Презентация на тему Ионизирующее излучение: основные термины, понятия, механизмы

- Радиоактивный нуклид (изотоп), ядро которого способно к радиоактивному

распаду.

Активность радионуклида – скорость, с которой происходит радиоактивный распад нуклеотида. В международной системе единицей активности является беккерель (Бк). 1 Бк = 1 распад в секунду. (Удельная активность (Бк/кг), коэффициент накопления или перехода (КН или КП))

Доза излучения (экспозиционная доза) измеряется для получения представления о количестве энергии ионизирующего излучения, падающей на объект за время облучения. Размерность экспозиционной дозы – это заряд, возникающий в единице массы поглотителя, в международной системе единиц - Кл/кг (кулон на килограмм). Также в настоящее время широко применяют внесистемную единицу – Р (Рентген).

Доза облучения (поглощенная доза) – это величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу. В международной системе единиц поглощенная доза излучения измеряется в Греях (Гр). 1 Гр= 1Дж/кг.

Мощность дозы. Эта величина характеризует скорость увеличения дозы за единицу времени. Измеряется в Гр/с или Кл/(кг * с).
Эквивалентная доза, эффективная доза

(электромагнитное, тепловое, гравитационное, космическое, ядерное)
Ионизирующее излучение - излучение

с энергией выше потенциала ионизации (>10 эВ) – способно ионизировать атомы и молекулы поглотителя
Ионизирующее излучение обладает двумя отличительными свойствами:
- способно проникать через вещество;
проходя через вещество взаимодействует с атомами и молекулами, что приводит к их возбуждению и ионизации;

(электроны и позитроны - β-частицы; ядра атомов водорода –

протоны, дейтерия – дейтроны, гелия - α-частицы и др.; нейтроны; нестабильные частицы – π+,-,0 -мезоны и др.)

Электромагнитные - коротковолновое излучение (рентгеновское, гамма-излучение) -

7,1 МэВ.
Гамма-кванты испускаются
ядрами атомов при изменении их энергетического

состояния;
при аннигиляции электрона и позитрона

Если аннигилируют практически неподвижные е- и е+, то фотоны уносят энергию, равную сумме энергий покоя е- и е+, т.е. энергию 2mс2 = 2*0.511 МэВ = 1.022 МэВ,
где m – масса электрона и позитрона.
Фотоны разлетаются в противоположные стороны и каждый уносит энергию 0.511 МэВ.

заряженными частицами высоких энергий (обычно е-) при торможении в

кулоновском поле ядра. Применяется в рентгеновских трубках;

характеристическое, с линейчатым спектром - испускается атомом при заполнении вакансий на внутренних электронных оболочках, образованных в результате его взаимодействия с ускоренными электронами. Применяется для рентгено-структурного анализа

Энергетический спектр фотонов у тормозного излучения как функция Eg

1917 г. Нобелевская премия за открытие характеристического рентгеновского излучения (Чарлз Баркле)

орбитам со скоростями, близкими к скорости света в вакууме.

Изменение направления движения электрона происходит под действием магнитного поля.

Рентгеновское, синхротронное и гамма-излучение при одинаковой энергии имеют одинаковые свойства и различаются только способом происхождения.

сделанные с их помощью (1901-1988 гг)
в 1901 г. Нобелевская

премия за открытие X-лучей (В.Рентгену);
в 1913 г. Генри Мозли изучая рентгеновские спектры элементов доказал: порядковый номер элемента в периодической системе численно равен заряду ядра его атома. Но получить высшую научную награду Мозли не довелось: он трагически погиб через два года после своего открытия при высадке английского десанта в проливе Дарданеллы;
в 1914 г. Нобелевская премия за открытие дифракции рентгеновских лучей (М. фон Лауэ);
в 1915 г. Нобелевская премия за изучение структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей присуждена отцу и сыну Брэггам Уильям Генри и Уильям Лоренс, которые заложили основы рентгено-структурного анализа;
в 1917 г. Нобелевская премия за открытие характеристического рентгеновского излучения (Чарлзу Баркле); Поскольку во время войны поездки были ограничены, церемонию награждения пришлось отложить, и только в 1920 г. Баркла смог прочитать свою Нобелевскую лекцию "Характеристическое рентгеновское излучение";
в 1922 г. Нобелевская премия за разработку теории периодической системы элементов, используя закономерности изменения рентгеновских спектров (Нильсу Бору);
в 1922 г. Открытие элемента Гафний по рентгеновским спектрам (А.Довийе);
в 1924 г. Нобелевская премия за исследования спектров в диапазоне рентгеновских лучей (К.Сигбану);
в 1925 г. Открытие элемента Рений по рентгеновским спектрам (супруги Ноддак)

сделанные с их помощью (1901-1981 гг)
в 1927 г. Нобелевская

премия за открытие рассеяния рентгеновских лучей на свободных электронах вещества (А.Комптону). Артур Комптон в 1923 г. обнаружил эффект (назван его именем), который сыграл крайне важную роль в развитии квантовой теории в 20-х гг;
в 1936 г. Нобелевская премия за вклад в изучение молекулярных структур с помощью дифракции рентгеновских лучей и электронов (П.Дебаю);
в 1946 г. Нобелевская премия по физиологии и медицине Герману Меллеру за обнаружение и изучение мутаций под действием рентгеновских лучей;
в 1964 г. Дороти Кроуфут-Ходжкин (англ) – НП по химии: методом рентгено-структурного анализа она определила строение белков и ряда биологически активных соединений.
1962 и 1988 гг – НП за открытие структуры молекул гемоглобина, дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и белков, соединений, ответственных за фотосинтез, лекарственных препаратов с помощью рентгеновских лучей;
в 1979 г. Нобелевская премия за разработку метода осевой рентгеновской томографии (А.Кормаку и Г.Хаунсфилду);
в 1981 г. Кай Сигбан (сын Карла Сигбана) - премия по физике за разработку рентгеновской электронной спектрометрии - метода широко применяемого в химических исследованиях.

не имеющих заряда) с веществом:
Фотоэффект
Комптоновский эффект (рассеяние)
Образование

пар
Рэлеевское (когерентное) рассеяние;
Фотоядерные реакции

См. Кудряшов, 2003; Сивухин, 2006 (Атомная и ядерная физика)

излучения)
Энергия падающего кванта полностью поглощается веществом, в результате

появляются свободные электроны с кинетической энергией, равной энергии захваченного кванта за вычетом энергии выхода электрона

на электроне внешней орбиты
Электрону внешней орбиты передается часть энергии

фотона.
Оставшуюся энергию уносят рассеявшиеся фотоны.
Средняя энергия фотонов возрастает с увеличением энергии падающего излучения

с кулоновским полем ядра атома, квант исчезает и одновременно

возникает пара частиц электрон-позитрон.
Позитрон аннигилирует с электронами среды, с образованием вторичных гамма-квантов
Вторичные гамма-кванты проходя через вещество теряют энергию за счет фотоэффекта или эффекта Комптона

для фотонов с энергией > 1,022 МэВ, т.е. превышающей внутриатомные энергии связи

Комптона;
>10 МэВ – образование пар
Поглощение фотонов в биологических

тканях

При действии рентгеновского и гамма-излучения первичная ионизация (возникновение атомов, утративших электрон вследствие фото- и Комптон-эффекта) мала по сравнению с ионизацией в результате действия вторичных электронов.
Поэтому электромагнитное излучение считают косвенно ионизирующим.

Относительная вероятность реализации вышеперечисленных механизмов при облучении биологических тканей представлена на рисунке

В большинстве случаев при облучении биологических объектов энергия электромагнитного излучения находится в диапазоне 0.2-2 МэВ, поэтому наибольшую роль играет эффект Комптона

массой 1,0087 атомной единицы и нулевым зарядом
Получают нейтроны

в ядерных реакциях или при делении ядер урана и трансурановых элементов
Свободный нейтрон нестабилен и распадается на протон, электрон и антинейтрино, Т1/2=918 с.
Время жизни нейтрона в биологических тканях = 0,0002 с (в 4,5 млн раз меньше Т1/2)
в зависимости от энергии частиц делится на группы:
сверхбыстрые (энергия > 20 МэВ)
быстрые (энергия 0,1-20 МэВ),
промежуточные (0,5-100 кэВ),
медленные (< 0,5 эВ)
тепловые (0,025 эВ при температуре +20 оС, скорость 2200 м/с)

нейтронов) – в результате соударения нейтрона с ядром атома

кинетическая энергия нейтрона распределяется между ним и «ядром отдачи». Чем меньше масса ядра, тем больше энергии оно получит (водород).

В биологических тканях, богатых водородом, появляются «протоны отдачи», обладающие значительной кинетической энергией и зарядом, могут взаимодействовать с электронными оболочками атомов и вызывать ионизацию

энергия нейтрона передается ядру
Часть энергии нейтронов идет на

возбуждение ядра, часть – на кинетическую энергию ядра.
При переходе в основное состояние возбужденное ядро испускает гамма-кванты.

нейтрон захватывается ядром с образованием короткоживущего высоковозбужденного ядра, которое

переходит в стабильное состояние с образованием гамма-квантов (для легких ядер, водород), протонов или альфа-частиц (для более тяжелых ядер, азот).

кулоновским полем атомов и молекул – проходят в веществе

значительные расстояния, не меняя направления траектории
Ионизация поглотителя происходи косвенным путем за счет высвобожденных вторичных тяжелых заряженных частиц – ядер отдачи и продуктов ядерных реакций на элементах ткани или специально вводимых изотопах (например 10В – в случае НЗТ)
Наибольшее применение в радиобиологии имеют быстрые нейтроны, как наиболее глубоко проникающие в ткани (см. рис)

Зависимость средней длины пробега нейтронов в биологической ткани от их энергии

(НЗТ) -
- Новая технология (реализуется на реакторе ИРТ МИФИ)

- Метод избирательного воздействия излучения на опухоль
НЗТ использует тропные к опухоли препараты, содержащие нуклиды (10В или 157Gd), которые поглощая нейтроны, образуют вторичное излучение, губительное для опухолевых клеток

Ядерные реакции в опухоли при процедуре НЗТ

В.Ф.Хохлова (ГНЦ ИБФ), А.А.Портнова, К.Н.Зайцева активно проводятся исследования по

высокоэффективному методу нейтрон-захватной терапии злокачественных опухолей на основе соединений, содержащих 10В и 157Cd.
В опытах на крупных лабораторных животных со спонтанной меланомой в 80% случаев достигнута полная резорбция опухолей.

до и после лечение методом НЗТ

кости методом НЗТ

с)
МП протонов (в 6 раз) >Масса покоя (МП) -

> МП е- в 273 раз, поэтому - рассеиваются меньше, чем электроны, но больше, чем протоны
Проходят путь в тканях до полного торможения почти без ядерных взаимодействий, в конце пробега захватываются ядрами атомов ткани, что сопровождается «микровзрывом» - вылетом набора частиц (нейтронов, протонов, альфа-)
Благодаря особенности взаимодействия с тканями широко используются в лучевой терапии

протона+2 нейтрона)
Альфа-распад характерен для тяжелых элементов (урана, тория, плутония,

полония и др. – всего 40 естественных и около 200 искусственных).
Периоды α-распада - от 10-7 с до 1017 лет , при этом кинетическая энергия α-частиц=2-9МэВ.
При альфа-распаде атомный номер уменьшается на 2, а массовое число на 4

Рис. α-распад:
а – распад 241Am; б – энергетическая схема распада 226Ra с переходом в основное и возбужденное состояния 222Rn

превышает 11 см, в мягких тканях человека – микроны.

(Макс.энергия – 8,8 МэВ – распад 210Ро)
(Возможно ускорение до энергии в сотни МэВ, что приведет к увеличению длины пробега – использование в лучевой терапии)
Альфа-частицы относятся к числу плотно-ионизирующих частиц

протон, заряд ядра и его порядковый номер увеличиваются на

единицу. Массовое число ядра не изменяется

При позитронном -распаде происходит превращение протона в нейтрон, которое сопровождается выбросом позитрона. Заряд ядра и его порядковый номер уменьшаются на единицу. Массовое число ядра не изменяется

распад углерода 11С;
в) электронный захват 7Ве
Простой β- - распад

изотопа 32Р

в веществе неодинаков.
При взаимодействии с атомами среды бета-частицы отклоняются

от своего первоначального направления, сильнее, чем альфа-частицы. Их путь в веществе представляет из себя ломаную линию.
Ионизирующая способность бета-частиц меньше, чем альфа-частиц.
При прохождении вблизи положительно заряженных ядер, бета-частицы тормозятся и теряют энергию в виде тормозного рентгеновского излучения.

Взаимодействие с веществом

взаимодействие, (притягивается или отталкивается) с электронами или ядром атомов,

мимо которых пролетает, и теряет при этом энергию.
Частица с энергией 1 МэВ испытывает около 105 взаимодействий, пока не потеряет всю энергию.
Чем больше масса частицы, тем меньше она отклоняется от первоначального направления.

ЛПЭ повышается поражаемость клеток и снижается их способность к

восстановлению (рис.2)
Дейтрон = дейтерий = 2Н (1 протон+1 нейтрон)

ЛПЭ=19,4 , 570 ионов/мкм

ЛПЭ=19,4

ЛПЭ=54,0

ЛПЭ=130, 3800 ионов/мкм

ЛПЭ=0,2, 6 ионов/мкм

Рис.1. Схематическое распределение актов ионизации вдоль треков заряженных частиц различной природы и энергии. С ростом ЛПЭ вероятность поражения увеличивается

Рис. 2. Кривые выживания клеток почки человека, подвергнутых облучению.
1 – рентгеновское излучение, 2 – нейтроны, 3 - -излучение.

Относительная биологическая эффективность увеличивается с ростом ЛПЭ (рис. 1)