Рентгеновское излучение. Элементы квантовой биофизики. Лекция №5 (1 курс)

1.

Кафедра медицинской и биологической физики
РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.
ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ
БИОФИЗИКИ
лекция №5
для студентов 1 курса, обучающихся по специальности
31.05.02 - Педиатрия
к.ф.-м.н., доцент Романова Н.Ю.
Красноярск, 2024

2. Цель лекции:

Рассмотреть:
Рентгеновское
излучение, его
характеристики,
особенности и
использование в
медицине и биологии.

3. План лекции

1. Актуальность темы.
2. Характеристическое и тормозное рентгеновское
излучение.
3. Взаимодействие рентгеновского излучения с
веществом (когерентное и некогерентное
рассеяние, фотоэффект).
4. Дифракция рентгеновских лучей на
пространственных структурах.
Рентгеноструктурный анализ биологических
объектов.
5. Закон ослабления рентгеновского излучения.
Защита от излучения.
6. Использование рентгеновского излучения в медицине.

4.

5. История открытия

Данное излучение было
открыто в 1895 году
немецким
физиком
Вильгельмом Рентгеном. В
1901 за это открытие он
первый среди физиков
был удостоен Нобелевской
премии.

6. Диапазон рентгеновского излучения

3·1016 – 3·1019 Гц
электромагнитные волны с длиной
волны l от 10-3 до 100 нм.
1 нм=10-9м

7. Свойства рентгеновского излучения

Большая проникающая
способность
Является ионизирующим, вызывает
лучевую болезнь, лучевой ожог,
злокачественные опухоли.
Вызывает у некоторых веществ
свечение (флюоресценцию)

8. Источники рентгеновского излучения

• Рентгеновская трубка.
• Ускорители заряженных частиц.
• Радиоактивный распад ядер.
• Звезды и галактики.
Рентгеновское изображение Кассиопеи

9. Устройство рентгеновской трубки

Основными конструктивными элементами таких трубок являются
металлические катод и анод (ранее называвшийся
также антикатодом). В рентгеновских трубках электроны,
испущенные катодом, ускоряются под действием разности
электрических потенциалов между анодом и катодом
(при этом рентгеновские
лучи не испускаются, так
как ускорение слишком
мало) и ударяются об
анод, где происходит их
резкое торможение.

10.

Электроны,
ускоренные
электрическим полем
между
анодом
и
катодом,
взаимодействуют с веществом
анода. При этом возникает
рентгеновское излучение.
РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Напряжение в
рентгеновской
трубке от 1 до 500 кВ
ТОРМОЗНОЕ
ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЕ
Свободные
электроны
движущиеся
с большим
ускорением
Электроны внутренних
оболочек атомов,
изменяющие свои
состояния.

11.

Анод
Для
анода
необходимо
использовать материал с высокой
температурой плавления и
низкой упругостью паров при
высокой температуре. Чаще
всего
для
этого
применяют
вольфрам.
В рентгеновское излучение превращается примерно 5%, остальная
энергия выделяется в виде тепла. Поэтому анод изготавливается из
тугоплавкого материала.
Катод
Нить накала нагревает катод, который
в
следствии
термоэлектронной
эмиссии испускает электроны.
Рентгеновское излучение

12. Рентгеновское излучение

возникает вследствие интенсивного торможения быстрых
электронов в веществе анода при столкновениях с его
атомами (взаимодействие с электрическим полем
атомного ядра и электронов).

13. Спектр тормозного рентгеновского излучения

Излучение, возникающее при торможении электронов в
веществе анода, называется тормозным
(Bremsstrahlung).
Свойства тормозного
излучения:
Излучение испускается в виде
квантов с энергией
c
h h
l
eU = h + Q
Энергия всех электронов,
испускаемых катодом,
одинакова и равна работе поля:
Ek e U

14. Спектр тормозного рентгеновского излучения

Кинетическая энергия электрона расходуется на
нагревание вещества и на испускание рентгеновского
кванта:
eU Q + h
Соотношение между Q и
h случайно, поэтому
рентгеновские кванты, порождаемые различными
электронами имеют различные частоты.
Поэтому спектр тормозного рентгеновского излучения
является сплошным.

15. Спектр тормозного рентгеновского излучения

Со стороны коротких длин волн спектр резко обрывается на некой
l
длине волны min.
Т.к. энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле eU,
полностью переходит в энергию фотона h :
eU h max h
hс
l min
eU
уменьшается
при росте
напряжения
с
l min
сплошной
lmin
1, 24
l min
U
( l в нм, U в кВ )
Коротковолновая
граница рентгеновского
излучения

16. Поток энергии тормозного рентгеновского излучения

Ф kIU Z [Вт]
2
где k=10-9 Вт/(В2А)
Зависимость от
температуры катода
Зависимость от
напряжения анода
Фλ
Зависимость от
порядкового
номера вещества
анода

17. Спектр характеристического рентгеновского излучения

при увеличении
напряжения на
рентгеновской трубке на
фоне сплошного спектра
появляется линейчатый,
который определяется
материалом анода.
Характеристическое рентгеновское излучение возникает при
проникновении электронов вглубь атомов и выбивании ими
электронов с внутренних оболочек. В результате чего излучаются
рентгеновские кванты только определенных частот, зависящих от
материала катода.

18. Закон Мозли

Henry Moseley
корень квадратный из частоты
характеристического
излучения есть линейная
функция порядкового номера
элемента:
ν A Z B
Где
ν — частота спектральной линии,
Ζ — атомный номер испускающего элемента,
А, В — константы.

19. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом

Когерентное рассеяние
h <Aи
Фотоэффект
h Aи
Некогерентное рассеяние
h >> Aи
Aи – работа ионизации

20. ПЕРВИЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ:

Ионизация и возбуждение молекул.
Увеличение скорости движения молекул.
Люминесценция.
Химические процессы.
радиолиз воды!

21. Когерентное рассеяние

h < Ai
Фотоэффект
h Ai
h >> Ai
Некогерентное рассеяние
(Эффект Комптона)

22. Закон ослабления

0 e
μ - линейный коэффициент
ослабления
μ = μк +μф + μнк
μm = μ/r - массовый
коэффициент ослабления.
μ
3
3
= kl Z
m

23. Рентгеноструктурный анализ

Формула Вульфа-Бреггов:
2d·sin = kl
где
d — межплоскостное расстояние в
кристалле,
θ — угол между плоскостью
кристалла и падающим
рентгеновским лучом (угол
скольжения), λ — длина волны
рентгеновского излучения.
метод определения структуры вещества по
исследованию закономерностей дифракции
рентгеновского излучения на изучаемых образцах.
поликристалл

24.

metaboutd opRedfromtRattotcheers inyetestina on
research
hatoheaboutmeasu difrashares
RentGenaboutin resnaboutstay
andhstuden
WithtoaboutGa
ts
bout samples.

25. Защита от ионизирующего излучения

1) временем
2) расстоянием
Для минимизации поражающего действия необходимо
находиться, как можно дальше от источника излучения и по
возможности меньшее время.
Если это невыполнимо, то необходима защита
3) материалом
(бетон толщиной 1-2 м, свинец 1-2 см)
в рентгеновских кабинетах часто используют резиновый
просвинцованный фартук.

26. Применение рентгеновского излучения

при диагностике рентгеновское излучение с
энергией фотонов от 60 до 120 кэВ,
при терапии - 150-200 кэВ.
(1 эВ=1,6 · 10-19Дж)

27. Рентгенография

объект помещают на кассету, в которую вложена
пленка
со
специальной
фотоэмульсией.
Рентгеновская
трубка
располагается
над
объектом.
Это получение суммарного проекционного
изображения анатомических структур организма
посредством
прохождения
через
них
рентгеновских лучей и регистрации степени
ослабления рентгеновского излучения.
Преимущество - это малое время облучения
(меньшая доза), а недостаток — объект нельзя
проследить в динамике.

28.

При флюорографии на
чувствительной малоформатной
пленке фиксируется изображение с
большого экрана.
Снимки рассматриваются на
специальном увеличителе.
Рентгеноскопия- рентгеновская трубка
расположена позади пациента. Перед ним
располагается флуоресцирующий экран.
На экране наблюдается теневое
изображение.
В каждом отдельном случае подбирается
соответствующая жесткость излучения, так
чтобы оно проходило через мягкие ткани,
но достаточно поглощалось плотными.
Иначе получается однородная тень.

29. Рентгеновская компьютерная томография

– вид обследования, позволяющий
изображение плоского сечения тела
несколько мм.
получить
толщиной

30.

Компьютерная томография позволяет различать
элементы с перепадом плотности до 1%,
обычная рентгенография – 10-20%.

31.

Кафедра медицинской и биологической физики
Радиоактивность. Элементы
дозиметрии.
лекция № 8
для студентов 1 курса, обучающихся по специальности
31.05.02 - Педиатрия
к.ф.-м.н., доцент Романова Н.Ю.
Красноярск, 2024

32. Цель лекции:

ЦЕЛЬ ЛЕКЦИИ:
Ознакомить обучающихся с:
понятием радиоактивности, видами радиоактивности;
основами дозиметрии ионизирующего излучения
способами защиты от проникающей радиации

33. План лекции:

ПЛАН ЛЕКЦИИ:
Явление радиоактивности.
2. Виды радиоактивного распада.
3. Закон радиоактивного распада.
4. Дозиметрия ионизирующего излучения.
5. Использование радиоактивности в
медицине.
6. Дозиметрические приборы.
1.

34. модель атома бора- резерфорда

МОДЕЛЬ АТОМА БОРАm =9,11⋅10 кг
РЕЗЕРФОРДА
m =1,6749⋅10 кг
e
n
−31
−27
mp=1,6726⋅10−27 кг

35. Радиоактивность

РАДИОАКТИВНОСТЬ
- это самопроизвольный распад неустойчивых
ядер с испусканием других ядер и элементарных
частиц.

36.

37.

Изото́пы — разновидности атомов (и ядер) химического элемента,
имеющие одинаковый атомный номер, но разные массовые
числа, все изотопы одного атома помещаются в одно и то же
место таблицы Менделеева.

38. Виды радиоактивного распада:

ВИДЫ РАДИОАКТИВНОГО
РАСПАДА:

39.

Альфа-распад
b- - распад
Позитронная
эмиссия
Электронный захват

40.

41. Спектры альфа и бета распада

СПЕКТРЫ АЛЬФА И БЕТА
РАСПАДА
дискретный
mv
2
сплошной
2

42.

ОСНОВНОЙ ЗАКОН
РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА
Радиоактивный распад – статистическое
явление.
dN = - λ·N·dt;
N - общее число радиоактивных ядер
N
t
dN
l
dt
N
N
0
0
N
ln
lt
N0

43.

ОСНОВНОЙ ЗАКОН
РАДИОАКТИВНОГО
РАСПАДА
N N0 e
lt
Число нераспавшихся
радиоактивных ядер убывает
со временем по
экспоненциальному закону,
λ - постоянная распада

44.

45. АКТИВНОСТЬ

- характеризует скорость распада.
dN
A dN
dt
A(t ) l N 0e
lt
l N (t )
dt (Бк) = 1 распад/секунду
[А]= беккерель
[А]= кюри (Ки)
1 Ки =3,7·1010 Бк = 3,7·1010 с-1
[А]= резерфорд (Рд); 1 Рд = 106Бк
Кюри определён в 1910 г. как количество распадов,
происходящих за 1 с в радоне, находящемся в
радиоактивном равновесии с радием массой 1 г.

46. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ С
ВЕЩЕСТВОМ
• Линейная плотность ионизации - это отношение числа ионных пар,
образуемых заряженной ионизирующей частицей, к единице длины ее
пути:
пар
м
• Средний линейный путь - это среднее значение расстояния между
началом и концом пути заряженной ионизирующей частицы в данном
веществе. – (м)
• Линейная тормозная способность - это отношение энергии, теряемой
заряженной ионизирующей частицей при прохождении
элементарного пути в веществе, к длине этого пути:
Дж МэВ
,
м
м
• Средний линейный радиус действия альфа-частицы зависит от ее
энергии. В воздухе он равен нескольким сантиметрам, в живом
организме - 10-100 микронам.
• Линейная плотность ионизации альфа-частицы в воздухе составляет (2
÷ 8) × 106 пар ионов/м, а тормозная способность составляет 70-270
МэВ/м.
• Бета-излучение вызывает ионизацию вещества с линейной плотностью
ионизации 4600 пар ионов/м.

47. Взаимодействие с веществом

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С
ВЕЩЕСТВОМ
Характеристики
α- излучение b- излучение
Скорость, см/с
2 · 109
2 · 1010
Энергия, МэВ
7
0,01 —3
Пробег (воздух)
2 — 9 см
10 — 1000 см
Пробег (ткань)
Плотность
ионизации
(пар ионов/см )
0,01 см
50 · 103
1 — 1,5 см
40-50

48. Воздействие радиоактивного излучения на биологические системы связано с ионизацией молекул. Процесс взаимодействия излучения с

ВОЗДЕЙСТВИЕ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА
БИОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗАНО С ИОНИЗАЦИЕЙ
МОЛЕКУЛ. ПРОЦЕСС ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ С
КЛЕТКАМИ МОЖНО РАЗДЕЛИТЬ НА СЛЕДУЮЩИЕ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ СТАДИИ:
• Физический этап заключается в передаче
энергии излучения молекулам
биологической системы, в результате чего
происходит их ионизация и возбуждение.
Продолжительность этого этапа составляет
10-16-10-13 с.
• Физико-химическая стадия состоит из
различных реакций, которые приводят к
перераспределению избыточной энергии
возбужденных молекул и ионов. В результате
появляются высокоактивные продукты:
радикалы и новые ионы с широким
спектром химических свойств.
Продолжительность этого этапа составляет
10-13-10-10 секунд.

49.

• Химическая стадия - это взаимодействие радикалов и ионов
друг с другом и с окружающими молекулами. На этой
стадии образуются структурные повреждения различного
типа, приводящие к изменению биологических свойств:
нарушается структура и функции мембран; возникают
повреждения в молекулах днк и рнк. Продолжительность
химической стадии составляет 10-6-10-3 с.
• Биологическая стадия. На этой стадии повреждение
молекул и субклеточных структур приводит к различным
функциональным нарушениям, к преждевременной гибели
клеток в результате механизмов апоптоза или вследствие
некроза.

50. Биологическая стадия

БИОЛОГИЧЕСКАЯ СТАДИЯ
Общие закономерности биологической стадии:
• крупные нарушения при низкой поглощаемой энергии
(смертельная доза радиации для человека приводит к
нагреву тела всего на 0,001°C);
• воздействие на последующие поколения через
наследственный аппарат клетки;
• характерен латентный период,
• разные участки клеток обладают разной чувствительностью
к радиации: в первую очередь поражаются делящиеся
клетки, что особенно опасно для детского организма;
вредное воздействие на ткани взрослого организма, в
которых происходит деление;
• сходство радиационных изменений с процессами
патологии раннего старения.

51.

Элементы дозиметрии
Доза излучения (поглощенная доза) –
отношение энергии, переданной веществу, к
его массе:
D
E
m
1 рад = 10-2 Гр
Дж
D
1Грей ( Гр)
кг

52. Эквивалентная доза (Н)

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ДОЗА (Н)
• Величина поглощенной дозы учитывает только энергию,
переданную облучаемому объекту, но не учитывает «качество
излучения». Понятие качества излучения характеризует
способность данного вида излучения производить различные
радиационные эффекты. Для оценки качества излучения
вводят параметр - коэффициент качества (quality factor)- К.
Коэффициент качества (К) показывает, во сколько раз
биологическое действие данного вида излучения больше, чем
действие фотонного излучения, при одинаковой поглощенной
дозе.
Н = КD [Н] = Зиверт (Зв), 1 бэр = 10-2 Зв

53. Эффективная доза

ЭФФЕКТИВНАЯ ДОЗА
Это значение используется в качестве меры риска
долгосрочных последствий облучения всего организма
человека с учетом радиочувствительности его отдельных
органов и тканей, равна сумме произведений
эквивалентных доз в органах и тканях на соответствующие
им весовые коэффициенты:
Эффективные
дозы, как и
эквивалентные,
измеряются в
зивертах.
b 1
i

54. Экспозиционная доза (Х)

ЭКСПОЗИЦИОННАЯ ДОЗА (Х)
– мера ионизации воздуха рентгеновским или гамма-излучением.
Экспозиционная доза (Х) равна заряду всех положительных ионов,
образующихся под действием излучения в единице массы воздуха
при нормальных условиях.
Кл
Х кг
Х А
t кг
При экспозиционной дозе 1 Р в результате ионизации в 1 см3
сухого воздуха при нормальных условиях образуется 2,08х109
пар ионов.
f - некоторый переводной
1Р = 2,58·10-4 Кл/кг; коэффициент, зависящий от
облучаемого вещества и длины волны
D = f·X
излучения.
В мягких тканях f ≈ 1, поэтому поглощенная доза излучения в
радах численно равна соответствующей экспозиционной дозе
в рентгенах.

55. Мощность дозы (N)

МОЩНОСТЬ ДОЗЫ (N)
- величина, определяющая
дозу, полученную
объектом за единицу
времени:
ДЗ (допустимая доза)
составляет 5 Бэр в год
Минимальная летальная
доза гамма–излучения 600
Бэр

56.

57.

58. ЗАЩИТА ОТ ИЗЛУЧЕНИЯ

X
к Аt
R
2
Доза в 1 рентген накапливается за 1 час
на расстоянии 1 м от источника радия
массой 1 г, то есть с активностью 1 Ки.
где
Х – экспозиционная доза;
А – активность препарата;
R – расстояние от источника
излучения до места воздействия;
кγ – постоянная радиоактивного
изотопа.

59. Проникающая способность

ПРОНИКАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ

60. Предельно допустимая доза (ПДД)

ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМАЯ
ДОЗА (ПДД)
Предельно допустимая эквивалентная
доза за год:
для взрослого населения
0,5 бэр/год = 5 мЗв/год;
для детей, беременных женщин
0,17 бэр/год = 1,7 мЗв/год;
для профессионалов
5,0 бэр/год = 50 мЗв/год.

61.

62.

Использование
радиоактивного излучения:
• диагностика
• терапия

63.

лучевая терапия
https://rutube.ru/video/1dfe55881277149cb0f618
fc9a5b3abb/?t=0

64.

Ядерная медицина - терапия
Брахитерапия - контактная терапия
(французы предпочитают термин
кюритерапия). Она подразумевает
доставку к поражённому органу
внутри человеческого тела
радиофармпрепарата —
микроисточника радиации, который
уничтожает или изолирует больные
клетки. Главным используемым для
лечения изотопом является сейчас 131I
(радиойодтерапия), источник
гаммалучей и электронов. Лучевая
терапия -лечение ионизирующей
радиацией (рентгеновским,
гаммаизлучением - гамма-нож,
нейтронным излучением - нейтронзахватная терапия, бета-излучением
пучками протонов из медицинского
ускорителя - протонная терапия).
Применяется в основном для лечения
злокачественных опухолей.

65.

66.

РАДИОДИАГНОСТИКА
Позитронно-эмиссионная томография

67.

68. Дозиметрические приборы

ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
Радиометр — прибор для
измерения активности
или концентрации радиоактивных изотопов.
https://ya.ru/video/preview/15468089439752412
028

69. -Прибор для измерения экспозиционной дозы рентгеновского и гамма- излучения; детектором является ионизационная камера; заряд,

Рентгенометр
-Прибор для измерения экспозиционной дозы
рентгеновского
и
гаммаизлучения;
детектором является ионизационная камера;
заряд, протекающий в цепи камеры,
пропорционален экспозиционной дозе, а
сила тока — ее мощности.

70. Заключение:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ:
В лекции рассмотрены:
понятие радиоактивности, виды
радиоактивности;
дозиметрия ионизирующего излучения
способы защиты от проникающей
радиации

71. Задания и контрольные вопросы:

ЗАДАНИЯ И КОНТРОЛЬНЫЕ
ВОПРОСЫ:
• Запишите закон радиоактивного распада. Дайте
характеристику величин, входящих в этот закон.
• Какие органы человеческого тела больше всего
подвержены воздействию ионизирующего
излучения?