19.10: 방사선의 생물학적 영향

모든 방사성 핵종은 고에너지 입자나 전자기파를 방출합니다. 이 방사선이 살아있는 세포와 만나면 가열을 일으키고, 화학 결합을 끊거나, 분자를 이온화할 수 있습니다. 가장 심각한 생물학적 손상은 이러한 방사성 방출이 분자를 조각화하거나 이온화할 때 발생합니다. 예를 들어, 핵 붕괴 반응에서 방출되는 α 및 β 입자는 일반적인 화학 결합 에너지보다 훨씬 더 높은 에너지를 보유합니다. 이러한 입자가 물질에 부딪혀 침투하면 반응성이 매우 높은 이온과 분자 조각이 생성됩니다. 이로 인해 살아있는 유기체의 생체분자가 손상되면 정상적인 세포 과정에 심각한 오작동이 발생하여 유기체의 복구 메커니즘에 부담이 가해지고 질병이나 사망까지 초래할 수 있습니다.

비이온화 방사선(예: 빛 및 마이크로파)과 이온화 방사선, 즉 분자에서 전자를 떨어뜨릴 만큼 에너지가 방출되는 방사선(예: α 및 β 입자, γ선, X-선)의 생물학적 효과 크기에는 큰 차이가 있습니다. 광선 및 고에너지 자외선).

비이온화 방사선에서 흡수된 에너지는 원자와 분자의 이동 속도를 높이는 데 이는 시료를 가열하는 것과 같습니다. 생물학적 시스템은 열에 민감하지만 위험한 수준에 도달하려면 다량의 비이온화 방사선이 필요합니다. 그러나 이온화 방사선은 생물학적 분자의 결합을 끊거나 전자를 제거하여 구조와 기능을 방해함으로써 훨씬 더 심각한 손상을 일으킬 수 있습니다. 먼저 H_2O를 이온화하여 물과 반응하는 H_2O^+ 이온을 형성하고 하이드로늄 이온과 수산기 라디칼을 형성함으로써 손상이 간접적으로 발생할 수도 있습니다.

하이드록실 라디칼은 짝을 이루지 않은 전자를 갖고 있기 때문에 반응성이 높습니다. 이 하이드록실 라디칼은 모든 종류의 생물학적 분자(DNA, 단백질, 효소 등)와 반응하여 분자에 손상을 입히고 생리학적 과정을 방해할 수 있습니다.

각 유형의 방사선에 의해 조직에 전달되는 에너지는 다르며 흡수선량으로 측정되며 SI 단위는 회색입니다. 1킬로그램의 물질에 1줄의 에너지가 축적되면 1회색에 해당합니다. rad인 CGS 단위도 여전히 널리 사용됩니다(1 rad = 0.01 Gy).

각 방사선 유형의 흡수선량에 대한 생물학적 반응은 이온화력과 침투 능력에 따라 달라지는 방사선 가중치로 설명됩니다. 흡수선량에 방사선가중치를 곱한 것을 등가선량이라고 하며, 시버트 단위로 SI 단위로 측정됩니다. 렘(rem)인 CGS 단위도 여전히 널리 사용되고 있다(1 렘 = 0.01 Sv).

Table 1. 방사선 가중치

신체 조직마다 전리 방사선에 대한 민감도가 다릅니다. 노출이 신체의 한 부위에 집중되어 있거나 등가선량이 신체 전체에 균일하지 않은 경우, 고르지 않은 선량을 고려하여 신체의 전반적인 손상을 결정하기 위해 조직 가중치를 사용합니다. 신체의 유효선량은 모든 장기에 대한 가중등가선량을 합산하여 계산됩니다.

방사선을 감지하고 측정하기 위해 GM(Geiger-Müller) 카운터, 섬광 카운터, 방사선 선량계 등 여러 가지 장치가 사용됩니다. 가이거-뮐러 계수기는 아르곤이나 헬륨과 같은 불활성 가스로 채워진 원통형 튜브와 계수기의 두 부분으로 구성됩니다. 튜브 안에는 양단에 고전압이 흐르는 한 쌍의 전극이 있습니다. 모든 이온화 방사선은 가스 분자의 일련의 이온화를 시작하여 전자 흐름으로 인해 양극과 음극 사이에 전류를 생성하며, 전자 흐름은 수집, 증폭되어 카운터에 분당 개수 또는 초당 분해로 표시됩니다. GM 카운터는 방사선 유형을 구별할 수 없지만 에너지 보상형은 선량을 측정할 수 있으므로 개인 선량계로 사용할 수 있습니다. 섬광 계수기에는 섬광체(전리 방사선에 의해 자극될 때 빛을 방출하는 물질)와 빛을 전기 신호로 변환하는 센서가 포함되어 있습니다. 방사선 선량계는 전리 방사선도 측정하며 개인 방사선 노출을 결정하는 데 자주 사용됩니다. 일반적으로 사용되는 유형은 전자 개인 선량계, 필름 배지, 열발광 및 석영 섬유 선량계입니다.

방사선의 영향은 방사선원의 유형, 에너지, 위치, 노출 기간에 따라 달라집니다. 일반 사람은 태양에서 나오는 우주선과 땅에 있는 우라늄에서 나오는 라돈, CAT 스캔, 방사성 동위원소 테스트, X선 등을 포함한 의료 노출로 인한 방사선을 포함한 배경 방사선에 노출됩니다. 비행기 비행(상층 대기에서 증가된 수의 우주선에 의해 포격됨), 소비재에서 나오는 방사능, 호흡할 때 우리 몸에 들어가는 다양한 방사성 핵종(예: , 탄소-14) 또는 먹이 사슬(예: 칼륨-40, 스트론튬-90 및 요오드-131)을 통해 섭취됩니다.

단기간, 갑작스러운 대량의 방사선 조사는 혈액 화학 변화에서 사망에 이르기까지 건강에 광범위한 영향을 미칠 수 있습니다. 수십 렘의 방사선에 단기간 노출되면 매우 눈에 띄는 증상이나 질병이 발생할 가능성이 높습니다. 500rems 또는 5Sv의 급성 선량은 노출 후 30일 이내에 피해자를 사망에 이르게 할 확률이 50%인 것으로 추정됩니다. 방사성 방출에 대한 노출은 사람의 일생 동안 신체에 누적된 영향을 미치며, 이는 불필요한 방사선 노출을 피하는 것이 중요한 또 다른 이유입니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다 Openstax, Chemistry 2e, Section 21.6: Biological Effects of Radiation.

입자 및 전자기의 핵 방사선은 방사능으로 정량화되고 방사선 검출기에 의해 측정됩니다. 그러나 방사선 피폭의 생물학적 영향은 방사능뿐만 아니라 이온화 전력, 침투 능력, 피폭 시간 및 피폭 면적에 따라 달라집니다. 각 유형의 방사선은 물질을 다른 정도로 투과합니다.

알파 입자는 상대적으로 질량이 크기 때문에 침투 능력이 가장 낮습니다. 대부분은 피부 외부 층에 의해 중단됩니다. 그러나 침투하면 내부조직과 직접 접촉하여 큰 피해를 입힙니다.

알파 방사선과 같은 전하를 가진 입자 방사선은 세포 내의 생체 분자를 직접 이온화하고 중성자, 감마선, X선은 세포 과정에 간접적으로 영향을 미칩니다. 예를 들어 감마선은 살아있는 조직의 물을 이온화하여 히드록실 라디칼을 생성하며 이는 생체 분자를 이온화하여 세포를 손상시킵니다. 작은 부위에서 이온화가 많이 진행되면 손상은 더 커집니다.

방사선을 통해 물질에 전달되는 에너지는 흡수 선량'으로 측정되며 SI 단위인 그레이를 가집니다. 물질의 1킬로그램 당 1줄의 에너지의 부여는 1 그레이에 해당합니다. 노출 시간이 길수록 에너지 부여가 많아지고 선량이 증가합니다.

다른 방사선 유형의 동일한 흡수 선량은 이온화 및 침투력의 변화로 인해 다른 양의 생물학적 손상을 일으킬 수 있습니다. 생물학적 손상을 고려할 때 흡수선량에 방사선 가중치를 곱하여 등가선량'을 결정합니다. 그것의 SI 단위는 시버트입니다.

신체 조직은 조직 가중치로 표현되는 이온화 방사선에 대해 다양한 민감도를 가지고 있습니다. 한 영역에서 등가선량이 클 경우 선량은 조직 가중치에 의해 조정되고 전체적으로 신체에 대한 유효선량'을 결정하기 위해 합산됩니다. 유효 선량을 정확하게 결정하려면 적절한 방사선 검출기를 선택해야 합니다.

그것은 검출기가 선량이나 방사능을 측정하는가에 따라, 검출하는 방사선 유형, 이러한 방사선 유형의 구별 가능성에 따라 달라지기 때문입니다. 가이거-뮐러 계수기는 알파, 베타, X선 및 감마선의 방사능을 측정하는 데 일반적으로 사용되는 장치입니다. X선과 감마선의 선량을 측정할 수 있도록 방사선의 에너지에 비례하여 반응하도록 수정할 수 있습니다.