Ekosvit

Усе живе на Землі існує й розвивається у світі випромінювань. Міжнародний термін “радіація” (випромінювання) походить від латинського слова radiatio – промінь, радіус. Від сполучення слів radiatio й activus – діючий – утворилось слово “радіоактивність”. Під радіоактивністю розуміють здатність речовин, які містять певні елементи, самочинно (спонтанно), без зовнішнього впливу, випускати проміння, яке не має ні кольору, ні смаку, ні запаху. Людські органи чуття на нього не реагують.
Випромінювання поділяють на корпускулярне  і електромагнітне. До корпускулярного випромінювання відносять прискорені елементарні частинки – насамперед, електрони, протони, нейтрони, нейтрино тощо, а також ядра гелію (α-частинки), ядра та іони інших елементів.
Електромагнітне випромінювання (ЕМВ) має дуже широкий енергетичний спектр. В залежності від енергії, відповідно частоти і довжини хвиль ЕМВ поділяють на радіохвилі, інфрачервоне випромінювання, електромагнітні хвилі оптичного діапазону, ультрафіолетове випромінювання,  рентгенівські промені і γ –кванти (Таблиця 1).

Таблиця 1. Спектр електромагнітного випромінювання
Найменування випромінювання    Діапазон довжин хвиль, м    Полоса частот, ГЦ

Радіохвильове
Вкрай низькочастотне    108 - 107    3-30
Наднизькочастотне    107 – 106    30-300
Інфранизькочастотне    106 – 105    300-3000
Дуже низькочастотне    105 – 104    3*(103-104)
Низькочастотне    104 – 103    3*(104-105)
Середньочастотне    103 – 102    3*(105-106)
Високочастотне    102 – 10    3*(106-107)
Дужевисокочастотне    10 – 1    3*(107-108)
Ультрависокочастотне    1 – 10-1    3*(108-109)
Надвисокочастотне    10-1 – 10-2    3*(109-1010)
Украй вісокочастотне    10-2 – 10-3    3*(1010-1011)
Інфрачервоне
Далеке    10-3 – 5*10-5    3*1011 – 6*1012
Середнє    5*10-5 –2,5*10-6    6*1012 – 1,2*1014
Ближнє    2,5*10-6 – 7,6*10-7    (1,2 – 3,95)*1014
Оптичне
Червоне    (7,6 – 6,2)*10-7    (3,95 – 4,1)*1014
Жовтогаряче    (6,2 – 5,9)*10-7    (4,8 – 5,1)1014
Жовте    (5,9 – 5,8)*10-7    (5,1 – 5,2)*1014
Зелене    (5,8 – 5,1)*10-7    (5,2 – 5,9)*1014
Блакитне    (5,1 – 4,8)*10-7    (5,9 – 6,3)*1014
Синє    (4,8 – 4,5)*10-7    (6,3 – 6,7)*1014
Фіолетове    (4,5 – 4,0)*10-7    (6,7 – 7,5)*1014
Ультрафіолетове
Довгохвильове    (4,0 – 3,2)*10-7    (7,5 – 9,4)*1014
Середньохвильове    (3,2 – 2,8)*10-7    (9,4 – 10,7)*1014
Короткохвильове    (2,8 – 1,8)*10-7    (1,07 – 1,7)*1015
Вакуумне    (20 – 1,0) *10-8    (1,7 – 10)*1015
Рентгенівське
М’яке    (100 – 0,2) *10-9    (1015 – 1018)
Жорстке    (200 – 1,0) *10-12    (1018 – 1020)
Гама    10-10  – 10-14    (1016 - 1021)
За походженням розрізняють природне і штучне випромінювання. До природних випромінювань відносять сонячну радіацію, космічні промені, радіоактивне випромінювання елементів земної кори, гідро- і атмосфери. До штучних випромінювань відносять радіоактивні випромінювання ізотопів, які отримано людиною за допомогою ядерних технологій. До техногенного впливу радіації на біосферу слід віднести також викиди теплових електростанцій, металургійних комбінатів тощо які містять поряд з іншими негорючими частинками золи природні радіоактивні елементи.
За механізмом дії на речовину випромінювання поділяють на іонізуюче і неіонізуюче. До іонізуючого випромінювання відносять будь-яке випромінювання, внаслідок взаємодії якого з речовиною виникають іони. Всі корпускулярні випромінювання, а також γ-кванти, рентгенівське та ультрафіолетове випромінювання є іонізуючими. До неіонізуючих відносять ЕМВ з енергіями, які менше енергії зв’язку електронів в атомі, тобто які неспроможні викликати іонізацію атомів (оптичного, інфрачервоного та радіо діапазонів). В основі механізму дії іонізуючого випромінювання на живі клітини лежить передача енергії випромінювання електронам та ядрам атомів біомолекул, а також іонізація (радіоліз) води.
В основі механізму дії неіонізуючого випромінювання лежить вплив електромагнітних (ЕМ) хвиль на електромагнітні процеси, що відбуваються в клітині і організму у цілому. Біологічна дія ЕМ поля була виявлена окремо французьким фізіологом Жаком Арсеном д’Арсонвалем та американським (сербським за походженням) фізиком і винахідником Николою Теслою вже через три роки після його отримання Генріхом Герцем у 1888 р. Слабкі за потужністю радіохвилі у певному діапазоні частот позитивно впливають на організм людини. Ж.А. д’Арсонваль запропонував один з перших методів електротерапії, якій успішно використовується досі. Взаємодія ЕМВ з біологічним об’єктом – процес надзвичайно складний і залежить від багатьох чинників: спектрального діапазону, потужності, часу опромінення і т.д. Під час Другої світової війни було виявлене пригнічення кровотворення (анемія) в операторів потужних радіолокаторів. Джерела неіонізуючого випромінювання – генератори ЕМ коливань оптичного і радіодіапазонів, радіо та телевізійні станції, засоби радіозв’язку (в тому числі мобільні), побутові прилади, які використовують і генерують високочастотні ЕМ коливання тощо. За минулі понад100 років питанню про вплив ЕМ поля на живі організми була присвячена велика кількість досліджень. Встановлено, що мікрохвильова радіація може засліпити, вплинути на психіку, викликати генетичні порушення і навіть погубити. В багатьох країнах були введені норми гранично допустимих доз опромінення (Вт/м2). В наш час джерела ВЧ випромінювання все ширше використовуються в техніці і побуті. Існує думка, що людство наближається до небезпечної межі електромагнітного забруднення навколишнього середовища. Тому ці дослідження є актуальними і мають відкрити нам ще багато таємниць щодо функціонування і взаємодії клітин і органів живих організмів.
З точки зору сучасних знань щодо екологічної безпеки довкілля найбільш впливовою є іонізуюча радіація. Розділ екології, який вивчає розподіл і міграцію радіонуклідів (радіоактивних ізотопів) у біосфері, їх накопичення живими організмами і саме вплив іонізуючої радіації (від зовнішніх і внутрішніх джерел) на організм та екосистеми, прийнято називати радіаційною екологією.
Проходження крізь речовину фотонів ультрафіолетового, рентгенівського та γ- випромінювання, потоків нейтронів, електронів чи прискорених ядер елементів супроводжується поглинанням частини їх енергії речовиною. В радіобіології виконується принцип, згідно з яким тільки  та частина енергії випромінювання, яка поглинається даною речовиною, може викликати зміни в ній, відбита ж чи розсіяна, або енергія, яка пройшла крізь речовину, ніякого впливу на неї не чинить (принцип Крістіана Гротгуса, 1818). Виділення енергії при проходженні іонізуючих частинок крізь речовину відбувається в окремих рідко розташованих мікрооб’ємах, оскільки обмін енергією між фотонами випромінювання та атомами поглинача має дискретний, імовірнісний характер. Є зони, де радіація взагалі не передає енергії речовині і ці області як би “не знають”, що вони опромінені і зазнають тільки вторинної дії від тих змінених структур, які поглинули енергію.
γ-випромінювання – це короткохвильове електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі <0,1нм, що виникає при розпаді радіоактивних ядер, переході ядер із збудженого стану в основний, при взаємодії швидких заряджених частинок із речовиною, анігіляції (взаємне зникнення) електронно-позитронних пар тощо.
Поглинення енергії γ-квантів речовиною зумовлене такими ефектами:
1.    Фотоефект – квант опромінювання вибиває електрон, найчастіше з зовнішньої електронної оболонки атома і повністю передає йому свою енергію. Цей ефект є основним при енергії кванта меншій 0,2-0,5 МеВ. Вивільнений електрон – фотоелектрон – отримує кінетичну енергію, яка дорівнює енергії кванта за відрахуванням енергії зв’язку електрона з відповідним атомом або молекулою.
2.    Ефект Комптона – квант віддає електрону не всю, а лише деяку частину своєї енергії і продовжує рухатися в новому напрямку і з меншою енергією. Комптон-ефект є основним в діапазоні енергій 0,3-1,5 МеВ.
3.    Ефект утворення електрон-позитронної пари виникає при взаємодії кванта з ядерними полями. Граничною енергією утворення пари є 1,022 МеВ - подвійна маса спокою електрона в енергетичних одиницях (за формулою Ейнштейна Е = mc2).  Надлишок енергії γ-кванта переходить у їх кінетичну енергію. Імовірність народження електрон-позитронної пари зростає із збільшенням енергії кванта і є пропорційною квадрату заряду атомів речовини. В біологічних об’єктах цей ефект виражений менше, ніж у важких металів (залізо, свинець, вісмут), оскільки середній атомний номер компонентів біотканин має малі значення (менше 40).

Ослаблення інтенсивності І γ-випромінювання при проходженні крізь речовину визначається формулою (Закон поглинання):
І = І0exp{-μd}, (1)

де І0 = n0Eγ – вихідне значення інтенсивності потоку випромінювання, який падає на поглинач, n0 - кількість γ-квантів, що падає на одиницю поверхні поглинача за одиницю часу, Eγ – енергія γ-квантів,
І – інтенсивність потоку γ- випромінювання після проходження поглинача,
d – товщина поглинача,
μ – лінійний коефіцієнт ослаблення потоку γ-квантів речовиною.
Товщину шару матеріалу, потрібного для зменшення інтенсивності в два рази, називають півтовщиною d1/2. З формули (1) можна отримати
d1/2 = ln2/μ = 0,693/μ        (2)

Коефіцієнт ослаблення μ залежить від енергії випромінювання і властивостей матеріалу, який служить поглиначем (Таблиця 2).

Таблиця 2. Значення лінійних коефіцієнтів ослаблення μ для різних матеріалів в залежності від енергії γ-квантів (1/см).
W, MeB    0,1    0,5    1,0    2,0    4,0    8,0
Свинець    65,0    1,80    0,798    0,518    0,472    0,519
Вода    0,171    0,0996    0,0279    0,0493    0,0340    0,0242
Алюміній    0,455    0,227    0,165    0,116    0,0834    0,0651
Залізо    2,91    0,661    0,471    0,334    0,260    0,233
Графіт    0,342    0,196    0,143    0,0999    0,0684    0,0482
Повітря    2,00х10-4    1,20х10-4    3,21х10-5    5,74х10-5    3,98х10-5    2,87х10-5
Якщо узяти з цієї таблиці значення μ для даної енергії та даної речовини, то за формулою (2) можна обчислити d1/2. Так, для ослаблення в 2 рази випромінювання енергією 1 МеВ потрібний шар свинцю приблизно 0,9 см, води – 25 см і т.д. У повітрі γ-випромінювання може поширюватися на сотні метрів. Через велику проникну здатність γ-випромінювання є найважливішим чинником вражаючої дії при зовнішньому опроміненні.
β-випромінювання – це потік електронів, які вилітають з ядра з швидкістю, близькою до швидкості світла. Їх енергія коливається для різних радіоактивних ізотопів в широких межах – від 10 кеВ до 3,5 МеВ. Розподіл випромінюваних електронів за енергіями має назву β-спектру. Загальні властивості β-спектрів – неперервність та наявність максимальної енергії, тобто наявність електронів з енергіями від нуля до якогось певного максимального значення. Саме на підставі цих властивостей β-спектрів швейцарський фізик Вольфганг Паулі в 1930 р. передбачив існування надлегкої матеріальної частинки – нейтрино. Теорія β-розпаду була створена у 1934 р. італійським фізиком Енріко Фермі.
Закон поглинання (1) в доброму наближенні виконується і для β-променів. В процесі проходження крізь речовину швидкі електрони втрачають свою енергію внаслідок взаємодії з електричними полями електронів (відштовхування і можлива іонізація) та ядер (гальмування з відповідним випромінюванням і зміна напрямку руху). У процесі іонізації утворюються дві заряджені частинки: позитивний іон (або атом, що втратив електрон з зовнішньої оболонки) і вільний електрон. При кожному акті взаємодії можуть бути відірвані один чи кілька електронів. Енергія, яка витрачається на утворення однієї пари іонів у газі, практично не залежить від енергії заряджених частинок у широкому інтервалі енергій. Енергія утворення однієї пари іонів у повітрі дорівнює у середньому 35 еВ для α-частинок, 34 еВ – для β-частинок і 33 еВ – у біотканинах. Робота іонізації (енергія зв’язку електрона в атомі) дорівнює 10-17 еВ в залежності від матеріалу. Середні витрати на утворення однієї пари іонів виявляються у 2-3 рази більшими за рахунок того, що швидка частинка одночасно з утворенням однієї пари іонів втрачає енергію на збудження 2-3 сусідніх атомів. Мінімальна товщина поглинача, необхідна для повного поглинання енергії зарядженої частинки, називається лінійним пробігом. Пробіг зарядженої частинки певної енергії в різних речовинах є зворотно пропорційним концентрації електронів у поглинаючому середовищі.
При зовнішньому опроміненні організму на глибину близько 1мм проникає 20-25% β-частинок. Тому зовнішнє β-опромінення являє собою серйозну небезпеку, особливо якщо β-радіоактивна речовина потрапляє безпосередньо на шкіру людини (зокрема, в очі), або в середину організму. На практиці β-промені повністю поглинаються віконним чи автомобільним склом, металевими екранами товщиною в 1-5 міліметрів. Одяг поглинає до 50% β-частинок. β-частинка з енергією 3 МеВ пролітає в повітрі до 15 см, в біологічній тканині – до 12 мм, в алюмінію – до 5 мм.
α-випромінювання – це потік ядер гелію, які залишають ядра радіоактивних ізотопів (здебільше, це ядра важких елементів із масовими числами А>200 і зарядом Z>82)  із швидкістю 15-20 тис. км/с. Їх енергія становить від 2 до 9 МеВ. Маючи подвійний електричний заряд і значну атомну масу, α-частинки можуть інтенсивно взаємодіяти з електричними та магнітними полями атомів у речовині. Проникна здатність α-частинок дуже мала – в повітрі довжина пробігу становить 8-9 см, а в біологічній тканині – 0,02 – 0,06 мм. Вони повністю поглинаються листом паперу чи роговим шаром шкіри людини. Отже, α-частинка витрачає свою енергію на дуже короткому шляху пробігу, іонізуючи при цьому досить значну кількість атомів речовини. Оскільки α-частинки порівняно з іншими іонізуючими чинниками мають найбільшу іонізуючу, але найменшу проникну здатність, то зовнішнє опромінення ними практично нешкідливе, зате їх попадання всередину організму може виявитись дуже небезпечним для людини.
При дослідженні закономірностей взаємодії заряджених частинок із середовищем і виникаючих при цьому радіобіологічних ефектів важливим параметром є лінійна гальмівна здатність S, чи лінійна передача енергії (ЛПЕ), тобто енергія, яку втрачає частинка на одиниці довжини її шляху вздовж її траєкторії:
S = dE/dl,                        (3)

де dE  - енергія, яку втрачає заряджена частинка при проходженні елементарного шляху dl у речовині. Вздовж трека зарядженої частинки значення S, ЛПЕ і кількість іонів збільшуються, досягаючи максимуму наприкінці пробігу. Повна іонізація, яку створює  α-частинка, дорівнює 120-250 тис. пар іонів. Питома іонізація змінюється від 25 до 60 тис. пар іонів на 1 см шляху у повітрі. Довжина пробігу електронів з такою же енергією, що і у α-частинки, є значно більшою - приблизно у 1000 разів.
Протони, які мають один позитивний заряд і масу у 4 рази меншу за α-частинку, характеризуються на порядок більшою довжиною пробігу і меншими значеннями ЛПЕ (у 10-100 разів). У природі і техніці практично значущих джерел протонів не існує (крім спеціальних прискорювачів протонів). Небезпеку для живих організмів несуть протони віддачі, які утворюються у тканинах при опроміненні їх нейтронами.
Нейтронне випромінювання, не маючи електричного заряду, все ж може непрямим шляхом спричинити іонізацію атома чи молекули. Відбувається це за рахунок ефектів, які пов’язані з різними типами взаємодії нейтронів з ядрами. Характер взаємодії може бути пружнім чи непружнім. За механізмом пружного розсіяння максимальну кількість нейтронного випромінювання поглинає водень. Тому для екранування нейтронних джерел використовують не свинець, а матеріал, багатий на водень, наприклад, воду, парафін. Біологічні тканини містять велику кількість водню, тому при опроміненні нейтронами в них з’являються іонізовані ядра водню, які мають значний запас кінетичної енергії, так звані “протони віддачі”. Маючи електричний заряд, вони можуть взаємодіяти з електричними оболонками атомів, спричиняючи їх іонізацію. Таким чином пружне розсіяння нейтронів у біологічних тканинах можна розглядати як спосіб генерації в глибіні біологічного об’єкта протонного випромінювання. В біологічних тканинах нейтрони з енергією від 20 до 0,5 МеВ передають протонам віддачі відповідно від 78 до 96% своєї енергії.
Іонізація нейтронами можлива і при їх непружньому розсіянні, коли частина енергії нейтрона витрачається на надання зустрічному ядру запасу кінетичної енергії, а решта йде на збудження цього ядра. Збуджене ядро переходить в основний стан, випускаючи один чи кілька γ-квантів, які вже іонізують атоми. Непружнє розсіяння стає можливим при енергії нейтронів більшій за кілька МеВ. Внаслідок, окрім ядер віддачі, здатних до прямої іонізації, виникають γ-кванти, про які йшлося вище.
При низьких значеннях швидкостей нейтронів стає ймовірним ефект радіаційного захоплення нейтрона ядром. Результатом є утворення високозбудженого ядра з коротким часом життя, яке набуває стабільного стану з випусканням γ-квантів, протона або α-частинки. Якщо нейтрон захоплюється легким ядром, наприклад, водню, випромінюється γ-квант, а якщо – проміжним або важким ядром, можливе випускання протонів чи α-частинок. При захопленні нейтрона ядром азоту, утворюється вуглець та водень. Така реакція відбувається у верхніх шарах атмосфери і відіграє велику роль у накопичені вуглецю в біосфері Землі. Серед елементів, які становлять основну частку біологічних тканин, радіаційне захоплення повільних нейтронів притаманне атомам водню та азоту, результатом чого є утворення високо енергетичних  γ-квантів і протонів. При опроміненні біологічного об’єкту швидкими нейтронами спочатку відбуваються пружні співудари і вибиваються ядра віддачі. Після кількох пружних зіткнень енергія нейтронів зменшується і вони переходять в розряд повільних. Тепер переважаючим стає процес радіаційного захоплення з випусканням вторинного опромінення. Таким чином, опромінення завершується появою протонів віддачі, збурених ядер інших елементів та γ-випромінювання. З усього наведеного видно, яку величезну небезпеку для всього живого являє опромінення нейтронами.

Tags: випромінювання, електромагнітне, електрон, ефект Комптона, запах, колір, корпускулярне, нейтрино, нейтрон, парафін, природний, проміння, протон, радіація, радіоактивність, спектр, фотоефект, штучний, ядерний