Сторінка
5

Іонізуючі випромінювання

Протони, подібно альфа-частинкам, теж належать до іонізуючих з великою щільністю іонізації, однак якщо їхня енергія дуже висока, ВБЕ їх може бути нижче одиниці. ВБЕ протонів високої і надвисокої енергії становить інтерес для дослідників тому, що з них, мабуть, складається внутрішній радіаційний пояс Землі і вони становлять 80% частинок первинного космічного випромінювання, що приходять на Землю зі світового простору.

Для вищих тварин і людини смертельна доза при опроміненні усього тіла рентгенівськими чи гамма - променями дорівнює 600 .800 рад, що означає поглинання в 1 мм3 тканині енергії 6·104…8·104 ерг – кількості енергії, при перетворенні якої у тепло, могло б підняти температуру тіла усього на 0,0020С. Таке незначне підвищення температури ніяк не повинно було б уплинути на життєві процеси. Це означає, що при поглинанні, здавалося б, незначної по абсолютній величині енергії іонізуючого випромінювання в організмі починається послідовний ряд фізико-хімічних, біохімічних і фізіологічних процесів, які підсилюють первинний ефект та в кінцевому рахунку приводить до загибелі організму.

Можна було б припустити, що іонізація торкається значної частини молекул, з яких складається тваринна чи рослинна клітина. Розрахунок показує, що це не так. При опроміненні тканини дозою в 1 рад в 1 мкм3 утворюється приблизно дві іонізовані молекули. Об’єм клітини складає приблизно 500 мкм3. Отже, при такій дозі опромінення в клітині утвориться до 1 000 іонізованих молекул, а при смертельній дозі для тварини – 600 рад, у клітині виникає 1 млн. іонізованих молекул. На перший погляд таке число здається значною величиною, але якщо врахувати, що клітина складається приблизно з 1012 молекул, то вийде, що при смертельній дозі первісні зміни відбуваються тільки в одній молекулі з мільйона. З цього можна заключити, що після опромінення вступають у дію механізми, які підсилюють первісні зміни. Говорячи приблизно і схематично, перші фізико-хімічні реакції в організмі служать як би поштовхом і для запуску наступних процесів, що ведуть у кінцевому результаті до променевого ураження організму.

Стадію впливу випромінювання на біологічні об'єкти, що приводить до утворення іонів і збуджених молекул, можна назвати фізичною. Тривалість її коротка – 10-16 с. За нею йде фізико-хімічна стадія тривалістю – 10-11 с.

Не можна випустити з уваги, що не всі молекули в клітині мають однакові значення для її життєдіяльності і нормальний хід біологічних процесів у ній може бути обумовлений невеликим числом молекул деяких речовин, а також цілісністю внутрішньоклітинних структур.

Розглянемо хімічну дію іонізуючого випромінювання.

Головною складовою частиною всіх живих організмів, у яких йдуть інтенсивно процеси обміну речовин, є вода. Людський організм містить приблизно 65…85% води, деякі органи його тіла – до 90% води. Тому увага радіо біологів притягнута до пошуків відповіді на те, що відбувається у воді і водяних розчинах під впливом іонізуючого випромінювання. Це складає предмет дослідження радіаційної хімії води.

Розглянемо, що теоретично може відбутися при опроміненні чистої води. Дослідження свідчать: молекули води будуть іонізуватися. Вони втрачають електрон і перетворюються в позитивний іон. Записати цю реакцію можна так:

іонізуюче випромінювання (hν) → Н2О → Н2О+ + електрон (е-).

Електрон, що відлітає, взаємодіє з нейтральною молекулою води і перетворює її в негативний іон – Н2О–. Іони такого роду вкрай хитливі. Цим іони Н2О+ і Н2О– відрізняються від іонів Н+ і ОН–, що утворюються при електричній дисоціації молекул води. Продуктом розщеплення іонів Н2О+ і Н2О– є вільні радикали. При розщепленні іонів води утворюються радикали ОН• та ОН– (крапка в хімічного символу означає, що даний атом чи група атомів є вільним радикалом).

Якщо ж електрон знову приєднається до тієї молекули, відкіля спочатку вилетів, молекула знову стане електронейтральною, але перейде в сильно збуджений стан. Надлишкова енергія буде витрачена на розщеплення молекули з утворенням вільних радикалів.

Отже, при впливі іонізуючого випромінювання на чисту воду виникають вільні радикали Н• і ОН•; де Н• – атомарний водень. У такому стані атом водню може існувати тільки дуже короткий час – порядку 10-5…10-6 с. У цей термін два атоми водню з'єднаються разом, утворюючи молекулу водню, або вільні радикали, що виникають при розщепленні молекули, Н• і ОН• з'єднуються, створивши знову молекулу води, або Н• втратить електрон, віддавши його іншому атому, і перетвориться в іон Н+, чи нарешті, якщо у воді розчинене яка-небудь речовина, Н• може приєднатися до нього. Настільки ж хитливий і вільний радикал ОН•. У цій сукупності атомів одна валентність кисню зв'язана з воднем, а інша залишається незайнятою. Для перетворення в стійке з'єднання необхідне заміщення вільної валентності в радикалі ОН•. Потрібно, щоб непарний електрон став парним і в молекулі, що утворилася, було б парне число електронів.

Радикал ОН• може виникати у воді без участі іонізуючого випромінювання по ходу хімічної реакції (наприклад, окислювання перекисом водню двовалентного заліза в тривалентне). Вільний радикал хімічно дуже активний.

При наявності у воді розчиненого кисню найбільш ймовірними будуть наступні реакції:

іонізуюче випромінювання (hν) → Н2О + О2 → ОН• + НО2

або – Н•+О2→НО2.

Таким чином, розщеплення води, у якій є розчинений кисень, йде з утворенням молекул НО2. У рідинах організму, як правило, існує розчинений кисень, тому утворення молекул НО2 є першою ступінню перетворення енергії іонізуючого випромінювання в енергію хімічних реакцій.

Молекули НО2, з'єднуючись, перетворюються в перекис водню і кисень НО2+НО2→Н2О2+О2.

При наявності у воді розчиненого з'єднання НО2, – гідропероксиду, у силу своїх властивостей, буде віднімати електрон від іншого з'єднання, перетворюючи його в іон НО-2 а останній у всіх розчинах, за винятком лугових, переходить у перекис водню: НО-2+Н+→Н2О2.

Таким чином, при опроміненні води, у якій розчинений кисень, повинна утворюватися перекис водню. Це дійсно відбувається при опроміненні такої води рентгенівськими та гамма-променями. Перекис водню, що утворився, можна кількісно визначити хімічними методами.

Перекис водню утворюється й у чистій воді, у якій не розчинений кисень, але у вимірних кількостях тільки при опроміненні її альфа-частинками або протонами, тобто випромінюванням з великою щільністю іонізації. У цьому випадку радикали ОН• утворюються в безпосередній близькості один від одного, тому найбільш ймовірною стає реакція з'єднання цих радикалів: ОН•+ОН•→Н2О2.