Глава 1. Основы действия ионизирующих излучений. Методы регистрации ионизирующих излучений

МОТИВАЦИОННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕМЫ

Знание основных характеристик ионизирующего излучения, особенностей взаимодействия с веществом различных видов излучения необходимо для понимания механизмов и закономерностей формирования лучевых повреждений организма человека и выбора метода защиты от действия ионизирующего излучения.

ОБЩЕЕ ВРЕМЯ ЗАНЯТИЙ: 4 часа

ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ

Усвоить характеристику основных видов ионизирующих излучений и базовую терминологию, особенности формирования лучевых повреждений человека и принципы дозиметрии.

ЗАДАЧИ ЗАНЯТИЯ

1) рассмотреть значение радиационной медицины в деятельности врача в связи со сложившейся в Республике Беларусь радиационной обстановкой;

2) закрепить знания по основам ядерной физики;

3) усвоить методы регистрации ионизирующих излучений;

4) усвоить особенности взаимодействия ионизирующих излучений с биологическими структурами;

5) усвоить основные принципы дозиметрии и радиометрии;

6) овладеть практическими навыками расчета прогнозируемого в разное время после радиационной аварии количества радионуклидов и оценки полученных результатов.

ТРЕБОВАНИЯ К ИСХОДНОМУ УРОВНЮ ЗНАНИЙ

Для полного освоения темы занятия необходимо знание основ физики и общей химии, адекватное представление о планетарной модели строения атома, понятиях «ионизирующие излучения», «нуклон», «атом», «изотоп», «радионуклид» и их основных характеристиках.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ИЗ СМЕЖНЫХ ДИСЦИПЛИН

1. Основные виды ионизирующих излучений.

2. Как определить число протонов, нейтронов, электронов пользуясь Периодической таблицей Д.И.Менделеева?

3. Чем отличаются изотопы одного элемента друг от друга?

4. Роль радиационного фактора в жизни человека и общества.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО ТЕМЕ ЗАНЯТИЯ

1. Содержание предмета «Радиационная медицина». Цели, задачи, методы радиационной медицины. Значение радиационной медицины в процессе формирования врачебных кадров для нужд профилактического здравоохранения республики.

2. Радиоактивность: понятие, суть явления, системная и традиционная единицы радиоактивности, их соотношение. Закон радиоактивного распада, его практическое использование для обоснования мероприятий по защите населения при авариях на ядерно-физических установках.

3. Типы радиоактивных превращений ядер: альфа-, бета-распад, К-захват и деление ядер. Примеры элементов, претерпевающих соответствующие типы радиоактивных превращений.

4. Характеристика корпускулярных видов излучения (альфа-, бета-частиц); их взаимодействие с веществом. Понятие о линейной передаче энергии.

5. Особенности взаимодействия с веществом нейтронов разных энергий. Явление наведенной радиоактивности.

6. Характеристика электромагнитных видов ионизирующего излучения (рентгеновского и гамма-излучения), их взаимодействие с веществом.

7. Методы регистрации ионизирующих излучений, их характеристика, используемые детекторы и приборы.

8. Общая и индивидуальная дозиметрия. Дозы: экспозиционная, поглощенная, эквивалентная, эффективная; системные и внесистемные (традиционные) единицы доз, соотношение между ними. Коллективные дозы.

9. Биологическая дозиметрия. Реконструкция полученных человеком доз.

УЧЕБНЫЙ МАТЕРИАЛ

Радиационная медицина – наука, изучающая особенности воздействия ионизирующего излучения (ИИ) на организм человека, принципы лечения лучевых повреждений и профилактики возможных последствий облучения населения, а также обоснование возможностей использования ионизирующих излучений в медицинских целях.

Цель радиационной медицины - предотвращение или сведение к минимуму возможных последствий облучения человека.

Задачами радиационной медицины являются определение общих закономерностей биологического ответа на воздействие ИИ, управление лучевыми реакциями организма и лечение лучевых поражений.

Ионизирующее излучение – высокоэнергетическое излучение, способное создавать разделённые электрические заряды из нейтральных атомов и молекул при прохождении через вещество. ИИ возникает при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе. К ИИ относятся: альфа-, бета-, гамма-, рентгеновское и тормозное излучения, потоки протонов, нейтронов, мезонов, осколки деления.

По природе ионизирующие излучения делятся на два основных вида:

а) корпускулярные: альфа- частицы, бета-частицы (электроны и позитроны), протоны, нейтроны, мезоны, осколки деления

б) электромагнитные: гамма-, рентгеновское и тормозное излучения

Основой характеристики ионизирующих излучений являются:

· для корпускулярных излучений — заряд частицы, ее масса и энергия;

· для электромагнитных излучений — энергия.

Радиоактивность – самопроизвольное превращение атомных ядер, приводящих к изменению атомного номера, массового числа или и того и другого вместе. Процесс сопровождается испусканием ИИ (корпускулярных или электромагнитных). К основным видам радиоактивных превращений относят: альфа-распад, все виды бета-распада и спонтанное деление ядер.

Альфа –распад заключается в испускании ядром альфа-частицы, которая представляет собой ядро гелия с массовым числом 4. Схему альфа распада можно записать в следующем виде:

m, n X—m-4, n-2 Y+ 4, 2 He

Бета-распад и электронный захват заключается в испускании ядром β + и β - частиц, а также в захвате ядром электрона из электронной оболочки атома (К- захват). Эти типы превращений обусловлены взаимным превращением в ядре протона и нейтрона при нестабильном их соотношении. Схемы бета-распада и электронного захвата можно записать в следующем виде:

β - распад m, n X – m, n+1Y+ β - +ν (нейтрино)

β + распад m, n X -- m, n-1 Y + β + + υ (антинейтрино)

К- захват m, n X + e- -- m, n-1 Y + KΩ

Спонтанное деление характерно только для наиболее тяжёлых ядер и заключается с делении ядра на два осколка со средними массовыми числами и испускании 2 или 3 нейтронов. При делении наибольшую вероятность выхода имеют нуклиды с массовыми числами А= 90-105 и А= 130-145. Образующиеся осколки деления являются радионуклидами и испытывают последовательный бета-распад до образования стабильных нуклидов.

Количественной мерой радиоактивности является активность- физическая величина, характеризующаяся числом радиоактивных распадов в единицу времени.

За единицу активности принята единица - Беккерель (Бк, Bq). 1 Бк равен активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1 с происходит 1 акт распада. Единица названа в 1975г. в честь французского учёного А. Беккереля (A. Becquerel, 1852–1908 г.).

В литературе встречается выведенная из употребления единица — Кюри (Ки, Ci), а также её производные: милликюри (10-3), микрокюри (10-6), нанокюри (10-9). 1 Ки составляет 3, 7∙ 10¹⁰ распадов в 1 секунду, т. е. 1 Ки = 3, 7× 10¹⁰ Бк, 1 Бк = 2, 7× 10^–11 Ки.

Активность уменьшается во времени по закону радиоактивного распада вида:

At = Ao e ^{–λ t}

At – активность на момент времни t

Ao – активность на начальный момент времени

λ - постоянная распада, с-1, равная ln 2/ T ½, где

T ½ -период полураспада

Постоянная распада и период полураспада являются характеристическими характеристиками радиоактивных элементов, по которым можно идентифицировать конкретный радионуклид, т.к. нет в природе радионуклидов с совпадающими значениями T ½.

Дозиметрия — это измерение дозы или ее мощности (т. е. дозы в единицу времени).

ИИ при взаимодействии со средой теряет свою энергию, которая расходуется на ионизацию и возбуждения атомов и молекул вещества. Поглощение энергии ИИ веществом является первопричиной всех радиационных эффектов. Количественной мерой воздействия ИИ на облучаемый объект является доза облучения. Доза- это результат именно взаимодействия ИИ со средой, т.к. одни и те же потоки частиц или энергии создают неодинаковые значения дозы в различных веществах. В качестве основной физической величины для оценки взаимодействия ИИ со средой принята:

Поглощенная доза (D) - это отношение средней энергии, переданной ИИ веществу в элементарном объёме, к массе вещества в данном объёме.

Единицей СИ поглощенной дозы является джоуль на килограмм (Дж/кг) со специальным наименованием грей (Гр, Gy). 1 Гр = 1 Дж/кг. Использовавшаяся ранее внесистемная единица- рад равна 0.01 Гр.

При воздействии на биологический объект различных видов облучения при одинаковой поглощённой дозе могут возникать различные биологические эффекты, вследствие различия в ионизационной способности излучений и неравномерности распределения по объекту облучения радиочувствительных биологических структур.Для характеристики взаимодействия ИИ с веществом введена величина- линейная передача энергии (ЛПЭ). ЛПЭ определяется как отношение средней энергии ИИ, переданной веществу при пробеге на элементарном пути, к длине этого пути:

ЛПЭ=dE / dL

В качестве единицы измерения ЛПЭ в СИ используется наноджоуль на метр воды (нДж/м), чаще используется более удобная в числовом отношении внесистемная единица кэВ/мм воды. В зависимости от величины ЛПЭ различают плотноионизирующие и редкоионизирующие излучения. К плотноионизирующим излучениям относятся альфа-излучение, протоны, нейтроны, осколки деления. К редкоионизирующим- бета-, гамма-, рентгеновское, тормозное излучения Точкой раздела между плотноионизизирующими и редкоионизирующими излучениями является величина 10 кэв/мм.

Сравнение биологических эффектов, вызванных различными видами излучений осуществляется при помощи относительной биологической эффективности(ОБЭ). ОБЭ- это отношение величины поглощённой дозы стандартного(электромагнитного с фиксированной энергией), вызывающего определённый биологический эффект, к значению поглощеной дозы данного излучения, вызывающего такой же биологический эффект:

ОБЭ= Дx /Дo

Наибольшее значение ЛПЭ, а также наименьшую проницаемость имеет альфа-излучение- оно задерживается листком бумаги. Наибольшую проницаемость имеют гамма-излучение и потоки нейтронов больших энергий. Для ослабления гамма-излучения используют тяжёлые металлы с большой плотностью, например, свинец, висмут, сталь.Аналогичная защита применяется для рентгеновского и тормозного излучения. Для ослабления потоков нейтронов и протонов используют вещества с малым молярным весом и большой плотностью, например, бетон, вода. Для поглощениябета- излучения наиболее эффективной является комбинированная защита, состоящая из тонких слоёв оргстекла, свинца и лёгкого металла, например, меди. Соответственно, величина ОБЭ является наибольшей для альфа-излучения, затем нейтроны, протоны, бета- и гамма-излучение. Все виды ИИ поглощаются биологической тканью неодинаково. Величины ЛПЭ И ОБЭ характеризуют и различают излучения по их поражающей способности для биологических объектов. Для уравнивания поглощённой энергии и биологических эффектов вводится понятие:

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ДОЗА (Н) - это количественная мера опасности различных видов излучения для биологических объектов:

H= W _R D _TR

где D _TR — средняя поглощенная доза от излучения R в ткани или органе T;

W _R — взвешивающий коэффициент для излучения R.

Единица измерения эквивалентной дозы зиверт (Зв, Sv), введена в 1979 г.; использовавшаяся ранее внесистемная единица — бэр (rem), равна 0, 01 Зв. Бэр- это биологический эквивалент рада.

Органы и ткани организма человека обладают различной радиочувствительностью. Часто возникают ситуации неравномерного облучения организма человека. Это происходит при попадании радионуклидом в организм и распределения по органам и тканям в зависимости от их химических и других свойств, или при внешнем облучении низкоэнергетическим излучением с заметным экранирующем эффекте тела человека. Учёт различия в радиочувствительности органов и тканей при неравномерном облучения организма осуществляется путём введения величины:

Эффективная доза (E) – мера риска отдалённых последствий облучения всего тела и отдельных его органов и тканей с учётом их радиочувствитьельности:

H_T — эквивалентная доза в ткани или органе T;

W_T — взвешивающий коэффициент для органа или ткани T.

Единица эффективной дозы — зиверт (Зв, Sv); использовавшаяся ранее внесистемная единица— бэр равна 0, 01 Зв.