Фізичні основи радіобіології. Взаємодія радіоактивних випромінювань з речовиною і її основні ефекти.

При взаємодії радіоактивного випромінювання з речовиною навколишнього середовища виникає цілий ряд фізичних і хімічних ефектів. Дослідивши ці ефекти, відкривши їхнї закономірності, радіобіологи навчилися використовувати їх у своїх різноманітних цілях: це виявлення і реєстрація усіх видів ядерних випромінювань, вибір матеріалів для захисту, оцінка біологічної дії якогось виду іонізуючого випромінювання. Як же взаємодіють різноманітні по природі випромінювання з речовиною? ВЗАЄМОДІЯ АЛЬФА- і БЕТА-ЧАСТИНОК. Ці заряджені частки іонізуючого випромінювання при проникненні, прольоті в речовині, взаємодіють з електронами атомів і електронним полем ядра атомів речовини і поступово утрачають свою енергію, передаючи її атомам речовини. У процесі взаємодії з електронами атомів кінетична енергія корпускул губиться, передається на ІОНІЗАЦІЮ, тобто на відрив електронів від атомів, і збудження нейтральних атомів і молекул і переведення їх у пари іонів. У випадку взаємодії часток іонізуючого випромінювання з електричним полем ядер атомів - частинка гальмується і змінює напрямок свого руху, при цьому відбувається випускання кванта випромінювання, по своїх характеристиках близького до рентгенівського і називаного ГАЛЬМІВНИМ РЕНТГЕНІВСЬКИМ ВИПРОМІНЮВАННЯМ. Втрата кінетичної енергії - так називані радіаційні втрати тим більше, чим більше атомний номер речовини, тобто більше порядковий номер, більша щільність. У практиці це використовується для добору захисного матеріалу екранів (якщо корпускули, то краще плексиглас, пластик, тому що велика частина енергії піде на іонізацію, а не на утворення повторного рентгенівського випромінювання, що є сильно проникаючим.)Можливість прямої взаємодії частинки з ядром надзвичайно мала, тому що розміри ядра дуже малі (1 на 500 тис. разів взаємодії). Енергетичну сторону процесу іонізації характеризує РОБОТА ІОНІЗАЦІЇ - середня робота, середня енергія, що витрачається на утворення 1 пари іонів. У повітрі це 35 ЕВ для альфа- і 34 ЕВ для бета-частинки. Якщо відома повна енергія частинки, по нижченаведеній формулі можна обчислити кількість пар іонів, що вона може утворити. I(кіл-ть пар іонів) = E(вся енергія): W(робота іонізації)Якщо ми маємо різні по природі, але однакові по енергії частинки випромінювання, то, як це очевидно з формули, ці частинки утворять приблизно однакову кількість пар іонів, тобто можна сказати, що вони мають ОДНАКОВУ ПОВНУ ІОНІЗАЦІЮ. Але при цьому ЩІЛЬНІСТЬ ІОНІЗАЦІЇ АБО ПИТОМОЇ ІОНІЗАЦІЇ, тобто кількість пар іонів, утворених за одиницю шляху пробігу, у цих часток є цілком різною. Відзначено, що щільність іонізації зростає зі збільшенням заряду частки і зменшенням її швидкості, що легко пояснюється: по-перше більшою силою взаємодії (більший заряд) і великим відрізком часу, коли ця взаємодія можлива (менша швидкість). Ці тенденції добре видні на графіку, відомому як крива Брегга. Варто мати на увазі, що відразу ж після початку взаємодії часток іонізуючого випромінювання з речовиною вони постійно знижують свою швидкість і енергію.

К-сть іонів

Довжина треку

Мал. 1. Крива Брегга або крива лінійної втрати енергії (ЛПЕ)

Процес іонізації йде до моменту повної втрати зайвої енергії частинками іонізуючого випромінювання, після якої альфа-частинка приєднує до себе, тобто ловить на орбіти два вільних електрони і перетворюється в звичайний атом Не (гелію), а бета-частинка поводиться, як звичайний вільний електрон, знаходить вільну орбіту в будь-якого атома речовини і займає її. Шлях частинки іонізуючого випромінювання, що вона проходить у речовині з утворенням пар іонів називається ПРОБІГ, ТРЕК. Альфа-частинка, у силу великої маси й енергії рухається прямолінійно і змінює траєкторію пробігу тільки в рідкісних випадках співудару з ядром атома. Бета-частинка, що у 7000 разів легше альфа-частинки, під час прольоту сильно відхиляється при взаємодії з електричним полем атомів речовини. При цьому спостерігається ЕФЕКТ РОЗСІЮВАННЯ, коли пучок бета-частинок у речовині розсіюється, розлітається в різні боки. У деяких випадках бета-частинки змінюють свою траєкторію на 180 градусів, тоді ми говоримо про ЕФЕКТ ОБЕРНЕНОГО РОЗСІЮВАННЯ, що вносить велику помилку при радіометричних дослідженнях проб, що поміщаються на металеві підложки. Через ефект оберненого розсіювання швидкість рахунку детектора радіометра зростає на 50% проти реальної активності. Крім цього, варто відзначити, що в альфа-частинок енергія завжди приблизно однакова, а бета-частинки утворяться із самими різними енергіями, що залежить від ряду причин. ВЗАЄМОДІЯ ГАММА-КВАНТІВ. Гамма-кванти утрачають свою енергію, тобто передають її атомам речовини за рахунок трьох ефектів: утворення электрон-позитронных пар, комптоновського розсіювання, фотоелектричного поглинання, причому, яким саме - залежить від енергії гамма-кванта, починаючи з найбільших енергій і йдучи по спадній. 1. (А) Якщо енергія гама-кванта більше 1 МЕВ, то взаємодія йде по шляху утворення в електричному полі ядра електрон - позитронних пар, що при взаємної анігіляції утворять декілька повторних гамма-квантів, із спільною енергією, рівною енергії одного батьківського гамма-кванта. 2. (Б) Якщо енергія гамма-кванта є в межах 1 - 0, 05 МЕВ, то взаємодія йде по шляху комптоновського розсіювання, або так називаного комптон-ефекту. Гамма-квант взаємодіє з електроном зовнішньої орбіти, передаючи йому частину своєї енергії, а сам змінює траєкторію пробігу й іде далі (розсіюється). Електрон із здобутим від гамма-кванта надлишком енергії летить з орбіти, переводячи свій атом в іон. Мало того, цей ЕЛЕКТРОН ВІДДАЧІ набуває такої кінетичної енергії, що й сам, зустрічаючись з іншим, сусіднім атомом робить ВТОРИННУ ІОНІЗАЦІЮ. 3. (В) Якщо в гамма-кванта залишається енергії вже менше ніж 0, 05 МЕВ то має місце фотоефект (фотоелектронне поглинання). У цьому випадку гамма-квант передає всю енергію, що залимшилась, електрону атома речовини, що знаходиться на внутрішній орбіті, а сам зникає. Електрон летить із внутрішньої орбіти, перетворюючи нейтральний атом в іон. На внутрішню орбіту, що звільнилася, переходить електрон із більш високоенергетичної високої орбіти, і т.д. до самого зовнішнього прошарку орбіт. Але при цьому надлишок енергії випромінює цим атомом у виді ХАРАКТЕРИСТИЧНОГО РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ.

ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА - Ознайомлення з принципом дії та діапазоном параметрів точності індивідуальних дозиметрів. Практична робота з дозиметрами класу ДП-23-А, наперсткових камер ДК-50-А, індивідуальними люмінесцентними дозиметрами (ІЛК).

Місце проведення: Лабораторія радіобіології кафедри терапії В зв‘язку з наявністю лише одного робочого місця кількість студентів на лабораторному занятті не може перевищувати 10 – 15 чоловік.

Кількість академічних годин - 4

Мета: Розкрити та пояснити питання про фізичні основи ветеринарної радіобіології, ефекти, що виникають при взаємодії часточок чи квантів іонізуючого радіаційного випромінення з атомами речовини. Навчити основам застосування приладів радіаційного контролю забрудненості та рівнів доз опромінення: дозиметр класу ДП-23-А,

дозиметр кишеньковий індивідуальний КІД-05, дозиметр індивідуальний люмінесцентний ІЛК, дозиметр індивідуальний фосфоскляний

Завдання: Дати навички роботи з приладами радіаційної розвідки: дозиметр класу ДП-23-А, дозиметр кишеньковий індивідуальний КІД-05, дозиметр індивідуальний люмінесцентний ІЛК, дозиметр індивідуальний фосфоскляний. Надати можливість самостійно виконати виміри.

Обладнання: Дозиметр класу ДП-23-А, Дозиметр кишеньковий індивідуальний КІД-05 Дозиметр індивідуальний люмінесцентний ІЛК. Дозиметр індивідуальний фосфоскляний. Еталонне джерело іонізуючого радіаційного випромінення з комплекту приладу СРП 68-01

Методологічне забезпечення: Курман А.Ф. Локес П.І., Супруненко К.В., Каришева Л.П. Кравченко С.О., Флегантова Б.Л., Бурда Т.Л., Улянко Н.С «Радіобіологія як наука, та її фізичні основи» Методичні вказівки для студентів факультету ветеринарної медицини з дисципліни «Ветеринарна радіобіологія» 35 екз.

Хід роботи з хронометрією:

I. В ході першого знайомства з лабораторією радіобіології кафедри терапії дається інформація про фізичні основи радіобіології. Взаємодію радіоактивних випромінювань з речовиною і ї основні ефекти. Крива Брегга, щільність іонізації. (час подачі інформації – 25 хвилин).

II. З застосуванням приладу «Дозиметр класу ДП-23-А» студенти отримують навички практичної роботи по визначенню дози індивідуального опромінення організму людини в зоні радіоактивного забруднення. Роботи проводяться за наступним алгоритмом: