Hvordan reagerer mennesker på ioniserende stråling? – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Hvordan reagerer menne...

02. april 2009

Hvordan reagerer mennesker på ioniserende stråling?

Hej Spørg Om Fysik
Jeg vil gerne vide, hvordan personer (dvs. mænd, kvinder og børn) reagerer på stråling med 0,5-1 Sv med gammastråler over længere tid. Er der en formel for hvor meget energi der afsættes i vævet over tid? Og hvor hurtigt vil strålesygen forværres?

Med venlig hilsen
B A. F

 

Alfastråling er Heliumkerner (ioniseret Helium), som udslynges fra en ustabil atomkerne med stor fart, nær lyshastigheden.

Det ioniserer luften som passeres voldsomt, der produceres omkring 20 000 til 60 000 ionpar (et ionpar er f.eks. et nitrogenatom, hvor en elektron er slået af) i luften pr. cm alfastrålen passerer. Alfastråling har en rækkevidde på op til 8 cm i luft. I væv rækker Alfastrålingen op til ca. 9 mikrometer, dvs. den stoppes stort set af den døde overhud. Kommer den ind i organismen (f.eks. spises eller indåndes), gør den stor skade på cellerne i det område, der bestråles. Hvor lang strålingen rækker afhænger af energien og den bestemmes af den kerne, som har udsendt strålingen. De mest almindelige ligger med energier på fra 1 - 9 MeV (det er mega elektronvolt, 1 MeV er omkring 1,6 * 10-13 Joule, det er en meget lille energi). Alle Alfastråler fra en given kerne rækker lige langt i luft.

Betastråling

Betastråling er elektroner, som med en fart nær lyshastigheden udsendes fra en ustabil atomkerne. De ioniserer luften, de går igennem. Der produceres fra omkring 50 til 150 ionpar pr. cm luft betastrålingen passerer. Rækkevidden i luft er op til ca. 30 m, i væv nogen få cm. Energierne, der er tale om, er i samme størrelsesorden som for Alfapartikler. Betastråling er mere "løst" ioniserende og er derfor ikke så skadelig som alfaståling.

Gammastråling og Røntgenstråling

Gammastråling kommer fra atomkerner med overskudsenergi, som de så skaffer sig af med ved udsendelse af en gammastråle. Røntgenstråling kommer ved f.eks. elektriske udladninger, hvor elektroner rammer f.eks. metaller med stor energi, og slår en elektron ud af atomkernen eller op i et højere energiniveau. Gammastråling kan godt have samme energier som røntgenstråling . Begge er elektromagnetisk stråling med meget kort bølgelængde dvs. principielt samme strålingstype som radiobølger, TV, radar , infrarød stråling, lys, ultraviolet stråling, bare med kortere bølgelængde og dermed større energi. Et givet atom udsender gammastråling med en bestemt energi. Karakteristiske energier for Gammastråling er op til 10 MeV.

Gammastråling ioniserer også luften noget, mindre end de to øvrige strålingstyper. Elektromagnetisk stråling stoppes ikke i stoffer men mindskes, det man kan definere er en halveringstykkelse, dvs. den tykkelse stof hvor halvdelen af strålingen stoppes. Gamma halveringstykkelsen i luft skal måles i mange meter op til ca. 100 m. i væv omkring 0,3 m. Det betyder, at bestråles vi med gammastråling, kommer imellem ½ og ¼ som regel ud på den anden side, resten stoppes og det der stoppes kan give skader. Figuren er taget fra Wikipedia, Ionizing radiation.

Øverst vises alfa-stråling, som stoppes af et meget tyndt metalfolie, derunder beta-stråling som stoppes af et tykkere folie, derunder gammastråling som halveres af et passende tykt lag f.eks bly og nederst neutronstråling som stoppes af f.eks. vand eller stearin.

Andre typer af stråling

Der kommer kosmisk stråling i form af partikler fra rummet, både fra solen og fra Mælkevejen. Der er processer, som kan give såvel neutronstråling, positive elektroner, der kan være protoner, endeligt dele af atomer efter fission (processen i en atomreaktor), virkningerne er principielt de samme. Fra beton (som bl.a. indeholder lidt uran), kommer det gasformige radioaktive stof radon, som vi indånder, og hvor henfaldsprodukterne kan blive i kroppen. Fra jorden og fra rummet modtager vi stråling hver dag. Vi kan ikke leve uden kalium. Naturligt kalium indeholder en lille mængde af den radioaktive isotop K-40, som bestråler os indefra med beta- og gammastråling.

Desuden bestråles vi fra menneskeskabte kilder især på hospitaler til kræftbehandling og som røntgenstråling ved diagnosticering af f.eks. knoglebrud og sygdomme. En række moderne teknikker som CT- og PET scanning kan give ganske betragtelige doser.  Nogle genstande indeholder radioaktivt stof f.eks. røgalarmer (som det derfor er ulovligt at pille fra hinanden), gasglødenet, gamle selvlysende ure osv. Når man flyver i stor højde er strålingen betydeligt stærkere, fordi atmosfæren stopper meget af strålingen fra rummet.

Dosis

Den absorberede energi af ioniserende stråling måles i Gy ( fra en skotsk fysiker Louis Harold Gray 1905- 1965). Den skadevirkning man får af en given mængde stråling, afhænger af strålingstypen. En dosis af alfastråling er ca. 20 gange mere skadelig end en  tilsvarende dosis af røntgen- ,  beta- eller gammastråling. Protoner, neutroner og tunge partikler er ca. 10 gange værre.  Man er også nødt til at tage hensyn til hvilke organer, der er bestrålet - fx vil en bestråling af en finger næppe betyde noget, men samme bestråling af  knoglemarven kan have langt alvorligere konsekvenser. For at håndtere disse forhold indfører man et begreb, dosisækvivalentet, målt i Sievert,  Sv (fra en svensk fysiker Rolf Maximilian Sievert 1896 - 1966). Uden at gå for meget i detaljer vil en jævnt fordelt bestråling af hele kroppen med beta- eller gammastråling give anledning til et dosisækvivalent, som talmæssigt er lig den modtagne dosis målt i Gy ( altså at fx 0,2 Gy svarer til 0.2 Sv). Er der derimod tale om ujævn bestråling som fx kun et enkelt organ bestrålet er omsætningen mellem dosis  og dosisækvivalent mere kompliceret.

Vi får her i Danmark årlig i gennemsnit omkring 4 mSv. Heraf kommer 1 mSv fra naturlige strålingskilder ( 0,3 mSv fra kosmisk stråling, 0,3 mSv fra jorden og  knap 0,4 mSv fra radioaktive stoffer i kroppen). Der er steder i verden, hvor det naturlige baggrundsniveau er større, op til 200 mSv pr. år. Udsivning fra byggematerialer af den radioaktive gas Radon giver i gennemsnit 2 mSv til hver dansker. Strålingen ved en almindelig røntgenundersøgelse ligger normalt  for f.eks. arme og ben 0,01 mSv, lunger 0,1 mSv, ryg 1 mSv, mave-tarm 10 mSv, CT-scanning omkring 1 mSv. I gennemsnit regner man med at medicinsk diagnostik giver 1 mSv til hver dansker.

Skadevirkning af ioniserende stråling på levende væv

Det der sker, er bl.a. at vandet i vores krop kan blive slået i to stykker og danne ioner og radikaler, som er meget reaktionsdygtige, og som reagerer med det levende væv. Det værste tilfælde er reaktioner med vores DNA (arvemasse og styringsfunktion) i cellen, det kan bevirke celledød eller cellemutationer. Der kan også ske membranskader, idet cellens membran indeholder et stort antal aktive elementer, som styrer cellens stofskifte, pH og saltkonsentrationer. Ved sådanne celleskader går organismens udbedringssystem i gang og fjerner den beskadigede celle og ved celledeling skabes så nye. Er dosis imidlertid tilstrækkelig stor er det ikke muligt for organismen at levere tilstrækkelig mange nye celler og organismen går til grunde. Er dosis mindre vil den alvorligste trussel komme fra celler, der er muteret og som over tid udvikler sig til kræftceller. Det skal også indgå i overvejelserne om dosis er givet på kort tid eller over lang tid. En stor dosis givet over kort tid vil give helt andre, alvorlige skader end den samme dosis givet over år.

Hvordan ses skaderne

For nu at vende tilbage til dit spørgsmål om et modtaget dosisækvivalent på 0,5 - 1 Sv  over lang tid. Ved så "små " doser vil der næppe være synlige skader på individet - højst nogle forbigående blodbilledændringer og måske forbigående mandlig sterilitet. Men ikke noget, der ligner strålesyge. Derimod er der en statistisk sandsynlighed for at udvikle kræft, leukæmi eller at der i efterkommerne er en genetisk skade. Man regner med, at sandsynligheden er 7% pr. Sv. For at sætte tallet i relief,  kan man for Danmarks befolkning ( 5 millioner)  der for hvert individ i gennemsnit får 4 mSv/år, regne ud, at det samlede antal skader (kræft + leukæmi+genetiske skader) er  5.000.000*0.004*0.07 = 1400 skader pr. år. Disse er så at sige uundgåelige, og et resultat af det samfund og miljø, vi lever i.

Mht. dit spørgsmål om den afsatte energi er det faktisk let at besvare. Har man fået en dosis på fx 2 Gy er der afsat 2 J/kg legemsvæv.  Dvs.  vejer man 70 kg, er der i alt afsat 140 J. Dette er en meget lille energimængde - det afgørende for skadevirkningerne er, at energien er afsat på den særlige måde, nemlig som ioniserende stråling.

Til din orientering er nedenfor opremset nogle af følgerne af kraftige doser

Ved meget store doser f.eks. 10 000 Gy er der bevidstløshed i løbet af minutter, død indenfor en time (skader på hjernecellernes membraner). Ved kortvarig bestråling over hele kroppen med 200 Gy får man kvalme, opkastninger, diarré, hovedpine, går i koma og dør  indenfor en uge.

Ved 20 Gy får man i første uge kvalme, opkastninger og diarré, i anden uge desuden sår i munden, feber, bliver udmattet og dør (skader på mave-tarm kanalens celler og den røde knoglemarv) og dør senere.

Ved 4 Gy første uge som ved 20 Gy, anden uge næsten symptomfri, 3-8 uge træthed, hårtab, appetitløshed, feber, blødninger diarré og bliver måske helbredt. For små doser kan resultatet afhænge meget af, om der er intensiv hospitalsbehandling tilstede. Ved Tjernobyl katastrofen døde alle, der havde fået en knoglemarvsdosis på 6 Gy og derover, 1/3 der havde fået 4,2-6,4 Gy og 2 % fra 2,2 - 4,1 Gy.

Under 2 Sv samme symptomer, men lettere og kortere, normalt ikke akut død (dvs. indenfor 60 dage). Sensymptomerne kan år efter være en række dødelige kræftformer.

For kvinder bevirker bestråling af æggestokkene med 1-2 Sv øjeblikkelig sterilitet og menstruationsstop i 1-3 år. Over 4 Sv livsvarig sterilitet. For mænd 0,1 Sv giver nedsat frugtbarhed i op til 1 år, 2,5 Sv sterilitet i 2-3 år, 4-6 Sv kan give livsvarig sterilitet..

Børn i udviklingsalderen er mere påvirkelige af stråling, og skaderne bliver derfor normalt værre og ofte alvorligere.

Vil du vide mere ville jeg foreslå: Steen Hoe og Leif Sarholt-Kristensen: Stråling og Miljø, Borgen 1989.

Med venlig hilsen
Leif Sarholt (biofysik)

Malte Olsen