Контрольная работа № 2: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. Определение биологического действия ионизирующих излучений. Перечислите основные особенности ионизирующих излучений. Что такое радиочувствительность? Перечислите основные виды радиочувствительности. В чем заключается индивидуальная радиочувствительность? Что характеризует величина ЛД 50? Что такое видовая радиочувствительность? Понятие ИИ. Что такое потенциал ионизации? Как происходит возбуждение атомов или молекул? Как происходит образование свободных радикалов? Понятие прямого и косвенного действия ионизирующих излучений. Напишите первичные радиационно-химические процессы, возникающие при радиолизе воды. Как происходит взаимодействие свободных радикалов с органическими молекулами?
Тема: ТИПЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ 1. 2. 3. 4. ПЛАН: Виды ионизирующих излучений Электромагнитные излучения Корпускулярные излучения Линейная передача энергии
Виды ионизирующих излучений Название «ионизирующие излучения» объединяет разные по своей физической природе виды излучений. Сходство между ними в том, что все эти излучения обладают высокой энергией, (однако к ионизирующим излучениям относят и медленные нейтроны, энергия которых соизмерима с энергией теплового движения молекул) близким по своему характеру химическим действием на вещество, где происходит поглощение энергии лучей, а также аналогичным действием на живые организмы. Виды ИИ Электромагнитные Корпускулярные
Электромагнитные излучения (ЭМИ) – совокупность переменных электрических и магнитных полей, которые распространяются в виде волн. К ним относятся рентгеновское излучение, гаммаизлучение радиоактивных элементов и тормозное излучение, возникающее при прохождении через вещество сильно ускоренных заряженных частиц.
Спектр электромагнитных колебаний
Электромагнитные излучения Все эти виды излучений различаются между собой по длине волны и частоте колебаний: V = 0, 693 / λ, V – частота ЭМИ; λ – длина волны ЭМИ. l Наиболее короткой длиной волны и наибольшей частотой электромагнитных колебаний в 1 сек в этом спектре обладают рентгеновы и гамма-лучи. Так, длина волны рентгеновых лучей, испускаемых диагностическим рентгеновским аппаратом, в 10 тысяч раз короче, а гамма-лучей, испускаемых радиоактивным кобальтом (Со 60), почти с 450 тысяч раз короче длины волны лучей ультрафиолетового света. l Удобной мерой для измерения длины волны рентгеновых и гамма-лучей является ангстрем (Å) – одна стомиллионная часть сантиметра (10 -8 см). В этих единицах длина полны рентгеновых лучей диагностического аппарата будет равна 0, 5 Å, гамма-лучей Со 60 – 0, 01 Å, а лучей фиолетового света – 4000 Å. l Чем короче длина волны и, следовательно, чем больше частота колебаний, тем выше энергия излучений и больше их проникающая способность. Коротковолновое излучение относится к «жесткому» , а длинноволновое к «мягкому» . Е = h x v, где Е – энергия ЭМИ; h – постоянная Планка (6, 63 x 10 -34) или Е = 12, 4 / λ С уменьшением длины волны энергия квантов возрастает. l
Рентгеновские излучения l l l Обычным источником рентгеновых лучей является трубка рентгеновского аппарата. В ней электроны, испускаемые при разогреве катода, ускоряются в электрическом поле, создаваемом приложенным к аноду высоким напряжением. Подлетая к атомным ядрам материала анода, электроны тормозятся, их кинетическая энергия преобразуется в энергию фотонов рентгеновых лучей. Максимальная энергия фотонов не превышает приложенного к аноду напряжения, но может иметь любые значения ниже его. Средняя энергия фотонов рентгеновых лучей равна от половины до трети величины анодного напряжения. Фотоны рентгеновых лучей очень высокой энергии получают при помощи бетатрона – прибора для ускорения электронов. При торможении разогнанных до большой скорости электронов возникают фотоны, энергия которых может достигать миллионов электронвольт.
Гамма-излучение l l Гамма-кванты испускаются в ходе ядерных реакций и при распаде многих радиоактивных веществ. Их энергия может иметь различные значения от десятков тысяч до миллионов электронвольт. Для распада каждого радиоактивного вещества характерна присущая ему энергия испускаемых гамма-квантов. В качестве источника – излучения часто используют радиотзотопы Со 60 (кобальта) и С 137 (цезия).
Основные механизмы взаимодействия ЭМИ с веществом Существует три основных механизма размена энергии ЭМИ: 1. фотоэлектрический эффект; 2. эффект Комптона; 3. образование электронно-позитронных пар.
Эффект Комптона Образование электроннопозитронных пар Фотоэффект
Ионизирующие ЭМИ обладают большой проникающей способностью. Чем меньше величина линейного коэффициента поглощения, тем слабее поглощение и больше проникающая способность ЭМИ. Наибольшей поглощающей способностью обладает свинец, поэтому его используют в качестве экрана при работе с ионизирующими ЭМИ. Например, для ослабления пучка рентгеновских лучей с энергией 250 кэ. В в 100 раз достаточно 7 – 8 мм свинца.
Корпускулярные излучения Бета-частицы l l Бета-частицы по своей физической природе не отличаются от электронов, находящихся на оболочках атомов. Масса бета-частиц, как и электронов, в покое равна 1/1840 массы ядра водорода. Бета-частицы подобно электронам обладают элементарным отрицательным зарядом. Бета-частицы могут быть заряжены положительно подобно протону, тогда их называют позитронами. Бета-частицы возникают в ядрах атомов при радиоактивном распаде и тотчас же излучаются оттуда. Например, так распадается радиоактивный фосфор, превращаясь в серу. Эту реакцию можно записать следующим образом: 15 Р 32 бета-частица + 16 S 32 (число слева – атомный, или порядковый, номер в таблице периодической системы элементов Д. И. Менделеева, число справа – массовое число, т. е. атомный вес, выраженный в целых числах). Бета-частицы, вылетающие из ядер атомов, обладают разной скоростью. Однако максимальная скорость бета-частиц для данного вида радиоактивных атомов – величина вполне определенная. Максимальная скорость бета-частиц радиоактивного фосфора (15 P 32) не намного меньше скорости света. Энергия наиболее быстрых частиц Р 32 равна 1, 7 Мэв. Средняя энергия бета-частиц Р 32 равна одной трети этой величины. В результате вылета из ядра бета-частицы, несущей элементарный отрицательный заряд, исходный радиоактивный атом превращается в атом другого элемента, который стоит в периодической системе элементов рядом справа (сдвиг вправо). Вылет позитрона сопровождается сдвигом влево, т. е. превращением в атом элемента, имеющего на единицу меньший атомный номер, чем у исходного радиоактивного атома. Бета-частицы (электроны, позитроны), в отличие от электромагнитных излучений, отклоняются от своего пути в электрическом и магнитном полях.
Альфа-частицы l l Альфа-частица в 7300 раз тяжелее бета-частицы. По своей физической природе альфа-частицы являются ядрами атома гелия с атомным весом 4, 003 (2 He 4). Альфа-частица несет два элементарных положительных электрических заряда. Эти частицы испускаются при радиоактивном распаде некоторых элементов. Таким путем распадается, например, радий 88 Ra 226 альфа-частица + 86 Ra 222 (Радон) Скорость альфа-частиц, испускаемых радием, равна примерно 17000 км/сек. В результате вылета альфа-частицы атомный номер уменьшается на две, а атомная масса на четыре единицы. Альфа-частицы составляют около 6% общего числа частиц в космических лучах у земли. Известно около 30 различных естественных радиоактивных веществ, при распаде которых вылетают альфа-частицы. Сейчас искусственно получен ряд новых альфа-излучателей, не встречающихся в природе. Это так называемые трансурановые элементы с атомным номером более 92 (93 -103).
Альфа-частицы
Протоны и дейтроны l Протоны и дейтроны – ядра легкого или тяжелого водорода с одним элементарным положительным зарядом. Масса протона почти в четыре раза, а дейтрона в два раза меньше массы альфа -частицы.
Нейтроны l l Нейтроны – это нейтральные, не несущие электрического заряда частицы, которые вылетают из ядер атомов при некоторых ядерных реакциях, в частности при реакциях деления ядер урана или плутония. Масса нейтрона почти равна массе протона. Отсутствие заряда позволяет им беспрепятственно проникать вглубь атомов, достигая ядер, где они либо поглощаются ими, либо рассеиваются на них.
Нейтроны e l p+ Протон отдачи n p+ Быстрый нейтрон n Нейтрон с меньшей энергией Взаимодействие быстрого нейтрона с атомом водорода облучаемого материала. При упругом рассеянии на ядрах углерода, азота, кислорода и др. , нейтрон теряет лишь 10 – 15 % энергии, а при столкновении с почти равными с ним ядрами водорода – протонами, энергия протона уменьшается почти вдвое, передаваясь в качестве кинетической протону отдачи. Нейтрон рассеяния отклоняется от прежнего направления и обладает меньшей энергией. Поэтому вещества, содержащие большое количество атомов водорода (воду, парафин), используют для защиты от нейтронного излучения: в них нейтроны быстро растрачивают свою энергию и замедляются.
Нейтроны Атомные ядра при поглощении нейтронов становятся неустойчивыми и, распадаясь, порождают протоны, альфачастицы и фотоны гамма излучении, также способные производить ионизацию. Ионизируют вещество и сами протоны отдачи. Таким образом, и при нейтронном облучении конечный биологический эффект связан с ионизацией, производимой опосредованно вторичными частицами или фотонами. l Нейтроны могут обладать различной скоростью, а, следовательно, и энергией. Различают четыре вида нейтронов: 1. Быстрые нейтроны имеют энергию порядка 1 мэ. В и выше. 2. Нейтроны промежуточной энергии (от 100 до 1 кэ. В). 3. Медленные нейтроны с энергией меньше 1 кэ. В. 4. Тепловые нейтроны, обладающие энергией теплового движения, которая составляет при комнатной температуре около 0, 025 э. В. Наибольшее практическое значение имеют быстрые нейтроны. l Нейтроны относят к плотноионизирующим излучениям, т. к. образуемые ими протоны отдачи сильно ионизируют вещество. l
Мезоны l l Мезоны – это нестабильные элементарные частицы, масса которых больше массы электрона, но меньше массы протона. Мезоны могут быть как нейтральными, так и заряженными. Различают пи-мезоны (пионы) и κ-мезоны (каоны). Подобно фотонам ЭМП, пионы являются квантами ядерного поля. Пионы состоят из 3 -х нестабильных элементарных частичек: 2 -х заряженных (π+ и π¯) и одной нейтральной (π°). Время существования мезонов очень короткое: значительно короче миллионной доли секунды. Вследствие распада мезонов с отрицательным зарядом возникают электрон и нейтрино. Мю-мезоны (мюоны) – также нестабильные элементарные частицы, масса которых в 207, 3 раза превышает массу электрона, относятся к классу лептонов. Бывают с «-» и «+» зарядом. Возникают мюоны вследствие распада мезонов (π+, π¯, κ+ и κ-). Время существования – 2, 2· 10 -6 с. Выявляются мюоны в космических излучениях.
Механизм взаимодействия корпускулярных частиц с веществом l l l Механизм передачи энергии в объекте от заряженных частиц один и тот же. При прохождении через вещество заряженная частица теряет свою энергию, вызывая ионизацию и возбуждение атомов до тех пор, пока общий запас энергии уменьшится настолько, что частица утратит ионизирующую способность. В зависимости от знака заряда при пролете частицы в веществе она притягивается или отталкивается от «+» заряженных ядер. Чем больше масса летящей частицы, тем меньше она отклоняется от первоначального направления. Поэтому траектория протонов и более тяжелых ядерных частиц практически прямолинейна, а траектория электронов сильно изломана. Этот вид взаимодействия легких частиц, при котором практически меняется лишь направление их движения, а не энергия, называют упругим рассеянием в отличие от неупругого рассеяния (торможения), которое наблюдается при прохождении электрона очень высокой энергии вблизи ядра. При этом скорость летящего электрона снижается и часть энергии испускается в виде фотона тормозного излучения. Следовательно, при прохождении через вещество электронов высокой энергии происходит и образование ЭМИ.
Линейная передача энергии l l l 1. 2. l l Энергию, переданную заряженной частицей на единице длины её пробега в веществе, называют линейной передачей энергии (ЛПЭ). Единица ЛПЭ – 1 кэ. В/мкм ткани (1 кэ. В/мкм = 62 Дж/м). В зависимости от значения ЛПЭ все ИИ делят на: редкоионизирующие (ЛПЭ 10 кэ. В/мкм – легкие частицы) и плотноионизирующие (ЛПЭ 10 кэ. В/мкм – тяжелые частицы). ЛПЭ зависит как от физической природы излучения, так и от скорости заряженных частиц: чем больше скорость, тем меньше ЛПЭ. Поэтому в конце пробега частицы ЛПЭ увеличиваются, а, следовательно, отдача энергии увеличивается. В современных мощных ускорителях тяжелые частицы разгоняют до очень больших скоростей, приближающихся к скорости света, при этом ЛПЭ уменьшается, приближаясь к редкоионизирующим излучениям.
Вывод l Таким образом, все виды ионизирующих излучений сами или опосредованно вызывают либо возбуждение, либо ионизацию атомов или молекул биосистем. Однако при облучении объектов разными видами ионизирующей радиации в равных дозах возникают количественно, а иногда и качественно различные биологические эффекты, что связано с пространственным распределением выделяющейся при взаимодействии энергии в облучаемом микрообъеме, т. е. с ЛПЭ.
