Jonizuojantis spinduliavimas

Straipsnis iš OdontologijaWiki.

Ионизирующее излучение

Jonizuojančio spinduliavimo pavojaus simbolis

Alfa-dalelės yra helio atomų branduoliai, kurie gali būti sustabdyti plono popieriaus lapo, beta-dalelės yra elektronų srautas, kuriam sustabdyti pakanka aliuminio lakšto, gamma-spinduliai yra fotonų srautas, galintis patekti giliai į audinius, ir jam sustabdyti reikia storo švino sluoksnio

Jonizuojantis spinduliavimas plačiąja prasme reiškia bet kurią spinduliavimo rūšį, kuri gali jonizuoti medžiagą. Siauresne prasme jonizuojančiu spinduliavimas yra trumpabangis elektromagnetinis spinduliavimas (rentgeno ir gamma spinduliai), įkrautų dalelių (protonų, beta-dalelių, alfa-dalelių) arba neutronų srautas. Tam tikrais atvejais jonizuojančiais gali būti ultravioletiniai ir regimieji spinduliai.

Jonizuojantys spinduliai ardo molekules ir atomus, ko pasekoje atsiranda laisvi radikalai.

Jonizuojančio spinduliavimo rūšys

Alfa-dalelės yra helio atomų branduoliai, kurie pasižymi didžiausiom jonizuojančiom savybėm. Šių dalelių srautas yra labai mažai skvarbus, jam sustabdyti pakanka plono popieriaus lapo (Pav. Alfa-dalelės yra helio atomų branduoliai ...). Beta-spinduliavimas, kuri sudaro elektronų srautas, yra mažiau jonizuojantis, tačiau gerokai skvarbesnis, nei alfa-dalelių srautas. Didžiausiu skvarbumu ir pavojingiausi žmogaus organizmui yra gamma-spinduliai, kuriuos sudaro fotonų srautas. Nors jonizuojanti gamma-spindulių energija yra mažiausia, jie prasiskverbia ten pro storą tankios medžiagos sluoksnį.

Jonizuojančio spinduliavimo sąveika su medžiagom

Jonizuojančių spindulių sąveika su medžiagomis. Apskritimais schemoje pažymėta medžiagos atomų jonizacija, vingiuota rodykle - gamma spindulių išsiskyrimas

Skirtingom dalelėm sąveikaujant su medžiagomis, pasireiškia skirtingi efektai (Pav. Jonizuojančių spindulių sąveika su medžiagom). Stipriai sąveikaujančios su medžiagomis ir tiesiogiai jas jonizuojančios yra alfa- ir beta-dalelės. Dėl stiprios sąveikos su medžiagų atomais, šios jonizuojančių spindulių rūšys sugeba prasiskverbti gana negiliai.

Alfa-dalelės, būdamos didelės masės ir turinčios krūvį, labai stipriai sąveikauja su medžiagos atomais ir beveik iš karto jonizuoja pastaruosius. Beta-dalelės tiesiogiai sąveikauja su medžiaga, ir pasireiškia vadinamasis stabdymo spinduliavimas, kuomet dėl sąveikos su krūvį turinčiomis medžiagos dalelėmis, beta dalelė pamažu netenka greičio, energiją išskirdama gamma spindulių pavidalu. Be viso to, beta dalelėms sąveikaujant su medžiaga, gali atsirasti antriniai elektronai, kurie, savo ruožtu, taip pat sugeba jonizuoti medžiagą.

Gamma spinduliai ir neutronai, neturėdami elektrinio krūvio, kur kas mažiau sąveikauja su medžiaga ir prasiskverbia gerokai giliau. Neutronai, skirtingai nuo krūvį turinčių dalelių, gali be kliūčių patekti į atomo vidų, pasiekti branduolius ir, arba perduoti nedidelį kiekį energijos (10-15%) tokiems organizmo elementams, kaip anglis, azotas ir deguonis, arba susidurti su vandenilio atomais ir netekti apie pusės savo energijos. Pirmu atveju, sugeriant neutronus atomų branduoliams, šie tampa nestabilus ir skyla, išlaisvindami protonus, alfa-daleles ir gamma-kvantus. Susiduriant su vandenilio atomų branduoliais, neutronas perduoda apie pusę savo energijos ir susidaro mažesnės energijos neutronas ir atoveiksmio protonas. Dėl šios priežasties, daug vandenilio atomų turinčios medžiagos, tokios, kaip angliavandeniliai ir vanduo, naudojami apsaugai nuo neutroninio spinduliavimo.

Skirtingos energijos gamma-spindulių sugėrimo tikimybė (p), esant vienai iš sąveikų su medžiaga: 1 - fotoefektas, 2 - Komptono efektas, 3 - porų susidarymas

Elektromagnetinių spindulių sąveikos su medžiaga ypatumai

Medžiagą veikiant gamma-spinduliams, atominiame lygyje gali pasireikšti šie energijos ir dalelių virsmai (Pav. Skirtingos energijos gamma-spindulių sugėrimo tikimybė...):

• Fotoelektrinis efektas. Jo metu į medžiagą patenkančio fotono energija pilnai sugeriama, ir atpalaiduojami laisvi elektronai, turintys tam tikrą kinetinę energiją. Šių elektronų kinetinė energija yra lygi medžiagą paveikusio fotono energijai, iš jos atėmus energiją, reikalingą elektronui palikti atomą. Laisvas elektronas, asocijuodamasis su vienu iš neutralių atomų, duoda neigiamą joną. Fotoelektrinis efektas labiausiai pasireiškia su mažos energijos fotonais, esant energijai virš 1 MeV fotoelektrinio efekto galima nepaisyti dėl jo nereikšmingumo.
• Komptono efektas. Jo metu tik dalis fotonų energijos perduodama laisviems arba nestipriai sujungtiems elektronams, patys fotonai išsklaidomi. Dalinai netekę energijos fotonai gali sukelti antrinį Komptono efektą. Komptono efekto metu elektronai gali gauti gana įvairią energiją, kurią nulemia dalelių srauto energija.
• Porų susidarymas. Sąveikaujant didelės energijos fotonams (virš 1 MeV), gali susidaryti priešingo krūvio dalelių porą: elektronas ir pozitronas.

Jonizuojančiam spinduliavimui veikiant biologinius objektus, vyrauja Komptono efektas.

Jonizuojančių spindulių sugėrimas

Jonizuojantys spinduliai gerokai stipriau sugeriami didelės atominės masės medžiagų, todėl apsaugai naudojami švininiai ekranai. Mažesnės atominės masės medžiagos, tokios kaip aliuminis ir geležis, naudojami mažesnės energijos spindulių sugėrimui, tačiau jie nėra efektyvūs prieš didelės energijos fononų srautą (Jonizuojančių spindulių sugėrimas gyvuose organizmuose).

Jonizuojančių spindulių linijinis energijos perdavimas

Kuo didesnė dalelės masė, tuo mažiau ji nukrypsta nuo pradinės trajektorijos, todėl protonų ir sunkesnių branduolinių dalelių trajektorija beveik tiesi, kai elektonų trajektorija gana chaotiška, dėl sąveikos su medžiagos atomų orbitalių elektronais ir branduoliais. Skrisdama per medžiagą, dalelė atiduoda dalį savo energijos per tam tikrą atstumą toje medžiagoje. Šis dydis, išreikštas KeV/mkm (1 KeV/mkm = 62 J/m), vadinamas linijiniu energijos perdavimu (LEP). Alfa-dalelių LEP lygus apie 0,3 KeV/mkm, rentgeno spindulių su 250 KeV energija - apie 2 KeV/mkm, 14 MeV energijos neutronų LEP lygus 12 KeV/mkm, o sunkių krūvį turinčių branduolinių dalelių - net 100-2000 KeV/mkm.

Krūvį turinčių dalelių LEP didėja, mažėjant jų greičiui, maksimumas pasiekiamas pačioje dalelės kelio pabaigoje. Ši savybė naudojama navikų gydyme, kuomet reikia pasiekti didžiausią energijos atidavimą audinių gilumoje, esant minimaliam paviršiuje. Didesnį krūvį turinčios dalelės energija perduoda gerokai sparčiau, nei mažesnio krūvio dalelės (pvz, alfa-dalelės, priklausomai nuo pradinės jų energijos, ore sudaro apie 40000-100000 jonų porų, kai beta-dalelės - vos 30-300).

Neutroninio spinduliavimo LEP reikšmė yra gana didelė.

Dozimetrija

Radiologijoje naudojamas didelis kiekis matavimo vienetų su tom pačiom dimensijom, tačiau taikomų skirtingose situacijose.

Radioaktyvumo vienetai

Kiuris (Ci) - vieno gramo radžio izotopo ²²⁶Ra skilimo aktyvumas, lygus 3,7x10¹⁰ skilimų per sekundę.

Bekerelis (Bq) - tos pačios dimensijos, kaip ir kiuris, radioaktyvumo matavimo vienetas, lygus vienam radžio izotopo ²²⁶Ra skilimui per sekunde.

1 Bq = 2.70×10⁻¹¹ Ci

1 Ci = 3.7×10¹⁰ Bq

Jonizuojančio spinduliavimo dozės vienetai

Grėjus (Gy) - sugertos (absorbuotos) jonizuojančio spinduliavimo energijos matavimo vienetas, lygus vienam džauliui energijos, sugertos vieno medžiagos kilogramo. Parodo fizinius spinduliavimo sukeltus efektus, kuo skiraisi nuo ziverto.

1 Gy = 1 J/kg.

Zivertas (Sv) - efektyvinės ir ekvivalentinės jonizuojančio spinduliavimo energijos matavimo vienetas, lygus vienam džauliui energijos, sugertos vieno medžiagos kilogramo. Skirtingai nuo grėjaus, zivertas atspindi biologinius spinduliavimo sukeltus efektus.

1 Sv = 1 J/kg.

Radas (rad), (nuo angl. radiation absorbed dose; sugerta spinduliuotės dozė) - nesisteminis jonizuojančio spinduliavimo dozės vienetas, lygus 0,01 Gy.

1 rad = 0,01 Gy.

Remas (rem), (nuo angl. roentgen equivalent in man; biologinis rentgeno ekvivalentas) - nesisteminis jonizuojančio spinduliavimo dozės vientetas, lygus 0,01 Sv.

1 rem = 0,01 Sv.

Grėjus ir zivertas yra gana dideli vienetai, todėl medicinoje paprastai naudojami mkGy/mkSv ir mGy/mSv.

Rentgenas (R) yra jonizuojančio spinduliavimo ore matavimo vienetas, atspindintis jonizuojančių spindulių kiekį, kuris reikalingas sudaryti apie 2,08x10⁹ porų jonų viename kvadratiniame centimetre oro, esant normaliom sąlygom. Naudojant atitinkamas formules, galima suskaičiuoti, jog 1 R = 0,0093 Gy (1 Gy = 107 R).

Fizinių ir biologinių efektų sąsaja

1 J/kg energija pakeltų 1 gramo minkštųjų audinių (arba vandens) temperatūrą vos per 0,24 laipsnio, tačiau šios energijos pakanka sukelti itin didelius pokyčius žmogaus organizme arba net būti mirtina. Manoma, kad toks didelis žalojantis gana nedidelės energijos poveikis susijęs su tuo, kad natūralių jonizuojančių spindulių šaltinių energija yra daugmaž pastovi, ir kinta įvairiose Žemės vietovėse vos 10-100 kartų, kai kitų fizikinių poveikių, tokių, kaip šviesa, garsas bei temperatūra, energija kinta iki 100 milijonų kartų. Dėl šios priežasties, žmogaus organizmas nėra adaptavęsis prie didelių jonizuojančio spinduliavimo intensyvumo kitimų.

Kaip jau buvo minėta, absorbuota dozė, išreikšta grėjais, atspindi fizinius jonizuojančio spinduliavimo efektus. Norint įvertinti biologinius to spinduliavimo sukeltus efektus, reikia žinoti ekvivalentinę dozę, gautą organizmo, atskiro organo ar audinio. Ši dozė išreiškiama zivertais, ir siejama su absorbuota doze šia lygtimi:

Ekvivalentinė dozė (Sv) = absorbuota dozė (Gy) x N x Q

N - daugiklis, priklausantis nuo audinių tipo. Šis daugiklis didžiausias gonadoms (0,2), mažiausias odai ir kaulų paviršiui (0,01), kitų audinių rodiklis yra tarp 0,05 ir 0,12

Q - jonizuojančių dalelių rūšis. Elektronams ir fotonams šis daugiklis lygus 1, alfa dalelėms ir kitų atomų branduoliams - 20, neutronams ir protonams - nuo 5 iki 20.

Jonizuojančių spindulių poveikis gyviems organizmams

Plačiau: Jonizuojančių spindulių poveikis gyviems organizmams

Norint jonizuoti vandenilio atomą (dėl ko ir įvyksta biologiniai pokyčiai gyvuose organizmuose), reikia apie 1312 kJ/mol (13,6 eV/mol) energijos. Jonizuojančių spindulių fizinis efektas gyviems organizmams yra gerokai mažesnis, negu biologinis. Žemesnieji organizmai yra gerokai atsparesni jonizuojantiems spinduliams, tačiau mažiau diferencijuotos ląstelės pasižymi gerokai didesniu jautrumu. Atskiroms organizmų rūšims ar tipams bei organizmų audiniams yra nustatyti tam tikri kooficientai, kurių pagalba galima susieti fizinį jonizuojančių spindulių efektą su biologiniu