§ 74. Биологическое действие радиоактивных излучений

Определения и обозначения

Ионизирующее излучение — излучение, способное выбивать электроны из атомов и молекул. При этом образуются заряженные частицы и меняется химическое состояние вещества. В живой ткани такие изменения могут нарушить клеточные процессы и повредить наследственный материал.

Поглощённая доза — энергия излучения, поглощённая единицей массы вещества; её обозначают D. Единица дозы — грей (Гр), причём 1 Гр = 1 Дж/кг. Эта величина нужна, чтобы измерить, сколько энергии получила ткань с учётом её массы.

Эквивалентная доза — величина, которая учитывает не только поглощённую энергию, но и биологическую опасность вида излучения; обозначение — H. Её измеряют в зивертах (Зв). Она нужна для оценки возможного биологического эффекта и сопоставления разных излучений.

Коэффициент качества показывает, во сколько раз биологическое действие данного излучения сильнее действия рентгеновского или гамма-излучения при одинаковой поглощённой дозе. Его обозначают k, и его значение зависит от вида излучения. С помощью этого коэффициента рассчитывают эквивалентную дозу: H = kD.

Как это устроено

Попадая в ткань, ионизирующее излучение передаёт энергию атомам и молекулам. Если энергии достаточно, из молекулы выбивается электрон и возникает ион, то есть заряженная частица. Из-за этого могут измениться важные химические реакции клетки, а повреждение молекул ДНК способно нарушить передачу наследственной информации. Последствия зависят от того, насколько серьёзно повреждение и сможет ли клетка его исправить.

Биологическое действие определяется не одной лишь переданной энергией: важен способ, которым она распределяется в ткани. При одинаковой поглощённой дозе альфа-частицы создают плотную ионизацию вдоль короткого пути, поэтому их местное действие обычно сильнее, чем у бета- и гамма-излучения. Эти различия учитывают коэффициентом качества. Значит, одинаковое число джоулей на килограмм ещё не означает одинаковой опасности.

Поглощённая доза D говорит, сколько энергии приходится на килограмм вещества, а коэффициент k поправляет эту оценку с учётом вида излучения. Поэтому эквивалентную дозу находят по формуле H = kD, где H выражают в зивертах, а D — в греях. Например, при одинаковой D большее k даёт большее значение H и указывает на более сильное биологическое действие. Для рентгеновского и гамма-излучения в школьных задачах обычно принимают k = 1.

Внешнее облучение возникает, когда источник находится вне тела, а внутреннее — когда радиоактивное вещество попадает внутрь с воздухом, пищей или через повреждение кожи. Гамма-кванты способны проникать сквозь ткани, поэтому гамма-источник опасен и снаружи; для ослабления такого излучения применяют плотные преграды. Альфа-частицы снаружи задерживаются верхним слоем кожи, но при попадании альфа-излучателя внутрь организма их энергия выделяется рядом с тканями. Поэтому малая проникающая способность сама по себе не означает безвредность.

Тяжесть последствий зависит от величины и вида излучения, полученной дозы, облучённой части тела и времени воздействия. Чтобы снизить дозу, уменьшают время рядом с источником и увеличивают расстояние до него. Третий способ — использовать защиту, подходящую для конкретного излучения: например, тонкая преграда останавливает альфа-частицы, а для гамма-излучения нужны более плотные материалы и значительная толщина. Эти меры уменьшают воздействие, но их выбор должен учитывать ситуацию и свойства источника.

Виды излучения и особенности их биологического действия

Таблица помогает сопоставить три разных свойства: биологическое действие при равной поглощённой дозе, способность проникать в вещество и меры предосторожности. Не делайте вывод об опасности только по проникающей способности: альфа-излучение слабо проходит через кожу, но опасно внутри организма. При сравнении доз отдельно учитывайте коэффициент качества.

Разбор задач

Ткань массой 0,20 кг поглотила энергию излучения 0,004 Дж. Найдите поглощённую дозу. Из определения следует, что нужно разделить поглощённую энергию на массу вещества. Подставим значения в формулу D = E/m и проверим, что единицы дают джоули на килограмм.

1. Запишем данные: E = 0,004 Дж, m = 0,20 кг. Искомая величина — поглощённая доза D. Используем связь D = E/m.
2. Подставим числа: D = 0,004 Дж / 0,20 кг = 0,02 Дж/кг. Поскольку 1 Дж/кг равен 1 Гр, результат можно записать в греях. Деление на массу показывает энергию, приходящуюся на каждый килограмм ткани.
3. Ответ: D = 0,02 Гр. Перед ответом полезно проверить порядок величины: энергия распределена по массе, большей одного килограмма, поэтому доза меньше численного значения энергии в джоулях.

Поглощённая доза альфа-излучения равна 0,002 Гр, коэффициент качества равен 20. Найдите эквивалентную дозу. Здесь уже известна поглощённая доза, поэтому заново делить энергию на массу не нужно. Применим формулу H = kD, а единицу результата укажем в зивертах.

1. Запишем данные: D = 0,002 Гр и k = 20. Искомая величина H — эквивалентная доза. Связь между величинами задаёт формула H = kD.
2. Вычислим: H = 20 · 0,002 Гр = 0,04 Зв. При умножении дозы в греях на коэффициент качества результат выражают в зивертах. Коэффициент показывает, насколько учитываемое биологическое действие отличается от действия гамма-излучения.
3. Ответ: H = 0,04 Зв. Не следует оставлять ответ в греях: после учёта коэффициента качества мы нашли эквивалентную, а не поглощённую дозу.

Один человек получил 0,06 Гр гамма-излучения, другой — 0,003 Гр альфа-излучения. Коэффициенты качества равны соответственно 1 и 20; нужно сравнить эквивалентные дозы. Сначала вычислим H отдельно для каждого человека, а затем сопоставим результаты в одинаковых единицах. Сравнивать сами значения в греях недостаточно, так как виды излучения различны.

1. Для гамма-излучения используем H = kD: H₁ = 1 · 0,06 Гр = 0,06 Зв. Его коэффициент качества равен единице, поэтому численное значение дозы сохраняется при переходе к зивертам. Запишем единицу правильно: результат относится к эквивалентной дозе.
2. Для альфа-излучения получаем H₂ = 20 · 0,003 Гр = 0,06 Зв. Несмотря на меньшую поглощённую дозу, большой коэффициент качества увеличил эквивалентную дозу. Теперь обе величины выражены в зивертах и их можно сравнивать напрямую.
3. Ответ: H₁ = H₂ = 0,06 Зв, то есть эквивалентные дозы равны. Это не означает, что ситуации во всех отношениях одинаковы: вывод относится только к рассчитанным дозам и заданным коэффициентам качества.

Типичные ошибки

Считать поглощённую и эквивалентную дозы одной величиной — ошибка: первая характеризует энергию на единицу массы, а вторая дополнительно учитывает вид излучения. Так путаются, если запомнить только формулу, но не смысл коэффициента качества. Проверьте себя: для перехода от D к H должно быть выполнено умножение на k. Если коэффициент не учтён, биологическую опасность разных видов излучения вы ещё не сравнили.

Сравнивать опасность только по числам поглощённой дозы нельзя, потому что одинаковые дозы в греях могут давать разные эквивалентные дозы. Ошибка возникает, когда считают, что одинаковая энергия на килограмм обязательно означает одинаковое воздействие на клетки. Для проверки вычислите H = kD отдельно для каждого вида излучения и сравните результаты в зивертах. Убедитесь, что использованы соответствующие коэффициенты качества.

Путать грей и зиверт — значит смешивать разные физические величины: поглощённую дозу выражают в греях, эквивалентную — в зивертах. Это часто происходит, если единицы механически переносят из условия в ответ. Проверка простая: сначала определите, что именно требуется найти, и лишь затем укажите единицу. В формуле H = kD результат H записывают в зивертах.

Считать альфа-излучение безопасным из-за малой проникающей способности неверно: низкая способность пройти через кожу не защищает ткани, если источник оказался внутри. Эту ошибку допускают, сравнивая только внешнее облучение и забывая о вдыхании или проглатывании радиоактивного вещества. Проверьте рассуждение вопросом: где находится источник? При внутреннем попадании альфа-частицы передают энергию непосредственно окружающим тканям.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в биологическом действии излучений, нужно знать строение атома и ядра, а также свойства альфа-, бета- и гамма-излучения. Связь с законом радиоактивного распада помогает понять, как меняется число радиоактивных ядер и активность источника со временем. Радиоактивные изотопы применяют в медицине и технике, поэтому оценка дозы нужна для понимания пользы и возможного риска такого применения. Понятия поглощённой и эквивалентной дозы служат основой для изучения радиационной защиты.

Что запомнить

• Ионизирующее излучение может повреждать живые клетки.
• Поглощённая доза равна поглощённой энергии, делённой на массу: D = E/m.
• Единица поглощённой дозы — грей (Гр).
• Эквивалентная доза учитывает биологическую опасность вида излучения.
• Эквивалентную дозу рассчитывают по формуле H = kD.
• Единица эквивалентной дозы — зиверт (Зв).
• Снизить облучение помогают меньшее время воздействия, большее расстояние и подходящая защита.