Радиобиология с основами радиоэкологии

2.5. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом

Проникающая способность ионизирующих излучений, т.е. глубина их проникновения в вещество зависит не только от приведенных выше их характеристик, но и от состава и плотности облучаемого вещества. Она минимальна в материалах, обладающих высокой плотностью, подобных бетону, стали, свинцу, которые обычно и используют в качестве защиты от излучений, и максимальна в воздухе и других газовых средах.

Проникая в вещество, ионизирующие излучения вступают во взаимодействие с его атомами и молекулами. При этом основная часть энергии расходуется на ионизацию атомов и молекул вещества, возбуждение электронов, преобразуясь в кинетическую энергию вторичных электронов оболочек атомов, о чем говорилось в начале данной главы.

Следует подчеркнуть, что если корпускулярное излучение непосредственно само вызывает ионизацию, то электромагнитное – косвенно, так как ионизирующие частицы при облучении рентгеновскими или γ-лучами возникают лишь при взаимодействии их фотонов с веществом.

2.5.1.Взаимодействие электромагнитных излучений

свеществом

Электромагнитные излучения проникают в вещество, в том числе в живую ткань, очень глубоко. Более того, каким бы плотным ни было вещество, какой бы ни была его толщина, поглотить полностью фотоны теоретически невозможно. Их можно лишь ослабить. В ядерной физике и соответственно в радиобиологии существует понятие линейного коэффициента ос­ лабления электромагнитного излучения, который представляет собой величину относительного его уменьшения после прохождения через слой вещества толщиной в 1 см. В табл. 2.2 приведены значения этого коэффициента при прохождении γ-излучения трех разных энергий через некоторые вещества, материалы и ткани человека. Его величина прямо пропорциональна плотности и обратно пропорциональна энергии излучения. Поэтому, зная данные показатели, его можно рассчитать.

Основные процессы, происходящие при взаимодействии электромагнитных ионизирующих излучений с веществом, – это фотоэлектрический эффект (фотоэффект), комптоновское рассеяние (эффект Комптона, или комптон-эффект) и образование пар электрон-позитрон (рис. 2.4).

При фотоэлектрическом эффекте происходит поглощение энергии падающих квантов электронами атома вещества, в результате чего возникают свободные электроны, вылетающие за пределы атома с кинетической энергией, равной энергии кванта излучения за вычетом энергии связи электрона в атоме. В тка-

нях живых организмов фотоэффект характерен для низкоэнергетических электромагнитных излучений – длинноволнового рентгеновского и γ-излучений с энергиями до 100 кэВ. С увеличением энергии излучения вероятность его фотоэлектрического взаимодействия с веществом снижается и при энергиях свыше 1 МэВ им можно пренебречь. Основной вклад во взаимодействие с веществом излучений высоких энергий вносит комптоновское рассеяние энергии.

При комптон-эффекте происходит рассеивание энергии фотона на одном из электронов атома. Это явление можно представить как упругое соударение фотона рентгеновского или

можным процесс образования электрон-позитронных пар в

электрическом поле ядер атомов. Этот процесс вызывается столкновением фотона с какой-нибудь заряженной частицей, обычно атомным ядром, в поле которой и образуется пара частиц электрон-позитрон. Вероятность образования пар растет с увеличением энергии излучения. При энергии выше 1.02 МэВ ее избыток превращается в кинетическую энергию возникшей пары. В дальнейшем после полного торможения позитрон исчезает (аннигилирует) с излучением двух фотонов с энергией 0.51 МэВ.

Таким образом, в зависимости от энергии электромагнитного излучения вклад различных типов его взаимодействия с веществом изменяется: с её увеличением уменьшается доля фотоэлектрического и комптоновского эффектов, но возрастает роль образования электрон-позитронных пар. Уровни энергий электромагнитных излучений, возникающих при распаде большинства естественных и искусственных радиоактивных изотопов, а также рентгеновских и γ-излучений, используемых в радиобиологии, находятся в диапазоне 0.2–2.2 МэВ. Поэтому наиболее вероятными при облучении растений и животных являются процессы взаимодействия по типу комптон-эффекта и образования пар.

2.5.2.Взаимодействие корпускулярных излучений

свеществом

Механизм взаимодействия всех типов заряженных корпускулярных частиц с веществом одинаков – при прохождении через него они теряют свою энергию на ионизацию и возбуждение атомов. В зависимости от знака заряда частицы испытывают электростатическое взаимодействие с частицами вещества и могут изменять направление движения. Однако это влияние на тяжелые частицы невелико, и их траектория в веществе практически прямолинейна. Путь же легких частиц, как правило, носит изломанный характер. При этом быстро уменьшаются их энергия и скорость, хотя и значительно медленнее, чем тяжелых заряженных частиц.

Проникающая способность заряженных частиц существенно меньше, чем квантов электромагнитных излучений. Хотя она также определяется, в первую очередь, их энергией, но в значительной степени зависит от массы и наличия электрического заряда. Так, α-частицы с огромной энергией 5–10 МэВ из-за своих больших размеров и наличия положительного заряда проникают в живые ткани всего на глубину 30–100 мкм. β-частицы, обладающие малыми размерами, несмотря на наличие заряда, гораздо медленнее теряют свою кинетическую энергию и поэтому их пробег в ткани значительно больше. Так, β-частицы радиоактивного изотопа фосфора 32Р, обладающие

энергией до 1.71 МэВ, проникают в ткани на глубину 12 мм; изотопа калия 40К c энергией 1.31 МэВ – до 10 мм, а относительно мягких стронция 90Sr с энергией 0.55 МэВ – на 6–8 мм.

О высокой проникающей способности в вещество незаряженных частиц нейтронов говорилось выше. При одинаковой массе и кинетической энергии она намного выше, чем у протонов, имеющих положительный электрический заряд.

Важное различие во взаимодействии с веществом электромагнитного и корпускулярного излучений состоит еще и в том, что если фотоны рентгеновского и γ-излучений на всем пути своего движения равномерно его ионизируют, то поток заряженных частиц, например α-частиц, постепенно теряя энергию и скорость, вызывают неравномерную ионизацию – с замедлением частицы она возрастает и достигает максимума в конце пути. Эта характерная для любой заряженной частицы зависимость в графическом изображении получила название кривой Брэгга (рис. 2.5).

Число пар ионов, возникаю­ щих на единице пути частицы или фотона в веществе, называ­ ют плотностью ионизации, или удельной ионизацией. Удельная ионизация α-частиц – самая высокая из всех ионизирующих излучений. Пробегая в воздухе расстояние до 10 см, она на каждом сантиметре пути образует несколько десятков тысяч пар ио-

Рис. 2.5. Кривая Брегга для нов, в то время как высокоэнер- a-частиц. гетическая β-частица, например 32Р, пробегая в воздухе до 25 м, вызывает образование на 1 см пробега всего 50–100 пар ионов.

Примерно такую же степень ионизации индуцируют фотоны рентгеновского и γ-излучений, длина пробега которых в воздухе достигает сотен метров.

2.6.Линейная передача энергии ионизирующих излучений

иих относительная биологическая эффективность

Отдача энергии ионизирующих излучений по всей длине пробега частицы или фотона называется линейной передачей

(встречаются термины «перенос» и «потеря») энергии (ЛПЭ). Единица ЛПЭ равна количеству энергии, теряемой первичной ионизирующей частицей на единице длины ее пробега. Эта величина играет определяющую роль в проявлении радиобиологических реакций организма при равных дозах облучения различными типами излучений.

Действительно, в зависимости от энергии ионизирующего излучения и от энергии, массы и заряда корпускулярного излучения степень ионизации вещества при облучении в равных дозах и одинаковых условиях может существенно отличаться. Следовательно, при облучении живых организмов может существенно различаться величина радиобиологического эффекта, т.е. степень проявления радиобиологической реакции – обычно уровень повреждения.

Для сравнения биологического действия разных типов ионизирующих излучений в радиобиологии введена специальная величина – относительная биологическая эффективность

(ОБЭ) излучений. Она оценивается сравнением дозы испытуемого излучения с дозой стандартного, вызывающего подобный же радиобиологический эффект. В качестве стандарта обычно используют рентгеновское излучение с энергией 180–250 кэВ либо γ-излучение 60Со или 137Сs, которые образуют примерно 100 пар ионов на 1 мкм пути пробега в воде. Таким образом, ОБЭ = Д0/ ДХ, где Д0 – доза стандартного излучения и ДХ – доза изучаемого излучения. Значения ОБЭ для некоторых видов ионизирующих излучений, являющиеся усредненными результатами экспериментов с различными организмами, приведены в табл. 2.3.

На основе ОБЭ определяется так называемый коэффициент качества излучения – показатель, оценивающий относительный вредный биологический эффект различных типов ионизирующей радиации, который используется в прикладной радиобиологии. Фактически его величины равны приведенным в табл. 2.3 усредненным значениям ОБЭ.

Величина ОБЭ определяется главным образом значением ЛПЭ – чем выше ЛПЭ, т.е. чем больше среднее число ионизаций на единицу пути пробега в веществе (обычно на 1 мкм в

Таблица 2.3

Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) различных типов ионизирующих излучений

т.е. мощности дозы и степени ее фракционирования, наличия в среде кислорода и даже биологических особенностей объекта облучения. В частности, ОБЭ может различаться при облучении сухих семян и обводненных клеток и тканей вегетирующих растений, покоящихся спор и активно метаболизирующих бактерий.

Заключая данный раздел, следует подчеркнуть, что знание значений коэффициентов ОБЭ различных типов излучений крайне важно для предсказания вероятности возникновения тех или иных радиобиологических эффектов, степени радиационного повреждения, оценки степени риска при облучении, прогнозирования тяжести лучевой болезни и многих других ситуаций.

2.7. Радиометрия и дозиметрия ионизирующих излучений. Единицы радиоактивности и доз

Урановая руда и другие полезные ископаемые, минеральные удобрения, созданные на их основе, строительные материалы, наконец, почва, растения, вода, воздух и многие другие вещества и объекты окружающей среды содержат естественные радиоактивные изотопы, а в результате радиоактивного загрязнения могут содержать определенное количество и искусственных радиоактивных изотопов. Оценка уровня радиоактивности производится с помощью различных методов радиометрии. Ра­ диометрия – это совокупность приемов и методов определе­ ния активности и концентрации радиоактивных веществ в пробах и источниках ионизирующих излучений, а также ти­ пов их излучений. Главной задачей радиометрии является ко-

личественная оценка радиоактивности образца, т.е. числа радиоактивных превращений, или распадов, за единицу времени.

Выделяют радиоактивность удельную и поверхностную. Удельная радиоактивность – это содержание радиоактивных изотопов в единице массы или объема материала или вещества.

Поверхностная радиоактивность – содержание радиоактивных изотопов на определенной площади поверхности.

В системе СИ единицей радиоактивности является бекке­ рель (русское обозначение Бк, международное – Bq). Один беккерель – это один распад радиоактивного вещества в течение одной секунды – 1 Бк = 1 расп/с. Соответственно, удельная радио­ активность оценивается в Бк/кг, Бк/л, а поверхностная – Бк/м2 или других эквивалентных единицах – кБк/г, Бк/см2 и т.д.

Внесистемной единицей радиоактивности, используемой до последнего десятилетия, была кюри (Ки, Ci). Кюри – радиоактивность любого вещества, в котором происходит 3.7×1010 распадов в течение секунды, т.е. 1 Ки = 3.7×1010 Бк.

Радиоактивное вещество или содержащий его материал создают вокруг себя определенное поле радиоактивности, формирующее дозу облучения различных объектов, в том числе и живых организмов. Дозиметрия – это измерение энергии по­ лей ионизирующих излучений в объектах окружающей среды, создаваемых источниками радиоактивности. Основной задачей дозиметрии в радиобиологии является определение величины дозы ионизирующего излучения в среде, а также живом организме, создаваемой в результате его взаимодействия с веществами тканей за определенное время как при внешнем воздействии, когда источник радиоактивности находится вне организма, так и при внутреннем, когда радиоактивное вещество попадает в организм.

Следует отличать энергию излучения, падающего на облучаемый объект, от энергии, поглощаемой объектом и вызывающей физическое воздействие. Поэтому в радиобиологии, как и в ядерной физике, выделяют экспозиционную, или физическую, дозу (Dx) и поглощенную дозу (Dp). Но в отличие от ядерной физики радиобиологии, как правило, приходится иметь дело с дозами, на много порядков более низкими.

Экспозиционная, или физическая доза – это доза, которая формируется в воздухе на определенном расстоянии от источ­ ника радиоактивности. Иными словами, это количество энергии излучения, падающее на объект облучения. Первая общепринятая единица экспозиционной дозы – рентген (Р, R) – была определена как доза, при которой в 1 см3 воздуха возникает такое количество ионов, что их суммарный заряд равен одной электростатической единице количества электричества каждого знака. Как отмечалось в начале главы, дозе 1 Р соответствует образование 2.08×109 пар ионов в 1 см3 воздуха.

В системе СИ единицей экспозиционной дозы является ку­ лон на килограмм (Кл/кг, С/kg). 1 Кл/кг = 3876 Р.

При оценке биологического действия ионизирующего излучения более важное значение имеет количество энергии излучения, прошедшее через объект облучения, т.е. суммарная доза, поглощенная им. Поглощенная доза – это суммарное коли­ чество энергии ионизирующего излучения, которое поглощает­ ся объектом облучения.

В системе СИ единицей поглощенной дозы является грей (Гр, Gy), равный поглощенной дозе ионизирующего излучения, при которой веществу массой 1 кг передается энергия излучения 1 Дж, т.е. 1 Гр = 1 Дж/кг.

До принятия системы СИ поглощенная доза оценивалась в единицах рад (международное название rad – radiation ab­ sorbed dose), соответствующая поглощенной энергии излучения, равной 100 эрг/г. Таким образом, 1 рад = 0.01 Дж/кг, а 1 Гр = 100 рад.

Несомненно, поглощенная доза Dp зависит от экспозиционной дозы Dx. И если известны величины экспозиционной дозы и коэффициент поглощения вещества f, то поглощенную дозу можно рассчитать по простой формуле: Dp = Dх×f. Для электромагнитного излучения энергий 0.4–2.0 МэВ этот коэффициент для воды, тканей растений и животных колеблется в пределах 0.93–0.97. Это означает, что при облучении растений и животных экспозиционной дозе 1 Р соответствует поглощенная доза 0.93–0.97 рад или сантигрей (сГр), т.е. практически в условиях допускаемой ошибки дозиметрических приборов 5–15% при облучении живых объектов различий в экспозиционной и поглощенной дозе нет.

Однако в сложившихся условиях живые организмы подвергаются одновременному облучению различных типов ионизирующей радиации как естественных, так и искусственных радиоактивных изотопов, например, γ-излучение (40К, 137Сs, 226Rа), β-излучение (40К, 90Sr), α-излучение (222Rn, 239Рu, 241Аm) и многих других, имеющих различную ОБЭ. Для оценки биологического действия смешанных, а также неидентифицированных потоков ионизирующих излучений введена специальная доза, получившая название эквивалентной. Эквивалентная доза – это такая доза облучения живого организма смешанным по­ током или неизвестным типом ионизирующих излучений, ко­ торая по своей биологической эффективности эквивалентна единице поглощенной дозы. Ранее единицей эквивалентной дозы был бэр, который так и расшифровывался – биологический эквивалент рада (нередко, учитывая отмеченную близость абсолютных значений эквивалентной и поглощенной доз в живых организмах, бэр расшифровывается как эквивалент рентгена). Один бэр соответствует такому облучению живого орга-

низма данным типом или потоком ионизирующего излучения, при котором наблюдается тот биологический эффект, что и при дозе рентгеновского или γ-облучения (стандарт) в 1 Р.

В системе СИ единицей эквивалентной дозы является зи­ верт (Зв, Sv); 1 Зв = 100 бэр.

Перечисленные внесистемные и системные единицы дозы радиоактивности и ионизирующего излучения, а также соотношения между ними приведены в табл. 2.4. Хотя Международная комиссия по радиационным единицам и измерениям (МКРЕ) рекомендовала к 1985 г. отказаться от использования внесистемных единиц, и СССР активно поддержал эти рекомендации, такой переход не во всех странах был достаточно быстрым. Если переход от рада к грею и от бера к зиверту осуществляется достаточно просто с помощью коэффициента 100, то к использованию кулона на килограмм вместо рентгена и беккереля вместо кюри привыкать труднее. Основанные на совершенно иных принципах, данные единицы связаны между собой неудобными трудно запоминающимися коэффициентами, которые неузнаваемо изменяют числовые значения экспозиционной дозы и радиоактивности. Это многократно приводило к драматическим ошибкам в области прикладного использования ионизирующих излучений, в частности, при радиационной терапии злокачественных новообразований и явилось одной из причин того, что МКРЕ рекомендовала использовать вместо экспозиционной дозы так называемую керму (К). Единицей измерения кермы является грей и соответственно 1 К = 1 Гр. При этом, исходя из высоких значений коэффициентов поглощения высокоэнергетического электромагнитного излучения тканями человека, допускается, что существует примерное равенство между числовыми значениями экспозиционной дозы в рентгенах и поглощенной дозы в радах и соответственно между числовыми значениями кермы, выраженной в греях, и поглощенной дозы в греях для биологических тканей, а также воздуха и