Тема 4. Фізичні основи радіобіології 1 страница

4.1. Типи ядерних перетворень. Радіоактивність, одиниці її вимірювання

Типи ядерних перетворень. Ядра атомів стійкі, але міняють свій стан при порушенні співвідношення протонів і нейтронів. В легких ядрах повин­но бути приблизно порівну протонів і нейтронів. Існують такі типи ядерних перетворень, або види радіоактивного розпаду: альфа-розпад, бета-розпад (електронний, позитронний), електронний захват і внутрішня конверсія.

Альфа-розпад супроводжується викидом з ядра нестійкого елемента α-частинки, яка являє собою ядро атома гелію. При цьому воно втрачає 2 прогони й 2 нейтрони і перетворюється в інше ядро, заряд якого менше на 2, а масове чис­ло на 4. Отже, при такому розпаді, відповідно із правилом зміщення, сформульо­ваним Фаянсом і Содді (1913 р.), створений дочірній елемент зміщується вліво відносно материнського на 2 клітинки таблиці Менделєєва. Наприклад:

₉₂²³⁸U→ ₂⁴He + ₉₀^234Th + Q

Бета-розпад. Якщо в ядрі є надлишок нейтронів («нейтронне переван­таження ядра»), то відбувається електронний (β^-) розпад, при якому один із нейтронів перетворюється в протон, а з ядра вилітає електрон і антинейтрино. При цьому розпаді заряд ядра і номер збільшується на одиницю, а дочірній елемент здвинутий в таблиці Менделєєва на один номер вправо від материн­ського, а масове число залишається без зміни. Наприклад:

₁₉⁴⁰K→β^- + ₂₀⁴⁰Ca + v

Якщо в ядрі є надлишок протонів, відбувається позитронний р' розпад. При цьому ядро викидає позитрон і нейтрино, а один із протонів перетворю­ється в нейтрон. Заряд ядра і атомний номер зменшуються на 1 і дочірній елемент зміщується на 1 номер вліво від материнського елементу в таблиці Менделєєва. Масове число залишається без змін. Наприклад:

₁₅³⁰P →β⁺ + ₁₄³⁰Si + v + Q

Позитрон, що вилетів з ядра, зриває з оболонки атома «лишній» елект­рон, або взаємодіє з вільним електроном, утворюючи пару «позитрон-електрон», яка миттєво перетворюється в 2 γ-кванти з енергією, еквівалентною масі частинок (е⁺+е^-). Процес перетворення пари в 2 γ-кванти отримав назву анігіля­ції (знищення), а виникаюче електромагнітне випромінення — анігіляційного. В даному випадку відбувається перетворення одної форми матерії — частинок речовини, в іншу форму — γ-фотони. Таким чином, при позитронному розпаді в кінцевому результаті за межі материнського атому вилітають не частинки, а два у-кванта, кожний з яких має енергію 0,511 МеВ, що дорівнює енергетично­му еквіваленту маси спокою частинок — позитрону та електрону.

Електронний захват. Перетворення ядра може здійснюватись шляхом електронного захвату, коли один із протонів ядра захоплює електрон з одної із оболонок атома, частіше всього К-шару і рідше L-шару. Такий процес на­зивають електронним к- або I-захватом. Порядковий номер нового ядра стає на одиницю меншим, при цьому дочірній елемент в періодичній таблиці Д.І. Менделєєва зміщується на 1 клітинку вліво від материнського.

Наприклад:

₁₉⁴⁰K + _-1⁰e → ₁₈⁴⁰Ar + v

Внутрішня конверсія. Суть внутрішньої конверсії полягає в тому, що ядро передає енергія збудження одному із електронів внутрішніх шарів (К, L, М) в результаті чого він виривається за межі атома. Такі електрони отри­мали назву електронів внутрішньої конверсії. Якщо енергія збудження пере­більшує 1,022 МеВ, то перехід ядра в нормальний стан може супроводжува­тись випроміненням пари «електрон-позитрон» з наступною їх анігіляцією. Після конверсії в електронній оболонці атома з'являється «вакантне місце вирваного електрона». Потім один із електронів з більш віддалених шарів і з більш високою енергією здійснює квантовий перехід на «вакантне» місце з виділенням характеристичного рентгенівського випромінення.

Радіоактивність — це мимовільне або штучне перетворення атомних ядер нестійкого ізотопу хімічного елемента з даного стану в інший ізотоп цього або іншого елемента, яке супроводжується виділенням енергії шляхом випускання елементарних частинок, у-квантів і ядер.

Основний закон радіоактивного розпаду стверджує, що за одиницю ча­су розпадається однакова частка ядер, що є в наявності. Розрізняють три види радіоактивності (активності):

1) поверхнева — Кі/км²; Бк/м²; розп/хв. з 1 см²тощо.

2) питома — Кі/кг; Бк/кг тощо.

3) об'ємна — Кі/л; Бк/л тощо.

Позасистемною одиницею радіоактивності є Кюрі (Кі).

Кюрі — це така кількість радіоактивної речовини (чи елемента), в якій за 1 с розпадається біля 37 млрд. атомів. 1 Кі = 3,7 • 10^І0розп/с, або 2,22 • 10¹² розп/хв. Таку радіоактивність мають 1 г ²²⁶Ка, або 3 т

²³⁸U, або 0,00001 г ¹³¹I

Таким чином, радіоактивність визначається не масою радіоактивного елемен­та, а величиною періоду його піврозпаду (²³⁸U - 4,5 млрд. років, а ¹³¹І—8,07 діб).

Похідними від Кі у бік зниження є: 1 мКі = 1 • 10³Кі; 1 мкКі = 1 • 10^-6 Кі; 1 нКі = 1 • 10^-9 Кі; 1 пКі = 1 · 10^-12 Кі; 1 аКі = 1 • 10^-18 Кі.

За одиницю радіоактивності в системі СІ прийнятий Бекерель (Бк).

Беккерель — це така кількість радіоактивної речовини чи елемента, в якій за 1 с розпадається один атом. 1 Бк = 1 розп./с. Звідси 1 Кі = 3,7 • 10¹⁰Бк, а 1 Бк = 2,7 • 10^-11 Кі.

Похідними від Бк є: 1 кБк = 1 • 10³ Бк; 1 МБк = 1 • 10⁶Бк.

Природна радіоактивність продукції рослинництва та тваринництва за ⁴⁰К знаходиться в межах 1-9 • 10^-9 Кі/кг, або 37-333 Бк/кг.

4.2. Характеристика іонізуючих випромінень та взаємодія їх з речовиною

Іонізуюче випромінення, проходячи крізь речовину, розтрачує свою енергію на іонізацію та збудження зустрічних атомів і поглинається цією речовиною. Енергію, витрачену зарядженою частинкою або фотоном елект­ромагнітного випромінення на одиницю довжини їх пробігу в речовині, на­зивають лінійною передачею енергії (ЛПЕ). В системі СІ її виражають в джоулях на метр. В радіобіології частіше використовують спеціальні одини­ці і ЛПЕ виражають в кілоелектронвольтах (кеВ) на мікрометр шляху у воді (1 кеВ/мкм дорівнює 0,16 нДж/м).

Електронвольт (еВ) — одиниця вимірювання енергії, яку набуває елект­рон при проходженні електричного поля з різницею потенціалів 1 В.

Довжина пробігу залежить від енергії фотонного випромінення, заряду, маси і швидкості частинок; причому ця залежність різко збільшується із зни­женням швидкості і збільшенням маси частинки.

Гамма-випромінення — це потік фотонів (квантів) електромагнітного випромінення з енергією вище 100 кеВ.

Енергія у-квантів, що випускаються ядрами після а-розпаду, звичайно не перевищує 5 МеВ, після електронного розпаду — 2,0-2,5 МеВ. При анігі­ляції античастинок вона складає 0,511 МеВ. В середньому енергія γ-випромінення різних радіоактивних елементів коливається в діапазоні 0,1-3 МеВ і рідко досягає 10 МеВ. у-кванти з енергією до 1 МеВ утворюють випромінен­ня, яке назвали м'яким, а з енергією більше 1 МеВ — жорстким випроміненням. у-кванти, за рідким винятком, утворюють лінійчатий спектр випромі­нення, постійний для кожного елемента. Моноенергетичний спектр випромі­нення мають тільки деякі у-випромінюючі ізотопи (¹³⁷Сs, ⁵²Мn, ^І41Lа та інші), тому звичайно вказують їх середню енергію (E).

Гамма-кванти, не маючи заряду і маси спокою, викликають слабку іонізу­ючу дію, утворюючи 2-6 пар іонів на 1 см пробігу в повітрі. В залежності від ве­личини енергії при взаємодії в речовиною вони можуть викликати такі ефекти: а) фотоелектричне поглинання — вибивання електронів з електронної оболонки атома з передачею їм всієї своєї енергії; б) комптон-ефект — вибивання електро­нів із зовнішньої електронної оболонки атома з передачею їм частини своєї ене­ргії та зміною напрямку руху фотона — розсіювання; в) утворення пар — перет­ворення під дією сильного електричного поля ядра атома в пару «електрон-позитрон» з наступною анігіляцією. Вид взаємодії у-квантів з речовиною визначаєть­ся атомним номером опромінюваної речовини та величиною їх енергії. При всіх трьох видах взаємодії у-кванта з речовиною утворюються швидкі вторинні елек­трони, які й викликають основну іонізацію атомів середовища.

ХЛЙ-ТЇКГіаБС

В зв'язку з тим, що імовірність зустрічі у-квантів з електронами атома мала, вони мають великі проникаючі властивості. В повітрі у-кванти прохо­дять шлях у декілька сот метрів, в деревині — до 25 см, у свинці — до 5 см, в бетоні — до 10 см, у воді — десятки метрів, а живі організми вони прони­зують наскрізь, являючи для них значну загрозу як джерело зовнішнього оп­ромінення. ЛПЕ у воді у-квантів з енергією 1,3 МеВ дорівнює 0,3 кеВ/мкм, а при енергії 0,25 МеВ вона становить 2 кеВ/мкм. Як джерела γ-квантів в біо­логічних дослідженнях використовують ⁶⁰Со, ¹²⁵І, ^І29I,¹³¹І, ^І37Сs та інші.

Характеристика основних радіонуклідів, що використовуються в біоло­гічних дослідженнях, наведена в таблиці 15.

Таблиця 15. Характеристика радіонуклідів, що використовуються в біологічних дослідах   Нуклід Період піврозпаду Т1/2 Тип розпаду Вид випромінення та його енергія, МеВ Середня енеріія Еβ, МеВ Вихід на розпад, % Активність 1 г, Кюрі (Бк)               5Н 12.36 років β- β- 0.018 0.01   9.55·103 (3.53·1014) І4С 5730 років β - β- 0.155 0.05   4.58 (1.70 ·1011) 13N 10.1 хв β+ β+ 1.240 γ 0.511 0.47   2.24·107 (8.29·1017) 24Nа 15.02 год β- β-1.390 1.639 γ 1.370 2.750 0.54   8.58·107 (1.93·1018)           - -   28Мg 21.2 год β- β- 0.460 γ 0.031 0.400 0.950 1.350 0.15 37.8 37.8 56.8 5.22·107 (1.93·1018) - - - 32P 14.3 діб β- β- 1.710 0.68   2.80·105 (1.04·1016) 35S 87.4 діб β- β- 0.167 0.06   4.26·104 (1.04·1016) 40K 1.26-109 років β- ЕЗ1 β-1.314 1.40 Rx2   41.1 6.28·10-6 (2.32·105) - 42K 12.39 год β- β- 1.970 3.520 γ 1.524 0.78 1.10   5.93·107 (2.19·1018)

 

Продовження табл. 15               45Са 163 діб β- β- 1.970     1.90·104 (7.03·1014) 54Мп 312.5 діб β- β- 0.319 γ 0.835     4.17·105 (1.54·1016) 64Со 12.8 років β- β- 0.320 γ 1.172 1.333 0.10   1.13·107 (4.18·1013) 64Сu 12.8 год β- ЕЗ р- 0.573 0.656 у 0.511 1.340 к, 0.19 39.6 19.3 38 0.05 41.1 3.78-107 (1.4010") 65Zn 245 діб β+ ЕЗ β+ 0.325 γ 1.120 Rx 0.10 1.5 50.7 41.1 8.0·103 (3.07·1014) 89Sr 50.5 діб β- β- 1.463 0.48   2.76·104 (1.02-1015) 90Sr 28.1 рік β- β- 0.610 0.20   2.0·102 (7.40·1012) 90Y 64.2 год β- β- 2.270 0.89   5.70·106 (2.11·1017) 106Ru 365 діб β- β- 0.040 1.045 0.01 2.2 3.40·103 (4.51·1015) 131I 8.07 діб β- β- 0.330 0.610 0.810 γ 0.280 0.360 0.640 0.19   1.22·105 (4.51·1015) 134Cs 2.06 років β- β- 0.090 0.662 γ 0.570 0.605 0.796 0.02 0.20   1.16·103 (4.29·1013) - - - - 137Cs 30 років β- IП3 β- 0.523 1.180 γ 0.661 0.16 0.40 82.5 (3.63·1011) -

 

Закінчення табл. 15               140Ва 2.74 діб β- Β- 0.480 0.14   7.24·104       1.022 0.35   (2.68·1015)       γ 0.030     —       0.304   4.6 —       0.537     — 144Се 284 діб β- β- 0.170 0.05   3.20·103       0.300 0.08   (1.18·1014)       γ 0.134   5.9 —

ЕЗ — електронне захоплення; 2Rх — рентгенівське випромінення; 3ІП— ізо­мерний перехід.

 

Рентгенівське випромінення — це електромагнітне випромінення, що складається з гальмівного та характеристичного випромінень, діапазон енер­гій котрих коливається в межах 0,12-200,0 кеВ, що відповідає довжинам хвиль 50-0,01 нм. У спектрі електромагнітних хвиль вони межують з ультра­фіолетовими променями, довжина яких складає 50-2000 нм.

Гальмівне випромінення — це фотонне випромінення з безперервним спектром, що виникає при зменшенні кінетичної енергії заряджених частинок (електрони з енергією більше 15 кеВ) внаслідок їх гальмування в полі ядра ато­ма важких елементів. Основними джерелами рентгенівського випромінення є рентгенівські апарати, котрі широко використовуються для проведення експери­ментів з рослинами та тваринами, а також у рентгенодіагностиці та радіаційній терапії. В рентгенівських апаратах є можливість регулювати енергію гальмівно­го випромінення, яка залежить від напруги на аноді рентгенівської трубки, та інтенсивність випромінення, що залежить від сили струму на катоді.

Джерелами гальмівного випромінення можуть бути деякі радіоактивні ізотопи, β-частинки яких при гальмуванні їх в полі ядер атомів важких еле­ментів перетворюються в імпульси гальмівного випромінення, енергія яких дорівнює енергії Р-частинок. Інтенсивність такого випромінення значно нижча, ніж в рентгенівських апаратах.

Характеристичне випромінення — це фотонне випромінення з диск­ретним спектром, яке виникає при зміні енергетичного стану електронів атомів під впливом швидких електронів та β-частинок.

Поглинання енергії швидкого електрона електронними оболонками ато­ма вольфраму чи молібдену, з яких виготовлений анод рентгенівської трубки, призводить до вибивання одного з електронів його внутрішніх шарів за межі атома. При цьому відбувається іонізація атома. На місце електрона, вибитого з внутрішнього шару, негайно переходить електрон з більш віддалених від ядра шарів. Цей перехід супроводжується випроміненням цілого ряду фотонів з різ­ними значеннями енергії, характерними для кожного конкретного атому. Енер­гія цих фотонів може знаходитись у видимому спектрі, ультрафіолетовому та інфрачервоному спектрах в залежності від енергії частинок та порядкового номеру елемента. Тому даний вид випромінення називається характеристичним.

Взаємодія γ-випромінення з речовиною. Гамма-кванти при проход­женні через речовину втрачають енергію в основному за рахунок трьох ефе­ктів: фотоелектричне поглинання (фотоефект), комптонівське розсіювання (комптон-ефект) і утворення електрон-позитронних пар (рис. 1).

Відносна величина кожного з цих ефектів залежить від атомного номе­ра поглинаючого матеріалу та енергії фотона.

Ефект фотоелектричного поглинання відбувається при низьких енергі­ях у-квантів, як правило до 10000 еВ.

При фотоефекті у-квант, вибиваючи електрон (частіше з К-шару), пере­дає йому всю свою енергію і зникає, а електрон отримує енергію його енер­гію за мінусом енергії зв'язку електрона у атомі.

Приклад. Для іонізації одного атома необхідно:

а) в повітрі — 33-35 еВ

б) у воді------ 60 еВ

в) у м'якій біологічні тканині------ 68 еВ

Якщо енергія у-кванта становить 10 кеВ, то при іонізації в повітрі електрон от­римає: 1000 еВ - 34 еВ = 966 еВ.

При більш високих енергіях у-квантів (100-200 кеВ) відбувається комп­тон-ефект. При цьому у-кванти, вибиваючи електрони, передають їм лише якусь частину своєї енергії, після чого міняють напрямок руху, тобто розсію­ються. Цей процес продовжується до того часу, поки у-квант повністю не передасть свою енергію вибитому електрону і закінчується фотоефектом.

10 кеВ > 99 % - - - 200 кеВ < 1 % > 99 % -   2 МеВ < 1 % ~ 99 % -1% - 20 МеВ ~ 50 % ~ 49 % -1% фотосфект ефект Комптона утворення пари ядерні реакції БІолої ічна тканина

фотоелектрон

захоплення випадковим іоном (теплова енергія)

Рис. 1. Поглинання фотонного випромінення у біологічній тканині

електрон (с)

позитрон (є')

вторинний фотоелектрон

характеристичне випромінення з енергією ульт рафіолетового інфрачервоного, видимого спектру

Гамма-кванти з енергією від 1,022 МеВ до 20 МеВ в речовині під дією сильного електричного поля біля ядра перетворюються в пару «електрон-по- зитрон». В даному випадку електромагнітне випромінення перетворюється в корпускулярні частинки. Після чого пара «електрон-позитрон» зникає (анігі­лює), перетворюючись в два вторинних у-кванти з енергією, рівною енерге­тичному еквіваленту маси спокою часток 0,511 МеВ.

 

Гамма-випромінення з енергією більше 20 МеВ можуть взаємодіяти з ядрами атомів (ядерний ефект), але вірогідність цього дуже мала.

Взаємодія корпускулярних частинок з речовиною. Заряджені частинки, проходячи через речовину, поступово витрачають енергію на іонізацію, тобто відрив електрона від атома (іонізаційні втрати) та на збудження атомів і молекул (радіаційні втрати), які потім проявляються у вигляді гальмівного випромінення.

Заряджені частинки різних видів але з однаковою енергією утворюють практично однакову кількість пар іонів (однакова повна іонізація).

Альфа-випромінення — це потік позитивно заряджених α-частинок або ядер атомів гелію. Альфа-частинки складаються з двох протонів і двох нейтронів, мають подвійний позитивній заряд, атомну масу 4,003 а. о. м. (6,664 • 10^_27г), швидкість їх руху у вакуумі становить 9-25 · 10³ км/с. Їх енергія коливається в діа­пазоні від 2 до 11 МеВ. Енергетичний спектр α-частинок монохроматичний або близький до нього і є характерним для кожного α-випромінюючого елемента.

Альфа-частинки випускають нестійкі ядра важких трансуранових елемен­тів, які мають в періодичній системі Д.І. Менделєєва порядкові номери вище 82. Ядро при цьому втрачає два протони та два нейтрони і перетворюється в ядро іншого елемента, розміщеного на дві клітини ліворуч від материнського (α-розпад). Надлишкова енергія дочірнього ядра виділяється з γ-випроміненням.

Пробіг α-частинки в речовині прямопропорційний її енергії та оберненопропорційний густині речовини. Свою енергію α-частинки витрачають на іонізацію та збудження атомів середовища, утворюючи на 1 см шляху пробі­гу у повітрі 116000-254000 пар іонів. Щільність іонізації середовища різко збільшується наприкінці пробігу — виникає так званий пік Брегга. ЛПЕ α- частинок у воді складає до 260 кеВ/мкм. Довжина пробігу, який здійснюєть­ся а-частинкою до повної втрати енергії, досягає в повітрі 10 см, у воді та м'якій біологічній тканині — 0,10-0,15 мм (таблиця 16). Втративши енергію, а-частинка приєднує два електрони і перетворюється в атом гелію.

Бета-випромінення — це потік негативно заряджених електронів ядерно­го походження, які отримали назву р-частинки. Бета-частинки випускаються яд­рами радіоактивних елементів при надлишку у їх ядрах нейтронів (електронний розпад). При цьому нейтрон перетворюється у протон з виділенням β-частинки і антинейтрино. При електронному розпаді утворюються дочірні продукти, що знаходяться в метастабільному стані і мають надлишок енергії, яка виділяється у вигляді γ-квантів. Розрізняють чисті β-випромінюючі радіоактивні елементи та змішані, при розпаді яких виділяються (β-частинки та в 20-80 % у-кванти.

Таблиця 16. Пробіг а-частинок (Я) в повітрі, біологічній тканині та алюмінії

Еа, Мев	Повітря R, см	Біологічна тканина R, мк	Алюміній R, мк
4.0	2.5	31.0	16.0
4.5	3.0	37.0	20.0
5.0	3.5	43.0	23.0
5.5	4.0	49.0	26.0
6.0	4.6	56.0	30.0
6.5	5.2	54.0	34 0
7.0	5.9	72.0	38.0
7.5	6.6	81.0	43.0
8.0	7 4	91 0	48.0
8.5	8.1	100.0	53.0
9.0	8 9	110 0	58 0
9.5	9.8	120.0	64.0
10.0	10.6	130.0	69.0

 

Маса β-частинки дорівнює масі електрона (0,00548 а. о. м. або 9,11 • 10-²⁸г). Енергія β-частинок різних природних та штучних радіоактивних ізотопів має величезний діапазон: від 0,0015-0,05 МеВ (м'яке β-випромінення) до 3, рід­ше 12 МеВ (жорстке β-випромінення). При електронному розпаді з ядра разом з β-частинкою виділяється антинейтрино і енергія зв'язку ядра розпо­діляється між ними довільно. Тому величина енергії β-частинок одного й того ж елемента неоднакова, їх енергетичний спектр суцільний, або безперерв­ний. Середня енергія β-частинок в спектрі дорівнює приблизно 1/3 їх макси­мальної енергії і позначається (Ер).

При взаємодії з середовищем β-частинка витрачає свою енергію на іоні­зацію та збудження зустрічних атомів (іонізаційні втрати енергії) та утворен­ня гальмівного випромінення (радіаційні втрати енергії), котрі збільшуються із збільшенням атомної маси опромінюваної речовини. їх шлях в речовині звивистий, так як вони легко змінюють напрямок руху під впливом електричних полів зустрічних атомів. Пробіг β-частинок при Е 6-7 МеВ досягає в повітрі 25 м, в біологічній тканині — до 0,50 см. Вони утворюють 50-100 пар іонів на 1 см шляху в повітрі. ЛПЕ β-частинок у воді з середньою енергією 0,4 МеВ дорі­внює 0,25 кеВ/мкм, наприкінці пробігу вона збільшується до 0,70 кеВ/мкм.

Довжина пробігу β-частинок (Кр) збільшується із збільшенням енергії (таблиця 17).

Таблиця 17. Максимальний пробіг β-частинок, Rβ Максимальна енергія (β- частинок, Еβ, МЕВ Алюміній Тканина чи вода Rβ, мм Повітря Rβ, см мг/см2 Rβ, мм 0.01 0.16 0.0006 0.002 0.13 0.02 0.7 0.0026 0.008 0.52 0.03 1.5 0.0056 0.018 1.12 0.04 2.6 0.0096 0.030 1.94 0.05 3.9 0.0144 0.046 2.91 0.06 5.4 0.0200 0.063 4.03 0.07 7.1 0.0263 0.083 5.29 0.08 9.3 0.0344 0.109 6.93 0.09 11.0 0.0407 0.129 8.2 0.1 14.0 0.0500 0.158 10.1 0.2 42.0 0.155 0.491 31.3 0.3 76.0 0.281 0.889 56.7 0.4 115.0 0.426 1.35 85.7 0.5 160.0 0.593 1.87 119.0 0.6 220.0 0.778 2.46 157.0 0.7 250.0 0.926 2.92 186.0 0.8 310.0 1.15 3.63 231.0 0.9 350.0 1.30 4.10 261.0 1.0 410.0 1.52 4.80 306.0 1.25 540.0 2.02 6.32 406.0 1.5 670.0 2.47 7.80 494.0 1.75 800.0 3.01 9.50 610.0 2.0 950.0 3.51 11.10 710.0 2.5 1220.0 4.52 14.30 910.0