ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.И. ЛОБАЧЕВСКОГО»

Малый практикум по биофизике

Учебно-методическое пособие

Рекомендовано методической комиссией Института биологии и биомедицины для студентов ННГУ, обучающихся по направлению 06.03.01 «Биология»

Нижний Новгород

2016

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Радиационная биофизика

Введение

Ионизирующие излучения подразделяются по своей природе на корпускулярные (ионизирующие частицы имеют массу покоя отличную от нуля) и электромагнитные. Электромагнитные излучения – это гамма-излучение и рентгеновское излучение. Все остальные виды ионизирующих излучений имеют корпускулярную природу – α-частицы, β-частицы, нейтроны, нейтрино, антинейтрино, осколки деления ядер.

Рисунок 1. Процесс ионизации атома гамма-квантами и бета-частицами.

Электромагнитное ионизирующее излучение

Рентгеновское излучение – электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, в пределах длин волн от 10^-12 до 10^-5 см. Рентгеновские лучи с длиной волны менее 0,2 нм условно называются жёсткими, более 0,2 нм – мягкими рентгеновскими лучами.

В зависимости от механизма возникновения рентгеновское излучение делят на тормозное и характеристическое. Тормозное рентгеновское излучение имеет непрерывный энергетический спектр и возникает при уменьшении кинетической энергии (торможении, рассеянии) быстрых заряженных частиц – например, при торможении ускоренных электронов в кулоновском поле.

Характеристическое рентгеновское излучение имеет дискретный энергетический спектр и возникает при перестройке электронных оболочек атомов при ионизации и возбуждении атомов и молекул.

Гамма-излучение – это коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны менее 0,01 нм. На шкале электромагнитных волн оно граничит с жестким рентгеновским излучением, занимая область более высокоэнергетичных частиц. Возникает при распаде радиоактивных ядер (гамма-излучение, сопровождающее распад радиоактивных ядер, испускается при переходах ядра из более возбужденного энергетического состояния в менее возбужденное или в основное), взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом, аннигиляции электронно-позитронных пар.

Рисунок 2. Возникновение гамма-излучения при переходе ядра из возбужденного энергетического состояния в основное

Корпускулярное ионизирующее излучение

α-частицы представляют собой положительно заряженные ядра атомов гелия , которые состоят из двух протонов и двух нейтронов. α-частицы испускаются при радиоактивном распаде изотопов тяжелых элементов (Z>82). Альфа-частицы имеют положительный заряд, скорость распространения до 20 000 км/c, обладают большой массой – 4.003 а.е.м., большой энергией – 2-11 МэВ, проникающая способность в воздухе 2-10 см, в биологических тканях – несколько десятком микрометров. В воздухе на 1 см пути альфа-частица образует 100-250 тыс. пар ионов, при попадании в организм они крайне опасны для человека и животных (плотноионизирующее радиоактивное излучение).

Рисунок 3. Схема альфа-распада

β–частицы представляют собой электроны (отрицательный заряд) и позитроны (положительный заряд), испускаемые ядрами атомов при бета–распаде. Бета-частицы имеют массу 0,000548 а.е.м., распространяются со скоростью света, проникающая способность в воздухе до 25 метров, а в биологических тканях до 1 см, в воздухе на 1 см пробега образует 50-100 пар ионов (редкоионизирующее излучение).

Рисунок 4. Схема электронного бета-распада

Рисунок 5. Схема позитронного бета-распада

Нейтроны не несут заряда (электронейтральны), проникающая способность в воздухе и в биологических тканях очень большая, они являются плотноионизирующими, атомные ядра при поглощении нейтронов становятся неустойчивыми, распадаются с испусканием протонов, альфа-частиц, фотонов гамма-излучения, осколков ядра. Сам по себе нейтрон также неустойчив – он испытывает бета-распад, при этом время жизни его в свободном состоянии (вне атомного ядра) составляет около 880 с.

Радиоактивность. Единицы измерения радиоактивности

Радиоактивность – это свойство ядер определенных элементов самопроизвольно (без внешних воздействий) превращаться в ядра других элементов с испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным излучением.

Активность (А) – мера радиоактивности какого-либо количества радионуклида. Единицей активности в СИ служит распад в секунду (расп/с). Этой единице присвоено наименование Беккрель – Бк (Вq), 1 Бк = 1 расп/с (с^-1). Внесистемной единицей служит Ки. 1 Kи [Кюри] = 3.7 ∙ 10¹⁰ Бк.

А = – dN/dt = λN,

где N – число распавшихся ядер за время t, λ – постоянная (вероятность) радиоактивного распада с^-1;

Закон радиоактивного распада

Основной закон радиоактивного распада устанавливает, что за единицу времени распадается всегда одна и та же доля имеющихся в наличии ядер. Математически закон радиоактивного распада выражается уравнением:

N(t) = N₀ e^-lt , А(t) = А₀ e^-lt

T_1/2=0,693/ λ

где N_t – количество радиоактивных ядер, оставшихся по прошествии времени t;

N₀ – исходное количество радиоактивных ядер в момент времени t = 0 (N₀ > N_t);

A_t – активность радионуклида по прошествии времени t;

А₀ – активность радионуклида в момент времени t = 0;

е – основание натуральных логарифмов (е = 2,72);

λ – постоянная радиоактивного распада, с^-1;

t – промежуток времени, равный t- t₀, с