Радиация и человек

Радиация и человек

25

Федеральное агентство по образованию РФ

ГОУ ВПО “Марийский государственный педагогический институт им. Н.К.Крупской”

Кафедра физики

Курсовая работа

Радиация и человек

Работу выполнила:

ФИО

студентка 32 гр.

Научный руководитель:

ФИО

к.ф.-м.н., доцент

Йошкар-Ола

2008

Содержание

Введение 3

Естественный фон ионизирующих излучений. Внешнее и внутреннее облучение 7

Космическая радиация 8

Земная радиация 11

Особенности внешнего и внутреннего облучения 14

Ионизирующая радиация в повседневной жизни 18

Особенности действия радиации на организм человека 23

Острая лучевая болезнь 25

Охрана здоровья людей от вредного действия ионизирующей радиации 27

Заключение 33

Литература 39

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 ?- и ?- лучи радионуклидов, потоки электронов и протонов, генерируемые современными ускорителями, нейтроны атомных реакторов или ?-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 ?-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 ?-излучением; испускание электрона, как в случае распада тория-234, называется ?-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.

? -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 рад соответствует энергии в 100 эрг, поглощенной 1 г ткани, 100 рад=1 Гр. Меньшие единицы: 0,001 рад=1мрад. Когда имеют дело с большими дозами, в качестве единицы используют 1000 рад=1 крад=10 Гр или 106 рад=1 Мрад=104Гр. Энергию излучений обычно измеряют в электронвольтах (эВ); широко используют следующие единицы: 1кэВ=103эВ 1Мэв=106эВ

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.

Естественный фон ионизирующих излучений. Внешнее и внутреннее облучение

Где бы мы ни находились - на знойном юге или на далеком севере, в долинах или высоко в горах, на свежем воздухе или в помещении, на отдыхе в санатории или на работе, окруженные современной техникой, на пароходе, в поезде или в самолете - наше тело постоянно пронизывается высокоэнергетическими фотонами и корпускулами ионизирующей радиации. Падая на организм извне, они проникают во все ткани и органы, где отдают свою энергию молекулам и структурам клеток.

В большом количестве они зарождаются внутри нашего тела от находящихся в нем радиоактивных веществ, и тогда вероятность их поглощения тканями повышается. Речь идет о высокоэнергетических фотонах и частицах. Их энергия во много раз превышает энергию любой химической связи в молекуле. Столкновение таких частиц с молекулами нашего тела - это, как правило, катастрофа для молекулы: она распадается, меняет свою конфигурацию, теряет одни свойства и приобретает совсем иные.

Расчеты показывают, что каждую секунду в организме человека весом в 70 кг в среднем происходит около 500 тыс. таких молекулярных катастроф, 500 тыс. столкновений молекул с ионизирующими частицами, сопровождающихся временным или постоянным изменением свойств этих молекул.

Облучение от естественных источников ни на минуту не останавливается: секунды, минуты, часы, дни, годы непрерывно идет эта микробомбардировка наших клеток. Ее последствия только за последние годы становятся ясны благодаря многочисленным радиобиологическим исследованиям. И, как часто бывает в науке, то, что казалось очевидным еще несколько лет назад, приобретает новое освещение в свете полученных фактов. Если в 40-х и даже в начале 50-х годов ученые имели вообще очень смутные представления о естественном фоне радиации, то теперь уже ясно, что его нельзя игнорировать, обсуждая такие проблемы, как происхождение жизни, эволюция, старение, канцерогенез и многое другое. Мы различаем внешнее облучение от источников, расположенных вне организма, и внутреннее - от инкорпорированных, т.е. включенных в организм радиоактивных нуклидов. Внешнее облучение слагается из облучения вторичными космическими лучами, достигающими биосферы Земли, и излучениями радионуклидов, рассеянных в окружающих нас земных породах и строительных материалах.

Космическая радиация

Из недр мирового пространства, от звезд нашей галактики, а возможно и других галактик, в межпланетное пространство постоянно направлен поток первичных космических лучей, состоящий из высокоэнергетичных протонов, ионов гелия, тяжелых частиц, электронов, фотонов и нейтрино. Значительный вклад в этот поток вносит и наше Солнце, испускающее, помимо видимого света, мощное ультрафиолетовое излучение и поток высокоэнергетичных протонов.

Первый барьер, с которым сталкиваются космические лучи на пути к биосфере, - магнитное поле Земли, отклоняющее заряженные частицы космической радиации, не дающее им даже достичь верхних слоев атмосферы. Отклоненные магнитным полем частицы как бы обтекают нашу планету на расстоянии от одного до восьми земных радиусов, образуя радиационные пояса с большой интенсивностью облучения. (Радиация в этих поясах обусловлена электронами и протонами с энергиями от десятка кэВ до сотен МэВ.) Радиационные пояса Земли, представляющие большую опасность для космонавтов (полеты с людьми всегда планируются с расчетом минимального пребывания в пространстве радиационных поясов), не влияют на радиационную обстановку на земной поверхности.

Магнитное поле Земли создает мощную защиту нашей планеты от галактической космической радиации. Мощную, но не абсолютную. Часть высокоэнергетичных лучей прорывается через магнитные поля и постоянно бомбардирует верхние слои атмосферы. Исследования, проведенные на ракетах и спутниках, показали, что мощность такого облучения закономерно изменяется в связи с 11- летним солнечным циклом.

Причину подобных изменений выяснил английский исследователь Е.Н.Паркер в 1966-1967 гг. Оказалось, что в годы солнечной активности усиливаются потоки плазмы, низкоэнергетичных протонов и электронов, испускаемых Солнцем, известные в астрономии под названием «солнечного ветра». Солнечный ветер оказывает влияние на магнитные поля Земли, усиливая их способность отклонять галактические космические лучи. Излучения солнечного ветра малоэнергетичны и также не пробиваются через магнитные поля. В годы усиленной солнечной активности вследствие увеличения магнитной защиты интенсивность космического облучения Земли снижается, и наоборот, наибольшая облученность Земли космической радиацией наблюдается в годы спокойного Солнца.

Высокоэнергетичные (40-100 МэВ) космические лучи, прошедшие через магнитное поле, врываются в атмосферу. Очень немногие из них проникают через всю атмосферу и достигают поверхности Земли. Большинство же, сталкиваясь с атомами азота, кислорода, углерода, атмосферы, взаимодействует с ядрами этих атомов, и, образно выражаясь, разбивает их вдребезги, рождая множество новых частиц: протонов, нейтронов, ?-мезонов (пионов), ?-мезонов (мионов)(3), образующих вторичное космическое излучение. Так как эти частицы тоже обладают энергией в десятки МэВ, то, сталкиваясь с другими ядрами, они порождают новые потоки излучений, образуя каскад вторичных космических лучей.

Часть нейтронов захватывается ядрами азота, образуя радиоактивный углерод С14. Мионы легко проникают в нижнюю часть атмосферы и доходят до поверхности Земли, составляя космическую часть естественного фона радиации.

На уровне моря вторичные космические лучи в виде потока нейтронов, мионов и электронов составляют около 30% от всего облучения биосферы. С высотой доза облучения от космических лучей значительно возрастает. Для жителей гор (1,5-2 км над уровнем моря) она почти в два раза выше, чем для жителей равнин. На высоте 10 км, на которой проходят трассы современной реактивной авиации, облученность космической радиацией уже на порядок выше, чем на уровне моря. На высоте 20 км она возрастает более чем на два порядка.

Эта высота интересна с двух точек зрения:

На такой высоте будут летать в ближайшем будущем пассажирские сверхзвуковые самолеты. Следует отметить, что на такой высоте резко увеличивается количество высокоэнергетичных тяжелых частиц, почти не достигающих поверхности Земли. Радиация от солнечных вспышек, фактически не влияющая на дозы облучения на поверхности Земли, на высоте 20 км будет резко увеличивать дозы облучения в сотни и даже в тысячи раз.

Высота в 20 км интересна и с другой точки зрения. В тропических широтах Земли мощные потоки нагретого воздуха уносят в верхние слои атмосферы значительное количество микроорганизмов, бактерий, спор, организмов морского планктона. Определение плотности органического вещества на разных высотах показало, что именно на высоте 15-20 км она достигает наибольшей величины - до 10 частиц (аэронов) на 1 см3. На этой высоте аэроны будут находиться 3-4 месяца, медленно передвигаясь в области средних широт. Принимая во внимание высокую мощность космических лучей, доза, полученная микроорганизмами, может достигнуть нескольких рад. В средних широтах облученные микроорганизмы войдут в нижние слои атмосферы и выпадут с осадками на поверхность Земли.

Глубокая проникающая способность вторичных космических лучей объясняется большой энергией. Вот почему так трудно избавиться от их постоянного воздействия. Для проведения экспериментов с резко пониженным космическим облучением физики оборудуют специальные лаборатории в туннелях, проложенных у основания высоких гор. В таблице представлены дозы облучения человека космическими излучениями в разных условиях существования.

Земная радиация

Все живое на Земле находится под постоянным воздействием излучений от рассеянных в окружающей нас природе радиоактивных нуклидов. Одни из них постоянно образуются в атмосфере и на поверхности Земли в результате ядерных реакций, осуществляемых космическими лучами. Как уже говорилось выше, захват нейтрона атомом азота ведет к образованию радиоактивного углерода С14. За счет ядерных столкновений образуются радионуклиды Н3 (тритий), Ве7 (радиоактивный изотоп бериллия), Na22 и Na24 (радиоактивные изотопы натрия). С точки зрения внешних облучателей С14и Н3 не принимаются во внимание ввиду очень мягкого излучения этих изотопов. Радиоактивные бериллий и натрий дают высокоэнергетичные и, следовательно, глубоко проникающие ?- и ?-излучения, т.е. участвуют во внешнем облучении организмов. Однако их образуется настолько мало, что удельный вклад в общую облученность оказывается ничтожным.

Иначе дело обстоит с естественными радионуклидами, такими, как уран, торий и радиоактивный изотоп калия К40, и продуктами их распада. Как известно, уран-238 образует целую серию продуктов распада. Многие короткоживущие, промежуточно образующиеся нуклиды, являются также и ?-излучателями. Природный радий, например, излучает ?-, ?- и ?-лучи, так как всегда содержит некоторое количество таких продуктов распада (дочерние элементы).

Длительно живущие элементы - уран, радий, свинец-210 - составляют значительную часть земного излучения. Радон всегда присутствует в приземном воздухе, вызывая облучение поверхности тела и легких при его вдыхании. То же можно сказать и о втором широко распространенном естественном радионуклиде - тории Th232, имеющем время полураспада (в.п.) 1,41*1010 года. При распаде радиоактивного тория образуются радий228 (в.п. 5,8 лет), торий-228 (в.п. 1,9 года), короткоживущий радон-220 (в.п. 55 с), превращаясь в конечном результате в стабильный изотоп свинца Pb208.

Наконец, третий, самый распространенный естественный радионуклид - это радиоактивный 40К постоянно сопровождающий природный, стабильный калий, имеющий время полураспада 1,26*109 лет и испускающий при распаде ?=1,38 МэВ и ?=1,46 МэВ лучи.

Облучение от земных радионуклидов в большей степени зависит от снежного покрова, влажности почвы и даже времени суток. Действительно, слой снега и большая влажность экранируют излучения почвы, и общая доза в приземной атмосфере снижается. Ночью с понижением температуры газообразный радон рассеивается медленнее, чем днем в жаркую погоду, и доза облучения на поверхности возрастает.

В различных частях света, в разных странах и отдельных местностях концентрация естественных радионуклидов подвержена значительным колебаниям, и соответственно изменяется средняя облученность населения.

Заметно меняется облученность тела человека в зависимости от времени, которое он проводит в закрытых помещениях: дома, на службе, на заводах, в шахтах. Следует учитывать два обстоятельства: материал, из которого построено помещение, и качество вентиляции. Последнее обстоятельство связано с концентрацией радона, в основном действующего на ткани легких.

Воздействие строительных материалов может проявляться двояко. С одной стороны, они защищают наше тело от внешней радиации, поглощая ее в своей толщи. С другой стороны, многие строительные материалы сами богаты радиоактивными естественными нуклидами и поэтому могут повышать мощность облучения в помещениях. Такие строительные материалы, как дерево, тепловые прокладки (войлок, стружки), почти не содержат или содержат очень мало радиоактивных нуклидов. В деревянных помещениях средний уровень облученности меньше, чем снаружи, вне дома. Отношение мощностей облучения внутри дома к внешнему облучению оказывается меньше единицы - 0,7-0,6 (коэффициент защиты). Низко радиоактивны и большинство пластиков, природный цемент, мрамор, дающие коэффициент защиты 0,8-0,9. С другой стороны, такие строительные материалы, как гранит, кирпич и бетон, имеющие в своем составе естественные радионуклиды, собственным излучением перекрывают защиту от внешнего облучения, и коэффициент возрастает от 1,3 до 1,7. Так, например, измерения, проведенные во многих домах в Швеции, показали, что средняя мощность облучения вне помещения в 90 мрад/год в деревянных домах снижалась до 57, в кирпичных поднималась до 112, а в бетонных достигала 172 мрад/год. Обратная зависимость наблюдалась в колебаниях облучения в районах с повышенной естественной радиоактивностью. Например, исследования, проведенные в районе Керала (Индия), показали, что в легких деревянных, бамбуковых и глиняных хижинах облучение было высоким (в некоторых местностях достигало 2800 мрад/год), так как эти материалы не защищали от высокого внешнего фона, а в кирпичных и цементных зданиях проявлялась защита, и мощность дозы снижалась до 500-700 мрад/год.

Таким образом, внешнее облучение в биосфере на поверхности Земли в нормальных условиях, примерно на высоте 1 м от ее поверхности, слагается из космических лучей (28,3 мрад/год) и земной радиации (32 мрад/год). В сумме организм человека получает 60 мрад/ год. Эта величина заметно больше в горах и районах повышенной радиоактивности.

Особенности внешнего и внутреннего облучения

Естественные радионуклиды постоянно вовлекаются в круговорот веществ, который так характерен для живых организмов. Пути и степень их проникновения в живые организмы будут зависеть от природы радионуклида. Радиоактивный изотоп углерода С14 постоянно образуется в верхних слоях атмосферы благодаря ядерной реакции космических лучей (нейтронов) с азотом:

n+N14>p+C14

Окисляясь с кислородом или озоном, этот углерод превращается в радиоактивную углекислоту:

С14+О2> C14 О2

Последняя, равномерно перемешиваясь с обычной углекислотой (на что уходит около года), поглощается зелеными листьями растений в процессе фотосинтеза.

Хорошо известно, что все части растения строятся из продуктов фотосинтеза. Таким образом, углеводы, жиры, белки и другие компоненты растений, содержащие углерод, будут слабо радиоактивны и, поступая в качестве пищи в организм животного и человека, создают постоянно действующий небольшой уровень внутреннего облучения. Период полураспада С14 очень велик (5720 лет), поэтому он существует тысячелетия на нашей планете.

Установлено, что скорость образования С14 в верхних слоях атмосферы составляет 2,28 атома в 1 см3 в секунду. Это значит, что за год его образуется 0,038 МКи. Эта цифра согласуется с содержанием С14 в атмосфере в целом, которое равно 3,8 МКи.

В атмосфере содержится около 1/60 части всего углерода (биосфера, океан, осадочные породы). На нашей планете около 230 МКи С14, чио сообщает природному углероду активность, равную 6,1 пКи на1 г углерода. Это очень слабая активность, дающая за год облучение тканей человека в пределах 0,5-2,2 мрад.

Страницы: 1, 2