Презентация на тему "Ионизирующее излучение: основные термины, понятия, механизмы"

Содержание

• 
  Слайд 1

  Ионизирующее излучение: основные термины, понятия, механизмы

  Типы ионизирующих излучений, их взаимодействие с веществом (механизмы поглощения энергии). Относительная биологическая эффективность ионизирующих излучений, линейная передача энергии. Основные физические величины радиобиологии и единицы их измерения.

• 
  Слайд 2

  Основные физические величины радиобиологии и единицы их измерения

  Радионуклид - Радиоактивный нуклид (изотоп), ядро которого способно к радиоактивному распаду. Активность радионуклида – скорость, с которой происходит радиоактивный распад нуклеотида. В международной системе единицей активности является беккерель (Бк). 1 Бк = 1 распад в секунду. (Удельная активность (Бк/кг), коэффициент накопления или перехода (КН или КП)) Доза излучения (экспозиционная доза) измеряется для получения представления о количестве энергии ионизирующего излучения, падающей на объект за время облучения. Размерность экспозиционной дозы – это заряд, возникающий в единице массы поглотителя, в международной системе единиц - Кл/кг (кулон на килограмм). Также в настоящее время широко применяют внесистемную единицу – Р (Рентген). Доза облучения (поглощенная доза) – это величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу. В международной системе единиц поглощенная доза излучения измеряется в Греях (Гр). 1 Гр= 1Дж/кг. Мощность дозы. Эта величина характеризует скорость увеличения дозы за единицу времени. Измеряется в Гр/с или Кл/(кг * с). Эквивалентная доза, эффективная доза

• 
  Слайд 3

  Основные физические величины радиобиологии

• 
  Слайд 4

  Ионизирующее излучение

  Радиация (излучение) – энергия, испускаемая каким-либо источником (электромагнитное, тепловое, гравитационное, космическое, ядерное) Ионизирующее излучение - излучение с энергией выше потенциала ионизации (>10 эВ) – способно ионизировать атомы и молекулы поглотителя Ионизирующее излучение обладает двумя отличительными свойствами: - способно проникать через вещество; проходя через вещество взаимодействует с атомами и молекулами, что приводит к их возбуждению и ионизации;

• 
  Слайд 5

  Физическая природа ионизирующих излучений

  Типы ионизирующих излучений: Корпускулярные – частицы (электроны и позитроны - β-частицы; ядра атомов водорода – протоны, дейтерия – дейтроны, гелия - α-частицы и др.; нейтроны; нестабильные частицы – π+,-,0 -мезоны и др.) Электромагнитные - коротковолновое излучение (рентгеновское, гамма-излучение) -

• 
  Слайд 6

  Спектр электромагнитных излучений

• 
  Слайд 7

  γ - излучение

  Диапазон энергий гамма-квантов: 2,6 кэВ – 7,1 МэВ. Гамма-кванты испускаются ядрами атомов при изменении их энергетического состояния; при аннигиляции электрона и позитрона Если аннигилируют практически неподвижные е- и е+, то фотоны уносят энергию, равную сумме энергий покоя е- и е+, т.е. энергию 2mс2 = 2*0.511 МэВ = 1.022 МэВ, где m – масса электрона и позитрона. Фотоны разлетаются в противоположные стороны и каждый уносит энергию 0.511 МэВ.

• 
  Слайд 8

  Рентгеновское излучение (Х-лучи)

  тормозное, с непрерывным спектром – испускается заряженными частицами высоких энергий (обычно е-) при торможении в кулоновском поле ядра. Применяется в рентгеновских трубках; характеристическое, с линейчатым спектром - испускается атомом при заполнении вакансий на внутренних электронных оболочках, образованных в результате его взаимодействия с ускоренными электронами. Применяется для рентгено-структурного анализа Энергетический спектр фотонов у тормозного излучения как функция Eg 1917 г. Нобелевская премия за открытие характеристического рентгеновского излучения (Чарлз Баркле)

• 
  Слайд 9

  Синхротронное излучение (или магнитотормозное)

  Испускается: заряженными частицами, движущимися по круговым орбитам со скоростями, близкими к скорости света в вакууме. Изменение направления движения электрона происходит под действием магнитного поля. Рентгеновское, синхротронное и гамма-излучение при одинаковой энергии имеют одинаковые свойства и различаются только способом происхождения.

• 
  Слайд 10
  

  Нобелевские премии за исследования рентгеновских лучей и открытия, сделанные с их помощью (1901-1988 гг)

  в 1901 г. Нобелевская премия за открытие X-лучей (В.Рентгену); в 1913 г. Генри Мозли изучая рентгеновские спектры элементов доказал: порядковый номер элемента в периодической системе численно равен заряду ядра его атома. Но получить высшую научную награду Мозли не довелось: он трагически погиб через два года после своего открытия при высадке английского десанта в проливе Дарданеллы; в 1914 г. Нобелевская премия за открытие дифракции рентгеновских лучей (М. фон Лауэ); в 1915 г. Нобелевская премия за изучение структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей присуждена отцу и сыну Брэггам Уильям Генри и Уильям Лоренс, которые заложили основы рентгено-структурного анализа; в 1917 г. Нобелевская премия за открытие характеристического рентгеновского излучения (Чарлзу Баркле); Поскольку во время войны поездки были ограничены, церемонию награждения пришлось отложить, и только в 1920 г. Баркла смог прочитать свою Нобелевскую лекцию "Характеристическое рентгеновское излучение"; в 1922 г. Нобелевская премия за разработку теории периодической системы элементов, используя закономерности изменения рентгеновских спектров (Нильсу Бору); в 1922 г. Открытие элемента Гафний по рентгеновским спектрам (А.Довийе); в 1924 г. Нобелевская премия за исследования спектров в диапазоне рентгеновских лучей (К.Сигбану); в 1925 г. Открытие элемента Рений по рентгеновским спектрам (супруги Ноддак)

• 
  Слайд 11
  

  Нобелевские премии за исследования рентгеновских лучей и открытия, сделанные с их помощью (1901-1981 гг)

  в 1927 г. Нобелевская премия за открытие рассеяния рентгеновских лучей на свободных электронах вещества (А.Комптону). Артур Комптон в 1923 г. обнаружил эффект (назван его именем), который сыграл крайне важную роль в развитии квантовой теории в 20-х гг; в 1936 г. Нобелевская премия за вклад в изучение молекулярных структур с помощью дифракции рентгеновских лучей и электронов (П.Дебаю); в 1946 г. Нобелевская премия по физиологии и медицине Герману Меллеру за обнаружение и изучение мутаций под действием рентгеновских лучей; в 1964 г. Дороти Кроуфут-Ходжкин (англ) –НП по химии: методом рентгено-структурного анализа она определила строение белков и ряда биологически активных соединений. 1962 и 1988 гг – НП за открытие структуры молекул гемоглобина, дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и белков, соединений, ответственных за фотосинтез, лекарственных препаратов с помощью рентгеновских лучей; в 1979 г. Нобелевская премия за разработку метода осевой рентгеновской томографии (А.Кормаку и Г.Хаунсфилду); в 1981 г. Кай Сигбан (сын Карла Сигбана) - премия по физике за разработку рентгеновской электронной спектрометрии - метода широко применяемого в химических исследованиях.

• 
  Слайд 12
  

  Механизмы взаимодействия электромагнитного излучения (фотонов – квантовых частиц, не имеющих заряда) с веществом: Фотоэффект Комптоновский эффект (рассеяние) Образование пар Рэлеевское (когерентное) рассеяние; Фотоядерные реакции См. Кудряшов, 2003; Сивухин, 2006 (Атомная и ядерная физика)

• 
  Слайд 13
  

  Механизмы поглощения энергии фотонов Фотоэффект(только для длинноволновогорентгеновского излучения) Энергия падающего кванта полностью поглощается веществом, в результате появляются свободные электроны с кинетической энергией, равной энергии захваченного кванта за вычетом энергии выхода электрона

• 
  Слайд 14
  

  Эффект Комптона - упругое рассеяние падающих фотонов на электроне внешней орбиты

  Электрону внешней орбиты передается часть энергии фотона. Оставшуюся энергию уносят рассеявшиеся фотоны. Средняя энергия фотонов возрастает с увеличением энергии падающего излучения

• 
  Слайд 15

  Образование электрон-позитронных пар

  В результате взаимодействия кванта излучения с кулоновским полем ядра атома, квант исчезает и одновременно возникает пара частиц электрон-позитрон. Позитрон аннигилирует с электронами среды, с образованием вторичных гамма-квантов Вторичные гамма-кванты проходя через вещество теряют энергию за счет фотоэффекта или эффекта Комптона для фотонов с энергией > 1,022 МэВ, т.е.превышающей внутриатомные энергии связи

• 
  Слайд 16
  

  10-100 кэВ – фотоэффект; 0,3-10 МэВ – эффект Комптона; >10 МэВ – образование пар Поглощение фотонов в биологических тканях При действии рентгеновского и гамма-излучения первичная ионизация (возникновение атомов, утративших электрон вследствие фото- и Комптон-эффекта) мала по сравнению с ионизацией в результате действия вторичных электронов. Поэтому электромагнитное излучение считают косвенно ионизирующим. Относительная вероятность реализации вышеперечисленных механизмов при облучении биологических тканей представлена на рисунке В большинстве случаев при облучении биологических объектов энергия электромагнитного излучения находится в диапазоне 0.2-2 МэВ, поэтому наибольшую роль играет эффект Комптона

• 
  Слайд 17

  Использование ионизирующих излучений

• 
  Слайд 18

  2. Корпускулярное излучение

  Нейтроны (открыты в 1932 г): частицы с массой 1,0087 атомной единицы и нулевым зарядом Получают нейтроны в ядерных реакциях или при делении ядер урана и трансурановых элементов Свободный нейтрон нестабилен и распадается на протон, электрон и антинейтрино, Т1/2=918 с. Время жизни нейтрона в биологических тканях = 0,0002 с (в 4,5 млн раз меньше Т1/2) в зависимости от энергии частиц делится на группы: сверхбыстрые (энергия > 20 МэВ) быстрые (энергия 0,1-20 МэВ), промежуточные (0,5-100 кэВ), медленные (

• 
  Слайд 19

  Взаимодействие нейтронов с веществом:

  1) Упругое рассеяние(для быстрых нейтронов)– в результате соударения нейтрона с ядром атома кинетическая энергия нейтрона распределяется между ним и «ядром отдачи». Чем меньше масса ядра, тем больше энергии оно получит (водород). Р+ e- n Р+ n Быстрый нейтрон Протон отдачи Нейтрон с меньшей энергией В биологических тканях, богатых водородом, появляются «протоны отдачи», обладающие значительной кинетической энергией и зарядом, могут взаимодействовать с электронными оболочками атомов и вызывать ионизацию

• 
  Слайд 20
  

  2) Неупругое рассеяние (при энергии больше нескольких кэВ) Вся энергия нейтрона передается ядру Часть энергии нейтронов идет на возбуждение ядра, часть – на кинетическую энергию ядра. При переходе в основное состояние возбужденное ядро испускает гамма-кванты.

• 
  Слайд 21
  

  3) Радиационный (нейтронный) захват (для медленных нейтронов,

• 
  Слайд 22

  Особенности взаимодействия нейтронов с биологическими тканями

  не взаимодействуют с кулоновским полем атомов и молекул – проходят в веществе значительные расстояния, не меняя направления траектории Ионизация поглотителя происходи косвенным путем за счет высвобожденных вторичных тяжелых заряженных частиц – ядер отдачи и продуктов ядерных реакций на элементах ткани или специально вводимых изотопах (например 10В – в случае НЗТ) Наибольшее применение в радиобиологии имеют быстрые нейтроны, как наиболее глубоко проникающие в ткани (см. рис) Зависимость средней длины пробега нейтронов в биологической ткани от их энергии

• 
  Слайд 23
  

  Пример использования нейтронов для терапии злокачественных новообразований

  Нейтронно-захватная терапия (НЗТ) - - Новая технология (реализуется на реакторе ИРТ МИФИ) - Метод избирательного воздействия излучения на опухоль НЗТ использует тропные к опухоли препараты, содержащие нуклиды (10В или 157Gd), которые поглощая нейтроны, образуют вторичное излучение, губительное для опухолевых клеток Ядерные реакции в опухоли при процедуре НЗТ

• 
  Слайд 24

  Схема разрушения опухолевых клеток при НЗТ

• 
  Слайд 25

  Атомный центр Московского инженерно-физического института (АЦ МИФИ)

  Под руководством В.Ф.Хохлова (ГНЦ ИБФ), А.А.Портнова, К.Н.Зайцева активно проводятся исследования по высокоэффективному методу нейтрон-захватной терапии злокачественных опухолей на основе соединений, содержащих 10В и 157Cd. В опытах на крупных лабораторных животных со спонтанной меланомой в 80% случаев достигнута полная резорбция опухолей.

• 
  Слайд 26

  Карта МИФИ

• 
  Слайд 27

  Примеры лечения методом НЗТin vivo

  Меланома слюнной железы собаки до и после лечение методом НЗТ

• 
  Слайд 28

  Примеры лечения методом НЗТin vitro

  Схема экстракорпорального лечения рака кости методом НЗТ

• 
  Слайд 29

  -мезоны

  Заряженные частицы с энергией 25-100 МэВ. Нестабильны (Т1/2=2,54*10-8 с) МП протонов (в 6 раз) >Масса покоя (МП) -> МП е- в 273 раз, поэтому - рассеиваются меньше, чем электроны, но больше, чем протоны Проходят путь в тканях до полного торможения почти без ядерных взаимодействий, в конце пробега захватываются ядрами атомов ткани, что сопровождается «микровзрывом» - вылетом набора частиц (нейтронов, протонов, альфа-) Благодаря особенности взаимодействия с тканями широко используются в лучевой терапии

• 
  Слайд 30

  α-частицы (ядра атомов гелия, 4He – 2 протона+2 нейтрона)

  Альфа-распад характерендля тяжелых элементов (урана, тория, плутония, полония и др. – всего 40 естественных и около 200 искусственных). Периоды α-распада - от 10-7 с до 1017 лет , при этом кинетическая энергия α-частиц=2-9МэВ. При альфа-распаде атомный номер уменьшается на 2, а массовое число на 4 Pu 94 239 U 235 92 +  He 4 2 Рис. α-распад: а – распад 241Am; б – энергетическая схема распада 226Ra с переходом в основное и возбужденное состояния 222Rn

• 
  Слайд 31

  Взаимодействие альфа-частиц с веществом

  Пробег альфа-частиц в воздухе не превышает 11 см, в мягких тканях человека – микроны. (Макс.энергия – 8,8 МэВ – распад 210Ро) (Возможно ускорение до энергии в сотни МэВ, что приведет к увеличению длины пробега – использование в лучевой терапии) Альфа-частицы относятся к числу плотно-ионизирующих частиц

• 
  Слайд 32

  -частицыобразуются:

  90 Sr 38 90 Y 39 +   - При электронном -распаде происходит превращение нейтрона в протон, заряд ядра и его порядковый номер увеличиваются на единицу. Массовое число ядра не изменяется При позитронном -распаде происходит превращение протона в нейтрон, которое сопровождается выбросом позитрона. Заряд ядра и его порядковый номер уменьшаются на единицу. Массовое число ядра не изменяется 22 Na 11 22 Ne 10 +   +

• 
  Слайд 33

  Примеры β-распада

  а) β- - распад трития; б) β+ - распад углерода 11С; в) электронный захват 7Ве Простой β- - распад изотопа 32Р

• 
  Слайд 34

  Взаимодействие с веществом

  Бета частицы имеют разную энергию, поэтому их пробег в веществе неодинаков. При взаимодействии с атомами среды бета-частицы отклоняются от своего первоначального направления, сильнее, чем альфа-частицы. Их путь в веществе представляет из себя ломаную линию. Ионизирующая способность бета-частиц меньше, чем альфа-частиц. При прохождении вблизи положительно заряженных ядер, бета-частицы тормозятся и теряют энергию в виде тормозного рентгеновского излучения.

• 
  Слайд 35
  

  Взаимодействие заряженных частиц с веществом: Заряженная частица испытывает электростатическое взаимодействие, (притягивается или отталкивается) с электронами или ядром атомов, мимо которых пролетает, и теряет при этом энергию. Частица с энергией 1 МэВ испытывает около 105 взаимодействий, пока не потеряет всю энергию. Чем больше масса частицы, тем меньше она отклоняется от первоначального направления.

• 
  Слайд 36

  Относительная биологическая эффективность, ЛПЭ и поражение клеток

  С ростом ЛПЭ повышается поражаемость клеток и снижается их способность к восстановлению (рис.2) Дейтрон = дейтерий = 2Н (1 протон+1 нейтрон) ЛПЭ=19,4 , 570 ионов/мкм ЛПЭ=19,4 ЛПЭ=54,0 ЛПЭ=130, 3800 ионов/мкм ЛПЭ=0,2, 6 ионов/мкм Рис.1. Схематическое распределение актов ионизации вдоль треков заряженных частиц различной природы и энергии. С ростом ЛПЭ вероятность поражения увеличивается Рис. 2. Кривые выживания клеток почки человека, подвергнутых облучению. 1 – рентгеновское излучение, 2 – нейтроны, 3 - -излучение. Относительная биологическая эффективность увеличивается с ростом ЛПЭ (рис. 1)

• 
  Слайд 37

  Парадокс радиобиологии:

  Большое несоответствие между малой величиной поглощенной энергии и выраженностью реакции биологического объекта Н.В.Тимофеев-Ресовский Пример: при облучении человека массой 70 кг в абсолютно смертельной дозе 10 Гр поглощается всего 167 калорий, что при переводе в тепловую энергию будет соответствовать нагреванию организма человека на 0,001 о С,