Биологическое воздействие излучений.

Излучение является вредным фактором для живой природы и, особенно, человека. Биологически вредное воздействие излучения на живой организм определяется в первую очередь дозой поглощенной энергии и производимым при этом эффектом ионизации, т. е. плотностью ионизации. Большая часть поглощенной энергии расходуется на ионизацию живой ткани, что нашло свое отражение и в определении излучений как ионизирующих.

Ионизирующие излучения оказывают на биологическую ткань прямое и непрямое воздействие. Прямое - разрыв внутриатомных и внутримолекулярных связей, возбуждение и отрыв свободных радикалов. Наиболее важное значение имеет радиолиз воды, в результате этого образуются высокореактивные радикалы, которые и вызывают вторичные реакции окисления по любым связям, вплоть до изменения химического строения ДНК (дезоксирибонулиновая кислота) с последующими генными и хромосомными мутациями. В этих явлениях и заключается опосредованное (непрямое) действие излучения. При этом следует отметить, что особенность воздействия ионизирующих излучений состоит в том, что в химические реакции, индуцированные реактивными радикалами, вовлекаются сотни и тысячи молекул, не затронутых непосредственно излучением.

Патологические процессы в живом организме, вызываемые излучением, в зависимости от степени и характера облучения, могут проявляться в острой или хронической форме лучевой болезни. Лучевая болезнь, в первую очередь, характеризуется изменением состава крови (уменьшением числа лейкоцитов в крови – лейкопенией), а также появлением тошноты, рвоты и подкожных кровоизлияний, изъязвлений. Острая форма лучевой болезни возникает у человека при однократном облучении свыше 100 P (рентген) – 1 степень лучевой болезни, а при 400 P (3-я степень) наблюдается 50% смертельных случаев, что связано в первую очередь с потерей иммунитета. В отношении поражения от ионизирующего излучения природа поставила человека в самые тяжелые условия по сравнению с другими живыми существами. Так, средние смeртельные дозы (50%) составляют: обезьяна-550 , кролик - 800, черви - 20000 , а амеба - 100000, вирусы - более 1000000 P.

Единицы доз

Общей единицей (мерой) воздействия ионизирующего излучения на человека является доза. Различают следующие виды доз: поглощенная, эквивалентная, эффективная, экспозиционная и другие.

Доза поглощенная (D) – величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу:

(1)

где – средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме,

– масса вещества в этом объеме.

Доза эквивалентная (Н) – сумма поглощенных доз в органах или тканях, умноженных на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения :

(2)

где - средняя поглощенная доза в органе или ткани - того ионизирующего излучения.

Взвешивающие коэффициенты учитывают относительную опасность различных видов излучения в индуцировании неблагоприятных биологических эффектов и зависят от ионизирующей способности излучений. Для видов излучения значения взвешивающих коэффициентов составляют:

фотоны любых энергий, электроны ………………………1

нейтроны с энергией менее 10 кэВ………………………….5

от 10 кэВ до 100 кэВ……………….10

альфа-частицы……………………………………………….20

Доза эффективная (Е) – величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности. Она представляет собой сумму произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты:

(3)

где - взвешивающий коэффициент для органа или ткани, который характеризует относительный риск на единицу дозы по выходу отдаленных последствий при облучении данного органа по отношению к облучению всего тела. При облучении организма в целом =1, а при облучении отдельных органов составляет: гонады - 0,2; желудок – 0,12; печень – 0,05; кожа – 0,01 и т.д.

- эквивалентная доза в соответствующем органе или ткани.

Экспозиционная доза (X) - это количественная характеристика фотонного излучения, основанная на его ионизирующем действии в сухом атмосферном воздухе и представляющая собой отношение суммарного заряда (dQ) ионов одного знака, возникающих в воздухе при полном торможении всех вторичных электронов и позитронов, которые были образованы фотонами в малом объеме воздуха, к массе воздуха (dm) в этом объеме (справедливо для фотонного излучения с энергией до 3 МэВ):

(4)

На практике в качестве характеристики ионизирующего излучения широко используется единица рентген (Р), которая является внесистемной единицей экспозиционной дозы. Экспозиционную дозу в рентгенах и поглощенную дозу в радах для биологических тканей можно считать совпадающими с погрешностью до 5%, которая вызвана тем, что экспозиционная доза не учитывает ионизацию, обусловленную тормозным излучением электронов и позитронов.

Единицы измерения доз в системе СИ и внесистемные единицы измерения приведены в таблице 1.

Таблица 1

Доза	Единицы СИ	Внесистемные единицы
Поглощенная	Дж/кг, Грей (Гр)	1 рад=0,01 Гр
Эквивалентная	Грей = Зиверт (Зв)	1 бэр=0,01 Зв
Эффективная	Зиверт =Зиверт (Зв)
Экспозиционная	Кулон/кг, (Кл/кг)	Рентген, 1Р=2,58 ∙ 10-4 Кл/кг 1 Р =0,013 Зв (в биол.тканях)

Для характеристики изменения дозы во времени вводится понятие мощности дозы. Мощность экспозиционной, поглощенной и эквивалентной доз соответственно определяются:

(5)

Характеристикой активности радионуклида (самопроизвольного распада) является отношение числа спонтанных ядерных превращений, происходящих в источнике за единицу времени. Единицей радиоактивности является беккерель (Бк). Беккерель равен активности радионуклида в источнике, в котором за время 1с происходит одно спонтанное ядерное превращение. Внесистемная единица активности - кюри (Ки). 1 Ки = 3,700 ∙ 10¹⁰ Бк.