"Физика (базовый уровень)", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Исаев Д.А., Чаругин В.М.
Радиоактивные излучения передают энергию веществу и могут ионизировать его атомы и молекулы. В живых тканях это способно нарушать работу клеток, поэтому для оценки воздействия используют дозы. Поглощённая доза показывает, сколько энергии получил килограмм вещества, а эквивалентная учитывает, что разные виды излучения при одинаковой поглощённой энергии могут представлять разную биологическую опасность. Риск зависит также от того, какая часть тела облучена и как долго длилось воздействие.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ионизирующее излучение — излучение, способное ионизировать атомы и молекулы вещества, то есть превращать их в заряженные частицы. В живых тканях ионизация может нарушать химические связи и процессы, необходимые для работы клеток. Поэтому способность излучения ионизировать важна для оценки его воздействия на организм. Именно с ней связано возможное повреждение тканей.
Поглощённая доза — энергия излучения, поглощённая единицей массы вещества; её обозначают D. Единица дозы — грей (Гр): 1 Гр соответствует 1 Дж энергии, поглощённой 1 кг вещества. Эта величина показывает, сколько энергии передано ткани, но сама по себе не говорит, одинаково ли опасны разные виды излучения. Для расчёта используют отношение поглощённой энергии к массе.
Эквивалентная доза — величина, учитывающая биологическую опасность разных видов излучения. Её измеряют в зивертах (Зв), а при расчёте поглощённую дозу умножают на коэффициент качества излучения. Эта оценка нужна, чтобы сравнивать воздействие излучений, которые при равной переданной энергии могут вызывать неодинаковый биологический эффект. Грей и зиверт поэтому обозначают разные величины.
Лучевая болезнь — заболевание, возникающее вследствие повреждающего воздействия ионизирующего излучения на организм. Причиной служат нарушения, которые излучение вызывает в клетках и тканях; последствия зависят от условий облучения. Понятие помогает описывать возможный результат значительного воздействия, но не заменяет оценки конкретной дозы и ситуации. Не всякое облучение автоматически приводит к этому заболеванию.
Проходя через ткань, излучение взаимодействует с её атомами и молекулами и передаёт им энергию. Если переданной энергии достаточно, электроны могут покинуть атомы, и возникает ионизация. Изменённые молекулы способны участвовать в химических реакциях иначе, чем прежде, а это может мешать нормальной работе клеточных структур. Поэтому биологическое действие связано не просто с присутствием излучения, а с тем, какую энергию оно передало ткани.
Сила биологического эффекта зависит не только от поглощённой энергии. Имеет значение вид излучения: его частицы или кванты по-разному взаимодействуют с веществом и распределяют энергию вдоль пути. Важны также облучённая часть тела и длительность воздействия, потому что разные ткани выполняют разные функции, а продолжительность влияет на характер воздействия. Поэтому одна численная оценка поглощённой энергии не описывает всю ситуацию.
Одинаковая поглощённая доза альфа-, бета- или гамма-излучения может приводить к разному биологическому эффекту. Чтобы учесть различия, поглощённую дозу умножают на коэффициент качества: H = D × k, где H — эквивалентная доза, D — поглощённая доза, k — коэффициент качества. Для заданного вида излучения коэффициент показывает, во сколько раз его биологическое действие учитывается при такой оценке. Полученную эквивалентную дозу выражают в зивертах.
При внешнем облучении источник находится вне тела, а излучение достигает человека снаружи. Внутреннее облучение возникает, если радиоактивное вещество попало в организм с воздухом, пищей или другим путём; тогда источник может находиться непосредственно рядом с тканями. Альфа-частицы плохо проникают через кожу, но при внутреннем попадании вещества способны интенсивно ионизировать окружающие ткани. Значит, малая проникающая способность не делает альфа-излучение безопасным при любых условиях.
Облучение уменьшают, воздействуя на три условия: время, расстояние и экранирование. Чем меньше времени человек проводит рядом с источником, тем меньше продолжается воздействие; увеличение расстояния обычно снижает интенсивность излучения, достигающего тела. Защитный экран ослабляет излучение, если его материал и толщина подходят для данного вида. Ни один экран нельзя выбирать без учёта излучения: защита, подходящая для одного случая, может оказаться недостаточной для другого.
| Вид излучения | Проникающая способность | Ионизирующее действие | Защита и особенности воздействия |
|---|---|---|---|
| Альфа-излучение | Небольшая; задерживается листом бумаги и верхним слоем кожи | Сильное на коротком пути | Снаружи обычно задерживается кожей; опасно при попадании источника внутрь организма |
| Бета-излучение | Выше, чем у альфа-излучения | Заметное | Ослабляется подходящим экраном, например из пластика или тонкого металла |
| Гамма-излучение | Высокая | На единицу пути обычно слабее, чем у альфа-частиц | Для ослабления применяют толстые слои плотных материалов; экран не всегда полностью задерживает излучение |
| Рентгеновское излучение | Высокая, зависит от энергии квантов | Ионизирует вещество при взаимодействии | Ослабляется экранами из подходящих материалов; используют контролируемо, в том числе в медицине |
В таблице отдельно показаны проникновение в вещество и способность ионизировать: это разные характеристики. Сопоставляя строки, учитывай также путь попадания излучения в организм, а не только выбор экрана. Проникающая способность сама по себе не позволяет определить биологическую опасность.
Тело массой 2 кг поглотило 0,004 Дж энергии излучения. Найдём поглощённую дозу. Поскольку доза определяется энергией, приходящейся на единицу массы, используем D = E/m; данные уже выражены в джоулях и килограммах. В результате должна получиться единица Дж/кг, то есть грей.
Ответ: поглощённая доза равна 0,002 Гр. Деление на массу необходимо, потому что одна и та же энергия при поглощении разными массами соответствует разным дозам. Здесь не требуется коэффициент качества: вычисляется именно поглощённая доза.
Поглощённая доза альфа-излучения равна 0,02 Гр, коэффициент качества — 20. Найдём эквивалентную дозу, которая учитывает вид излучения. Для этого используем H = D × k. Перед вычислением проверяем, что подставляем дозу в греях, а результат выражаем в зивертах.
Ответ: эквивалентная доза равна 0,4 Зв. Коэффициент качества безразмерный и увеличивает численную оценку биологического действия в данном условии. Нельзя оставлять ответ в греях, поскольку получена уже другая величина.
Человек получил в два этапа 0,03 Гр и 0,02 Гр гамма-излучения; коэффициент качества равен 1. Требуется определить суммарную эквивалентную дозу и сравнить её с дозой в предыдущей задаче. Так как излучение одинаковое и коэффициент один и тот же, сначала складываем поглощённые дозы, а затем применяем коэффициент. Сравнивать будем величины в зивертах.
Ответ: суммарная эквивалентная доза гамма-излучения равна 0,05 Зв; она в восемь раз меньше 0,4 Зв из предыдущей задачи. При сравнении нельзя напрямую сопоставлять Гр и Зв: сначала для каждой ситуации нужно получить эквивалентную дозу. В этом примере численное значение в зивертах совпало с суммой в греях лишь потому, что коэффициент равен единице.
Поглощённую и эквивалентную дозы иногда считают одной величиной, потому что обе описывают облучение и связаны общим расчётом. Но поглощённая доза характеризует энергию на единицу массы, а эквивалентная учитывает биологическое действие вида излучения. Проверь себя: если в условии дан коэффициент качества и спрашивают биологически взвешенную оценку, требуется эквивалентная доза. Не забывай различать единицы Гр и Зв.
Опасность излучения ошибочно сравнивают только по тому, насколько глубоко оно проникает. Это кажется логичным, потому что более проникающее излучение может достигать внутренних тканей, но проникновение не описывает полностью передачу энергии и ионизацию. Проверка: отдельно учитывай вид излучения, поглощённую дозу и путь попадания источника. Для сравнения биологического действия используй эквивалентную дозу, а не одну характеристику проникновения.
Альфа-излучение могут назвать безопасным из-за того, что его частицы задерживаются кожей. Такой вывод верен лишь для некоторых условий внешнего воздействия и не учитывает попадание радиоактивного вещества внутрь. Внутри организма источник оказывается близко к тканям, где альфа-частицы интенсивно ионизируют вещество. Проверяя вывод, всегда уточняй, находится ли источник снаружи или внутри тела.
Ещё одна ошибка — писать для обеих доз одну единицу или подставлять Гр вместо Зв без пересчёта. Их смешивают, потому что в формулах эквивалентная доза вычисляется из поглощённой, однако смысл величин различен. Проверь размерность: D выражается в греях, H — в зивертах, а коэффициент качества учитывается при переходе от одной оценки к другой. Если результат требуется сравнить с эквивалентной дозой, сначала приведи все данные к зивертам.
Для понимания биологического действия нужно знать, как происходит радиоактивный распад и чем отличаются альфа-, бета- и гамма-излучение. Знание строения атома помогает понять, почему при взаимодействии излучения с веществом возникают ионы. Понятия дозы и биологического действия применяют в радиационной безопасности и дозиметрии — измерении и оценке доз облучения. Они также нужны при обсуждении использования излучения в медицине, где важно соотносить пользу процедуры и возможное воздействие на ткани.
Чем поглощённая доза отличается от эквивалентной?
Поглощённая доза показывает энергию излучения, приходящуюся на единицу массы, и измеряется в греях. Эквивалентная доза учитывает биологическую опасность вида излучения и измеряется в зивертах.
Почему одинаковая поглощённая доза разных излучений может быть неодинаково опасной?
Разные виды излучения по-разному передают энергию атомам и молекулам ткани и вызывают ионизацию. Поэтому при одной и той же поглощённой дозе биологический эффект может отличаться; это учитывают при расчёте эквивалентной дозы.
Почему альфа-излучение опасно при попадании радиоактивного вещества внутрь организма?
Снаружи альфа-частицы задерживаются верхними слоями кожи и имеют небольшую проникающую способность. Но внутри организма источник оказывается рядом с тканями, которые альфа-частицы интенсивно ионизируют на коротком пути.
Какие меры помогают уменьшить внешнее облучение?
Нужно сокращать время рядом с источником и увеличивать расстояние до него. Также используют подходящий защитный экран, материал и толщину которого выбирают с учётом вида излучения.
В каких единицах измеряют поглощённую и эквивалентную дозы?
Поглощённую дозу измеряют в греях (Гр), а эквивалентную — в зивертах (Зв). Эти единицы относятся к разным физическим величинам и не взаимозаменяемы.
§ 54. Биологическое действие радиоактивных излучений
