19.10
Biologische effecten van straling
Alle radioactieve nucliden zenden hoogenergetische deeltjes of elektromagnetische golven uit. Wanneer deze straling levende cellen tegenkomt, kan dit…
Nucleaire straling, zowel deeltjes als elektromagnetisch, wordt gekwantificeerd in termen van activiteit en gemeten door stralingsdetectoren. De biologische effecten van blootstelling aan straling zijn echter niet alleen afhankelijk van de activiteit, maar ook van het ioniserend vermogen, het penetratievermogen, de blootstellingstijd en het blootgestelde gebied. Elk type straling dringt materie in een andere mate binnen.
Alfadeeltjes hebben het minste penetratievermogen, aangezien ze relatief massief zijn;de meeste worden tegengehouden door de buitenste huidlaag. Bij inslikken komen ze echter rechtstreeks in contact met interne weefsels en zijn ze zeer schadelijk. Straling van geladen deeltjes, zoals alfastraling, ioniseert direct biomoleculen in cellen, terwijl neutronen, gammastralen en röntgenstraling de cellulaire processen indirect beïnvloeden.
Gammastraling ioniseert bijvoorbeeld water in levend weefsel om een hydroxylradicaal te produceren, die biomoleculen verder ioniseert, waardoor cellen worden beschadigd. De schade is groter als in een klein gebied veel ionisaties worden opgewekt. De energie die door straling aan materiaal wordt afgegeven, wordt gemeten als de geabsorbeerde dosis'waarvan de SI-eenheid de gray is.
De afzetting van één joule energie per kilogram materiaal komt overeen met één gray. Langere belichtingstijden resulteren in meer energie-afzetting, wat resulteert in een hogere dosis. Dezelfde geabsorbeerde dosis van verschillende soorten straling kan verschillende hoeveelheden biologische schade veroorzaken vanwege de variatie in ionisatie-en penetratievermogen.
Bij het beschouwen van biologische schade wordt de geabsorbeerde dosis vermenigvuldigd met een stralingsweegfactor om de equivalente dosis'te bepalen. De SI-eenheid is de sievert. Lichaamsweefsels hebben verschillende gevoeligheden voor ioniserende straling, weergegeven in termen van weefselweegfactoren.
Wanneer de equivalente dosis in een bepaald gebied groter is, worden de doses aangepast door middel van weefselweegfactoren en opgeteld om de effectieve dosis'voor het lichaam als geheel te bepalen. Het nauwkeurig bepalen van de effectieve dosis vereist het kiezen van een geschikte stralingsdetector, aangezien detectoren variëren in het meten van dosis of activiteit, de soorten straling die ze detecteren en of ze die soorten straling van elkaar kunnen onderscheiden. Een Geiger-Müller-teller is het algemeen bekende apparaat dat wordt gebruikt om de activiteit van alfa-bèta-röntgen-en gammastraling te meten.
Het kan worden aangepast om proportioneel te reageren op de energie van de straling, waardoor het de dosis van röntgen-en gammastraling kan meten.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: Why does alpha radiation cause more damage when ingested than when it contacts skin?
Alpha particles have low penetration ability and are stopped by outer skin layers. However, when ingested, they directly contact internal tissues and directly ionize biomolecules within cells, causing highly damaging effects. This direct ionization in sensitive internal organs results in severe biological harm compared to external exposure.
Q2: How does gamma radiation damage cells indirectly?
Gamma radiation ionizes water molecules in living tissue, producing highly reactive hydroxyl radicals. These radicals then react with biological molecules like DNA, proteins, and enzymes, disrupting their structure and function. This indirect damage pathway is particularly dangerous because hydroxyl radicals can damage multiple types of biomolecules throughout the cell.
Q3: What is the difference between absorbed dose and equivalent dose?
Absorbed dose measures energy deposited per unit mass, expressed in grays. Equivalent dose accounts for different radiation types' varying ionizing and penetration powers by multiplying absorbed dose by a radiation weighting factor, expressed in sieverts. This adjustment reflects that equal absorbed doses of different radiation types cause different biological damage.
Q4: Why are tissue weighting factors used to calculate effective dose?
Different body tissues have varying sensitivities to ionizing radiation. When radiation exposure is concentrated in one area or unevenly distributed, tissue weighting factors adjust equivalent doses to reflect each organ's sensitivity. Summing these weighted doses determines the overall effective dose to the body, providing a more accurate assessment of total biological risk.
Q5: How does a Geiger-Müller counter detect and measure radiation?
A Geiger-Müller counter contains a gas-filled tube with electrodes at high voltage. Ionizing radiation ionizes gas molecules, creating a cascade of ionizations that produces current between the electrodes. This current is collected, amplified, and displayed as counts per minute or disintegrations per second, allowing measurement of radiation activity.
Q6: What are the main sources of background radiation exposure for the average person?
Background radiation comes from cosmic rays from the sun, radon from uranium in the ground, medical procedures like CAT scans and X-rays, airplane flights with increased cosmic ray exposure, consumer products, and radionuclides entering the body through breathing or food chains, such as carbon-14, potassium-40, and strontium-90.
Q7: What acute radiation dose poses a significant risk of death?
An acute dose of 500 rems or 5 sieverts has an estimated 50% probability of causing death within 30 days of exposure. Short-term exposure to tens of rems causes very noticeable symptoms or illness. Radiation exposure also has cumulative effects over a person's lifetime, making it important to avoid unnecessary exposure.