Виды ионизирующих излучений. Действие ионизирующих излучений на людей. Отличие действия электромагнитных излучений радиочастот от действия ионизирующих излучений.

 

Энергия излучения, поглощенная веществом, вызывает процессы возбуждения и ионизации. Возбуждение - это переход электрона в атоме на более высокий энергетический уровень, а ионизация - это отрыв одного или нескольких электронов от атома.

Ионизирующее излучение подразделяют на электромагнитное и корпускулярное. Электромагнитное излучение состоит из сгустков энергии - фотонов. Фотоны не имеют массы и заряда, и теряют энергию, проходя через вещество. Энергию одного фотона можно вычислить по формуле: Е = hv, где h - постоянная Планка.

Ионизирующее и неионизирующее излучения различаются только энергией отдельных фотонов, а не общей энергией дозы. Связь длины волны электромагнитного излучения (лямбда) с его частотой (ню) описывается уравнением с = лямбда*ню, где с - скорость света. Таким образом, длина волны обратно пропорциональна частоте.

К электромагнитному излучению относят рентгеновское и гамма-излучение (длина волны порядка 1/10000000000 м, или 1 ангстрема). Они отличаются только источником: рентгеновское излучение - это результат преобразования кинетической энергии электронов при взаимодействии с атомами вещества, а гамма-излучение образуется при распаде радионуклидов.

Энергия фотона рентгеновского или гамма-излучения в килоэлектронвольтах (кэВ) равна 12,4/лямбда, где лямбда - длина волны в ангстремах.

Корпускулярное излучение - это поток частиц: электронов, тяжелых заряженных частиц (например, протонов, альфа-частиц, отрицательных пи-мезонов) или нейтронов. Частицы имеют определенную массу и заряд (кроме нейтронов, которые заряда не имеют). Заряженные частицы могут ускоряться в электрическом поле. Электроны (бета-частицы) имеют небольшую массу и отрицательный заряд и могут разгоняться почти до скорости света. В тканях они быстро теряют скорость и проникают лишь на небольшую глубину, поэтому электронно-лучевую терапию часто используют для лечения некоторых заболеваний кожи. Протоны заряжены положительно; их масса составляет около 1 (в атомных единицах массы) и превышает массу электронов почти в 2000 раз. При столкновении с веществом протоны теряют энергию и быстро останавливаются. Максимум потерь энергии и ионизации приходится на небольшой участок в конце пробега протонов, называемый пиком Брэгга. Глубина расположения пика Брэгга зависит от энергии протонов. Альфа-частицы - это ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Из-за большой массы и заряда они могут проходить через вещество, только обладая огромной кинетической энергией; в большинстве случаев для защиты от альфа-частиц достаточно листа бумаги.

Нейтроны имеют почти такую же массу, как и протоны, но не имеют заряда, и поэтому не могут ускоряться в электрическом поле. Нейтронное излучение образуется при столкновении заряженных частиц с бериллиевой или дейтериевой мишенью или при распаде тяжелых радионуклидов.

Одинаковые дозы различных видов излучения обладают разным биологическим эффектом. Например, действие 1 Гр нейтронов намного сильнее, чем такой же дозы рентгеновского излучения. В связи с этим введено понятие относительная биологическая эффективность ионизирующего излучения. Для количественной оценки относительной биологической эффективности применяют коэффициент качества - это безразмерная величина, равная отношению доз исследуемого и стандартного излучения (обычно рентгеновского с энергией фотона 250 кэВ), вызывающих одинаковый биологический эффект. Коэффициент качества зависит от линейной передачи энергии, дозы, мощности дозы и вида биологической системы. Обычно относительная биологическая эффективность рентгеновского, гамма-излучения и бета-частиц близка, но точная величина коэффициента качества зависит от энергии излучения. Так, рентгеновское излучение с более высокой энергией, чем стандартное, имеет меньший коэффициент качества. Плотноионизирующие излучения имеют более высокий коэффициент качества: в случае нейтронов и альфа-частиц для большинства биологических систем он приблизительно равен 3.

Линейная передача энергии - это отношение энергии, поглощенной веществом, к длине пробега ионизирующих частиц. Она служит количественной мерой плотности ионизации. Обычно линейная передача энергии выражается в килоэлектронвольтах на микрометр (кэВ/мкм); она прямо пропорциональна квадрату заряда частицы. Излучения с высокой и низкой линейной передачей энергии имеют разное биологическое действие: так, гипоксияв три раза ослабляет действие излучения с низкой линейной передачей энергии (например, рентгеновского и гамма-излучения), а при высокой линейной передаче энергии (например, у альфа-частиц) этот так называемый кислородный эффект отсутствует. Считается, что излучение с низкой линейной передачей энергии вызывает гибель клетки за счет накопления множественных повреждений ДНК, тогда как излучение с высокой линейной передачей энергии способно убить клетку, повредив ДНК в единственном месте.

Электромагнитное излучение, особенно рентгеновское, взаимодействует с веществом и вызывает ионизацию тремя путями: при помощи фотоэффекта, эффекта Комптона и образования электронно-позитронных пар. Фотоэффект преобладает при излучениях с низкой энергией (от 30 до 100 кэВ), которые используются в диагностической радиологии. Эффект состоит в том, что фотон взаимодействует с электроном одного из энергетических уровней атома (обычно К, L или М). Если энергия фотона превышает энергию связи электрона, то электрон покидает свою орбиту с кинетической энергией, равной разности между энергией фотона и энергией связи электрона. Фотоэлектрический эффект прямо пропорционален кубу атомного номера элемента Z; именно поэтому кости видны на рентгенограммах намного лучше, чем мягкие ткани.

У излучений с более высокой энергией, используемых в терапевтической радиологии, преобладает эффект Комптона. Он состоит в том, что при столкновении фотона с электроном, находящимся на орбите, часть энергии фотона переходит в кинетическую энергию электрона, а фотон, потеряв часть энергии, изменяет направление движения.

Фотоны с энергией выше 1,02 МэВ могут вызывать образование электронно-позитронных пар. Позитрон имеет такую же массу, как и электрон, но положительно заряжен. Пройдя небольшое расстояние, он соединяется с электроном из другой пары. При этом масса обеих частиц переходит в энергию с излучением в противоположных направлениях двух фотонов.

Биологическое действие ионизирующих излучений и способы защиты от них

Различают два вида эффекта воздействия на организм ионизирующих излучений: соматический и генетический. При соматическом эффекте последствия проявляются непосредственно у облучаемого, при генетическом - у его потомства. Соматические эффекты могут быть ранними или отдалёнными. Ранние возникают в период от нескольких минут до 30-60 суток после облучения. К ним относят покраснение и шелушение кожи, помутнение хрусталика глаза, поражение кроветворной системы, лучевая болезнь, летальный исход. Отдалённые соматические эффекты проявляются через несколько месяцев или лет после облучения в виде стойких изменений кожи, злокачественных новообразований, снижения иммунитета, сокращения продолжительности жизни.

При изучении действия излучения на организм были выявлены следующие особенности:

1. Высокая эффективность поглощённой энергии, даже малые её количества могут вызвать глубокие биологические изменения в организме.

2. Наличие скрытого (инкубационного) периода проявления действия ионизирующих излучений.

3. Действие от малых доз может суммироваться или накапливаться.

4. Генетический эффект - воздействие на потомство.

5. Различные органы живого организма имеют свою чувствительность к облучению.

6. Не каждый организм (человек) в целом одинаково реагирует на облучение.

7. Облучение зависит от частоты воздействия. При одной и той же дозе облучения вредные последствия будут тем меньше, чем более дробно оно получено во времени.

Ионизирующее излучение может оказывать влияние на организм как при внешнем (особенно рентгеновское и гамма-излучение), так и при внутреннем (особенно альфа-частицы) облучении. Внутреннее облучение происходит при попадании внутрь организма через лёгкие, кожу и органы пищеварения источников ионизирующего излучения. Внутреннее облучение более опасно, чем внешнее, так как попавшие внутрь ИИИподвергают непрерывному облучению ничем не защищённые внутренние органы.

Под действием ионизирующего излучения вода, являющаяся составной частью организма человека, расщепляется и образуются ионы с разными зарядами. Полученные свободные радикалы и окислители взаимодействуют с молекулами органического вещества ткани, окисляя и разрушая её. Нарушается обмен веществ. Происходят изменения в составе крови - снижается уровень эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов и нейтрофилов. Поражение органов кроветворения разрушает иммунную систему человека и приводит к инфекционным осложнениям.

Местные поражения характеризуются лучевыми ожогами кожи и слизистых оболочек. При сильных ожогах образуются отёки, пузыри, возможно отмирание тканей (некрозы).

Смертельные поглощённые дозы для отдельных частей тела следующие:

· голова - 20 Гр;

· нижняя часть живота - 50 Гр;

· грудная клетка -100 Гр;

· конечности - 200 Гр.

При облучении дозами, в 100-1000 раз превышающую смертельную дозу, человек может погибнуть во время облучения ("смерть под лучом").

В зависимости от типа ионизирующего излучения могут быть разные меры защиты: уменьшение времени облучения, увеличение расстояния до источников ионизирующего излучения, ограждение источников ионизирующего излучения, герметизация источников ионизирующего излучения, оборудование и устройство защитных средств, организация дозиметрического контроля, меры гигиены и санитарии.

В России, на основе рекомендаций Международной комиссии по радиационной защите, применяется метод защиты населения нормированием. Разработанные нормы радиационной безопасности учитывают три категории облучаемых лиц:

А - персонал, т.е. лица, постоянно или временно работающие с источниками ионизирующего излучения;

Б - ограниченная часть населения, т.е. лица, непосредственно не занятые на работе с источниками ионизирующих излучений, но по условиям проживания или размещения рабочих мест могущие подвергаться воздействию ионизирующих излучений;

В - всё население.

 

Таблица

-

Биологические нарушения при однократном (до 4-х суток) облучении всего тела человека

 

Доза облучения, (Гр)	Степень лучевой болезни	Начало проявления первичной реакции	Характер первичной реакции	Последствия облучения
До 0,250,25 - 0,50,5 - 1,0	Видимых нарушений нет. Возможны изменения в крови. Изменения в крови, трудоспособность нарушена
1 - 2	Лёгкая (1)	Через 2-3 ч	Несильная тошнота с рвотой. Проходит в день облучения	Как правило, 100% -ное выздоровление даже при отсутствии лечения
2 - 4	Средняя (2)	Через 1-2 ч Длится 1 сутки	Рвота, слабость, недомогание	Выздоровление у 100% пострадавших при условии лечения
4 - 6	Тяжёлая (3)	Через 20-40 мин.	Многократная рвота, сильное недомогание, температура -до 38╟	Выздоровление у 50-80% пострадавших при условии спец. лечения
Более 6	Крайне тяжёлая (4)	Через 20-30 мин.	Эритема кожи и слизистых, жидкий стул, температура -выше 38╟	Выздоровление у 30-50% пострадавших при условии спец. лечения
6-10	Переходная форма (исход непредсказуем)
Более 10	Встречается крайне редко (100%-ный смертельный исход)

 

Для категорий А и Б, с учётом радиочувствительности разных тканей и органов человека, разработаны предельно допустимые дозы облучения.

Предельно допустимая доза - это наибольшее значение индивидуальной эквивалентной дозы за год, которая при равномерном воздействии в течение 50 лет не вызовет в состоянии здоровья персонала неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами.

Каждый житель Земли (категория В) на протяжении всей своей жизни ежегодно облучается дозой в среднем 250-400 мбэр. Полученная доза складывается из природных и искусственных источников ионизирующего излучения.

Таблица 3.5

-

Предельно допустимые дозы облучения

 

Дозовые пределы