Механизм образования и характеристика рентгеновского и гамма-излучения, их взаимодействие с веществом

Оценка риска здоровью человека, обусловленного загрязнением окружающей среды: понятие, этапы, мо­дели оценки дозозависимых реакций организма на дейст­вие канцерогенных и неканцерогенных веществ.

Оценка риска включает несколько последовательных ста­дий: идентификацию опасности, оценку воздействия, определе­ние дозовой зависимости эффекта и расчёт конкретного риска.

1) Идентификация опасности – подразумевает учёт тех факторов, которые способны оказать неблагоприятное воздейст­вие на здоровье человека. Этот этап включает анализ экологи­ческой обстановке, учёт и регистрацию хим. веществ, исполь­зуемых в промышленных и других целях. На этом этапе воз­можно проведение выборочных скрининговых исследований окр. среды с целью выявления тех «опасностей», которые могут иметь место и ранее не учтены. На этом этапе процедуры оценки риска анализ ведётся на качественном уровне. Воздействия подразделяются на острые (когда одно или несколько воздейст­вий повторяются в течении нескольких дней), субхронические (повторяющееся в теч. 14-90 дней) и хронические (действие ксенобиотиков осуществляется в теч. года или на протяжении всей жизни).

2) Оценка воздействия. На этой стадии определяют фак­тические уровни экспозиции и поглощения ядовитого вещества в данной совокупности индивидуумов. Экспозиция – контакт орга­низма с химическим или биологическим агентом. Экспозиция может быть рассчитана как величина воздействия – масса веще­ства, отнесённая к ед. времени (мг/день), или как поглощённая доза (ПД) (мг/кг):

ПД= КК*Пост*Прод*Част/М

КК-конц. ксенобиотика, Пост-кол-во потуп-го вещ-ва, Прод- продолжит. возд., Част-частота возд-я, М-масса тела. Или

ПД= КК*v(m,V)/M

v,m,V-кол-во потребляемой воды, продукта, вдыхаемого воздуха.

ПД для детей будет выше из-за разной массы тела. В этом случае говорится о среднесуточной поглощённой дозе – ССПД. При хроническом воздействии поглощение на разных этапах жизни человека будет отличаться. В этом случае рассчитывают среднесуточную дозу на жизнь – ССДЖ.

ССДЖ = (1/70*ССПДмладенца)+(5/70*ССПД1-6)+(6/70*ССПД7-12)+ (6/70*ССПД13-18)+(52/70*ССПД19-70).

Часто сама по себе среднесуточная поглощённая доза для взрослого используется вместо ССДЖ, т.к. зрелая часть возраста превалирует во всей продолжительности жизни. Оценка воздей­ствия включает 3 подэтапа:

1. характеристика окружающей обстановки, которая преду­сматривает анализ основных физических параметров ис­следуемой области (климат, гидрогеологические условия, расти­тельность, тип почв и др.) и характеристику популяций, потен­циально подверженных воздействию (места проживания, виды деятельности, демографический состав, расположение жилых районов и т.д.)

2. идентификация маршрутов воздействия и потенциаль­ных путей распространения. Маршрут воздействия – путь хими­ческого вещества от источника до экспонируемого организма. Составными частями полного маршрута воздействия являются:

А) источник и механизм выброса химического вещества в окр. среду.

Б) среда распространения хим. вещества (воздух, грунтовые воды)

В) место потенциального контакта человека с загрязнённой окр.средой (точка действия).

Г) контакт человека с хим.веществом при потреблении воды, продуктов питания, дыхания и через кожные покровы.

3. количественная характеристика экспозиции предусматри­вает установление и оценку величины, частоты и продолжитель­ности воздействия для каждого анализируемого пути, иденти­фицированного на втором подэтапе. Этот подэтап состоит из 2 стадий: оценки воздействующих концентраций и расчёта посту­пления. Оценка воздействующих концентраций включает опре­деление конц. хим. веществ. воздействующих на организм в теч. периода времени. Концентрация – это содержание конкретного загрязнителя в конкретной среде в ед. объёма в опр.промеж. времени.

3) Дозовая зависимость. Определяется экспериментально на уровне достаточно высоких, явно действующих доз, а оценка действия реального уровня загрязнения осуществляется методом экстраполяции. Общепринятыми являются 2 модели, описываю­щие зависимомть в координатах доза-эффект:

1. Пороговая модель для неконцерогенных веществ. Пред­полагает наличие порога, ниже которого изучаемые фактор практически не действует.

Минимально недействующая доза (МНД) – это доза, при ко­торой эффект не неаблюдается. Иногда МНД трудно опредилить. Тогда используют другой параметр: минимальная действующая доза (МДД). МНД рассчитывается путём деления МДД на коэф­фициент запаса (Кз), равный 10. В свою очередь, разделив МНД на коэф. запаса, получают значение – референтной дозы (RfD):

RfD = МНД/Кз

2.Беспороговая зависимость для веществ с канцерогенной активностью – оценивает канцерогенные эффекты по беспоро­говому принципу. Это означает, что любые, даже самые малень­кие концентрации могут приводить к злокачественному переро­ждению клеток. Графически - это прямая линия, а математиче­ски: КР= ССПД*ПИКР(ППКР)*а

КР-дополнительный канцерогенный риск, ССПД-среднесу­точная поглощенная доза, ПИКР(ППКР)-значение потенциаль­ного ингаляционного канцерогенных рисков, а=1=70/70 – вели­чина, отражающая кол-во лет, в теч. которых индивидуум под­вергался воздействию при допущении, что он постоянно живёт в изучаем месте(70лет), делённых на общ. кол-во лет ожидаемой средней продолжительности жизни (70лет).

4) Оценка риска. Обобщение результатов предыдущих этапов. Он включает помимо количественных величин риска анализ и характеристику неопределённостей, связанных с оцен­кой, а также обобщение всей информации по оценке риска. Су­ществуют 4 основных неопределенности:

- статистическая выборка

- модель доза-эффект

-исходная выработка баз данных

- неполнота использованных моделей.

Эта стадия позволяет предусмотреть вероятность неблаго­приятного эффекта в человеческой популяции в зависимости от токсического воздействия и определяет его допустимые уровни.

33. Содержание предмета «радиационная медицина». Цели, задачи, методы радиационной медицины.

Радиационная медицина - наука, изучающая особенности воздействия ионизирующего излучения на организм человека, принципы лечения лучевых повреждений и профилактики возможных последствий облучения населения.

Цель: предотвращение или сведение к минимуму возможных последствий облучения человека.

Задачи:

1) вскрытие возможных закономерностей биологического ответа на действие источников ионизирующих излучений

2) управление лучевыми реакциями в организме

Методы радиационной медицины:

1) экспериментальной

2) клинический

3) эпидемиологический

4) метод санитарной экспертизы и гигиенической регламентации

Направления радиационной медицины:

1. дозиметрическое - изучение источников и уровней облучения

2. радиобиологическое - изучение в эксперименте и с помощью эпидемических последствий эффектов и последствий воздействия ионизирующего излучения на биообъекты.

3. клиническое - противолучевая защита и терапия радиационных поражений

4. профилактическое - методологическое обеспечение, санитарно-организационные мероприятия, обоснование и разработка санитарно-гигиенических регламентов и мер защиты населения, контроль обеспечения радиационной безопасности.

34. Понятия: "нуклон", "изотоп", "радионуклид"; их основные характеристики. Радиоактивность, традиционные и системные единицы радиоактивности и их соотношение. Закон радиоактивного распада.

Нуклон - любая частица, входящая в состав ядра (как протон, так и нейтрон). Основные характеристики нуклонов: заряд (у протона - +1, у нейтрона - 0) и масса (масса протона = массе нейтрона = 1,67*10^-27 кг, в периодической системе масса 1 протона = массе 1 нейтрона = 1, масса электрона примерно в 2000 раз меньше и считается при расчетах пренебрежительно малой).

А (атомная масса, количество нуклонов данного элемента) = N (число нейтронов в ядре) + Z (атомный номер элемента).

Изотопы - атомы с одним и тем же зарядом ядра (т.е. одинаковым Z), но разным массовым числом, т.е. отличающиеся количеством нейтронов в ядре (разные N и А).

Радионуклиды - ядра радиоактивных атомов:

а) естественные - радионуклиды, которые образовались и постоянно образуются без участия человека

б) искусственные - радионуклиды, получаемые искусственным путем в ядерных реакторах различного назначения и т.д.

В настоящее время практически не существует таких элементов, у которых не было бы радиоактивного изотопа. По химическим свойствам радиоизотопы не отличаются от стабильных, то есть стабильный и радиоактивный изотопы следуют вместе по всем цепочкам в соответствии с химическими и биологическими законами круговорота в природе.

Радиоактивность - самопроизвольное превращение ядер одних элементов в другие, при котором ядро переходит в более устойчивое состояние. Процесс сопровождается испусканием ионизирующих излучений (корпускулярных либо электромагнитных).

За единицы радиоактивности приняты:

а) системная - Беккерель (Бк, Bq).

1 Бк - активность нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1 с происходит 1 акт распада (1 Бк = 1 распад/сек).

б) традиционная (внесистемная) - Кюри (Ки, Ci).

1 Ки - количество радиоактивного вещества, которое распадается с интенсивностью 3,7*10¹⁰ распадов в 1 секунду, т.е.

1 Ки = 3,7*10¹⁰ Бк, 1 Бк = 2,703*10^-11 Ки.

Радиоактивные превращения характеризуются:

1) способом выделения избыточной энергии, которая отдается либо в виде альфа- или бета-частиц определенной энергии, либо электромагнитного излучения;

2) временем протекания радиоактивного распада и вероятностью распада ядра за единицу времени.

Радиоактивный распад - явление статистическое - нельзя предсказать, когда именно распадется данное нестабильное ядро. Для описания статистических закономерностей радиоактивного распада используется естественная статистическая величина - постоянная распада , физический смысл которой заключается в том, что если взять большое число N одинаковых нестабильных ядер, то за единицу времени в среднем будет распадаться N ядер. Постоянная распада  не зависит от времени.

Величина N - активность, она характеризует излучение препарата в целом, а не отдельного ядра.

Уменьшение количества активных ядер с течением времени происходит в соответствии с законом радиоактивного распада, который описывается экспоненциальной кривой и формулируется следующим образом: за равные промежутки времени происходит превращение равных долей активных атомов.

Закон радиоактивного распада имеет математическое выражение:

, где - исходное количество радиоактивных ядер; - количество активных ядер, оставшихся спустя время распада t; e - основание натуральных логарифмов;  - постоянная распада, t - время распада.

Период полураспада (Т_1/2 или T_f) - время, в течение которого число радиоактивных ядер уменьшается вдвое.

Постоянная распада  связана с периодом полураспада, поэтому закон радиоактивного распада можно записать следующим образом:

Данная формула может быть использована для практических целей, когда необходимо дать рекомендации о возможности использования загрязненных радионуклидами территорий, продуктов питания, воды, так как через 10 Т_1/2 остается практически чистая среда (т.е. остается меньше 0,1% от исходного количества радионуклида). Пример: I-131 имеет период полураспада, равный 8,05 суток; цельное молоко и листовые овощи местного производства запрещают использовать в течение 2-3 месяцев после выброса радиоактивного йода; у Cs-137 период полураспада равен 30,1 г; у Sr-90 период полураспада равен 29,12 г; т.е. земли, загрязненные Cs-137 и Sr-90 можно будет использовать спустя 300 лет после аварии на ЧАЭС.
35. Механизм образования и характеристика корпускулярных видов излучения (альфа-, бета-частиц); их взаимодействие с веществом.

Ионизирующее излучение - излучение, которое создается при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образует при взаимодействии со средой ионы разных.

По природе ионизирующие излуч делятся на два основных вида:

а) корпускулярные (альфа, бета, нейтронное)

б) электромагнитные (гамма, рентгеновское)

Основные характеристики для корпускулярных излучений - заряд, масса и энергия частицы - определяют особенности взаимодействия данных излучений с веществом и, соответственно, степень и вероятность их повреждающего действия.

Тип радиоактивного превращения определяется видом частиц, испускаемых при распаде. Процесс радиоактивного распада всегда экзотермичен. Исходное ядро называется материнским (символ X), а получающееся после распада ядро - дочерним (Y).

Нестабильные ядра претерпевают 4 основных типа радиоактивных превращений:

а) альфа-распад - состоит в том, что тяжелое ядро самопроизвольно испускает альфа-частицу, т.е. это чисто ядерное явление. Известно более 200 альфа-активных ядер, почти все они имеют порядковый номер больше 83 (Am-241; Ra-226; Rn-222; U-238 и 235; Th-232; Pu-239 и 240). Энергия альфа-частиц тяжелых ядер чаще всего находится в интервале от 4 до 9 МэВ.

Примеры альфа-распада:

б) бета-превращение - это внутринуклонный процесс; в ядре распадается одиночный нуклон, при этом происходит внутренняя перестройка ядра и появляются вылетающие из ядра -частицы (электрон , позитрон , нейтрино , антинейтрино ). Примеры радионуклидов, претерпевающих бета-превращение: тритий (H-3); C-14; радионуклиды натрия (Na-22, Na-24); радионуклиды фосфора (P-30, P-32); радионуклиды серы (S-35, S-37); радионуклиды калия (K-40, K-44, K-45); Rb-87; радионуклиды стронция (Sr-89, Sr-90); радионуклиды йода (I-125, I-129, I-131, I-134); радионуклиды цезия (Cs-134, Cs-137).

Энергия бета-частиц варьирует в широком диапазоне: от 0 до E_max (полная энергия, выделяющаяся при распаде) и измеряется в кэВ, МэВ. Для одинаковых ядер распределение вылетающих электронов по энергиям является закономерным и называется спектром электронов -распада, или бета-спектром; по спектру энергии бета-частиц можно провести идентификацию распадающегося элемента.

Один из примеров бета-превращения одиночного нуклона - распад свободного нейтрона (период полураспада 11,7 мин):

Виды бета-превращения ядер:

1) электронный распад: .

Примеры электронного распада: ,

2) позитронный распад:

Примеры позитронного распада: ,

3) электронный захват (К-захват, т.к. ядро поглощает один из электронов атомной оболочки, обычно из К-оболочки):

Примеры электронного захвата: ,

Характеристика корпускулярных видов излучения и особенностей их взаимодействия с веществом.

1) альфа-частицы (ядра гелия):

- заряд +2, масса 4 а.е.м.

- энергия альфа-частиц при выходе из ядра составляет 3 – 11 МэВ (эВ – электрон-вольт – внесистемная единица энергии: 1 эВ = 1,610^-19 Дж)

- обладают высокой ионизационной способностью, образуя несколько десятков тысяч пар ионов на микрометр пробега в веществе; по мере продвижения альфа-частицы в веществе плотность ионизации возрастает в несколько раз (с 20 тыс. до 80 тыс. пар ионов на 1 мкм пути) и затем, практически при завершении пробега, резко падает.

Кривая Брегга - график, отражающий зависимость ЛПЭ альфа-излучения от пройденного в веществе пути

- траектории альфа-частиц в веществе прямолинейны в связи с их большой массой

- пробег альфа-частиц в воздухе до 11 см, в жидкостях и биологических тканях - от 10 до 100 мкм

- альфа-излучение позволяет сосредоточить значительную энергию на глубине поражённой ткани при минимальном рассеянии в здоровых тканях (используется для лечения опухолей)

- элементарная защита - любой плотный материал даже незначительной толщины (лист бумаги, кожа, одежда)

2) бета-частицы (электроны и позитроны):

- заряд -1 (электроны) и +1 (позитроны), масса пренебрежимо мала (1/1836 а.е.м.)

- энергия порядка нескольких кэВ

- удельная плотность ионизации, создаваемая бета-частицами, примерно в 1000 раз меньше, чем у альфа-частиц той же энергии; бета-частица образует несколько десятков пар ионов на микрометр пробега в веществе.

- в веществе кроме ионизации за счёт торможения электронов в веществе (особенно состоящем из атомов с большим порядковым номером), возникает тормозное рентгеновское излучение; чем выше энергия потока бета-частиц, тем более жестким будет тормозное излучение (используется в рентгеновских трубках)

-частиц при продвижении в веществе отклоняются на большие углы, траектория их очень извилиста (в связи с малой массой)

- проникающая способность у бета-частиц больше, чем у альфа-частиц (длина пробега в воздухе несколько метров, в биологической ткани - сантиметры)

- элементарная защита - тонкий слой легкого металла (алюминиевая фольга), пластмасса, стекло.

3) нейтроны:

- заряд 0 (за счет этого беспрепятственно проникают вглубь атомов, взаимодействуя непосредственно с ядрами), масса 1 а.е.м.

- энергия от 0,025 эВ до 300 и более МэВ; в зависимости от энергии выделяют медленные (энергия до 1 МэВ) и быстрые (энергия выше 1 МэВ) нейтроны

- защитные материалы: для быстрых нейтронов - вода, парафин, бетон, пластмассы; для медленных нейтронов - бораль, борная сталь, борный графит, сплав кадмия со свинцом

Возможны следующие эффекты взаимодействия нейтронного излучения с веществом:

а) упругое рассеяние - нейтрон передаёт ядру часть своей энергии и отклоняется от первоначального направления; ядро, с которым взаимодействует нейтрон (ядро отдачи), начинает двигаться и ионизировать другие атомы и молекулы.

Данный эффект характерен для быстрых нейтронов (пример - рассеяние на ядрах водорода (протонах); при этом нейтрон передаёт протону более половины своей энергии с образованием протона отдачи, поэтому для замедления быстрых нейтронов используют вещества, содержащие водород - вода, парафин).

б) неупругое рассеяние - часть кинетической энергии нейтрона тратится на возбуждение ядра отдачи, которое затем переходит в стабильное состояние, излучая гамма-квант.

в) поглощение (радиационный захват) - при взаимодействии нейтрона с ядром оно переходит в возбуждённое состояние и испускает гамма-квант или частицы (протон, нейтрон, альфа-частицу).

В результате радиационного захвата многие вещества становятся радиоактивными с образованием так называемой "наведенной" активности. Данный эффект наиболее характерен для медленных нейтронов, их лучшими поглотителями являются кадмий и бор.

Основная часть энергии заряженных частиц, взаимодействующих с веществом, идёт на его:

1) ионизацию - отрыв электрона от атома или молекулы, в результате чего они преобразуются в положительно заряженные ионы.

2) возбуждение - переход электрона на удаленную от ядра орбиталь; происходит, когда энергии излучения недостаточно для полного отрыва электрона.

Выделяют излучения:

а) прямо ионизирующие - ионизацию непосредственно производят заряженные частицы (альфа- и бета-); механизм потери энергии этих частиц в поглотителе в основном обусловлен кулоновским взаимодействием с орбитальными электронами атомов вещества.

б) косвенно ионизирующие - электрически нейтральные излучения (гамма, рентгеновское, нейтронное) ионизируют атомы среды в результате вторичных процессов.

Степень ионизации зависит как от свойств самого излучения (энергия, заряд частиц), так и от структуры облучаемого объекта. Основными свойствами излучений являются:

1) линейная плотность ионизации (удельная ионизация) - это число пар ионов, образованных заряженной частицей на микрометр пробега в веществе.

2) линейная передача энергии (ЛПЭ) - средняя энергия, теряемая заряженной частицей на единице длины её пробега в веществе. Единица измерения - килоэлектрон-вольт на микрометр пути (кэВ/мкм).

Для электрически нейтральных видов излучения ЛПЭ не применяется, но используется значение ЛПЭ вторичных заряженных частиц, образующихся в веществе.

В зависимости от ЛПЭ все излучения делятся на:

а) редкоионизирующие (ЛПЭ < 10 кэВ/мкм) - бета-, гамма- и рентгеновское излучения.

б) плотноионизирующие (ЛПЭ > 10 кэВ/мкм) - альфа- и нейтронное излучения.

ЛПЭ заряженных частиц возрастает по мере снижения их скорости, поэтому в конце пробега отдача энергии заряженной частицей максимальна.

Ионизирующее излучение - излучение, которое создается при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образует при взаимодействии со средой ионы разных.

По природе ионизирующие излучения делятся на два основных вида: а) корпускулярные (альфа, бета, нейтронное)

б) электромагнитные (гамма, рентгеновское)

Тип радиоактивного превращения определяется видом частиц, испускаемых при распаде. Процесс радиоактивного распада всегда экзотермичен. Исходное ядро называется материнским (символ X), а получающееся после распада ядро - дочерним (символ Y).

Гамма-превращение (изомерный переход) - внутриядерное явление, при котором за счет энергии возбуждения ядро испускает гамма-квант, переходя в более стабильное состояние; при этом массовое число и атомный номер не изменяются. Спектр гамма-излучения всегда дискретен. Испускаемые ядрами гамма-кванты обычно имеют энергию от десятков кэВ до нескольких МэВ. Примеры радионуклидов, претерпевающих гамма-превращение: Rb-81m; Cs-134m; Cs-135m; In-113m; Y-90m.

, где индекс “m” означает метастабильное состояние ядра.

Пример гамма-превращения:

Основной характеристикой для электромагнитных излучений (гамма, рентгеновское) являются энергия излучений.

Характеристика электромагнитных видов излучения и особенностей их взаимодействия с веществом:

1) гамма-излучение - представляет собой поток гамма-квантов

- имеет длину волны 10^-10-10^-14 м

- образуется при ядерных превращениях

- обладает высокой проникающей способностью, которая зависит как от энергии гамма-квантов, так и от свойств вещества, длина пробега в воздухе достигает сотен метров

В процессе прохождения через вещество -кванты (фотоны) взаимодействуют с электронами атомов, электрическим полем ядра, а также с нейтронами и протонами, входящими в состав ядра, в результате чего происходит ослабление плотности потока излучения благодаря рассеянию -квантов и передачи их энергии атомам среды.

Гамма-кванты относятся к косвенно ионизирующему излучению. Данное излучение в среде любой толщины полностью не поглощается, а лишь ослабляется в заданное число раз за счет различных эффектов взаимодействия:

а) фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект) - фотоны (-кванты) поглощаются и полностью передают свою энергию электронам внутренней орбитали атома. Данная энергия равна энергии орбитали, расходуется на отрыв электрона и сообщение ему кинетической энергии. В результате электрон вырывается из поля атома и производит в дальнейшем ионизацию вещества. Место выбитого фотоэлектрона занимает другой электрон с более высокой орбитали, что сопровождается испусканием низкоэнергетического характеристического рентгеновского излучения или Оже-электронов.

Чем больше энергия связи электрона, чем ближе он находится к ядру, тем больше вероятность передачи ему всей энергии -кванта. С ростом номера элемента или его заряда вероятность фотоэффекта возрастает, а с увеличением энергии излучения она быстро падает.

Возникновение фотоэффекта наиболее характерно для мягкого -излучения (до 0,5 Мэв). Т.к. для биологических тканей энергия выбивания электрона не превышает 0,5 Мэв, данный эффект наиболее вероятен при поглощении мягкого -излучения.

б) комптоновское рассеивание (Комптон-эффекта) - фотон (-квант) передает электрону лишь часть своей энергии, а сам меняет направление своего движения. Выбитый электрон производит в дальнейшем ионизацию. Затем вторичный фотон может вновь претерпевать эффект Комптона и т.д.

В отличие от фотоэффекта такое рассеивание происходит, в основном, на электронах внешних оболочек атомов с минимальной энергией связи. С ростом энергии излучения вероятность такого взаимодействия снижается, но медленнее, чем при фотоэффекте.

Комптон-эффект наиболее вероятен при энергии -квантов 0,5-1 МэВ.

в) образовании пары "электрон-позитрон" - при значительной энергии -кванта (>1 МэВ) он взаимодействует с атомным ядром и в его поле преобразуется в пару частиц - электрон и позитрон, которые и производят в дальнейшем ионизацию. Позитрон, встречая на своем пути электрон, может соединиться с ним и превратиться в 2 фотона (эффект аннигиляции). Образующиеся фотоны поглощаются средой в результате эффекта Комптона или фотоэффекта.

2) рентгеновское излучение:

- имеет длину волны 10^-9-10^-12 м; чем меньше длина волны, тем выше энергия излучения и больше его проникающая способность

- образуется за счет изменения энергетического состояния электрона при его переходе на энергетически более выгодную орбиталь (характеристическое рентгеновское излучение) или при столкновении заряженных частиц с частицами вещества, через которое они проходят (тормозное рентгеновское излучение)

Защитные материалы для электромагнитных видов излучения - тяжелые металлы, бетон, грунт.

Дата добавления: 2015-04-23