Радиобиология как наука и направления ее развития

5) Перенесение ионизирующих частиц (флюэнс) Ф_p. Отношение числа ионизирующих частиц, проникающих в элементарную сферу площади центрального сечения этой сферы. Ф_p=dN/dS, м^-2

6) Ф_r Перенесение или флюэнс энергии ионизирующего излучения, проникающей в элементарную  сферу к площади элементарного сечения этой сферы Ф_r=dE/dS, Дж/м²

7) φ_р - Плотность потока ионизирующих частиц. Отношение потока ионизирующих частиц, которые проникают в элементарную сферу к площади центрального сечения сферы. φ_р=dФ_p/dS, с^-1 *м^-2

8) φ_r - Плотность потока ионизирующего излучения. Отношение потока энергии ионизирующего излучения, проникающего в элементарную сферу к площади ее элементарного сечения φ_r= dIr/ds, Вт/м²

Дозные (дозиметрические) величины и единицы измерения  доз

Для количественной оценки действия ионизирующего излучения на облучаемый объект в радиационной дозиметрии введено понятие доза. Различают экспозиционную, поглощенную, эквивалентную и эффективную дозы.

1)Экспозиционная доза (D_exp) – доза фотонного излучения, которая используется для характеристики доз поглощения по эффекту ионизации, вызываемому в воздухе; СИ 1Кл/кг. Это доза при которой на счет ионизации молекул воздуха (сухого атмосферного при t=0°С, 760 мм.рт.ст) массой 1 кг возникают ионы, несущие электрический заряд в один кулон каждого знака. На практике часто используется 1Р (рентген) – это такая доза фотонного излучения, при которой в одном кубическом сантиметре воздуха в процессе ионизации образуются 2,08*10⁹ пар ионов каждого знака. Мощность экспозиционной дозы – отношение прироста экспозиционной дозы за интервал времени dt. P_exp= dD_exp\dt; Кл\кг*с, внесистемная – Р/(ед.времени).

2)Поглощенная доза (D_abs) – является наиболее удобной характеристикой излучения, которая определяет степень его воздействия на организм. Представляет количество энергии ионизирующего излучения поглощенной единицей массы облучаемого объекта; СИ 1Гр=1Дж/кг (Грей). Часто применяются и внесистемные единицы это, 1 Рад= 10^-2 Гр. 1Гр=100 рад. Между экспозиционной и поглощенной дозой есть линейная зависимость D_exp=K_exp*D_abs. К – коэффициент пропорциональности, принимающий значение в зависимости от единиц измерения: СИ К=34 Кл/Дж.внесистемные К=0,876 Р/рад. Мощность поглощенной дозы P_abs=dD_abs/dt, Гр/с.

3)Эквивалентная доза (D_eq) характеризует биологическое действие с учетом плотности ионизации излучений различных типов, так при облучении биологических объектов ионизирующими излучениями различных типов при одинаковой поглощенной дозе проявление радиобиологических реакций существенно отличается. Это обусловлено тем, что на единице пути в биологической ткани более тяжелая частица производит больше ионов, чем легкая. (например электрон). При одной и той же поглощенной дозе (D_abs) радиобиологический разрушительный эффект тем выше, чем плотнее ионизация создаваемая излучением. Введение понятия «качества излучения», под которым подразумевается его биологическая эффективность. Чтобы учесть этот эффект и введена эквивалентная доза, она определена следующим соотношением: D_eq=K_eq*D_abs.

K_eq- коэфф. пропорциональности (коэфф. относительной биологической эффективности). Приводится во всех справочниках по радиационной дозиметрии. Единицы измерения: СИ 1Зв (Зиверт). Величина в один Зиверт равна эквивалентной дозе любого излучения, поглощенной 1кг биологической ткани и создающей такой же биологический эффект как и D_abs в 1Гр. Внесистемная единица 1бэр=10^-2Зв, 1Зв=100бэр.

4)Эффективно-эквивалентная доза (D_ef,eq) Используется для характеристики биологического действия излучений с учетом типа излучения и видом облучаемой ткани или органа. Следует сказать, что различные части организма по-разному чувствительны к действию радиации. Для характеристики эффекта на различные части организма при поглощении одинаковой дозы введен коэффициент радиационного риска K_ef , безразмерный показатель, который характеризует вклад каждого органа или тканей в формирование радиобиологической реакции организма в целом. Поглощенная доза D_abs, в которой учтена поправка на облученную ткань называется эффективной D_ef.

Если  в вычислении дозы учесть коэффициент с поправкой на тип излучения K_ef и на вид облучаемой ткани K_eq, получается значение эффективно-эквивалентной дозы:

D_ef,eq=K_ef*K_eq*D_abs [Зв]

Для определения суммарного эффекта нужно сложить все  дозы по всем органам и тканям. Для  избежания негативных влияний на здоровье введены нормативы дозных нагрузок для людей. Наиболее часто используют следующие величины: D_eq.0 – результат суммации эквивалентных доз, полученных человеком за период жизни. Эта величина интеграл по времени от мощности эквивалентной дозы D_eq0= . Эта величина определяется, если не указан интервал времени – 50 лет для взрослых и 70 лет для детей. Ожидаемая эффективная доза: D_ef.0= .

Для определения дозы используются различные физические и химические методы – ионизационный, калориметрический, люминесцентный, сцинтилляционный, а также приборы – рентгенометры, дозиметры и радиоспектрометры.

(НЕ ИСПРАВЛЕНО!) Передача энергии излучения биологическому  веществу

Гамма фотоны и заряженные частицы с повышенной кинетической энергией передают её при взаимодействии с атомами и молекулами вещества в форме ионизации и возбуждения. В радиобиологии выполняется общий принцип Гроттуса, согласно которому только та часть энергии излучения может вызывать изменение в веществе, которая поглощается этим веществом. Энергия же отраженного или же проходящего сквозь вещество излучения не оказывает действие. При прохождении ионизирующих излучений веществе выделение энергии происходит лишь в отдельных редко расположенных микрообъемах так как обмен энергии между излучением и атомами поглотителя вещества носят дискретный вероятностный характер и поэтому во многих облученных областях  вообще не передает энергию веществу. Передача энергии ионизирующего излучения веществу происходит при условии если уровень энергии будет равен или превышать ионизационного потенциала (энергия затрачиваема на отрыв электрона от атома) Основной величиной характеризующей передачу энергии излучения атомам и молекулам вещества является  линейная передача энергии (ЛПЭ), эта величина показывает какое количество энергии передана веществу ( атомам и молекулам) на единицу длины трека dЕ/dx. В системе СИ измеряется 1 Дж/м., внесистемной 1эВ/нм. Существенно зависит как от вида энергии фотонов или частиц так и типов ионизирующий излучений. Электроны с низкой энергией – равной или меньше равной 1 КэВ имеют очень короткий пробег в биологической среде. И по этому их коллективное воздействие сопровождается узко локализованным поглощением энергии возле места расположения атомов радиоактивного распада. Если излучатель таких электронов находится за пределами ядра клетки, то эффекты сравнительно не велики если же распад радио нуклидов происходит в ядре то эффекты очень сильные. Чем больше ЛПЭ тем выше плотность расположения ионов вдоль трека в веществе. Из этого возникли понятия о рассеянном и плотном ионизирующем излучении. При рассеянном расположении ионов. Значительные микрообъемы вещества не получают как е-то ни было порции энергии и поэтому остаются не поврежденным. При плотно же ионизирующем излучении происходят локальные массовые поражения молекул.

Способы передачи дозы биологическим объектам

Временные характеристики облучения. В основном определяют особенности процессов которые развиваются в следствии облучения. Так если дозу дают в сравнительно короткий промежуток времени в течении которого не успевают измениться физиологическое состоянии организма или клетки. Пролонгированным излучением называют такой способ радиационного влиянии когда объект подвергается влиянию дозы за время которое значительно превышает длительность острого облучения. При этом во время облучения состояние объекта может существенно изменятся. Если объект подвергается действию ионизирующего излучения на протяжении всей жизни то такое облучение называется хроническим. Условно выделяют 4 группы доз облучения:

1. сверх высокие мощности порядка от 10(11) до 10(9) Р\мин. Эффект мощности такой дозы зависит от содержания кислорода в среде
2. Высокой мощности от 10(4) до 10(1)Гр\мин. Когда доза передается за несколько минут. То есть имеет место острое облучение. Эффект мощности такой дозы не выявляется.
3. Низкие мощности от 10(1) до 10(-3) Гр\мин. Когда доза передается на протяжении многих часов или дней. Имеет место пролонгирование и эффект дозы является наибольшим.
4. Очень низкие мощности до 10(-3). Когда передача данной дозы длится недели, месяцы и даже годы. То есть хроническое облучение, эффект такой дозы не проявляется

Источники радиации природного и техногенного происхождения

1. Источники природных радионуклидов
2. Радон как наиболее весомый радионуклид по доз образованию
3. Космическое излучение
4. Антропогенная радиоактивность

   На протяжении все истории развития биосферы на организмы нашей планеты постоянно действовало, и продолжает действовать ионизирующее излучение. Природным источникам излучения относятся – распространенные в природе радиоактивные элементы и изотопы ядра которых в процессе радиоактивного распада включая частицы фотонов. Космические лучи, которые проникают через атмосферу поверхности земли. Ультрафиолетовые лучи, которые являются составной частью светового излучения приходящего от солнца.

    В обычных  условиях жизни любой организм  наибольшую дозу облучения получают  от природных источников, то есть  от природных радиоактивных элементов.  В земной коре выявлено 340 изотопов химических элементов которые имеют радиоактивные ядра. Все элементы с атомным номеров выше 80 являются радиоактивным. Выделяют 3 группы радионуклидов которые содержатся в земной коре:

1) Радиоактивные элементы  возникновение которых обусловлено  ядерными реакциями заряженными частицами космических лучей. Космогенные природные радионуклидов

2) Радионуклиды происхождение  которых не связанно с тяжелыми  радиоактивными элементами. Группа  одиночные природные радио нуклиды. 

3)  Радиоактивные элементы  которые входят в радиоактивные семейства. Космогенные радио нуклиды возникают в следствии ядерных реакций. Между ядрами элементов земного происхождения и частицами космических лучей.

   Поскольку в  земной коре космические лучи  поглощаются то большинство этих  природных радио нуклидов содержится в атмосфере и в верхних слоях земной коры. Тритий и радио углерод постоянно образуются в результате ядерной реакции которые вызванные действием нейтронов на изотоп азота (14)Н Содержание этих радионуклидов постоянно поддерживается и скорость их синтеза составляет для трития 0.35 а для радиоуглерода 0.3. К одиночным природным радио нуклидам относят достаточно много различных элементов с массовым числом от 40 до 190. большинство этих элементов имеют по несколько изотопов. Наибольшее значение как источник ионизирующего излучения имеет калий. Период полу распада у него очень большой. И составляет 1.26 миллиарда лет. Удельная радиоактивность природного калия очень высокая и его содержание в любых живых клетках всегда очень значительна поскольку он относится к макро элементам.

   Семейство тяжелых  радиоактивных элементов. Тяжелые  отличаются от одиночных радионуклидов  тем что они связанны между  собой как продукты последовательных  радиоактивных превращений в  трех группах элементов которые получили название радиоактивных семейств. Практическое значение имеют три радиоактивные симейства  ураны радия родоначальником который является  уран 238, актино урана уран 235, семейство тория торий 232. Природные радиоактивные вещества сконцентрированы в гранитных породах гор, радиоактивность известковых и песчаных выше при чем удельная радиоактивность выше если в ней содержится больше глинистых частиц или чернозема. Средний уровень мощности дозы излучения на высоте одного метра над поверхностью известняка равен 1.02. В биосфере природные тяжелые радиоактивные элементы содержатся в любых природных материалах в рассеянном состоянии. Так уран очень распространненый в земной коре и содержится в любых породах и почвах. Он образовывает с минералами рудные месторождения в Украине очень много содержится в удобрениях. При длительных использовании фосфорных удобрений увеличивается концентрация радиоизотопов в землях а поэтому постепенно возникает накопление некоторых радиоизотов в продукции растениеводства. Уран относится к водным мигрантам. Попав с продуктами питания в организм он откладывается в костях там его содержание составляет где-то 80% от содержания во всем организм. Торий так же является водным мигрантом и так же образует рудные месторождения. Радий 226 выявляется в любых гонных породах, почвах и природных водах. По своим свойствам он подобен кальцию поэтому он участвует в минеральном питании растений и это обуславливает наличие радия радия в продуктах питания человека. В грунтовых водах содержание радия 226 при определенных геотермических условиях а так же продуктах его распада прежде всего радона. Может возрастать. И такие воды называют радоновыми. Их используют в целебных целях. Для всего населения нашей планеты получаются за счет радиоактивного газа радона 222. Радон это инертный газ без цвета  и запаха в 7.5 раз тяжелее воздуха и хорошо растворим в воде так же хорошо растворяется в крови и лимфе и поэтому единицы объема тела человека его содержание составляет приблизетльно 50% от содержания в окружающей среде. В органы дыхания за сутки попадает около 20 миллионов атомов радона. Воздействуют на верхние дыхательные пути при радиоактивном распаде радона альфа частицы облучают эпителий бронхов то есть происходит ионизация и возбуждения атомов клеток эпителия. У рабочих горных рудников где концентрация радона очень высокая там он вызывает рак легких. Разносится по всему организму и концентрируется в гипофизе и надпочечниках. Следует отметить что концентрация родона в домашних помешщниях выше чем снаружи. Гравий, глина, песок  всегда содержит соединения урана и тория. И поэтому строительные материалы всегда являются источником радиации. Радиация в деревянных домах достигает 0.1 а вот в кирпичных 1.5. Причина возрастания радона внутри помещения  не только строительных материал но так же и грунт под зданием. Для уменьшения родонового излучения используют специальные покрытия для полов а так же вентиляция в течении 2-3 часов снижает содержание радона в 3-4 раза. Часть радона накапливается из природного газа и воды. При кипячении воды большая часть радона улетучивается но даже поступивший с некипяченой водой радон при питье быстро выводится из организма чем радон переводный из воды в воздух. Наибольшая опасность облучения в квартире это под душем. Поэтому нужна хорошая вентиляция.

   При одних и  тех же концентрациях радио  нуклидов внутреннее облучение  радионуклидов путем вдыхания  частиц во много раз более  опаснее внешних  облучение  определяется временем пребывания  источника в организме. И такие  опасные радионуклиды радий 256, плутоний 239 из организма не выводится и облучение таким образом длится всю жизнь.

   Космическое излучени, каждую секунду на площадку  в 1 м(2) через границу атмосферы  влетает из космоса более 10к  заряженных частиц которые движутся  со скоростью света они называются космическими лучами их происхождение в основном связанно со взрывами звезд нашей и других галактик. Космическое излучение имеет 3 источника:

1. Галактическая радиация которая идет к нам из раёна космоса расположена вне нашей солнечной системы.
2. Радиация которая создается заряженными частицами циркулирующими вокруг земли.
3. Непредвиденные мощные потоки радиации которые идут к нам от солнца.

Космические лучи разделяют  на первичное космическое излучение  которое преобладает на высоко 20-30 км над уровнем моря.  И вторичная которая свойственна малым высотам. Первичная состоит преймущественно из протонов (водород – 92%) альфа частиц ( гелия – 7%) и на долю нейтронов и быстрых ядер легких элементов приходится около 1%. Средняя энергия этих лучей очень высокая и приблизительно составляет 10 гига электрон вольт. Вторичное космическое излучение возникает в следствии взаимодействия первичных лучей с атомами веществ атмосферы и тропосферы при этом происходит расщепление атомных ядер. И образуется вторичные космические лучи в состав которых входит электроны, позийтронны, гамма фотоны и так же мезоны. Высокая проникающая способность космических лучец связанна с Пи мезонами. Возле поверхности земли интенсивность космических лучей очень маленькая. Так плотность их энергии составляет 1 эВ в см(3). Специалистами установлено что сила магнитного поля земли уменьшилась на 10%. Возможно исчезнет где-то через 1.5-2 к лет.

   Радиация дополняется  антропогенной радио активностью,  тоесть обусловленная деятельностью  человека. Искусственной, которая связанная с военной и мирным использованием атомной энергетики на эту долю приходится всего 2-3%. Стали применятся источники ионизирующих излучений в медецине для диагностики и излучения далее при испытаниях ядерного оружия. Промышленных процессах в научных исследованиях а так же атомных энергетиках. Таким образом, жизнь на земле сегодня существует и развивается под воздействием технологически измененного радиационного фона. Искусственные источники радиации которым может подвергается человек ИПДД – эта доза подсчитана из того что человек в среднем получает получает в год 2.4 мзв\год (мили зиверта). = 186 миливерта в год. Согласно положениям которое утверженны международными организациями по радиоационой защите для здоровья человека вредна доза свыше 35 бре (350 мЗВ). Максимальное годовое облучение с учетом естественных источников не должно превышать для человека 5=мЗВ\год. Согласно требованиям международного комитета по радиационной защите и всемирной организацией здравоохранения. Радиационных уровень соответствующий естественному фону от 01. до 0.2 мЗБ\час (10-20 микро рентген в час) призвано считать нормальным. .Уровень от 0.2 – 0.6 считается допустимым. А уровень от 0.6 до 1.2 с учетом эффекта экранирования (коэффициент экранирования для каменных зданий равен 10 а для деревянных 2) считается повышенным. Средняя мощность радиации у телевизора от 40-50.