Следует отличать энергию излучения, падающего на облучаемый объект, от энергии, поглощаемой объектом и вызывающей физическое воздействие. Поэтому в радиобиологии, как и в ядерной физике, выделяют экспозиционную, или физическую, дозу и поглощённую дозу. Но в отличие от ядерной физики, радиобиологии приходится иметь дело с очень низкими дозами.
Экспозиционную дозу, то есть дозу падающего на объект излучения, можно оценить, преобразуя его в теплоту. Имеются чувствительные калориметры, позволяющие регистрировать малейшие изменения температуры объекта. Однако, при радиобиологически эффективных дозах количество выделяемой теплоты столь невелико, что его измерение оказывается очень непростой задачей. Например, доза рентгеновского или гамма-излучения, достаточная для того, чтобы убить млекопитающее, вызывает повышение температуры его тела не более чем на 0,002 °С. Поэтому, наиболее распространённые физические методы дозиметрии ионизирующих излучений, основаны на оценке степени ионизации, производимой в воздухе.
Первая общепринятая единица экспозиционной дозы - Рентген (русское обозначение Р, международное - R), была определена, как доза рентгеновского и гамма-излучений, при которой корпускулярное излучение (то есть электроны) производит, при нормальных условиях, в 1 см³ воздуха (0.001293 г) такое число ионов, что их суммарный заряд равен одной электростатической единице количества электричества каждого знака. Экспозиционной дозе 1 Р соответствует образование, как уже упоминалось в начале статьи, 2,08 • 10⁹ пар ионов в 1 см³ воздуха.
При оценке биологического действия излучения гораздо в большей степени, чем энергия источника излучения или энергия, прошедшая через объект, важна суммарная энергия, поглощённая им. Поглощённая доза измеряется в радах. Единица рад (международное название rad - radiation absorbed dose) соответствует поглощённой энергии любого ионизирующего излучения, равной 100 эрг/г. 1 рад = 2,39 10-⁶ кал/г = 0,01 Дж/кг.
Несомненно, поглощённая доза зависит от экспозиционной дозы. И если известны величины экспозиционной дозы и коэффициента поглощения ткани, то поглощённую дозу легко можно рассчитать. В условиях электронного равновесия - состояния, при котором неполное поглощение энергии электронов, возникших в определённом объёме воздуха, компенсируется поглощением в этом объёме части энергии электронов, образованных в смежных системах, экспозиционной дозе 1 Р соответствует поглощённая доза в воздухе, равная 0,873 рад.
Единицы рентген и рад с переходом большинства стран на единую Международную систему единиц (СИ) оказались вне системы, так как были основаны на иных принципах, однако, наряду с новыми, разрешены к применению в течение некоторого ограниченного времени - так называемого "переходного периода".
В системе СИ единицей измерения экспозиционной дозы является кулон на килограмм (Кл/кг, C/kg). 1 Р = 2,58 • 10-⁴ Кл/кг.
Единицей измерения поглощённой дозы является грей (Гр, Gy). 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад.
Для сравнительной биологической эффективности различных типов излучений, а также смешанных и неидентифицированных потоков излучения используют специальную единицу бэр (биологический эквивалент рентгена) - внесистемную единицу эквивалентной дозы ионизирующего излучения (международное обозначение rem). 1 бэр соответствует такому облучению живого организма данным типом ионизирующего излучения или потока, при котором наблюдается тот же биологический эффект, что и при экспозиционной дозе рентгеновского или гамма-излучения в 1Р.
В системе СИ единицей измерения эквивалентной дозы является Зиверт (Зв, Sv). 1 Зв = 100 бэр.
Для оценки эффективности радиоактивных элементов и изотопов измеряют их активность. Для этой цели иногда используется внесистемная единица Кюри (Ки, Ci). Кюри - это радиоактивность любого радиоактивного вещества, в котором происходят 3,7 • 10¹⁰ распадов в 1 секнду.
В системе СИ единицей радиоактивности является Беккерель (Бк, Bq). 1 Бк = 1 расп./с.
Перечисленные внесистемные и системные единицы дозы ионизирующего излучения и радиоактивности, а также соотношения между ними приведены в таблице 5.
Хотя Международная комиссия по радиационным единицам и измерениям (МКРЕ) рекомендовала к 1985 году отказаться от использования внесистемных единиц, и СССР активно поддержал эти рекомендации, такой переход не во всех странах осуществляется достаточно быстро. Если переход от рада к грею и от бэра к зиверту осуществляется достаточно просто с помощью коэффициента 100, то к использованию Кулона на килограмм вместо Рентгена, и Беккереля вместо Кюри, привыкать труднее. Данные единицы связаны неудобными труднозапоминающимися коэффициентами, которые неузнаваемо изменяют привычные числовые значения экспозиционной дозы и радиоактивности, что может приводить к драматическим ошибкам. Это явилось одной из причин того, что МКРЕ рекомендовала использовать вместо экспозиционной дозы, так называемую, "Керму" (К). Единицей измерения кермы является Грей и, соответственно, 1 К = 1 Гр. При этом допускается, что существует примерное равенство между числовыми значениями экспозиционной дозы в рентгенах и поглощённой дозы в радах и, соответственно, между числовыми значениями кермы, выраженной в греях и поглощённой дозы в греях для воздуха, воды и мягких биологических тканей. Поэтому методические указания Госстандарта СССР от 1984 года пока не предусматривают перехода на использование единицы СИ экспозиционной дозы.
Для характеристики распределения ионизирующего излучения во времени используют величину мощности дозы, под которой понимают количество энергии излучения, поглощаемое веществом в единицу времени.
В зависимости от мощности дозы различают острое и пролонгированное облучение. Под острым понимают кратковременное облучение в течение нескольких секунд, минут, реже – часов при высокой мощности дозы (десятки, сотни грей в минуту, в час). Под пролонгированным – продолжительное облучение в течение десятков часов, суток, недель при низкой мощности дозы (доли грей в час).
Как предельный случай пролонгированного облучения можно рассматривать хроническое облучение, при котором действие дозы мощностью в несколько сотых, и даже тысячных, грея в час осуществляется на протяжении всего вегетационного периода растения, всей жизни животного или, по меньшей мере, составляющего значительную часть онтогенеза (периода развития).
Одинаковая по биологической эффективности доза пролонгированного облучения, как правило, существенно превышает дозу острого, что определяется степенью пролонгирования, то есть разницей в мощности доз. Доза хронического облучения, вызывающая одинаковое биологическое действие, может в 3 – 6 и более раз превышать дозу острого облучения.
Различают также однократное и фракционированное (многократное) облучение. В первом случае доза даётся в течение одного непрерывного акта облучения. Во втором – делится на две и более фракций, чередующихся с периодами, в течение которых организм не облучается. Эффективность облучения, в последнем случае, существенно зависит, с одной стороны, от количества фракций дозы, а с другой – от продолжительности интервала между ними. С их увеличением она уменьшается (рис. 9),
так как в периоды между фракциями происходит восстановление различных структур, функций клеток и организма в целом.
Снижение эффективности облучения с уменьшением мощности дозы, и при её фракционировании, подтверждает существование процессов пострадиационного восстановления живых организмов, облучаемых ионизирующей радиацией.
Физические свойства и характеристики ионизирующего излучения определяют вид радиобиологической реакции организма или, как его ещё называют, радиобиологический эффект. В зависимости от типа излучения, величины дозы, способа облучения можно наблюдать разнообразные реакции организма на излучение: от ускорения роста и развития до его гибели. Рассмотрение биологических эффектов ионизирующих излучений является предметом изучения следующих статей.
