ТЕМА 5. РАДИОАКТИВНОСТЬ. ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ

1. На рис.1 показан вакуумный прибор, который позволяет получить излучение, широко применяемое в медицине.

1.1.На рис.1 представлена рентгеновская трубка, которая позволяет получить рентгеновское излучение – электромагнитное излучение, находящееся на физической шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-лучами, имеющее длину волны от 80 до 10^-5 нм.

1.2.В основе работы рентгеновской трубки положены следующие физические явления: - термоэлектронная эмиссия – испускание катодом электронов при нагревании его переменным электрическим током; - движение электронов к аноду под действием электрического поля. Поскольку из трубки откачан воздух, электроны движутся с большой скоростью; - возникновение вокруг движущихся электронов магнитного поля, параметры которого зависят от скорости электронов (закон Лоренца); - возникновение электромагнитной волныпри резком торможении электронов атомами анода (вследствие возникновения переменного магнитного поля, которое порождает переменное электрическое поле и т.д., по теории Максвелла). Так образуется тормозное рентгеновское излучение,

- выбивание движущимися электронами электронов из внутренних электронных орбиталей атомов анода и переход на вакантное место электронов с внешних орбиталей, в результате чего образуются кванты характеристического рентгеновского излучения.

- нагревание анода вследствие случайного распределения кинетической энергии движущихся электронов на 2 части: образование ЭМ волны и рассеяние части энергии в теплоту. Нагревания анода пытаются избежать (применяют охладители) и учесть (делают анод из тугоплавких материалов, или вращающийся анод и т.д.)

2. На рис. 2 представлены спектры излучения, получаемого с помощью рентгеновской трубки.

2.1. ). , так как , где поток рентгеновского излучения в трубке (графически площадь криволинейной трапеции, ограниченной графиком, перпендикулярами от концов графика к оси абсцисс, и осью абсцисс), - сила тока и напряжение в рентгеновской трубке соответственно, порядковый номер вещества анода. Кроме того, при увеличении напряжения уменьшается длина волны, на которую приходится максимум излучения: . (видно на рис., что максимум смещается).

2.2. Жёсткое излучение – это коротковолновое излучение (от 0,01 до 10^-5нм) с большой энергией кванта, обладающее высокой проникающей способностью, но мало поглощается веществом. Мягкое излучение – относительно длинноволновое (более 0,01нм) рентгеновское излучение, обладающее малой проникающей способностью, но хорошо поглощаемое веществом.

3. На рис. 3 представлены механизмы взаимодействия рентгеновского излучения с веществом.

3.1. На рис. 3А - представлено когерентное рассеяние. Оно возникает в случае, если энергии кванта рентгеновского излучения (РИ) недостаточно для ионизации атомов вещества ( ). Квант РИ меняет направление своего распространения при столкновении с атомом без изменения частоты.

На рис. 2Б – представлен фотоэффект – высвобождение из атомов вещества электронов под действием кванта РИ. Фотоэффект наступает в случае, если энергия кванта РИ больше или равна энергии ионизации атомов вещества( ). В результате фотоэффекта – атом, освободивший электрон, становится катионом, а атом, присоединивший освобождённый электрон – анионом. Таким образом, фотоэффект приводит к ионизации вещества.

На рис. 3В – представлено некогерентное рассеяние (или эффект Комптона). Он возникает в случае, если энергия кванта РИ излучения значительно превышает энергию ионизации вещества ( ). В таком случае из атома высвобождается электрон с большой кинетической энергией, способный вызвать дальнейшую непрямую ионизацию вещества. Кроме того, энергия кванта РИ может не полностью использоваться на высвобождение 1 электрона из атома, дополнительно возникает меньший по энергии квант РИ ( ), который способен в случае достаточного содержания энергии (если ) производить дальнейшую ионизацию вещества и т.д. пока энергии последующих квантов станет недостаточно для ионизации. Таким образом, некогерентное рассеяние может приводить к более существенной ионизации вещества, чем фотоэффект.

3.2 .Дифракция – это явление огибания волной препятствия, если оно меньше длины волны, или отклонение от прямолинейного распространения при прохождении через узкие щели (меньше длины волны). Дифракция рентгеновских лучей наблюдается в кристаллах, где «препятствием» считают ионы в узлах кристаллической решётки. Поскольку внутреннее строение кристаллов различно (расстояние между узлами и их взаиморасположение), то по дифракционной картине, которая образуется при прохождении рентгеновского излучения через кристалл, можно определить его структуру. Применение дифракции РИ в анализе структуры вещества называется рентгеноструктурным анализом.

4. Природа ионизирующих излучений была определена путём изучения их отклонения в магнитном и электрическом полях (рис. 4).

4.1. излучение – поток дважды ионизированных ядер атомов гелия .

излучение – потоки позитронов или электронов .

лучи – электромагнитные волны, занимающие на природной шкале электромагнитных волн крайнее положение, т.е. наиболее высокочастотные (или коротковолновые).

4.2. лучи не отклоняются от направления своего распространения электрическим и магнитными полями, поскольку представляют собой электромагнитные волны. излучение отклоняется слабее, чем излучение, поскольку частицы имеют большую массу, чем частицы, имеющие нулевую массу покоя.

5. На рис. 5 представлены схемы различных видов радиоактивного распада. Допишите недостающие в схемах элементы.

6. На рис.6 представлена схема проникающей способности различных ионизирующих излучений.

6.1. 1 - излучение, т.к. имеет наиболее низкую проникающую способность.

2 - излучение, имеющее среднюю проникающую способность.

3- лучи, имеющее наибольшую проникающую способность.

6.2.Чем больше проникающая способность, тем меньше его ионизирующая способность. Ионизация наступает при взаимодействии излучения с атомами вещества. На ионизацию тратиться энергия. излучение интенсивно взаимодействует с атомами вещества, так как имеет большой заряд и массу. Поэтому имеет большую ионизирующую способность, но малую проникающую. лучи слабо взаимодействуют с веществом, поэтому слабо его ионизируют, но имеют большую проникающую способность. излучение занимает промежуточное положение между излучением и лучами.

7. На рис 7 представлено уменьшение числа радиоактивных ядер при их распаде. Выше столбиков обозначено число периодов полураспада, прошедших с момента начала радиоактивного распада.

7.1.Период полураспада – время, за которое распадается половина имеющихся радиоактивных ядер.

7.2.

7.3.Будет. В организме часть радиоактивных ядер выводится естественным путём. При расчёте дозы фармпрепарата вычисляют эффективный период полураспада:

, где период физического полураспада радионуклида, период, в течение которого выводится органам выделения половина радиофармпрепарата.

8. На рис. 8показано, что характеризуют основные дозиметрические величины.

8.1. С помощью дозиметрических приборов измеряется экспозиционная доза излучения – суммарный заряд всех ионов одного знака, которые образуются в 1 см³ сухого воздуха в нормальных условиях при его ионизации фотонным излучением (рентгеновским и гамма-излучением). Единица измерения в системе СИ - : Внесистемная единица – Рентген: 1 Р=2,58_*10^-4 Кл/кг.

8.2. - поглощённая доза, энергия, поглощённая единицей массы вещества. Внесистемная единица – Рад: 1 Грей=100 Рад.

, где коэффициент, который определяется экспериментальным путём и зависит от природы и плотности вещества, которое облучается. Для воздуха , для воды и мягких тканей , для кости – от 2 от 5 в зависимости от энергии фотонов. Поглощённая доза в радах для мягких тканей равна экспозиционной дозе в Рентгенах.

8.3.Потому что различные излучения имеют неодинаковую биологическую эффективность при одной и той же поглощённой дозе. Для характеристики действия излучений на биологические объекты используют биологическую (или эквивалентную) дозу: . Измеряется в системе СИ в Зивертах, внесистемная единица – Бэр: 1 Зв=100Бэр.

8.4.Коэффициент качества (КК) – коэффициент, который показывает во сколько раз биологический эффект данного вида излучения превышает эффект фотонного излучения при одних и тех же поглощённых дозах. Для рентгеновского, гамма- излучения среднее значение КК=1, для бета- и нейтронного излучения КК составляет от 5-10, для альфа-излучения – 20. (КК зависит не только от вида излучения, но и от его энергии).

8.5. Эффективная эквивалентная доза учитывает неодинаковую чувствительность органов и тканей к действию ионизирующих излучений. Её находят, умножив биологическую (эквивалентную) дозу на коэффициент радиационного риска для соответствующих органов и тканей. Например, при равномерном облучении всего тела человека коэффициент радиационного риска для костной ткани составляет 0,03, для лёгких – 0,12 и т.д.

9. На рис. 9 представлены три столбика. В первом из них – названия дозиметрических величин, во втором – их определения, в третьем - единицы измерения. С помощью стрелок соедините названия, определения и единицы измерения основных дозиметрических величин.

10. В диагностике состояния различных органов используют радиофармпрепараты, в состав которых входят радионуклиды.

10.1. Стабильные элементы и их радиоактивные изотопы в различных процессах жизнедеятельности ведут себя одинаково. Поэтому, если орган накапливает какие-либо стабильные элементы, он будет накапливать их радиоактивные изотопы. Органы и ткани, особенно чувствительные к действию радиоактивных изотопов, называются критическими. Например, жировая ткань накапливает радиоактивный углерод, кости – фосфор, кальций и стронций, щитовидная железа – радиоактивный йод и т.д. Скорость накопления радионуклидов органами и тканями свидетельствует о функциональном состоянии органа. Например, поражённая инфарктом часть сердечной мышцы не накапливает радиоактивный препарат.

10.2. Основное требования – радионуклид должен обладать как можно меньшим периодом полураспада. Поэтому в диагностике чаще всего применяют короткоживущие изотопы радиоактивного технеция. Второе требование – радионуклид должен обладать тропностью к исследуемому органу (т.е. накапливаться им). Третье – должен излучать гамма-лучи или распадаться по типу позитронного бета-распада, в результате чего при взаимодействии с электронами атомов также образуются гамма-лучи, которые могут быть зафиксированы с поверхности тела человека.

10.3. Применение РФП неизбежно связано с лучевой нагрузкой на организм обследуемого, что теоретически представляет потенциальную возможность соматических повреждений или генетических последствий. Поэтому основным правилом должно быть уменьшение дозы облучения до минимального уровня при удовлетворительном качестве исследования. Т.е. используют минимально возможное количество радионуклидов. Преимущество радионуклидной диагностики – возможность исследования не только анатомического строения органов, а их функционирования (т.е. их физиологии и даже биохимии).