рад гигиена. 1. Радиационная гигиена как наука и область практической деятельности врачей. Применение радиоактивных веществ и источников ионизирующего излучения (ИИ) в современных условиях.
 Скачать 3.83 Mb.
|
|
1. Радиационная гигиена как наука и область практической деятельности врачей. Применение радиоактивных веществ и источников ионизирующего излучения (ИИ) в современных условиях. Радиобиология. Роль В. Рентгена, А. Беккереля, П. Кюри и М. Склодовской-Кюри в становлении радиобиологии. Ионизирующие излучения (ИИ) — потоки элементарных частиц (электронов, позитронов, протонов, нейтронов) и квантов электромагнитной энергии, прохождение которых через вещество приводит к ионизации (образованию разнополярных ионов) и возбуждению его атомов и молекул. Ионизация — превращение нейтральных атомов или молекул в электрически заряженные частицы – ионы. ИИ попадают на Землю в виде космических лучей, возникают в результате радиоактивного распада атомных ядер (απ β-частицы, γ– и рентгеновские лучи), создаются искусственно на ускорителях заряженных частиц. Практический интерес представляют наиболее часто встречающиеся виды ИИ – потоки а– и β-частиц, γ-излучение, рентгеновские лучи и потоки нейтронов. Альфа-излучение (а) – поток положительно заряженных частиц – ядер гелия. В настоящее время известно более 120 искусственных и естественных альфа-радиоактивных ядер, которые, испуская α-частицу, теряют 2 протона и 2 нейтрона. Скорость частиц при распадесоставляет 20 тыс. км/с. При этом α-частицы обладают наименьшей проникающей способностью, длина их пробега (расстояние от источника до поглощения) в теле равна 0,05 мм, в воздухе – 8–10 см. Они не могут пройти даже через лист бумаги, но плотность ионизации на единицу величины пробега очень велика (на 1 см до десятка тысяч пар), поэтому эти частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью и опасны внутри организма. Бета-излучение (β) – поток отрицательно заряженных частиц. В настоящее время известно около 900 бета-радиоактивных изотопов. Масса β-частиц в несколько десятков тысяч раз меньше α-частиц, но они обладают бо́льшей проникающей способностью. Их скорость равна 200–300 тыс. км/с. Длина пробега потока от источника в воздухе составляет 1800 см, в тканях человека – 2,5 см. β-частицы полностью задерживаются твердыми материалами (алюминиевой пластиной в 3,5 мм, органическим стеклом); их ионизирующая способность в 1000 раз меньше, чем у α-частиц. Гамма-излучение (γ) – электромагнитное излучение с длиной волны от 1 · 10-7 м до 1 · 10-14 м; испускается при торможении быстрых электронов в веществе. Оно возникает при распаде большинства радиоактивных веществ и обладает большой проникающей способностью; распространяется со скоростью света. В электрических и магнитных полях γ-лучи не отклоняются. Это излучение обладает меньшей ионизирующей способностью, чем а– и β- излучение, так как плотность ионизации на единицу длины очень низкая. Рентгеновское излучение может быть получено в специальных рентгеновских трубках, в электронных ускорителях, при торможении быстрых электронов в веществе и при переходе электронов с внешних электронных оболочек атома на внутренние, когда создаются ионы. Рентгеновские лучи, как и γ-излучение, обладают малой ионизирующей способностью, но большой глубиной проникновения. Нейтроны — элементарные частицы атомного ядра, их масса в 4 раза меньше массы α- частиц. Время их жизни – около 16 мин. Нейтроны не имеют электрического заряда. Длина пробега медленных нейтронов в воздухе составляет около 15 м, в биологической среде – 3 см; для быстрых нейтронов – соответственно 120 м и 10 см. Последние обладают высокой проникающей способностью и представляют наибольшую опасность. Выделяют два вида ионизирующих излучений: • корпускулярное, состоящее из частиц с массой покоя, отличной от нуля (α-, β– и нейтронное излучения); • электромагнитное (γ– и рентгеновское излучение) – с очень малой длиной волны. Для оценки воздействия ионизирующего излучения на любые вещества и живые орга-низмы используются специальные величины – дозы излучения. Основная характеристика взаимодействия ионизирующего излучения и среды – это ионизационный эффект. В начальный период развития радиационной дозиметрии чаще всего приходилось иметь дело с рентгеновским излучением, распространявшимся в воздухе. Поэтому в качестве количественной меры поля излучения использовалась степень ионизации воздуха рентгеновских трубок или аппаратов. Количественная мера, основанная на величине ионизации сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении, достаточно легко поддающаяся измерению, получила название экспозиционная доза. Экспозиционная доза определяет ионизирующую способность рентгеновских и γ- лучей и выражает энергию излучения, преобразованную в кинетическую энергию заряженных частиц в единице массы атмосферного воздуха. Экспозиционная доза – это отношение суммарного заряда всех ионов одного знака в элементарном объеме воздуха к массе воздуха в этом объеме. В системе СИ единицей измерения экспозиционной дозы является кулон, деленный на килограмм (Кл/кг). Внесистемная единица – рентген (Р). 1 Кл/кг = 3880 Р. При расширении круга известных видов ионизирующего излучения и сфер его приложения оказалось, что мера воздействия ионизирующего излучения на вещество не поддается простому определению из-за сложности и многообразности протекающих при этом процессов. Важнейшим из них, дающим начало физико-химическим изменениям в облучаемом веществе и приводящим к определенному радиационному эффекту, является поглощение энергии ионизирующего излучения веществом. В результате этого возникло понятие поглощенная доза. Поглощенная доза показывает, какое количество энергии излучения поглощено в единице массы любого облучаемого вещества, и определяется отношением поглощенной энергии ионизирующего излучения на массу вещества. За единицу измерения поглощенной дозы в системе СИ принят грэй (Гр). 1 Гр – это такая доза, при которой массе 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж. Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад. 1 Гр = 100 рад. 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, было введено понятие эквивалентной дозы. Эквивалентная доза рассчитывается путем умножения значения поглощенной дозы на специальный коэффициент – коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ) или коэффициент качества. Радиобиология, или радиационная биология – это наука о действии ионизирующих излучений на живые организмы и их сообщества. 1895 г. В.К.РЕНТГЕН – открытие Х-лучей 1896 г. А.БЕККЕРЕЛЬ – открытие естественной радиоактивности. И.Ф.ТАРХАНОВ – реакции лягушек и растений на облучение 1898 г. М.СКЛОДОВСКАЯ-КЮРИ и П.КЮРИ – открытие радиоактивных свойств полония и радия. 1901 г. В.К.РЕНТГЕН – первая Нобелевская премия по физике за открытие лучей, названных его именем. 2. Основные сведения о строении атома. Стабильные и нестабильные изотопы химических веществ. Виды радиоактивных превращений. Закон радиоактивного распада и единицы радиоактивности. Атом – это наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов, ядро состоит из протонов и нейтронов. Все электроны атома образуют его электронную оболочку, строение которой определяет многие химические свойства элемента. Электрон (ē) – это отрицательно заряженная микрочастица, входящая в состав атома и несущая наименьший электрический заряд. Заряд электрона в кулонах оказался величиной чрезвычайно малой (1,610-19 Кл), поэтому для удобства величина этого "элементарного" заряда принята за единицу qe=-1. Так как атом в целом электронейтрален, то число электронов, движущихся вокруг ядра, равно заряду ядра этого атома. Например, заряд ядра атома натрия +11. Вокруг ядра размещается 11 электронов с общим отрицательным зарядом –11. Самый простой состав имеет ядро атома водорода – один положительный заряд и массу, близкую к единице атомной массы. Ядро водорода назвали протоном. Протон (р+) – это микрочастица, входящая в состав ядра атома, имеющая положительный заряд qр=+1 и массу, близкую к 1 а.е.м.. В любом атоме число протонов в ядре равно числу электронов. Нейтрон (n0) – это электронейтральная микрочастица, входящая в состав ядра атома, его масса, как и масса протона, близка к 1 а.е.м.. Масса электронов в атоме очень мала – он почти в две тысячи раз легче протона, поэтому массой электрона в атоме пренебрегают и масса атома считается равной сумме масс протонов и нейтронов, т.е. сумме количества протонов и нейтронов в атоме. Большинство элементов в природе встречаются в виде атомов, характеризующихся разными атомными массами. Такие атомы называются изотопы – атомы, имеющие одинаковый заряд ядра, но разные атомные массы. Это объясняется тем, что они содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Например, изотопы водорода: протий, дейтерий и тритий. Ядро протия состоит из одного протона, дейтерия – из одного протона и одного нейтрона, трития – из одного протона и двух нейтронов. Атомы различных изотопов одного и того же элемента наряду с разными ядерными свойствами имеют одинаковое строение электронной оболочки, поэтому химические и физические свойства изотопов почти одинаковы. В природе встречаются как стабильные изотопы, так и нестабильные - радиоактивные, ядра атомов которых подвержены самопроизвольному превращению в другие ядра с испусканием различных частиц (или процессам так называемого радиоактивного распада). Сейчас известно около 270 стабильных изотопов. Число нестабильных изотопов превышает 2000, подавляющее большинство их получено искусственным путем в результате осуществления различных ядерных реакций. Число радиоактивных изотопов у многих элементов очень велико и может превышать два десятка. Число стабильных изотопов существенно меньше, Некоторые химические элементы состоят лишь из одного стабильного изотопа (бериллий, фтор, натрий, алюминий, фосфор, марганец, золото и ряд других элементов). Наибольшее число стабильных изотопов - 10 обнаружено у олова, у железа, например, их - 4, у ртути - 7. Изотопы - это атомы одного и того же элемента, которые имеют разные атомные структуры. Изотопы одного и того же элемента имеют один и тот же атомный номер, поскольку они представляют собой разные формы одного и того же элемента. Они отличаются друг от друга количеством нейтронов, которые они имеют в своих ядрах. Атомная масса элемента определяется суммой числа протонов и числа электронов. Поэтому атомные массы изотопов отличаются друг от друга. Изотопы можно разделить в основном на две группы как стабильные изотопы и нестабильные изотопы. Основное различие между стабильными и нестабильными изотопами состоит в том, что стабильные изотопы имеют стабильные ядра, тогда как нестабильные изотопы имеют нестабильные ядра. Радиоактивный распад это испускание, выбрасывание с огромными скоростями из ядер атомов «элементарных» (атомных, субатомных)частиц, которые принято называть радиоактивными частицами илирадиоактивным излучением.При этом, в подавляющем большинстве случаев ядро атома (а значит, и сам атом) одного химического элемента превращается в ядро атома (в атом) другого химического элемента или один изотоп данного химического элемента превращается в другой изотоп того же элемента.Для естественных (природных) радионуклидов основными видами радиоактивного распада являются альфа- и бета-минус-распад (хотя встречаются и другие).Названия альфа и бета были даны Эрнестом Резерфордом в 1900 году при изучении радиоактивных излучений. Для искусственных (техногенных) радионуклидов кроме этого характерны также нейтронный, протонный, позитронный (бета-плюс) и более редкие виды распада и ядерных превращений (мезонный, К-захват, изомерный переход, «откалывание» и др.). АЛЬФА-РАСПАД a-распад - выбрасывание(испускание) из ядра атома a- частицы.a-частицаэто2 протона и 2 нейтрона, то есть ядро атома гелия с массой 4 единицы и зарядом +2.Скорость a-частицы при вылете из ядра от 12 до 20 тыс. км/сек.В вакууме a-частица могла бы обогнуть земной шар по экватору за 2 сек. Например, при a-распаде урана всегда образуется торий, при a-распаде тория - радий, при распаде радия - радон, затем полоний и наконец - свинец. ВЕТА-РАСПАДb-распад - испускание обычныхэлектронов с зарядом -1 (е-) или позитронов - с зарядом +1 (е+).Скорость вылета b-частиц из ядра составляет 9/10 скорости света -270 000 км/сек. Это самый распространѐнный вид радиоактивных превращений, особенно среди искусственных радионуклидов. Наблюдается практически у всех известных на сегодня химических элементов. Бета-минус распад – испускание из ядра электрона, образовавшегося в результате самопроизвольного превращения одного из нейтронов в протон и электрон. При этом тяжѐлый протон остаѐтся в ядре, а лѐгкий электрон - частица - с огромной скоростью вылетает из ядра. Протонов в ядре стало на один больше и ядро превращается в ядро соседнего элемента справа - с большим номером . Гамма –излучение . Это поток гамма-квантов, электромагнитное излучение, более «жёсткое « чем обычное медицинское рентгеновское , представляющее поток фотонов с меньшей энергией. Отличие g-излучения от рентгеновского (как и в случае bизлучения), также только в «месте рождения»: ядро атома, а не его электронные оболочки. Закон радиоактивного распада — физический закон, описывающий зависимость интенсивности радиоактивного распада от времени и количества радиоактивных атомов в образце.Открыт Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом, каждый из которых впоследствии был награжден Нобелевской премией. Закон обнаружен экспериментальным путѐм. Первые публикации относятся к 1903 году: «Сравнительное изучение радиоактивности радия и тория» и «Радиоактивное превращение».Следует отметить, что закон превращений одинаков для всех радиоэлементов, являясь самым простым и в то же время практически необъяснимым. Этот закон имеет вероятностную природу. Его можно представить в виде духа разрушения, который в каждый данный момент наугад расщепляет определѐнное количество существующих атомов, не заботясь об отборе тех из них, которые близки к своему распаду.
3. Понятие об ионизации и рекомбинации. Ионизирующие излучения, виды, классификация и краткая хар-ка (рентгеновские и у-лучи, а-излучение, в-излучение, нейротронное излучение). Особенности взаимодействия а- и в-частиц с веществом.   Ионизирующее излучение (ИИ) – это излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к ионизации атомов и молекул, т.е к возникновению в облученном веществе ионов разных знаков. ИИ делятся на 2 вида: Корпускулярное излучение - 𝛼-излучение представляет собой поток ядер гелия, испускаемых веществом при радиоактивном распаде или при ядерных реакциях; - 𝛽-излучение – поток электронов или позитронов, возникающих при радиоактивном распаде; - нейтронное излучение (При упругих взаимодействиях происходит обычная ионизация вещества. При неупругих взаимодействиях возникает вторичное излучение, которое может состоять как из заряженных частиц, так и -квантов). 2. Электромагнитное излучение - 𝛾-излучение – это электромагнитное (фотонное) излучение, испускаемое при ядерных превращениях или взаимодействии частиц; - рентгеновское излучение – возникает в среде, окружающей источ-ник -излучения, в рентгеновских трубках.   Виды ионизирующих излучений и их характеристики Альфа-излучение представляет собой поток ядер гелия (состоящих из двух положительных протонов и двух нейтральных нейтронов), испускаемых веществом при радиоактивном распаде или при ядерных реакциях. Их энергия не превышает нескольких МэВ. Альфа-частицы обладают сравнительно большой массой, имеют низкую проникающую способность и высокую удельную ионизацию. Бета-излучение — поток отрицательно заряженных электронов или положительно заряженных позитронов, возникающих при радиоактивном распаде. Энергия бета-частиц не превышает нескольких МэВ. Ионизирующая способность бета-частиц ниже, а проникающая способность выше, чем альфа-частиц, так как они обладают значительно меньшей массой и при одинаковой с альфа-частицами энергии имеют меньший заряд. Нейтроны (поток которых образует нейтронное излучение) преобразуют свою энергию в упругих и неупругих взаимодействиях с ядрами атомов; при неупругих взаимодействиях возникает вторичное излучение, которое может состоять как из заряженных частиц, так и из гамма-квантов (гамма-излучение). При упругих взаимодействиях возможна обычная ионизация вещества. Проникающая способность нейтронов существенно зависит от их энергии и состава атомов вещества, с которым они взаимодействуют. Гамма-излучение — электромагнитное (фотонное) излучение с очень короткой длиной волны (менее 0,1 нм), испускаемое при ядерных превращениях или взаимодействии частиц. Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью и малым ионизирующим действием. Энергия его находится в пределах 0,01...3МэВ. Рентгеновское излучение возникает в среде, окружающей источник бета-излучения, в рентгеновских трубках, в ускорителях электронов и т.п. и представляет совокупность тормозного и характеристического излучения, энергия фотонов которых составляет не более 1 МэВ. Как и гамма-излучение, рентгеновское излучение обладает малой ионизирующей способностью и большой глубиной проникновения. Альфа-частицы. Альфа-частицам присущи оба вида взаимодействия:  неупругое взаимодействие альфа-частиц с орбитальными электронами (следствие такового взаимодействия – ионизация и возбуждение атомов); упругое рассеяние альфа-частиц на атомных ядрах. Поскольку альфа-частица положительно заряжена, то при упругом взаимодействии с ядром возникают кулоновские силы и частица отталкивается, изменяя направление своего движения; неупругое взаимодействие с атомными ядрами наблюдается, если альфа-частица обладает достаточной энергией для преодоления кулоновских сил взаимодействия (тогда она проникает в ядро). При этом образуется промежуточное ядро, которое распадается с испусканием заряженных частиц, нейтронов или гамма-квантов. Это явление используется для получения нейтронов в радиоизотопных источниках по реакции  . На практике источником альфа-частиц часто служит полоний, а мишенью – бериллий. Таким образом получают полоний-бериллиевый Ро(Ве), плутоний-бериллиевый Рu(Ве) или радий-бериллиевый Ra(Be) источники нейтронов. Характерная особенность таких источников нейтронов – отсутствие гамма-излучения.Бета-частицы. При взаимодействии бета-частиц с веществом тоже наблюдаются все варианты взаимодействия. Следствие неупругого взаимодействия с орбитальными электронами – ионизация и возбуждение атомов и молекул среды. При этом бета-частица расходует свою энергию до тех пор, пока общий запас энергии не уменьшится до такой степени, что частица теряет ионизационную способность. Может наблюдаться и электрическое взаимодействие бета-частиц с орбитальными электронами. Бета-частица, отталкиваясь от отрицательно заряженных электронов, изменяет направление своего движения. Неупругое рассеяние бета-частиц на атомных ядрах наблюдается, если бета-частица имеет высокую энергию, а поглотителем служит материал большой плотности. При этом бета-частица тормозится в электрическом поле ядра и теряет часть своей энергии. Следствие такого взаимодействия – возникновение тормозного электромагнитного излучения. Интенсивность тормозного излучения определяется энергией бета-частиц и атомным номером поглотителя. В практике такой вариант взаимодействия используют для получения рентгеновского излучения в рентгеновской трубке. Упругое взаимодействие бета-частиц с атомными ядрами наблюдается в результате притяжения бета-частиц к положительно заряженным ядрам атомов (электрическое взаимодействие). Следствие такого взаимодействия – изменение направления движения частиц, иногда этот вид взаимодействия называют упругим многоатомным рассеянием бета-частиц на атомных ядрах. Таким образом, траектория полета бета-частиц в веществе сильно изломана вследствие рассеяния на орбитальных электронах и особенно в результате притяжения к положительно заряженным ядрам атомов. Вследствие значительного рассеяния бета-частиц в веществе истинная длина пути в 1,5¸4 раза больше их пробега, т. е. путь бета-частиц всегда больше, чем пробег. 4. Особенности взаимодействия квантов рентгеновского и у-излучения с веществом. Поглощенная и эквивалентная дозы ИИ. Единицы измерения Взаимодействие γ-излучения с веществом: 1.Фотоэффект – характеризуется выбиванием электрона из атома поглощающего вещества и данному электрону сообщается кинетическая энергия  2   .Комптоновское рассеяние- гамма-квант, в результате упругого взаимодействия с одним из электронов, передает ему часть своей энергии электрон выбивается из атома, а гамма-квант изменяет направление своего распространения3  .образование электронно-позитронных пар- происходит при взаимодействии гамма-кванта с кулоновским полем ядра поглощение гамма-кванта с образованием 2-ух частиц: электрона и позитрона Взаимодействия квантов рентгеновского излучения с веществом. 1.Когерентное (упругое) рассеяние- Энергия кванта меньше энергии ионизации атома (hv < АИ). Тогда на атомах вещества происходит рассеяние квантов без изменения их частоты. Такое взаимодействие называется когерентным рассеянием. Оно характерно для длинноволнового (мягкого) рентгеновского излучения. Когерентное рассеяние приводит к изменению структуры падающего пучка рентгеновских лучей: если падающий на вещество пучок был параллельным, то появляются кванты, которые распространяются в других направлениях. 2. Фотоэффект-Энергия кванта несколько превышает энергию ионизации (hv > АИ). В этом случае происходит фотоэффект (рис. 27.5, б) — рентгеновской квант поглощается веществом, а его энергия расходуется на выбивание электрона из атома (ионизацию) и сообщение ему кинетической энергии Ек в соответствии с уравнением Эйнштейна для фотоэффекта  3. Некогерентное (комптоновское рассеяние)- Энергия кванта значительно превышает энергию ионизации атомов вещества (hv » АИ). В этом случае лишь часть энергии hv падающего кванта идет на ионизацию атома и на сообщение выбитому электрону кинетической энергии Ек, а основная часть идет на образование фотона меньшей энергии hv' и другого направления распространения:  Э  то явление называется некогерентным рассеянием, поскольку частота рассеянного рентгеновского излучения уменьшается. Вторичные рентгеновские кванты, обладая энергией hv' > АИ, могут еще вызывать ионизацию вещества, в котором они распространяются. Электроны отдачи, получившие большую кинетическую энергию, могут также ионизировать соседние атомы вещества путем соударения.а — когерентное рассеяние; б — фотоэффект; в —некогерентное рассеяние; г —образование характеристического рентгеновского излучения при некогерентном рассеянии    5. Особенности воздействия ИИ на биологический субстрат. Первичные процессы при действии ИИ на организм (стадии). Роль высокоактивных радикалов и перекисей в повреждении биологических структур.   |