Тема 4. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ РАДІОБІОЛОГІЇ 1 страница
4.1. Типи ядерних перетворень. Радіоактивність, одиниці її вимірювання
Типи ядерних перетворень. Ядра атомів стійкі, але міняють свій стан при порушенні співвідношення протонів і нейтронів. В легких ядрах повинно бути приблизно порівну протонів і нейтронів. Існують такі типи ядерних перетворень, або види радіоактивного розпаду: альфа-розпад, бета-розпад (електронний, позитронний), електронний захват і внутрішня конверсія.
Альфа-розпад супроводжується викидом з ядра нестійкого елемента α-частинки, яка являє собою ядро атома гелію. При цьому воно втрачає 2 прогони й 2 нейтрони і перетворюється в інше ядро, заряд якого менше на 2, а масове число на 4. Отже, при такому розпаді, відповідно із правилом зміщення, сформульованим Фаянсом і Содді (1913 р.), створений дочірній елемент зміщується вліво відносно материнського на 2 клітинки таблиці Менделєєва. Наприклад:
92238U→ 24He + 90234Th + Q
Бета-розпад. Якщо в ядрі є надлишок нейтронів («нейтронне перевантаження ядра»), то відбувається електронний (β-) розпад, при якому один із нейтронів перетворюється в протон, а з ядра вилітає електрон і антинейтрино. При цьому розпаді заряд ядра і номер збільшується на одиницю, а дочірній елемент здвинутий в таблиці Менделєєва на один номер вправо від материнського, а масове число залишається без зміни. Наприклад:
1940K→β- + 2040Ca + v
Якщо в ядрі є надлишок протонів, відбувається позитронний р' розпад. При цьому ядро викидає позитрон і нейтрино, а один із протонів перетворюється в нейтрон. Заряд ядра і атомний номер зменшуються на 1 і дочірній елемент зміщується на 1 номер вліво від материнського елементу в таблиці Менделєєва. Масове число залишається без змін. Наприклад:
1530P →β+ + 1430Si + v + Q
Позитрон, що вилетів з ядра, зриває з оболонки атома «лишній» електрон, або взаємодіє з вільним електроном, утворюючи пару «позитрон-електрон», яка миттєво перетворюється в 2 γ-кванти з енергією, еквівалентною масі частинок (е++е-). Процес перетворення пари в 2 γ-кванти отримав назву анігіляції (знищення), а виникаюче електромагнітне випромінення — анігіляційного. В даному випадку відбувається перетворення одної форми матерії — частинок речовини, в іншу форму — γ-фотони. Таким чином, при позитронному розпаді в кінцевому результаті за межі материнського атому вилітають не частинки, а два у-кванта, кожний з яких має енергію 0,511 МеВ, що дорівнює енергетичному еквіваленту маси спокою частинок — позитрону та електрону.
Електронний захват. Перетворення ядра може здійснюватись шляхом електронного захвату, коли один із протонів ядра захоплює електрон з одної із оболонок атома, частіше всього К-шару і рідше L-шару. Такий процес називають електронним к- або I-захватом. Порядковий номер нового ядра стає на одиницю меншим, при цьому дочірній елемент в періодичній таблиці Д.І. Менделєєва зміщується на 1 клітинку вліво від материнського.
Наприклад:
1940K + -10e → 1840Ar + v
Внутрішня конверсія. Суть внутрішньої конверсії полягає в тому, що ядро передає енергія збудження одному із електронів внутрішніх шарів (К, L, М) в результаті чого він виривається за межі атома. Такі електрони отримали назву електронів внутрішньої конверсії. Якщо енергія збудження перебільшує 1,022 МеВ, то перехід ядра в нормальний стан може супроводжуватись випроміненням пари «електрон-позитрон» з наступною їх анігіляцією. Після конверсії в електронній оболонці атома з'являється «вакантне місце вирваного електрона». Потім один із електронів з більш віддалених шарів і з більш високою енергією здійснює квантовий перехід на «вакантне» місце з виділенням характеристичного рентгенівського випромінення.
Радіоактивність — це мимовільне або штучне перетворення атомних ядер нестійкого ізотопу хімічного елемента з даного стану в інший ізотоп цього або іншого елемента, яке супроводжується виділенням енергії шляхом випускання елементарних частинок, у-квантів і ядер.
Основний закон радіоактивного розпаду стверджує, що за одиницю часу розпадається однакова частка ядер, що є в наявності. Розрізняють три види радіоактивності (активності):
1) поверхнева — Кі/км2; Бк/м2; розп/хв. з 1 см2тощо.
2) питома — Кі/кг; Бк/кг тощо.
3) об'ємна — Кі/л; Бк/л тощо.
Позасистемною одиницею радіоактивності є Кюрі (Кі).
Кюрі — це така кількість радіоактивної речовини (чи елемента), в якій за 1 с розпадається біля 37 млрд. атомів. 1 Кі = 3,7 • 10І0розп/с, або 2,22 • 1012 розп/хв. Таку радіоактивність мають 1 г 226Ка, або 3 т
238U, або 0,00001 г 131I
Таким чином, радіоактивність визначається не масою радіоактивного елемента, а величиною періоду його піврозпаду (238U - 4,5 млрд. років, а 131І—8,07 діб).
Похідними від Кі у бік зниження є: 1 мКі = 1 • 103Кі; 1 мкКі = 1 • 10-6 Кі; 1 нКі = 1 • 10-9 Кі; 1 пКі = 1 · 10-12 Кі; 1 аКі = 1 • 10-18 Кі.
За одиницю радіоактивності в системі СІ прийнятий Бекерель (Бк).
Беккерель — це така кількість радіоактивної речовини чи елемента, в якій за 1 с розпадається один атом. 1 Бк = 1 розп./с. Звідси 1 Кі = 3,7 • 1010Бк, а 1 Бк = 2,7 • 10-11 Кі.
Похідними від Бк є: 1 кБк = 1 • 103 Бк; 1 МБк = 1 • 106Бк.
Природна радіоактивність продукції рослинництва та тваринництва за 40К знаходиться в межах 1-9 • 10-9 Кі/кг, або 37-333 Бк/кг.
4.2. Характеристика іонізуючих випромінень та взаємодія їх з речовиною
Іонізуюче випромінення, проходячи крізь речовину, розтрачує свою енергію на іонізацію та збудження зустрічних атомів і поглинається цією речовиною. Енергію, витрачену зарядженою частинкою або фотоном електромагнітного випромінення на одиницю довжини їх пробігу в речовині, називають лінійною передачею енергії (ЛПЕ). В системі СІ її виражають в джоулях на метр. В радіобіології частіше використовують спеціальні одиниці і ЛПЕ виражають в кілоелектронвольтах (кеВ) на мікрометр шляху у воді (1 кеВ/мкм дорівнює 0,16 нДж/м).
Електронвольт (еВ) — одиниця вимірювання енергії, яку набуває електрон при проходженні електричного поля з різницею потенціалів 1 В.
Довжина пробігу залежить від енергії фотонного випромінення, заряду, маси і швидкості частинок; причому ця залежність різко збільшується із зниженням швидкості і збільшенням маси частинки.
Гамма-випромінення — це потік фотонів (квантів) електромагнітного випромінення з енергією вище 100 кеВ.
Енергія у-квантів, що випускаються ядрами після а-розпаду, звичайно не перевищує 5 МеВ, після електронного розпаду — 2,0-2,5 МеВ. При анігіляції античастинок вона складає 0,511 МеВ. В середньому енергія γ-випромінення різних радіоактивних елементів коливається в діапазоні 0,1-3 МеВ і рідко досягає 10 МеВ. у-кванти з енергією до 1 МеВ утворюють випромінення, яке назвали м'яким, а з енергією більше 1 МеВ — жорстким випроміненням. у-кванти, за рідким винятком, утворюють лінійчатий спектр випромінення, постійний для кожного елемента. Моноенергетичний спектр випромінення мають тільки деякі у-випромінюючі ізотопи (137Сs, 52Мn, І41Lа та інші), тому звичайно вказують їх середню енергію (E).
Гамма-кванти, не маючи заряду і маси спокою, викликають слабку іонізуючу дію, утворюючи 2-6 пар іонів на 1 см пробігу в повітрі. В залежності від величини енергії при взаємодії в речовиною вони можуть викликати такі ефекти: а) фотоелектричне поглинання — вибивання електронів з електронної оболонки атома з передачею їм всієї своєї енергії; б) комптон-ефект — вибивання електронів із зовнішньої електронної оболонки атома з передачею їм частини своєї енергії та зміною напрямку руху фотона — розсіювання; в) утворення пар — перетворення під дією сильного електричного поля ядра атома в пару «електрон-позитрон» з наступною анігіляцією. Вид взаємодії у-квантів з речовиною визначається атомним номером опромінюваної речовини та величиною їх енергії. При всіх трьох видах взаємодії у-кванта з речовиною утворюються швидкі вторинні електрони, які й викликають основну іонізацію атомів середовища.
| ХЛЙ-ТЇКГіаБС |
В зв'язку з тим, що імовірність зустрічі у-квантів з електронами атома мала, вони мають великі проникаючі властивості. В повітрі у-кванти проходять шлях у декілька сот метрів, в деревині — до 25 см, у свинці — до 5 см, в бетоні — до 10 см, у воді — десятки метрів, а живі організми вони пронизують наскрізь, являючи для них значну загрозу як джерело зовнішнього опромінення. ЛПЕ у воді у-квантів з енергією 1,3 МеВ дорівнює 0,3 кеВ/мкм, а при енергії 0,25 МеВ вона становить 2 кеВ/мкм. Як джерела γ-квантів в біологічних дослідженнях використовують 60Со, 125І, І29I,131І, І37Сs та інші.
Характеристика основних радіонуклідів, що використовуються в біологічних дослідженнях, наведена в таблиці 15.
Таблиця 15. Характеристика радіонуклідів, що використовуються в біологічних дослідах
|
Продовження табл. 15
|
Закінчення табл. 15
|
| ЕЗ — електронне захоплення; 2Rх — рентгенівське випромінення; 3ІП— ізомерний перехід. |
Рентгенівське випромінення — це електромагнітне випромінення, що складається з гальмівного та характеристичного випромінень, діапазон енергій котрих коливається в межах 0,12-200,0 кеВ, що відповідає довжинам хвиль 50-0,01 нм. У спектрі електромагнітних хвиль вони межують з ультрафіолетовими променями, довжина яких складає 50-2000 нм.
Гальмівне випромінення — це фотонне випромінення з безперервним спектром, що виникає при зменшенні кінетичної енергії заряджених частинок (електрони з енергією більше 15 кеВ) внаслідок їх гальмування в полі ядра атома важких елементів. Основними джерелами рентгенівського випромінення є рентгенівські апарати, котрі широко використовуються для проведення експериментів з рослинами та тваринами, а також у рентгенодіагностиці та радіаційній терапії. В рентгенівських апаратах є можливість регулювати енергію гальмівного випромінення, яка залежить від напруги на аноді рентгенівської трубки, та інтенсивність випромінення, що залежить від сили струму на катоді.
Джерелами гальмівного випромінення можуть бути деякі радіоактивні ізотопи, β-частинки яких при гальмуванні їх в полі ядер атомів важких елементів перетворюються в імпульси гальмівного випромінення, енергія яких дорівнює енергії Р-частинок. Інтенсивність такого випромінення значно нижча, ніж в рентгенівських апаратах.
Характеристичне випромінення — це фотонне випромінення з дискретним спектром, яке виникає при зміні енергетичного стану електронів атомів під впливом швидких електронів та β-частинок.
Поглинання енергії швидкого електрона електронними оболонками атома вольфраму чи молібдену, з яких виготовлений анод рентгенівської трубки, призводить до вибивання одного з електронів його внутрішніх шарів за межі атома. При цьому відбувається іонізація атома. На місце електрона, вибитого з внутрішнього шару, негайно переходить електрон з більш віддалених від ядра шарів. Цей перехід супроводжується випроміненням цілого ряду фотонів з різними значеннями енергії, характерними для кожного конкретного атому. Енергія цих фотонів може знаходитись у видимому спектрі, ультрафіолетовому та інфрачервоному спектрах в залежності від енергії частинок та порядкового номеру елемента. Тому даний вид випромінення називається характеристичним.
Взаємодія γ-випромінення з речовиною. Гамма-кванти при проходженні через речовину втрачають енергію в основному за рахунок трьох ефектів: фотоелектричне поглинання (фотоефект), комптонівське розсіювання (комптон-ефект) і утворення електрон-позитронних пар (рис. 1).
Відносна величина кожного з цих ефектів залежить від атомного номера поглинаючого матеріалу та енергії фотона.
Ефект фотоелектричного поглинання відбувається при низьких енергіях у-квантів, як правило до 10000 еВ.
При фотоефекті у-квант, вибиваючи електрон (частіше з К-шару), передає йому всю свою енергію і зникає, а електрон отримує енергію його енергію за мінусом енергії зв'язку електрона у атомі.
Приклад. Для іонізації одного атома необхідно:
а) в повітрі — 33-35 еВ
б) у воді------ 60 еВ
в) у м'якій біологічні тканині------ 68 еВ
Якщо енергія у-кванта становить 10 кеВ, то при іонізації в повітрі електрон отримає: 1000 еВ - 34 еВ = 966 еВ.
При більш високих енергіях у-квантів (100-200 кеВ) відбувається комптон-ефект. При цьому у-кванти, вибиваючи електрони, передають їм лише якусь частину своєї енергії, після чого міняють напрямок руху, тобто розсіюються. Цей процес продовжується до того часу, поки у-квант повністю не передасть свою енергію вибитому електрону і закінчується фотоефектом.
|
 |
| фотоелектрон |
| захоплення випадковим іоном (теплова енергія) |
| Рис. 1. Поглинання фотонного випромінення у біологічній тканині |
|
| електрон (с) |
| позитрон (є') |
| вторинний фотоелектрон |
| характеристичне випромінення з енергією ульт рафіолетового інфрачервоного , видимого спектру |
| Гамма-кванти з енергією від 1,022 МеВ до 20 МеВ в речовині під дією сильного електричного поля біля ядра перетворюються в пару «електрон-по- зитрон». В даному випадку електромагнітне випромінення перетворюється в корпускулярні частинки. Після чого пара «електрон-позитрон» зникає (анігілює), перетворюючись в два вторинних у-кванти з енергією, рівною енергетичному еквіваленту маси спокою часток 0,511 МеВ. |
Гамма-випромінення з енергією більше 20 МеВ можуть взаємодіяти з ядрами атомів (ядерний ефект), але вірогідність цього дуже мала.
Взаємодія корпускулярних частинок з речовиною. Заряджені частинки, проходячи через речовину, поступово витрачають енергію на іонізацію, тобто відрив електрона від атома (іонізаційні втрати) та на збудження атомів і молекул (радіаційні втрати), які потім проявляються у вигляді гальмівного випромінення.
Заряджені частинки різних видів але з однаковою енергією утворюють практично однакову кількість пар іонів (однакова повна іонізація).
Альфа-випромінення — це потік позитивно заряджених α-частинок або ядер атомів гелію. Альфа-частинки складаються з двох протонів і двох нейтронів, мають подвійний позитивній заряд, атомну масу 4,003 а. о. м. (6,664 • 10_27г), швидкість їх руху у вакуумі становить 9-25 · 103 км/с. Їх енергія коливається в діапазоні від 2 до 11 МеВ. Енергетичний спектр α-частинок монохроматичний або близький до нього і є характерним для кожного α-випромінюючого елемента.
Альфа-частинки випускають нестійкі ядра важких трансуранових елементів, які мають в періодичній системі Д.І. Менделєєва порядкові номери вище 82. Ядро при цьому втрачає два протони та два нейтрони і перетворюється в ядро іншого елемента, розміщеного на дві клітини ліворуч від материнського (α-розпад). Надлишкова енергія дочірнього ядра виділяється з γ-випроміненням.
Пробіг α-частинки в речовині прямопропорційний її енергії та оберненопропорційний густині речовини. Свою енергію α-частинки витрачають на іонізацію та збудження атомів середовища, утворюючи на 1 см шляху пробігу у повітрі 116000-254000 пар іонів. Щільність іонізації середовища різко збільшується наприкінці пробігу — виникає так званий пік Брегга. ЛПЕ α- частинок у воді складає до 260 кеВ/мкм. Довжина пробігу, який здійснюється а-частинкою до повної втрати енергії, досягає в повітрі 10 см, у воді та м'якій біологічній тканині — 0,10-0,15 мм (таблиця 16). Втративши енергію, а-частинка приєднує два електрони і перетворюється в атом гелію.
Бета-випромінення — це потік негативно заряджених електронів ядерного походження, які отримали назву р-частинки. Бета-частинки випускаються ядрами радіоактивних елементів при надлишку у їх ядрах нейтронів (електронний розпад). При цьому нейтрон перетворюється у протон з виділенням β-частинки і антинейтрино. При електронному розпаді утворюються дочірні продукти, що знаходяться в метастабільному стані і мають надлишок енергії, яка виділяється у вигляді γ-квантів. Розрізняють чисті β-випромінюючі радіоактивні елементи та змішані, при розпаді яких виділяються (β-частинки та в 20-80 % у-кванти.
Таблиця 16. Пробіг а-частинок (Я) в повітрі, біологічній тканині та алюмінії
| Еа, Мев | Повітря R, см | Біологічна тканина R, мк | Алюміній R, мк |
| 4.0 | 2.5 | 31.0 | 16.0 |
| 4.5 | 3.0 | 37.0 | 20.0 |
| 5.0 | 3.5 | 43.0 | 23.0 |
| 5.5 | 4.0 | 49.0 | 26.0 |
| 6.0 | 4.6 | 56.0 | 30.0 |
| 6.5 | 5.2 | 54.0 | 34 0 |
| 7.0 | 5.9 | 72.0 | 38.0 |
| 7.5 | 6.6 | 81.0 | 43.0 |
| 8.0 | 7 4 | 91 0 | 48.0 |
| 8.5 | 8.1 | 100.0 | 53.0 |
| 9.0 | 8 9 | 110 0 | 58 0 |
| 9.5 | 9.8 | 120.0 | 64.0 |
| 10.0 | 10.6 | 130.0 | 69.0 |
Маса β-частинки дорівнює масі електрона (0,00548 а. о. м. або 9,11 • 10-28г). Енергія β-частинок різних природних та штучних радіоактивних ізотопів має величезний діапазон: від 0,0015-0,05 МеВ (м'яке β-випромінення) до 3, рідше 12 МеВ (жорстке β-випромінення). При електронному розпаді з ядра разом з β-частинкою виділяється антинейтрино і енергія зв'язку ядра розподіляється між ними довільно. Тому величина енергії β-частинок одного й того ж елемента неоднакова, їх енергетичний спектр суцільний, або безперервний. Середня енергія β-частинок в спектрі дорівнює приблизно 1/3 їх максимальної енергії і позначається (Ер).
При взаємодії з середовищем β-частинка витрачає свою енергію на іонізацію та збудження зустрічних атомів (іонізаційні втрати енергії) та утворення гальмівного випромінення (радіаційні втрати енергії), котрі збільшуються із збільшенням атомної маси опромінюваної речовини. їх шлях в речовині звивистий, так як вони легко змінюють напрямок руху під впливом електричних полів зустрічних атомів. Пробіг β-частинок при Е 6-7 МеВ досягає в повітрі 25 м, в біологічній тканині — до 0,50 см. Вони утворюють 50-100 пар іонів на 1 см шляху в повітрі. ЛПЕ β-частинок у воді з середньою енергією 0,4 МеВ дорівнює 0,25 кеВ/мкм, наприкінці пробігу вона збільшується до 0,70 кеВ/мкм.
Довжина пробігу β-частинок (Кр) збільшується із збільшенням енергії (таблиця 17).
Таблиця 17. Максимальний пробіг β-частинок, Rβ
|