Занятие № 3 Тема: Ядерная химия и её значение в медицине
С получением в 1934 году искусственных радиоактивных изотопов была создана область радиационной медицины. В 1937 году первый радиоактивный изотоп был использован для лечения человека с лейкемией в Калифорнийском университете в городе Беркли. Основные успехи в использовании радиоактивности в медицине были достигнуты в 1946 году, когда радиоактивный изотоп йода был успешно использован для диагностики функции щитовидной железы и для лечения гипертиреоза и рака щитовидной железы. Радиоактивные вещества в настоящее время используются для получения изображения органов таких, как печень, селезенка, щитовидная железа, почки, головной мозг, а также для обнаружения болезней сердца. На сегодняшний день процедуры в области ядерной медицины могут дать информацию о деятельности и структуре каждого органа в организме, что позволяет диагностировать и проводить лечение заболеваний на ранней стадии.
Процессы, идущие с изменением состава ядер атомов и приводящие к образованию ядер новых элементов называются ядерными реакциями. Ядерные реакции проходят как в природе, так и искусственным образом. Природные ядерные процессы происходят при распаде радиоактивных элементов.
Радиоактивные элементы, испуская три вида излучения - α-, β-, γ- лучи, превращаются в ядра других элементов. Радиоактивность – это свойство ядер нестабильных изотопов превращаться в ядра стабильных изотопов с выделением радиоактивной энергии. Радиоактивноое излучение делят на 3 типа: альфа (α), бета (электронное - β- и позитронное β+), и электромагнитное гамма (γ) излучение. Изотоп излучающий радиоактивность называется радиоактивным изотопом. При излучении в ядре изменяется количество протонов, а это значит свидетельствует о превращении одного типа атомов в другой тип атомов. Общую схему ядерных реакций можно представить следующей схемой:
Радиоактивное ядро → Новое ядро + Тип излучения (α, β+, β-, γ)
Альфа – распад. Испуская излучение, неустойчивое ядро превращается в более стабильное ядро, с более низким значением энергии. Один тип излучения состоит из альфа-частиц. Альфа-частица идентична ядру атома гелия. Ядро атома гелия имеет два протона и два нейтрона. Альфа-частица имеет массовое число 4, с атомным номером 2, и зарядом 2+. Альфа-частица обозначается греческой буквой α или символ ядра гелия за исключением того, что заряда 2+опускается. Альфа излучение обладает высокой ионизирующей способностью и преодолевает препятствия толщиной 0,01мм. При α – распаде массовое число радиоактивного ядра уменьшается на 4 единицы и атомный номер уменьшается на 2 единицы.
Например уран-238 распадается с излучением альфа-частицы и образованием нового изотопа с массовым числом 234. Исходный изотоп с атомным номером 92 превращается в ядро изотопа тория с атомным номером 90:
Бета-распад.
Бета-частицы
– это частицы с высокой энергией, с
зарядом -1 (z
= -1), с проникающей способностью в 0,01 м.
Так как его масса намного меньше массы
протона массу бета-частицы принимают
равной нулю (m=0).
Обозначается бета-частица греческой
буквой β, или символом для электрона, у
которого заряд равен -1 (z=-1),
массовое число равно нулю. Бета – частица
по всем характеристика идентична
электрону и образуется когда нейтрон
в неустойчивом ядре превращается в
протон. Позитрон, похож на бета-частицу,
но имеет положительный заряд +1, с массовым
числом равным 0. Он обозначается символом
β+,
либо символом электрона, который имеет
массу равную нулю с зарядом +1. Позитрон
образуется в неустойчивом ядре, когда
протон превращается в нейтрон. Позитрон
является примером антиматерии (термин
используемый в физике, для описания
частицы, заряженной противоположно
электрону. Когда электрон и позитрон
сталкиваются, их микроскопические массы
полностью превращаются в энергию в виде
гамма-лучей.
При β – распаде порядковый номер элемента увеличивается на одну единицу без изменения массового числа.:
или
Гамма-излучение. Гамма-лучи – это излучение высокой энергии, и высвобождается когда неустойчивое ядро претерпевает перегруппировку его частиц, с образованием более стабильного изотопа, с более низкой энергией. Гамма-лучи часто излучаются наряду с другими видами излучения. Гамма-луч зобозначается греческой буквой γ. Поскольку гамма-лучи представляют собой энергию при изображении их они записываются как частицы не имеющие ни массы ни заряда.
Источников
гамма-излучения не так уж много. Но в
большинстве случаев они образуются при
альфа- и бета- излучении. В рентгенологии
применяется изотоп технеция (Tc).
Неустойчивый изотоп технеция записывается
с обозначением буквы m
при атомной массе, например технеций-99m,
Tc-99mили
.
При таком виде излучения выделяются
гамма-лучи и образуется устойчивый
изотоп.
Гамма-лучи являются удобными для использования в диагностике, так как они обладаю т большимпроникающим действием через внутренние органы.
Позитронная эмиссия. Позитроны - цастицы, с зарядом +1 (z = +1) и массовым числом равным нулю, обладающие большой проникающей способностью, проникают через препятствия толщиной 0,1м. В позитронной эмиссии, протоны ядра неустойчивого изотопа превращаются в нейтроны. Позитрон является античастицей электрона. При столкновении электрона и позитрона, их микроскопические массы полностью переходят в энергию в виде гамма-частиц.
В ядре остаётся нейтрон, при этом позитрон покидает ядро. В ядерной реакции с позитронной эмиссией масса радиоактивного ядра равна массе нового ядра. Несмотря на это порядковый номер элемента уменьшается на 1 единицу, что свидетельствует о превращении ядра одного элемента в ядро другого элемента (трансмутация). Например, ядро алюминия-24 подвергается позитронной эмиссий и образуется ядро магния-24. Сумма зарядов магния (12) и позитрона (1+) даёт номер элемента алюминия (13).
+
Биологические эффекты от радиации. Когда излучение поражает молекулу оно на своем пути отбрасывает электроны и образуются нестабильные ионы. Если это ионизирующее излучение проходит через тело человека, оно может взаимодействовать с молекулами воды, и захватывать электроны воды, превращая их в ионы H2O+, что может привести к нежелательным химическим реакциям. Клетками, наиболее чувствительными к радиации являются те, в которых происходит быстрое деление-костный мозг, кожа, половые органы, и кишечной тракт, а также все клетки растущих детей. Поврежденные клетки могут утратить способность производить необходимые материалы. Например, если радиация поражает клетки костного мозга, эритроциты перестают образовываться. Если повреждены клетки спермы, яйцеклеток или клетки плода, результатом являются врожденные дефекты. В противоположность этому, клетки нервов, мышц, печени, а также кости у взрослых гораздо менее чувствительны к радиации, потому что в них не происходит деление клеток. Раковые клетки являются еще одним примером быстро делящихся клеток. Поскольку раковые клетки очень чувствительны к радиации, большие дозы радиации используются, чтобы уничтожить их. Нормальные ткани, которые окружают раковые клетки, делятся с меньшей скоростью, и меньше страдают от воздействия излучения. Тем не менее, излучение может вызвать злокачественные опухоли, лейкемию, анемию и генетические мутации.
Технологи-радиологи, химики, врачи и медсёстры, которые работают с радиоактивными изотопами должны использовать надлежащую радиационную защиту. Правильное экранирование необходимо для предотвращения воздействия альфа-частиц, которые имеют самую большую массу и заряд. Частицы излучения, прежде чем они сталкиваются с молекулами воздуха, проходят всего несколько сантиметров в воздухе и приобретают электроны, и становятся атомами гелия. Листок бумаги, одежда и наша кожа являются защитой от альфа-частиц. Лаборатория, пальто и перчатки также обеспечат достаточную защиту. Тем не менее, если проглотить или вдохнуть альфа-излучатели, альфа-частицы, которые испускаются ими, могут привести к серьезным внутренним повреждениям. Бета-частицы имеют очень малую массу и двигаются гораздо быстрее и дальше, чем альфа-частицы, пролетая всего несколько метров через воздух, они могут пройти через бумагу и проникают далеко - на 4 - 5 мм вглубь ткани тела. От внешнего воздействия бета-частиц может загореться поверхность кожи, но они недостаточно активны, чтобы достичь внутренних органов. Тяжелая одежда, такие как лабораторные халаты и перчатки необходимы для защиты кожи от бета-частиц. Гамма-лучи преодолевают большие расстояния по воздуху и проходят через множество материалов, в том числе и через ткани организма. Поскольку гамма-лучи проникают так глубоко, воздействие гамма-лучей может быть чрезвычайно опасным. Только очень плотное экранирование, такие как свинец или бетон, остановят их. Шприцы, используемые для инъекций радиоактивных материалов, используют экранирование из свинца или тяжелых материалов, таких как вольфрам и полимерные композиты. При работе с радиоактивными материалами, медицинский персонал должен носить защитную одежду и перчатки и стоять за щитом. Могут быть использованы длинные щипцы, чтобы захватывать флаконы радиоактивных материалов, держа их подальше от рук и тела.