Тема 6. Биологическое действие ионизирующих излучений
Вопросы:
1.Этапы действия ионизирующих излучений.
Механизм биологического действия и.и.
2.Действие доз радиации
3.Радионуклиды и растительный мир
4.Влияние радионуклидов на животных
Вступление
Под биологическим действием и.и. – понимают связанную с облучением совокупность морфологических и функциональных изменений в живом организме.
Все излучения обладают биологическим действием, т.е. способностью вызывать изменения в клетках тканей и органов организма.
Для биологического действия и.и. в отличие от результатов на неживые объекты характерны ряд особенностей:
1) Эффекты, связанные с облучением, обусловлены не столько кол-вом поглощенной энергии, сколько формой ее передачи;
(Ни тепловая ни электрическая энергия, поглощенная биологической тканью в таком же кол-ве как и.и. не вызывает таких изменений, как и.и.).
2)Действие и.и. на организм в малых дозах не ощутимо человеком. У людей отсутствуют органы чувств, которые воспринимали бы и.и.
(Дозиметрические приборы – это дополнительный орган чувств, который позволяет регистрировать и.и.).
3) Существует так называемый скрытый (латентный период) первых симптомов облучения, продолжительность которого снижается при увеличении Дозы.
4)Эффекты действия длительных актов облучения суммируются, а полученная доза накапливается.
5)Органы живого организма, а также организмы в целом обладают различной чувствительностью к воздействию и.и.
6.1.Этапы действия и.И.
Действие и.и. на биологические объекты можно разделить на несколько этапов:
- физический, - физико-химический, - биохимический, ранние биоэффекты, отдаленные биологические эффекты.
1.1.Физический (начальный) этап – длится 10-16-10-13с.
К и.и. относятся: пучки элементарных частиц, ядер, ионов, а также ЭМИ (рентгеновское и -излучение радиоактивных элементов), а также тормозное излучение, возникающее при прохождении через вещество заряженных частиц.
Большинство из них имеют заряд: -частицы (электроны, позитроны), протоны (ядра атома водорода), -частицы (ядра атома Не), а также различные ионы.
Но: Есть и нейтральные частицы – нейтроны. Они не могут участвовать в процессах, зависящих от электрического заряда. Однако, нейтроны, взаимодействующие с ядрами вызывают испускание протонов и -квантов. Поскольку нейтроны и ЭМИ не участвуют непосредственно в ионизации атомов и молекул, то их называют косвенно ионизирующими.
При прохождении через вещество заряженные частицы теряют свою Е, вызывая возбуждение и ионизацию встречающихся на их пути атомов. Этот процесс продолжается до тех пор, пока общий запас Е частиц не становится настолько малым, что они утрачивают свою ионизирующую способность.
Если это (е), то он захватывается каким-либо атомом с образованием отрицательного иона. Кроме этого, в поле положительного заряженного ядра -частица резко тормозится и теряет при этом часть своей энергии – Эта энергия (Е) излучается в виде тормозного рентгеновского излучения.
Р.и., -изл., торм. излуч. – отличаются друг от друга происхождением и имеют свой диапазон Е, хотя границы диапазонов обычно не определены, т.е. условны.
Основными процессами, сопровождающими прохождение фотонного (ЭМИ) излучения через вещество являются:
а)фотоэффект; б)Комптон-эффект; в)рождение позитрон-электронной пары.
а)фотоэффект (взаимодействие с веществом ЭМИ с малой Е) – это процесс при котором атом полностью поглощает -квант с энергией h и испускает е(электрон) с кин. энергией Ее= h-ui, где ui - энергия связи электрона на i-той оболочке, h- энергия -кванта.
б)Комптон-эффект – это процесс при котором -квант, взаимодействуя с электроном, передает ему часть своей энергии и рассеивается под некоторым углом, а электрон покидает атом с КЭ: Ее= h-ui- h/, где h/- энергия -кванта после частицы.
в)рождение позитрон-электронной пары – это процесс при котором -квант вблизи ядра превращается в пару частиц- электрон и позитрон, которые приобретают соответствующие КЭ: Ее и Ер.
Таким образом: при прохождении и.и. через вещество происходит ионизация или возбуждение (на один акт ионизации происходит несколько актов возбуждения) атомов и молекул вещества либо непосредственно заряженных частиц (,), либо опосредовано через взаимодействие атомов вещества с вторичными заряженными частицами (возн. в сложных процессах).
Однако: Деструктивное действие радиации нельзя объяснить только ионизацией и возбуждением атомов и молекул. поскольку его энергия по тепловому эффекту очень мала: так смертельная доза 10Гр=1000рад на все тело, но ей соответствует тепловая энергия, которая позволяет нагреть тело человека на 0,0010С, что соответствует употреблению 1чашке горячего чая.
h.
Ее Ее
h/
Ее
рис.6.1. а) Ее=
h-ui;
б)Ее= h-ui-
h/;
в) h=Ее
+ Ер.
Ер.
Не может объяснить действие радиации и непосредственная ионизация атомов, поскольку при дозах облучения организма, которые вызывают значительные его повреждения и даже его гибель, относительное количество возникающих ионов незначительно.
Пример: Однократное облучение дозой 6Гр для человека соответствует образованию приблизительно 1015ионов/см3 ткани, что в пересчете на ионизацию молекул воды составляет дополнительно 1 пару ионов на 10млн. молекул воды, что значительно ниже естественного уровня ионизованности воды в организме. Биологическое действие и.и подразумевает существование др. этапов, значительно усиливающих первоначальное воздействие излучения на физическом этапе.
6.1.2.Физико-химический этап – длится 10-10с – часы
Любой радиобиологический эффект, начинается с взаимодействия и.и. с биологическими молекулами, в результате которого происходит инактивация макромолекул, т.е. их биологические функции частично или полностью утрачиваются.
В основе инактивации молекул лежит прямой и косвенный механизмы действия радиации.