2013. június 18., kedd

Dózis-hatás, avagy mennyi a káros?

Induljunk ki Paracelsus (1493-1541) állításából, melynek különböző fordításait itt láthatjuk.

"Minden anyag méreg, ha önmagában nem is az; csupán a mennyiség teszi hogy egy anyag nem méreg."

„A dózis különbözteti meg a mérget a gyógyszertől”

„Dózis teszi a mérget”

Lássuk, mit is jelent ez? Érvényes lehet általánosan is (nemcsak kémiai anyagokra)?

Kiengedem a napra a gyerekem, mert a D vitamin háztartásban fontos szerepet játszik, de nem engedem sokáig, mert félek a bőrráktól. Megiszom egy-két pohár bort, mert tudom és érzem, hogy jó hatása van, de az egy-két liternek már biztosan nem pozitív a hatása. Sportolok valamennyit, de nem hajtom következetesen túl magam, mert azt látom, hallom, hogy a túlzottan sok sport is káros. Ezek mind-mind azt sugallják, hogy ami kis mértékben jótékony, ugyanaz nagy dózisban káros. De vajon, ez sugárzás biológiai hatására is érvényes?

Mielőtt válaszolni tudnánk, röviden nézzük meg mi is az a dózis. A köznyelvben egy adagot jelent valamiből. Gyógyszerek esetében például lehet a tabletták száma, vagy a gyógyszer tömege. Nos, a sugárzás az élő szervezettel kölcsönhatva, annak energiát ad át. Az egészségügyi hatás szempontjából viszont nem közömbös, hogy a leadott energia mekkora tömegre jut. Ezért, a leadott energiamennyiség és a tömeg arányát elnyelt dózisnak, röviden dózisnak nevezzük. Mértékegysége a Gray (1 Gy = 1 J/kg). A régi mértékegység a rad (1 rad = 0,01 Gy). Az előző bejegyzésekben láttuk, hogy a különböző sugárzások különböző módon hatnak kölcsön az anyaggal, ezért ezek biológiai hatása is eltérő. Adott energiájú alfa részecske nagyobb kárt okoz, mint az azonos energiájú gamma- vagy bétasugárzás. Mindegyik sugárzásfajtához rendelhető egy biológiai hatásosság (RBE) és ha ezt beszorozzuk az elnyelt dózissal, akkor ekvivalens dózist kapunk. Ennek mértékegysége a Sv (sievert). A biológiai hatás viszont a szervtől is függ, illetve annak sugárérzékenységétől. Ezért ha a sugárzások különböző szervekre gyakorolt várható hatásának perspektívájából nézzük a dolgot, akkor még egy szervre jellemző koefficienssel is be kell szoroznunk az ekvivalens dózist. Ezáltal effektív dózist kapunk, amit szintén sievertben mérünk. A különböző típusú sugárzásoktól kapott effektív dózisok így már összehasonlíthatók és összeadhatók. Ezek összege egy személyre évente átlagosan 2,5 mSv körüli.

Most, hogy tisztáztuk a dózis fogalmát, lássuk milyen összefüggés lehet a sugárdózis és annak hatása között. Számos baleset és a Japánra ledobott atombombák esetei is igazolták, hogy a biológiai kár arányosan nő a dózissal egészen a halálos dózisig (kb. 8 Gy). Ugyanakkor, a kis dózis dózisok hatása egy máig vitatott és nyílt kérdés. A nagy dózisok hatását szokás még determinisztikus, a kis dózisokét pedig sztochasztikus hatásoknak nevezni. Azokat a hatásokat, amelyek többnyire rövid időn belül és vitathatatlanul a kapott sugárterhelés miatt lépnek fel, determinisztikus hatásoknak nevezzük. A determinisztikus hatások egy küszöbdózis felett mindenkinél fellépnek. Ez valószínűleg azért van így, mert egy adott terhelés fölött a szervezet védekezési mechanizmusai kimerülnek. Ezzel ellentétben a sztochasztikus hatásoknál, amelyek a kiváltó sugárterhelés elszenvedése után jóval később lépnek fel, adott dózis esetén megmondható a sztochasztikus effektusok fellépésének valószínűsége, vagy gyakorisága egy nagyobb népességre, de soha nem mondható meg, hogy konkrétan kinél lépett fel a sugárzás miatt az adott hatás. Ezek a hatások ugyanis többlet sugárzásnak nem kitett populációban is gyakran előfordulnak. A sugárvédelem mai gyakorlatában úgy tekintjük, hogy már az átlagos természetes háttérsugárzás nagyságánál kisebb többletterhelés is megnövelheti a sztochasztikus hatásokat, a daganatokat és az örökletes károsodásokat. Ugyanakkor a világ számos területén a háttérsugárzás értéke a világátlag tízszeresét sőt néhol akár százszorosát is eléri, de a megbetegedések gyakoriságának valódi növekedését ezidáig nem mutatták ki ezeken a területeken. A sztochasztikus hatások tehát tipikusan a kis dózisok tartományában érvényesülnek. Ugyanakkor úgy tűnik, a kis dózisok biológiai hatásának megértése és a lineáris küszöb nélküli dózis-hatás hipotézis (LNT, linear no- threshold, a hatás lineárisan nő a dózissal a nullától kezdődően) megtartása vagy elvetése jelenti a jelenkori sugárvédelem legnagyobb kihívását. Ezt látszik alátámasztani az a tény is, hogy az utóbbi évek sugárvédelmi és sugárbiológiai konferenciái többnyire az LNT jegyében zajlanak. A probléma megoldásának társadalmi jelentősége azért is nagy lehet, mert a széles tömegeket érő sugárterhelés ebbe a tartományba esik. A jelenlegi hivatalos sugárvédelmi álláspont szerint a kockázat a kis dózisok tartományában is lineárisan változik a terheléssel, amit manapság sok kutató megkérdőjelez. Ime néhány pro és kontra vélemény, ami jól mutatja a szakmabeliek megosztottságát a kérdésben.

Zbigniew Jaworowski, az Egyesült Nemzetek Szervezete Atomi Sugárzások Hatásait Vizsgáló Bizottságának (UNSCEAR) volt elnöke: „Az LNT tudományos képtelenség, a radiofóbia fő kiváltója.”

Az Amerikai Egyesült Államok Sugárvédelmi Tanácsának (NCRP) 136-os számú jelentése: „A tudomány mai állása alapján az LNT-nek nincs alternatívája.

Myron Pollycove, az Egyesült Államok Nukleáris Szabályozó Bizottságának (NRC) tagja: „Az LNT nem más, mint egy sok milliárd dolláros önfenntartó politikai és gazdasági erő.”

Mára ez elég is, legközelebb kicsit körbejárjuk, hogy mi lehet az oka - a gazdasági és politikai érdekeken túlmenően - az ellentétes véleményeknek?

Addig is minden jót, akik többletinformációt szeretnének, azoknak ajánlanám, hogy látogassák meg a következő weboldalakat:



2013. május 25., szombat

Az elektromágneses sugárzás és az anyag kölcsönhatása


Ahhoz, hogy a sugárzásnak az élő szervezetre gyakorolt hatását megértsük, először általánosan nézzük, hogy hogyan hat kölcsön a sugárzás és az anyag. Legutóbb áttekintettük az alfa és a béta sugárzások kölcsönhatását az anyaggal. Most lássuk, mi történik, ha elektromágneses sugárzásról van szó. Az elektromágneses sugárzások spektruma igen széles. Most csak az ionizáló (atomokból elektronokat kiszakítani képes) sugárzásokkal foglalkozunk. A fény vagy a hang erre nem képes, de képes a már bemutatott gammasugárzás, vagy a már szintén említett röntgensugárzás. A kettő közötti különbség, hogy a röntgen sugárzás energiája általában kisebb, mint a gamma sugárzás energiája. Azért írtam, hogy általában, mert létezik az úgynevezett kemény röntgensugárzás, aminek az energiatartománya átfed a gammasugárzáséval. Alapvető különbség, hogy míg a gammasugárzás magátalakulásoknál jön létre, addíg a röntgensugárzás nagyenergiájú elektronfolyamatokból keletkezik. De lássuk, mi történik, ha a sugárzás útjába anyag kerül? Ilyenkor a sugárzás intenzitása csökken, méghozzá exponenciálisan az akadályban megtett út hosszával. A csillapodás mértéke természetesen attól is függ, hogy milyen anyagon halad át a sugárzás. Ha egy kicsit mélyebben belemegyünk és megvizsgáljuk, hogy milyen folyamatok révén veszíti el az energiáját (a fenti törvény szerint) a sugárzás, akkor olyan jelenségekkel találkozunk, mint a fotoeffektus, a Compton szórás vagy a párképződés. Mielőtt mindegyikről beszélnék, hadd helyezzek el ide egy linket, ahol e három effektusról láthattok szemléletes animációt, amit David M Harrison készített és Nagy Sándor fordított magyarra.

http://nagysandor.eu/AsimovTeka/Harrison/XRayInteract.html

Tehát, a gamma- vagy röntgensugárzás az atommal kölcsönhatva az bizonyos esélyel (energiájától függ) fényelektromos hatást, Compton hatást vagy párkeltést produkál. A fényelektromos effektus során a bejüvő sugárzás az energiáját átadja egy elektronnak, mely elhagyja az atomot, melynek kötelékében állt. Az elektron kilépő mozgási energiája megegyezik a gamma vagy röntgen energiának és a kiszakításhoz (elektront az atomból) szükséges energiának a különbségével. A Compton szórás során a bejövő sugárzás az energiájának csak egy részét adja át az elektronnak és valamilyen szög alatt szóródik, vagyis továbbhalad, de kisebb energiájú lesz. Párképzés során a nagy energiájú sugárzás részecskékké válik, méghozzá két egymással ellentétesen mozgó, ellentétes töltésű és az elektron tömegével megegyező tömegű részecskévé. Gondolom már kitaláltátok, hogy pozitronról és elektronról van szó. Ezek együttes kezdeti mozgási energiája megegyezik a sugárzás energiájának és a párképzéshez szükséges energiának (kb. 1 MeV) a különbségével. A keletkezett pozitron rövid időn belül anihilálódik (elektronnal találkozva megsemmisül). Mivel e jelenségek megemésztésére kell egy kis idő, itt most megállink, majd hamarosan folytatjuk a sugárzások hatását, de mostmár fokozzuk az izgalmakat és tényleg rátérünk az élő szervezetre. Addíg is a fenti jelenségekről olvashattok angolul itt

http://www.fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/lib-www/la-pubs/00326397.pdf

vagy itt

http://www.xray.utmb.edu/Protocols/02-Rad-Safety.pdf

Magyarul:

http://www.sasovits.hu/anyag/rontgen/fizika/kolcson.htm

http://biofizika.aok.pte.hu/hu/oktatas/biofizika_bio/2010-2011/biofizika_bio_2010-2011_08.pdf

http://nagysandor.eu/AsimovTeka/Harrison/XRayInteract.html

2013. április 22., hétfő

A sugárzás és az élő szervezet kölcsönhatásának alapjai

Legutóbb arról elmélkedtünk, hogy mi is a radioaktivitás, és hogy honnan származik? Áttekintettük a bomlások fajtáit és abban maradtunk, hogy sugárzás hatásaival folytatjuk. Nos, ez egy igen összetett kérdéskör, mivel az élő szervezet egy rendkívül bonyolult rendszer.
A legegyszerűbb megközelítésben azt mondhatjuk, hogy a bomlás során keletkezett részecske vagy elektromágneses sugárzás megpróbál áthatolni az útjába kerülő élő szervezeten. Akár sikerül neki, akár nem a szervezetnek mindenképp lead egy adag energiát. A múltkor említett sugárzásfajták közül az alfarészecske a kezdeti mozgási energiájától függően centimétereket tesz meg a levegőben és csupán néhány tíz mikrométert (a mikrométer a méter milliomod része) tesz meg az emberi szövetben, mielőtt megáll. Ez néhány egymásmelletti sejtet érint. Ezért aztán ha az alfa-aktív anyagnak külsőleg vagyunk kitéve, például a bőrünk által, akkor túl nagy kárt nem tehet bennünk. Ellenben ha a szervezetünkbe kerül (pl. belélegezzük, belső terhelés), veszélyes lehet, mivel lokalizáltan, vagyis kis területen ad le nagy mennyiségű energiát. Ez úgy történik, hogy a részecske kölcsönhat a szövet atomjaival. Aki még emlékszik fizikából a Rutherford kísérletre az tudja, hogy az alfa részecskék atomokkal történő kölcsönhatásából csak ritkán származnak nagy szögben szórt alfa részecskék. Ilyenkor az alfa részecske az atommaggal hat kölcsön és mivel maga is egy atommag (He, 2 proton + 2 neutron) van esélye a nagy szögben történő szóródásnak. A legtöbb esetben viszont az alfa részecske az atom elektronjaival hat kölcsön, és mivel sokkal nagyobb náluk, gyakorlatilag eltérülés nélkül folytatja útját, miközben kicsit mindig veszít az energiájából. Ezért aztán nem tévedünk nagyot, ha azt mondjuk, hogy az alfa részecske egyenes vonalban terjed a szövetben. A terjedés egy fontos aspektusa, hogy az egységnyi hosszon leadott energia nem állandó. Ahogy egyre mélyebben „fúródik” a részecske a szövetbe, annál nagyobb energiát ad át neki egységnyi úthosszon, mígnem a végén ez hirtelen nullára csökken, mert a részecske energiája elfogy. Ennek a jelenségnek igen fontos alkalmazása van a sugárterápiában, ugyanis ha jól állítjuk be a távolságot a sugárforrás és a megcélzott terület között, akkor a szövet egészséges részében viszonylag kevés energia adódik le, míg a rákos sejtek, melyek a töltött részecske pályájának vége felé helyezkednek el, nagy energiát kaphatnak. Így a terápia hatékonyabb, a mellékhatások pedig kisebbek. A fenti jelenségek nemcsak alfa részecskére, de egyéb nehéz töltött részecskére is fennállnak. Ha a töltött részecske kisebb, mint például az elektron vagy a pozitron a béta sugárzás esetében, akkor a szóródás is nagyobb. A béta részecske által megtett út szintén függ a kezdeti kinetikus energiától, de levegőben tipikusan néhány méter után, szövetben pedig néhány milliméter megtétele után áll meg. Mielőtt megállna kölcsönhat az atomok elektronjaival és ionokat kelt, valamint gerjesztéseket idéz elő. Ha a maggal hat kölcsön, pályája erősen elgörbülhet és az erős fékezés során röntgensugárzást (Bremsstrahlung) bocsát ki. Miután megállt, pozitív ionnal kombinálódik vagy szabad elektronná válik, ha negatív töltésű béta részecskéről van szó. Ha pozitronról van szó, akkor a kinetikus energiája elvesztése után nem maradhat meg, egy elektronnal hat kölcsön és anihilálódik, ami két ellentétes irányú foton kibocsátását jelenti.
Most akkor tartunk egy kis szünetet, majd az elektromágneses sugárzás (X, Gamma) és az anyag közötti kölcsönhatás alapjaival folytatjuk. Később mélyebben is belemegyünk abba, hogy milyen biológiai hatásai lehetnek a sugárzásnak.
Addig is nagyon sok anyagot olvashatnak/olvashattok az Interneten a fentiekkel kapcsolatban, például ezeket:

2013. február 28., csütörtök

Honnan jön a radioaktív sugárzás?

Életünk minden napján, sőt minden percében radioaktív sugárzásnak vagyunk kitéve. Ez nem olyan nagy baj, hisz ez mindig így volt és szervezetünk alkalmazkodott és képes kijavítani a sugárzás okozta biológiai károkat, egy bizonyos sugárzási szintig. Ma egy kicsit az alapokkal foglalkozunk. Olyan kérdésekkel, minthogy mi is az a radioaktivitás és mi az eredete?
Ugye tudjuk, hogy az anyag atomokból épül fel, az atom pedig atommagból és elektronfelhőből áll. Az atommag alkotó elemei a protonok és a neutronok. A radioaktivitás nem más, mint az atommag spontán átalakulása. Ahhoz, hogy választ adjunk arra a kérdésre, hogy miért bomlik el spontán egy mag, tudnunk kell, hogy a mag alkotóelemei között egy vonzó erő van (erős kölcsönhatás), ami nagyon erős, de hatássugara nagyon kicsi. Ezzel szemben, a protonok közötti elektrosztatikus erő révén a protonok taszítják egymást. Ez az erő gyengébb, de nagyobb hatótávolságú. E két erő „harca” során ha az elektromos erő győz, akkor az atommag kilök magából valamilyen részecskét/részecskéket. Ezek rendszerint gyors, nagy mozgási energiával rendelkező részecskék, melyek ha kölcsönhatnak valamivel (például élő szervezet), akkor annak átadhatják az energiát, vagy annak egy részét. Ezeket még ionizáló sugárzásoknak is szoktuk nevezni, mivel ha elhaladnak egy atom mellett, képesek kilökni annak az elektronját. A legismertebb radioaktív bomlások az alfa-bomlás, a béta-bomlás és a gamma-bomlás. Alfa bomlás során a bomló atommag kibocsát egy alfa részecskét, ami két protont és két neutront jelent. Ilyenkor az atommag töltése és tömege csökken. Béta-bomlás esetében a magból egy elektron és egy antineutrinó, vagy pedig egy pozitron és egy neutrinó lépik ki. A mag töltése megváltozik, de tömege érdemben nem (az elektron tömege a magban lévő proton tömegének kevesebb mint ezred, a neutrinó tömege talán az egymilliárdod része). Gamma-bomlás során a mag elektromágneses sugárzást bocsát ki, így a magnak sem a töltése, sem pedig a tömege nem változik meg. Olyan magátalakulások is léteznek, melyek során protonok vagy neutronok lépnek ki a magból, sőt a mag két vagy több kisebb magra is hasadhat.
Az említett sugárzást alapvetően két különböző típusú forrásból kapjuk, nevezetesen a természetes és a mesterséges forrásokból. Mesterséges forrás lehet a gyógyászatban használt bármely radioaktív sugárforrás, legyen szó a diagnosztikában (pl. Röntgen felvétel) vagy a kezelésben (pl. sugárterápia) használt forrásról. Ilyen értelemben ugyancsak mesterségesnek számít az atomkísérletekből vagy az atomerőművekből származó sugárzás is. A természetes sugárzás az űrből (sokféle részecske, ion, atommag stb., széles energiaspektrummal) vagy a Földből származik, és persze az ilyen források megtalálhatók a kül- és beltéri levegőben, a vízben és a növényekben is. Ezek a természetes radioaktív izotópok általában a nehéz (vasnál nehezebb) atommagok (elsősorban urán) vagy azok bomlástermékei, de nem kizárólag. Az urán a szupernóva robbanás során keletkezik és szétszóródik az űrben, de a Föld anyagába is bekerült, méghozzá a kéreg alá. Onnan a vulkáni aktivitás hozza a felszínre vagy annak közelébe. Az urán fontos bomlásterméke (más szóval leányeleme) a radon. A radon egy nemes gáz, ami viszonylag könnyen kijut a földből és a levegőbe, vagy lakótérbe jut. A radon leányelemei kitapadnak a légköri részecskékre (aeroszolokra) és belégzés útján a tüdőbe jutnak. A radon azért is fontos, mert neki köszönhetjük a sugárterhelésnek körülbelül a felét. Míg a természetes sugárzásnak köszönhető terhelés többé-kevésbé állandó, addig az orvosi eljárásokból származó terhelés egyre növekszik, főleg a fejlett államokban. Az USA-ban például ez a dózis (egységnyi tömegben elnyelt energia) mára megközelítette a radon szolgáltatta dózist.
Ennek és általában a radioaktivitásnak az egészségügyi következményeit a következő bejegyzésekben fogom tárgyalni. Aki a fentiekkel kapcsolatosan további információkhoz szeretne jutni, szeretném a figyelmébe ajánlani a következő multimédiás anyagokat:
Angol nyelven:
Magyarul:
Gyerekeknek és rajzfilmszerető felnőtteknek J

és még sok más anyag.

2013. február 7., csütörtök

Kedves Olvasóm!

Szeretettel üdvözöllek kutatói blogomon. A bejegyzések a radioaktív sugárzás és annak hatása az emberi szervezetre tématerületről lesznek. Remélem felkeltem és fenntartom az érdeklődésed.

Üdv,
Farkas Árpád