Свойства некоторых радионуклидов

Радиоактивный изотоп	Период полураспада	Вид излучения
131I	8 дней	(0,7 МэВ)
90Sr	28 лет	- (0,2 МэВ)
137Cs	27 лет	- (0,3 МэВ) и (0,6 МэВ)

При авариях на АЭС или при ядерных взрывах в атмосферу могут выбрасываться различные радионуклиды, свойства не­которых из них приведены в табл. 11.4 .

Эти изотопы могут накапливаться в организме, вызывая в нем нарушение деятельности как отдельных органов, так и организма в целом.

Так, ¹³¹I накапливается в щитовидной железе, и уже 0,35 мг ра­диоактивного йода опасны для человека (при ежесуточной потреб­ности около 150 мг). Изотоп ⁹⁰Sr накапливается в костной ткани, а изотоп ¹³⁷Cs равномерно распределяется в клетках организма.

Особую опасность представляют повышенные дозы радиоак­тивных излучений для кроветворной системы, пищеваритель­ного тракта и желез внутренней секреции человека. Люди, ра­ботающие с излучением: в больницах, на АЭС, в лабораториях - могут получать дозу до 0,5 бэр в год.

Предельно допустимой биологической дозой для человека при профессиональном облучении считается 5 бэр в год. Мини­мальная летальная доза от «прямого -луча» условно принята 600 бэр при облучении всего тела.

Эквивалентная доза (Н). Для оценки возможного ущерба здоровью человека в условиях хронического облучения в области радиационной безопасности введено понятие эквивалентной дозы Н, равной произведению поглощенной дозы D_r, созданной облучением - r и усредненной по анализируемому органу или по всему организму, на весовой множитель w_r (называемый еще - коэффициент качества излучения).

Единицей измерения эквивалентной дозы в СИ является зиверт (Зв). Величина 1 Зв равна эквивалентной дозе любого вида излучения, поглощенной в 1 кг биологической ткани и создающей такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр фотонного излучения. Внесистемной единицей измерения эквивалентной дозы является бэр (до 1963 года - биологический эквивалент рентгена, после 1963 года - биологический эквивалент рада 1 Зв = 100 бэр

8. Электромагнитные излучения в медицине.

Понятие «физические поля окружающего мира», очевидно, является широким и может включать в себя многие явления в зависимости от целей и контекста рассмотрения. Если употреб­лять его в строго физическом смысле, то есть как вид материи, то следует иметь в виду прежде всего электрическое, магнит­ное, электромагнитное, гравитационное поля и поле внутри­ядерных сил. В экологическом контексте в это понятие могут быть включены потоки ионизирующих частиц, акустические и вибрационные поля, атмосферные изменения и ряд других.

Задача данной главы сознательно сужена, и в ней рассмат­риваются лишь вопросы воздействия на человека электромаг­нитных полей и потоков ионизирующих излучений.

Вся биосфера Земли: простейшие, обширные царства растений и животных и человек - находится в окружении единого матери­ального мира, составляющего ее среду обитания. Сфера обитания является неотъемлемым условием развития жизни и одновремен­но суммой факторов, влияющих на живые организмы и опреде­ляющих эволюцию живой природы. Одним из существенных фак­торов сферы обитания являются потоки излучений, действию которых подвергается все живое на Земле. Это электромагнитные волны, в безбрежном океане которых находится Земля, межзвез­дное и галактическое пространство, и ионизирующие излучения.

Совокупность ЭМ волн различных длин от тысяч метров до 10 ^-12 м и короче, распространяющихся во Вселенной (в том числе и в условиях Земли), можно представить в виде шкалы ЭМ волн. Самый длинноволновый диапазон составляют радиоволны, затем по мере укорочения длины волны следуют: инфракрасное, види­мое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения.

Необходимо иметь в виду, что границы диапазонов указан­ные по длинам волн, частотам или энергиям фотонов, приняты условно. Указанные диапазоны перекрываются друг с другом и в природе не имеют четких границ. Физическая природа всех излучений, составляющих шкалу, едина: все эти излучения -электромагнитные волны. В зависимости от частоты v, а следо­вательно, и энергии фотона hv, существенно меняются свойства распространения и характер взаимодействия ЭМ волн с биоло­гическими объектами.

Рис. 11.1. Шкала электромагнитных волн

В табл. 11.1 представлены основные характеристики, механиз­мы излучения, виды взаимодействия с биологическими объек­тами и применение в медицине ЭМ волн указанных диапазонов.

Основным источником естественного (природного) фона ра­диоволн на Земле являются атмосферные электрические явле­ния (грозы, зарницы, шаровые молнии), радиоизлучение Сол­нца и звезд. Интенсивность фона составляет в среднем примерно 10^-7Вт/м².

Основным естественным источником излучения в ИК, види­мом и УФ-диапазонах является Солнце, а в рентгеновском и гамма-диапазонах также межзвездные и галактические собы­тия (образование сверхновых звезд, квазары, пульсары и др.). Фоновая интенсивность в этих диапазонах зависит от многих факторов, в частности от состояния атмосферы и ионосферы, магнитного поля Земли, солнечной активности и др. и может изменяться в довольно широких пределах.

ЭМ волны, идущие от Солнца, человек ощущает в виде сол­нечного тепла (ИК-диапазон), дневного света (видимый диапа­зон ). УФ-диапазон солнечного излучения проявляется в виде пигментации кожного покрова (загар). Рентгеновское и гамма-излучения человек непосредственно не ощущает.

Плотность потока энергии ЭМ излучения от Солнца на гра­нице атмосферы составляет 1350 Вт/м². Эту величину называ­ют солнечной постоянной. Атмосфера поглощает солнечную энергию, поэтому у поверхности Земли на широте Москвы ин­тенсивность падает до 930 Вт/м².

На рис. 11.2 представлен спектр солнечного излучения на верхней границе атмосферы (1) и на поверхности Земли (2).

Рис. 11.2. Спектр солнечного излучения (1 - спектр на верхней границе атмосферы, 2 - на поверхности Земли, - спектральная плотность энергетической светимости)

Электромагнитные волны

Таблица 11.1

	Радиоволны длинные, средние, короткие, УВЧ, СВЧ	Инфракрас­ное излучение	Видимый свет	Ультрафиолетовое излучение		Рентгеновское излучение		Гамма-излучение
				Ионизирующее излучение
Длина волны	103 м -1 мм	1мм - 0,76 мкм	760 - 380 нм	380 - 10 нм		80 - 10 4 нм		0,1 нм и менее
Энергия кванта [эВ]	l,2*10"9 - 1,2*10-"	1,2*10" - 1,6	1,6 - 3,3	3,3 - 120		10 - 0,5*106		0,2*106 и более
Источники излучений	Движение зарядов с ускорением	излучение молекул и атомов			излучение атомов					излучение возбужденного ядра
Действие на вещество	Поляризация диэлектриков, возникновение токов проводимости в биологических жидкостях	Фотобиологические процессы					Когерентное рассеяние иониЗАЦИЯ Фото- и комптон-эффекты образование пары
		активация терморецепто­ров	активация зрительных рецепторов	Фотохимические реакции на поверхности кожи
Применение в медицине	УВЧ-терапия СВЧ-терапия Эндорадиозонды	тепловое лечение	светолечение лазерная терапия	Светолечение УФ-терапия Синтез витамина Д		Рентгено­терапия		Гамма-терапия
	Диагностика с помощью картирова­ния тепловых полей организма		Люминесцентные методы диагностики				Рентгено­диагностика		Радионуклеидная диагностика

Как следует из рисунка, максимум энергии излучения при­ходится на = 470 нм, а на поверхности Земли - на длину вол­ны около 555 нм. УФ-излучение короче 290 нм поглощается озоновым слоем около верхней границы атмосферы, а часть длинноволнового ИК-излучения - водяным паром.

Биосфера Земли, в том числе и человек, развивались в усло­виях относительного постоянства солнечной радиации, поэто­му изменение энергии, падающей на Землю в диапазонах ИК, видимом и УФ, определяемое состоянием атмосферы и ионо­сферы (например, появлением озоновых дыр), может отрица­тельно влиять на существование жизни.

Наряду с указанными естественными объектами, излучаю­щими ЭМ волны, существуют и другие природные источники. В частности, источником ЭМ излучения является организм че­ловека. Понимание физических механизмов возникновения ЭМ волн открывает возможности изучать процессы рецепции, элек-трогенеза, распространение нервных импульсов в активных средах и целый ряд других жизненно важных функций.

Современная наука рассматривает два подхода к объяснению механизмов ЭМ излучения. Первый базируется на законах классической электродинамики в основе которой лежит теория Максвелла. Второй использует законы квантовой механики. Оба подхода объясняют возникновение ЭМ волн в различных диапазонах и взаимно дополняют друг друга.

При прохождении ЭМ волны через слой вещества толщиной х интенсивность волны I уменьшается вследствие взаимодей­ствия ЭМ поля с атомами и молекулами вещества. Эффекты вза­имодействия могут быть различными в разных веществах и для разных длин волн. Но общий закон ослабления интенсивности волны будет одинаковым:

, (11.9)

где I₀ - интенсивность падающего излучения.

Это выражение носит название закон Бугера, , называет­ся коэффициентом ослабления. В общем виде ослабление оп­ределяется поглощением и рассеянием энергии ЭМ волны ве­ществом. Величина I зависит от природы вещества и длины волны.

Радиоволны. К радиодиапазону относятся самые длинные ЭМ волны : А, = 3 • 10³ до 1 м (частота 10⁵ до 3 • 10⁸ Гц) - длин­ные, средние, короткие и УКВ-диапазоны, и от 1 до 10³ м (частота 3 • 10⁸ - 3 • 10¹¹ Гц) - микроволновый диапазон. Ра­диоволны, взаимодействуя с биологическими структурами, могут терять часть энергии переменного электрического поля, превращающейся в теплоту, за счет генерации токов прово­димости в электролитах (крови, лимфе, цитоплазме клеток) и за счет поляризации диэлектриков тканей организма. Осо­бенности распространения электромагнитных волн в живых тканях:

1. Характерной особенностью живых тканей является силь­ная зависимость их электрических свойств: диэлектрической проницаемости е и проводимости а от частоты радиоволн.

2. С ростом частоты v длина волны X электромагнитных волн становится соизмеримой с размерами тела. Как известно, дли­на волны X в веществе с диэлектрической проницаемостью е оп­ределяется выражением: , где с = 3 • 10⁸ м/с - ско­рость света. Например, на частоте 460 МГц, применяемой в физиотерапии, длина волны в свободном пространстве ( ) составляет около 0,7 м, а в мягких тканях тела человека толь­ко около 0,1 м.

3. На высоких и сверхвысоких частотах вследствие высокой проводимости тканей энергия электромагнитной волны быст­ро диссипирует в тепло и волны очень быстро затухают по мере прохождения по тканям тела: затухание по мощности в е = 2,72 раза происходит на пути в 1,525 см. Это важно знать при ана­лизе медицинских приложений.

Радиоволны от искусственных источников могут иметь боль­шую интенсивность и оказывать отрицательное влияние на жизненно важные процессы.

Искусственными источниками радиоволн являются радио­вещательные и телевизионные станции, радиолокаторы и спут­никовые системы связи. Они могут давать до 30 • 10⁹ Вт в им­пульсе на частотах около 10¹⁰ Гц. Для человека, находящегося в постоянном поле, интенсивность радиоволн 0,1 Вт/м² счита­ется безопасной. На расстояниях более 0,5 км от радиовеща­тельных станций радиоволны длинного, среднего, короткого и УКВ-диапазонов не вызывают в биологических объектах зна­чительных биофизических эффектов. В зонах, где интенсив­ность радиоволн достигает 100 Вт/м², пребывание человека за­прещено нормами Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ). Эффекты нагрева биологических тканей радиоволнами используются в медицине при проведении физиотерапевтичес­ких процедур с помощью аппаратов УВЧ, СВЧ-терапии, а так­же индуктотермии.

ИК, видимое и УФ-излучения могут вызывать фотобиологи­ческие процессы в биоструктурах.

Видимый свет вызывает в растениях реакции фотосинтеза.

При действии дальнего УФ-излучения > 12 эВ может про­исходить образование свободных радикалов ароматических и серосодержащих белков и пиримидиновых оснований нуклеи­новых кислот.

ИК и видимые волны активируют термо- и зрительные ре­цепторы соответственно. Действие ИК-излучения на организм связано, прежде всего, с тепловым эффектом в поверхностных тканях. Для прогрева используют коротковолновую часть ИК-диапазона.

УФ-излучение проникает в ткани организма на глубину до 1 мм. Поглощение УФ-излучения связано с фотохимическими реакциями и может привести к появлению эритемы (покрас­нение и загар). Выделяют три зоны действия УФ на организм: А - антирахитная (400-315 нм) - идет синтез витамина Д; В - эритемная (315-280 нм) возникает эритема, ожоги; С - бак­терицидная (280-200 нм) - может вызывать канцерогенез, му­тации, бактерицидный эффект. Последний используется в опе­рационных и перевязочных отделениях клиник для дезинфек­ции помещений.

Рентгеновское и гамма-излучения обладают высокими энер­гиями квантов, что определяет их специфическое взаимодей­ствие с веществом, - эти излучения являются ионизирующими.

Рентгеновское излучение при взаимодействии с веществом может когерентно рассеиваться (при взаимодействии фотонов невысоких энергий с электронами внутренних оболочек). Рент­геновское и гамма-излучения могут вызывать фотоэффект, а при больших энергиях фотонов - комптон-эффект.

Образующееся вторичное излучение при комптон-эффекте лежит всегда в более длинноволновой области, чем первичное излучение. Это объясняется тем, что часть энергии исходного рентгеновского или гамма-фотонов расходуется на совершение работы выхода и сообщение электрону кинетической энергии.

Вторичное излучение также может быть ионизирующим, на­пример, при взаимодействии гамма-фотона с веществом может возникать вторичное излучение в рентгеновском диапазоне.

При взаимодействии гамма-фотонов высокой энергии с веще­ством могут образовываться пары: электрон-позитрон (11.8). Рассмотренные эффекты взаимодействия рентгеновского и гам­ма-излучений с веществом могут идти независимо и одновре­менно. Доля того или иного эффекта в общей картине взаимо­действия зависит от энергии фотона (длины волны излучения) и порядкового номера вещества.

Особенно сложным является проявление этих свойств при взаимодействии рентгеновского и -излучения с биологически­ми объектами. Это связано с тем, что поглощение различных тканей организма может сильно отличаться.

Одной из важных характеристик ЭМ-излучения, определя­ющей характер его взаимодействия с биологическими объек­тами, является энергия фотона е. Мы говорили ранее, что ЭМ-излучение обладает одновременно как свойствами волны, так и свойствами частицы (проявление корпускулярно-волнового дуализма). Выраженность каждого из этих свойств зависит от длины волны. Так, в радиодиапазоне и в ИК-излучении про­являются волновые свойства (дифракция волн, интерферен­ция), в видимом диапазоне и те и другие свойства выражены примерно одинаково (дифракция - волновые, фотоэффект -корпускулярные). С уменьшением длины волны сильнее про­являются корпускулярные свойства ЭМ-излучения. Начиная с энергии кванта, примерно равной 12 эВ (1 эВ = 1,6 • 10 ^-19 Дж), что соответствует дальнему УФ, и далее в диапазоне рентге­новского и тем более гамма-излучения, ЭМ волна ведет себя как поток частиц. С этой условной границы ЭМ-излучения могут ионизировать вещество, и поэтому, начиная с дальнего УФ, рентгеновское и гамма-излучения относят к ионизирующим.