الإشعاع المؤين في كل مكان. يأتي من الفضاء الخارجي كأشعة كونية. إنه في الهواء كانبعاثات من غاز الرادون المشع ونسله. تدخل النظائر المشعة الطبيعية وتبقى في جميع الكائنات الحية. لا مفر منه. في الواقع ، تطورت جميع الأنواع على هذا الكوكب في وجود الإشعاع المؤين. في حين أن البشر الذين تعرضوا لجرعات صغيرة من الإشعاع قد لا يظهرون على الفور أي آثار بيولوجية واضحة ، فلا شك في أن الإشعاع المؤين ، عند إعطائه بكميات كافية ، يمكن أن يسبب ضررًا. هذه التأثيرات معروفة نوعًا ودرجة.

في حين أن الإشعاع المؤين يمكن أن يسبب ضررًا ، إلا أن له أيضًا العديد من الاستخدامات المفيدة. يولد اليورانيوم المشع الكهرباء في محطات الطاقة النووية في العديد من البلدان. في الطب ، تنتج الأشعة السينية صورًا شعاعية لتشخيص الإصابات والأمراض الداخلية. يستخدم أطباء الطب النووي المواد المشعة كمقتفعات لتشكيل صور مفصلة للهياكل الداخلية ودراسة التمثيل الغذائي. تتوفر الأدوية الإشعاعية العلاجية لعلاج اضطرابات مثل فرط نشاط الغدة الدرقية والسرطان. يستخدم أطباء العلاج الإشعاعي أشعة جاما وأشعة بايون وأشعة الإلكترون والنيوترونات وأنواع أخرى من الإشعاع لعلاج السرطان. يستخدم المهندسون المواد المشعة في عمليات تسجيل آبار النفط وفي مقاييس كثافة رطوبة التربة. يستخدم مصورو الأشعة الصناعية الأشعة السينية في مراقبة الجودة لفحص الهياكل الداخلية للأجهزة المصنعة. تحتوي علامات الخروج في المباني والطائرات على التريتيوم المشع لجعلها تتوهج في الظلام في حالة انقطاع التيار الكهربائي. تحتوي العديد من أجهزة الكشف عن الدخان في المنازل والمباني التجارية على الأميريسيوم المشع.

هذه الاستخدامات العديدة للإشعاع المؤين والمواد المشعة تعزز نوعية الحياة وتساعد المجتمع بعدة طرق. يجب دائمًا مقارنة فوائد كل استخدام بالمخاطر. قد تكون المخاطر على العمال المشاركين مباشرة في تطبيق الإشعاع أو المواد المشعة ، أو على الجمهور ، أو على الأجيال القادمة ، أو على البيئة أو على أي مزيج من هذه. وبعيدًا عن الاعتبارات السياسية والاقتصادية ، يجب أن تفوق الفوائد دائمًا المخاطر عند استخدام الإشعاع المؤين.

إشعاعات أيونية

يتكون الإشعاع المؤين من جزيئات ، بما في ذلك الفوتونات ، والتي تسبب فصل الإلكترونات عن الذرات والجزيئات. ومع ذلك ، فإن بعض أنواع الإشعاع ذات الطاقة المنخفضة نسبيًا ، مثل الأشعة فوق البنفسجية ، يمكن أن تسبب التأين أيضًا في ظل ظروف معينة. لتمييز هذه الأنواع من الإشعاع عن الإشعاع الذي يسبب التأين دائمًا ، يتم تحديد حد طاقة أقل تعسفيًا للإشعاع المؤين حول 10 كيلو إلكترون فولت (keV).

يتكون الإشعاع المؤين المباشر من جزيئات مشحونة. تشتمل هذه الجسيمات على إلكترونات نشطة (تسمى أحيانًا نيجاترونات) ، والبوزيترونات ، والبروتونات ، وجسيمات ألفا ، والميزونات المشحونة ، والميونات ، والأيونات الثقيلة (الذرات المتأينة). يتفاعل هذا النوع من الإشعاع المؤين مع المادة بشكل أساسي من خلال قوة كولوم ، مما يؤدي إلى صد أو جذب الإلكترونات من الذرات والجزيئات بحكم شحناتها.

يتكون الإشعاع المؤين غير المباشر من جسيمات غير مشحونة. أكثر أنواع الإشعاع المؤين غير المباشر شيوعًا هي الفوتونات التي تزيد عن 10 كيلو إلكترون فولت (الأشعة السينية وأشعة جاما) وجميع النيوترونات.

تتفاعل فوتونات الأشعة السينية وأشعة جاما مع المادة وتسبب التأين بثلاث طرق مختلفة على الأقل:

1. تتفاعل الفوتونات منخفضة الطاقة في الغالب عن طريق التأثير الكهروضوئي ، حيث يعطي الفوتون كل طاقته إلى إلكترون ، ثم يترك الذرة أو الجزيء. الفوتون يختفي.
2. تتفاعل فوتونات الطاقة المتوسطة في الغالب من خلال تأثير كومبتون ، حيث يصطدم الفوتون والإلكترون بشكل أساسي كجسيمات. يستمر الفوتون في اتجاه جديد مع انخفاض الطاقة بينما ينفجر الإلكترون المنطلق مع بقية الطاقة الواردة (ناقصًا طاقة ارتباط الإلكترون بالذرة أو الجزيء).
3. يمكن إنتاج الأزواج فقط للفوتونات التي تزيد طاقتها عن 1.02 ميغا إلكترون فولت. (ومع ذلك ، بالقرب من 1.02 ميغا إلكترون فولت ، لا يزال تأثير كومبتون هو المسيطر. يهيمن إنتاج الأزواج عند الطاقات الأعلى.) يختفي الفوتون ويظهر زوج الإلكترون والبوزيترون في مكانه (يحدث هذا فقط بالقرب من النواة بسبب الحفاظ على الزخم و اعتبارات الطاقة). إجمالي الطاقة الحركية لزوج الإلكترون والبوزيترون يساوي طاقة الفوتون مطروحًا منه مجموع طاقات كتلة الراحة للإلكترون والبوزيترون (1.02 ميجا فولت). ثم تعمل هذه الإلكترونات والبوزيترونات النشطة كإشعاع مؤين مباشرة. عندما يفقد الطاقة الحركية ، سيواجه البوزيترون في النهاية إلكترونًا ، وستبيد الجسيمات بعضها البعض. يتم بعد ذلك إصدار فوتونين (عادة) 0.511 ميغا إلكترون فولت من موقع الإبادة عند 180 درجة من بعضهما البعض.

أي فوتون معين يمكن أن يحدث أي من هذه ، باستثناء أن إنتاج الزوج ممكن فقط للفوتونات ذات الطاقة الأكبر من 1.022 ميغا إلكترون فولت. تحدد طاقة الفوتون والمادة التي يتفاعل معها التفاعل الأكثر احتمالية للحدوث.

يوضح الشكل 1 المناطق التي يهيمن فيها كل نوع من تفاعل الفوتون كدالة لطاقة الفوتون والعدد الذري للممتص.

الشكل 1. الأهمية النسبية للتفاعلات الرئيسية الثلاثة للفوتونات في المادة

أكثر تفاعلات النيوترونات شيوعًا مع المادة هي الاصطدامات غير المرنة ، والتقاط النيوترون (أو التنشيط) والانشطار. كل هذه تفاعلات مع النوى. النواة التي تصطدم بشكل غير مرن مع نيوترون تترك عند مستوى طاقة أعلى. يمكن أن تطلق هذه الطاقة في شكل أشعة جاما أو عن طريق انبعاث جسيم بيتا أو كليهما. في التقاط النيوترون ، قد تمتص النواة المصابة النيوترون وتطلق الطاقة مثل جاما أو أشعة سينية أو جسيمات بيتا ، أو كليهما. ثم تتسبب الجسيمات الثانوية في التأين كما نوقش أعلاه. في حالة الانشطار ، تمتص نواة ثقيلة النيوترون وتنقسم إلى نواتين أخف وزنًا تكون دائمًا تقريبًا مشعة.

الكميات والوحدات والتعاريف ذات الصلة

تضع اللجنة الدولية لوحدات وقياسات الإشعاع (ICRU) تعريفات رسمية مقبولة دوليًا لكميات ووحدات الإشعاع والنشاط الإشعاعي. تضع اللجنة الدولية للحماية من الإشعاع (ICRP) أيضًا معايير لتعريف واستخدام الكميات والوحدات المختلفة المستخدمة في السلامة الإشعاعية. فيما يلي وصف لبعض الكميات والوحدات والتعاريف المستخدمة بشكل شائع في السلامة الإشعاعية.

الجرعة الممتصة. هذه هي كمية الجرعات الأساسية للإشعاع المؤين. في الأساس ، الإشعاع المؤين هو الطاقة التي يضفيها على المادة لكل وحدة كتلة. رسميا،

أين D هي الجرعة الممتصة ، دe هو متوسط ​​الطاقة المنقولة إلى مادة الكتلة دm. تحتوي الجرعة الممتصة على وحدات جول لكل كيلوغرام (J kg^-1). الاسم الخاص لوحدة الجرعة الممتصة هو الرمادي (Gy).

الأنشطة. تمثل هذه الكمية عدد التحولات النووية من حالة طاقة نووية معينة لكل وحدة زمنية. رسميا،

أين A هو النشاط ، دN هي القيمة المتوقعة لعدد التحولات النووية العفوية من حالة الطاقة المعطاة في الفترة الزمنية دt. يتعلق بعدد النوى المشعة N من قبل:

أين l هو ثابت الاضمحلال. يحتوي النشاط على وحدات من الثواني العكسية (s^-1). الاسم الخاص لوحدة النشاط هو بيكريل (Bq).

ثابت الاضمحلال (ل). تمثل هذه الكمية الاحتمال لكل وحدة زمنية أن يحدث تحول نووي لنويد مشع معين. يحتوي ثابت الانحلال على وحدات من الثواني العكسية (s^-1). يتعلق بعمر النصف t_½ النويدة المشعة بواسطة:

يرتبط ثابت الانحلال l بمتوسط ​​عمر النويدة المشعة بواسطة:

الاعتماد الزمني للنشاط A(t) وعدد النوى المشعة N(t) يمكن التعبير عنها بواسطة و   على التوالي.

التأثير البيولوجي الحتمي. هذا تأثير بيولوجي ناتج عن الإشعاع المؤين والذي يكون احتمال حدوثه صفرًا عند الجرعات الصغيرة الممتصة ولكنه سيزداد بشكل حاد إلى الوحدة (100٪) فوق مستوى معين من الجرعة الممتصة (الحد الأدنى). تحريض الساد هو مثال على التأثير البيولوجي العشوائي.

جرعة فعالة. الجرعة الفعالة E هو مجموع الجرعات المعادلة الموزونة في جميع أنسجة وأعضاء الجسم. إنها كمية آمنة من الإشعاع ، لذا فإن استخدامها غير مناسب للجرعات الكبيرة الممتصة التي يتم تسليمها في فترة زمنية قصيرة نسبيًا. تعطى من قبل:

أين w _T هو عامل وزن الأنسجة و H_T هي الجرعة المكافئة للأنسجة T. للجرعة الفعالة وحدات من J كجم^-1. الاسم الخاص لوحدة الجرعة الفعالة هو سيفرت (Sv).

جرعة مكافئة. الجرعة المعادلة H_T هو متوسط ​​الجرعة الممتصة على نسيج أو عضو (وليس عند نقطة واحدة) ويتم ترجيحها بالنسبة لجودة الإشعاع ذات الأهمية. إنها كمية آمنة من الإشعاع ، لذا فإن استخدامها غير مناسب للجرعات الكبيرة الممتصة التي يتم تسليمها في فترة زمنية قصيرة نسبيًا. يتم إعطاء الجرعة المعادلة من خلال:

أين D_{T، R} هو متوسط ​​الجرعة الممتصة فوق الأنسجة أو العضو T بسبب الإشعاع R و w _R
هو عامل وزن الإشعاع. الجرعة المكافئة لها وحدات J كجم^-1. الاسم الخاص لوحدة الجرعة المكافئة هو سيفرت (Sv).

نصف الحياة. هذه الكمية هي مقدار الوقت المطلوب لنشاط عينة النويدات المشعة لتقليلها بمقدار النصف. بالتساوي ، هو مقدار الوقت المطلوب لعدد معين من النوى في حالة إشعاعية معينة لتقليله بمقدار النصف. تحتوي على وحدات أساسية من الثواني ، ولكن يتم التعبير عنها أيضًا بشكل شائع بالساعات والأيام والسنوات. بالنسبة للنويدات المشعة ، نصف العمر t_½ يرتبط بثابت الاضمحلال l من خلال:

نقل الطاقة الخطي. هذه الكمية هي الطاقة التي يضفيها الجسيم المشحون على المادة لكل وحدة طول أثناء عبوره للمادة. رسميا،

أين L هو نقل الطاقة الخطي (ويسمى أيضًا قوة وقف الاصطدام الخطي) و دe هو متوسط ​​الطاقة التي يفقدها الجسيم في قطع مسافة دl. نقل الطاقة الخطي (LET) له وحدات J m^-1.

يعني العمر. هذه الكمية هي متوسط ​​الوقت الذي ستبقى فيه الدولة النووية على قيد الحياة قبل أن تخضع للتحول إلى حالة طاقة أقل عن طريق إصدار إشعاع مؤين. يحتوي على وحدات أساسية من الثواني ، ولكن يمكن التعبير عنها أيضًا بالساعات أو الأيام أو السنوات. يرتبط بثابت الاضمحلال من خلال:

حيث t هو متوسط ​​العمر و l ثابت الاضمحلال لنوليد معين في حالة طاقة معينة.

عامل ترجيح الإشعاع. هذا رقم w _R أنه ، بالنسبة لنوع وطاقة معينة من الإشعاع R ، يمثل قيم الفعالية البيولوجية النسبية لذلك الإشعاع في إحداث تأثيرات عشوائية عند الجرعات المنخفضة. قيم w _R ترتبط بنقل الطاقة الخطي (LET) وهي مذكورة في الجدول 1. يوضح الشكل 2 (فوق الصفحة) العلاقة بين w _R و LET للنيوترونات.

الجدول 1. عوامل ترجيح الإشعاع ث_R

¹ جميع القيم تتعلق بحادثة الإشعاع على الجسم أو ، بالنسبة للمصادر الداخلية ، المنبعثة من المصدر.

² باستثناء إلكترونات أوجيه المنبعثة من نوى مرتبطة بالحمض النووي.

الفعالية البيولوجية النسبية (RBE). RBE لنوع واحد من الإشعاع مقارنة بنوع آخر هو النسبة العكسية للجرعات الممتصة التي تنتج نفس الدرجة من نقطة نهاية بيولوجية محددة.

الشكل 2. عوامل الترجيح الإشعاعي للنيوترونات (يُعامل المنحنى الأملس كتقريب)

التأثير البيولوجي العشوائي. هذا تأثير بيولوجي ناتج عن الإشعاع المؤين الذي يزداد احتمال حدوثه مع زيادة الجرعة الممتصة ، ربما بدون عتبة ، ولكن شدته مستقلة عن الجرعة الممتصة. السرطان هو مثال على التأثير البيولوجي العشوائي.

عامل وزن الأنسجة ث _T. هذا يمثل مساهمة الأنسجة أو العضو T في الضرر الكلي بسبب كل التأثيرات العشوائية الناتجة عن التشعيع المنتظم للجسم كله. يتم استخدامه لأن احتمال حدوث تأثيرات عشوائية بسبب جرعة مكافئة يعتمد على الأنسجة أو العضو المشع. يجب أن تعطي جرعة مكافئة موحدة على الجسم كله جرعة فعالة مساوية لمجموع الجرعات الفعالة لجميع أنسجة وأعضاء الجسم. لذلك ، يتم تطبيع مجموع جميع عوامل وزن الأنسجة إلى الوحدة. يعطي الجدول 2 قيمًا لعوامل وزن الأنسجة.

الجدول 2. عوامل وزن الأنسجة ث_T

¹ تم تطوير القيم من مجموعة مرجعية من أعداد متساوية من كلا الجنسين ومجموعة واسعة من الأعمار. في تعريف الجرعة الفعالة ، تنطبق على العمال ، وعلى جميع السكان ، وعلى أي من الجنسين.

² لأغراض الحساب ، يتكون الباقي من الأنسجة والأعضاء الإضافية التالية: الغدة الكظرية والدماغ والأمعاء الغليظة العلوية والأمعاء الدقيقة والكلى والعضلات والبنكرياس والطحال والغدة الصعترية والرحم. تشمل القائمة الأعضاء التي يحتمل أن يتم تشعيعها بشكل انتقائي. من المعروف أن بعض الأعضاء المدرجة في القائمة معرضة لتحريض السرطان.

³ في الحالات الاستثنائية التي يتلقى فيها واحد من الأنسجة أو الأعضاء المتبقية جرعة مكافئة تزيد عن أعلى جرعة في أي من الأعضاء الاثني عشر التي تم تحديد عامل الترجيح لها ، يجب تطبيق عامل ترجيح قدره 0.025 على هذا النسيج أو العضو وعامل ترجيح يبلغ 0.025 لمتوسط ​​الجرعة في باقي الباقي كما هو محدد أعلاه.

الرجوع