Oddziaływanie promieniowania jonizującego na ustrój człowieka

• Promieniowanie jonizujące to takie, które jest zdolne do jonizacji atomów i cząsteczek materii, na którą pada.

• Promieniotwórczość naturalna:

Jest to zjawisko obecności w środowisku naturalnym substancji promieniotwórczych niezależnie od działalności człowieka (w odróżnieniu od skażeń promieniotwórczych). W środowisku można zaobserwować ponad 60 izotopów promieniotwórczych.

Ze względu na pochodzenie izotopy te dzieli się na trzy kategorie:

1. pierwotne izotopy promieniotwórcze, posiadające czasy połowicznego zaniku (T1/2) powyżej 0,5 mld lat, które powstały wraz ze stabilną materią tworzącą Ziemię (nukleogeneza) i nie zdążyły się jeszcze całkiem rozpaść - najbardziej istotnymi (tj. najbardziej rozpowszechnionymi i mającymi znaczący udział w dawce od tła naturalnego) izotopami w tej klasie są: 40K (1,28 mld lat), 238U (4,5 mld lat), 232Th (14 mld lat), mniej istotne to 235U (0,71 mld lat), 87Rb (48 mld lat) oraz alfa promieniotwórcze pierwiastki ziem rzadkich, np. 147Sm (105 mld lat), a także kilkanaście in.

2. wtórne izotopy promieniotwórcze, które pochodzą z sekwencyjnych rozpadów niektórych izotopów należących do kategorii pierwszej (szeregi promieniotwórcze) - łącznie jest to grupa ponad trzydziestu izotopów, wśród nich najistotniejsze są izotopy radu: 226Ra i 228Ra, radonu: 222Rn i 220Rn, polonu: 210Po, i ołowiu: 210Pb.

3. kosmogenne pierwiastki promieniotwórcze, czyli grupa ponad dziesięciu izotopów promieniotwórczych lekkich pierwiastków, powstających ciągle, głównie w górnych warstwach atmosfery ziemskiej, w reakcjach jądrowych (tzw. reakcje spalacji) wywołanych przez protony promieniowania kosmicznego - najbardziej istotne wśród nich to: 14C (5,7 tys. lat), 7Be (54 dni), 10Be (1,7 mln lat), 3H (12 lat), mniej istotne to wybrane izotopy siarki, chloru, fosforu, aluminium.

• Promieniowanie rentgenowskie:

Promieniowanie to powstaje w procesie hamowania wysokoenergetycznych elektronów. W lampie rentgenowskiej, która stanowi podstawowy element aparatu rentgenowskiego, elektrony są emitowane z katody (-). Elektrony te uzyskują duże energie kinetyczne w silnym polu elektrycznym istniejącym między katodą i anodą, a wzajemne oddziaływanie elektronów i materii, polegające na hamowaniu, ma miejsce w anodzie. Tam też powstaje promieniowanie rentgenowskie.

• Właściwości promieniowania jonizującego:

• promieniowanie elektromagnetyczne

• posiada dużą energię

• małe długości fali,

• jest najbardziej przenikliwe

• jest emitowane podczas rozszczepiania jądra izotopów

• Biologiczne skutki działania promieniowania jonizującego:

• Oddziaływanie promieniowania na poziomie molekularnym(cząsteczkowym):

Promieniowanie wywołuje skutki na poziomie molekularnym w organizmach i komórkach. Przyjmuje się, że najbardziej krytycznymi molekułami w komórkach są molekuły DNA, które mogą być uszkadzane bezpośrednio i pośrednio - przez oddziaływania produktów radiolizy wody, głównie rodników (OH^x, HO^x, H^x) i nadtlenków (H₂O₂). Uszkadzane mogą być również i inne makromolekuły biologiczne.

• Efekty na poziomie komórkowym:

Odpowiedź komórek na promieniowanie jonizujące zależy od wielu czynników, w tym od cyklu komórkowego; największa promienioczułość występuje podczas etapów S i mitozy. Znana jest w radiologii zależność, według której wrażliwość komórek na promieniowanie jest proporcjonalna do ich aktywności proliferacyjnej.

Stwierdzone są następujące zmiany cytologiczne indukowane promieniowaniem jonizujacym:

• czasowe zahamowanie zdolnosci profliferacyjnej,

• efekt sterylizacji z zachowaniem zdolności do wymiany substancji z otoczeniem,

• śmierć po jednokrotnym lub po kilku podziałach,

• śmierć natychmiastowa,

• mutacje, ze zmianami nowotworowymi włącznie,

• upośledzenie (czasowe lub trwałe) niektórych funkcji komórek.

• Skutki działania promieniowania na ludzi dzieli się na trzy grupy. Są to:

1. skutki somatyczne - są to zmiany w tkankach i narządach organizmu obserwowane w po napromienieniu całego ciała lub jego części,

2. skutki somatyczno - stochastyczne - późne skutki napromienienia np. białaczka, nowotwory

3. skutki genetyczne - zmiany późne, zwiększenie częstości mutacji w DNA objawiające się ubytkiem, zmianą sekwencji lub zmiana struktury zasad.

Ilość energii przekazanej ciału przez promieniowanie jonizujące do masy tego ciała to tzw. dawka pochłonięta.

• Ogólne wytyczne ochrony radiologicznej:

W dziedzinie ochrony przed promieniowaniem jonizującym stosowany jest podział ludności na następujące kategorie:

- Kategoria A - osoby dorosłe narażone zawodowo na promieniowanie jonizujące;

- Kategoria B - osoby dorosłe, wykonujące pracę w sąsiedztwie źródeł promieniowania, narażone pośrednio na promieniowanie;

- Kategoria C - osoby mieszkające lub przebywające w sąsiedztwie źródeł promieniowania /w otoczeniu zakładów stosujących promieniowanie/.

Ze względu na różną wrażliwość części ciała i narządów wprowadzono dodatkowo następujący podział na grupy:

- grupa I - gonady, szpik czerwony;

• grupa II - mięśnie, tkanka tłuszczowa, przewód pokarmowy, płuca, wątroba, nerki, oczy;

• grupa III - kości, tarczyca, skóra;

• grupa IV - ręce, przedramiona, stopy

Graniczna wartość dawki została przyjęta:

1. przy założeniu równomiernego napromienienia całego ciała jak narządów krytycznych gr. I /gonady, czerwony szpik kostny/,

2. przy nierównomiernym napromienieniu przyjmuje się narząd krytyczny, którego narażenie pociąga za sobą najgroźniejsze skutki.

Dawka jest określana jako suma narażeń wewnętrznych i zewnętrznych w okresie 1 roku. Stanowi maksymalną graniczną dawkę określoną dla danego źródła promieniowania, danej grupy osób i dla określonej tkanki, narządu.

Dawki graniczne:

a) prawnie ustalone limity jakie może otrzymać człowiek.

b) ustalane są dla ludności:

- narażonej zawodowo

- reszty świata (zamieszkałych w pobliżu źródeł, narażonych przez przedmioty codziennego użytku)

c) obejmują narażenie zewnętrzne i wewnętrzne

d) nie uwzględniają tła naturalnego i diagnostyki

Dawka pochłonięta - podstawowa wielkość dozymetryczna D, zdefiniowana jako

gdzie:

* dE - energia przekazana przez promieniowanie jonizujące materii w elemencie objętości,

* dm - masa materii zawarta w elemencie objętości.

Średnią dawką pochłoniętą D przez daną substancję nazywamy energię E przekazaną jednostce masy m tej substancji:

Jednostką dawki pochłoniętej w układzie SI jest grej (Gy);

1 Gy = 1 J/kg.

Jednostką poprzednio używaną (spotykaną jeszcze w literaturze) jest:

1 rad = 100 erg/g = 0,01 Gy

1 Gy = 100 rad

Dawka skuteczna, dawka efektywna E_H - suma wszystkich równoważników dawki zarówno od narażenia zewnętrznego jak i wewnętrznego, we wszystkich narządach i tkankach z uwzględnieniem współczynników wagowych poszczególnych narządów i tkanek. Dawka skuteczna określa stopień narażenia całego ciała na promieniowanie nawet przy napromieniowaniu tylko niektórych partii ciała. Określa się ją wzorem:

gdzie:

H_T - równoważnik dawki pochłoniętej dla tkanki T,

w_T - współczynnik wagowy tkanki T,

w_R - współczynnik wagowy promieniowania R,

D_T,R - średnia dawka pochłonięta promieniowania R przez tkankę T.

Jednostką dawki skutecznej w układzie SI jest siwert (Sv).

Równoważnik dawki pochłoniętej, biologiczny równoważnik dawki, dawka równoważna, H_T - pojęcie pochodne od dawki pochłoniętej. Jest to ilość energii, którą deponuje cząstka w materii żywej (tkance, organie) przez którą przechodzi, z uwzględnieniem skutków biologicznych wywołanych przez różne rodzaje promieniowania. Jednostką równoważnika dawki pochłoniętej jest Siwert (Sv). Równoważnik dawki pochłoniętej otrzymuje się w wyniku przemnożenia dawki pochłoniętej przez współczynnik wagowy promieniowania:

H_T,R = w_RD_T,R

gdzie:

H_T,R - równoważnik dawki dla promieniowania R

w_R - współczynnik wagowy promieniowania R

D_T,R - średnia dawka pochłonięta promieniowania R przez tkankę T

Powyższy wzór dotyczy promieniowania jednorodnego R. Dla promieniowania mieszanego ma postać:

gdzie:

H_T - całkowity równoważnik dawki

Aktywność substancji promieniotwórczej - liczba przemian jądrowych zachodzących w danej substancji promieniotwórczej w jednostce czasu

- 1Bq - 1 rozpad/sekunda

- 1Ci - aktywność 1g radu

- 1mCi - 37MBq

Narażenie na promieniowanie jonizujące:

a) 15% działalność człowieka

- 78% diagnostyka

- 12% techniki interwencyjne

- 7% medycyna nuklearna

- 1% narażenia interwencyjne

- 0,1 % awarie jądrowe

b) 85% promieniowanie naturalne

Trzy zasady ochrony radiologicznej:

a) czas - jak najkrótsze przebywanie na ekspozycji

b) odległość

c) osłony

Postulaty Bohra.

a) Model atomu Bohra: jądro + elektron

b) I postulat Bohra: W atomie wodoru elektron w stanie podstawowym może znajdować się tylko na dozwolonej orbicie.

c) II postulat Bohra: zmiana energii atomu; stan wzbudzony. Przeskakiwanie z 1 orbity na 2 - absorpcja energii z zewnątrz, zmian z orbity 2 na 1 emisja energii.

Zadania ochrony radiologicznej:

a) ustalanie norm dawek, dopuszczalnych norm otrzymywanych przez:

- ogół ludności

- pracowników narażonych zawodowo

b) monitoring środowiska - optymalizacja lokalizacji urządzeń i obiektów jądrowych.

c) nadzór na ich eksploatacją

d) problemy związane z gospodarką odpadami promieniotwórczymi

Dozymetria:

a) dział fizyki technicznej, zajmujący się oddziaływaniem promieniowania z materią, a w szczególności materią ożywioną

b) głównymi problemami dozymetrycznymi są metody określenia dawki, zagadnienia makrodozymetrii, ochrona radiologiczna, pomiary skażeń

Ochroną radiologiczną zajmują się : WHO(World Health Organization), IAEA(International Atomic Energy Agency), CLOR(Centralne Laboratorium Ochrony Radiologicznej), IMP(Instytut Mechaniki Precyzyjnej).

• Szkodliwość promieniowania jonizującego, radiologicznego:

Promieniowanie jonizujące: W wyniku jego absorpcji, w organizmie zachodzą zmiany polegające na zjonizowaniu cząsteczek i zachodzeniu reakcji, które normalnie nie powinny zachodzić. To, jak bardzo jest szkodliwe promieniowanie zależy od tego, jaką ma energię, jak bardzo jest przenikliwe oraz jak długo jesteśmy na nie narażeni. Również różne rodzaje tkanek różnie oddziałują z promieniowaniem.

Promieniowanie radiologiczne: Ryzyko związane z badaniem promieniami rtg jest porównywalne z tym, które towarzyszy nam od momentu przyjścia na świat ze strony wszechobecnego promieniowania jonizującego, pochodzącego ze źródeł naturalnych. Prawdopodobieństwo zachorowania na chorobę nowotworową u pacjenta badanego metodami rentgenowskimi jest zbliżone lub takie samo, jak każdego człowieka otrzymującego dawkę promieniowania jonizującego ze źródeł naturalnych.

Małe dawki promieniowania, np. rzędu kilku mSv, wywołują niewielkie zmiany, które organizm łatwo kompensuje, uruchamiając wewnątrzkomórkowe mechanizmy naprawy.

Należy jednak dbać o to, by o ile to możliwe, nie poddawać naświetlaniu narządów rozrodczych, tzn. jąder u mężczyzn i jajników u kobiet. Szczególne środki ostrożności obowiązują zawsze u małych dzieci i młodzieży. Stosuje się wtedy specjalne osłony czy fartuchy zabezpieczające przed przenikaniem promieni.

• Budowa jądra atomowego:

Jądro atomowe - centralna część atomu zbudowana z jednego lub więcej protonów (+) i neutronów (0), zwanych nukleonami. Jądro stanowi niewielką część objętości całego atomu, jednak to w jądrze skupiona jest prawie cała masa. Przemiany jądrowe mogą prowadzić do powstawania ogromnych ilości energii. Niewłaściwe ich wykorzystanie może stanowić zagrożenie dla środowiska.

• Prawo rozpadu promieniotwórczego:

Prawo rozpadu promieniotwórczego mówi, jak liczba jąder danego pierwiastka promieniotwórczego, które jeszcze nie uległy rozpadowi, zależy od czasu. Tysiąc czerwonych kółeczek to tysiąc jąder atomowych pierwiastka, którego czas połowicznego rozpadu wynosi 20 s. Wykres przedstawia zależność od czasu części jąder, które się jeszcze nie rozpadły (N/N₀) zgodnie z prawem:

N   =   N0 ·   2^-t/T

N₀ - początkowa liczba jąder

N - liczba jąder, które się jeszcze nie rozpadły

t - czas od chwili rozpoczęcia pomiaru

T - czas połowicznego rozpadu

Można podać prawdopodobieństwo, że pojedyncze jądro "przeżyje" w danym przedziale czasu. Prawdopodobieństwo to dla jednego czasu połowicznego rozpadu wynosi 50 %, dla (2 T) wynosi 25 % (połowa z 50 %), dla (3 T) 12,5 % (połowa z 25 %), itd.

Nie można jednak przewidzieć czasu, po którym dane, konkretne jądro ulegnie rozpadowi. Np. gdyby nawet prawdopodobieństwo rozpadu w ciągu najbliższej sekundy wynosiło 99 %, to jest możliwe (lecz mało prawdopodobne), że dane jądro rozpadnie się dopiero po milionach lat.

• Aktywność promieniotwórcza, jednostka, czas połowicznego rozpadu:

Aktywność promieniotwórcza - Jest proporcjonalna do ilość jąder radionuklidu i nie zależy od prostych procesów fizycznych czy chemicznych. Wyraża się wzorem:

rozpadów/sekundę,

gdzie: λ - stała rozpadu promieniotwórczego, N(t) - liczba jąder radionuklidu w chwili t. Zanik aktywności opisuje wyrażenie wykładnicze:

A(t) = λN₀e ^{− λt}

gdzie: N₀ - liczba jąder promieniotwórczych w momencie początkowym.

Jednostką aktywności jest bekerel, Bq:

Czas połowicznego rozpadu (zaniku) (okres połowicznego rozpadu) jest to czas, w ciągu którego liczba nietrwałych obiektów lub stanów zmniejsza się o połowę. Czas ten, oznaczany symbolem T_1/2, zgodnie z definicją musi spełniać zależność:

gdzie

N(t) - liczba obiektów pozostałych po czasie t,

N₀ - początkowa liczba obiektów.

Pierwotnie czas ten dotyczył nietrwałych jąder atomowych pierwiastków (promieniotwórczych). W tym przypadku po czasie połowicznego rozpadu aktywność promieniotwórcza próbki zmniejsza się również o połowę. Okres połowicznego rozpadu dotyczy również nietrwałych cząstek. Może być wyznaczony z wykładniczego charakteru rozpadu, który w przypadku izotopów promieniotwórczych nosi nazwę prawa rozpadu naturalnego.

• Energia promieniowania:

Straty energii cząstek jonizujących przy przechodzeniu przez substancje wyraża się za pomocą tzw zdolności hamowania (liniowej, masowej, atomowej, elektronowej).

Liniowa zdolność hamowania LED wyraża stosunek straty energii dE na drodze dx do tej drogi:

LED = dE/dx

Wyraża się tę wielkość w jednostkach energii na jednostkę drogi.

Wielkością charakteryzującą zdolność jonizowania jest jonizacja właściwa dJ/dx, czyli średnia liczba par jonów przypadająca na jednostkę długości toru cząstki jonizującej:

dJ/dx = dE/dx /w

gdzie „w” oznacza średnią pracę jonizacji, dla powietrza w = 34eV.

• Nauka o pomiarach promieniowania jonizującego:

Detektory promieniowania jonizującego, układy służące do wykrywania i rejestracji jonizującego promieniowania przenikliwego.

Wyróżnia się detektory bierne (detektory termoluminescencyjne i fotoluminescencyjne, elektrometry), detektory śladowe (klisze rentgenowskie, emulsje jądrowe, komory pęcherzykowe, komory Wilsona) oraz detektory czynne (inaczej elektroniczne: detektory gazowe, liczniki scyntylacyjne, liczniki czerenkowskie i detektory półprzewodnikowe).

Detektory gazowe to komory jonizacyjne, liczniki proporcjonalne, liczniki Geigera-Mullera, komory iskrowe i komory streamerowe. Dwa ostatnie rodzaje są równocześnie detektorami śladowymi.

Sposobów detekcji i pomiaru promieniowania jonizującego jest dużo. Oto kilka wybranych przykładów:

• Licznik Geigera - gazowy detektor promieniowania jonizującego. przelatująca przez licznik cząstka jonizuje atomy (cząsteczki) gazu. Uwolnione w procesie jonizacji elektrony, a także elektrony wybite przez jony z katody, przyspieszane w polu elektr. wywołują dalsze akty jonizacji i w konsekwencji wyładowanie lawinowe. Dopiero po wygaszeniu wyładowania (liczniki Geigera-Mllera są licznikami samogaszącymi) może być zarejestrowana następna cząstka. Powstałym podczas wyładowania impulsom prądu elektr. odpowiadają impulsy napięcia na rezystorze, które następnie są zliczane. Kształt i amplituda impulsu wyjściowego nie zależy od energii i rodzaju rejestrowanej cząstki;

• detektory cząstek - urządzenia do rejestracji cząstek elementarnych i jonów, pomiaru ich pozycji przejścia, prędkości, energii oraz do ich identyfikacji;

• detektory śladowe - pozwalają na rekonstrukcję torów cząstek na podstawie śladów, np. jonów lub związków chemicznych, pozostawionych w ośrodku detektora (umieszczone w polu magnetycznym umożliwiają — poprzez pomiar krzywizny toru — wyznaczenie znaku ładunku oraz pędu cząstki);

• komora jonizacyjna - między elektrodami (zazwyczaj 2 równoległe płaszczyzny przewodnika) panuje taka różnica potencjałów, że wszystkie jony i elektrony powstałe podczas pierwotnej jonizacji wywołanej przejściem cząstki są wychwytywane, a pole elektr. jest na tyle niskie, że nie występuje jonizacja wtórna (bywa wypełniona cieczą);

Radioliza wody - całokształt przemian chemicznych zachodzących w obiekcie w wyniku pochłonięcia promieniowania jonizującego.

Makromolekuła - cząsteczka chemiczna (molekuła) złożona z więcej niż około 1000 atomów.

Prolifertacja - w biologii oznacza mnożenie się komórek.

Dawki graniczne - podstawowa wielkość dozymetryczna, wartość dawki promieniowania jonizującego, wyrażona jako dawka skuteczna lub równoważna, dla określonych osób, pochodzącą od kontrolowanej działalności zawodowej, której nie wolno przekroczyć

Źródła naturalne promieniowania - promieniowanie kosmiczne i promieniowanie emitowane przez pierwiastki zawarte w skorupie ziemskiej.

Radionuklid - izotop promieniotwórczy.

---