19.10: Radyasyonun Biyolojik Etkileri

Tüm radyoaktif nüklidler yüksek enerjili parçacıklar veya elektromanyetik dalgalar yayar. Bu radyasyon canlı hücrelerle karşılaştığında, ısınmaya, kimyasal bağların kopmasına veya moleküllerin iyonlaşmasına neden olabilir. En ciddi biyolojik hasar, bu radyoaktif emisyonlar molekülleri parçaladığında veya iyonize ettiğinde ortaya çıkar. Örneğin, nükleer bozunma reaksiyonlarından yayılan α ve β parçacıkları, normal kimyasal bağ enerjilerinden çok daha yüksek enerjilere sahiptir. Bu parçacıklar maddeye çarptığında ve nüfuz ettiğinde, son derece reaktif olan iyonlar ve moleküler fragmanlar üretirler. Bunun canlı organizmalardaki biyomoleküllere verdiği zarar, normal hücre süreçlerinde ciddi arızalara neden olabilir, organizmanın onarım mekanizmalarını zorlar ve muhtemelen hastalığa ve hatta ölüme neden olabilir.

İyonlaştırıcı olmayan radyasyonun (örneğin, ışık ve mikrodalgalar) ve elektronları moleküllerden koparacak kadar enerjik emisyon olan (örneğin, α ve β parçacıkları, γ ışınları, X ışınları ve yüksek enerjili ultraviyole radyasyon) iyonlaştırıcı radyasyonun biyolojik etkilerinin büyüklüğünde büyük bir fark vardır.

İyonlaştırıcı olmayan radyasyondan emilen enerji, numunenin ısıtılmasına eşdeğer olan atomların ve moleküllerin hareketini hızlandırır. Biyolojik sistemler ısıya duyarlı olmasına rağmen, tehlikeli seviyelere ulaşılmadan önce çok miktarda iyonize edici radyasyon gereklidir. Bununla birlikte, iyonlaştırıcı radyasyon, bağları kırarak veya biyolojik moleküllerdeki elektronları çıkararak, yapılarını ve işlevlerini bozarak çok daha ciddi hasara neden olabilir. Hasar, ilk olarak su ile reaksiyona giren bir H₂O⁺ iyon oluşturan, bir hidronyum iyon ve bir hidroksil radikal oluşturan H₂O'yu iyonlaştırarak dolaylı olarak da yapılabilir.

Hidroksil radikali, eşleşmemiş bir elektrona sahip olduğu için oldukça reaktiftir. Bu hidroksil radikali her türlü biyolojik molekülü (DNA, proteinler, enzimler vb.) reaksiyona sokabilir, moleküllere zarar verebilir ve fizyolojik süreçleri bozabilir.

Her radyasyon türü tarafından dokulara verilen enerji farklıdır ve SI birimi gri olan absorbe edilen doz açısından ölçülür. Bir kilogram malzemede bir joule enerjinin birikmesi bir griye karşılık gelir. Rad olan CGS birimi de hala yaygın olarak kullanılmaktadır (1 rad = 0,01 Gy).

Her radyasyon türünün emilen dozuna biyolojik yanıt, iyonlaştırıcı güce ve penetrasyon yeteneğine bağlı olan bir radyasyon ağırlık faktörü ile tanımlanır. Radyasyon ağırlık faktörü ile çarpılan emilen doz, SI birimlerinde sievert cinsinden ölçülen eşdeğer doz olarak bilinir. Rem olan CGS birimi de hala yaygın olarak kullanılmaktadır (1 rem = 0,01 Sv).

Tablo 1. Radyasyon ağırlık faktörleri.

Farklı vücut dokuları iyonlaştırıcı radyasyona karşı farklı hassasiyetlere sahiptir. Maruz kalma vücudun bir bölgesinde yoğunlaşırsa veya eşdeğer doz vücutta bile değilse, eşit olmayan doz göz önüne alındığında vücudun genel hasarını belirlemek için doku ağırlık faktörleri kullanılır. Vücut için etkili doz, tüm organlar için ağırlıklı eşdeğer dozların toplanmasıyla hesaplanır.

Geiger–Müller (GM) sayaçları, sintilasyon sayaçları ve radyasyon dozimetreleri de dahil olmak üzere radyasyonu tespit etmek ve ölçmek için birkaç farklı cihaz kullanılır. Bir Geiger-Müller sayacı iki bölümden oluşur: argon veya helyum gibi inert bir gazla doldurulmuş silindirik bir tüp ve bir sayaç. Tüpün içinde, üzerinde yüksek voltajlı bir çift elektrot bulunur. Herhangi bir iyonlaştırıcı radyasyon, gaz moleküllerinin iyonlaşmalarını başlatır ve elektronların akışı sayesinde anot ve katot arasında bir akım oluşturur, bu da toplanır, yükseltilir, sayaç tarafından dakika başına sayım veya saniyede parçalanma olarak görüntülenir. GM sayaçları radyasyon tipleri arasında ayrım yapamaz, ancak enerji ile telafi edilen varyantlar dozu ölçebilir ve böylece kişisel dozimetreler olarak kullanılabilir. Bir sintilasyon sayacı, bir sintilatör — iyonlaştırıcı Radyasyonla uyarıldığında ışık yayan bir malzeme— ve ışığı bir elektrik sinyaline dönüştüren bir sensör içerir. Radyasyon dozimetreleri ayrıca iyonlaştırıcı radyasyonu ölçer ve genellikle kişisel radyasyona maruz kalmayı belirlemek için kullanılır. Yaygın olarak kullanılan tipler elektronik kişisel dozimetreler, film rozeti, termolüminesan ve kuvars elyaf dozimetreleridir.

Radyasyonun etkileri, radyasyon kaynağının türüne, enerjisine ve konumuna ve maruz kalma süresine bağlıdır. Ortalama bir kişi, güneşten gelen kozmik ışınlar ve yeryüzündeki uranyumdan gelen radon, CAT taramaları, radyoizotop testleri, X-ışınları dahil olmak üzere tıbbi maruziyetten kaynaklanan radyasyon da dahil olmak üzere arka plan radyasyonuna, ve dahası; uçak uçuşları gibi diğer insan faaliyetlerinden gelen az miktarda radyasyona (üst atmosferdeki artan sayıda kozmik ışın tarafından bombalanır), tüketici ürünlerinden gelen radyoaktivite ve nefes aldığında (örneğin, karbon-14) veya besin zincirinden (örneğin, potasyum-40, stronsiyum-90 ve iyot-131) vücuda giren çeşitli radyonüklidlere maruz kalırız.

Büyük miktarda radyasyonun kısa süreli, ani bir dozu, kan kimyasındaki değişikliklerden ölüme kadar çok çeşitli sağlık etkilerine neden olabilir. Onlarca rems radyasyona kısa süreli maruz kalma muhtemelen çok belirgin semptomlara veya hastalıklara neden olacaktır; 500 rems veya 5 Sv'lik akut bir dozun, maruz kaldıktan sonraki 30 gün içinde mağdurun ölümüne neden olma olasılığının %50 olduğu tahmin edilmektedir. Radyoaktif emisyonlara maruz kalma, bir kişinin yaşamı boyunca vücut üzerinde kümülatif bir etkiye sahiptir, bu da radyasyona gereksiz maruz kalmaktan kaçınmanın önemli olmasının bir başka nedenidir.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Section 21.6: Biological Effects of Radiation.

Hem parçacık hem de elektromanyetik nükleer radyasyon, etkinlik açısından miktarı belirlenir ve radyasyon dedektörleri tarafından ölçülür. Bununla birlikte, radyasyona maruz kalmanın biyolojik etkileri sadece aktiviteye değil, aynı zamanda iyonlaştırıcı güce, penetrasyon kabiliyetine, maruz kalma süresine ve maruz kalan alana da bağlıdır. Her radyasyon türü maddeye farklı boyutlarda nüfuz eder.

Alfa parçacıkları, nispeten kütleli oldukları için en az nüfuz etme kabiliyetine sahiptir;çoğu dış deri tabakası tarafından durdurulur. Ancak yutulduklarında doğrudan iç dokulara temas ederler ve oldukça zararlıdırlar. Alfa radyasyonu gibi yüklü parçacık radyasyonu, hücreler içindeki molekülleri doğrudan iyonize ederken, nötronlar, gama ışınları ve X-ışınları, hücresel süreçleri dolaylı olarak etkiler.

Örneğin, gama radyasyonu canlı dokudaki suyu iyonize ederek bir hidroksil radikali üretir biyomolekülleri iyonize ederek hücrelere zarar verir. Küçük bir alanda çok sayıda iyonlaşma uyarılırsa hasar daha büyüktür. Radyasyon tarafından malzemeye verilen enerji SI birimi gri olan soğurulan doz'olarak ölçülür.

Bir kilogram malzeme için bir jul'e enerji birikimi bir griye karşılık gelir. Daha uzun maruz kalma süreleri, daha fazla enerji birikimi meydana getirerek daha yüksek bir dozla sonuçlanır. Farklı radyasyon türlerinin aynı absorbe edilen dozu, iyonlaştırıcı ve nüfuz edici güçlerdeki varyasyon nedeniyle farklı miktarlarda biyolojik hasara neden olabilir.

Biyolojik hasar göz önüne alındığında, emilen doz, eşdeğer dozu'belirlemek için bir radyasyon ağırlıklandırma faktörü ile çarpılır. SI birimi süzgeçtir. Vücut dokuları, doku ağırlıklandırma faktörleri olarak ifade edilen iyonlaştırıcı radyasyona karşı farklı hassasiyetlere sahiptir.

Eşdeğer doz bir bölgede daha yüksek olduğunda, dozlar doku ağırlıklandırma faktörlerine göre ayarlanır ve toplam vücut için etkili dozu'belirlemek için toplanır. Etkili dozun doğru bir şekilde belirlenmesi, uygun bir radyasyon dedektörünün seçilmesini gerektirir, çünkü dedektörler dozu veya etkinliği ölçüp ölçmedikleri, algıladıkları radyasyon türleri ve bu tür radyasyon türlerini ayırt edip edemeyeceklerine göre değişir. Geiger-Müller sayacı, alfa, beta, X-ışını ve gama radyasyonundan gelen aktiviteyi ölçmek için yaygın olarak bilinen bir cihazdır.

Radyasyonun enerjisine orantılı yanıt verecek şekilde modifiye edilebilir ve X-ışınlarından ve gama ışınlarından gelen dozu ölçmesine izin verir.