3. Влияние радиации на живые организмы

Определения и обозначения

Ионизирующее излучение — излучение, способное выбивать электроны из атомов и молекул и образовывать ионы. К нему относятся, например, альфа-, бета- и гамма-излучение. Ионизация запускает химические изменения, которые могут нарушать работу клеток.

Поглощённая доза — энергия ионизирующего излучения, поглощённая единицей массы вещества: D = E/m. Её измеряют в греях (Гр), причём 1 Гр = 1 Дж/кг. Эта величина показывает, сколько энергии физически передано тканям.

Эквивалентная доза — поглощённая доза с учётом биологической опасности разных видов излучения. Её находят как H = D·k, где k — коэффициент качества излучения, и измеряют в зивертах (Зв). Она нужна, чтобы сравнивать воздействия, вызывающие неодинаковые повреждения при одинаковой поглощённой энергии.

Эффективная доза учитывает неравномерное облучение органов и различную чувствительность тканей. Она объединяет дозы отдельных органов с соответствующими коэффициентами радиочувствительности и измеряется в зивертах. В результате получается оценка общего риска для организма.

Как это устроено

Ионизирующая частица или квант передаёт энергию атомам вещества. Если этой энергии достаточно, электрон покидает атом, и образуются положительный ион и свободный электрон. Новые частицы могут продолжить ионизацию, поэтому даже один пролетающий квант иногда создаёт целую цепочку изменений.

Главная опасность для клетки связана не с самим фактом появления иона, а с изменением важных молекул. Особенно уязвима ДНК: разрыв её цепи или изменение основания может нарушить копирование наследственной информации. Если повреждение не исправлено, клетка может погибнуть, неправильно разделиться или передать ошибку потомкам.

При прямом воздействии энергия излучения поглощается самой молекулой ДНК или белка. В результате в ней рвутся химические связи и меняется структура. При косвенном воздействии сначала ионизируются молекулы воды, которых в клетке много, а затем образуются активные частицы, вступающие в реакции с ДНК и другими молекулами.

Последствия определяются видом излучения, поглощённой дозой и мощностью дозы. При одинаковой дозе альфа-частицы обычно создают более плотную ионизацию, чем гамма-кванты, а большая мощность дозы быстрее повреждает ткани. Имеют значение также продолжительность облучения, расстояние до источника, экранирование и способность конкретной ткани к восстановлению.

Детерминированные эффекты проявляются, когда доза превышает некоторый порог: чем она выше, тем тяжелее обычно повреждение. К ним относят, например, поражение кожи или лучевую болезнь при значительном облучении. Вероятностные эффекты, прежде всего возникновение опухолей, не имеют чётко установленного порога в такой модели: с ростом дозы увеличивается вероятность, а не обязательная тяжесть события.

Физические величины, характеризующие облучение

Сначала определите, о какой дозе говорится в условии: физической или биологически взвешенной. Затем проверьте единицы и только после этого подставляйте значения в формулу. Мощность дозы связывает накопленную дозу со временем: при постоянном воздействии D = P·t.

Разбор задач

Задача 1

При облучении тела массой 2 кг веществу передана энергия 0,02 Дж. Требуется найти поглощённую дозу. Здесь не нужно учитывать вид излучения, потому что спрашивается именно физическая энергия на единицу массы.

1. Записываем определение: D = E/m.
2. Подставляем данные: D = 0,02 Дж / 2 кг = 0,01 Дж/кг.
3. Так как 1 Дж/кг = 1 Гр, получаем D = 0,01 Гр.

Ответ: поглощённая доза равна 0,01 Гр. Если бы требовалась эквивалентная доза, дополнительно понадобился бы коэффициент качества излучения.

Задача 2

Поглощённая доза альфа-излучения равна 0,004 Гр, коэффициент качества равен 20. Нужно перевести физическую дозу в эквивалентную, поэтому используем поправку на биологическую опасность альфа-частиц.

1. Записываем формулу: H = D·k.
2. Подставляем значения: H = 0,004 Гр · 20 = 0,08 Гр с учётом коэффициента.
3. Для эквивалентной дозы используем зиверты: H = 0,08 Зв.

Ответ: эквивалентная доза равна 0,08 Зв. Численное значение изменилось, потому что альфа-излучение сильнее повреждает ткань при той же поглощённой дозе.

Задача 3

Человек получил 0,01 Гр гамма-излучения и 0,001 Гр альфа-излучения. Для гамма-излучения примем коэффициент качества 1, а для альфа-излучения — 20. Сравнивать нужно эквивалентные дозы, а не исходные значения в греях.

1. Для гамма-излучения: H₁ = 0,01 · 1 = 0,01 Зв.
2. Для альфа-излучения: H₂ = 0,001 · 20 = 0,02 Зв.
3. Сравниваем: 0,02 Зв больше 0,01 Зв в два раза.

Ответ: по эквивалентной дозе опаснее воздействие альфа-излучения в приведённом случае. Реальный общий риск дополнительно зависит от того, какие органы облучены и попало ли альфа-вещество внутрь организма.

Типичные ошибки

Смешивать поглощённую и эквивалентную дозы. Поглощённая доза измеряется в греях, а эквивалентная — в зивертах и учитывает вид излучения. Проверьте, есть ли в условии коэффициент качества и какая величина требуется.

Оценивать опасность только по активности источника. Активность показывает число распадов, но сама по себе не сообщает полученную человеком дозу. Учитывайте расстояние, время, экранирование и мощность дозы.

Считать, что любое облучение сразу вызывает лучевую болезнь. Тяжёлые детерминированные последствия связаны с большими дозами, а малые дозы прежде всего изменяют вероятность отдалённых эффектов. Сверяйте утверждение с величиной и режимом облучения.

Складывать дозы без поправок. Дозы разных излучений имеют разную биологическую эффективность, а органы неодинаково чувствительны. Сначала рассчитывайте эквивалентные дозы, затем при необходимости учитывайте вклад каждого органа в эффективную дозу.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны строение атома, явление ионизации, виды радиоактивного излучения и закон радиоактивного распада. Они объясняют, откуда берутся частицы и кванты, передающие энергию веществу. Без этих знаний трудно связать свойства излучения с его действием.

Тема связана с энергией, работой и мощностью: поглощённая доза определяется переданной энергией, делённой на массу. Мощность дозы показывает скорость этой передачи. Поэтому увеличение времени воздействия при постоянной мощности увеличивает накопленную дозу.

Полученные знания применяются в радиационной безопасности и дозиметрии. Они нужны также при изучении ядерной энергетики, медицинской диагностики и лучевой терапии. В медицине излучение стараются направить на нужную область и ограничить воздействие на здоровые ткани.

Что запомнить

• Ионизирующее излучение вызывает образование ионов в веществе.
• Повреждение организма связано прежде всего с изменением молекул клеток и ДНК.
• Поглощённая доза равна отношению переданной энергии к массе вещества.
• Грей — единица поглощённой дозы, зиверт — единица биологически учитываемой дозы.
• Одинаковая поглощённая доза разных видов излучения может иметь разную биологическую опасность.
• Риск зависит не только от дозы, но и от мощности дозы, времени облучения и чувствительности тканей.
• Защита от излучения основана на сокращении времени воздействия, увеличении расстояния и применении экранирования.