21.6: Біологічні ефекти радіації
- Page ID
- 22693
- Охарактеризуйте біологічний вплив іонізуючого випромінювання.
- Визначте одиниці вимірювання радіаційного опромінення.
- Поясніть роботу поширених засобів виявлення радіоактивності.
- Перерахуйте поширені джерела радіаційного опромінення в США.
Збільшення використання радіоізотопів призвело до посилення занепокоєння з приводу впливу цих матеріалів на біологічні системи (наприклад, люди). Всі радіоактивні нукліди випромінюють високоенергетичні частинки або електромагнітні хвилі. Коли це випромінювання стикається з живими клітинами, воно може спричинити нагрівання, розірвати хімічні зв'язки або іонізувати молекули. Найбільш серйозні біологічні пошкодження призводять до того, що ці радіоактивні викиди фрагментують або іонізують молекули. Наприклад, альфа- і бета-частинки, що виділяються в результаті ядерних реакцій розпаду, володіють набагато вищими енергіями, ніж звичайні енергії хімічних зв'язків. Коли ці частинки вражають і проникають у речовину, вони виробляють іони та молекулярні фрагменти, які надзвичайно реактивні. Пошкодження, яке це завдає біомолекулам в живих організмах, може спричинити серйозні збої в нормальних клітинних процесах, податкуючи механізми відновлення організму і, можливо, спричинити хворобу або навіть смерть (рис.\(\PageIndex{1}\)).
Іонізуюче проти неіонізуючого випромінювання
Існує велика різниця в величині біологічних ефектів неіонізуючого випромінювання (наприклад, світла і мікрохвиль) і іонізуючого випромінювання, викидів досить енергійних, щоб вибити електрони з молекул (наприклад, α і β частинок, γ променів, рентгенівських променів і високоенергетичних ультрафіолетове випромінювання) (рис.\(\PageIndex{2}\)).
Енергія, поглинена від неіонізуючого випромінювання, прискорює рух атомів і молекул, що еквівалентно нагріванню зразка. Хоча біологічні системи чутливі до тепла (як ми можемо знати, торкаючись гарячої печі або проводячи день на пляжі на сонці), перед тим, як будуть досягнуті небезпечні рівні, необхідна велика кількість неіонізуючого випромінювання. Іонізуюче випромінювання, однак, може спричинити набагато більш серйозні пошкодження, розриваючи зв'язки або видаляючи електрони в біологічних молекулах, порушуючи їх структуру та функцію. Пошкодження також може бути нанесено опосередковано, спочатку іонізуючи H 2 O (найпоширенішу молекулу в живих організмах), яка утворює іон H 2 O +, який реагує з водою, утворюючи іон гідронію та гідроксильний радикал:
Біологічні ефекти опромінення
Випромінювання може завдати шкоди або всьому організму (соматичне пошкодження), або яйцеклітин і сперматозоїдів (генетичне пошкодження). Його ефекти більш виражені в клітині, які швидко розмножуються, таких як оболонка шлунка, волосяні фолікули, кістковий мозок та ембріони. Ось чому пацієнти, які проходять променеву терапію, часто відчувають нудоту або хворіють на живіт, втрачають волосся, болять кістки тощо, і чому слід дотримуватися особливої обережності під час променевої терапії під час вагітності.
Різні види випромінювання мають різну здатність проходити через матеріал (рис.\(\PageIndex{4}\)). Дуже тонкий бар'єр, такий як аркуш або два паперу, або верхній шар клітин шкіри, зазвичай зупиняє альфа-частинки. Через це джерела альфа-частинок, як правило, не є небезпечними, якщо вони знаходяться поза тілом, але є досить небезпечними при попаданні всередину або вдиханні (див. Функцію хімії в повсякденному житті на опромінення радону). Бета-частинки будуть проходити через руку або тонкий шар матеріалу, такого як папір або дерево, але зупиняються тонким шаром металу. Гамма-випромінювання дуже проникаюче і може проходити крізь товстий шар більшості матеріалів. Деякі високоенергетичні гамма-випромінювання здатні проходити через кілька футів бетону. Деякі щільні елементи з високим атомним номером (наприклад, свинець) можуть ефективно послаблювати гамма-випромінювання більш тонким матеріалом і використовуються для екранування. Здатність різного роду викидів викликати іонізацію сильно варіюється, а деякі частинки майже не мають схильності виробляти іонізацію. Альфа-частинки мають приблизно вдвічі більшу іонізуючу силу швидкохідних нейтронів, приблизно в 10 разів більше, ніж у β частинок, і приблизно в 20 разів більше, ніж у γ променів та рентгенівських променів.
Для багатьох людей одним з найбільших джерел впливу радіації є газ радону (Рн-222). Радон-222 - це α випромінювач з періодом напіврозпаду 3,82 дня. Це один з продуктів серії радіоактивного розпаду U-238, який міститься в слідових кількостях в грунті і гірських породах. Радоновий газ, який утворюється, повільно виривається з землі і поступово просочується в будинки та інші споруди вище. Так як він приблизно в вісім разів щільніше повітря, то радоновий газ накопичується в підвалах і нижніх поверхах, і повільно розсіюється по будівлям (рис.\(\PageIndex{5}\)).
Радон зустрічається в будинках по всій країні, кількість яких залежить від місця розташування. Середня концентрація радону всередині будинків у США (1,25 PCI/л) приблизно втричі перевищує рівень, виявлений у зовнішньому повітрі, і приблизно в одному з шести будинків рівень радону досить високий, щоб рекомендувалися рекультиваційні зусилля щодо зниження концентрації радону. Вплив радону збільшує ризик захворіти на рак (особливо рак легенів), а високий рівень радону може бути таким же шкідливим для здоров'я, як куріння коробки сигарет на день. Радон є причиною номер один раку легенів у некурящих і друга провідна причина раку легенів в цілому. Вважається, що вплив радону спричиняє понад 20 000 смертей у США на рік.
Вимірювання опромінення
Для виявлення і вимірювання випромінювання використовується кілька різних пристроїв, включаючи лічильники Гейгера, сцинтиляційні лічильники (сцинтилятори) і дозиметри випромінювання (рис.\(\PageIndex{6}\)). Ймовірно, найвідоміший радіаційний прилад, лічильник Гейгера (його також називають лічильником Гейгера-Мюллера) виявляє та вимірює випромінювання. Випромінювання викликає іонізацію газу в трубці Гейгера-Мюллера. Швидкість іонізації пропорційна кількості випромінювання. Сцинтиляційний лічильник містить сцинтилятор - матеріал, який випромінює світло (люмінесси) при збудженні іонізуючим випромінюванням, і датчик, який перетворює світло в електричний сигнал. Дозиметри випромінювання також вимірюють іонізуюче випромінювання і часто використовуються для визначення особистого радіаційного опромінення. Зазвичай використовуваними типами є електронні, плівкові значки, термолюмінесцентні та кварцові волокна дозиметри.
Для вимірювання різних аспектів випромінювання використовуються різноманітні одиниці (табл.\(\PageIndex{1}\)). Одиницею СІ для швидкості радіоактивного розпаду є беккерель (Bq), з 1 Bq = 1 розпаду в секунду. Кюрі (Ci) і мілікюрі (MCi) є набагато більшими одиницями і часто використовуються в медицині (1 кюрі = 1 Ci\(3.7 \times 10^{10}\) = розпади в секунду). Одиницею СІ для вимірювання дози опромінення є сірий (Gy), при цьому 1 Гр = 1 Дж енергії, що поглинається на кілограм тканини. У медичних додатках частіше використовується поглинена радіацією доза (рад) (1 рад = 0,01 Гр; 1 рад призводить до поглинання 0,01 Дж/кг тканини). Одиницею СІ, що вимірює пошкодження тканин, спричинене випромінюванням, є зіверт (Sv). При цьому враховуються як енергетичні, так і біологічні ефекти типу випромінювання, що беруть участь в дозі опромінення.
Мета вимірювання | Одиниця | Виміряна кількість | Опис |
---|---|---|---|
діяльність джерела | Беккерель (Bq) | радіоактивні розпади або викиди | кількість вибірки, яка зазнає 1 розпад на секунду |
Кюрі (Ci) | кількість проби, яка проходить\(\mathrm{3.7 \times 10^{10}\; decays/second}\) | ||
поглинена доза | сірий (Gy) | енергія, що поглинається на кг тканини | 1 Гр = 1 Дж/кг тканини |
радіаційна поглинена доза (рад) | 1 рад = 0,01 Дж/кг тканини | ||
біологічно ефективна доза | Зіверт (Sv) | пошкодження тканин | Sv = РБ × Гб |
Рентген еквівалент для людини (rem) | Рем = RBE × рад |
Рентгеновий еквівалент для людини (rem) - це одиниця радіаційного ураження, яка найчастіше використовується в медицині (1 rem = 1 Sv). Зверніть увагу, що одиниці пошкодження тканин (rem або Sv) включають енергію дози опромінення (rad або Gy), поряд з біологічним фактором, що називається RBE (для відносної біологічної ефективності), тобто приблизною мірою відносного пошкодження, нанесеного випромінюванням. Вони пов'язані між собою:
\[ \text{number of rems}=\text{RBE} \times \text{number of rads} \label{Eq2} \]
з RBE приблизно 10 для α випромінювання, 2 (+) для протонів і нейтронів і 1 для β і γ випромінювання.
Кобальт-60 (t 1/2 = 5.26 y) використовується в терапії раку, оскільки випромінювані ним\(\gamma\) промені можуть бути зосереджені на невеликих ділянках, де знаходиться рак. 5.00-г зразок Co-60 доступний для лікування раку.
- Яка його діяльність в Bq?
- Яка його діяльність в Ci?
Рішення
Діяльність дається:
\[\textrm{Activity}=λN=\left( \dfrac{\ln 2}{t_{1/2} } \right) N=\mathrm{\left( \dfrac{\ln 2}{5.26\ y} \right) \times 5.00 \ g=0.659\ \dfrac{g}{y} \ of\ \ce{^{60}Co} \text{ that decay}} \nonumber \]
І щоб перетворити це в розпади в секунду:
\[\mathrm{0.659\; \frac{g}{y} \times \dfrac{y}{365 \;day} \times \dfrac{1\; day}{ 24\; hours} \times \dfrac{1\; h}{3,600 \;s} \times \dfrac{1\; mol}{59.9\; g} \times \dfrac{6.02 \times 10^{23} \;atoms}{1 \;mol} \times \dfrac{1\; decay}{1\; atom}} \nonumber \]
\[\mathrm{=2.10 \times 10^{14} \; \frac{decay}{s}} \nonumber \]
(а) Оскільки\(\mathrm{1\; Bq = 1\; \frac{ decay}{s}}\) діяльність в Беккерелі (Bq) є:
\[\mathrm{2.10 \times 10^{14} \dfrac{decay}{s} \times \left(\dfrac{1\ Bq}{1 \; \frac{decay}{s}} \right)=2.10 \times 10^{14} \; Bq} \nonumber \]
(b) Оскільки\(\mathrm{1\ Ci = 3.7 \times 10^{11}\; \frac{decay}{s}}\) діяльність у кюрі (Ci) становить:
\[\mathrm{2.10 \times 10^{14} \frac{decay}{s} \times \left( \dfrac{1\ Ci}{3.7 \times 10^{11} \frac{decay}{s}} \right) =5.7 \times 10^2\;Ci} \nonumber \]
Тритій - радіоактивний ізотоп водню (\(t_{1/2} = \mathrm{12.32\; years}\)), який має кілька застосувань, включаючи автономне освітлення, при якому електрони, що випромінюються при радіоактивному розпаді тритію, викликають світіння фосфору. Його ядро містить один протон і два нейтрона, а атомна маса тритію дорівнює 3,016 аму. Яка активність зразка, що містить 1,00 мг тритію (а) в Bq і (b) в Ci?
- Відповідь на
-
\(\mathrm{3.56 \times 10^{11} Bq}\)
- Відповідь б
-
\(\mathrm{0.962\; Ci}\)
Вплив тривалого радіаційного опромінення на організм людини
Вплив випромінювання залежить від типу, енергії та місця розташування джерела випромінювання, а також тривалості впливу. Як показано на малюнку\(\PageIndex{8}\), середня людина піддається впливу фонового випромінювання, в тому числі космічних променів сонця і радону з урану в землі (див. Особливість хімії в повсякденному житті на радоновому опроміненні); випромінювання від медичного опромінення, включаючи КПП сканування, радіоізотопні тести, X- промені і так далі; і невеликі кількості випромінювання від іншої діяльності людини, таких як польоти на літаках (які бомбардуються збільшеною кількістю космічних променів у верхній атмосфері), радіоактивність від споживчих товарів і різноманітних радіонуклідів, які потрапляють в наші тіла, коли ми дихаємо (наприклад, вуглець- 14) або через харчовий ланцюг (наприклад, калій-40, стронцій-90, і йод-131).
Короткочасна, раптова доза великої кількості радіації може викликати широкий спектр наслідків для здоров'я, від зміни хімічного складу крові до смерті. Короткочасний вплив десятків рем радіації, ймовірно, спричинить дуже помітні симптоми або захворювання; за оцінками, доза близько 500 rems має 50% ймовірність спричинити смерть жертви протягом 30 днів після впливу. Вплив радіоактивних викидів надає кумулятивний вплив на організм протягом життя людини, що є ще однією причиною, по якій важливо уникати будь-якого зайвого впливу радіації. Вплив на здоров'я короткочасного впливу радіації наведено в табл\(\PageIndex{2}\).
Експозиція (rem) | Вплив на здоров'я | Час до початку (без лікування) |
---|---|---|
5—10 | зміни хімії крові | — |
50 | нудота | годин |
55 | втома | — |
70 | блювота | — |
75 | випадання волосся | 2-3 тижні |
90 | діарея | — |
100 | крововиливи | — |
400 | можлива смерть | протягом 2 місяців |
1000 | руйнування слизової оболонки кишечника | — |
внутрішня кровотеча | — | |
смерть | 1-2 тижні | |
2000 | ураження центральної нервової системи | — |
втрата свідомості | хвилини | |
смерть | години в дні |
Не можна уникнути деякого впливу іонізуючого випромінювання. Ми постійно піддаємося впливу фонового випромінювання з різних природних джерел, включаючи космічне випромінювання, гірські породи, медичні процедури, споживчі товари і навіть наші власні атоми. Ми можемо мінімізувати наше опромінення, блокуючи або екрануючи випромінювання, рухаючись далі від джерела та обмежуючи час опромінення.
Резюме
Ми постійно піддаємося впливу радіації з різних природних і людських джерел. Це випромінювання може впливати на живі організми. Іонізуюче випромінювання є найбільш шкідливим, оскільки воно може іонізувати молекули або порушувати хімічні зв'язки, що пошкоджує молекулу і викликає збої в процесах клітин. Він також може створювати реактивні гідроксильні радикали, які пошкоджують біологічні молекули і порушують фізіологічні процеси. Випромінювання може спричинити соматичні або генетичні пошкодження, і є найбільш шкідливим для швидко розмножуються клітин. Види випромінювання відрізняються своєю здатністю проникати в матеріал і пошкоджувати тканини, причому альфа-частинки найменш проникаючі, але потенційно найбільш вражаючі, а гамма-промені найбільш проникаючі.
Різні прилади, включаючи лічильники Гейгера, сцинтилятори та дозиметри, використовуються для виявлення та вимірювання радіації, а також контролю радіаційного опромінення. Ми використовуємо кілька одиниць для вимірювання радіації: беккерелі або кюрі для швидкості радіоактивного розпаду; сірий або rads для поглинання енергії; і rems або sieverts для біологічного впливу радіації. Вплив радіації може спричинити широкий спектр наслідків для здоров'я, від незначних до важких, включаючи смерть. Ми можемо мінімізувати вплив випромінювання, екрануючи щільними матеріалами, такими як свинець, віддаляючись від джерела випромінювання та обмежуючи час опромінення.
Виноски
- 1 Джерело: Агентство з охорони навколишнього середовища США
Глосарій
- Беккерель (Bq)
- Одиниця СІ для швидкості радіоактивного розпаду; 1 Bq = 1 розпад /с.
- Кюрі (Ci)
- Більша одиниця швидкості радіоактивного розпаду часто використовується в медицині; 1 Ci = 3,7 × 10 10 розпадів/с.
- Лічильник Гейгера
- Прилад, який виявляє і вимірює випромінювання за допомогою іонізації, виробленої в трубці Гейгера-Мюллера.
- сірий (Gy)
- Одиниця СІ для вимірювання дози опромінення; 1 Гр = 1 Дж поглиненої/кг тканини.
- іонізуючого випромінювання
- Випромінювання, яке може призвести до того, що молекула втрачає електрон і утворює іон.
- мілікюрі (МКі)
- Більша одиниця швидкості радіоактивного розпаду часто використовується в медицині; 1 Ci = 3,7 × 10 10 розпадів/с.
- неіонізуюче випромінювання
- Випромінювання, яке прискорює рух атомів і молекул; воно еквівалентно нагріванню зразка, але недостатньо енергійне, щоб викликати іонізацію молекул.
- радіаційна поглинена доза (рад)
- Одиниця СІ для вимірювання дози опромінення, часто використовується в медичних додатках; 1 рад = 0,01 Гр.
- дозиметр випромінювання
- Прилад, який вимірює іонізуюче випромінювання і використовується для визначення особистого радіаційного опромінення.
- відносна біологічна ефективність (RBE)
- Вимірювання відносного пошкодження, нанесеного радіацією.
- Рентген еквівалент людина (rem)
- Одиниця радіаційного ураження, часто застосовується в медицині; 1 rem = 1 Sv.
- лічильник сцинтиляції
- Інструмент, який використовує сцинтилятор - матеріал, який випромінює світло при збудженні іонізуючим випромінюванням - для виявлення та вимірювання випромінювання.
- Зіверт (Sv)
- Одиниця СІ вимірює пошкодження тканин, спричинених радіацією; враховує енергетичні та біологічні ефекти випромінювання.