"Физика. Оптика. Квантовая физика (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.
Радиоактивное излучение может передавать энергию тканям и вызывать ионизацию — образование заряженных частиц из атомов и молекул. Поэтому оно способно нарушать работу клеток и повреждать их структуры. Для оценки воздействия используют поглощённую дозу, а для сравнения биологической опасности разных видов излучения — эквивалентную дозу. Различают внешнее облучение и попадание радиоактивных веществ внутрь организма; последствия зависят от дозы, типа излучения и чувствительности тканей.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ионизирующее излучение — излучение, которое при взаимодействии с веществом образует ионы, то есть заряженные частицы. Оно передаёт атомам и молекулам энергию, которой может хватить на удаление электрона. Именно ионизация запускает изменения в живом веществе и лежит в основе биологического действия излучения.
Поглощённая доза — энергия излучения, поглощённая единицей массы вещества. Её обозначают D и вычисляют по формуле D = E/m, где E — поглощённая энергия, а m — масса. Единица дозы — грей (Гр); 1 Гр = 1 Дж/кг. Эта величина позволяет сравнивать, сколько энергии получило определённое количество вещества.
Эквивалентная доза учитывает, что биологический эффект зависит не только от количества поглощённой энергии, но и от вида излучения. Её находят как произведение поглощённой дозы на коэффициент качества: H = D × k. Единица эквивалентной дозы — зиверт (Зв). Она нужна для оценки и сопоставления биологического воздействия разных видов излучения.
Радиоактивное облучение — воздействие ионизирующего излучения на организм. При внешнем облучении источник находится вне тела, а при внутреннем радиоактивные вещества попадают внутрь, например с воздухом или пищей. Различие важно, поскольку при внутреннем облучении источник действует изнутри организма, а само поступившее вещество может оставаться в нём некоторое время.
Радиоактивное излучение передаёт энергию веществу при столкновениях и других взаимодействиях с атомами. Если переданной энергии достаточно, атом теряет электрон и превращается в ион. Возникающие заряженные частицы сами могут взаимодействовать с соседними атомами и вызывать новые ионизации. В живой ткани такие процессы способны изменять молекулы и повреждать клеточные структуры, поэтому ионизация связывает передачу энергии с биологическим действием.
Чем больше поглощённая доза, тем больше энергии в среднем получает единица массы ткани. При росте этой энергии увеличивается вероятность повреждения клеток, а серьёзные повреждения могут нарушить их работу или привести к гибели. Однако одна и та же доза не обязательно даёт одинаковый результат: ткани различаются по чувствительности, а у людей могут отличаться условия воздействия и способность восстанавливать повреждения. Поэтому доза помогает оценивать воздействие, но сама по себе не предсказывает точно состояние каждого организма.
При равной поглощённой дозе разные виды излучения могут создавать неодинаковое число и распределение ионизаций. Из-за этого их влияние на ткани может различаться, хотя энергия на единицу массы одинакова. Чтобы учесть такую разницу, поглощённую дозу умножают на коэффициент качества k: H = D × k. Полученное значение эквивалентной дозы удобнее применять, когда нужно сопоставить биологическое действие разных видов излучения.
Ионизация может повредить молекулы, участвующие в работе клетки, или другие клеточные структуры. Если повреждение мешает клетке выполнять свои функции, страдает ткань, в которую она входит; при особенно серьёзном нарушении клетка может погибнуть. Последствия зависят от того, какие именно клетки затронуты и насколько успешно организм устраняет повреждения. Поэтому одинаковое воздействие может иметь разные последствия для разных тканей и людей.
Большие дозы могут вызвать заметные нарушения вскоре после облучения, поскольку повреждений оказывается много и организму трудно быстро с ними справиться. Другие последствия способны проявиться лишь спустя значительное время. Даже при сравнительно малых дозах может возрастать вероятность отдалённых неблагоприятных эффектов, но это не означает, что они обязательно возникнут у каждого человека. Оценивая риск, учитывают не только дозу, но и вид излучения, условия облучения и особенности организма.
| Величина | Что характеризует | Как определяется | Единица измерения | Что учитывает |
|---|---|---|---|---|
| Поглощённая доза | Энергию, поглощённую единицей массы | D = E/m | Грей (Гр) | Количество поглощённой энергии на единицу массы |
| Эквивалентная доза | Биологическое действие излучения с учётом его вида | H = D × k | Зиверт (Зв) | Поглощённую дозу и коэффициент качества излучения |
Сначала определите, что требуется найти: энергию на единицу массы или дозу с учётом вида излучения. Для первой величины используйте формулу D = E/m, а для второй — H = D × k. По единице результата можно проверить себя: поглощённую дозу выражают в греях, эквивалентную — в зивертах.
Задача 1. Тело массой 2 кг поглотило 0,04 Дж энергии излучения. Найдите поглощённую дозу. Здесь известны масса и поглощённая энергия, поэтому достаточно воспользоваться определением дозы. Ответ сначала получим в джоулях на килограмм, а затем запишем в греях.
Ответ: поглощённая доза равна 0,02 Гр. Проверка единиц подтверждает, что энергия поделена на массу, как и требуется по определению.
Задача 2. Поглощённая доза равна 0,02 Гр, а коэффициент качества данного излучения k = 5. Найдите эквивалентную дозу. Коэффициент безразмерный, поэтому единица результата останется такой же, как у поглощённой дозы, с учётом того, что результат выражают в зивертах. Нужно умножить дозу на коэффициент качества.
Ответ: эквивалентная доза равна 0,10 Зв. Проверка показывает, что при коэффициенте качества, большем единицы, численное значение эквивалентной дозы возрастает относительно поглощённой.
Задача 3. Два вида излучения поглощены в одинаковой дозе D = 0,02 Гр. Для первого коэффициент качества равен 1, а для второго — 5. Сравните их биологическое действие по эквивалентным дозам. Так как поглощённые дозы одинаковы, сравнивать надо коэффициенты качества и вычисленные значения H.
Ответ: эквивалентная доза второго вида излучения выше в пять раз. Равная поглощённая энергия не гарантирует одинакового биологического действия, потому что коэффициенты качества различаются.
Поглощённую и эквивалентную дозы иногда принимают за одну величину, потому что обе связаны с дозой излучения. Но первая показывает энергию на единицу массы, а вторая дополнительно учитывает вид излучения. Перед вычислением проверьте, задан ли коэффициент качества и какую именно величину требуется найти. Если учитывается коэффициент, результат относится к эквивалентной дозе.
Биологическую опасность нельзя всегда сравнивать только по поглощённой дозе. Такое сравнение может показаться достаточным, поскольку она непосредственно описывает переданную веществу энергию. Однако разные виды излучения при одинаковой дозе способны воздействовать на ткани неодинаково. Чтобы проверить сравнение, найдите эквивалентные дозы с заданными коэффициентами качества.
Грей и зиверт часто путают, поскольку обе единицы применяют при оценке воздействия излучения. Грей относится к поглощённой дозе, а зиверт — к эквивалентной. Проверьте, какая формула использована: D = E/m даёт дозу в греях, H = D × k — эквивалентную дозу в зивертах. Подстановка единицы должна соответствовать искомой величине.
Не всякое облучение сразу вызывает заметные симптомы. Ошибку провоцирует ожидание немедленного проявления любого опасного воздействия, хотя последствия зависят от дозы, условий и особенностей организма. Некоторые эффекты могут быть отсроченными, а повреждения организм способен восстанавливать. Проверяйте вывод: наличие облучения само по себе не позволяет без дополнительных данных утверждать, что симптомы обязательно появятся сразу.
Для понимания темы нужно знать, что радиоактивный распад сопровождается испусканием альфа-, бета- и гамма-излучения, а излучение взаимодействует с веществом. Закон радиоактивного распада и применение изотопов в медицине помогают обсуждать, откуда берётся источник и зачем оценивают дозу при процедурах. Эти знания связаны с радиационной безопасностью: вид облучения и его доза важны при выборе способов защиты. При этом следует учитывать как внешний источник, так и возможное поступление радиоактивных веществ внутрь организма.
Почему радиоактивное излучение опасно для живых организмов?
Ионизирующее излучение выбивает электроны из атомов и молекул, образуя ионы. Это может нарушить работу клеточных структур, повредить клетки или привести к их гибели.
Чем поглощённая доза отличается от эквивалентной?
Поглощённая доза показывает, сколько энергии пришлось на единицу массы вещества. Эквивалентная доза дополнительно учитывает вид излучения и его биологическое действие.
Почему при одинаковой поглощённой дозе разные виды излучения могут быть опасны по-разному?
Разные виды излучения неодинаково передают энергию ткани и создают ионизации. Поэтому при равной энергии на единицу массы биологический эффект может различаться; это учитывает коэффициент качества.
В каких единицах измеряют поглощённую и эквивалентную дозы?
Поглощённую дозу измеряют в греях: 1 Гр = 1 Дж/кг. Эквивалентную дозу измеряют в зивертах.
Чем внешнее облучение отличается от поступления радиоактивных веществ внутрь организма?
При внешнем облучении источник находится вне тела, а излучение воздействует на организм снаружи. При внутреннем облучении радиоактивные вещества попадают в организм, например с воздухом или пищей, и становятся источником излучения внутри него.
§ 7.22. Биологическое действие радиоактивных излучений
