Основы радиационной и химической безопасности

И.М. ОБОДОВСКИЙ

ОСНОВЫ РАДИАЦИОННОЙ И 
ХИМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

И.М. Ободовский
Основы радиационной и химической безопасности: Учебное пособие / И.М. Ободовский  – Долгопрудный: Издательский Дом
«Интеллект», 2013. – 304 с.

Понимание природы реальных источников опасности и правил реагирования на них – необходимый элемент современной цивилизации и культуры. В
учебном пособии впервые совместно на единой биофизической основе рассмотрены вопросы радиационной и химической безопасности. Особое внимание уделено малым дозам как радиации, так и химических веществ.
Изучение влияния малых доз на организм поднимает важнейшие научные и
практические вопросы механизма воздействия, существования порогов воздействия, а также области гормезиса. В механизмах воздействия ионизирующих излучений и химических веществ есть много общего. Также много общего
в методологии исследований и в способах обработки результатов. Наконец, в
большинстве случаев совпадает окончательный эффект воздействия.
Книга предназначена студентам, аспирантам и специалистам в области физики, химии, биологии, экологии и большого спектра междисциплинарных
наук. Она может использоваться специалистами как справочное пособие по
поиску источников более детальной информации по специальным вопросам
радиационной и химической безопасности. Интересующиеся проблемами безопасности жизнедеятельности также могут найти здесь много полезных сведений.

      © 2013, И.М. Ободовский
       © 2013, ООО Издательский Дом
«Интеллект», оригиналмакет,
оформление

ISBN 9785915591485

ISBN 9785915591485

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7

Глава 1. Некоторые сведения из ядерной физики . . . . . . . .
13

1.1. Особенности процессов в микромире . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
1.2. Строение ядра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
1.3. Радиоактивный распад и радиоактивные излучения . . . . . . . . . .
16
1.4. Закон радиоактивного распада . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
1.5. Радиоактивные семейства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
1.6. Рентгеновское излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
1.7. Взаимодействие радиоактивных излучений с веществом . . . . . . .
24
1.7.1. Удельная передача энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
1.7.2. Многократное рассеяние . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
1.7.3. Пробеги частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
1.7.4. Взаимодействие гамма-квантов с веществом . . . . . . . . . . .
31
1.7.5. Взаимодействие нейтронов с веществом . . . . . . . . . . . . . .
33
1.8. Элементы дозиметрии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
1.8.1. Дозы и мощность дозы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
1.8.2. Связь радиометрических и дозовых величин. . . . . . . . . . .
36
1.8.3. Микродозиметрия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
1.9. Регистрация частиц. Дозиметры и радиометры . . . . . . . . . . . . .
38
1.10. Естественный радиационный фон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
1.10.1. Космическое излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
1.10.2. Земная радиация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
1.10.3. Некоторые особые радионуклиды . . . . . . . . . . . . .
43

Глава 2. Некоторые сведения из биологии . . . . . . . . . . . . .
47

2.1. Строение клетки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
2.1.1. Прокариоты и эукариоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
2.1.2. Ядро, хромосома, ДНК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50

Оглавление

2.1.3. Упаковка хромосом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
2.1.4. РНК. Мембраны. Цитоплазма. Рибосома . . . . . . . . . . . . .
57
2.2. Генетические процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
60
2.2.1. Митоз. Мейоз. Клеточный цикл . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
2.2.2. Репликация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
2.2.3. Синтез белков. Транскрипция и трансляция . . . . . . . . . . .
67
2.2.4. Репарация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
69
2.2.5. Рекомбинация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
2.2.6. Генетический код . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
2.3. Нарушения в генетическом аппарате. Мутации . . . . . . . . . . . . .
72
2.3.1. Типы мутаций. Мутации в генах управления. Апоптоз — как
один из видов реакции на мутации . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
2.3.2. Образование мутаций. Спонтанные мутации. Действие излучений. Действие химических веществ. Вирусы . . . . . . . . . .
77
2.4. Канцерогенез . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
2.5. Рак и возраст . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
88

Глава 3. Количественные методы оценки воздействия
радиационных и химических факторов на человека . . . .
94

3.1. Вычисление риска . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
95
3.2. Верификация тестов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
101
3.3. Пробит-анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
104

Глава 4. Действие ионизирующих излучений
на биологические структуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
109

4.1. Физическая стадия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
109
4.1.1. Структура трека . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
111
4.2. Физико-химическая стадия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
114
4.2.1. Термализация электронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
114
4.2.2. Сольватация, гидратация, автолокализация — поляроны . .
115
4.2.3. Свободные радикалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
116
4.2.4. Захват электронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
117
4.2.5. Рекомбинация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
120
4.2.6. Повышение температуры в области трека. . . . . . . . . . . . .
122
4.2.7. Люминесценция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
122
4.2.8. Реакции радиолиза воды физико-химической стадии . . . . .
123
4.3. Химическая стадия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
124
4.3.1. Продолжение реакций радиолиза воды . . . . . . . . . . . . . .
125
4.3.2. Выход продуктов радиолиза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
126
4.3.3. Радиолиз водных растворов ДНК . . . . . . . . . . . . . . . . . .
127
4.3.4. Радиолиз водных растворов белков . . . . . . . . . . . . . . . . .
127

Оглавление
5

4.4. Биологические эффекты действия излучений . . . . . . . . . . . . . .
128
4.4.1. Радиобиологический парадокс. Прямое действие . . . . . . . .
128
4.4.2. Косвенное действие. Действие свободных радикалов. Кислородный эффект. Другие молекулы (кроме воды) в роли посредников. Радиотоксины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
132
4.4.3. Внемишенные эффекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
136
4.4.4. Выживаемость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
138
4.4.5. Зависимость воздействия излучения от ЛПЭ . . . . . . . . . .
146
4.4.6. Радиочувствительность тканей, органов, организмов . . . . .
147
4.4.7. Отдаленные последствия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
149
4.5. Лучевая болезнь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
150
4.6. Радон и внутреннее облучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
156
4.6.1. Свойства радона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
156
4.6.2. Поступление радона в атмосферу . . . . . . . . . . . . . . . . . .
158
4.6.3. Воздействие радона на здоровье . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
161

Глава 5. Действие химических веществ на биологические
структуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
165

5.1. Химические вещества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
165
5.1.1. Регистры химических веществ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
165
5.1.2. Интенсивное развитие химии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
166
5.1.3. Воздух. Открытый воздух. Воздух в помещениях . . . . . . .
169
5.1.4. Вода. Озеро Эри. Рейн — бывшая сточная канава Европы .
174
5.1.5. Пища . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
178
5.1.6. Моющие средства, косметика, средства гигиены . . . . . . . .
179
5.1.7. Другие токсические вещества в быту . . . . . . . . . . . . . . .
183
5.1.8. Микроэлементы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
184
5.2. Токсическое действие химических веществ . . . . . . . . . . . . . . . .
187
5.2.1. Металлы: мышьяк, свинец, ртуть, кадмий, таллий, алюминий
187
5.2.2. Отравляющие вещества. Химическое оружие. Яды . . . . . .
194
5.2.3. Механизм токсического действия . . . . . . . . . . . . . . . . . .
197
5.3. Методы скрининга канцерогенов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
197
5.3.1. Эпидемиологический метод. Рак и профессиональная деятельность. Образ жизни. Курение. Алкоголь. Другие аспекты образа жизни . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
198
5.3.2. Хронические опыты на животных . . . . . . . . . . . . . . . . . .
205
5.3.3. Физико-химические методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
207
5.3.4. Краткосрочные тесты. Бактериальный мутагенез. Обоснование идеи КСТ. Тест Эймса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
211
5.3.5. Корреляция структуры молекулы и ее биологической активности
214
5.4. Базы данных химического канцерогенеза . . . . . . . . . . . . . . . . .
216
5.4.1. Базы данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
216
5.4.2. Описание CPDB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
218

Оглавление

Глава 6. Радиационный и химический гормезис . . . . . . . . .
222

6.1. Определение понятия «гормезис», закон Арндта–Шульца . . . . . .
222
6.2. Определение понятия «малые дозы» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
224
6.3. Парадигма радиобиологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
229
6.4. Химический гормезис. Гомеопатия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
230
6.5. Радиационный гормезис. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
234
6.5.1. Опыты на бактериях, растениях, грибах и культурах тканей
235
6.5.2. Опыты на животных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
237
6.5.3. Эпидемиологические исследования . . . . . . . . . . . . . . . . .
239
6.5.4. Чернобыль . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
245
6.6. Опасность и безопасность малых доз радиации и химических веществ
252

Глава 7. Синергическое действие радиации и химических
веществ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
256

7.1. Курение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
258
7.2. Диета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
259
7.3. Проблемы радиационной терапии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
259

Глава 8. Фармакологические методы защиты — антидоты,
антимутагены, антиканцерогены, радиопротекторы . . . .
261

8.1. Антидоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
261
8.2. Методы химической защиты от канцерогенов . . . . . . . . . . . . . .
262
8.3. Радиопротекторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
264

Глава 9. Регулирование радиационной и химической
безопасности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
267

9.1. Регулирование радиационной безопасности . . . . . . . . . . . . . . . .
267
9.2. Регулирование химической (канцерогенной) безопасности. . . . . .
272

Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
277

Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
282

ПРЕДИСЛОВИЕ

Природа и общество приготовили человеку большое количество разнообразных опасностей. Но в ответ цивилизация сформулировала правила, которые должны позволить исключить многие опасности из нашей жизни, либо хотя бы минимизировать их неприятные
последствия. В простейших случаях правила очевидны. Надо мыть руки
перед едой. Не стой под стрелой. Надо соблюдать правила дорожного
движения, причем не только за рулем, но и в качестве пешехода. Надо
помнить, что бывают очень ядовитые грибы.
Однако, мы живем в эпоху технологической революции, когда достижения науки и техники интенсивно внедряются в нашу жизнь. Соответственно, для безопасной жизни требуются новые, боле сложные правила, требуются знания новейших опасностей.
Уже более ста лет тому назад открыты ионизирующие излучения.
Теперь сложно представить нашу жизнь без рентгеновского обследования, без радиоизотопных методов диагностики и терапии, без широкого
спектра радиационных методов анализа и измерений [1]. Существенную
роль в удовлетворении энергетических потребностей человечества играет атомная энергетика. И нет сомнений, что после некоторого периода
отступлений и усовершенствований сфера ее использования в том или
ином виде будет продолжать расширяться.
Ионизирующие излучения присутствовали в нашей жизни всегда
и до их открытия. И, судя по экспериментальным исследованиям, о
которых говорится в этой книге, играли и продолжают играть важную
положительную роль. Однако, после открытия излучений их интенсивности, используемые на практике, чрезвычайно выросли.
За это время выяснилось, что ионизирующие излучения могут использоваться как во вред, так и с большой пользой для человека. О
полезных применениях смотрите, например, [1]. Главное вредное воздействие радиации — психологическое напряжение, создаваемое в об

Предисловие

ществе. А потери человеческих жизней и материальный урон от неосторожного использования ионизирующих излучений и ядерной энергии
в целом, за сто лет использования ядерных технологий оказался значительно меньше, чем от огня (пожаров), от автомобильных аварий,
авиационных, железнодорожных и водных транспортных катастроф и
от различных химических воздействий (включая взрывы) на среду обитания человека.
Высокая надежность работы с ионизирующими излучениями, которые, в принципе, могут уничтожить все живое, определяется, в значительной степени тем, что эти излучения надежно регистрируются.
Подробно изучено их воздействие на живые организмы и на различные
материалы, использующиеся человеком в его практической деятельности. Четко определены и сформулированы правила обращения с источниками ионизирующих излучений и если бы эти правила всегда неукоснительно выполнялись, работа с ионизирующими излучениями была
бы одной из самых безопасных сфер человеческой деятельности. Во
всех проблемах, связанных с опасностью радиоактивного поражения,
на первом месте стоит, как это принято теперь говорить, человеческий
фактор. Виноваты не сами излучения, а то как с ними работают.
После длительного пребывания в стадии алхимии научная химия создала предпосылки для разработки и широкого использования разнообразных синтетических веществ в промышленности, сельском хозяйстве
и быту. Быстрое развитие науки и технологий дало человечеству новые,
невиданные ранее возможности, но и привело к нежелательным побочным эффектам, влияющим на здоровье человека и на окружающую среду. В ближайшем окружении человека появилось большое количество
чужеродных для организма химических веществ — ксенобиотиков, не
входящих в естественный биотический круговорот.
Сложность с анализом воздействия химических веществ на здоровье человека и с предупреждением воздействия опасных веществ заключается в многообразии веществ, в трудностях их детектирования
и определения их реальной опасности, много больших, чем в случае
ионизирующей радиации.
Тем не менее, по историческим и психологическим причинам в обществе сформировалось устойчивое предубеждение против ионизирующей радиации и гораздо более спокойное отношение к опасностям,
связанным с воздействием химических веществ.
В настоящее время безопасности жизнедеятельности посвящено довольно много книг и учебников, см., например, на сайте [2]. Основное
содержание этих книг — безопасность в чрезвычайных ситуациях, при
природных или техногенных катастрофах.

Предисловие
9

В предлагаемой книге особое внимание уделено малым дозам и радиации, и химических веществ. Причин для выделения именно области
малых доз как минимум две.
Во-первых, малые дозы и радиации и химических веществ угрожают и человечеству в целом, и отдельным людям независимо от их
желания и образа жизни, постоянно, а не только в моменты каких-либо
конфликтов, войн и катаклизмов, аварий и природных катастроф. Это
воздействия, которые очень трудно контролировать и почти невозможно избежать. Речь идет о естественном радиационном фоне плюс то
излучение, которое является побочным и, в общем, нежелательным
продуктом деятельности человека, плюс излучение, которое выполняет
гуманные функции радиационной диагностики и радиационной терапии, но остается при этом потенциально опасным ядерным излучением.
Речь также идет о непрерывном воздействии различных химических
веществ, находящихся в воздухе, которым мы дышим, в жидкостях,
которые мы пьем, в пище, в лекарственных препаратах, в средствах
личной гигиены, в минеральных удобрениях и пестицидах, в продуктах
или отходах производства и т. п.
Во-вторых, изучение влияния малых доз на организм поднимает
важнейшие научные и практические вопросы механизма воздействия,
существования порогов воздействия и области гормезиса. Это интереснейшая научная проблема сегодняшнего дня.
По нашему мнению опасности, вызываемые ионизирующими излучениями и химическими веществами, можно и нужно рассматривать
совместно. В механизмах воздействия этих поражающих факторов есть
много общего. Также много общего в методологии исследований и в
способах обработки результатов. Наконец, во многих случаях совпадает
окончательный эффект воздействия.
Каждый современный человек должен понимать реальные источники опасности и правила реагирования. Это необходимый элемент
современной цивилизации и культуры. Тем более это касается специалистов. Огромное количество недостоверных, а часто просто порочных
сведений содержится в информации, выдаваемой на страницах газет,
на экраны телевизоров.
Автор надеется, что настоящая книга поможет получить необходимые сведения, поможет сориентироваться в понимании истинных источников опасности.
В настоящей книге читатель встречается с двумя различающимися
отраслями знаний — с ядерной физикой и с биологией, со строением
ядра и со строением клетки. Специалисты, которым приходится иметь
дело с тем и с другим, делают вывод, что клетка сложнее атомного
ядра. И один из главных показателей этого различия в сложности —

Предисловие

математика. В ядерной физике очень многое, почти все, можно посчитать, поэтому в ядерной физике очень много математики. В молекулярной биологии математики существенно меньше. Связано это с плохим знанием и пониманием процессов в клетках. И пока происходит
дальнейшее усложнение наших знаний о всей совокупности процессов
функционирования клетки и целостного организма.
Как известно, мечта каждого физика объяснить сложные явления,
используя минимальное число параметров. Например, закон Ома описывает движение электронов в веществе. Это чрезвычайно сложный
процесс. Электроны проходят через потенциальные барьеры и потенциальные ямы, сталкиваются с неоднородностями материала, изменяют
направление движения, отдают и приобретают энергию и т. д. Для полного описания движения электронов потребуется огромное число параметров: энергетические характеристики потенциальных ям и барьеров,
вероятности столкновений, концентрации и т. д. Однако, оказывается,
обо всей этой сложности можно забыть, если ввести единственный
параметр — сопротивление.
В биологии тоже есть понимание полезности такого упрощения. Безусловную положительную роль сыграла в свое время Центральная догма молекулярной биологии. Недавно крупные американские специалисты Хэнэхен и Вайнберг (Hanahan and Weinberg) писали в статье в
журнале Клетка (Cell) [3]: «Мы предвидим, что исследования рака превратятся в логически непротиворечивую науку, когда сложности болезни... станут понятными в терминах малого числа базовых принципов».
Пока же биология в значительной степени наука описательная.
Очень вероятно, что обильное использование математики делает
книги трудно понимаемыми для учащихся смежных отраслей знаний и
для широких кругов читателей. В предисловии к своей книге «Краткая
история времени» один из крупнейших физиков нашего времени Стивен
Хокинг писал [4]: «Мне сказали, что каждая включенная в книгу
формула вдвое уменьшит число покупателей». Правда, он говорил это
о научно-популярном издании. В современной науке обойтись без математики невозможно.
Вопросы, рассматриваемые в данной книге относятся к кругу междисциплинарных наук. Это значит, что специалисты одной области,
например, биологи должны понимать язык, используемый для научных
описаний физиками и наоборот. Известно, что каждая из наук имеет
свою сложную, мало понятную неспециалисту терминологию. Как пишет М. Д. Франк-Каменецкий [5]: «... эта дьявольская терминология,
как будто специально придуманная, чтобы отпугивать непосвященных.
Раньше, когда ему (Максу Дельбрюку) случалось слушать выступления