"Физика", Б.Кронгарт, Ш.Насохова, С.Туякбаев, В.Кем, В.Загайнова
Ионизирующее излучение передаёт энергию веществу и может нарушать работу живых клеток. Чтобы оценить возможное воздействие на организм, используют поглощённую и эквивалентную дозы, а также мощность дозы. Биологические последствия зависят от вида излучения, полученной энергии и времени воздействия. Защита строится на сокращении времени облучения, увеличении расстояния до источника, выборе подходящего экрана и предотвращении попадания радиоактивных веществ внутрь организма.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Поглощённая доза D — энергия E ионизирующего излучения, переданная единице массы m вещества: D = E/m. Её единица — грей (Гр), причём 1 Гр = 1 Дж/кг. Эта величина показывает, сколько энергии в среднем получил каждый килограмм вещества.
Эквивалентная доза H учитывает не только поглощённую энергию, но и вид излучения: H = D × k, где k — коэффициент качества. Единица H — зиверт (Зв). Такая оценка нужна, потому что разные излучения при одинаковой поглощённой дозе могут неодинаково действовать на ткани.
Мощность дозы показывает, какую дозу объект получает за единицу времени. Если она постоянна, дозу находят умножением мощности на время: H = P × t, где P — мощность дозы, t — время воздействия. Например, при мощности 2 мкЗв/ч за 3 часа доза составит 6 мкЗв.
Радиационный фон — ионизирующее излучение, постоянно присутствующее в окружающей среде. Оно поступает из природных источников, например космического излучения и радиоактивных веществ в земной коре, а также из источников, созданных человеком. Фон измеряют, чтобы оценивать радиационную обстановку и выявлять её изменения.
Ионизирующее излучение выбивает электроны из атомов и молекул, поэтому вещество становится ионизированным. В живой ткани такое взаимодействие может изменять молекулы, повреждать клеточные структуры и мешать клеткам выполнять свои функции. Клетка способна исправить часть повреждений, но при сильном или продолжительном воздействии нарушения могут накапливаться. Именно поэтому поглощённая энергия связана с биологическим действием, но не описывает его полностью.
Последствия облучения зависят от нескольких причин: количества переданной энергии, вида излучения, продолжительности воздействия и свойств ткани. Например, ткани различаются по чувствительности, а долгое воздействие даже при небольшой мощности дозы приводит к накоплению дозы. Излучения с одинаковой поглощённой дозой могут по-разному ионизировать ткань. Для учёта этого различия при оценке биологического действия используют эквивалентную дозу.
Альфа-частицы сильно взаимодействуют с веществом и быстро теряют энергию, поэтому их ионизирующая способность велика, а проникающая — мала. Бета-частицы проникают дальше, а гамма-излучение слабее взаимодействует на единице пути и способно проходить через значительную толщу вещества. Нейтроны взаимодействуют с атомными ядрами и также могут проникать глубоко. Поэтому одной характеристики — например, глубины проникновения — недостаточно, чтобы судить о биологической опасности или выбрать защиту.
При внешнем облучении источник находится вне организма. Получаемую дозу можно уменьшить, если сократить время рядом с ним, увеличить расстояние и поставить экран, который подходит для данного излучения. Увеличение расстояния обычно снижает интенсивность излучения от компактного источника, а сокращение времени уменьшает продолжительность воздействия. Материал и толщину экрана выбирают с учётом вида и энергии излучения: универсальной преграды для всех случаев нет.
Внутреннее облучение начинается, когда радиоактивное вещество попадает в организм с воздухом, водой или пищей либо через загрязнённую кожу. Тогда источник оказывается рядом с тканями, и внешний экран уже не решает проблему. Чтобы уменьшить такой риск, источники содержат герметично, не допускают распространения радиоактивных веществ и соблюдают правила работы. Чистота воздуха, воды и пищи особенно важна при опасности радиоактивного загрязнения.
| Вид излучения | Ионизирующая способность | Проникающая способность | Защита от внешнего воздействия | Особая опасность |
|---|---|---|---|---|
| Альфа-излучение | Очень высокая | Очень низкая | Бумага, одежда, внешний слой кожи | Опасно при попадании источника внутрь организма |
| Бета-излучение | Средняя | Средняя | Пластик или тонкий слой алюминия | Может облучать кожу и быть опасным при внутреннем попадании |
| Гамма-излучение | Относительно низкая на единице пути | Высокая | Толстый слой свинца или бетона | Способно проникать глубоко в ткани |
| Нейтронное излучение | Высокая | Высокая | Вода, материалы с водородом, специальные бетонные экраны | Может глубоко проникать и вызывать ядерные реакции |
При выборе защиты сначала выясняют, какой вид излучения действует и находится ли источник снаружи или внутри организма. Затем подбирают подходящий материал: например, бумага задерживает альфа-частицы, но не служит защитой от гамма-излучения. Для уменьшения внешней дозы экран используют вместе с сокращением времени воздействия и увеличением расстояния.
Сначала найдём поглощённую дозу по энергии и массе ткани. Затем вычислим эквивалентную дозу, используя заданный коэффициент качества. В третьей задаче свяжем дозу с мощностью и временем: минуты переведём в часы, поскольку мощность дана в мкЗв/ч.
Задача 1. При передаче ткани энергии 0,02 Дж её масса равна 0,5 кг. Найдите поглощённую дозу.
Ответ: поглощённая доза равна 0,04 Гр. Проверка единиц показывает, что энергия делится на массу, поэтому результат выражается в греях.
Задача 2. Поглощённая доза составляет 0,004 Гр, коэффициент качества излучения равен 5. Найдите эквивалентную дозу.
Ответ: H = 0,02 Зв. Численно умножили дозу в греях на безразмерный коэффициент качества, а результат выразили в зивертах.
Задача 3. Мощность дозы равна 12 мкЗв/ч. Оцените дозу за 3 часа и за 45 минут.
Ответ: за 3 часа человек получит 36 мкЗв, а за 45 минут — 9 мкЗв. Сокращение времени с трёх часов до 45 минут уменьшает дозу в четыре раза при той же мощности.
Считать грей и зиверт взаимозаменяемыми. Грей описывает переданную единице массы энергию, а зиверт учитывает биологическое действие вида излучения. Путают их, потому что обе единицы связаны с дозой. Проверьте себя: если в задаче дана только энергия и масса, ищите дозу в греях; если учитывается коэффициент качества — в зивертах.
Судить об опасности только по проникающей способности. Глубина проникновения сама по себе не показывает, сколько ионов создаёт излучение в ткани и каковы последствия. Ошибка возникает, когда «проникающее дальше» принимают за единственный показатель вреда. Сравнивайте ионизирующую способность, вид излучения и условия воздействия.
Считать, что один экран защищает от всего излучения. Материалы по-разному взаимодействуют с альфа-, бета-, гамма-излучением и нейтронами. Простая преграда может остановить один вид излучения, но почти не ослабить другой. Перед выбором защиты уточните вид излучения и подберите соответствующий материал.
Учитывать только внешнее облучение. Радиоактивные вещества могут попасть в организм с воздухом, водой или пищей и стать внутренним источником излучения. Об этой опасности забывают, если думают лишь о расстоянии до внешнего источника. Проверьте, исключено ли загрязнение среды и соблюдаются ли меры, препятствующие попаданию вещества внутрь организма.
Для понимания темы нужны знания о строении атома, радиоактивном распаде и видах излучения: они объясняют происхождение частиц и их взаимодействие с веществом. С законом распада связана активность источника, но активность и доза — разные величины: первая характеризует распады, вторая — воздействие на вещество. Дозы и способы защиты применяются при обсуждении ядерной энергетики, радиационной безопасности и медицинского использования излучения.
Почему одинаковая поглощённая доза разных видов излучения может по-разному влиять на организм?
Разные виды излучения по-разному взаимодействуют с тканями и создают неодинаковую плотность ионизации. Поэтому одинаковая энергия, поглощённая килограммом ткани, может вызвать разные биологические последствия.
Чем поглощённая доза отличается от эквивалентной?
Поглощённая доза показывает, сколько энергии излучение передало единице массы, и измеряется в греях. Эквивалентная доза учитывает также вид излучения и связанное с ним биологическое действие; её измеряют в зивертах.
Почему при радиационной защите важно сокращать время воздействия?
При неизменной мощности дозы полученная доза растёт пропорционально времени. Если провести рядом с источником меньше времени, организм получит меньшую дозу.
Какой материал лучше защищает от конкретного вида излучения?
Это зависит от вида и энергии излучения. Альфа-частицы задерживают бумага или верхний слой кожи, бета-частицы — пластик или алюминий, гамма-излучение ослабляют толстые слои свинца или бетона, а для нейтронов применяют материалы, содержащие водород, например воду или специальные бетонные экраны.
Чем опасно попадание радиоактивных веществ внутрь организма?
Попавшее внутрь радиоактивное вещество может облучать ткани изнутри, пока находится в организме. Оно может попасть с воздухом, водой или пищей, поэтому важно предотвращать загрязнение и соблюдать правила обращения с источниками.
§ 8.12. Биологическое действие радиоактивных лучей. Защита от радиации
