Hele bladet i pdfbook-format - Gamma - Niels Bohr Institutet
Hele bladet i pdfbook-format - Gamma - Niels Bohr Institutet
Hele bladet i pdfbook-format - Gamma - Niels Bohr Institutet
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Afsender: Returneres ved varig adresseændring<br />
<strong>Gamma</strong><br />
<strong>Niels</strong> <strong>Bohr</strong> <strong>Institutet</strong><br />
Blegdamsvej 17<br />
2100 Kœbenhavn Ø<br />
Fortale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . s 3<br />
Nyheder og meddelelser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . s 4<br />
Rune Høirup Madsen<br />
Hvordan ioniserende str˚aling p˚avirker menneskers sundhed . . . . . s 10<br />
Boganmeldelser<br />
H-G Rubahn: Nanoteknologi . . . . . . . . . . . . . . . . . . s 27<br />
Paradokser og opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . s 29<br />
Indhold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . s 40<br />
MAGASINPOST<br />
B<br />
<strong>Gamma</strong> Γ<br />
Tidsskrift for fysik • Efter˚ar 2007 • Nr. 147
<strong>Gamma</strong><br />
<strong>Gamma</strong> er grundlagt i 1971 og finansieres<br />
af <strong>Niels</strong> <strong>Bohr</strong> <strong>Institutet</strong>. Bladet<br />
udkommer 4 gange om ˚aret og f˚as gratis<br />
ved henvendelse til redaktionen. Vi<br />
beder dog vore læsere om at afhente<br />
<strong>Gamma</strong> p˚a en skole, et institut eller vores<br />
hjemmeside, hvis man har mulighed<br />
for det.<br />
Redaktion:<br />
Thomas R.N. Jansson (TJ)<br />
Andreas Lemark (AL)<br />
Katrine Rude Laub (KRL)<br />
Silja Heilmann (HE)<br />
Michael Artych (MA)(ansv.)<br />
Skribenter:<br />
Adresse:<br />
<strong>Gamma</strong><br />
<strong>Niels</strong> <strong>Bohr</strong> <strong>Institutet</strong><br />
Blegdamsvej 17<br />
2100 København Ø<br />
Tlf: 35 32 53 19<br />
Email: gamma@nbi.dk<br />
www.gamma.nbi.dk<br />
Redaktionstid:<br />
Se den aktuelle redaktionstid p˚a vores<br />
hjemmeside.<br />
Adresseændring:<br />
Meddeles til postvæsenet, hvis man<br />
modtager <strong>Gamma</strong> uden kuvert, og til redaktionen,<br />
hvis man modtager <strong>bladet</strong> i<br />
kuvert. Afbestillinger skal ske p˚a hjemmesiden.<br />
Abonnementsnummer (tallet<br />
bagefter f.eks. 91646 KHC ) bedes oplyst.<br />
Artikler:<br />
Vi modtager gerne artikler, debatindlæg<br />
og kommentarer. Vi foretrækker<br />
kommunikation over email og manuskripter<br />
i L ATEX eller txt <strong>format</strong>, men<br />
Microsoft Word og Corel Wordperfect<br />
filer modtages ogs˚a.<br />
Eftertryk tilladt med kildeangivelse.<br />
ISSN 0108-0954<br />
NBI-tryk oplag 3000<br />
Om Forsiden<br />
Den abstrakte verden kan altid<br />
finde en plads p˚a væggen hos<br />
en fysiker, da den verden er<br />
noget vi arbejder med dagligt<br />
og minder os om at alting<br />
omkring os ikke altid er hvad<br />
det ser ud til at være. Picasso<br />
forstod den abstrakte verden<br />
som ingen anden og skabte malerier<br />
med egenskaben Kubism<br />
som mange i verden har taget<br />
til sig og skabte deres ligeledes<br />
dejlige sjove billeder som vores<br />
forsiden af den smukke pige fra<br />
Tjernobyl .<br />
Illustration: Kari Bjerke<br />
Sørensen<br />
.
Paradokser og opgaver <strong>Gamma</strong> 147<br />
38<br />
Fortale<br />
Kære læser<br />
Efter en lang og dejlig sommer har <strong>Gamma</strong> nu f˚aet deres redaktører<br />
tilbage. I vores kælderlokale har vi arbejdet meget for at f˚a vores nye<br />
system op at køre ordentligt, da maskinerne har pjattet lidt rundt med<br />
os. S˚a derfor undskylder vi p˚a forh˚and, hvis der er stavefejl eller mangler<br />
bogstaver undervejs i teksten :) Med det sagt kan vi med god samvittighed<br />
præsentere dette nummer. Rune Høirup Madsen har indsendt en forkortet<br />
udgave af sit bachelor projekt om ioniseret str˚aling og om hvordan det<br />
p˚avirker menneskets krop. De mange applikationer som vi bruger i dag<br />
i medicinalindustrien og nede i det lokale røntgenlab p˚avirker kroppen<br />
med forskellig slags str˚aling.<br />
<strong>Gamma</strong> har desuden modtaget en løsning til et paradoks fra <strong>Gamma</strong>143,<br />
’Et trekantet problem’, fra vores læser Hedda Gottschalck. Desuden bringer<br />
vi en boganmeldelse af Horst Rubahns bog ”Nanoteknologi”. Som<br />
altid har <strong>Gamma</strong> friske nye opgaver til de læsere, der kan lide en lille udfordring.<br />
Hvis du har noget du kan tilbyde til <strong>Gamma</strong>, ris, ros, indlæg eller kommentarer<br />
s˚a tøv ikke med at skrive til os p˚a gamma@nbi.dk Til sidst vil<br />
<strong>Gamma</strong> gerne meddele af vi søger nogle nye redaktører, s˚a hvis du har<br />
interesse for <strong>Gamma</strong>, fysik og andet godt fra naturvidenskaben vil vi meget<br />
gerne høre nærmere. I kan kontake os p˚a gamma@nbi.dk for at høre<br />
nærmere om hvad vi laver.<br />
God læselyst<br />
<strong>Gamma</strong>
Nyheder og meddelelser<br />
Katrine Rude Laub (KRL), Thomas R. N. Jansson (TJ),<br />
Silja Heilmann (HE), Andreas Lemark (AL) og Michael<br />
Artych (MA)<br />
˚Arets Nobelpris i fysik<br />
Magnetoresistans (MR) er et fænomen de<br />
fleste har hørt tale om, eksempelvis i forbindelse<br />
med s˚akaldt MR-skanning (se bl.a.<br />
MR-skanning: Billeder fra den forbudte side<br />
af bølgegrænsen af Lars G. Hanson i <strong>Gamma</strong><br />
143). Allerede i 1857 viste Lord Kelvin, at<br />
den elektriske modstand i jern ændres ved<br />
indførslen af et magnetfelt. I mange ˚ar var der derefter faktisk ikke de<br />
store udviklinger indenfor ydelsen af MR, og helt op til 1980’erne var konsensus,<br />
at man ikke nævneværdigt kunne forbedre magnetiske sensorer<br />
baseret p˚a MR. Det var derfor noget af en overraskelse, da to forskerhold<br />
uafhængigt af hinanden i 1988 producerede materialer, der udviste<br />
høj magnetoresistans. Fænomenet blev passende døbt Giant Magneto<br />
Resistance (GMR). Det er lederne af de to hold, Albert Fert og Peter<br />
Grünberg, fra hhv. Université Paris-Sud i Frankrig og Forschungszentrum<br />
Jülich i Tyskland, der deler prisen imellem sig.<br />
GMR er fundamentalt set en kvantemekanisk effekt, der beror p˚a elektronspinnet.<br />
P˚a billedet ses en skitse af hvordan GMR fungerer: Lag af<br />
magnetiske og ikke-magnetiske materialer ligger skiftevis - hvert lag et par<br />
atomer bredt. N˚ar elektronerne i de forskellige magnetiske lag har spin<br />
i forskellige retninger er modstanden høj (a). N˚ar spinnene er i samme<br />
retning er modstanden lav (b). Indførelsen af en magnet kan alts˚a sænke<br />
modstanden i (a) betydeligt. Ved ’traditionel’ MR, havde ingen registreret<br />
mere end i omegnen af 1% ændring i modstand, hvor GMR kunne<br />
give en magnetiseringsafhængig ændring p˚a op mod 50%.<br />
S˚a snart GMR blev opdaget, var man klar over det kunne f˚a stor teknologisk<br />
betydning - især for lagring af in<strong>format</strong>ioner, eller rettere at<br />
aflæse den lagrede in<strong>format</strong>ion. Read-out hoveder baseret p˚a GMR er<br />
meget følsomme overfor magnetiske ændringer, og kan konvertere disse<br />
til ændringer i elektriske modstande.<br />
4<br />
<strong>Gamma</strong> 147 Paradokser og opgaver<br />
Lad A = a 2 b + a + b være delelig med B = ab 2 + b + 7. S˚a er ogs˚a<br />
Ab − Ba = b 2 − 7a delelig med B. Hvis b 2 − 7a = 0, s˚a er a = 7c 2 og b = 7c<br />
og A = Bc.<br />
Antag derfor b 2 − 7a = 0. Da ab 2 + b + 7 ≤ |b 2 − 7a| gælder enten<br />
b 2 − 7a ≥ ab 2 + b + 7 eller 7a − b 2 ≥ ab 2 + b + 7. Den første ulighed kan<br />
ikke opfyldes. Den anden kan skrives (7 − b 2 )a ≥ b 2 + b + 7, s˚a b m˚a være<br />
enten 1 eller 2. For b = 1 Det giver mulighederne a = 11 og a = 49. b = 2<br />
giver ingen løsninger.<br />
Svar – Ligesidet Trekant<br />
Vi har p˚a redaktionen f˚aet indsendt en besvarelse til opgaven ”Ligesidet<br />
Trekant” i <strong>Gamma</strong> 143 fra Hedda Gottschalck, vi er selvfølgelig altid glade<br />
for besvarelser og bringer den her:<br />
Her er s˚a hendes løsning: (tegningen er<br />
vedhæftet)<br />
Der er givet 3 indbyrdes parallelle linier<br />
L1, L2 og L3, nu skal man konstruere en<br />
ligesidet trekant, der har et hjørne p˚a hver<br />
linie.<br />
P˚a L3 vælges punktet P, som deler L3 i to<br />
halvlinier med en indbyrdes vinkel p˚a 180<br />
grader, denne vinkel tredeles, og vi ser p˚a<br />
den midterste 60 graders vinkel, dens ben<br />
ses at skære L2 i punkterne A og O, hvorved der dannes en ligesidet<br />
trekant PAO. Linien PO forlænges og skærer L1 i punktet B.<br />
A og B forbindes. Med udgangspunkt i A, og med linien AB som venstreben<br />
konstrueres en vinkel p˚a 60 grader, dennes højreben vil skære L3<br />
i punktet C.<br />
Vi betragter nu trekanterne APC og AOB og ser at de er ligedannede,<br />
idet de begge har en side, som er side i den ligesidede trekant PAO og<br />
vinklerne AOB og APC begge er 120 grader, mens vinklerne PAC og<br />
BAO begge er (60 - v) grader.<br />
Da AC derfor er lig AB og disse to linier danner en vinkel p˚a 60 grader<br />
med hinanden, vil trekanten ABC være den ønskede ligesidede trekant.<br />
37
Paradokser og opgaver <strong>Gamma</strong> 147<br />
vi har alts˚a uligheden qa < b. Da 1 ≤ −c, f˚as qa < −cb = q − a 2 , s˚a<br />
q(a − 1) < −a 2 og derfor a − 1 < 0. Alts˚a er a = 0. Men s˚a er jo q = b 2 .<br />
Svar – Heltalligt<br />
Bestem alle hele tal, n > 1, for hvilke 2n +1<br />
n er et helt tal.<br />
Løsningen er ikke pæn. Opgaven er da ogs˚a opst˚aet ved en trykfejl.<br />
Løsninger er n = 3 k , men ogs˚a fx. 171.<br />
Svar – En divisor<br />
Find alle hele tal a, b og c med 1 < a < b < c som opfylder, at (a − 1)(b −<br />
1)(c − 1) er en divisor i abc − 1.<br />
De eneste løsninger er (2,4,8) og (3,5,15).<br />
Sæt x = a − 1, y = b − 1 og z = c − 1. S˚a er tallet<br />
(x + 1)(y + 1)(z + 1)<br />
xyz<br />
= xyz + yz + zx + xy + x + y + z<br />
xyz<br />
Et helt tal, som vi kan kalde k + 1. S˚a er<br />
1 1 1 1 1 1<br />
+ + + + + = k<br />
x y z yz zx xy<br />
Da 1 ≤ x < y < z f˚as 2 ≤ y og 3 ≤ z, hvoraf k < 3. Hvis x ≥ 3, f˚as k < 1.<br />
S˚a x er enten 1 eller 2. Hvis x = 1, s˚a er k = 2. s˚a ligningen reduceres til<br />
(y − 2)(z − 2) = 5, der m˚a give y = 3 og z = 7. Hvis x = 2, f˚as<br />
<br />
1 3 1<br />
+<br />
2 2 y<br />
<br />
1<br />
+ +<br />
z<br />
1<br />
= k<br />
yz<br />
Da y ≥ 3 og z ≥ 4, f˚as k = 1. S˚a ligningen bliver (y − 3)(z − 3) = 11.<br />
Alts˚a bliver y = 4 og z = 14.<br />
Svar – Og en anden divisor<br />
Find alle positive hele tal a og b som opfylder, at ab 2 + b + 7 er en divisor<br />
i a 2 b + a + b.<br />
36<br />
<strong>Gamma</strong> 147 Nyheder og meddelelser<br />
GMR er desuden et fantastisk eksempel p˚a, hvordan grundforskning<br />
og teknologiske udviklinger sammenkobles og forstærker hinanden: Opdagelsen<br />
af GMR var en af de første praktiske udnyttelser af den tidlige<br />
nanoteknologi. Dette var i høj grad med til at udvikle spintronics - hvor<br />
b˚ade elektronens ladning og spin udnyttes - der sidenhen er blevet en af<br />
drivkræfterne bag den eksplosive udvikling af nanoteknologien.<br />
Kilder:<br />
[1] http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2007/<br />
[2] http://www.mrsec.wisc.edu/Edetc/IPSE/educators/activities/gmr.html<br />
Flydende stof til eftertanke<br />
I kvantemekanikken og faststof verdenen snakker man om et fænomen<br />
som hedder ”Super-soliditet”. Dette sker, n˚ar atomer bevæger sig friktionsløst<br />
igennem en solid blok af helium. Denne blok skabes s˚a perfekt<br />
som muligt, men mange steder opst˚ar alligevel sm˚a omr˚ader, som er defekte,<br />
dvs. hvor det p˚agældende omr˚ade enten mangler nogle atomer eller<br />
at der ikke er den symmetriske kontinuitet, som man ellers kunne regne<br />
med. Ved hjælp af Monto Carlo-simulationer har nogle forskere fundet,<br />
at dette flow stadig er mulig i de defekte omr˚ader. I 1969 blev det teoretiseret<br />
af russiske forskere, at det manglende atom i et krystalgitter gav<br />
anledning til en forbindelse der kunne opst˚a mellem de ”tomme”omr˚ader<br />
ved lave temperaturer.(Monto Carlo simulationer bruges til at simulere<br />
stokastiske systemer, der har mange komplekse variable s˚asom halvledere<br />
for at modellere transporten af strømmen, eller f.eks. en simulation af<br />
de mange partikler, der rammer en detektor i en højenergi accelerator).<br />
35 ˚ar senere mente nogle amerikanske forskere, at de havde fundet frem<br />
til denne superfaste tilstand. Heliumkrystallet blev lavet i en diskosform<br />
forbundet til en fjeder, som tillod krystallet at vrides frem og tilbage.<br />
Ved nedkøling til 0.2K blev oscillationerne lige pludselig hurtigere.<br />
Denne temperatur svarer til, at 2 procent af den frosne helium var blevet<br />
superflydende, hvilket medførte at de 2 procent af heliummet ikke blev<br />
p˚avirket af og ikke p˚avirkede det pres, som fjederen gav. Det viste sig ved<br />
senere eksperimenter, at denne effekt typisk opstod i superfast helium,<br />
som havde flere defekte omr˚ader. Ved en simulation af 2000 atomer, blev<br />
AL<br />
5
Nyheder og meddelelser <strong>Gamma</strong> 147<br />
der skabt en spiralskrueformet trappe rundt om en akse, som kunne skabe<br />
en ”strøm”af superflydende atomer. For at skaffe den lave temperatur i<br />
heliummet m˚a man typisk bruge et meget højt tryk og dette kan være<br />
meget svært at opn˚a. Selve forsøget, der er beskrevet, fokuserer p˚a et<br />
enkelt isoleret tilfælde af en spiralskrueformet trappe, men det kan dog<br />
beskrives ved mange andre lignende tilfælde, hvor denne spiralskrueformede<br />
trappe ogs˚a er brugt. Dog er det første eksempel p˚a den situation,<br />
hvor en fase b˚ade har translationelle og superflydende egenskaber.<br />
Kilder:<br />
[1] Phys. Rev. Lett. 99, 035301 (2007) by M. Boninsegni, A.B. Kuklov, L. Pollot, N.V. Prokof, B.V.<br />
Svistunov & M. Troyer<br />
Krøllet h˚ar filtrer mindre end glat h˚ar<br />
MA<br />
Jean-Baptiste Masson fra Laboratory for Optics and Biosciences p˚a Ecole<br />
Polytechnique i Frankrig har undersøgt sammenhængen mellem h˚artype<br />
og knuder i h˚aret. Dels fik han frisører til at tælle knuder i kundernes<br />
h˚ar og dels opstillede han en geometrisk model i h˚ab om en matematisk<br />
forklaring p˚a resultaterne.<br />
Knuder blev defineret som en gruppe af h˚ar, der modst˚ar redning.<br />
Der viste sig at være en dobbelt s˚a stor forekomst af disse i glat som i<br />
krøllet h˚ar. Forklaringen er, at selvom glatte h˚ar sjældnere interagerer<br />
med hinanden, s˚a sker interaktionen med større vinkler. Det er den relative<br />
vinkel mellem h˚arene der for˚arsager knuder, hvilket er en konsekvens<br />
af h˚ars overfladeegenskaber.<br />
H˚arundersøgelsen kan f˚a betydning for udvikling af velcro-lignende produkter.<br />
Desuden kan den geometriske modellering ogs˚a vise sig nyttig i<br />
forbindelse med studier af polymere og andre filamentmaterialer i biologiens<br />
verden.<br />
Kilder:<br />
[1] http://www.aip.org/pnu/2007/split/838-2.html<br />
6<br />
KRL<br />
<strong>Gamma</strong> 147 Paradokser og opgaver<br />
og<br />
Lad<br />
α =<br />
⎛<br />
⎝<br />
Cauchy–Schwarz’ uliglhed giver da<br />
x y z<br />
√ , √ , √<br />
y + z x + z y + x<br />
β = √ y + z, √ x + z, √ y + x <br />
α · αβ · β ≥ α · β 2<br />
alts˚a ⎛<br />
⎝ x2<br />
⎞<br />
y2 z2<br />
+ + ⎠ ·<br />
y + z x + z y + x<br />
(y + z + x + z + y + x)<br />
≥ x + y + z<br />
eller ⎛<br />
⎝ x2<br />
⎞<br />
y2 z2 x + y + z<br />
+ + ⎠ ≥<br />
y + z x + z y + x 2<br />
Men da det aritmetiske gennemsnit er større end eller lig med det geometriske,<br />
er x + y + z ≥ 3. Heraf følger uligheden.<br />
Svar – Endnu et kvadrat<br />
Lad a og b være naturlige tal, der opfylder, at ab + 1 g˚ar op i a 2 + b 2 . Vis,<br />
at<br />
a 2 + b 2<br />
er et kvadrattal.<br />
Betragt ligningen<br />
ab + 1<br />
a 2 + b 2 = q(ab + 1)<br />
og søg dens heltallige løsninger med q > 0. Betragt løsningen med a + b<br />
mindst. Vi kan antage, at a ≤ b. Da er b > 0, n˚ar q > 0. Vi kan jo skrive<br />
ligningen<br />
b(qa − b) = a 2 − q<br />
Betragt c = qa − b, da gælder bc < a 2 ≤ b 2 , s˚a c < b. Da b = qa − c, giver<br />
det c(qa − c) = a 2 − q i modstrid med minimaliteten af a + b, med mindre<br />
c < 0.<br />
⎞<br />
⎠<br />
35
Paradokser og opgaver <strong>Gamma</strong> 147<br />
A<br />
h<br />
d<br />
B αQ P C<br />
β<br />
BP ’s andet skæringspunkt med den lille cirkel betegnes Q, og BC’s<br />
midtpunkt betegnes M. Længden af OM betegnes d, længden af AP<br />
betegnes h, længden af BM betegnes α, og længden af QM betegnes β.<br />
S˚a er h = 2d, α 2 = R 2 − d 2 , og β 2 = r 2 − d 2 .<br />
Endvidere er enten BP = α + β og CP = α − β eller omvendt.<br />
Alts˚a er<br />
BC 2 + CA 2 + AB 2<br />
=6R 2 + 2r 2<br />
for enhver beliggenhed af B.<br />
Svar – En ulighed<br />
=4α 2 + h 2 + CP 2 + h 2 + BP 2<br />
=4R 2 + 4d 2 + (α − β) 2 + (α + β) 2<br />
=4R 2 + 4d 2 + 2α 2 + 2β 2<br />
Lad a, b og c være positive reelle tal, der opfylder abc = 1.<br />
Vi, at<br />
1<br />
a3 (b + c) +<br />
1<br />
b3 (c + a) +<br />
1<br />
c3 3<br />
≥<br />
(a + b) 2<br />
Lad x = 1 1<br />
a , y = b<br />
Bliver uligheden til<br />
34<br />
1 og z = c , der ogs˚a opfylder xyz = 1. Da<br />
1<br />
a3 (b + c) = x3yz x2<br />
=<br />
y + z y + z<br />
x2 y2 z2 3<br />
+ + ≥<br />
y + z x + z y + x 2<br />
<strong>Gamma</strong> 147 Nyheder og meddelelser<br />
Vand danner bro ved højspændning<br />
Vand er uden tvivl et af de vigtigste og mest udbredte kemiske komponenter,<br />
p˚a Jorden. P˚a trods af dette bliver denne væske stadig ved<br />
med at overraske os. I en ny artikel publiceret den 21. august 2007 har<br />
en gruppe forskere fra Østrig undersøgt, hvordan vand opfører sig under<br />
p˚avirkning af et stort elektrisk felt. Overraskende nok viste det sig, at<br />
vandet i to bægre med destilleret vand, som maksimalt var 25mm fra<br />
hinanden, kunne danne en bro med en diameter p˚a 1-3mm af flydende<br />
vand mellem bægrene.<br />
Ved nærmere undersøgelse viste<br />
det sig, at vandet blev transporteret<br />
fra det ene bæger til det andet -<br />
gerne fra anoden til katoden. Forskerne<br />
startede med bægrene st˚aende<br />
ved siden af hinanden og bevægede<br />
dem langsomt fra hinanden.<br />
Dette kunne de gøre indtil en<br />
afstand p˚a 25 mm, hvor broen, der<br />
hang i fri luft, kollapsede. Grunden<br />
til fænomenet er ikke fastlagt, men<br />
i artiklen forklarer gruppen, at det<br />
er rimeligt at antage, at broen dannes p.g.a. elektrostatiske ladninger p˚a<br />
overfladen af vandet i de to bægre. Det elektriske felt koncentreres inde i<br />
vandet og arrangerer vandmolekylerne i en ordnet mikrostruktur. Det er<br />
denne mikrostruktur, der holder broen oppe. Forklaringen underbygges af<br />
en undersøgelse af vandets densitet ved bægrets kant og midten af broen,<br />
som viste forskellige densiteter ved de to steder. Dette kan forklares med<br />
speciel arrangering af vandmolekylerne. Gruppen arbejder nu med en artikel,<br />
der detaljeret forklarer sammenhængen mellem mikrostruktur og<br />
densitetsvariationer.<br />
Kilder:<br />
[1] Fuchs, E. C. et al., The floating water bridge.J. Phys. D: Appl. Phys. 40 (2007) 6112-6114.<br />
[2] http://www.physorg.com/news110191847.html<br />
TJ<br />
7
Nyheder og meddelelser <strong>Gamma</strong> 147<br />
Bakterier har elektrisk livsstil<br />
N˚ar en jordbakterie nedbryder næringstoffer i jorden, dannes der overskudselektroner,<br />
som bakterien har behov for at komme af med. Uden<br />
en passende elektronacceptor kan bakterien ikke fungere ordenligt og dør<br />
- staklen. Jordbakterier, der ligger nær overfladen, bruger ofte luftens<br />
oxygen som elektronacceptor, men bakterier længere nede, der lever i et<br />
oxygenfrit miljø, tyr til andre midler, mener forskere fra J. Craig Venter<br />
Institute La Jolla i Californien. Flere typer jordbakterier er nemlig i<br />
stand til at skyde lange nanofilamenter ud i jorden omkring dem og hen<br />
til nabobakterier. Forskerne mener, at disse filamenter tjener til at lede<br />
de uønskede elektroner væk fra bakterierne og op til overfladen gennem<br />
et fint filamentnetværk bakterierne imellem. Forskerne konstaterede ved<br />
hjælp af elektroder, at der i sandhed løb elektriske strømme op igennem<br />
en jordsøjle, efter de havde ladet en jordbakteriekoloni hygge sig i den i ti<br />
dage. Det samme var ikke tilfældet for en mutant jordbakteriekoloni, der<br />
kun var i stand til at producere meget tynde og d˚arligt ledende filamenter.<br />
”Jeg tror, at den dominerende livsstil for jordbakterier er at leve i<br />
elektriske netværk” udtaler Yuri Gorby, en af forskerne fra holdet. Deres<br />
teori møder dog megen skepsis blandt kollegaer. Det er tidligere vist, at<br />
bakterietypen Shewanella er i stand til at udskille opløsbare elektronbærende<br />
molekyler og dermed slippe af med overskudselektroner uden brug<br />
af nanofilamenter. ”Jeg tror p˚a, at de ser nanofilamenter, men der er intet<br />
bevis for en langdistanceforbindelse, det kan være muligt, men deres data<br />
beviser det ikke”, udtaler en skeptisk mikrobiolog fra Pennsylvania State<br />
University.<br />
Kilder:<br />
[1] D. Ntarlagiannis et al. Geophys. Res. Lett. 34, L17305; 2007.<br />
[2] Bacteria may be wiring up the soil, Nature sep 2007, p. 388.<br />
8<br />
SH<br />
<strong>Gamma</strong> 147 Paradokser og opgaver<br />
indtil det ikke er muligt at tilføje flere kanter.<br />
Herefter farves punkterne s˚aledes, at to punkter, der er forbundne med<br />
en kant, altid gives hver sin farve. At dette er muligt ses ved at vælge et<br />
vilk˚arligt punkt og give det en vilk˚arlig farve, og derefter gennemløbe den<br />
vej, som punktet tilhører, idet punkterne skiftevis farves røde og hvide.<br />
Da de kanter, som indg˚ar i en vej skiftevis er X−kanter og Y −kanter, er<br />
antallet af punkter p˚a en eventuel lukket vej lige, og alts˚a den angivne<br />
farvning af en vilk˚arlig vej mulig uanset om vejen er lukket eller ej. N˚ar<br />
en vej er farvet, fjernes den fra grafen, og man fortsætter med at farve<br />
en vej ad gangen, indtil hele grafen er farvet.<br />
Betragt nu en vilk˚arlig akseparallel linje, fx en linie parallel med X−aksen.<br />
De punkter p˚a linjen, der ligger p˚a X−kanter, optræder parvis s˚aledes, at<br />
der er lige mange røde og hvide. Ud over disse punktpar kan linjen højst<br />
indeholde et af de givne punkter, for hvis der var flere, kunne to af dem<br />
forbindes med en X−kant i modstrid med antagelsen om, at det ikke er<br />
muligt at tilføje flere kanter. Antallet af røde og hvide punkter p˚a linjen<br />
afviger højst med 1.<br />
Svar – Kombinatorik<br />
Lad pn(k) være antallet af permutationer af n elementer med netop k<br />
fixpunkter. Vis formlen<br />
n<br />
kpn(k) = n!<br />
k=0<br />
Venstre side kan fortolkes som antallet af fixpunkter i samtlige permutationer<br />
af de n elementer. Nu er ethvert punkt fixpunkt for netop<br />
(n − 1)! permutationer, og da punktet kan vælges p˚a n m˚ader, følger<br />
p˚astanden.<br />
Svar – Cirkler<br />
Givet to koncentriske cirkler med radier R > r. Lad P være et fast punkt<br />
p˚a den lille cirkel, og lad B være et variabelt punkt p˚a den store. BP<br />
skærer den store yderligere i C. Den vinkelrette linie til BP i P skærer<br />
den lille cirkel ydeligere i A.<br />
Find værdierne af BC 2 + CA 2 + AB 2 .<br />
33
Paradokser og opgaver <strong>Gamma</strong> 147<br />
Lad nu y være vilk˚arligt med 0 ≤ y < 2, og vælg x = 2 − y. S˚a er<br />
f(x + y) = 0, og da f(y) = 0 ifølge (iii), følger det, at f(xf(y)) = 0, og<br />
alts˚a xf(y) ≥ 2, dvs<br />
f(y) ≥ 2<br />
2 − y .<br />
Der kan imidlertid ikke gælde f(y) > 2<br />
2−y . Antag nemlig dette og vælg<br />
x = 2<br />
f(y) .<br />
S˚a er p˚a den ene side xf(y) = 2, der giver f(xf(y)) = 0 og alts˚a<br />
f(x + y) = 0, og p˚a den anden side<br />
der medfører f(x + y) = 0.<br />
Der er alts˚a kun muligheden<br />
x + y = 2<br />
+ y < 2 − y + y = 2,<br />
f(y)<br />
f(x) =<br />
⎧<br />
⎪⎨<br />
⎪⎩<br />
2<br />
, hvis 0 ≤ x < 2,<br />
2 − x<br />
0, hvis x ≥ 2.<br />
Det er bemærkelsesværdigt, at vi af (i) kun har udnyttet, at f(x+y) =<br />
0, hvi og kun hvis f(xf(y)) = 0 og f(y) = 0.<br />
Det er derfor i højeste grad nødvendigt at eftervise, at den fundne<br />
funktion faktisk opfylder (i), men det er let at verificere.<br />
Svar – Rød eller hvid?<br />
Givet en endelig mængde af punkter i planen, alle med heltallige koordinater.<br />
Vis, at man altid kan farve dem røde og hvide, s˚a alle har en af<br />
farverne, og s˚aledes at for enhver akseparallel linie vil antallet af røde og<br />
antallet af hvide p˚a linien højst afvige med 1.<br />
Vi starter med at konstruere en graf, hvis hjørner er de givne punkter.<br />
Kanterne tilføjes en ad gangen, idet følgende betingelser overholdes:<br />
32<br />
1. en kant er enten en X−kant parallel med X−aksen eller en Y −kant<br />
parallel med Y −aksen,<br />
2. fra et vilk˚arligt hjørne udg˚ar der højst en X−kant og højst en<br />
Y −kant.<br />
<strong>Gamma</strong> 147 Nyheder og meddelelser<br />
9
Hvordan ioniserende str˚aling p˚avirker<br />
menneskers sundhed<br />
Af<br />
Rune Høirup Madsen<br />
Rune Høirup Madsen studerer fysik p˚a Københavns Universitet. Han skrev bachelorpro-<br />
jekt i efter˚aret 2006 med titlen ”Gennemgang af kendte effekter af ioniserende str˚aling”.<br />
Denne artikel er en forkortet udgave af projektet. Hvis man ønsker at læse projektet i sin<br />
helhed (eller har spørgsm˚al/kommentarer) er man altid meget velkommen til at kontakte<br />
Rune via e-mail.<br />
E-mail: rhm@fys.ku.dk<br />
Indledning<br />
Str˚aling som har energi nok til at løsrive elektroner fra atomer eller molekyler<br />
kaldes ioniserende str˚aling. Mit m˚al med denne artikel er at give<br />
en beskrivelse af, hvordan ioniserende str˚aling p˚avirker udviklingen af<br />
sygdomme (især cancer) hos mennesker. Dette er et særdeles spændende<br />
og relevant emne, da alle mennesker bliver p˚avirket af sm˚a str˚alingsdoser<br />
i hverdagen - fra den naturlige baggrundsstr˚aling, betonkældre, tandlægebesøg<br />
m.m. Normalt er der ingen grund til bekymring over disse sm˚a<br />
p˚avirkninger.<br />
Det er dog meget omdiskuteret, om sm˚a str˚alingsdoser (< 100 mSv) har<br />
en sygdomsfremkaldende virkning eller ej. I tidens løb er der blevet opstillet<br />
en række - mere eller mindre vellykkede - modeller for virkningen af<br />
sm˚a str˚alingsdoser. I afsnittet Modeller for sammenhængen mellem dosis<br />
og cancerrisiko vil jeg gennemg˚a de eksisterende modeller samt væsentlige<br />
argumenter for og imod hver model.<br />
For at forst˚a str˚alingens effekt p˚a mennesker er det nødvendigt at have<br />
10<br />
<strong>Gamma</strong> 147 Paradokser og opgaver<br />
Svar – Kvadratur<br />
Lad d være et naturligt tal, s˚a d /∈ {2, 5, 13}. Vis, at der findes a = b,<br />
a, b ∈ {2, 5, 13, d}, som opfylder, at ab − 1 ikke er et kvadrattal.<br />
Da 2 · 5 − 1, 2 · 13 − 1 og 5 · 13 − 1 alle er kvadrattal, er det klart, at vi<br />
“m˚a sætte vor lid til” d sammen med et af tallene 2, 5 og 13.<br />
Idet vi fører beviset indirekte, antager vi alts˚a, ad d kan vælges som et<br />
naturligt tal, s˚adan at<br />
2d − 1, 5d − 1 og 13d − 1 alle er kvadrattal.<br />
Det ses let, at modulo 16 er ethvert kvadrattal kongruent med enten 0,<br />
1, 4 eller 9. Ifølge vor antagelse gælder alts˚a, at<br />
2s er kongruent med 1, 2, 5 eller 10; dvs.<br />
d er kongruent med 1, 9, 5 eller 13 modulo 16;<br />
5d er kongruent med 1, 2, 5 eller 10; dvs.<br />
d er kongruent med 13, 10, 1 eller 2 modulo 16;<br />
13d er kongruent med 1, 2, 5 eller 10; dvs.<br />
d er kongruent med 5, 10, 9 eller 2 modulo 16.<br />
Da intet naturlig tal, d, tilfredsstiller kravene i alle de sidste tre linjer,<br />
har vor antagelse ført frem til en modstrid; dvs. p˚astandens rigtlighed<br />
følger.<br />
Svar – Funktionalt<br />
Find alle funktioner p˚a den ikke–negative reelle akse ind i sig selv, som<br />
opfylder<br />
(i) f(xf(y))f(y) = f(x + y) for alle x, y,<br />
(ii) f(2) = 0,<br />
(iii) f(x) = 0 for 0 ≤ x < 2.<br />
Sæt først y = 2. S˚a følger af (i) og (ii), at f(x + 2) = 0 for alle x ≥ 0,<br />
dvs<br />
f(x) = 0 for alle x ≥ 2.<br />
31
Paradokser og opgaver <strong>Gamma</strong> 147<br />
(a) Beregn værdien af forholdet<br />
AB · CD<br />
AC · BD<br />
(b) Vis, at tangenterne fra C til de omskrevne cirkler for trekanterne<br />
△ACD og △BCD st˚ar vinkelret p˚a hinanden.<br />
Opgave – Elementært<br />
Lad n være et positivt helt tal og lad A1, A2, . . . , A2n+1 være delmængder<br />
af en mængde, B. Antag, at<br />
(a) hver mængde Ai har netop 2n elementer,<br />
(b) hver fællesmængde Ai ∩ Aj, i = j, har præcis ét element,<br />
(c) hvert element i B ligger i mindst to af mængderne Ai.<br />
For hvilke værdier af n kan man give hvert element i B en værdi, 0<br />
eller 1, s˚adan at hver mængde Ai har nøjagtig n elementer af værdi 0?<br />
30<br />
<strong>Gamma</strong> 147 Rune Høirup Madsen<br />
en vis baggrundsviden indenfor fysik og biologi. Jeg vil i løbet af artiklen<br />
gennemg˚a den nødvendige teori, som omfatter følgende 3 emner: Str˚alings<br />
vekselvirkning med stof, str˚alingsbiologi og dosisbegrebet.<br />
Ioniserende str˚aling - kort fortalt<br />
Der findes to hovedtyper af ioniserende str˚aling: partikelstr˚aling og elektromagnetisk<br />
str˚aling. Det er velkendt for de fleste, at der udsendes str˚aling<br />
ved henfald af atomkerner via følgende processer: α-henfald, β-henfald,<br />
γ-henfald og elektronindfangning 1 . Ved de to førstnævnte udsendes partikelstr˚aling,<br />
ved de to sidstnævnte elektromagnetisk str˚aling [6].<br />
Røntgenstr˚aling er ogs˚a elektromagnetisk str˚aling. Den dannes dog ikke<br />
ved radioaktive henfald, men n˚ar hurtige elektroner nedbremses i anoden<br />
i et røntgenrør 2 . Røntgenstr˚aling vekselvirker med stof via de samme<br />
processer som γ-str˚aling, hvilket vi ser p˚a senere.<br />
Vekselvirkninger mellem str˚aling og stof<br />
Ioniserende str˚aling kan inddeles i to kategorier, alt efter hvordan vekselvirkningen<br />
med stof finder sted. Str˚aling af ladede partikler, som stammer<br />
fra fx. de tidligere nævnte α- og β-henfald, kaldes direkte ioniserende<br />
str˚aling. N˚ar en ladet partikel passerer gennem stof, ioniseres atomerne<br />
langs partiklens bane. Partiklen mister herved kinetisk energi og stopper<br />
til sidst. Typisk vil str˚aling fra naturligt forekommende kilder til α- og<br />
β-str˚aling blive stoppet allerede i menneskers hud [4].<br />
Elektromagnetisk str˚aling (γ- og røntgen-str˚aling) samt str˚aling af neutroner,<br />
kaldes indirekte ioniserende str˚aling. Str˚alingen kan trænge et stykke<br />
ind i stof helt uden at vekselvirke med stoffet. N˚ar str˚alingen tilfældigvis<br />
vekselvirker med en elektron, et atom eller en atomkerne, frigives en<br />
elektrisk ladet partikel, som vil kunne virke direkte ioniserende [4].<br />
I det følgende ser vi nærmere p˚a de mekanismer, hvormed henholdsvis<br />
elektromagnetisk str˚aling og str˚aling af ladede partikler vekselvirker med<br />
stof.<br />
1 Der findes flere processer, som udsender ioniserende str˚aling, end de her nævnte. Se [9] kapitel 5.<br />
2 Vi kommer ikke nærmere ind p˚a dannelsen af røntgenstr˚aling her, men en detaljeret beskrivelse findes<br />
i [9] side 521-540.<br />
11
Hvordan ioniserende str˚aling p˚avirker menneskers sundhed <strong>Gamma</strong> 147<br />
Elektromagnetisk str˚aling<br />
γ- og røntgen-str˚aling kan vekselvirke med stof via 5 forskellige mekanismer<br />
3 . Overordnet kan processerne inddeles i to typer. Den første type er<br />
absorption, hvor fotonen forsvinder i vekselvirkningen. Den anden type<br />
er spredning, hvorved fotonen sendes i en anden retning end oprindeligt.<br />
Begge typer fører til en svækkelse af str˚alingen i den oprindelige retning.<br />
Der gælder generelt, at n˚ar elektromagnetisk str˚aling med begyndelsesintensiteten<br />
I0 sendes gennem et lag stof med tykkelsen x, kan intensiteten<br />
I efter passagen findes ved følgende udtryk 4 .<br />
I = I0 exp(−µx) (1)<br />
Konstanten µ kaldes den totale lineære svækkelseskoefficient og m˚ales i<br />
enheden m −1 .<br />
Str˚aling af ladede partikler<br />
Vi betragter en partikel med energi E, som bevæger sig ind i et materiale.<br />
Partiklen vekselvirker et stort antal gange med elektronerne i materialets<br />
atomer og ved hver vekselvirkning mister den en lille mængde energi. Lad<br />
os sige, at partiklen mister dE, n˚ar den har bevæget sig afstanden dx.<br />
Nu kan man indføre Stopping Power S, som er et m˚al for, hvor hurtigt<br />
partiklen mister energi [9].<br />
S = − dE<br />
(2)<br />
dx<br />
S kan beregnes p˚a flere forskellige m˚ader, men ofte bruges Bethe’s formel,<br />
der kan opskrives som følger [4].<br />
S =<br />
⎛<br />
⎝ 4πe4z2 m0v2 ⎞<br />
⎡<br />
⎠ NZ ⎣ln<br />
⎛ ⎞<br />
2 2m0v<br />
⎝<br />
I<br />
⎛<br />
⎠ − ln ⎝1 − v2<br />
c2 ⎞<br />
⎠ − v2<br />
c2 ⎤<br />
⎦ (3)<br />
hvor z er den indkommende partikels atomnummer, Z er atomnummeret<br />
i det absorberende materiale, v er den indkommende partikels fart, c<br />
3 De 5 mulige vekselvirkninger mellem elektromagnetisk str˚aling og stof er: Thompson spredning,<br />
Fotoelektrisk effekt, Compton spredning, Par produktion og Foto-disintegration. Se for eksempel [4], [5],<br />
[9] og [11].<br />
4 Dette udtryk er udledt i [4] side 45-47.<br />
12<br />
—Paradokser og Opgaver<br />
Mogens Esrom Larsen (MEL)<br />
Vi modtager meget gerne læserbesvarelser af opgaverne, samt forslag til<br />
nye opgaver enten per mail (gamma@nbi.dk) eller per almindelig post (se<br />
adresse p˚a bagsiden). Første indsendte, korrekte løsning til en af de stillede<br />
opgaver bringes i næste nummer af <strong>Gamma</strong>.<br />
Opgave – Heltalligt<br />
Bestem alle hele tal, n > 1, for hvilke 2n +1<br />
n 2<br />
Opgave – Trekantet<br />
er et helt tal.<br />
I en spidsvinklet trekant △ABC skærer vinkelhalveringslinien fra A siden<br />
BC i punktet L og den omskrevne cirkel i punktet N. Fra punktet L<br />
nedfældes de vinkelrette p˚a AB og AC, fodpunkterne kaldes hhv. K og<br />
M.<br />
Vis, at firkanten AKNM har samme areal som trekanten △ABC.<br />
Opgave – Retvinklet<br />
△ABC er retvinklet med den rette vinkel i A. Lad D være fodpunktet<br />
for højden fra A. Linien gennem centrene for de indskrevne cirkler i<br />
trekanterne △ABD og △ACD skærer siderne AB og AC i hhv. K og L.<br />
Vis at arealet af △AKL er højst halvt s˚a meget som arealet af △ABC.<br />
Opgave – begge dele<br />
Lad D være et punkt inden i en spidsvinklet trekant, △ABC, s˚adan at<br />
∠ADB = ∠ACB + 90 o og AC · BD = AD · BC<br />
29
Boganmeldelser <strong>Gamma</strong> 147<br />
Det første kapitel af bogen lægger meget vægt p˚a de forskellige anvendelser<br />
af nanoteknologi, s˚a man føler nogle gange, at bogen bare skal reklamere<br />
for nanoteknologien og ikke giv indsigt i formlerne bag teknologien.<br />
Med lidt t˚almodighed kan man dog se, at der gemmer sig en del in<strong>format</strong>ion<br />
bag de første 2 kapitler. Rubahn beskriver flere teoretiske metoder<br />
for at fremstille og bruge nanostrukturer, nanofibre og molekylærnanobindinger<br />
samt hvor de kan bruges. Dog er den matematiske og fysiske del<br />
ikke blevet uddybet nok. Mange billeder og figurer i bogen giver læseren<br />
et godt billede af og god forst˚aelse for, hvad nanoteknologien tilbyder.<br />
Bogen er mest egnet til universitetsstuderende, som gerne vil have et generelt<br />
billede af, hvad nanoteknologi er. Dog sætter den lidt krav til ens<br />
viden om de forskellige temaer, der skrives om f.eks. diffraktion, spektral<br />
analyse og mange andre begreber, som kan skræmme læseren lidt væk,<br />
da stoffet dækker utroligt meget. Som fysikstuderende mener jeg bogen<br />
giver et fint - om dog forvirret - indblik i nanoteknologi. Dog er bogen<br />
m˚aske lidt mere en prædiken fremfor en guide. Illustrationerne i bogen<br />
er fine, men man har nogle gange svært ved at følge helt med i, hvad de<br />
forskellige begreb betyder og hvilken del af sammenhængen de er en del<br />
af.<br />
MA<br />
28<br />
<strong>Gamma</strong> 147 Rune Høirup Madsen<br />
er lysets fart, N er antals-densiteten i det absorberede materiale, e er<br />
elementarladningen, m0 er hvilemassen af en elektron og I er materialets<br />
ionisationspotential, som bestemmes empirisk.<br />
Udfra Bethe’s formel kan man se, at α-partikler (z = 2) taber deres<br />
energi over en kortere distance end β − -partikler (z = −1), eftersom S er<br />
proportional med z 2 . Man bør ogs˚a bemærke, at S er proportional med Z.<br />
Med andre ord taber partiklen sin energi p˚a en væsentligt kortere afstand<br />
i bly (Z = 82) end i fx. silicium (Z = 14). Dette er temmelig relevant<br />
viden indenfor str˚alingsbeskyttelse og medicinske anvendelser af str˚aling.<br />
Lad os nu se lidt nærmere p˚a henholdsvis α-str˚aling og β-str˚aling 5 .<br />
α-str˚aling<br />
N˚ar en α-partikel trænger ind i stof, bliver den p˚avirket af Coulombkræfter<br />
fra stoffets elektroner (og vice versa). Ved tæt passage kan αpartiklen<br />
løsrive en elektron og dermed ionisere atomet. Hvis afstanden<br />
er lidt større, vil elektronen blot blive exciteret (flyttet til en højere skal)<br />
ved vekselvirkningen. α-partiklen vekselvirker et stort antal gange og skaber<br />
dermed et tæt spor af ionpar [4]. Ved hver vekselvirkning taber αpartiklen<br />
noget af sin kinetiske energi. Rækkevidden af α-str˚aling er meget<br />
kort - selv i luft er den kun f˚a centimeter. I materialer med højere<br />
densitet (papir, hud, glas osv.) er rækkevidden typisk i størrelsesordnen<br />
mikrometer [9]. Kilder til α-str˚aling udenfor kroppen er derfor normalt<br />
ikke farlige for mennesker - men ved ind˚anding af α-radioaktive isotoper<br />
kan der ske alvorlige skader. Udover at α-partiklen virker direkte ioniserende,<br />
vil der ogs˚a ske indirekte ionisationer p˚a grund af de løsrevne<br />
elektroner. S˚adanne elektroner betegnes delta-str˚aling og kan virke ioniserende<br />
via de samme mekanismer som β-str˚aling [4].<br />
β-str˚aling<br />
Der findes to slags β-str˚aling, nemlig β − som best˚ar af elektroner og β +<br />
som best˚ar af positroner. N˚ar en β-partikel kommer ind i stof, vil der ske<br />
Coulomb-vekselvirkninger med stoffets elektroner. β + og β − kan ionisere<br />
5 En mere præcis og matematisk beskrivelse af vekselvirkningerne mellem partikelstr˚aling og stof findes<br />
i [11] kapitel 3 og 4.<br />
13
Hvordan ioniserende str˚aling p˚avirker menneskers sundhed <strong>Gamma</strong> 147<br />
atomer i stoffet ved henholdsvis at tiltrække eller frastøde atomets elektroner.<br />
Eftersom en β-partikel har samme masse som en elektron, vil den<br />
afbøjes markant ved hver vekselvirkning. Sporet af β-partiklen er dermed<br />
et zig-zag mønster [9]. Rækkevidden af β-str˚aling er betydeligt længere<br />
end den tilsvarende for α-str˚aling. Udover at β-str˚aling er direkte ioniserende,<br />
vil der ogs˚a forekomme indirekte ionisationer fra delta-str˚aling,<br />
s˚afremt de løsrevne elektroner har tilstrækkelig energi [9].<br />
Grundlæggende str˚alingsbiologi<br />
Str˚alingsbiologi er et videnskabeligt omr˚ade, der undersøger hvordan ioniserende<br />
str˚aling p˚avirker levende celler6 . Ioniserende str˚aling kan for˚arsage<br />
ændringer i celler enten direkte eller indirekte. Den direkte m˚ade er, n˚ar<br />
str˚alingen bryder en elektronbinding i et makromolekyle (RNA, DNA<br />
eller et protein), hvilket kan ændre molekylets struktur og funktion.<br />
Ændringer i DNA er selvfølgelig de mest kritiske, eftersom fejlen kan<br />
spredes ved celledeling. Den indirekte m˚ade er, at et vandmolekyle ioniseres<br />
(mellem 70% og 85% af en celle best˚ar af vand), hvorved der dannes<br />
en fri elektron. Hvis denne elektron efterfølgende bindes til et andet vandmolekyle,<br />
dannes en fri radikal, som er kemisk ustabil p˚a grund af den<br />
ekstra elektron i en ydre skal. Efter yderligere en række reaktioner7 , kan<br />
der dannes hydrogen peroxid, som skønnes at være ˚arsagen til 2<br />
3<br />
af alle<br />
celleskader [5].<br />
Efter ioniserende str˚aling har skabt en mutation (ændring) i en celles<br />
DNA, kan der ske tre forskellige udviklinger. Den første mulighed er, at<br />
der sker en reparation af skaden. Det er sandsynligt i de tilfælde, hvor<br />
kun den ene DNA-streng er beskadiget. Den anden mulighed er, at skaden<br />
ikke repareres og cellen lever videre. Dermed vil mutationen spredes<br />
ved celledeling. Hvis mutationen er sket i en kønscelle, taler man om en<br />
genetisk skade, som senere vil kunne nedarves til næste generation 8 . Hvis<br />
den er sket i en af de øvrige celletyper, kaldes det en somatisk skade. Et<br />
eksempel p˚a langtidsvirkningen af en somatisk skade er kræft. Den tredje<br />
6 For en detaljeret beskrivelse af cellens struktur kan jeg anbefale at læse [5] side 86-95.<br />
7 Disse reaktioner er beskrevet i [5] side 106 eller [11] side 124-125.<br />
8 Her er det værd at bemærke, at ikke alle mutationer er skadelige. En stor brøkdel af mutationer<br />
er (tilsyneladende) uden betydning. Desuden kan mutationer p˚a længere sigt forsvinde ud af arvepuljen<br />
igen, se herom [3] side 74.<br />
14<br />
Boganmeldelser<br />
En hyldest til nanoteknologi<br />
Nanoteknologi<br />
H-G Rubahn<br />
128 sider, ill.<br />
Gylendal, 2007<br />
399kr.<br />
Nanoteknologi har været en af<br />
de helt store modeemner de sidste<br />
10 ˚ars tid. Der er blevet lavet<br />
nye uddannelser og en masse mennesker<br />
har kastet store mængder<br />
penge efter feltet i h˚ab om at finde<br />
kuren til kræft, skabe superstærkt<br />
st˚al og meget andet. Men nanoteknologi<br />
er meget mere end det.<br />
Horst-Gunter Rubahn har skrevet<br />
bogen ”Nanoteknologi”for at skabe<br />
et bredt overblik over, hvad nanoteknologi<br />
er, og hvordan det kan<br />
bruges.<br />
Rubahn lægger stærkt ud med<br />
at nævne 4-5 forskellige felter, som nanoteknologi kan styrke bla. computere,<br />
medicin og fysik. Han beskriver, hvordan nanoteknologi kan forbedre<br />
vores tilværelse med mange ting. CPU’en (Central Processor Unit) er et<br />
oplagt valg. CPU’ens ”styrke”ligger i, hvor mange transistorer den har.<br />
Med tiden er størrelsen af CPU’en blevet mindsket og antallet af transistorer<br />
øget stærkt, men pga. varmeudvikling og pladsmangel har det<br />
været svært at komme flere transistorer ned p˚a en chip. Nanoteknologien<br />
gør det muligt at skabe mindre transistorer, som bruger mindre energi<br />
og afgiver mindre varme og dermed mere effektive CPU’er, som fylder en<br />
hel del mindre. En anden applikation af nanoteknologi er f.eks. medicinvidenskaben.<br />
At skabe sm˚a nanorobotter, som kan programmeres til at<br />
dræbe f.eks. kræftceller eller andre kroniske sygdommme i kroppen.<br />
27
Hvordan ioniserende str˚aling p˚avirker menneskers sundhed <strong>Gamma</strong> 147<br />
Litteratur<br />
[1] Brooks, Antone L. Paradigm Shifts in Radiation Biology: Their Impact on Intervention<br />
for Radiation-Induced Disease, Radiation Research 164, 454-461 (2005).<br />
[2] Brune, Dag; Hellborg, Ragnar; Persson, Bertil R.R.; Pääkkönen, Rauno (Editors).<br />
Radiation at Home, Outdoors and in the Workplace, Scandinavian Science Publisher,<br />
2001.<br />
[3] Brøns, Per; Hansen, Heinz; Andersen, Erland. Vor radioaktive klode, Rhodos, 1993.<br />
[4] Cooper, John R.; Randle, Keith; Sokhi, Ranjeet S. Radioactive Releases in the<br />
Environment: Impact and assessment, John Wiley & Sons, 2003.<br />
[5] Dowd, Steven B.; Tilson, Elwin R. Practical Radiation Protection and Applied Radiobiology,<br />
Second Edition, W.B. Saunders Company, 1999.<br />
[6] Elvekjær, Finn; <strong>Niels</strong>en, Børge Degn. Str˚aling og Atomer, 3. oplag, G.E.C.Gads<br />
Forlag, 1984.<br />
[7] Goldstein, Inge F.; Goldstein, Martin. How much risk? A guide to understanding<br />
environmental health hazards, Oxford University Press, 2002.<br />
[8] Gregoire, O.; Cleland, M.R. Novel approach to analyzing the carcinogenic effect of<br />
ionizing radiations, Int. J. Radiat. Biol., Vol. 82, No. 1, January 2006, pp. 13-19.<br />
[9] Martin, James E. Physics for Radiation Protection, John Wiley & Sons, 2000.<br />
[10] Preston, Dale L.; Shimizu, Yukiko; Pierce, Donald A.; Suyama, Akihiko; Mabuchi,<br />
Kiyohiko. Studies of Mortality of Atomic Bomb Survivors. Report 13: Solid Cancer<br />
and Noncancer Disease Mortality: 1950-1997, Radiation Research 160, 381-407<br />
(2003).<br />
[11] Steenstrup, Stig. Topics in Medical Physics, <strong>Niels</strong> <strong>Bohr</strong> Institute, August 2006.<br />
[12] Tubiana, M.; Aurengo, A.; Averbeck, D.; Bonnin, A.; Le Guen, B.; Masse, R.;<br />
Monier, R.; Valleron, A.J.; de Vathaire, F. Dose-effect relationships and estimation<br />
of the carcinogenic effects of low doses of ionizing radiation, Académie nationale de<br />
Médecine, March 30, 2005.<br />
[13] Tubiana, M.; Aurengo, A.; Averbeck, D.; Masse, R. Recent reports on the effect<br />
of low doses of ionizing radiation and its dose-effect relationship, Radiat Environ<br />
Biophys (2006) 44: 245-251.<br />
26<br />
<strong>Gamma</strong> 147 Rune Høirup Madsen<br />
mulighed er, at cellen dør. Det kan være en fordel, for derved kan skaden<br />
ikke spredes og en enkelt celle betyder ikke noget for kroppen som helhed<br />
[3].<br />
Dosisbegrebet<br />
I dette afsnit vil jeg beskrive, hvordan str˚alingsdosis er defineret generelt.<br />
Desuden vil jeg beskrive ækvivalent str˚alingsdosis og effektiv str˚alingsdosis,<br />
samt begrunde indførelsen af disse begreber.<br />
Str˚alingsdosis<br />
Den energi som via str˚aling tilføres en (lille) mængde stof betegnes ∆E.<br />
Massen af stoffet betegnes ∆m. For alle typer str˚aling og alle typer stof<br />
er dosis defineret s˚aledes:<br />
D = ∆E<br />
(4)<br />
∆m<br />
For elektromagnetisk str˚aling kan man anvende følgende udtryk for dosis<br />
[11].<br />
D = I µa<br />
(5)<br />
ρ<br />
hvor I er bindingsenergien for en elektron, µa er absorptionskoefficienten<br />
og ρ er densiteten.<br />
For str˚aling best˚aende af ladede partikler (fx. fra α- eller β-henfald) findes<br />
der følgende, enkle udtryk for dosis [11].<br />
D = φ −dE<br />
ρ dx<br />
hvor φ er flux af partikler og dx er vejlængden.<br />
Det er værd at bemærke, at dosis ofte m˚ales i enheden Gy (gray) og at<br />
1 Gy = 1 J<br />
kg .<br />
Ækvivalent str˚alingsdosis<br />
Ved en række str˚alingsbiologiske forsøg er det blevet m˚alt, hvor mange<br />
procent af cellerne i en petrisk˚al der overlever en given dosis str˚aling af<br />
(6)<br />
15
Hvordan ioniserende str˚aling p˚avirker menneskers sundhed <strong>Gamma</strong> 147<br />
en bestemt type. For en given type str˚aling kendes derfor den dosis, som<br />
medfører at 50% af cellerne dør. Ved at dividere denne dosis med den<br />
tilsvarende dosis for røntgenstr˚aling fra et 250 kV rør, f˚as et relativt m˚al<br />
for str˚alingens farlighed [11]. Udfra erfaringerne fra forsøgene har man<br />
indført en ækvivalent dosis H, som b˚ade afhænger af str˚alingens type og<br />
dosis. Ækvivalent dosis m˚ales ofte i Sv (sievert), hvor 1 Sv = 1 J<br />
kg [6].<br />
H = D · Q (7)<br />
Q kaldes str˚alingens kvalitetsfaktor. For α-str˚aling er Q = 20. Det betyder,<br />
at for en given dosis α-str˚aling vil der opst˚a 20 gange s˚a mange celleskader,<br />
som for den samme dosis røntgenstr˚aling. I tabellen ses kvalitetsfaktoren<br />
for forskellige typer str˚aling (tal fra [6] og [11]).<br />
Str˚alingstype Kvalitetsfaktor Q<br />
Røntgenstr˚aling, β-str˚aling og γ-str˚aling 1<br />
Termiske neutroner 2<br />
Protoner og hurtige neutroner 10<br />
α-str˚aling og tunge ioner 20<br />
N˚ar man beskriver str˚alings virkning p˚a menneskers sundhed er det H<br />
snarere end D som er den interessante størrelse.<br />
Effektiv str˚alingsdosis<br />
Kroppens organer best˚ar af forskellige celletyper, der p˚avirkes i forskellig<br />
grad af str˚aling. For en fastholdt ækvivalent dosis vil der fx. opst˚a<br />
flere celleskader, hvis str˚alingen rammer lungerne i stedet for leveren.<br />
Derudover vil en given, radioaktiv isotop blive opkoncentreret i bestemte<br />
omr˚ader af kroppen. For eksempel vil isotoper af plutonium typisk oplagres<br />
i knoglerne og leveren [4].<br />
Man har indført effektiv str˚alingsdosis som et m˚al for, hvor meget en<br />
menneskekrop p˚avirkes af en given ækvivalent dosis, n˚ar der tages hensyn<br />
til de forskellige organers varierende p˚avirkelighed overfor str˚aling.<br />
Den effektive str˚alingsdosis er defineret som en sum over den ækvivalente<br />
dosis et organ modtager gange p˚avirkeligheden af det p˚agældende organ<br />
16<br />
<strong>Gamma</strong> 147 Rune Høirup Madsen<br />
blevet sammenlignet. Der er d˚arlig korrelation mellem resultaterne fra<br />
LSS og de øvrige undersøgelser. Resultaterne fra LSS passer fint med<br />
den lineære model uden tærskelværdi (LNT). De øvrige data viser generelt<br />
mindre risiko og desuden er den lineære sammenhæng tvivlsom<br />
[8]. Det er værd at bemærke, at overlevende fra et A-v˚aben angreb har<br />
modtaget hele dosis inden for f˚a sekunder, mens personerne i de andre<br />
undersøgelser har modtaget dosis i sm˚a portioner over længere tid. Med<br />
andre ord har dosis-raten været meget forskellig, hvilket kan være˚arsagen<br />
til den d˚arlige korrelation mellem de forskellige undersøgelser. Ved at reanalysere<br />
data fra en række epidemiologiske undersøgelser, har Gregoire<br />
og Cleland bestemt den øgede cancerrisiko som funktion af dosis-raten 17 .<br />
Deres resultater understøtter en tærskel-værdi model, hvor dosis-ratens<br />
tærskel-værdi skønnes at være 100 mSv/døgn [8]. Derved fandt de en væsentlig<br />
bedre korrelation mellem data fra de forskellige undersøgelser.<br />
I mine øjne er det interessant, at dosis-raten kan være af stor betydning,<br />
hvilket der ikke direkte er taget højde for i de tidligere nævnte modeller.<br />
Gregoire og Cleland understreger dog, at artiklen er ment som et debatindlæg,<br />
der kan inspirere til yderligere epidemiologiske undersøgelser.<br />
Konklusion<br />
Min konklusion er, at det i forbindelse med risikovurderinger er fornuftigt<br />
at anvende den lineære model uden tærskelværdi, selvom denne model<br />
formodentlig overestimerer risikoen for sm˚a str˚alingsdoser. Det er nemlig<br />
bedre at overestimere en risiko lidt end at underestimere den. I forbindelse<br />
med medicinske anvendelser (diagnostik og str˚alebehandling) bør<br />
fordelen ved behandlingen altid afvejes omhyggeligt i forhold til risikoen.<br />
I denne forbindelse er det ikke en fordel at overestimere risikoen, idet<br />
visse patienter i s˚a fald kan g˚a glip af en gavnlig behandling. Ved medicinske<br />
anvendelser bliver man nødt til at studere relevante risikomodeller<br />
nøje (herunder den kvadratiske model og tærskel-værdi modellen).<br />
Forh˚abentlig vil nye og kommende resultater fra str˚alingsbiologi og epidemiologiske<br />
undersøgelser i fremtiden gøre det muligt at etablere én model<br />
af generel gyldighed for sammenhængen mellem str˚alingsdosis og risiko.<br />
17 Den valgte enhed for dosis-raten er mSv/døgn, fordi menneskeceller gennemsnitligt deler sig en gang<br />
pr. 24 timer [8].<br />
25
Hvordan ioniserende str˚aling p˚avirker menneskers sundhed <strong>Gamma</strong> 147<br />
for hvert dosis-interval 15 (tallene er hentet i [7]).<br />
Dosis-interval Totalt antal forvent- Øget antal Procentdel af<br />
[Sv] ede cancerdøds- dødsfald grundet dødsfald som<br />
fald (uden str˚aling) str˚aling skyldes str˚aling<br />
0.005 − 0.1 2710 85 3.0<br />
0.1 − 0.2 486 18 3.6<br />
0.2 − 0.5 555 77 12.2<br />
0.5 − 1.0 263 73 21.7<br />
1.0 − 2.0 131 84 39.1<br />
> 2.0 44 39 47.1<br />
Ved at plotte procentdelen som funktion af dosis, f˚as en retlinet dosiseffekt<br />
sammenhæng, hvilket er i overensstemmelse med LNT modellen 16 .<br />
Jeg vil overlade det til læserne - som en lille øvelse - at plotte dosis-effekt<br />
sammenhængen p˚a en lommeregner eller et stykke millimeter-papir.<br />
Dosis-ratens betydning<br />
Vi har tidligere set p˚a en række mulige modeller af sammenhængen mellem<br />
str˚alingsdosis og risiko. Fælles for disse modeller er, at det er den<br />
samlede dosis, som er den vigtigste parameter. S˚adanne modeller tager<br />
alts˚a ikke direkte hensyn til dosis-raten - med andre ord er de uden hensyntagen<br />
til, om dosis er blevet optaget p˚a kort eller lang tid.<br />
I en aktuel artikel af Gregoire og Cleland [8] bliver der argumenteret for,<br />
at det nok er dosis-raten snarere end samlet dosis, som har betydning<br />
for risikoen, hvilket forfatterne i høj grad bygger p˚a en re-analyse af en<br />
række epidemiologiske undersøgelser. Jeg vil i det følgende gengive de<br />
væsentligste argumenter og konklusioner fra artiklen.<br />
For en række epidemiologiske undersøgelser (henholdsvis medicinsk bestr˚aling,<br />
variationer i den naturlige baggrundsstr˚aling og Life Span Study)<br />
er den øgede risiko for alle typer cancer som funktion af samlet dosis<br />
15 Bemærk: at der er størst antal dødsfald i gruppen som har modtaget den laveste dosis, skyldes<br />
udelukkende at denne gruppe var langt den største fra begyndelsen [7].<br />
16 For leukæmi giver en kvadratisk sammenhæng dog en bedre beskrivelse af data [7].<br />
24<br />
<strong>Gamma</strong> 147 Rune Høirup Madsen<br />
(udtrykt med en vægtfaktor 0 < wT < 1). Effektiv str˚alingsdosis m˚ales i<br />
Sv ligesom ækvivalent dosis [4].<br />
E = <br />
T<br />
wTHT<br />
Vægtfaktorerne for de enkelte organer findes i tabeller, som kan ses i [11]<br />
side 101 eller [4] side 68.<br />
Modeller for sammenhængen mellem dosis<br />
og cancerrisiko<br />
Det er meget omdiskuteret, hvilken sammenhæng der er mellem str˚alingsdosis<br />
9 og risiko for udviklingen af cancer - især for sm˚a doser (< 100 mSv).<br />
I offentligheden findes desuden en generel skepsis eller frygt for str˚aling,<br />
hvilket medvirker til at forsigtighedsprincippet ofte anvendes. Dette princip<br />
g˚ar i korte træk ud p˚a, at man i tvivlstilfælde bør overestimere en<br />
risiko, af hensyn til de mulige, langsigtede konsekvenser. Det bør hertil<br />
bemærkes, at n˚ar jeg i denne artikel omtaler risikoen for udviklingen af<br />
cancer, mener jeg mere præcist den øgede risiko for udvikling af cancer p˚a<br />
grund af ioniserende str˚aling. Der er nemlig stadig en risiko for at f˚a cancer,<br />
selvom man (rent hypotetisk) kunne undg˚a ioniserende str˚aling 10 .<br />
I dette afsnit vil jeg gennemg˚a de forskellige eksisterende modeller for<br />
sammenhængen mellem sm˚a str˚alingsdoser og cancerrisiko - samt argumenter<br />
for og imod hver model. Disse argumenter bygger p˚a resultater fra<br />
to vidt forskellige kilder. For det første er der Str˚alingsbiologiske forsøg.<br />
Form˚alet med disse er, at undersøge hvordan celler og væv p˚avirkes<br />
af ioniserende str˚aling. Vejen fra en celleskade til udviklingen af kræft<br />
hos mennesker er dog langt fra forst˚aet i detaljer [5]. En række nye<br />
str˚alingsbiologiske undersøgelser har givet interessante resultater, som<br />
vi snart vender tilbage til. For det andet er der Epidemiologiske undersøgelser,<br />
hvor man for en stor befolkningsgruppe finder en empirisk<br />
9 I de kommende afsnit vil jeg ikke skelne s˚a nøje mellem de forskellige dosisbegreber. Udfra sammenhængen<br />
(især den anvendte enhed) vil læseren kunne regne ud om jeg mener str˚alingsdosis (m˚ales i Gy)<br />
eller effektiv str˚alingsdosis (m˚ales i Sv).<br />
10 En række andre faktorer kan ogs˚a fremprovokere udviklingen af cancer: P˚avirkning fra kemikalier<br />
(herunder tobaksrygning), UV-lys (solbadning), fejl i DNA-replikationen, usund kost og arvelige sygdomme<br />
[3].<br />
(8)<br />
17
Hvordan ioniserende str˚aling p˚avirker menneskers sundhed <strong>Gamma</strong> 147<br />
sammenhæng mellem str˚alingsdosis og cancerrisiko. Undersøgelser af denne<br />
type kan bestemme sammenhængen for mellemstore og store doser, men<br />
for sm˚a doser er der en række usikkerheder, som vi kort vil beskrive i<br />
det nedenst˚aende. I afsnittet Epidemiologiske undersøgelser vil vi vende<br />
tilbage med en mere grundig gennemgang af metoder og resultater.<br />
Den manglende enighed om, hvilken model der bedst beskriver sammenhængen<br />
mellem sm˚a str˚alingsdoser og cancerrisiko, skyldes til dels en<br />
række vanskeligheder med at fortolke epidemiologiske data [2]. For det<br />
første kan man ikke kende forskel p˚a om et givent cancertilfælde skyldes<br />
ioniserende str˚aling eller en af de andre ˚arsager. For det andet g˚ar<br />
der som regel mange ˚ar mellem en celleskade til en eventuel udvikling<br />
af en kræftsvulst. For det tredje skal man huske p˚a, at effekter af (sm˚a<br />
doser) ioniserende str˚aling afhænger af sandsynligheder 11 . For hver indkommende<br />
foton eller partikel er der en (lille) sandsynlighed for, at der<br />
sker en vekselvirkning med DNA. Herefter er der en sandsynlighed for at<br />
skaden ikke bliver repareret osv. Set i det lys bør vi faktisk være glade<br />
for, at det er svært at finde den rette sammenhæng mellem str˚alingsdosis<br />
og cancerrisiko - hvis sammenhængen var nem at finde, ville de nævnte<br />
sandsynligheder være større, end de rent faktisk er [2].<br />
Den lineære model uden tærskelværdi<br />
I forbindelse med str˚alingsbeskyttelse og risikovurderinger antages det<br />
som standard, at risikoen som funktion af str˚alingsdosis er en ret linje,<br />
der g˚ar gennem (0, 0).<br />
ρ(d) = βd (9)<br />
Denne model anbefales af ICRP (International Commission on Radiological<br />
Protection) til brug i risikovurderinger [2]. I engelsk litteratur betegnes<br />
modellen the Linear No-Threshold relationship og forkortes LNT.<br />
LNT er generelt anerkendt som en god model for doser mellem 0.2 og<br />
3 Sv (mellemstore til store doser), hvor der findes et godt datagrundlag<br />
fra epidemiologiske undersøgelser [12].<br />
Ifølge LNT er der selv ved de mindste str˚alingsdoser tilknyttet en (lille)<br />
11 For store doser ioniserende str˚aling, hvor der sker et stort antal celleskader, har str˚alingen deterministiske<br />
effekter. For eksempel vil knoglemarven (hvor der dannes røde blodlegemer) blive ødelagt i et<br />
menneske, som akut modtager en dosis p˚a 2-10 Gy, hvilket oftest medfører døden [4].<br />
18<br />
<strong>Gamma</strong> 147 Rune Høirup Madsen<br />
Epidemiologiske undersøgelser<br />
Epidemiologi er studiet af sygdommes udbredelse og ˚arsager i en befolkning.<br />
Den grundlæggende arbejdsmetode er at indsamle oplysninger om<br />
sygdomstilfælde i en befolkning og at finde lighedstræk i disse oplysninger,<br />
som kan føre til en bedre forst˚aelse af en sygdoms ˚arsag [5].<br />
Der findes en lang række epidemiologiske undersøgelser, hvor sammenhængen<br />
mellem sygdomsrisiko og dosis af ioniserende str˚aling er blevet<br />
undersøgt. Den mest berømte af disse undersøgelser er Life Span Study,<br />
som blev p˚abegyndt i 1945 og beskriver sygdomsforholdene hos de overlevende<br />
efter atombomberne i Hiroshima og Nagasaki. Andre undersøgelser<br />
omhandler arbejdere i uranminer; patienter som har modtaget medicinsk<br />
røntgenstr˚aling; beboere i Chernobyl osv. Der er ikke plads nok til at<br />
beskrive alle disse undersøgelser her i artiklen, men jeg kan anbefale at<br />
læse de glimrende beskrivelser i [7] kapitel 2-4.<br />
Life Span Study (LSS)<br />
Allerede f˚a dage efter at atombomben var blevet anvendt mod byerne<br />
Hiroshima og Nagasaki i august 1945, p˚abegyndte japanske forskere at<br />
registrere alle overlevende. For at estimere individuel dosis, blev en stor<br />
del af de overlevende spurgt om hvor de befandt sig p˚a eksplosionstidspunktet;<br />
om de var st˚aende eller siddende; hvilken slags tøj de havde p˚a;<br />
om de var udendørs eller indendørs og (i sidstnævnte tilfælde) om hvilken<br />
slags bygning de befandt sig i [7]. Sidenhen har japanske og amerikanske<br />
forskere registreret døds˚arsagen for hver eneste person og arbejdet vil<br />
fortsætte nogle ˚ar endnu.<br />
Den nyeste rapport om LSS er skrevet af Preston et al. [10] og udkom<br />
i 2003. Det er en meget omfattende og grundig rapport, som jeg i det<br />
følgende vil gengive nogle f˚a udvalgte resultater fra.<br />
Ud af de oprindeligt 86572 overlevende er 48 % stadig i live. Der er i alt<br />
observeret 9335 dødsfald p˚a grund af cancer (leukæmi (blodcancer) er<br />
omtalt i en kategori for sig). Derudover er der et større antal dødsfald<br />
p˚a grund af andre ˚arsager. Ud af det oprindelige antal overlevende har<br />
37458 modtaget en s˚a lille dosis (fx. fordi de var bortrejste under selve<br />
eksplosionen), at de kan udgøre en kontrolgruppe [10].<br />
I følgende tabel ses procentdelen af cancerdødsfald p˚a grund af str˚aling<br />
23
Hvordan ioniserende str˚aling p˚avirker menneskers sundhed <strong>Gamma</strong> 147<br />
Nye resultater fra str˚alingsbiologi<br />
Argumenterne for og imod de ovennævnte mulige sammenhænge mellem<br />
dosis og risiko bygger i høj grad p˚a resultater fra str˚alingsbiologi, eftersom<br />
det for sm˚a doser er svært at drage konklusioner fra epidemiologiske undersøgelser.<br />
Netop indenfor str˚alingsbiologi er der i de seneste ˚ar opn˚aet<br />
en række væsentlige resultater, som viser at str˚alings p˚avirkning af celler<br />
er mere kompliceret end tidligere antaget. Jeg vil nu give et resumé af<br />
resultaterne fra en række nyere forsøg, som er beskrevet i en artikel af<br />
Brooks [1].<br />
For det første kan celler reagere p˚a selv meget sm˚a str˚alingsdoser ved<br />
at ændre gen-udtryk (engelsk: gene expression). Hvis str˚aling p˚avirker fx.<br />
hjerneceller, vil gener som styrer beskyttende funktioner blive opprioriteret<br />
og gener som styrer de neurale funktioner blive nedprioriteret. Det har<br />
generelt vist sig, at b˚ade str˚alingens type og dosis er afgørende for, hvilke<br />
gener som bliver aktiveret (og dermed kan effekterne af bestr˚alingen være<br />
meget forskellige). Regulering af gen-udtryk kan ske i et stort antal celler<br />
(næsten) samtidig og forekommer langt hyppigere end mutationer. Dette<br />
kan tyde p˚a, at regulering af gen-udtryk har større betydning for udviklingen<br />
af kræftceller end mutationer har [1].<br />
For det andet sker der færre kromosomforandringer, hvis celler først udsættes<br />
for en lille dosis str˚aling efterfulgt af en større, end hvis cellerne<br />
kun bliver udsat for den større dosis. Dette overraskende fænomen kaldes<br />
adaptive response og kan tolkes som om, at sm˚a doser str˚aling kan have<br />
en gavnlig effekt ved at aktivere beskyttende mekanismer [1].<br />
For det tredje er det nu observeret, at mutationer kan opst˚a et stykke<br />
tid efter bestr˚alingen - faktisk efter flere (tilsyneladende normale) celledelinger.<br />
Dette fænomen kaldes genomic instability. Det er observeret, at<br />
antallet af genetisk ustabile celler i væv tiltager lineært med dosis [1].<br />
Disse nye opdagelser tyder p˚a, at str˚aling p˚avirker biologisk materiale via<br />
flere og mere komplicerede mekanismer end hidtil antaget. P˚a længere<br />
sigt kan resultaterne fra str˚alingsbiologi f˚a stor betydning for modeller af<br />
sammenhængen mellem dosis og cancerrisiko. Formodentlig bygger alle<br />
de nuværende modeller p˚a forsimplede antagelser i større eller mindre<br />
grad, eftersom der ikke kan være taget højde for alle biologiske effekter.<br />
Dette er i mine øjne en god grund til at være forsigtig og at anvende LNT<br />
i forbindelse med risikovurderinger, indtil bedre modeller fremkommer.<br />
22<br />
<strong>Gamma</strong> 147 Rune Høirup Madsen<br />
risiko. Det er i overensstemmelse med forsigtighedsprincippet at antage<br />
en risiko selv ved doser s˚a sm˚a, at der ikke kan p˚avises effekter. Mange<br />
eksperter mener, at LNT overestimerer risikoen ved sm˚a str˚alingsdoser<br />
[2]. Desuden afhænger risikoen ifølge LNT kun af dosis og ikke af dosisraten<br />
- med andre ord er det lige meget, om en given dosis bliver leveret<br />
p˚a en gang eller i mange sm˚a portioner over tid [8].<br />
Hvis man antager at LNT er korrekt, bliver man nødt til at acceptere<br />
følgende 3 bagvedliggende postulater, ifølge [13] (som er kritisk overfor<br />
LNT).<br />
• Der sker ingen biologiske eller kemiske vekselvirkninger mellem effekterne<br />
af forskellige ioniserende partiklers spor i en celle.<br />
• Enhver absorberet dosis i en cellekerne fører til en proportional<br />
sandsynlighed for mutationer og sandsynligheden for fejlfri reparation<br />
(pr. dosis-enhed) varierer ikke med dosis.<br />
• Enhver skade i DNA har ens sandsynlighed for at kunne føre til<br />
udviklingen af cancer - uanset antallet af andre skader i cellen eller<br />
naboceller.<br />
I modsætning hertil viser resultater fra str˚alingsbiologi at mekanismer<br />
som modvirker oxidation i celler fungerer bedst ved sm˚a doser og dosisrater;<br />
at DNA-reparation fungerer mere effektivt ved sm˚a dosis-rater; og<br />
at den mutagene effekt af str˚aling (pr. dosis-enhed) er lille eller forsvindende<br />
ved sm˚a dosis-rater [13]. Dette s˚ar naturligvis tvivl om LNT er en<br />
korrekt model.<br />
Jeg mener dog, at der kan være god grund til fortsat at bruge LNT i forbindelse<br />
med risikovurderinger, selvom LNT m˚aske bygger p˚a forenklede<br />
antagelser. I risikovurderinger af fx. radioaktiv forurening (hvor der altid<br />
vil være en vis usikkerhed) er det i mine øjne bedre at overestimere risikoen<br />
lidt end det modsatte. Indenfor diagnostiske anvendelser af str˚aling<br />
i medicin er det dog ikke altid en fordel at overestimere risikoen. Som det<br />
ganske rigtigt p˚apeges i [12] kan man forestille sig, at en medicinsk undersøgelse<br />
kan afsløre alvorlige sygdomme i en befolkning, men samtidig<br />
indebære en lille risiko for langsigtede virkninger. Hvis den sidstnævnte<br />
risiko overestimeres, kan det være at nogle patienter ikke bliver undersøgt<br />
og dermed ikke f˚ar stillet en diagnose i tide.<br />
19
Hvordan ioniserende str˚aling p˚avirker menneskers sundhed <strong>Gamma</strong> 147<br />
Den lineært-kvadratiske model<br />
Den lineære model nævnt ovenfor fungerer som sagt godt ved mellemstore<br />
til store doser, men skønnes at overestimere risikoen ved sm˚a doser. Derfor<br />
g˚ar mange forskere ind for den lineært-kvadratiske model (engelsk: the<br />
Linear-Quadratic model), som vi her vil forkorte LQ.<br />
ρ(d) = βd + γd 2<br />
(10)<br />
For sm˚a doser angiver LQ en mindre risiko end LNT. For mellemstore og<br />
store doser giver LQ og LNT resultater som minder meget om hinanden.<br />
Vi bemærker, at der ifølge LQ stadig er en risiko forbundet med selv<br />
meget sm˚a str˚alingsdoser - denne risiko er blot mindre end ifølge LNT<br />
[2]. Ved et stort antal forsøg med bestr˚aling af mus har man fundet, at LQ<br />
giver en fin beskrivelse 12 af den opn˚aede sammenhæng mellem dosis og<br />
cancerrisiko [12]. Den slags forsøg kan give ret præcise resultater, fordi<br />
dosis kan kontrolleres præcist og forsøgene kan gentages et stort antal<br />
gange. Her bør det dog nævnes, at det for doser under 100 mSv ikke<br />
har været muligt at konstatere en statistisk signifikant cancerrisiko ved<br />
museforsøgene - til trods for de ideelle forsøgsbetingelser. Eksistensen af<br />
en risiko kan dog ikke afvises [12].<br />
Tærskel-værdi modellen<br />
De modeller, vi hidtil har betragtet, siger at cancerrisikoen er tæt p˚a nul<br />
for sm˚a str˚alingsdoser. En del forskere mener, at risikoen er nul for tilpas<br />
sm˚a str˚alingsdoser. Med andre ord: Str˚alingsdoser under en vis tærskelværdi<br />
udgør ikke nogen risiko. Denne model kaldes derfor Tærskel-værdi<br />
modellen (engelsk: the Threshold Value Model).<br />
ρ(d) = β(d − dt) d > dt<br />
(11)<br />
ρ(d) = 0 d ≤ dt (12)<br />
Tærskel-værdi modellen er i overensstemmelse med epidemiologiske undersøgelser<br />
af henholdsvis arbejdere udsat for radium og patienter udsat<br />
for thorium. Ved høje doser er der observeret en cancerrisiko (henholdsvis<br />
12 For nogle forsøg med mus passer resultaterne bedre med en rent kvadratisk sammenhæng end med<br />
den lineært-kvadratiske [12].<br />
20<br />
<strong>Gamma</strong> 147 Rune Høirup Madsen<br />
knoglecancer og levercancer), mens der ved sm˚a doser ikke er observeret<br />
en risiko. Tærskelværdien for dosis af radium (ved knogleoverfladen) er<br />
ca. 10 Gy, mens den for thorium (i leveren) er ca. 2 Gy [13]. Det er udfra<br />
nuværende data ikke muligt at bestemme en tærskel-værdi for cancerrisiko<br />
generelt - dog estimeres den (løst) til at være mellem 5 mSv og<br />
50 mSv [12].<br />
Der findes ogs˚a str˚alingsbiologiske argumenter for tærskel-værdi modellen.<br />
Ved sm˚a doser fungerer cellens forsvarsmekanismer (DNA-reparation<br />
og beskyttelse mod oxidation) optimalt [13]. Ved meget sm˚a doser (mindre<br />
end f˚a mGy) aktiveres forsvarsmekanismerne i en celle slet ikke, og<br />
cellen dør, hvilket er til fordel for organismen som helhed [13]. Disse argumenter<br />
kan i øvrigt ogs˚a anvendes til at kritisere LNT, som vi har<br />
beskrevet tidligere.<br />
Gavnligheds modellen<br />
Ifølge Gavnligheds modellen 13 (engelsk: the Hormesis Model) kan sm˚a<br />
str˚alingsdoser være gavnlige for sundheden og nedsætte risikoen for cancer<br />
- ogs˚a selvom store doser er skadelige. Denne tankegang er velkendt<br />
indenfor konventionel medicin - hvis en patient tager det korrekte antal<br />
piller er de gavnlige; hvis patienten spiser hele pakken kan det være livsfarligt.<br />
At dette gælder for piller er dog ikke nødvendigvis et tegn p˚a, at<br />
det ogs˚a gælder for ioniserende str˚aling.<br />
Der er primært to observationer, som støtter Gavnligheds modellen. For<br />
det første er hyppigheden af cancer mindre for beboere i høje bjergegne,<br />
hvor baggrundsstr˚alingen er større end normalt 14 . For det andet viser<br />
visse forsøg med planter og dyr, at disse udvikler sig hurtigere og lever<br />
længere, hvis de har modtaget en lille dosis str˚aling fremfor slet ingen [2].<br />
Jeg mener ikke, at Gavnligheds modellen p˚a nuværende tidspunkt kan<br />
bruges i risikovurderinger, eftersom jeg ikke har fundet nærmere dokumentation<br />
for den gavnlige virkning p˚a mennesker. Dog vil det i en vis<br />
forstand være glædeligt, hvis modellen viser sig at være korrekt, da hverdagens<br />
sm˚a str˚alings-p˚avirkninger i s˚a fald ville være nyttige.<br />
13Det er ikke lykkedes mig at finde den danske betegnelse for denne model, s˚a i mangel af bedre betegner<br />
jeg den Gavnligheds modellen.<br />
14Man kan dog ikke konkludere s˚a meget herfra, for det kan jo ogs˚a skyldes beboernes levevis i øvrigt.<br />
21