Первинні механізми дії радіоактивного випромінювання і потоків частинок на речовину

<121 122 123124125 126 127 >

Як зазначалося в параграфі 8.2, дія заряджених і частинок радіоактивного випромінювання на речовину зводиться головним чином до збудження та іонізації атомів, тобто переходу електронів атома на більш високі енергетичні рівні і відриву електронів від атома. При цьому, якщо енергіяічастинок є достатньо великою, то вони можуть вибити електрони з глибоких енергетичних рівнів, що призводить до виникнення характеристичного рентгенівського випромінювання.

Щодо випромінювання, то первинні механізми його дії на речовину здебільшого подібні до дії рентгенівського випромінювання, а саме: зводяться до фотоефекту і ефекту Комптона. Крім того, длявипромінювання великих енергій характерним стає процес утворення електронно-позитронних пар. Оскільки енергії спокою електрона і позитрона майже однакові (маси їх спокою відрізняються на 0.007%)

то для утворення електронно-позитронної пари і надання цим частинці та античастинці кінетичної енергії необхідно, щоб енергіяфотона була більшою, ніж 2W₀ = 1.02 МеВ.

Таким чином, послаблення пучкавипромінювання, як і рентгенівського випромінювання, описується законом Бугера (8.35), в якому лінійний коефіцієнт послабленняскладається з суми трьох доданків

(8.38)

де перший доданок характеризує послаблення за рахунок явища фотоефекту, другий - комптон-ефекту, а третій -утворення електронно-позитронних пар.

У речовинах з високим атомним номером (наприклад, у свинцю) при енергіях фотонів менших, ніжголовним чином відбувається фотоефект, при середніх енергіях - комптон-ефект, а при великих енергіях значення набуває утворення пар. У результаті загальний коефіцієнт послаблення із зростанням енергії фотонів спочатку падає внаслідок зниження фотоефекту, а потім збільшується за рахунок утворення пар.

Для речовин з невисоким атомним номером (наприклад, для води) при енергіїфотонівпереважає фотоефект, при- ефект Комптона, а при - процес утворення електронно-позитронних пар.

Для повітря фотоефект має значення тільки при енергії фотонів до потім відбувається головним чином комптон-ефект, утворення пар можливе тільки при енергії порядку

Важливо зазначити, що іонізуюча здатність зростає в рядувипромінювання, а проникна здатність у

зворотному рядувипромінювання (див. рис. 8.13).

Рис. 8.13.Відносна іонізуюча та поглинаюча здатність радіоактивного випромінювання.

Для більш детальної характеристики взаємодії радіоактивного випромінювання з речовиною вводять такі величини:

1) питома іонізація - число пар іонів, що утворюються на 1 см шляху частинки в речовині;

2) іонізаційні втрати - зміна енергії частинки на 1 см її шляху в речовині;

3) повний пробіг - відстань R, яку проходить частинка в речовині доти, доки її енергія не стає рівною тепловій енергії ри кімнатній температурі).

Звичайно, ці величини не є постійними і залежать від типу випромінювання та його енергії. Так, длячастинок з енергієюмаксимальне значення питомої іонізації в повітрі складає близькопар іонів нашляху, причому це значення досягається не відразу при попаданні частинки в повітря, а після того, як вона пройшла шлях близько 6 см. За цих умов швидкістьчастинки зменшується настільки, що її іонізуюча здатність стає максимальною, а іонізаційні втрати досягають значення

У рідинах типу води та в тілі людини і тварин типові значення повного пробігу частинок звичайно суттєво менші за їх значення в повітрі і складають приблизно Пояснення цього факту пов'язане з тим, що біологічні рідини, як і вода, містять багато атомів водню, маса яких по порядку величини близька до маси а-части-нок. Чим ближче маса частинок, які співударяються, тим ефективніше передається кінетична енергія від однієї частинки до іншої. В цьому випадку так званий коефіцієнт акомодації, що визначає такий процес передачі енергії, прямує до одиниці. Саме цим визначається швидке сповільнення β-частинок в організмі людини і тварин, які на 70-80% складаються з рідин, що за своєю консистенцією наближаються до води. Іншим прикладом є використання важкої водидля сповільнення нейтронів в ядерному реакторі.

Що стосується -частинок, то послаблення їх потоку в речовині відбувається наближено теж за законом Бугера причому внесок в лінійний коефіцієнт послабленняпотокувипромінювання дають такі процеси, як іонізація і збудження атомів та молекул, гальмівне рентгенівське випромінювання, розсіяння на електронах атомів і молекул тощо. Слід зазначити, що у разі позитронного випромінювання зустріч електронів та позитронів, тобто частинок і античастинок, призводить до реакції анігіляції

внаслідок якої з'являються 2 кванти, які через закон збереження імпульсу розлітаються під кутом 180° один до одного. При середніх значеннях енергії частинкам в організмі людини і тварин (маються на увазі, звичайно, електрони) притаманні значно більші значення повного пробігу, ніж а-частинкам, а саме: мм. Більша проникна здатність /?-частинок пояснюється меншою їх масоюта суттєво меншими

іонізаційними втратами і питомою іонізацією (для релятивістськихчастинок, тобто електронів, які рухаються зі швидкістю, що близька до швидкості світла, питома іонізація складає приблизно 50 пар іонів на 1 см шляху).

Питания про послабленнявипромінювання обговорювалося раніше у зв'язку з формулою (8.38). Додаткова увага буде приділена цьому питанню далі в лабораторній роботі "Визначення коефіцієнта лінійного послаблення γ-випромінювання".

До іонізуючого випромінювання відносять також протони і нейтрони. Швидкість і енергія протонів, що утворюються при ядерних реакціях, а також їх проникна та іонізуюча здатності близькі до відповідних величин альфа-частинок. Нейтрони, що викидаються при ядерних реакціях, мають початкову швидкість порядкуі енергію до У зв'язку з відсутністю заряду первинна іонізуюча здатність у них низька, проникна відповідно досить висока.

Іонізуючий ефект від дії нейтронів на речовину є наслідком, головним чином, вторинних процесів. При взаємодії нейтронів з ядрами атомів можуть відбуватися пружне розсіяння, непружне розсіяння і захват нейтронів ядрами (радіаційне захоплення). При непружних взаємодіях, особливо з ядрами легких елементів, нейтрон передає ядру частину кінетичної енергії. За рахунок отриманої енергії ядро, що в даному випадку називається ядром віддачі, викликає вторинну іонізацію, яка через наявність у ядрі електричного заряду може бути досить інтенсивною. Оскільки тканини організму містять багато водню, то швидкі нейтрони легко втрачають в них свою енергію і, утворюючи ядра віддачі (протони), викликають значну іонізацію. При суттєвих передачах енергії при непружних взаємодіях ядер з нейтронами відбувається збудження ядра, внаслідок чого воно випромінює один або кілька фотонів. Якщо нейтрон поглинається ядром, то відбувається ядерна реакція. Зазвичай це перетворення ядра в радіоактивний ізотоп з наступнимрозпадом та випромінюванням γ-фотонів. При цьому в біологічних тканинах часто утворюються

Дейтерій за реакцією

радіоактивні ізотопи натрію за реакцією

а також радіовуглець за реакцією (8.20) та ін.

При дії іонізуючих випромінювань може відбуватися також порушення структури молекул речовини. Зокрема, можна відзначити радіоліз води, який полягає в іонізації, а потім розпаді іонізованої молекули води з утворенням ненасичених радикалів Н і ОН, які не несуть електричних зарядів, але мають ненасичені валентності і тому мають виключно високу хімічну активність.

8.4.3. Фізико-хімічні механізми радіаційних пошкоджень

Згідно з загальноприйнятими концепціями радіаційного захисту (див. список літератури до розділу 8), існує кілька основних фізико-хімічних механізмів пошкоджень, що викликаються дією радіоактивних випромінювань на живі істоти.

Первинна стадія (умовно її можна назвати фізичною), пов'язана з іонізацією молекул води (нагадаємо ще раз, що в тілі людини на воду припадає близько 3/4 загальної ваги) відщеплюється електрон згідно з реакцією

Цей процес в типових випадках триває дуже короткий час

Наступна так звана фізико-хімічна стадія, яка триває приблизно протягом 1 мкс, характеризується декількома процесами (реакціями), а саме:

а) відщепленням протону від додатного іона

б) приєднанням електрона до нейтральної молекули води з утворенням від'ємнезарядженого іонатобто

в) перетворення цього іона на атом водню і від'ємне заряджений іон, тобто

Таким чином, продуктами цих реакцій є утворення як зарядженихі, так і нейтральних частинок.

Слід зауважити, що протонта іонне відіграють в наступному будь-якої значної ролі, бо внаслідок дисоціації їх є досить багато в звичайній воді, тоді як нейтральні утворення - молекула водню Н і гідроксильна група ОН є вільними радикалами. Вони мають нсспарсний електрон і тому хімічно є дуже активними.

На цій стадії виникає ще й водневий пероксид за реакцією який є дуже сильним окислювачем.

Після фізико-хімічної стадії наступає стадія, яку можна умовно назвати хімічного. На цій стадії, яка триває типово кілька секунд, продукти реакцій, що отримані на попередній стадії, починають взаємодіяти з органічними молекулами в клітинах, можуть атакувати комплекси молекул в хромосомах тощо.

Таким чином, перші три стадії (фізична, фізико-хімічна та хімічна) по суті ще не викликають великих порушень в тканинах. Токсична дія випромінювання пов'язана з вторинними реакціями, при яких відбувається розрив зв'язку всередині складних органічних молекул. Вільні радикали та інші активні біохімічні продукти стають каталізаторами для вторинних реакцій вже біологічного порядку, що розвиваються лавиноподібно за типом ланцюгової реакції і можуть призвести організм до стану, який називають променевою хворобою.

Всі ці процеси відбуваються на останній біологічній стадії, тривалість якої може змінюватися в дуже широких межах - від кількох хвилин до десятків років. Радіаційні пошкодження на біологічній стадії звичайно поділяють на такі два класи:

а) соматичні, що впливають лише на опромінену живу істоту (наприклад, людину);

б) спадкоємні, що передаються на репродуктивні органи і переходять до наступних поколінь.

Біологічна стадія характеризується, таким чином, віддаленими впливами зазначених вище фізико-хімічних механізмів дії випромінювання на живі істоти, які пов'язані з сповільненням чи зупиненням процесів ділення клітин, що призводять до відповідних змін в клітинах наступних поколінь та до передчасної загибелі клітинної популяції і організму в цілому.

Слід зазначити, що іонізуюче випромінювання діє на всі біооб'єкти, починаючи з найпростіших вірусів та бактерій і закінчуючи такими найскладнішими, як людина. Вивчення радіочутливості біооб'єкта, тобто його сприйнятливості до дії різних видів іонізуючого випромінювання, довело, що ця дія відбувається на всіх рівнях організації живих істот -молекулярному, клітинному та організменному.

Найважливіші біологічні макромолекули - білки, нуклеїнові кислоти, ферменти тощо - під дією іонізуючого випромінювання втрачають свою біологічну активність (гармональну, ферментативну та ін.), в них відбувається деполімеризація або, навпаки, виникають нові хімічні утворення. В клітинах навіть руйнується процес ділення, що може інколи відбуватися при Доведено, що найбільш радіочутливою частиною клітин є його ядро. Загибель клітин внаслідок опромінення ядра відбувається при дозах, які в десятки та сотні разів менші за ті дози, що призводять до загибелі цих клітин при опроміненні їх цитоплазми. Водночас було екснериментально встановлено, що заміна цитоплазми опроміненої клітини па цитоплазму неопромінених відновлює властивість клітини до подальшого ділення.

Важливим результатом подібних радіаційних експериментів було встановлення того принципового факту, що загибель живих організмів відбувається внаслідок одночасного ураження багатьох клітин і тканин. Внаслідок цього ураження порушується загальна регуляція життєво важливих процесів, що відбуваються у кістковому мозку, лімфатичній системі, кишковому тракті, статевих залозах та інших системах організму людини і тварини.

На рис. 8.14 наведена так звана крива виживання, яка характеризує залежність кількості особів (людей, тварин), що виживають при опроміненні, від поглинутої дози.

Більш точно, віддалені впливи дії раді ації поділяють на ранні та пізні ефекти.

Рис.8.14. Крива виживання.

Для характеристики ранніх радіаційних ефектів часто вводять так звану "летальну дозу" Це така доза, яка є летальною для 50% опромінених об'єктів певної популяції через 30 діб після опромінення. Для людської популяції летальна поглинута доза, становить від 3 до 8 Гр, або 300-800 рад при загальному опроміненні тіла рентгенівськими променями. При поглинутій дозі =ймовірність смерті є дуже малою, тоді як при поглинутій дозіймовірність вижити є вже дуже малою.

При поглинутих дозах порядкасмерть наступає від пошкодження білих кров'яних клітин (в основному — лімфоцитів). Ці форменні елементи крові звичайно забезпечують захист від інфекцій. При їх загибелі під дією великих доз радіації опромінена людина не може протистояти будь-яким інфекціям, які стають смертельно небезпек ними. Ризик смерті призменшується, якщо пацієнт утримується в стерильному приміщенні і йому робиться пересадка спинного мозку для стимуляції появи додаткових білих кров'яних клітин. Без подібних заходів смерть опроміненої людини настає через 3-5 діб, якщо При значно більших поглинутих дозах радіації відбувається катастрофічна загибель клітин шлунково-кишкового тракту, а при ще більших дозах гинуть клітини центральної нервової системи. Слід однак зазначити, що в експериментах на тваринах смерть не наступала миттєво навіть при 500 Гр.

Щодо пізніх радіаційних ефектів, то одним з найнебез-печніших проявів дії радіації є рак. Основний механізм появи цього смертельно небезпечного захворювання пов'язаний з руйнуванням системи контролю ділення клітин. Наслідком стає більш швидкий процес ділення опромінених клітин у порівнянні з швидкістю цього процесу в неопро-мінених (нормальних) клітинах. Такий процес прискореного ділення клітин називається, як відомо, проліферацією клітин. Ефект проліферації передається у спадщину дочірнім клітинам, внаслідок чого можуть з'являтися злоякісні пухлини. Між часом опромінення людини і знаходженням у неї ракового захворювання може пройти досить великий (до ЗО років) проміжок часу - так званий "латентний період".

На жаль, не існує порогової дози, нижче якої немає ризику захворіти раком. Разом з тим немає прямих підтверджень того факту, що будь-які малі дози радіації здатні викликати рак. Це досить незвичайне, на перший погляд, протиріччя можна пояснити такими експериментальними даними, наведеними англійськими радіологами Торном і Веннартом.

Нехай є людська популяція, що включає в себе мільйон людей. Тоді виявляється, що при еквівалентній дозі радіаційного, випромінювання в І мілізівертяку отримала кожна людина, загальна кількість випадків захворювання раком будь-яких органів і тканин складає: у чоловіків - 10.5 випадків, у жінок - 15.5 випадків. Різниця в п'ять випадків пов'язана з захворюваннями жінок на рак молочної залози (більш докладні дані в табл. 8.2). Цікавим є той факт, що добуток кількості людей TV в групі на еквівалентну дозу (це так звана популяційна

еквівалентна доза) залишається величиною сталою, тобто Іншими словами, така ж кількість чоловіків (всього їх буде 10-11) або жінок (їх буде 15-16) захворіє на рак будь-якої форми за умови, що буде взята група не в мільйон, а в тисячу людей, якщо еквівалентна доза стане не а 1 Такий самий результат буде спостерігатися і дляІтюдей при

Таблиця 8.2. Кількість захворювань на рак внаслідок радіаційного випромінювання

<121 122 123124125 126 127 >

Дата добавления: 2020-11-18; просмотров: 411;