Оценка уровня риска радиоактивного

Лабораторная работа №11.

 

Оценка уровня риска радиоактивного

Облучения человека.

 

Для характеристики основных видов ядерных излучений a, b и g, вводят ряд понятий. Для N нестабильных радиоактивных ядер важной характеристикой является средняя скорость радиоактивного распада ядер  Эта величина не зависит от времени . Она называется постоянной радиоактивного распада и обычно обозначается l. Изменение числа N(t) радиоактивных ядер со временем t описывается основным законом радиоактивного распада:

                                                 (1)

где N₀ - число нестабильных ядер в начальный момент времени (t=0).

Выражение (I) определяет количество радиоактивных ядер, не испытывающих радиоактивного распада к моменту времени t. Количество радиоактивных ядер, испытавших распад к моменту времени t, определяется выражением

                                                          (2)

Наряду с постоянной l для характеристики радиоактивного распада ядер вводят величину Т_1/2, называемую периодом полураспада радиоактивных ядер. Период полураспада Т_1/2 определяет интервал времени, в течении которого половина нестабильных ядер испытывает (или не испытывает) распад.

Из соотношения:

                                                       (3)

следует взаимосвязь двух величин l и Т_1/2:

                                                                             (4)

Не все продукты радиоактивного распада нестабильных ядер одинаково опасны для человека и всего живого. Периоды полураспада Т_1/2 для различных радиоактивных нуклидов сильно различаются по времени, от долей секунды до сотен тысяч лет.

Радиоактивные ядра с малым периодом полураспада довольно быстро теряют свою радиоактивность и перемещаются по соответствующей цепочке радиоактивного распада.

К настоящему времени известно около 2000 радиоактивных ядер. Из них 300 нуклидов имеют естественное, природное происхождение, а остальные 1700, являются искусственными, получаемыми в ядерных реакторах, ускорителях или при ядерных взрывах. Все они обладают разной радиоактивностью. Активность ядер, интенсивность радиоактивного распада ядер А в ядерной физике оценивают средним числом  из N нестабильных ядер, испытавших радиоактивный распад в единицу времени. Т.е. активность образца А оценивают числом распадов радиоактивных ядер в секунду:

                                     A= l N                                                  (5)

В соответствии с основным законом радиоактивного распада активность А радиоактивного источника убывает со временем как:

                              (6)

где А₀= l N ₀ - начальная активность радиоактивного образца.

За единицу активности в начальный период развития ядерной физики был выбран Ки. Единица активности Ки определена числом распадов l N=3,7 × 10¹⁰ за секунду для радионуклидов, содержащихся в 1г радия, при достижении равновесия радионуклидов со своими продуктами распада. То есть:

                                I Ки=3,7 × 10¹⁰ распад/с                                    (7)

В современной международной системе единиц СИ за единицу активности радионуклидов выбрали I Бк (I Беккерель):

                             I Бк=1 распад/с                                           (8)

Получаем следующую взаимосвязь I Ки с I Бк:

                               I Ки=3,7 × 10¹⁰ Бк=37 Гбк                                  (9)

В таблице I приведены массы некоторых радионуклидов с активностью около I Гбк.

 

Экспозиционная доза в 1 рентген накапливается в ве- ществе при облучении за время экспозиции в 1 час от радиоактивного источника в 1г, находящегося на расстоянии 1м от вещества, т.е. с активностью радиоактивного источника в 1 Ки.

Регистрация заряженных a -   или b -частиц, или пары ионов, возникающих в рабочем веществе детектора под действием g -излучения, за счет их движения к обкладкам конденсатора (электродам) под действием соответствующей разности потенциалов, создаваемой на обкладках конденсатора (электродах) и последующего замыкания электрической цепи лежит в основе устройства различного типа бытовых дозиметров.

При определенных условиях, регистрация импульсов тока, возникающих в электрической цепи, пропорциональна интенсивности потока b - или a -, или g - квантов, попадающих в рабочий объем дозиметра. Простейшая схема регистрации a -, b -  и g - излучения подобного типа осуществляется в счетчиках Гейгера-Мюллера, используемых в бытовых дозиметрах “Сосна”, “Мастер” и другого типа, выпускаемых промышленными предприятиями Белоруссии.

Английские физики Брэгг и Грэй в дальнейшем предложили использовать для оценки ионизирующего излучения не экспозиционную дозу облучения 1см³ рабочего вещества дозиметра по количеству возникающего в этом объеме ионов, а поглощающую дозу ионизирующего ядерного излучения определяют энергией ядерного излучения, поглощенной единицей массы вещества.

В качестве единицы измерения поглощенной дозы ядерного излучения был предложен 1рад, определяемый энергией в 100 эрг, поглощенной при облучении ядерным излучением 1г рабочего вещества дозиметра:

                              1рад=100эрг/г                                         (11)

 В настоящее время в системе СИ перешли к новой единице поглощенной дозы ядерного излучения 1Гр:

                        1Гр=100 рад= 1Дж/кг                                  (12)

Дозиметрия ядерных излучений по энергии, поглощенной в единице массы облучаемого вещества, однако, не учитывает того факта, что a -излучение, при одной и той же поглощенной дозе, намного опаснее по своему воздействию на живой организм, чем b -, и g -излучения. Чтобы учесть различную степень воздействия разных ядерных излучений на живой организм, необходимо соответствующие установленные поглощенные дозы умножить на коэффициенты, учитывающие различную способность разных ядерных излучений повреждать ткани живого организма.

Дозу, поглощенную веществом, облученным ядерным излучением и умноженную на коэффициент, учитывающий неодинаковую радиационную опасность для живого организма разных видов ядерного облучения, называют эквивалентной дозой ядерного излучения для данного вещества.

Ядерных излучений.

 

Определив эквивалентную дозу облучения человека в зивертах, следует учитывать, что одни части тела, органы, ткани, более чувствительны, чем другие, при одинаковой эквивалентной дозе облучения. Так, риск возникновения рака в легких более вероятен, чем в щитовидной железе. Облучение половых желез особенно опасно из-за риска последующих гинетических повреждений, которые будут сказываться и на последующих поколениях.

Если эквивалентные дозы облучения различных органов и тканей человека разные, то умножив соответствующие эквивалентные дозы облучения органов и тканей на соответствующие коэффициенты радиационного риска, получим эффективную эквивалентную дозу (в Зивертах) облучения ядерным излучением всего человека. Если облучение всех частей тела одинаково, т.е. равномерно распределено по поверхности тела, то суммирование всех коэффициентов радиационного риска даст 1 и, соответственно, эквивалентная и эффективная дозы будут одинаковыми.

Ядерное облучение по самой своей природе воздействия на биологические ткани вредно для жизни. Малые дозы облучения могут “запустить” не до конца еще установленную цепь событий в организме человека, приводящих к возникновению рака или к генетическим повреждениям. При воздействии радиационного облучения на биологические и химические молекулы, образуются новые молекулы, включая такие реакционноспособные как “свободные радикалы”. Возникновение таких новых молекул приводит к изменениям биологических и химических реакций, определяющих нормальную деятельность различных биологических органов и тканей человека.

Нарушение нормальных ритмов биохимических процессов в живом организме под действием радиации может привести к различным нежелательным последствиям, которые могут проявиться не сразу. Биохимические нарушения, под действием больших доз радиационного облучения, обычно проявляются в течении нескольких часов или дней. Раковые заболевания могут появиться значительно позже, через много лет после облучения. Врожденные пороки развития и другие наследственные заболевания, вызванные повреждением генетического аппарата, проявляются лишь в следующем или последующих поколениях.

Идентификация быстро проявляющихся (“острых”) последствий от действия больших доз облучения реализовать не сложно. Значительно сложнее обнаружить отдаленные по времени от облучения последствия малых доз облучения. Это объясняется медленным развитием процессов деформации жизнедеятельности человека при малых дозах облучения и возможностью возникновения в последующим выявленных нарушений от совершенно иных факторов, самых разнообразных по своей природе.

Теоретически, для возникновения раковых или гинетических заболеваний достаточно самой малой дозы облучения. Однако, практически, даже очень большая доза облучения может не дать никаких нежелательных последствий. Даже при больших дозах облучения у людей не наблюдалось ни раковых, ни гинетических нежелательных последствий. Действующие в организме человека защитные механизмы и средства могут ликвидировать все повреждения, вызванные действием облучения. Тем не менее, риск заболевания есть и тем больше, чем больше доза облучения.

Если доза облучения достаточно велика, облученный человек погибает. Так при дозе облучения всего тела порядка 100 Гр происходят настолько серьезные поражения центральной нервной системы, что смерть, как правило наступает в течение нескольких часов или дней. При дозах облучения всего тела в 10 ¸ 50 Гр поражение центральной нервной системы не настолько серьезны, чтобы неотвратимо привести к летальному исходу. Однако, облученный человек скорее всего все равно умрет через одну - две недели от кровоизлияния в желудочно-кишечном тракте. При дозе облучения всего тела в 3 ¸ 5 Гр умирает примерно половина всех облученных.

Красный костный мозг и другие элементы кровеносной системы наиболее уязвимы при облучении и теряют способность нормально функционировать уже при дозах облучения 0,5 ¸ 1 Гр. Если доза облучения не настолько велика, чтобы вызвать повреждение всех клеток кроветворной системы, или облучено не все тело, то уцелевших клеток костного мозга бывает достаточно для полного возмещения поврежденных клеток. Клетки костного мозга обладают замечательной способностью к регенерации.

Крайне чувствительны к облучению дети. Кости и мозг взрослого человека могут выдержать довольно большие пороговые дозы. Для детей же такой пороговый эффект практически отсутствует. Относительно небольшие дозы при облучении могут замедлить или вообще остановить у детей рост костей, привести к аномальному развитию скелета, потере памяти и даже к слабоумию и идиотии, влиять на характер ребенка. Чем меньше дети, тем сильнее сказывается на них радиация. Наиболее чувствителен к облучению плод беременной женщины в период его внутриутробного развития.

Оценка влияния облучения на здоровье людей опирается на два основных допущения, которые пока согласуются со всеми имеющимися данными. Первое допущение - не существует пороговой дозы, до которой отсутствует риск заболевания. Любая, сколь угодно малая доза облучения увеличивает вероятность (риск) заболевания. Второе допущение - вероятность или риск заболевания возрастает прямо пропорционально дозе облучения: при удвоении дозы риск удваивается, при утроении - утраивается и т.д.

 

При дозе облучения в 1 Гр.

Таблица II.

Раковые заболевания	Прогноз заболевших	Риск
Крови (лейкемия)	2	2 ×10-3
Щитовидной железы	10	1 ×10-2
Молочной железы	10	1 ×10-2
Легких	5	5 ×10-3
Желудка, печени, толстой кишки	1	1 ×10-3
Костных тканей, пищевода, тонкой кишки, лимфатической ткани	0,2 ¸ 0,5	2 ×10-4 ¸5 ×10-4

 

Облучения человека.

Таблица V.

Доза	Тип облучения		Физиологические
облучения Гр	Полное	Локальное	последствия
0,25	все тело		Клинических симптомов не обнаруживает
0,5	-		Временное снижение лимфоцитов
1,0	-		Тошнота, рвота, вялость, снижение лимфоцитов
1,5	-		Смертность 5%, “похмелье” от облучения 50%
2,0	-		Снижение числа лейкоцитов на длительное время.
4,0	-		Смертность 50% за 30 суток
6,0	-		Смертность 90% за 14 суток
7,0	-		Смертность 100%

 

3 ¸5	-	кожа	Выпадение волос и краснота кожи
3 ¸5	-		Бесплодие на всю жизнь

Выполнение работы.

 

Произвести 50 измерений без установки источника с временем экспозиции каждого измерения t ₀. Соответствующие показания дозиметра для фонового излучения   заносятся в таблицу VI. Аналогичные измерения  затем выполняются для одного стандартного источника. Затем определяются результаты измерения  для другого стандартного источника. соответствующие данные заносятся в таблицу VI.

 

Таблица VI.

N
1
2
...
...
...
49
50

По результатам таблицы VI находим средние значения экспозиционных доз g - излучения  и  для двух стандартных источников:

                                                                (16)

          ,                      (17)

где       ,                       (18)

Для данных радиоактивных источников оцениваем их активность А ₁= l ₁N₁ и А2= l 1 N 1 в Ки, рассматривая массу каждого радионуклида в количестве 1 г и определив по справочнику соответствующие периоды полураспада Т_1/2.

Чтобы оценить риск раковых и генетических заболеваний от облучения данными радиоактивными источниками, следует оценить соответствующие дозы в Гр  и

и эквивалентную дозу облучения в Зв  и .

Выполним оценку риска раковых и генетических заболеваний человека при полном и локальном облучении данной дозы g - излучения на основе данных таблиц II и III. Построим аналогичные таблицы риска раковых и генетических заболеваний. Для таблицы IV определим возможное время облучения для достижения предельно допустимых доз облучения, приведенных в последней колонке. По таблице V оценим клинические последствия месячного и годового облучения радионуклидами X и Y в количестве 1 г.

 

6. Контрольные вопросы.

1. Как связаны между собой постоянная распада l, среднее время жизни t и период полураспада радионуклидов?

2. Основные характеристики a -, b - и g - излучений.

3. Единица активности радионуклидов.

4. Экспозиционная, поглощенная эквивалентная и эффективная эквивалентная дозы и соответствующие единицы измерений.

5. Как соотносятся между собой единицы измерения различных доз.

6. Биохимическое действие ядерных излучений.

7. Летальная доза g - облучения всего организма.

Литература.

 

1. Практикум по ядерной физике. И.А.Антонов, А.Н.Бояркина и др.; 4-ое изд. - М.: Изд-во Моск. ун-та. - 199 с.

2. Радиация. (Дозы, эффекты, риск). - М.: Мир, 1990. - 79 с.

3. Насколько опасно облучение. Ю.В. Сивинцев. - М.:

Знание. 1988. - 96 с.

Лабораторная работа №11.

 

Оценка уровня риска радиоактивного

Облучения человека.

 

Для характеристики основных видов ядерных излучений a, b и g, вводят ряд понятий. Для N нестабильных радиоактивных ядер важной характеристикой является средняя скорость радиоактивного распада ядер  Эта величина не зависит от времени . Она называется постоянной радиоактивного распада и обычно обозначается l. Изменение числа N(t) радиоактивных ядер со временем t описывается основным законом радиоактивного распада:

                                                 (1)

где N₀ - число нестабильных ядер в начальный момент времени (t=0).

Выражение (I) определяет количество радиоактивных ядер, не испытывающих радиоактивного распада к моменту времени t. Количество радиоактивных ядер, испытавших распад к моменту времени t, определяется выражением

                                                          (2)

Наряду с постоянной l для характеристики радиоактивного распада ядер вводят величину Т_1/2, называемую периодом полураспада радиоактивных ядер. Период полураспада Т_1/2 определяет интервал времени, в течении которого половина нестабильных ядер испытывает (или не испытывает) распад.

Из соотношения:

                                                       (3)

следует взаимосвязь двух величин l и Т_1/2:

                                                                             (4)

Не все продукты радиоактивного распада нестабильных ядер одинаково опасны для человека и всего живого. Периоды полураспада Т_1/2 для различных радиоактивных нуклидов сильно различаются по времени, от долей секунды до сотен тысяч лет.

Радиоактивные ядра с малым периодом полураспада довольно быстро теряют свою радиоактивность и перемещаются по соответствующей цепочке радиоактивного распада.

К настоящему времени известно около 2000 радиоактивных ядер. Из них 300 нуклидов имеют естественное, природное происхождение, а остальные 1700, являются искусственными, получаемыми в ядерных реакторах, ускорителях или при ядерных взрывах. Все они обладают разной радиоактивностью. Активность ядер, интенсивность радиоактивного распада ядер А в ядерной физике оценивают средним числом  из N нестабильных ядер, испытавших радиоактивный распад в единицу времени. Т.е. активность образца А оценивают числом распадов радиоактивных ядер в секунду:

                                     A= l N                                                  (5)

В соответствии с основным законом радиоактивного распада активность А радиоактивного источника убывает со временем как:

                              (6)

где А₀= l N ₀ - начальная активность радиоактивного образца.

За единицу активности в начальный период развития ядерной физики был выбран Ки. Единица активности Ки определена числом распадов l N=3,7 × 10¹⁰ за секунду для радионуклидов, содержащихся в 1г радия, при достижении равновесия радионуклидов со своими продуктами распада. То есть:

                                I Ки=3,7 × 10¹⁰ распад/с                                    (7)

В современной международной системе единиц СИ за единицу активности радионуклидов выбрали I Бк (I Беккерель):

                             I Бк=1 распад/с                                           (8)

Получаем следующую взаимосвязь I Ки с I Бк:

                               I Ки=3,7 × 10¹⁰ Бк=37 Гбк                                  (9)

В таблице I приведены массы некоторых радионуклидов с активностью около I Гбк.