Біологічна дія онізуючого випромінювання

ФІЗИКА

Частина 6 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

Розділ 17 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

17.16. Біологічна дія онізуючого випромінювання

Крім загрози ядерної катастрофи відкриття і практичне використання ядерної енергії породило багато інших проблем. Однією з найважливіших проблем є можливість додаткового опромінювання населення Землі. Якщо протягом тисячоліть на всі живі організми діяв лише природний радіаційний фон і все живе на Землі пристосувалось до його звичайного рівня, то в недалекому майбутньому виникне реальна

загроза багатократного його збільшення внаслідок діяльності людини. Вже сьогодні через забруднення атмосфери й грунту радіоактивними продуктами експериментальних ядерних вибухів й атомної енергетики, значне поширення медичної діагностики і променевого лікування, використання нових будівельних матеріалів опромінення людини від природних і штучних джерел радіації збільшилось більше ніж удвічі.

Якщо до аварії на Чорнобильській АЕС слово “радіація” ще було абстрактним поняттям для широких верств населення та й для багатьох фахівців різних галузей, то тепер воно набуло реального і повсякденного

значення. Тому доцільно зупинитися на впливі йонізуючого випромінювання на живий організм.

Основною величиною в дозиметрії для передбачення або оцінення радіаційного ефекту, зокрема радіобіологічного, нині є поглинута доза випромінювання – енергія, яку поглинає одиниця маси опроміненої речовини. Донедавна одиницею випромінювання поглинутої дози був рад. У СІ одиницею випромінювання поглинутої дози є грей (Гр). Вона дорівнює поглинутій енергії в 1 джоуль одним кілограмом речовини. Одиниці випромінювання пов’язані між собою співвідношенням: 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад.

Результати численних досліджень підтвердили відмінність ефектів опромінення від різних видів і тривалості дії йонізуючих випромінювань. Це зумовило введення нового поняття – еквівалентна доза випромінювання. Для розрахунку еквівалентної дози випромінювання з різною йонізаційною здатністю і відповідно різною відносною біологічною ефективністю нормами радіаційної безпеки встановлено спеціальний коефіцієнт якості випромінювання для кожного виду iонізуючих випромінювань, який характеризується середнім значенням лінійної передачі енергії. Для різних видів випромінювань установлено такі середні коефіцієнти якості:

Рентгенівське випромінювання – 1

Гамма-випромінювання – 1

Бета-випромінювання – 1

Випромінювання нейтронів і протонів – 10

Альфа-випромінювання – 20

Випромінювання важких ядер – 20

Еквівалентна доза випромінювання чисельно дорівнює добутку поглинутої дози і коефіцієнта якості випромінювання:

D = КDn. (17.58)

Оскільки коефіцієнт К є безрозмірним, то еквівалентна доза в СІ виражається в тих самих одиницях, що й поглинута. Одиницею еквівалентної дози є зіверт. 1 зіверт (Зв) – це доза будь-якого виду iонізуючого випромінювання, яка спричинює таку саму біологічну дію, як і доза рентгенівського або гамма-випромінювання 1 Гр.

Потужність поглинутої (або еквівалентної) дози дорівнює поглинутій (або еквівалентній) дозі за одиницю часу, наприклад за секунду (с) або за годину (год). Для вимірювання потужності дози випромінювання користуються такими одиницями: мікрозіверт за годину (мкЗв/год), мілігрей за хвилину (мГр/хв), мілігрей за секунду (мГр/с) та ін.

Для кількісної характеристики зовнішнього рентгенівського або γ-випромінювання користуються поняттям “експозиційна доза випромінювання”. Експозиційна доза випромінювання D0 є мірою iонізації повітря рентгенівським або γ-випромінюванням. Оскільки поглинута доза пропорційна падаючому йонізуючому випромінюванню, то між поглинутою і експозиційною дозами існує пропорційна залежність:

Де f – деякий перехідний коефіцієнт, що залежить від багатьох причин, насамперед від опроміненої речовини та енергії фотона. Для води і м’яких тканин тіла людини f = 1. Отже, доза в радах чисельно дорівнює відповідній експозиційній дозі в рентгенах. Це зумовлює зручність використання позасистемних одиниць – рад і рентген. Для кісткових тканин коефіцієнт f зменшується зі збільшенням енергії фотонів наближено від 4,5 до 1. Відповідно в СІ одиницею її виміру є кулон на кілограм (Кл/кг), але ще досі користуються позасистемною, традиційною одиницею вимірювання експозиційної дози – рентгеном.

Рентген – доза випромінювання, під дією якої в 1 см3 повітря за нормальних температур і тиску утворюються йони, що несуть заряд в одну одиницю електрики кожного знака. 1 рентген (Р) дорівнює 2,58 ∙ 10 Кл/кг, його похідні – мілірентген (10-3 Р) і мікрорентген (10-6 Р). Потужність експозиційної дози – це доза рентгенівського або гамма-випромінювання за одиницю часу, наприклад мілірентген за годину (мР/год).

Оскільки опромінення людини майже завжди нерівномірне, то введено ще одне поняття – ефективна еквівалентна доза, що дає змогу враховувати ризик опромінення окремих органів або тканин порівняно з ризиком опромінення всього тіла. Цей показник використовується з метою протирадіаційного захисту осіб, професійна діяльність яких пов’язана з iонізуючим випромінюванням. Внаслідок дії iонізуючого випромінювання на організм людини в її тканинах можуть відбутися складні фізичні, хімічні і біологічні процеси. Відомо, що біологічна тканина на 60…70 % за масою складається з води. Під дією iонізації молекули води утворюються вільні радикали Н* і ОН* за такою схемою:

Під впливом кисню утворюються також вільний радикал надпероксиду (НО2+) і пероксид гідрогену (Н2O2), які є сильними окислювачами.

Вільні радикали й окислювачі, що виникають у процесі радіолізу води, характеризуються високою хімічною активністю, вступають у хімічні реакції з молекулами білка, ферментів та інших структурних елементів біологічної тканини, що змінює біохімічні процеси в організмі. В результаті порушуються обмінні процеси, подавляється активність ферментних систем, сповільнюється і припиняється ріст тканин, виникають нові хімічні сполуки, не властиві організму, – токсини. Це може призвести до порушення життєдіяльності окремих функцій систем або організму в цілому.

Індуковані вільними радикалами хімічні реакції розвиваються з великим виходом, залучаючи в цей процес багато сотень і тисяч молекул, не вражених випромінюванням. У цьому полягає специфіка дії йонізуючого випромінювання на біологічні об’єкти, тобто спричинений ним ефект зумовлений не стільки кількістю поглинутої енергії опроміненим об’єктом, скільки тією формою, в якій ця енергія передається. Ніякий інший вид енергії (теплова, електрична та ін.), яка поглинається біологічним об’єктом у тій самій кількості, не приводить до таких змін, які спричинює йонізаційне випромінювання.

Отже, залежно від поглинутої дози випромінювання й індивідуальних особливостей організму ці зміни можуть бути оборотними або необоротними. При невеликих дозах уражена тканина відновлює свою функціональну діяльність. Великі дози при тривалій дії можуть спричинити ураження окремих органів або всього організму.

Біологічний ефект йонізаційного випромінювання залежить від сумарної дози і тривалості впливу випромінювання, виду випромінювання, розмірів опроміненої поверхні та індивідуальних особливостей організму.

У зв’язку з істотними відмінностями індивідуальної чутливості до опромінення для характеристики відносної чутливості було взято більш відтворювану на досліді величину – так звану напівлетальну (від латин, letalis – смертельний) поглинальну дозу, яка призводить до загибелі 50 % опромінених тварин за тридцятидобовий термін спостереження. В табл. 17.2 наведено значення напівлетальної по – глинальної дози для деяких живих організмів – від одноклітинних до ссавців, що характеризують видову чутливість до радіаційного опромінення.

Таблиця 17.2

Живі організми	Летальна доза, ГР	Живі організми	Летальна доза, Гр
Парамеція	3000	Кролик	8
Амеба	1000	Жаба	7
Дрозофіла (доросла та інші комахи)	600	Хом’як	7
Пацюк	6…7
Мавпа	5
Бактерія Колі	100	Коза	3,5
Равлик	100	Собака	3,25
Тритон	30	Свиня	2,75
Черепаха	15	Морська свинка	2…4

Поглинута доза випромінювання, яка спричинює ураження окремих частин тіла, а потім смерть, перевищує смертельну дозу опромінення всього тіла. Смертельні поглинальні дози для окремих частин тіла такі, Гр: голова – 20, нижня частина живота – 30, верхня частина живота – 50, грудна клітка – 100, кінцівки – 200.

Важливим фактором для дії iонізуючого випромінювання на організм є час опромінення. Зі збільшенням потужності дози уражальна дія випромінювання зростає. Чим більш перервне випромінювання з часом, тим менша його уражальна дія.

Зовнішнє опромінення α-, а також β-частинками менш небезпечне. Вони мають невеликий пробіг у тканині і не досягають кровотворних та інших внутрішніх органів. При зовнішньому опроміненні слід ураховувати нейтронне і γ-опромінення, які проникають у тканини на більшу глибину і руйнують їх.

Ступінь ураження організму залежить від розміру опроміненої поверхні. Зі зменшенням опроміненої поверхні зменшується і біологічний ефект.

Радіоактивні речовини можуть потрапити всередину організму при вдиханні повітря, зараженого радіоактивними елементами, із зараженими харчами або водою і, нарешті, через шкіру, а також через відкриті рани.

Попадання твердих частинок у дихальні органи залежить від дисперсності частинок. Виходячи з дослідів над тваринами, встановлено, що в легенях може залишатися тільки незначна частина твердих частинок. Крупні частинки розмірами понад 5 мкм майже всі затримуються носовою порожниною.

Якщо радіонукліди, які потрапляють усередину організму, однотипні з елементами, які людина вживає з їжею (натрій, хлор, калій та ін.), то вони не затримуються тривалий час в організмі, а виводяться разом з ними.

Інертні радіоактивні гази (аргон, ксенон, криптон та ін.), які потрапили через легені в кров, не є сполуками, що входять до складу тканини. Тому вони через певний час повністю виводяться з організму.

Деякі радіоактивні речовини, потрапляючи в організм, розподіляються в ньому майже рівномірно, інші концентруються в окремих внутрішніх органах. Так, у кісткових тканинах відкладаються джерела α-випромінювання – радій, уран, плутоній; β-випромінювання – стронцій та ітрій; γ-випромінювання – цирконій. Ці елементи хімічно не зв’язані з кістковою тканиною, і їх дуже важко виводити з організму. Тривалий час утримуються в організмі також елементи з великим атомним номером (полоній, уран та ін.). Елементи, що утворюють в організмі легкорозчинні солі й накопичуються в м’яких тканинах, легко виводяться з організму.

При дії iонізуючих випромінювань з низькою лінійною передачею енергії (γ-, β-випромінювання, рентгенівське випромінювання) низькими дозами вважають дози, менші за 2 Гр, проміжними – 0,2…1,5 Гр, високими -1,5…3,5 Гр, дуже високими – понад 3,5 Гр. При дії випромінювань з високою лінійною передачею енергії (α-частинки, нейтрони), відносна біологічна ефективність яких у 10…20 разів вища, верхня межа поглинальних доз відповідно знижується.

Під час оцінювання радіаційної безпеки населення за малі дози iонізуючого випромінювання беруть рівень природного радіоактивного фону. Нині встановлено, що будь-які, навіть найменші, дози iонізуючого випромінювання здатні справляти біологічну дію. Iонізуюче випромінювання, діючи на ядра і хромосоми клітини, сприяє зміні генетичної інформації, торкається основних спадкових функцій організму.

Різні біологічні об’єкти характеризуються рівнем радіочутливості. Наприклад, деякі найпростіші організми, бактерії і віруси, здатні переносити величезні дози радіації – 1000…10 000 Гр і при цьому зберігають свою життєздатність (табл. 17.3). Набагато менша стабільність до iонізуючих випромінювань у людини. Аналіз нещасних випадків свідчить, що небезпечна доза зовнішнього γ-випромінювання для людини становить (6±1) Зв, а безпосередні шкідливі ефекти опромінення не розвиваються при дозах, менших за 1 Зв короткочасного опромінення, що видно з табл. 17.3.

Таблиця 17.3

Доза, 10-2 Зв	Імовірнісний ефект
0,1	Фонове опромінення за рік
0,5	Допустиме опромінення населення в нормальних умовах за рік
3	Опромінення при рентгенографії зубів
5	Допустиме опромінення персоналу АЕС у нормальних умовах за рік
10	Допустиме аварійне опромінення населення (разове)
25	Допустиме аварійне опромінення персоналу АЕС (разове)
30	Опромінення при рентгеноскопії шлунку (місцеве)
75	Короткочасні незначні зміни складу крові
100	Нижня межа розвитку легкого ступеня променевої хвороби
450	Важкий ступінь променевої хвороби (гине 50 % опромінених)

Отже, дози, які сприймає людський організм від природного радіаційного фону, в тисячі разів менші, ніж смертельна доза йонізуючо – го випромінювання для людини.

Ураховуючи широке використання ядерної енергії на практиці, проблеми впливу йонізуючих випромінювань на здоров’я людини і живі організми в цілому будуть актуальними ще досить довго.