Радиобиология. Лекция Предмет радиобиологии. История возникновения и развития науки 9

• Название: Лекция Предмет радиобиологии. История возникновения и развития науки 9
• Дата: 27.05.2020
• Размер: 1.3 Mb.
• Имя файла: Радиобиология.doc
• Тип: Лекция; #125981
• страница: 3 из 20

Рис. 4. Спектр  - излучения при распаде ядер атомов

Синхротронное (тормозное) излучение представлено электромагнитными волнами, возникающими при торможении электронов и других заряженных частиц в веществе. Характеризуется непрерывным спектром излучения с длинами волн от 10^-3 до 100 нм. Впервые этот тип излучения был обнаружен при ускорении ядер и элементарных частиц в искусственных условиях (в синхрофазотронах), и поэтому получил название синхротронного излучения. Впоследствии такое излучение было обнаружено и при других условиях: при работе рентгеновских и электронно-лучевых трубок, при торможении -частиц радиоактивных элементов и т.д. Тормозное излучение обладает теми физическими характеристиками, что и рентгеновское и гамма излучение.

Корпускулярные излучения

Как уже отмечалось, корпускулярные ионизирующие излучения возникают при радиоактивном распаде ядер неустойчивых изотопов. Различают естественную радиоактивность (самопроизвольный распад ядер неустойчивых изотопов, существующих в природе) и искусственную радиоактивность (наблюдается у изотопов, синтезированных посредством ядерных реакций в лабораторных условиях). Принципиального различия между ними нет, поскольку способ образования изотопа не влияет на его свойства и законы радиоактивного распада. Характер радиоактивного распада не зависит от вида химического соединения, агрегатного состояния вещества, температуры, давления, напряженности электрического и магнитного полей, т.е. от всех воздействий, которые могли бы привести к изменению состояния электронной оболочки атома. Следовательно, радиоактивные свойства элементов обусловлены лишь структурой их ядер. Радиоактивный распад- это естественное радиоактивное превращение ядер элементов, происходящее самопроизвольно. Атомное ядро, претерпевающее радиоактивный распад, называют материнским, возникающее ядро - дочерним. Существует несколько типов реакций распада ядер:  -распад,  -распад,  - излучение ядер, спонтанное деление тяжелых ядер, протонная радиоактивность. Соответственно, при протекании этих ядерных реакций возникают  -излучение, -излучение,  -излучение, протонное излучение, нейтронное излучение.

Альфа – излучение возникает при распаде атомных ядер и сопровождается испусканием α – частицы. Заряд α - частицы равен +2, масса равна 4 а.е.м. и со­впадает с массой ядра гелия ₂⁴Не. Соответственно, α – частица состоит из 2 протонов и 2 нейтронов. Таким образом, α -излучение представляет собой поток ядер атомов гелия, обладающих высокой скоростью. Начальная энергия α – частиц, возникающих при распаде различных радиоактивных элементов, составляет от 2 до 11 МэВ. Так, при распаде изотопа радия ²²⁶Ra, вылетают α – частицы со скоростью 17 000 км/час и энергией 4,5 МэВ. Для каждого радиоактивного изотопа энергия α – частиц постоянна. Поэтому спектр α – излучения является монэнергетическим (монохроматическим). Альфа- излучение отклоняется электрическим и магнитным полями (Рис 5), обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью. Вследствие относительно большой массы и высокой начальной энергиии, траектория движения α – частицы в веществе прямолинейна. Длина пробега этих частиц в воздухе не превышает 10 см, в воде и биологических тканях - нескольких десятков микрометров. В воздухе на 1 см пути пробега, α – частица образует 100 - 250 тысяч пар ионов. Вследствие высокой ионизирующей способности, α – излучение характеризуется высоким коэфициентом относительной биологической эффективности и оказывает, соответственно, очень сильное деструктивное действие на клетки и ткани живых организмов (более подробно см. на стр. ).

Схематично реакции α-распада можно представить в таком виде :

^AX →_Z-2^A-4 Y +⁴He, Внимание сделать
где X - материнское ядро, Y – дочернее ядро, ⁴He – ядро атома гелия (α –частица). Как видно, при α- распаде массовое число дочернего элемента уменьшается на 4, а зарядовое число — на 2 единицы. В качестве примеров α- распада можно привести реакции:
²³⁸U → ²³⁴Th + ⁴He

²¹⁰Po → ²⁰⁶ Pb + ⁴He

Необходимое условие для протекания α-распада: масса материнского ядра должна быть больше суммы масс дочернего ядра и α –частицы. Этот тип ядерных реакций характерен для тяжелых ядер с массовыми числами А > 200 и зарядовыми числами Z > 82, так как только для таких ядер испускание α-частиц является энергетически выгодным. При радиоактивном распаде, α -частица образуется при столкновении движущихся внутри ядра двух протонов и двух нейтронов.

-излучение возникает при - распаде ядер радиоактивных изотопов. -частицы представляют собой электроны ( или позитроны), обладающие высокой скоростью. По своей физической природе эти электроны (позитроны) не отличаются от обычных электронов, входящих в состав атомов, т.е. имеют массу m_e = 9,11 10^-31 кг и заряд равный - 1. -излучение отклоняется электрическим и магнитным полями; его ионизиру­ющая способность значительно меньше, а проникающая способ­ность гораздо больше, чем у -частиц; оно сильно рассеивается веществом. -частицы одного и того же радиоактивного элемента обладают различной скоростью и неодинаковой энергией. Это обьясняется тем, что при - распаде из ядра атома одновременно вылетают электроны (позитроны) и нейтрино.

Нейтрино - электрически нейтральная элементарная частица с нулевой массой покоя со спином ½. Ионизирующая его способность очень мала: в воздухе один акт ионизации приходится на 500 км пробега. Проникающая способность огромна: пробег нейтрино с энергией 1 МэВ в свинце составляет 10¹⁸ м. Антинейтрино – античастица по отношению к нейтрино.

Энергия, освобождаемая при каждом акте радиоактивного распада, распределяется между -частицей и нейтрино. Распределение энергии между этими частицами носит случайный характер и подчиняется статистическим законам. Поэтому энергетический спектр бета-излучения является неперерывным, т.е. в потоке -излучения определенного изотопа, есть частицы с различными значениями энергии - от нуля до некоторого максимального значения.

Различные радионуклиды отличаются друг от друга по уровню энергии испускаемых -частиц. Начальная энергия этих частиц может составлять от 15 – 50 кЭв (мягкое - излучение) до 3- 12 МэВ (жесткое - излучение). Скорость движения -частиц в вакууме составляет от 110¹⁰ до 310¹⁰ см/с. Длина пути пробега -частиц в веществе зависит от начальной энергии частицы и от плотности облучаемого обьекта. Длина пути пробега этих частиц в воздухе может доходить до 25 м, в биологических тканях – до 1 см. Траектория движения их в веществе не прямолинейная, т.к. электроны и позитроны легко изменяют направление движения под действием электрических и магнитных полей атомов. Бета-излучение, по сравнению с α-лучами, обладает небольшим ионизирующим эффектом. Так, в воздухе оно образует 50-100 пар ионов в расчете на 1 см пути пробега.

Как отмечалось выше, этот тип излучения возникает при - распаде радиоактивных ядер. Бета –распад - произвольный процесс превращения ра­диоактивного ядра в другое ядро (массовое число его не изменяется, а зарядовое число изменяется на Z = ± I) с испусканием электрона (позитрона) и антинейтрино (нейтрино).

Различают три вида  -распада:

1. ^- -распад протекает согласно схеме :

^AX →_Z+1^A- Y + ⁰e +⁰
где ,°е — символическое обозначение электрона, ⁰ — электронное антиней­трино (антинейтрино, сопутствующее ипусканию электрона). При ^- -распа­де массовое число дочернего вещества не изменяется, а зарядовое число увеличивается на единицу.

Примеры ^- - распада:

¹⁴C  ¹⁴N + ⁰e +⁰

²¹⁴Pb  ²¹⁴Bi + ⁰e +⁰

2. ⁺ - распад протекает по следующей схеме:

^AX →_Z-1^A- Y + ⁰e +⁰,

где ⁰e - позитрон (античастица по отношению к электрону), ⁰ - позитронное нейтрино (нейтрино, сопутствующее испусканию позитрона).

Примеры ⁺ - распада :

Na → Ne + ⁰e +⁰,

P→ Si + ⁰e +⁰,

3. Электронный захват ( e- захват или К – захват) протекает по следующей схеме;

^AX + ⁰e →_Z-1^A- Y +⁰,

Ядро спонтанно захватывает электрон с одной из внутренних оболочек атома и одновременно испускает электронное нейтрино. Примеры электронного захвата:

⁷Be + ⁰e → ⁷Li + ⁰,

¹³¹Cs + ⁰e → ¹³¹Xe +⁰

Электронный захват обнаруживают по сопровождающемуся его характеристическому рентгеновскому излучению.

Протонно-нейтронное строение ядра исключает возможность вылета электрона из ядра. Оказалось, что при распаде ядер нейтроны могут превращаться в протон с испусканием ^- электрона и антинейтрино:

¹n → ¹p + ⁰e + ⁰,
При ⁺ - распаде происходит превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона и электронного нейтрино по следующей схеме:

¹p → ¹n + ⁰e + ⁰,

Таким образом, при распаде возникают протонное и нейтронное излучения.
Спонтанное деление тяжелых ядер. Данный процесс протекает по следующей схеме:

^AX →^A Y₁ + ^AY₂ ,

где X – исходное тяжелое материнское ядро, Y₁ и Y_{2 -} дочерние ядра.

Механизм спонтанного деления подобен механизму -распада. Вероятность спон­танного деления обычно мала, но с ростом Z²/A она возрастает.

Протонная радиоактивность. Протонное излучение представляет собой поток протонов, возникающих при радиоактивном распаде некоторых элементов. Небольшое число легких ядер с относительно короткими временами жизни, обладая избытком протонов, могут претерпевать превращения, испуская один или два (двупротонная радиоактивность) протона. Кроме того, протонное излучение возникает и при -распаде.

Нейтронное излучение возникает также при радиоактивном распаде ядер элементов. Нейтрон ¹n является незаряженной элементарной частицей с массой равной массе протона. Реакции деления тяжелых ядер сопровождаются испусканием избыточных нейтронов, так называемых нейтронов деления. Под действием нейтронов деления возникают самоподдерживающаяся цепочка процессов деления, что делает возможной осуществление цепной реакции деления – ядерной реакции, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Энергия нейтрона также зависит от его скорости. Соответственно, нейтроны по скорости и энергии подразделяются на быстрые, медленные и тепловые нейтроны. Ионизирующая способность нейтронов, и соответственно, радиобиологический эффект нейтронного облучения зависят от энергии нейтронов в потоке ( см. табл. 1 на стр. ).

Контрольные вопросы и задания:

1. 
   Назовите виды корпускулярного и электромагнитного ионизирующих излучений.
   
2. 
   Что означают термины «естественная радиоактивность», «искусственная радиоактивность»?
   
3. 
   Какие единицы используются для измерения энергии ионизирующих излучений?
   
4. 
   Каково происхождение характеристического, «линейчатого» спектра рентгеновского излучения?
   
5. 
   В чем сходства и различия рентгеновской трубки и электронно-лучевой трубки?
   
6. 
   Существует ли рентгеновское излучение естественного происхождения? Ответ обоснуйте.
   
7. 
   Объясните сходства и различия в понятиях «источник ионизирующих излучений» и «радионуклидный источник».
   
8. 
   Как Вы понимаете словосочетание «стохастические эффекты облучения». Приведите примеры стохастических эффектов.
   
9. 
   Относится ли отработавший свой ресурс рентгеновский аппарат к радиоактивным отходам?
   
10. 
    Приведите примеры реакций a- распада.
    
11. 
    В процессе радиоактивного распада образовалось новое ядро с тем же массовым числом, но с другим значением заряда. По какому типу распада произошла ядерная реакция?
    
12. 
    В ядерной реакции появились дочерние ядра со значением заряда меньшим на 2, чем у материнских ядер. Какое излучение сопровождает эту реакцию?
    
13. 
    Какие типы ионизирующих излучений могут возникать при работе телевизора, монитора персонального компьютера?
    
14. 
    Может ли один и тот же радионуклид испускать одновременно: а) a- и b - излучения;
    

б) a- и  - излучения; в )  -и b - излучения.

15. 
    Будут ли идентичны спектры излучения двух рентгеновских трубок, если анод одного из них сделан из вольфрама, другого – из ванадия? Ответ обоснуйте.
    
16. 
    Как изменится спектр излучения рентгеновской трубки при повышении напряжения между катодом и анодом?
    
17. 
    Дайте объяснения терминам «радионуклид», «радиоактивный изотоп». Приведите примеры естественных радионуклидов.
    
18. 
    Как вы понимаете термины «жесткое ионизирующее излучение», «мягкое ионизирующее излучение» ? Как можно регулировать жесткость излучения рентгеновского аппарата?
    

Задачи

1. 
   Какой наименьшей длиной волны будет обладать излучение рентгеновского аппарата, если напряжение между анодом и катодом составляет 100 кВ?
   
2. 
   Каково напряжение между электродами в рентгеновской трубке, если минимальная длина волны в спектре излучения 0,1 нм ?
   
3. 
   Чему равна начальная энергия квантов рентгеновского излучения с частотой  = 10¹² МГц?
   
4. 
   Рассчитайте энергию квантов  - излучения с длиной волны λ = 310^-3 нм.
   
5. 
   Начальная энергия квантов  - излучения Е₀ = 8,26 МэВ. Какая длина волны у этого излучения?
   

Лекция 3. Закон радиоактивного распада. Механизмы взаимодействия ионизирующих излучений с облучаемым веществом.

Закон радиоактивного распада
Распад ядер изотопов происходит самопроизвольно, непрерывно и является статистическим процессом. Количество ядер атомов исходного изотопа непрерывно уменьшается, а количество продуктов распада непрерывно накапливается. При радиоактивном распаде проявляется некоторая общая закономерность, которая заключается в том, что количество атомов данного радиоактивного изотопа, распадающихся в единицу времени, всегда составляет определенную, характерную для данного изотопа долю от полного числа еще не распавшихся атомов. Это связано с тем, что вероятность распада отдельного атома за промежуток времени Dt не зависит от условий, в которых находился и находится этот атом, а зависит только от времени. Поэтому число атомов DN, распавшихся за время Dt, пропорционально общему числу не распавшихся атомов. Этот закон математически можно выразить так:

-DN = lNDt

где DN - число распавшихся ядер за промежуток времени Dt, N - число не распавшихся ядер, l - величина, пропорциональная вероятности распада одного ядра, называется постоянной распада и является константой, характерной для данного изотопа. Закон радиоактивного распада записывается в виде дифференциальных уравнений

-dN/dt = lNdt/dt = lN [1]

Величина -dN/dt есть абсолютная скорость распада ядер радиоактивного изотопа, называется активностью изотопа (А).

Из уравнения [1] следует, что l = dN/dtN, т.е. l есть уменьшение числа не распавшихся ядер или доля ядер, распадающихся в единицу времени. Постоянная распада имеет размерность с^-1. Чем выше l, тем быстрее происходит радиоактивный распад. Величина t = 1/l называется средней продолжительностью жизни атомов данного изотопа. Закон радиоактивного распада можно сформулировать и так: средняя продолжительность жизни атомов есть величина постоянная для данного изотопа. На практике удобно пользоваться интегральной формой этого закона.



где N₀ - число атомов изотопа при t = 0, N_t - число атомов изотопа к моменту времени t.

Период полураспада. Для характеристики радиоактивного распада вместо l используют величину, называемую периодом полураспада Т_1/2. Период полураспада - это время, в течение которого в среднем распадается половина начального количества радиоактивных ядер. Если в формуле возьмем t = Т_1/2, N_t = N₀/2, то

или

Прологарифмируем обе части уравнения.

, , отсюда

, .

Тогда закон радиоактивного распада можно написать таким образом:

,
При регистрации ионизирующих излучений определяют число распадов в единицу времени. Как было отмечено, мера количества радиоактивного вещества, выражаемая числом радиоактивных превращений в единицу времени называется активностью этого вещества и обозначается А.

A = - dN/dt =lN

Единицей измерения активности в системе СИ является 1 распад/с = 1 Беккерель (Бк). Широко используются внесистемная единица измерения активности - Кюри (Ки). 1 Ки = 3,710¹⁰ Бк. В практической работе применяют единицы измерения активности милликюри (мКи), микрокюри (мкКи) и т.д