Основы ядерной физики. Понятия ядерной медицины

Лекция 8.

1. Общие сведения об атомных ядрах. Изотопы.

2. Искусственная радиоактивность

3. Природа радиоактивного излучения. Альфа-, бета- и гамм-лучи.

4. Законы радиоактивного распада.

5. Биологическое действие радиационного излучения на организм.

6. Радиоизотопная диагностика.

1. Все атомные ядра состоят из двух видов частиц: протонов и нейтронов. Протон имеет положительный заряд, равный заряду электрона (Кл) и массу покоя m_p=1.673кг. Нейтрон не имеет заряда, его масса несколько больше массы протона:кг.Массу ядер и элементарных частиц обычно выражают в атомных единицах массы (а.е.м.).За атомную единицу массы принята 1/12 массы изотопа углерода С¹², 1 а.е.м.=1,66кг

Заряд атомного ядра любого химического элемента, выраженный в элементарных зарядах, равен атомному номеру Z этого элемента, следовательно, число протонов N_p=Z.

Практически вся масса атома сосредоточена в ядре. Сумма масс протонов и нейтронов равна массовому числу атома в а.е.м.

N_p+N_n=A или Z+ N_n=A

Тогда число нейтронов в атомном ядре равно

N_n= A- Z

Атомные ядра химических элементов обозначаются символом , где Х-символ элемента, А-массовое число, Z-атомный номер.

Атомы, ядра которых состоят из одинакового числа протонов, но из различного числа нейтронов, называются изотопами. Все изотопы одного химического элемента имеют одинаковое строение электронных оболочек. Поэтому у изотопов данного элемента одинаковы, как химические свойства, так и те физические свойства, которые обусловлены главным образом структурой электронной оболочки. Физические свойства, обусловленные структурой ядра, заметно различаются.

Устойчивость атомных ядер обеспечивается краткодействующими ядерными силами притяжения. Ядерные силы исключительно велики: они значительно превышают кулоновские силы отталкивания, действующие между протонами, расположенными близко друг от друга. Ядерные силы проявляются на очень малых расстояниях ~10^-13см. При незначительном увеличении расстояния между нуклонами ядерные силы уменьшаются до нуля и кулоновские силы разъединяют протоны (разрушают ядро).

Самыми устойчивыми являются ядра легких элементов, состоящие из приблизительно одинакового числа протонов и нейтронов. У тяжелых элементов, ядра которых состоят из большого числа нуклонов, ядерные силы уже не обеспечивают устойчивости ядра. Такие ядра могут самопроизвольно распадаться, превращаясь в ядра легких элементов. Это явление носит название естественной радиоактивности.

2. Изучение естественной радиоактивности показало, что превращение одного химического элемента в другой обусловлено внутриядерными процессами, т.е. изменениями, происходящими внутри атомных ядер. В связи с этим были предприняты попытки искусственного превращения одних химических элементов в другие путем воздействия на атомные ядра. Первая ядерная реакция была осуществлена Э.Резерфордом в 1919г. Облучая -частицами азот, он получил изотоп кислорода и протон:

В 1932 г. Дж.Чедвик в одной из ядерных реакций открыл нейтрон:

Открытие нейтрона сыграло роль в атомной физике. Имея ту же массу, что и протон, но, не обладая электрическим зарядом, нейтрон легко проникал в атомном ядре, вызывая реакции.

3. По своему составу радиоактивное излучение является сложным: в него входят три различных вида излучения, получивших название -лучей, -лучей и -лучей.

-лучи представляют собой поток атомных ядер , называемых -частицами. Они отклоняются электрическим и магнитным полями. Они вылетают из ядер радиоактивных элементов со скоростями от 14000 до 20000км/с.

Путь, проходимый -частицей в веществе (до остановки),называется ее пробегом, или проникающей способностью, а число пар ионов, создаваемых -частицей на пробеге, называется ее ионизирующей способностью. Пробег -частицы в воздухе составляет 3-9см. -частицы полностью поглощаются, например, слоем алюминия толщиной 0,06мм или слоем биологической ткани толщиной 0,12мм.

-лучи отклоняются электрическим и магнитным полями; они представляют собой поток быстрых электронов, называемых -частицами. Масса их в 7350 раз меньше массы -частицы. Средняя скорость -частиц составляет около 160000км/с. Ионизирующая способность -частиц значительно меньше, а пробег во много раз больше, чем у -частиц. Пробег -частицы достигает в воздухе 40м, в алюминии-2см, в биологической ткани-6см.

-лучи представляют собой поток фотонов высокой частоты. По своим свойствам -лучи во многом подобны характеристическим рентгеновским лучам. Они не отклоняются электрическими и магнитными полями, распространяются со скоростью света. Но в отличие от рентгеновских лучей -лучи испускаются атомным ядром. Ионизирующая способность -лучей невелика. -лучи являются одним из самых проникающих излучений. Наиболее жесткие -лучи проходят через слой свинца толщиной 5см или через слой воздуха толщиной несколько сотен метров, тело человека они пронизывают насквозь.

4. Радиоактивное излучение ведет к превращению элементов. При испускании -частицы заряд ядра уменьшается на единицу, а масса практически не изменяется. При этом радиоактивный элемент превращается в другой элемент с атомным номером, на единицу большим и с тем же массовым числом. Иначе говоря, при -распаде элемент смещается в периодической таблице на один номер вправо без изменения массового числа. Символически это смещение записывается так:

При испускании -частицы заряд ядра уменьшается на 2 единицы, а массовое число на 4:

В соответствии с законом радиоактивного распада

,

Где N₀ –число атомов элемента в начальный момент времени, N-число атомов того же элемента, оставшихся по истечении времени t,- постоянная распада данного элемента.

Для характеристики быстроты распада радиоактивного элемента вводится понятие периода полураспада. Периодом полураспада Т называется время, в течение которого количество атомов исходного элемента уменьшается вдвое.

Величина , обратно пропорциональная постоянной распада, представляет собой среднее время жизни радиоактивного атома:

Число атомных распадов, совершающихся в радиоактивном элементе за 1 с, называется активностью этого элемента:

Энергия связи-это энергия, необходимая для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны без сообщения им кинетической энергии.

Масса ядра М_я всегда меньше суммы масс составляющих его нуклонов, взятых в свободном состоянии (состояние покоя) на величину, называемую дефектом массы :

В соответствии с теорией относительности ,

Где с –скорость света, -энергия связи.

Для установления интенсивности радиоактивного образца и количества излучения, поглощенного объектом, используют две единицы: кюри(Ки) и Рад. 1 Ки радиоактивности соответствует 3,7распадов в секунду.

Коэффициент k, показывающий во сколько раз эффективность биологического действия данного вида излучения больше, чем рентгеновского или гамма-излучения, при одинаковой дозе излучения в тканях, является коэффициентом качества. Он устанавливается опытным путем.

Эквивалентной дозой излучения, характеризующей биологическое действие ионизирующего излучения, называют произведение H=Dk. Она измеряется в Бэрах.

5. Биологическое действие радиационного излучения на организм.

Под действием ионизирующих излучений происходят химические превращения вещества, получившие название радиолиза. В процессе воздействия ионизирующего излучения на живой организм образуются возбужденные молекулы, ионы, радикалы и перекиси, которые будут взаимодействоватьс остальными молекулами биологической системы, что приведет к нарушениям мембран, клеток и функций всего организма. Способность к делению – наиболее уязвимая функция клетки, поэтому при облучении, прежде всего, поражаются растущие ткани.

6. Радиоизотопная (радионуклидная) диагностика представляет собой направление диагностической медицины, занимающееся распознаванием и изучением патологических процессов в органах и тканях с помощью атомов и молекул, меченных радиоактивными препаратами.

Радионуклидная диагностика основана на возможности качественной и количественной регистрации излучений от радиофармацевтических препаратов (РФП), а также радиобиологических проб. Таким образом, отличие радиоизотопной диагностики от остальных методов лучевой диагностики состоит в том, что для визуализации используется не проходящее через тело пациента (рентгеновские методы) и не отраженное от тканей (ультразвуковые методы), а исходящие изнутри (эмиссионное) излучение.

Радионуклиды и их соединения подбираются таким образом, чтобы их поведение в организме человека не отличалось от поведения естественных веществ, а значит, отличие будет только в возможности давать излучение, т.е. «выдавать» свое местонахождение, количество и динамику содержания. В целях снижения лучевой нагрузки на пациента радионуклиды подбираются по принципу оптимальной активности вводимого препарата. Активность подбирается таким образом, чтобы ее как раз хватило на проведение исследования. Для регистрации излучения радиофармпрепаратов используются радиометры.

Диаграмма, отражающая распределение радиоактивного индикатора в какой-либо части тела человека, называется сцинтиграммой. Она получается в результате регистрации световых вспышек, идущих от сцинтиллятора и испускающих радиоактивное излучение различной интенсивности. Такой метод исследования получил название сцинтиграфии.

РФП хорошо зарекомендовали себя в терапии раковых заболеваний. Наиболее перспективной при лечении микрометастазов опухолей считается точечная раиоиммунотерапия с использованием -излучающих радионуклидов.

Сущность методики заключается в следующем: моно-клональные антитела, меченые -излучающими радионуклидами, после инъекции быстро находят злокачественные клетки и прекрепляются к ним. Радионуклид при распаде излучает -частицу, которая, имея значительную энергию и короткий пробег, создает высокие дозы облучения в пределах к области локализации злокачественной клетки. В результате реализуется щадящий режим радиотерапии - происходит поражение в основном злокачественных клетках.

Лучевая терапия – это наука о применении ионизирующих излучений для лечения болезней. Экспериментальные и клинические исследования показали, что ионизирующее излучение оказывает повреждающее действие на опухолевую ткань. Кроме того, было установлено, что клетки злокачественной опухоли в организме больного обычно более чувствительны к облучению, чем окружающие нормальные ткани.

Альфа-терапией называют применение и излучения в дозах, оказывающих терапевтический эффект. В качестве источников излучения применяют короткоживущие или быстро выделяющиеся из организма радиоактивные изотопы, в частности, радон. Радон применяют в виде общих или местных радоновых ванн или орошений водой, содержащей радон. Кроме того, назначают для приема внутрь в виде радоновой воды или путем вдыхания воздуха, обогащенного радоном.

Примеры решения задач

1. Определить начальную активность А₀ радиоактивного магния

Массой 0,2 кг, а также активность А по истечении времени t=1час.

Решение:

Начальная активность изотопа (1), где -постоянная радиоактивного распада, N₀-количество атомов изотопа в начальный момент.

Если учесть, что , , то формула (1) примет вид

(2)

Проведя несложные вычисления, получим, что А₀=5,15Бк.

Активность изотопа уменьшается со временем по закону

(3)

Заменив в (3) постоянную распада ее выражением, получим

Так как чательно получим

Подставив численные значения, получим Бк

2.Вычислить толщину слоя половинного ослабления Х_1/2 параллельного пучка гамма-излучения для воды, если линейный коэффициент ослабления

Решение:

При прохождении гама-излучения через слой вещества происходит их поглощение за счет трех факторов; фотоэффекта, эффекта Комптона и образования пар(электрон-позитрон). В результате действия этих трех факторов интенсивность гамма-излучения экспоненциально убывает в зависимости от толщины слоя:

(1)

Пройдя поглощающий слой толщиной, равной толщине слоя половинного ослабления Х_1/2, пучок гама-излучения будет иметь интенсивность . Подставляя значения I и Х в формулу (1), получим

, откуда после сокращения на I₀ cледует:

Проинтегрировав последнее выражение, получим искомое значение толщины слоя половинного ослабления:

(2)

Подставив в (2) значения и ln2, найдем величину см. Т.о., слой воды толщиной в 14,7см снижает интенсивность гамма-излучения в 2 раза.

их поведение в организме человека не отличалосьот поведения естественных веществ, а значит, отличие будет только в возмо

Дата добавления: 2014-01-07