Распределение частиц по энергетическим уровням описывается законом Больцмана

, Ni-число атомов, нах-ся при темпер-ре Т в состоянии с энергией Ei;

k-постоянная Больцмана;

с-коэффициент пропорциональности.

Возбужденные молекулы/атомы способны излучать фотоны люминесценции. Такое излучение наз-ся спонтанным процессом. Оно случайно и хаотично по времени, частоте, по направлению распространения и поляризации. Др. излуч-е – вынужденное или индуцированное – возникает при взаимодействии фотона с возбужденной молекулой, если энергия фотона равна разности соответствующих уровней энергии. При индуц-м излучении число переходов, совершаемых в сек., зависит от числа фотонов, попад-щих в в-во за это же время, т.е. от интенсивности света, а также от числа возбужд-х мол-л.

Вторая идея, реализуемая при создании лазеров, заключается в термодинамически-равновесных с-тем. Для того, чтобы процесс вынужд-го излуч-я преобладал над поглащенным, нужно изменить распредел-ние атомов облуч-мого в-ва по энерг-м уровням. Состояние среды, в к-м хотя бы для 2х энергет-х уровней оказывается, что число частиц с большей энергией превосходит число частиц с меньшей энергией, наз-ся состоянием с инверсной населенностью уровней, а среда – активной. Именно активная среда, в к-й фотоны взаимодействуют с возбужденными атомами, вызывая вынужденные переходы на более низкий уровень с испусканием квантов индуцированного излучения, является рабочим в-вом лазера.

Состояние с инверсной населенностью можно создать, отбирая частицы с меньшей энергией или спец-но возбуждая частицы, н-р, светом или электрическим разрядом. Само по себе состояние с отрицательной температурой долго не существует.

В 1960 был создан первый квантовый генератор видимого диапазона излучения – лазер с кристаллом рубина в качестве рабочего в-ва (активной среды). Лазер – спецефический источник света, основна на использовании вынужденного излучения. Все огромное многообразие лазеров можно классифицировать по видам раб-го в-ва: газовые, жидкостные, полупроводниковые, твердотелые лазеры. По хар-ру свечения лазеры разл-т импульсные и непрерывные.

Рассмотрим принцип работы твердотел-го рубинного лазера. Рубин – это кристалл окиси Al, содержащий в виде примеси примерно 0,05% ионов Cr. Возбужд-е ионов Cr осуществляют методом оптической накачки с помощью импульсных источников света большой мощности. Рубиновый лазер работает по 3х-уровной схеме.

Очень распростр-м газовым лазером явл-ся гелий-неоновый, возбуждение в к-м возникает при электр-м разряде. Основным конструктивным элементом такого лазера является газоразрядная трубка (d =7). В трубку вмонтированы электроды для созд-я газового разряда и возбуждения He.

Особенности лазерного излуч-я: высокая монохроматичность (узость спектра λ≤1нм), бол-я мощность, однонаправл-сть – малая расходимость когерентность (постоянство разности фаз в волне. Временная и пространственная). Особенности лазерн-го излуч-я не по помогают проводить эффект-е терапевтич-е процедуры, может вызвать осложнения (коварная роль когерентности).

Широко примен-ся лазеры в: онкологии, стоматологии, офтальмологии, хирургии дерматологии. Все лазеры, используемые в медецине, условно подразделяют на 2 вида: низкоинтенсивные – терапевтические и высокоинтенсивные – хирург-е.

 

6. Радиоактивность – это самопроизвол-й распад неустойчивых ядер с испусканием др. ядер, сопровождающийся испусканием разл-х видов ионизирующих излучений (α-β-,γ- и некоторыхэлементраных частиц).

Αльфа-распад состоит в самопроизв-м превращении ядра с испусканием α-частицы.Схема распада: , где X и Y – символы соответственно материн-го и дочернего ядер. α-излучение радиоактивных изотопов обладает малой проникающей способностью. Потоки α-частиц при внешнем облучении не представляют опасности для человека, т.к. они полностью задерживаются тканью одежды, а при попадании на открытые участки тела поглощаются ороговевшим слоем кожи. Но при попадании на α-радиоакт-х вещ-в внутрь организма излуч-е оказывает губительное действие на кл-ки.

Бета-распад –заключается во внутрияд-м взаимном превращении нейтрона и протона. 1). Электронный ( -распад), к-й проявл-ся в вылете из ядра электрона.

Схема: ,

где - обозначение антинейтрино. 2).Позитронный ( -распад).

Схема: ,

где -обозначение нейтрино.

3). Электронный (е-захват). Заключается в захвате ядром одного из внутренних электронов атома, в рез-те чего протон ядра превращ-ся в нейтрон.

Схема: .

β-излучение обладает большей проникающей способностью и может представлять опасность и при внешнем облучении.

Гамма –излучение может возн-ть при β-распаде. γ-лучи – электромагнитные волны: поток нейтронов.

Радиоактивный распад ядер явл-ся статистическим процессом. Величину, пропорциональную вероятности распада одного ядра, называют постоянной распада и обозначают λ. Они различны для различных изотопов.

Пусть имеется N ядер радиоактивного изотопа с постоянной распада λ. За время dt распадается dN ядер. Тогда (знак минус указывает на убывание числа ядер). Преобр-ем выражение: . Проинтегрируем последнее выражение, учитывая, что в момент t=0 число ядер : , Эта формула

выражает основной закон

радиоактивного распада:

число радиоакт-х ядер, к-е еще не распались, убывает со временем по экспоненциальному закону. Промежуток времени, за который число радиоактивных ядер уменьшается в два раза, называется периодом полураспада .

Т.к. =2 =λt, то λ =ln2.

Активность препарата - скорость распада.

(беккерель- Бк), где dN – число распадов ядер, dt – время, в течение которгого шел распад. Т.о. активность препарата тем больше, чем больше радиоактивных ядер и чем меньше их период полураспада.

 

7. Взаимод-вие иониз-го излучения с в-вом.

Заряж-е частицы и γ-фотоны, распростр-сь в в-ве, взаимодействуют с электронами и ядрами, в рез-те чего изменяется состояние как в-ва, так и частиц.

Первичный процесс – это ионизация и возбуждение. Основным механизмом потерь энергии заряженной частицы при прохождении через в-во явл-ся ионизац-е торможение. При этом его кинетич-я энергия расход-ся на возбуждение и ионизацию атомов среды.

Взаимод-вие частицы с в-вом количеств-но оценив-ся линейной плотностью ионизации, линейной тормозной способностью в-ва и средн. линейным пробегом частицы.

Под линейной плотностью ионизации i понимают отношение числа dn ионов одного знака, образованных заряженной ионизирующей частицей на элементарном пути dl, к этому пути: .

Линейной тормозной способностью в-ва S наз-ют отношение энергии dE, теряемой заряженной ионизирующей частицей при прохождении элементарного пути dl в в-ве, к длине этого пути: .

Средн. линейным пробегом заряженной ионизирующей частицы R явл-ся средн. значение расстояния м/у началом и концом пробега заряженной ионизир-щей частицы в данном веществе.

Вторичными процессами могут быть увел-ние скорости молекулярно-теплового движения, характеристическое рентген-е излуч-е, радиолюминесц-ция, хим.проц-сы.

Взаимодействие α-частиц с ядрами – значительно более редкий процесс, чем ионизация. При этом возможны ядерные реакции, а также рассеяние α-частиц.

β-излучение также как и α-, вызывает ионизацию в-ва.

Кроме ионизации и возбуждения β-частицы могут вызывать и др. процессы. Н/р, при торможении электр-в возникает тормозное рентген-е излучение. β-частицы рассеиваются на электронах в-ва, и их пути сильно искривляются в нем. Если электрон движется в среде со скоростью, превышающей скорость распространения света в этой среде, то возникает излучение Черенкова-Вавилова.

Интенсивность β-излучения меняется по экспоненциальному з-ну. В качестве одной из характеристик поглощения β-излучения веществом используют слой половинного поглощения, при прохождении через к-й интенсивность излучения уменьш-ся вдвое.

Можно считать, что в ткани организма β-частицы проникают на глубину 10-15мм. Защитой от β-излучения служат тонкие алюминиевые, плексигласовые и др.экраны.

 

 

8. Взаимод-вие рентг-го и γ-излуч-й с в-вом.

γ -излуч-я и рентгеновские обладают выс-ми энергиями квантов, что определяет их специфическое взаимодействие с в-вом – эти излучения являются ионизирующими.

Ретгеновское излуч-е при взаимодействии с в-вом может когерентно рассеиваться (когерентное расс-е – расс-е длинноволн-го рентгеновского излуч-я без изменения длины волны. Оно возникает если энергия ионизации hv<Au). Рентген-е и γ-излучение могут вызвать фотоэффект, при средн. энергиях – комптон-эффект, а при больших 10 МэВ – позитрон. (При фотоэффекте рентгеновское излуч-е поглощается атомом, в рез-те чего вылетают электроны из глубоких оболочек атома. Если энергии фотона недостаточно для ионизации, то фотоэффект может проявл-ся в возбуждении атомов без вылета электронов. Эффект Комптона. Комптон при наблюдении за рассеянием жестких рентген-х лучей, обнаружил уменьшение проникающей способности рассеян-го луча. Длина волны рассеянного рентгеновского излуч-я больше, чем падающего. Рассеяние рентген-го излуч-я больше, чем падающего. Рассеяние рентген-го излуч-я с изменением длины волны наз-ся н екогерентным, а сома явление – Эффект Комптона. Оно возникает если энергия излуч-я больше энергии ионизации hv˃Au). Образование вторичного излучения при комптон-эффекте лежит всегда в более длинноволновой области, чем первичное излучение. Это объясняется тем, что часть энергии исходного рентгеновского или γ-излуч-я расходуется на совершение работы выхода и сообщение электронам кинетич-й энергии.

Вторичное излучение тоже может быть иониз-щим, н/р, при взаимод-вии γ-фотона с в-вом может возникнуть вторичное излуч-е в рентгеновском диапазоне.

При взаимод-вии γ-фотона высокой энергии с в-вом могут образовываться пары элетрон-позитрон.

Все эти эффеты могут идти независимо и одновременно. Поглощение рентген-го и γ-излуч-я различно у разных биологических тканей.

Известно хим. действие рентгеновского излучения, н/р, образование в воде или воздействие на фотопластинку, что позволяет фиксировать такие лучи.

В рез-те многих процессов первичный пучок рентген-го излуч-я ослабляется в соответсвии с законом (I), где μ– линейный коэфф-нт ослабления. Его можно представить в виде 3х слагаемых: когерентному рассеянию , некогерентному , фотоэффекту . .

Поток рентген-го излуч-я ослабляется пропорц-но числу атомов в-ва, через к-е этот поток проходит. Если сжать в-во вдоль оси Х, н/р, в b раз, увеличив его плотность в b раз, то ослабление пучка не изменится, т.к. число атомов остается прежним. След-но показатель степени в формуле (I) не изменится: .

Это значит, что линейный коэффициент ослабления зависит от плотности в-ва. Поэтому предпочитают пользоваться массовым коэффициентом ослабления, к-й равен отношению линейного коэффиц-та ослабления к плотности поглотиля и не зависит от плотности в-ва: .

Под действием ионизирующих излучений происходят хим. превращения в-ва, получившие название радиолиза. Укажем возможные механизмы радиолиза воды:

,

,

,

.

 

9. Защита от ионизирующего излучения.

До́за излуч-я —величина, использ-я для оценки воздействия излуч-я

на любые вещества, ткани и живые организмы.

Для количесвенной оценки энергии, полученной обученным в-вом, вводят понятие поглощенной дозы излучения D, численно равной отношению энергии иониз-го излуч-я, переданной элементу в-ва, к массе этого элемента.

Разл. излучения при одной и той же поглощенной дозе оказывает разные возд-вия на биол. объекты, поэтому принято сравнивать биол. Эффект разл. излуч-й с эффектом, вызываемым рентгеновским или γ-излуч-м, при один-й поглощенной дозе.

За единицу измерения поглощенной дозы в системе СИ принят грэй (Гр). 1 Гр — это такая доза, при к-й массе 1 кг передается энергияионизирующего излуч-я 1 Дж. Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад. 1 Гр =100 рад.

Кол-нно биол. действие ионизирующего излуч-я оценив-ся эквивалентной дозой Н: , где k – коэффициент качества, представляющий собой безразмерную величину, показ-щую, во сколько раз эффект-ть биол. действия данного излуч-я больше, чем рентг-го или γ-излучения при той же поглощенной дозе.

Коээф-нт кач-ва — в радиобиологии усредненный коэфф-нт относительной биол. эффективности(ОБЭ). Хар-зует опасность данного вида излучения (по сравнению с γ-излучением). Чем коэффициент больше, тем опаснее данное излучение.

Вид излучения	Коэфф-нт, Зв/Гр
Рентген-е и γ-излучение
Рентген-е и γ-излучение
Нейтроны с энерг. ˂20 кэВ
Нейтроны с энер. 0,1-10 МэВ
Протоны с энергией ˂10 МэВ
α-излуч-е с энерг. ˂10 МэВ

Доза, отнесенная ко времени , наз-ся мощностью дозы.

Радиационный фон (РФ) – ионизир-е излучение, обусловленное совместным действием природных (естественных) и техногенных радиационных факторов. Естественный РФ - излучение, создаваемое рассеянными в природе радионуклидами, содержащимися в земной коре, приземном воздухе, почве, воде, растениях, продуктах питания, в организмах животных и человека (84%), а также космическое излуч-е (16%). Естеств. РФ колеблется в широких пределах в разл. регионах Земли. Эквивал-ая доза в организме чел-ка в среднем 2 мЗв = 0,2 бэр. Техногенный РФ связан с переработкой и перемещением горных пород, сжиганием каменного угля, нефти, газа и других горючих ископаемых и с испытаниями ядерного оружия и ядерной энергетикой.

 

10. Детокторами ионизир-го излучения (ИИ) наз-т приборы, регистррующие α-, β- и γ-излучения, нейтроны, протоны и т.д. Дет-ры также испол-ют для измерения энергии частиц, изучения процессов взаимодействия, распада и т.п.

Работа детекторов основана на тех процессах, к-е наз-ют регистрируемые частицы в вещ-ве. Виды:

1) следовые (трековые) дет-ры позволяют наблюдать траекторию частицы. Можно использ-ть, чтобы сосчитать пролетающие частицы. Образованные ионы проявляются по вторичном эффектам: конденсация пересыщ-го пара (камера Вильсона и диффузная); парообразование перегретой жидкости (пузырьковая камера); образ-ние разрядов в газах (искровая камера); фотохимическое дей-ие (толстослойные фотопласт-ки).

2) счетчики регистр-т появление ч-цы в заданном пространстве. От регистрации частиц можно перейти к суммарной оценке потока ИИ. К ним отнесят большую группу газоразрядных устройств (импул-ные ионизационные камеры, пропорцион-е счетчики, счетчики Гейгера-Мюллера), а также люминисц-е, полупроводник-е и др.

В качестве примера газовых устр-в рассм-им счетчик

Гейгера-Мюллера, он состоит из коаксильно располож-х цилиндр-х электродов. Давление

газа внутри счетчика 100-200мм рт.ст. К электродам приклад-ся напряжение порядка нескольких сотен вольт. При попадании в счетчик иониз-щей частицы в газе образ-ся свободные электроны, к-е движутся к аноду. Т.к. нить тонкая (0,05мм), то вблизи нити эл-е поле сильно неоднородно, напряж-сть поля велика. Электроны вблизи нити ускоряются настолько, что начинают ионизавать газ. В рез-те возникает разряд и по цепи протекает ток. Самост-й разряд необх. погасить, иначе счетчик не прореагирует на след. частицу.

Принцип дейст. сцинтилляциооного (люминисцентного) счетчика основан на том, что под дейс-ем ИИ в некот-х в-вах происходят кратковременные вспушки света – сцинтилляции. Заряженная частица, попадая в сцинтиллятор, производит ионизацию и возбуждение его молекул, которые через очень короткое время (10^-6 — 10^-9сек ) переходят в стабильное состояние, испуская фотоны. Возникает вспышка света (сцинтилляция). Некоторая часть фотонов попадает на фотокатод фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и выбивает из него фотоэлектроны. Последние под действием приложенного к ФЭУ напряжения фокусируются и направляются на первый электрод (динод) электронного умножителя. Далее в результате вторичной электронной эмиссии число электронов лавинообразно увеличивается, и на выходе ФЭУ появляется импульс напряжения, который затем уже усиливается и регистрируется радиотехнической аппаратурой.

Все детекторы раб-т только тогда, когда ч-цы производят иониз-ю в опред. объеме. В связи с этим для рег-ции α- β-частиц стенки счетчиков или камер должны пропускать эти ч-цы.

3 ) интегральные приборы дают информацию о потоке ионизир-го излучения. Относят фотопленки (фиксируется степень почернения после проявл-я пленки), ионизац-ные камеры непрерывного действия и др.

Их применение в дозиметрии для измерения доз ИИ или величин, связанных с дозами. Дозиметры могут быть рассчитаны на измерение доз какого-то опред. вида излуч-я или регистрацию смешанного излучения. Дозиметры для измерения экспоз. дозы рентген-го и γ-излучения или ее мощности наз-ся рентгенометрами. Сущ. дозиметры детекторами к-х явл-ся газоразрядные счетчики. Для измерения акт-сти или конц-ции рад. Изотопов применяют радиометры. Роль датчика выполняет детектор ядерного излучений.

Низкоинтенс-е лазеры – такие, к-е не вызывают заметного диструктивного действияна ткани непосредственно во время облучения. Примерами может служить использование света гелий-неоновых лазеров для лечения трофических язв, ишемической болезни сердца и др.

Наряду с нагревом ткани происходит отвод части тепла за счет теплопроводности и тока крови. При температурах ниже 40˚С необратимые повреждения не наблюдаются. При 60˚С и выше начин-ся денатурация белков, коагуляция тканей и некроз. При 100-150˚С вызывается обезвоживание и обугливание, а выше 300˚С ткань испар-ся.

Когда излуч-е исходит от высокоинтенс-го сфокусированного лазера, кол-во выделяющегося тепла велико, в ткани возникает темпер-й градиент. В месте падения луча ткань испаряется в прилегающих областях происходит обугливание и коагуляция. Фотоиспарение является методом послойного удаления или разрезания ткани. В рез-те коагуляции завариваются сосуды и останавливается кровотечение.Используется в хирургии в качестве стерильного «светового скальпеля»