Радиобиология с основами радиоэкологии

воды. Именно поэтому методические указания пока не предусматривают категорического перехода на использование единицы СИ экспозиционной дозы.

2.8. Связь между радиоактивностью и дозой ионизирующего излучения

Единицы радиоактивности и единицы доз ионизирующего излучения являются различными физическими величинами. Но, несомненно, они связаны между собой, так как именно определенная радиоактивность вещества обусловливает на различном расстоянии от него определенное дозовое поле. В радио­ метрии существует своего рода эталон такой связи или зависимости: в стандартных условиях (температура 0 °С и давление 760 мм рт. ст.) 226Rа радиоактивностью 1 Ки формирует в течение 1 ч на расстоянии 1 м экспозиционную дозу в 1 Р.

Соответственно существует зависимость между экспозиционной дозой и радиоактивностью источника излучения. Именно эта зависимость позволяет в определенных ситуациях использовать классические дозиметры-рентгенометры для оценки радиоактивного загрязнения различных объектов. Так, в период аварии на Чернобыльской АЭС дозиметры и рентгенометры типа ДП-5, СРП-68 и другие широко использовались для контроля степени радионуклидного загрязнения различных строений, техники, спецодежды, всевозможных объектов окружающей среды и даже продуктов питания.

Существует определенная связь между радиационным фоном, т.е. мощностью экспозиционной дозы в среде, и плотностью радионуклидного загрязнения поверхности почвы. Для различных конкретных условий построено множество таких зависимостей, созданных, как правило, на основе эмпирических оценок, один из примеров которой приводится на рис. 2.8.

Разумеется, связь между радиоактивностью источника и дозой, формируемой им в пространстве, зави-

Рис. 2.8. Зависимость между плотностью радио­ нуклидного загрязнения почвы и мощностью радиационного фона (В.Ф. Алесенко, 1990).

сит от различных факторов, многие из которых в реальных условиях оперативно учесть очень трудно или даже невозможно. К ним можно отнести изотопный состав источника радиоактивности и соответственно типы излучений, физическое и физико-химическое состояние источника и окружающей среды – состав, температура, атмосферное давление, газовый состав атмосферы и многие другие. Поэтому всякая оценка дозы по радиоактивности и радиоактивности по уровню дозы ориентировочна и дает лишь приблизительное представление о реальной радиационной обстановке.

2.9. Виды облучения

Для характеристики распределения ионизирующего излучения во времени используется величина мощности дозы, под которой понимают количество энергии излучения, поглощаемое веществом в единицу времени. В зависимости от мощно­ сти дозы различают два вида облучения – острое и пролонги­ рованное. Под острым облучением понимают кратковременное облучение в течение секунд, минут, максимум – нескольких часов, когда организм за счет высокой мощности дозы (десятки, сотни грей в минуту, в час) может получить большую дозу. Пролонгированное облучение – продолжительное облучение в течение многих часов, суток, недель при низкой мощности дозы (доли грей в час, сутки).

Как предельный случай пролонгированного облучения следует рассматривать хроническое облучение, при котором формирование дозы при мощности в несколько сотых и даже тысячных грея в час осуществляется на протяжении всей вегетации растения, всей жизни животного и человека или, по меньшей мере, периода, составляющего значительную часть онтогенеза.

Одинаковая по биологической эффективности доза пролонгированного облучения, как правило, существенно превышает дозу острого, что определяется степенью пролонгирования, т.е. разницей в мощностях доз. Доза хронического облучения однолетних растений в течение вегетационного периода (100–120 дней) в 3–6 раз и более превышает дозу острого облучения при равном радиобиологическом эффекте.

Различают также однократное и фракци­онированное­ (много­ кратное) облучение. В первом случае доза дается в течение одного непрерывного акта облучения. Во втором – делится на две и более фракций, чередующихся с периодами, в течение которых организм не облучается. Биологическое действие радиации при фракционированном облучении существенно зависит, с одной стороны, от количества фракций дозы, с другой – от продолжительности интервала­ между ними. В обоих случаях с их увеличением оно уменьшается (рис. 2.9), так как в периоды между

Рис. 2.9. Увеличение выживаемости мышей с увеличением количества фракций дозы и времени между ними при одинаковой суммарной дозе рентгеновского облучения 6 Гр.

фракциями происходит восстановление различных структур и функций клеток и организма в целом.

Снижение эффективности облучения с уменьшением мощности дозы и при ее фракционировании служит одним из доказательств существования процессов пострадиационного восстановления живых организмов, чему будет посвящена глава 15.

Таким образом, ионизирующая радиация является одним из факторов окружающей среды, который всегда присутствовал на нашей планете, сопровождая зарождение жизни на ней, возникновение и развитие видов организмов. Что же является ее источниками? Это будет рассмотрено в следующей главе.

Контрольные вопросы к главе 2

1.Природа радиоактивности.

2.Закон радиоактивного распада.

3.Понятия «радиоактивный изотоп», «радиоактивный элемент», «радиоактивное вещество», «радионуклид».

4.Типы ядерных превращений.

5.Типы ионизирующих излучений.

6.Виды и общая физическая характеристика электромагнитных ионизирующих излучений.

7.Виды и общая физическая характеристика корпускулярных ионизирующих излучений.

8.Сравнительная проникающая способность ионизирующих излучений.

9.Основные процессы, происходящие при взаимодействии электромагнитных ионизирующих излучений с веществом.

10.Линейная потеря энергии излучений. Редко- и плотноионизирующие излучения.

11.Относительная биологическая эффективность ионизирующих излучений.

12.Экспозиционная, поглощенная и эквивалентная дозы ионизирующих излучений.

13.Единицы радиоактивности и доз ионизирующих излучений.

14.Переход от внесистемной единицы радиоактивности к единице в системе СИ.

15.Переход от внесистемных единиц доз ионизирующих излучений к единицам в системе СИ.

16.Связь между радиоактивностью и дозой ионизирующего излучения.

17.Зависимость эффективности действия ионизирующей радиации на организм от фактора времени – продолжительности облучения и фракционирования дозы.

18.Виды облучения.

3. Источники радиоактивных веществ и ионизирующих излучений на Земле 65

3.ИСТОЧНИКИ РАДИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

ИИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ЗЕМЛЕ

Источники радиоактивных веществ. Естественные радионуклиды. Искусственные радионуклиды. Источники ионизирующих излучений. Естественные источники ионизирующих излучений. Искусственные источники ионизирующих излучений.

Ионизирующие излучения не являются каким-либо не­ обычным или новым фактором на Земле. Все живое и неживое во все эпохи развития и существования нашей планеты подвергалось их воздействию. Более того, имеются основания предполагать, что в те далекие времена, когда жизнь на Земле только зарождалась, интенсивность ионизирующей радиации была гораздо выше, чем сейчас.

3.1. Источники радиоактивных веществ

Как свидетельствует история радиобиологии, кратко изложенная в главе 1, ионизирующие излучения были открыты только в последние годы XIX столетия. Было показано, что они могут возникать при пропускании электрического тока через катодную трубку (рентгеновское излучение), их способны испускать некоторые естественные химические элементы (уран, радий, полоний). В 30-е гг. ХХ столетия было открыто явление искусственной радиоактивности – получение радиоактивных изотопов из обычных нерадиоактивных, или стабильных при их облучении или бомбардировке высокоэнергетическими частицами. Несколько позднее были открыты цепные ядерные реакции деления урана и плутония, при которых возникает множество радиоактивных изотопов, созданы ядерные реакторы и атомное оружие. В их основе лежат эти реакции. В 1940–1960-е гг. были сооружены специальные установки – ускорители заряженных частиц, в которых электронам, протонам, атомным ядрам и другим ядерным частицам сообщается большая кинетическая энергия и они становятся способными вызывать ионизацию вещества.

В настоящее время выделяют две основные группы источников радиоактивных веществ: естественные, или природные и искусственные.

66Радиобиология с основами радиоэкологии

3.1.1.Естественные радионуклиды

Вземных породах, рудах, почвах содержится около 70 естественных, или природных радиоактивных изотопов 25 химических элементов, среди которых выделяют две группы: первичные и космогенные радионуклиды. В первичных, в свою очередь, выделяют радионуклиды, образующие семейства, и не образующие семейства.

Радионуклиды, образующие семейства, и радионуклиды – продукты их распада. К ним относятся радионуклиды трех изотопов: двух – урана (238U и 235U) и одного – тория (232Th). Каждый из них является родоначальником радиоактивного семейства радионуклидов, соответственно урана, актиния и то-

рия. Подвергаясь многоступенчатым последовательно чередующимся альфа- (α-) и бета- (β-) распадам, они образуют ряд радиоактивных изотопов.

Родоначальный изотоп семейства урана 238U в результате восьми α- и шести β-распадов переходит в стабильный изотоп свинца 206Pb (рис. 3.1а). В связи с тем, что при этих превращениях в числе других изотопов возникает очень важный радиоактивный изотоп элемента радия 226Ra, это семейство нередко называется семейством урана-радия.

Изотоп урана 235U является родоначальником семейства ак-

тиния. Это название семейство получило потому, что среди образующихся вследствие семи α- и четырех β-распадов изотопов имеется изотоп актиния 227Ас – главный элемент большой группы радиоактивных химических элементов актиноидов (актинидов). Указанное семейство еще называют семейством ак- тиния-урана, а изотоп 235U – актиноураном АсU. Завершается этот распад образованием стабильного изотопа свинца 207Рb (рис. 3.1б).

Родоначальник семейства тория изотоп 232Тh в результате шести α- и четырех β-распадов переходит в стабильный изотоп свинца 208Рb (рис. 3.1в).

Для всех трех родоначальников семейств характерны очень большие периоды полураспада: для 235U – 7.3×108, 238U – 4.5×109, 232Тh – 1.4×1010 лет. В ходе их радиоактивных превращений об-

разуются десятки изотопов различных элементов с периодами полураспадов от долей секунды до сотен тысяч лет. Среди них наиболее значимый вклад в радиоактивность окружающей среды и биоты вносят 226Ra, 222Rn, 220Rn, 210Ро.

Совершенно естественно, что в результате последовательных распадов изотопов – родоначальников семейств возникают изотопы с меньшими атомными массами, а вследствие того, что количество α-распадов превышает число β-распадов, образуются и другие химические элементы и с меньшими атомными номерами. Некоторые характеристики основных представителей этой группы радионуклидов приведены в табл. 3.1.

3. Источники радиоактивных веществ и ионизирующих излучений на Земле 69

Радионуклиды, не образующие семейств. Эта группа включает изотопы химических элементов, которые обычно считаются нерадиоактивными, так как относительное количество радиоактивных изотопов составляет в них очень незначительную часть. К ним в первую очередь относятся изотопы калия – 40К, кальция – 48Са, рубидия – 87Rb, циркония – 96Zr, лантана – 138La, самария – 147Sm, лютеция – 176Lu (табл. 3.2). Во многих ископаемых органических и органо-минеральных породах (уголь, горючие сланцы, нефть, известняки), включающих углерод, содержится радиоактивный изотоп 14С. Но обычно его относят к радионуклидам космогенного происхождения.

Основной вклад в естественную радиоактивность из изотопов этой группы вносит 40К, доля которого в смеси изотопов калия составляет всего 0.01% (39К и 41К – 93.22 и 6.77% соответственно).

Периоды полураспада изотопов данной группы также очень велики – от 107 до 1018 лет. Для 40К, например, он составляет 1.28×109, 48Са – 1.1×1018, для 87Rb – 6.15×1010 лет.

Именно эти радиоактивные изотопы вместе с радиоактивными изотопами родоначальниками семейств относят к первичным естественным радионуклидам, образовавшимся, по всей вероятности, одновременно с Землей. Вторичными радионуклидами считаются продукты их распада – упомянутые радиоактивные изотопы радона, полония, радия и другие, а также космогенные радионуклиды.

Космогенные радионуклиды. Вследствие ядерных и термоядерных процессов, извержения и испарения материи на звездах и туманностях космического пространства возникает кос­ мическое ионизирующее излучение. В нем выделяют галакти­ ческое излучение, приходящее на Землю извне Солнечной системы – из окружающего ее галактического пространства, и солнечное излучение, обусловленное активностью Солнца.

Средняя энергия космического излучения составляет 109 эВ, хотя энергия отдельных его видов может достигать 1017– 1021 эВ. Предполагается, что последние виды имеют внегалактическое происхождение – приходят из метагалактики, приобретая такие высокие энергии за счет многократного ускорения в переменных электромагнитных полях различных небесных тел, магнитных облаках космической пыли, расширяющихся оболочках новых и сверхновых звезд.

Солнечное космическое излучение обладает по сравнению с галактическим более низкой энергией – до 4×1010 эВ. Следует отметить для сравнения, что рентгеновское и g-излучения, с которыми преимущественно сталкиваются радиобиологи и которые более детально будут рассмотрены в следующей главе, имеют энергию соответственно 0.12–12.0×103 и 1.2–5.0×106 эВ. Да-

же на самых современных ускорителях частиц удается достичь энергий порядка «всего» 1011 эВ.

Космогенные радиоактивные изотопы образуются в основном в атмосфере Земли при взаимодействии космического излучения с ядрами водорода, лития, бериллия, бора, углерода, азота, кислорода, натрия, алюминия, фосфора, хлора, аргона и других легких химических элементов, а затем поступают на ее поверхность под влиянием сил гравитации и с атмосферными осадками. К ним относятся в первую очередь изотопы 3H, 10Be, 14C, 22Na, 26Al, 32P, 36Cl.

Один из наиболее значимых в биогенном смысле радионуклидов космогенного происхождения тритий (3Н), или тяжелый водород образуется, например, при взаимодействии нейтронов космического излучения с ядрами азота по реакции: 14N (n) → 3Н + 12С. Тритий соединяется с кислородом и в виде так называемой «тяжелой воды» выпадает с осадками на земную поверхность.

Второй очень важный радионуклид космогенного происхождения 14С появился в природе также благодаря действию нейтронов космических лучей на ядра азота. Наиболее вероятным считается образование 14С по реакции 14N (n, p) → 14С. Включаясь в состав углекислого газа, 14С принимает участие в общем круговороте углерода, осуществляемом растениями, животными, микроорганизмами. Именно космогенные радионуклиды вместе с газообразными радиоактивными продуктами распада урана и тория, в первую очередь радоном, определяют радиоактивность атмосферы. Периоды полураспада отмеченных космогенных радиоактивных изотопов достаточно велики и измеряются годами-тысячелетиями (табл. 3.3), хотя среди них большинство таких изотопов, периоды полураспада которых измеряются секундами и даже микросекундами. Их изучение в основном имеет лишь теоретическое значение, помогая понять механизмы возникновения и превращения одних изотопов в другие под влиянием высокоэнергетических излучений.

Содержание радионуклидов в земной коре и соответственно в воде варьирует в очень широких пределах, что определяется главным образом их содержанием в земных породах. Осадочные породы (глины, известняки, угли), как правило, слаборадиоактивны. Изверженные горные породы – граниты, базальты содержат значительно большее количество радиоактивных веществ. Очень богаты торием и радием так называемые «монацитовые пески», основу которых составляет минерал монацит, представляющий собой фосфаты редкоземельных элементов преимущественно цериевой группы. Известны и радиоактивные водные источники.

Естественные радионуклиды разделяют также на легкие и тяжелые. В группу тяжелых естественных радионуклидов