РБ лекция_1

1. Дисциплина: Радиобиология

Лекция №1
Введение в радиобиологию
Физические основы ионизирующих
излучений

2. Ионизирующее излучение

• это любое излучение, взаимодействие
которого со средой приводит к
образованию ионов
• Что такое ион?

3.

Радиоволны
Инфракрасное излучение
Видимый свет
Ультрафиолетовое излучение
Рентгеновское излучение
Гамма-излучение
Космическое излучение
Длина волны 15*10-10 – 3*10-12

4.

• Ионизирующее излучение – удобный
инструмент изучения основ жизни. В
природе не существует феномена, не
подверженного модифицирующему
воздействию ионизирующих излучений, так
как энергия их всегда превосходит энергию
внутримолекулярных и межмолекулярных
связей
С.П.Ярмоленко

5. Фундаментальная задача радиобиологии

• Вскрытие общих закономерностей
биологического ответа на воздействие
ионизирующих излучений, которые
являются научной основой гигиенической
регламентации радиационного фактора и
овладения искусством управления
лучевыми реакциями человека

6. Радиобиологический парадокс

• заключается в значительном
несоответствии между ничтожно малой
величиной поглощенной энергии и крайней
степенью выраженности реакций
биологического объекта вплоть до
летального эффекта

7.

10 Грей
70 кг

8. Связь радиобиологии с другими дисциплинами

Медицина
Биохимия
Физиология
Генетика
Биология
Радиобиология
Ядерная
физика
Биофизика
Цитология

9. Структура радиобиологии

Радиационная
биохимия
Радиационная
экология
Радиационная
цитология
Общая фундаментальная
радиобиология
Противолучевая
защита и
терапия
Радиобиология
опухолей
Радиационная
генетика
Космическая
радиобиология
Радиационная
иммунология
Медицинская
радиобиология
Радиационная
гигиена

10. Возникновение радиобиологии

1895 год
• Открытие Вильгельмом Конрадом Рентгеном Хлучей
1896 год
• Открытие Антуаном Анри Беккерелем естественной
радиоактивности урана
1898 год
• Выделение Марией Кюри-Склодовской и Пьером
Кюри двух радиоактивных элементов – полония (в
июле) и радия (в декабре)

11. Этапы развития радиобиологии

С 1985 по 1922 гг
• Описательный этап
• Накопление данных и первые попытки осмысления
биологических реакция на облучение
с 1922 по 1945 гг.
• Становление фундаментальных принципов количественной
радиобиологии, характеризующейся изучением связи
эффектов облучения с величиной поглощенной дозы
С 1945 по настоящее время
• Развитие количественной радиобиологии на всех уровнях
биологической организации – от молекулярного до
организма человека

12. Ионизирующее излучение

• это любое излучение, взаимодействие
которого со средой приводит к
образованию ионов
• К ионизирующим излучениям относят
фотоны электромагнитного излучения
(гамма-излучение и рентгеновское
излучение) и корпускулярные излучения
(ускоренные частицы и ядра различных
элементов)

13. Единица энергии ионизирующих излучений

Электронвольт
(эВ, eV)
• 1 эВ – это энергия,
приобретаемая
одним электроном,
движущимся в
постоянном поле с
разностью
потенциалов 1 вольт
(1эВ = 1,602*10-19Дж

14.

Рентгеновское излучение
Гамма – излучение
ИСТОЧНИК
Рентгеновская трубка
Радиоактивный источник
ЭНЕРГИЯ ФОТОНОВ
от 50 эВ до 500 кэВ
от 10 кэВ до нескольких МэВ
ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ
На протяжении включения
высокого излучения
На протяжении всего периода
распада

15.

РАДИОАКТИВНОСТЬ самопроизвольный распад ядра с выделением
различных видов излучений, энергии и
превращением одних элементов в другие

16.

Характеристика γ - излучения
Скорость
распространения в
воздухе
Скорость света
Длина «пробега»
(фотон)
От сантиметров до километров
Ионизация
Низкая: от 0,6 до 3 пар ионов на 1
мм2
Проникающая
способность
До 10 и более см., в зависимости от
энергии излучателя
Защита
Десятки сантиметров свинца,
эквивалентный по плотности
материал – бетон.

17.

α - излучение поток элементарных
частиц из нейтронов и
протонов
СДВИГ ВЛЕВО ПО ТАБЛИЦЕ
МЕНДЕЛЕЕВА
α - частица
(ядро атома гелия)

18.

Характеристика α - излучения
Скорость
распространения в
воздухе
Длина пробега
1/20 скорости света
Ионизация
20000-30000 пар ионов на 1
мм2
Задерживается роговым
слоем кожи
Алюминий 0,06 мм.
Проникающая
способность
Защита
11-16 см.

19.

- излучение- поток
элементарных частиц из
электронов или позитронов
- распад
в ядре один нейтрон
превращается в протон, испуская
электрон

20.

+ - распад
(позитронный распад) в
ядре один протон
превращается в
нейтрон, испуская
позитрон.

21.

Характеристика β - излучения
Скорость
Приближается к скорости
распространиения в света
воздухе
Длина пробега
20-22 м.
2
Ионизация
50-100 пар ионов на 1 мм
Проникающая
способность
Защита
До 5 мм
Алюминий 3-4 мм или
свинец 1 мм

22.

ЕСТЕСТВЕННАЯ
РАДИОАКТИВНОСТЬ
Самопроизвольный распад
ядер отдельных химических
элементов земной коры,
космическое излучение

23.

ИСКУССТВЕННАЯ
РАДИОАКТИВНОСТЬ
возникает в результате
бомбардировки стабильного
ядра элементарными
частицами

24.

Биологический эффект зависит от:
• активности радиоактивного вещества;
• проникающей способности излучения
(величина энергии гамма-квантов, альфаили бетта-частиц);
• величины поглощенной дозы;
• распределения поглощенной дозы в
человеческом теле;
• радиочувствительности тканей организма.

25.

Радиочувствительность –
выраженность лучевого повреждения клеток и
тканей, способность их к восстановлению после
облучения.
Чувствительность клетки зависит от:
- вида излучения (энергии квантов или частиц),
- степени оксигенации и функционального состояния
органа
- активности пролиферативных процессов
Лучевые повреждения ярко проявляются в активно
пролиферирующих тканях (лимфоидная, кроветворная
и др.) и гораздо скромнее и в более отдаленные сроки –
в мало обновляющихся тканях (костная, хрящевая,
мышечная, жировая).

26.

Закон Бертонье-Трибондо.
Радиочувствительность тканей прямо
пропорциональна их пролиферативной
активности и обратно пропорциональна
степени их дифференцировки.

27.

• Внешнее облучение – воздействие на
организм ионизирующих излучений от
внешних по отношению к нему
источников излучений;
• Внутреннее облучение - воздействие на
организм ионизирующих излучений
радиоактивных веществ, находящихся
внутри организма.

28. Проникающая способность радиоактивных излучений

Характеризуется величиной пути распространения излучения в окружающей среде.

29.

Активность радиоактивного вещества –
мера
количества
радиоактивного
вещества (РВ), выраженная числом
распадов атомных ядер в единицу
времени.
Единицей измерения является Беккерель
(Бк, Bq – один распад в секунду для
любого нуклида).

30.

Понятия доз ионизирующего облучения:
Поглощенная
доза
–
количество энергии
ионизирующего излучения, поглощенной единицей
объема облучаемого вещества (тканями организма).
Единицей измерения является Грей ( Гр, Gy).
(используется в лучевой терапии)
Мощность дозы – величина энергии, переданная
излучением веществу за единицу времени (Гр/c).

31. Понятия доз ионизирующего облучения:

• Экспозиционная доза – количество
энергии ионизирующего излучения,
поглощенной в единице объема воздуха
(экспозиция – генерация ионов в воздухе
как результат прохождения излучения)
• Единицей измерения является Кулон на
1 кг (К/кг) – термин не «прижился».
• В основном используют единицу измерения –
Рентген (Р).

32. Понятия доз ионизирующего облучения:

• Эквивалентная доза излучения – количественная
характеристика сравнительного биологического действия
различных видов ионизирующего излучения
(поглощенная доза, умноженная на коэффициент, отражающий
способность конкретного вида излучения (альфа, бетта, гамма,
рентген) повреждать ткани организма.
Используется при определении воздействия ионизирующего
излучения на организм
Единицей измерения является Зиверт ( Зв, Sv), один Зиверт
соответствует поглощенной дозе
в 1 Грей (1 Дж/кг).

33.

Единицы измерения радиационных доз
Основные
радиационные
величины
Физическая
величина
Единицы и их наименование Соотношен
ие между
единицами
Внесистемн
СИ
СИ
ая
Поглощенная
доза
Дж/кг
Грей
( Гр, Gy)
1 Гр = 1
Дж/кг
Эквивалентная
доза
БЭР
(REM)
Зиверт
( Зв, Sv)
1 Зв = 100
БЭР
Активность
радионуклида
Кюри
( Ки, Сi)
Беккерель
( БК, Bq)
1 Бк =
3,7*10-10 Ки

34. Энергия фотона

прямо пропорциональна частоте электромагнитных
колебания и обратно пропорциональна длине волны
h – постоянная Планка
с – скорость света
- длина волны
v – частота электромагнитных колебаний

35. Взаимодействие с веществом

• взаимодействие электромагнитных
излучений с веществом может протекать в
формах:
- фотоэффекта
- Комптон – эффекта
- образования электрон-позитронных пар

36. Фотоэлектрический эффект

• энергия падающего кванта
полностью поглощается веществом в
результате появляются свободные
электроны, обладающие
определенной кинетической
энергией, величина которой равна
энергии кванта излучения за
вычетом работы выхода данного
электрона из атома. Свободный
электрон, ассоциируясь с одним из
нейтральных атомов, порождает
отрицательный ион.

37. Фотоэлектрический эффект

• Фотоэффект характерен только для
длинноволнового рентгеновского излучения. Его
вероятность зависит от атомного номера и
пропорциональна Z. С повышением энергии
излучения вероятность фотоэффекта
уменьшается, и для излучений с энергией,
значительно превышающей внутриатомные
энергии связи (>1 МэВ), его вкладом во
взаимодействие можно пренебречь.

38. Комптон-эффект

• Главную роль при излучениях с большей
энергией начинает играть другой способ
размена энергии — эффект Комптона.
• При Комптон-эффекте происходит упругое
рассеяние падающих фотонов излучения
на свободных (или слабо связанных)
электронах, которым предается лишь
часть энергии фотонов.

39. Комптон-эффект

• Оставшуюся часть энергии
уносят новые фотоны,
образующиеся в результате
этого взаимодействия.
• В дальнейшем вторичный
фотон может вновь
претерпевать Комптонэффект и т.д.

40. Комптон-эффект

• Поэтому в отличие от фотоэлектронов энергия
электронов отдачи, образующихся при эффекте
Комптона, изменяется в широких пределах (от нуля до
некоторого максимального значения).
• Средняя их энергия возрастает с увеличением энергии
падающего излучения.
• Доля
энергии,
поглощенной
комптоновскими
электронами, в общем количестве поглощенной энергии
увеличивается с ростом жесткости излучения.

41. Образование пар

• третий вид взаимодействия излучения с веществом
характеризуется возможностью превращения гамма-кванта
большой энергии (> 1 МэВ) в пару заряженных частиц—
электрон и позитрон. Этот процесс вызывается
взаимодействием гамма-кванта с каким-либо атомным
ядром, в поле которого и образуется электроннопозитронная
пара.
Вероятность
такого
процесса
пропорциональна Z2 и поэтому для тяжелых элементов она
больше, чем для легких/

42. Взаимодействие с веществом электромагнитных излучений

1.Фотоэффект
2. Комптон-эффект
3. Процесс образования пар
• В зависимости от энергии
падающего электромагнитного
излучения преобладает тот или
иной вид взаимодействия.
• В большинстве случаев при
облучении биологических
объектов энергия используемого
электромагнитного излучения
находится в диапазоне 0,2-2
МэВ, поэтому наиболее
вероятен Комптон-эффект.

43. Взаимодействие с веществом электромагнитных излучений

• Ионизирующие
электромагнитные
излучения
обладают
большой
проникающей способностью.

44. Взаимодействие с веществом электромагнитных излучений

• Поглощение пучка моноэнергетических
фотонов в веществе описывает зависимость
I(х) -= I0·е-µх,
• где I0 и I (х) — интенсивности излучения,
падающего и прошедшего толщину х, а
показатель
экспоненты
µ
линейный
коэффициент
поглощения
характеризует
поглощающую способность вещества.

45. Взаимодействие с веществом α – излучений, β – излучений

• Механизм передачи энергии в объекте от
заряженных частиц сходен: при прохождении
через вещество заряженная частица теряет
свою энергию, вызывая ионизацию и
возбуждение атомов до тех пор, пока общий
запас энергии уменьшится настолько, что
частица утратит свою ионизирующую
способность

46. Взаимодействие с веществом α – излучений, β – излучений

• в зависимости от знака заряда при
перемещении частицы, она испытывая
электростатическое взаимодействие,
притягивается или отталкивается от
положительно заряженных ядер.
• чем больше масса частицы, тем меньше она
отклоняется от первоначального направления.

47. Взаимодействие с веществом α – излучений, β – излучений

• Упругое рассеяние
• Неупругое торможение
• Ионизация и возбуждение атомов

48. Упругое рассеяние

Рассеяние двух частиц называют упругим, если в этом процессе не
происходит изменения внутреннего состояния взаимодействующих
частиц.
Упругое рассеяние изменение траектории зараженной частицы в
результате отталкивания ядер без потери энергии.
Чем меньше масса частицы, тем больше ее отклонение от прямого
направления
Поэтому траектории β-частиц в веществе изломаны, а α-частиц –
практически прямые.

49. Неупругое торможение (неупругое рассеяние)

Неупру́гое рассе́яние — столкновение частиц (включая
столкновения с фотонами), сопровождающееся изменением их
внутреннего состояния, превращением в другие частицы или
дополнительным рождением новых частиц.
Пример: Электрон при прохождении вблизи атомного ядра теряет
скорость и энергию. При этом может испускаться фотон тормозного
излучения (в том же направлении, что и электрон).

50. Ионизация и возбуждение атомов

В результате взаимодействия частицы с электронными
оболочками атомов, происходит потеря энергии частицы в
веществе. Под действием электрического поля частиц
происходит возмущение электронных оболочек атомов с
переходом последних в возбужденное или ионизированное
состояние.
Способность ускоренных заряженных частиц
непосредственно взаимодействовать с электронными
оболочками атомов позволила определить их как первично
ионизирующие излучения.

51.

52.

53.

54. ЛПЭ - линейная передача энергии

Первичные изменения атомов и молекул сводятся к
ионизации или возбуждению и качественно не зависят
от вида действующего ионизирующего излучения
Однако при одном и том же количестве энергии,
поглощенной единицей массы вещества,
микропространственное распределение энергии в
облученном объеме различно.
Это различие определяется линейной передачей
энергии.

55. ЛПЭ - линейная передача энергии

Это количество энергии, передаваемой частицей
веществу в среднем на единицу пройденного пути.
ЛПЭ=∆Е/∆х,
где Е-энергия частицы (эВ), х – путь частицы (мкм)
Все излучения делятся на редкоионизирующие (ЛПЭ
меньше 10) и плотноионизирующие (ЛПЭ больше 10)

56. Кривая Брега

ЛПЭ возрастает со
снижением скорости
частиц .
В связи с этим в конце
пути частицы плотность
ионизации вещества
частицей максимальна.
Эта закономерность
описывается кривой
Брэгга