§ 33. Дія радіоактивного випромінювання. Природний радіаційний фон

• Назад до змісту

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ

1. Розгляньте рис. 33.1. Які зміни відбуваються з атомом (молекулою) внаслідок дії радіоактивного випромінювання? Чому це випромінювання називають йонізуючим? На заставці до § 33 ви бачите дозиметр. Для чого, на вашу думку, він призначений? Люди якої професії мають обов’язково використовувати цей прилад? Чому?

Під час проходження крізь речовину частинка або квант радіоактивного випромінювання передає частину своєї енергії атому, внаслідок чого один або кілька електронів відриваються від нього. Нейтральний атом втрачає негативний заряд і перетворюється на позитивний йон. Оскільки це випромінювання має достатню енергію для розриву хімічних зв’язків та утворення вільних йонів із нейтральних частинок, його називають йонізуючим.

Дозиметр призначений для вимірювання дози або потужності дози йонізуючого випромінювання, отриманого людиною чи приладом за певний час на досліджуваній території. Цей пристрій є обов’язковим для працівників атомних електростанцій, рентгенологів у лікарнях, фахівців радіологічних лабораторій, рятувальників ДСНС і військових, які ліквідують радіаційні аварії чи працюють у зонах відчуження. Їм необхідно постійно контролювати рівень опромінення, щоб не перевищити безпечну норму для життя і здоров’я.

2. Йонізуюче випромінювання, як і сонячне, може викликати опіки шкіри. Поміркуйте, чи є щось спільне в причинах виникнення цих опіків.

Спільним є те, що в обох випадках тканини поглинають високоенергетичне електромагнітне випромінювання (ультрафіолетове у випадку сонця або гамма- і рентгенівське за радіації). Це випромінювання передає високу енергію клітинам шкіри, руйнує хімічні зв’язки в молекулах білків і нуклеїнових кислот та викликає масову загибель клітин зовнішнього шару, що зовні проявляється як запалення, почервоніння або опік.

3. Хто, на вашу думку, має рацію в дискусії Зоряни та Тараса? Наведіть свої приклади шкідливого впливу зовнішнього та внутрішнього опромінення.

Рацію мають обоє учнів, оскільки небезпека випромінювання залежить від його природи та умов опромінення. Зоряна правильно вказує на небезпеку зовнішнього опромінення від потужних джерел: наприклад, при тривалому контакті з радієм або рентгенівською трубкою людина може отримати серйозні променеві опіки шкіри та ураження очей (катаракту) навіть без потрапляння речовини всередину.

Тарас абсолютно правий щодо тривалості та підступності внутрішнього опромінення. Якщо радіонукліди (наприклад, пил з ізотопами йоду-131 чи стронцію-90) потрапляють всередину організму з їжею, водою або повітрям, вони вбудовуються в кістки чи щитоподібну залозу. У такому разі навіть короткопробіжне, але надзвичайно руйнівне альфа-випромінювання постійно діє на найближчі живі клітини зсередини, і від нього вже неможливо захиститися жодним одягом чи свинцевим екраном.

4. Доза 5700 зівертів знищує 50 % тихоходів, тоді як для людини смертельною є доза 5 зівертів. Про яку фізичну величину йдеться?

У цьому повідомленні йдеться про еквівалентну дозу йонізуючого випромінювання ($H$), одиницею вимірювання якої в системі СІ є зіверт ($\text{Зв}$). Ця величина показує сумарний біологічний вплив радіації на живий організм з урахуванням типу випромінювання.

5. Проаналізуйте рис. 33.2. Від яких джерел людина отримує найбільшу дозу радіації? Чи значним є вплив радіації, пов’язаної з розвитком атомної енергетики?

Згідно з діаграмою, найбільшу дозу радіації людина отримує від будівельних матеріалів ($1{,}4\text{ мЗв}$ на рік), медичних досліджень ($1{,}4\text{ мЗв}$) та природного внутрішнього опромінення ($1{,}35\text{ мЗв}$), що в сумі становить понад $80\%$ річної дози.

Вплив атомної енергетики під час нормальної роботи станцій є мізерним і становить лише $0{,}002\text{ мЗв}$ на рік. Це в сотні разів менше за дозу від космічного проміння чи природного ґрунту і навіть менше, ніж випромінювання від звичайних моніторів та телевізорів ($0{,}001\text{ мЗв}$).

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. У чому виявляється біологічна дія радіації?

Біологічна дія радіації виявляється в йонізації атомів і молекул живої тканини, що призводить до руйнування хімічних зв’язків у білках та молекулах ДНК. У результаті порушуються біохімічні процеси, сповільнюється або спотворюється поділ клітин, виникають небезпечні генетичні мутації, а за великих доз настає загибель клітин і тканин організму (розвивається променева хвороба).

2. Охарактеризуйте поглинуту й еквівалентну дози йонізуючого випромінювання.

Поглинута доза йонізуючого випромінювання ($D$) — це фізична величина, що дорівнює відношенню поглинутої речовиною енергії випромінювання $W$ до маси $m$ цієї речовини: $D = \dfrac{W}{m}$. Одиницею поглинутої дози в СІ є грей ($1\text{ Гр} = 1\text{ Дж/кг}$).

Еквівалентна доза йонізуючого випромінювання ($H$) характеризує біологічний вплив випромінювання на живий організм і дорівнює добутку поглинутої дози $D$ на коефіцієнт якості випромінювання $K$: $H = K \cdot D$. Одиницею еквівалентної дози в СІ є зіверт ($\text{Зв}$).

3. Якими є особливості впливу радіації? Чим зумовлена підвищена небезпека радіонуклідів, що потрапили в організм?

Основними особливостями дії радіації є висока чутливість клітин, що швидко діляться (найперше вражається червоний кістковий мозок і кровотворна система), підвищена вразливість молодих організмів та зародків, а також різна стійкість різних біологічних видів.

Підвищена небезпека радіонуклідів усередині тіла пояснюється тим, що джерело випромінювання контактує безпосередньо з клітинами внутрішніх органів без жодного захисного бар’єра. Крім того, небезпечні радіонукліди виводяться дуже повільно, що зумовлює тривале безперервне руйнування тканин найагресивнішими альфа- і бета-частинками.

4. Чому ви завжди зазнаєте впливу радіації?

Життя на планеті виникло та розвивається в умовах постійного опромінення з боку природного радіаційного фону. На людину неперервно діють космічні промені з космосу, радіоактивні елементи, що залягають у ґрунті й гірських породах Землі, будматеріали наших осель, а також природні радіонукліди калію-40 та вуглецю-14, які містяться всередині нашого власного організму.

5. Що таке радіаційний фон? Із яких компонентів він складається?

Радіаційний фон — це сумарне йонізуюче випромінювання земного та космічного походження, яке постійно діє на поверхню Землі та всі живі організми. Він складається з космічного випромінювання, природного випромінювання гірських порід і надр Землі, а також штучного (техногенного) випромінювання, пов’язаного з діяльністю людини.

6. Назвіть джерела радіаційного фону Землі.

До природних джерел належать космічні промені, гірські породи (граніт, уран, торій), радіоактивний газ радон у повітрі, вода та харчові продукти з природними радіоактивними домішками, а також радіонукліди в тканинах самої людини (калій-40, радій-226, вуглець-14). До техногенних джерел відносять будівельні матеріали, медичні рентгенологічні діагностичні процедури, випробування ядерної зброї в минулому та викиди підприємств енергетики.

7. Для чого призначені дозиметри?

Дозиметри призначені для виявлення рівня радіоактивного випромінювання та вимірювання дози або потужності еквівалентної дози, яку людина чи навколишнє середовище отримує за певний проміжок часу. Вони дають змогу вчасно зафіксувати радіаційну небезпеку на робочих місцях, у будівлях чи на місцевості та захистити здоров’я людей від переопромінення.

ВПРАВА № 33

1. Ви перебуваєте поблизу джерела $\alpha$-випромінювання. Що краще надіти — захисний одяг чи маску? Чому?

Найкраще надіти респіратор або захисну маску. Альфа-частинки мають дуже малу проникну здатність у повітрі (лише кілька сантиметрів) і повністю затримуються навіть звичайним одягом або тонким шаром відмерлих клітин шкіри, тому зовнішнє альфа-опромінення для людини є безпечним.

Проте потрапляння радіоактивного пилу з альфа-випромінювачем всередину організму через органи дихання є надзвичайно смертоносним: коефіцієнт якості $\alpha$-частинок дорівнює $20$, і потрапивши на вологі клітини легень, вони завдають непоправних біологічних руйнувань тканинам. Маска якраз і захищає дихальні шляхи від внутрішнього зараження.

2. Під час рентгенівського дослідження ви отримуєте в сотні разів менше енергії, ніж від ковтка гарячого чаю внаслідок його остигання до температури вашого тіла. Чому ж тоді гарячий чай ви можете безпечно пити кілька разів на день, а рентгенівські дослідження рекомендують проходити не частіше, ніж двічі на рік?

Вся справа в різному механізмі взаємодії енергії з речовиною. Теплова енергія гарячого чаю рівномірно розподіляється між квадрильйонами молекул у вигляді їхнього повільного теплового руху, не порушуючи їхню внутрішню будову та швидко розсіюючись по тілу без небезпечних наслідків.

Рентгенівське випромінювання надходить порціями високої енергії (квантами), кожна з яких здатна вибити електрони, зруйнувати молекулу білка чи розірвати ланцюг ДНК живої клітини. Тому йонізаційна дія навіть крихітної енергії рентгенівських променів призводить до мутацій і загибелі клітин, що робить часті обстеження небезпечними для організму.

3. Унаслідок зовнішнього опромінення співробітник лабораторії щосекунди отримує поглинуту дозу йонізуючого випромінювання $2 \cdot 10^{-9}\text{ Гр}$. Яку поглинуту дозу він отримає протягом години?

Остаточно одержуємо:
$D = P_D \cdot t$

Перевіримо одиницю шуканої величини:
$[D] = \dfrac{\text{Гр}}{\text{с}} \cdot \text{с} = \text{Гр}$

Обчислення:
$D = 2 \cdot 10^{-9} \cdot 3600 = 7200 \cdot 10^{-9} = 7{,}2 \cdot 10^{-6}\text{ (Гр)} = 7{,}2\text{ мкГр}$

Відповідь: $D = 7{,}2\text{ мкГр}$.

4. Унаслідок внутрішнього опромінення кожний грам живої тканини поглинув $10^8$ $\alpha$-частинок. Якою є еквівалентна доза йонізуючого випромінювання, якщо енергія кожної $\alpha$-частинки $8{,}3 \cdot 10^{-13}\text{ Дж}$?

Остаточно одержуємо:
$H = \dfrac{K \cdot N \cdot E_0}{m}$

Перевіримо одиницю шуканої величини:
$[H] = 1 \cdot \dfrac{1 \cdot \text{Дж}}{\text{кг}} = \dfrac{\text{Дж}}{\text{кг}} = \text{Зв}$

Обчислення:
$H = \dfrac{20 \cdot 10^8 \cdot 8{,}3 \cdot 10^{-13}}{10^{-3}} = \dfrac{166 \cdot 10^{-5}}{10^{-3}} = 166 \cdot 10^{-2} = 1{,}66\text{ (Зв)}$

Відповідь: $H = 1{,}66\text{ Зв}$.

5. Існує гіпотеза, що людство виникло завдяки мутаціям, які відбулися в мавп унаслідок дії радіоактивного випромінювання. Скориставшись додатковими джерелами інформації, дізнайтеся про цю гіпотезу більше. Чи можна з нею погодитися? Обґрунтуйте свою думку.

Ця гіпотеза пов’язана з відкриттям у Східній Африці розломів земної кори з виходами уранових та торієвих руд, де якраз знаходять найдавніші рештки предків людини (австралопітеків та гомінідів). Згідно з припущенням окремих дослідників, підвищений радіаційний фон у цій зоні міг різко прискорити частоту генетичних мутацій, що стимулювало швидкий розвиток кори головного мозку та змінило будову скелета для прямоходіння.

Повністю погодитися з тим, що поява людини є заслугою виключно радіації, сучасна наука не може. Переважна більшість радіаційних мутацій мають летальний або шкідливий характер, викликаючи хвороби та безпліддя популяції, а не прогресивний еволюційний стрибок. Радіація могла бути лише одним із багатьох фонових факторів мінливості, тоді як визначальну роль у становленні людства відіграли природний добір, зміна клімату, трудові навички та соціальна взаємодія.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ

Якщо є можливість, скористайтеся дозиметром і виміряйте радіаційний фон у різних точках своєї квартири, поблизу гранітної бруківки, в бетонному, цегляному й дерев’яному будинках, у підвалі будинку, на верхньому поверсі. Поясніть результати своїх досліджень.

Під час вимірювань за допомогою побутового дозиметра можна зафіксувати такі закономірності:
Біля гранітної бруківки та всередині залізобетонних будівель рівень фону помітно вищий (зазвичай близько $0{,}18$–$0{,}25\text{ мкЗв/год}$), ніж у дерев’яних будинках чи на відкритому ґрунті ($0{,}08$–$0{,}12\text{ мкЗв/год}$). Це зумовлено тим, що граніт та щебінь у складі бетону містять природні домішки радіоактивних ізотопів урану, торію та калію-40, які безперервно розпадаються.

У підвалах та цокольних приміщеннях показники дозиметра нерідко вищі, ніж на верхніх поверхах будинку. Причиною цього є виділення важкого радіоактивного газу радону-222 із надр землі, який просочується крізь фундамент і скупчується в непровітрюваних підземних приміщеннях. На верхніх поверхах рівень радону суттєво нижчий, хоча за рахунок більшої висоти там трохи зростає частка космічного випромінювання. Усі отримані значення у нормальних житлових умовах не перевищують безпечної межі $0{,}30\text{ мкЗв/год}$.