Фізіка. 11 клас

Чалавек штосекундна падвяргаецца ўздзеянню выпраменьванняў. Выпраменьванне Сонца з’яўляецца адным з ключавых фактараў узнікнення і існавання жыцця на Зямлі. Аднак некаторыя віды выпраменьванняў небяспечныя для здароўя чалавека. Якія гэта выпраменьванні? Як ад іх можна абараніцца?

Зараджаныя часціцы, рэнтгенаўскае і γ-выпраменьванне, распаўсюджваючыся ў рэчыве, узаемадзейнічаюць з яго атамамі. За кошт сваёй энергіі часціцы выпраменьвання могуць іанізаваць атамы, выбіваючы з іх электроны. Часта адна часціца ў стане іанізаваць некалькі атамаў, таму працэс распаўсюджвання такога выпраменьвання праз рэчыва суправаджаецца яго моцнай іанізацыяй. З прычыны гэтага іанізуючым называюць такі від выпраменьвання, узаемадзеянне якога з рэчывам прыводзіць да іанізацыі яго атамаў і малекул (мал. 227). 

Аснову біялагічнага дзеяння іанізуючага выпраменьвання на жывыя тканкі складаюць хімічныя працэсы, якія адбываюцца ў іх клетках пры паглынанні імі выпраменьвання. Іанізацыя атамаў і малекул тканак рэчыва прыводзіць да пашкоджання клетак і змянення структуры тканак. Частка атамаў і малекул пераходзіць ва ўзбуджаны стан і, вяртаючыся ў няўзбуджаны стан, аддае лішак энергіі ў выглядзе электрамагнітнага выпраменьвання. Пад уздзеяннем гэтага выпраменьвання ў тканках адбываюцца біяхімічныя рэакцыі, абумоўленыя ўтварэннем новых малекул, чужых для звычайнай клеткі. У выніку парушаецца клетачнае дзяленне і ўтварэнне новых клетак. У сваю чаргу гэта прыводзіць да храмасомных перабудоў і ўзнікнення мутацый, якія прыводзяць да змянення ў генах клеткі. Такім чынам, біялагічнае дзеянне іанізуючага выпраменьвання адбіваецца не толькі на дадзеным арганізме, але і на наступных пакаленнях.

Пашкоджанні жывога арганізма, выкліканыя дзеяннем іанізуючага выпраменьвання, называюцца прамянёвай хваробай. Небяспека гэтай хваробы пагаршаецца наяўнасцю ўтоенага перыяду, г. зн. яе сімптомы выяўляюцца толькі праз некаторы прамежак часу. Сімптомамі прамянёвай хваробы з’яўляюцца млоснасць, рвота, агульная слабасць, павышаная тэмпература, выпадзенне валасоў, кровазліццё.

Розныя віды іанізуючага выпраменьвання маюць розную пранікальную здольнасць (гл. мал. 227). Біялагічнае дзеянне розных відаў выпраменьвання на жывыя арганізмы неаднолькавае. Напрыклад, a-часціцы не здольныя пранікнуць праз знешні слой скуры. Таму яны не ўяўляюць небяспекі да таго часу, пакуль радыеактыўныя рэчывы, што выпускаюць α-часціцы, не патрапяць унутр арганізма з ежай, удыхаемым паветрам, на слізістую абалонку ці праз адкрытую рану. β-выпраменьванне валодае большай пранікальнай здольнасцю: яно пранікае ў тканкі арганізма на 1—2 см. Пранікальная здольнасць γ-выпраменьвання настолькі вялікая, што паглынуць яго можа толькі досыць тоўстая свінцовая ці бетонная пліта. Чым больш энергіі перадае выпраменьванне тканкам жывога арганізма, тым больш у іх будзе пашкоджанняў.

Асноўную частку апраменьвання насельніцтва зямнога шара атрым­лівае ад натуральных крыніц іанізуючага выпраменьвання: касмічных праменяў, радыеактыўных ізатопаў, натуральнай радыеактыўнасці горных парод і глебы, радыеактыўных радыеізатопаў, якія трапляюць у ежу. Чалавек падвяргаецца апраменьванню двума спосабамі. Радыеактыўныя рэчывы могуць знаходзіцца па-за арганізмам і апраменьваць яго звонку. У гэтым выпадку гавораць аб знешнім апраменьванні. У той жа час яны могуць знаходзіцца ў ежы, вадзе, паветры і трапіць унутр арганізма. Такі спосаб апраменьвання называюць унутраным.

Асноўнымі крыніцамі ўнутранага фонавага апраменьвання арганізма чалавека з’яўляюцца:

1) натуральны ізатоп вугляроду  што змяшчаецца ва ўсіх тканках арганізма чалавека;

2) радон  торый  і іх даччыныя прадукты распаду, якія ўдыхаюцца з паветрам і адкладваюцца ў дыхальных органах чалавека;

3) даўгавечны ізатоп радыю  і яго кароткажывучы ізатоп  якія адкладаюцца ў касцявых тканках;

4) натуральны радыеактыўны ізатоп калію  , які змяшчаецца ў мяккіх тканках (пераважна ў мышцах).

Акрамя таго, асобныя крыніцы іанізуючага выпраменьвання выбарча канцэнтруюцца ў асобных органах: ёд — у шчытападобнай залозе, стронцый — у касцях, уран — у нырках — і падвяргаюць іх павышанаму апраменьванню.

Вельмі важна ўмець вызначаць вынік дзеяння іанізуючага выпраменьвання на рэчыва, мерай якога з’яўляецца доза. Гэтым займаецца дазіметрыя.

Колькасць энергіі, перададзенай адзінцы масы арганізма іанізуючым выпраменьваннем, называецца дозай (ад грэч.  (доза) — доля, порцыя). Існуюць розныя віды доз у залежнасці ад віду выпраменьвання, віду органа ці тканкі, якія падвергліся апраменьванню.

Паглынутая доза — колькасць энергіі W, перададзеная рэчыву іанізуючым выпраменьваннем любога віду ў пераліку на адзінку масы цела любога рэчыва.

Доза ў органе ці біялагічнай тканцы — сярэдняя паглынутая доза D у пэўным органе ці тканцы чалавечага цела:

,

(1)

дзе W — поўная энергія, перададзеная іанізуючым выпраменьваннем тканцы або органу; m — маса органа або тканкі.

У СІ адзінкай паглынутай дозы з’яўляецца Грэй (Гр). 

Паглынутая доза выпраменьвання роўна 1 Гр, калі адным кілаграмам рэчыва паглынута іанізуючае выпраменьванне, энергія якога роўна 1 Дж. 

Паглынутая доза расходуецца на награванне рэчыва і на фізічныя і хімічныя ператварэнні ў ім. Велічыня дозы залежыць ад віду выпраменьвання, энергіі яго часціц, шчыльнасці іх патоку і ад складу апраменьваемага рэчыва.

Пры аднолькавай паглынутай дозе α-выпраменьванне значна больш небяспечнае за β- і γ-выпраменьванні. Для ўліку гэтага фактару дозу выпраменьвання трэба памножыць на каэфіцыент , які ўлічвае здольнасць выпраменьвання дадзенага віду пашкоджваць тканкі арганізма. Ён называецца каэфіцыентам якасці выпраменьвання (узважваючым каэфіцыентам). 

Каэфіцыент якасці выпраменьвання паказвае, у колькі разоў радыяцыйная небяспека ад уздзеяння на жывы арганізм дадзенага віду выпраменьвання большая, чым ад уздзеяння γ-выпраменьвання (пры аднолькавых паглынутых дозах).

Значэнні  для розных відаў іанізуючага выпраменьвання прыведзены ў табліцы 12.

Табліца 12. Узважваючыя каэфіцыенты wR (каэфіцыенты якасці) для розных відаў іанізуючага выпраменьвання
Від выпраменьвання	Узважваючы каэфіцыент выпраменьвання (wR)
Фатоны	1
Электроны і мюоны	1
Пратоны і зараджаныя піоны	2
Альфа-часціцы, асколкі дзялення, цяжкія іоны	20
Нейтроны	гл. мал. 228

Пералічаную такім чынам дозу называюць эквівалентнай дозай. Эквівалентная доза H — гэта паглынутая доза ў органе або тканцы, па­множаная на адпаведны каэфіцыент якасці выпраменьвання:

.

(2)

У СІ адзінкай эквівалентнай дозы з’яўляецца зіверт (Зв). 

1 Зв роўны эквівалентнай дозе, пры якой паглынутая доза роўна 1 Гр і ўзважваючы каэфіцыент роўны адзінцы.

Неабходна ўлічваць таксама, што адны часткі цела больш адчувальныя да апраменьвання, чым іншыя. Таму дозы апраменьвання органаў і тканак арганізма неабходна ўлічваць з рознымі ўзважваючымі каэфіцыентамі  (табліца 13). Пры множанні эквівалентнай дозы на адпаведныя каэфіцыенты і сумаванні па ўсіх органах і тканках атрымліваюць эфектыўную дозу, якая адлюстроўвае сумарны эфект апраменьвання для арганізма.

Табліца 13. Тканкавы ўзважваючы каэфіцыент wT (2007)
Тканка	wT
Касцявы мозг (чырвоны), тоўстая кішка, лёгкія, страўнік	0,12
Малочная залоза, астатнія тканкі	0,12
Палавыя залозы	0,08
Мачавы пузыр, стрававод, печань, шчытападобная залоза	0,04
Паверхня косці, галаўны мозг, слінныя залозы, скура	0,01

На практыцы шырока выкарыстоўваюцца пазасістэмныя адзінкі:

рад — адзінка паглынутай дозы выпраменьвання:

;

(3)

бэр (біялагічны эквівалент рад) — адзінка эквівалентнай дозы

, .

(4)

Апраменьванню ад натуральных крыніц падвяргаецца любы жыхар Зямлі. Натуральны фон складае каля 1,3 мЗв у год на чалавека. Аднак адны людзі атрымліваюць большую дозу, а іншыя — меншую. Гэта залежыць ад месца пражывання, ладу жыцця. Выкарыстанне газу для прыгатавання ежы, герметызацыя памяшканняў, палёты на самалётах, прымяненне некаторых будаўнічых матэрыялаў — усё гэта павялічвае ўзровень апраменьвання за кошт натуральных крыніц. У сярэднім зямныя крыніцы іанізуючага выпраменьвання забяспечваюць  больш за  гадавой эфектыўнай дозы, якую атрымлівае насельніцтва, галоўным чынам за кошт унутранага апраменьвання. Астатнюю частку натуральнага апра­меньвання ўносяць касмічныя прамені шляхам знешняга апраменьвання.

Радыяцыйны фон, ствараемы касмічнымі праменямі, дае менш паловы знешняга апраменьвання, якое атрымлівае насельніцтва ад натуральных крыніц радыяцыі. Людзі, якія жывуць на ўзроўні мора, атрымліваюць у сярэднім з-за касмічнага выпраменьвання эфектыўную дозу каля 300 мкЗв у год. Для людзей, якія жывуць вышэй за 2 км над узроўнем мора, гэта велічыня ў некалькі разоў большая. Пры пад’ёме з вышыні 4 км да вышыні 12 км узровень апраменьвання за кошт касмічных праменяў нарастае прыкладна ў 25 разоў.

У сярэднім прыкладна  эфектыўнай дозы апраменьвання, якую чалавек атрымлівае ад натуральных крыніц выпраменьвання, паступаюць ад радыеактыўных рэчываў, якія трапілі ў арганізм з вадой, ежай і паветрам.

Найбольш значным з усіх натуральных крыніц іанізуючага выпраменьвання з’яўляецца нябачны цяжкі газ радон, які не мае густу і паху, і яго даччыныя прадукты. Менавіта яны адказваюць прыкладна за  гадавой індывідуальнай эфектыўнай дозы апраменьвання, якая атрымліваецца насельніцтвам ад зямных крыніц іанізуючага выпраменьвання (мал. 229). Галоўная крыніца радону — гэта глеба, у якой ён увесь час утвараецца. Але найбольшую небяспеку ўяўляе пападанне пароў вады з высокім утрыманнем радону ў лёгкія разам з паветрам, што часцей за ўсё адбываецца ў ванным пакоі. Канцэнтрацыя радону ў ванным пакоі прыкладна ў 3 разы вышэйшая, чым на кухні, і прыблізна ў 40 разоў вышэйшая, чым у жылых пакоях.

Для абароны ад іанізуючага выпраменьвання, па магчымасці, трэба выкарыстоўваць наступныя спосабы:

1) аддаленне на вялікую адлегласць ад крыніцы;

2) абмежаванне часу знаходжання ў забруджанай мясцовасці;

3) выкарыстанне ахоўных рэчываў (свінец, бор, кадмій), якія эфек­тыўна паглынаюць іанізуючае выпраменьванне;

4) выкарыстанне рэчываў, якія аслабляюць уздзеянне іанізуючых выпраменьванняў на арганізм;

5) дазіметрычны кантроль навакольнага асяроддзя і прадуктаў харчавання.

Шырокае ўжыванне знаходзіць іанізуючае вы­­праменьванне ў навуцы і тэхніцы. У выніку ўзаемадзеяння часціц высокіх энергій з даследуемым рэчывам утвараюцца радыеактыўныя нукліды. Пры пераходзе іх у стабільны стан выпускаецца γ-выпраменьванне. Па выглядзе γ-спектраў і інтэнсіўнасці спектральных ліній вызначаюць хімічны склад рэчыва і канцэнтрацыі элементаў, якія змяшчаюцца ў ім. Для гэтага метаду характэрны ўніверсальнасць методыкі, хуткасць вымярэння і вельмі высокая адносная адчувальнасць. Яна дасягае велічыні парадку 10⁻⁷.

Радыеактывацыйны аналіз шырока ўжываецца ў геолагаразведцы, асабліва пры даследаванні руд, якія змяшчаюць рэдкія і каштоўныя металы. У тэхніцы дзякуючы высокай адчувальнасці ім даследуюць скорасць зносу металічных дэталей. Напрыклад, даследуюць знос чыгуначных рэек.

Радыенукліды (ізатопы ёду, тэхнецыю, ксенону, талію) шырока вы­карыстоўваюцца ў медыцынскай дыягностыцы.

Прымяненне іанізуючых выпраменьванняў у медыцыне, біялогіі, сельскай гаспадарцы заснавана на тым, што пры ўзаемадзеянні іанізуючага выпраменьвання з жывой матэрыяй парушаюцца міжмалекулярныя сувязі. У выніку жывая клетка або разбураецца, або губляе здольнасць да ўзнаўлення. Менавіта на гэтым заснаваны прамянёвая тэрапія, стэрылізацыя, абеззаражанне адходаў.

Прамянёвая тэрапія — адзін з асноўных метадаў барацьбы з ракавымі захворваннямі. Яе мэта заключаецца ў падаўленні жыццядзейнасці хворых клетак з дапамогай выпраменьванняў. Асноўны прагрэс у гэтай галіне звязаны з пераходам да крыніц ўсё больш высокай энергіі (30 МэВ і больш).

Радыяцыйная апрацоўка харчовых прадуктаў звычайна пераследуе адну з дзвюх мэт: стэрылізацыю (або пастэрызацыю) ежы, што дазваляе доўга захоўваць яе ў герметычнай упакоўцы, або затрымку працэсаў натуральнага развіцця. Напрыклад, запавольванне прарастання бульбы.

Пры апраменьванні збожжа гінуць шкодныя насякомыя і іх лічынкі.

У якасці прыбораў для вымярэння дозы ці яе магутнасці выкарыс­тоўваюцца дазіметры. Імі служаць прыборы, здольныя рэгістраваць іанізуючае выпраменьванне. Шкалы прыбораў спецыяльна праградуі­раваны ў адзінках дозы або ў адзінках магутнасці дозы.

Увага! Знак, які папярэджвае аб радыяцыйнай небяспецы, паказаны на малюнку 230.