодействие активных радикалов с биомолекулами белков, нуклеиновых кислот и углеводов, что ведет к  их деструкции. При взаимодействии с липидами образуются перекиси («вторичные радикалы»), играющие большую роль в развитии лучевого поражения: нарушается структура биологических мембран, высвобождаются многие ферменты.

3-й этап – биохимические изменения в клетках: возрастание активности ферментов ведет к распаду нуклеиновых кислот и белков, повреждается структура митохондрий и лизосом клеток. В результате физического, химического и биохимического усиления радиационного эффекта даже ничтожно малая поглощенная энергия губительна для отдельных клеток. При больших дозах происходит пикноз и исчезновение клеточного ядра, протоплазматические структуры набухают, клетки разрушаются. Радиочувствительны клетки в период роста, деления и дифференцировки и интенсивно пролиферирующие ткани. Органы, облучение которых данной дозой причиняет наибольший вред живому организму, называются критическими органами. В качестве критических органов принято рассматривать кожу, кроветворные органы, гонады и хрусталик глаза (помутнение вследствие отмирания клеток хрусталика). Гаплоидные организмы менее устойчивы к радиации, чем диплоидные. В целом видовая чувствительность возрастает по мере усложнения организма. Наиболее чувствительны к облучению новорожденные и пожилые люди, а также беременные женщины.

Различают «пороговые» и «беспороговые» эффекты действия ионизирующего излучения (ИИ) на организм.

Детерминированные эффекты (рис. 13-А) проявляются после определенного дозового порога и тяжесть поражения зависит от дозы: 1) непосредственные эффекты (лучевая болезнь, лучевой дерматит, лучевая катаракта), 2) отдаленные эффекты (лучевое бесплодие, аномалии в развитии плода и пр.). Детерминированные эффекты возникают при кратковременном воздействии больших доз и мощностей доз ИИ и в высокой степени персонифицированы. Пороговые дозы для тканей и органов, пороги доз острого и хронического облучения существенно различаются (облучение в аналогичных суммарных дозах, растянутое во времени, в общем повышает уровень порога и острое воздействие ИИ всегда опаснее хронического в аналогичных дозах.). Детерминированные эффекты являются в основном предметом клинической медицины.

  А  В

Рис. 13. Зависимости тяжести детерминированного эффекта (А) и вероятности стохастического эффекта среднестатистического веловека (В) от дозы облучения

Таблица 18. Оценка порогов детерминированных эффектов у взрослых людей

(МКРЗ, 1990, Публикация №60)

Ткань	Эффект	Порог
Полный эквивалент дозы, полученный за одно кратковременное облучение, Зв	Мощность дозы, получаемой ежегодно при хроническом облучении в течение ряда лет, Зв/год
Семенники	Временная стерильность	0,15	0,4
Постоянная стерильность	3,5-6	2
Яичники	Стерильность	2,5-6	0,2
Хрусталик	Помутнение	0,5-2	0,1
Катаракта	5	0,15
Красный костный мозг	Угнетение кроветворения	0,5	0,4

Для стохастических эффектов (рис. 13-В) порога не существует, их реализация возможна при сколь угодно малых дозах облучения. От полученной дозы линейно зависит вероятность их возникновения у среднестатистического индивидуума и в популяции, но не тяжесть проявления. К стохастическим эффектам относят соматические (злокачественные опухоли, лейкозы) и генетические эффекты (наследственные болезни у потомства облученных), которые всегда носят отдаленный характер, т. к. реализуются после латентного периода (для лейкемии - 2-3 года с максимумом частоты через 7-10 лет, для большинства видов рака – 10 лет, в среднем 20-25 лет). Стохастические эффекты являются предметом профилактической медицины.