Довідковий матеріал. До іонізуючого випромінювання відносять радіоактивне випромінювання різних типів, які за час проходження крізь матерію

 

ТЕТЯНА ВАСИЛІВНА ДЕРЕВ’ЯНКО

Р А Д І О Б І О Л ОГ І Я

Методичні рекомендації для виконання самостійної роботи студентами природничого факультету напряму підготовки «Біологія»

 

До іонізуючого випромінювання відносять радіоактивне випромінювання різних типів, які за час проходження крізь матерію, здатні іонізувати або збуджувати атоми і молекули її хімічних елементів. Розрізняють два типи іонізуючого випромінювання – електромагнітне (некорпускулярне) і корпускулярне.

Іонізація – це перетворення нейтральних атомів чи молекул на частинки, які несуть позитивний або негативний заряд.

Іонізуюче випромінювання, проходячи крізь речовину, розтрачує свою енергію на іонізацію та збудження зустрічних атомів і поглинається цією речовиною. Енергію, витрачену зарядженою частинкою або фотоном електромагнітного випромінення на одиницю довжини їх пробігу в речовині, називають лінійною передачею енергії. В системі СІ її виражають в джоулях на метр. У радіобіології частіше використовують спеціальні одиниці і ЛПЕ виражають в кілоелектронвольтах (кеВ) на кілометр шляху у воді (1 кеВ/мкм дорівнює 0,16 нДж/м).

Електровольт (еВ) – одиниця вимірювання енергії, яку набуває електрон при проходженні електричного поля з різницею потенціалів 1 В.

Електромагнітне випромінювання являє собою сукупність змінних станів електричного й магнітного полів, які поширюються довкіллям у вигляді хвиль. До електромагнітного випромінювання відносять ультрафіолетові промені з довжиною хвилі (λ) від 400 до 50 нм, рентгенівські промені (λ від 50 до 0,01 нм) та гамма-випромінювання (λ менш як 0,01 нм). Ультрафіолетові промені мають природне походження і надходять на земну поверхню від Сонця із космічного простору. Вони шкідливі для живих складових екосистеми. Останнім часом потужність ультрафіолетового випромінювання значно збільшилася внаслідок зменшення щільності захисного озонового шару Землі і виникнення «озонових дір». Рентгенівські промені виникають штучно в результаті гальмування заряджених частинок в електричному полі, яке й генерує це електромагнітне випромінювання. Для генерації рентгенівського випромінювання застосовують поширені у медицині рентгенівські апарати. Спектри рентгенівських променів поділяють на суцільні (характеризують різночастотне випромінювання) та характеристичні (лінійчасті).

Гамма-випромінювання – це короткохвильове випромінювання, яке виникає в разі зміни енергетичного стану атомних ядер, що утворюються в результаті радіоактивного розпаду.

У залежності від величини енергії при взаємодії з речовиною гамма-кванти можуть викликати такі ефекти: а) фотоелектричне поглинання – вибивання електронів з електронної оболонки атома з передачею їм всієї своєї енергії; б) комптон-ефект – вибивання електронів із зовнішньої електронної оболонки атома з передачею їм частини своєї енергії та зміною напряму руху фотона – розсіювання; в) утворення пар – перетворення під дією сильного електричного поля ядра атома в пару «електрон-позитрон» з наступною анігіляцією. В зв’язку з тим, що ймовірність зустрічі гамма-квантів з електронами атома мала, вони мають великі проникаючі властивості. В повітрі гамма-кванти проходять шлях у декілька сот метрів, в деревині – до 25 см, у свинці – до 5 см, в бетоні – до 10 см, у воді – десятки метрів, а живі організми вони пронизують наскрізь.

Корпускулярне випромінювання – це потік частинок, які мають ненульове значення маси спокою. До цього типу випромінювання відносять потоки найменших частинок атома (електронів, протонів), ядер різних хімічних елементів (гелію, кисню та ін.), а також нейтронів – елементарних незаряджених частинок. Потоки нейтронів одержують в ядерних реакторах і у спеціальних нейтронних генераторах на основі ланцюгових ядерних реакцій, які є важливою складовою випромінювання, що супроводжує будь-який атомний вибух.

Розрізняють такі енергетичні групи нейтронів: а) надшвидкі – з енергією понад 20 МеВ; б) швидкі – з енергією від 200 кеВ до 20 МеВ; в) проміжні – з енергією, що не перевищує 200 кеВ; г) надтеплові – з енергією 0,1-0,03 еВ; д) теплові – з енергією близько 0,025 еВ.

Усі види радіоактивного випромінювання супроводжуються звільненням різної кількості енергії і високою проникною здатністю, відтак вони мають різний вплив на живі організми і екосистеми взагалі. Альфа-випромінювання, яке являє собою потік важких частинок, затримується навіть аркушем паперу і практично не здатне проникнути через шкіру людини. Воно не є небезпечним, якщо радіоактивні речовини не потрапляють всередину організму людини через відкриту рану, з їжею або повітрям – тоді їхня дія надзвичайно шкідлива.

Бета-випромінювання має значно більшу проникність і здатне проходити в тканини організму на глибину до двох сантиметрів. Проникна здатність гамма-випромінювання, яке поширюється зі швидкістю світла, дуже велика. Частково воно затримується лише товстою металевою (свинцевою) або бетонною плитою.

За іншою класифікацією виділяють: зовнішнє опромінення (коротко-, далекодистанційне, внутрішньопорожнинне, аплікаційне); внутрішньо-тканинне; внутрішнє.

Вважають, що за дистанційного опромінення джерело випромінювання знаходиться на віддалі від 3–5 см до 1 м і більше від поверхні тіла. За умов аплікаційного – джерело випромінювання знаходиться безпосередньо на поверхні тіла без порушення цілісності тканин.

У разі внутрішньотканинного опромінення джерело випромінювання знаходиться безпосередньо в тканинах організму або в пухлині протягом усього процесу радіотерапії. У цьому разі проводять обколювання γ-випромінювальними голками, β-випромінювальними стрижнями, гранулами, «зернами», прошивання пухлини радіоактивними нейлоновими нитками з γ-випромінювальними гранулами тощо.

У разі внутрішнього опромінення – перорально, дом’язево або довенно вводяться органотропні радіонукліди або мічені ізотопами сполуки, які вибірково поглинаються пухлиною чи іншими тканинами.

Атом радіоактивного елемента за будовою схожий на атоми інших хімічних елементів. Загалом він нагадує Сонячну систему у мініатюрі: довкола маленького ядра по орбітах рухаються «планети» – електрони. Ядро, як правило, складається з менших частинок, щільно з’єднаних між собою. Деякі з цих частинок, які мають позитивний заряд, називаються протонами. Число протонів у ядрі визначає вид хімічного елементу, до якого відноситься цей атом. Наприклад, ядро атома водню має лише один протон, атома кисню – 8, а урану – 92. У кожному атомі кількість електронів на орбітах дорівнює кількості

протонів у ядрі. Електрони мають негативні заряди, які рівні зарядам протонів, отож у цілому заряд атома стабільного хімічного елементу є нейтральним. У ядрі, як правило, присутні й частинки відмінного типу, які називаються нейтронами, оскільки вони електрично нейтральні. Ядра атомів будь-якого хімічного елементу володіють однаковою кількістю протонів, проте кількість нейтронів може бути різною.

Атоми, які мають ядра з однаковим числом протонів, але відрізняються кількістю нейтронів, відносять до різновидів одного й того самого хімічного елементу. Їх називають ізотопами цього елементу. Щоб їх виокремити, до символу хімічного елемента приписують число, яке дорівнює сумі всіх частинок у ядрі цього ізотопу. Наприклад, різні члени радіоактивного ряду розпаду урану: уран-238 (²³⁸U) має 92 протони і 146 нейтронів, а уран-235 (²³⁵U) має також 92 протони, але лише 143 нейтрони.

Мезони – це нестабільні елементарні частинки, маса яких більша за масу електрона, але менша від маси протона. Є мезони як електрично нейтральні, так і заряджені. Розрізняють пі-мезони (піони) і К-мезони (каони).

Мюони – це також нестабільні елементарні частинки, маса яких у 207,3 раза перевищує масу електрона, але за своєю природою вони належать не до андронів, як піони й каони, а до зовсім іншого класу лептонів. Мюони виявляють в космічних променях.

Тестові завдання для самоконтролю знань:

1. Як називають промені з довжиною хвилі (λ) від 50 до 0,01 нм: а) ультрафіолетові; б) гамма-промені; в) рентгенівські промені.

2. У чому виражається лінійна передача енергії в системі СІ: а) кюрі; б) рад; в) грей; г) джоулі; д) рентген.

3. Найбільшу проникність і здатність пронизувати тканини живого організму має: а) β-випромінювання; б) α-випромінювання; в) γ-випромінювання.

4. Промені, які виникають штучно в результаті гальмування заряджених частинок в електричному полі, яке й генерує це електромагнітне випромінювання: а) ультрафіолетові; б) гамма-промені; в) рентгенівські; г) бета-промені; д) альфа-промені.

5. Який вид випромінювання характерний лише для елементів з порядковим номером в періодичній системі Д.І. Менделєєва більшим за 82: а) бета-; б) гамма-; в) альфа-.

6. Нестабільні елементарні частинки, маса яких більша за масу електрона, але менша від маси протона: а) ізотопи; б) мезони; в) мюони; г) нейтрони.

7. Який тип іонізуючого випромінювання представлений сукупністю змінних станів електричного й магнітного полів, які поширюються довкіллям у вигляді хвиль: а) некорпускулярне; б) корпускулярне.

8. Які елементарні частинки виявляють у космічних променях: а) ізотопи; б) мезони; в) мюони; г) нейтрони.

9. Які кванти можуть викликати комптон-ефект: а) бета-; б) гамма-; в) альфа-.

10. Скільки протонів має ²³⁸U: а) 90; б) 92; в) 146; г) 143.