Działanie promieniowania

jonizującego

Andrzej Kunt

Wykład XII

1. Rodzaje promieniowania jonizującego



Promieniowanie jonizujące występuje jako promieniowanie

korpuskularne (składające się z cząstek) lub elektromagnetyczne

(fotonowe), które oddziałując z materią, powoduje powstanie w niej

jonów (tzn. cząsteczek mających ładunek elektryczny).



Najczęściej spotykanymi rodzajami promieniowania jonizującego

elektro magnetycznego są: promieniowanie X (zwane

rentgenowskim) i promieniowanie y. W obu rodzajach promieniowania

nośnikami energii są fotony, zwane także kwantami energii. Zarówno

promieniowanie X jak i y to porcje „czystej" energii, gdyż fotony nie

mają masy spoczynkowej ani ładunku elektrycznego. Te dwa rodzaje

promieniowania różni jedynie sposób, w jaki powstają:



- promieniowanie X powstaje w wyniku hamowania strumienia

elektronów w polu elektrycznym jąder atomów materii, natomiast



- promieniowanie y powstaje w wyniku przemian zachodzących w

jądrach atomów (w sposób samorzutny lub wywołanych

oddziaływaniem z innymi cząstkami).



Promieniowanie jonizujące korpuskularne różni się od
elektromagnetycznego głównie tym, iż oprócz energii przenosi masę i
ładunek. Najczęściej spotykane rodzaje tego promieniowania, to:



1) elektrony i - rzadziej spotykane ich anty cząstki - pozytony, ogólnie
nazywane promieniowaniem ß,



2) protony,



3) neutrony,



4) cząstki alfa - czyli jądra atomów helu, składające się z 2 protonów i
2 neutronów.



Wszystkie z wymienionych elementów mają masę spoczynkową i, z
wyjątkiem neutronów, niezerowy ładunek elektryczny.



Naturalne źródła promieniowania jonizującego



Naturalnymi źródłami są te, które nieodłącznie związane są ze

środowiskiem naturalnym człowieka, tj.:



• promieniowanie kosmiczne (w tym także Słońca) (w wyniku którego

powstają głównie tryt, beryl i izotop węgla

14

C),



• promieniowanie emitowane przez pierwiastki zawarte w skorupie

ziemskiej, a w konsekwencji cyklu pokarmowego obecne również w

organizmie człowieka (głównie izotop potasu

40

K), oraz radon uwalniany

ze ścian budynków, wody i naturalnych paliw podczas ich spalania.



Izotopy promieniotwórcze (zwane radioizotopami) są to odmiany

naturalnie występujących pierwiastków (stabilnych), które w jądrach

mają większą liczbę neutronów przy zachowaniu niezmienionej liczby

protonów.



Ponieważ o stabilności jądra atomowego decyduje proporcja między

liczbą protonów i neutronów, nadmiar neutronów powoduje samoistny

rozpad jądra, któremu towarzyszy emisja (oddzielnie lub w różnych

kombinacjach) promieniowania gamma, elektronów, pozytonów i

cząstek alfa.



2. Źródła promieniowania jonizującego



Sztuczne źródła promieniowania jonizującego



Najistotniejszą rolę w narażeniu populacji odgrywają sztuczne źródła
stosowane w medycynie i związane z energetyką jądrową.
Wykorzystanie tego rodzaju źródeł w innych gałęziach przemysłu
sprowadza się głównie do celów kontrolno-pomiarowych. Sztuczne
źródła promieniowania używane są także w wielu placówkach
naukowo-badawczych.



Sztuczne źródła promieniowania jonizującego można podzielić
bardzo ogólnie na dwa rodzaje:



1) aparaturę rentgenowską.



2) izotopy promieniotwórcze.



Radioizotopy wykorzystywane są powszechnie jako:



a) silne źródła promieniowania w terapii („bomby" kobaltowe lub
cezowe, igły radowe itp.),



b) różnego rodzaju mierniki lub czujniki w przemyśle (gęstościomierze,
pojemnościomierze, wagi izotopowe, czujki dymu itp.),



c) podstawniki (zamienniki) stabilnych izotopów danego pierwiastka w
tzw. technice znakowania radioizotopowego.,



Każdy radioizotop charakteryzuje się parametrem nazywanym
okresem połowicznego zaniku (rozpadu) (T

1/2

): określa on czas

potrzebny do samoistnego rozpadu połowy atomów pierwiastka.
(Należy to rozumieć następująco: jeśli w chwili t

0

mamy N

0

atomów

radioizotopu, w chwili t

0

+ T

i

, pozostaje 1/2 N

0

, a w chwili t

0

+ 2T

1/2

pozostaje ich

1/4

N

0

.



Rozróżniamy 4 stadia reakcji promieniowania na żywą tkankę:



1. Stadium fizyczne. Na skutek jonizacji lub wzbudzenia zmieniają się

właściwości cząstek składowych tkanki i zachodzą pierwotne procesy

chemiczne w „kanałach", gdzie cząstki promieniowania pozostawiły porcje

energii;



2. Stadium fizykochemiczne. Powstałe wcześniej produkty ulegają

dalszym rekombinacjom i reakcjom, tworząc wolne rodniki lub rodnikojony.



Ponieważ większość tkanek zawiera znaczne ilości wody, to woda właśnie

absorbuje większość energii promieniowania jonizującego. W rezultacie tej

absorpcji możliwa jest radioliza wody, czyli rozpad cząsteczki w wyniku

jonizacji lub wzbudzenie cząsteczki wody.



Radiolizę wody rozpoczyna reakcja:
H

9

O ---->promieniowanie jonizujące---> H

2

O+ e

-



Wzbudzenie molekuły wody prowadzi następnie do jej rozpadu na rodniki

wodorowy (H') i wodorotlenowy (OH').



Poza działaniem na wodę poruszające się w tkance elektrony, powstałe w

wyniku jonizacji, mogą wzbudzać lub jonizować także inne molekuły w

tkance, istotne dla funkcjonowania komórki, łącznie z DNA.



3. Oddziaływanie promieniowania jonizującego na żywą

tkankę



Stadium chemiczne. Wolne rodniki powstałe w obszarach pochłonięcia

energii dyfundują (m.in. odprowadzone zostają z krwią) i reagują z coraz

dalszymi (od toru cząsteczki promieniowania jonizującego) obszarami

tkanki. (W materii nieożywionej reakcje takie ustają samoistnie tym

szybciej, im ściślejszy jest ośrodek). Największe uszkodzenia w tkankach

może wywołać rodnik wodorotlenowy (OH*). Jako silny utleniacz może

on przekształcić normalne DNA (przez usunięcie atomu wodoru) w

rodnik DNA - bardzo reaktywną substancję zdolną do zainicjowania

poważnych zmian funkcjonalnych właściwości komórek, łącznie z

uniemożliwieniem ich funkcjonowania aż do śmierci komórki.



Stadium biologiczne. Żywy organizm reaguje na zmianę właściwości

składników komórki (tkanki): następują zaburzenia funkcjonalne

(niekiedy bardzo opóźnione w czasie), które mogą ujawnić się w postaci

zmian klinicznych. Należy pamiętać, że o ile czas trwania trzech

pierwszych stadiów działania promieniowania jonizującego jest rzędu

10

8

s, o tyle czas trwania stadium biologicznego (tj. czas oczekiwania na

zauważalne efekty kliniczne) jest w ogromnym stopniu uzależniony od

wszystkich czynników określających wrażliwość organizmu na

promieniowanie jonizujące oraz od ilości zaabsorbowanej energii.



Podstawowym fizycznym następstwem ekspozycji na promieniowanie

jonizujące jest wprowadzenie energii do napromieniowanego obiektu.

Jeśli obiektem tym jest żyjący organizm, może to wywołać specyficzne

skutki istotne dla jego dalszego funkcjonowania (jak wspomniano w

rozdziale poprzednim, jest to tzw. biologiczne stadium oddziaływania

promieniowania). Rodzaj tych skutków jest zależny od ilości energii

dostarczonej organizmowi przez promieniowanie, czyli od wielkości

dawki pochłoniętej. Rozróżnia się dwa rodzaje następstw:

stochastyczne i deterministyczne.



Skutki stochastyczne, czyli mające charakter losowy

(prawdopodobny), wywołane są stosunkowo małymi dawkami

promieniowania, nieprzewyższającymi 0,5-1 Gy. Są to procesy

prowadzące do zmian w funkcjonowaniu komórek narządów w

napromieniowanym organizmie, które ujawniają się w relatywnie

długim czasie od ekspozycji, rzędu kilku, kilkudziesięciu lat.



Tego rodzaju następstwa mogą dotyczyć bezpośrednio osoby

napromieniowanej (są to skutki o charakterze somatycznym) lub jej

potomstwa (są to wówczas skutki genetyczne).



4. Następstwa zdrowotne ekspozycji na promieniowanie

jonizujące



Skutki somatyczne to przede wszystkim możliwość indukowania zmian

nowotworowych, czyli tzw. kancerogeneza popromienna. Proces ten rozpoczyna

tzw. transformacja nowotworowa, czyli przemiana normalnej komórki w

nowotworową w rezultacie specyficznych zmian molekularnych w cząsteczce DNA,

które spowodowane są pochłonięciem dawki promieniowania jonizującego.



O skutkach genetycznych mówimy wówczas, gdy skutkiem promieniowania jest

uszkodzenie komórek rozrodczych i wówczas biologiczne następstwa będą do

tyczyły potomstwa napromieniowanej osoby; mogą one wystąpić również w

postaci zaburzeń dziedzicznych w następnych pokoleniach.



Choroby genetyczne mogą być na tyle ciężkie, iż spowodują śmierć płodu lub

dziecka w krótkim czasie po urodzeniu.



Skutki deterministyczne - Ten rodzaj skutków może być wywołany jedynie przez

duże wartości dawek (większe od 1 Gy). Ogólnie, polega to na wywołaniu

uszkodzeń tak znacznej liczby komórek, iż funkcjonowanie organizmu ulega

totalnemu zaburzeniu, manifestowanemu klinicznie w bardzo krótkim czasie po

ekspozycji (rzędu od kilku minut do kilku dni).



Oprócz niszczenia komórek, promieniowanie może uszkadzać tkanki w inny

sposób, np. wywołując zaburzenia wielu czynności tkankowych, takich jak

regulacja składników komórkowych, reakcje zapalne, obejmujące zmiany w

przepuszczalności komórkowej i tkankowej, naturalna migracja komórek w

organogenezie oraz pośrednie efekty czynnościowe (np. napromieniowanie

przysadki, które wpływa na czynności wewnątrzwydzielnicze innych tkanek).



W najnowszych zaleceniach Międzynarodowej Agencji Ochrony Radiologicznej

(ICRP, 1990) rozróżnia się cztery rodzaje ekspozycji (czy raczej cztery rodzaje

okoliczności), w których ludzie mogą być narażeni na działanie promieniowania

jonizującego. Są one następujące:



1. Ekspozycja zawodowa - narażenie związane z wykonywaniem pracy,

której charakter wymaga rutynowego kontaktu z promieniowaniem jonizującym

(personel diagnostycznych i terapeutycznych placówek medycznych, w których

wykorzystywane jest promieniowanie jonizujące, pracownicy obiektów

energetyki jądrowej itd).



2. Ekspozycja medyczna - narażenie pacjentów związane z zastosowaniem

promieniowania jonizującego do celów diagnostycznych i terapeutycznych

(diagnostyka Rtg, medycyna nuklearna, terapia chorób nowotworowych).



3. Ekspozycja populacji ogólnej (środowiskowa) - narażenie na

promieniowanie wynikające ze skażeń promieniotwórczych wody, powietrza i

żywności oraz używania przedmiotów codziennego użytku emitujących

promieniowanie jonizujące (np. zegary z tarczami pokrytymi farbami

fosforyzującymi itp.).



4. Ekspozycja potencjalna - określenie to obejmuje przewidywane sytuacje,

w których może dojść do napromieniowania ludzi w ekstremalnych warunkach

działania rutynowego lub w sytuacji awaryjnej.



5. Rodzaje ekspozycji na promieniowanie jonizujące i ich

nadzorowanie w świetle zaleceń ICRP



Wielkość ekspozycji potencjalnej należy oszacować, planując np. budowę

obiektu jądrowego, w sąsiedztwie którego muszą przebywać ludzie, czy

zamierzając przetransportować materiał radioaktywny drogami publicznymi

przez gęsto zaludnione tereny. Potencjalne narażenia należy również

oszacować w odniesieniu do osób, które mogą się znaleźć w pobliżu

działającej diagnostycznej aparatury Rtg, nie będąc ani pracownikami, ani

pacjentami (np. osoby przechodzące ciągami komunikacyjnymi).



Organami dozoru jądrowego w Polsce są:



• Prezes Państwowej Agencji Atomistyki.



• Główny Inspektor Dozoru Jądrowego oraz inspektorzy dozoru jądrowego.

Należy podkreślić, iż w warunkach egzystencji pokojowej z wystąpieniem

efektów deterministycznych można się liczyć jedynie:



- w przypadku awarii obiektu jądrowego (dotyczy to wówczas personelu

obiektu i służb ratowniczych),



- w przypadku pacjentów poddawanych radioterapii, tj. podczas

zamierzonego napromieniowania ciała w celu zniszczenia komórek

nowotworowych.



Skutków stochastycznych można oczekiwać szczególnie w wyniku

narażenia populacji na stosunkowo małe dawki promieniowania.

Przykładem może być narażenie na radon, a szczególnie jego izotop

radon (

222

Rn), wywodzący się z szeregu uranu (

238

U). Jest on

odpowiedzialny za 3/4 dawek efektywnych pochodzących z

promieniowania skorupy ziemskiej.



Pochodzenie radonu w powietrzu pomieszczeń mieszkalnych i biurowych

jest dwojakie:



a. jest on produktem powstającym w mineralnych składnikach materiałów

budowlanych. O ile drewno i cegły zawierają małe ilości radionuklidów, o tyle

nowsze typy materiałów mineralnych mogą być bardzo bogatym ich źródłem.

Tradycyjne materiały mają aktywność w granicach 100 Bq/kg, natomiast w

różnych odpadowych materiałach mineralnych, stosowanych w budownictwie,

aktywności mogą być kilkadziesiąt razy większe,



b. radon dyfundujący z gruntu, na którym stoi budynek, oraz z wody. Ta składowa

powoduje, że w obrębie typowego mieszkania w bloku stężenia radonu są dość

małe w pomieszczeniach jadalnych i sypialnych, znacznie większe w kuchni, a

największe w łazience. Szczególnie duże stężenia powstają w czasie

intensywnego pobierania wody (prysznica). Kilkuminutowy prysznic może

spowodować kilkudziesięciokrotny wzrost aktywności pochodzącej od radonu.

Dziękuję za uwagę