Дипломная работа на тему: Естественный фон ионизирующих излучений. Внешнее и внутреннее облучение

Введение

Вселенная, мировое пространство пронизано лучистой энергией. Если скопления материи в виде звезд, планет, блуждающих комет и метеоритов в масштабах Вселенной - редкие явления, то потоки лучей, порождаемые ими, наполняют все пространство. В каждой его точке ежесекундно можно обнаружить потоки излучений - радиацию. Огромные массы вещества в недрах звезд, вступая в ядерные реакции, превращаются в лучистую энергию, выделяемую в окружающее пространство. Вспышки новых звезд, рождение и гибель галактик, сжатие и концентрация вещества при затухании звезд и другие еще далеко не познанные, но постоянно происходящие во Вселенной превращения материи сопровождаются огромными выбросами лучистой энергии в виде электромагнитных колебаний всех диапазонов и потоков элементарных частиц и корпускул, начиная от неуловимого нейтрино и кончая тяжелыми ядрами атомов.

Человечество с глубокой древности знало только о сравнительно небольшой части спектра электромагнитных излучений - узкой полосе видимого света. Благотворное влияние солнечного света, под живительными лучами которого поспевают урожаи на полях, стало первым знанием человека о зависимости жизни на Земле от лучистой энергии Солнца. Прошло много столетий, прежде, чем человечество поняло, что вся энергия, используемая при сжигании дров, нефти, каменного угля - это лучистая энергия Солнца, аккумулированная земной растительностью.

Зрение, позволяющее воспринимать всю красоту и многокрасочность окружающего мира и ориентироваться в пространстве, также исследуется в течение столетий. В настоящее время хорошо известны и оптическое устройство глаза, и тонкие фотохимические реакции, преобразующие кванты света в нервные импульсы. Мы знаем и о замечательном устройстве зрительных центров в центральной нервной системе, позволяющем с огромной скоростью анализировать интенсивность, длины волн и пространственное расположение потоков квантов, падающих на сетчатку глаза.

Область невидимых излучений лежит как в стороне более длинных, так и более коротких волн. Диапазон радиоволн только начинает интересовать биолога. Еще не ясно, воздействуют ли они на живые системы. Все больший интерес вызывают сантиметровые и миллиметровые волны. В последние годы стали накапливаться факты об их воздействии на биологические объекты. Использование этих излучений в промышленности возрастает, поэтому их возможное влияние на человека - вопрос, имеющий не только теоретический интерес. Ультракороткие и инфракрасные волны оказывают тепловое воздействие на ткани организмов, что широко используется в медицинской практике и сельском хозяйстве. Не менее интересна и область корпускулярных ионизирующих излучений, таких, как α- и β- лучи радионуклидов, потоки электронов и протонов, генерируемые современными ускорителями, нейтроны атомных реакторов или π-мезоны и ядра тяжелых нуклидов - космических лучей. Корпускулярные излучения обладают высокой энергией, часто большой проникающей способностью, активно взаимодействуют с атомами и молекулами живых организмов, вызывая ионизацию, образование высокореактивных свободных радикалов, ядерные реакции. Все это может иметь глубокие последствия для жизнедеятельности клетки, ткани, организма. Ввиду сходства воздействия на вещество корпускулярных и таких электромагнитных излучений, как рентгеновские и γ-лучи, их часто объединяют в группу ионизирующей радиации.

При каждом таком акте распада высвобождается энергия, которая и передаётся дальше в виде излучения. Испускание ядром частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов, как в случае распада U238, называется α-излучением; испускание электрона, как в случае распада тория-234, называется β-излученим и т.д. Различные ядра высвобождают свою энергию различными способами, в форме электромагнитных волн и/или потоков частиц. Разные виды излучения сопровождаются высвобождением разного количества энергии и обладают разной проникающей способностью, поэтому они оказывают неодинаковое воздействие на ткани живого организма.

α -излучение представляет собой поток тяжелых частиц положительно заряженных ядер гелия, состоящих из двух протонов и двух нейтронов, испускаемых атомами таких тяжелых элементов, как уран, радий, радон и плутоний. В воздухе альфа-излучение проходит не более пары сантиметров (наиболее высокоэнергетические альфа-частицы могут пройти слой воздуха при нормальном атмосферном давлении не более 11 см или слой воды до -150 мкм) и полностью задерживается листом бумаги или эпидермисом, внешним омертвевшим слоем кожи. Поэтому оно не представляет опасности до тех пор, пока радиоактивные вещества, испускающие альфа - частицы, не попадут внутрь организма через открытую рану, с пищей или вдыхаемым воздухом; тогда они становятся чрезвычайно опасными. Альфа-излучение в 20 раз опаснее гамма-излучения.

Бета-излучение - это электроны, которые значительно меньше альфа-частиц и могут проникать в ткани организма через кожу на 1-2 см. Оно может быть задержано листом металла, оконным стеклом, обычной одеждой. Бета-излучение поражает незащищенную кожу и глаза. Если частицы, испускающие бета-излучение, попадут в организм, они будут облучать внутренние ткани.

Гамма-излучение - это электромагнитное излучение высокой энергии, которое обладает большой проникающей способностью, изменяющейся в широких пределах. Ионизирующая способность гамма-излучения значительно меньше, чем у альфа- и бета- частиц. С того момента, как гамма-излучение попадает в вещество, его интенсивность начинает снижаться. На своем пути оно повсеместно сталкивается с атомами. Такое взаимодействие с клетками тела может повредить кожу и внутренние ткани. Плотные материалы, такие, как свинец, бетон, являются отличными барьерами на пути гамма-лучей.

Рентгеновское излучение - аналогично гамма-излучению, испускаемому ядрами, но оно получается искусственно в рентгеновской трубке, которая сама по себе не радиоактивна. Поскольку рентгеновская трубка питается электричеством, то испускание рентгеновских лучей может быть включено или выключено с помощью выключателя.

Нейтронное излучение обладает высокой проникающей способностью, поэтому наносит вред всем органам, но наиболее чувствительным к нейтронному излучению является хрусталик глаза. Нейтроны проникают глубже, чем гамма-лучи и могут быть остановлены только толстым бетонным, водяным или парафиновым барьером.

В качестве единицы измерения поглощенной ионизирующей радиации в современной единой системе единиц принято такое ее количество, которое соответствует энергии в 1Дж, поглощенной 1 кг ткани. Эта единица получила название грей (Гр) в честь крупного английского радиобиолога Л.Грея. В качестве единицы измерения ионизирующей радиации чаще используют величину в 100 раз меньшую - рад.1

Также введена величина эквивалентной дозы, измеряемая в зивертах (1 Зв = 1 Дж/кг). Зиверт представляет собой единицу поглощенной дозы, умноженную на коэффициент, учитывающий неодинаковую радиоактивную опасность для организма разных видов ионизирующего излучения.

Для оценки эквивалентной дозы применяется также единица БЭР (биологический эквивалент рада): 1БЭР = 0,01 Зв.

Оглавление

- Введение 3

- Естественный фон ионизирующих излучений. Внешнее и внутреннее облучение

- Космическая радиация

- Земная радиация

- Особенности внешнего и внутреннего облучения

- Ионизирующая радиация в повседневной жизни

- Особенности действия радиации на организм человека

- Острая лучевая болезнь

- Охрана здоровья людей от вредного действия ионизирующей радиации

- Заключение 33

- Литература 39

Заключение

Итак, мы рассмотрели радиационную обстановку на нашей планете. Все живые организмы, и человек в том числе, постоянно находятся в радиационном поле малой интенсивности. Наше тело каждую секунду на протяжении всей жизни пронизывается высокоэнергетичными квантами γ-радиации, бомбардируется элементарными частицами больших энергий. Облученность нашего организма обусловлена космической радиацией, излучениями радионуклидов, рассеянных в окружающих нас породах, водах и атмосфере, радионуклидов, инкорпорированных в наши ткани и органы.

Облученность от естественных источников радиации увеличилась за последние десятилетия за счет использования авиатранспорта, испытаний ядерного оружия, ввода в строй многочисленных атомных электростанций, широкого использования рентгенодиагностики в медицине, использования радиоизотопов и электронных устройств в быту.

Дозы облучения, получаемые человеком от всех этих источников, невелики. Для сравнения вкладов различных источников в общую усредненную дозу для всего населения Земли они были сопоставлены с естественным фоном радиации, который был принят за 100 мрад/год. Результаты такого сопоставления приведены ниже.

Доза мрад/год

Естественный фон радиации

Медицинская диагностика

От ядерных испытаний, осуществленных в период 1951-1976 гг.(сред.)

От бытовых источников

От действующих атомных электростанций

От использования воздушного транспорта

От использования фосфорно-калийных удобрений

От тепловых электростанций

Наибольший вклад в облученность населения вносит медицинская диагностика, дающая около 20% естественного фона. Все ядерные испытания, проведенные до 1976 года, дают годичную облученность, более чем в два раза меньшую по сравнению с медицинской диагностикой. Еще на порядок меньше облученность от бытовых источников, и только около одной десятой процента от естественного фона радиации мы получаем от работающих электростанций.

По мере того как ученые все больше узнают свойства "невидимых лучей", постигают последствия их действия на живые организмы и на окружающую нас природу, осваивают возможности использования этих лучей в медицине, сельском хозяйстве и промышленности - все новые и новые увлекательные задачи и проблемы открываются их взору, становятся на повестку дня и ждут своего разрешения. Остановимся только на некоторых из них.

Исключительно большой практический интерес имеет проблема одновременного действия ионизирующей радиации и ряда других физических и химических факторов окружающей нас среды. Два аспекта этой проблемы особенно злободневны. Первый заключается в возможности уменьшить разрушающее действие радиации путем одновременного воздействия другого физического или химического фактора. Проблема защиты от вредного действия радиации - одна из самых актуальных проблем.

Второй аспект возник, когда были сделаны наблюдения о значительном усилении - синергизме - радиобиологических эффектов при одновременном воздействии других факторов. Проблема синергизма оказалась весьма актуальной при оценке возможных последствий загрязнения окружающей нас среды и при использовании ионизирующей радиации в медицине и промышленности. Рассмотрим несколько примеров, поясняющих подходы к решению поставленных задач и перспективность работы в этих направлениях.

Как уже говорилось ранее, при облучении организма в тканях, клетках возникает множество свободных радикалов, действие которых на клеточные структуры и вызывает поражающий эффект радиации. Возникла мысль ввести перед облучением безвредные для организма вещества, активно реагирующие со свободными радикалами. Они будут перехватывать эти радикалы и не дадут им возможности подействовать на жизненно важные структуры клетки - осуществляется защита. Подобные вещества так и назвали - "перехватчики радикалов". Имеется ряд веществ, защищающих по этому принципу. Радиобиологи давно установили, что присутствие кислорода усиливает действие облучения - так называемый кислородный эффект. Были предложены вещества, временно снижающие концентрацию кислорода в тканях организма, т.е. вызывающие гипоксию. Оказалось, что в состоянии гипоксии организм более устойчив к действию радиации.

Чем интенсивнее идут процессы обмена, чем быстрее делятся клетки в тканях, тем чувствительней они к вредному действию радиации. Биохимикам были известны вещества, снижающие процессы обмена, замедляющие деление клеток. Оказалось, что введение этих веществ перед облучением обеспечивает защитный эффект.

В клетках и тканях организмов всегда присутствуют вещества, препятствующие окислению ненасыщенных жирных кислот, которые входят в структуру клеточных биомембран. Эти вещества так и называют - антиоксиданты. При облучении организма резко усиливаются процессы окисления ненасыщенных жирных кислот. Природные антиоксиданты не справляются со своей задачей. Нарушается структура биомембран, их проницаемость, регулярные свойства, что углубляет вредные последствия облучения. Введение дополнительного количества антиоксидантов перед облучением - еще один путь защиты.

Приведенные примеры наглядно показывают широкие возможности использования антагонизма в действии двух факторов для успешной защиты организмов от вредного действия радиации.

Не менее интересна в теоретическом и практическом аспекте проблема синергизма. О значении этой проблемы и о том внимании, которое уделяет ей мировая наука, можно судить хотя бы по международному конгрессу по радиационным исследованиям, состоявшемуся в мае 1979 г. в Японии, на котором проблеме синергизма было посвящено наибольшее количество симпозиумов, секционных заседаний. В центре внимания конгресса стояли вопросы возможности использовать явление синергизма для повышения эффективности радиационной терапии опухолей. Рентгеновские и γ-излучения уже давно используются в медицине для борьбы со злокачественными опухолями. Тонкий луч направляется на опухоль, он задерживает рост злокачественных клеток, разрушает их, на чем и основан терапевтический эффект. Но врач не может увеличить дозу сверх некоторого предела, так как в этом случае начинают поражаться другие ткани больного. Как усилить воздействия на опухоль, не увеличивая дозу облучения?

Была открыта возможность использования для этой цели синергизма при одновременном действии радиации и тепла. Ученые обнаружили по ряду показателей, что ткань опухоли более чувствительна к повышению температуры, чем нормальная ткань. Но только прогрев опухоли не давал лечебного эффекта. Однако, если одновременно с прогревом проводили лучевую терапию, то эффект значительно усиливался, проявлялось действие синергизма, что позволяло при умеренных дозах облучения получать хороший терапевтический эффект. Гипертермия при радиотерапии опухолей - еще один шаг вперед на этом трудном пути.

А вот пример использования синергизма совсем в другой области. Когда в жаркий летний день вы с удовольствием утоляете жажду стаканом фруктового сока, не приходит ли в голову мысль, а как сохраняется этот свежий сок без порчи, пока он дойдет от завода-изготовителя до потребителя?

Свежеприготовленный сок всегда содержит дрожжевые клетки и, постояв несколько дней, начинает бродить, что делает его непригодным к употреблению. Консервировать сок нагреванием до 100-1100С (обычный способ приготовления консервов) нельзя, так как это изменяет и обесценивает его свойства. Была предложена лучевая стерилизация. Однако, чтобы убить все дрожжевые организмы, потребовались очень высокие дозы облучения - до миллионов рад - что было и дорого и ухудшало качество сока. Решить вопрос удалось, используя явление синергизма - усиление эффекта при одновременном действии тепла и радиации. Только прогрев до 500 С не изменял его свойств, но зато повышал радиочувствительность дрожжевых клеток. Облучение при этой температуре уже при дозах 200-300 крад приводило к стерилизации сока, после чего сок хранился в течение нескольких месяцев, не теряя свойств натурального свежего напитка.

Еще один пример, где синергизм помог бы разрешить большие хозяйственно важные проблемы. Имеется в виду задача обеззараживания отходов больших животноводческих хозяйств. Это сложная проблема, если учесть, что только одно крупное хозяйство (на 100 тыс. голов) дает ежедневно около 3000 т отходов. Были предложены химические и радиационные методы обеззараживания. Однако и те и другие оказались нерентабельными из-за необходимости использовать большие количества химикатов для получения высоких доз облучения. Используя явление синергизма и здесь удалось наметить пути решения вопроса. Значительное усиление эффекта при одновременном действии химиката и радиации позволило резко снизить мощность и дозу облучения при затрате небольших количеств химикатов.

Все живое на Земле подвержено влиянию множества химических и физических факторов, которые действуют одновременно с радиацией. Каковы будут последствия одновременного действия ионизирующей радиации и радиоволн различных диапазонов, ультрафиолетовых и инфракрасных излучений? Как будет влиять радиация в жарком климате на экваторе и при низких температурах Крайнего Севера? Будет ли проявляться синергизм в мутагенном действии радиации при одновременном воздействии химических мутагенов, с каждым днем все более загрязняющих окружающих нас среду? Как скажется действие малых доз радиации в условиях крупных промышленных городов, в которых воздух загрязнен выхлопными газами автомобилей, окислами азота и серы химических заводов? Сейчас нет данных для исчерпывающего ответа на подобные вопросы, но все, что мы знаем о явлении синергизма, заставляет со всей серьезностью отнестись к ним и развернуть исследования в этом направлении.

В условиях постоянного действия малых доз радиации возникла и эволюционировала жизнь на нашей планете. Эпидемиологические и сравнительно-биологические исследования населения, животных, растений и микроорганизмов в районах с повышенным фоном естественной радиоактивности, несомненно, должны быть расширены. Они обогащают наши знания о результатах длительного действия малых доз ионизирующей радиации на биосферу. Решение вопроса о приспособлении организмов к повышенным уровням облучения, о стимулирующих, благоприятных влияниях малых доз радиации на существование популяций представляет огромный интерес, так же как и установление минимальных уровней, угнетающих, снижающих жизненные показатели популяций.

Все это - увлекательные и важные задачи для научного поиска и постановки новых экспериментов, для раздумий и размышлений. Это задачи, которые призваны решать отряды молодых ученых, заинтересовавшихся областью "невидимых лучей" вокруг нас - областью, исследуемой радиобиологией. Решение этих задач очень важно для всего человечества в настоящем и будущем.

Список литературы

1. Барабой В.А., Киричинский Б.Р. Ядерные излучения и жизнь. - М. 1972

2. Гродзенский Д.Э. Радиобиология. Биологическое действие ионизирующих излучений. - М 1963

3. Жербин Е.А, Комар В.Е, Хаксон К.П. Радиация, молекулы и клетки. - М. 1984

4. Кузин А.М. Невидимые лучи вокруг нас. - М: Наука. 1980

5. Кудрицкий Ю.К. Радиоактивность и жизнь. - Ленинград.1971

6. Писаревский А.Н, Габрилович И.М, Мережинский В.М. и др. Введение в радиационную биофизику. - Минск. 1968