2. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ РАДІОБІОЛОГІЇ

1. Будова атому. Ізотопи

Атом – найменша частинка хімічного елементу, котра зберігає його властивості. Атом складається з позитивно зарядженого ядра і негативно заряджених електронів, які обертаються по орбітах навколо нього. Електрон – найлегша  елементарна частинка речовини, яка несе негативний електричний заряд найменш можливої величини, що дорівнює 1,6×10^–19. Абсолютна маса електрону складає 9,1×10^–28 г. Згідно принципу еквівалентності А. Ейнштейна (Е=mc², де E – енергія, m – маса і с – швидкість світла) маса електрону  може бути виражена через енергію.

Енергетичний еквівалент електрону дорівнює заряду ядра, і тому в цілому атом є електрично-нейтральним.

Електрони, що обертаються навколо ядра, мають певну для кожної орбіти енергію. При переході з однієї орбіти на іншу енергія електрону змінюється стрибкоподібно, внаслідок чого при переході на орбіту з меншою енергією (більш віддалену від ядра) він випускає енергію, а при переходу на орбіту з більшою енергією (більш близьку) поглинає електромагнітне випромінювання у вигляді фотонів. Другий процес, який супроводжується  збільшенням енергії, називається збудженням електрону. Тому класичне уявлення про електронну орбіту в атомі як певного кола втрачає сенс, так як виявляється, що електрони, яким властиві хвильові властивості, ніби розмазані у просторі і один електрон може перебувати на різній віддалі від ядра. Стало прийнятим говорити про так звану „електронну хмару” в атомі, маючи при цьому саме місце знаходження електрону.

Радіус атому складає біля 10^–8 см, а ядра – лише 10^–12–10^–13 см. Але у ядрі зосереджено до 99,8% маси атому. Воно складається з нуклонів – протонів і нейтронів.

Протон – це елементарна частинка, яка має однаковий з електроном електричний заряд, але позитивний. Маса протону у 1836 разів більша за масу електрону, тобто складає 1,67^.10^–24 г. Протон – це ядро самого простого за фізичною будовою елемента – атому водню, позитивний заряд котрого нейтралізується негативним зарядом одного тільки електрону.

Нейтрон – електрично-нейтральна частинка масою, що дорівнює масі протону. У зв’язку з тим, що нейтрон не має заряду, він не взаємодіє з електрично-зарядженими частинками, не відхиляється в магнітному полі. Тому проникаюча здатність нейтрону у речовину досить значна.

Вважається, що і протон, і нейтрон є одними й тими ж частинками, тільки такими, що знаходяться у різних „зарядових” станах, котрі за певних умов можуть переходити одна в одну.

Атомне ядро включає у себе також багато інших елементарних частинок, в тому числі електрони, позитрони, нейтрино, антинейтрино, мезони.

З радіобіологічної точки зору, крім електронів, з них, як можливий тип іонізуючих випромінювань, цікавість являють позитрони. Позитрон – частинка, ідентична за своїми властивостями електрону, але така, що має еквівалентний позитивний заряд.

Не дивлячись на те, що ці частинки нібито додатково, крім нуклонів, входять до складу ядра, маса ядра у вільному стані менша за суму мас його протонів і нейтронів. Це не зовсім зрозуміле поняття із звичайної точки зору одержало назву дефект маси. Воно пояснюється тим, що при поєднанні нуклонів у атомне ядро частина маси не щезає безслідно, а уноситься з випромінюванням, що випускається при виникненні такої системи.

Щільність ядра надзвичайно велика, досягаючи величезних, котрі важко уявити, значень – 2¹⁴ г/см³, або 200 млн. т/см³.

Атоми  з однаковою кількістю протонів, але різною кількістю нуклонів (а, відповідно, різною масою) називають ізотопами.

Існують атоми із стійкими – стабільними і нестійкими – радіоактивними ядрами. У ізотопів елементів, що розташовані у періодичній системі елементів після вісмуту, тобто починаючи з елементу полонію з порядковім номером 84, всі ядра атомів радіоактивні.

У цьому розділі і протягом усієї книги будуть вживатися такі поняття: радіоактивний ізотоп, радіоактивний елемент, радіоактивна речовина і радіонуклід. Між ними багато спільного, проте їх треба розрізняти.

Радіоактивний ізотоп, або радіоізотоп, – це нестійкий ізотоп, що розпадається. Так, елемент калій складається з трьох ізотопів – ³⁹К, ⁴⁰К і ⁴¹К. Перший і третій з них – стійкі, стабільні, а ⁴⁰К – нестійкий, радіоактивний. Терміни „ізотоп”, „радіоактивний ізотоп” використовується звичайно тоді, коли говориться про атоми одного і того ж елементу.

Радіоактивний елемент – це хімічний елемент, всі ізотопи якого радіоактивні. Наприклад, природний уран, який складається з трьох радіоактивних ізотопів – ²³⁴U, ²³⁵U і ²³⁸U, а також торій, полоній, плутоній, америцій та інші, у склад яких входять виключно радіоактивні ізотопи.

Радіоактивна речовина – це речовина, до складу якої входить радіоактивний ізотоп. При цьому слід розуміти тільки хімічні сполучення атомів елементів, до складу котрих входять радіоактивні ізотопи. Наприклад, ³H₂O, ⁴⁰КСl, K₂³⁵SO₄,²³⁵UO₂, ⁹⁰SrSO₄, ¹³⁷CsNO₃.

Нукліди – це загальна назва атомів, що відрізняються кількістю нуклонів у ядрі або при однаковій кількості нуклонів містять різну кількість протонів чи нейтронів. Радіонуклід, або радіоактивний нуклід, – це нестійкий, такий, що розпадається, нуклід. Термін „радіонуклід” звичайно застосовують для визначення атомів радіоактивних речовин, так як радіоактивні ізотопи, як правило, бувають у складі сполук і дуже рідко у вільному стані. Так, говорять про радіонукліди ⁸⁹Sr і ⁹⁰Sr, ¹³⁴Сs і ¹³⁷Сs, ¹³¹І і ¹³²І  і т.д. В принципі поняття „радіонуклід” близьке поняттю „радіоізотоп”.

Що ж таке радіоактивність, зумовлена нестійкість атомних ядер?

2. Явище радіоактивності. Закон радіоактивного розпаду

Нуклони утримуються в ядрі за рахунок ядерних сил, природа яких вивчена поки що недостатньо. Вони у тисячі разів сильніші за електромагнітні і діють на невеликих відстанях, що не перевищують діаметру ядра. Згідно вже згаданого принципу еквівалентності А. Ейнштейна, маса ядра менша за сумарну масу нуклонів, що його складають, саме на величину енергії зв’язку між ними.

Атомні ядра більшості ізотопів природних елементів стабільні. Ця стабільність зумовлена балансом протонів і нейтронів у ядрі. Так, в ядрах атомів ізотопів легких елементів співвідношення протонів і нейтронів складає 1:1. Чим далі від початку (водню) розташовується елемент у періодичній системі, тобто чим більшу масу він має, тим більша у ньому кількість нейтронів і в самих важких приблизно у 1,6 разів більша за кількість протонів. Саме вони – понад 70 ізотопів понад 30-ти елементів – нестабільні. Припускається, що вони знаходяться ще у стані формування. Цей процес складається зі всіляких ядерних перетворень, що супроводжуються виділенням ядерних іонізуючих випромінювань.

Ядерні перетворення – це перехід ядер атомів з одного стану в інший з меншою енергією, котрий супроводжується випусканням високо енергетичних частинок і (або) гамма(γ)-квантів.

При поглинанні ядром атому енергії ззовні стабільний ізотоп може перетворюватись в радіоактивний і при наступному розпаді також виділяти елементарні частинки і кванти. Саме тому поряд з природною радіоактивністю виділяють штучну радіоактивність. Натепер відомі біля 1880 штучних радіоактивних ізотопів практично усіх хімічних елементів, одержаних шляхом спеціального їх опромінення (бомбардування) високо енергетичними частинками або у ядерних реакторах.

Таким чином, радіоактивність – це мимовільне або штучне перетворення атомних ядер нестійкого ізотопу хімічного елементу з основного стану в інший ізотоп цього або іншого елемента, котре супроводжується виділенням енергії шляхом випускання елементарних частинок, гамма-квантів або ядер. Такі ядра і відповідні атоми називаються радіоактивними.

У зв’язку тим, що радіоактивне випромінювання є наслідком розпаду радіоактивного ізотопу, воно веде до поступового зменшення чисельності його атомів. Основний закон радіоактивного розпаду стверджує, що за одиницю часу розпадається однакова частка ядер, що є в наявності. Тому кількість ядер радіоактивного ізотопу з часом зменшується згідно експоненціальній залежності, тобто графічно закон радіоактивного розпаду описується експоненціальною кривою.

Для характеристики швидкості розпаду радіоактивних ізотопів на практиці користуються величиною, яка одержала назву періоду піврозпаду. Період піврозпаду – це час, протягом котрого кількість атомів радіоактивного ізотопу зменшується удвічі. Період піврозпаду позначається індексами Т_1/2 або Т_0,5.

Для різних радіоактивних ізотопів періоди піврозпаду складають від часток секунди до мільярдів років. В зв’язку з цим вони діляться на короткоживучі (частки секунди, секунди, хвилини, години, доби), середньоживучі (тижні, місяці, декілька років), довгоживучі (десятки, сотні, тисячі років, десятки і сотні тисяч років) і наддовгоживучі (мільйони і мільярди років).

3. Типи іонізуючих випромінювань: електромагнітне та корпускулярне

Іонізуючі випромінювання усіх природних і штучних джерел діляться на два типи: електромагнітне та корпускулярне.

Електромагнітне іонізуюче випромінювання

Електромагнітне, або фотонне, іонізуюче випромінювання являє собою потік періодичних електричних та магнітних коливань, котрі відрізняються від радіохвиль, інфрачервоного, видимого та ультрафіолетового світла більш короткою довжиною хвилі і, відповідно, більш високою енергією, котрі знаходяться між собою у оберненій залежності. До них в першу чергу належать найбільш використовувані у радіобіологічних дослідженнях і практиці рентгенівське випромінювання, котре штучно одержують у спеціальних генераторах (рентгенівських апаратах), та γ-випромінювання природних і штучних радіоактивних ізотопів. Іноді як самостійний вид виділяють так зване гальмівне випромінювання, яке виникає при проходженні через речовину і гальмуванні (звідки і назва) прискорених заряджених частинок, продуктів поділу ядер урану і плутонію, а також при деяких інших ядерних реакціях. Класичним прикладом гальмівного випромінювання є рентгенівське випромінювання рентгенівської трубки, котре виникає при різкому гальмуванні потоку прискорених до енергій вище 15 кеВ електронів при їх зіткненні з ядрами атомів вольфраму, з котрого виготовляється анод. Фактично, гальмівне випромінювання – це звичайне рентгенівське випромінювання неперервного спектру.

Рентгенівське (Х-)  випромінювання – це електромагнітне випромінювання, що займає спектральну область між γ- та ультрафіолетовим (УФ-)випромінюванням у діапазоні довжин хвиль від 10^–11до 10^–7 м (рис. 2.2). Умовно рентгенівське випромінювання з довжинами хвиль більш 2 ангстрем (2^.10^–10 м) називають м’яким (енергії від декількох десятків до декількох сотень електрон-вольт), а з довжинами хвиль менш 2 ангстрем – жорстким (енергії до сотень тисяч електрон-вольт). Іноді виділяють наджорстке рентгенівське випромінювання з іще більш короткою довжиною хвилі, енергія яких досягає 1 МеВ. Ці назви широко використовуються у прикладній радіобіології, в першу чергу у радіаційній медицині та медичній радіології.

Гамма-(γ-) випромінювання – один з типів іонізуючих випромінювань, що випускається ядрами атомів багатьох як природних (²²⁶Rа), так і штучних (⁶⁰Со, ¹³⁷Сs) радіоактивних ізотопів. Воно являє собою електромагнітне випромінювання з надзвичайно малою довжиною хвилі – 10^–11–10^–12 м і навіть коротше – до 10^–14 м. На шкалі електромагнітних хвиль, що була наведена вище, воно межує з жорстким рентгенівським випромінюванням і, дещо перекриваючи його, займає область найкоротших хвиль. Відповідно, енергія γ-випромінювань вища за енергію рентгенівського випромінювання, досягаючи багатьох мільйонів електрон-вольт.

Корпускулярне іонізуюче випромінювання

Корпускулярне іонізуюче випромінювання являє собою потік частинок (корпускул), які характеризуються на відміну від електромагнітного випромінювання не тільки енергією, але ще масою та електричним зарядом, про які вже згадувалося у першому розділі цієї глави. В залежності від останніх двох властивостей частинки діляться на легкі і важкі, заряджені (позитивно чи негативно) і нейтральні.

Альфа-частинки (α) відносяться до важких частинок, що складаються з двох протонів і двох нейтронів  і мають два елементарних позитивних заряди. Фактично, це ядро атому гелію, яке має саме таку будову.

Бета-частинки (β, е^-) – це потік електронів – найлегших негативно заряджених частинок, що випускаються атомним ядром.

Позитрони (е⁺) – це легкі елементарні частинки, що випускаються ядром, ідентичні за своїми властивостями електронам, але такі, що мають не негативний, а позитивний електричний заряд. На відміну від β-частинки, котру називають ще бета-мінус-частинка, позитрон іменують бета-плюс-частинка.

Протони (р) відносяться до важких позитивно заряджених елементарних частинок і являють собою ядра атомів водню, входячи до складу атомних ядер усіх хімічних елементів. Протон несе однаковий з електроном і позитроном електричний заряд, але має масу в 1836 разів більшу. При поглинанні ядром атому енергії ззовні і наступному розпаді протон всередині ядра може перетворитись у нейтрон. Цей процес супроводжується виникненням позитрону і нейтрино. Остання – це електрично-незаряджена елементарна частинка з масою спокою набагато меншою за електрон.

Нейтрони – це також важкі, але такі, що не мають електричного заряду, тобто нейтральні, елементарні частинки з масою, близькою, практично рівною, масі протону. Нейтрони завдяки відсутності заряду значно у меншій мірі, ніж інші важкі заряджені частинки (α-частинки, протони, дейтрони) підпадають дії електромагнітних сил навколишнього середовища  і тому легко проникають всередину атомів речовини і, досягаючи атомних ядер, поглинаються ними або розсіюються на них. Саме тому при опроміненні речовини нейтронами високих енергій її атомні ядра стають нестійкими і, в наступному розпадаючись, можуть випускати γ-кванти, протони, β- та інші частинки, тобто стають радіоактивними. Це явище одержало назву наведеної радіоактивності і саме на цьому принципі засноване одержання штучних радіоактивних ізотопів.

Нейтрони з енергіями до 10⁵ еВ об’єднують під загальною назвою – повільні нейтрони, які включають і так звані теплові нейтрони з енергіями 5^.10^–3–0,5 еВ. Найбільше практичне значення в радіобіологічних роботах мають швидкі нейтрони з енергіями 10⁵–10⁸ еВ.

Дейтрони (d) – важкі позитивно заряджені частинки. Це – найпростіша в природі ядерна система, яка складається усього з двох частинок – протону і нейтрону. Дейтрони – це ядра атомів ізотопу водню дейтерію, або важкого водню – ²Н.    

4. Типи ядерних перетворень

Хоча на початку цієї глави говорилось про потоки електронів, котрі виникають при дії іонізуючих випромінювань і призводять до різних уражень живої речовини, слід підкреслити, що первинним джерелом випромінювань є ядра атомів, а не їх електронні оболонки. Це цілком очевидно для α-(альфа-) випромінювання, нейтронного, протонного випромінювань, але не є зовсім зрозумілим для β-(бета-)випромінювання, яке є потоком електронів, котрі не входять до складу ядра. Але вони виникають у ядрі у процесі його розпаду при перетворення нейтронів у протни. І α- і β-розпади супроводжуються випромінювання γ-квантів. Саме тому іонізуючі випромінювання ще називають ядерним випромінюванням.

Основними типами ядерних перетворень, або радіоактивного розпаду, є α-розпад, β-розпад (електронний та позитронний), електронне захоплення і внутрішня конверсія.

Альфа(α)-розпад. Цей тип радіоактивного розпаду полягає у випусканні ядром радіоактивного ізотопу частинки, яка являє собою ядро атому гелію, котра включає два протони і два нейтрони – α-частинку. Таким чином, ядро втрачає два протони і два нейтрони і перетворюється у інше ядро, у котрого заряд ядра зменшується на 2, а масове число – на 4. Отже, при α-розпаді, дочірній ізотоп, що виникає, зміщується ліворуч або вгору по періодичній системі елементів, відносно вихідного материнського елементу на дві клітини, тобто перетворюється в ізотоп іншого елемента, відповідно, з меншою атомною масою і електричним зарядом. Наприклад: α-розпад є характерним для переважаючої більшості радіоактивних ядер важких елементів з атомною масою більше 207, тобто починаючи з вісмуту.

Бета(β)-розпад. Виділяють електронний бета-мінус (β^–)- і позитронний бета-плюс (β⁺)-розпади. Якщо нестабільність ядра зумовлена надлишком нейтронів, відбувається електронний β^–-розпад, за якого нейтрон перетворюється в протон, а ядро випускає електрон і антинейтрино. При цьому заряд атому, а, відповідно, атомний номер ізотопу збільшується на одиницю, і дочірній ізотоп зсувається на один номер праворуч від материнського, стаючи ізотопом іншого елемента. Масове ж число залишається тим самим. Типовим прикладом електронного β^–-розпаду є розпад природного радіоактивного ізотопу ⁴⁰К з перетворенням його у стабільний ізотоп ⁴⁰Са, котрий супроводжується γ-випромінюванням.

Якщо нестабільність ядра зумовлена надлишком протонів, то відбувається позитронний β⁺-розпад, за якого випускається позитрон – частинка такої ж маси, що і електрон, але з позитивним електричним зарядом, і нейтрино. При цьому один з протонів перетворюється у нейтрон. Заряд ядра і, відповідно, атомний номер ізотопу зменшується на одиницю, а дочірній ізотоп зсувається ліворуч від материнського, також стаючи ізотопом іншого елементу. Масове число при такому розпаді також залишається без змін. Прикладом β⁺-розпаду може бути перетворення радіоактивного ізотопу фосфору ³⁰Р у стабільний ізотоп кремнію ³⁰Si, котрий складає понад 3% усього кремнію, що є на планеті.

Позитрон, що вилітає з ядра, взаємодіє з електроном атомної оболонки, внаслідок чого виникає пара позитрон-електрон, котра перетворюється у два γ-кванти з енергією 511 000 еВ, або 0,511 МеВ. Цей процес має назву анігіляції (буквально з латині: перетворення у ніщо), а γ-випромінювання, що виникає, називається анігіляційним. Зрештою, при позитронному розпаді за межі атому вилітають не ядерні частинки, а γ-кванти і ізотоп, що перетворюється за β-розпадом, фактично стає джерелом γ-радіації.

Електронне захоплення. Цей тип ядерного перетворення полягає у захопленні протоном електрону з орбіти, як правило, найближчої. При цьому протон перетворюється у нейтрон, а порядковий номер ядра стає на одиницю меншим за порядковий номер материнського ядра, хоча масове число не змінюється. Ізотоп нового елемента займає у періодичній системі місце на одну клітину ліворуч.

Типовим прикладом електронного захоплення є поглинання електрону ядром ⁴⁰К, наслідком котрого є виникнення ⁴⁰Аr.

Надлишок енергії, що вивільнюється при реакції, випромінюється у вигляді γ-радіації.

Таким чином, природній радіоактивний ізотоп ⁴⁰К водночас піддається електронному β- (88%) з утворенням β- та γ-випромінювання і електронному захопленню (12%) з виникненням γ-випромінювання.

Внутрішня конверсія. В результаті тих чи інших перетворень ядро атому переходить у збуджений стан. Повертання до звичайного стану завжди супроводжується або викиданням ядерної частинки, або випромінюванням γ-кванту. Але часто-густо при цьому надлишкова енергія збудження передається електрону однієї з найближчих орбіт. Внаслідок такої передачі електрон може вириватись за межі атому. Це й породжує так зване конверсійне випромінювання, яке по суті являє собою потік електронів. Але на відміну від електронів β-розпаду, які утворюють електрони суцільного енергетичного спектру, конверсійні електрони мають лінійчатий спектр, тобто займають у ньому певні достатньо вузькі діапазони.

Ядерна фізика розглядає і деякі інші типи і різновидності ядерних перетворень. Але у загальній кількості ядерних розпадів їм належить відносно незначна роль.

5. Радіометрія і дозиметрія іонізуючих випромінювань.

Уранова руда та інші користі копалини, мінеральні добрива, створені на їх основі, будівельні матеріали, зрештою, грунт, рослини, тварини, вода, повітря та інші живі і неживі об’єкти навколишнього середовища містять природні радіоактивні ізотопи, а внаслідок радіоактивного забруднення можуть містити певну кількість і штучних радіоактивних ізотопів. Оцінка їх вмісту, тобто рівня радіоактивності, здійснюється за допомогою різних методів радіометрії.

Радіометрія – це сукупність прийомів і методів визначення активності і концентрації радіоактивних ізотопів, а також типів їх випромінювань у джерелах іонізуючої радіації  і пробах об’єктів навколишнього середовища.

Головним завданням радіометрії є кількісна оцінка радіоактивності зразка, тобто визначення числа радіоактивних перетворень атомів, чи атомних розпадів, за одиницю часу.

Радіоактивна речовина або матеріал, що містить її, створює навколо себе певне поле радіоактивності, яке формує дозу опромінення різних об’єктів, в тому числі і живих організмів. Дозиметрія – це оцінка інтенсивності полів іонізуючих випромінювань в об’єктах навколишнього середовища, що утворюються джерелами радіоактивності. Основним завданням дозиметрії в радіобіології є визначення величини дози іонізуючого випромінювання у середовищі і в живому організмі, що утворюється внаслідок його взаємодії з речовинами тканин за певний час як при зовнішній дії, коли джерело радіоактивності знаходиться поза організмом, так і при внутрішньому, коли радіоактивна речовина надходить всередину організму.

6. Одиниці радіоактивності і доз

Виділяють питому, або об’ємну, і поверхневу радіоактивність. Питома радіоактивність – це вміст радіоактивних ізотопів в одиниці маси чи об’єму речовини. Поверхнева радіоактивність – вміст радіоактивних ізотопів на певній площі поверхні.

У системі СІ одиницею радіоактивності є бекерель (українське позначення Бк, міжнародне – Bq). Один бекерель – це один розпад атому радіоактивної речовини протягом однієї секунді – 1 Бк = 1 розп/с. Відповідно, питома радіоактивність оцінюється у Бк/кг, Б/кл, а поверхнева – в Бк/м² чи інших еквівалентних одиницях – кБк/кг, кБк/м² і т.д. 

 Позасистемною одиницею радіоактивності, яка ще широко використовувалась до останнього десятиліття і нерідко згадується і у теперішній час, є кюрі (Кі, Сі). Кюрі – це радіоактивність будь-якої речовини, у котрій відбувається 3,7^.10¹⁰ атомних розпадів протягом секунди, тобто 1 Кі = 3,7^.10¹⁰ Бк. Отже, 1 кюрі відповідає досить великому рівню радіоактивності.

Слід відрізняти енергію іонізуючого випромінювання, що падає на об’єкт, від енергії, що ним поглинається і саме викликає фізичну дію. Тому в радіобіології, як і у ядерній фізиці, виділяють експозиційну, або фізичну, дозу (Dx) і поглинуту дозу (Dp). Але на відміну від ядерної фізики радіобіології, як правило, має справу з дозами, що на багато порядків нижчі.

Експозиційна доза – це рівень іонізації, який формується у повітрі на певній відстані від джерела радіоактивності. Іншими словами, це кількість енергії іонізуючого випромінювання, що падає на об’єкт опромінення. Перша загальноприйнята одиниця експозиційної дози – рентген (Р, R) була визначена як доза, при котрій в 1 см³ повітря виникає така кількість іонів, що їх сумарний заряд дорівнює одній електростатичній одиниці кількості електрики кожного знаку. Як відзначалось на початку глави, дозі 1 Р відповідає виникнення 2,08^.10⁹ пар іонів в 1см³ повітря.

В сучасній системі СІ одиницею експозиційної дозі є кулон на кілограм (Кл/кг, C/kg). 1 Кл/кг = 3876 Р.

Але при оцінці фізичної дії іонізуючого випромінювання на речовину, а особливо біологічної дії, більш важливе значення має кількість енергії, що проходить через об’єкт опромінення, тобто доза, що поглинається ним. Поглинута доза – це сумарна кількість енергії іонізуючого випромінювання, котра поглинається об’єктом опромінення.

У системі СІ одиницею поглинутої дози є грей (Гр, Gy), при котрій речовині масою 1 кг передається 1 Дж енергії іонізуючого випромінювання, тобто 1 Гр – це 1 Дж/кг.

До прийняття системи СІ поглинута доза оцінювалась в одиницях рад (rad – radiation absorbed dose), котра відповідає поглинутій енергії іонізуючого випромінювання, що дорівнює 100 ерг/г. Таким чином, 1 рад = 0,01 Дж/кг, а, відповідно, 1 Гр = 100 рад.

Безперечно, поглинута доза Dp залежить від експозиційної дози Dx. І якщо відома експозиційна доза і коефіцієнт поглинання випромінювання речовиною (f), то поглинуту дозу можна розрахувати за простою формулою: Dp = Dx ^. f. Для електромагнітного випромінювання енергій 0,4–2 МеВ цей коефіцієнт для води та біологічних тканин коливається в межах 0,93–0,97. Це означає, що при рентгенівському чи γ-опроміненні рослин і тварин експозиційній дозі 1 Р відповідає поглинута доза 0,93–0,97 рад, або сантигреї (сГр), тобто практично в умовах помилки дозиметричних приладів 5–15%, що допускається,  при опроміненні живих об’єктів різниці в експозиційній та поглинутій дозах немає.

Але в реальних умовах живі організми водночас піддаються опроміненню різних типів іонізуючої радіації як природних, так і штучних радіоактивних ізотопів, наприклад, γ- (⁴⁰К, ¹³⁷Сs, ²²⁶Rа), β- (⁴⁰К, ⁹⁰Sr), α- (²²²Rn, ²³⁹Рu, ²⁴¹Аm) та інших типів випромінювань, котрі мають різну біологічну ефективність, тобто не однаково діють на живі організми при однаковій дозі. Для оцінювання біологічної дії змішаних, а також не ідентифікованих потоків іонізуючих випромінювань в радіобіології введена спеціальна доза, яка отримала назву еквівалентної. Еквівалентна доза – це доза опромінення живого організму змішаним потоком або невідомим типом іонізуючих випромінювань, котра за своєю біологічною ефективністю дорівнюється до дії поглинутої дози стандартного рентгенівського або γ-випромінювання. Раніше одиницею еквівалентної дози був бер, котрий розшифровувався як біологічний еквівалент рада (часом, враховуючи відзначену близькість абсолютних значень експозиційної та поглинутої доз в живих організмах, бер розшифровується як біологічний еквівалент рентгена). Один бер відповідаю такому опроміненню живого організму потоком іонізуючих випромінювань, при котрому спостерігається така ж ступінь прояву біологічної дії, що й при опроміненні рентгенівським чи γ-випромінюванням в дозі 1 рад (Р).

В системі СІ одиницею еквівалентної дози є зіверт (Зв, Sv ). 1 Зв = 100 бер.

Перераховані позасистемні та системні однинці радіоактивності та доз іонізуючих випромінювань, а також співвідношення між ними наведені в таблиці.

Одиниці радіоактивності і доз іонізуючих випромінювань

7. Зв’язок між радіоактивністю та дозою іонізуючого випромінювання

Одиниці радіоактивності і одиниці доз іонізуючих випромінювань є різними фізичними величинами. Але, безперечно, вони зв’язані між собою, так як саме радіоактивність речовини зумовлює на різних відстанях від неї певні дозові поля. У радіометрії існує свого роду еталон такого зв’язку чи залежності: у стандартних умовах (0⁰С, 760 мм рт. ст.) ізотоп ²²⁶Ra радіоактивністю 1 Кі формує протягом  1 години на відстані 1 м експозиційну дозу у 1 Р.

Відповідно, існує чітка залежність між експозиційною дозою та радіоактивністю джерела випромінювання. Саме ця залежність дозволяє в певних ситуаціях використовувати дозиметри-рентгенометри для оцінювання радіоактивного забруднення різних об’єктів. Так, у період аварії на Чорнобильській АЕС найбільш розповсюджені класичні рентгенометри типу ДП-5, СРП-68 та інші широко використовувались для контролю ступеня радіонуклідного забруднення техніки, будівель, одягу, сільськогосподарської продукції  і навіть продуктів харчування.

Існує певний зв’язок між рівнем радіаційного гамма-фону, тобто потужністю експозиційної дози у середовищі, та щільністю радіонуклідного забруднення поверхні ґрунту. Для різних конкретних умов побудована велика кількість таких залежностей, створених, як правило, на підставі емпіричних оцінок.

Але, звичайно, зв’язок між радіоактивністю джерела та дозою, що формується ним у просторі, залежить від багатьох факторів, більшість з яких у реальних умовах врахувати достатньо оперативно дуже важко, а іноді і неможливо (ізотопний склад джерела радіоактивності і, відповідно, типи випромінювань, фізичний та фізико-хімічний стан джерела та навколишнього середовища (склад, температура, атмосферний тиск, газовий склад атмосфери) та багато інших. Тому усяка оцінка будь-якої дози по радіоактивності і рівня радіоактивності по дозі є тільки орієнтовною і дає лише приблизну уяву про реальну радіаційну ситуацію.

8. Види опромінення

Для характеристики розподілу іонізуючого випромінювання у часі застосовується величина потужності дози, під котрою розуміється кількість енергії випромінювання, що поглинається речовиною за одиницю часу. В залежності від потужності дози розрізняють два основних види опромінення – гостре і пролонговане. Під гострим опроміненням розуміють короткочасне опромінення протягом секунд, хвилин, максимум – декількох годин, коли організм за рахунок великої потужності дози (десятки, сотні грей за хвилину, годину) може отримати велику дозу. Під пролонгованим опроміненням – тривале опромінення протягом багатьох годин, діб, тижнів за низькій потужності дози (частки грей за годину, добу).

Як крайній випадок пролонгованого опромінення слід розглядати хронічне опромінення, за якого формування дози відбувається при її потужностях у декілька сотих і навіть тисячних грея протягом всієї вегетації рослин, усього життя тварини чи людини, або періоду, який складає значну частку онтогенезу.

Однакова за біологічної ефективності доза пролонгованого опромінення, як правило, суттєво перевищує дозу гострого, що визначається ступенем пролонгування, тобто різницею у потужностях доз. Впливають на це і деякі інші фактори, зокрема активність метаболізму, а також інші чинники, від яких вона залежить – температура, вологість, живлення та ін. Так, значення доза хронічного  опромінення однорічних рослин протягом вегетаційного періоду (100–120 днів) у 3–6 разів і більше може перевищувати дозу гострого опромінення при рівному ступеню ураження.

Розрізняють також одноразове і багаторазове (фракціоноване) опромінення. У першому випадку доза одержується за один безперервний акт опромінення. У другому – розділяється на дві і більше частин (фракцій), що перемежуються періодами, протягом яких опромінення не відбувається. Біологічна дія радіації за фракціонованого опромінення суттєво залежить, з одного боку, від кількості фракцій, а з іншого – від тривалості інтервалу між ними. В обох випадках з їх збільшенням вона зменшується, так як у періоди між фракціями дози відбуваються процеси відновлення різних структур і функцій клітин і організму в цілому.

Зменшення ефективності опромінення зі зменшенням потужності дози та за її фракціонування є одним з доказів існування процесів післярадіаційного відновлення.   

Фізичні властивості та характеристики іонізуючих випромінювань визначають радіаційно-хімічні та радіаційно-біохімічні процеси у клітинах і тканинах опромінених організмів, а в підсумку формують певну його реакцію на дію випромінювань – радіобіологічний ефект.

9. Взаємодія електромагнітних та корпускулярних випромінювань з речовиною

Проникаюча здатність іонізуючих випромінювань, тобто глибина проникнення у речовину, залежить з одного боку від їх фізико-хімічних властивостей, а з іншого – від складу і щільності речовини, що опромінюється. Вона мінімальна у матеріалах, які мають високу щільність, подібних до бетону, сталі, свинцю, і котрі звичайно і застосовують для захисту від випромінювань, і максимальна у повітрі та інших газових середовищах.

Проникаючи у речовину, іонізуючі випромінювання вступають у взаємодію з його атомами та молекулами. При цьому основна частка енергії витрачається на іонізацію атомів та збудження їх електронів, перетворюючись у кінетичну енергію вторинних електронів оболонок атомів.

Електромагнітні випромінювання проникають у речовину, в тому числі і у живу тканину, дуже глибоко. Більш того, якою б щільною не була речовина, якою б не була її товщина, теоретично поглинути їх фотони повністю неможливо. Їх можна тільки послабити. І у ядерній фізиці, а, відповідно, і в радіобіології  існує поняття лінійного коефіцієнту послаблення електромагнітного випромінювання, котрий являє собою величину відносного його зменшення після проходження через шар речовини товщиною в 1 см. 

Основні процеси, що відбуваються при взаємодії електромагнітних іонізуючих випромінювань з речовиною, - це фотоелектричний ефект (фотоефект), комптонівське розсіяння (ефект Компотна, або комптон-ефект) та утворення пар електрон-позитрон.

При фотоелектричному ефекті відбувається поглинання енергії падаючих квантів електронами атому речовини, внаслідок чого виникають вільні електрони, що вилітають за межі атому з кінетичною енергією, котра дорівнює енергії кванту випромінювання за вирахуванням енергії зв’язку електрону в атомі. В тканинах живих організмів фотоефект спостерігається при опроміненні низько енергетичними електромагнітними випромінюваннями – довгохвильового рентгенівського та γ-випромінювання з енергіями до 100 кеВ. Зі збільшенням енергії випромінювань імовірність його фотоелектричної взаємодії з речовиною зменшується і за енергій вище 1 МеВ ним можна взагалі знехтувати. Основний внесок у взаємодію з речовиною випромінювань високих енергій вносить комптонівське розсіяння енергії.                                                       

При комптон-ефекті відбувається розсіяння енергії фотону на одному з електронів атому. Це явище можна уявити як пружне співударяння фотону рентгенівського або γ-випромінювання з електроном. На відміну від фотоефекту фотон віддає електрону не всю свою енергію, а лише деяку її частку і продовжує рух вже у якості розсіяного фотону у новому напрямку і, природно, з меншою енергією. Вузький пучок випромінювання внаслідок такого розсіяння стає більш широким, а само випромінювання більш м’яким (довгохвильовим).

Якщо енергія електромагнітного випромінювання перевищує 1,02 МеВ, стає можливим процес утворення електрон-позитронних пар. Цей процес відбувається при зіткненні фотону з атомним  ядром, внаслідок чого і виникає пара частинок – електрон і позитрон. Імовірність утворення пар зростає зі збільшенням енергії фотону (випромінювання) і щільності речовини. При енергії вище 1,02 МеВ надлишок енергії перетворюється у кінетичну енергію утворених електрону і позитрону. В подальшому після повного гальмування у речовині позитрон      щезає (анігілює) з випромінюванням двох фотонів з енергією по 0,51 МеВ.

Таким чином, в залежності від енергії електромагнітного випромінювання внесок різних типів його взаємодії з речовиною змінюється: з її зростанням зменшується частка фотоелектричного і комптонівського ефектів, але збільшується роль утворення електрон-позитронних пар. Рівні енергій електромагнітних випромінювань, що виникають при розпаді більшості природних і штучних радіоактивних ізотопів, а також джерел рентгенівських і γ-випромінювань, які використовуються в радіобіології, знаходяться переважно у діапазоні 0,2–2,2 МеВ. І тому найбільш імовірними при опроміненні ними рослин і тварин є процеси взаємодії по типу комптон-ефекту та утворення пар.

Взаємодія корпускулярних випромінювань з речовиною

Механізм взаємодії усіх типів заряджених корпускулярних частинок з речовиною подібний – при проходженні через неї вони втрачають свою енергію на іонізацію і збудження атомів. В залежності від знаку заряду частинки зазнають електростатичної взаємодії з частинками речовини і можуть змінювати напрямок руху. Однак, цей вплив на важкі частинки невеликий, і їх траєкторія у речовині практично прямолінійна. При цьому швидко зменшується їх енергія і швидкість хоча і значно повільніше, ніж важких заряджених частинок.

Саме тому проникаюча здатність заряджених частинок значно менша за кванти електромагнітних випромінювань. Хоча вона також в першу чергу визначається їх енергією, але у значній мірі залежить від маси і наявності електричного заряду. Так, α-частинки з величезною енергією 5–10 МеВ з-за своїх великих розмірів і позитивного заряду проникають у м’які тканини живого організму лише на глибину 30–100 мкм. Бета-частинки, які мають малі розміри, не дивлячись на наявність заряду, значно повільніше втрачають свою кінетичну енергію і тому їх пробіг у тканинах значно більший. Так, β-частинки радіоактивного фосфору ³²Р, які мають енергію до 1,71 МеВ, проникають в тканини на глибину до 12 мм; калію ⁴⁰К з енергією 1,31 МеВ – до 10 мм, а відносно м’яких стронцію ⁹⁰Sr, енергія котрих складає 0,55 МеВ, – на 6–8 мм.

Про високу проникаючу здатність у речовину незаряджених важких частинок нейтронів вже згадувалось. При однаковій масі і кінетичній енергії вона набагато вища, ніж у протонів, котрі мають позитивний електричний заряд.

Важливою відміною у взаємодії з речовиною електромагнітних і корпускулярних випромінювань є ще й те, що якщо фотони рентгенівського і γ-випромінювань на всьому шляху свого руху більш-менш рівномірно іонізують його, то потік заряджених частинок, наприклад, α-частинок, поступово втрачаючи енергію і швидкість, викликає нерівномірну іонізацію – з уповільненням частинки вона зростає і досягає максимуму наприкінці шляху. Ця характерна для будь-якої зарядженої частинки залежність у графічному зображенні одержала назву кривої Брегга.

Кількість пар іонів, що виникає на одиницю шляху частинки або фотону у речовині, називають щільністю іонізації, або питомою іонізацією. Питома іонізація α-частинок дуже висока. Пробігаючи у повітрі відстань до 10 см одна α-частинка утворює на кожному сантиметрі шляху декілька десятків тисяч пар іонів, в той час як високо енергетична β-частинка, наприклад, того ж ³²Р, пробігаючи у повітрі до 25 м, викликає утворення на 21 см пробігу усього 50-100 пар іонів. Приблизно таку ж ступінь іонізації індукують фотони рентгенівського і γ-випромінювань, довжина пробігу котрих у повітрі досягає сотень метрів.

10. Лінійна передача енергії іонізуючих випромінювань та їх відносна біологічна ефективність

Віддавання енергії іонізуючих випромінювань по всій довжині пробігу частинки чи фотону називається лінійною передачею (зустрічаються терміни „перенос” і „втрата”) енергії (ЛПЕ). Одиниця ЛПЕ дорівнює кількості енергії, яку втрачає первинна іонізуюча частинка на одиницю довжини її пробігу. Звичайно вона виражається у кеВ на мкм пробігу у воді. Ця величина грає визначальну роль у прояву радіобіологічних реакцій організму за рівних доз опромінення різними типами випромінювань

Дійсно, в залежності від енергії електромагнітного випромінювання, а також в залежності від енергії, маси і заряду корпускулярного випромінювання ступінь іонізації речовини при опроміненні у рівних дозах в однакових умовах може суттєво відрізнятись. Отже, при опроміненні живих організмів може суттєво відрізнятись величина радіобіологічного ефекту, тобто ступінь прояву реакції на дії іонізуючого випромінювання – звичайно рівень ураження.

Для порівняння біологічної дії різних типів іонізуючих випромінювань  введена спеціальна величина – відносна біологічна ефективність (ВБЕ) випромінювань. Вона оцінюється порівнянням дози випромінювання, що випробується, з дозою стандартного, яка викликає такий же радіобіологічний ефект. У якості стандарту звичайно використовують рентгенівське випромінювання з енергією 180–250 кеВ чи γ-випромінювання ⁶⁰Со або ¹³⁷Сs, котрі утворюють приблизно 100 пар іонів на 1 мкм пробігу у воді. Таким чином, ВБЕ = Д₀/Д_Х, де Д₀ – доза стандартного випромінювання і Д_Х – доза випромінювання, що випробується. Значення ВБЕ для деяких типів іонізуючих випромінювань, котрі є усередненими результатами багатьох експериментів з різними організмами.

На основі ВБЕ визначається так званий коефіцієнт якості випромінювання – показник, котрий оцінює відносний шкідливий біологічний ефект різних типів іонізуючих випромінювань у прикладній радіобіології. Фактично його величини дорівнюють усередненим значенням ВБЕ.

Величина ВБЕ визначається головним чином значенням ЛПЕ – чим вище ЛПЕ, тобто чим більшим є середня кількість іонізацій на одиницю пробігу у речовині, тим вище і ОБЕ.                     

Як і рентгенівське та γ-випромінювання, β-частинки спричиняють від декількох десятків до сотні іонізацій на 1 мкм путі пробігу у воді, а, відповідно, і в тканинах живих організмів, щільність більшості котрих прирівнюється до неї. Вони одержали назву рідкоіонізуючих випромінювань.  Втрати їх енергії не перевищують 5 кеВ/мкм, і значення їх ВБЕ близьке до 1.

Протони, а також дейтрони, нейтрони однакових або близьких енергій викликають до декількох сот іонізацій і втрачають на 1 мкм путі 3–5 кеВ. Значення ВБЕ для них досягає 3–5 і навіть 10. Дуже щільну іонізацію викликають α-частинки, і значення ЛПЕ в них виключно велике. Так, одна α-частинка з енергією 4 МеВ, яка виникає при бомбардуванні бора або літію нейтронами, на 1 мкм путі утворює у м’яких тканинах більш як 9000 пар іонів. Втрати енергії при цьому складають до 300 кеВ/мкм, а значення ВБЕ досягає 20. Випромінювання ядер поділу урану спричиняють до 130 тисяч іонізацій на 1 мкм пробігу. Ці типи випромінювань одержали назву щільноіонізуючих випромінювань.

Схематичні відрізки траєкторій різних заряджених частинок дають уяву про розподіл актів іонізації і збудження атомів речовини.

Таким чином, із зростанням ЛПЕ значення ВБЕ збільшується, тобто зростає уражуюча дія випромінювань. Однак, така кореляція спостерігається до певних меж. Як свідчить крива на рис. 2.5, різке зростання ВБЕ починається з ЛПЕ 10 кеВ/мкм, досягає максимуму при ЛПЕ 100 кеВ/мкм і потім різко знижується. Це пояснюється тим, що за високих значень ЛПЕ відбувається як би насичення клітин іонізаціями, і кожна наступна частинка реалізує свою енергію у вже приреченій до загибелі клітині, тобто витрачає її вхолосту – відбувається так зване „переураження” клітини.

Хоча в основному величина ВБЕ визначається значенням ЛПЕ, вона у деякій мірі залежить й від інших факторів: величини дози випромінювання, її розподілу у часі, тобто потужності дози і ступня її фракціонування, наявності у середовищі кисню і навіть біологічних особливостей об’єкту опромінення. Зокрема, ВБЕ може суттєво розрізнятись при опроміненні сухого насіння і обводнених клітин і тканин вегетуючих рослин, спор у стані спокою і активно метаболізуючих бактерій.

Закінчуючи підрозділ, слід підкреслити, що знання значень коефіцієнтів ВБЕ різних типів випромінювань вкрай важливе для пророкування імовірності виникнення тих чи інших радіобіологічних ефектів, ступеня радіаційного ураження, оцінки ступеня ризику при опроміненні, прогнозування тяжкості променевої хвороби і багатьох інших ситуацій.

11. Контрольні запитання до лекції 2:

1. Визначення іонізуючої радіації.

2. Принципова відміна іонізуючої радіації від інших типів випромінювань

    (видимого світла, УФ-, ІФЧ-радіації, радіохвиль). 

3. Природа радіоактивності.

4. Закон радіоактивного розпаду.

5. Поняття „радіоактивний ізотоп”, „радіоактивний елемент”, „радіоактивна

     речовина”, „радіонуклід”.

6.  Період піврозпаду радіоактивного ізотопу.

7. Типи ядерних перетворень.

8. Типи іонізуючих випромінювань.

9. Види і загальна характеристика електромагнітних іонізуючих

     випромінювань.

10. Види і загальна характеристика корпускулярних іонізуючих

     випромінювань.

11. Експозиційна, поглинута та еквівалентна дози іонізуючих

      випромінювань.

12. Одиниці радіоактивності та доз іонізуючих випромінювань.

13. Перехід від позасистемної одиниці радіоактивності та доз іонізуючих

      випромінювань до одиниць у системі СІ.

14. Зв'язок радіоактивності і дози. Еталон такого зв’язку.

15. Залежність ефективності дії іонізуючих випромінювань від фактору часу

      опромінення.

16. Види опромінення в залежності від часу і способу опромінення.

17. Порівняльна проникна здатність іонізуючих випромінювань.

18. Основні процеси, що відбуваються при взаємодії іонізуючих

     випромінювань з речовиною.

19. Лінійна передача енергії випромінювань.

20. Рідко- та щільно іонізуючі випромінювання.

21. Відносна біологічна ефективність іонізуючих випромінювань.