Јонизујуће зрачење је свуда. Долази из свемира као космички зраци. У ваздуху је као емисија радиоактивног радона и његовог потомства. Природни радиоактивни изотопи улазе и остају у свим живим бићима. То је неизбежно. Заиста, све врсте на овој планети су еволуирале у присуству јонизујућег зрачења. Док људи изложени малим дозама зрачења можда неће одмах показати никакве очигледне биолошке ефекте, нема сумње да јонизујуће зрачење, када се даје у довољним количинама, може да изазове штету. Ови ефекти су добро познати и по врсти и по степену.

Иако јонизујуће зрачење може нанети штету, оно такође има много корисних употреба. Радиоактивни уранијум производи електричну енергију у нуклеарним електранама у многим земљама. У медицини, рендгенски зраци производе радиографију за дијагнозу унутрашњих повреда и болести. Лекари нуклеарне медицине користе радиоактивни материјал као трагаче за формирање детаљних слика унутрашњих структура и за проучавање метаболизма. Доступни су терапеутски радиофармаци за лечење поремећаја као што су хипертиреоза и рак. Лекари за радиотерапију користе гама зраке, пионске зраке, електронске зраке, неутроне и друге врсте зрачења за лечење рака. Инжењери користе радиоактивни материјал у операцијама каротеће нафтних бушотина и у мерачима густине влаге у земљишту. Индустријски радиографи користе рендгенске зраке у контроли квалитета како би погледали унутрашње структуре произведених уређаја. Знакови за излаз у зградама и авионима садрже радиоактивни трицијум да би светлили у мраку у случају нестанка струје. Многи детектори дима у кућама и пословним зградама садрже радиоактивни америцијум.

Ове бројне употребе јонизујућег зрачења и радиоактивних материјала побољшавају квалитет живота и помажу друштву на много начина. Предности сваке употребе увек се морају упоредити са ризицима. Ризици могу бити за раднике који су директно укључени у примену радијације или радиоактивног материјала, за јавност, за будуће генерације и за животну средину или за било коју комбинацију истих. Осим политичких и економских разматрања, користи увек морају бити веће од ризика када је у питању јонизујуће зрачење.

Јонизујућег зрачења

Јонизујуће зрачење се састоји од честица, укључујући фотоне, које изазивају одвајање електрона од атома и молекула. Међутим, неке врсте зрачења релативно ниске енергије, као што је ултраљубичасто светло, такође могу изазвати јонизацију под одређеним околностима. Да би се ове врсте зрачења разликовале од зрачења које увек изазива јонизацију, произвољна доња граница енергије за јонизујуће зрачење се обично поставља око 10 килоелектрон волти (кеВ).

Директно јонизујуће зрачење се састоји од наелектрисаних честица. Такве честице укључују енергетске електроне (понекад се називају негатрони), позитроне, протоне, алфа честице, набијене мезоне, мионе и тешке јоне (јонизоване атоме). Ова врста јонизујућег зрачења реагује са материјом првенствено путем Кулонове силе, одбијајући или привлачећи електроне из атома и молекула захваљујући њиховом наелектрисању.

Индиректно јонизујуће зрачење се састоји од ненаелектрисаних честица. Најчешћи типови индиректног јонизујућег зрачења су фотони изнад 10 кеВ (рендгенски и гама зраци) и сви неутрони.

Рентгенски и гама-зраци фотони ступају у интеракцију са материјом и изазивају јонизацију на најмање три различита начина:

1. Фотони ниже енергије комуницирају углавном преко фотоелектричног ефекта, у којем фотон сву своју енергију предаје електрону, који затим напушта атом или молекул. Фотон нестаје.
2. Фотони средње енергије углавном интерагују преко Комптоновог ефекта, у коме се фотон и електрон у суштини сударају као честице. Фотон наставља у новом правцу са смањеном енергијом, док ослобођени електрон нестаје са остатком долазне енергије (мање енергије везивања електрона за атом или молекул).
3. Производња пара је могућа само за фотоне са енергијом већом од 1.02 МеВ. (Међутим, близу 1.02 МеВ, Комптонов ефекат и даље доминира. Производња пара доминира при вишим енергијама.) Фотон нестаје и на његовом месту се појављује пар електрон-позитрон (ово се дешава само у близини језгра због очувања импулса и енергетска разматрања). Укупна кинетичка енергија пара електрон-позитрон једнака је енергији фотона умањеној за збир енергија масе мировања електрона и позитрона (1.02 МеВ). Ови енергетски електрони и позитрони се затим настављају као директно јонизујуће зрачење. Како губи кинетичку енергију, позитрон ће на крају наићи на електрон, а честице ће се међусобно анихилирати. Два (обично) фотона од 0.511 МеВ се затим емитују са места анихилације на 180 степени један од другог.

дати фотон може се десити било који од њих, осим што је производња пара могућа само за фотоне са енергијом већом од 1.022 МеВ. Енергија фотона и материјал са којим је у интеракцији одређују до које интеракције је највероватније доћи.

На слици 1 приказани су региони у којима доминира сваки тип интеракције фотона као функција енергије фотона и атомског броја апсорбера.

Слика 1. Релативни значај три главне интеракције фотона у материји

Најчешће интеракције неутрона са материјом су нееластични судари, хватање (или активација) неутрона и фисија. Све су то интеракције са језгрима. Језгро које се нееластично судара са неутроном остаје на вишем енергетском нивоу. Ову енергију може ослободити у облику гама зрака или емитовањем бета честице, или обоје. У хватању неутрона, погођено језгро може да апсорбује неутрон и избаци енергију у облику гама или рендгенских зрака или бета честица, или обоје. Секундарне честице тада изазивају јонизацију као што је горе објашњено. У фисији, тешко језгро апсорбује неутрон и раздваја се на два лакша језгра која су скоро увек радиоактивна.

Количине, јединице и сродне дефиниције

Међународна комисија за јединице и мере зрачења (ИЦРУ) развија међународно прихваћене формалне дефиниције количина и јединица зрачења и радиоактивности. Међународна комисија за радиолошку заштиту (ИЦРП) такође поставља стандарде за дефинисање и употребу различитих величина и јединица које се користе у безбедности од зрачења. Следи опис неких величина, јединица и дефиниција које се обично користе у радијационој безбедности.

Апсорбована доза. Ово је основна дозиметријска величина за јонизујуће зрачење. У основи, то је енергија јонизујућег зрачења коју даје материји по јединици масе. формално,

где D је апсорбована доза, дe је средња енергија дата материји масе дm. Апсорбована доза има јединице џула по килограму (Ј кг^{-КСНУМКС}). Посебан назив за јединицу апсорбоване дозе је сива (Ги).

Активност. Ова величина представља број нуклеарних трансформација из датог стања нуклеарне енергије у јединици времена. формално,

где A је активност, дN је очекивана вредност броја спонтаних нуклеарних прелаза из датог енергетског стања у временском интервалу дt. Повезан је са бројем радиоактивних језгара N од:

где је л константа распада. Активност има јединице инверзних секунди (с^{-КСНУМКС}). Посебан назив за јединицу активности је бекерел (Бк).

Константа распадања (л). Ова величина представља вероватноћу по јединици времена да ће за дати радионуклид доћи до нуклеарне трансформације. Константа распадања има јединице инверзних секунди (с^{-КСНУМКС}). Повезан је са временом полураспада t_½ радионуклида помоћу:

Константа распада л је повезана са средњим животним веком, т, радионуклида:

Временска зависност активности A(t) и броја радиоактивних језгара N(t) може се изразити помоћу    респективно.

Детерминистички биолошки ефекат. Ово је биолошки ефекат изазван јонизујућим зрачењем и чија је вероватноћа појаве нула при малим апсорбованим дозама, али ће се нагло повећати на јединицу (100%) изнад неког нивоа апсорбоване дозе (праг). Индукција катаракте је пример стохастичког биолошког ефекта.

Ефективна доза. Ефикасна доза E је збир пондерисаних еквивалентних доза у свим ткивима и органима тела. То је безбедна величина од зрачења, тако да њена употреба није прикладна за велике апсорбоване дозе које се испоручују у релативно кратком временском периоду. Даје га:

где w _T је фактор тежине ткива и H_T је еквивалентна доза за ткиво Т. Ефективна доза има јединице Ј кг^{-КСНУМКС}. Посебан назив за јединицу ефективне дозе је сиверт (Св).

Еквивалентна доза. Еквивалентна доза H_T је апсорбована доза усредњена на ткиво или орган (а не у тачки) и пондерисана за квалитет зрачења који је од интереса. То је безбедна величина од зрачења, тако да њена употреба није прикладна за велике апсорбоване дозе које се испоручују у релативно кратком временском периоду. Еквивалентну дозу даје:

где D_Т,Р је апсорбована доза просечна по ткиву или органу Т услед зрачења Р и w _R
је тежински фактор зрачења. Еквивалентна доза има јединице Ј кг^{-КСНУМКС}. Посебан назив за јединицу еквивалентне дозе је сиверт (Св).

Халф-лифе. Ова количина је количина времена потребног да се активност узорка радионуклида смањи за половину. Еквивалентно, то је количина времена која је потребна да се одређени број језгара у датом радиоактивном стању смањи за половину. Има основне јединице секунде (с), али се такође обично изражава у сатима, данима и годинама. За дати радионуклид, време полураспада t_½ је повезан са константом распада л са:

Линеарни пренос енергије. Ова количина је енергија коју наелектрисана честица даје материји по јединици дужине док пролази кроз материју. формално,

где L је линеарни пренос енергије (такође тзв линеарна сила заустављања судара) и дe је средња енергија коју је изгубила честица при преласку растојања дl. Линеарни пренос енергије (ЛЕТ) има јединице Ј м^{-КСНУМКС}.

Средњи животни век. Ова количина је просечно време које ће нуклеарно стање преживети пре него што се подвргне трансформацији у стање ниже енергије емитовањем јонизујућег зрачења. Има основне јединице у секундама (с), али се такође може изразити у сатима, данима или годинама. То је повезано са константом распада:

где је т средње време живота, а л константа распада за дати нуклид у датом енергетском стању.

Тежина фактора зрачења. Ово је број w _R да за дати тип и енергију зрачења Р представља вредности релативне биолошке ефикасности тог зрачења у изазивању стохастичких ефеката при малим дозама. Вредности w _R односе се на линеарни пренос енергије (ЛЕТ) и дате су у табели 1. Слика 2 (на полеђини) приказује однос између w _R и ЛЕТ за неутроне.

Табела 1. Тежина фактора зрачења в_R

¹ Све вредности се односе на зрачење које пада на тело или, за унутрашње изворе, емитовано из извора.

² Искључујући Ожеове електроне емитоване из језгара везаних за ДНК.

Релативна биолошка ефикасност (РБЕ). РБЕ једне врсте зрачења у поређењу са другом је инверзни однос апсорбованих доза које производе исти степен дефинисане биолошке крајње тачке.

Слика 2. Пондери радијације за неутроне (глатка крива треба да се третира као апроксимација)

Стохастички биолошки ефекат. Ово је биолошки ефекат изазван јонизујућим зрачењем чија вероватноћа појаве расте са повећањем апсорбоване дозе, вероватно без прага, али чија је тежина независна од апсорбоване дозе. Рак је пример стохастичког биолошког ефекта.

Фактор тежине ткива в _T. Ово представља допринос ткива или органа Т укупној штети због свих стохастичких ефеката насталих уједначеним зрачењем целог тела. Користи се зато што вероватноћа стохастичких ефеката услед еквивалентне дозе зависи од ткива или органа озраченог. Уједначена еквивалентна доза за цело тело треба да даје ефективну дозу бројчано једнаку збиру ефективних доза за сва ткива и органе тела. Дакле, збир свих фактора тежине ткива је нормализован на јединицу. Табела 2 даје вредности фактора тежине ткива.

Табела 2. Фактори тежине ткива в_T

¹ Вредности су развијене из референтне популације једнаког броја оба пола и широког распона узраста. У дефиницији ефективне дозе они се односе на раднике, на целу популацију и на било који пол.

² За потребе израчунавања, остатак се састоји од следећих додатних ткива и органа: надбубрежне жлезде, мозак, горњи део дебелог црева, танко црево, бубрези, мишићи, панкреас, слезина, тимус и материца. Листа укључује органе који ће вероватно бити селективно зрачени. Познато је да су неки органи на листи подложни изазивању рака.

³ У оним изузетним случајевима у којима једно од преосталих ткива или органа добије еквивалентну дозу већу од највеће дозе у било ком од дванаест органа за које је наведен тежински фактор, на то ткиво треба применити тежински фактор од 0.025 или орган и тежински фактор од 0.025 на просечну дозу у остатку остатка као што је горе дефинисано.

Назад