Основное действие всех ионизирующих излучений на организм сводится к ионизации тканей тех органов и систем, которые подвергаются их облучению. Приобретенные в результате этого заряды являются причиной возникновения несвойственных для нормального состояния окислительных реакций в клетках, которые, в свою очередь, вызывают ряд ответных реакций. Таким образом, в облучаемых тканях живого организма происходит серия цепных реакций, нарушающих нормальное функциональное состояние отдельных органов, систем и организма в целом. Есть предположение, что в результате таких реакций в тканях организма образуются вредные для здоровья продукты -- токсины, которые и оказывают неблагоприятное влияние.
При работе с продуктами, обладающими ионизирующими излучениями, пути воздействия последних могут быть двоякими: посредством внешнего и внутреннего облучения. Внешнее облучение может иметь место при работах на ускорителях, рентгеновских аппаратах и других установках, излучающих нейтроны и рентгеновские лучи, а также при работах с закрытыми радиоактивными источниками, то есть радиоактивными элементами, запаянными в стеклянные или другие глухие ампулы, если последние остаются неповрежденными. Источники бетта- и гамма-излучений могут представлять опасность как внешнего, так и внутреннего облучения. aльфа-излучения практически представляют опасность лишь при внутреннем облучении, так как вследствие весьма малой проникающей способности и малого пробега альфа-частиц в воздушной среде незначительное удаление от источника излучения или небольшое экранирование устраняют опасность внешнего облучения.
При внешнем облучении лучами со значительной проникающей способностью ионизация происходит не только на облучаемой поверхности кожных и других покровов, но и в более глубоких тканях, органах и системах. Период непосредственного внешнего воздействия ионизирующих излучений -- экспозиция -- определяется временем облучения.
Внутреннее облучение происходит при попадании радиоактивных веществ внутрь организма, что может произойти при вдыхании паров, газов и аэрозолей радиоактивных веществ, занесении.их в пищеварительный тракт или попадании в ток крови (в случаях загрязнения ими поврежденных кожи и слизистых). Внутреннее облучение более опасно, так как, во-первых, при непосредственном контакте с тканями даже излучения незначительных энергий и с минимальной проникающей способностью все же оказывают действие на эти ткани; во-вторых, при нахождении радиоактивного вещества в организме продолжительность его воздействия (экспозиция), не ограничивается временем непосредственной работы с источниками, а продолжается непрерывна до его полного распада или выведения из организма. Кроме того, при попадании внутрь некоторые радиоактивные вещества, обладая определенными токсическими свойствами, кроме ионизации, оказывают местное или общее токсическое действие (см. «Вредные химические вещества»).
В организме радиоактивные вещества, как и все остальные продукты, разносятся кровотоком по всем органам и системам, после чего частично выводятся из организма через выделительные системы (желудочно-кишечный тракт, почки, потовые и молочные железы и др.), а некоторая их часть отлагается в определенных органах и системах, оказывая на них преимущественное, более выраженное действие. Некоторые же радиоактивные вещества (например, натрий -- Na24) распределяются по всему организму относительно равномерно. Преимущественное отложение различных веществ в тех или иных органах и системах определяется их физико-химическими свойствами и функциями этих органов и систем.
Комплекс стойких изменений в организме под воздействием ионизирующих излучений называется лучевой болезнью. Лучевая болезнь может развиться как вследствие хронического воздействия ионизирующих излучений, так и при кратковременном облучении значительными дозами. Она характеризуется главным образом изменениями со стороны центральной нервной системы (подавленное состояние, головокружение, тошнота, общая слабость и др.), крови и кроветворных органов, кровеносных сосудов (кровоподтеки вследствие ломкости сосудов), желез внутренней секреции.
В результате длительных воздействий значительных доз ионизирующего излучения могут развиваться злокачественные новообразования различных органов и тканей, которые: являются отдаленными последствиями этого воздействия. К числу последних можно отнести также понижение сопротивляемости организма различным инфекционным и другим заболеваниям, неблагоприятное влияние на детородную функцию и другие.
Радиоактивные вещества (РВ) могут проникать в организм тремя путями: с вдыхаемым воздухом, через желудочно-кишечный тракт (с пищей и водой), через кожу. Человек получает облучение не только снаружи, но и через внутренние органы. РВ проникают в молекулы внутренних органов, особенно костной ткани и мышц. Концентрируясь в них, РВ продолжают облучать и повреждать организм изнутри.
Радиационный риск — вероятность возникновения у человека или его потомства какого-либо вредного эффекта в результате облучения.
Ионизирующая радиация при воздействии на организм человека может вызывать неблагоприятные эффекты двух видов:
Детерминированные (лучевая болезнь, лучевой дерматит, лучевая катаракта, лучевое бесплодие, аномалии в развитии плода и др.). Предполагается существование дозового порога, ниже которого эффект отсутствует, а выше которого тяжесть эффекта зависит от дозы;
Стохастические вероятностные беспороговые вредные биологические эффекты (злокачественные опухоли, лейкозы, наследственные болезни), не имеющие дозового порога возникновения. Тяжесть их проявления не зависит от дозы. Период возникновения этих эффектов у облученного человека составляет от 2 до 50 лет и более.
Биологическое действие ионизирующих излучений связано с образованием новых, не свойственных для организма соединений, нарушающих деятельность как отдельных функций, так и целых систем организма. Частично идут процессы восстановления структур организма. От интенсивности этих процессов зависит общий результат восстановления. С увеличением мощности излучения значимость процессов восстановления уменьшается.
Различают генетические (наследственные) и соматические (телесные) вредные эффекты.
Генетические эффекты связаны с изменением генного аппарата под действием ионизирующих излучений. Последствиями этого являются мутации (появления у облученных людей потомства с иными признаками, часто с врожденными уродствами).
Генетические эффекты имеют длительный скрытый период (десятки лет после облучения). Такая опасность существует даже при очень слабом облучении, которое, хотя и не разрушает клетки, но способно изменить наследственные свойства.
Соматические эффекты всегда начинаются с определенной пороговой дозы. При дозах, меньших, чем пороговые, повреждения организма не происходит. К соматическим эффектам относят местные повреждения кожи (лучевой ожог), катаракту глаз (помутнение хрусталика), повреждение половых органов (кратковременная или постоянная стерилизация). Организм способен преодолевать многие соматические последствия облучения.
Степень лучевого поражения в значительной мере зависит от размеров облучаемой поверхности, от того, подвергалось ли облучению все тело или только часть его. С ее сокращением уменьшается и биологический эффект.
Длительное облучение малыми дозами (хроническое) в рабочей среде может привести к развитию хронической лучевой болезни. Наиболее характерными признаками хронической лучевой болезни являются изменения формулы крови, локальные поражения кожи, поражения хрусталика, пневмосклероз, снижение иммунитета. Способность вызывать отдаленные последствия — одно из коварных свойств ионизирующего излучения.
Первичным физическим актом взаимодействия ионизирующего излучения с биологическим объектом является ионизация. Именно через ионизацию происходит передача энергии объекту.
Известно, что в биологической ткани 60-70 % по массе составляет вода. В результате ионизации молекулы воды образуют свободные радикалы Н- и ОН-. В присутствии кислорода образуется также свободный радикал гидроперекиси (H2O-) и перекись водорода (H2O), являющиеся сильными окислителями..
Получающиеся в процессе радиолиза воды свободные радикалы и окислители, обладая высокой химической активностью, вступают в химические реакции с молекулами белков, ферментов и других структурных элементов биологической ткани, что приводит к изменению биологических процессов в организме. В результате нарушаются обменные процессы, подавляется активность ферментных систем, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму -- токсины. Это приводит к нарушениям жизнедеятельности отдельных функций или систем организма в целом. В зависимости от величины поглощенной дозы и индивидуальных особенностей организма, вызванные изменения могут быть обратимыми или необратимыми.
Некоторые радиоактивные вещества накапливаются в отдельных внутренних органах. Например, источники альфа -- излучения (радий, уран, плутоний), бета -- излучения (стронций и иттрий) и гамма-излучения (цирконий) отлагаются в костных тканях. Все эти вещества трудно выводятся из организма.
Особенности воздействия ионизирующего излучения при действии на живой организм
При изучении действия излучения на организм были определены следующие особенности:
Высокая эффективность поглощенной энергии. Малые количества поглощенной энергии излучения могут вызвать глубокие биологические изменения в организме;
· наличие скрытого, или инкубационного, проявления действия ионизирующего излучения. Этот период часто называют периодом мнимого благополучия. Продолжительность его сокращается при облучении большими дозами;
· действие от малых доз может суммироваться или накапливаться. Этот эффект называется кумуляцией;
· излучение воздействует не только на данный живой организм, но и на его потомство. Это так называемый генетический эффект;
· различные органы живого организма имеют свою чувствительность к облучению. При ежедневном воздействии дозы 0.02-0.05 Р уже наступают изменения в крови;
· не каждый организм в целом одинаково реагирует на облучение.
· облучение зависит от частоты. Одноразовое облучение в большой дозе вызывает более глубокие последствия, чем фракционирование.
В результате воздействия ионизирующего излучения на организм человека в тканях могут происходить сложные физические, химические и биологические процессы.
Известно, что две трети общего состава ткани человека составляют вода и углерод. Вода под воздействием ионизирующего излучения расщепляется на Н и ОН, которые либо непосредственно, либо через цепь вторичных превращений образуют продукты с высокой химической активностью: гидратный окисел НО2 и перекись водорода Н2О2. Эти соединения взаимодействуют с молекулами органического вещества ткани, окисляя и разрушая ее.
В результате воздействия ионизирующего излучения нарушается нормальное течение биохимических процессов и обмен в организме.
Поглощенная доза излучения, вызывающая поражение отдельных частей тела, а затем смерть, превышает смертельную поглощенную дозу облучения всего тела. Смертельные поглощенные дозы для всего тела следующие: голова -- 2 000 рад, нижняя часть живота -- 5 000 рад, грудная клетка -- 10 000 рад, конечности -- 20 000 рад.
Степень чувствительности различных тканей к облучению неодинакова. Если рассматривать ткани органов в порядке уменьшения их чувствительности к действию излучения, то получим следующую последовательность: лимфатическая ткань, лимфатические узлы, селезенка, зобная железа, костный мозг, зародышевые клетки.
Большая чувствительность кроветворных органов к радиации лежит в основе определения характера лучевой болезни. При однократном облучении всего тела человека поглощенной дозой 50 рад через день после облучения может резко сократиться число лимфоцитов, уменьшится также и количество эритроцитов (красных кровяных телец) по истечению двух недель после облучения. У здорового человека насчитывается порядка 1014 красных кровяных телец при ежедневном воспроизводстве 1012, а у больного такое соотношение нарушается.
Важным фактором при воздействии ионизирующего излучения на организм является время облучения. С увеличением мощности дозы поражающее действие излучения возрастает. Чем более дробно излучение по времени, тем меньше его поражающее действие.
Биологическая эффективность каждого вида ионизирующего излучения находится в зависимости от удельной ионизации. Так, например, a -- частицы с энергией 3 мэв образуют 40 000 пар ионов на одном миллиметре пути, b -- частицы с такой же энергией -- до четырех пар ионов. Альфа- частицы проникают через верхний покров кожи до глубины до 40 мм, бета- частицы -- до 0.13 см.
Наружное облучение a, b -- излучениями менее опасно, т. к. a и b -- частицы имеют небольшую величину пробега в ткани и не достигают кроветворных и других органов.
Степень поражения организма зависит от размера облучаемой поверхности. С уменьшением облучаемой поверхности уменьшается и биологический эффект. Так при облучении фотонами поглощенной дозой 450 рад участка тела площадью 6 см2 заметного поражения организма не наблюдалось, а при облучении такой же дозой всего тела было 50% смертельных случаев.
Индивидуальные особенности организма человека проявляются лишь при небольших поглощенных дозах.
Чем моложе человек, тем выше его чувствительность к облучению, особенно высока она у детей. Взрослый человек в возрасте 25 лет и старше наиболее устойчив к облучению.
Есть ряд профессий, где существует большая вероятность облучения. При некоторых чрезвычайных обстоятельствах (например, взрыв на АЭС) облучению может подвергнуться население, живущее на определенных территориях. Не известны вещества, способные полностью защитить, но есть частично защищающие организм от излучения. К ним относятся, например, азид и цианид натрия, вещества, содержащие сульфогидридные группы и т.д. Они входят в состав радиопротекторов.
Радиопротекторы частично предотвращают возникновение химически активных радикалов, которые образуются под воздействием излучения. Механизмы действия радиопротекторов различны. Одни из них вступают в химическую реакцию с попадающими в организм радиоактивными изотопами и нейтрализуют их, образуя нейтральные вещества, легко выводимые из организма. Другие имеют отличный механизм. Одни радиопротекторы действуют в течение короткого промежутка времени, время действия других более длительное. Существует несколько разновидностей радиопротекторов: таблетки, порошки и растворы.
При попадании радиоактивных веществ внутрь организма поражающее действие оказывают в основном a -- источники, а затем b -- и g -- источники, т.е. в обратной наружному облучению последовательности. Альфа- частицы, имеющие плотность ионизации, разрушают слизистую оболочку, которая является слабой защитой внутренних органов по сравнению с наружным покровом.
Попадание твердых частиц в дыхательные органы зависит от степени дискретности частиц. Частицы размером меньше 0.1 мкм при входе вместе с воздухом попадают в легкие, а при выходе удаляются. В легких остается только небольшая часть. Крупные частицы размером больше 5 мкм почти все задерживаются носовой полостью.
Степень опасности зависит также от скорости выведения вещества из организма. Если радионуклиды, попавшие внутрь организма однотипны с элементами, которые потребляются человеком, то они не задерживаются на длительное время в организме, а выделяются вместе с ними (натрий, хлор, калий и другие).
Инертные радиоактивные газы (аргон, ксенон, криптон и другие) не являются входящими в состав ткани. Поэтому они со временем полностью удаляются из организма.
Некоторые радиоактивные вещества, попадая в организм, распределяются в нем более или мене равномерно, другие концентрируются в отдельных внутренних органах. Так в костных тканях отлагаются такие источники a -- излучений, как радий, уран и плутоний. Стронций и иттрий, которые являются источниками b -- излучения, и цирконий -- источник g -- излучения тоже отлагаются в костных тканях. Эти элементы, химически связанные с костной тканью, очень трудно выводятся из организма.
Продолжительное время удерживаются в организме также элементы с большим атомным номером (полоний, уран и др.). Элементы, образующие в организме легкорастворимые соли и накапливаемые в мягких тканях, легко удаляются из организма.
На скорость выведения радиоактивного вещества большое влияние оказывает период полураспада данного радиоактивного вещества Т. Если обозначить Тб период биологического полувыведения радиоактивного изотопа из организма, то эффективный период полураспада, учитывающий радиоактивный распад и биологическое выведение, выразится формулой:
Тэф = Т *Тб / (Т + Тб)
Основные особенности биологического действия ионизирующего излучения следующие:
· действие ионизирующего излучения на организм не ощутимо человеком. Поэтому это опасно. Дозиметрические приборы являются как бы дополнительным органом чувств, предназначенным для восприятия ионизирующего излучения;
· видимые поражения кожного покрова, недомогание, характерные для лучевого заболевания, появляются не сразу, а спустя некоторое время; суммирование доз происходит скрыто. Если в организм человека систематически будут попадать радиоактивные вещества, то со временем дозы суммируются, что неизбежно приводит к лучевым болезням.
Ионизирующее излучение - это любое излучение, вызывающее ионизацию среды, т.е. протекание электрических токов в этой среде, в том числе и в организме человека, что часто приводит к разрушению клеток, изменению состава крови, ожогам и другим тяжелым последствиям.
Источники ионизирующих излучений
Источниками ионизирующих излученийявляются радиоактивные элементы и их изотопы , ядерные реакторы , ускорители заряженных частиц и др. Рентгеновские установки и высоковольтные источники постоянного тока относятся к источникам рентгеновского излучения . Здесь следует отметить, что при нормальном режиме их эксплуатации радиационная опасность незначительна. Она наступает при возникновении аварийного режима и может долго проявлять себя при радиоактивном заражении местности.
Существенную часть облучения население получает от естественных источников радиации: из космоса и от радиоактивных веществ, находящихся в земной коре. Наиболее весомым из этой группы является радиоактивный газ радон, залегающий практически во всех грунтах и постоянно выделяющийся на поверхность, а главное, проникающий в производственные и жилые помещения. Он почти не проявляет себя, так как не имеет запаха и бесцветен, что затрудняет его обнаружение.
Ионизирующие излучения разделяются на два вида: электромагнитное (гамма-излучение и рентгеновское излучение) и корпускулярное, представляющее собой a- и β-частицы, нейтроны и др.
Виды ионизирующих излучений
Ионизирующими называют излучения, взаимодействие которых со средой приводит к образованию ионов различных знаков. Источники этих излучений широко используются в атомной энергетике, технике, химии, медицине, сельском хозяйстве и т. п. Работа с радиоактивными веществами и источниками ионизирующих излучений представляет потенциальную угрозу здоровью и жизни людей, которые участвуют в их использовании.
К ионизирующим относятся два вида излучений:
1) корпускулярное (α- и β-излучения, нейтронное излучение);
2) электромагнитное (γ-излучение и рентгеновское).
Альфа-излучение - это поток ядер атомов гелия, испускаемых веществом при радиоактивном распаде вещества или при ядерных реакциях. Значительная масса α-частиц ограничивает их скорость и увеличивает число столкновений в веществе, поэтому α-частицы обладают высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью. Пробег α-частиц в воздухе достигает 8÷9 см, а в живой ткани - несколько десятков микрометров. Это излучение не представляет опасности до тех пор, пока радиоактивные вещества, испускающие a- частицы, не попадут внутрь организма через рану, с пищей или вдыхаемым воздухом; тогда они становятся чрезвычайно опасными.
Бета -излучение - это поток электронов или позитронов, возникающих при радиоактивном распаде ядер. По сравнению с α-частицами β-частицы обладают значительно меньшей массой и меньшим зарядом, поэтому у β-частиц выше проникающая способность, чем у α-частиц, а ионизирующая способность ниже. Пробег β-частиц в воздухе составляет 18 м, в живой ткани - 2,5 см.
Нейтронное излучение - это поток ядерных частиц, не имеющих заряда, вылетающих из ядер атомов при некоторых ядерных реакциях, в частности при делении ядер урана и плутония. В зависимости от энергии различают медленные нейтроны (с энергией менее 1 кЭВ), нейтроны промежуточных энергий (от 1 до 500 кЭВ) и быстрые нейтроны (от 500 кэВ до 20 МэВ). При неупругом взаимодействии нейтронов с ядрами атомов среды возникает вторичное излучение, состоящее как из заряженных частиц, так и из γ-квантов. Проникающая способность нейтронов зависит от их энергии, но она существенно выше, чем у α-частиц или β-частиц. Для быстрых нейтронов длина пробега в воздухе составляет до 120 м, а в биологической ткани - 10 см.
Гамма-излучение представляет собой электромагнитное излучение, испускаемое при ядерных превращениях или взаимодействии частиц (10 20 ÷10 22 Гц). Гамма-излучение обладает малым ионизирующим действием, но большой проникающей способностью и распространяется со скоростью света. Оно свободно проходит через тело человека и другие материалы. Это излучение может задержать лишь толстая свинцовая или бетонная плита.
Рентгеновское излучение также представляет собой электромагнитное излучение, возникающее при торможении быстрых электронов в веществе (10 17 ÷10 20 Гц).
Понятие о нуклидах и радионуклидах
Ядра всех изотопов химических элементов образуют группу «нуклидов». Большинство нуклидов нестабильны, т.е. они все время превращаются в другие нуклиды. Например, атом урана-238 время от времени испускает два протона и два нейтрона (a-частицы). Уран превращается в торий-234, но торий также нестабилен. В конечном итоге эта цепочка превращений оканчивается стабильным нуклидом свинца.
Самопроизвольный распад нестабильного нуклида называется радиоактивным распадом, а сам такой нуклид - радионуклидом.
При каждом распаде высвобождается энергия, которая и передается дальше в виде излучения. Поэтому можно сказать, что в определенной степени испускание ядром частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов, - это a-излучение, испускание электрона - β-излучение, и, в некоторых случаях, возникает g-излучение.
Образование и рассеивание радионуклидов приводит к радиоактивному заражению воздуха, почвы, воды, что требует постоянного контроля их содержания и принятия мер по нейтрализации.
Степень воздействия ионизирующих излучении на организм человека зависит от дозы излучения, ее мощности, плотности ионизации излучения, вида облучения, продолжительности воздействия, индивидуальной чувствительности, физиологического состояния организма и др.Под влиянием ионизирующих излучений в живой ткани , как и в любой среде, поглощается энергия и возникают возбуждение и ионизация атомов облучаемого вещества. В результате возникают первичные физико-химические процессы в молекулах живых клеток и окружающего их субстрата и как следствие - нарушение функций целого организма.Первичные эффекты на клеточном уровне проявляются в виде расщепления молекулы белка, окисления их радикалами ОН и Н, разрыва наименее прочных связей, а также повреждения механизма митоза и хромосомного аппарата, блокирования процессов обновления и дифференцировки клеток.
Наиболее чувствительными к действию радиации являются клетки постоянно обновляющихся тканей и органов (костный мозг, половые железы, селезенка и др.).
Эти изменения на клеточном уровне и гибель клеток могут приводить к нарушению функций отдельных органов и систем, межорганных связей, нарушению нормальной жизнедеятельности организма и к его гибели.
Облучение организма может быть внешним , когда источник излучения находится вне организма, ивнутренним - при попадании радиоактивного вещества (радионуклидов) внутрь организма через пищеварительный тракт, органы дыхания и через кожу.
При внешнем облучении наиболее опасными являются гамма-, нейтронное и рентгеновское излучение. Альфа- и бета-частицы из-за их незначительной проникающей способности вызывают в основном кожные поражения.
Внутреннее облучение опасно тем, что оно вызывает на различных органах долго незаживающие язвы.Облучение людей ионизирующими излучениями может привести к соматическим, сомато-стохастическим и генетическим последствиям .
Соматические эффекты проявляются в виде острой или хронической лучевой болезни всего организма, а также в виде локальных лучевых повреждений.
Сомато-стохастические эффекты проявляются в виде сокращения продолжительности жизни, злокачественные изменения кровообразующих клеток (лейкозы), опухоли различных органов и клеток. Это отдаленные последствия.
Генетические эффекты проявляются в последующих поколениях в виде генных мутаций как результат действия облучения на половые клетки при уровнях дозы, не опасных данному индивиду.
Острая лучевая болезнь характеризуется цикличностью протекания со следующими периодами:
период первичной реакции;
скрытый период; период формирования болезни; восстановительный период; период отдаленных последствий и исходов заболевания.
Хроническая лучевая болезнь формируется постепенно при длительном и систематическом облучении дозами, превышающими допустимые при внешнем и внутреннем облучении.Хроническая болезнь может быть легкой (I ступень), средней (II ступень) и тяжелой (III ступень).
Первая ступень лучевой болезни проявляется в виде незначительной головной боли, вялости, слабости, нарушения сна и аппетита и др.
Средняя или вторая ступень характеризуется усилением указанных симптомов и нервно-регуляторных нарушений с появлением функциональной недостаточности пищеварительных желез, сердечно-сосудистой и нервной систем, нарушением некоторых обменных процессов, стойкой лейко- и тромбоцитопенией.
При тяжелой степени , кроме того, развивается анемия, появляется резкая лейко- и тромбопения, возникают атрофические процессы в слизистой желудочно-кишечного тракта и др. (изменения в центральной нервной системе, выпадение волос).
Отдаленные последствия лучевой болезни проявляются в повышенной предрасположенности организма к злокачественным опухолям и болезням кроветворной системы.
Опасность радионуклидов, попавших внутрь организма, обусловливается рядом причин , - способностью некоторых из них избирательно накапливаться в отдельных органах, увеличением времени облучения до выведения нуклида из органа и его радиоактивною распада, ростом опасности высокоионизирующих альфа-и бета-частиц, которые малоэффективны при внешнем облучении.
Критические органы подразделяют на три группы :
I- все тело, репродуктивные органы (гонады), красный костный мозг;
II - мышцы, щитовидная железа, жировая ткань, печень, почки, селезенка, желудочно-кишечный тракт, легкие, хрусталик глаза;
III- костная ткань, кожный покров, руки, предплечья, ступни ног.