ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ВЕТЕРИНАРНОЙ МЕДИЦИНЫ
КАФЕДРА ВЕТЕРИНАРНОЙ ГИГИЕНЫ И РАДИОБИОЛОГИИ
РЕФЕРАТ
по теме № 5: «Основные виды ионизирующих излучений и их характеристика»
Выполнила:
Студентка 3 курса ФВМ,
группы №1
Журак Алена Алексеевна
Санкт-Петербург, 2023
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
1. Виды ионизирующего излучения
2. Характеристика различных видов ионизирующего излучения
2.1 Альфа (б) лучи
2.2 Нейтронное излучение
2.3 Бета (в) - излучение
2.4 Гамма (г) - излучение
3. Взаимодействие радиоактивных излучений с веществом
3.1 Взаимодействие альфа и бета - частиц
3.2 Взаимодействие гамма-лучей
3.2.1 Фотоэффект
3.2.2 Комптонэффект
3.2.3 Образование электронно-позитронных пар
3.2.4 Закон ослабления гамма-излучений веществом
4. Основные эффекты взаимодействия нейтронов с веществом
4.1 Биологическое действие ионизирующих излучений
4.2 Особенности действия ионизирующего облучения на ткани
4.3 Теории прямого и непрямого действия
4.4 Теория «мишени»
4.5 Особенности патогенеза лучевых поражений
4.6 Действие излучений на клетку
4.7 Нарушение клеточного деления
4.8 Действие излучений на обмен веществ
Заключение
Литература
ВВЕДЕНИЕ
ионизирующий излучение клетка
Важнейшее свойство ядерных излучений -- их способность вызывать ионизацию атомов и молекул, в связи с чем ядерные излучения называют также ионизирующими излучениями. Ионизация -- это процесс образования положительно или отрицательно заряженных ионов или свободных электронов из нейтрально заряженных атомов или молекул.
Ионизирующее излучение используется в самых разных областях, таких как медицина, ядерная энергетика, научные исследования и промышленное производство, но представляет опасность для здоровья, если не принимаются надлежащие меры против чрезмерного облучения. Воздействие ионизирующего излучения вызывает повреждение клеток живой ткани и органов. В высоких острых дозах оно приводит к лучевым ожогам и лучевой болезни, а более низкие дозы в течение длительного времени могут вызвать рак [7].
Изучение влияния различных видов ионизирующего излучения (альфа, бета, гамма, нейтронное, рентгеновское) на организм домашних животных, проведение радиометрической и радиохимической экспертизы объектов ветеринарного надзора является важным аспектом ветеринарии и имеет большое значение для правильной оценки радиационной обстановки и оказания лечебно-профилактической помощи пораженным животным.
1. ВИДЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Радиоактивное излучение невидимо, но обнаруживается рядом объективных явлений. Наиболее характерными из них являются: фотохимические действие, возбуждение, люминесценция и ионизация вещества, в котором излучение поглощается. Радиация -- это процесс излучения веществом заряженных элементарных частиц, в виде электронов, протонов, нейтронов, атомов гелия или фотонов [9].
Рисунок 1. Виды ионизирующего излучения.
Было обнаружено, что радиоактивное излучение в поперечном магнитном поле разделяется обычно на три пучка. Один из них в магнитном поле не отклоняется и, следовательно, не имеет электрического заряда, два других в магнитном поле отклоняются в противоположные стороны, следовательно, они состоят из электрически заряженных частиц различного знака. Лучи, отклоняющиеся к отрицательно заряженной пластинке, условно были названы альфа-лучами, отклоняющиеся к положительно заряженной пластинке - бета-лучами, а лучи, которые совсем не отклонялись были названы гамма-лучами. Альфа, бета и нейтронное излучение -- это излучения, состоящие из различных частиц атомов (корпускулярные). Гамма и рентгеновское излучение -- это излучение энергии (электромагнитные). В процессе ядерного распада или синтеза происходит выброс элементов атома (протонов, нейтронов, электронов, фотонов), т.е. происходит излучение этих элементов [4].
2. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
2.1 Альфа (б) лучи -- это излучение тяжелых, положительно заряженных альфа-частиц (ядра атомов гелия), движущихся со скоростью 20000 км/с. Альфа - частицы - ядра, состоящие из 2-х протонов и 2-х нейтронов. Альфа - частицы имеют большую массу и обладают значительной энергией, но их проникающая способность не велика - их пробег в твердых и жидких средах составляет сотые доли мм. Они вызывают сильно выраженные эффекты ионизации и флуоресценции. Вся энергия альфа - частиц (на 1 см пути альфа- частицы образуют 100-250 тыс. пар ионов) передается клеткам организма, при взаимодействии с веществом альфа - частицы вызывают его значительную ионизацию. Альфа - излучение разрушает ткани, приводя к различным повреждениям живых клеток. Вследствие малой проникающей способности альфа - частицы могут быть полностью задержаны листом плотной бумаги, одеждой, слоем резины и хирургических перчаток, эпидермисом.
Из всех видов радиационного излучения, альфа - излучение обладает наименьшей проникающей способностью, но последствия облучения живых тканей данным видом радиации наиболее тяжелые и значительные по сравнению с другими видами излучения [5].
2.2 Нейтронное излучение -- это техногенное излучение, возникающие в различных ядерных реакторах и при атомных взрывах. Не обладая зарядом, нейтронное излучение, сталкиваясь с веществом, слабо взаимодействует с элементами атомов, поэтому обладает высокой проникающей способностью. Остановить нейтронное излучение можно с помощью материалов с высоким содержанием водорода, например, емкостью с водой. Также нейтронное излучение плохо проникает через полиэтилен.
Нейтронное излучение при прохождении через биологические ткани причиняет клеткам серьезный ущерб, так как нейтроны обладают значительной массой и более высокой скоростью, чем альфа - излучение [4,5].
2.3 Бета (в) - излучение - поток отрицательно заряженных частиц (электронов). В электрическом поле электроны отклоняются к положительному полюсу. Возникает при превращении одного элемента в другой, при этом процессы происходят в самом ядре атома с изменением свойств протонов и нейтронов. При бета - излучении, происходит превращение нейтрона в протон или протона в нейтрон, при этом превращении происходит излучение электрона или позитрона (античастица электрона). Скорость излучаемых бета - частиц приближается к скорости света. Металлический лист в несколько миллиметров может полностью остановить бета излучение. Если альфа - излучение представляет опасность только при непосредственном контакте с радиоактивным изотопом, то бета - излучение в зависимости от его интенсивности может нанести существенный вред живому организму на расстоянии несколько десятков метров от источника радиации. Бета - частицы имеют небольшую массу (они в 1840 раз легче протонов), но отличаются большой проникающей способностью -- в воздухе они могут пробегать путь длиной, измеряемой десятками сантиметров и даже несколькими метрами (в мягких тканях максимальный пробег бета - частиц достигает нескольких сантиметров). Бета - частицы средних энергий задерживаются оконным стеклом, подошвой обувью и т.п., но бета - частицы с энергией 0,07 МэВ уже могут пробить эпидермис. Поэтому даже при работе с мягкими бета - излучателями руки должны быть защищены перчатками, а от жестких бета-частиц с энергией 0,5 МэВ и выше следует защищаться экраном. Имея изначально высокую скорость излучения и малые размеры излучаемых элементов, бета - излучение таким образом обладает более высокой проникающей способностью, чем альфа - излучение, но обладает в сотни раз меньшей способностью ионизировать вещество по сравнению с альфа - излучением [6].
2.4 Гамма (г) - излучение сопровождает процесс распада атомов вещества и проявляется как излучаемая электромагнитная энергия в виде фотонов, высвобождающихся при изменении энергетического состояния ядра атома. Гамма - лучи излучаются ядром со скоростью света. Когда происходит радиоактивный распад атома, то из одних веществ образовываются другие. Атомы вновь образованных веществ находятся в энергетически нестабильном (возбужденном) состоянии. Воздействую друг на друга, нейтроны и протоны в ядре приходят к состоянию, когда силы взаимодействия уравновешиваются, а излишки энергии выбрасываются атомом в виде гамма - излучения, которое представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение. Гамма - лучи не отклоняются ни в электрическом, ни в магнитном поле. По свойствам это излучение близко к рентгеновскому, но обладает значительно большей скоростью и энергией. Характерная особенность гамма-излучения - исключительно высокая проникающая способность, оно с легкостью проникает сквозь одежду, живые ткани, немного меньше через плотные структуры вещества типа металла. Чтобы остановить гамма - излучение потребуется значительная толщина стали или бетона. Пробег гамма - квантов в воздухе может достигать 100 и более метров, в мягких тканях -- десятки сантиметров. При этом слой полуослабления для квантов с энергией 2,5 МэВ составляет в воздухе 200 м, в свинце только - 1,8 см, в бетоне - 10 см, а в дереве - 25 см. Слой свинца толщиной 40 см ослабляет энергию таких г -квантов в 107 раз. Биологическое действие гамма - радиации низкое [8,9].
2.5 Рентгеновское излучение -- это энергетическое электромагнитное излучение в виде фотонов, возникающие при переходе электрона внутри атома с одной орбиты на другую. Рентгеновское излучение сходно по действию с гамма -излучением, но обладает меньшей проникающей способностью,
3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ С ВЕЩЕСТВОМ
Обнаружение и регистрация всех видов ядерных излучений, выбор материала для защиты, оценка биологического действия излучения основаны на эффектах, которые возникают при взаимодействии излучений с веществом. Для понимания принципов этих явлений необходимо знать, каким образом различные по природе излучения взаимодействуют с веществом.
3.1 Взаимодействие альфа и бета - частиц
Заряженные частицы, проходя через вещество постепенно теряют энергию в основном в результате взаимодействия с электронами атомов, а также с электрическим полем ядра. В процессе взаимодействия с электронами атомов кинетическая энергия альфа и бета - частиц растрачивается на ионизацию, т.е. на отрыв электронов от атомов и на возбуждение атомов и молекул (ионизационные потери энергии). Взаимодействуя с электрическим полем ядра, заряженная частица тормозится и меняет направление своего движения, при этом происходит испускание излучения, которое по своей характеристике близко к рентгеновскому и называется тормозным рентгеновым излучением. Уменьшение кинетической энергии заряженных частиц в электрическом поле ядра составляет радиационные потери, которые будут тем значительнее чем больше порядковый номер атомов среды (плотность вещества) и энергия частиц. Исходя из этого в практической работе для защиты от бета-излучения целесообразно использовать материалы малой плотности (плексиглас, стекло, полимеры и т.п.) [8]. Величиной, определяющей энергетическую сторону процесса ионизации, служит так называемая работа ионизации - средняя работа, затрачиваемая на образование одной пары ионов. Для воздуха этот показатель составляет в среднем 35 эВ для альфы и 34 эВ для бета - частиц. Если известна энергия заряженной частицы, легко можно подсчитать полную ионизацию, т.е. количество пар ионов, образованных на всем пути частицы: J = Е/W, где Е - энергия частицы, W - средняя энергия, затраченная на образование одной пары ионов [2]. Заряженные частицы различные по природе, но с одинаковой энергией образуют практически одинаковое число пар ионов (одинаковая полярная ионизация). Однако плотность ионизации или удельная ионизация, т.е. число пар ионов на единицу пути частицы в веществе, будет различная. Плотность ионизации возрастает с увеличением заряда частицы и с уменьшением ее скорости. Это обусловлено тем, что частицы с большим зарядом сильнее взаимодействуют с электронами, а частицы, обладающие меньшей скоростью, большее время находятся вблизи электронов, и их взаимодействие с ними также оказывается более сильным. Удельная ионизация у альфа - частиц самая большая из всех ядерных излучений. В воздухе на 1см пути альфа - частица образует несколько десятков тысяч пар ионов, в то время как бета - частицы- 50-100 пар ионов [2,4]. Проходя через вещество заряженные частицы постепенно теряют энергию и скорость, поэтому плотность ионизации вдоль пути частицы возрастает и достигает наибольшей величины в конце пути. Процесс ионизации будет происходить до тех пор, пока энергия альфа и бета-частиц будет способна производить ионизацию. В конце пробега альфа-частица присоединяет к себе 2 электрона и превращается в атом гелия, а бета-частица (электрон) может включиться в один из атомов среды или на какое-то время остается свободным электроном. Путь, проходимый альфа или бета- частицей в веществе, на протяжении которого она производит ионизацию, называется пробегом частицы. Пробег альфа - частиц в воздухе может достигать 10 см, а в мягкой биологической ткани -- несколько микрон. Пробег бета - частиц в воздухе достигает 25 см, а в биологической ткани до 1см. Распространяются альфа-частицы в веществе прямолинейно и изменяют направления движения только при соударениях с ядрами встречных атомов. Бета - частицы, имея малую массу (в 7000 раз легче альфа - частиц), большую скорость и отрицательный заряд, значительно отклоняются от первоначального направления в результате соударения с орбитальными электронами и ядрами встречных атомов (эффект рассеяния). Претерпевая многократное рассеяние бета - частицы, могут даже двигаться в обратном направление - обратное рассеяние. Эффект обратного рассеяния наблюдается при радиометрии исследуемых препаратов, если пробу наносить на подложку из материала большей плотности. Вследствие значительного рассеяния бета-частиц в веществе истинная длина пути в 1,5-4 раза больше их пробега. Таким образом, путь и пробег при характеристике бета - излучения имеют разное значение, путь бета-частиц всегда больше, чем, пробег [2]. Следует отметить еще одно различие прохождения альфа и бета - частиц через вещество. Поскольку все альфа - частицы, испускаемые данным радиоактивным изотопом, обладают относительно равной энергией и движутся в веществе прямолинейно, то число альфа - частиц в параллельном пучке, проходящем через единицу поверхности поглотителя, резко падает до нуля лишь в конце пробега. Спектр же бета - частиц непрерывен, поэтому с увеличением толщины поглотителя число бета - частиц в параллельном пучке, проходящем через единицу поверхности уменьшается постепенно, так как бета - частицы различной энергии будут поглощаться различными слоями поглотителя. Ослабление интенсивности потока бета - частиц в веществе приблизительно подчиняется экспоненциальной зависимости [5].
3.2 Взаимодействие гамма-лучей
При радиоактивном распаде ядра испускают гамма-кванты с энергией в пределах от нескольких КэВ (килоэлектроновольт) до нескольких МэВ (мегаэлектронвольт).
Гамма-кванты при прохождении через вещество теряют энергию в результате проявления практически трех эффектов:
1. Фотоэлектрического поглощения (фотоэффект),
Комптоновского рассеяния (комптоноэффект)
3.3 Образование электронно-позитронных пар (образование пар).
3.3.1 Фотоэффект
При фотоэлектрическом поглощении г -квант, сталкиваясь с прочно связанным электроном (чаще с электронами К-слоя) в атомах излучаемого вещества, полностью передает ему свою энергию, сам исчезает, а электрон приобретает кинетическую энергию, равную энергии г -кванта минус энергия связи электрона в атоме. Таким образом при фотоэффекте вся энергия первичного г -кванта преобразуется в кинетическую энергию фотоэлектронов, которые ионизируют атомы и молекулы. На освободившееся место в орбите К-слоя перескакивает электрон l-слоя, на l-слой - электрон М-слоя и т.д. с высвечиванием кванта характеристического рентгеновского излучения. Фотоэлектрическое поглощение преобладает тогда, когда энергия г -кванта не превышает 0,05 МэВ, а поглотитель представляет собой вещество с большим атомным номером (например свинец). Процесс фотоэффекта невозможен на слабосвязанных и свободных электронах (не связанных с атомом), так как они не могут поглощать г -кванты. В воздухе, воде и биологических тканях фотоэлектрическое поглощение составляет 50% при энергии г -квантов порядка 60 кЭВ. При энергия г - квантов 120 КэВ фотоэлектрическое поглощение составляет около 10%, а начиная с 200 КэВ, этим процессом логично пренебречь. В этом случае г -излучение ослабляется за счет комптоновского рассеяния [2,5,8].
3.2.2 Комптонэффект [6,9]
При комптоновском эффекте г -кванты сталкиваясь с электронами, передают им не всю свою энергию, а только часть ее и после соударения изменяют направление своего движения, т.е. рассеиваются. Образовавшиеся вследствие соударения с г -квантами электроны (электроны отдачи) приобретают значительную кинетическую энергию и растрачивают ее на ионизацию вещества (вторичная ионизация). В отличии от процессов фотоэлектрического поглощения при комптонэффекте г-кванты взаимодействуют с внешними, валентными электронами, энергия связи которых минимальная. Комптоновское рассеивание возможно на свободных электронах. Таким образом в результате комптонэффекта интенсивность г -излучение ослабляется за счет того, что г-кванты, взаимодействуя с электронами среды рассеиваются в различных направления, и выходят за пределы первичного пучка, а также за счет передачи электронам части своей энергии.