Ветеринарная радиобиология

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВПО

СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра терапии и фармакологии

Ветеринарная радиобиология

Курс лекций

Ставрополь, 2015

ВВЕДЕНИЕ

В наши дни особую актуальность приобретает рассмотрение широкого круга вопросов, связанных с воздействием ионизирующей радиации и инкорпорированных радионуклидов на экосистемы и их компоненты, в связи с различными аспектами деятельности человека, способствующими загрязнению биосферы радиоактивными веществами, а также осмыслением радиоэкологических катастроф подобных аварии на Чернобыльской АЭС.

Исследования влияния испытаний ядерного оружия на живые организмы, расширение объема атомной энергетики, проблемы, связанные с захоронением радиоактивных отходов и ряд других радиоэкологических вопросов повысили интерес к радиобиологии и к радиоэкологии. Атомные электростанции сооружаются, в основном, в Европейских странах, которые являются регионами интенсивного ведения животноводства. Это обстоятельство усиливает интерес к изучению закономерностей миграции радионуклидов в цепях с участием сельскохозяйственных животных, поскольку полученная от них продукция может являться дополнительным источником облучения человека.

Помимо испытаний ядерного оружия, которые уже практически отошли в прошлое, аварий на предприятиях ядерно-топливного цикла в мире существует множество других источников ионизирующих излучений, связанных с хозяйственной деятельностью человека. Эти источники вносят свой вклад в повышение природного радиационного фона Земли, а в некоторых случаях (катастрофа на ЧАЭС) локально повышают его в десятки, сотни и даже тысячи раз.

Радиоактивность нельзя уничтожить - с ней приходится жить нашему и придется жить будущим поколениям. Поэтому, чтобы не только выжить, но и жить полноценной жизнью, надо повышать радиационную культуру. В этом плане знание теоретических основ радиоэкологии и радиобиологии необходимо для специалистов различных сфер деятельности человека: охрана окружающей среды, ветеринарная практика, ветсаннадзор, пищевая промышленность, медицина и др.

Лекция 1: Введение в радиобиологию

1. Определение дисциплины

Радиобиология - научная дисциплина, изучающая действие ионизирующих излучений на биологические объекты разной степени организации - от изолированной клетки до организма.

В природе организмы подвергаются радиационному воздействию от естественных источников и от источников, связанных своим происхождением с деятельностью человека, эффекты этих воздействий и изучает радиоэкология.

Доза ионизирующего излучения от естественных источников составляет порядка 1 - 5 мЗв/год (действовала на организмы и в прошлые геологические эпохи). Искусственная радиоактивность возникает при перемещении и переработке естественных радионуклидов, при авариях на предприятиях ядерно-топливного цикла (ЯТЦ) и при испытаниях ядерного орудия. Мощность дозы от глобальных выпадений достигает 0,04 - 0,41 мЗв/год.

Биологическая опасность радионуклидов, находящихся в биосфере, зависит от их количества, характера излучения, периода полураспада, физического состояния в химических соединениях, в которых они заключены, способности организмов накапливать и выводить эти радионуклиды.

Радиационное воздействие выделяется из других воздействий из-за своеобразного действия на живое вещество. Ни один живой организм в процессе эволюции не приобрел рецепторов для обнаружения радиации, и нет ни одной живой системы, которая бы не подвергалась действию радиации. Радиация двояко действует на живые организмы. С одной стороны, природный радиационный фон является необходимым компонентом существования живых организмов (в отсутствие радиации организмы не смогут развиваться и эволюционировать). С другой - радиационное воздействие на живые организмы может приводить к их повреждению и гибели. Радиобиологический парадокс состоит в большом несоответствии между ничтожной величиной поглощенной энергии и крайней степенью выраженности реакций биологического объекта вплоть до летального исхода (Н.В. Тимофеев-Ресовский, 1968).

Радиоэкология является частью не только экологии, но и радиобиологии, которая изучает действие ионизирующего излучения на биологические объекты разной степени организации (от изолированной клетки до организма человека).

Важнейшей особенностью действия ионизирующего излучения на биологические объекты является способность радиации влиять на их слаженные регуляторные механизмы. Именно в разрегуляции и дисфункции регуляторных процессов проявляется специфика ионизирующего излучения для открытых систем в отличие от неживых объектов. Живая открытая система, лишаясь регуляторных механизмов, необратимо утрачивает стационарное состояние (гомеостаз) и погибает. Лучевое поражение биологических объектов закономерно развивается во времени в виде периодического фазового нарушения стационарного состояния, являющегося следствием дисбаланса противоположных механизмов: усилением повреждений и репарационными процессами.

В пределах одного наземного биоценоза могут оказаться виды животных, сильно различающиеся по степени контакта с загрязненными участками, а следовательно, и с ионизирующим излучением. По этому признаку различают животных, случайно контактирующих с загрязнением, временно или постоянно.

Появление нового сильного абиотического фактора, каким является ионизирующее излучение, может вызвать значительные изменения в структуре сообществ и экологии отдельных видов. Для некоторых видов радиация губительна и они исчезают из биоценоза (среди деревьев особенно радиочувствительна сосна), другие же оказываются более устойчивыми и количество их даже возрастает. Третьи виды изменяют свою численность вследствие изменения количества двух первых видов, например хищники и паразиты, связанные с видами, которые служат им объектом питания, сократили численность под действием ионизирующего излучения, и могут выпасть из сообществ.

Радиационное поражение наземного биоценоза приводит к ослаблению входящих в него видов. Следствием этого ослабления является большая пораженность животных паразитами, например - млекопитающих - блохами и клещами-кровососами. В свою очередь, повышенная интенсивность поражения кровососами вместе с ослаблением иммунитета животных создает благоприятные условия для широкого распространения очагов трансмиссивных и других природноочаговых болезней и для оживления циркуляции вируса в существовавших очагах. Так как к природноочаговым болезням относятся такие, как чума, клещевой энцефалит, клещевой сыпной тиф и другие тяжелейшие болезни человека, надо иметь и этот аспект действия радиации на естественные биоценозы.

Объекты радиоэкология - популяции и сообщества организмов.

Основной метод радиоэкологии - строго дозированное облучение объекта тем или иным видом ионизирующей радиации (Х-лучи или рентгеновские лучи, гамма-, альфа- и бета-излучение, нейтроны, протоны и др.) с последующим изучением влияния этого облучения на организмы и популяции. Основное требование к методам - применение различных критериев состояния биологических объектов и систем в связи с их облучением и применением средств модифицирующих лучевые воздействия (радиопротекторы и другие средства защиты, радиосенсибилизаторы, радиомиметики, радиотоксины). Методы работы радиоэколога включают и анализ изменений сообществ под действием ионизирующего излучения. Это, и использование радиационных полей, создаваемых специально для изучения воздействия радиации с источниками рентгеновского или г-излучения, и исследования в районах создаваемых полигонов с более высоким фоном ионизирующего излучения.

Практическое применение. Использование ядерной энергии и ядерных технологий в машино- и кораблестроении, широкое использование ионизирующего излучения в медицине, биологии, народном хозяйстве выдвигают радиобиологию в число важнейших наук естествознания.

Взаимосвязь радиоэкологии и радиобиологии.

Радиоэкология проводит исследования в основном в области малых доз радиации, а радиобиология - в области больших доз радиации. Лишь недавно, с переходом на молекулярный и генетический уровень, исследования радиобиологии стали охватывать и область малых доз [Криволуцкий Д.А., 1983].

2. Краткая история развития радиобиологии

В развитии радиобиологии можно выделить 3 временных этапа.

Первый этап - с 1895 по 1922 гг. - описательный этап, связанный с накоплением данных и первыми попытками осмысления биологических реакций на облучение.

Основные события этого этапа: открытие Вильгельмом Конрадом Рентгеном Х-лучей (1895 г.), Анри Беккерелем естественной радиоактивности (1896 г.), Марией Складовской-Кюри и Пьером Кюри радиоактивных свойств полония и радия (1898 г.).

В этот период установлены два важных факта - вызываемое ионизирующим излучением торможение клеточного деления (Корнике М., 1905) и различие в степени выраженности реакции разных клеток на облучение. Впервые это было отмечено в 1903 г. Французскими исследователями И. Бергонье т Л. Трибондо. На основе исследований ими были сформулированы положения, вошедшие в историю под названием «закона» или «правила Бергонье и Трибондо». Суть этих положений состоит в том, что клетки тем более радиочувствительны, чем большая у них способность к размножению и чем менее определенно выражены их морфология и функция, т.е. чем они менее дифференцированы. Уже в первое десятилетие 20-го века началось изучение действия ионизирующего излучения на эмбриогенез.

Ранние наблюдения, хотя и имели фундаментальное значение, носили описательный, качественный характер; отсутствовала какая-либо теория, объясняющая механизм действия ионизирующих излучений на живые объекты.

Второй этап - с 1922 по 1945 гг. - становление фундаментальных принципов количественной радиобиологии, характеризующийся стремлением связи эффектов с величиной поглощенной дозы. В этот период обнаружено действие ионизирующих излучений на генетический аппарат клетки (Г.А. Надсон и Г.Ф. Филиппов, 1925г.; Г.Мюллер, 1927г. И др.). Теория мишени как формальное обобщение многих наблюдаемых явлений сформулирована английским учёным Д. Ли (1946), русским ученым Н. В. Тимофеевым-Ресовским и немецким учёным К. Циммером (1947). В 1928 г. Была введена единица экспозиционной дозы - рентген. Открытие нейтрона в 1932 г. (Чедвик) [Ярмоненко С.П., 2004].

Третий этап - с 1945 г. по настоящее время.

В радиобиологии большой удельный вес занимают исследования по изучению миграции радиоактивных продуктов ядерного деления урана и плутония по биологическим и пищевым цепям. Интерес к этому направлению работ возник в начале 50-х годов и объясняется рядом обстоятельств. Как известно, в конце 40-х и начале 50-х годов проходили испытания атомного и водородного оружия, в результате которых в биосферу поступало большое количество радиоактивных продуктов ядерных взрывов. Быстрыми темпами увеличивалась зараженность почвы радионуклидами: например, плотность загрязнения почвы 90Sr в районе Токио в конце 1954 г. составляла ~1 мКи/км2, а в последующие годы резко увеличивалась - в 1955 г. до 2, в 1956 г. до 5,5, а к середине 1957 г. достигла 8 мКи/км2. Академик И. В. Курчатов предупреждал: «...если и впредь испытания атомного оружия будут продолжаться в том же темпе, как сейчас, то вследствие выпадения на поверхность земли образующихся при взрыве и распространяющихся по всему земному шару радиоактивных изотопов стронция, цезия и углерода в будущем в каждом поколении будет поражено наследственными заболеваниями несколько миллионов человек». [Советские ученые об опасности испытаний ядерного оружия, 1959].

3. Связь радиобиологии с другими науками

Радиобиология граничит с научными дисциплинами, исследующими биологическое действие электромагнитных волн инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазонов и радиоволн миллиметрового и сантиметрового диапазонов (биологией, физиологией, цитологией, генетикой, биохимией, биофизикой и ядерной физикой).

Многогранность задач, стоящих перед современной радиобиологией, привела к развитию радиоэкологии, радиационной генетики и других разделов радиобиологии. Исследования в области радиобиологии лежат в основе практического применения ионизирующих излучений в лучевой терапии злокачественных новообразований; на их базе разработаны эффективные методы лечения лучевой болезни, они послужили теоретическим фундаментом для использования ионизирующих излучений в борьбе с сельскохозяйственными вредителями, для выведения новых сортов сельскохозяйственных растений (радиационная селекция), повышения урожая путём предпосевного облучения семян, продления сроков хранения сельскохозяйственного сырья, для лучевой стерилизации медицинских препаратов. Данные космической радиобиологии необходимы для прогнозирования и обеспечения безопасности полётов человека в космос. Многие открытия в области радиобиологии (например, открытия радиационного мутагенеза, а также ферментов, репарирующих радиационные повреждения ДНК и др.) способствовали существенному развитию знаний об общих законах жизни.

К настоящему времени имеется большое количество фундаментальных работ и накоплен огромный фактический материал по различным аспектам биологического действия ионизирующих излучений, но, несмотря на это, на сегодняшний день мы еще не имеем единой объединяющей теории механизма их биологического действия.

Одной из причин такого положения, несомненно, является то, что решение основных вопросов радиобиологии велось в отрыве от тех общебиологических теоретических дисциплин, в области которых вторгаются эффекты биологического действия ионизирующей радиации и закономерности которых в значительной степени объясняют характер этих эффектов (Ковалев).

Как правило, авторы большинства предложенных гипотез оставляют вне поля зрения такие важнейшие проявления биологического действия ионизирующих излучений, как подавление процессов дифференцировки и иммуногенеза, канцерогенное влияние ионизирующих излучений, лечебное их действие при опухолевом росте, эффект ускорения процессов старения облученных организмов и т. д. Возможно, что именно такая широта диапазона биологического действия ионизирующих излучений - одна из причин отсутствия единой теории механизма лучевых поражений.

П. Д. Горизонтов, Э. Я. Граевский, Н. А. Краевский и другие исследователи отмечают, что отсутствие единой теории биологического действия излучений значительно затрудняет поиски средств профилактики и лечения лучевых повреждений.

4. Значение радиобиологии для сельскохозяйственной науки и производства

На основе эффектов биологического действия ионизирующей радиации радиобиология рассматривает и ведет разработку прикладных вопросов радиобиологии в виде радиационно-биологической технологии (РБТ) в животноводстве, ветеринарии и других отраслях сельского хозяйства в направлении: стимуляции хозяйственно полезных качеств у сельскохозяйственных животных, в том числе птиц, под действием малых доз внешнего облучения, стерилизации ветеринарных биологических (вакцины, сыворотки и др.) и лекарственных препаратов (витамины, антибиотики и т. д.), биологических тканей, полимерных изделий, шовных и перевязочных материалов, консервирования пищевых продуктов и обеззараживания сырья животного происхождения (шерсть, кожа, пушнина и т. д.) и отходов сельскохозяйственного производства (навозные стоки) и т. д. Наряду с этим радиобиология ведет разработку и использование методов радиоактивных изотопов в животноводстве и ветеринарии для изучения физиологии и биохимии животных, диагностики болезней и с лечебной целью, в селекционно-генетических исследованиях и т. д.

Специалисты сельского хозяйства должны знать характер биологического действия различных доз радиоактивных излучений, а зооветеринарные специалисты - уметь оценивать радиационную ситуацию, диагностировать болезни лучевых поражений, организовывать и проводить мероприятия по оказанию лечебно-профилактической помощи животным. Правильная и своевременная организация мер по определению радиационной ситуации, обработке и защите животных может предотвратить заражение радиоактивными веществами мяса, молока и другой продукции.

В Российской Федерации исследования по радиобиологии проводятся в институте биологической физики АН РФ (г. Пущино), в Ленинградском институте ядерной физики АН РФ (г. Гатчина) и др. институтах АН РФ, а также в институтах министерства здравоохранения РФ и министерства сельского хозяйства РФ, на кафедрах многих вузов. За рубежом основные центры радиобиологических исследований: Брукхейвенская национальная лаборатория, Биологическое отделение атомного центра в Ок-Ридже и др. (США); Радиевый институт, Биологическое отделение атомного центра в Сакле (Франция); Лаборатория радиобиологии атомного центра в Харуэлле (Великобритания); институт биофизики Чешской АН (Брно); институт биофизики во Франкфурте-на-Майне, Центр ядерных исследований в Карлсруэ, институт радиационной ботаники в Гамурге (Германия); Радиобиологическое отделение атомного центра в Тромбее (Индия); Радиобиологический институт (Сиба, Япония) и многие др. В 1955 Генеральная Ассамблея ООН учредила специальный Научный комитет по действию атомной радиации (участвуют 20 стран), который собирает всю информацию о радиационной обстановке на Земле и возможных биологических последствиях облучения человека и сообщает её в регулярно представляемых ООН докладах (1958 -72).

Основные периодические издания по радиобиологии:

журналы «Радиационная биология. Радиоэкология» (с 1961), «Radiation Research» (N.Y., с 1954), «International Journal of Radiation Biology ...» (L., с 1959), «Radiation Botany» (L. - N. Y., с 1961) и др. Международная ассоциация радиационных исследований, Европейское общество радиобиологов, Научный совет по проблемам радиобиологии АН РФ и др. регулярно созывают национальные и международные симпозиумы (первый в Дании, 1953), конференции, конгрессы (первый в США, 1958).

Тема 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОЭКОЛОГИИ

Лекция 2. Строение атома

радиоактивный биологический ионизирующий излучение

Атом - мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая все его свойства. По своей структуре атом (размер примерно 10-8см) представляет сложную систему, состоящую из находящегося в центре атома положительно заряженного ядра (10-13см) и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра на различных орбитах. Радиус атома равен радиусу орбиты самого удаленного от ядра электрона [Белов А.Д., 1999]. Отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра, при этом атом в целом электрически нейтрален.

В 1911 году Э. Резерфорд предложил планетарную модель строения атома, которая была развита Н. Бором (1913). Согласно этой модели в центре атома расположено ядро, имеющее положительный электрический заряд. Вокруг ядра перемещаются по эллиптическим орбитам электроны, образующие электронную оболочку атома.

Любой атом состоит из элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов, которые в свободном состоянии характеризуются такими физическими величинами, как масса, электрический заряд (или его отсутствие), устойчивость, скорость т.д. Массу ядер и элементарных частиц обычно выражают в атомных единицах массы (а.е.м.), за единицу принята 1\12массы атомы углерода (12С).

1 а.е.м. = 1,67*10-27 кг

Энергия выражается в электрон-вольтах (эВ), один электрон-вольт равен кинетической энергии, которую приобретает электрон (или любая элементарная частица вещества, имеющая заряд) при прохождении электрического поля с разностью потенциалов в один вольт.

1эВ = 1,602*10-19Кл

Кроме этого массу часто выражают в энергетических эквивалентах (это энергия покоя частицы, масса которой равна 1 а.е.м., составляет 931,5МэВ (106 эВ).

Атомное ядро - центральная часть атома, в которой сосредоточена почти вся масса (99,9%). Атомное ядро состоит из двух типов элементарных частиц - протонов и нейтронов. Общее название их - нуклон. Протон и электрон относятся к так называемым устойчивым и стабильным частицам, нейтрон стабилен, лишь находясь в ядре.

Суммарное число протонов и нейтронов в ядре называют массовым числом и обозначают буквой А (или М). Так как заряд нейтрона равен нулю, а протон имеет элементарный положительный заряд +1, то заряд ядра равен числу находящихся в нем протонов, которое называется зарядовым числом (Z) или атомным номером. Число нейтронов в ядре равно разности между массовым А числом и атомным номером Z элемента: N = A-Z (АZX).

Электрический заряд (q) ядра равен произведению элементарного электрического заряда (е) на атомный номер (Z) химического элемента периодической системы Д.И. Менделеева:

q = Ze

Ядерные силы.

Протоны и нейтроны внутри атомного ядра удерживаются ядерными силами. Ядерные силы составляют потенциальную энергию связи ядра. Установлено, что сумма энергий свободных протонов и нейтронов больше энергии составленного из них ядра, из чего следует, что для разделения ядра на его составляющие нужно затратить энергию. Минимальная энергия, необходимая для этого называется энергией связи ядра.

Такая же картина наблюдается, если сложить массы нуклонов, составляющих ядро атома. Расчетная масса ядра окажется больше фактической масса ядра. Разницу между расчетной и фактической массой ядра называют дефектом массы.

Ядерные силы не зависят от наличия или отсутствия электрического заряда у нуклонов, действуют только на очень малых расстояниях (10-13см) и с увеличением расстояния между ядерными частицами очень быстро ослабевают.

Для ядерных сил характерно свойство насыщения, которое заключается в том, что нуклон оказывается способным к ядерному взаимодействию одновременно только с незначительным числом соседних нуклон, что указывает на возможную природу ядерных сил, как сил обменного типа.

Основные свойства ядерных сил объясняются тем, что нуклоны обмениваются между собой частицами массой немногим более 200 электронных масс (X. Юкава, 1935г), такие частицы обнаружены экспериментально (1947) и названы р-мезонами или пионами (существуют положительные, отрицательные и нейтральные р-мезоны). Мезоны не являются составными частями протонов и нейтронов, а испускаются и поглощаются ими (подобно тому, как атомы испускают и поглощают кванты электромагнитного излучения), при этом протон, испустивший положительный пион, превращается в нейтрон, а нейтрон после захвата пиона превращается в протон. Все эти процессы обеспечивают сильное взаимодействие и тем самым устойчивость ядер.

Протон (р) - элементарная частица, входящая в состав любого атомного ядра, имеющая положительный заряд равный единичному элементарному заряду +1 (1,602*10-19Кл). Масса покоя протона составляет 1,00758 а.е.м. или 938,27 МэВ.

Число протонов в ядре (атомный номер) для каждого элемента строго постоянно и соответствует порядковому номеру элемента (Z) таблицы Д.И. Менделеева. Так как каждый протон имеет положительный элементарный заряд электричества, то атомный номер элемента показывает и число положительных элементарных зарядов в ядре любого атома химического элемента. Порядковый номер элемента еще называют зарядовым числом. Число протонов в ядре определяет число электронов в оболочке атома (но не наоборот) и соответственно строение электронных оболочек и химические свойства элементов.

Нейтрон (n) - электрически нейтральная элементарная частица (отсутствует лишь в ядре легкого водорода), масса покоя которой равна 1,00898 а.е.м. или 939,57 МэВ. Масса нейтрона больше массы протона на две электронные массы. В атомном ядре нейтроны являются стабильными, их число (N) в ядре атома одного и того же элемента может колебаться, что дает в основном только физическую характеристику элемента [Белов А.Д., 1999].

Электрон - стабильная элементарная частица, имеющая массу покоя, равной 0,000548 а.е.м., а в абсолютных единицах массы - 9,1*10-28кг. Энергетический эквивалент а.е.м. электрона равен 0,511 МэВ и элементарный электрический заряд - 1,602*10-19Кл.

Электроны двигаются вокруг ядра по орбиталям определенной формы и радиуса. Орбиты группируются в электронные слои (максимально может быть семь: K, L, M, N, O, P,Q). Наименьшее число электронов, которое может находиться на орбиталях одного слоя, определяется квантовым соотношением:

m=2n2,

где n - главное квантовое число (в данном случае совпадает с номером слоя. Следовательно в К-слое (n=1) может находиться 2 электрона, в L-слое (n=2) - 8 электронов и так далее.

Основную роль во взаимодействии электронов с атомным ядром играют электромагнитные силы (силы кулоновского притяжения разноименных электрических зарядов). Чем ближе к ядру находится электрон, тем больше его потенциальная энергия (энергия связи с ядром) и меньше кинетическая энергия (энергия вращения электрона). Соответственно электроны с внешней орбиты (энергия связи около 1-2 эВ) сорвать легче, чем с внутренней.

Переход отдельного электрона с орбиты на орбиту всегда связан с поглощением или высвобождением энергии (поглощается или испускается квант энергии). Согласно постулатам Бора атомная система находится в стационарном состоянии, которое характеризуется определенной энергией. Бесконечно долго каждый атом может находиться только в стационарном состоянии с минимальной энергией, которое называется основным или нормальным. Все остальные стационарные состояния атома с большими энергиями называются возбужденными. Переход электрона с одного энергетического уровня на другой, более удаленный от ядра (с большей энергией) называется процессом возбуждения.

В результате соударения с другими атомами, с любой заряженной частицей или при поглощении фотона электромагнитного излучения атом может перейти из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией. Время жизни атома в возбужденном состоянии не превышает 10-7-10-9с. Из любого возбужденного состояния атом самопроизвольно переходит в основное состояние, этот процесс сопровождается излучением фотонов (квантов). В зависимости от разности энергий атома в двух состояниях, между которыми совершается переход, испускаемый квант электромагнитного излучения может принадлежать диапазону радиоволн, инфракрасного излучения, видимого света, ультрафиолетового или рентгеновского излучения.

При сильных электрических воздействиях электроны могут вырываться за пределы атома. Атом, лишившийся одного или нескольких электронов, превращается в положительный ион, а присоединивший к себе один или несколько электронов - в отрицательный. Процесс образования ионов из нейтральных атомов называется ионизацией. В обычных условиях атом в состоянии иона существует очень короткое время. Свободное место на орбите положительного иона заполняется свободным электроном, и атом вновь становится электрически нейтральной системой. Этот процесс носит название рекомбинации ионов (деионизации) и сопровождается выделением избыточной энергии в виде излучения.

1. Изотопы, изотоны, изобары

Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, являются разновидностями одного и того же химического элемента и называются изотопами. Такие элементы имеют одинаковый номер в таблице Д.И. Менделеева, но разное массовое число (3919К, 4019К, 4119К). Поскольку заряды ядер этих атомов одинаковые, элементарные оболочки их имеют почти однотипное строение, а атомы с такими ядрами чрезвычайно близки по химическим свойствам. Большинство химических элементов в природе представляет собой смесь изотопов. Обычно в смеси изотопов одного определенного элемента преобладает один изотоп, а остальные составляют только небольшой процент (например, калий состоит из: 39К - 93,08%; 40К - 0,0119%; 41К - 6,91%) (4).

Чтобы отличить изотопы одного химического элемента друг от друга, перед названием элемента сверху приписывают массовое число, равное сумме всех частиц ядра данного изотопа, а снизу - заряд ядра (число протонов), соответствующий порядковому номеру элемента в таблице Д.И. Менделеева. Так, наиболее распространенный в природе легкий водород 11Н (протий) содержит 1 протон, редко встречающийся среди атомов водорода 21Н (дейтерий) -1 протон и 1 нейтрон, а никогда не встречающийся в природе 31Н (тритий) - 1 протон и 2 нейтрона (тритий получают искусственным путем, облучая дейтерий медленными нейтронами) [Люцко А.М. и др., 1996].

Различают стабильные и нестабильные (радиоактивные) изотопы. К первым относятся такие изотопы, ядра которых при отсутствии внешних воздействий не претерпевают никаких превращений, ко вторым - изотопы, ядра которых могут самопроизвольно (без внешнего воздействия) распадаться, образуя при этом ядра атомов других элементов. Ядра всех изотопов химических элементов принято называть нуклидами, нестабильные нуклиды называются радионуклидами. В настоящее время известно около 300 стабильных изотопов и около 1500 радиоактивных.

Условие устойчивости атомных ядер: устойчивыми являются лишь те из атомных ядер, которые обладают минимальной энергией по сравнению со всеми ядрами, в которые данное ядро могло бы самопроизвольно превратиться.

Атомные ядра разных элементов с равным числом нейтронов называют изотонами. Например 136С имеет шесть протонов и семь нейтронов, 147N имеет семь протонов и тоже семь нейтронов.

Атомные ядра, разных элементов с одинаковым массовым числом, но с разным атомным номером (т.е. состоящие из одинакового числа нуклонов при разном соотношении протонов и нейтронов) называются изобарами.

Например: 104Be, 105B, 106C и т.д.

Различие в энергии атомных ядер изобаров определяется наличием у протонов электрического заряда и существованием различия в массах протона и нейтрона. Так ядра, содержащие значительно больше протонов, чем нейтронов, оказываются нестабильными, так как обладают избытком энергии кулоновского взаимодействия. Ядра же, имеющие больше нейтронов, чем протонов, нестабильны из-за того, что масса нейтрона больше массы протона, а увеличение массы ядра приводит к увеличению его энергии. От избыточной энергии ядра могут освобождаться двумя путями:

1. путем самопроизвольного деления ядер на более устойчивые части;

2. путем самопроизвольного изменения заряда ядра на единицу (превращение протоны в нейтрон или нейтрона в протон).

Элементарные частицы.

Элементарные частицы не являются молекулами, атомами или ядрами. Они имеют радиус (R) равный 10-14 - 10-15м и энергию (W) около 106 - 108 эВ. Сейчас общее число известных элементарных частиц (вместе с античастицами) приближается к 400. Некоторые из них стабильны или квазистабильны и существуют в природе в свободном или слабосвязанном состоянии. Это электроны, входящие в состав атомов, их античастицы - позитроны; протоны и нейтроны, входящие в состав атомных ядер; фотоны г, являющиеся квантами электромагнитного поля. Сюда же можно отнести электронные (анти)нейтрино не, рождающиеся в процессах бета-превращений и в термоядерных реакциях, протекающих в звездах. Все остальные элементарные частицы крайне нестабильны и образуются во вторичном космическом излучении или получаются в лаборатории. К ним относятся мюоны (мю-мезоны) м- - тяжелый аналог электрона (mм ? 200mе) зарегистрированы в космических лучах; пионы (пи-мезоны) р+, р0, р- - переносчики ядерного взаимодействия и другие.

У каждой частицы имеется античастица, обычно обозначаемая тем же символом, но с добавлением «тильды, ~ » над ним. Массы, время жизни и спины частицы и античастицы одинаковы. Остальные характеристики, в том числе электрический заряд и магнитный момент, равны по модулю, но противоположны по знаку.

2. Виды радиоактивного распада

Радиоактивность - это свойство атомных ядер определенных химических элементов самопроизвольно превращаться в ядра других элементов с испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным излучением. Само явление носит название радиоактивный распад.

Радиоактивные превращения, происходящие в природе, называются естественной радиоактивностью. Аналогичные процессы, происходящие в искусственно полученных веществах (через соответствующие ядерные реакции), - искусственной радиоактивностью. Оба вида радиоактивности подчиняются одним и тем же законам.

Существуют следующие типы ядерных превращений, или видов радиоактивного распада: альфа-распад, бета-распад (электронный, позитронный), электронный захват (К-захват), внутренняя конверсия, деление ядер.

Альфа-распад - это самопроизвольное деление неустойчивого атомного ядра на б-частицу (ядро атома гелия 42Не) и ядро-продукт (дочернее ядро).При этом заряд ядра продукта уменьшается на 2 положительные единицы, а массовое число на 4 единицы. При этом образующийся элемент-продукт смещается влево относительно исходного на две клетки периодической системы Д.И. Менделеева:

AZX > 42He + A-4Z-2X например: 23892U > 42He + 23490Th + Q

Альфа-радиоактивными являются практически все (за редким исключением) ядра атомов элементов с порядковым номером 82 и больше (те, что в периодической таблице стоят за свинцом 82Pb). Альфа-частица, вылетая из ядра, приобретает кинетическую энергию порядка 4-9 МэВ.

Бета-распад - это самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер с испусканием в-частицы, при котором их заряд изменяется на единицу. В основе этого процесса лежит способность протонов и нейтронов к взаимным превращениям.

Если в ядре имеется излишек нейтронов («нейтронная перегрузка» ядра), то происходит электронный в- -распад, при котором один из нейтронов превращается в протон, а ядро испускает электрон и антинейтрино (массовое и зарядовое число которой равно 0).

10n > 11p + e - + н - || AZX > AZ+1Y + в - + н - +Q || 4019K > 4020Ca + в - + н - + Q.

При этом распаде заряд ядра и соответственно атомный номер элемента увеличиваются на единицу (элемент сдвигается в периодической системе Д.И. Менделеева на один номер вправо от исходного), а массовое число остается без изменений. Электронный бета-распад характерен для многих естественных и искусственно полученных радиоактивных элементов.

Если неблагоприятное соотношение нейтронов и протонов в ядре обусловлено излишком протонов, то происходит позитронный (в+) распад, при котором ядро испускает позитрон (частицу такой же массы, как и электрон, но имеющую заряд +1) и нейтрино, а один из протонов превращается в нейтрон:

11p > 10n + e+ + н+ || AZX > AZ-1Y + в+ + н+ +Q || 3015P > 3014Si + в+ + н+ +Q

Заряд ядра и соответственно атомный номер элемента уменьшаются на единицу, и дочерний элемент будет занимать место в периодической системе Д.М. Менделеева на один номер левее от исходного, массовое число остается без изменения. Позитронный распад наблюдается у некоторых искусственно полученных изотопов.

Позитрон, вылетев из ядра, срывает с оболочки атома «лишний» электрон или взаимодействует со свободным электроном, образуя пару «позитрон-электрон», которая мгновенно превращается в два гамма-кванта с энергией, эквивалентной массе частиц (е+ и е-) по 0,511 МэВ. Процесс превращения пары «позитрон-электрон» в два г-кванта получил название аннигиляции (уничтожения), а возникающее электромагнитное излучение - аннигиляционное. Таким образом, при позитронном распаде за пределы материнского атома влетают не частицы, а два гамма-кванта с энергией 0,511 МэВ.

Энергетический спектр в-частиц любого бета-источника является непрерывным (от сотых долей МэВ - мягкое излучение, до 2-3 МэВ - жесткое).

Электронный захват - самопроизвольное превращение атомного ядра, при котором его заряд уменьшается на единицу за счет захвата одного из орбитальных электронов и превращения протона в нейтрон.

Это происходит, если в ядре имеется излишек протонов, но недостаточно энергии для позитронного распада. Один из протонов ядра захватывает электрон с одной из оболочек атома, чаще всего с ближайшего к нему К-слоя (К-захват) или реже L-слоя (L-захват) и превращается в нейтрон с испусканием нейтрино. При этом дочерний элемент, как и при позитронном распаде, смещается в периодической системе Д.И. Менделеева на одну клетку влево от исходного.

11p + 0-1е > 10n + н+ || AZX + 0-1е > AZ-1Y + н+ + hн || 12352Te + 0-1е > 12351Sb + н+ + hн

На освободившееся место в К-слое перескакивает электрон с L-слоя, на место последнего со следующего слоя и т.д. Каждый переход электрона со слоя на слой сопровождается выделением энергии в виде квантов электромагнитного излучения (рентгеновского диапазона).

Позитронный распад и электронных захват, как правило, наблюдают только у искусственно-радиоактивных изотопов (4).

Деление ядер - это спонтанное деление ядра, при котором оно, без какого либо внешнего воздействия, распадается на две, как правило, неравные части. Так ядро урана может делиться на ядра бария (56Ва) и криптона (36Kr). Этот тип распада характерен для изотопов элементов стоящих в периодической системе за ураном. Под действием сил электростатического отталкивания одноименных зарядов ядра-осколки приобретают кинетическую энергию порядка 165 МэВ и разлетаются в разные стороны с огромными скоростями.

Внутренняя конверсия. Возбужденное ядро передает энергию возбуждения одному из электронов внутренних слоев (К-, L-, или М-слой), который в результате этого вырывается за пределы атома. Затем один из электронов с более отдаленных слоев (с более высоких энергетических уровней) осуществляет квантовый переход на «вакантное» место с испусканием характеристического рентгеновского излучения [Белов А.Д., 1999; Симак С.В. и др., 1998].

3. Закон радиоактивного распада

Количество любого радиоактивного изотопа со временем уменьшается вследствие радиоактивного распада (превращения ядер). Радиоактивный распад идет непрерывно, скорость этого процесса и его характер определяются строением ядра. Поэтому на этот процесс нельзя повлиять никакими обычными физическими или химическими способами, не изменив состояния атомного ядра. Кроме того, распад носит вероятностных характер, то есть нельзя точно определить, когда и какой именно атом распадется, но в каждый промежуток времени распадается в среднем какая то определенная часть атомов.

Для каждого радиоактивного изотопа средняя скорость распада его атомов постоянна, неизменна и характерна только для данного изотопа. Постоянная радиоактивного распада л для определенного изотопа показывает, какая доля ядер распадется в единицу времени. Постоянную распада выражают в обратных единицах времени с-1, мин-1, ч-1 и т.д., чтобы показать, что количество радиоактивных ядер со временем убывает, а не растет.

Самопроизвольное превращение ядер любого радиоактивного изотопа подчиняется закону радиоактивного распада, который устанавливает, что за единицу времени распадается одна и та же доля имеющихся в наличии ядер.

Математическое выражение этого закона, описывающее процесс убывания количества радиоактивных ядер со временем, отображается следующей формулой:

Nt = N0e-лt, (Nt = N0e-0,693t/Т)

где, Nt - число радиоактивных ядер, оставшихся по прошествии времени;

N0 - исходное число радиоактивных ядер в момент времени t=0;

е - основание натуральных логарифмов (е=2,72);

л - постоянная радиоактивного распада (=0,693/Т);

t - время, в течение которого распадался радиоизотоп;

Т - период полураспада данного радиоизотопа.

По этой формуле можно рассчитать число не распавшихся радиоактивных атомов в данный момент времени.

Для характеристики скорости распада радиоактивных элементов на практике пользуются периодом полураспада.

Период полураспада - это время, в течение которого распадается половина исходного количества радиоактивных ядер. Он обозначается буквой Т и выражается в единицах времени.

Для различных радиоактивных изотопов период полураспада имеет значения от долей секунды до миллионов лет. Причем у одного и того же элемента могут быть изотопы с различным периодом полураспада. Соответственно и радиоактивные элементы разделяются на короткоживущие (часы, дни) - 13153I (8,05 суток), 21484Po (1,64*10-4сек.) и долгоживущие (годы) - 23892U (T=4.47 млрд. лет), 13755Cs (30 лет), 9038Sr (29 лет).

Между периодом полураспада и постоянной распада существует обратная зависимость, т.е. чем больше л, тем меньше Т, и наоборот.

Графически закон радиоактивного распада выражается экспоненциальной кривой (Рис. 2.1.). Как видно из рисунка, с увеличением числа периодов полураспада число нераспавшихся атомов убывает, постепенно приближаюсь к нулю [Белов А.Д. и др., 1999].



Рис. 2.1. Графическое изображение закона радиоактивного распада.

Активность радиоактивного элемента равна числу распадов в единицу времени. Чем больше радиоактивных превращений испытывают атомы данного вещества, тем выше его активность. Как следует из закона радиоактивного распада, активность радионуклида пропорциональна числу радиоактивных атомов, т.е. возрастает с увеличением количества данного вещества. Поскольку скорость распада радиоактивных изотопов различна, то одинаковые по массе количества различных радионуклидов имеют разную активность.

В системе СИ единицей активности является беккерель (Бк) - распад в секунду (расп/с). Наряду с Бк используется внесистемная единица - кюри (Ки). 1Ки - это активность любого радиоактивного вещества (изотопа) в котором происходит 3,7*1010 актов распада в секунду. Единица кюри соответствует радиоактивности 1 г радия.

1Ки = 3,7*1010 Бк; 1мКи = 37МБк 1мкКи = 37 кБк

Активность любого радиоактивного препарата по истечении времени t определяют по формуле, соответствующей основному закону радиоактивного распада:

At = A0е-0,693t/Т,

где At - активность препарата через время t;

А0 - исходная активность препарата;

е - основание натуральных логарифмов (е=2,72);

t - время, в течение которого распадался радиоизотоп;

Т - период полураспада; значения Т и t должны иметь одинаковую размерность (мин., сек., часы, дни и т.д.).

(Пример: Активность А0 радиоактивного элемента 32Р на определенный день равна 5 мКи. Определить активность этого элемента через неделю. Период полураспада Т элемента 32Р составляет 14,3 дня. Активность 32Р через 7 суток. At = 5 * 2,720,693*7/14,3 = 5 * 2,720,34 = 3,55 мКи).

Единицы кюри (Ки) для характеристики гамма-активности источников непригодны. Для этих целей введена другая единица - эквивалент 1 мг радия (мг-экв.радия). Миллиграмм-эквивалент радия - это активность любого радиоактивного препарата, гамма-излучение которого при идентичных условиях измерения создает такую же мощность экспозиционной дозы, как гамма-излучение 1 мг радия Государственного эталона радия РФ при использовании платинового фильтра толщиной 0,5 мм. Единица миллиграмм-эквивалент радия не установлена существующими стандартами, но широко используется на практике.

Точечный источник в 1мг (1мКи) радия, находящийся в равновесии с продуктами распада, после начальной фильтрации через платиновую пластину толщиной 0,5 мм создает в воздухе на расстоянии 1см мощность дозы 8,4 Р/ч. Эту величину называют ионизационной гамма-постоянной радия и обозначают буквой Кг. Гамма-постоянная радия принята за эталон мощности дозы излучания. С ней сравнивают Кг всех других гамма-излучателей. Существуют таблицы гамма-постоянных для большинства радиоактивных изотопов.

Так, гамма-постоянная 60Со составляет 13,5 Р/ч. Сравнение гамма-постоянных радия и 60Со показывает, что 1 мКи радионуклида 60Со создает дозу излучения, в 1,6 раза большую, чем 1 мКи радия (13,5/8,4=1,6). Иначе говоря, по создаваемой дозе излучения в воздухе 1 мКи радионуклида 60Со эквивалентен 1,6 мКи радия, т.е. гамма-излучение, испускаемое препаратом 60Со активностью 0,625 мКи, создает такую же дозу излучения, что и 1 мКи радия.

Гамма-эквивалент М изотопа связан с его активностью А (мКи) через ионизационную гамма-постоянную Кг соотношениями:

М = АКг/8,4 или А = 8,4М/Кг,

которые позволяют перейти от активности радиоактивного вещества, выраженной в мг-экв.радия, к активности, выраженной в мКи и наоборот [Белов А.Д. 1999].

Лекция 3: Виды ионизирующих излучении и их взаимодействие с веществом

1. Виды ионизирующего излучения

Ионизирующее излучение - это излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к ионизации его атомов и молекул, то есть превращению их из электрически нейтральных частиц в положительно и отрицательно заряженные ионы.

Это изменение становится возможным потому, что частицы и кванты, вылетающие из ядра при радиоактивном распаде, имеют определенный запас кинетической энергии, при пробеге в веществе эта энергия расходуется на ионизацию и возбуждение встречающихся атомов.

К ионизирующим излучениям относятся потоки заряженных и нейтральных частиц и электромагнитные излучения высоких энергий.

Электромагнитные ионизирующие излучения.

Электромагнитные ионизирующие излучения по своей природе относятся к электромагнитным волнам и им присущи все волновые характеристики (длина волны, энергия и др.). Электромагнитные волны включают в себя излучения, охватывающие большой диапазон длин волн и частот.

Электромагнитные ионизирующие излучения отличаются от других электромагнитных излучений более короткой длиной волны (л) и более высокой энергией, которые находятся в обратной зависимости друг с другом.

hн = E/л,

где h - постоянная Планка = 6,63*10-34Дж/Гц;

н - частота излучения;

с - скорость света = 300000 км/с (скорость электромагнитных ионизирующих излучений равна скорости света).

Соответственно с уменьшением длины волны (увеличением частоты) энергия излучения возрастает: Е = hc/л.

К электромагнитным ионизирующим излучениям относятся: рентгеновское излучение, тормозное излучение, гамма излучение.

Рентгеновское излучение представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны 10-0,001 нм (10-7 - 10-11м), и занимающую спектральную область между ультрафиолетовыми и гамма-излучением. Рентгеновское излучение образуется при торможении быстрых электронов, получаемых в вакууме, в веществе. Условно рентгеновское излучение делится на жесткое (длина волны <0,2 нм) и мягкое (длина волны >0,2 нм).

Тормозное рентгеновское излучение - это электромагнитное излучение, возникает при торможении электронов в электрическом поле ядер атомов вещества.

Характеристическое рентгеновское излучение возникает при перестройки электронных оболочек атомов при ионизации и возбуждении атомов и молекул.

Гамма-излучение - это электромагнитное излучение, испускаемое ядрами атомов в ходе их радиоактивного распада. Испусканием г-квантов сопровождаются б-распад, в-распад и К-захват. Кроме этого они генерируются при аннигиляции электрон-позитронной пары и при распаде некоторых элементарных частиц, например р-мезонов. Во всех этих случаях избыток энергии высвобождается в виде гамма-излучения.

Гамма-излучение представляет собой поперечные электромагнитные волны, лежащие в диапазоне длин волн 10-10-10-14м. Они распространяются прямолинейно и равномерно во все стороны от источника. г-кванты не имеют массы покоя и заряда.

В отличие от рентгеновских лучей, имеющих непрерывный спектр энергии, в большинстве случаев г-источники испускают г-кванты различной энергии. Величина энергии для каждого источника постоянна и образуется линейчатый спектр излучения. В среднем энергия г-квантов различных г-излучателей колеблется в пределах 0,01 МэВ (мягкие г-лучи) - 3МэВ (жесткие) иногда до 10 МэВ.

Корпускулярные излучения.

Корпускулярные ионизирующие излучения представляют собой поток частиц (корпускул). В зависимости от массы, заряда и скорости они подразделяются на легкие и тяжелые, заряженные и незаряженные, быстрые и медленные.

Электроны относятся к легким заряженным частицам. Источником электронов может стать вещество, получившее определенное количество энергии. Ускоренные электроны, возникающие при в-распаде атомов радиоактивных веществ, называются в-частицами. Позитрон, образовавшийся при позитронном распаде, называется в+частицей. Физические характеристики электронов ядерного происхождения такие же, как и у электронов атомной оболочки.

Бета-частицы представляют собой поток частиц (электронов или позитронов) ядерного происхождения. Бета-частицы одного и того же радиоактивного элемента обладают различным запасом энергии (от 0 до некоторого максимального значения). Это объясняется тем, что при в-распаде из атомного ядра вылетают одновременно с в-частицей нейтрино. Поэтому энергетический спектр в-излучения сплошной или непрерывный. Средняя энергия в-частиц в спектре равна примерно 1/3 их максимальной энергии. Различные радиоактивные изотопы значительно отличаются друг от друга по уровню энергии в-частиц. Максимальная энергия в-частиц различных элементов имеет широкие пределы - от 0,015-0,05 МэВ (мягкое в-излучение) до 3-12 МэВ (жесткое в-излучение). Вследствие этого у в-частиц одного и того же радиоактивного элемента величина пробега в одном и том же веществе неодинакова.

К тяжелым заряженным частицам относятся протоны и дейтроны (ядра легкого и тяжелого водорода с единичным плюсовым зарядом 1p+; 2d+), б-частицы и ядра химических элементов.

Альфа-частицы представляют собой ядра атомов гелия и состоят из двух протонов и двух нейтронов; они имеют двойной положительный заряд, и относительно большую массу (4,003 а.е.м.). Энергия их колеблется в пределах 2-11 МэВ. Для каждого данного изотопа энергия б-частицы постоянна. Альфа-излучение считают монохроматическим. Альфа-частицы возникают при б-распаде радиоактивных изотопов (например 239Pu, 226Ra, 210Po и др.). При делении ядер тяжелых радиоактивных изотопов образуются ядра-осколки (ядра более легких химических элементов).

Кроме этого заряженные частицы могут быть получены на ускорителях разных типов - бетатронах, циклотронах, синхротронах, синхрофазатронах и линейных ускорителях, в этом случае энергии частиц могут достигать десятков миллиардов электронвольт (ГэВ).

К незаряженным ионизирующим частицам относятся нейтроны. По величине энергии принята следующая условная классификация нейтронов:

· Тепловые нейтроны, обладающие энергией теплового движения, которая составляет при комнатной температуре около 0,25 эВ;

· Медленные нейтроны, энергия <1 КэВ;

· Промежуточные нейтроны, энергия 1 - 100 КэВ;

· Быстрые нейтроны, энергия >100 КэВ.

· Сверхбыстрые нейтроны, энергия 10-50 МэВ

Энергия любой корпускулярной частицы рассчитывается по формуле:

Е = mv2/2

Ионизация атомов и молекул может вызываться различными видами корпускулярных ионизирующих излучений. Их взаимодействие с веществом будет зависеть от энергии, массы, заряда и скорости частицы.

2. Проникающая способность и плотность ионизации ионизирующих излучений

Проникающая способность излучения - путь, который волна или частица способны проходить в веществе. Его длина находится в обратной зависимости от массы частицы. Наибольшей проникающей способностью обладают электромагнитные ионизирующие излучения. Так в воздухе г-кванты пробегают сотни метров, более того, каким бы плотным ни было вещество, каким бы ни была его толщина, поглотить полностью фотоны теоретически нельзя, их можно лишь ослабить.

...