Влияние ионизирующего излучения на вещество характеризуется поглощенной дозой – количеством энергии, переданным единице массы вещества. В системе СИ единицей поглощенной дозы служит грей (Гр) – доза, при которой 1кг вещества передается энергия 1Дж. Иногда используют внесистемную единицу – рад: 1рад=100эрг/г=10-2Гр. Поглощенная доза ионизирующего излучения является основной физической величиной, определяющей степень радиационного воздействия, т.е. мерой ожидаемых последствий облучения объектов живой и неживой природы. Поглощенная доза характеризует не само излучение, а его воздействие на среду.
Однако, для изучения влияния радиации на живые организмы этих единиц недостаточно, поскольку такое влияние зависит не только от плотности поглощенной энергии, но и от ее распределения в пространстве, точнее – от энергии, переданной частицами на единице длины их пробега. Для альфа-частиц, например, она в 20 раз выше, чем для гамма-квантов, и поэтому, при одинаковой поглощенной дозе облучение этими частицами примерно в 20 раз опаснее гамма-облучения. Чтобы учесть это, вводится понятие эквивалентной дозы, равной произведению поглощенной дозы на коэффициент качества k, который характеризует действие данного вида радиации на живые организмы. Коэффициент качества показывает, во сколько раз ожидаемый биологический эффект больше, чем для излучения с ЛПЭ=3,5кэВ на 1мкм пути в воде. (ЛПЭ (линейная передача энергии) вдоль пути пробега ионизирующей частицы характеризует потерю энергии заряженных частиц на единицу пути вследствие ионизации и возбуждения.) Единица эквивалентной дозы в системе СИ – зиверт (Зв). Внесистемная единица: бэр – биологический эквивалент рентгена; 1Зв=100бэр.
Характерные значения дозы облучения:
1,0мбэр – одна тысячная доля бэр;
2,5бэр – доза космического облучения пассажира гражданского самолета, которую он получает за время перелета в одну сторону от Москвы до Новосибирска;
10мбэр – одно медицинское обследование грудной клетки с использованием современного флюорографического оборудования;
10—40мбэр – средняя доза, полученная среднестатистическим жителем, проживающем в зоне влияния ПО «Маяк» от всех факторов внешнего и внутреннего техногенного облучения за 1995 год.
30мбэр – среднегодовая доза облучения, обусловленная космическим излучением на равнинной части территории России;
60-80мбэр – среднегодовая доза облучения, обусловленная космическим излучением для людей, живущих в горной местности;
80мбэр – средняя годовая доза для граждан США от искусственных источников радиоактивного излучения;
160мбэр – средняя годовая доза, получаемая экипажами гражданских самолетов от космического излучения;
300мбэр – средняя годовая доза населения от всех источников естественного радиоактивного облучения;
500мбэр – предельно допустимая годовая доза облучения для ограниченной части населения;
5000мбэр – предельно допустимая годовая доза облучения для персонала работников атомной промышленности.
Естественная радиоактивность
Биосфера Земли постоянно подвергается действию ионизирующего излучения, в том числе космического, альфа-, бета- и гамма-излучения многочисленных радионуклидов, рассеянных в земных породах, воде подземных источников, рек, морей и океанов, в воздухе, а также входящих в состав живых организмов. Совокупность этих видов ионизирующего излучения получила название природного или естественного радиоактивного фона.
Космическое излучение
Космическое излучение (космические лучи) было открыто в 1912г. австрийским физиком В. Гессом, установившим, что ионизация воздуха на большой высоте превышает таковую на уровне моря. Он предположил, что причиной этого являются лучи внеземного происхождения. Космическое излучение представляет собой поток элементарных частиц очень высокой энергии (1010-1020эВ и выше), попадающих на Землю из мирового пространства. В атмосфере Земли эти частицы (первичное космическое излучение – ПКИ), взаимодействуя с ядрами ее атомов, в столкновениях с ними теряют свою большую энергию, и порождают новую группу элементарных частиц, также обладающих высокой энергией и скоростью (вторичное космическое излучение - ВКИ).
ПКИ в основном состоит из быстрых протонов, альфа-частиц и небольшого количества ядер углерода, азота, кислорода и более тяжелых ядер. За пределами земной атмосферы в его состав входят также электроны, нейтроны, и, возможно, гамма-лучи. Значительная часть этих частиц задерживается атмосферой и не достигает земной поверхности. Высокоэнергетичные частицы ПКИ, проникая в верхние слои атмосферы, воздействуют на ядра атомов составляющих ее элементов, вызывая ядерные реакции с образованием таких радионуклидов как тритий, бериллий-7,10, натрий –22,23. При этих реакциях возникают высокоэнергетичные протоны, пионы и каоны, в свою очередь вызывающие ядерные реакции. Нейтроны, теряя свою энергию, частично захватываются атомами азота воздуха, образуя радиоактивный изотоп углерод-14. Потоки этих частиц образуют так называемые космические ливни, составляющие вторичное космическое излучение, проникающее уже в нижние слои атмосферы и облучающее биосферу.
ВКИ состоит из «мягкой» (позитроны, фотоны) и «жесткой» (m-мезоны) компонент. Мощность ВКИ у земной поверхности неравномерна: чем выше она расположена над уровнем моря, тем меньше слой экранирующей атмосферы и, соответственно, выше мощность ВКИ. Это явление получило название барометрического эффекта.
Космогенные радионуклиды
Небольшой вклад в облучение биосферы вносят космогенные радионуклиды – тритий, углерод-14, бериллий-7 и натрий-22. Тритий превращается в тритированную воду, с осадками выпадает на земную поверхность и участвует в круговороте воды. Концентрация трития в тканях живых организмов – в среднем 0,4Бк/кг. Углерод-14 окисляется и через фотосинтез вместе с обычным углекислым газом вовлекается в биотический круговорот. Средняя концентрация углерода-14 в тканях растений и животных составляет 27Бк/кг. Бериллий-7 поступает с дождевой водой в растения, с зелеными овощами – в организм животных и человека в количестве 50Бк/год.
Земная радиация
Основные радиоактивные изотопы, встречающиеся в горных породах, -калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств берут начало соответственно от урана-238 и тория-232 – долгоживущих изотопов, входящих в состав Земли с момента ее возникновения.
Калий-40 (1,3 млн. лет) – долгоживущий радионуклид; усваивается любым организмом без изменения изотопного состава. Его средняя концентрация в различных органах и тканях человека 20-120Бк/кг. Как правило, он является основным естественным бета - излучателем, содержащимся в теле любого представителя флоры и фауны.
Рубидий-87 (61 млрд. лет) – радионуклид с мягким бета - излучением (с энергией 0,275МэВ); распространен в окружающей среде в микроколичествах.
Торий-232 (14 млрд. лет) является альфа – излучателем (с энергией 3,95-4,05МэВ), однако в зонах его распространения естественный радиоактивный фон повышается за счет электронов (с энергией 0,2 – 2,6МэВ), испускаемых дочерними продуктами распада.
Радиобиология – комплексная научная дисциплина, изучающая действие ионизирующего излучения на биологические системы разных уровней организации. Объектами радиобиологических исследований являются макромолекулы, вирусы, простейшие, клеточные, тканевые и органные культуры, многоклеточные растительные и животные организмы, человек.
Известно, что дозы излучения, приводящие к заболеванию или смерти различных организмов, различны. Т.е. можно сказать, что каждому биологическому виду свойственна своя мера чувствительности к действию ионизирующей радиации, своя радиочувствительность. Примером крайне низкой радиочувствительности служат бактерии, обнаруженные в канале ядерного реактора. В этих условиях бактерии не только не погибали, но и размножались.
В качестве интегрального критерия радиочувствительности наиболее часто используют величину ЛД50 (летальная доза) – доза, облучение в которой вызывает 50%-ную гибель биообъектов. Величины ЛД50 в природе различаются довольно значительно даже в пределах одного вида. Кроме того, даже в одном организме различные ткани и клетки значительно различаются по радиочувствительности, и наряду с чувствительными (костный мозг, лимфоидная ткань, эпителий слизистой тонкого кишечника) имеются относительно устойчивые ткани (мышечная, нервная, костная). Величина радиочувствительности подчиняется следующему закону: чувствительность клеток к излучению прямо зависит от их способности к размножению в данный момент времени.
Ядро клетки более радиочувствительно по сравнению с цитоплазмой. Прямые доказательства этого факта были получены в опытах с прицельным облучением ядра. Оказалось, что попадание уже одной a-частицы в ядро оплодотворенного яйца насекомого вызывает гибель зародыша, тогда как при прохождении частиц через цитоплазму для достижения такого же эффекта необходимо 15млн a-частиц. В опытах на амебах с помощью микрохирургического метода было показано, что пересадка ядер клеток, облученных в дозе 15000рад, в необлученные клетки вызывает такой же эффект (5%-ю выживаемость). Если же облучению подвергали цитоплазму даже в дозе 25000рад, после чего в нее трансплантировали необлученное ядро, то эффекта не наблюдалось: все 100% амеб делились и давали жизнеспособное потомство.
Внутриядерной структурой, ответственной за жизнеспособность клетки, является ДНК. Известно, что ДНК, уложенная в ядрах, представляет собой вещество наследственности, в ее цепях записана огромная по объему генетическая информация. Облучение вызывает различные повреждения ДНК и ее комплексов. К их числу относятся разрывы молекул ДНК, сшивки ДНК-ДНК, ДНК-белок, потеря оснований, изменение состава оснований. Разрывы цепей ДНК являются основной причиной гибели делящихся клеток. В клетке существует система репарации наследственного материала, которая исправляет часть разрывов ДНК, удаляет измененные участки генетического текста, однако не всегда полностью «излечивает молекулу ДНК».