Биологические эффекты радиации

Все радиоактивные нуклиды испускают высокоэнергетические частицы или электромагнитные волны. Когда это излучение попадает в живые клетки, оно может вызвать нагрев, разрыв химических связей или ионизацию молекул. Наиболее серьезный биологический ущерб возникает при фрагментации или ионизации этих радиоактивных излучений. Например, частицы α и β, испускаемые в результате реакций ядерного распада, обладают гораздо большей энергией, чем обычные энергии химической связи. Когда эти частицы ударят и проникают в материю, они производят ионы и молекулярные фрагменты, которые являются чрезвычайно реактивными. Ущерб, нанесенный биомолекулам в живых организмах, может привести к серьезным неисправностям в нормальных клеточных процессах, облагать налогами механизмы восстановления организма и, возможно, вызвать болезнь или даже смерть.

Существует большая разница в величине биологических эффектов неионизирующего излучения (например, света и микроволновых печей) и ионизирующего излучения, излучений, достаточно энергичных, чтобы выбить электроны из молекул (например, частиц α и β, лучей γ, рентгеновских лучей и высокоэнергетического ультрафиолетового излучения).

Энергия, поглощенная неионизирующим излучением, ускоряет движение атомов и молекул, что эквивалентно нагреву образца. Несмотря на то, что биологические системы чувствительны к нагреву, для достижения опасного уровня необходимо большое количество неионизирующего излучения. Тем не менее, ионизирующее излучение может привести к гораздо более серьезному повреждению, разрывая связи или удаляя электроны в биологических молекулах, нарушая их структуру и функции. Повреждения также могут быть нанесены косвенно, первым ионизирующим H2O, который образует ион H2O⁺, который вступает в реакцию с водой, образуя ион гидрония и гидроксильный радикал.

Поскольку гидроксильный радикал имеет неспаренный электрон, он очень реактивен. Этот гидроксильный радикал может вступать в реакцию со всеми видами биологических молекул (ДНК, протеины, ферменты и т. д.), вызывая повреждение молекул и нарушая физиологические процессы.

Энергия, подаемая каждым типом излучения тканям, различна и измеряется по поглощенной дозе, единица СИ которой является серой. Осаждение одной джуле энергии в килограммах материала соответствует одному серому. Блок CGS, являющийся рад, также по-прежнему широко используется (1 рад = 0.01 Гр).

Биологическая реакция на поглощенную дозу каждого типа излучения описывается весовой коэффициент излучения, который зависит от ионизирующей мощности и способности к проникновению. Поглощенная доза, умноженная на весовой коэффициент излучения, называется эквивалентной дозой, которая измеряется в зиверте в единицах СИ. Блок CGS, являющийся брем, также по-прежнему широко используется (1 бэр = 0.01 зв).

Таблица 1. Весовые коэффициенты излучения.

Различные ткани тела имеют различную чувствительность к ионизирующему излучению. Если экспозиция сконцентрирована в одной области тела или эквивалентная доза в противном случае не одинаковая для всего тела, для определения общего повреждения тела при неравномерной дозе используются весовые коэффициенты ткани. Эффективная доза для тела рассчитывается путем суммирования взвешенных эквивалентных доз для всех органов.

Для обнаружения и измерения излучения используются несколько различных устройств, включая счетчики Гейгера–Мюллера (GM), сцинтилляционные счетчики и дозиметры. Счетчик Гейгера–Мюллера состоит из двух частей: Цилиндрической трубки, наполненной инертным газом, например аргоном или гелием, и счетчика. Внутри трубки находится пара электродов с высоким напряжением на них. Любое ионизирующее излучение запускает каскад ионизаций молекул газа, создавая ток между анодом и катодом из-за потока электронов, который собирается, усиливается, отображаемым счетчиком в количестве импульсов в минуту или дисинтеграций в секунду. Счетчики ГМ не могут различать типы излучения, но варианты с компенсацией энергии могут измерять дозу и, таким образом, могут использоваться в качестве персональных дозиметров. Сцинтилляционный счетчик содержит сцинтиллятор — материал, излучающий свет при возбуждении ионизирующим излучением, и датчик, преобразующий свет в электрический сигнал. Дозиметры также измеряют ионизирующее излучение и часто используются для определения воздействия излучения. Обычно используются электронные персональные дозиметры, пленочные бейджи, термолюминесцентные дозиметры и дозиметры из кварцевого волокна.

Влияние излучения зависит от типа, энергии, местоположения источника излучения и длительности облучения. Среднее лицо подвергается фоновым излучениям, включая космические лучи с солнца и радон с урана в земле, излучение от медицинского воздействия, в том числе сканы CAT, радиоизотопные тесты, рентгеновские лучи и так далее; а также небольшое количество радиации от других видов деятельности человека, таких, как полеты самолетов (которые бомбардируются увеличением количества космических лучей в верхней атмосфере), радиоактивность от потребительских товаров, и множество радионуклидов, которые попадают в наши тела, когда мы дышим (например, углерод-14) или через пищевую цепь (например, калий-40, стронций-90 и йод-131).

Кратковременная, внезапная доза большого количества радиации может вызвать широкий спектр медицинских эффектов, от изменений в химии крови до смерти. Кратковременное воздействие десятков рэмс радиации, скорее всего, приведет к очень заметным симптомам или заболеваниям; по оценкам, в острой дозе 500 рэмс или 5 зв вероятность смерти жертвы в течение 30 дней после облучения составит 50%. Воздействие радиоактивных выбросов оказывает кумулятивное воздействие на организм в течение жизни человека, что является еще одной причиной, почему важно избежать ненужного облучения.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 21.6: Биологические эффекты радиации.