B-ИЗЛУЧЕНИЕ, ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА

b-ИЗЛУЧЕНИЕ, ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА,
определение загрязнения грибов b-излучающими
радионуклидами

Исполнитель работы — Завьялов Михаил (11 кл.), средняя школа, пос. Тайцы

Руководители работы: Дунаева И.Н., Мирошкина С.М., Миронов Ю.Т.

Ионизирующее излучение – излучение, которое приводит к ионизации электрически нейтральных атомов или молекул. Одним из видов ионизирующего излучения является b-излучение.

b-излучение (b-частицы) представляет собой отрицательно заряженные электроны или их античастицы – позитроны. Излучаются b-частицы при радиоактивном электронном и позитронном b-распаде.

Возможность b-распада определяется тем, что исходное радиоактивное ядро имеет большую массу (и энергию покоя), чем продукты b-распада. Избыток же энергии покоя освобождается в форме кинетической энергии электрона (позитрона), энергии электронного антинейтрино (нейтрино) и дочернего ядра.

Например, нейтрон имеет массу, большую, чем сумма масс протона и электрона. Поэтому он распадается, отдавая избыток массы электронному антинейтрино:

Это простейший вид b-распада (электронного b-распада). Он проходит со средним временем жизни t = 15 мин (это время жизни нейтрона) («Занимательная ядерная физика» К.Н. Мухин.).

Позитронный b-распад выглядит немного по-другому:

Вообще, позитронный b-распад наблюдается намного реже, чем электронный, т.к. он проходит не за счет того, что протон больше сумм масс нейтрона и электрона, как это было в электронном b-распаде, а за счет энергии протона, которую он берет у ядра того атома, в котором этот распад наблюдается. Если он не «позаимствует» энергии, то позитронный b-распад будет невозможен.

Излученные таким образом b-частицы обладают небольшой проницаемостью (длина пробега в ткани не превышает 2 см). Но, несмотря на это, b-излучение приносит большой вред здоровью человека.

Можно отметить два вида воздействия облучения на организм человека: внешнее и внутреннее облучения.

Внешнее облучение. Дозу внешнего облучения рассчитывают на основании измерений радиации, падающей на поверхность тела, предполагая, что при этом известна доза облучения, которая проникает внутрь тканей. b-частицы сильно поглощаются в тканях, так что при внешнем b-излучении воздействию подвергаются лишь поверхностные слои. Таким образом, этот вид излучения вносит обычно незначительный вклад во внешнее облучение, хотя при высоких дозах могут возникать поверхностные поражения кожи.

Внутреннее облучение. Наиболее важными источниками внутреннего облучения являются те изотопы, которые поглощаются тканями.

Основное количество радиоактивных веществ, которое поступает в организм человека, содержится, как правило, в пищевых продуктах. Но, в тех случаях, когда в атмосфере присутствуют нерастворимые частицы, а опасность поглощения через ЖКТ незначительна, поступление радиоактивных веществ через органы дыхания может стать преимущественным источником облучения населения.

1.1. Биологическое действие b-излучения на клетки и ткани

Первоначальный этап любого биологического эффекта b-излучения связан с поглощением внутри клетки энергии, освобождающейся в результате ионизации. Значит, целесообразно описать общие закономерности действия излучения на отдельные клетки и ткани.

Клетка. Энергия, освобождающаяся при единичной ионизации, поглощается в очень небольшой части общего объема клетки; прямое поражение затрагивает молекулы лишь в этой части. В большинстве клеток имеется обилие идентичных молекулярных компонентов, которые обновляются, если контрольные центры остаются неповрежденными. В этом случае нарушения у какой-либо из таких способных к возобновлению молекул не вызывают специфических эффектов. С другой стороны, центры, контролирующие индивидуальные функции внутри клетки, представляют собой наборы спаренных генов, каждый из которых, как полагают, является частью очень крупной молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Повреждение даже одного члена такой пары может иметь важное значение для жизнедеятельности клетки. Вероятность повреждения генов пропорциональна общему числу ионизаций, происходящей в клетке, независимо от времени.

Повреждения на молекулярном и даже на структурном уровнях при определенных условиях восстанавливаются; степень репарации может изменяться в зависимости от обводненности тканей, их метаболической активности, содержания кислорода и других факторов. Многие процессы, по-видимому, необратимы и могут быть летальными. Летальные эффекты могут возникать двояким образом: наступает ранняя смерть клетки или же расстройство нормальных процессов воспроизведения, что в конце концов приводит к ее гибели. В противоположность этому, клетка может выжить с необратимым повреждением, которое, если оно носит генетический характер, будет наследоваться дочерними клетками.

Ткань. Гибель отдельной клетки в ткани с нормальным обменом и воспроизводством клеток представляет обычное явление. Резервные возможности размножения у большей части таких тканей, как, например, кожа или костный мозг, значительны, и в этом случае гибель клеток становится важной лишь тогда, когда это явление принимает массовый характер или когда повышенные темпы гибели клеток не компенсируются воспроизводством новых клеток. Если вновь формирующаяся ткань образуется из здоровых клеток, ткань функционирует нормально. Однако, если происходит накопление клеток с нарушениями, а размножение осуществляется с замедленной скоростью, нормальная жизнедеятельность ткани начинает разрушаться. Предполагают, что в результате этого может возникнуть процесс ракообразования и произойти старение тканей.

Однако у человека не во всех тканях происходит замещение клеток. Некоторые из клеток в ограниченном количестве сохраняются от рождения в течение всей жизни например нейроны центральной нервной системы. Потеря этих невоспроизводимых клеток имеет очень важные последствия.

Организм как целое. Такой сложный организм, как человек, зависит от взаимодействия нервных факторов и режима питания. Прочность цепи определяется ее наиболее слабым звеном, точно так же, если какая-нибудь ткань перестает выполнять свою функцию, это отражается на всем организме. Таким образом, заболевания и причины смерти патологи классифицируют по тем системам, которые оказались пораженными.

Исходя из сказанного, целесообразно различать непосредственное действие облучения в больших дозах и отдаленные последствия после облучения в небольших дозах.

1.2. Непосредственное действие облучения в больших дозах

Действие радиации проявляется очень быстро лишь после облучения в больших дозах высокой мощности (десятки и сотни рад при мощности дозы свыше 1 рад/мин). В этом случае наблюдается гибель значительного числа клеток. Облучение в таких дозах приводит к быстрой гибели организма.

При меньших, но все еще высоких дозах перечисленные последствия облучения вряд ли будут более серьезными, и гибель клеток в тканях, характеризующихся высокими темпами воспроизводства клеток, будет представлять основную опасность. В пищеварительном тракте, особенно в тонком кишечнике, наиболее сильно повреждаются слизистые оболочки.

Наиболее серьезные изменения при облучении в меньших дозах обычно регистрируют в кроветворных тканях. Величина ЛД₅₀ (доза, вызывающая гибель 50 % живых организмов) в условиях острого облучения человека составляет около 400—600 рад, смерть наступает от геморрагии, вследствие уменьшения числа кровяных телец или от инфекционных заболеваний из-за ослабления иммунологической защиты, связанной с белыми кровяными клетками и продуктами их жизнедеятельности.

Раннее же проявление поражения органов кроветворения может наблюдаться после облучения в дозах 10—50 рад.

Отдаленные последствия воздействия радиации могут проявиться спустя некоторый латентный период после облучения в высоких нелетальных дозах при большой мощности дозы или после длительного облучения с достаточно высокой общей дозой при низкой мощности дозы. Последствия облучения, связанные с радиоактивным загрязнением пищевых продуктов, представляют результаты последнего типа облучения. Потребление пищевых продуктов, в которых накопление радионуклидов обусловлено загрязнением внешней среды, вряд ли может стать важным фактором острого непосредственного радиационного поражения. Если загрязнение пищевых продуктов таким путем достигает настолько высокого уровня, при котором становится возможным проявление непосредственного поражения, то в этом случае решающим фактором будет действие внешнего облучения: оно проявится раньше, чем радиоактивность пищевых продуктов достигнет высоких уровней.

Отдаленные последствия облучения можно разделить на два типа:

Генетические эффекты являются следствием повреждения генетических механизмов в половых клетках облученных индивидуумов. Поражение может произойти на молекулярном уровне и выразиться в измененной форме (мутации) гена-предшественника. Кроме того, может иметь место перестройка в структуре хромосом, в которых локализованы гены. Наиболее часто встречающийся вид повреждения – поражение, происходящее в клетках – предшественниках генеративной ткани – ооцитах или сперматогониях.

Соматические эффекты. Хотя соматические эффекты проявляются непосредственно у облученных людей, они, тем не менее, могут быть связаны с влиянием излучений на генетические механизмы, действующие в соматических клетках. Отличительная особенность заключается в том, что жизнедеятельность всех соматических клеток прекращается со смертью человека. Родословная же генеративных клеток переходит от одного поколения к другому, и нарушения в ней могут иметь разнообразные последствия.

Отдаленные соматические эффекты облучения, которым уделялось наибольшее внимание, – возникновение различных видов раковых новообразований и особенно лейкемии. Ранние дегенеративные изменения и раковые опухоли особенно часто развиваются в тканях, где происходит селективное отложение и накопление радиоактивных веществ. Среди этих тканей особое место занимают щитовидная железа и костная ткань, действие излучений на которые особенно важно оценить при изучении опасности радиоактивного загрязнение внешней среды продуктами ядерного деления.

Однако, получение таких больших доз, как 100 или 1000 рад, может произойти лишь после испытаний ядерного оружия или же после аварий на АЭС («Радиоактивность и пища человека», под редакцией Р. Рассела.).

Проанализировав тот факт, что относительно недавно (с точки зрения времени полураспада ¹³⁷Cs или ⁹⁰Sr – тех радионуклидов, которые попали в окружающую среду) произошла авария на Чернобыльской АЭС (26 апреля 1986 года), мы занялись измерением УА (удельной активности) грибов (рис. 1, 2) из Пудостьского леса (рис. 3), который пострадал от этой аварии, т. к. эти грибы употребляются в пищу жителями всех близлежащих деревень и поселков. Другими словами, мы определяли загрязнение грибов b-излучающими радионуклидами.

Для измерений и расчетов мы пользовались радиометром b-излучения «Бета». Этот прибор был выбран по нескольким причинам.

Во-первых, прибор имеет тонкостенный детектор с входным окном малой толщины (лавсановая пленка толщиной » 50 мк), с большой площадью входного окна (5,5X6,5 см или 35,75 см²) и высокой эффективностью регистрации b-частиц.

Во-вторых, к прибору прилагается свинцовый домик, который понижает g-фон от внешних источников излучения примерно втрое (в нашем случае) вследствие 2-сантиметровых стенок.

В-третьих, на этом приборе есть режимы измерения, предусматривающие счет импульсов за большие отрезки времени (500 с, 1000 с, 2000 с). Например, измерения проводились в 5-ом режиме работы (измерение в течение 1000 с).

Методика, которой мы пользовались («Определение объемной (ОА) и удельной (УА) активности b-излучающих нуклидов в пробах»), приводится в паспорте к прибору «Бета».

Пользуясь вышеприведенной методикой, мы проводили измерения скорости счета фона (фоновых импульсов) и измерения скорости счета от пробы (импульсов от пробы). Проводили мы измерения каждый день 3 дня подряд. Перед измерениями прибор разогревался (как и должен по паспорту) не менее 60 минут. Это обеспечивало большую точность измерений, чем без разогрева.

В первый день перед измерениями скоростей счета мы измерили скорость счета фоновых импульсов без защиты свинцового домика. Затем, проводя измерения, мы высчитали, что скорость счета фона в домике примерно в 3 раза меньше, чем снаружи.

Все три дня программа измерений была одинаковой: сначала проводились 3 измерения скорости счета фона, затем 3 измерения скорости счета от пробы и, наконец, еще 3 измерения скорости счета фона.

После измерений мы высчитали среднее арифметическое значение скоростей счета. Затем, подставив их в формулу для вычисления удельной активности (см. «Методика работы»), подсчитали удельную активность грибов.

Полученные данные имеют разброс, обусловленный статистическим характером измеряемой величины. Погрешность каждого измерения в нашем случае равна корню квадратному из числа отсчетов. Таким образом, длительное время проводя измерения (за один раз или суммируя много недлинных измерений), мы уменьшаем величину относительной погрешности. Многократные измерения повышают точность конечных результатов работы и позволяют избежать грубых промахов.

Рис. 3. Карта Гатчинского района с отмеченным на ней местом взятия образцов грибов.

По результатам проделанной работы были составлены две таблицы, содержащие скорости счета фона и скорости счета от пробы.

Дни	Измерения скорости счета фоновых импульсов, имп/1000 с
Дни	Первое	Второе	Третье	Четвертое	Пятое	Шестое
Первый	1208	1329	1318	1321	1216	1319
Второй	1348	1408	1358	1356	1322	1402
Третий	1404	1414	1404	1372	1351	1376

Дни	Измерения скорости счета импульсов от грибов, имп/1000 с
Дни	Первое	Второе	Третье	Четвертое
Первый	1490	1457	1443	-
Второй	1478	1502	1498	-
Третий	1517	1500	1475	1483

Также нами были составлены диаграммы сравнения скорости счета фона и скорости счета от пробы.

По этим графикам и таблицам видно, что присутствует заметное загрязнение (эффект от трех до шести раз превышает величину статистической погрешности измерений). Используя эти данные, мы высчитали УА (удельную активность) грибов:

УА грибов составила 118±15 Бк/кг (при ПДУ 270 Бк/кг). По сведениям, полученным нами от организаций, занимающихся спектральным анализом продуктов питания, эта активность грибов обусловлена загрязнением грибов ¹³⁷Cs и, в сравнительно небольшом количестве, _{90Sr (даже по данным 1990 года ¹³⁷Cs явился преобладающим, во
время выброса, b-излучающим радионуклидом).}

После измерений можно сделать вывод, что УА грибов не превышает ПДУ (т.е. грибы можно употреблять в пищу), но поскольку присутствие загрязнения ощутимо, то УА грибов (в том числе и из Пудостьского леса) желательно контролировать на количество радиоактивного загрязнения, т. к. опыт показывает, что выброшенные в результате аварии радиоактивные радионуклиды выпадают неравномерно, что приводит к большой разнице в уровнях загрязнения и к возможным превышениям ПДУ для отдельных местностей.