Erasmus MC : Ioniserende straling

Ioniserende straling kun je niet zien, horen, ruiken, proeven en voelen. Zij is echter wel in onze omgeving aanwezig en is in staat biologische effecten te veroorzaken. In de medische wereld wordt straling gebruikt om in de mens te kunnen kijken (diagnostiek). Ioniserende straling wordt ook gebruikt om cellen te doden (therapie). Er bestaat ook niet-ioniserende straling zoals laser, infrarood, radar en microgolven. Deze wordt hier niet behandeld. In deze brochure wordt met “straling” ioniserende straling bedoeld.

Röntgenstraling
In november 1895 ontdekte W.C. Röntgen een tot dan onbekend soort straling. Deze straling werd kunstmatig met een toestel opgewekt. In kranten was te lezen dat Röntgen met deze straling “onzichtbare” dingen kon fotograferen. Met onzichtbare dingen bedoelden de journalisten bijvoorbeeld de botten in een hand. Met name de medische wereld was geïnteresseerd in deze nieuwe straling omdat men hiermee het inwendige van de mens kon bekijken zonder hem open te snijden. Het duurde dan ook niet lang voordat de eerste medische toepassingen plaatsvonden. In januari 1896 gebruikte men deze straling voor het zichtbaar maken van een schot hagel in de hand van een jager. Zelf noemde Röntgen zijn ontdekking “X-ray”. In Nederland noemen we dit tegenwoordig röntgenstraling. In Engelse literatuur kom je nog vaak de term X-ray tegen.

Radioactiviteit
Aan het einde van de 19e eeuw ontdekten onderzoekers behalve de röntgenstraling, nog andere soorten ioniserende straling. Henri Becquerel vond stoffen die, net als röntgenstraling, in staat waren “onzichtbare” dingen te fotograferen. Aangezien hij op de hoogte was van de ontdekking van W.C. Röntgen, schreef hij het verschijnsel toe aan straling die door deze stoffen werd uitgezonden. Marie Curie toonde, samen met haar man Pierre, aan dat diverse stoffen verschillende soorten straling uitzonden. Deze stralingssoorten kregen, in volgorde van hun ontdekking, de namen van de letters van het Griekse alfabet (alfa-, beta- en gammastraling). Marie Curie noemde stoffen die straling uitzenden “radioactieve stoffen”.

Radium, een van de radioactieve stoffen die door het echtpaar Curie werd ontdekt, veroorzaakte het eerste zichtbare biologische effect van straling. Doordat Pierre Curie een hoeveelheid radium op zijn huid legde, liep hij ernstige, op brandwonden lijkende, verwondingen op. Na de eerste constatering van een biologische effect van ioniserende straling duurde het niet lang voordat radioactieve stoffen werden toegepast bij de behandeling van kanker.

Ioniserende Straling
De door radioactieve stoffen uitgezonden straling wordt in de volksmond en door de pers vaak “radioactieve straling” genoemd. Dit is echter een onjuiste benaming omdat de straling die wordt uitgezonden niet radioactief is, maar een gevolg is van radioactief verval van stoffen. Om aan te geven dat deze stralingssoort zich onderscheidt van andere vormen van straling, zoals bijvoorbeeld licht en warmte, wordt de door radioactieve stoffen uitgezonden straling ioniserende straling genoemd. Deze straling heeft zijn naam dus te danken aan het feit dat ze ionisaties in materialen veroorzaakt. Ionisatie wil zeggen dat de straling zoveel energie aan een elektron van een atoom overdraagt, dat het elektron uit het atoom loskomt. Er blijft vervolgens een atoom over dat één elektron te weinig heeft. Een dergelijk atoom is geïoniseerd. Aangezien röntgenstraling ook ionisaties veroorzaakt, hoort deze stralingssoort eveneens bij de groep van ioniserende straling.
 

Halveringstijd
Radioactieve stoffen zenden straling uit totdat alle instabiele kernen stabiel zijn geworden. De afname van het aantal instabiele kernen per tijdseenheid noemen we de radioactiviteit van de stof. Naarmate er steeds meer atoomkernen stabiel zijn geworden, en er dus minder instabiele kernen overblijven, zal de stof steeds minder radioactief zijn.  Elke radioactieve stof heeft een vaste tijd waarna de radioactiviteit nog maar de helft is van de beginwaarde. Deze vaste tijd wordt de halveringstijd (T½) genoemd.
Na het verstrijken van één halveringstijd is de radioactiviteit gehalveerd. Na het verstrijken van twee halveringstijden is de radioactiviteit de helft van de helft, dus nog maar een kwart (1/4) van de beginwaarde. Na drie halveringstijden resteert, de helft van de helft van de helft = 1/8. De halveringstijd is uniek, heeft een vaste waarde en is afhankelijk van de radioactieve stof. Er bestaan radioactieve stoffen met een hele korte halveringstijd (minder dan een duizendste van een seconde) maar ook met een hele lange halveringstijd (miljarden jaren).
 

Achtergrondstraling
Hoewel straling pas zo’n honderd jaar geleden werd ontdekt, is er sinds het ontstaan van de aarde straling aanwezig. Straling bereikt ons vanuit het heelal en uit de aardkorst. Veel radionucliden die van nature in de aardkorst voorkomen zijn afkomstig van de stoffen uranium en thorium. Kalium-40 is ook zo’n stof die van nature op aarde aanwezig is. Via het voedsel komt een hoeveelheid radioactiviteit (voornamelijk kalium-40) in ons lichaam terecht. Naast de straling uit het heelal, de aarde en ons voedsel, komt er ook straling vrij uit onze huizen als gevolg van radioactieve stoffen in bouwmaterialen. Deze altijd aanwezige straling wordt achtergrondstraling genoemd. Als gevolg van achtergrondstraling is de gemiddelde stralingsdosis van een inwoner van Nederland ongeveer 1,4 millisievert in een jaar. Millisievert (afgekort als mSv) is de maat waarin de stralingsdosis van mensen wordt uitgedrukt. In andere landen kan door de aanwezigheid van meer radioactieve stoffen in de aardkorst de jaarlijkse stralingsdosis hoger zijn dan in Nederland. Verblijf op grotere hoogte zorgt ook voor een hogere stralingsdosis dan op zeeniveau. Dit komt door een grotere bijdrage van de straling vanuit het heelal. De stralingsdosis van een Nederlander zal bij een tweewekelijkse skivakantie toenemen met 0,02 mSv. Een zelfde extra stralingsdosis wordt ook ontvangen bij een enkele uren durende vlucht op 10 km hoogte.
 
 

Biologisch effecten van straling
Wanneer ioniserende straling levend weefsel treft kan dit, door ionisaties, biologische effecten tot gevolg hebben. De eerste biologische effecten die door Pierre Curie werden ondervonden, volgden direct na de bestraling. Niet lang nadat de huid was bestraald ontstond er een soort brandwond. Later bleek dat straling ook nog effecten kan veroorzaken lang nadat de bestraling heeft plaatsgevonden. Marie Curie overleed op 67–jarige leeftijd aan één van de late effecten, leukemie.

De Curies en andere stralingspioniers waren niet op de hoogte van de risico’s van hun vak. Tegenwoordig is de kennis van de biologische stralingseffecten echter sterk uitgebreid en weten we dat directe effecten alleen optreden nadat een zekere drempeldosis is overschreden. Wordt de drempeldosis niet overschreden dan treedt het effect niet op. Nadat de drempeldosis wel is overschreden zal het effect erger worden naarmate de dosis toeneemt.
Behalve directe effecten kunnen ook nog late, kansgebonden effecten, zoals leukemie en kanker, optreden. Deze kunnen optreden bij lage doses, zodat het risico niet nul is als men onder de drempeldosis blijft. Bij de kansgebonden effecten geldt dat niet de ernst van het effect, maar de kans op het optreden van het effect toeneemt bij toenemende dosis. De extra kans op sterfte door kanker door blootstelling aan straling wordt geschat op circa 5 % per 1000 mSv. Voor de totale Nederlandse bevolking zou dit rekenkundig jaarlijks neerkomen op 1100 sterfgevallen door kanker als gevolg van natuurlijke achtergrondstraling (het totaal aantal sterfgevallen door kanker bedraagt in Nederland jaarlijks ruim 37000). Het aantal sterfgevallen als gevolg van achtergrondstraling is echter niet meer dan een schatting. De kansgebonden effecten zijn namelijk wel bij hoge maar niet bij lage doses wetenschappelijk aangetoond. Het aantal sterfgevallen zou dus ook lager kunnen zijn. Zolang hierover echter geen zekerheid bestaat, wordt er veiligheidshalve vanuit gegaan dat kansgebonden effecten geen drempeldosis hebben en dat elke toename van de dosis in principe de kans op kanker verhoogt.

Directe effecten die kunnen optreden als het gehele lichaam wordt blootgesteld aan straling waarbij de dosis groter is dan de drempeldosis zijn in de tabel vermeld.

In de dagelijkse praktijk komt bestraling van het gehele lichaam niet vaak voor. Zowel bij diagnostiek, therapie als bij handelingen met stralingsbronnen en bij incidenten wordt meestal slechts een deel van het lichaam bestraald, waardoor de eventuele directe stralingsschade beperkt blijft tot het bestraalde deel van het lichaam.