Действие ионизирующих излучений

Ионизирующие излучения – это любые излучения, взаимодействие которых со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков, т. е. ионизации атомов и молекул в облучаемом веществе. Кроме ионизации, все виды излучений вызывают возбуждение атомов и молекул путем передачи им части энергии, недостаточной для ионизации. Иначе говоря, ионизация и возбуждение являются главными процессами расходования всей энергии излучения, проникающего в облучаемый объект. Ионизирующие излучения подразделяются на электромагнитные и корпускулярные.

К электромагнитным излучениям относятся рентгеновские лучи, гамма-лучи радиоактивных элементов и тормозное излучение, испускаемое при изменении кинетической энергии заряженных частиц при прохождении через вещество. Эти разновидности излучений имеют ту же природу, что и видимый свет, радиоволны, но с меньшей длиной волны. Электромагнитные излучения не имеют массы покоя и заряда, а потому обладают наибольшей проникающей способностью. Пробег частиц электромагнитных излучений (фотонов) максимально сокращается в таких материалах, как свинец, что используется при конструировании защитных экранов.

Корпускулярное излучение – это ионизирующее излучение, состоящее из частиц с массой покоя, отличной от нуля.

Выделяют две разновидности подобных частиц. Заряженные частицы: β-частицы (электроны), протоны (ядра водорода), дейтроны (ядра тяжелого водорода – дейтерия), α-частицы (ядра гелия), тяжелые ионы – ядра других элементов, ускоренные до больших энергий. При прохождении через вещество заряженная частица, теряя свою энергию, вызывает ионизацию и возбуждение атомов. К незаряженным частицам относятся нейтроны, которые не взаимодействуют с электронной оболочкой атома, беспрепятственно проникают в глубь атомов, вступая в реакцию с ядрами. При этом испускаются α-частицы или протоны. Протоны приобретают в среднем половину кинетической энергии нейтронов и вызывают на своем пути ионизацию. Плотность ионизации протонов велика, поэтому нейтроны следует рассматривать как частицы, косвенно вызывающие очень плотную ионизацию. В веществах, содержащих много атомов водорода (вода, парафин, графит), нейтроны быстро растрачивают свою энергию и замедляются, что используется в целях радиационной защиты.

Основные источники ионизирующих излучений.Различают два вида радиоактивности: естественную (природную) и искусственную.

1. К естественнымисточникам излучений относятся:

– внутренние: радиоактивные изотопы ⁴⁰К и ¹⁴С, отложившиеся в костях радий и торий, а также радон, растворенный в тканях организма;

– внешние: космические лучи, излучения от радиоактивности в почве, воздухе и строительных материалах.

Общая доза фонового облучения, получаемая человеком в год, на уровне моря составляет примерно 0,14-0,7 сЗв. Учитывая, что современные самолеты летают на высотах более 10 км, необходимо кратко охарактеризовать радиационную обстановку в верхних слоях атмосферы и стратосфере. Основной вклад в дозу облучения на этих высотах вносит галактическое космическое излучение (ГКИ). На уровне Земли доза от ГКИ составляет 887 мкГр за год. Считается, что в пределах до 10 км над уровнем моря доза ГКИ через каждые 1,5 км высоты удваивается. На высотах от 10 до 80 км она изменяется в диапазоне от 1,8 до 8 сГр в год (или от 50 до 880 мкГр/сут.). На высоте около 85 км над уровнем моря ГКИ формирует максимум тканевой дозы – до 8,64 сГр/год (840 мкГр/сут.). Этот максимум объясняется увеличением вклада вторичного излучения (электроны, позитроны, протоны и др.). На высотах 85–30 км вклад вторичного излучения уменьшается и интегральная доза составляет величину порядка 5,4 сГр/год (150 мкГр/сут.).

2. Наиболее реальную опасность представляют искусственные источники излучений. Совершенствование авиакосмической техники может привести к использованию в будущем бортовых радиоизотопных, ядерно-энергетических и ядерно-силовых установок, являющихся источниками ионизирующих излучений. Возникновение радиационной ситуации возможно при перевозках радионуклидов, а также еще в трех особых формах контакта с источниками облучения: взрыв ядерного оружия, аварийный выброс технологических продуктов атомного предприятия в окружающую среду и местное выпадение радиоактивных веществ, сопутствующее первым двум обстоятельствам. Примерами могут служить атомный взрыв над городами Японии в 1945 году, испытательный термоядерный взрыв на Маршалловых островах в 1954 году, авария в Уайдскелле в 1957 году и др. Поток γ-излучения и нейтронов, сопровождающий атомный взрыв, обладает значительной проникающей способностью и достигает Земли даже при взрыве на значительной высоте.

Источником излучения в районе взрыва являются также осевшие радиоактивные продукты из облака взрыва, элементы почвы и местных предметов, приобретшие наведенную радиоактивность вследствие воздействия потоков нейтронов из эпицентра взрыва.

Как естественная, так и искусственная радиоактивность имеет сложный спектр излучения. Для оценки биологического эффекта воздействия излучения произвольного состава введено понятие эквивалентной дозы с единицей измерения в СИ – зиверт (Зв).

Зиверт – единица эквивалентной дозы любого вида излучения в биологической ткани, которое создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр образцового рентгеновского или г-излучения (энергия 100-1000 кэВ).

• При одной и той же поглощенной дозе биологический эффект от воздействия различных видов излучения существенно различается. В связи с этим для прогнозирования биологического эффекта в поглощенную дозу излучения необходимо вносить поправочный коэффициент на его вид: этот коэффициент характеризует относительную биологическую эффективность (ОБЭ).

Пользуясь понятием о дозе излучения, ОБЭ можно определить как отношение биологически равноэффективных доз стандартного и сравниваемого излучений:

• Биологическую эффективность ионизирующего излучения определяют в первую очередь линейной плотностью ионизации (ЛПИ), создаваемой этим излучением, т. е. количеством пар ионов, образуемых на единице пути ионизирующей частицы в веществе (ткани). Однако биологическую эффективность правильнее связывать не с ЛПИ, а с величиной энергии, передаваемой ионизирующей частицей ткани на единицу пути. Эта величина называется линейной передачей энергии (ЛПЭ). Значения ЛПИ, ЛПЭ и ОБЭ связаны между собой.

• Регламентированные значения ОБЭ, установленные для контроля степени радиационной опасности в области малых величин доз при хроническом облучении, называют коэффициентом качества излучения Q.

• Кроме единиц дозы излучения, в медицинской практике используют единицы активности радиоактивных изотопов. Единица активности в СИ – беккерель (Бк), равная одному распаду в секунду (расп./с).

Оценка дозы осуществляется различными физическими и химическими методами. В настоящее время широко используют ионизационный метод, т. е. измеряется электрический ток, возникающий вследствие ионизации газовых смесей в специальных камерах с тканеэквивалентными стенками. Важное значение для оценки облучения всего тела и различных его частей имеют автономные дозиметры интегрального типа, в частности термолюминесцентные дозиметры, достоинствами которых являются малые размеры, устойчивость к механическим воздействиям и пониженному барометрическому давлению, хорошая сохранность информации, химическая инертность, вследствие чего возможно их употребление в любой газовой среде, при любой влажности. Находит применение метод измерения дозы с использованием фотопленок и ядерных фотоэмульсий. Применение ядерных фотоэмульсий позволяет, кроме того, проанализировать состав падающего на тело излучения.

Биологическое воздействие ионизирующих излучений.Первичные радиационно-химические изменения при его воздействии раскрыты не полностью. В основе биовоздействия могут лежать два механизма:

– прямое действие (молекула биообъекта испытывает изменения непосредственно при прохождении через нее электрона);

– косвенное (изменяемая молекула получает энергию путем передачи от другой молекулы).

Все ткани организма способны поглощать энергию излучения, которая преобразуется в энергию химических реакций или тепло. Известно, что в тканях содержится 60–80 % воды. Следовательно, большая часть энергии излучения поглощается водой, а меньшая – растворенными в ней веществами.

Поэтому при облучении в организме появляются свободные радикалы – продукты разложения (радиолиза) воды, которые в химическом отношении очень активны, могут вступать в реакцию с белковыми и другими молекулами. Полагают, что в таких «плотно упакованных» структурах, как хромосомы, преобладают повреждения, обусловленные прямым действием излучения, тогда как в растворах и высокогидратированных системах существенную роль играют также продукты радиолиза воды.

При воздействии очень больших доз в результате первичного действия ионизирующего излучения наблюдаются изменения в любых биомолекулах. При умеренных же дозах лучевого воздействия первично страдают в основном только высокомолекулярные органические соединения: нуклеиновые кислоты, белки, липопротеиды и полимерные соединения углеводов.

• Нуклеиновые кислоты обладают чрезвычайно высокой радиочувствительностью. При прямом попадании достаточно 1–3 актов ионизации, чтобы молекула ДНК вследствие разрыва водородных связей распалась на две части и утратила свою биологическую активность.

• При воздействии ионизирующего излучения в белках происходят структурные изменения, приводящие к потере ферментативной и иммунной активности. Нарушение структуры белков проявляется в изменении ряда их физических характеристик: показателях вязкости, преломления света, оптического вращения, спектрах электронного парамагнитного резонанса и др. Обнаружение свободных амидных групп и фрагментов после раскручивания молекул облученных белков свидетельствует о наличии замаскированных разрывов полипептидных цепей. С увеличением дозы излучения число разрывов полипептидных связей нарастает и явления деградации белка становятся очевидными.

• Повреждение ионизирующим излучением структуры жиров приводит к нарушению сложных ферментативных реакций, развитие которых обеспечивается упорядоченностью расположения ферментов на мембране, а также изменению процессов адсорбции и активного транспорта ряда веществ через мембрану вследствие нарушения ее проницаемости. Первичные изменения в жирах при воздействии ионизирующего излучения заключаются в образовании свободных радикалов, которые, взаимодействуя с кислородом, образуют перекисные соединения, обладающие высокой химической активностью.

Первичные изменения в углеводах сводятся к окислению их с распадом углеводородной цепи и образованием кислот и формальдегида.

В результате этих процессов, протекающих практически мгновенно, образуются новые химические соединения – радиотоксины, несвойственные организму в норме. Все это приводит к нарушению сложных биохимических процессов обмена веществ и жизнедеятельности клеток и тканей, т. е. к развитию лучевой болезни (рис. 4.1).

Проблема радиочувствительности клеток, тканей, организмов занимает центральное место в радиобиологии. Наиболее чувствительны к этому фактору малодифференцированные, молодые и растущие клетки. Характеристикой радиочувствительности биообъектов является величина дозы облучения, вызывающей гибель 50 % объектов. У человека среднелетальная доза равна 4 ± 1 Гр.

Формы лучевой болезни.Ввиду различной радиочувствительности органов и тканевых систем существует строгая зависимость между поглощенной дозой в организме и средней продолжительностью жизни биологических объектов. Эти три характерных дозных участка кривой, отражают основные клинические радиационные синдромы (формы лучевой болезни), развивающиеся вследствие необратимого поражения соответствующих критических систем (органов) организма: кроветворной, кишечника и ЦНС:

– костномозговой (1-10 Гр);

– желудочно-кишечный (10–50 Гр);

– церебральный (более 50 Гр).

Критический орган (система) – это система, орган, ткань или часть тела, которая первой выходит из строя в конкретном диапазоне доз и приводит организм к гибели, а в гигиеническом плане причиняет наибольший ущерб здоровью человека или его потомству.

Рис. 4.1.Механизмы развития радиационного поражения (по: А. М. Кузин, 1970)

• Костномозговая форма лучевого поражения возникает в результате однократного, общего относительно равномерного облучения, когда критической является система кроветворения и в первую очередь костный мозг. Эта форма клинически может протекать в виде:

– острой лучевой реакции;

– острой лучевой болезни.