Биологическое действие ионизирующих излучений

Биологическое действие ионизирующих излучений связано с процессами ионизации атомов и молекул живой материи, в частности, молекул воды, содержащихся в органах и тканях. В результате происходит разрыв молекулярных связей и изменение структуры различных химических соединений. При этом нарушается нормальное течение биохимических процессов и обмен веществ в организме.

Различают внешнее и внутреннее облучение организма. Под внешним облучением понимают воздействие на организм ионизирующих излучений от внешних по отношению к нему источников (естественные радиоактивные источники, рентгеновские аппараты, ядерные реакторы и др.). Внутреннее облучение происходит при попадании радиоактивного вещества внутрь при вдыхании воздуха, через пищеварительный тракт, через кожу. Внутреннее облучение организма длится до тех пор, пока радиоактивное вещество не распадется или не будет выведено из организма в результате процессов физиологического обмена. Это облучение опасно тем, что вызывает длительно незаживающие язвы различных органов и злокачественные опухоли.

На действие ионизирующих излучений организм отвечает определенными биологическими реакциями. Биологические реакции организма человека на действие ионизирующей радиации можно условно разделить на две группы:

1) острые поражения;

2) отдаленные последствия, которые в свою очередь подразделяются на соматические и генетические эффекты.

К острым поражениям относятся острая и хроническая лучевая болезнь и лучевые ожоги. Тяжесть острых поражений зависит от дозы облучения. Нижний уровень развития легкой формы лучевой болезни возникает при эквивалентной дозе облучения ~ 1 Зв, тяжелая форма лучевой болезни, при которой погибает половина всех облученных, наступает при эквивалентной дозе облучения 4,5 Зв. 100%-ный смертельный исход лучевой болезни соответствует эквивалентной дозе облучения 5,5÷7,0 Зв.

При длительном повторяющемся внешнем или внутреннем облучении человека в малых, но превышающих допустимые величины дозах возможно развитие хронической лучевой болезни.

К отдаленным последствиям соматического характера относятся злокачественные новообразования, лейкемия, катаракта и сокращение продолжительности жизни.

Генетические эффекты воздействия радиации на человека проявляются лишь в последующем поколении, возникают они под действием малых доз радиации.

Основные показатели

Рассмотрим основные показатели, применяемые для характеристики ионизирующих излучений.

Период полураспада – время, в течение которого распадается половина ядер радиоактивного вещества.

Активность А радиоактивного вещества – число самопроизвольных ядерных превращений dΝ в этом веществе за малый промежуток времени dt, деленное на этот промежуток:

А = dΝ/dt.

Единицей измерения активности является беккерель, 1 Бк = 1 ядерному превращению в секунду.

Доза излучения – это количество энергии, переданное ионизирующим излучением веществу и поглощенное им. Это величина, характеризующая воздействие ионизирующего излучения на вещество.

Экспозиционная доза Х служит для количественной характеристики только рентгеновского и γ-излучения. Это отношение полного электрического заряда dQ ионов одного знака, возникающих в малом объёме воздуха, к массе воздуха dm в этом объёме:

Х = dQ/dm.

Единицей экспозиционной дозы является кулон на килограмм (Кл/кг). Внесистемной единицей экспозиционной дозы является рентген (Р). 1 Р соответствует образованию 2,1·10⁹ пар ионов в 1 см³ воздуха при 0 °C и давлении 760 мм рт. ст.; 1 Р = 2,58·10⁻⁴ Кл/кг.

Поглощенная доза излучения D – это количество энергии ионизирующего излучения, поглощенное единицей массы облучаемого тела, определяется как отношение средней энергии dE, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объёме, к массе этого вещества dm:

D = dE/dm.

Единицей измерения поглощенной дозы является грей (Гр). 1 Гр соответствует поглощению в среднем 1 Дж энергии ионизирующего излучения в массе вещества, равной 1 кг, т. е. 1 Гр = 1 Дж/кг. Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад – энергия в 100 эрг, поглощенная 1 г вещества: 1 рад = 0,01 Гр.

Одинаковая поглощенная доза различных видов излучения вызывает в живом организме различное биологическое действие. Для учета влияния на организм человека различных видов излучения на различные органы вводят понятия «эквивалентная» и «эффективная» доза.

Эквивалентная доза Н служит для оценки радиационной опасности облучения человека от разных видов излучения. Эта величина определяется как произведение средней поглощенной дозы D_T,R излучения вида R в органе или ткани Т на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного излучения W_R:

H_T,R = W_R·D_T,R,

Единицей измерения эквивалентной дозы является Дж/кг, имеющий специальное наименование зиверт (Зв). Внесистемной единицей служит бэр (биологический эквивалент рада); 1 Зв = 100 бэр.

Значения W_R для фотонов, электронов составляет 1, для α-частиц, осколков деления, тяжелых ядер – 20.

Эффективная доза E – величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органе (ткани) H_t,T за время t на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного органа или ткани W_T:

E = Σ H_t,T · W_T.

Взвешивающий коэффициент W_T для гонад составляет 0,20, костного мозга, легких, желудка – 0,12, печени, щитовидной железы, мочевого пузыря – 0,05, кожи – 0,01.

Единица измерения эффективной дозы – зиверт.

Критерии опасности ионизирующих излучений

Степень воздействия ионизирующих излучений на живой организм зависит от мощности дозы облучения, продолжительности этого воздействия и вида излучения и радионуклида, попавшего внутрь организма.

Для количественной оценки ионизирующего действия рентгеновского и  излучения в сухом атмосферном воздухе используется понятие экспозиционной дозы. За единицу экспозиционной дозы принимают кулон на килограмм (Кл/кг). Применяется также внесистемная единица - рентген (Р): 1 Р = 2,5810^-4 Кл/кг.

Количество энергии излучения, поглощенное единицей массы облучаемого тела (тканями организма), называется поглощенной дозой и измеряется в системе СИ в греях (1 Гр = 1 Дж/кг). Применяется также прежняя единица - рад (1 рад = 0,01 Гр). Но этот критерий не учитывает того, что при одинаковой поглощенной дозе -частицы гораздо опаснее β-частиц и -излучения.

Поэтому введена величина эквивалентной дозы, измеряемая в зивертах (1 Зв = 1 Дж/кг). Зиверт представляет собой единицу поглощенной дозы, умноженную на коэффициент, учитывающий неодинаковую радиационную опасность для организма разных видов ионизирующего излучения.

Для оценки эквивалентной дозы применяется также единица БЭР (биологический эквивалент рада): 1 БЭР = 0,01 Зв.

Эффективная эквивалентная доза - эквивалентная доза, умноженная на коэффициент, учитывающий разную чувствительность различных тканей к облучению; она также измеряется в зивертах.

Согласно Р 2.2.755-99 определение класса условий труда при действии ионизирующих излучений осуществляется исходя из предельно допустимой дозы (ПДД) или ее части.

В 1996 году, в соответствии с Законом РФ «О радиационной безопасности населения», введены дозовые пределы: для персонала - 20 мЗв (миллизиверт) в год при производственной деятельности с источниками ионизирующих излучений и 1 мЗв для населения.