O jonizirajućem zračenju

1. O jonizirajućem zračenju Prof. Lamija Tanović Prirodno-matematički fakultet SARAJEVO

3. Jonizirajuće i nejonizirajuće zračenje

4. Zračenje: Jonizujuće: Nejonizujuće:

6. Radijaciona energija • Radijaciona energija alfa, beta ili gama- zračenja se obično izražava u elektronvoltima eV. Tako je npr. energija alfa-čestica koje emituje polonijum-214 oko 7,7 MeV. Beta čestice iz olova 214 koji se formira u seriji urana-238 imaju maksimalnu energiju 1 MeV, a gama zraci koji se pri tome proizvode imaju maksimalnu energiju od 0,35 MeV.

7. Domet alfa-čestica • Alfa čestice, koje predstavljaju pozitivno nabijeno jezgro helijuma koje emituju velika nestabilna jezgra, imaju mali domet u vazduhu svega 1-2 cm i mogu sasvim da se absorbuju sa listom papira ili na ljudskom tijelu ih absorbuje već koža. Međutim, alfa zračenje je opasno ukoliko se unese u organizam udisanjem – tada može da ošteti meka tkiva pluća ili stomaka.

8. Domet beta-čestica • Beta zraci koji predstavljaju elektrone pa su mnogo manji od alfa-čestica, mogu zato da prodru mnogo dublje. Ipak u potpunosti može da ih absorbuje tanki komad plastike, stakla ili metala. Obično ne prodiru dublje od površinskog dijela kože. Ali visoke doze beta-zraka visoke energije mogu da prouzrokuju opekline kože. Emiteri koji emituju takve beta-čestice mogu biti opasni ako se unesu u organizam udisanjem ili unošenjem hrane.

9. Domet gama-čestica i netrona • Gama zraci su veoma prodorni elektromagnetni talasi male talasne dužine koje može zaustaviti samo debeli sloj željeza ili olova. Zato ovo zračenje izaziva oštećenja unutrašnjih organa čak i kada se njegov izvor ne unese u organizam udisanjem ili ishranom. • Neutronsko zračenje nastaje emitovanjem neutrona iz nestabilnog jezgra naročito tokom nuklearne fisije i fuzije. Pošto su električno neutralni neutroni mogu veoma duboko da prodru u materiju.

10. Prodornost različitih vrsta jonizirajućeg zračenja • Gama i X-zraci gube svoju energiju na razne načine ali u svakom od njih oslobađaju se orbitalni elektroni. Ovaj gubitak energije znači povećanje temperature sredine kroz koju zračenje prolazi.

11. Prodornost pojedinih tipova zračenja • Prodornost zavisi od prirode zračenja i energije koju ima. Olovo Papir Plastika Čelik

12. Uticaj zračenja na živu ćeliju • Osnovna jedinica biološkog tkiva je ćelija koja ima kontrolni centar nazvan jezgro. Oko 80% ćelije sastoji se od vode, a preostalih 20% je kompleksna biološka smjesa. Kada gore pomenuto, tzv. jonizirajuće zračenje prolazi kroz ćelijski materijal, ono stvara nabijene molekule vode.

13. Slobodni radikali • One se zatim raspadaju na tzv. slobodne radikale kao što je slobodni hidroksil (OH), koji se sastoji od jednog atoma kiseonika i jednog atoma vodonika. Slobodni radikali su hemijski veoma aktivni i mogu da promijene važne molekule u ćeliji.

14. Utjecaj jonizirajućih zračenja na žive organizme • Pri prolasku j. z. kroz žive organizme mogu da nastanu promjene u vidu somatskih ili genetskih oštećenja. Stupanj oštećenja zavisi od: • vrste i intenziteta zračenja: različite vrste zračenja pri jednakim apsorbiranim dozama uzrokuju različite biološke promjene • vrste ozračenih ćelija (tkiva): ćelije koje se brzo množe osjetljivije na zračenje, najosjetljivije tkivo embrij, reproduktivni organi, probavni organi, ćelije koštane srži, ali i ćelije zlocudnih tumora • stanja organizma: starost (starije osobe manjeosjetljive od mladih osoba u fertilnom dobu), spol (muškarci osjetljiviji od žena), ishranjenost, zdravstveno stanje

15. vremena ozračivanja (doze i brzine doze): brzina doze i vrijeme ozračivanja proporcionalni stepenu bioloških promjena • bioloških i genetskih osobina organizma. • Oštećenje oranizma nastaje direktnom interakcijom čestica zračenja sa molekulama ćelije, pri čemu dolazi do jonizacije molekula. Kao posljedica jonizacije u ćeliji se javljaju izmjenjeni biokemijski procesi koji narušavaju normalan rad i funkciju ćelije. • Od svih molekula na zračenje je najosjetljivija deoksiribonukleinska kiselina, DNA, a njena jonizacija ima i najteže posljedice. Osjetljivost DNA na zračenje direktno je povezana s preživljavanjem ćelije. Ćelija je mrtva kada izgubi moć dijeljenja.

16. Broj joniziranih molekula zavisi od apsorbovane doze zračenja. Taj broj u odnosu na ukupan broj molekula je malen, čak i pri veoma velikim apsorbiranim dozama. Međutim, jonizacija makar i jedne molekule unutar žive ćelije može da bude sudbonosna za tu ćeliju (organ, organizam). Promjene u organizmu mogu da se ispolje odmah nakon zračenja (eritem, dermatološke promjene, sterilitet) ili tek poslije nekoliko dana, tjedana, čak i godina (maligni tumori). Opasnost od j. z. povećava se time, što ono u trenutku ozračivanja ne uzrokuje nikakve primjetne posljedice (npr. osjećaj bola), čak ni pri smrtonosnim dozama.

17. Radijaciona ostećenja: • somatska: ispoljavaju se na samoj ozračenoj osobi odmah nakon ozračivanja (eritem, sterilitet) ili nakon dužeg vremena (maligni tumori) • genetska: ispoljavaju se trajno kod potomstva ozračene osobe zbog promjena u genima (promjena morfologije ili broja kromozoma) • Savremeni naučni podaci govore da za većinu somatskih i genetskih oštećenja ne postoje minimalne doze ozračivanja. Naime, pri svakoj primljenoj dozi (ma kako maloj) postoji izvjestan rizik za organizam. Zbog toga treba izlaganje jonizirajućem zračenju svesti na minimum držeći se principa da je svako izlaganje zračenju štetno.

18. DNA molekula • Jedna posebno važna molekula je deoksiribonukleinska kiselina, DNA, koja se većinom nalazi u jezgru ćelije. DNA kontroliše strukturu i funkcionisanje ćelije. Njene molekule su velike a strukture koje ih nose, hromozomi, mogu se vidjeti na mikroskopu. Mi još uvijek ne razumijemo u potpunosti načine na koje zračenje oštećuje ćelije, ali mnogi od ovih načina uključuju promjenu DNA. Postoje dva načina na koji se ova promjena može desiti.

19. DNA i zračenje

20. Vrste oštećenja indukovane jonizirajućim zračenjem Bazno oštećenje Jednostruki prekid Dupli prekid

21. DNA lezije Jednostruki prekid Dvostruki prekid

22. Jonizirajuće zračenje na nivou ćelije • Uzrokuje prekid jedne ili obje strane • Uzrokuje formiranje slobodnih radikala

23. Jonizacija DNA molekule • Zračenje može da jonizuje DNA molekule što direktno dovodi do hemijske promjene ili se pak DNA može promijeniti indirektno tako što DNA interaguje sa slobodnim radikalom hidroksilom koji se proizvede ovim zračenjem od vode u ostatku ćelije. U bilo kojem od ova dva slučaja hemijske promjene mogu da uzrokuju štetne biološke efekte koje dovode do razvoja raka ili do nasljednih genetskih defekata.

24. Direktna jonizacija Jonizirajuće zračenje + RH R- + H+   Pucanje veza OH I R – C = NH imidol (enol) O II R – C = NH2 amide (ketol) Tautomerično pomijeranje

25. Indirektna akcija OH- H O H+ Xzraci  zraci e- H Ho P+ OHo

26. Radioliza H2O molekule Zajednički elektron Zajednički elektron H-O-H  H+ + OH- (jonizacija) H-O-H  H0+OH0 (slobodni radikali)

27. Reakcije sa slobodnim radikalima H0 + OH0 HOH (rekombinacija) H0 + H0  H2 (spajanje) OH0 +OH0  H2O2 (vodikov peroksid) OH0+RH R0+HOH (radikalski prelaz)

28. Efekat kiseonika na formiranje radikala Kiseonikmože da modifikuje reakciju omogućujući da se stvori drugi slobodni radikal koji je stabilniji i dužeg vijeka trajanja H0+O2  HO20 (hidroperoksi slobodni radikal) R0+O2 RO20 (organski peroksi slobodni radikal)

29. Životni vijek slobodnih radikala RO2o HO2o Ho OHo 3nm OHo Ho Radi kratkog života običnih slobodnih radikala (10-10s), samo oni koji se formiraju u vodenoj koloni od 2-3 nm oko DNA su u stanju da učestvuju u indirektnom efektu

30. O dozama • Jonizirajuće zračenje ne možemo detektovati našim ćulima, ali možemo na drugi način, metodama koje se baziraju na fotografskim filmovima, pomoću geiger-milerovih cijevi, scintilacionih brojača kao i novijim metodama baziranim na termoluminiscentnim materijalima i silicijumskim diodama. Ta mjerenja možemo da interpretiramo preko energije koju je dato zračenje deponovalo u tijelu ili u nekom dijelu tijela.

31. Absorbovana doza • Iznos energije koju jonizirajuće zračenje deponuje u jedinici mase materije kao što je ljudsko tijelo, zove se absorbovana doza. Izražava se jedinicom koja se zove gray, simbol Gy, gdje je 1Gy=1Joule/kg, po engleskom fizičaru Haroldu Gray-u. • Međutim, npr. 1Gy alfa zračenja je štetniji za biološko tkivo od 1Gy beta zračenja jer alfa čestica, pošto je veća i većeg naboja,a uz to i sporija, gubi svoju energiju mnogo intenzivnije po svojoj putanji. Zato da bismo sve različite tipove jonizirajućeg zračenja stavili na istu skalu u odnosu na oštećenje koje mogu da proizvedu, treba nam druga mjerna veličina.

32. Absorbovana doza • Često se za izražavanje apsorbovane doze koristi jedinica stotinu puta manja od grej-a koja se zove “rad” (Radiation Absorbed Dose) • 1rad=0,0Gy=0,01J/kg • Razni tipovi jonizirajućeg zračenja na razne načine intereaguju sa biološkim materijalima tako da jednaka absorbovana doza (tj. jednaka deponovana energija) nema isti biološki efekat.

33. Ekvivalentna doza Biološki efekat absorbovane doze izražava se veličinom koja se zove ekvivalentna doza. Ekvivalentna doza se izražava jedinicom koja se zove sievert, Sv (po švedskom fizičaru Rolfu Sievertu). • Ekvivalentna doza je jednaka apsorbovanoj dozi multipliciranoj sa faktorom koji uzima u obzir način na koji taj tip zračenja distribuira energiju u tkivu. Taj faktor se zove relativni biološki efekat RBE Ili faktor kvaliteta QF • Za gama, beta i X-zrake ovaj faktor je jedinica (od 200 KeV-a), tako da su absorbovana doza i ekvivalentna doza numerički jednake. Za alfa čestice, ovaj faktor je 20 tako da je ekvivalentna doza dvadeset puta absorbovana doza. Za neutrone ovaj faktor se kreće od 5 do 20.

34. Efektivna doza Ista ekvivalentna doza će međutim na različitim organima predstavljati različit rizik za mogući razvoj fatalnog oboljenja. Npr. rizik od maligniteta je za istu ekvivalentnu dozu veći za pluća nego za tiroidnu žlijezdu. Zato u slučaju da želimo procijeniti oštećenje koje jonizirajuće zračenje proizvodi na različitim organima ekvivalentnu dozu množimo sa tzv. težinskim faktorom i tako dobijemo efektivnu dozu.

35. Efektivna doza • Ova mjera tako uzima u obzir i efekat razne vrste zračenja i različitu osjetljivost pojedinih tkiva. Evo raznih vrijednosti faktora težine : • koštana srž, pluća, stomak=0,12; • slezena, jetra, grudi, tiroida=0,05; • koža, površina kostiju=0,01; • Kad se saberu težinski faktori raznih organa i tkiva dobije se 1,00.

36. Kolektivna doza • Ponekad je korisno imati ukupnu radijacionu dozu za grupu ljudi ili ukupnu populaciju. Veličina kojom se ovo izražava zove se kolektivna efektivna doza. Dobije se sabiranjem pojedinačnih efektivnih doza svih stanovnika ili svih pripadnika neke grupe. • Npr. efektivna doza iz svih izvora zračenja u prosjeku iznosi 2,8 mSvgodišnje. Pošto je broj stanovnika na zemlji oko 6 milijardi, godišnja kolektivna efektivna doza za ukupnu populaciju na zemlji je proizvod ova dva broja i iznosi17 miliona čovjek Siverta (man Sv). Obično se efektivna doza i kolektivna efektivna doza skraćeno zovu samo doza i efektivna doza.

37. Zračenje iz okoline • Zračanje iz okoline je za nas sasvim “prirodna pojava” kao što je to sunce ili kiša. • Radioaktivni raspadi u unutrašnjosti Zemlje griju vodu koja izbija u formi gejzira ili se pojavljuje kao prirodni topli izvor. • Jonizirajuće zračenje ulazi u naš život na razne načine. Ono dijelom dolazi od prirodnih procesa kakav je raspadanje urana u Zemlji i iz vještačkih procesa kao što je korištenje X-zraka u medicini. • Prirodni izvori zračenja su kosmički zraci, gama zraci sa Zemlje, produkti raspada radona u vazduhu i različiti radionukleidikoji se prirodno nalaze u hrani i vodi.

38. Prirodni i vještački izvori zračenja • Mi ne možemo mnogo uraditi da se zaštitimo od prirodnih izvora zračenja. Jedino možemo smanjiti zračenje koje nastaje raspadom gasa radona koji se nalazi u vazduhu, što smo tek nedavno naučili. Zračenje iz radona nam godišnje da oko 1mSv ili više i isto toliko dobijemo iz drugih prirodnih izvora. • Najveće varijacije u ukupnoj dozi imaju produkti raspada radona kod kuće koji mogu godišnje dati ukupnu dozu od 10mSv i više. • Vještački izvori jonizirajućeg zračenja su X-zraci u medicini, produkti nastali nuklearnim probama u atmosferi, odloženi radioaktivni otpad iz industrije, industrijski gama-zraci i razni drugi predmeti proizvedeni za ljudsku upotrebu u industriji.

39. EFEKTI ZRAČENJA • Profesionalna godišnja doza danas je ograničena na 50mSv ili manje, ali samo mali broj profesionalaca prima više od 20 mSv. Neke dijagnostike u medicini mogu dati ukupnu dozu i do 10mSv. Za neke industrijske proizvode koji sadrže izvore zračenja kao što su alarmi za dim i luminiscentni satovi, godišnje doze su najviše 1uSv (mikrosivert). • Različite doze zračenja koje su indukovane različitom brzinom i u različitim dijelovima tijela mogu da izazovu razna oštećenja sa različitim vremenskim faktorom. • Velika doza zračenja saopštena cijelom tijelu može da uzrokuje smrt u roku od par sedmica. Npr. absorbovana doza od 5Gy ili više, primljena u jednom momentu bi bila smrtna odmah jer oštećuje koštanu srž i gastrointestinalni trakt. Odgovarajući tretman može da spasi život osobi koja je primila 5Gy, ali veća doza bi sigurno bila smrtna i pored tretmana.

40. Korištenje različitih izotopa u medicinskoj dijagnostici • Americijum-241= Dijagnosticira poremećaj funkcije tiroide, koristi se u detektorima za dim (požarni detektori). • Cezijum-137= Tretman kanceroznih oboljenja. • Jod-125,131= Dijagnosticiranje i tretman kod oboljenja jetre, bubrega, srca, pluća i mozga. • Technecijum-99m= Snimanje kostiju i mozga; tiroide i jetre za lokalizaciju tumora na mozgu. • Terminologija • Ekspozicija = iznos zračenja koji se može primiti u jedinici vremena. • Doza = ukupan primljeni iznos zračenja.

41. ZAŠTITA OD JONIZIRAJUĆIH ZRAČENJA (RADIOLOŠKA ZAŠTITA) • Svaki organizam izložen jonizirajućem zračenju trpi biofizičke promjene praćene radiološkim povredama, počev od jednostavnih funkcionalnih poremećaja pa do smrti ćelije ili čitavog organizma. • Svrha i cilj radiološke zaštite: • spriječiti radiološke povrede • umanjiti rizik od posljedica ozračivanja • štetne efekte jonizirajućeg zračenja svesti na razumnu (minimalnu) mjeru • Kako bi se to postiglo, uvodi se dozimetrijska kontrola na svim mjestima gdje su prisutni izvori zračenja. Za to služe osobni (lični) ikolektivni dozimetri.

42. Dozimetri- uređaji za mjerenje jačine ekspozicione doze Temelje se na efektima jonizacije i pobuđivanja atoma i molekula aktivne supstance. Fotoluminescentni dozimetri– rade na principu pobuđivačkih efekata, aktivnasupstanca: fotoluminiscentne čvrste materije Kalorimetarski dozimetri - apsorpcijom jonizirajućeg zračenja aktivna supstanca se zagrijava, odnosno, energija zračenja se transformiše u toplotnu energiju Hemijski dozimetri - rastvori različitih supstanci koje hemijski reaguju sa intenzitetom zavisnim od apsorbovane doze jonizirajućeg zračenja

43. Film dozimetar – vrsta hemijskog dozimetra, komad fotografskog filma u kaseti veličine 2x4 cm kojeg nosi svaka osoba profesionalno izložena zračenju. Jonizirajuće zračenje djeluje na fotografsku emulziju stvarajući u njoj zacrnjenje srazmjerno apsorbiranoj dozi zračenja. Zacrnjenje je vidljivo tek nakon obrade filma. Film dozimetar je osjetljiv na x,  i zračenje. Jedan dio filma se obično prekriva tankom folijom od olova koja apsorbira  zračenje. Tako je moguće utvrditi prisustvo toga zračenja ukoliko je nepokriveni dio filma više zacrnjen. Ovaj dozimetar može da bude osjetljiv i na neutrone čije se prisustvo registruje ako se ispred filma postavi folija od kadmijuma. Film dozimetar se obrađuje jedanput mjesečno u laboratoriji radiološke zaštite, kada se evidentira stupanj ozračenja osobe kojoj pripada.

44. Čovjek je izložen jonizirajućem zračenju iz: • prirodnih izvora: kosmičko zračenje, prirodni radioizitopi prisutni u zraku, vodi i tlu i • vještačkih izvora: medicinski (rendgen, radioizotopi) i profesionalni (nuklearna postrojenja, akceleratori,...). • Medicinska jonizirajuća zračenja čine oko 94% od svih zračenja iz vještačkih izvora i oko 31% od svih jonizirajućih zračenja iz prirodnih i vještačkih izvora kojima je čovjek izložen. • Pri samo jednom rendgenskom snimanju zuba primi se doza koja je veća od višenedjeljne granične doze.

45. Od ukupnog prirodnog jonizirajućeg zračenja na kosmičko zračenje otpada 25-30% na nivou mora. Sa povećanjem nadmorske visine ono se pojaćava tako da na 3000 m nadmorske visine ono postaje tri puta jače nego na nivou mora. Osobe koje često putuju avionom su pojačano izložene jonizirajućem zračenju. Kosmičko zračenje također može biti pojačano usljed različitih promjena u zemljinoj atmosferi izazvanih štetnim ljudskim djelovanjem.

46. Pregled prirodnih i vještačkih izvora jonizirajućeg zračenja sa ekvivalentnom godišnjom dozom

47. Za sve osobe izložene jonizirajućem zračenjuodređuje se doza opravdanog rizika, koja ne može dovesti do grubog narušavanja vitalnih funkcija organizma. U vanrednim uvjetima (npr. spašavanje nastradalih u nuklearnim havarijama), predložena doza opravdanog rizika je 0,5 Sv za ravnomjerno ozračivanje od 4 dana, ili 1Sv za ozračivanje od 10 dana, ili 2Sv za tri mjeseca, ili 3Sv za godinu. U normalnim, mirnodopskim uslovima, ove su doze od 0,05do 0,3 Sv godišnje.

48. Radiološka zaštita ukljućuje otkrivanje i mjerenje radiološke kontaminacije životne sredine (objekata, predmeta za svakodnevnu upotrebu, hrane, vode, tla). Glavni izvori radiološke kontaminacije životne sredine su: - fisioni produkti nastali pri nuklearnim eksplozijama ili havarijama u nuklearnim postrojenjima, - nepropisno odložen nuklearni otpad, nezaštićeni različiti vještački izvori.

49. Mnogo raznih jedinica • ROENTGEN, RAD, REM, CURIE, GRAY, SIEVERT, BECQUEREL.

50. Rentgen • Dobio ime po Wilhelm-u C. Roentgen-u • Služi za mjerenje ABSORBOVANE DOZE • Samo se primjenjuje za fotonsko zračenje • Samo u vazduhu i • Samo za energije zračenja manje od 3 MeV • 1 rad = 1 Roentgen • Gray (Gy) : 1 Gy = 100 rad • 1 rad = Radiation Absorbed Dose