Вред радиации

РАДИАЦИЯ (термины и определения)

Радиоактивный распад — это процессе самопроизвольного превращения неустойчивых ядер в другие ядра (в конечном итоге, стабильные).
Рис. 3. Радиоактивный распад урана-238

Радиация — излучение энергии в виде частиц или электромагнитных волн. При превращениях (распадах) радиоактивных ядер возникают различные виды излучения: альфа-, бета-, гамма-излучение, рентгеновское излучение, нейтроны, тяжелые ионы. При взаимодействии с веществом энергия излучения передается атомам и молекулам, превращая их в заряженные частицы — ионы. В результате ионизации разрываются химические связи молекул, составляющих живые организмы, и тем самым вызываются биологически важные (соматические и генетические) изменения. Процесс радиоактивного распада происходит с постоянной относительной скоростью, присущей данному виду радиоактивных ядер (радионуклидов). Время, за которое распадается в среднем половина имеющихся радионуклидов, называется ПЕРИОДОМ ПОЛУРАСПАДА (T1/2). Хотя все радионуклиды нестабильны, одни из них более нестабильны, чем другие. Например, протактиний-234 распадается почти моментально (T1/2=1,17 минуты), а уран-238 — очень медленно (4,47 млрд. лет). На рис. 3 представлен радиоактивный распад ядер урана-238. Количество распадающихся радионуклидов в веществе определяют термином АКТИВНОСТЬ. Единицы измерения активности радиоактивных веществ — кюри (Ки) и беккерель (Бк). Численному значению активности 1 Ки приблизительно соответствует активность 1 г радия в равновесии с продуктами его распада. За масштаб единицы 1 Бк принят 1 распад в секунду. Между единицами активности существует взаимосвязь: 1 Ки = 37 млрд. Бк, 1 Бк=1 расп./с.

Понятие активности ничего не говорит о виде радиоактивного излучения или о величине его энергии, а указывает лишь число атомов, распадающихся в секунду. Более того, одинаковая активность различных радиоактивных веществ не подразумевает одну и ту же степень поражения биологических тканей. Разные виды излучений сопровождаются высвобождением разного количества энергии и обладают разной проникающей способностью, поэтому они оказывают неодинаковое воздействие на ткани живого организма. Количественную характеристику излучения, обычно называемую ДОЗОЙ, измеряют в величинах энергии, поглощенной тканями организма.

ПОГЛОЩЕННАЯ ДОЗА — количество энергии излучения, поглощенное единицей массы облучаемого вещества. Единицы измерения поглощенной дозы — грей (Гр) и рад. 1 рад=100 эрг/г, 1 Гр=1 Дж/кг, 1 Гр=100 рад. Существует также количественная характеристика поля ионизирующего излучения, основанная на величине ионизации сухого воздуха при атмосферном давлении. Единицей измерения является рентген (Р). Доза 1 Р соответствует примерно 1 млрд. пар ионов в 1 см3 воздуха. Доза 1 Р накапливается за 1 ч на расстоянии 1 м от источника радия массой 1 г, т. е. активностью примерно 1 Ки.

В последнее время в соответствии с рекомендациями Международной комиссии по радиационной защите (МКРЗ) основными дозиметрическими величинами поглощенной и эквивалентной дозы являются Грей и Зиверт, соответственно. В данной публикации мы воспользуемся специальными единицами рад и бэр, которые ранее широко использовались, более привычны и часто применяются на практике в настоящее время.

Отдельные виды излучений отличаются друг от друга различной способностью повреждать ткани организма. Равные поглощенные дозы не обязательно должны вызывать одинаковые биологические эффекты. Обычно при одинаковой величине поглощенной дозы рентгеновские лучи, гамма- и бета-излучение вызывают меньшие повреждения по сравнению с потоками ионов. Нейтронное излучение занимает промежуточное положение. Поэтому при одной и той же поглощенной дозе радиобиологический эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая излучением. Для количественной оценки этого влияния вводится "переводной" коэффициент ОТНОСИТЕЛЬНОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ (ОБЭ) или КОЭФФИЦИЕНТ КАЧЕСТВА (КК) излучения.

ОБЭ или КК какого-либо излучения — численный коэффициент, который устанавливает некий эквивалент между различными видами излучений и равен отношению поглощенной дозы эталонного излучения (принято рентгеновское излучение с энергией 180—250 кэВ), вызывающей определенный радиобиологический эффект, к дозе рассматриваемого излучения, вызывающей тот же биологический эффект. Поэтому мерой биологического воздействия каждого вида радиационного облучения служит ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ДОЗА, которая определяется как поглощенная доза, умноженная на коэффициент качества. Коэффициент качества ионизирующего излучения равен 1 для рентгеновского, бета- и -гамма-излучения, 3—10 — для протонов и быстрых нейтронов, 20 — для альфа-частиц. Единицами измерения эквивалентной дозы является бэр (биологический эквивалент рада) и зиверт (Зв). 1 Зв соответствует поглощенной дозе в 1 Дж/кг (для рентгеновского, гамма- и бета излучения), 1 Зв = 100 бэр, 1 бэр = 10 мЗв. 1 бэр = 103 мбэр = 106 мкбэр.
Рис. 4. Показаны органы человека и коэффициенты их радиационного риска (12% красный костный мозг, 3% кости, 15% молочная железа, 12% легкие, 25% гонады, 6% прочие)

Рис. 4. Коэффициенты радиационного риска для разных органов человека при равномерном облучении (1,00 — организм в целом).

Органы и ткани человека имеют разную чувствительность к облучению. Наиболее уязвимы красный костный мозг, гонады, легкие. Менее восприимчивы печень, щитовидная железа, мышцы и другие внутренние органы. Например, при одинаковой дозе облучения возникновение заболевания легких более вероятно, чем щитовидной железы, а облучение гонад опасно из-за возможности генетических повреждений. (Рис. 4). Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с разными коэффициентами, так называемыми коэффициентами радиационного риска для различных органов и тканей. Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав их по всем органам и тканям, получим ЭФФЕКТИВНУЮ ЭКВИВАЛЕНТНУЮ ДОЗУ, отражающую суммарный эффект облучения для организма; она также измеряется в зивертах или бэрах. Эти понятия описывают индивидуальные дозы облучения. Просуммировав индивидуальные эффективные эквивалентные дозы, полученные группой людей, получают КОЛЛЕКТИВНУЮ ЭФФЕКТИВНУЮ ЭКВИВАЛЕНТНУЮ ДОЗУ, которая измеряется в человеко-бэрах (чел-бэр) или человеко-зивертах (чел-Зв).
Рис. 5. Нарисована полутабличка с иллюстрациями - источник-активность-кюри, поле-эксп.доза-рентген, облучение: неживых - погл.доза-грей/рад, живых - эквив.доза-зиверт/бэр

Рис. 5. Связь понятий поля, дозы, радиобиологического эффекта и единиц их измерений

Поскольку многие радионуклиды распадаются очень медленно и останутся радиоактивными и в отдаленном будущем, существует еще одно определение.

Ожидаемая (полная) коллективная эффективная эквивалентная доза — это коллективная эффективная эквивалентная доза, которую получат многие поколения людей от какого-либо радиоактивного источника за все время его дальнейшего существования.

===============

Что такое радиация и почему она может принести вред человеческому организму?

Атомной радиацией, или ионизирующим излучением, называют потоки частиц и электромагнитных квантов, образующиеся при ядерных превращениях, то есть в результате ядерных реакций или радиоактивного распада. Чаще всего встречаются такие разновидности ионизирующих излучений, как рентгеновское и гамма-излучения, потоки альфа-частиц, электронов, нейтронов и протонов.

При прохождении этих частиц или квантов через вещество атомы и молекулы, из которых оно состоит, возбуждаются или даже ионизируются. Возбуждение атома – это такое явление, при котором атомные электроны переходят в состояния с повышенной энергией, оставаясь тем не менее «привязанными» к ядру электростатическими – кулоновскими – силами. Возбужденное состояние атома можно – очень грубо, конечно, – уподобить искаженной Солнечной системе, в которой Земля в результате какой-то ужасной встряски вдруг перешла на орбиту Марса.

Атомы и молекулы при возбуждении как бы распухают, и если они входят в состав какого-нибудь биологически важного соединения в живом организме, то функции этого соединения могут оказаться нарушенными. Если же проходящая через биологическую ткань ядерная частица или квант вызывают не возбуждение, а ионизацию атомов, то соответствующая живая клетка оказывается дефектной. Ионизация – это такое физическое явление, при котором электроны, входящие в состав атомов или молекул среды, отрываются от них и начинают странствовать по всему веществу. Выбиваемые при ионизации электроны, если они обладают достаточной энергией, тоже могут ионизировать и возбуждать молекулы вещества.

Любое изменение в облучаемом объекте, вызванное ионизирующим излучением, называется радиационно-индуцированным эффектом. В принципе радиационно-индуцированные эффекты могут быть как вредными, так и полезными. Крайний пример вредных последствий облучения – это лучевое поражение организма в результате чрезмерных доз ионизирующей радиации. Вместе с тем ионизирующие излучения с успехом применяются для диагностики и лечения некоторых заболеваний.

Понятно, что как для целенаправленного использования ионизирующих излучений, так и для выработки защитных мер против их вредного воздействия необходимо знать, как в живом организме возникают радиационно-индуцированные эффекты. Эта задача не из легких, и сейчас над ней работают многие коллективы ученых самых разных специальностей – физики, радиобиологи, генетики, биохимики. В чем трудность изучения радиационного воздействия на живой организм? Дело в том, что проблема взаимодействия ядерных излучений с живым веществом имеет как бы несколько этажей сложности.

Во-первых, сама по себе физическая задача прохождения излучения через вещество любой природы, не обязательно живое, уже чрезвычайно сложна и весьма далека от своего окончательного решения. Любопытно, что этой задачей в то или иное время занимались почти все классики современной физики – Нобелевские лауреаты Г. Бете, Н. Бор, Ю. Вигнер, Л.Д. Ландау, Н. Мотт, Э. Резерфорд, И.Е. Тамм, Э. Ферми, Ч. Янг и многие другие замечательные ученые. Задача взаимодействия излучения с веществом как бы дразнила их своей сложностью, она в какой-то степени стала обязательным этапом образования этих выдающихся физиков.

Во-вторых, сама структура живой материи, ее атомное и электронное строение необычайно причудливо, и проанализировать или даже промоделировать с достаточной точностью воздействие проникающей радиации на живое вещество удается очень редко. Живая природа сложнее неживой, и это обстоятельство создает как бы сложность более высокого порядка по сравнению с и без того почти «непробиваемой» задачей расчета радиационных полей в облучаемом веществе.

Следствием сложного строения живых систем становится неоднозначность их отклика на действие ионизирующего излучения – в одном и том же облучаемом объекте может возникнуть множество разных эффектов. Например, в живой клетке могут наблюдаться разрывы молекул нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), хромосомные нарушения, изменение нормальной процедуры деления клетки, наконец, гибель клетки – и все эти неблагоприятные последствия проявляются вместе или порознь. Одним словом, поглощенная энергия ионизирующих излучений способна «запускать» целую цепочку заранее неизвестных событий, расстраивающих тонкий механизм жизнедеятельности. При этом первичными физическими процессами, играющими роль спускового крючка для разнообразных нарушений, служат ионизация и возбуждение атомов облучаемого вещества, а также их смещение в упорядоченной биологической структуре, например, в молекуле белка.

Итак, поглощенная энергия ионизирующего излучения, хотя и выступает в качестве первопричины радиационно-индуцированного эффекта, но не определяет его однозначно. Этот факт имеет то чисто практическое следствие, что при одной и той же дозе излучения и в одном и том же биологическом объекте наблюдаемый эффект оказывается различным для разных типов радиации. Например, установлено, что для нейтронов «выход» некоторых вредных эффектов почти в десять раз больше, чем для гамма-излучения при той же самой дозе. Для сопоставления различных видов ионизирующих излучений – нейтронов, электронов, гамма- и рентгеновских лучей и т.д. – исследователи ввели понятие относительной биологической эффективности, сокращенно ОБЭ. Эта величина показывает, во сколько раз больше или меньше требуется поглощенной энергии реального, конкретного излучения по сравнению с некоторым образцовым, эталонным потоком радиации, чтобы наблюдаемый радиационно-индуцированный эффект был один и тот же. В качестве образцового обычно принимают рентгеновское излучение с заданной энергией, точнее с заранее установленным распределением по спектру.

В чем же причина различной биологической эффективности и соответственно разного вреда, причиняемого ионизирующими излучениями живому организму?

Эта причина кроется в физике прохождения излучения через вещество. Действительно, элементарные физические акты взаимодействия существенно различны, например, для рентгеновских квантов и нейтронов или, скажем, протонов. Электромагнитные кванты вызывают только ионизацию и возбуждение атомов вещества, не изменяя его ядерный состав, тогда как при облучении нейтронами возможные ядерные реакции – выбивание протонов и ядер из сложных и потому «ранимых» биологических молекул. Выбитые протоны и ядра отдачи, в свою очередь, ионизируют живую ткань. Все это в совокупности и запускает причудливую цепочку биохимических превращений, которые в конечном итоге приводят к радиационно-индуцированному эффекту. Так в сложной задаче о радиационном воздействии на живой организм тесно переплетаются физика и биология. Наука, которая связывает наблюдаемый эффект с поглощением энергии ионизирующих излучений в живых структурах, сформировалась в самое последнее время и получила названий микродозиметрия.