11.1: Природна радіоактивність

Last updated
Save as PDF

Page ID: 20094

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Знайте різні джерела фонового випромінювання.
Охарактеризуйте біологічний вплив іонізуючого випромінювання
Перерахуйте поширені джерела радіаційного опромінення в США.

Фонове випромінювання

Ми всі піддаємося впливу невеликої кількості радіації в нашому повсякденному житті. Це фонове випромінювання надходить від природних джерел і від випромінювання, виробленого людиною. Вплив рентгенівських променів та ізотопів ядерної медицини, наземних джерел та космічного випромінювання становить майже половину фонового опромінення середньостатистичного американця. Радоновий газ, що утворюється в результаті розпаду ізотопів урану і торію, відповідає за трохи більше половини загальної кількості фонового випромінювання. Див. таблицю нижче для фонових джерел.

Таблиця *\(\PageIndex{1}\)*джерел фонового випромінювання
радон	\(54\%\)
споживчі товари	\(3\%\)
ядерна медицина	\(4\%\)
космічне випромінювання	\(8\%\)
наземний	\(8\%\)
внутрішня	\(11\%\)
рентгенівські промені	\(11\%\)
інші	\(1\%\)

проблема радону

Для багатьох людей одним з найбільших джерел впливу радіації є газ радону (Рн-222). Радон-222 - це α випромінювач з періодом напіврозпаду 3,82 дня. Це один з продуктів серії радіоактивного розпаду U-238, який міститься в слідових кількостях в грунті і гірських породах. Радоновий газ, який утворюється, повільно виривається з землі і поступово просочується в будинки та інші споруди вище. Так як він приблизно в вісім разів щільніше повітря, то радоновий газ накопичується в підвалах і нижніх поверхах, і повільно розсіюється по будівлям (рис.\(\PageIndex{1}\)).

Показано відрізане зображення сторони будинку та чотирьох шарів землі, на яку він спирається, а також друге відрізане зображення голови та грудної порожнини людини. Будинок показаний з вбиральнею на другому поверсі та підвалом з водонагрівачем як перший поверх. Зелені стрілки ведуть від нижнього шару грунту, позначеного «радон у грунтових водах», від третього шару грунту, позначеного «Bedrock» і «Переломи основи», з другого шару, позначеного «радон у колодязних водах», і від верхнього шару, позначеного «радоном у грунті», до внутрішньої частини ділянки фундаменту. На меншому зображенні тулуба показана зелена стрілка для входу в носовий прохід людини і подорожі до легенів. Це має маркування «Вдихання продуктів розпаду радону». Невелика спіральна гвинтова структура поруч з тулубом позначена «альфа-частинкою» на одній ділянці, де вона має зоряний малюнок і «Радіаційне пошкодження D N A» на іншому сегменті. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Радон-222 просочується в будинки та інші будівлі з гірських порід, які містять уран-238, випромінювач радону. Радон потрапляє через тріщини в бетонних фундаментах і цокольних поверхах, кам'яні або пористі шлакоблочні фундаменти, а також отвори для водогазових труб.

Радон зустрічається в будинках по всій країні, кількість в залежності від того, де ви живете. Середня концентрація радону всередині будинків у США (1,25 PCI/л) приблизно втричі перевищує рівень, виявлений у зовнішньому повітрі, і приблизно в одному з шести будинків рівень радону досить високий, щоб рекомендувалися рекультиваційні зусилля щодо зниження концентрації радону. Вплив радону збільшує ризик захворіти на рак (особливо рак легенів), а високий рівень радону може бути таким же шкідливим для здоров'я, як куріння коробки сигарет на день. Радон є причиною номер один раку легенів у некурящих і друга провідна причина раку легенів в цілому. Вважається, що вплив радону спричиняє понад 20 000 смертей у США на рік.

Вимірювання радіаційного впливу

Для виявлення і вимірювання випромінювання використовується кілька різних пристроїв, включаючи лічильники Гейгера, сцинтиляційні лічильники (сцинтилятори) і дозиметри випромінювання (рис.\(\PageIndex{2}\)). Ймовірно, найвідоміший радіаційний прилад, лічильник Гейгера (його також називають лічильником Гейгера-Мюллера) виявляє та вимірює випромінювання. Випромінювання викликає іонізацію газу в трубці Гейгера-Мюллера. Швидкість іонізації пропорційна кількості випромінювання. Сцинтиляційний лічильник містить сцинтилятор - матеріал, який випромінює світло (люмінесси) при збудженні іонізуючим випромінюванням, і датчик, який перетворює світло в електричний сигнал. Дозиметри випромінювання також вимірюють іонізуюче випромінювання і часто використовуються для визначення особистого радіаційного опромінення. Зазвичай використовуваними типами є електронні, плівкові значки, термолюмінесцентні та кварцові волокна дозиметри.

Три фотографії показані та марковані «a», «b» та «c». Фото показує лічильник Гейгера, сидячи на столі. Він складається з металевої коробки з екраном для читання та дроту, що веде від коробки, підключеної до палички датчика. Фотографія b показує колекцію високих і коротких вертикальних труб, розташованих у групуванні, а фотографія c показує руку людини, яка тримає невелику машину з цифровим зчитуванням, стоячи на краю проїжджої частини. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Для вимірювання випромінювання можуть використовуватися такі пристрої, як (а) лічильники Гейгера, (б) сцинтилятори та (с) дозиметри. (кредит c: модифікація роботи «ОСаму» /Вікісховище).

Радіаційні пошкодження клітин

Збільшення використання радіоізотопів призвело до посилення занепокоєння з приводу впливу цих матеріалів на біологічні системи (наприклад, люди). Всі радіоактивні нукліди випромінюють високоенергетичні частинки або електромагнітні хвилі. Коли це випромінювання стикається з живими клітинами, воно може спричинити нагрівання, розірвати хімічні зв'язки або іонізувати молекули. Найбільш серйозні біологічні пошкодження призводять до того, що ці радіоактивні викиди фрагментують або іонізують молекули. Наприклад, альфа- і бета-частинки, що виділяються в результаті ядерних реакцій розпаду, володіють набагато вищими енергіями, ніж звичайні енергії хімічних зв'язків. Коли ці частинки вражають і проникають у речовину, вони виробляють іони та молекулярні фрагменти, які надзвичайно реактивні. Пошкодження, яке це завдає біомолекулам в живих організмах, може спричинити серйозні збої в нормальних клітинних процесах, податкуючи механізми відновлення організму і, можливо, спричинити хворобу або навіть смерть (рис.\(\PageIndex{3}\)).

Показано діаграму, яка має білу сферу, за якою слідує стрілка, спрямована вправо, і велика сфера, що складається з багатьох менших білих і зелених сфер. Єдина сфера вплинула на більшу сферу. Стрілка, спрямована вправо, веде від більшої сфери до пари менших сфер, які є колекціями тих же білих і зелених сфер. Візерунок зіркового вибуху лежить між цими двома сферами і має три стрілки, спрямовані вправо, що ведуть від нього до двох білих сфер, і коло, повний десяти менших кіл персикового кольору з фіолетовими крапками в їх центрах. Стрілка веде вниз від цього кола до коробки, яка містить гвинтову форму з зіркою біля її верхньої лівої сторони і позначено «D N A пошкодження». Стрілка, спрямована вправо, веде від цього кола до другого кола, з дев'ятьма меншими персиковими колами з фіолетовими крапками в їх центрах і одним повністю фіолетовим маленьким колом з написом «Ракова клітина». Стрілка, спрямована вправо, веде до кінцевого кола, на цей раз наповненого фіолетовими клітинами, яке позначено «Пухлина». — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Випромінювання може завдати шкоди біологічним системам, пошкоджуючи ДНК клітин. Якщо це пошкодження не буде належним чином відремонтовано, клітини можуть неконтрольовано ділитися і викликати рак.

Випромінювання може завдати шкоди або всьому організму (соматичне пошкодження), або яйцеклітин і сперматозоїдів (генетичне пошкодження). Його ефекти більш виражені в клітині, які швидко розмножуються, таких як оболонка шлунка, волосяні фолікули, кістковий мозок та ембріони. Ось чому пацієнти, які проходять променеву терапію, часто відчувають нудоту або хворіють на живіт, втрачають волосся, болять кістки тощо, і чому слід дотримуватися особливої обережності під час променевої терапії під час вагітності.

Іонізуюче проти неіонізуючого випромінювання

Існує велика різниця в величині біологічних ефектів неіонізуючого випромінювання (наприклад, світла і мікрохвиль) і іонізуючого випромінювання, викидів досить енергійних, щоб вибити електрони з молекул (наприклад, α і β частинок, γ променів, рентгенівських променів і високоенергетичних ультрафіолетове випромінювання) (рис.\(\PageIndex{4}\)).

<div даних MT-джерело = «1" — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Нижча частота, електромагнітне випромінювання нижчої енергії є неіонізуючим, а більш висока частота, більш висока енергія електромагнітне випромінювання іонізує.

Енергія, поглинена від неіонізуючого випромінювання, прискорює рух атомів і молекул, що еквівалентно нагріванню зразка. Хоча біологічні системи чутливі до тепла (як ми можемо знати, торкаючись гарячої печі або проводячи день на пляжі на сонці), перед тим, як будуть досягнуті небезпечні рівні, необхідна велика кількість неіонізуючого випромінювання. Іонізуюче випромінювання, однак, може спричинити набагато більш серйозні пошкодження, розриваючи зв'язки або видаляючи електрони в біологічних молекулах, порушуючи їх структуру та функцію. Пошкодження також може бути нанесено опосередковано, спочатку іонізуючи H ₂ O (найпоширенішу молекулу в живих організмах), яка утворює іон H ₂ O ⁺, який реагує з водою, утворюючи іон гідронію та гідроксильний радикал:

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Іонізуюче випромінювання може (а) безпосередньо пошкодити біомолекулу, іонізуючи її або розриваючи її зв'язки, або (б) створити іон H ₂ O ⁺, який реагує з H ₂ O, утворюючи гідроксильний радикал, який, в свою чергу, реагує з біомолекулою, спричиняючи пошкодження побічно.

Вплив тривалого радіаційного опромінення на організм людини

Ефекти випромінювання залежать від типу, енергії, розташування джерела випромінювання, а також тривалості опромінення. Як показано на малюнку\(\PageIndex{6}\), середня людина піддається впливу фонового випромінювання, включаючи космічні промені сонця та радону з урану в землі; випромінювання від медичного опромінення, включаючи сканування CAT, радіоізотопні тести, рентгенівські промені тощо; і невелика кількість радіації від іншої діяльності людини, такі як польоти на літаках (які бомбардуються збільшеною кількістю космічних променів у верхній атмосфері), радіоактивність від споживчих товарів, а також різноманітні радіонукліди, які потрапляють в наші тіла при диханні (наприклад, вуглець-14) або через харчовий ланцюг (наприклад, калій-40, стронцій-90 і йод-131).

Показано гістограму під назвою «Дози радіації та регуляторні межі, відкриті дужки, в міліремах, закриті дужки». Вісь Y позначається як «Дози в міліремах» і має значення від 0 до 5000 з перервою між 1000 і 5000, щоб вказати іншу шкалу до верхньої частини графіка. Вісь Y позначена відповідною кожному бару. Перший бар, виміряний до 5000 на осі Y, намальований червоним кольором і позначений «Ліміт доз річних ядерних працівників, відкрита дужка, N R C, закрита дужка». Другий бар, виміряний до 1000 на осі y, намальований синім кольором і позначений «Whole Body C T», тоді як третя смуга, виміряна до 620 на осі y, намальована синім кольором і позначена «Середній період U періоду S Річна доза». Четвертий бар, виміряний до 310 на осі y, намальований синім кольором і позначений «U період S природна фонова доза», тоді як п'ятий бар, виміряний до 100 на осі Y і намальований червоним кольором, читає «Річна публічна межа дози, відкрита дужка, N R C, закрита дужка». Шоста смуга, виміряна до 40 на осі y, намальована синім кольором і позначена «З вашого тіла», тоді як сьома смуга, виміряна до 30 на осі y і намальована синім кольором, читає «Космічні промені». Восьма смуга, виміряна до 4 на осі y, намальована синім кольором і позначена «Безпечна межа питної води, відкрита дужка, E P A, закрита дужка», тоді як дев'ятий бар, виміряний до 2.5 на осі y та намальований червоним кольором, читає «Трансатлантичний політ». Легенда на графіку показує, що червоний означає «Обмеження дози від N R C тире ліцензованої діяльності», а синій означає «Дози радіації». — \(\PageIndex{6}\)Малюнок Сумарне щорічне опромінення на людину в США становить близько 620 мрем. Різні джерела та їх відносні суми показані на цій гістограмі. (джерело: Комісія з ядерного регулювання США).

Короткочасна, раптова доза великої кількості радіації може викликати широкий спектр наслідків для здоров'я, від зміни хімічного складу крові до смерті. Короткочасний вплив десятків рем радіації, ймовірно, спричинить дуже помітні симптоми або захворювання; за оцінками, доза близько 500 rems має 50% ймовірність спричинити смерть жертви протягом 30 днів після впливу. Вплив радіоактивних викидів надає кумулятивний вплив на організм протягом життя людини, що є ще однією причиною, по якій важливо уникати будь-якого зайвого впливу радіації. Вплив на здоров'я короткочасного впливу радіації наведено в табл\(\PageIndex{2}\).

Таблиця впливу радіації на\(\PageIndex{2}\) здоров'я
Експозиція (rem)	Вплив на здоров'я	Час до початку (без лікування)
5—10	зміни хімії крові	—
50	нудота	годин
55	втома	—
70	блювота	—
75	випадання волосся	2-3 тижні
90	діарея	—
100	крововиливи	—
400	можлива смерть	протягом 2 місяців
1000	руйнування слизової оболонки кишечника	—
	внутрішня кровотеча	—
	смерть	1-2 тижні
2000	ураження центральної нервової системи	—
	втрата свідомості;	хвилини
	смерть	години в дні

Не можна уникнути деякого впливу іонізуючого випромінювання. Ми постійно піддаємося впливу фонового випромінювання з різних природних джерел, включаючи космічне випромінювання, гірські породи, медичні процедури, споживчі товари і навіть наші власні атоми. Ми можемо мінімізувати наше опромінення, блокуючи або екрануючи випромінювання, рухаючись далі від джерела та обмежуючи час опромінення.

Резюме

Визначається фонове випромінювання і перераховані різні джерела фонового випромінювання.
Ми постійно піддаємося впливу радіації з різних природних і людських джерел.
Різні прилади, включаючи лічильники Гейгера, сцинтилятори та дозиметри, використовуються для виявлення та вимірювання радіації, а також контролю радіаційного опромінення.
Іонізуюче випромінювання є найбільш шкідливим, оскільки воно може іонізувати молекули або порушувати хімічні зв'язки, що пошкоджує молекулу і викликає збої в процесах клітин. Він також може створювати реактивні гідроксильні радикали, які пошкоджують біологічні молекули і порушують фізіологічні процеси.

Автори та атрибуція

Template:ContribCK12
US Environmental Protection Agency
Template:ContribOpenStax
Template:ContribAgnewM