Promieniowanie jonizujące

1.Co to jest promieniowanie jonizujące?

Promieniowaniem jonizującym określa się wszystkie rodzaje promieniowania, które wywołują jonizację ośrodka materialnego, tj. oderwanie przynajmniej jednego elektronu od atomu lub cząsteczki albo wybicie go ze struktury krystalicznej. Za promieniowanie elektromagnetyczne jonizujące uznaje się promieniowanie, którego fotony mają energię większą od energii fotonów światła widzialnego. Cząsteczki jonizujące, maja zdolność wywoływania wielu aktów jonizacji.

2.Rodzaje promieniowania jonizującego:

• Bezpośrednio- cząstki naładowane( α, β, protony, jądro odrzutu)

Są to siły elektrostatycznego oddziaływania pomiędzy ładunkami cząst., a elektronami walencyjnymi czast. W pobliżu których przebiegają.

- gdy ład. dodatni- siły elektrostat. przyciągania

- gdy ład. ujemny- siły elektrostat. odpychania

Zdolność jonizacji tym większa, im większy ładunek oraz im mniejsza prędkość.

• Pośrednio- cząstki nienaładowane (fotony promieniowania X i γ, neutrony)

Zjawisko fotoelektryczne: Foton o energii hυ pada na atom, przekazując energię elektronowi, który zostaje wybity, a atom zostaje jonem. Wybity elektron zużywa pozyskaną energie na dalszą jonizację.

Bilans energetyczny wynosi:

(me-masa elektronu, v-jego prędkość,

Wj - praca wyjścia)

Efekt Comptona: Przy większej energii fotonu, padający na atom foton o energii hυ zostaje rozproszony, zmniejsza się jego energia hυ'< hυ i zostaje wybity elektron comptonowski.

Atomy stają się jonami, elektron dalej jonizuje.

Tworzenie par elektron-pozyton: gdy energia fotonu przekracza 1,02 MeV, to w wyniku oddziaływania fotonu z polem elektrostatycznym jądra, może dojść do powstania par elektron-pozyton.

(gdzie: c- prędkość światła, mp-masa pozytonu, me-masa elektronu)

Oddziaływanie neutronów z materią:

- powstawanie protonów odrzutu w wyniku zderzenia neutronów z at.wodoru

- wychwyt radiacyjny neutronu, np. przez wodór i powstania kwantu γ:

¹H + ¹n -> ²H + γ

- powstanie β-promieniotwórczych at. węgla C14 i protonów:

¹⁴N + ¹n -. ¹⁴C +¹p

Kwanty γ i protony biorą udział w jonizacji.

3.Powstawanie wolnych rodników

Promieniowanie jonizujące powoduje zerwanie wiązań w cząsteczkach, co prowadzi do ich rozpadu na fragmenty o nieskompensowanych spinach- RODNIKI- at. lub cząsteczki posiadające 1 lub więcej wolnych elektronów, czyli posiadające spin elektronowy różny od 0.

Rodniki mają wysoką reaktywność chemiczną, są produktami radiolizy wody, dzięki temu przyczyniają się do uszkodzeń radiacyjnych w układach biologicznych.

4. LET, gęstość jonizacji.

LET jest to funkcja liniowego przenoszenia energii, opisuje utratę energii przez cząsteczki jonizujące, a zatem intensywność pierwotnych zjawisk fizycznych( jonizacji i wzbudzenia).

gdzie ΔE- strata energii przez cząstkę jonizującą w zderzeniach na drodze Δl

dla cząstek naładowanych:

gdzie: N- liczba atomów

absorbentu w jednostce objętości, Z- liczba atomowa atomów;

gęstość jonizacji(jonizacja właściwa)

gdzie W: średnia energia potrzebna do wytworzenia jednej pary jonów;

LET charakteryzuje jakość promieniowania, czyli jego zdolność do jonizacji.

Dawka promieniowania D

E
- energia promieniowania jonizującego pochłonięta w masie o Δm

1 Gy= 100radów;

Jest to ilość promieniowania jonizującego pochłonięta przez absorbent o masie Δm.

Dla promieniowania X i γ - dawka ekspozycyjna X:

Wielkość mierzona bezpośrednio, jest to ilość ładunku jednego znaku ΔQ, jaka powstaje w jednostce masy Δm suchego powietrza, na skutek padającego promieniowania, wtedy gdy wszystkie jony dodatnie i elektrony wytworzone w tym elemencie objętości o masie Δm pozostają w niej zatrzymane.

Inna jednostka to R(roentgen): 1R= 2,58 x 10^-4 C/kg

Moc dawki D:

Stosunek ilości pochłoniętej dawki,

do czasu zdeponowania tej dawki w czasie.

Równoważnik dawki H: określa wpływ rodzaju promieniowania

Gdzie: ΔQ- współczynnik jakości, zależy od LET

Gdy dawka w [Gy], to równoważnik H w [Sv],

Gdy D w radach, to H w remach.

5.Źródła promieniowania jonizującego.

• Naturalne:

- pierwotne i wtórne promieniowanie kosmiczne-promieniowanie ze źródeł pozaziemskich; wysokoenergetyczne protony oraz lekkie jądra atomowe, przechodząc przez atmosferę cząstki te ulegają reakcjom jądrowym i wytwarza się wtórne promieniowanie kosmiczne

- ziemskie źródła promieniowania - radionuklidy w skorupie ziemskiej, w budynkach, w powietrzu;

- promieniowanie wewnętrzne naturalnych radionuklidów wchłoniętych do organizmu człowieka - naturalne radionuklidy z górnych warstw skorupy ziemskiej, wytworzone przez promieniowanie kosmiczne np. potas-40 oraz radon-222, który to może dyfundować z gleby, ścian budynków do atmosfery.

• Sztuczne:

- promieniowanie RTG (gł. Badania klatki piersiowej)

- radioizotopy w diagnostyce medycznej

- urządzenia terapeutyczne do leczenia nowotworów złośliwych

- opad pochodzący z próbnych wybuchów jądrowych

- elektrownie jądrowe

- składowanie odpadów promieniotwórczych

6. Biologiczne skutki promieniowania jonizującego.

1. Na poziomie tkanek i komórek

Promieniowanie jonizujące posiada szczególnie wysoką skuteczność biologiczną, dawka śmiertelna wynosi 6Gy- co oznacza, że zdeponowanie 6Gy w każdym kg ciała prowadzi do śmierci.

Efekt działania prom. jonizującego na żywe organizmy- efekt radiobiologiczny, efekt popromienny.

Do ilościowej oceny efektów radiobiologicznych, wykorzystuje się krzywe efekt-dawka, czyli krzywe przeżycia, obrazujące zależność między przeżywalnością, czyli przeżywającą częścią komórek N/N_0, a dawką.(N- liczba komórek, które przeżyły, N_0- liczba komórek napromienionych).

Wrażliwość radiobiologiczną komórek przyjmuje się za odwrotność dawki d37, przy której przeżywalność komórek zmaleje e-krotnie, czyli przeżyje 37% komórek.

Kom. Haploidalne i bakterie- nie posiadają dawki progowej, dla promieniowania jonizującego, wysoka umieralność nawet przy małych dawkach. W przypadku innych czynników toksycznych występuje dawka progowa.

Kom diploidalne i kom. ssaków- krzywa sigmoidalna, gdyż przy małych dawkach komórki nie tracą zdolności proliferacyjnych.

Czynniki wpływające na intensywność reakcji radiobiologicznych

- Efekt tlenowy- skutki napromieniowania są tym większe, im w danej chwili występowało w komórce więcej tlenu. Określa to, współczynnik wzmocnienia tlenowego OER:

Efekt tlenowy ujawnia się przy promieniowaniu o małym LET, więc dla X i γ.

- Moc dawki- Im bardziej dawka promieniowania rozłożona w czasie, tym efekt biologiczny słabnie, gdyż działają mechanizmy naprawy uszkodzeń popromiennych w komórkach. Skuteczność zwiększa się wraz z wydłużaniem się czasu pomiędzy kolejnymi napromieniowaniami.

- faza cyklu życiowego komórek- w fazie G1, G2 i M komórki bardziej radiowrażliwe. W fazie S i G0 - radioodporne.

Gdy komórki napromieniowane w fazie mitozy - kończą podział, gdy w innej fazie cyklu - następuje opóźnienie przejścia do następnego podziału.

- względna radiowrażliwość komórek i tkanek- Radiowrażliwość tkanek jest tym większa, im większe są: aktywność mitotyczna komórek i liczba komórek pozostających w trakcie różnicowania prawo Bergonie i Tribondeau. Dlatego najbardziej wrażliwe na promieniowanie są narządy limfatyczne, szpik kostny, jądra i jajniki, a najmniej komórki, które utraciły zdolność do podziału- mięśnie, mózg i rdzeń kręgowy.

2. Reakcje organizmu ludzkiego na promieniowanie jonizujące, zależą od dawki promieniowania i obszaru ciała, który został napromieniowany.

Skutki napromieniowania:

- Somatyczne- występują u wszystkich pacjentów po przekroczeniu dawki progowej, w stosunkowo krótkim czasie od napromieniowania.

Wrażliwość organizmów żywych na promieniowanie jonizujące, określa się przy pomocy dawki śmiertelnej LD _50/30, która powoduje śmierć 50% pacjentów w ciągu 30 dni ostrego promieniowania.

O efektach promieniowania decydują- szpik kostny i przewód pokarmowy oraz przy bardzo dużych dawkach centralny układ nerwowy, występuje wówczas ostry zespół popromienny, który jest efektem napromieniowania całego ciała dużymi dawkami, w krótkim czasie.

Ostry zespół popromienny powstaje tylko w wyniku działania promieniowania ze źródeł zewnętrznych, czyli X i γ.

Ostry zespół popromienny przyjmuje 3 postacie, w zależności od dawki:

1. Zespół szpiku kostnego- 2-6Gy, uszkodzenie uk. Krwiotwórczego, śmierć 1-2 miesiące

2. Zespół jelitowy- 6-10Gy, uszkodzenie przewodu pokarmowego, śmierć 1-2 tygodnie

3. Zespół mózgowy >10 Gy, uszkodzenie centralnego układu nerwowego, śmierć po kilku godzinach;

-Somato-stochastyczne- wystąpienie popromiennych nowotworów złośliwych, jako późny skutek długotrwałego napromienienia małymi dawkami(dla skutków somato-stochastycznych nie ma dawki progowej, a efekt ujawnia się po długim czasie od napromienienia, występuje jedynie u części pacjentów).

Nowotwory popromienne mają długi okres utajenia, np. białaczka ok. 2-25 lat.

Współczynnik ryzyka zachorowania na białaczkę równy 0,5*10^-2 Sv^-1= 5*10^-3 Sv^-1, oznacza, że na każde 1000 osób napromienionych dawką 1 Sv na białaczkę umrze 5 osób.

-Genetyczne- promieniowanie jonizujące ma wysoka skuteczność działania mutagennego, może wywołać mutacje genowe albo abberacje chromosomowe.

Mutacje Komorek rozrodczych- u osobnika żyjącego, powodują skrócenie życia, u osobników, którzy odziedziczyli- śmierć.

Mutacje komórek somatycznych są recesywne.

7. Ochrona radiologiczna.

Zasada ALARA ( as low as reasonably achievable)- ochrona przed promieniowaniem polega na takim stosowaniu promieniowania, aby otrzymywane dawki były tak niskie, jak to jest osiągalne w rozsądny sposób.

PS. Nie pisałam nic o dozymetrach, bo teoretycznie nie ma tego w zagadnieniach, ale może poczytajcie z tej prezentacji Piskunowicza, która jest na stronie katedry biofiz..

---