🗊Ионизирующее излучение: основные термины, понятия, механизмы Типы ионизирующих излучений, их взаимодействие с веществом (механиз

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.

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

Основные физические величины радиобиологии

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;

Физическая природа ионизирующих излучений

Спектр электромагнитных излучений

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

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

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.

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)

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.

Фотоэффект Фотоэффект Комптоновский эффект (рассеяние) Образование пар Рэлеевское (когерентное) рассеяние; Фотоядерные реакции См. Кудряшов, 2003; Сивухин, 2006 (Атомная и ядерная физика)

Энергия падающего кванта полностью поглощается веществом, в результате появляются свободные электроны с кинетической энергией, равной энергии захваченного кванта за вычетом энергии выхода электрона Энергия падающего кванта полностью поглощается веществом, в результате появляются свободные электроны с кинетической энергией, равной энергии захваченного кванта за вычетом энергии выхода электрона

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

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

В большинстве случаев при облучении биологических объектов энергия электромагнитного излучения находится в диапазоне 0.2-2 МэВ, поэтому наибольшую роль играет эффект Комптона В большинстве случаев при облучении биологических объектов энергия электромагнитного излучения находится в диапазоне 0.2-2 МэВ, поэтому наибольшую роль играет эффект Комптона

Использование ионизирующих излучений

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 (< 0,5 эВ) тепловые (0,025 эВ при температуре +20 оС, скорость 2200 м/с)

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).

2) Неупругое рассеяние (при энергии больше нескольких кэВ) 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.

3) Радиационный (нейтронный) захват (для медленных нейтронов, <10МэВ) 3) Радиационный (нейтронный) захват (для медленных нейтронов, <10МэВ) нейтрон захватывается ядром с образованием короткоживущего высоковозбужденного ядра, которое переходит в стабильное состояние с образованием гамма-квантов (для легких ядер, водород), протонов или альфа-частиц (для более тяжелых ядер, азот).

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)

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

Схема разрушения опухолевых клеток при НЗТ

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.

Карта МИФИ

Примеры лечения методом НЗТ in vivo Меланома слюнной железы собаки до и после лечение методом НЗТ

Примеры лечения методом НЗТ in vitro Схема экстракорпорального лечения рака кости методом НЗТ

-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

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

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

-частицы образуются: При электронном -распаде происходит превращение нейтрона в протон, заряд ядра и его порядковый номер увеличиваются на единицу. Массовое число ядра не изменяется

Примеры β-распада а) β- - распад трития; б) β+ - распад углерода 11С; в) электронный захват 7Ве

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.

Заряженная частица испытывает электростатическое взаимодействие, (притягивается или отталкивается) с электронами или ядром атомов, мимо которых пролетает, и теряет при этом энергию. 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.

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)

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,