Медицинский факультет Харьковского национального университета им В Н

Медицинский факультет Харьковского национального университета им. В. Н. Каразина Ионизирующие излучения. Радиоактивность и доза. Докт. мед. наук, доцент 2010 СВИНАРЕНКО Андрей Викторович

Ионизирующее излучение Любое электромагнитное или корпускулярное излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к возникновению электрических зарядов противоположных знаков. Такую способность имеют только те излучения, энергия которых превышает энергию связи электрона в атоме.

Ионизация энергия 34 е. В отрыв от атома электрона переход электрона на более высокую орбиту-возбуждение Образование 2 -х ионов: Øнегативного электрона Øпозитивного ядра атома с оставшимися электронами возвращение электрона на прежний уровень с выделением избытка энергии в виде кванта

Ионизирующее излучение (радиация) Øкорпускулярное Øэлектромагнитное

Корпускулярное излучение v альфа-частицы - ядра атомов 4 гелия - 2 Не vбета-частицы электроны – β-1 позитроны – β+1 v протоны – р+ v нейтроны – n 0

Корпускулярное излучение v альфа-частицы - ядра атомов 4 гелия - 2 Не Положительно заряженные ядра гелия. При взаимодействии альфа-частиц с веществом их энергия расходуется на возбуждение и ионизацию атомов среды. Альфа-частицы обладают значительной массой и зарядом, высокими показателями линейной передачи энергии (ЛПЭ), но вместе с тем имеют незначительную проникающую способность - десятки мкм в биологической ткани.

Корпускулярное излучение v альфа-частицы - ядра атомов 4 гелия - 2 Не Альфа-частицы относятся к сильно ионизирующим частицам, быстро теряющим свою энергию при взаимодействии с веществом. По этой причине альфа-излучение является слабопроникающим (до 50 мкм в биологических объектах) и в медицинской практике не используется.

Корпускулярное излучение vбета-частицы электроны – β-1 позитроны – β+1 При прохождении через вещество возможны упругие и неупругие взаимодействия. Удельная плотность ионизации для бета-частиц примерно в 1000 раз меньше, чем для альфачастиц той же энергии, а проникающая способность существенно больше и составляет 8 -10 мм для биологических объектов, что дает им возможность проникать через базальный слой кожи. Для защиты от электронов малых энергий необходимо, чтобы толщина защитного экрана была больше максимального пробега частицы в данном материале. При высоких энергиях электронов необходима дополнительная защита от тормозного рентгеновского излучения.

Корпускулярное излучение v протоны – р+ Протоны относятся к сильно ионизирующим частицам; будучи ускоренными до высоких энергий, они способны сравнительно глубоко проникать в вещество среды. Это позволяет эффективно использовать протонное излучение в дистанционной лучевой терапии.

Корпускулярное излучение v нейтроны – n 0 Нейтронное излучение представляет собой поток нейтральных, то есть незаряженных частиц нейтронов (n), являющихся составной частью всех ядер, за исключением атома водорода. Они не обладают зарядами, поэтому сами не оказывают ионизирующего действия, однако весьма значительный ионизирующий эффект происходит за счет взаимодействия нейтронов с ядрами облучаемых веществ. Нейтронное излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Задерживаются нейтроны веществами, содержащими в своей молекуле водород (вода, парафин и др. ).

Электромагнитное излучение v гамма-лучи коротковолновое электромагнитное излучение, а также излучение радионуклидов, которое возникает при распаде радиоактивных ядер и элементарных частиц. Обладает высокой проникающей и низкой ионизирующей способностью. Для защиты от гаммаизлучения используются материалы с большими атомными массами, например, свинец или иридий. vрентгеновские лучи по физическим свойствам не отличаются от гамма-излучения, но в отличие от них способ его получения – внеядерный (в вакуумных рентгеновских трубках при торможении электронов мишенью - анодом).

Спектр электромагнитного излучения (фотонов)

Спектр электромагнитного излучения (фотонов)

Спектр ЭМИ, применямый в клинической практике Гамма. Рентген 3 х109 -104 ТГц УФ 0, 75 х1033 х104 ТГц Видимый свет 400 -750 ТГц ИК 30 -400 ТГц КВЧ 30 -3000 ГГц СВЧ 3 -30 ГГц УВЧ 30 -3000 МГц Высокие 3 -300 МГц Низкие 30 -3000 КГц Очень Низкие 300 Гц30 к. Гц Сверх Низкие 30 -300 Гц Посто янное 0 Гц • Сегодня в клинической практике применяют весь спектр ЭМИ от крайне высокочастотного – ионизирующего до крайне низкочастотного и постоянного ЭМИ - неионизирующего. 15

Линейная передача энергии • Биологическое действие ионизирующего изличения в значительной степени зависит от его качества, в основном определяемого линейной передачей энергии (ЛПЭ) — энергией, теряемой частицей на единице длины ее пробега в веществе среды. L = d. E/dx (Дж/м) dx • Воздействие разными видами ионизирующих в равных поглощенных дозах приводит к разным по величине эффектам. 16

Линейная передача энергии • Для количественной оценки качества излучения введено понятие относительной биологической эффективности (ОБЭ), которую обычно оценивают сравнением дозы изучаемого излучения, вызывающей определенный биологический эффект, с дозой стандартного излучения, обусловливающей такой же эффект. • Условно можно считать, что ОБЭ зависит только от ЛПЭ и возрастает с увеличением последней. 17

Все электромагнитные излучения (и электромагнитные, и корпускулярные) Ш Плотноионизирующие (ЛПЭ более 10 кэ. В/мкм) протонное нейтронное альфа-излучение Ш Редкоионизирующие (ЛПЭ менее 10 кэ. В/мкм) рентгеновское гамма-излучение бета-лучи. За исключением нейтронов все виды плотноионизирующих излучений имеют небольшую или низкую проникающую способность. Нейтронное излучение сочетает соизмеримую с гамма-квантами высокую проникающую способность с высокой ионизирующей способностью. Именно такое сочетание поражающих свойств делает нейтронное оружие самым опасным из существующих видов ядерного оружия.

Коэффициенты ОБЭ Вид излучения Ренгеновское, гамма-лучи Бета-лучи (электроны, позитроны) Протоны, <10 Мэ. В Нейтроны <20 ке. В Нейтроны 0, 1 -10 Мэ. В Альфа-лучи Тяжелые ядра WR 1 1 10 3 10 20 20

Проникающая способность различных видов излучения 20

Взаемодействие фотонов с атомами v когерентное рассеивание v фотоэффект v комптон-эффект v образование пар v фотодезинтеграция

Когерентное рассеивание фотонов (Томпсонэффект) изменение направление движения падающего кванта без потери энергии. Реализуется лишь в случаях самого мягкого рентгеновского излучения. В остальных случаях когерентное рассеяние можно не учитывать.

Фотоэлектрический эффект вся энергия падающего фотона поглощается атомом. При этом с одной из электронных оболочек «выбивается» электрон, а атом превращается в положительно заряженный ион. В зависимости от энергии падающего фотона электрон выбивается из К-оболочки (наиболее близкая к ядру атома) или из вышележащих оболочек при меньшей энергии падающего кванта. На место вылетевшего электрона переходит наименее связанный электрон, а разница энергий двух оболочек может выделиться в виде кванта характеристического излучения.

Комптон-эффект (некогерентное рассеяние) – выбитый электрон получает лишь часть энергии падающего фотона, оставшаяся часть переходит в рассеянное гамма- или рентгеновское излучение, более мягкое, нежели излучение, которое вызвало эффект.

Образование пары или триплета происходит при прохождении падающего кванта в непосредственной близости от ядра при наличии очень сильного электрического поля. Высокоэнергетичный падающий квант превращается в пару электрон-позитрон, а сам атом не претерпевает изменений. Остаток энергии падающего фотона передается вновь образовавшимся частицам в виде их кинетической энергии.

Атомное число Z: Массовое число А:

Число нейтронов в ядре:

нуклоны протоны

АТОМ ШЭлектроны в атоме притягиваются к ядру, что удерживает их внутри потенциального барьера, окружающего ядро. ШДля того, чтобы электрон смог преодолеть притяжение ядра, ему необходимо получить энергию от внешнего источника. ШЧем ближе электрон находится к ядру, тем больше энергии для этого необходимо. 29

Изотопы • атомы с одним и тем же количеством протонов, но разным количеством нейтронов Например, 137 Cs и 134 Cs при одинаковом количестве протонов и электронов, которые совпадают с порядковым номером в периодической таблице, различаются лишь числом нейтронов. В атоме 137 Cs их на три больше, нежели в атоме 134 Cs. 30

Изотопы Ш Все изотопы элементов периодической системы, начиная с номера 83 (висмут), радиоактивны – естественные радиоактивные изотопы 31

Природные радионуклиды

Радиоактивность Шсамопроизвольное превращение нестабильных ядер атомов в ядра других элементов, сопровождающееся излучением энергии в виде альфа-, бета-частиц, гамма-излучений. 33

Альфа-распад (первый закон радиоактивного распада) происходит, когда материнское ядро испускает материнское альфа-частицу — ядро атома гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. В результате испускания этой частицы возникает новый нуклид (дочернее ядро): ь атомный номер на 2 меньше ь массовое число на 4 единицы меньше (т. е. располагающийся на 2 клетки левее в периодической таблице Д. И. Менделеева)

Бета-распад радиоактивный распад атомного ядра, сопровождающийся вылетом из ядра электрона или позитрона. Этот процесс обусловлен самопроизвольным превращением либо • нейтрона в протон • протона в нейтрон 35

Электронный (b – распад) • • Превращение нейтрона (n) в протон (p): эмиссия электрона (е-) и антинейтрино число протонов (Z) в ядре увеличивается на единицу число нейтронов (A-Z) уменьшается на единицу Массовое число ядра А, равное общему числу нуклонов в ядре, не меняется, и ядропродукт представляет собой изобар исходного ядра, стоящий от него по соседству справа в периодической системе элементов. 36

Бета-распад Электронный Если в ядре нейтронов больше, чем протонов, материнское ядро переходит в изобарное дочернее ядро и излучается одна+бета-частица. При образуются атомы химического элемента, заряд которого на 1 больше (1 клетка вправо в периодической системе) – второй закон радиоактивного распада.

Позитронный (b+ распад) • • Превращение протона (p): в нейтрон (n): эмиссия позитрона (е+) и нейтрино число протонов (Z) в ядре уменьшается на единицу число нейтронов увеличивается на единицу образуется изобар, стоящий по соседству слева от исходного ядра. 38

Бета-распад Позитронный Если в ядре нейтронов меньше, чем протонов, материнское ядро переходит в изобарное дочернее ядро и образуются атомы химического элемента, имеющего на один протон меньше, поскольку один протон превращается в нейтрон– третий закон радиоактивного распада.

Электронный захват заключается в захвате ядром одного электрона из электронной оболочки атома. Обычно захватывается электрон с ближайшей к ядру К-оболочки. В результате захвата электрона один из протонов в ядре превращается в нейтрон и нейтрино.

• Альфа А-4 А ZХ → α + Z-2 Y • Бета электронный А А - + ZХ → β Z+1 Y позитронный А А ZХ → β+ + Z-1 Y • А - → А Y Электронный захват ZХ + е Z-1 41

Закон радиоактивного распада

Период полураспада и постоянная распада Время распада ½ радиоактивных атомов вещества Вероятность распада в единицу времени

Короткоживущие изотопы – Т 1/2 менее 15 дней

Долгоживущие изотопы – Т 1/2 более 15 дней 226 Ra – Т 238 U – Т 1/2 = 1600 лет 1/2 = 4 500 000 лет 45

Доза излучения • поглощенная доза - количество энергии, поглощенное единицей массы вещества (ткани) за время облучения. в системе СИ - Грей 1 Гр = 1 Дж/кг (веществу массой 1 кг передается энергия 1 Дж) 1 Гр = 100 рад (radiation absorbed dose)– внесистемная единица поглощенной дозы 46

Доза излучения • Экспозиционная - производит 2, 08× 109 пар ионов в 1 см 3 воздуха при 0 о. С и нормальном атмосферном давлении. Эта единица получила название Рентген (Р). • СИ – Кл/кг (экспозиционная доза рентгеновского и гамма-излучения, при которой в 1 кг воздуха производятся ионы, несущие электрический заряд каждого знака, равный 1 Кл) • 1 Р = 0, 88 рад. 47

Мощность дозы излучения • При оценке действия излучения на биологический объект важно учитывать не только поглощенную дозу, но и время, в течение которого она была получена • СИ - Грэй в секунду (Гр/с) - единица мощности поглощенной дозы излучения (мощность дозы, при которой за время 1 с облученным веществом поглощается 1 Гр). • Внесистемная – 1 Р/мин, 1 Р/час. 48

Относительная биологическая эффективность • показатель, с помощью которого определяют, во сколько раз биологическое действие ионизирующих излучений данного типа (например, альфа-, бета-лучи, нейтроны и т. д. ) больше (или меньше) действия на тот же биологический объект стандартного излучения (жесткие рентгеновские или гамма-лучи) 49

Относительная биологическая эффективность – взвешивающий коэффициент (WR) фотоны любых энергий электроны и мюоны любых энергий нейтроны с энергией менее 10 кэ. В от 10 до 100 кэ. В от 100 кэ. В до 2 Мэ. В от 2 Мэ. В до 20 Мэ. В более 20 Мэ. В протоны с энергией более 2 Мэ. В альфа-частицы, тяжелые ядра 1 1 5 10 20 10 5 5 20 50

Эквивалентная доза (Н) • Изучение отдельных последствий облучения живых тканей показало, что при одинаковых поглощенных дозах различные виды радиации производят неодинаковое биологическое воздействие на организм. Обусловлено это тем, что более тяжелая частица (например, протон) производит на единице пути в ткани больше ионов, чем легкая (например, электрон). • При одной и той же поглощенной дозе радиобиологический разрушительный эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая излучением. Чтобы учесть этот эффект, введено понятие эквивалентной дозы. Эквивалентная доза рассчитывается путем умножения значения поглощенной дозы на специальный взвешивающий коэффициент (WR) 51

Эквивалентная доза (Н) • поглощенная доза, умноженная на коэффициент (WR), который отражает способность излучения данного вида повреждать ткани живого организма. HT, R = WR х DT. R, где DT, R - средняя поглощенная доза в органе или ткани Т; WR - взвешивающий коэффициент для излучения R. • Единицей измерения эквивалентной дозы в системе СИ является зиверт (Зв): 1 Зв =1 Дж/кг • 1 Зв = равен 100 бэр (биологический эквивалент рада). 52

поглощенная доза 1 Гр = 1 Дж/кг эквивалентная доза 1 Зв =1 Дж/кг ↓ 1 Зв – поглощенная доза любого вида излучения, которая имеет такую же биологическую эффективность, как и 1 Гр (1 Дж/кг) квантового излучения 53

Эффективная доза (Е) • Доза эффективная (E) - величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности. E = Σ WT х Ht. T, где Ht. T, - эквивалентная доза в ткани Т за время t, а WT взвешивающий коэффициент для ткани/органа Т, отражающий его вклад в общее поражение целостного организма. • • Единицей измерения эффективной дозы в системе СИ также является зиверт (Зв). Взвешивающий коэффициент при определении эффективной дозы обозначается WT, является безразмерным, и равен для половых желез – 0, 20, желудка, красного костного мозга, легких - 0, 12, щитовидной железы, мочевого пузыря, грудной железы, печени, пищевода - 0, 05, кожи и костных поверхностей - 0, 01. 54

Основные радиологические величины и единицы их измерения 55