EFECTE ALE RADIAŢIILOR IONIZANTE

Clasificarea radiatiilor ionizante

radiatiile electromagnetice cu l<100Ĺ si energie >100 eV (E = hn

radiatiile X si g (fotoni radioactivi)

radiatiile corpusculare, energie > 100 eV (E = )

- incarcate cu sarcina electrica:

radiatiile a (nuclee de He b (pozitroni) si b^-(electroni)

protoni,

deuteroni,

ioni grei accelerati,

- fara sarcina electrica:

fragmente de fisiune nucleara

neutroni rapizi.

Surse de radiatii

Radiatiile corpusculare si g îsi au originea în nucleul atomic, iar radiatiile X provin din straturile electronice profunde (a se vedea cursul de Radioimagistica).

Fenomenul fizic principal care sta la baza emisiei de radiatii nucleare este dezintegrarea radioact 515e46f iva. Aceasta consta în scindarea spontana a nucleelor instabile (izotopi/radionuclizi) cu formarea unui nucleu mai usor, sau cu formarea a doua nuclee mai usoare (fisiune nucleara). Este un proces spontan, care se desfasoara cu o anumita probabilitate bine determinata pentru fiecare radionuclid în parte.

O sursa radioactiva este caracterizata prin activitatea ei. În cazul substantelor radioactive, activitatea L se defineste ca fiind viteza de dezintegrare, adica numarul de nuclee dezintegrate în unitatea de timp:

Conform legii dezintegrarii radioactive:

unde N este numarul de nuclee dezintegrate le momentul de timp t, N₀ este numarul initial de nuclee ale sursei radioactive, iar l este constanta de dezintegrare.

Combinând cele doua relatii se obtine:

Pentru caracterizarea radionuclizilor se utilizeaza timpul de înjumatatire (T₁ ), ca fiind timpul dupa care jumatate din numarul initial de nuclee ale sursei s-au dezintegrat. Astfel, daca N = N₀/2, rezulta N₀/2 = N₀e ^{- l t} de unde:

Proprietati caracteristice generale

energia transportata de radiatiile ionizante în mediile pe care le strabat este mult mai mare decât energia care leaga orice electron în atom sau atomii între ei.

genereaza fenomene de ionizare (directa sau indirecta) a atomilor sau moleculelor mediilor pe care le strabat.

produc excitari atomice si moleculare

produc radicali liberi.

Aspecte fizice ale interactiei cu materia

Radiatiile corpusculare

Datorita faptului ca poseda masa, particulele accelerate vor avea energie cinetica (mv² Acestea pot interactioneaza prin ciocnire, direct cu atomii si moleculele mediului strabatut, probabilitatea de interactiune fiind maxima cu electronii orbitali (învelisul electronic al atomului) producând un numar mare de ionizari. Radiatiile b (electroni (-) sau pozitroni (+) accelerati) pot interactiona si cu nucleele. În câmpul coulombian al unui nucleu greu, electronul este frânat, o parte din energia sa transformându-se în radiatie electromagnetica X numita si radiatie de frânare.

Neutronii nu au sarcina electrica si nu interactioneaza cu învelisul electronic al atomilor. Pot interactiona cu nucleele, iar efectele sunt diferite functie de viteza acestora (energia cinetica). Neutronii rapizi (E > 1 KeV) produc ciocniri elastice care pot duce la dislocarea nucleelor mici (de ex. H) si astfel determina fenomene de ionizare indirecta. Neutronii lenti sunt absorbiti de nucleu si determina excitarea acestora cu emisie secundara de fotoni g la dezexcitare.

Radiatiile electromagnetice

Interactiunea radiatiilor ionizante de natura electromagnetica (fotoni radioactivi) cu materia se face numai cu electronii liberi din mediu, prin trei tipuri de efecte cunoscute: efect fotoelectric, efect Compton si generare de perechi.

Efect fotoelectric

Efect Compton

Generare de perechi

E > 1,22 MeV

Efectele depind de numarul atomic Z si de energia radiatiei:

Proprietati specifice radiatiilor cu sarcina electrica

Parcurs = grosimea de material care reduce energia particulei la zero.

Densitatea de ionizare = numarul de perechi de ioni create pe unitatea de parcurs.

Transferul Liniar de Energie (TLE) = raportul dintre energia cinetica a particulei si lungimea traiectoriei în mediul dat.

Este proportional cu numarul de ionizari produse pe unitatea de lungime (N) si cu energia transferata la fiecare ionizare (e):

TLE = N · e

Traiectoria pentru particulele grele (a, protoni) traiectoriile sunt rectilinii, întrucât masa lor mare le confera o inertie suficient de mare pentru a nu fi deviate în momentul ciocnirii cu un electron. Radiatiile b (electroni de mare viteza) au traictorii mai sinuoase, din cauza multiplelor devieri pe care le sufera. Parcursul lor este mult mai lung din cauza unui TLE mult mai mic.

Proprietati specifice radiatiilor fara sarcina electrica (electromagnetice si neutroni)

Traversarea de catre fascicul a unui mediu dat, a carui grosime este x, se face printr un proces de atenuare a carui lege este (Langmuir):

unde I este intensitatea fasciculului initial, I este intensitatea fasciculului dupa strabaterea stratului de grosime x, iar m este coeficientul de atenuare caracteristic substantei traversate si dependent de energia radiatiei.

Radiatiile electromagnetice nu sunt niciodata complet absorbite. Au grad de penetrabilitate foarte ridicat. Grosimea de înjumatatire (x_1/2) este distanta la care I I

Astfel, radiatiile X si g sunt înjumatatite de un strat de 100 m în aer si de un strat de apa de 10 cm. Pentru ⁶⁰Co (Eg = 1,3 MeV), x_1/2 = 11 mm în Pb.

Efectele moleculare ale radiatiilor ionizante

Radiatiile produc efecte biologice la nivel molecular prin actiune directa, indirecta si la distanta.

a) efectul direct

Absorbtia energiei radiatiilor duce la excitarea si ionizarea atomilor si moleculelor componente ale celulelor. Acesta reprezinta efectul primar fizico-chimic. Toate componentele celulare, inclusiv proteinele citoplasmatice (enzimele), materialul cromozomic (nucleoproteidele sau compusii DNA cu proteinele) si moleculele de apa, sufera actiunea directa a radiatiilor. Efectele directe determina rupere de legaturi covalente sau coordinative cu denaturarea structurala si aparitie de noi compusi chimici (radioliza apei).

b) efectul indirect

Ansamblul de modificari si transformari chimice pe care le sufera moleculele care au fost excitate sau ionizate de radiatii. Este secundar, datorat în special radicalilor liberi proveniti prin radioliza apei continute în tesut.

Radioliza apei depinde de natura radiatiei, de energia ei si de prezenta oxigenului (în lipsa oxigenului radiatiile X si g nu descompun apa).

Radicalii formati sunt deosebit de reactivi, au durata de viata scurta si sunt capabili sa declanseze reactii biochimice în lant, ceea ce determina amplificarea leziunilor directe.

In urma interactiei, molecula de apa pierde un electron si se transforma în ion pozitiv.

H₂O H₂O⁺ + e^-

Electronul este captat de o alta molecula de apa, ce se transforma în ion:

H₂O + e^- H₂O^-

Ionii formati sunt instabili, se descompun imediat dând nastere la radicali liberi si doi ioni stabili care recombinându-se dau molecula de apa:

H₂O H⁺ + O·

H₂O^- OH^- + H·

H⁺ + OH^- H₂O

Radioliza apei în sine nu determina un efect biologic direct. Numarul de molecule care sufera actiune directa este extrem de mic în raport cu numarul total de molecule prezente. Iradiind cu o doza de 1 R, un gram de tesut, se produc aproximativ 2·10¹² ionizari si 10¹³ activari fata de 2·10²² molecule de apa existente în constitutia a 1g de tesut viu. Astfel, se poate aprecia ca numai o molecula de apa dintr-un miliard este ionizata, neglijând ceilalti constituenti ai tesuturilor. Pentru a ioniza 50% din moleculele de apa prezente în 1g de tesut este necesara o iradiere cu o doza de 100 R/min timp de 200 de ani.

Radicalii liberi formati se pot recombina, formând:

Apa: H· + OH· H₂O

Hidrogen molecular: H· + H· H₂

Apa oxigenata: OH· + OH· H₂O₂

catalaza

Apa oxigenata din celule se descompune rapid în apa si oxigen sub actiunea unei enzime active, catalaza:

H₂O₂  H₂O + ˝ O₂

c) actiunea la distanta

Prin fenomenul de transfer de energie actiunea finala a reactiei se desfasoara în alt loc al structurii biologice decât cel în care s-a produs absorbtia initiala de energie. Transferul energiei se realizeaza prin transmiterea intermoleculara si intramoleculara a energiei.

Efectele celulare

Cuanta de energie care patrunde în celula interactioneaza cu atomii si moleculele componente ale acesteia. Interactiunea fizica duce la aparitia unor procese radiochimice ce au ca rezultat modificarile însusirilor biochimice si apoi a celor biologice ale celulei.

Absorbtia de energie nu depinde de compozitia chimica a substantelor absorbante ci de cantitatea de substanta. Astfel, cea mai mare parte din energia incidenta va fi absorbita de componentele care ocupa cea mai mare parte din volumul celulei - apa. Se stie ca majoritatea organismelor vii au în compozitia lor un procent mare de apa. La om si la mamifere el ajunge, în anumite tesuturi (muschi, creier) la 85%. Astfel, energia radiatiei ionizante patrunse în organism este absorbita în principal de moleculele de apa.

Radioliza apei are efect biologic indirect datorita radicalilor liberi precum H· si OH·, H₂O₂ si alti oxizi organici, care se formeaza. Acestia, datorita potentialului chimic foarte mare, intra în reactie si modifica structura chimica a macromoleculelor esentiale pentru celule (proteine, acizi nucleici, enzime etc).

Macromoleculele pot fi supuse actiunii radiatiilor si în mod direct, dar posibilitatea ca ele sa absoarba direct energia radiatiei care patrunde în celula este mica.

Radicalii liberi formati pot determina afectarea atât a cromozomilor (moleculele de AND) cât si a proteinelor citoplasmatice. Modificarile enzimelor (directe sau indirecte) pot duce la aparitia unor metaboliti cu actiune mutagena determinând modificari genetice ce se transmit la descendenti.

Eficienta radicalilor liberi care apar prin radioliza apei este limitata la timpul scurt de viata a acestora. Ei traiesc numai 2·10^-7 s, timp în care pot parcurge o distanta de 30-50 . Fata de celula ca întreg si chiar fata de spatiile intercelulare, aceasta distanta este relativ mica, ceea ce arata ca sfera de influenta a efectelor directe si indirecte este destul de limitata.

Prezenta oxigenului dizolvat în apa, duce la aparitia radicalului hidroxilic oxidat ·HO₂, de asemenea, H₂O₂ si hidroxizi organici stabili. Compusii peroxidati au timp de viata mai lung si, astfel, sunt mai nocivi.

Efectivitatea biologica relativa (factorul de calitate Q) reprezinta raportul dintre energia absorbita de un tesut la o anumita doza de iradiere raportata la energia absorbita de acelasi tesut la iradierea cu aceeasi doza de radiatie standard (radiatie X de 200 KeV). Pentru radiatia X, g sau b, Q = 1, pentru neutronii termici Q = 5, pentru neutronii rapizi si protoni Q este 10 iar pentru a este 20.

Un organism viu, pus în variate conditii de mediu, poate reactiona diferit la aceeasi doza de iradiere. Reactia celulelor la iradiere depinde de proprietatile lor interne (grad de oxigenare, de hidratare, pH, grad de diferentiere), de existenta unor sisteme de aparare naturala (echipamente enzimatice implicate în refacerea structurilor lezate).

Pentru aprecierea efectelor radiatiilor ionizante, se folosesc mai multe marimi si unitati, prezentate în tabelul de la sfârsitul cursului.

PROTECŢIA ÎMPOTRIVA RADIAŢIILOR

Doza maxima admisibila (DMA)

Comisia Internationala pentru Protectia împotriva Radiatiilor Ionizante (CIPR) stabileste valoarea DMA anuala, ca doza totala pe care o poate primi un om într-un an fara a suferi leziuni observabile (nu se tine cont de efectele genetice). Exista o evaluare stabilita a DMA pentru fiecare organ sau tesut în parte. Cele mai radiosensibile organe la om sunt maduva hematogena si gonadele (tesuturi cu grad mic de diferentiere si rata mare a diviziunilor celulare). DMA anuala este de 5 mSv an, doza valabila si pentru gonade. Pentru oase si tiroida doza este 30 mSv/an.

Din fondul natural de radiatii se absoarbe 1 mSv/an, iar din cel artificial, generat de surse create de om, 0.2 mSv/an. O radiografie abdominala  produce 6.2 mSv, iar una pulmonara 0.27 mSv. O doza de 6 Sv duce la moarte în decurs de o luna.

Pentru diminuarea efectelor radiatiilor ionizante se pot utiliza 2 categorii de metode: metode fizice si metode chimice

Protectia fizica se realizeaza prin:

- marirea distantei fata de sursa

- micsorarea timpului petrecut în apropierea sursei

- utilizarea de ecrane protectoare

Protectia fata de radiatiile a se poate face cu o simpla foaie de hârtie, sau un strat de 0.5 cm de apa. Fata de radiatiile b protectia se realizeaza cu ecrane de plastic si Al, iar fata de X si g se poate face doar partial cu ecrane de Pb. În cazul neutronilor sunt necesare mai multe straturi protectoare: primul format din apa, D₂O (apa grea) si grafit are rol de moderator cu ajutorul caruia sunt încetiniti neutronii; al doilea strat este format din bare de cadmiu, pentru absorbtia neutronilor termici; al treilea - ecrane de Pb pentru absorbtia radiatiilor g produse în primele straturi.

În cazul surselor mixte sunt necesare ecrane mixte: pentru b g se utilizeaza ecrane cu un prim strat de plastic sau Al (se absorb mai întâi radiatiile b, care sunt electroni sau pozitroni accelerati, si un al doilea de Pb pentru a absorbi radiatiile g

Protectia chimica

Se realizeaza cu ajutorul unor substante chimice radioprotectoare care se administreaza înaintea iradierii si care maresc radiorezistenta organismului. Au drept scop diminuarea în special a actiunii indirecte a radicalilor liberi prin anihilarea acestora. Trebuie sa produca urmatoarele modificari:

- sa micsoreze continutul în apa, mai ales în organele radiosensibile

- sa micsoreze temperatura organismului si sa diminueze metabolismul

- sa diminueze cantitatea de oxigen intra si extracelular, mai ales în organele radiosensibile

- sa inhibe sau sa fixeze radicalii liberi (vânatori de radicali liberi)

- sa împiedice organele integratoare din organism (sistemul circulator) sa amplifice efectele.

Exista doua mari clase de radioprotectori:

- hidrosolubili - compusi cu sulf (cisteamina HS-CH₂-CH₂-NH₂) cu formula generala M-SH. Reactiile chimice de anihilare a radicalilor liberi sunt:

M-SH + R· RH + MS·

MS· + MS· MS-SM

- liposolubili (derivati ai pirogalolului si naftolului) care diminueaza concentratia oxigenului intra si extracelular, împiedicând formarea peroxizilor lipidici.

Alte substante radioprotectoare sunt vitaminele, hormonii, histamina, serotonina.

Administrarea de Iod la populatiile ce urmeaza sa fie expuse la nivele crescute de radiatii atmosferice are rolul de a împiedica prin competitie acumularea la nivelul tiroidei a Iodului radioactiv ce contamineaza alimentele si apa potabila din zonele cu nivele ridicate de radioactivitate.

MĂRIMI FOLOSITE ÎN RADIOBIOLOGIE sI MEDICINA NUCLEARĂ

* In conditii normale în aer, 1 R produce 2,1 x 10⁹ perechi ion-electron pe cm³