Ионизирующее излучение

Ионизирующее излучение – излучение, которое способно выбивать электроны из нейтральных молекул и тем самым превращать их в ионы.

Излучение является ионизирующим тогда, когда энергия кванта превосходит энергию связи частиц среды.

ВИДЫ И ИСТОЧНИКИ ИО

Поток альфа-частиц

• Ионизирующая способность высокая

• Проникающая способность низкая. Задерживается слоем воды 100-150 мкм

• Неупругие столкновения с орбитальными электронами атомов среды.

• Энергия расходуется на возбуждение и ионизацию атомов среды.

• При энергии частицы 10 МэВ пробег в ткани 130 мкм, полная ионизация порождает 2,9*105пар ионов.

Бета-излучение (быстрые электроны/позитроны)

• Ионизирующая способность ниже, чем для альфа-частиц

• Проникающая способность средняя.

• Как упругие, так и неупругие столкновения с атомами.

• Энергия расходуется на возбуждение, ионизацию атомов среды, неупругое рассеивание, тормозное излучение.

• При энергии частицы 10 МэВ проникают в мягкие ткани до 4,3 см.

Поток нейтронов

• Косвенно-ионизирующее излучение.

• Проникающая способность высокая в связи с отсутствием заряда.

• При неупругих взаимодействиях возникает вторичное излучение, которое может состоять как из заряженных частиц, так и из гамма-квантов.

• При упругих взаимодействиях возможна обычная ионизация вещества.

• Под действием медленных нейтронов в организме создаётся наведенная радиоактивность, которая была обнаружена в костях и других тканях многих людей, умерших в Японии от лучевой болезни.

Поток протонов

• В отличие от быстрых электронов или гамма-излучения, ускоренные протоны передают энергию в живую ткань на последних нескольких миллиметрах пробега.

• В начале пробега в веществе высокоэнергетические протоны теряют в элементарных актах ионизации энергию, очень малую по сравнению с имеющимся у них запасом. Поэтому их ионизационная способность меняется с глубиной незначительно до тех пор, пока суммарная потеря энергии не приведет к значительному уменьшению скорости частиц. Тогда повышается вероятность ионизации атомов, с которыми встречаются протоны на своем пути, и это приводит к резкому росту линейной потери энергии.

• При энергии частицы 10 МэВ пробег в ткани 1200 мкм, полная ионизация порождает 6,3*104пар ионов.

Рентгеновское излучение и гамма-излучение

• Ионизирующая способность ниже, чем для альфа и бета излучений.

• Проникающая способность высокая.

• Энергия излучения переходит в энергию вторичных заряженных частиц (электроны и позитроны), часть в энергию вторичного фотонного излучения. Образовавшиеся при этом электроны ионизируют среду.

Рентгеновское излучение

Длина волны: 10^-3 – 10 нм

Тормозное ри

Тормозное РИ: обратный фотоэффект (бомбардировка металла быстрыми электронами)

????????=ℎ????

определяет максимальную частоту, с которой могут испускаться фотоны РИ при заданном U

В РИ переходит 1-3% энергии электрона, остальное - в тепло.

Коротковолновое – жесткое РИ,

Длинноволновое – мягкое РИ.

Спектр излучения – сплошной

????????????????=ℎ????????????=12,4

???????????????? - не зависит от материала катода

Характеристическое ри

Возникает при увеличении напряжения на трубке выше порогового уровня (зависит от материала анода). Ускоренные электроны проникают вглубь атома и выбивают внутренние электроны. На свободные места переходят электроны с внешних слоев, излучая разницу энергий ℎ????

Характер спектра – линейчатый.

Длина волны зависит от материала анода.

Бомбардировка электронами приводит к возникновению и тормозного, и характеристического РИ.

Бомбардировка альфа-частицами и протонами приводит только к характеристическому РИ.

Наиболее широко применяются трубки с анодами из элементов с атомными номерами от 24 до 42 (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) и длинами волн от 2,29 до 0,712 А (0,229 –0,712 нм).

Дозиметрия ио

1. Поглощенная доза (Dп) – энергия излучения, поглощенная единицей массы m облучаемого вещества.

????п=????????/???????? [рад]

В СИ: 1 Гр (грей) = 1 Дж/кг = 100 рад

В СГС: 1 рад = 100 эрг/г = 10^-2 Дж/кг

Скоростью поглощения дозы называют мощность поглощенной дозы (Гр/с)

2. Экспозиционная доза – мера ионизационного воздействия фотонного излучения (дозы, при которой в 1 кг сухого воздуха образуется заряд в 1 Кл). Используется вместо поглощенной, так как ее трудно оценить на практике (из-за неоднородностей среды и неточностей в определении коэффициента поглощения)

????=????????/???????? [Р (рентген)]

В СИ: 1 Р = 2.58*10^-4 Кл/кг

Для оценок 1 Р = 0,877 рад = 1 рад

Поглощенная доза пропорциональна экспозиционной

????п = ????????, ????–коэффициент пропорциональности.

????=0.88 для воздуха

????=1.5 - 4 для костной ткани

????=1 для мышечной ткани

Лучевое поражение зависит от:

- Поглощенной дозы

- Ее распределения во времени

- От распределения плотности энергии в пространстве

3) Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) – отношение поглощенной дозы образцового облучения Dпо, вызывающего определенный биологический эффект, к поглощенной дозе Dп данного излучения, вызывающей такой же биологический эффект

ОБЭ=????по/????п

ОБЭ позволяет сопоставить биологическое действие разных излучений.

В качестве образцового принято РИ с энергией 200 кэВ.

Химическая стадия взаимодействия

Излучение

Непрямое действие

- Обусловлено повреждением биомолекулы после взаимодействия с радиационными химическими продуктами, образовавшимися в среде

- Ионы распадаются с образованием радикалов

- Кислородный эффект – снижение тяжести лучевых поражений при уменьшении концентрации O2.

Объясним снижением продуктов гидролиза воды.

Прямое действие

- При ионизации органических молекул (прямое действие излучения) возникают свободные радикалы, которые нарушают течение обмена веществ и, вызывая появление несвойственных организму соединений, нарушают процессы жизнедеятельности.

- При облучении в дозе 1000Р(что соответствует поглощенной дозе порядка 10 Гр) в клетке средней величины (10-9г) возникает около 1 млн. радикалов, каждый из которых в присутствии кислорода воздуха моет дать начало цепным реакциям окисления, во много раз увеличивающим количество измененных молекул в клетке и вызывающим дальнейшее изменение надмолекулярных (субмикроскопических) структур.

Закономерности биологического действия ии

1) Глубокие нарушения жизнедеятельности вызываются ничтожно малыми количествами поглощаемой энергии. Так, энергия, поглощённая телом млекопитающего животного или человека при облучении смертельной дозой, при превращении в тепловую привела бы к нагреву тела всего на 0,001°С. Попытка объяснить «несоответствие» количества энергии результатам воздействия привела к созданию теории мишени, согласно которой лучевое повреждение развивается при попадании энергии в особенно радиочувствительную часть клетки – «мишень».

2) Биологическое действие не ограничивается подвергнутым облучению организмом, но может распространяться и на последующие поколения, что объясняется действием на наследственный аппарат организма. Именно эта особенность очень остро ставит перед человечеством вопросы изучения Б. д. и. и. и защиты организма от излучений.

3) Характерен скрытый (латентный) период, т. е. развитие лучевого поражения наблюдается не сразу. Продолжительность латентного периода может варьировать от нескольких минут до десятков лет в зависимости от дозы облучения, радиочувствительности организма и наблюдаемой функции. Так, при облучении в очень больших дозах (десятки тыс.рад) можно вызвать «смерть под лучом», длительное же облучение в малых дозах ведёт к изменению состояния нервной и других систем, к возникновению опухолей спустя годы после облучения.

Действие ии на белки

Облучение белковых растворов приводит к:

• Нарушению первичной структуры белка (разрушение отдельных аминокислот, разрыв связей, отщепление карбоксильной группы);

• Изменению вторичной структуры;

• Нарушению конформации (свернутого состояния);

• Нарушению активного центра ферментов;

• Деструкции (нарушение или разрушение нормальной структуры);

• Денатурации (утрата трехмерной конформации).

Белок теряет способность выполнять свою биологическую функцию.

Действие ии на днк и липиды

ДНК:

- Разрыв водородных связей и частичная денатурация, повреждение нуклеотидов, возникновение межмолекулярных сшивок, одно-и двух нитевые разрывы.

- Структурные повреждения ДНК служат препятствием для нормального протекания процессов репликации, транскрипции и трансляции генетической информации.

Липиды:

- Реакция свободнорадикального перекисного окисления, что имеет особое значение в лучевых поражениях; перераспределение липидов и повышение их уровня в печени и крови.

- Окисление липидов приводит к нарушению проницаемости мембран, смещению ионных градиентов и ряду других патологических процессов. В митохондриях и микросомах накапливаются токсичные для клетки продукты окисления.

Изменения в клетке после облучения

• Повреждение механизма деления и хромосомного аппарата (самые ранние эффекты связаны с повреждением мембран);

• Остановка процессов обновления и дифференцировки клеток;

• Остановка процессов пролиферации и последующей физической регенерации тканей.

Клетки с медленными процессами менее чувствительные. Те, в которых биохимические процессы протекают активно – более подвержены поражению.

Радиочувствительность разных видов организмов

Более устойчивы одноклеточные организмы: дрожжи погибают при дозе 30000Р, амёбы —100000Р, а инфузории выдерживают облучение в дозе 300000Р.

Радиочувствительность высших растений тоже различна: семена лилии полностью теряют всхожесть при дозе облучения 2000Р,на семена капусты не влияет доза в 64000р.

По мере усложнения биологической организации объектов их устойчивость к радиации резко снижается.

• Обычно животные, облученные в дозе 5 - 10 Гр, живут в среднем (за некоторым исключением) от нескольких дней до нескольких недель. Лучевой синдром в этом диапазоне доз облучения назван «костномозговой» или «кроветворный», ибо решающее значение в его исходе имеет поражение кроветворной системы организма, в первую очередь костного мозга. В результате глубокого торможения процессов клеточного деления происходит опустошение костного мозга. На исход лучевой болезни существенно влияет способность кроветворных органов к восстановлению, которое зависит от количества сохранившихся стволовых клеток.

• В интервале доз от 10 до 100 Гр средняя продолжительность жизни млекопитающих практически не зависит от величины поглощенной дозы и составляет в среднем 3,5 сут. Эффект независимости средней продолжительности жизни от величины дозы облучения получил название «3,5-дневный эффект», а возникающий лучевой синдром - «желудочно-кишечный». Летальный исход этого синдрома связан с поражением слизистой кишечника и желудка, высокой чувствительностью к радиации быстро делящихся эпителиальных клеток, оголением ворсинок.

• Облучение в дозах, превышающих 100 Гр, приводит к гибели млекопитающих, наступающей в первые несколько дней или даже несколько часов. У гибнущих животных наблюдают явные признаки поражения центральной нервной системы, поэтому этот лучевой синдром называют «церебральный». Происходит резкое подавление жизнедеятельности нервных клеток, реакция которых на облучение принципиально отличается от реакции костного мозга и кишечника отсутствием клеточных потерь.

• Если поглощенная доза достигает 1000 Гр и более, животные гибнут сразу же «под лучом». Механизм такого поражения может быть связан с тем, что возникают массовые структурные поражения макромолекул. Иногда лучевой синдром, вызванный облучением в таких высоких дозах ионизирующей радиации, называют молекулярной смертью.