"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Петрова М.А. и др.
Ионизирующее излучение способно изменять атомы и молекулы тканей, а значит, нарушать работу клеток. Чтобы оценивать его действие, используют поглощённую дозу — энергию, переданную единице массы, и эквивалентную дозу, учитывающую вид излучения. Биологические последствия зависят также от чувствительности ткани и того, находится ли источник снаружи организма или попал внутрь. Эти понятия помогают сравнивать воздействия и понимать основы радиационной безопасности.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ионизирующее излучение — это излучение, которое способно выбивать электроны из атомов и молекул, превращая их в ионы. В теме рассматриваются альфа-, бета- и гамма-излучение: они различаются природой и способностью проникать через вещество. Понятие помогает понять, почему излучение может менять состав и свойства живых тканей.
Поглощённая доза — энергия, переданная излучением веществу, отнесённая к единице массы; её обозначают D. Единица дозы — грей (Гр), причём 1 Гр = 1 Дж/кг. Эта величина показывает, сколько энергии получила ткань, и нужна для количественной оценки воздействия.
Эквивалентная доза — мера биологического действия излучения, учитывающая его вид. Её измеряют в зивертах (Зв), а при расчёте поглощённую дозу умножают на коэффициент качества излучения. Благодаря этому можно сравнивать возможный вред разных видов излучения при одинаковой поглощённой энергии на килограмм.
Радиоактивное облучение — воздействие ионизирующего излучения на организм. При внешнем облучении источник находится за пределами тела, а при внутреннем радиоактивное вещество попадает в организм с воздухом, пищей или водой. Различие важно, потому что защита от источника снаружи не устраняет воздействие вещества, уже оказавшегося внутри.
Проходя через ткань, ионизирующее излучение передаёт энергию атомам и молекулам. Если энергии хватает, электрон покидает атом, и возникает ион; этот процесс называется ионизацией. Заряженные частицы и изменённые молекулы могут вступать в реакции, поэтому нарушаются химические связи, от которых зависит нормальная работа клеток.
Повреждение биологических молекул происходит двумя путями. При прямом действии частица или квант передаёт энергию важной молекуле, например молекуле ДНК, и может изменить её структуру. При косвенном действии излучение сначала воздействует на воду, которой много в клетках: при радиолизе образуются химически активные продукты, способные повреждать ДНК и другие молекулы.
Биологический эффект определяется не одной переданной энергией. Значение имеют вид излучения и то, насколько чувствительна облучённая ткань: клетки с высокой скоростью деления обычно особенно уязвимы. Поэтому одинаковая поглощённая доза в греях не всегда означает одинаковый вред организму.
Поглощённая доза D рассчитывается как отношение энергии E к массе m: D = E/m. Она описывает передачу энергии, но не различие в действии альфа-, бета- и гамма-излучения. Для сравнения их биологической эффективности используют эквивалентную дозу: H = kD, где k — коэффициент качества; результат выражают в зивертах.
Последствия облучения зависят от дозы и условий воздействия. Некоторые реакции возникают вскоре после облучения, другие проявляются позднее; воздействие может затрагивать отдельные ткани или организм в целом. Риск и характер последствий связаны также с видом излучения, чувствительностью органов и тем, как источник попал к человеку.
| Величина или вид излучения | Что характеризует | Единица или особенность | Биологическое действие |
|---|---|---|---|
| Поглощённая доза | Энергию, переданную единице массы вещества | Грей (Гр); 1 Гр = 1 Дж/кг | Описывает поглощение энергии, но сама по себе не учитывает вид излучения |
| Эквивалентная доза | Действие излучения с учётом его вида | Зиверт (Зв); H = kD | Позволяет сопоставлять биологическую эффективность разных видов излучения |
| Альфа-излучение | Поток альфа-частиц | Слабо проникает через вещество; коэффициент качества обычно велик | Снаружи задерживается кожей, внутри организма может сильно повреждать ткани |
| Бета-излучение | Поток бета-частиц | Проникает глубже альфа-частиц; коэффициент качества обычно близок к 1 | Может воздействовать на кожу и внутренние ткани в зависимости от условий |
| Гамма-излучение | Поток гамма-квантов | Обладает высокой проникающей способностью | Может воздействовать на ткани при внешнем облучении; степень действия оценивают дозой |
| Внешнее и внутреннее облучение | Положение источника относительно организма | Источник соответственно снаружи или внутри тела | Последствия зависят от вида излучения, пути поступления и облучённых тканей |
Сначала определите, какую величину требуется сравнить: переданную энергию характеризует поглощённая доза, а действие с учётом вида излучения — эквивалентная. Для качественного сравнения видов излучения учитывайте их проникающую способность и коэффициент качества. При оценке облучения организма отдельно выясните, находится ли источник снаружи или внутри.
Задача 1. Ткань массой 0,20 кг поглотила 0,010 Дж энергии излучения. Найдите поглощённую дозу. Используем определение D = E/m: энергию нужно разделить на массу ткани, выраженную в килограммах.
Ответ: поглощённая доза равна 0,050 Гр. Масса уже дана в килограммах, поэтому переводить её не нужно. Проверка единиц показывает, что результат выражен в джоулях на килограмм, то есть в греях.
Задача 2. Поглощённая доза равна 0,020 Гр, коэффициент качества — 5. Требуется найти эквивалентную дозу. Здесь нужно учесть, что биологическое действие оценивается не только поглощённой энергией: применяем H = kD.
Ответ: эквивалентная доза составляет 0,10 Зв. При коэффициенте качества больше единицы она численно превышает поглощённую дозу в греях. Грей и зиверт — разные единицы, поэтому в ответе указываем именно Зв.
Задача 3. Сравните действие двух видов излучения при одинаковой поглощённой дозе, если их коэффициенты качества равны 1 и 20. Пусть поглощённая доза каждого вида равна D. Тогда эквивалентную дозу для каждого случая найдём по формуле H = kD.
Ответ: при одинаковой поглощённой дозе эквивалентная доза для второго вида излучения в 20 раз больше. Сравнение только в греях не учитывает коэффициенты качества, а значит, не показывает разницу биологической эффективности. При подстановке конкретного значения D эквивалентные дозы следует выразить в зивертах.
Ошибка — считать поглощённую и эквивалентную дозы одинаковой величиной. Их путают, потому что обе связаны с оценкой облучения, однако первая характеризует энергию на единицу массы, а вторая дополнительно учитывает вид излучения. Проверьте себя: для эквивалентной дозы в расчёте должен присутствовать коэффициент качества, а единица результата — зиверт.
Ошибка — сравнивать возможный биологический вред только по поглощённой дозе. Так поступают, если забывают, что разные виды излучения отличаются по биологической эффективности. Для проверки сравните эквивалентные дозы: при одинаковом D они могут быть разными из-за коэффициентов качества.
Ошибка — перепутать грей с зивертом или подставить массу в граммах вместо килограммов. Это случается при невнимательной проверке единиц, хотя в формуле D = E/m масса должна быть выражена в согласованных единицах СИ. Перед вычислением переведите граммы в килограммы, а после расчёта проверьте, что Дж/кг соответствует греям.
Ошибка — считать альфа-излучение безопасным только потому, что оно слабо проникает через кожу. Такой вывод не учитывает внутреннее облучение: попавший в организм источник оказывается рядом с тканями. Проверьте себя вопросом, где расположен источник; при внутреннем попадании альфа-излучение может быть опасным.
Для понимания темы нужны знания о строении атома, радиоактивном распаде и видах радиоактивного излучения. Расчёт поглощённой дозы опирается на понятия энергии и массы, а также на умение пользоваться единицами СИ. Дозиметрические величины применяют при обсуждении радиационной безопасности и медицинской диагностики. Они также помогают оценивать воздействие радиоактивных источников в разных практических ситуациях.
Чем поглощённая доза отличается от эквивалентной?
Поглощённая доза показывает, сколько энергии излучение передало единице массы вещества, и измеряется в греях. Эквивалентная доза учитывает ещё и биологическую эффективность вида излучения; её измеряют в зивертах.
Почему одинаковая поглощённая доза разных видов излучения может быть неодинаково опасна?
Разные частицы и излучения по-разному передают энергию тканям и вызывают повреждения. Поэтому при одной и той же поглощённой дозе биологический эффект может отличаться, что учитывают коэффициентом качества.
В каких единицах измеряют дозу излучения?
Поглощённую дозу измеряют в греях: 1 Гр = 1 Дж/кг. Эквивалентную дозу измеряют в зивертах; при её расчёте учитывают вид излучения.
Почему альфа-излучение опасно при попадании радиоактивного вещества внутрь организма?
Снаружи альфа-частицы задерживаются верхними слоями кожи, но внутри тела источник оказывается рядом с живыми тканями. Передавая им энергию на небольшом участке, альфа-излучение может сильно повреждать клетки.
От чего зависит тяжесть биологического действия облучения?
Она зависит от поглощённой энергии, вида излучения, чувствительности облучённой ткани и условий воздействия. Значение имеют также длительность облучения и то, находится ли источник снаружи организма или попал внутрь.
§ 70. Биологическое действие радиоактивных излучений
