Практична робота №7.

Тема: «Визначення властивостей та основних механізмів взаємодії йонізуючого випромінювання з біологічними об’єктами»

Мета роботи: Визначення властивостей та основних механізмів взаємодії йонізуючого випромінювання з біологічними об’єктами. Визначення доз та потужності йонізуючого випромінювання, одиниць їх вимірювання. Набуття навичок роботи з різними видами дозиметрів. Дотримання правил техніки безпеки, охорони праці, професійної безпеки з вимірювальною дозиметричною апаратурою.

Обладнання: відеофільми, таблиці, дозиметри.

Теоретичні відомості.

Явище самовільного розпаду атомних ядер назване природною радіоактивністю, а речовини, що самовільно розпадаються, пе­ретворюючись на інші хімічні елементи, – радіоактивними.

Радіоактивне випромінювання супроводжується виділенням величезної кількості енергії. Помістивши ампулу з хлористим радієм у калориметр, П'єр Кюрі безпосередньо виміряв, що 1 г радію за 1 год виділяє понад 107 Дж енергії (за рахунок цієї енергії можна нагріти 25,5 г води на 1 °С), але ж ця енергія виділяється безперервно протягом сотень років!

Склад i властивостi випромiнювання:

-α-частинки- ядра гелiю, вилiтають з ядра, вiдбуваэться перетворення елементу в такий, що знаходиться на 2 клiтини лiвiше в таблицi Менделеєва, мають саму велику iонiзуючу здiбнiсть, але саму маленьку проникненiсть, не проходять через лист паперу.

-β-частинки- електрони з великими швидкостями, вилiтають з ядра, вiдбуваэться перетворення елементу в такий, що знаходиться на 1 клiтину правiше в таблицi Менделеэва, мають меншу iонiзуючу здiбнiсть, нiж α-частинки, але бiльшу проникненiсть- не проходять через кiлька мм металлу.

-γ-променi- електромагнiтнi хвилi, коротшi за рентгенiвськi, вилiтають з ядра, не вiдбуваэться перетворення елементу, iонiзуюча здiбнiсть сама маленька, а проникненiсть сама велика. Гамма-промені завершують шкалу електромагнітних хвиль. На сьогодні не­відоме електромагнітне випромінювання з меншою довжиною хвиль.

Променева хвороба. Дози випромінювання

Усі види радіоактивного випромінювання (α-, β- та γ-промені), а також протони, нейтрони, позитрони та рентгенівські промені при взаємодії з атомами й молекулами речовини йонізують їх. З цієї причини всі ці види випромінювання називають йонізуючими.

Заряджені частинки (α-частинки, протони, електрони та ін.) зумовлюють йонізацію атомів і молекул безпосередньо (первинна йонізація). Електрони, що вибиваються ними з електронних оболонок атомів, теж можуть спричинювати подальшу йонізацію нейтральних атомів (вторинна йонізація).

Рентгенівські й гамма-кванти можуть йонізувати атоми й молекули безпосередньо (явище фотоефекту). Але найчастіше спричинювана ними йонізація є вторинною. Рентгенівські та γ-кванти передають свою енергію вільним електронам, а ті вже, здобувши додаткову енергію, при зіткненнях з атомами зумовлюють їхню йонізацію.

Нейтрони, не маючи електричного заряду, не взаємодіють з електронними оболонками атомів і тому самі по собі первинної йонізації атомів та молекул не спричинюють. Не витрачаючи енергію на первинну йонізацію, нейтрони глибоко проникають усередину речовини і на своєму шляху спричинюють вторинні процеси, які й зумовлюють вторинну йонізацію атомів та молекул. Унаслідок цього, опромінювання тканин організму нейтронами виявляється навіть більш небезпечним, ніж опромінювання іншими видами йонізуючих випромінювань.

Йонізуюча здатність частинок залежить від їхньої кінетичної енергії та електричного заряду й оцінюється середньою кількістю пар йонів, які утворюються на 1 см їхнього пробігу в повітрі. Енергія α-частинок перебуває в межах 4 – 9 МеВ. Маючи таку енергію, вони породжують у повітрі близько 50000 пар йонів на 1 см пробігу. Завдяки цьому α-частинки інтенсивно витрачають свою енергію на йонізацію й тому проникають усередину речовини на порівняно невелику гли­бину; їхній пробіг у повітрі не перевищує 8 – 9 см. У м'які тканини тіла людини α-частинки заглиблюються на 0,1 мм. Але при потраплянні на слизові оболонки дихального та травного шляхів вони проникають значно глибше.

Енергія β-частинок значно менша, ніж енергія α-частинок і охоплює широ­кий спектр значень: від 0,01 до 3 МеВ. З цієї причини β-частинки створюють значно менше йонів на своєму шляху: близько 50 пар йонів на 1 см пробігу у повітрі. β-Електрони витрачають свою енергію не так інтенсивно, як α-частинки, і тому значно глибше проникають усередину речовини. Пробіг β-частинок у повітрі перебуває в межах від 20 см до ЗО м. У тканини людського організму вони проникають на глибину до 2 – 3 см.

Незважаючи на те, що енергія γ-фотонів може сягати 2,5 МеВ, їх первинна йонізуюча здатність невелика: на 1 см пробігу в повітрі вони створюють усього кілька пар йонів. Ось чому пробіг γ-фотонів у повітрі сягає десятків і навіть сотень метрів. γ-Фотони з великою енергією (жорстке γ-випромінювання) пронизують тіло людини наскрізь, а менш енергійні γ-фотони проникають у тканини на велику глибину. Це пояснюється тим, що γ-фотони не мають електричного заряду і йонізують атоми та молекули лише в разі прямого зіткнення з електронами. Але з урахуванням вторинної йонізації кількість атомів, йонізованих γ-фотонами, може бути досить значною.

Первинні процеси йонізації зазвичай не зумовлюють значних змін у тканинах організму людини. Згубна дія йонізуючого випромінювання пов'язана зі вторинними біохімічними реакціями, в які вступають продукти йонізації. При поглинанні тканинами енергії йонізуючого випромінювання молекули білків і нуклеїнових кислот частково йонізуються, а інші лише переходять у збуджений стан. Через невеликий проміжок часу збуджені молекули повертаються до нор­мального стану, а надлишок енергії випромінюють у вигляді фотонів ультрафіолетового світла, яке поглинають тканини організму. Загальна кількість енергії йонізуючого випромінювання, що поглинається при цьому тканинами, становить усього ≈ 250 Дж. Але навіть така порівняно невелика порція енергії випромінювання має катастрофічні наслідки для людини.

Річ у тому, що йонізовані молекули білків і нуклеїнових кислот стають хімічно активними. Вони вступають у взаємодію зі збудженими сусідніми мо­лекулами й відривають від них азотисті сполуки з пірамідином та групи SН. Ці групи атомів, відірвавшись від молекул нуклеїнових кислот і білків, вступають у хімічну реакцію з атомарним гідрогеном та атомами оксигену і радикалами ОН, що виникають при йонізації молекул води. Внаслідок цього утворюється нова молекула і новий радикал, який вступає в нову сполуку, руйнуючи сусід­ню молекулу білка чи нуклеїнової кислоти, і т. п. За рахунок порівняно неве­ликої кількості енергії випромінювання в організмі людини відбувається лан­цюгова біохімічна реакція, кінцевим результатом якої є руйнування структури молекул нуклеїнових кислот і білків. Поєднання цих двох факторів — первин­ної йонізації й ланцюгової біохімічної реакції — й призводить до виникнення променевої хвороби.

Проте руйнівна дія йонізуючих випромінювань на цьому не закінчується. Ушкоджені або зовсім зруйновані клітини організму втрачають свою біологічну здатність до поділу, внаслідок чого припиняються процеси регенерації клітин. Виникають необоротні мутації хромосом, які призводять до тяжких генетичних та онкологічних хвороб (переродження клітин).

Біологічну дію спричинює лише та частина йонізуючого випроміню­вання, яка поглинається тканинами організму. Та частина випромінювання, яка проходить крізь тканини, не поглинаючись, ніякого впливу на організм не має. Кількісною мірою опромінювання речовини є поглинута доза випромінювання.

Величина, що вимірюється кількістю енергії йонізуючого випромінювання, яка поглинається одним кілограмом речовини, називається поглинутою дозою випромінювання. Якщо речовина масою М поглинає ξ джоулів променевої енергії, то, очевидно, поглинута доза випромінювання становитиме:

1 грей дорівнює такій поглинутій дозі випромінювання, за якої 1 кг речовини поглинає 1 Дж енергії йонізуючого випромінювання.

Випромінювання, яке падає на тіло людини, частково поглинається, а частково проходить крізь нього й розсіюється в усіх напрямах, і тому безпосереднє вимірювання поглинутої дози практично неможливе. її визначають за допомогою непрямих вимірювань, виходячи з таких міркувань.

Усі види йонізуючого випромінювання спричинюють йонізацію атомів і молекул речовини, на що витрачається цілком певна кількість енергії. А тому, вимірюючи загальний заряд йонів q, які утворюються йонізуючим випромінюванням у речовині, можна оцінити й кількість променевої енергії, що поглинається нею. Найпростіше такі вимірювання можна виконати в повітрі, опромінюючи його рентгенівськими або γ-променями.

Величина, що вимірюється електричним зарядом одного знака, який виникає під час повної йонізаціії одного кілограма сухого й очищеного від пилу повітря під дією рентгенівських або γ-променів, називається експозиційною дозою випромінювання:

1 – це така експозиційна доза рентгенівського або γ-випромінювання, яка в 1 кг сухого й очищеного від пилу повітря спричинює утворення йонів кожного знака із загальним зарядом у 1 Кл.

Поряд із цим, у медицині ще й понині широко застосовують позасистемну одиницю експозиційної дози випромінювання — 1 рентген (1 Р). 1 Р дорівнює такій експозиційній дозі випромінювання, яка спричинює повну йонізацію 1 см³ сухого й очищеного від пилу повітря під дією рентгенівських або у-променів. Нескладний розрахунок показує, що

1 Р = 2,58 10^-4 Кл/кг.

Поглинута й експозиційна дози випромінювання пов'язані між собою про­стим співвідношенням:

(5)

де ƒ – коефіцієнт пропорційності, який називають енергетичним еквівалентом експозиційної дози випромінювання.

Енергетичний еквівалент експозиційної дози випромінювання в 1Кл/кг:

Енергетичний еквівалент експозиційної дози випромінювання в 1Р:

Дія іонізуючого випромінювання однакової енергії, але різного виду (наприклад, α-, β-, і γ-випромінювання) викликає різний біологічний ефект, так як ці випромінювання різняться своєю іонізуючою дією і проникненість. В радіобіології існує поняття еквівалентної дози, що оцінюється за біологічною дією. Вона дорівнює добутку поглиненої дози D_погл на коефіцієнт якості ви­промінювання k, який характеризує відносну біологічну активність даного випромінювання:

D_екв = k · D_погл

Коефіцієнт якості показує, в скільки разів ефективність біологічної дії даного виду випромінювання більше, ніж рентгенівського або γ-випроміню­вання, при однаковій дозі.

k – безрозмірна величина, тому еквівалентна доза випромінювання має ту ж розмірність, що і поглинена доза, але називається зівертом (Зв), 1Зв еквівалентний 1Гр.

Доза випромінювання, що має такий же біологічний ефект, як і доза в 1Р рентгенівського або γ-випромінювання, називається 1бер (біологічний еквівалент рентгена). Коефіцієнт k експериментально визначений для кожного виду випромінювання.

Коефіцієнти якості різних видів випромінювання:

1) рентгенівське, γ- і β-випромінювання 1

2) теплові нейтрони (~0,01еВ) 3

3) нейтрони (5еВ) 7

4) нейтрони (0,5 МеВ) 10

5) α-промені 20

Взаємодія випромінювання з речовиною починається з процесів іонізації атомів і молекул або їх збудження. Крім того α-частинки можуть взаємодіяти з ядрами, викликаючи ядерні реакції, а при гальмуванні електронів виникає гальмівне рентгенівське випромінювання. При попаданні позитронів в речовину відбувається їх взаємодія з електронами і в результаті анігіляції електрон-позитронної пари утворюється два γ-кванта. В тканинах організму β-частини проходять шлях 10-15мм, а α-частинки – 10-100мкм.

При попаданні γ-випромінювання в речовину можуть виникнути процеси, характерні для рентгенівського випромінювання (когерентне розсіяння, ефект Компотна, фотоефект), а також при великих енергіях γ-кванти – виникнення електрон-позитронної пари.

При взаємодії нейтронів з ядрами утворюються заряджені частинки і γ-кванти.

Наступним етапом будуть хімічні зміни в молекулах, тобто радіаційні пошкодження. Так в нуклеїнових кислотах відбуваються як зміни в окремих нукліотидах (розриви вуглець-вуглецевих зв’язків, окислення спиртових груп, розмикання кілець тощо), так і зміни в спіральній структурі (розриви ланцюгів ДНК, з’єднань ДНК – білок тощо), тому виникають або зміни окремих генів, або хромосомні мутації.

В білках пошкоджуються амінокислоти, тому втрачаються їх біологічні функції.

Пошкодження ліпідів в основному визвані перекісним окисленням ненасичених жирних кислот. Радіаційні пошкодження ліпідних молекул приводять до утворення альдегідів, спиртів, зшивок між молекулами.

Однак, в клітині існують спеціальні репараційні системи, які відновлюють пошкодженні молекули.

На сьогодні відомі репараційні системи для відновлювання ДНК і мембран. Але ці системи не здібні ліквідувати всі порушення, а іноді відбувається репарація, що призводить до пошкодження молекул.

Радіобіологічні ефекти можуть проявлятись як відразу після опромінення, так і через місяці, роки і навіть покоління. Наприклад, у людини з віддаленими наслідками опромінення можуть початись процеси утворення пухлини, ослаблення імунітету, скорочення часу життя, народження дітей з патологіями

Захист від йонізуючого випромінювання.

Небезпека для здоров'я людини, яка зумовлюється йонізуючими випро­мінюваннями, дуже велика й надзвичайно підступна. Патологічні процеси, що ви­никають в організмі людини під дією йонізуючих випромінювань, спочатку про­тікають майже зовсім безсимптомно. Але внаслідок того, що доза випромінювання поступово накопичується в організмі й не зникає сама по собі, патологічні зміни в тканинах організму, зрештою, стають катастрофічними через порівняно тривалий проміжок часу, коли вже сучасна медицина виявляється безсилою. І тому скрізь, де людина має справу з йонізуючими випромінюваннями, слід вживати спеціальних заходів для захисту від їхньої згубної дії. В медицині під час роботи з йонізуючим випромінюванням потрібно захищати від надмірної радіації не лише медичний персонал, а й хворих.

Найпростіший і найдешевший спосіб захисту від радіації є віддалення джере­ла йонізуючого випромінювання на достатньо велику відстань від працюючого персоналу. Доза випромінювання при цьому зменшується обернено пропорційно квадрату відстані до джерела радіації: . Проте такий метод захисту від радіації не завжди можливий. У цих випадках на шляху йонізуючого випроміню­вання установлюють шар речовини, яка інтенсивно його поглинає.

Захист від α-частинок досить простий: аркуш цупкого паперу або шар сухого повітря завтовшки в кілька сантиметрів повністю поглинають α-частинки. Але, працюючи з радіоактивними препаратами, потрібно стежити за тим, щоб α-частинки не потрапляли на слизові оболонки або всередину організму під час вживання їжі.

Для захисту від β-частинок використовують пластини з алюмінію, плексигла­су або скла завтовшки 5 – 6мм. Та справа ускладнюється тим, що при ударі швид­ких β-частинок об екрануючу пластинку виникає гальмівне рентгенівське випро­мінювання.

Захист від рентгенівського й γ-випромінювання, а також від нейтронів най­складніший, оскільки під час їх взаємодії з речовиною виникають вторинні про­цеси, які слід враховувати при розрахунках біологічного захисту від радіації. Для захисту від рентгенівського та γ-випромінювання застосовують речовини, до складу яких входять хімічні елементи з великим атомним номером: залізо, сви­нець, свинцеве скло (скло, яке містить свинець), баритова цегла. Радіоактивні препарати з високою інтенсивністю γ-випромінювання вміщують у спеціальний захисний блок – свинцевий контейнер або камеру.

Для захисту від нейтронів джерело потужного радіоактивного випромінюван­ня (ядерні реактори, прискорювачі заряджених частинок) оточують товстим ша­ром речовин, до складу яких входять елементи з малим атомним номером: вода, бор, кадмій, вуглець та спеціальний бетон, виготовлений із цементу з великим вмістом хімічно зв'язаної води та уламків чавуну і шматочків залізної руди. Бор, кадмій, вуглець та залізо інтенсивно поглинають нейтрони, а вода сповільнює швидкість нейтронів до швидкостей теплового руху її молекул. Нейтрони, які рухаються зі швидкостями теплового руху молекул навколишнього середовища (теплові нейтрони), вже не спричинюють вторинної йонізації атомів.

Під час роботи з радіоактивними препаратами застосовують маніпулятори – складні автоматичні пристрої, за допомогою яких можна дистанційно працювати з препаратом, не торкаючись безпосередньо до нього руками. Щоб зменшити по­глинуту дозу випромінювання до такого рівня, за якого не виникає жодного ризику для здоров'я, установлюється строго обмежений час перебування обслуговуючого персоналу на робочому місці залежно від інтенсивності йонізуючого випроміню­вання. Усі спеціалісти, що працюють з радіоактивними препаратами, проходять постійний медичний контроль. Кожен з них має при собі кишенькові дозиметри, які реєструють поглинуту дозу випромінювання протягом робочого дня або тижня. Якщо поглинута доза випромінювання наближається до гранично допустимої, пра­цівник тимчасово припиняє роботу з радіоактивними речовинами.

Дата добавления: 2015-09-03