- •Раздел I. Механика. Молекулярная физика. Термодинамика 16 глава 1. Законы динамики ньютона. Законы сохранения 16
- •Вопросы и задачи к главе I. 33 глава 2. Молекулярно-кинетическая теория газов
- •Глава 3. Применение первого начала термодинамики к процессам в идеальном газе 52
- •Глава 4. Реальные газы 74
- •Вопросы и задачи и вопросы к главе 4. 82 глава 5. Поверхностное натяжение жидкости 82
- •Вопросы и задачи к главе 5 102
- •Глава 6. Вязкость жидкости 103
- •Вопросы и задачи к главе 6 116
- •Глава 7. Твёрдые и жидкие кристаллы. Стеклообразное состояние вещества. Полимеры 117
- •Глава 8. Процессы переноса 127
- •Раздел II колебания и волны 135
- •Глава 1. Механические колебания 135
- •Вопросы и задачи к главе 1. 153
- •Глава 2. Механические волны 153
- •Вопросы задачи к главе 2. 158
- •Глава 3. Звук 159
- •Вопросы и задачи к главе 3. 167
- •Глава 4. Ультразвук. Его применение в медицине. Инфразвук
- •Вопросы задачи к главе 4 180
- •Глава 5. Электромагнитные колебания и волны 181
- •Вопросы задачи к главе 5 201 глава 6. Оптика 201
- •Вопросы задачи к главе 6 251
- •Раздел III. Атомная, ядерная и квантовая физика
- •Глава 1. Тепловое излучение тел 253
- •Глава 2. Рентгеновское излучение 261
- •Глава 3. Радиоактивность 272
- •Глава 4. Дозиметрия ионизирующих излучений 282
- •Раздел IV. Биофизика 337 глава1 молекулярная биофизика 337
- •Глава 2. Биологические мембраны. 358
- •Глава 3. Термодинамика биологических систем 386
- •Глава 4. Транспорт веществ через биологические мембраны
- •Глава 5. Биопотенциалы 416
- •Глава 6. Биофизика нервного импульса 427
- •Глава 7. Моделирование биологических процессов 446
- •Введение
- •Раздел I механика. Молекулярная физика. Термодинамика.
- •Глава 1 законы динамики ньютона. Законы сохранения.
- •1.1. Законы ньютона. Основные дифференциальные уравнения движения.
- •Здесь аx , аy , аz - проекции вектора ускорения на оси координат X , y и z;
- •1. 2. Законы сохранения импульса и энергии
- •. Задача о центральном ударе шаров: абсолютно упругом и абсолютно неупругом.
- •1.4 Физические основы центрифугирования
- •Глава 2. Молекулярно-кинетическая теория газов
- •2.1 Отличия молекулярной структуры газов, жидкостей и твёрдых тел. Характер молекулярного движения в различных состояниях вещества. Аморфные и кристаллические жидкости и твёрдые тела
- •Примечание 2
- •2.2 Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов. Средняя квадратическая скорость молекул газа.
- •2.3 Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул газа. Распределение энергии по степеням свободы. Внутренняя энергия идеального газа
- •2.4 Распределение Максвелла молекул идеального газа по абсолютным значениям их скоростей.
- •2.5 Распределение Больцмана по потенциальным энергиям молекул идеального газа. Барометрическая формула Больцмана.
- •Глава 3. Применение первого начала термодинамики к процессам в идеальном газе.
- •3.1. Особенности термодинамического метода. Первое начало термодинамики.
- •3.2. Применение первого начала термодинамики к равновесным изопроцессам идеального газа
- •Работа газа при его расширении
- •Теплоёмкость
- •Политропные процессы - процессы с постоянной теплоёмкостью.
- •Глава 4. Реальные газы
- •4.1.Уравнение состояния реального газа Ван - дер - Ваальса и изотермы Ван- дер - Ваальса.
- •4.2. Изотермы Эндрюса
- •Сжижение газов. Получение низких температур.
- •Глава 5. Поверхностное натяжение жидкости
- •5.3 Поверхностные явления на границе твёрдой, жидкой и газообразной фазы. Краевой угол смачивания. Смачивание и несмачивание твёрдой поверхности жидкостью.
- •5.4 Давление Лапласа. Капиллярные явления.
- •5.5 Методы определения коэффициента поверхностного натяжения
- •1. Метод отрыва капель
- •2. Метод отрыва кольца
- •Глава 6. Вязкость жидкости
- •6.1 Вязкость жидкости. Закон ньютона. Ньютоновские и неньютоновские жидкости. Реологические свойства биологических жидкостей в норме и при патологиях
- •6.2 Ламинарное течение жидкостей по цилиндрическим трубам с жёсткими стенками. Формула пуазейля. Закон гагена – пуазейля
- •1. Метод капиллярного вискозиметра (оствальда).
- •2. Метод падающего шарика (стокса)
- •Глава 7 твёрдые и жидкие кристаллы. Стеклообразное состояние вещества. Полимеры.
- •7.1. Фазовые переходы. Плавление, кристаллизация, сублимация.
- •7.2.Кинетические превращения. Стеклование и размягчение
- •7.3. Жидкие кристаллы
- •7.4. Кристаллические модификации твёрдых кристаллов.
- •7.5 Механические свойства твёрдых тел. Закон гука. Упругость и пластичность
- •7.6 Полимеры. Их кристаллическое, стеклообразное, высокоэластическое, вязкотекучее состояние.
- •Глава 8. Процессы переноса
- •8.1. Диффузия
- •8.2. Теплопроводность
- •8.3. Вязкость
- •8.5. Общий вид уравнений процессов переноса
- •Раздел II
- •Глава 1. Механические колебания
- •1.2. Свободные незатухающие механические колебания
- •1.3 Смещение, скорость и ускорение гармонически колеблющегося тела
- •1.4. Энергия гармонически колеблющегося тела
- •1.5. Свободные затухающие колебания
- •1.6 Вынужденные колебания. Резонанс
- •1.7. Автоколебания
- •1.8. Сложения гармонических колебаний, направленных по одной прямой. Теорема фурье. Гармонический спектр сложного колебания
- •Вопросы и задачи к главе 1
- •Глава 2. Механические волны
- •2.1 Механические волны, продольные и поперечные волны
- •2.2. Уравнение и график плоской незатухающей гармонической волны
- •2.3. Энергия волны. Поток энергии. Интенсивность.
- •Вопросы и задачи к главе 2
- •Глава 3. Звук
- •3.1. Субъективные (физиологические) характеритики восприятия звука и их связь с объективными, физическими характеристиками звуковой волны
- •3.2 Область слышимости
- •3.3. Закон вебера-фехнера
- •3.4. Уровень интенсивности
- •Уровень громкости, фон
- •Вопросы и задачи к главе 3
- •Глава 4. Ультразвук. Его применение в медицине инфразвук
- •4.1. Физические свойства ультразвука
- •1. Частотный диапазон ультразвука
- •2. Скорости распространения ультразвука
- •3. Особенности физических свойств ультразвука
- •4. Отражение ультразвука на границе раздела сред
- •5. Поглощение ультразвука
- •4.2 Действие ультразвука на вещество. Биологическое действие ультразвука
- •Механическое действие
- •2..Тепловое действие
- •3. Физико-химическое действие ультразвука
- •4. Биологическое действие ультразвука
- •1. Диагностика.
- •4.4.Источники и приёмники ультразвука
- •1. Пьезоэлектрические излучатели-приёмники
- •2. Магнитострикционные излучатели ультразвука
- •Инфразвук
- •Вопросы и задачи к главе 4
- •Глава 5. Электромагнитные колебания и волны
- •5.1. Некоторые необходимые сведения об основах электричества и магнетизма.
- •Электрические заряды
- •Закон кулона
- •Электроёмкость электрического конденсатора
- •6) Сила ампера -
- •8) Закон электромагнитной индукции фарадея
- •11)Энергия магнитного поля катушки индуктивности
- •5.3. Идеальный колебательный контур
- •5.4. Реальный колебательный контур
- •5.4. Получение незатухающих электромагнитных колебаний
- •5.5. Основные положения теории максвелла
- •Глава 6. Оптика
- •Корпускулярно – волновая природа света
- •6.2. Интерференция света
- •. Разрешающая способность оптических приборов-
- •. Голография
- •Поляризованный свет
- •Естественный и поляризованный свет.
- •2. Поляризатор и анализатор. Закон Малюса.
- •3. Поляризация света при отражении и преломлении. Закон Брюстера.
- •4. Двойное лучепреломление
- •Получение поляризованного света.
- •6. 11 Вращение плоскости поляризации. Оптическая активность. Поляриметрия.
- •Дисперсия света
- •Нормальная дисперсия
- •Качественное объяснение причины нормальной дисперсии
- •Аномальная дисперсия
- •Поглощение света
- •1.Закон Бугера - Ламберта
- •2. Закон Бера
- •Закон Бугера – Ламберта – Бера
- •Коэффициент пропускания и оптическая плотность. Колориметрия
- •2. Два вида рассеяния
- •3. Закон Рэлея
- •4.Турбидиметрия и нефелометрия.
- •6.14. Элементы геометрической оптики
- •Законы отражения и преломления света
- •Явления предельного преломления и полного внутреннего отражения
- •Волоконная оптика. Световоды
- •4.Линзы. Примеры построения изображений в тонких линзах
- •Микроскоп
- •Оптическая система глаза. Некоторые её недостатки, их исправление
- •Рефрактометр
- •Раздел III . Атомная, ядерная и квантовая физика
- •Глава 1. Тепловое излучение тел
- •Основные характеристики теплового излучения. Абсолютно чёрное тело
- •Закон кирхгофа
- •1.2 Спектр теплового излучения абсолютно чёрного тела.Закон вина. Закон стефана-больцмана.
- •1.3 Гипотеза планка. Формула планка
- •1.5. Примеры применения теплового излучения в фармации и медицине
- •Глава 2. Рентгеновское излучение
- •2.1 Простейшая рентгеновская трубка
- •2.2. Основные свойства рентгеновского излучения.
- •Рентгенодиагностика:
- •Рентгенотерапия.
- •Научные исследования.
- •2.4. Природа рентгеновского излучения
- •2.6 Характеристическое рентгеновское излучение
- •Глава 3. Радиоактивность
- •3.1. Радиоактивность. Виды радиоактивных излучений. Основные типы ядерных распадов.
- •3.2 Основной закон радиоактивного распада
- •3.3 Активность радиоактивных препаратов
- •3.4. Ядерные реакции. Меченые атомы
- •Глава 4. Дозиметрия ионизирующих излучений
- •2) Характеристическое рентгеновское излучение.
- •2) Характеристическое рентгеновское излучение.
- •Глава 5. Элементы квантовой механики.
- •5.1. Волновые свойства микрочастиц. Уравнение дё бройля
- •5.2. Электронный микроскоп
- •5.3. Основные положения квантовой механики
- •5.4. Решение уравнения шрёдингера для частицы в потенциальной яме с бесконечно высокими стенками
- •Глава 6. Люминесценция
- •6.1. Виды люминесценции
- •6.2. Фотолюминесценция. Флюоресценция. Фосфоресценция
- •6.3. Спектр фотолюминесценции. Правило стокса
- •6.4. Люминесцентный анализ. Применение в фармации и медицине
- •6.5. Хемилюминесценция
- •Глава 7. Лазер
- •7.1. Вынужденное излучение. Инверсная заселённость. Метастабильные уровни
- •7.3. Свойства лазерного излучения
- •7.4. Применение лазерного излучения в фармации и медицине
- •Глава 8. Оптическая спектроскопия. Ик- спектроскопия. Радиоспектроскопия.
- •8.1. Спектры испускания и спектры поглощения. Спектрографы. Спектрометры. Спектрофотометры
- •8.2. Атомарные спектры. Энергетические уровни атомов
- •8.3. Молекулярные спектры. Энергетические уровни молекул
- •8.4. Спектры комбинационного рассеяния
- •8.5. Радиоспектроскопия
- •Магнитные свойства вещества
- •Раздел IV. Биофизика
- •Глава 1. Молекулярная биофизика
- •Энтропийный характер упругости биополимеров в высокоэластическом состоянии.
- •1.4. Основные типы межатомных и межмолекулярных взаимодействий
- •1.Ионная связь
- •2.Ковалентная связь
- •3.Межатомное отталкивание
- •4. Донорно- акцепторная связь
- •5. Водородная связь
- •1. Ориентационная связь
- •3. Индукционная связь
- •3. Дисперсионная связь
- •4. Межмолекулярное отталкивание
- •5. Гидрофобные взаимодействия
- •Глава 2. Биологические мембраны
- •. Исследование структуры биологических мембран с помощью физических методов.
- •2.3. Жидкостно-мозаичная модель биомембран
- •2.4. Модельные липидные мембраны.
- •2.5. Физические свойства мембран и методы их исследования.
- •2.6. Физическое состояние и фазовые переходы фосфолипидного бислоя
- •Глава 3. Термодинамика биологических систем.
- •3.1 Применение первого начала термодинамики к биологическим системам. Прямая и непрямая калориметрия. Энергетический баланс организма.
- •3.2. Применение второго начала термодинамики к живым системам. Уравнение пригожина.
- •3.3 Сопряженные процессы. Сопряженные процессы созидания и разрушения
- •3.4 Стационарное состояние. Теорема пригожина. Аутостабилизация. Адаптация.
- •Глава 4. Транспорт веществ через биологические мембраны.
- •4.1 Пассивный и активный транспорт веществ
- •Глава 5. Биоэлектрические потенциалы
- •5.1Виды биопотенциалов. Их виды: покоя, действия. Природа биопотенциалов
- •5.2. Методы регистрации биопотенциалов. Микроэлектроды.
- •5.3 Биопотенциалы покоя. Уравнение Гольдмана, уравнение Нернста. Роль ионных насосов в создании биопотенциала покоя
- •Глава 6. Биофизика нервого импульса
- •6.1. Потенциал действия и его свойства
- •Уравнение Ходжкина-Хаксли
- •6.3.Метод фиксации мембранного потенциала. Ионные токи. Ионные каналы
- •Глава 7. Моделирование биофизических процессов
- •7.1 Моделирование биологических процессов. Моделирование физическое, аналоговое, математическое. Основные требования к моделям.
- •Математические модели роста популяции
- •7.3 Фармакокинетическая модель
2) Характеристическое рентгеновское излучение.
3) Радиолюминесценция.
4) Нагревание.
Б. - излучение
- частицы – электороны е+ или позитроны е- , вылетающие из ядра с огромными скоростями до 108 м/с и обладающие энергией до 2-3МэВ:
Производят большое ионизирующее действие. Некоторые электроны отрываются не только с внешних, но и с внутренних электронных слоёв.
Возбуждают молекулы вещества.
Порождают тормозное рентгеновское излучение
К вторичным эффектам действия - излучения на вещество относятся:
1) Образование свободных радикалов и химические реакции.
2) Характеристическое рентгеновское излучение.
3) Радиолюминесценция.
4) Нагревание.
Реакция аннигиляции электрона и позитрона
При действии + - позитронного излучения на вещество позитроны, взаимодействуя с электронами вещества, вступают с ними в реакцию аннигиляции:
е+ + е- 2(3)
При этом происходит превращение материи из одного вида в другой: частицы вещества электрон и позитрон превращаются в 2 или 3 кванта электромагнитного поля - - фотоны. По знаменитой формуле А.Эйнштейна энергия связана с массой
Е = mс2, с = 3 108 м/с.
Масса покоя электрона и позитрона порядка me = 9 10-31кг.
Это соответствует энергии
Е = 9 10-31 (3 108 )2 Дж = 0,81 10-13 Дж = 0,51 МэВ
( 1МэВ = 1,6 10-13 Дж )
Общая энергия, выделившаяся при аннигиляции пары: электрон и позитрон – 1,02 МэВ.
Поэтому энергия, получившихся при реакции - фотонов по 0,51 МэВ на каждый (при двухфотонной аннигиляции).
В. и рентгеновское излучение
Коротковолновые и рентгеновское излучения содержат фотоны очень больших энергий вплоть до 10 МэВ – у очень жёсткого - излучения.
Первичные эффекты действия и рентгеновского излучений на вещество:
Когерентное рассеяние.
Н аблюдается, если энергия фотона = h = меньше работы ионизации Аи – энергии, которую надо затратить, чтобы оторвать электрон от атома вещества (см. рис. 4.1 а).
Рис. 4.1
В результате взаимодействия с электроном атома фотон меняет направление своего распространения, не меняя своей энергии, а, следовательно, и частоты.
Фотоэффект (рис. 4.1 б).
Наблюдается, если энергия фотона = h = равна или больше работы ионизации Аи . В этом случае энергия фотона тратится на отрыв электрона от атома и на сообщение электрону кинетической энергии . Уравнение фотоэффекта было написано немецким физиком Альбертом Эйнштейном в 1905 году:
h = Аи + .
Эффект Комптона (рис. 4.1 в)
Наблюдается, если энергия фотона = h = значительно больше работы ионизации Аи В этом случае энергия фотона тратится на отрыв электрона от атома, на сообщение электрону кинетической энергии и на создание вторичного фотона с энергией h ′:
h = Аи + + h ′
Этот эффект ещё называется некогерентным рассеянием, поскольку вторичные фотоны получаются меньшей энергии и, следовательно, меньшей частоты. Явление некогерентного рассеяния было открыто в 1922 году американским учёным А. Комптоном.
Вторичные эффекты действия и рентгеновского излучений на вещество:
1) Образование свободных радикалов и химические реакции.
2) Вторичное рентгеновское излучение.
3) Радиолюминесценция.
4) Нагревание.
Рождение пары электрон-позитрон.
Очень жёсткие - фотоны, взаимодействуя с полями тяжёлых ядер могут превращаться в две частицы вещества: электрон и позитрон:
= е- + е+
В этом случае происходит превращение электромагнитного поля в вещество. Энергия - фотона должна быть не меньше энергии покоя электрона и позитрона Е =2 mс2= 1,02 МэВ, а следовательно его длина волны должна быть не больше 2 10-7 нм.
Г. Действие на вещество потока протонов
Потоки протонов – ядер атомов водорода, вылетающих из ядер при некоторых ядерных реакциях с большой энергией и скоростью, примерно аналогичны по своему действию на вещество - частицам.
Д. Действие на вещество потока нейтронов
Первичное ионизирующее действие нейтронов мало, поскольку это незаряженные частицы. Поэтому проникающая способность нейтронов огромна.
Наблюдаются следующие основные эффекты взаимодействия нейтронов больших энергий с веществом:
Упругое рассеяние на лёгких ядрах
При упругих столкновениях с лёгкими ядрами, например, ядрами водорода – преобладающего элемента в живых организмах нейтроны передают им свою энергию (см. разделI, гл1 ). А вот эти ядра отдачи и производят огромное ионизирующее и биологическое действие.
Неупругое рассеяние на тяжёлых ядрах
При неупругих столкновениях с тяжёлыми ядрами нейтроны возбуждают их. При возвращении в невозбуждённое состояние ядро излучает жёсткие - фотоны.
Захват нейтрона ядром
Это может вызвать ядерные реакции с превращением ядер вещества в радиоизотопы с дальнейшими ядерными превращениями, сопровождающимися радиоактивными излучениями.
Лучшая защита от нейтронного излучения - чередование слоёв вещества из лёгких элементов (вода, парафин) и тяжёлых ( свинец). Лёгких – для задержки нейтронов, а тяжёлых – ядер отдачи и продуктов других вторичных радиоактивных излучений.
ОСЛАБЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ЧЕРЕЗ ВЕЩЕСТВО
А. - излучение (рис. 4.2 а).
- излучение быстро расходует свою энергию на ионизацию атомов и молекул вещества и через пару см в воздухе и через 0.1мм в мягких тканях организма энергия - частицы уменьшается до энергии теплового движения молекул и она захватив у атомов вещества два электрона, превращается в атом гелия. На рисунке 4.2 а R- средняя длина пробега.
Б. - излучение (рис. 4.2 б).
Уменьшение интенсивности - излучения сначала происходит приблизительно по экспоненциальному закон, а потом резко уменьшается, когда ℓ =R.
Рис. 4.2.Ослабление -а , -б, и рентгеновское излучения – в.
В. и рентгеновское излучения (рис.4.2 в).
Ослабление интенсивности и рентгеновсого излучений происходит по закону:
I = I0 e - ,
где I – интенсивность излучения, прошедшего слой вещества толщиной ℓ, I0 – интенсивность излучения, падающего на вещество, а - коэффициент ослабления излучения в данной среде. зависит от плотности среды , длины волны излучения , от порядкового номера химического элемента вещества среды z:
Для рентгеновского излучения
= k 3 z3 , k – коэффициент размерности 1/м. кг.
Толщина слоя половинного ослабления ℓ1/2 = .
Для жёсткого - излучения зависимость от длины волны не такая , как для рентгеновского излучения. При уменьшении длины волны, при увеличении энергии фотонов в этом случае увеличивается вероятность реакции рождения пары электрон-позитрон, увеличивается поглощение энергии - излучения и соответственно коэффициент ослабления возрастает.
4.4.БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Упрощённую схему биологического действия ионизирующего излучения можно представить так:
ионизация разрыв химических связей образование свободных радикалов(с.р.)м.б. цепные ветвящиеся с.р.–реакциим.б. необратимые биохимические реакциим.б. лучевая болезнь м.б. …
Некоторые необходимые пояснения
Свободные радикалы (с.р.) – молекулы, молекулярные группы, атомы с неспаренным электроном с нескомпенсированным спином. Обладают, как правило, большой химической активностью.
При цепных с.р. реакциях с.р. содержатся и в субстрате и в продукте, что вызывает продолжение реакции.
Ветвящиеся с.р. реакции – когда в продукте с.р. больше, чем в субстрате. По механизму цепных, ветвящихся с.р.-реакций развиваются многие патологии - от лучевого поражения до ишемии и отравлений.
М.б. – означает, «может быть», а может и не быть. В организме действуют защитные механизмы обрыва цепных, ветвящихся с.р.-реакций. Например, в организме есть вещества – антиоксиданты, обрывающие с.р.-реакции перекисного окисления жирных кислот – причину многих патологий. Обычно спрашивают, является ли антиоксидантом этанол. Да, является, но он же при неумеренном потреблении вымывает из организма другие вещества – антиоксиданты, например, некоторые витамины. Как говорят в народе: «Пить надо только с мороза, но ни в коем случае на мороз», то есть профилактическое пьянство «против радиации» нецелесообразно. Также следует отметить, что люди с избыточным весом больше подвержены лучевому поражению. В них больше воды, а радиолиз воды - создание в ней с.р. – пусковой механизм следующих патологических процессов.
Для лучевого поражения характерен латентный (скрытый) период. Его последствия проявляются не сразу.
Наиболее подвержены лучевому поражению молодые растущие ткани. Отсюда особая опасность радиации для детей и беременных женщин. Но, с другой стороны, это открывает широкие перспективы применения радиации для терапии злокачественных новообразований. Именно поэтому Мария и Пьер Кюри отказались патентовать разработанный ими метод получения радия – мощного средства борьбы с раком. Как сказала Мария Кюри: «Деловые, предприимчивые люди очень нужны человечеству, но ещё больше мир нуждается в бескорыстных идеалистах». Супруги Кюри так же, как перед ними Рёнтген поняли, что им посчастливилось сделать великое открытие, не только для физики и химии, но, прежде всего, для медицины и считали, что этим они уже вполне вознаграждены.
Лучевое поражение может вызвать изменения наследственного кода и сказаться в потомстве, вызвать мутации.
4.5. ПОГЛОЩЁННАЯ, ЭКСПОЗИЦИОННАЯ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ ( ЭКВИВАЛЕНТНАЯ) ДОЗЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ТАБЛИЦА 4.2
ДОЗЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ И СВЯЗЬ МЕЖДУ НИМИ
-
Доза излучения
Единицы измерения в СИ
Внесистемные единицы измерения
Связь между дозами
Поглощённая
D =
грей(Гр) = Дж/кг
рад = 10-2 Гр
Dп = f. Dэ
для внесистемных единиц
f для воды и мягких тканей =1
fдля костной ткани = 2-5
Экспозиционная
Х =
Кл/кг
Рентген(Р) = =2,58.10-4 Кл/кг
( 2.109 пар ионов/см3 воздуха)
Биологическая
(эквивалентная)
Н
зиверт (Зв)
бэр = 10-2 Зв
Dб = k. Dп
k для , рент. и = 1
k для нейтронов =5
kдля протонов = 10
kдля = 20
Поглощённая доза излучения D численно равна энергии излучения, поглощённого на единицу массы облучаемого тела.
D = .
В СИ D измеряется в греях(Гр) = Дж/кг. Но применяются и внесистемная единица рад= 10-2 Гр.
D - основная доза, определяющая действие излучения на вещество. Но непосредственное определение этой дозы затруднительно. Можно определить D в разных органах подопытного облучённого животного, например, по количеству свободных радикалов образовавшихся в результате облучения. Для этого можно, в частности, применить метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Для - и рентгеновского излучений, отличающихся большой проникающей способностью, D можно определить опосредованно по экспозиционной дозе Х .
Экспозиционная доза Х - мера ионизации воздуха над поверхностью облучаемого тела. Чем больше ионизация воздуха над поверхностью тела, тем больше проникающей - и рентгеновской радиации поглотило тело. Х численно равна заряду положительных ионов, образованных излучением на единицу массы воздуха. В СИ Х измеряется в Кл/кг. Внесистемная единица - рентген(Р) = 2,58.10-4 Кл/кг . Рентген(Р) это такая экспозиционная доза, когда в 1см3 сухого воздуха при нормальных условиях в результате и первичных и вторичных процессах ионизации образуется примерно 2 млрд. пар ионов.
По Х можно рассчитать D по формуле:
D= f Х , (4.1)
где f – коэффициент, который для внесистемных единиц для воды и мягких тканей можно принять за 1 . Таким образом, для мягких тканей и воды экспозиционная доза в 1Р соответствует поглощённой дозе 1 рад. Для костной ткани этот коэффициент принимает значения от 2 до 5 в зависимости от энергии фотона. Большим энергиям соответствуют меньшие значения f.
Биологическая (эквивалентная) доза Н оценивает биологическое действие разных типов излучений по сравнению с действием и рентгеновского излучений. В Си Н измеряется в зивертах(Зв). Зв – единица измерения биологической (эквивалентной) дозы любого вида излучения, соответствующая по биологическому действию 1Гр - и рентгеновского излучений. Внесистемная единица бэр – биологический эквивалент рада. 1 бэр эквивалентен по биологическому действию 1раду - и рентгеновского излучений. 1 бэр = 10-2 Зв.
Н связана с D формулой:
Н = k∙ D, (4.2)
где k – обэ –относительная биологическая эффективность или коэффициент качества . Для - и рентгеновсого излучений k = 1, по определению. Для излучения также k = 1. Для нейтронного излучения k = 5. Для протонного k = 10. Для - излучения k = 20.
Если дозы измеряются во внесистемных единицах для мягких тканей – для - и рентгеновского излучений экспозиционная доза Х = 1Р соответствует поглощённой дозе D= 1рад и биологической дозе
Н = 1 бэр.
4.6. МОЩНОСТЬ ЭКСПОЗИЦИОННОЙ ДОЗЫ
Важна не только величина дозы облучения, но её мощность – численно равная дозе за единицу времени облучения.
Мощность поглощённой дозы PD = измеряется вСИ в Гр/с; во внесистемных единицах – это рад/с, рад/час, мрад/час, мкрад/час, рад/год.
Мощность экспозиционной дозы РХ= в Си измеряется в Кл/кг.с = А/кг; во внесистемных единицах - это Р/с, Р/час, мР/час, мкР/час, Р/год.
Мощность , биологической дозы Рн = в Си измеряется в Зв/с; во внесистемных единицах - это бэр/с, бэр/час, мбэр/час, мкбэр/час, бэр/год.
Нормальный радиационный фон на поверхности Земли Рн = 0,1 бэр/год, чему для - и рентгеновского излучения и для мягких тканей соответствует примерно РХ = 10 мкР/час. Причина нормального радиационного фона – космическое излучение и радионуклиды, содержащиеся в земной коре.
Превышение радиационного фона – результат деятельности человека: медицинские обследования, работа электростанций. Тепловые электростанции приводят к большему повышению радиационного фона, чем атомные, но это, если на АЭС не случается аварий. За предельно допустимую дозу (ПДД) для радиационного фона приняты две величины. Для населения – 0,5 бэр/год. Для персонала - людей по роду своей работы, подвергающихся дополнительному облучению и, соответственно, находящихся под усиленным врачебным контролем – 5 бэр/год. Однако следует отметить, биологическое действие ионизирующего облучения – беспороговое. Любое повышение радиационного фона приводит к пропорциональному этому повышению увеличению вероятности онкологических заболеваний и мутаций.
Смертельная доза облучения очень индивидуальна. Считается, что 600 бэр приводят к «смерти под лучом».
Зависимость мощности экспозиционной дозы облучения от расстояния до точечного источника - или рентгеновского излучения:
; ; (4.3)
Здесь А- активность источника, r - расстояние до источника, k - гамма- постоянная, определяется природой источника радиации.
Существуют три основных способа защиты от внешнего облучения ионизирующим излучением:
расстоянием – располагаться подальше от источника радиации (например пользоваться дистанционно управляемыми манипуляторами);
временем – сокращать, по возможности, время работы с радиоактивными препаратами;
защитными экранами из материалов, хорошо ослабляющими излучение.
ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ К ГЛАВЕ 4
1.Для лечения раковой опухоли в головном мозге был применён имплантируемый радионуклид – источник - излучения, введённый в центр опухоли. - излучение «выжгло» опухоль, не затронув здоровых тканей. Какие свойства - излучения были использованы?
2. Какие ионизирующие излучения опаснее: при облучении снаружи, а какие при попадании их источиков ( например, радиоактивной пыли) внутрь организма?
3. Почему, чем больше ионизирующая способность излучения, тем меньше его проникающая способность?
4. Почему экспозиционную дозу ионизирующего излучения можно применять только для - и рентгеновского излучения?
5. Какие существуют способы защиты от ионизирующего излучения?
6. Скольким мкР/ч соответствует для мягких тканей для - и рентгеновского излучения 0,2 бэр/год?
7. Научный работник в течении 5 часов находится в 3 метрах от точечного источника -излучения. Какова предельно допустимая активность источника, чтобы можно было работать без защитного экрана? Гамма-постоянная равна 1,4 Р м2/ч Ки. Допустимая доза облучения –
0,01 Р.