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19.10: 放射線の生物学的影響
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Chemistry

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Education
Biological Effects of Radiation
 

19.10: 放射線の生物学的影響

すべての放射性核種は、高エネルギーの粒子や電磁波を放出します。この放射線が生きている細胞に当たると、発熱、化学結合の切断、分子のイオン化などの現象が起こります。最も深刻な生物学的損傷は、これらの放射性物質が分子を断片化またはイオン化するときに生じます。例えば、核崩壊反応で放出される αや βの粒子は、通常の化学結合のエネルギーよりもはるかに高いエネルギーを有しています。これらの粒子が物質に衝突・透過すると、非常に反応性の高いイオンや分子の断片が生成されます。生体内の生体分子にダメージを与えることで、正常な細胞のプロセスに深刻な障害をもたらし、生体の修復メカニズムに負担をかけ、病気や死を引き起こす可能性があります。

非電離放射線(光やマイクロ波など)と電離放射線、すなわち分子から電子を叩き出すほどのエネルギーを持つ放射線(α および β粒子、X線、高エネルギー紫外線など)の生物学的影響の大きさには大きな違いがあります。

非電離放射線から吸収されたエネルギーは、原子や分子の動きを速め、試料を加熱することに相当します。生体は熱に弱いため、危険なレベルに達するまでには大量の非電離放射線が必要となります。一方、電離放射線は、生体分子の結合を切断したり、電子を取り除いたりして、生体分子の構造や機能を破壊し、はるかに深刻なダメージを与える可能性があります。また、ダメージは間接的に与えられることもあります。まずH2Oをイオン化し、H2O+イオンを形成し、これが水と反応してヒドロニウムイオンとヒドロキシルラジカルを生成します。

ヒドロキシルラジカルは不対電子を持っているため、非常に反応性が高いです。このヒドロキシルラジカルは、あらゆる種類の生体分子(DNA、タンパク質、酵素など)と反応し、分子に損傷を与えたり、生理的プロセスを阻害したりします。

放射線の種類によって組織に与えられるエネルギーは異なり、吸収線量という単位で測定されます。1キログラムの物質に1ジュールのエネルギーが付与されると、1グレイに相当します。CGSの単位であるradもまだ広く使われている(1 rad = 0.01 Gy)。

各種類の放射線の吸収量に対する生物学的反応は、電離力と透過力に依存する放射線加重係数によって記述されます。吸収線量に放射線加重係数をかけたものを等価線量といい、SI単位ではシーベルトで表されます。また、CGSの単位であるremも現在も広く使われている(1 rem = 0.01 Sv)。

核放出   放射線過重係数. 
ガンマ線, エックス線 1
ベータ粒子 1
アルファ粒子 20
  中性子 (未知のエネルギー)   10
中性子 (高速) 11
中性子 (熱的) 2

Table 1. 放射線過重係数

電離放射線に対する身体組織の感受性は、組織ごとに異なります。被曝が体の一部分に集中している場合や、等価線量が体全体で均一でない場合には、組織加重係数を用いて、不均一な線量による体の全体的なダメージを判断します。全身の実効線量は、すべての臓器の加重等価線量を合計して算出します。

放射線の検出・測定には、ガイガーカウンター、シンチレーションカウンター、放射線量計など、さまざまな機器が使われています。ガイガーカウンターは、アルゴンやヘリウムなどの不活性ガスを封入した円筒形の管と、カウンターの2つの部分から構成されています。筒の中には、高電圧がかけられた一対の電極が入っています。電離放射線があると、ガス分子の電離が連鎖的に起こり、電子の流れによってアノードとカソードの間に電流が生じ、カウンターに1分や1秒あたりの崩壊数として表示されます。GM計数管は放射線の種類を区別することはできないが、エネルギー補償型の計数管は線量を測定することができるので、個人用の線量計として使用することができます。シンチレーションカウンターは、電離放射線によって励起されて発光するシンチレータと、その光を電気信号に変換するセンサから構成されています。放射線量計もまた、電離放射線を測定するもので、個人の放射線被曝量を測定するために使用されることが多いです。一般的には、電子式個人線量計、フィルムバッジ、熱線式、石英繊維式などがあります。

放射線の影響は、放射線源の種類、エネルギー、場所、そして被曝期間によって異なります。一般の人は、太陽からの宇宙線や地中のウランから発生するラドンなどのバックグラウンド放射線、CATスキャンや放射性同位元素検査、X線などの医療被曝による放射線にさらされています。また、航空機の飛行(大気圏上層部で増加した宇宙線の攻撃を受ける)、消費財からの放射能、呼吸(炭素-14など)や食物連鎖(カリウム-40、ストロンチウム-90、ヨウ素-131など)によって体内に入るさまざまな放射性核種など、その他の人間活動による少量の放射線も含まれています。

短期間に大量の放射線を突然浴びると、血液の化学状態の変化から死に至るまで、さまざまな健康被害が生じる可能性があります。数十remの放射線を短期的に浴びると、非常に顕著な症状や病気を引き起こす可能性が高く、500 remまたは5 Svの急性線量を浴びると、50%の確率で被曝後30日以内に死亡すると推定されています。放射性物質の被曝は、生涯にわたって身体に累積的な影響を与えるため、不必要な被曝を避けることが重要です。

上記の文章は以下から引用しました。 Openstax, Chemistry 2e, Section 21.6: Biological Effects of Radiation.

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