۱۱.۷: اثرات بیولوژیکی تابش

Last updated
Save as PDF

Page ID: 216189

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)

\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)

\( \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum\limits} \)

\( \newcommand{\dint}{\displaystyle\int\limits} \)

\( \newcommand{\dlim}{\displaystyle\lim\limits} \)

\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)

\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)

\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)

\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)

\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)

\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)

\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)

\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)

\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)

\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)

\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)

\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)

\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)

\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)

\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)

\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)

\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)

\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)

\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)

\(\newcommand{\longvect}{\overrightarrow}\)

\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)

\(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)

اهداف یادگیری

در پایان این بخش، شما قادر خواهید بود:

تأثیر بیولوژیکی تابش یونیزان را توصیف کنید
تعریف واحد برای اندازه گیری قرار گرفتن در معرض تابش
توضیح عملکرد ابزارهای رایج برای تشخیص رادیواکتیویته
فهرست منابع رایج قرار گرفتن در معرض تابش در ایالات متحده

افزایش استفاده از رادیوایزوتوپها منجر به افزایش نگرانیها در مورد اثرات این مواد بر سیستمهای بیولوژیکی (مانند انسان) شده است. تمام هسته های رادیواکتیو ذرات پر انرژی یا امواج الکترومغناطیسی را منتشر می کنند. هنگامی که این تابش با سلول های زنده برخورد می کند، می تواند باعث گرم شدن، شکستن پیوندهای شیمیایی یا یونیزه شدن مولکول ها شود. جدی ترین آسیب بیولوژیکی هنگامی رخ می دهد که این انتشار رادیواکتیو مولکول ها را قطعه قطعه یا یونیزه کند. به عنوان مثال، ذرات آلفا و بتا که از واکنش های واپاشی هسته ای ساطع می شوند، انرژی بسیار بالاتری نسبت به انرژی های پیوند شیمیایی معمولی دارند. هنگامی که این ذرات به ماده برخورد می کنند و نفوذ می کنند، یون ها و قطعات مولکولی تولید می کنند که بسیار واکنش پذیر هستند. آسیبی که این امر به بیومولکول ها در موجودات زنده وارد می کند می تواند باعث نقص های جدی در فرایندهای طبیعی سلول شود، از مکانیسم های ترمیم ارگانیسم مالیات می گیرد و احتمالاً باعث بیماری یا حتی مرگ می شود (شکل). \(\PageIndex{1}\)

یک نمودار نشان داده شده است که دارای یک کره سفید است که به دنبال آن یک پیکان سمت راست و یک کره بزرگ متشکل از بسیاری از کره های سفید و سبز کوچکتر است. کره منفرد بر کره بزرگتر تأثیر گذاشته است. یک پیکان سمت راست از کره بزرگتر به یک جفت کره کوچکتر منتهی می شود که مجموعه ای از همان کره های سفید و سبز هستند. یک الگوی ستاره‌زایی در میان این دو کره قرار دارد و دارای سه پیکان راست‌رو به جلو است که از آن به دو کرهٔ سفید منتهی می‌شود و دایره‌ای پر از ده دایرهٔ کوچک‌تر و هلویی رنگ با نقطه‌های بنفش در مرکزانشان دارد. یک پیکان از این دایره به سمت پایین به جعبه ای منتهی می شود که حاوی یک شکل مارپیچ با یک ستاره در نزدیکی سمت چپ بالای آن است و برچسب «D N A damage» دارد. یک پیکان سمت راست از این دایره به دایره دوم منتهی می شود، با 9 دایره کوچکتر، هلویی رنگ با نقاط بنفش در مراکز آنها و یک دایره کوچک کاملاً بنفش با برچسب «سلول سرطانی». یک پیکان رو به راست منجر به یک دایره نهایی می شود، این بار پر از سلول های بنفش، که برچسب «تومور» است. — شکل\(\PageIndex{1}\): تابش می تواند با آسیب رساندن به DNA سلول ها به سیستم های بیولوژیکی آسیب برساند. اگر این آسیب به درستی ترمیم نشود، سلول ها ممکن است به صورت کنترل نشده تقسیم شوند و باعث سرطان شوند.

تابش یونیزه کننده و غیر یونیزه

تفاوت زیادی در میزان اثرات بیولوژیکی تابش غیر یونیزه کننده (به عنوان مثال، نور و مایکروویو) و تابش یونیزه وجود دارد، انتشار گازهای گلخانه ای به اندازه کافی پر انرژی برای از بین بردن الکترون ها از مولکول ها (به عنوان مثال، ذرات α و β، اشعه γ، اشعه ایکس و اشعه ماوراء بنفش با انرژی بالا) (شکل). \(\PageIndex{2}\)

یک نمودار دارای دو بخش عمودی است. بخش بالایی دارای دو فلش راست رو به جلو، افقی است که به ترتیب با برچسب «افزایش انرژی، E» و «افزایش فرکانس، نماد رو» برچسب گذاری شده اند. یک فلش افقی رو به چپ زیر دو فلش اول قرار دارد و با برچسب «افزایش طول موج، نماد لامبدا» نامگذاری شده است. با شروع در سمت چپ نمودار، یک خط افقی و سینوسی شروع می شود و در سراسر نمودار به سمت راست حرکت می کند و به طور فزاینده ای فشرده تر می شود. بخش پایین نمودار دارای یک فلش افقی دو طرفه در امتداد بالای آن است که انتهای چپ آن به رنگ قرمز کشیده شده و برچسب «غیر یونیزه کننده» دارد و انتهای سمت راست آن به رنگ سبز کشیده شده و برچسب «یونیزه کننده» دارد. در زیر این مجموعه ای از اصطلاحات وجود دارد که از چپ به راست به عنوان «پخش و رادیو بی سیم»، «مایکروویو»، «تراهرتز»، «مادون قرمز»، «نور مرئی»، «اشعه ماوراء بنفش»، «اشعه ایکس» و «گاما» خوانده می شود. چهار ستون در زیر این ردیف اصطلاحات قرار دارند. اولی شامل عبارات «غیر حرارتی» و «القای جریانهای کم» است در حالی که دومی «حرارتی» و «القای جریانهای زیاد، گرمایش» را می خواند. سوم شامل عبارات «نوری» و «الکترونها، عکس، خط تیره، اثرات شیمیایی را تحریک می کند» در حالی که چهارم «پیوندهای شکسته» و «آسیب D N A.» مجموعه ای از اصطلاحات در زیر این ستون ها از چپ به راست خوانده می شوند، «میدان استاتیک»، «خط برق»، «رادیو M»، «رادیو F M»، «اجاق مایکروویو»، «لامپ حرارتی»، «غرفه برنزه» و «پزشکی X، اشعه داش». — شکل\(\PageIndex{2}\): فرکانس پایین تر، تابش الکترومغناطیسی کم انرژی غیر یونیزه کننده است و فرکانس بالاتر، تابش الکترومغناطیسی با انرژی بالاتر یونیزه می شود.

انرژی جذب شده از تابش غیر یونیزه سرعت حرکت اتم ها و مولکول ها را افزایش می دهد که معادل گرم کردن نمونه است. اگرچه سیستم های بیولوژیکی به گرما حساس هستند (همانطور که ممکن است از دست زدن به اجاق داغ یا گذراندن یک روز در ساحل در زیر نور خورشید بدانیم)، مقدار زیادی تابش غیر یونیزه کننده قبل از رسیدن به سطح خطرناک ضروری است. با این حال، پرتوهای یونیزان ممکن است با شکستن پیوندها یا از بین بردن الکترون ها در مولکول های بیولوژیکی آسیب بسیار شدیدتری ایجاد کنند و ساختار و عملکرد آنها را مختل کنند. آسیب همچنین می تواند به طور غیرمستقیم انجام شود، ابتدا با یونیزه کردن H ₂ O (فراوان ترین مولکول موجود در موجودات زنده)، که یک یون H ₂ O ⁺ را تشکیل می دهد که با آب واکنش می دهد و یک یون هیدرونیوم و یک رادیکال هیدروکسیل تشکیل می دهد:

از آنجا که رادیکال هیدروکسیل دارای یک الکترون جفت نشده است، بسیار واکنش پذیر است. (این در مورد هر ماده ای با الکترون های جفت نشده، که به عنوان رادیکال آزاد شناخته می شود، صادق است.) این رادیکال هیدروکسیل می تواند با انواع مولکول های بیولوژیکی (DNA، پروتئین ها، آنزیم ها و غیره) واکنش نشان دهد و باعث آسیب به مولکول ها و اختلال در فرآیندهای فیزیولوژیکی شود. نمونه هایی از آسیب مستقیم و غیر مستقیم در شکل 21.32 نشان داده شده است.

دو جفت تصویر نشان داده شده و برچسب «a» و «b» دارند. در جفت اول، یک ساختار مارپیچ در سمت چپ با یک ستاره در سمت راست میانی آن توسط یک پیکان سمت راست به کره ای متشکل از کره های سبز و سفید کوچکتر متصل می شود. یک پیکان به سمت کره از سمت چپ بالا اشاره می کند و یک پیکان رو به پایین از کره به یک دایره کوچک با علامت منفی منتهی می شود. در جفت دوم از تصاویر، یک فلش به یک مولکول آب منجر می شود در حالی که یک فلش رو به پایین از آن به یک دایره کوچک با بار منفی نوشته شده بر روی آن هدایت می شود. یک شکل مارپیچ با انفجار ستاره ای در سمت راست وسط به سمت راست کشیده می شود و یک پیکان رو به بالا از معادله زیر به آن منتهی می شود «H، زیرنویس 2، O، به علاوه علامت، تابش، فلش عملکرد، H، زیرنویس 2، O، علامت فوق به علاوه علامت، به علاوه علامت، e، علامت منفی بالا، فلش رو به پایین، H، زیرنویس 2، O، علامت فوق به علاوه علامت، H, زیرنویس2, O, پیکان سمت راست, H, زیرنویس3, O, بالا خط به علاوه علامت, به علاوه علامت, O H, علامت منفی بالای خط. در زیر این معادله عبارت «اثر غیرمستقیم» قرار دارد. — _{شکل 21.32 تابش یونیزه می تواند (الف) به طور مستقیم با یونیزه کردن آن یا شکستن پیوندهای آن به یک بیومولکول آسیب برساند، یا (ب) یک یون H _{2 O ⁺ ایجاد کند که با H 2} O واکنش می دهد و یک رادیکال هیدروکسیل تشکیل می دهد، که به نوبه خود با بیومولکول واکنش می دهد و باعث آسیب غیر مستقیم می شود.}

اثرات بیولوژیکی قرار گرفتن در معرض تابش

تابش می تواند به کل بدن (آسیب جسمی) یا تخم مرغ و اسپرم (آسیب ژنتیکی) آسیب برساند. اثرات آن در سلول هایی که به سرعت تولید مثل می شوند، مانند پوشش معده، فولیکول های مو، مغز استخوان و جنین ها بیشتر است. به همین دلیل است که بیماران تحت پرتودرمانی اغلب احساس تهوع یا بیماری در معده خود می کنند، موهای خود را از دست می دهند، درد استخوان دارند و غیره، و به همین دلیل هنگام پرتودرمانی در دوران بارداری باید مراقبت های ویژه ای انجام شود.

انواع مختلف تابش توانایی های مختلفی برای عبور از مواد دارند (شکل\(\PageIndex{3}\)). یک مانع بسیار نازک، مانند یک یا دو ورق کاغذ یا لایه بالایی سلول های پوست، معمولا ذرات آلفا را متوقف می کند. به همین دلیل، منابع ذرات آلفا معمولاً در خارج از بدن خطرناک نیستند، اما در صورت بلعیدن یا استنشاق بسیار خطرناک هستند (به ویژگی شیمی در زندگی روزمره در قرار گرفتن در معرض رادون مراجعه کنید). ذرات بتا از طریق یک دست یا یک لایه نازک از مواد مانند کاغذ یا چوب عبور می کنند، اما توسط یک لایه نازک فلز متوقف می شوند. پرتو گاما بسیار نافذ است و می‌تواند از لایه ضخیمی از بیشتر مواد عبور کند. برخی از پرتوهای گاما با انرژی بالا قادر به عبور از چند فوت بتن هستند. برخی از عناصر متراکم و با عدد اتمی بالا (مانند سرب) می توانند به طور موثری تابش گاما را با مواد نازک تر کاهش دهند و برای محافظت استفاده می شوند. توانایی انواع مختلف انتشار برای ایجاد یونیزاسیون بسیار متفاوت است و برخی از ذرات تقریباً تمایلی به تولید یونیزاسیون ندارند. ذرات آلفا حدود دو برابر قدرت یونیزاسیون نوترونهای سریع، حدود 10 برابر ذرات β و حدود 20 برابر پرتوهای γ و اشعه ایکس دارند.

نمودار چهار ذره را در یک ستون عمودی در سمت چپ نشان می دهد، به دنبال آن یک ورق کاغذ قائم، دست یک فرد، یک ورق فلزی قائم، یک لیوان آب، یک بلوک ضخیم بتن و یک قطعه سرب قائم و ضخیم قرار دارد. ذره برتر فهرست شده از دو کره سفید و دو کره سبز تشکیل شده است که با نشانه های مثبت برچسب گذاری شده اند و برچسب «آلفا» دارند. یک پیکان رو به راست از این به کاغذ منتهی می شود. ذره دوم یک کره قرمز رنگ است که برچسب «بتا» دارد و به دنبال آن یک پیکان سمت راست است که از کاغذ عبور می کند و در دست متوقف می شود. ذره سوم یک کره سفید با برچسب «نوترون» است و به دنبال آن یک پیکان سمت راست است که از کاغذ، دست و فلز عبور می کند اما در لیوان آب متوقف می شود. ذره چهارم با یک فلش مکیده نشان داده می شود و از تمام مواد عبور می کند اما در سرب متوقف می شود. اصطلاحات در پایین، از چپ به راست عبارت بودند از: «کاغذ»، «فلز»، «آب»، «بتن» و «سرب». — شکل\(\PageIndex{3}\): توانایی انواع مختلف تابش برای عبور از مواد نشان داده شده است. از کمترین تا بیشترین نفوذ، آنها آلفا < بتا < نوترون < گاما هستند.

شیمی در زندگی روزمره: قرار گرفتن در معرض رادون

برای بسیاری از مردم، یکی از بزرگترین منابع قرار گرفتن در معرض تابش از گاز رادون (Rn-222) است. رادون 222 یک ساطع کننده α با نیمه عمر 3.82 روز است. این یکی از محصولات سری فروپاشی رادیواکتیو U-238 (شکل 21.9) است که در مقادیر کم در خاک و سنگ یافت می شود. گاز رادون که تولید می شود به آرامی از زمین فرار می کند و به تدریج به خانه ها و سایر سازه های بالا نفوذ می کند. از آنجا که حدود هشت برابر متراکم تر از هوا است، گاز رادون در زیرزمین ها و طبقه های پایین تجمع می یابد و به آرامی در سراسر ساختمان ها پخش می شود (شکل). \(\PageIndex{4}\)

یک تصویر برش خورده از کنار یک خانه و چهار لایه زمین که بر روی آن قرار دارد، و همچنین یک تصویر برش دوم از حفره سر و قفسه سینه یک فرد نشان داده شده است. خانه با یک سرویس بهداشتی در طبقه دوم و زیرزمین با آبگرمکن به عنوان طبقه اول نشان داده شده است. فلش های سبز از پایین ترین لایه زمین، با برچسب «رادون در آب های زیرزمینی»، از لایه سوم زمین، با برچسب «سنگ بستر» و «سنگ بستر شکسته»، از لایه دوم، با برچسب «رادون در آب چاه» و از لایه بالا، برچسب «رادون در خاک به داخل منطقه زیرزمین. در تصویر کوچکتر تنه، یک پیکان سبز نشان داده شده است که وارد مجرای بینی فرد شده و به ریه ها سفر می کند. این برچسب «استنشاق محصولات پوسیدگی رادون» است. یک ساختار مارپیچ کوچک و مارپیچ در کنار تنه با برچسب «ذره آلفا» در یک بخش که در آن الگوی انفجار ستاره ای دارد و «آسیب تابش به DN A» در بخش دیگر برچسب گذاری شده است. — شکل\(\PageIndex{4}\): رادون 222 از سنگ هایی که حاوی اورانیوم 238، ساطع کننده رادون است، به خانه ها و ساختمان های دیگر نفوذ می کند. رادون از طریق ترک های پایه های بتونی و کف زیرزمین، پایه های سنگی یا متخلخل سیندربلاک و دهانه های لوله های آب و گاز وارد می شود.

رادون در ساختمان های سراسر کشور یافت می شود و مقدار آن بستگی به محل زندگی شما دارد. میانگین غلظت رادون در داخل خانه ها در ایالات متحده (1.25 pci/L) حدود سه برابر سطح موجود در هوا است و حدود یک خانه از شش خانه دارای سطح رادون به اندازه کافی بالا است که تلاش برای کاهش غلظت رادون توصیه می شود. قرار گرفتن در معرض رادون خطر ابتلا به سرطان (به ویژه سرطان ریه) را افزایش می دهد و سطح بالای رادون می تواند به اندازه کشیدن یک کارتن سیگار در روز برای سلامتی مضر باشد. رادون علت شماره یک سرطان ریه در افراد غیر سیگاری و دومین علت اصلی سرطان ریه به طور کلی است. اعتقاد بر این است که قرار گرفتن در معرض رادون باعث مرگ بیش از 20,000 در سال در ایالات متحده می شود.

اندازه گیری قرار گرفتن در معرض تابش

چندین دستگاه مختلف برای تشخیص و اندازه گیری تابش استفاده می شود، از جمله شمارنده گایگر، شمارنده سوسوزن (سوسوزن) و دزیمترهای تابش (شکل). \(\PageIndex{5}\) احتمالاً شناخته شده ترین ابزار تابش، شمارنده گایگر (که شمارنده گایگر مولر نیز نامیده می شود) تابش را تشخیص و اندازه گیری می کند. تابش باعث یونیزاسیون گاز در یک لوله Geiger-Müller می شود. میزان یونیزاسیون متناسب با میزان تابش است. یک شمارنده سوسوزن حاوی یک سوسوزن است - ماده ای که هنگام تحریک توسط تابش یونیزه کننده نور (لومینسانس) ساطع می کند - و یک سنسور که نور را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. دزیمترهای تابشی همچنین تابش یونیزان را اندازه گیری می کنند و اغلب برای تعیین قرار گرفتن در معرض تابش شخصی استفاده می شوند. انواع متداول مورد استفاده دزیمترهای الکترونیکی، نشان فیلم، ترمولومینسانس و فیبر کوارتز هستند.

سه عکس نشان داده شده و برچسب های «a»، «b» و «c» دارند. عکس a یک شمارنده گایگر را نشان می دهد که روی یک میز نشسته است. این از یک جعبه فلزی با صفحه نمایش خواندن و یک سیم دور از جعبه متصل به یک سنسور ساخته شده است. عکس b مجموعه ای از لوله های عمودی بلند و کوتاه را نشان می دهد که در یک گروه قرار گرفته اند در حالی که عکس c دست یک فرد را نشان می دهد که یک ماشین کوچک با بازخوانی دیجیتال را در حالی که در لبه یک جاده ایستاده است، نگه داشته است. — شکل\(\PageIndex{5}\): دستگاه هایی مانند (الف) شمارنده های گایگر، (ب) سوسوزن ها و (ج) دزیمترها می توانند برای اندازه گیری تابش استفاده شوند. (اعتبار c: اصلاح کار توسط «osamu» /ویکی مدیا)

واحدهای مختلفی برای اندازه گیری جنبه های مختلف تابش استفاده می شود (شکل\(\PageIndex{6}\)). واحد SI برای نرخ واپاشی رادیواکتیو بکرل (Bq) است که 1 Bq = 1 تجزیه در ثانیه است. کوری (Ci) و میلیکوری (MCi) واحدهای بسیار بزرگتری هستند و اغلب در پزشکی استفاده می شوند (1 کوری = 1 CI = 3.7 10 ¹⁰ تجزیه در ثانیه). واحد SI برای اندازه گیری دوز تابش، خاکستری (Gy) است که 1 گری = 1 ژول انرژی جذب شده به ازای هر کیلوگرم بافت است. در کاربردهای پزشکی، دوز جذب شده تابش (rad) بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد (1 راد = 0.01 Gy؛ 1 rad منجر به جذب 0.01 J/kg بافت می شود). واحد SI اندازه گیری آسیب بافت ناشی از تابش، سیورت (Sv) است. این امر هم انرژی و هم اثرات بیولوژیکی نوع تابش درگیر در دوز تابش را در نظر می گیرد. معادل رونتگن برای انسان (rem) واحد آسیب پرتوی است که بیشتر در پزشکی استفاده می شود (100 rem = 1 Sv). توجه داشته باشید که واحدهای آسیب بافتی (rem یا Sv) شامل انرژی دوز تابش (rad یا Gy) همراه با یک عامل بیولوژیکی به نام RBE (برای اثربخشی بیولوژیکی نسبی) است که اندازه گیری تقریبی آسیب نسبی انجام شده توسط تابش است. این موارد مرتبط با:

\[\text { number of rems }=\mathrm{RBE} \times \text { number of rads }\]

با RBE تقریباً 10 برای تابش α، 2 (+) برای پروتون ها و نوترون ها و 1 برای تابش β و γ.

دو تصویر نشان داده شده است. اولی که با عنوان «میزان واپاشی رادیواکتیو اندازه گیری شده در بکرل یا کوری» نامگذاری شده است، یک کره قرمز رنگ را نشان می دهد که ده فلش قرمز مایل به دور از آن در یک دایره 360 درجه قرار دارد. تصویر دوم سر و نیم تنه زنی را نشان می‌دهد که اسکراب طبی به تن دارد و نشان بر سینه دارد. در عنوان نشان آمده است: «نشان فیلم یا دزیمتر میزان آسیب بافت را در لبه ها یا سیورت ها اندازه گیری می کند» در حالی که عبارتی در زیر این تصویر آمده است «دوز جذب شده اندازه گیری شده در خاکستری یا راد». — شکل\(\PageIndex{6}\): واحدهای مختلفی برای اندازه گیری میزان انتشار از یک منبع رادیواکتیو، انرژی جذب شده از منبع و میزان آسیب تابش جذب شده استفاده می شود.

واحد اندازه گیری تابش

جدول واحدهای مورد استفاده برای اندازه گیری تابش \(\PageIndex{1}\) را خلاصه می کند.

جدول\(\PageIndex{1}\): واحدهای مورد استفاده برای اندازه گیری تابش
هدف اندازه گیری	واحد	مقدار اندازه گیری شده	توضیحات
فعالیت منبع	بکرل (Bq)	واپاشی رادیواکتیو یا انتشارات	مقدار نمونه ای که تحت 1 واپاشی در ثانیه قرار می گیرد
فعالیت منبع	کوری (CI)	واپاشی رادیواکتیو یا انتشارات	مقدار نمونه ای که تحت 3.7 10 ¹⁰ داسی/ثانیه قرار می گیرد
دوز جذبی	خاکستری (Gy)	انرژی جذب شده در هر کیلوگرم بافت	1 گری = 1 J/کیلوگرم بافت
دوز جذبی	دوز جذب تابش (راد)	انرژی جذب شده در هر کیلوگرم بافت	1 راد = 0.01 J/کیلوگرم بافت
دوز موثر بیولوژیکی	سیورت (Sv)	آسیب بافتی	Sv = RBE گری
دوز موثر بیولوژیکی	معادل رونتگن برای انسان (rem)	آسیب بافتی	REM = RBE راد

مثال\(\PageIndex{1}\): میزان تابش

کبالت-۶۰ (\(t_{1/2} = 5.26~ y\)) در درمان سرطان استفاده می‌شود زیرا پرتوهای گامای که از خود ساطع می‌کند می‌تواند در مناطق کوچکی که سرطان در آن قرار دارد متمرکز شود. یک نمونه 5.00 گرمی از Co-60 برای درمان سرطان در دسترس است.

فعالیت آن در Bq چیست؟
فعالیت آن در Ci چیست؟

راه حل

فعالیت توسط:

\[\text { Activity }=\lambda N=\left(\frac{\ln 2}{t_{1 / 2}}\right) N=\left(\frac{\ln 2}{5.26 \mathrm{y}}\right) \times 5.00 \mathrm{~g}=0.659 \frac{\mathrm{~g}}{\mathrm{y}} \text { of Co }-60 \text { that decay } \nonumber\]

و برای تبدیل این به واپاشی در ثانیه:

\ [\ begin {aligned}
& 0.659\ frac {\ mathrm {~g}} {\ mathrm {y}}\ times\ frac {~d}}\ times\ frac {~ d}} {24\ mathrm {~h}}\ times\ frac {~ d}} {24\ mathrm {~h}}\ times\ frac {1\ mathrm {~h} m {~h}} {3600\ mathrm {~s}}\ times\ frac {1\ mothrm {~mol}} {59.9\ mole {~g}}\ بار\ frac {6.02\ بار 10^ {23}\ text {اتم}} {1\ mol}\ times\ frac {1\ text {واپاشی} {1\ mol} text {atom}}\\ & =2.10\ times 10^ {14}\ frac {\ text {decay}} {\ mathrm {s}}\ end {تراز شده}\nشماره\]

از آنجا \(1 \mathrm{~Bq}=\frac{1 \text { decay }}{\mathrm{s}}\) که فعالیت در بکرل (Bq) عبارت است از: \[2.10 \times 10^{14} \frac{\text { decay }}{\mathrm{s}} \times\left(\frac{1 \mathrm{~Bq}}{1 \frac{\text { decay }}{\mathrm{s}}}\right)=2.10 \times 10^{14} \mathrm{~Bq} \nonumber\]
از آنجا \(1 \mathrm{Ci}=\frac{3.7 \times 10^{11} \text { decay }}{\mathrm{s}}\) که فعالیت در کوری (Ci) عبارت است از: \[2.10 \times 10^{14} \frac{\text { decay }}{\mathrm{s}} \times\left(\frac{1 \mathrm{Ci}}{\frac{3.7 \times 10^{11} \text { decay }}{\mathrm{s}}}\right)=5.7 \times 10^2 \mathrm{Ci}\nonumber \]

ورزش \(\PageIndex{1}\)

تریتیوم یک ایزوتوپ رادیواکتیو هیدروژن (t _1/2 = 12.32 y) است که چندین کاربرد دارد، از جمله روشنایی خود نیرو، که در آن الکترون های ساطع شده در واپاشی رادیواکتیو تریتیوم باعث درخشش فسفر می شوند. هسته آن شامل یک پروتون و دو نوترون است و جرم اتمی تریتیوم ۳٫۰۱۶ amu است. فعالیت یک نمونه حاوی 1.00mg تریتیوم (a) در Bq و (b) در Ci چیست؟

پاسخ

3.56 10 ^{11 Bq}؛
۰٫۹۶۲ سی‌آی

اثرات قرار گرفتن در معرض تابش طولانی مدت بر بدن انسان

اثرات تابش بستگی به نوع، انرژی و محل منبع تابش و طول قرار گرفتن در معرض دارد. همانطور که در شکل نشان داده شده است\(\PageIndex{7}\): به طور متوسط فرد در معرض تابش پس زمینه قرار می گیرد، از جمله اشعه های کیهانی از خورشید و رادون از اورانیوم در زمین (نگاه کنید به ویژگی شیمی در زندگی روزمره در قرار گرفتن در معرض رادون)؛ تابش از قرار گرفتن در معرض پزشکی، از جمله CAT اسکن، آزمایش رادیو ایزوتوپ، اشعه ایکس، و غیره؛ و مقدار کمی از تابش از دیگر فعالیت های انسانی، مانند پرواز هواپیما (که توسط افزایش تعداد اشعه های کیهانی در جو بالا بمباران)، رادیواکتیویته از محصولات مصرفی و انواع رادیونوکلئیدها که وارد ما می شوند بدن هنگام تنفس (به عنوان مثال، کربن 14) یا از طریق زنجیره غذایی (به عنوان مثال، پتاسیم 40، استرانسیم 90 و ید 131).

یک نمودار میله ای با عنوان «دوزهای تابش و محدودیت های نظارتی، پرانتز باز، در میلی ریمز، پرانتز نزدیک» نشان داده شده است. محور y با برچسب «دوز در میلی ریمز» نامگذاری شده است و دارای مقادیری از 0 تا 5000 با وقفه بین 1000 و 5000 است تا مقیاس متفاوتی را در بالای نمودار نشان دهد. محور y مربوط به هر نوار برچسب گذاری شده است. اولین نوار، اندازه گیری شده به 5000 در محور y، با رنگ قرمز کشیده شده است و با برچسب «محدودیت دوز سالانه کارگر هسته ای، پرانتز باز، N R C، پرانتز نزدیک» برچسب گذاری شده است. نوار دوم، اندازه گیری شده به 1000 در محور y، به رنگ آبی کشیده شده و برچسب «کل بدن C T» است در حالی که نوار سوم، اندازه گیری شده به 620 در محور y، با رنگ آبی کشیده شده و برچسب «دوره متوسط U دوره S دوز سالانه». نوار چهارم، اندازه گیری شده به 310 در محور y، به رنگ آبی کشیده شده است و برچسب «دوره U دوره S طبیعی پس زمینه دوز» است در حالی که نوار پنجم، اندازه گیری شده تا 100 در محور y و به رنگ قرمز کشیده شده است «محدودیت دوز عمومی سالانه، پرانتز باز، N R C، پرانتز بستن.» میله ششم، که در محور y تا 40 اندازه گیری می شود، به رنگ آبی کشیده شده و با عنوان «From Your Body» برچسب گذاری شده است در حالی که میله هفتم، در محور y تا 30 اندازه گیری می شود و با رنگ آبی کشیده می شود «اشعه های کیهانی». نوار هشتم، اندازه گیری شده به 4 در محور y، به رنگ آبی کشیده شده است و با برچسب «محدودیت آب آشامیدنی ایمن، پرانتز باز، E P A، پرانتز بستن» نامگذاری شده است در حالی که نوار نهم، اندازه گیری شده به 2.5 در محور y و کشیده شده در قرمز «Trans Atlantic Flight» است. یک افسانه در نمودار نشان می دهد که قرمز به معنای «محدودیت دوز از فعالیت مجاز N R C dash» است در حالی که آبی به معنای «دوزهای تابش» است. — شکل\(\PageIndex{7}\): کل قرار گرفتن در معرض تابش سالانه برای یک فرد در ایالات متحده حدود 620 mrem است. منابع مختلف و مقادیر نسبی آنها در این نمودار میله ای نشان داده شده است. (منبع: کمیسیون تنظیم مقررات هسته ای ایالات متحده)

دوز کوتاه مدت و ناگهانی مقدار زیادی از تابش می تواند طیف گسترده ای از اثرات سلامتی، از تغییرات در شیمی خون تا مرگ را ایجاد کند. قرار گرفتن کوتاه مدت در معرض ده ها رم اشعه احتمالاً علائم یا بیماری های بسیار قابل توجهی را ایجاد می کند. تخمین زده می شود که دوز حدود 500 rems 50٪ باعث مرگ قربانی در طی 30 روز پس از قرار گرفتن در معرض شود. قرار گرفتن در معرض انتشار رادیواکتیو اثر تجمعی بر بدن در طول زندگی فرد دارد، که دلیل دیگری برای جلوگیری از قرار گرفتن در معرض اشعه غیر ضروری است. اثرات بهداشتی قرار گرفتن در معرض تابش کوتاه مدت در جدول نشان داده شده \(\PageIndex{2}\) است.

جدول\(\PageIndex{2}\): اثرات بهداشتی تابش ²
قرار گرفتن در معرض (REM)	اثر سلامتی	زمان شروع (بدون درمان)
۵—۱۰	تغییرات در شیمی خون	—
۵۰	حالت تهوع	ساعت
۵۵	خستگی	—
۷۰	استفراغ	—
۷۵	ریزش مو	2-3 هفته
۹۰	اسهال	—
۱۰۰	خونریزی	—
400	مرگ احتمالی	ظرف 2 ماه
۱۰۰۰	تخریب پوشش روده	—
	خونریزی داخلی	—
	مرگ	1-2 هفته
۲۰۰۰	آسیب به سیستم عصبی مرکزی	—
	از دست دادن آگاهی؛	دقایق
	مرگ	ساعت تا روز

اجتناب از برخی از قرار گرفتن در معرض تابش یونیزه غیرممکن است. ما به طور مداوم در معرض تابش پس زمینه از انواع منابع طبیعی، از جمله تابش کیهانی، سنگ ها، روش های پزشکی، محصولات مصرفی و حتی اتم های خودمان قرار داریم. ما می توانیم با مسدود کردن یا محافظت از تابش، حرکت دورتر از منبع و محدود کردن زمان قرار گرفتن در معرض، قرار گرفتن در معرض خود را به حداقل برسانیم.

پانوشت

منبع: آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده