Ионизирующим излучением называют потоки частиц и электромагнитных квантов, в результате воздействия которых на среду образуются разнозаряженные ионы.
Различные виды излучений сопровождаются высвобождением определенного количества энергии и обладают разной проникающей способностью, поэтому они оказывают неодинаковое воздействие на организм. Наибольшую опасность для человека представляют радиоактивные излучения, такие как у-, рентгеновское, нейтронное, а- и в-излучения.
Рентгеновское и у-излучения представляют собой потоки квантовой энергии. Гамма-излучение обладает более короткими длинами волн по сравнению с рентгеновским. По своей природе и свойствам эти излучения мало отличаются друг от друга, обладают большой проникающей способностью, прямолинейностью распространения и свойством создавать вторичное и рассеянное излучение в средах, через которые проходят. Однако если рентгеновские лучи обычно получают с помощью электронного аппарата, то у-лучи испускаются нестабильными или радиоактивными изотопами.
Остальные типы ионизирующего излучения представляют собой быстродвижущиеся частицы вещества (атома), одни из которых несут электрический заряд, другие — нет.
Нейтроны — единственные незаряженные частицы, образующиеся при любом радиоактивном преобразовании, с массой, равной массе протона. Поскольку эти частицы электронейтральны, они глубоко проникают в любое вещество, включая и живые ткани. Нейтроны представляют собой основные частицы, из которых построены ядра атомов.
При прохождении через вещество они взаимодействуют только с ядрами атомов, передают им часть своей энергии, а сами изменяют направление своего движения. Ядра атомов "выскакивают" из электронной оболочки и, проходя через вещество, производят ионизацию.
Электроны — легкие отрицательно заряженные частицы, существующие во всех стабильных атомах. Электроны очень часто используются во время радиоактивного распада вещества, и тогда их называют в-частицами. Их можно получать и в лабораторных условиях. Энергия, теряемая электронами при прохождении через вещество, расходуется на возбуждение и ионизацию, а также на образование тормозного излучения.
Альфа-частицы — ядра атомов гелия, лишенные орбитальных электронов и состоящие из двух протонов и двух нейтронов, сцепленных вместе. Имеют положительный заряд, относительно тяжелы, по мере прохождения через вещество производят ионизацию вещества большой плотности. Обычно а-частицы испускаются при радиоактивном распаде естественных тяжелых элементов (радий, торий, уран, полоний и др.).
Заряженные частицы (электроны и ядра атомов гелия), проходя через вещество, взаимодействуют с электронами атомов, теряя при этом 35 и 34 эВ соответственно. При этом одна половина энергии расходуется на ионизацию (отрыв электрона от атома), а другая — на возбуждение атомов и молекул среды (перевод электрона на более удаленную от ядра оболочку).
Число ионизированных и возбужденных атомов, образуемых а-частицей на единице длины пути в среде, в сотни раз больше, чем у р-частицы (табл. 5.1).
Таблица 5.1. Пробег а- и в-частиц различной энергии в мышечной ткани
| Энергия частиц, МэВ | Пробег, мкм | Энергия частиц, МэВ | Пробег, мкм | Энергия частиц, МэВ | Пробег, мкм | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| а | Р | а | Р | а | Р | |||
| 0,1 | — | 110 | 1.0 | 3,0 | 3500 | 3,0 | 15 | 12500 |
| 0,3 | — | 700 | 1.2 | 4,0 | 4300 | 3,5 | 20 | 14500 |
| 0,5 | — | 1400 | 2.0 | 10 | 8000 | 5,0 | 50 | — |
| 0,6 | — | 1700 |
|
|
|
|
|
|
Это обусловлено тем, что масса а-частицы примерно в 7000 раз больше массы в-частицы, следовательно, при одной и той же энергии ее скорость значительно меньше, чем у в-частицы.
Испускаемые при радиоактивном распаде а-частицы обладают скоростью примерно 20 тыс. км/с, в то время как скорость в-частиц близка к скорости света и составляет 200…270 тыс. км/с. Очевидно, что чем меньше скорость частицы, тем больше вероятность ее взаимодействия с атомами среды, а следовательно, больше и потери энергии на единице пути в среде — значит, меньше пробег. Из табл. 5.1 следует, что пробег а-частиц в мышечной ткани в 1000 раз меньше пробега в-частиц той же энергии.
Когда ионизирующее излучение проходит сквозь живые организмы, оно передает свою энергию биологическим тканям и клеткам неравномерно. В результате, несмотря на небольшое количество поглощенной тканями энергии, некоторые клетки живой материи будут значительно повреждены. Суммарный эффект ионизирующего излучения, локализованного в клетках и тканях, представлен в табл. 5.2.
Таблица 5.2. Биологическое действие ионизирующего излучения
| Характер воздействия | Стадии воздействия | Время | Эффект воздействия |
|---|---|---|---|
| Непосредственное действие излучений | 1 | 10-24 … 10-4 с 1016…108с | Поглощение энергии. Начальные взаимодействия. Рентгеновское и у-излучение, нейтроны Электроны, протоны, а-частицы |
|
| 2 | 10-12… 10-8 с | Физико-химическая стадия. Перенос энергии в виде ионизации на первичной траектории. Ионизованные и электронно-возбужденные молекулы |
|
| 3 | 107…105 с, несколько часов | Химические повреждения. При мое действие. Косвенное действие. Свободные радикалы, образующиеся из воды. Возбуждение молекулы до тепловою равновесия |
| Косвенное действие излучений | 4 | Микросекунды, секунды, минуты, несколько часов | Биомолекулярные повреждении. Изменения молекул белков, нуклеиновых кислот под влиянием процессов обмена |
|
| 5 | Минуты, часы, недели | Ранние биологические и физиологические эффекты. Биохимические повреждения. Гибель клеток, гибель отдельных животных |
|
| 6 | Годы, столетия | Отдаленные биологические эффекты Стойкое нарушение функций. Генетические мутации, действие на потомство. Соматические эффекты: рак, лей коз, сокращение продолжительности жизни, гибель организма |
В основе первичных радиационно-химических изменений молекул могут лежать два механизма: 1) прямое действие, когда данная молекула испытывает изменения (ионизацию, возбуждение) непосредственно при взаимодействии с излучением; 2) косвенное действие, когда молекула непосредственно не поглощает энергию ионизирующего излучения, а получает ее путем передачи от другой молекулы.
Известно, что в биологической ткани 60…70% массы составляет вода. Поэтому рассмотрим различие между прямым и косвенным действием излучения на примере облучения воды.
Допустим, что молекула воды ионизируется заряженной частицей, в результате чего она теряет электрон:
Ионизированная молекула воды реагирует с другой нейтральной молекулой воды, в результате чего образуется высокореактивный радикал гидроксила ОН":
Вырванный электрон также очень быстро передает энергию окружающим молекулам воды, при этом возникает сильно возбужденная молекула воды Н2О*, которая диссоциирует с обра зованием двух радикалов, Н* и ОН*:
Свободные радикалы содержат неспаренные электроны и отличаются чрезвычайно высокой реакционной способностью. Время их жизни в воде не более 10-5 с. За это время они либо рекомбинируют друг с другом, либо реагируют с растворенным субстратом.
В присутствии растворенного в воде кислорода образуются и другие продукты радиолиза: свободный радикал гидропероксида НО2, пероксид водорода Н2О2 и атомный кислород:
НО*2 + НО2 -> Н2О2 +20.
В клетке живого организма ситуация значительно более сложная, чем при облучении воды, особенно в том случае, если поглощающим веществом являются крупные и многокомпонентные биологические молекулы. В этом случае образуются органические радикалы D*, также отличающиеся крайне высокой реакционноспособностью. Располагая большим количеством энергии, они легко могут привести к разрыву химических связей. Именно этот процесс и происходит чаще всего в промежутке между образованием ионных пар и формированием конечных химических продуктов.
Кроме того, биологическое действие усиливается за счет влияния кислорода. Образующийся в результате взаимодействия свободного радикала с кислородом также высокореакционный продукт DО2* (D* + О2 -> DО2*) приводит к образованию новых молекул в облучаемой системе.
Получающиеся в процессе радиолиза воды свободные радикалы и молекулы окислителя, обладая высокой химической активностью, вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментов и других структурных элементов биологической ткани, что приводит к изменению биологических процессов в организме. В результате нарушаются обменные процессы, подавляется активность ферментных систем, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму, — токсины. Это приводит к нарушению жизнедеятельности отдельных систем или организма в целом.
Индуцированные свободными радикалами химические реакции вовлекают в этот процесс многие сотни и тысячи молекул, не затронутых излучением. В этом состоит специфика действия ионизирующего излучения на биологические объекты. Никакой другой вид энергии (тепловой, электрической и др.), поглощенной биологическим объектом в том же количестве, не приводит к таким изменениям, какие вызывает ионизирующее излучение.
Нежелательные радиационные эффекты воздействия облучения на организм человека условно делятся на соматические (soma — по-гречески "тело") и генетические (наследственные). Соматические эффекты проявляются непосредственно у самого облученного, а генетические — у его потомства.