Лекция 2. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом.

1. Ослабление ионизирующего излучения при взаимодействии с веществом.

2. Первичные физические процессы взаимодействия ионизирующего излучения с веществом

3. Сравнительные количественные характеристики взаимодействия различных видов ионизирующего излучения с веществом.

4. Основы дозиметрии.

Ослабление ионизирующего излучения при взаимодействии с веществом.

Ионизирующее излучение ослабевает тем больше, чем больше толщина пройденного слоя вещества и чем больше сам поток.

, где - уменьшение потока; - толщина.

, где Ф₀ – падающий поток. Так как Ф > 0:

Потенцируем: - закон ослабления:

Поток ионизирующего излучения при прохождении вещества уменьшается по экспоненциальному закону: .

- линейный коэффициент ослабления. При

Таким образом, линейный коэффициент ослабления обратен толщине слоя вещества, при прохождении которого поток излучения уменьшится в e раз.

Чем больше линейный коэффициент ослабления, тем сильнее ослабеет излучение. Оно не зависит от и .

Линейный коэффициент ослабления - характеристика взаимодействия данного вида излучения с данным видом вещества.

Линейный коэффициент ослабления зависит от плотности вещества: чем больше плотность, тем больше атомов встретит излучение и тем значительнее будет его ослабление.

- массовый коэффициент ослабления, не зависящий от плотности.

- слой половинного ослабления – толщина слоя вещества, при которой поток излучения ослабляется вдвое.

Чем больше линейный коэффициент ослабления, тем меньше слой половинного ослабления.

Первичные физические процессы взаимодействия ионизирующего излучения с веществом

1. Рентгеновское излучение.

Когерентное рассеивание – изменение направления пучка излучения с рассеиванием по всем направлениям. Энергия фотонов не изменяется. Энергия атомов вещества не изменяется, так как нет непосредственного биологического эффекта. Характерно для мягкого рентгеновского излучения, при котором энергия фотонов меньше энергии ионизации (разница и есть – работа выхода).

Фотоэффект – происходит поглощение рентгеновского фотона атомом вещества с

а) выбиванием одного из внешних валентных электронов ( )

б) при меньшей энергии возбуждённого атома – внутреннего.

Уравнение Эйнштейна: , где

- квант

- энергия ионизации

- кинетическая энергия выбитого электрона

Некогерентное рассеивание – рассеивание с изменением длины волны. Рентгеновский фотон меняет направление при столкновении. Фотон выбивает из атома электрон. Энергия фотона уменьшается, но излучение остаётся. Частота излучения уменьшается, а длина волны возрастает.

Увеличение длины волны при некогерентном рассеивании рентгеновского излучения – эффект Комптона.

Для жёсткого излучения:

В общем случае:

2. Гамма – излучение с наибольшей энергией фотона.

Когерентного рассеивания не происходит. Осуществляется некогерентное рассеивание, фотоэффект и образование электрон-позитронных пар (превращение частиц поля в частицы вещества).

Образование электрон-позитронных пар: в электронном поле атом ядра (гамма-фотон) превращается в пару электрон-позитрон, которые разлетаются в разные стороны. Это превращение происходит с выполнением закона сохранения энергии и импульса.

Реакция возможна, если энергия гамма-фотона не меньше суммарной энергии покоя членов пары.

Роль ядра – принятие части импульсов фотонов.

Заряженные частицы и сами произведут непосредственную ионизацию вещества. Позитрон в веществе может встретиться с электроном – анимляция – образование двух -фонов, имеющих одинаковую скорость, но противоположно направленную. Этот процесс обратен рождению электрон-позитронной пары.

Сравнительные количественные характеристики взаимодействия различных видов ионизирующего излучения с веществом.

Линейная плотность ионизации – удельная ионизация.

Линейная плотность ионизации численно равна числу пар ионов, образованных частицей на единице пути в веществе.

Линейная тормозящая способность – удельная ионизация потери.

Линейная тормозящая способность – энергия, теряемая частицей на единице пути в веществе.

Средний линейный пробег – средняя длина свободного пробега. Обозначается R. Это расстояние, пройденное частицей со скоростью, большей скорости молекулярно-теплового движения.

Чем больше линейная плотность ионизации, тем больше линейная тормозящая способность и тем меньше средний линейный пробег.

1. 

2. 

3. 

- частицы – заряжены и сравнительно медленно движутся, следовательно, много времени проводят рядом с атомами вещества и ионизируют их, следовательно, в веществе плотные скопления ионов и электронов. Но глубина проникновения небольшая (около 40 мкм).

- частицы – движутся быстрее, следовательно, ионизация проходит в меньшей степени, следовательно, остаётся разреженное скопление ионов и электронов. Наибольшая ионизация – к концу пути. Глубина проникновения больше (до нескольких мм).

Рентгеновское и -излучения (фотонов) – при их действии образуются электроны с большой энергией, которые действуют как -излучение. Фотон легко проходит через вещество, путь большой ещё до первого взаимодействия. Фотоны могут проникать в любую точку тела.

Если источник излучения внешний – фотоновское излучение. Если источник излучения можно ввести внутрь - или излучение.

Основы дозиметрии.

Дозиметрия – наука, изучающая величины, характеризующие действие ионизирующего излучения на вещества, а также методы и приборы для их измерения.

Доза излучения или поглощённая доза (для любого ионизирующего излучения) – энергия, поглощённая единицей массы облучаемого вещества.

[Рад] – внесистемная единица измерения,

Мощность поглощённой дозы:

Экспозиционная доза – для фотоновых излучений (рентгеновского и гамма-) – заряд, созданный при ионизации фотоновским излучением единичной массы воздуха – мера ионизации воздуха рентгеновскими и гамма- лучами.

Мощность экспозиционной дозы:

Связь доз:

, где - зависимость от облучаемого вещества и энергии фотонов.

Для воды и мягких тканей ; для костной ткани уменьшается с ростом энергии фотонов, и составляет 4,5 – 1.

Связь между активностью препарата – источника -фотонов и мощностью экспозиционной дозы:

, где А – активность препарата; r – расстояние от препарата до облучаемого объекта; - гамма – постоянная характеристика для ядра данного изотопа.

Эквивалентная доза – характеризует биологическое действие данного вида ионизирующего излучения.

Поглощённая доза характеризует количественный аспект взаимодействий. Биологическое действие излучения тем больше, чем больше его поглощённая доза.

К – характеризует качественный аспект взаимодействия: при одной и той же поглощённой дозе воздействие разных излучений различно.

К – коэффициент качества – относительная биологическая эффективность (ОБЭ) – безразмерная величина.

ОБЭ показывает во сколько раз эффективность биологического действия данного вида излучения больше, чем у фотоновского при одинаковой дозе излучения в тканях. ОБЭ зависит от вида излучения и от энергии его частиц.

Приблизительно, для фотоновского и излучений . Для излучения .

Радиоактивный фон соответствует эквивалентной дозе в 125 мБЭР. Предельно допустимая эквивалентная доза при профессиональном облучении составляет 5 БЭР в течение года. Минимальная летальная доза гамма – излучения при облучении всего организма около 600 БЭР.

Лекция 3. Радиобиологические процессы.

1. Понятие, стадии и особенности радиобиологических процессов.

2. Биофизические основы действия ионизирующего излучения.

Понятие, стадии и особенности радиобиологических процессов.

Радиобиологические процессы – процессы взаимодействия с живой системой ионизирующих излучений, приводящие к изменению их структуры и функций.

Первичные стадии:

1. радиофизические

2. радиохимические

Различие фото- и радиобиологических процессов связано с много большей энергией ионизирующих излучений:

1. При взаимодействии ионизированных молекул с молекулами вещества, оно сразу ионизируется (без возбуждения).

2. Свет селективен, а ионизированными называют все типы молекул, т.е. селективность отсутствует.

3. Свободно-радикальные процессы развиваются по цепному механизму, т.е. происходит самоусиление.

Биофизические основы действия ионизирующего излучения.

Все жизненно-важные биологические соединения функционируют в водном окружении, следовательно, ионизации подвергаются и органические молекулы, и молекулы воды.

H₂O + hv → H₂O⁺ + e^-

Различают прямое и косвенное действие ионизирующего излучения.

Прямое действие – на радиохимической стадии непосредственно преобразуются сразу органические молекулы.

Непрямое действие (через воду) – на радиохимической стадии сначала преобразуются ионизированные молекулы воды, а продукт преобразования вступает в реакции с органическими молекулами.

Разложение ионизированных молекул воды под действием ионизирующего излучения – радиолиз воды:

H₂O⁺ → H⁺ + OH^* (свободный радикал)

H₂O + e^- → H₂O^-

H₂O^- → OH^- + H^* (свободный радикал)

H₂O⁺ + e^- → H₂O^* → H^* + OH^*

В присутствии кислорода:

H^* + O₂ → ^*HO₂ (гидроперекисный радикал)

^*HO₂ + ^*HO₂ → H₂O₂ + 2O (продукты – очень сильные окислители)

Все эти ионы и свободные радикалы вызовут повреждение мембраны и отделение биологически важных молекул. Если механизмы репарации не успевают всё исправить, то развивается лучевая болезнь.

Лекция 4. Свободные радикалы в биологических процессах.

1. Понятие и виды свободных радикалов.

2. Свойства свободных радикалов. Свободные радикалы в организме человека.

3. Методы обнаружения свободных радикалов в тканях организма.

Понятие и виды свободных радикалов.

Свободные радикалы – молекула или её часть (атом, ион), обладающие неспаренными электронами. Если частица имеет 1 электрон - монорадикал (Н^*, ОН^*). Если частица имеет 2 электрона – бирадикал (О^** + все триплетно возбуждённые молекулы).

Свободный радикал может быть нейтральным и заряженным (ион-радикал), например (^*RH)⁺.

Свойства свободных радикалов. Свободные радикалы в организме человека.

Свойства свободных радикалов:

1. Высокая реакционная способность (наличие неспаренного электрона – наличие свободной валентности).

2. Парамагнетизм (относительная магнитная проницаемость , магнитный момент не равен нулю).

В норме у человека постоянно образуется небольшое количество свободных радикалов в окислительных реакциях (это промежуточные продукты фотобиологических процессов):

1. Гидроксильный ^*ОН

2. Гидроперекисный ^*НО₂

3. Р адикалы некоторых переносчиков электронов в дыхательной цепи митохондрий

4. Нейтральный радикал радикалы

5. Перекисный радикал липидов

В ряде патологий и при воздействии некоторых физических и химических факторов процессы свободно-радикального окисления резко усиливаются. Это особенно характерно для липидов, следовательно, уровень сободнорадикально окисляемых липидов может играть роль диагностического теста.

При воздействии коротковолнового ультрафиолета и ионизирующей радиации свободно-радикальные процессы начинают развиваться в таких субстратах, которым в норме они не были свойственны, например, в белках и нуклеиновых кислотах.

Методы обнаружения свободных радикалов в тканях организма.

Хемилюминесценция сопровождает некоторые экзергонические химические реакции. В организме – реакция рекомбинации перекисных липидных радикалов:

^*RO₂ + ^*RO₂ → продукты^* → продукты + hv.

Плюсы: метод очень чувствителен (до 10^-14 моль свободных радикалов).

Минусы: определяются радикалы только одного типа.

Спектроскопия магнитного резонанса:

1. ЭПР – электронный парамагнитный резонанс

2. ЯМР – ядерный магнитный резонанс

В основе методов лежит расщепление энергетических уровней частиц в постоянном магнитном поле. Причина во взаимодействии с полем магнитных моментов неспаренных электронов (ЭПР) и ядер (ЯМР). Спектры ЯМР можно получить в разных классах магнетиков. А необходимым условием ЭПР является парамагнетизм, что характерно для свободных радикалов.

В отсутствии поля магнитные моменты отдельных частиц ориентированы хаотически. В магнитном поле они могут быть сориентированы двумя способами. Их магнитные моменты могут быть направлены по полю и против поля. В первом случае энергия частицы меньше по сравнению с хаотическим расположением векторов; а во втором случае – больше. Большинство частиц окажется расположенными по полю.

В результате образуется дополнительная система подуровней. Разность энергий подуровней соответствует величине квантов СВЧ-диапазона.

Е₂

hv

единый

энергетический Е₁

уровень

Р_m – магнитный момент частицы

Н – вектор напряжённости магнитного поля

Большая часть частиц сориентированы по полю, т.е. находятся на нижнем уровне. При дополнительном воздействии электромагнитным излучением СВЧ-диапазона произойдёт поглощение квантов излучения с энергией hv = E₂ – E₁. В системе произойдёт переход с нижнего уровня на верхний. Этот переход регистрируется как сигнал магнитного резонанса.

Зарегистрирован будет спектр магнитного резонанса – графическая зависимость от длины волны: