Основні характеристики іонізуючого випромінювання
* – коефіцієнт ослаблення енергії фотонів (масовий коефіцієнт передачі енергії).
Іонізуючі випромінювання, проходячи через речовини, взаємодіють з їх атомами і молекулами. Така взаємодія призводить до порушення атомів і виривання окремих електронів з електронних оболонок нейтрального атома. У результаті атом, позбавлений одного чи декількох електронів, перетворюється в позитивно заряджений іон – відбувається іонізація. Електрони, що втратили в результаті багаторазових зіткнень свою енергію, залишаються вільними чи приєднуються до якого1небудь нейтрального атома, утворюючи негативно заряджені іони. Таким чином, енергія випромінювання при проходженні через речовину витрачається, в основному, на іонізацію середовища. Число пар іонів, що створюються ІВ у речовині на одиниці шляху пробігу, називається питомою іонізацією, а середня енергія, що витрачається іонізуючим випромінюванням на утворення однієї пари іонів, – середньою роботою іонізації.
В міру просування у середовище заряджена частка втрачає свою енергію. Відстань, пройдена часткою від місця утворення до місця втрати нею надлишкової енергії, називається довжиною пробігу.
Розповсюдження випромінювання у речовині може бути охарактеризовано поняттям «шар половинного ослаблення» – тобто товщина шару певної речовини, при проходженні через який інтенсивність випромінювання послаблюється у два рази.
Ступінь, глибина і форма променевих уражень, що розвиваються в тканинах біологічних об’єктів при впливі на них ІВ, у першу чергу залежать від величини поглиненої енергії випромінювання.
, (2.83)
За одиницю поглиненої дози опромінення приймається джоуль на кілограм (Дж/кг) – Грей (Гр). Грей – поглинена доза випромінювання, це енергія в 1Дж будь-якого іонізуючого випромінювання, яка передана одному кілограму речовини, що опромінюється. У радіобіології і радіаційній гігієні широке застосування одержала позасистемна одиниця поглиненої дози – рад. Рад – це така поглинена доза, при якій кількість поглиненої енергії в 1 г будь-якої речовини складає 100 ерг незалежно від виду й енергії випромінювання, 1 рад = 0,01 Гр.
Рентген – одиниця експозиційної дози фотонного випромінювання, при проходженні якого через 0,001293 г повітря в результаті завершення всіх іонізаційних процесів у повітрі створюються іони, що несуть одну електростатичну одиницю кількості електрики кожного знака
Поглинена чи експозиційна дози випромінювань, віднесені до одиниці часу, називаються потужністю дози (Р) відповідно поглиненоїчи експозиційної. Вона характеризує швидкість нагромадження дози і може чи збільшуватися чи зменшуватися згодом.
Біологічний вплив іонізуючого випромінювання
Механізм взаємодії випромінювання з речовиною залежить від властивостей середовища, виду та енергії випромінювання.
Вивчення дії випромінювання на організм людини визначило наступні особливості:
• дія ІВ на організм невідчутна людиною. У людей відсутній орган почуття, що сприймає іонізуючі випромінювання. Тому людина може проковтнути чи вдихнути радіоактивну речовину без усяких первинних відчуттів. Дозиметричні прилади є як би додатковим органом почуттів, призначеним для сприйняття ІВ;
• висока ефективність поглиненої енергії. Мала кількість поглиненої енергії випромінювання може викликати глибокі біологічні зміни в організмі;
• різні органи живого організму мають свою чутливість до опромінення. При щоденному впливі дози 0,002–0,005 Гр вже настають зміни в крові;
• наявність прихованого чи інкубаційного періоду прояву дії іонізуючого випромінювання. Цей період часто називають періодом удаваного благополуччя. Тривалість його скорочується зі збільшенням дози;
• дія малих доз може підсумовуватися чи накопичуватися. Цей ефект називається кумуляцією;
• вплив опромінювання може проявлятися безпосередньо на живому організмі у вигляді миттєвих уражень (соматичний ефект), через деякий час у вигляді різноманітних захворювань (соматично-стохастичний ефект), а також на його потомстві (генетичний ефект);
• не кожен організм у цілому однаково реагує на опромінення.
Іонізуюче випромінювання, впливаючи на живий організм, викликає в ньому ланцюг зворотних і незворотних змін, що призводять до тих чи інших біологічних наслідків, залежно від виду, рівня опромінення, часу дії, розміру поверхні, яка опромінюється, та властивостей організму. Первинним етапом – спусковим механізмом, що ініціює різноманітні процеси в біологічному об’єкті, є іонізація і порушення молекулярних зв’язків. У результаті впливу ІВ порушується нормальний плин біохімічних процесів і обмін речовин, блокується ділення клітин та процеси регенерації тканин. Відомо, що 2/3 загального складу тканини людини складають вода і вуглець. Вода під впливом випромінювання розщеплюється на водень Н і гідроксильну групу ОН, що безпосередньо, або через ланцюг вторинних ланцюгових перетворень призводить до утворення продуктів з високою хімічною активністю: гідратного оксиду НО2 і перекису водню Н2О2. Ці з’єднання взаємодіють з молекулами органічної речовини тканини, окисляючи і руйнуючи її на клітинному рівні.
Залежно від величини поглиненої дози випромінювання та індивідуальних особливостей організму викликані зміни можуть бути зворотними чи незворотними. У випадку невеликих доз уражені тканини відновлюють свою функціональну діяльність. Великі дози при тривалому впливі можуть викликати незворотне ураження окремих органів чи всього організму.
Будь-який вид ІВ викликає біологічні зміни в організмі як при зовнішньому (джерело знаходиться поза організмом), так і при внутрішньому опромі1ненні (радіоактивні речовини попадають усередину організму, наприклад пероральним чи інгаляційним шляхом). Найбільш небезпечними щодо внутрішнього опромінення є речовини, які мають більшу іонізуючу здатність, тобто α- і β-випромінювачі. Зовнішнє опромінення α-, а також β-частками менш небезпечно. Вони мають невеликий пробіг у тканині і не досягають кровотворних чи інших внутрішніх органів. Небезпечними для зовнішнього опромінення є γ- і нейтронне випромінення, що проникає у тканину на велику глибину і руйнує її.
Важливим фактором впливу ІВ на організм є тривалість опромінення. У результаті одноразового опроміненні всього тіла людини можливі біологічні порушення залежать від сумарної поглиненої дози випромінювання.
Поглинена доза випромінювання, що викликає ураження окремих частин тіла, а потім смерть, перевищує смертельну поглинену дозу опромінення всього тіла. Смертельні поглинені дози для окремих частин тіла наступні: голова – 20 Гр, нижня частина живота – 30 Гр, верхня частина живота – 50 Гр, грудна клітка – 100 Гр, кінцівки – 200 Гр. Променеві захворювання можуть початися вже при дозі в 1 Гр. При загальному опроміненні за короткий термін доза 5–6 Гр призводить до смертельного результату у 100% опромінених, якщо постраждалим не була вчасно надана спеціальна медична допомога.
Ступінь чутливості різних тканин до опромінення неоднакова. Якщо розглядати тканини органів у порядку зменшення їхньої чутливості до впливу випромінювання, то одержимо наступну послідовність: зародкові клітини, червоний кістковий мозок, селезінка, легені, лімфатична тканина, зобна залоза. Велика чутливість кровотворних органів до радіації лежить в основі визначення характеру променевої хвороби. У разі одноразового опромінення всього тіла людини поглиненою дозою 0,5 Гр за добу після опромінення може різко скоротитися число лімфоцитів. Зменшиться також і кількість еритроцитів (червоних кров’яних тілець) по закінченні двох тижнів після опромінення. У здорової людини нараховується біля 1014 червоних кров’яних тілець (щоденне відтворення 1012), а у хворого променевою хворобою таке співвідношення порушується, і в результаті гине організм.
Ступінь ураження організму залежить від розміру поверхні, що опромінюється. Зі зменшенням поверхні, що опромінюється, зменшується і біологічний ефект. Так, у разі опромінення фотонами поглиненою дозою 4 Гр ділянки тіла площею 6 см2 помітного ураження організму не спостерігалося, а у разі опромінення такою ж дозою всього тіла було 50% смертельних випадків.
Радіоактивні речовини можуть потрапляти всередину організму в результаті вдиханні повітря, забрудненого радіоактивними елементами, із забрудненою їжею чи водою, через шкіру, а також у результаті зараження відкритих ран.
Найчастіше радіоактивні речовини попадають в організм через травний тракт внаслідок недотримання вимог безпеки.
Небезпека радіоактивних джерел, що попадають тим чи іншим шляхом в організм людини, тим більше, чим вище їх активність. Ступінь небезпеки залежить також від швидкості виведення речовини з організму. Період напіввиведення Тнв, тобто термін за який активність нукліда в організмі зменшиться у два рази, для калію140 Тнв = 58 діб; цезію Тнв = 70 діб; для стронцію Тнв = 1,8 · 104 діб.
Деякі радіоактивні речовини, потрапляючи в організм, розподіляються в ньому більш1менш рівномірно, інші концентруються в окремих внутрішніх органах. Так, у кісткових тканинах відкладаються джерела a1випромінювання (радій-226, уран-238, плутоній-239); β1випромінювання (стронцій-90, ітрий-91). Ці елементи, хімічно зв’язані з кістковою тканиною, дуже важко виводяться з організму. Тривалий час утримуються в організмі також елементи з великим атомним номером (полоній, уран і ін.). Елементи, що утворюють в організмі легкорозчинні солі, накопичуються в м’яких тканинах і відносно легко видаляються з організму. У м’язових тканинах більш менш рівномірно розподіляються джерела β1випромінювання натрій-24 та цезій-137, а у щитовидній залозі відбувається накопичування γ1випромінюючого елементу йод-131. Накопичування радіоактивних елементів в окремих тканинах та органах обумовлює з часом розвиток в них патологічних змін, наприклад злоякісних пухлин.