Радіобіологія фул вершин (передмовалесс, вступлесс етс. едишн)

21

Падаючий фотон вибиває орбітальний електрон атому опроміненої речовини. Вторинний фотон, що виникає має меншу енергію та інший напрямок (рис.1.3.).

Народження пари електрон-позитрон відбувається за енергії -квантів більшої 1,022 МеВ в полі ядра. У цьому випадку -квант зникає і одночасно виникає пара елементарних частинок – електрон (е-) і позитрон (е+). Зі збільшенням енергії -кванта вище 1,022МеВ імовірність народження пари збільшується.

Розглянуті механізми взаємодії -квантів з речовиною можуть відбутися незалежно один від одного, тому повний коефіцієнт поглинання становить суму коефіцієнтів поглинання для фотоелектричного ефекту ( ), розсіювання ( ) та народження пар (χ):

= + +χ

За невеликих енергій переважає фотоефект, а за великих – поглинань -квантів повністю зумовлене народженням пар (рис.1.4.).

Разом з тим, відносне значення кожного з механізмів взаємодії -квантів з речовиною, залежить від атомного номеру поглинаючої речовини. Так, наприклад, для алюмінію (Z = 13) в інтервалі енергій -квантів 0,3 – 3МеВ поглинання майже цілком обумовлене розсіянням -квантів, а для свинцю (Z = 82) при енергіях 3 – 5 МеВ

– розсіянням і народженням пар. Рентгенівське і -випромінювання має високу проникну здатність, довжина пробігу (Rγ) у повітрі досягає сотень метрів ( = 3,21 10-5см-1 для Е = 1,0 МеВ), а у свинцю – одиниць (а то і долей) сантиметрів ( = 0,798 см-1 для Е = 1,0 МеВ).

Рис. 1.4. Відносна імовірність (р) поглинання фотонів різної енергії (Е) в одному з трьох видів взаємодії випромінення з речовиною.

1 – фотоефект, 2 – комптон ефект, 3- процес утворення пар

За взаємодії з речовиною -випромінювання (електронів) утворюється як пружне

так і непружне розсіювання. За першого з них внаслідок взаємодії електрона з ядром зустрічного атому він змінює свій напрям, але не втрачає своєї кінетичної енергії. Непружне розсіювання полягає у взаємодії -частинок з орбітальними електронами зустрічних атомів, що супроводжується збудженням або іонізацією. Слід відмітити, що подібні процеси взаємодії характерні не тільки для електронів, але і для інших електрозаряджених частинок високої енергії.

22

Ступінь поглинання електронів середовищем характеризується середньою їх довжиною пробігу (R ), що визначається товщиною шару речовини, в якій електрони повністю поглинаються. Значення R обернено пропорційне атомному номеру елемента–поглинача та густині середовища.

Оскільки -випромінювання радіоізотопів має неперервний енергетичний спектр (див. рис. 1.2), то глибина проникнення -частинок в речовину різна – від мінімально можливої (найменша енергія) до максимально (найбільша енергія). Максимальну глибину проникнення (R max) -випромінювання розраховують з використанням експериментально встановлених формул. Так, наприклад, для повітря:

R max 400 Е ,

де R max – максимальна довжина пробігу, см; Е – енергія електронів, МеВ. Максимальну глибину проникнення електронів у інших середовищах можна

оцінити за формулами, які наведені у відповідній науковій літературі.

За взаємодії з речовиною -частинок їх енергія витрачається на збудження та іонізацію зустрічних атомів внаслідок непружного розсіювання. В окремих випадках-частинки здатні взаємодіяти з ядрами, що призводить до ядерних реакцій.

Довжина пробігу -частинок (R ), як і у випадку для електронів, обернено пропорційна атомному номеру елемента-поглинача та густині середовища, а також додатково квадрату заряду. Для розрахунку R використовують експериментально встановлені формули.

Число іонів, які виникають на одиницю часу пробігу -частинок залежить від глибини проникнення випромінювання в речовину. Спочатку пробігу питома іонізація залишається майже постійною, а зі зниженням енергії -частинок вона різко зростає і досягає максимальних значень в кінці шляху.

За взаємодії з речовиною нейтронів можливе їх пружне і непружне розсіювання, а в деяких випадках – протікання ядерних реакцій.

Зменшення інтенсивності потоку нетронів (dI) в результаті їх взаємодії з атомами речовини пропорційне числу тих, які попадають на поверхню речовини (І), числу атомів речовини в одиниці об’єму (N) та довжині шляху пробігу в речовині (dx):

dI = -IN dx

де - коефіцієнт пропорційності, який характеризує вірогідність взаємодії нейтронів з атомами речовини і має назву ефективний поперечний переріз ядра, його розмірність – см2.

Інтегрування наведеного рівняння дає:

Ix = I0℮- Nx

де Ix – інтенсивність потоку нейтронів після проходження ними шару речовини товщиною х, I0 – інтенсивність потоку нейтронів на поверхні речовини (х=0); N – число атомів речовини в одиниці об’єму; - ефективний поперечний перетин.

Лінійна передача енергії За однакової кількості енергії, поглинутої певним об”єктом (речовиною), спостерігаються відмінності розподілення енергії іонізуючого випромінювання у цьому об”єкті та, відповідно, викликаних випромінюванням актів іонізації. Цей процес характеризує такий показник, як лінійна передача енергії (ЛПЕ)

– це середня кількість енергії, що передається зарядженою частинкою речовині на одиницю пройденого в ній шляху:

ЛПЕ = dЕ/dx,

де Е – енергія, еВ; х – довжина пройденого шляху частинкою у речовині, мкм.

23

ЛПЕ залежить від типу випромінювання та густини речовини. У довідкових таблицях приводиться значення цього показника ( у кеВ/мкм) для різних типів випромінювань у воді (табл..1.1.).

Таблиця 1.1. Значення ЛПЕ для різних типів інізуючого випромінювання.

Із величини ЛПЕ можна розрахувати середню кількість пар іонів, які створюються частинкою чи квантом на одиницю шляху в речовині, тобто показник, що характеризує іонізаційну властивість випромінювання, зокрема лінійна щільність іонізації (ЛЩІ).

ЛЩІ = ЛПЕ/W,

де W – це величина енергії, що необхідна для утворення однієї пари іонів. Величина ЛЩІ залежить від природи, енергії випромінювання та від властивості

опроміненої речовини. Величину значення W тканин визначити складно. Для газів значення W складає приблизно 34 єВ.

В залежності від величини ЛПЕ всі іонізуючі випромінювання поділяють на

щільнота рідкоіонізуюче випромінювання. Рідкоіонізуючі типи випромінювань (ЛПЕ менше 10 кеВ/мкм) характеризуються відносно високою проникаючою здатністю. До них належать електрони, а також гаммата рентгенівські промені. Щільноіонізуючі типи випромінювань (ЛПЕ більше 10 кеВ/мкм), до яких належать протони, нейтрони, -частинки та інші важкі частинки проникають у тканини на незначну глибину. Виняток становлять нейтрони.

-Частинки, які володіють дуже низькою проникаючою властивістю, ефективно поглинаються шаром повітря товщиною кілька сантиметрів чи шаром води товщиною близько 0,1 мм. Тому -частинки безпечні для людини при зовнішньому

24

впливі, оскільки повністю поглинаються верхніми шарами шкіри, однак їх надходження до організму може викликати ураження клітин, оскільки -частинка несе значну кількість енергії і її іонізуюча здатність – є високою. Проникаюча властивість β-частинок приблизно у 102 разів більша за -частинки, а пробіг β- частинок у біологічній тканині досягає декількох сантиметрів. Найбільша проникаюча властивість рентгенівських променів та гамма-квантів – у 104 більша за -частинки.

Bідносна біологічна ефективність (ВБЕ) різних видів іонізуючих випромінювань. Проходження через речовину фотонів рентгенівського чи γ- опромінення, потоку нейтронів, електронів чи прискорених ядер елементів може призвести до поглинання частки енергії цією речовиною. При опромінення живої матерії – поглинання енергії випромінювання атомами та молекулами клітин і тканин.

В радіобіології виконується загальний принцип Гроттгуса, згідно із яким тільки та частина енергії випромінювання може викликати зміни у речовині, яка поглинається цією речовиною; енергія випромінювання, що відбивається чи проходить крізь речовину не має впливу. Проводились дослідження ефективності впливу різних видів іонізуючих випромінювань на різноманітні біологічні об”єкти, що дозволило отримати показник, який свідчить про - відносну біологічну ефективність (ВБЕ) різних типів випромінювань.

Значення ВБЕ різних біологічних об`єктів розраховують з кривих виживаності. Отримані дозові залеженості виживаності одного і того ж організму за дії стандартного опромінення та за дії іншого випромінювання, проводять наступний розрахунок:

ВБЕ = Dr / Dx

де Dr — поглинена доза рентгенівського чи гамма-випромінювання, що спричинила будь-який ефект; Dx — поглинена доза будь-якого іншого виду випромінювання, що спричинила такий самий ефект. Звичайно використовують дози, що призводять до виживаності 37% опромінених клітин та організмів, або на рівні 50% виживаності.

Прийнято вважати, що ВБЕ різних типів іонізуючого випромінювання варіює від 1 до 20 умовних одиниць. В таблиці 1.2. представлені дані про ВБЕ різних випромінювань прийнятих МКРЗ (міжнародною комісією з радіаційного захисту).

Таблиця 1.2. Відносна біологічна ефективність різних типів іонізуючого випромінювання (за 60-тою публікацією МКРЗ)

25

Характерні залежності ВБЕ від ЛПЕ наведено на рис. 1.5. В широкому діапазоні ЛПЕ випромінювань (від 0,2 до 100 кеВ/мкм) ВБЕ іонізуючих частинок зростає із збільшенням величини ЛПЕ. При значеннях ЛПЕ 100 кеВ/мкм крива залежності ВБЕ від ЛПЕ досягає максимуму, а далі – знижується. Тобто, при значеннях ЛПЕ 100 кеВ/мкм у клітині виникає „критичне” число іонізацій, що достатнє для її загибелі і подальше зростання щільності іонізації неефективно.

ЛВЕ, КеВ/мкм

Рис 1.5. Залежність відносної біологічної ефективності (ВБЕ) від значень лінійної передачі енергії та величини дози опромінення. А-виживаність культури клітин нирок людини; Б- виживаність клітин хлорели. 1,2,3 – результати гамма-опромінення у різних дозах.

1.6.Основні одиниці в радіобіології

Для оцінки впливу іонізуючого випромінювання на живі організми прийнято використовувати поняття поглиненої дози іонізуючого випромінювання (Dn). Це кількість енергії випромінювання, поглиненої одиницею маси тіла об'єкта, що опромінюється.

Dn = dE/dm,

де dE – середня енергія, що передана іонізуючим випромінюванням речовині, яка знаходиться в елементарному об”ємі; dm – маса речовини у цьому об”ємі.

Одиницею поглиненої дози випромінювання за Міжнародною системою одиниць (СІ) - є Грей (Гр). Один Грей – це поглинена доза іонізуючого випромінювання любого типу, при якій в 1 кг маси речовини поглинається 1 Дж енергії випромінювання (1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад). Рад – внесистемна міжнародна одиниця поглиненої дози випромінювання. 1 рад - поглинена доза іонізуючого випромінювання любого типу, при якій в 1 г маси речовини поглинається енергія випромінювання, що відповідає 1 ерг (1 рад = 100 ерг/г = 10-2 Дж/ кг).

26

Для оцінки відмінності в біологічному ефекті різних видів (гамма-, бета- і альфа-) іонізуючого випромінювання введено поняття відносної біологічної ефективності (ВБЕ) цих видів випромінювання. У радіобіології та радіоекології поглинену дозу випромінювання, що дістають біологічні об'єкти за тих чи інших умов, з урахуванням його ВБЕ, виражають як еквівалентну дозу іонізуючого випромінювання ( De).

Еквівалентна доза становить добуток поглиненої дози іонізуючого випромінювання на ВБЕ певного виду випромінювання:

De = Dn · ВБЕ

де De — еквівалентна доза випромінювання, Зв (бер); Dn — поглинена доза, Гр

(рад).

Позасистемною одиницею еквівалентної дози іонізуючого випромінювання являється бер (біологічний еквівалент рада).

Зовнішньому впливу іонізуючого випромінювання та інкорпорованим в організмі радіонуклідам властивий різний ступінь ефекту з боку різних органів і систем організму. Унаслідок неоднакової сприйнятливості різних органів і тканин до променевого впливу було введено поняття ефективної еквівалентної дози іонізуючого випромінювання (Dee). Для її розрахунку потрібно помножити значення еквівалентної дози — De (у Зв) на відповідний до ситуації тканинний коефіцієнт (к):

Dee = De · К

Ефективні еквівалентні дози, як і еквівалентні дози вимірюють у зівертах та берах. Необхідний тканинний коефіцієнт - К визначають за спеціальними таблицями відносного ефекту вибіркового впливу іонізуючого випромінювання на той чи інший орган (тканину) організму людини (див. табл. 1.3).

Таблиця 1.3. Тканинні коефіцієнти для визначення ефективної еквівалентної дози вибіркового впливу іонізуючого випромінювання (за 60-тою публікацією МКРЗ)

27

Цифрові значення показників цих таблиць постійно уточнюються, але структура їх загалом залишається незмінною. Ефект впливу гамма-випромінювання на все тіло людини в таких таблицях прийнятий за одиницю, а вибірковий вплив на окремі органи (тканини) виражають у частках одиниці. Так, у разі надходження І31І з навколишнього середовища до організму він на 90 % накопичується у щитоподібній залозі, і вся зумовлена цим радіонуклідом еквівалентна доза випромінювання діє переважно на клітини цієї залози. Експерименти і розрахунки засвідчили, що ймовірність значного ураження всього організму при цьому становить 0,05. Це означає, що якщо поглинена доза зовнішнього випромінювання 10 Гр (1000 рад) є летальною для людини, то при вибірковому опроміненні в такій дозі щитоподібної залози (за рахунок інкорпорованого 131І) ефект буде порівнянний з ефектом поглиненої людиною дози зовнішнього випромінювання 0,5 Гр (50 рад). Така доза, як правило, не може спричинити летальний ефект.

Використовуючи коефіцієнти (табл. 1.3.), можна розрахувати значення ефективних еквівалентних доз для різних ситуацій вибіркового і нерівномірного опромінення. Такі ситуації характерні як для променевої терапії при пухлинах, так і для опромінення людей, що проживають у районах з підвищеною радіоактивністю. У випадках зовнішнього опромінення І впливу радіонуклідів, що потрапили у різні тканини організму людини, потрібно розрахувати ефективну еквівалентну дозу для кожного радіонукліда і джерела випромінювання, а потім їх підсумувати.

Більшість наслідків впливу іонізуючого випромінювання на біологічні об'єкти відділено від моменту його поглинання у часі —години, роки, десятиліття і століття. Так, генетичні ефекти виявляють тільки в потомстві опромінених особин і в наступних поколіннях. Віддалені наслідки пов'язані із впливом іонізуючого випромінювання на тривалість життя. Тому для оцінки еквівалентної дози випромінювання — міри несприятливих наслідків опромінення для людини прийнято розраховувати їх на тривалий, п'ятдесятирічний, проміжок спостереження (чи на середню тривалість життя). Це дуже важливо .для оцінки очікуваних ефектів

28

довгоіснуючих інкорпорованих радіонуклідів (137Cs, 90Sr, 239Pu та ін.), доза яких формується з моменту надходження в організм до повного виведення їх, що може тривати все життя. Тому ефективну еквівалентну дозу випромінювання, розраховану на 50 років спостереження, називають очікуваною, піввіковою, чи комітментною.

Обчислення та оцінку очікуваної еквівалентної дози випромінення використовують для прогнозу і характеристики радіоекологічних ситуацій на ядерних підприємствах за нормальних і аварійних умов. На практиці для цього часто використовують оцінку річної піввікової (наслідки діють протягом 50 років.) еквівалентної дози випромінювання для людей, що проживають на тій чи іншій території, забрудненій радіонуклідами. Йдеться про оцінку очікуваної еквівалентної дози випромінювання, що дістане людина за рік проживання чи перебування на тій чи іншій території або за рік роботи на ядерному підприємстві.

Потужність дози опромінення. Для характеристики інтенсивності впливу іонізуючих випромінювань використовують величину потужність дози опромінення (Р) - доза, яку реєструють за одиницю часу. Одиницями потужності поглиненої дози – є Гр/с, рад/с та їх похідні. У залежності від потужність дози та часу опромінення розрізняють гостре (короткочасне), пролонговане та хронічне опромінення.

Короткочасне опромінення - необхідну дозу організм отримує за короткий проміжок часу (хвилини, години). Неперервний радіаційний вплив протягом місяців чи років називають хронічним, а проміжне положення між короткочасним та хронічним займає пролонговане. Якщо доза іонізуючого випромінювання, що отримується об”єктом, поділена на частини (фракції), розділені тривалими часовими інтервалами, то таке опромінення називається фракційне. При рівній дозі опромінення біологічні ефекти виражені тим сильніше, чим більша доза опромінення.

Основні фізичні величини, що використовуються для кількісної характеристики величини дії іонізуючого випромінювання, та одиниці іх виміру представлено в табл..

1.4.

Таблиця 1.4. Співвідношення між одиницями величин дози іонізуючого випромінювання

29

Контрольні питання та завдання

1.Дайте загальні уявлення про будову атома та молекули.

2.Охарактеризуйте електромагнітні поля як форму матерії.

3.Дайте загальну характеристику ядерним силам.

4.Охарактеризуйте такі елементарні частинки як електрон, протон, нейтрон, мезони.

5.У чому полягає суть явища іонізації атомів?

6.Дайте визначення поняттю ”ізотопи”, „ізомери”, „ізобари” та „ізотони”.

7.Дайте визначення поняттю „радіоактивність”.

8.Закон радіоактивного розпаду. Одиниці виміру радіоактивності.

9.Питома, об”ємна та поверхнева активність радіонуклідів, одиниці їх виміру.

10.Що таке природна та штучна радіоактивність?

11.В цьому полягає суть α-, β- та γ-розпадів ядер хімічних елементів?

12.Дайте характеристику процесу „спонтанний поділ ядер”.

13.Які існують типи іонізуючих випромінювань?

14. Наведіть основні характеристики електромагнітного та корпускулярного випромінювання.

15.Особливості взаємодії з речовиною α-, β- та γ-випромінювань, нейтронів.

16.Дайте визначення поняття „лінійна передача енергії”, „відносна біологічна ефективність”, „лінійна щільність іонізації”. Яким чином вони пов”язані між собою?

17.Рідкота щільно іонізуюче випромінювання, особливості їх взаємодії з біологічними об”єктами.

18.Дайте визначення поняттю „поглинена доза” та „еквівалентна доза” іонізуючих випромінювань і одиниці їх виміру.

30

РОЗДІЛ 2. ДЖЕРЕЛА ІОНІЗУЮЧОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

Джерела іонізуючого випромінювання можна поділити на природні та штучні. Природні становлять основу радіаційного фону Землі. Штучні є джерелами додаткового опромінення, що виникає внаслідок використання людиною пристроїв, які генерують іонізуючі випромінювання та радіоактивних речовин.

2.1. Природні джерела іонізуючої радіації

До природних джерел іонізуючої радіації належать радіоізотопи, які містяться у природному середовищі, космічне і сонячне випромінювання, яке проникають до поверхні Землі.

ПРИРОДНІ ЗЕМНІ РАДІОІЗОТОПИ. Природну радіоактивність Землі створюють поодинокі природні радіоізотопи: радіоізотопи родин торію (232Th), актинію (228Ac) і урану (235U) (рис. 2.1), космогенні природні радіоізотопи.

Поодинокі природні радіоізотопи. До цих радіоізотопів належить велика група хімічних елементів з масовими числами від 40 до 190 (табл. 2.1). Вони мають дуже великий період напіврозпаду (109 – 1018 років).

Серед природних радіоізотопів найбільше значення, як джерело опромінення, має 40К, вміст якого, в середньому, до 3 г(кларків) на 1 т породи земної кори. Це призводить до того, що середня питома активність 1 кг природних речовин, яка зумовлена 40К, становить 822 Бк.

При перетворені ядер 40К випромінюються -частинки з максимальною енергією 1,33 Мев, вихід яких становить 89 %, а при електронному захопленні також -кванти, вихід яких 11 %:

89%40 Ca e-

40K →

11%40 Ar e-

Вміст 40К, який оцінено за радіоактивністю, в лишайниках, деревині та деяких тканинах людини наведено в табл.2.2, а в харчових продуктах – в табл.2.3.

Таблиця 2.1. Характеристика деяких радіоізотопів земного походження