التأثيرات البيولوجية للإشعاع

تنبعث من جميع النويدات المشعة جسيمات عالية الطاقة أو موجات كهرومغناطيسية. عندما يصادف هذا الإشعاع الخلايا الحية، يمكن أن يتسبب في تسخين أو كسر الروابط الكيميائية أو تأين الجزيئات. ينتج الضرر البيولوجي الأكثر خطورة عندما تؤدي هذه الانبعاثات المشعة إلى تجزئة الجزيئات أو تأينها. على سبيل المثال، جسيمات α و β المنبعثة من تفاعلات الاضمحلال النووي تمتلك طاقات أعلى بكثير من طاقات الروابط الكيميائية العادية. عندما تضرب هذه الجسيمات المادة وتخترقها، فإنها تنتج أيونات وشظايا جزيئية شديدة التفاعل. يمكن أن يتسبب الضرر الذي يلحقه هذا بالجزيئات الحيوية في الكائنات الحية في حدوث خلل خطير في عمليات الخلايا الطبيعية، مما يفرض ثقلاً على آليات إصلاح الكائن الحي’ وربما يتسبب في المرض أو حتى الموت.

هناك اختلاف كبير في حجم التأثيرات البيولوجية للإشعاع غير المؤين (على سبيل المثال، الضوء والموجات الدقيقة) والإشعاع المؤين، والانبعاثات ذات الطاقة الكافية لإخراج الإلكترونات من الجزيئات (على سبيل المثال، جسيمات α و β، وأشعة γ، والأشعة السينية، والأشعة فوق البنفسجية عالية الطاقة).

تعمل الطاقة الممتصة من الإشعاع غير المؤين على تسريع حركة الذرات والجزيئات، وهو ما يعادل تسخين العينة. على الرغم من أن الأنظمة البيولوجية حساسة للحرارة، إلا أن كمية كبيرة من الإشعاع غير المؤين ضرورية قبل الوصول إلى مستويات خطيرة. ومع ذلك، قد يتسبب الإشعاع المؤين في أضرار أكثر خطورة عن طريق كسر الروابط أو إزالة الإلكترونات في الجزيئات البيولوجية، وتعطيل بنيتها ووظيفتها. يمكن أيضًا أن يحدث الضرر بشكل غير مباشر، عن طريق تأين H _{H2O، والذي يشكل أيون H2O⁺ يتفاعل مع الماء، مكونًا أيون الهيدرونيوم وجذر الهيدروكسيل.}

نظرًا لأن جذر الهيدروكسيل يحتوي على إلكترون غير مزدوج، فهو شديد التفاعل. يمكن لجذر الهيدروكسيل هذا أن يتفاعل مع جميع أنواع الجزيئات البيولوجية (الحمض النووي والبروتينات والإنزيمات وما إلى ذلك)، مما يتسبب في تلف الجزيئات وتعطيل العمليات الفيزيولوجية.

تختلف الطاقة التي ينقلها كل نوع من أنواع الإشعاع إلى الأنسجة ويتم قياسها من حيث الجرعة الممتصة، والتي تكون وحدة النظام الدولي للوحدات فيها باللون الرمادي. يقابل ترسب جول واحد من الطاقة في كيلوغرام واحد من المواد رمادية واحدة. لا تزال وحدة CGS، وهي الراد، مستخدمة على نطاق واسع (1 راد = 0.01 Gy).

يتم وصف الاستجابة البيولوجية للجرعة الممتصة لكل نوع من أنواع الإشعاع بواسطة عامل وزن الإشعاع، والذي يعتمد على القدرة المؤينة وقدرة الاختراق. تُعرف الجرعة الممتصة مضروبة في عامل الترجيح الإشعاعي بالجرعة المكافئة، والتي يتم قياسها في سيفرت بوحدات النظام الدولي للوحدات. لا تزال وحدة CGS، وهي وحدة الريم، مستخدمة على نطاق واسع (1 ريم = 0.01 Sv).

الجدول 1. عوامل ترجيح الإشعاع

تمتلك أنسجة الجسم المختلفة حساسيات مختلفة للإشعاع المؤين. إذا كان التعرض مركّزًا في منطقة واحدة من الجسم أو إذا كانت الجرعة المكافئة غير متساوية في جميع أنحاء الجسم ، يتم استخدام عوامل وزن الأنسجة لتحديد الضرر الكلي للجسم عند إعطاء الجرعة غير المتكافئة. يتم حساب الجرعة الفعالة للجسم عن طريق تلخيص الجرعات المعادلة الموزونة لجميع الأعضاء.

تُستخدم عدة أجهزة مختلفة لاكتشاف وقياس الإشعاع، بما في ذلك عدادات جايجر –Mü، وعدادات الوميض، ومقاييس جرعات الإشعاع. يتكون عداد جيجر–Mü من جزأين: أنبوب أسطواني مملوء بغاز خامل مثل الأرجون أو الهيليوم وعداد. يوجد داخل الأنبوب زوج من الأقطاب الكهربائية ذات الجهد العالي عبرهما. يبدأ أي إشعاع مؤين سلسلة من تأين جزيئات الغاز، مما يخلق تيارًا بين الأنود والكاثود بسبب تدفق الإلكترونات، التي يتم جمعها وتضخيمها وعرضها بواسطة العداد على أنها تعدادات في الدقيقة أو تفكك في الثانية. لا تستطيع عدادات جايجر التفريق بين أنواع الإشعاع، ولكن المتغيرات المعوضة للطاقة يمكنها قياس الجرعة وبالتالي يمكن استخدامها كمقاييس جرعات شخصية. يحتوي عداد الوميض على مادة وميض— ينبعث منها الضوء عند الإثارة بالإشعاع المؤين— وجهاز استشعار يحول الضوء إلى إشارة كهربائية. تقيس مقاييس جرعات الإشعاع أيضًا الإشعاع المؤين وغالبًا ما تستخدم لتحديد التعرض للإشعاع الشخصي. الأنواع المستخدمة بشكل شائع هي مقاييس الجرعات الشخصية الإلكترونية، و الشارات الشخصية الكشف عن الاشعاع، والتلألؤ الحراري، ومقاييس الجرعات المصنوعة من ألياف الكوارتز.

تعتمد تأثيرات الإشعاع على نوع مصدر الإشعاع وطاقته وموقعه وطول فترة التعرض. يتعرض الشخص العادي لإشعاع الخلفية، بما في ذلك الأشعة الكونية من الشمس والرادون من اليورانيوم الموجود في الأرض، والإشعاع من التعرض الطبي، بما في ذلك فحوصات التصوير المقطعي المحوسب، واختبارات النظائر المشعة، والأشعة السينية، وما إلى ذلك؛ وكميات صغيرة من الإشعاع من الأنشطة البشرية الأخرى، مثل رحلات الطائرات (التي تقصفها أعداد متزايدة من الأشعة الكونية في الغلاف الجوي العلوي)، والنشاط الإشعاعي من المنتجات الاستهلاكية، ومجموعة متنوعة من النويدات المشعة التي تدخل أجسامنا عندما نتنفس (على سبيل المثال، الكربون-14) أو من خلال السلسلة الغذائية (على سبيل المثال، البوتاسيوم-40، والسترونشيوم-90، واليود-131).

يمكن أن تتسبب جرعة مفاجئة قصيرة المدى من كمية كبيرة من الإشعاع في مجموعة واسعة من الآثار الصحية، بدءًا من التغيرات في كيمياء الدم وحتى الوفاة. من المحتمل أن يتسبب التعرض قصير المدى لعشرات الأجزاء المتبقية من الإشعاع في ظهور أعراض أو أمراض ملحوظة للغاية؛ يقدر أن جرعة حادة من 500 ريم أو 5 سيفرت لديها احتمالية بنسبة 50 ٪ للتسبب في وفاة الضحية في غضون 30 يومًا من التعرض. للتعرض للانبعاثات المشعة تأثير تراكمي على الجسم خلال حياة الشخص’، وهذا سبب آخر لأهمية تجنب أي تعرض غير ضروري للإشعاع.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 21.6: Biological Effects of Radiation.