Радіоактивність та її біологічні наслідки. Вплив на організм людини шуму і вібрації

Людина, від народження перебуває в радіоактивному природному середовищі. Але надмірна радіація негативно впливає на ті органи людського організму, в яких відбувається активне ділення клітин, наприклад, на кровотворні. Імунні й захисні системи організму за опромінювання слабшають, що може призвести до прискорення старіння організму, виникнення онкологічних захворювань та генетичних порушень. Такі наслідки має вплив радіоактивного випромінювання на молекули ДНК і РНК.

Ясна річ, що ступінь захворювання залежить від дози опромінювання.

Основна фізична величина, яка характеризує радіоактивне джерело, — це кількість атомних розпадів за одиницю часу; така величина називається активністю, а її одиниця має назву беккерель (див. 1.2.2). Активність в один беккерель відповідає одному розпаду в секунду, . Однак у практиці радіаційних вимірювань ще й досі широко застосовують позасистемну одиницю кюрі — Сі (вимовляється «кі»). . Одиницею питомої активності радіоактивної речовини є беккерель на кілограм — .

Механізм дії радіації можна описати такою схемою.

Під впливом поглинутої енергії радіоактивного випромінювання в опроміненому об’єкті порушуються міжатомні зв’язки й накопичуються різні структурні зміни. Енергію випромінювання, поглинуту одиницею маси речовини, називають поглинутою дозою. За одиницю поглинутої дози в SI взято енергію іонізуючого випромі­нювання грей — Gу (Гр), яка дорівнює кількості поглинутої енергії в один J (джоуль) на один kg маси. Однак у сьогоднішній вітчизняній практиці значно частіше застосовується позасистемна одиниця — рад (rad). .

Потужність випромінювання визначається фізичною величиною — потужністю поглинутої дози, одиницею якої є грей за секунду (Gy/s; Гр/с). На практиці ще досить часто трапляється позасистемна одиниця . Шкали приладів старих конструкцій градуйовано саме в таких одиницях.

Найбільш широко відома позасистемна одиниця, яка застосовується в дозиметрії, це рентген — (R; Р). Фізична величина, якій відповідає одиниця «рентген», називається експозиційною дозою рентгенівського і g-випромінювання. У SI одиницею експозиційної дози є кулон на кілограм C/kg (Кл/кг). Експозиційна доза в C/kg показує, що сумарний заряд усіх іонів одного знака, які виникають під впливом іонізуючого випромінювання в 1 kg сухого повітря, дорівнює рентгену .

Для кількісної характеристики потужності експозиційної дози рентгенівського і g-випромінювання сьогодні ще широко застосовується позасистемна одиниця рентген за секунду, а також кратні й часткові від неї рентген за годину, мілірентген за годину. У системі SI рентгенові за секунду відповідає ампер на кілограм .

Наведені вище фізичні величини за своєю природою є суто енергетичними і не відтворюють належним чином тих біологічних наслідків, до яких призводить дія радіаційного випромінювання на живі організми. Знання лише поглиненої дози недостатнє для оцінки радіаційної небезпеки для людини. Тим більше, що в радіоактивній ситуації, оцінюючи поглинуту дозу, враховують передовсім зовнішнє g-опромінення, оскільки проникна здатність b- і особливо a-вип­ромінювання є незначною. Останнє повністю затримується одягом чи навіть верхнім шаром шкіри, але стає надзвичайно небезпечним, якщо з повітрям чи їжею до внутрішніх органів людини потрапляють плутоній і америцій, котрі випромінюють a-частки.

Для порівняння a- і b-випромінювання з біологічними ефектами від g-випромінювання і для оцінювання радіаційної небезпеки постійного випромінювання введено фізичну величину, так звану

еквівалентну дозу — Н, яка визначається як добуток поглинутої дози D на певний безрозмірний коефіцієнт (Q = 1…20), що враховує негативні біологічні наслідки залежно від різних видів малих доз опромінювання людини. У SI цій одиниці надано спеціальну назву — зіверт — Sυ (в українській транскрипції — Зв). Позасистемна одиниця — біологічний еквівалент рентгена — бер (1 бер = 10–2 Зв).

Для наочнішого уявлення про дію радіаційного випромінювання на організм наведемо деякі приклади з реального життя (подаються позасистемні одиниці фізичних величин, оскільки ними користуються у вітчизняних джерелах).

Наручний годинник, цифри на якому світяться, містить близько 0,3 мікрограма радіоактивної речовини. Доза g-опромінювання, яка проникає через задню стінку корпуса годинника, становить близько 0,1 рентгена за добу, чого не слід ігнорувати.

Радіоактивна речовина активністю в один кюрі, яка випромінює g-промені, на відстані в 1 m буде фіксуватися як доза радіоактивного випромінювання приблизно в один рентген за годину. Із цього випливає, що вимірювання в приміщенні чи на природі дози (чи фону) радіоактивного забруднення не дають гарантії, що навіть за доз близьких до фону (соті частки мілірентгена за годину), поруч відсутні небезпечні для здоров’я людини радіоактивні джерела.

Дія опромінювання на живий організм залежить не тільки від загальної кількості поглиненої дози випромінювання, а й від часу, за який її отримано. Одноразове опромінювання дозою в 100…200 R спричиняє променеву хворобу. Якщо ж цю дозу отримати протягом кількох років, такого не станеться (хоч зовсім без негативних наслідків не обійдеться). Природне фонове опромінювання людини на рік становить близько 100 мілібер, однак може значно коливатися (рис. 68).

Державні норми можливої дози опромінювання в СРСР становили для спецперсоналу 5 бер на рік, а для населення — 35 бер за 75 років (за все життя), але багато вчених вважають їх занадто великими. Безумовно, негативна дія конкретної дози опромінювання залежатиме також і від стану здоров’я, харчування, побутових умов, наявності шкідливих звичок (куріння, алкоголь).

Наведемо приклади конкретних доз опромінювання:

0,5 мілібера — щоденний 3-годинний перегляд ТВ програми протягом трьох років; 0,5 мікробера — перегляд одного кінофільму по ТВ;

2 мілібера — мандрівка літаком на відстань 2500 km;

100 мілібер — фонове опромінювання за рік (0,011 мілібера за годину);

370 мілібер — опромінювання під час флюорографії (те саме після викурювання 2 пачок сигарет);

3 бери — опромінювання за рентгенографії зубів;

до 30 бер — опромінювання (місцеве) за рентгеноскопії шлунку.

Рис. 68. Діаграма співвідношення (%) джерел радіаційного опромінювання мешканців Великобританії

Згідно з нормативами у військах колишнього СРСР (на 1990 р.), для умов бойового стану допустима експозиційна доза g-випромінювання становила (у мілірентгенах за годину)*:

броня бойових машин — 400;

поверхня автотранспорту — 200;

одяг і зброя військових — 50;

кухонний інвентар — 50;

м’ясо сире (туша) — 20;

вода (відро) — 4;

хліб, крупи — 1,5;

харчові продукти варені — 1,5.

У різних країнах гранично допустимі рівні іонізуючого опромінювання і концентрації радіоактивних речовин дещо різняться. Наведемо деякі з них. У воді відкритих водоймищ водопостачання і в повітрі Ci/l (Кюрі на літр):

Гранично допустимі рівні зовнішньої іонізуючої радіації, які відповідають дозі 100 мілібер за тиждень (або 5 бер за рік), такі:

Для g- і рентгенівських променів за енергії випромінювання до 3 МеV і дози за тиждень 100 мілірентген гранично допустима потужність дози становить 2,8 мілірентген за годину (час опромінювання 36 годин за тиждень). Раніше для працівників відповідних галузей допускалася одноразова доза 3 бери зовнішнього опромінювання один раз на квартал за умови, що річна доза не перевищуватиме 5 бер. Сумарна гранична доза D професійного опромінювання для працівника віком до 30 років визначається з формули:

,

де N — вік людини (роки), а 18 — вік початку професійного опромінювання.

За останнє десятиріччя в багатьох країнах допустиму сумарну дозу зменшено.

Наведемо найважливіші фізичні величини іонізуючого випромінювання.

Активність радіонуклідів (речовини) — (А). Визначальне рівняння: , де N — кількість розпадів радіоактивних атомів, t — час.

Розмірність: .

Одиниця: .

Назва одиниці — беккерель, позначення Bq (Бк). (Застаріла одиниця — кюрі, яка в більша за беккерель.)

Відповідно одиниці питомої і об’ємної активності — Bq/kg і Bq/m3.

Поглинута доза випромінювання (D). Визначальне рівняння: , де Е — енергія іонізуючого випромінювання, яка передається опромінюваному тілу, m — маса тіла.

Розмірність: .

Одиниця: .

Назва одиниці — грей (джоуль на кілограм), позначення Gy (Гр), застаріла одиниця — рад (rad, rd), яка дорівнює 0,01Gy.

Потужність поглинутої дози випромінювання . Визначальне рівняння: , де D — поглинута опроміненою речовиною доза випромінювання за час t.

Розмірність: .

Одиниця: .

Назва одиниці — грей за секунду (застаріла одиниця рад за секунду, яка в 100 раз менша за ).

Експозиційна доза рентгенівського і g-випромінювання (c).

Визначальне рівняння: , де Q — електричний заряд іонів одного знака, який виникає в сухому атмосферному повітрі за повного гальмування всіх вторинних електронів, утворених фотонами в повітрі; m — маса повітря, в якому утворені іони рентгенівським та g-випромінюванням.

Розмірність: .

Одиниця: .

Назва одиниці — кулон на кілограм. Застаріла одиниця — рентген, яка дорівнює .

Потужність експозиційної дози рентгенівського випромінювання. Визначальне рівняння: , де c — експозиційна доза випромінювання, передана сухому атмосферному повітрю за час t.

Розмірність: .

Одиниця: .

Назва одиниці — ампер на кілограм.

Ампер на кілограм дорівнює потужності експозиційної дози рентгенівського чи g-випромінювання, коли за секунду передається експозиційна доза випромінювання в .

Позасистемні одиниці — рентген за секунду дорівнює , а також рентген за хвилину (годину) та часткові від рентгена: мілірентген і мікрорентген.

Еквівалентна доза випромінювання (Н) — уведено для оцінки радіоактивної небезпеки постійного опромінювання.

Визначальне рівняння: , де D — доза випромінювання, — безрозмірний середній коефіцієнт якості, який ураховує тяжкість біологічних наслідків опромінення організму малими дозами різними видами випромінювань. Для різних умов .

Розмірність: .

Одиниця: .

Одиниці еквівалентної дози надане найменування зіверт з позначенням Sυ (Зв). Зіверт дорівнює еквівалентній дозі випромінювання, за якої поглинута доза дорівнює 1 Gy за .

Позасистемна одиниця еквівалентної дози — бер (біологічний еквівалент рентгена) . Англійське позначення — rem.

Потужність еквівалентної дози випромінювання , якій відповідає одиниця . Застаріла одиниця — бер за секунду (ber/s).

У природних умовах вплив невеликих доз радіації на організм існував завжди. Наявність радіоактивного ізотопу вуглецю С–14 у складі діоксиду вуглецю (СО2) в атмосфері зумовлювала його міграцію через процес фотосинтезу в організм тварин, а пізніше і людини.

Іншим, більш потужним, джерелом радіоактивного впливу є хімічний елемент радон (Rn), який утворюється внаслідок радіоактивного розпаду урану в надрах землі і у вигляді газу надходить у атмосферу.

Науці відомі і явища природних «атомних вибухів» у земній корі. Як стверджують, така найбільша радіаційна катастрофа відбулася близько 10 000 років тому на африканському континенті. Людська популяція певного регіону зазнала потужного опромінювання. Деградація генотипу людини тривала понад 1000 років. Радіаційні процеси, що відбувалися в організмі людини, спричинилися з одного боку до мутагенезу й утворення нового генотипу, а з іншого стали причиною загибелі переважної більшості людської популяції. Натомість опромінені мутанти вже ніколи не стали людьми.

Сучасна наука стверджує, що людиноподібні мавпи — шимпанзе, які успадкували деякі зовнішні ознаки своїх давніх предків — людей, є сучасними нащадками колишніх свідків таких катастроф.

Складну радіаційну історію має й Україна, у надрах якої великі поклади урану й інших радіоактивних елементів*. Про це свідчить унікальне явище: глибоководні шари Чорного моря у верствах, що відповідають періодам 7200, 5000, 3400 і 3000 років тому, накопичили мільйони тонн урановмісних мінералів, змитих з причорноморського водозбору сучасної території України (у ті часи Дунай у Чорне море ще не впадав, а Кавказ віддавав стік в основному Курі, що впадала в Каспій; територія Туреччини теж залишалась поза потужними радіаційними процесами).

Найбільша радіаційна природна катастрофа відбулася на території нашої країни 7200 років тому, уже після останнього льодового періоду. У похованнях людей тієї доби спостерігаються масивні деформовані кістки з ознаками тяжких хвороб, мутацій та деградацій організму, хоча то був найбільш оптимальний для комфортного існування період — Атлантичний. Лише через 1000 років мутанти поступово зникли і запанували люди з неушкодженими радіацією генами.

Не варто нині забувати уроки далеких часів!

Вплив на організм людини шуму і вібрації

Із розвитком техніки природні шуми збагачувались різноманітними звуками техногенного походження, сила яких постійно зростає. Надмірне звукове навантаження на людський організм спричиняє розлад слухової і нервової систем, а також серцеві захво­рювання.

Шум від різних джерел характеризується фізичною величиною генерації звукових хвиль у повітрі — частотою коливань за секунду. Назва одиниці фізичної величини — герц, позначення — Hz (Гц). 1 Hz = 1 коливання за секунду. Найнижчі звуки (інфразвук) < 20 Hz; звуки, які нормально сприймаються людиною (акустичні), — ; ультразвук — і гіперзвук — . Фізіологічно негативним для людини є діапазон , за якого відбувається резонанс деяких органів людського організму. Це породжує хворобливі нервово-психологічні явища, супроводжується відчуттям жаху. Шкідливі також звуки понад 1 MHz.

Рівень шуму, а точніше рівень звукового тиску, вимірюється децибелами (dB дБ). Децибел — десятикратний десятковий логарифм відношення інтенсивності звукової енергії до її порогового значення. Людське вухо сприймає звук у надзвичайно широкому діапазоні інтенсивності хвильової енергії, яка різниться в 1010 розів. Але ультра- і інфразвуки шкідливі для людського організму. Для людини практично нешкідливі шуми в 20…30 дБ (сільська місцевість, читальний зал), допустимі — 80 дБ (салон автомобіля чи приміщення машбюро, автомагістралі). Більш інтенсивні звуки 100…140 дБ (оркестр Hеavi metal, шум потужного трактора, турбіни реактивного літака на відстані 30 m).

Постійна дія на людину потужних шумів значно знижує її працездатність і стійкість до інфекційних захворювань.

За останні десять—п’ятнадцять років інтенсивність шуму у великих містах збільшилась на 20 дБ. Не менш шкідливими для здоров’я людини є вібрації — механічні коливання матеріальних систем частотою понад одне коливання за секунду, тобто понад 1 Hz (1 Гц). З нею ми зустрічаємося в транспорті, на виробництві і в побуті.

Для запобігання нещасним випадкам людина має дотримуватись певних правил техніки безпеки і бути уважною до попереджувальних знаків, які інформують про наявність небезпечних для здоров’я речовин чи об’єктів (рис. 69).

Рис. 69. Попереджувальні знаки, які використовують на упаковці хімікатів і небезпечних речовин (1); на дверях робочих приміщень, складів, лабораторій тощо (П)

1. Технологічний прогрес, якщо люди й далі ігноруватимуть його негативні наслідки, стане загрожувати самій цивілізації.

2. Екологічні проблеми можуть бути розв’язані тільки в оптимальному балансі з економічними й соціальними проблемами суспільства на базі сучасної науки і гуманітарної концепції загальнолюдських цінностей і моральності людини.

3. У короткотерміновому плані найбільш відчутною екологічною проблемою є проблема забезпечення якісною прісною водою. Далі на людство чекає інша небезпека — суцільне техногенне забруднення атмосфери і океану, яке вже сьогодні дається взнаки.

4. Практично безвідхідних промислових технологій не існує, навіть за випікання хліба виділяється токсична речовина — фурфурол (на щастя, у мізерній кількості).

5. Для свідомого сприймання інформації про шкідливий вплив технологічних систем на природу спеціалістам усіх галузей знань необхідно бути достатньо обізнаними з природничими і гуманітарними дисциплінами.

6. У найближчій перспективі (до 2050 р.) сучасний рівень використання енергії суспільством на 70—90% можна забезпечити тільки традиційними енергоносіями: передовсім вугіллям, а також нафтою, газом і ураном.

7. Одним з ефективних напрямків розв’язання екологічних проблем сучасної людини має стати добровільне обмеження споживання енергії і матеріалів і виділення достатніх коштів на формування економіки збалансованого природокористування.

8. Сподівання футурологів на розв’язання засадних екологічних і економічних проблем уже в перші десятиріччя ХХІ ст. за рахунок принципово нових енергогенеруючих засобів, на жаль, не виправдалися. Енергозбереження — нині головне гасло людства!

Література

1. Колотило Д. М. К 61 Екологія і економіка: Навч. посібник. — К.: КНЕУ, 1999.

* Дані запозичено з інструкції до застосування дозиметра ДП-5В.

* Див. Українська газета. — 1999. — 11 берез. — № 5 (153).