第三章电离辐射的生物效应

A、电离辐射B、电离辐射的生物学效应C、电离辐射的防护E、医疗照射F、氡第3章电离辐射与人体健康A.电离辐射1.电离辐射的种类2.电离辐射与物质的相互作用3.电离辐射常用的计量单位4.电离辐射的探测（电离）辐射（ionizing）radiation在辐射防护领域，指能在生物物质中产生离子对的辐射。1.电离辐射的种类(1)带电粒子,粒子，质子，反冲核等,粒子是放射性核素在核衰变时放出的高能粒子，粒子是由两个质子和两个中子组成的一个氦原子核，带两个正电荷，它的电离本领大，因质量重，运动速度慢，穿透力弱。粒子质量同电子，可带正电和负电，其运动速度较快，穿透力较粒子大。质子质量为1，带一个正电荷。反冲核，是中子与物质的原子核碰撞时把能量传给被碰撞的原子核，带有能量的原子核脱出原子而成为反冲核。（2），X射线射线又称光子，是放射性核素核衰变时由核释放出的，它不带电，穿透力强，运动速度同光子。X射线是高速带电粒子通过原子核附近时，受到原子核库仑电场的作用而急剧减速，一部分能量以光子的形式辐射出来，称X射线。其物理性质同射线。（3）中子中子是在核裂变和核聚变时，带有能量而释放出的。中子可分为快中子和慢中子，质量为1，不带电。另有中子发生器也可释放出中子。核辐射的基本性质1.0086650n中子1.007276+1p质子005.486×10-4±1e±β4.00279+24Heα质量(u)电荷（e)符号种类αβ2.电离辐射与物质的相互作用（1）带电粒子与物质的相互作用1）电离与激发（ionizationandexcitation)带电粒子通过物质时，与物质原子的壳层电子发生静电作用，电子获得足够能量后使其脱离轨道形成一个带负电荷的自由电子，失去一个电子的原子则变成带正电荷的离子，自由电子与离子构成离子对。这种使物质中性原子变成离子对的过程称为电离。自由电子又可引起其他原子电离，称为次级电离。带电粒子通过物质时，壳层电子获得的能量不足以使壳层电子脱离轨道，则从能量较低的轨道跃迁到能量较高的轨道，即原子由基态转入高能态，这种过程称为激发。2）散射（scattering)带电粒子通过物质时，因受物质原子核库仑电场作用而改变其本身的运动方向，称为散射。３）韧致辐射（bremsstrahlung)高速带电粒子通过原子核附近时，受到原子核库仑电场的作用而急剧减速，一部分能量以光子的形式辐射出来，这种辐射称为韧致辐射。４）湮没辐射（annihilationradiation)当+粒子与物质作用，能量耗尽时和物质中的自由电子（e-）结合，正负电荷抵消，两个电子的静止质量转化为两个方向相反，能量各为0.511Mev的光子而自身消失的过程成为湮没辐射或光化辐射。•γ射线是波长很短能量高的电磁辐射（﹤10-11米，keV，MeV），来自原子核γ衰变,不带电，静止质量0。1γ射线是什麽？•能够同物质原子发生作用，但不能直接使原子电离；有动量和能量交换,能够产生载能次级带电粒子，可以对物质发生电离作用。能量E=hν）动量p=hν/c2γ射线对物质的电离作用两步过程三种作用效应光电效应康普顿效应电子对效应产生次级电子电离效应次级电子使物质原子电离γ射线第1步初级作用第2步次级作用光电效应自由电子作用机制光子同(整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子，光子本身消失了。γ+AA*+e-（光电子）原子A+X射线原子受激原子•电子对效应能量≥1.02MeV的γ射线与原子核作用可能产生一对正-负电子。M＋γ→M+e++e-→γ1+γ21.02MeVmeme0.511MeV0.511MeV基本条件：γ射线能量Eγ1.02MeV为什麽？能量转化成质量M=E/C2中子不带电不能直接使原子电离但中子容易进入原子核内同原子核发生作用引起核反应1）与H原子核的弹性碰撞传递能量质子跑出来中子被慢化n+H→n+p第一步打出质子（载能）第二步质子引起物质电离慢化剂:轻水(1H2O)重水(2D2O)五中子与物质的作用nHnnp电离2）中子核反应例如(n,p)反应n+14N→14C+p第一步核反应产生质子第二步质子对物质产生电离作用np电离14N14C•人体有大量H和N原子中子对人体电离效应严重，可导致严重伤害12放射性活度(A)吸收剂量(D)剂量当量(H)有效剂量（E）吸收剂量(D)1戈瑞=1焦耳/千克1Gy=1J/kg放射源活度(A)1贝克=1次核衰变/秒剂量当量(H)有效剂量（E）1希沃特=1焦耳/千克三者意义和区别任何物质有机体3.电离辐射常用的量及其单位4.电离辐射的探测根据射线与物质相互作用的原理，在以下情况可探测到射线的存在：（1）利用射线能电离物质,收集所产生的电离电流或电荷制造的探测器；（2）利用光电倍增管收集带电粒子激发原子所产生的荧光制造的探测器；（3）利用中子与物质弹性碰撞所产生的次级粒子来探测中子存在的中子探测器；（4）利用射线对物质的感光作用测量射线存在的放射自显影术。常用的探测器多利用第一、二种原理制成。B.电离辐射的生物学效应1.作用于人体的电离辐射源2.电离辐射生物学效应的机理3电离辐射生物学效应的分类4放射损伤1.作用于人体的电离辐射源（1）天然辐射源1）宇宙射线（cosmicrays）是从宇宙空间发射而来的高能粒子流，由初级宇宙射线和次级宇宙射线组成。地球上每个人受到来自宇宙射线照射的平均剂量率约为：0.38mSv·a-12)环境介质中的天然放射性核素地球上存在的天然放射性核素有两大类，一类是具有衰变系列的放射性核素，即铀系、钍系、锕系，每一个系都可连续衰变十几次，才变为稳定性核素的子体,母元素均为原子序数大于83的重的天然放射性核素,半衰期都在1010年以上；第二类是无衰变系列的天然放射性核素，如40K、87Rb等。天然放射性核素在自然界分布十分广泛，如岩石、土壤、大气、水、各种建材以及动植物组织中都含有一定数量。人体受天然放射性核素外照射全世界平均剂量为0.46mSv·a-1。3）人体内的天然放射性核素环境介质中处处有天然放射性核素，人通过呼吸和饮食使天然放射性核素进入体内，构成对人体的内照射，平均剂量约为1.52mSv·a-1。天然辐射源对公众所致剂量水平世界平均为2.4mSv·a-1，其中氡及其子体吸入所致内照射剂量为1.27mSv·a-1。自从有人类以来一直受天然辐射源的照射，称为天然本底照射，它已是人类不可缺少的一种生存环境。有实验证明，生物如果在完全没有天然辐射源照射的条件下，是无法生存的。（2）人工辐射源1）核武器实验对全球的环境污染从1945年到1989年，全世界共进行了1799次核武器实验，美国921次，前苏联624次，二者实验占总数的89%。其中大气层实验483次，爆炸的总能量相当于42000个美国在广岛投的原子弹。核试验造成大量放射性落下灰对局部和全球沉降。约有30多种元素，200多种放射性核素，其中一些长半衰期的放射性核素如90Sr、137Cs、131I、239Pu、241Am等，可蓄积于体内，产生不良效应。自1980年停止了大气层核试验，放射性落下灰沉降量逐渐减少了。2）核工业、核动力对环境的污染主要是排放放射性“三废”和由事故释放出的放射性核素所造成的局部污染。据联合国原子辐射效应科学委员会（UNSCEAR）报1956—1990年由核工业产生的累积集体剂量也仅为世界居民一年内所受天然辐射产生的集体剂量的1/10。虽然给人类造成的附加剂量负担很小，但必须防止较大放射事故的发生。3）医疗照射和日常生活中接触的放源医疗照射是指接受治疗或诊断时患者或被检查者所受的照射。医学中所应用的辐射种类越来越多有：医用诊断X线，牙科X线，核医学，放射治疗，介入放射，CT扫描，皮科敷贴等等，几乎医学各科都离不开辐射的诊治。医疗照射给人类造成的剂量负担人均年有效剂量为0.4—1.0mSv，约为天然辐射的1/4。随着人类生活水平和医疗水平的提高，其应用频率呈增长趋势。日常生活可接触的消费品放射源如：夜光表，烟雾警报器，机场X线检查机，电视和计算机荧屏等，这些放射源对人类的照射剂量是很小的。根据《UNSCEAR》1993报告，若以天然照射人均年剂量率均匀分布在365天，几种人工照射相当天然照射的天数见表5—3。医疗照射全世界人均年有效剂量是0.6mSv，医疗照射剂量水平相当于天然辐射源本底照射的25%，是人工辐射源附加照射中最高者，它是核动力所致照射剂量的90倍，是职业照射剂量的270倍。公众所受辐射照射比例（1993年）0%76%20%4%天然辐射医疗照射核爆核电等（3）环境放射性物质进入机体的途径1）进入途径通过消化道食入，呼吸道吸入和皮肤、粘摸、伤口等侵入。2）食物链转移环境中的放射性核素，通过食物和水进入体内的全部行径过程称为食物链。各种放射性核素在环境中转移的过程有浓集现象，不过受许多因素的影响。2.电离辐射生物学效应的机理人们发现辐射生物效应有2个特点：第一个是机体吸收的能量不大，生物效应却很大，例如6.0Gy的X射线可使人或高等动物发生致死效应，若将这些能量转换为热能，才可使体温升高0.002度。若以热辐射代替电离辐射，需大1—10万倍的能量才能引起机体死亡；第二个是短暂的作用引起长期效应，射线穿过受照机体只是瞬间完成，而它引起的生物效应却能持续很长时间。电离辐射的能量转移过程生物效应产生的过程和机理单链断裂：DNA损伤（分子水平）双链断裂：错误修复C可以实现无差错修复细胞水平损伤细胞死亡间期死亡增殖死亡增殖死亡间期死亡增殖死亡间期死亡间期死亡功能障碍结构改变增殖死亡细胞水平损伤细胞变异（modification)异常细胞克隆细胞转化癌症transformationcancer变异分子水平细胞死亡细胞变异体细胞生殖细胞体细胞生殖细胞功能障碍不孕肿瘤遗传效应确定性效应多细胞死亡导致随机性效应单一细胞变异导致DNA损伤细胞水平临床症状效应生物效应产生的过程和机理电离辐射所致生物效应的分类确定性效应（deterministiceffects）随机性效应(stochasticeffects)依据效应-剂量关系分类有剂量阈值无剂量阈值效应的严重程度与剂量成正比发生几率与剂量成正比严重程度与剂量无关确定性效应与随机性效应剂量剂量几率严重程度阈值随机性效应确定性效应4.放射损伤急性放射病定义：人体一次或短时间内分次受到大剂量照射引起的全身性疾患。外照射：＞1Gy急性放射病症状与剂量的关系:剂量(Gy)症状0.10.51.01.53-57-10染色体变化末梢血中淋巴细胞减少10%的人恶心，呕吐死亡阈值LD50/60天(造血器官死亡)LD100/60天(消化器官死亡)0~0.5Sv0.5~1Sv1~2Sv2~6Sv6~10Sv輕微的血液異常沒有顯著的效應5~50%的患者在3小時內嘔吐，有倦怠和失去胃口的現象，中度的血液變化；可在數週內復原。大於3西弗以上，2小時以內嘔吐，嚴重20~100%在1個月至1年之間復原。血液變化及出血，兩週後脫髮，的患者在2個月內死亡，生存者需要一段很長的時間復原。1小時內嘔吐，嚴重血液變化、出血、脫髮，約80%~100%非機率效應(急性效應)某些常见辐射源（X或）的辐射水平辐射源近似的照射量或照射率彩色电视7.5毫伦/1.8米远处、1000小时宇宙射线30毫伦/年7620米高空飞行4毫伦/小时胸部X线透视200毫伦牙齿X线照相5伦（每次）肠胃系统X线检查30伦怀孕的X线检查50伦肿瘤治疗（局部照射）3000－7000伦泥土的天然放射性辐射30－100毫伦/年手表表盘上放射性物质的辐射100毫伦/天1伦琴（R）＝2.58X10-4库/千克A、电离辐射B、电离辐射的生物学效应C、电离辐射的防护D、医疗照射E、氡第3章电离辐射与健康C.电离辐射的防护1.放射防护的基本原则2.外照射的防护3.内照射的防护1.放射防护的基本原则（1）放射防护的目的放射防护的目的在于防止有害