Презентація на тему:
ВЗАЄМОДІЯ ІОНІЗУЮЧОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ З РЕЧОВИНОЮ

“Медична і біологічна фізика” Під загальною редакцією члена-кореспондента АПН України, професора О.В.Чалого (Том2)

Розділ 10 ВЗАЄМОДІЯ ІОНІЗУЮЧОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ З РЕЧОВИНОЮ (329-349 ст.)

Роботу виконала: Учениця 11-б класу 4 групи УМЛ НМУ ім. О. О. Богомольця м. Києва Кязимли Самая Авез кизи Керівник проекту: Лялько В.І.

Загальний план 10-ого розділу 10.1. Рентгенівські промені 10.2. Радіоактивне випромінювання 10.3. Основи дозиметрії іонізуючого випромінювання 10.4. Взаємодія іонізуючого випромінювання з речовиною 10.5. Застосування рентгенівського випромінювання в медицині 10.6. Комп'ютерна томографія

10.1. Рентгенівські промені План Контрольні запитання

План 10.1.1. Історія відкриття Рентгенівських променів 10.1.2. Природа рентгенівських променів і методи їх отримання Наступні досліди рентгенівських променів Одержання рентгенівського випромінювання Будова рентгенівської трубки Взаємодія швидких електронів з атомами речовини, на яку вони падають. Утворення рентгенівського випромінювання. 10.1.3.Гальмівне рентгенівське випромінювання Умови гальмування різних електронів Потік рентгенівських променів 10.1.4 Характеристичне рентгенівське випромінювання Виникнення різних характеристичних рентгенівських променів Розподіл інтенсивності по спектру випромінювання рентгенівської трубки з вольфрамовим анодом Електронні переходи а їх наслідки Закон Мозолі Діаграма Мозолі

10.1.1. Історія відкриття Рентгенівських променів Перше відкриття Х-променів Іваном Пулюєм (1845-1919рр.); “Друге” відкриття Х-променів Вільгемом Кондратом Рентгеном у кінці 1895р., які були виявленні під час пропускання електричного струму через розріджений газ в розрядній трубці. Контрольні запитання План

10.1.2. Природа рентгенівських променів і методи їх отримання Вчені з різних країн починаючи з 1896р., стали швидко поширювати відомості про нові промені і їх чудові властивості. Визначний учений П. М. Лебедєв вже19 січня 1896р. Зробив знімок своєї руки і демонстрував його на лекціях під назвою “Про відкриття рентгеном Х-променів”, які відбулися в Санкт-Петербурзькому університеті Контрольні запитання План

Наступні досліди рентгенівських променів Було доведено, що рентгенівські промені мають довжину хвилі: λ=10-8÷10-14. В шкалі електромагнітних хвиль вони розміщенні між ультрафіолетовими і гамма-променями. Хвильова електромагнітна природа рентгенівських променів була повністю доведена дослідами по дифракції на кристалічній решітці, які провів в 1912р. німецький фізик Лауе Контрольні запитання План

Одержання рентгенівського випромінювання Рентгенівські промені одержують в рентгенівських трубках – скляних балонах, з яких викачане повітря до тиску : р=10-6-10-7мм.рт.ст. В балоні впаяні два електроди: катод і анод (дивись мал. 10.1) Контрольні запитання План

Будова рентгенівської трубки Анод(антикатод) - металевий стержень, на скошеному кінці якого закріплена пластинка 3 із тугоплавкого сплаву – дзеркальце атикода. Катод становить спіраль із вольфрамового дроту, який нагрівається електричним струмом від джерела розжарювання Uр і випромінює електрони. Швидкі електрони влітають в анод гальмування їх кінетична енергія перетворюється в енергію рентгенівського випромінювання Контрольні запитання План

Малюнок: Будова рентгенівської трубки 1-Uр 2-катод 3-анод 4- Ua Контрольні запитання План

Взаємодія швидких електронів з атомами речовини, на яку вони падають, зводиться до таких процесів: 1. Прискорені електрони вибивають зовнішні електрони з атомів речовини антикода, тобто іонізують їх. Втрату енергії швидких електронів на іонізацію атомів називають іонізаційними втратами. Вони становлять до 96% енергії швидких електронів Ця енергія перетворюється в теплоту, за рахунок якої нагрівається тіло антикода. Для того щоб не допустити розплавлення пластинки антикода його охолоджують за допомогою проточної води, або масла. Контрольні запитання План

Утворення рентгенівського випромінювання Швидкі електрони втрачають енергію в результаті гальмування під час руху в речовині. Згідно з класичною електродинамікою, будь-який заряд, що рухається із прискоренням, випромінює електромагнітну енергію. При різкому гальмуванні швидких електронів їх кінетична енергія переходить частково в енергію так званого гальмівного рентгенівського випромінювання. Контрольні запитання План

10.1.3.Гальмівне рентгенівське випромінювання Суцільний спектр одержується в результаті гальмування швидких електронів у речовині антикоду. Якщо між катодом і анодом прокладена напруга Ua, електрони розганяються і їх енергія дорівнює eUа, де е – заряд електрона. Влітаючи в антикод, електрони різко гальмують, тобто рухаються з від'ємним прискоренням, і стають джерелами рентгенівського випромінювання. Контрольні запитання План

Умови гальмування різних електронів Умови гальмування для різних електронів неоднакові, і різні частки їх кінетичної енергії перетворюються в енергію рентгенівських квантів. При повному перетворенні енергії електрона mv2/2=eUa в енергію кванта hvмакс дістанемо: eUa=h vмакс, де h – стала Планка, vмакс – найбільша частота ренгенівського гальмівного спектра. Контрольні запитання План

Розподіл інтенсивності по непереривному спектру рентгенівських променів при різних Ua для вольфрамового антикоду І н т е н с и в н і с т ь 0,2 0,4 0,6 0,8 λ,А Контрольні запитання План

Потік рентгенівських променів Потік Ф рентгенівських променів, що виходять із трубки, зростає пропорційно силі струму І в трубці, квадрату напруги на трубці Ua і залежить від величини атомного номера Z речовини антикатода, тобто: Ф=kZU2aI, k=10-9Вт/В2А Жорсткість рентгенівських променів, яка зростає зі зменшенням довжини хвилі, характеризує їх проникаючу здатність і залежить тільки від напруги Ua , яка подається на трубку. Контрольні запитання План

10.1.4. Характеристичне рентгенівське випромінювання Характеристичний спектр виникає ому, що частина бомбардуючих електронів проникає в атоми антикатода і збуджує їх. При чому електронні переходи відбуваються в надрах атомів, тобто в оболонках, ближчих до ядра – K, L, M. Тому енергія квантів рентгенівських променів більша ніж енергії квантів променів видимого світла, так як останні отримуються при електронних переходах між зовнішніми оболонками атома, тобто на його периферії Контрольні запитання План

Малюнок 10.3 :Розподіл інтенсивності по спектру випромінювання рентгенівської трубки з вольфрамовим анодом Характеристичне випромінювання має лінійчастий спектр. Свою назву воно Отримало тому, що цей тип Рентгенівського випромінювання характеризує речовину антикода, і його вид не залежить від того, чи елемент знаходиться у вільному, чи хімічно зв’язаному стані Контрольні запитання План

Додаток до малюнку 10.3. На малюнку 10.3 зображено графік розподілу інтенсивності по спектру випромінювання рентгенівської трубки з вольфрамовим анодом при Ua=168кВ. Цей графік наочно ілюструє той факт. Що загальний спектр включає в себе, як неперервного спектра, розміщеного зліва від накладених на нього спектральних ліній, видний “провал”. Ця відсутня енергія пішла на збудження сусідніх спектральних ліній. Контрольні запитання План

Виникнення різних характеристичних рентгенівських променів На цьому малюнку зображено виникнення різних серій характеристи- чних ренгенів- ських проме- нів. Малюнок 10.4. Контрольні запитання План

Електронні переходи і їх наслідки Переходи, що закінчуються на К-оболонці, дають К-серію характеристичного спектра, яка складається з трьох ліній: Кά – відповідає переходу з L- оболонки на К-оболонку; Кβ – відповідає переходу з М-оболонки на К-оболонку; Кγ – відповідає переходу з N- оболонки на К-оболонку. Переходи, що закінчуються на L- оболонці та на М-оболонці, дають відповідно L- серію та М-серію характеристичного рентгенівського спектра. Контрольні запитання План

Закон Мозолі 1913р. Англійський фізик Мозолі, досліджуючи хвилі характеристичних променів від атомного номера Z різних елементів, встановив співвідношення, які називаються законом Мозолі: ν= R (Z - σ)2(1/12 - 1/22) для Кά– лінії; ν = R (Z - σ)2(1/12 - 1/22) для L- серію; Де R=3.3∙1015с-1 – стала Рідберга; σ– постійна величина, яка називається сталою екранування (для лінії Кά σ =1, для L- серію σ =0,75). Контрольні запитання План

Діаграма Мозолі На цій діаграмі, яка ілюструє для ліній Кά лінійну залежність √ ν/ R від атомного номера Z. Послідовне Застосування формули Мозолі до елементів періодичної системи Менделєєва підтвердило в свій час закономірне зростання на одиницю заряду ядра при переході від одного елемента до іншого. Контрольні запитання План

Контрольні запитання Розкажіть про історію відкриття рентгенівських променів. Які методи отримування рентгенівських променів? Чим особлива будова рентгенівської трубки? На які три процеса поділяється взаємодія швидкісних електронів з атомами речовини, на яку вони попа дають? Що є умовою для гальмування різних електронів? Що таке потік рентгенівських променів? Що характерно для електронних переходів? Формування закону Мозолі План

10.2. Радіоактивне випромінювання Контрольні запитання План

План 10.2.1. Радіоактивність, її ввластивості Альфа-випромінювання Бета-випромінювання Гамма-випромінювання Радіоактивність Види радіоактивності 10.2.2. Основний закон радіоактивного розпаду, період напіврозпаду, активність Основні Радіоактивні промені Закон радіоактивного розпаду Закон радіоактивного розпаду в диференціальній формі Період напіврозпаду Активність 10.2.3. Правила зміщення, особливості спектрів при радіоактивному розпаді Закон збереження електричного заряду Закон збереження маси Внутрішня конверсія Контрольні запитання

10.2.1. Радіоактивність, її ввластивості М.Складовська-Кюрі, П. Kюpi та Е. Резерфорд вивчили фізичну природу беккерелевих променів. У магнітному полі потік беккерелевих променів поділяється на три частини -комноненти, які названі альфа (α), бета (β)- i гамма (γ)-променями. Речовини, які випускають відкрите Беккерелем випромінювання, назвали радюактивними, а властивість речовин випромінювати α-, β-, γ-промені назвали радіоактивністю або радіоактивним розпадом. Було встановлено, що при α- i β-розпадах утворюються ядра нових елементів. План Контрольні запитання

Альфа-випромінювання Резерфорд, Kюpi та їх співробітники довели, що α частинки становлять ядра гелію Не, тобто мають заряд вдвічі більший за модулем, ніж заряд електрона ( Кл) завдяки двом протонам, та масу, яка в чотири рази більша, ніж маса ядра атома водню ( кг) завдяки двом протонам і двом нейтронам. План Контрольні запитання

Бета-випромінювання Воно буває двох типів: 1) електронне бета-випромінювання, що складається із швидких електронів, які вилітають з ядра атома; 2) позитронного бета-випромінювання. Позитрон, що також вилітає з ядра, є античастинка по відношенню до електрона, яка відрізняється від нього лише знаком заряду і магнітного моменту. Позитрон був відкритий теоретично В. Паулі та П. Дираком в 1930 р. та експериментально Андерсоном в 1932 р. при дослідженні космічних променів в камері Вільсона, що була вміщена у магнітне поле. План Контрольні запитання

Гамма-випромінювання Воно, як і рентгенівське випромінювання, належить до більш широкого класу електромагнітних випромінювань. В основному фізична природа гамма-випромінювання пов'язана з переходами нуклонів ядра з одного стаціонарного енергетичного рівня на інший подібно до того, як перехід між стаціонарними енергетичними рівнями атомів та молекул супроводжується випромінюванням або поглинанням електромагнітного випромінювання радіо -, інфрачервоного, видимого та ультрафіолетового діапазонів. Тому енергія γ-фотона при гамма-випромінюванні може бути знайдена за відомою формулою Бора-Зоммерфельда: hv=∆E План Контрольні запитання

Pадіоактивність Це такий процес, внаслідок якого відбуваються: а) самодовільне перетво рення ядер одного хімічного елемента в ядра іншого елемента, яке супроводжується випромінюванням ядер гелію (α-розпад) або електронів і позитронів (β-розпад); б) самодовільне випромінювання з ядра хімічного елемен та короткохвильового електромагнітного випроміню вання (γ-розпад), яке супроводжує α- і β-розпади. План Контрольні запитання

Види радіоактивності Розрізняють два види радіоактивності: природну і штучну. Досі ми розглядали природну радіоактивність - перетворення нестійких ізотопів одного елемента в ізотопи інших елементів при α- і β-розпадах або випромінювання ядрами γ-квантів, які відбуваються в природних умовах самодовільно, тобто без зовнішніх впливів. Штучна радіоактивність - розпад штучно отриманих ізотопів хімічних елементів внаслідок різних ядерних реакцій. Штучна радіоактивність була відкрита в 1934 р. подружжям Ірен Кюрі та Фредеріком Жоліо-Кюрі. Обидва види радіо активності - природна і штучна - підпорядковуються одним і тим самим законам. План Контрольні запитання

10.2.2. Основний закон радіоактивного розпаду, період напіврозпаду, активність Внаслідок самодовільності радіоактивного розпаду число ядер dN, які розпадаються за проміжок часу від t до t + dt, пропорційно числу вихідних радіоактивних ядер N та проміжку часу dt: - dN=λ N dt. План Контрольні запитання

Основні Радіоактивні промені Співвідношення формули визначає по суті закон радіоактивного розпаду в диференціальній формі, який форму люється таким чином: відносне зменшення кількості радіоактивних ядер за одиницю часу, тобто - dN/Ndt, є величина стала, яка називається постійною радіо активного розпаду α. Або, іншими словами, за одиницю часу розпадається одна і та сама частка наявних радіоактивних ядер План Контрольні запитання

Період напіврозпаду Для оцінки стійкості радіоактивних ядер що до їх розпаду вводять поняття періоду напіврозпаду Т1/2. Період напіврозпаду Т1/2 визначається як той час, протягом якого розпадається половина вихідної кількості, тобто N0 /2, радіоактивних ядер речовини. Відповідно за два періоди напіврозпаду залишається четверта частина радіоактивних ядер, що не розпалися. Знайдемо зв'язок періоду напіврозпаду Т1/2 з постійною радіоактивного розпаду λ. Оскільки в момент часу t= Т1/2 кількість радіоактивних ядер N = N0 /2, то з рівняння маємо N0 /2 = N0e-λT. Звідси отримаємо є λT = 2, що дає після логарифмування План Контрольні запитання

Активність Активністю А називають швидкість радіоактивного розпаду, тобто кількість розпадів за одиницю часу. Оскільки енергія виділяється при кожному акті розпаду, то загальна кількість енергії, що виділяється внаслідок радіоактивного розпаду за одиницю часу, буде визначатися саме активністю. Формула для активності А має такий вигляд: де були враховані закон радіоактивного розпаду та зв'язок між періодом напіврозпаду Т1/2 і постійною радіо активного розпаду λ, що виражається формулою. З формули випливає важливий висновок: активність А радіоактивного ізотопу (радіонукліду) тим більша, чим більша кількість радіоактивних ядер N в даний момент часу і чим менший період напіврозпаду Т1/2 . План Контрольні запитання

10.2.3. Правила зміщення, особливості спектрів при радіоактивному розпаді Закон збереження електричного заряду Закон збереження електричного заряду при радіоактивному розпаді можна подати в наступному формулюванні: сума зарядових чисел дочірніх ядер і частинок, які утворилися при розпаді, дорівнює зарядовому числу вихідного (материнського) ядра. План Контрольні запитання

Закон збереження маси Закон збереження маси формулюється через масові числа (масове число М - це відношення маси ядра або частинки до а.о.м.) наступним чином: сума масових чисел дочірніх ядер і частинок, які утворюються при радіоактивному розпаді, дорівнює масовому числу вихід ного (материнського) ядра. План Контрольні запитання

Внутрішня конверсія У більшості випадків радіоактивна речовина випускає кілька груп "моноенергетичних" α-частинок. Це зумовлено тим, що дочірнє ядро може виникати як в нормальному (не збудженому), так і в збудженому стані. Переходячи в нормальний або більш низький збуджений стан, дочірнє ядро випускає γ-фотон. Через це α-розпад може супровод жуватися γ-випромінюванням. Утворене в результаті α-розпаду збуджене ядро може віддати надлишок енергії безпосередньо (без попереднього випускання γ-кванта) одному із електронів К-, L- або М-шару атома, в результаті чого електрон вилітає з атома. Цей процес називають внутрішньою конверсією. План Контрольні запитання

Контрольні запитання Що називають альфа-випромінюванням ? Якими двома типами буває бета-випромінювання ? В чому пов’язана фізична природо гамма-випромінювання ? Дайте означення радіоактивності. На які види поділяється радіоактивність ? Охарактеризуйте їх. Назвіть формулу основного закону радіоактивного розпаду. Сформулюйте закон радіоактивного розпаду в диференціальній формі. Яким чином визначається період напіврозпаду ? Що таке активність ? Яким чином можна подати закон збереження електричного заряду ? Сформулюйте закон збереження маси. Який процес називають внутрішньою конверсією? План

10.3. Основи дозиметрії іонізуючого випромінювання План Контрольні запитання

План 10.3.1. Експозиційна доза, її потужність, одиниці Розпізнання в системі CI Відкриття Рентгена Еквівалентні визначення експозиційної дози в 1 рентген 10.3.2. Поглинена доза, її потужність, одиниці. Розпізнання в системі CI Дія іонізуючого випромінювання на речовину 10.3.3. Еквівалентна доза, її потужність, одиниці. Розпізнання в системі CI “Біологічний еквівалент рентгену” Потужність еквівалентної дози 10.3.4. Дозиметри іонізуючого випромінювання Прилади дозиметричного контролю Контрольні запитання

10.3.1. Експозиційна доза, її потужність, одиниці Для кількісної характеристики дії іонізуючого випромінювання вводять так звану експозиційну дозу D0. Експозиційна доза визначає величину заряду, що виникає в одиниці маси сухого повітря під дією рентгенівського і γ -випромінювання, тобто Експозиційна доза характеризує міру іонізації повітря рентгенівськими і γ -променями. Контрольні запитання План

Розпізнання в системі CI У відповідності з формулою (10.21) за одиницю експозиційної дози в системі СІ прийнята така експозиційна доза рентгенівського і γ -випромінювань, при якій в результаті повної іонізації 1 кг сухого повітря утворюється заряд в 1 кулон, тобто [D0] = 1 Кл/кг. Контрольні запитання План

Відкриття Рентгена Вільгельм РЕНТГЕН відкривши невідоме раніше випромінювання, Рентген вніс істотний вклад у фізику на початку XX ст. Він став першим (1901 р.) лауреатом Нобелівської премії по фізиці. Під час дослідження він виявив, що ікс-промені можуть проникати майже в усі предмети на різну глибину, що залежить від товщини предмета й густини речовини. Тримаючи невеликий свинцевий диск між розрядною трубкою й екраном, Рентген помітив, що свинець непроникний для ікс-променів, і отут зробив разюче відкриття: кістки його руки відкидали на екран більше темну тінь, оточену більше світлою тінню від м'яких тканин. ікс-промені викликають не тільки світіння екрана, покритого цианоплатинитом барію, але й потемніння фотопластинок (після прояву) у тих місцях, де ікс-промені попадають на фотоемульсію. Контрольні запитання План

Еквівалентні визначення експозиційної дози в 1 рентген Наприклад: 1) 1 рентген -це така експозиційна доза, при якій внаслідок повної іонізації під дією1 рентгенівського і γ -випромінювання в 1 см3 сухого повітря утворюється близько 2 мільярдів пар іонів має, як це випливає з рівняння Клайперона-Менделєєва, масу m = 0.001293 г ~ 1.3*10-6 кг; 2) 1 рентген - це така експозиційна доза, при якій в 1 кг сухого повітря поглинається 8.69 мДж енергії рентгенівського і γ -випромінювання. Дійсно, середня енергія, яка викликає появу пари "додатний іон + електрон" у повітрі, дорівнює 5.43*10-18 Дж ~ 34 еВ. Тому загальна енергія, яка необхідна для утворення 1.6*1015 пар іонів/кг, становить W= 5.43*10-18*1.6*1015 = 8.69*10-3 Дж/кг ~ 5.4*1016 еВ/кг. Контрольні запитання План

10.3.2. Поглинена доза, її потужність, одиниці. Основною величиною, що характеризує дію на речовину іонізуючого випромінювання, є енергія випромінювання, що поглинається одиницею маси за час опромінення. Ця величина називається поглиненою дозою Dn і визначається формулою Контрольні запитання План

Розпізнання в системі CI Згідно з цим визначенням одиницею поглиненої дози в системі СІ є Dn = 1 Дж/кг, тобто така поглинена доза випромінювання, при якій в 1 кг маси опроміненої речовини поглинається 1 Дж енергії будь-якого іонізуючого випромінювання. Іншою назвою цієї одиниці є Грей (Гр), тобто 1 Гр - 1 Дж/кг. Контрольні запитання План

Дія іонізуючого випромінювання на речовину В особливості на тканини організмів людей і тварин, суттєво залежить не тільки від загальної дози поглиненого випромінювання, а й від швидкості, з якою ця доза змінювалася, тобто похідної dDn/dt від поглиненої дози по часу. Зрозуміло, що ця похідна визначає потужність Рn поглиненої дози. Контрольні запитання План

10.3.3. Еквівалентна доза, її потужність, одиниці Для оцінки біологічної дії кожного типу іонізуючого випромінювання треба множити величину поглиненої дози Dn на відповідний множник k, який називають коефіцієнтом якості або відносною біологічною ефективністю (ВБЕ) випромінювання. Такий добуток kDn характеризує так звану еквівалентну дозу Dекв. Таким чином, маємо такий зв'язок між еквівалентною дозою і поглиненою дозою: Dекв =kDn (Із врахуванням співвідношення (10.26) між поглиненою та експозиційною дозами отримуємо таку формулу, що пов'язує між собою еквівалентну та експозиційну дози: Dекв =kfD0. Контрольні запитання План

Розпізнання в системі CI За основну одиницю еквівалентної дози в системі СІ прийнятий 1 зіверт (Зв) - це така еквівалентна доза, що відповідає поглиненій дозі в 1 грей (Гр) при дії на біооб'єкт рентгенівського, у- і β-випромінювань. В загальному випадку, що включає інші типи іонізуючих випромінювань, маємо на підставі формули (10.28) таке співвідношення між еквівалентною дозою Dекв, виміряною в Зв, і поглиненою дозою Dn в Гр: Dекв (3в) = k*Dn(Гр). Контрольні запитання План

“Біологічний еквівалент рентгену” Іншою (позасистемною) одиницею еквівалентної дози є бер. Оскільки к = 1 для перших трьох типів випромінювання (див табл.), то 1 бер - це така еквівалентна доза, яка відповідає поглиненій дозі в 1 рад рентгенівського, у- і β-випромінювань. Для інших типів випромінювань по аналогії з (10.30) Dекв(бер)=к*Dn (рад), (10.31) Dекв(бер)=к*f*D0 (P), (10.31a) Контрольні запитання План

Потужність еквівалентної дози Потужність еквівалентної дози Рб, визначається величиною еквівалентної дози Dб,, віднесеної до одиниці часу, тобто Контрольні запитання План

10.3.4. Дозиметри іонізуючого випромінювання Дозиметри - це прилади для вимірювання доз та потужностей доз іонізуючого випромінювання. Контрольні запитання План

Прилади дозиметричного контролю 1) дозиметри у-випромінювання (у-дозиметри); 2) дозиметри для вимірювання потоків нейтронів (нейтронні дозиметри); 3) дозиметри, що вимірюють експозиційні дози рентгенівського і у-випромінювання в рентгенах (рентгеномометри); 4) дозиметричні прилади для визначення біологічних доз в берах (берметри); 5) дозиметричні прилади для вимірювання потоків α- і β-частинок із радіаційно забруднених поверхонь; 6) дозиметричні пристрої для вимірювання вмісту радіоактивних газів і аерозолів у повітрі, а також активності повітря, що вдихається людиною; 7) дозиметричні пристрої для вимірювання активності проб води та продуктів харчування; 8) прилади для вимірювання індивідуальних доз іонізаційного випромінювання, отриманих людиною, а також зовнішнього випромінювання (природного та штучного у- і β -випромінювання) від окремої людини. Контрольні запитання План

Контрольні запитання Хто винайшов Рентген? Яка назва приладу для вимірювання доз та потужностей доз іонізуючого випромінювання? Яка формула еквівалентної дози? Що ми знайдемо за формулою: ? Рентген це -...?

10.4. Взаємодія іонізуючого випромінювання з речовиною План Контрольні запитання

План 10.4.1. Первинні фізичні механізми взаємодії рентгенівського випромінювання з речовиною Когерентне розсіяння Формула Вульфа-Брегга Фотоефект Некогерентне розсіяння, або ефект Комптона Залежність виду розсіяння від енергії фотона Залежність поглинання випромінювання від типу речовини Вимушений поділ ядер 10.4.2. Первинні механізми дії радіоактивного випромінювання і потоків частинок на речовину Поглинаюча та іонізуюча здатність а- і β-частинок та γ-випромінювання Послаблення дії а- і β-частинок та γ-випромінювання в залежності від їх властивостей Іонізуюче випромінювання протонів і нейтронів Залежність захоплення нейтрона ядром від його енергії Виділення нейтронів в ядерних реакціях

10.4.3. Фізико-хімічні механізми радіаційних пошкоджень: Фізична, фізико-хімічна та хімічна стадії радіаційного пошкодження Біологічна стадія радіаційного пошкодження та об’єкти найбільшого впливу радіації Ранні радіаційні ефекти Пізні радіаційні ефекти Експерементальні дані Торна і Веннарта 10.4.4. Ефект дії малих доз іонізуючого випромінювання: Загальний вплив іонізуючого випромінювання на організм людини Залежності між дозою опромінення і її ефектом Приклад взаємозв’язку між часом та ефектом опромінення Довідка Історична Довідка Контрольні запитання

Первинні фізичні механізми взаємодії рентгенівського випромінювання з речовиною. Когерентне розсіяння. Механізм взаємодії з речовиною рентгенівських променів визначається довжиною їх хвилі (частотою). Випромі нювання з довжиною хвилі λ < 0.1 А (1 А = 10-10 м = 0.1 нм) має більшу енергію і глибше проникає в речовину, його називають жорстким рентгенівським випромінюванням. Випромінювання з λ = 10 -100 А називають граничним, а з λ > 100 А - м'яким, оскільки воно має порівняно малу проникну здатність. Потрапляючи в речовину (наприклад, тіло людини), рентгенівське випромінювання частково поглинається і розсіюється в речовині, частково проходить через речовину. Дію на речовину чинить випромінювання, поглинуте і розсіяне в речовині. Рис. 10.9. Процес когерентного розсіяння, при якому енергія рентгенівського кванта h v залишається незмінною, а змінюється лише напрямок поширення кванта. План Контрольні запитання

Формула Вульфа-Брегга Отримаємо основну формулу Вульфа-Брегга, що використовується в рентгеноструктурному аналізі. Для спрощення розглянемо кубічну кристалічну решітку з періодом d, який часто є шуканою величино На рис.10.10 зображено розріз кристалічної решітки. Виділимо в кристалі сімейство паралельних атомних площин 1, 2, 3,..., які утворюють з пучком первинних променів з довжиною хвилі λ кут θ, і розглянемо інтерференцію відбитих хвиль від окремих площин сімейства. Так як рентгенівські промені здатні проникати в глибину кристала, то відбивання променів пройде не тільки від площини 1, але й від площин 2, 3, ... . Відбиті від різних площин промені будуть інтерферувати між собою і підсилювати один одного, якщо різниця ходу променів Δ рівна цілому числу к (к = 1, 2, ...) довжин хвиль λ: Δ = кλ. З рис. 10.10 видно, що Δ = AB + BC = 2AB = 2dsinθ. Рис. 10.10. Розріз кристалічної решітки: 1,2, 3 - атомні площини. План Контрольні запитання

Фотоефект Фотоефект спостерігається, коли енергії фотона hv вистачає для виконання роботи виходу Ав електрона. При hv > Ав фотон поглинається і електрон відривається від атома (рис. 10.11). Енергія такого електрона за формулою Ейнштейна має вигляд: mυ2/2 = hv - Aв Залежно від енергії квантів, рентгенівські промені можуть викликати фотоефект з різних електронних оболонок атомів. Із збільшенням енергії квантів (зменшенням довжини хвилі) коефіцієнт поглинання зменшується. Однак на деяких частотах поглинання він різко зростає. Це пов'язано з появою додаткового поглинання за рахунок виривання електронів з відповідної внутрішньої оболонки атома. Значення цих частот рентгенівських променів дає змогу визначити енергію електронів в станах, що відповідають різним підоболонкам. Результатом фотоефекту є інтенсивна іонізація атомів і молекул речовини. План Контрольні запитання

Некогерентне розсіяння, або ефект Комптона Некогерентне розсіяння, або ефект Комптона, спостерігається при взаємодії фотонів досить великих енергій (hv » Ai) із зовнішніми електронами, що мають слабий зв'язок з ядром. При цьому первинний (налітаючий) фотон передає частину своєї енергії електрону. Електрон відривається від атома, такі електрони називаються електронами віддачі, або комптонівськими електронами. Разом з електронами віддачі випромінюється ще й фотон з енергією меншою, ніж у первинного фотона. Напрям цього фотона також інший, ніж у первинного (рис. 10.12). Рис. 10.12. Процес некогерентного розсіяння. Продовження План

Запишемо закон збереження енергії у випадку ефекта Комптона: hv = Ai+ mυ2/2 + hv' (10.34) Згідно з цим рівнянням енергія налітаючого рентгенівського кванта (фотона) hv витрачається на роботу іонізації Аi для відриву електрона від атома, надання цьому електрону кінетичної енергії mυ2/2 , а також на енергію вторинного фотона hv', що з'являється внаслідок процесу некогерентного розсіяння. Оскільки енергія вторинного (розсіяного) фотона hv' повинна бути менша за енергію первинного фотона hv, то з умови ν'

Залежність виду розсіяння від енергії фотона Якщо енергія фотона недостатня для відриву електрона, може відбуватися збудження атома чи молекули. Переходячи із збудженого стану в стабільний, атом (молекула) випромінює фотон. У деяких речовин це випромінювання відбувається в області видимого спектра (рентгенолюмінісценція). В тканинах організму при цьому можливе збільшення швидкості перебігу фотохімічних реакцій. Швидкі електрони і фотони, що утворилися при первинних процесах, можуть викликати ряд так званих вторинних ефектів. Продовження План

Так, електрони, що утворились при фотоефекті і комптон-ефекті, за наявністю достатньої кінетичної енергії можуть іонізувати сусідні атоми шляхом зіткнення. На місце електронів, вибитих при фотоефекті із внутрішніх оболонок, можуть переходити електрони з більш високих рівнів, що супроводжується вторинним характеристичним випромінюванням. Фотони цього випромінювання, а також фотони, що утворюються при комптон-ефекті, можуть, в свою чергу, викликати явища фотоефекту і комптон-ефекту. Слід зазначити, що із зростанням енергії рентгенівського кванта (фотона) зростає роль процесу некогерентного розсіяння (ефекту Комптона) у порівнянні з процесом фотоефекту. Так, якщо енергія фотона становить W1 = 104 еВ = 1.6· 10-15 Дж, то ефект Комптона практично відсутній і спостерігається лише фотоефект. Під час зростання енергії фотона до величини W2 = 8 · 104 еВ = 12.8· 10-15 Дж ефект Комптона і фотоефект стають рівноймовірними. Нарешті, коли енергія фотона стає W3 = 2· 105 еВ = 3.2· 10-14 Дж, то ймовірність ефекту Комптона сягає 99%, тоді як ймовірність фотоефекту - лише 1%. План Контрольні запитання

Залежність поглинання випромінювання від типу речовини При проходженні рентгенівських променів через речовину їх інтенсивність зменшується внаслідок істинного поглинання і розсіяння. Інтенсивність I паралельного пучка рентгенівських променів при проходженні ними в речовині відстані d задовольняє закону Бугера (див. розділ 8): Ι = Ιο e-μd (10.35) де I0 - інтенсивність падаючих на речовину променів (при d = 0), а μ - лінійний коефіцієнт послаблення. Так як послаблення інтенсивності випромінювання, що проходить, здійснюється за рахунок істинного поглинання (фотоефект і комптон-ефект) та когерентного розсіяння, то μ рівне сумі лінійних коефіцієнтів істинного поглинання τ і розсіяння σ: μ= τ + σ (10.36) Враховуючи (10.36), формулу (10.35) записують у вигляді Ι = Ιο e-( τ + σ)d Експериментально встановлена формула залежності коефіцієнта істинного поглинання г від атомного номера Ζ, густини ρ поглинаючого середовища і довжини хвилі λ рентгенівських променів: τ = kpZ4 λ3 , (10.37) де к - коефіцієнт пропорційності. Продовження План

Залежність інтенсивності Iθ від кута розсіяння θ для різних значень α приведена на рис.6. Інтенсивність Iθ дається відрізком прямої, що проведена під кутом θ від початку координат до перетину з кривою. Із зростанням α (енергії γ -квантів) інтенсивність розсіяння назад (θ = π ) і в боки (θ = π/2, θ = 3π/2) зменшується, а при α = 5 розсіяне випромінювання напрямлено в основному вперед. Продовження План

На рис. 5 приведено залежність τ /ρ = f (λ) для аргону. Із зменшенням λ в області довжин хвиль, що відповідають короткохвильовій межі K-, L-, M- і т.д. серій характеристичного рентгенівського випромінювання коефіцієнт поглинання τ різко зростає. Це пояснюється тим, що при таких довжинах хвиль енергія падаючого γ -кванта становиться більше енергії зв'язку електрона, який знаходиться відповідно на K-, L-, M- і т.д. оболонках атома, і цей електрон може бути вибитий з атома. Для зручності вводять електронний коефіцієнт поглинання τе, що характеризує ослаблення, яке відноситься до одного електрона: План Контрольні запитання

Вимушений поділ ядер Вимушений поділ ядер. Вимушений поділ ядра є одним з видів ядерної реакції. Ядерною реакцією називається процес взаємодії атомного ядра з елементарною частинкою чи з іншим ядром, який приводить до перетворення ядра (чи ядер). Взаємодія реагуючих частинок виникає при наближенні їх до відстані порядку 10 -13 см завдяки дії ядерних сил. Ядерні реакції можуть супроводжуватись як виділенням, так і поглинанням енергії. Кількість енергії, що виділяється, називається тепловим ефектом. Він визначається різницею мас спокою (що виражені в енергетичних одиницях) вихідних і кінцевих ядер. Якщо сума мас кінцевих ядер більша суми мас вихідних ядер, то реакція протікає з поглинанням енергії і тепловий ефект її буде від'ємним. Маса ядра mя завжди менша суми мас частинок, що входять до його складу. Це зумовлено тим, що при об'єднанні нуклонів у ядро виділяється енергія зв'язку нуклонів один з одним. Енергія зв'язку Езв дорівнює тій роботі, яку необхідно виконати, щоб розділити нуклони і віддалити їх один від одного на такі відстані, при яких вони не взаємодіють між собою. Таким чином, енергія ядра менша енергії системи невзаємодіючих нуклонів на величину, що дорівнює Езв. Згідно закону взаємозв'язку маси і енергії E = тс , зменшення енергії тіла на ∆E повинно супроводжуватись зменшенням маси тіла на ∆m=∆E / с . Продовження План

Енергія зв'язку нуклонів у ядрі рівна: Eзв = c2{[Zmp + (A-Z)mn]- mя}. (9) Тут mp, mn - маси спокою протона і нейтрона відповідно. На рис.2 зображено графік залежності Eзв/A від масового числа А. Найсильніше зв'язані нуклони в ядрах з масовими числами порядку 50-60 (тобто для елементів від Cr до Zn). Енергія зв'язку для цих ядер досягає 8,7 Мев/нуклон. З ростом А питома енергія зв'язку поступово зменшується, для найтяжчого природного елементу урану вона складає 7,5 Мев/нуклон. Така залежність питомої енергії зв'язку від масового числа робить енергетично можливими два процеси: 1) поділ тяжких ядер на декілька більш легких ядер і 2) злиття (синтез) легких ядер в одне ядро. Обидва процеси повинні супроводжуватись виділенням великої кількості енергії. План Контрольні запитання

Поглинаюча та іонізуюча здатність а- і β-частинок та γ-випромінювання Як зазначалося в параграфі 10.2, дія заряджених а- і β-частинок радіоактивного випромінювання на речовину зводиться головним чином до збудження та іонізації атомів, тобто переходу електронів атома на більш високі енергетичні рівні і відриву електронів від атома. При цьому, якщо енергія а- і β-частинок є достатньо великою, то вони можуть вибити електрони з глибоких енергетичних рівнів, що призводить до виникнення характеристичного рентгенівського випромінювання. Щодо γ-випромінювання, то первинні механізми його дії на речовину здебільшого подібні до дії рентгенівського випромінювання, а саме: зводяться до фотоефекту і ефекту Комптона. Крім того, для γ-випромінювання великих енергій характерним стає процес утворення електронно-позитронних пар. Оскільки енергії спокою електрона і позитрона майже однакові (маси їх спокою відрізняються на 0.007%) Wo=moc 2 = 0.51 МеВ , то для утворення електронно-позитронної пари і надання цим частинці та античастинці кінетичної енергії необхідно, щоб енергія γ-фотона була більшою, ніж 2Wo = 1.02 МеВ. Таким чином, послаблення пучка γ-випромінювання, як і рентгенівського випромінювання, описується законом Бугера (10.35), в якому лінійний коефіцієнт послаблення μ складається з суми трьох доданків μ = μφ + μκ + μn (10.38) де перший доданок характеризує послаблення за рахунок явища фотоефекту, другий - комптон-ефекту, а третій - утворення електронно-позитронних пар. Продовження План

У речовинах з високим атомним номером (наприклад, у свинцю) при енергіях фотонів менших, ніж 1 МеВ, головним чином відбувається фотоефект, при середніх енергіях (2÷5 МеВ) - комптон-ефект, а при великих енергіях значення набуває утворення пар. У результаті загальний коефіцієнт послаблення із зростанням енергії фотонів спочатку падає внаслідок зниження фотоефекту, а потім збільшується за рахунок утворення пар. Для речовин з невисоким атомним номером (наприклад, для води) при енергії γ-фотонів W < 100 кеВ переважає фотоефект, при W ≈ 1 МеВ - ефект Комптона, а при W> 10 МеВ - процес утворення електронно-позитронних пар. Для повітря фотоефект має значення тільки при енергії фотонів до 0.01 МеВ, потім відбувається головним чином комптон-ефект, утворення пар можливе тільки при енергії порядку 30÷40 МеВ. Важливо зазначити, що іонізуюча здатність зростає в ряду γ-, β-, α-випромінювання, а проникна здатність у зворотному ряду α-, β-, γ-випромінювання (див. рис. 10.13). План Контрольні запитання

Послаблення дії а- і β-частинок та γ-випромінювання в залежності від їх властивостей Для більш детальної характеристики взаємодії радіоактивного випромінювання з речовиною вводять такі величини: 1) питома іонізація 2) іонізаційні втрати 3) повний пробіг Звичайно, ці величини не є постійними і залежать від типу випромінювання та його енергії. Так, для α-частинок з енергією 8 МеВ максимальне значення питомої іонізації в повітрі складає близько 8104 пар іонів на 1 см шляху, причому це значення досягається не відразу при попаданні α-частинки в повітря, а після того, як вона пройшла шлях близько 6 см. За цих умов швидкість α-частинки зменшується настільки, що її іонізуюча здатність стає максимальною, а іонізаційні втрати досягають значення 2.7 МеВ/см. У рідинах типу води та в тілі людини і тварин типові значення повного пробігу α-частинок звичайно суттєво менші за їх значення в повітрі і складають приблизно R ≈ 0.1-0.01 мм. Пояснення цього факту пов'язане з тим, що біологічні рідини, як і вода, містять багато атомів водню, маса яких по порядку величини близька до маси α-частинок. Чим ближче маса частинок, які співударяються, тим ефективніше передається кінетична енергія від однієї частинки до іншої. В цьому випадку так званий коефіцієнт акомодації, що визначає такий процес передачі енергії, прямує до одиниці. Саме цим визначається швидке сповільнен ня α-частинок в організмі людини і тварин, які на 70-80% складаються з рідин, що за своєю консистенцією наближаються до води. Іншим прикладом є використання важкої води D2O для сповільнення нейтронів в ядерному реакторі. Продовження План

Що стосується β-частинок, то послаблення їх потоку в речовині відбувається наближено теж за законом Бугера Іβ =I0 e -μβd причому внесок в лінійний коефіцієнт послаблення μβ потоку β-випромінювання дають такі процеси, як іонізація і збудження атомів та молекул, гальмівне рентгенівське випромінювання, розсіяння на електронах атомів і молекул тощо. Слід зазначити, що у разі позитронного β-випромінювання зустріч електронів та позитронів, тобто частинок і античастинок, призводить до реакції анігіляції внаслідок якої з'являються 2 γ-кванти, які через закон збереження імпульсу розлітаються під кутом 180° один до одного. При середніх значеннях енергії ЕСеред = Етах / 3 β-частинкам в організмі людини і тварин (маються на увазі, звичайно, електрони) притаманні значно більші значення повного пробігу Rβ , ніж α-частинкам, а саме: Rβ ≈ 10-20 мм. Більша проникна здатність β-частинок пояснюється меншою їх масою (mа / mβ ≈ 7345) та суттєво меншими іонізаційними втратами і питомою іонізацією (для релятивістських β-частинок, тобто електронів, які рухаються зі швидкістю, що близька до швидкості світла, питома іонізація складає приблизно 50 пар іонів на 1 см шляху). Питання про послаблення γ-випромінювання обговорювалося раніше у зв'язку з формулою (10.38). Додаткова увага буде приділена цьому питанню далі в лабораторній роботі "Визначення коефіцієнта лінійного послаблення γ-випромінювання". План Контрольні запитання

Іонізуюче випромінювання протонів і нейтронів До іонізуючого випромінювання відносять також протони і нейтрони. Швидкість і енергія протонів, що утворюються при ядерних реакціях, а також їх проникна та іонізуюча здатності близькі до відповідних величин альфа-частинок. Нейтрони, що викидаються при ядерних реакціях, мають початкову швидкість порядку 3·107 м/с і енергію до 4÷5 МеВ. У зв'язку з відсутністю заряду первинна іонізуюча здатність у них низька, проникна відповідно досить висока. Іонізуючий ефект від дії нейтронів на речовину є наслідком, головним чином, вторинних процесів. При взаємодії нейтронів з ядрами атомів можуть відбуватися пружне розсіяння, непружне розсіяння і захват нейтронів ядрами (радіаційне захоплення). При непружних взаємодіях, особливо з ядрами легких елементів, нейтрон передає ядру частину кінетичної енергії. За рахунок отриманої енергії ядро, що в даному випадку називається ядром віддачі, викликає вторинну іонізацію, яка через наявність у ядрі електричного заряду може бути досить інтенсивною. Оскільки тканини організму містять багато водню, то швидкі нейтрони легко втрачають в них свою енергію і, утворюючи ядра віддачі (протони), викликають значну іонізацію. При суттєвих передачах енергії при непружних взаємодіях ядер з нейтронами відбувається збудження ядра, внаслідок чого воно випромінює один або кілька γ-фотонів. Якщо нейтрон поглинається ядром, то відбувається ядерна реакція. Зазвичай це перетворення ядра в радіоактивний ізотоп з наступним β-розпадом та випромінюванням γ-фотонів. При цьому в біологічних тканинах часто утворюються дейтерій Н за реакцією План Контрольні запитання

Залежність захоплення нейтрона ядром від його енергії Найбільше значення мають реакції, що визиваються нейтронами. Ефективний переріз реакції як правило зростає при зменшенні енергії нейтронів. Це можна пояснити тим, що чим менша швидкість υ нейтрона, тим більший час, який він перебуває в сфері дії ядерних сил, пролітаючи поблизу ядра, і, отже, тим більша ймовірність його захвату. У зв'язку з цим у багатьох випадках ефективний переріз σ змінюється як 1/υ ~ Е – ½. Однак досить часто трапляються ядерні реакції, для яких переріз захоплення нейтронів ядром має різко виражений максимум для певної енергії Е нейтронів. Як приклад на рис.3 наведена крива залежності перерізу захоплення σ нейтрона ядром U238 від енергії нейтрона Е. В цьому випадку залежність σ ~ Ε зображається прямою лінією, що описується рівнянням: 1п σ = const -½lnE. Як видно з рисунку, крім області енергій поблизу 7 ев, залежність ln σ від ln E дійсно близька до прямої. Однак при Е = 7 ев переріз захоплення різко зростає, досягаючи 23000 барн. План Контрольні запитання

Виділення нейтронів в ядерних реакціях Як зазначалось вище, поділ тяжких ядер супроводжується виділенням великої кількості енергії. Але особливо важливим є та обставина, що при поділі кожного ядра виділяється декілька нейтронів. Відносна кількість нейтронів у тяжких ядрах значно більша, ніж у середніх ядрах. Це видно на рис.4, де зображено залежність відносної кількості нейтронів N/Z від масового числа А для стійких ядер. У зв'язку із зазначеним осколки виявляються сильно перевантаженими нейтронами, в результаті чого вони виділяють по декілька нейтронів. В середньому на кожний акт поділу приходиться 2,5 виділених нейтронів. Більшість нейтронів виділяється миттєво (за час, менший ~ 10–14 сек ). Частина (біля 0,75%) нейтронів, що отримали назву запізнілих нейтронів, випускається із запізнюванням від 0,05 сек до 1 хвилини. Продовження План

Виділення миттєвих і запізнілих нейтронів не усуває повністю перевантаження осколків поділу нейтронами. У зв'язку з цим більшість осколків виявляється радіоактивною і зазнає β–перетворень, що супроводжуються γ -випромінюванням. Кінцеві продукти - церій Се140 і цирконій Zr94 - є стабільними. Крім урану при опроміненні нейтронами діляться також торій (90Th) і протактіній (91Ра), а також трансурановий елемент плутоній (94Pu). Поділ тяжких ядер може бути викликаний не тільки нейтронами, але і іншими частинками -протонами, α - частинками, дейтерієм χΗ , а також γ - фотонами. Нейтрони надвисоких енергій (порядку декількох сотень Мев) визивають поділ і більш легких ядер. План Контрольні запитання

Фізична, фізико-хімічна та хімічна стадії радіаційного пошкодження Згідно з загальноприйнятими концепціями радіаційного захисту (див. список літератури до розділу 10), існує кілька основних фізико-хімічних механізмів пошкоджень, що викликаються дією радіоактивних випромінювань на живі істоти. Первинна стадія (умовно її можна назвати фізичною), пов'язана з іонізацією молекул води (нагадаємо ще раз, що в тілі людини на воду припадає близько 3/4 загальної ваги) відщеплюється електрон згідно з реакцією Н2О (Н2О)+ + e. Цей процес в типових випадках триває дуже короткий час (t≈ 10-16 c) Наступна так звана фізико-хімічна стадія, яка триває приблизно протягом 1 мкс, характеризується декількома процесами (реакціями), а саме: а) відщепленням протону від додатного іона Н2О+ (Н2О)+ → Н+ +ОН; б) приєднанням електрона до нейтральної молекули води з утворенням від'ємно зарядженого іона (Н2О)-, тобто Н2О + e → (Н2О)-; в) перетворення цього іона на атом водню і від'ємно заряджений іон (ОН)-, тобто (Н2О)- → Н + (ОН)-. Продовження План

Таким чином, продуктами цих реакцій є утворення як заряджених (ОН)- і Н+, так і нейтральних Н, ОН частинок. Слід зауважити, що протон Н+ та іон (ОН)- не відіграють в наступному будь-якої значної ролі, бо внаслідок дисоціації їх є досить багато в звичайній воді, тоді як нейтральні утворення - молекула водню Η і гідроксильна група ОН є вільними радикалами. Вони мають неспарений електрон і тому хімічно є дуже активними. На цій стадії виникає ще й водневий пероксид Н2О2 за реакцією ОН + ОН -> Н2О2, який є дуже сильним окислювачем. Після фізико-хімічної стадії наступає стадія, яку можна умовно назвати хімічною. На цій стадії, яка триває типово кілька секунд, продукти реакцій, що отримані на попередній стадії, починають взаємодіяти з органічними молекулами в клітинах, можуть атакувати комплекси молекул в хромосомах тощо. План Контрольні запитання

Біологічна стадія радіаційного пошкодження та об’єкти найбільшого впливу радіації Таким чином, перші три стадії (фізична, фізико-хімічна та хімічна) по суті ще не викликають великих порушень в тканинах. Токсична дія випромінювання пов'язана з вторинними реакціями, при яких відбувається розрив зв'язку всередині складних органічних молекул. Вільні радикали та інші активні біохімічні продукти стають каталізаторами для вторинних реакцій вже біологічного порядку, що розвиваються лавиноподібно за типом ланцюгової реакції і можуть призвести організм до стану, який називають променевою хворобою. Всі ці процеси відбуваються на останній біологічній стадії, тривалість якої може змінюватися в дуже широких межах - від кількох хвилин до десятків років. Радіаційні пошкодження на біологічній стадії звичайно поділяють на такі два класи: а) соматичні б) спадкоємні Біологічна стадія характеризується, таким чином, віддаленими впливами зазначених вище фізико-хімічних механізмів дії випромінювання на живі істоти, які пов'язані з сповільненням чи зупиненням процесів ділення клітин, що призводять до відповідних змін в клітинах наступних поколінь та до передчасної загибелі клітинної популяції і організму в цілому. Продовження План

Слід зазначити, що іонізуюче випромінювання діє на всі біооб'єкти, починаючи з найпростіших вірусів та бактерій і закінчуючи такими найскладнішими, як людина. Вивчення радіочутливості біооб'єкта, тобто його сприйнятливості до дії різних видів іонізуючого випромінювання, довело, що ця дія відбувається на всіх рівнях організації живих істот - молекулярному, клітинному та організменному. Найважливіші біологічні макромолекули - білки, нуклеїнові кислоти, ферменти тощо - під дією іонізуючого випромінювання втрачають свою біологічну активність (гормональну, ферментативну та ін.), в них відбувається деполімеризація або, навпаки, виникають нові хімічні утворення. В клітинах навіть руйнується процес ділення, що може інколи відбуватися при Dпогл ≥ 3-5 рад. Доведено, що найбільш радіочутливою частиною клітин є його ядро. Загибель клітин внаслідок опромінення ядра відбувається при дозах, які в десятки та сотні разів менші за ті дози, що призводять до загибелі цих клітин при опроміненні їх цитоплазми. Водночас було експериментально встановлено, що заміна цитоплазми опроміненої клітини на цитоплазму неопромінених відновлює властивість клітини до подальшого ділення. План Контрольні запитання

Ранні радіаційні ефекти Важливим результатом подібних радіаційних експери ментів було встановлення того принципового факту, що загибель живих організмів відбувається внаслідок одночасного ураження багатьох клітин і тканин. Внаслідок цього ураження порушується загальна регуляція життєво важливих процесів, що відбуваються у кістковому мозку, лімфатичній системі, кишковому тракті, статевих залозах та інших системах організму людини і тварини. На рис. 10.14 наведена так звана крива виживання, яка характеризує залежність кількості осіб (людей, тварин), що виживають при опроміненні, від поглинутої дози. Більш точно, віддалені впливи дії радіації поділяють на ранні та пізні ефекти. Продовження План

Для характеристики ранніх радіаційних ефектів часто вводять так звану "летальну дозу" ЛД50/30. Це така доза, яка є летальною для 50% опромінених об'єктів певної популяції через 30 діб після опромінення. Для людської популяції летальна поглинута доза ЛД50/30 становить від 3 до 8 Гр, або 300-800 рад при загальному опроміненні тіла рентгенівськими променями. При поглинутій дозі Dпогл < 1 Гр = 100 рад ймовірність смерті є дуже малою, тоді як при поглинутій дозі Dпогл > 8 Гр = 800 рад ймовірність вижити є вже дуже малою. При поглинутих дозах порядка 10 Гр (1000 рад) смерть наступає від пошкодження білих кров'яних клітин (в основному - лімфоцитів). Ці форменні елементи крові звичайно забезпечують захист від інфекцій. При їх загибелі під дією великих доз радіації опромінена людина не може протистояти будь-яким інфекціям, які стають смертельно небезпечними. Ризик смерті при Dпогл ≈ 10 Гр зменшується, якщо пацієнт утримується в стерильному приміщенні і йому робиться пересадка спинного мозку для стимуляції появи додаткових білих кров'яних клітин. Без подібних заходів смерть опроміненої людини настає через 3-5 діб, якщо Dпогл> 10 Гр= 1000 рад. При значно більших поглинутих дозах радіації (Dпогл ≈ 100 Гр), відбувається катастрофічна загибель клітин шлунково-кишкового тракту, а при ще більших дозах гинуть клітини центральної нервової системи. Слід однак зазначити, що в експериментах на тваринах смерть не наступала миттєво навіть при 500 Гр. План Контрольні запитання

Пізні радіаційні ефекти Щодо пізніх радіаційних ефектів, то одним з найнебезпечніших проявів дії радіації є рак. Основний механізм появи цього смертельно небезпечного захворювання пов'язаний з руйнуванням системи контролю ділення клітин. Наслідком стає більш швидкий процес ділення опромінених клітин у порівнянні з швидкістю цього процесу в неопромінених (нормальних) клітинах. Такий процес прискореного ділення клітин називається, як відомо, проліферацією клітин. Ефект проліферації передається у спадщину дочірнім клітинам, внаслідок чого можуть з'являтися злоякісні пухлини. Між часом опромінення людини і знаходженням у неї ракового захворювання може пройти досить великий (до 30 років) проміжок часу - так званий "латентний період". На жаль, не існує порогової дози, нижче якої немає ризику захворіти раком. Разом з тим немає прямих підтверджень того факту, що будь-які малі дози радіації здатні викликати рак. Це досить незвичайне, на перший погляд, протиріччя можна пояснити такими експериментальними даними, наведеними англійськими радіологами Торном і Веннартом. План Контрольні запитання

Експерементальні дані Торна і Веннарта Нехай є людська популяція, що включає в себе мільйон людей. Тоді виявляється, що при еквівалентній дозі радіаційного випромінювання в 1 мілізіверт (Dекв = 1 мЗв), яку отримала кожна людина, загальна кількість випадків захворювання раком будь-яких органів і тканин складає: у чоловіків - 10.5 випадків, у жінок - 15.5 випадків. Різниця в п'ять випадків пов'язана з захворюваннями жінок на рак молочної залози (більш докладні дані в табл. 10.2). Цікавим є той факт, що добуток кількості людей N в групі на еквівалентну дозу Deкв (це так звана популяційна еквівалентна доза) залишається величиною сталою, тобто N·Deкв = const. Іншими словами, така ж кількість чоловіків (всього їх буде 10-11) або жінок (їх буде 15-16) захворіє на рак будь-якої форми за умови, що буде взята група не в мільйон, а в тисячу людей, якщо еквівалентна доза стане не 1 мЗв, а 1 Зв. Такий самий результат буде спостерігатися і для N=109 людей при Deкв=10-6Зв Таблиця 10.2. Кількість захворювань на рак внаслідок радіаційного випромінювання План Контрольні запитання

Загальний вплив іонізуючого випромінювання на організм людини При дії різних типів іонізуючого випромінювання на біологічні середовища відбувається передача енергії малими кінцевими порціями (квантами) під час окремих актів взаємодії з речовиною. Для іонізації опромінюваного біологічного середовища необхідна мінімальна величина енергії, що визначається середнім потенціалом іонізації (табл. 10.3). Під час дії іонізуючого випромінювання насамперед іонізуються молекули води - найбільш поширеного середовища будь-якого біологічного об'єкта, які перетворюються у вільні радикали Η і ОН. Як зазначалося, вільні радикали мають високу хімічну активність і вступають в реакції безпосередньо з біологічними молекулами. Починається ланцюгова реакція, коли в хімічні взаємодії вступає дедалі більше молекул. Викликані іонізуючим випромінюванням біохімічні реакції призводять до змін у ділянках кліткових структур (ДНК, мембрани, хроматиди тощо). При невеликих дозах опромінення захисні механізми організму відновлюють пошкодження в ДНК, виводять з організму пошкоджені клітини, нейтралізують їх системою імунного захисту. При великих дозах опромінення захисна система організму не в змозі ліквідувати наслідки іонізації, що призводить до порушення нормальної життєдіяльності клітин, тканин, органів і організму в цілому. План Контрольні запитання

Залежності між дозою опромінення і її ефектом Ведучими міжнародними організаціями (Міжнародна комісія з радіаційного захисту - МКРЗ, Міжнародне агентство з атомної енергії - МАГΑΤΕ, Науковий комітет з дії атомної радіації при ООН - НКДАР ООН) приймається модель безпорогової лінійної залежності між дозою опромінення і її ефектом. Це передбачає, що навіть мінімальна радіаційна дія має біологічний ефект, зокрема радіаційний канцерогенез. Такий підхід базується на ймовірнісній (стохастичній) природі канцерогенезу. За оцінками ризик смертності від раку, викликаного радіаційним фоном порядку 1 мЗв/рік, відповідно лінійній концепції складає близько 10 випадків на 1 млн. чоловік за рік. Це підтверджується даними, наведеними в табл. 10.2. До питання про лінійність залежності "доза-ефект" ми ще повернемося нижче. На думку багатьох дослідників, найбільш чутливою до іонізуючого випромінювання структурою клітини є ДНК, в якій іонізація може викликати розрив зв'язку між атомами. Одиничні і подвійні розриви викликають хромосомні спотворення (аберації). Поява хромосомних аберацій передує злоякісним пухлинам. Наявність хромосомних аберацій в лімфоцитах периферійної крові є ознакою передлейкозного стану, відповідає початковому етапу реакції на променеве навантаження. План Контрольні запитання

Приклад взаємозв’язку між часом та ефектом опромінення Приклад. Нехай потужність еквівалентної дози є досить малою: Р1 = 50 мкбер/год (приблизно тільки втричі більшою за природне фонове значення). Тоді еквівалентна доза цього випромінювання буде такою ж, як і випромінювання з суттєво більшою потужністю еквівалентної дози Р2 = = 180000 мкбер/год - 50 мбер/с (потужність Р2 більш ніж в 10 тисяч разів перевищує природне значення) за умови, що тривалість дії випромінювання малої потужності t1 складає 10 годин, тоді як тривалість дії випромінювання великої потужності t2 складає лише 10 с. Для даного прикладу маємо Р1 = Р21 3600, t1 = 3600 t2, так що для обох випадків добуток потужності еквівалентної дози на час, тобто сумарна еквівалентна доза є величина стала: P1T1= Р2 t2 = 0.5 мбер. Ця ситуація значною мірою еквівалентна згаданій вище у параграфі 10.4.3 ситуації з популяційною дозою іонізуючого випромінювання, а саме: медико-біологічні ефекти (зокрема, кількість ракових захворювань) залишається сталою при одночасному пропорційному збільшенні еквівалентної дози Deкв та зменшенні чисельності N людської популяції, що опромінюється (Deкв·N= const). І останнє зауваження щодо дії малих доз випромінювання на біооб'єкти. Воно стосується досить спірного і не до кінця з'ясованого явища підсилення дії фізико-хімічних (та, мабуть, і медико-біологічних) факторів при прямуванні параметрів, які характеризують цей фактор (наприклад, концентрації речовини) до нуля. Іншими словами, йдеться про те, що не можна просто екстраполювати результати, які отримані при великих значеннях параметрів (концентрації, доз і т.п.) на малі значення цих параметрів, тобто сподівання на прямо пропорційне зменшення біологічного ефекту при зменшенні поглиненої дози не є апріорі вірним. Продовження План

З математичної точки зору ефект підсилення часто описується такою формулою: А(С)~ ln С, (10.41) де А - певна властивість (фактор); С - відповідна змінна (параметр). Прикладом може бути наведена в параграфі 6.4.2 залежність осмотичного внеску до хімічного (електро хімічного) потенціалу від концентрації С, що подається виразом Δμ = RTlnC (10.42) З формул (10.41) і (10.42) безпосередньо випливає, що коли концентрація С прямує до нуля, то величина \А\ або |Δμ| прямують до нескінченності. Більш уважний аналіз досить тонких математичних нюансів отримання подібних логарифмічних особливостей А(С) або Δμ (C) показує, що просто так прямувати змінну С до нуля не можна (через використання так званої формули Стірлінга, яка перестає бути вірною при С → 0). Водночас тенденція до збільшення фактора А при зменшенні параметра С (хай не до нуля) залишається. Подібні ефекти спостерігаються в фізико-хімічних дослідженнях деяких розчинів. Мабуть, саме вони лежать в основі дії гомеопатичних препаратів, а також в дії іонізуючого випромінювання в малих дозах на біологічні об'єкти. Звичайно, вкрай необхідне з'ясування особливостей молекулярних механізмів дії малих доз випромінювання, що потребує подальших теоретичних і експериментальних досліджень з боку фахівців різних галузей знань. План Контрольні запитання

Довідка Рентгенівські промені – це випромінювання з довжиною електромагнітної хвилі , яка менша, ніж в ультрафіолетових хвиль (λ = 10-8 см). Основні їхні властивості – це велика проникна здатність в речовини, іонізація атомів, фотохімічний і біологічний вплив. Фотон – це світлова частинка, яка входить до складу світлової хвилі. Головна властивість фотона – це наявність відповідної порції енергії, яка залежить від частоти коливань частинки: E = hv. Період d – це відстань дифракційної решітки, яка дорівнює сумі ширини прозорої щілини (або відбиваючої смужки) – а, та ширині непрозорого проміжку (або розсіюючої світло смужки) – в: d = a + b Інтерференція – процес накладення двох світлових хвиль, внаслідок якого відбувається підсилення або послаблення результуючих світлових коливань в будь-яких точках простору. Дифракція – це властивість світлової хвилі, яка полягає в огинанні хвилею перешкоди. Коефіцієнт поглинання – це величина, яка залежить від роду металу та дорівнює відношенню кількості прийнятої енергії квантів до величини поглинутої енергії. Атомний номер – це число, яке визначає положення певного елементу в таблиці Менделєєва та залежить від кількості протонів в ядрі. Питома іонізація – число пар іонів, що утворюються на 1 см шляху частинки в речовині. Іонізаційні витрати - зміна енергії частинки на 1 см її шляху в речовині. Повний пробіг - відстань R, яку проходить частинка в речовині доти, доки її енергія не стає рівною тепловій енергії (Wcm ≈ кТ ≈ 4·10-21 Дж ≈ 2.5102 еВ при кімнатній температурі). Соматичні пошкодження - впливають лише на опромінену живу істоту (наприклад, людину). Спадкоємні пошкодження - передаються на репродуктивні органи і переходять до наступних поколінь. План Контрольні запитання

Історична Довідка Брег (Bragg) Вільям Лоренс (р. 31.3.1890, Аделаїда), англійський фізик, член Лондонського королівського суспільства (1921). Син У. Г. Брега. Навчався в Аделаїдському (Австралія) і Кембриджському університетах. В 1919—1937 професор університета в Манчестері. В 1937—1938 директор Національної фізичної лабораторії; в 1938—1953 директор Кавендишської лабораторії. В 1954—1966 директор Королівського інститута в Кембриджі. В 1913, одночасно с Г. В. Вульфом, дав рівняння, яке повязує кут відхилення рентгенівських променів, розсіяних кристалом без зміни довжини хвилі, з відстанню між сусідніми атомними площинами в кристалі (Рівняння Вульфа-Брега). Розробив методи розшифрування складних кристалічних структур за інтенсивністю рентгенівського випромінювання, розсіяного кристалом, і майже втілив в життя вказаний У. Г. Брегом спосіб визначення структур за допомогою рядів Фурьє. Визначив структури багатьох силікатів. Нобелівська премія (1915). Продовження План

Георгій Вікторович Вульф народився в 1863 р. у м. Чернігові. Закінчив 6-у чоловічу класичну гімназію у Варшаві в 1881 р. і вступив у Варшавський університет, на природне відділення фізико-математичного факультету. З 2-го курсу почав працювати по кристалографії в проф. А. Е. Лагоріо й у фізичній лабораторії в проф. Н. Е. Єгорова. Ці заняття визначили його інтерес до кристалографії, і тому що кристаллография була тоді, як і тепер ще, тісно зв'язана з мінералогією, як головним предметом, то він став займатися і мінералогією,яка, однак, не склала предмета його наукових праць. Розуміючи, яке значення має фізика для кристалографії, Георгій Вікторович звернув велику увагу на заняття по фізиці і на 3-м курсі університету зробив експериментальну роботу по фізиці над електричними властивостями кварца, задану факультетом на конкурс, і одержав золоту медаль. У цій роботі він звів піроелектричні властивості кварцу до п'єзоелектричних, що згодом було зроблено В. Фойгтом. Робота надрукована у варшавських університетських "Звістках" у 1886 р. На 4-м курсі він допомагав на лекціях по фізиці проф. П. А. Зилова. По закінченні університету в 1885 р. він був залишений А. Е. Лагоріо при університеті по кафедрі мінералогії і займався вивченням теплоємності мінералів калориметром Бунзена. Робота залишилася неопублікованою. У 1888 р. після отримання магістерського іспиту він відправився в Петербург, де працював у Мінералогічному кабінеті, а на початку 1889 р. був відряджений за кордон. Весь 1889 рік і першу половину 1890 р. Георгій Вікторович працював у Мюнхені в проф. П. Грота, з яким у нього дотепер збереглися близькі стосунки . У його лабораторії Георгій Вікторович зробив роботу з кристалами сірчанокислого берилія, у яких він констатував склад із псевдосиметричних пластинок, і по подвійній сірчанокислій солі калію і літію, у якій він відкрив обертання площини поляризації. Ця робота послужила йому основою для магістерської дисертації. Частина 1890 р. і частина 1891 р. він працював у Парижі по фізиці в акад. Кореню над пружністю твердих тіл. Продовження План

Повернувшись у Варшаву, Теорій Вікторович відкрив приват-доцентський курс по кристалографії, захистивши дисертацію "Властивості деяких псевдосиметричних кристалів". У 1895 р. ним була закінчена й опублікована у варшавських університетських "Звістках" робота "До питання про швидкості росту і розчинення кристалічних граней", що він представив у фізико-математичний факультет як дисертацію на ступінь доктора мінералогії і геогнозії. Однак робота була врахована недостатньою, і Георгій Вікторович зміг її захистити лише через рік у Новоросійському університеті. Згодом, коли робота була опублікована німецькою мовою в "Zeіtschrіft fur Krіstallographіe", її достоїнства зробилися загальновизнаними, а викладена в ній теорема про пропорційність швидкостей росту капілярним постійним граней одержала ім'я автора, була предметом спеціальних досліджень і одержала точні докази. У 1897 р. він був призначений професором у Казанський університет, звідки на початку 1899 р. перейшов у Варшавський на кафедру мінералогії, що звільнилася після відходу А. Е. Лагоріо. У 1904 р. Георгій Вікторович став у ряди діячів академічного руху, і це змусило його залишити Варшавський університет. З 1907 р. він переніс свою діяльність у Москву, вийшовши у відставку. Тут він став приват-доцентом університету, у якому завдяки увазі В. И. Вернадського він одержав можливість заснувати в приміщенні Мінералогічного інституту свою лабораторію. Ця лабораторія була заснована за підтримки И. К. Морозової, що дала на це 3000 руб. У ній у якості учня почав працювати А. В. Шубников, тепер професор в Єкатеринбурзі. У 1911 р., з виходом Георгія Вікторовича разом з іншими професорами з Московського університету [при міністрі] Кассо, ця лабораторія була перенесена в університет ім. А. Л. Шанявского, де вона стала цілісною завдяки тому, що Георгій Вікторович міг весь свій зарабіток у цьому університеті присвячувати на придбання приладів і матеріалів. До початку війни інвентар лабораторії оцінювався в 15 000 руб. У даний час ця лабораторія, по перетворенні університету ім. А. Л. Шанявского в Комуністичний університет їм Я. Свердлова, знову перенесена в новий Мінералогічний інститут Московського університету. План Контрольні запитання

Контрольні запитання За яких умов відбувається когерентне розсіяння? Яким чином діють рентгенівські в кристалічній решітці? Яка залежність коефіцієнту поглинання і частоти хвилі при фотоефекті? За яких умов відбувається некогерентне розсіяння? За якої енергії фотона відбувається комптон-ефект та фотоефект? Яка залежність коефіцієнту поглинання від довжини хвилі? Яка формула зв'язку енергії нуклонів в ядрі? Як змінюється іонізуюча і проникна здатність α-, β-, γ-випромінювання між собою? Чим пояснюється послаблення дії α-, β-, γ-випромінювання організмом людини? Якими є головні наслідки взаємодії нейтронів з речовиною? Продовження План

Чим можна пояснити явище ефективного перерізу реакції зі зменшенням швидкості нейтрона? Як залежить кількість нейтронів в ядрі від масового числа? Скільки реакцій відбувається на фізико-хімічній стадії радіаційного пошкодження? На які класи поділяють радіаційні пошкодження на біологічній стадії? Які дози радіаційного опромінення і як вони впливають на організм людини? Що є одним з найнебезпечніших проявів дії радіації при пізніх радіаційних ефектах? Про що свідчать експериментальні дані Торна і Веннарта? Яким є середній потенціал іонізації м'язів та кісток? Якими міжнародними організаціями приймається модель лінійної залежності між дозою опромінення і її ефектом? Якою формулою часто описується ефект підсилення? План

10.5. Застосування рентгенівського випромінювання в медицині

План 10.5. Застосування рентгенівського випромінювання в медицині 10.5.1. Методи рентгенодіагностики Рентгеноскопія Флюорографія (рентгенофлюорографія) Рентгенографія Електрорентгенографія Підсилювачі рентгенівського зображення Рентгенотелебачення 10.5.2. Рентгенотерапія 10.5.3. Рентгенівський структурний аналіз в медико-біологічних дослідженнях 10.5.4. Променеві навантаження на медичний персонал при рентгенодіагностичних дослідженнях. 10.5.5. Деякі факти реакції крові на опромінення Експерименти на тваринах Рентгенологічні обстеження людей Опромінення малими дозами великих груп людей 10.5.7. Латентний період – час виявлення в організмі порушень, викликаних радіацією. 10.5.8. Проблеми ризику, пов'язаного із радіаційною дією.

10.5. Застосування рентгенівського випромінювання в медицині Перше практичне застосування рентгенівські промені знайшли в області медичної діагностики і терапії В січні 1896 р. рентгенівськими променями зайнявся винахідник радіо О.С.Попов, який виготовив в Кронштадті апарат для одержання рентгенівських променів. Попов застосував свій апарат для виявлення рушничного дробу, що застряв у тілі пораненого. План

10.5.1. Методи рентгенодіагностики Під рентгенодіагностикою розуміють розпізнавання захворювання за допомогою просвічування тіла рентгенівськими променями. План

Рентгеноскопія У цьому методі реєструючим пристроєм є екран, який світиться під дією рентгенівського випромінювання. Світлотіньове зображення досліджуваної частини тіла на цьому екрані лікар-рентгенолог, який здійснює візуальний контроль. Між екраном і оком рентгенолога ставиться свинцеве скло, щоб захистити лікаря від випромінювання, яке проходить через пацієнта. План

Флюорографія(рентгенофлюорографія) Флюорографія-рентгенологічне дослідження, при якому рентгенівське зображення об'єкта фотографується з флуоресцентного екрана на фотоплівку. План

Рентгенографія Рентгенографія-метод рентгенологічного дослідження, при якому в ролі пристрою для реєстрації використовується рентгенівська плівка. Зображення предмета дістають на фотоплівці. Рентгенівську зйомку будь-якого органа проводять не менш ніж в двох взаємно перпендикулярних проекціях. План

Електрорентгенографія У цьому методі випромінювання, що пройшло через пацієнта, здійснюється фотопровідним шаром високоомного напівпровідника. Рис. 10.16а. Зарядка селенової пластинки: 1-шар напівпровідника; 2-електропровідна пластинка. План

Рис.10.16б. Експонування:1- рентгенівські промені; 2- об'єкт обстежень; 3- ділянка селенового шару Рис.10.16в. Утворення електростатичного зображення: 1-пластинка селену; 2-порошинки речовини; 3-електрод План

Підсилювачі рентгенівського зображення Рентгенівський електро-оптічний підсилювач становить різновидність електро-оптічного перетворювача(ЕОП). ЕОП- пристрій для перетворення зображення із однієї області спектра в іншу через побудову проміжного електронного зображення. В рентгенівському ЕОП рентгенівське зображення перетворюється в електронне з наступним його перетворенням в світлове. Схема будови найпростішого ЕОП для рентгенівського випромінювання: 1- рентг. трубка; 2- діафрагма; 3-обєкт; 4-скляний вакуумний балон; 5- фотокатод; 6- анод; 7- захисне свинцове скло; 8- флуоресцентний екран; 9- обєктив; 10- зображення; 11- окуляр. План

Рентгенотелебачення Зображення з екрана ЕОП проєктується об'єктивом на фоточутливу поверхню передавальної телевізійної трубки, де воно перетворюється в електричні імпульси. Відеосигнали по провідниках подаються на вхід телевізора, на екрані якого видно зображення досліджуваної частини тіла або органу. Схема принципу рентгенотелевізійної установи зображена на рис. 10.18 Рис.10.18. Схема рентгенотелевізійної установи План

10.5.2. Рентгенотерапія Рентгенівське випромінювання здатне порушувати життєдіяльність клітин, особливо молодих і тих, що швидко розмножується. Це робить опромінювання найбільш небезпечним для дітей і вагітних жінок. Рентгенотерапію проводять переважно для лікування поверхнево розміщених пухлин і при деяких інших захворювань. Ракова тканина гине при дозах опромінення, які менше пошкоджують навколишні нормальні тканини. План

10.5.3. Рентгенівський структурний аналіз в медико-біологічних дослідженнях Рентгенівський структурний аналіз – це метод дослідження атомної будови речовини шляхом експериментального вивчення дифракції рентгенівських променів в цій речовині. Як відомо рентгенівські промені - це електромагнітні хвилі довжиною порядку 10-10 м. атоми в кристалах розміщені приблизно на такій же відстані, та й розмір атома такого ж порядку. План

10.5.4. Променеві навантаження на медичний персонал при рентгенодіагностичних дослідженнях Опромінення при рентгенологічних дослідженнях є одним з найбільш активних джерел променевого навантаження на людину. Біологічні дії, що відбуваються організмі людини при іонізуючому випромінюванні, знаходяться в прямій залежності від кількості поглинутої енергії. Перспективнішими способами рентгенологічного дослідження, при якій хворий і медичний персонал одержують порівняно невелику дозу іонізуючого випромінювання, є електронно-оптичне підсилення рентгенівського зображення і рентгенотелебачення. План

10.5.5. Деякі факти реакції крові на опромінення При певних рентгенологічних дослідженнях (стравохід, шлунок, кишечник, органи грудної клітинки і тазу) відбуваються опромінення значної частини активного мозкового центру. Розподіл активного кісткового в скелеті дорослої людини наведено в таблиці 10.5. Табл.10.5. Розподіл активного кісткового мозку План

Експерименти на тваринах В цих експериментах проводили одноразове опромінення експозиційної поверхневої дозою 5 Р, дворазове і триразове опромінення – по 5 Р і чотириразове опромінення -5 + 5 +5 + 25 Р. Повторне опромінення проводилось через місяць після переднього. При експозиційних поверхневих дозах 5, 10, 15 і 40 Р поглинуті кістково – мозкові дози становили відповідно 9, 18, 27 і 72 Р. План

Рентгенологічні обстеження людей Діти проходили рентгенологічне обстеження з приводу пороку серця, причому поверхнева експозиційна доза опромінення в області грудної клітки становили 30- 40 Р. До рентгенологічних обстежень тільки в окремих випадках були виявлені спонтанні хромосомні аберації. Після обстежень в усіх випадках з'явились одноударні хромосомні зміни. Хромосоми аберації утворюються і в результаті дії інших, крім рентгенівських, іонізуючих випромінювань. План

Опромінення малими дозами великих груп людей Було проведено експериментальне вивчення хромосомних аберацій в лімфоцитах периферичної крові, викликаних опроміненням великих груп людей. Опромінення здійснювалось малими дозами – 10 рад. Доведено наявність так званого плато в залежності “доза-ефект” при дозах 3-300 мГр (рис 10.19) Рис.10.19. Залежність кількості хромосомних аберацій в лімфоцитах периферичної крові людей від опромінення. План

10.5.7. Латентний період – час виявлення в організмі порушень, викликаних радіацією. Період подвоєння числа клітин твердих пухлин становить 60-100 діб, тому для розвитку пухлин, що нараховує приблизно 109 клітин потрібно 7-8- років. Якщо відсутні високочутливі методи виявлення пухлин, латентний період виявляється вищим від вказаного значення. Таблиця 10.6. Середні латентні періоди злоякісних пухлин органів і тканин. План

10.5.8. Проблеми ризику, пов'язаного із радіаційною дією. Допустимість ризику порівнюють з користю від відповідного виду діяльності. Від усіх видів злоякісних захворювань гине 13% населення. Смертність від злоякісних захворювань, викликаних всіма видами радіаційної дії, включаючи природний радіаційний фон і опромінення під час медичної діагностики становить 0,15 % загальної смертності. Медичні рентгенологічні обстеження створюють близько 50% радіаційної дії на людину. План

10.6. Комп'ютерна томографія Контрольні запитання План

План 10.6.1. Рентгенівська томографія. Принцип рентгенотомографії. Рентгенологічна картина. Методи обробки інформації. Комплекс рентгенівського комп'ютерного томографа. Можливості методу рентгенівської комп'ютерної діагностики. 10.6.2. ЯМР – томографія. Блок-схема ЯМР - томографа. Принцип роботи ЯМР - томографа. Завдання ЯМР - томографії. 10.6.3. Позитронна емісійна томографія (ПЕТ). Принцип ПЕТ, реакція анігіляції. Суть методу ПЕТ. Емісійні комп'ютерні томографи типу ГКС-301Т. Контрольні запитання

Принцип рентгенотомографії Томографія (від грецького tomos – шар і графія)– методика дослідження, під час якої можна робити пошарові знімки певної частини досліджуваного об'єкта (зокрема, певної частини тіла людини). Отримання пошарового знімку ґрунтується на переміщенні двох із трьох компонентів: рентгенівська трубка, рентгенівська плівка, об'єкт дослідження. Поширення дістала методика, при якій об'єкт нерухомий, а рентгенівська трубка і касета з плівкою узгоджено переміщуються в протилежних напрямках. Принцип одержання рентгенограм різних шарів показаний на рис. 10.20. План Контрольні запитання

Рентгенологічна картина Реконструкція рентгенологічної картини здійснюється на підставі оцінки інтенсивності рентгенівського випромінювання, яке реєструється кожним детектором. А величина реєструючої інтенсивності визначається поглинанням рентгенівських променів тими матеріалами, через які вони проходять. Зображення відображається у формі матриці, що має 80 х 80 полів розміром 3 х 3 мм. Кожне із 6 400 полів характеризує величину випромінювання, поглинутого ділянкою тканини розміром 3 х 3 х 13 мм. Назвемо його як елемент тканини. Кожний такий елемент має свій номер і свій коефіцієнт поглинання. Останній обчислюється цифровим комп'ютером з точністю до 0,5% і відтворюється спеціальним друкуючим пристроєм. План Контрольні запитання

Методи обробки інформації Поряд з вивченням коефіцієнта поглинання в чисельному вигляді є такі методи обробки одержаної інформації: одержують безпосередньо зображення об'єкта нп екрані електронно-променевої трубки; для фіксації досліджуваної ділянки об'єкта використовується рентгенографія зображення апаратом типу “Поляроїд” План Контрольні запитання

Комплекс рентгенівського комп'ютерного томографа Комплекс рентгенівського комп'ютерного томографа, що призначений для досліджень як головного мозку, так і інших органів тіла людини, включає сім основних блоків: Стіл для хворого, пульт керування і кругова рамка з рентгенівською трубкою і детекторами; Центральний пульт управління; Генератор рентгенівського випромінювання; Пристрій для обробки інформації; Пристрій для відтворювання зображення; Система охолодження (кондиціонер); Високовольтний трансформатор. План Контрольні запитання

Можливості методу рентгенівської комп'ютерної діагностики Рентгенівське зображення при комп'ютерної томографії одержують завдяки тому, що різні тканини тіла людини мають неоднаковий коефіцієнт поглинання рентгенівських променів. Під час дослідження будь-якого органа або тканини їх патологічні зміни можуть проявитися або ділянками з великим коефіцієнтом поглинання (пухлини, кальцінати), або з малим коефіцієнтом поглинання (зони деструкції), або чергуванням зон більшої і меншої густини. Для збільшення контрастності – “підсилення” зображення при комп'ютерній томографії в вену вводять 20-40 мл sodium iothalamate і повторно сканують через 5,10,15,20 хвилин. При цьому спостерігається значне збільшення густини багатьох патологічних утворень і, як наслідок, збільшення роздільних можливостей методу. Методику підсилення в даний час використовують більш ніж у 60% хворих. Кількість інших типів контрастної речовини, яку вводять людям під час обстеження, змінюється від 50-100 мл 60%-го ренографіну до 300-600 мл метилглюкатіну або гіпаку. План Контрольні запитання

ЯМР – томографія В основі ядерно-магніто-резонансної томографії (ЯМР-томографії) лежить явище ядерного магнітного резонансу (ЯМР). Як виявляється, система протонів ядра, які знаходяться у зовнішньому магнітному полі з індукцією B, може резонансно поглинати енергію високочастотного електромагнітного поля з частотою Vр, що лежить в радіодіапазоні. За умовою резонансу резонансна частота Vр прямо пропорційна індукції B магнітного поля і може змінюватися в досить широких межах. Це явище дає цінну інформацію щодо просторового розподілу ядер в певному об’ємі, що знаходиться у магнітному полі. План Контрольні запитання

Блок-схема ЯМР – томографа 1 - досліджуваний об’єкт; 2 - котушка (соленоїд); 3 – магніт; 4 - імпульсний генератор; 5 - радіочастотний передавач; 6 – приймач; 7 - комп’ютер План Контрольні запитання

Принцип роботи ЯМР – томографа Принцип роботи ЯМР-томографа можна пояснити за допомогою рис.10.21: на біоб’єкт 1, вміщений в котушку 2 і в магнітне поле 3, діють імпульсами від генератора 4. Ці імпульси через радіочастотний передавач 5 діють на біоб’єкт, в якому внаслідок явища магнітного резонансу протони відгукуються відповідним сигналом, поглинаючи енергію радіочастотного електромагнітного поля. Цей сигнал протонного магнітного резонансу (ПМР), який є частинним випадком ядерного магнітного резонансу (ЯМР), вимірюється приймачем 6 і подається на комп’ютер 7, який обробляє сигнал і одночасно визначає режим роботи генератора радіоімпульсів 4. План Контрольні запитання

Завдання ЯМР - томографії Важливими завданнями, пов’язаними з практичною реалізацію метода ЯМР- томографії є: Створення необхідної конфігурації магнітного поля; Відновлення зображення досліджуваного біоб’єкта. План Контрольні запитання

Вирішення першого завдання ЯМР-томографії : Для вирішення першого завдання досліджуваний об’єкт вміщується в магнітне поле, індукція якого лінійно змінюється в взаємно перпендикулярних напрямках. В такому випадку говорять про лінійний градієнт магнітного поля, для якого зміна індукції B з координатою x відбувається за законом B( x ) = B0 + a x, де a = d B/ d x = const – стала величина, яка характеризує градієнт магнітного поля; B0 – певне значення індукції, що досягається всередині досліджуваного об’єкта. План Контрольні запитання

Конфігурація магнітного поля в методі ЯМР- томографії Вертикальні лінії умовно зображують витки котушки, через яку пропускається струм,що створює магнітне поле. Оскільки магнітне поле змінюється в напрямку x, то на підставі умови резонансу буде в цьому напрямку змінюватися і резонансна частота Vр. Враховуючи той факт, що площа під кривою поглинання в спектрі ПМР визначає кількість протонів, що входять до складу ядер певних хімічних елементів, можна отримати просторовий розподіл густини протонів вздовж осі x. Таким способом отримують одновимірну проекцію об’єкта. План Контрольні запитання

Вирішення другого завдання ЯМР-томогріфії : Вирішення другого завдання стало можливим завдяки роботам П. Лаутербурга та інших вчених, які використали для цього так званий метод відновлення за проекціями. Суть цього методу полягає в отриманні багатьох одновимірних проекцій досліджуваного об’єкта. Це досягається зміною напрямку градієнта індукції магнітного поля за рахунок зміни сили струму в трьох взаємно перпендикулярних котушках. На відміну від рентгенівської томографії такий метод дає змогу виключити механічні переміщення досліджуваного біооб’єкта або апаратурних частин томографа. План Контрольні запитання

Принцип ПЕТ, реакція анігіляції Принцип ПЕТ базується на явищі анігіляції електрона і позитрона. Реакція, що характеризує це явище, має такий вигляд: Реакція анігіляції пари електрон-позитрон була відкрита в 1933 р. Сам термін “анігіляція” в перекладі з латинської мови означає “зникнення, перетворення в ніщо”. При взаємодії електрона і позитрона виконуються всі фундаментальні закони природи – закони збереження енергії, імпульсу, електричного заряду, спіна тощо. При цьому матерія перетворюється у фотони електромагнітного випромінювання - діапазону або - кванти. При відносно низьких енергіях пари частинка-античастинка процес анігіляції супроводжується народженням більш легких частинок. При значних енергіях легкі частинка-античастинка можуть анігілювати з утворенням пари більш важких частинки-античастинки. План Контрольні запитання

Реакція анігіляції електрона і позитрона Внаслідок реакції анігіляції народжуються два фотони ( - кванти). Згідно з законом збереження імпульсу, обидва - кванти розлітаються під кутом 180 стосовно один до одного. Саме ця обставина використовується для їх виявлення за допомогою електротехнічної схеми збіжності та подальшої візуалізації об’єкта дослідження, де відбулися акти анігіляції пар електрон-позитрон,за допомогою спеціальних комп’ютерних програм. На рис.10.23. зображено: дві прямі зустрічні лінії, що позначають зіткнення пари електрон і позитрон, і дві хвилясті лінії – два - кванти, що розлітаються під кутом 180. План Контрольні запитання

Суть методу ПЕТ Суть методу ПЕТ можна сформулювати таким чином: на спеціальних пристроях виробляються радіоактивні ізотопи, які мають досить короткий період напіврозпаду. Частіше за все це є ізотопи так званих “автентичних елементів” (кисню, азоту, вуглецю) – тих елементів, що містяться в тілі людини. Метод ПЕТ дає змогу отримувати дуже корисну і точну інформацію щодо процесів, що відбуваються в головному мозку людини та в інших органах при діагностиці нейропсихічних порушень, під час вивчення досить тонких особливостей діяльності центральної нервової системи тощо. План Контрольні запитання

Зображеня головного мозку людини На рис.10.24. наведені два зображення головного мозку, що накладені одне на друге. Вони отримані у відділенні медичної фізики Університету Вісконсін-Медісон за допомогою кореляції методів ПЕТ і ЯМР-томографії. При цьому ПЕТ дає кращу інформацію щодо процесів метаболізму, тоді як ЯМР-томографія дає змогу детально вивчити анатомічні особливості досліджуваного біооб’єкта. План Контрольні запитання

Емісійні комп'ютерні томографи типу ГКС-301Т ( рис.10.25. ) В Україні розроблені та вже втілені в медичну практику оригінальні вітчизняні емісійні комп’ютерні томографи типу ГКС - 301Т (рис.10.25). Цей емісійний комп’ютерний томограф складається з таких основних частин: 1 – позитронно-чутливий детектор - квантів; 2 – ліжко пацієнта, переміщення апаратури стосовно якого керується спеціальною комп’ютерною програмою; 3 – система для отримання, обробки та візуалізації радіологічної інформації. План Контрольні запитання

Контрольні запитання Що таке томографія? Принцип одержання рентгенограм? У формі чого відображається зображення в рентгенологічній картині? Які існують методи обробки інформації? Які блоки включає комплекс рентгенівського комп’ютерного томогрофа? Принцип роботи ЯМР – томогрофа? Завдання ЯМР – томографії? Суть методу ПЕТ? З чого складається емісійний комп’ютерний томограф типу ГКС – 301Т? План

10.7 Практичне заняття "Рентгенівське випромінювання, його застосування" План

План Розв’язання задачі №1 Розв’язання задачі №2 Зміст задачі №3

Приклади задач та їх розв’язки Задача №1 Задача №1 Електрон рухається зі швидкістю v = 106 м/с. В результаті Гальмування електрона в електричному полі атома він зупиняється і випускає один фотон. Визначити енергію електрона (в еВ) та довжину хвилі світлового кванта. Дано: Розв’язок m=9,1·10-31кг V=106м/с λ-? W-? W-? Λ-? План

Розв’язання задачі №2 Задача №2 Знайти короткохвильову границю гальмівного рентгенівського випромінювання (частоту і довжину хвилі) для напруги U=2 кВ. У скільки разів енергія фотонів цього випромінювання більша за енергію фотона, що відповідає λ=760 нм (червоне світло)? Дано: Розв’язання: U=2 кВ План

Розв’язання задачі №3 Знайти потік рентгенівського випромінювання при U = 10 кВ, І = 1мА.Анод виготовлений з вольфраму. Скільком фотонам в секунду відповідає цей потік, якщо припустити, що випромінювання електромагнітна хвиля, довжина якої дорівнює 3/2 довжини хвилі, що відповідає короткохвильової границі спектра гальмівного рентгенівського випромінювання? Дано: Розв’язок: Потік рентгенівського випромінювання Короткохвильова границя спектрагальмівного рентгенівського випромінювання Ф-? N-? Потужність (потік) випромінювання одного рентгенівського фотона План

10.8. ПРАКТИЧНЕ ЗАНЯТТЯ “РАДІОАКТИВНЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ ТА ЙОГО ДІЯ НА БІООБ’ЄКТИ” План

План Розв’язання задачі №1 Розв’язання задачі №2 Розв’язання задачі №3 Розв’язання задачі №4

Розв’язання задачі №1 Задача№1 Тіло, що має масу 60 кг, протягом t = 6 год поглинуло енергію W = 1 Дж. Знайти поглинену дозу і потужність поглиненої дози в одиницях СІ і у позасистемних одиницях. Розв’язок задачі: Дано: Розв’язок: W=1Дж m=60кг T=6год План

Розв’язання задачі №2 Задача №2 В 10 г маси тканини поглинається α-частинок з енергією = 5 МеВ. Знайти поглинену і еквівалентну дози. Коефіцієнт якості (відносну біологічну ефективність) для α-частинок прийняти рівним к = 20. Розв’язок задачі Дано: Розв’язок: План

Розв’язання задачі №3 Задача№3 Повітря, що знаходиться при нормальних умовах в іонізаційній камері об’ємом 6 см , опромінюється рентгенівськими променями. Потужність дози рентгенівських променів дорівнює 0,48 мР/год. Густина повітря ρ=1,3кг/м . Знайти іонізаційний струм. Розв’язок задачі №3 Дано: Розв’язок: кг/м План

Розв’язання задачі №4 Задача№4 Рентгенівська трубка створює на деякій відстані потужність експозиційної дози 2,58 А/кг. Яке число пар іонів за одну секунду створює ця трубка за рахунок іонізації в одному грамі повітря на даній відстані? Розв’язання задачі Дано: Розв’язок: План

10.9 ЛАБОРАТОРНА РОБОТА “ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ЛІНІЙНОГО ПОСЛАБЛЕННЯ ГАММА-ВИПРОМІНЮВАННЯ” План Контрольні запитання

План ЛАБОРАТОРНА РОБОТА “ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ЛІНІЙНОГО ПОСЛАБЛЕННЯ ГАММА-ВИПРОМІНЮВАННЯ” Фотон Електрон Радіометр Фотоефект 1 Фотоефект 2 Комптон Секунда, кулон Метр Джоуль Контрольні запитання

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА “ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ЛІНІЙНОГО ПОСЛАБЛЕННЯ ГАММА-ВИПРОМІНЮВАННЯ” Мета роботи: вивчити метод реєстрації іонізуючого випромінювання за допомогою радіометра, який містить газорозрядний лічильник; визначити коефіцієнт лінійного послаблення γ-випромінювання для свинцю, заліза та алюмінію. Додаткові теоретичні відомості Гамма-промені – короткохвильове електромагнітне випромінювання з надзвичайно малою довжиною хвилі ( м). Вони становлять потік γ-квантів (фотонів) з енергією hv та імпульсом hv/c. Гамма-випромінювання є одним із видів радіоактивного випромінювання та, як правило, супроводжує α- і β-розпади. На дослідах встановлено, що γ-промені випускаються не материнським, а дочірніми ядрами, які в момент свого утворення збуджені та мають надлишкову енергію порівняно із звичайним, нормальним енергетичним станом незбудженого ядра. За дуже короткий час ( с) дочірнє ядро переходить у нормальний або менш збуджений стан, при цьому випускаючи γ-промені, що мають спектр. При проходженні через речовину внаслідок поглинання та розсіяння інтенсивність γ-випромінювання зменшується. Під час проходження через речовину γ-квант може взаємодіяти як з електронною оболонкою атомів (молекул) речовини, так і з їх ядрами. Фізичні процеси, що зумовлюють зменшення інтенсивності γ-променів під час проходження через речовину є: утворення пар електрон-позитрон, комптон-ефект, фотоефект і когерентне розсіяння. Можливість виникнення певного процесу залежить від енергії γ-фотонів і фізичних властивостей речовини, яка поглинає ці фотони. План Контрольні запитання

Фотон Фотон относится к калибровочным бозонам. Он не имеет массы покоя и электрического заряда стабилен. Спин фотона равен 1, но из-за нулевой массы более правильное число —спиральность по этой же причине внутренняя чётностьфотона не определена. Является истинно нейтральной частицей (или, иными словами, является античастицей для самого себя). Зарядовая чётность отрицательная. Фотон участвует в электромагнитном и гравитационном взаимодействии. Фотон имеет нулевую массу покоя не имеет электрического заряда и не распадается спонтанно в вакууме. Фотон может иметь одно из двух состояний поляризации и описывается тремя пространственными параметрами — составляющимиволнового вектора, который определяет его длину волны и его направление распространения. Фотоны излучаются во многих природных процессах, например, при движении электрического заряда сускорением, когда атом или ядро переходят из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией, или при пары электрон-позитрон. При обратных процессах (возбуждение атома, рождение электрон-позитронных пар) происходит поглощение фотонов. Поскольку фотон — безмасовая частица, он движется в вакууме со скоростью(скорость светав вакууме). Если его энергия равна , то импульс связан с энергией соотношением . Для сравнения, для частиц с ненулевой массой покоя связь массы и импульса с энергией определяется формулой , как показано в специальной теории относительности. Энергия и импульс фотона зависят только от его частоты (или, что то же самое,длины волны) и, следовательно, величина импульса есть где  —постоянная Планка, ;  —волной вектор и  — его величина (волновое число), и  —угловая частота, указывает направление движения фотона. Фотон также имеет спин, который не зависит от частоты. История развития концепции фотона Эксперимент Томаса Юнга по дифракции света на двух щелях (1805) показал, что свет может рассматриваться как волна. таким образом были опровергнуты ранние теории света как потока элементарных частиц. План Контрольні запитання

Електрон Електрон – стабільна, негативно заряджена елементарна частинка, що входить до складу всіх атомів. Маса нерухомого електрона (маса спокою) дорівнює 9,1095 · 10-31 кг. Електрон належить до родини лептонів, має заряд -1, спін1/2. Античастинкою для електрона є позитрон. Завдяки напівцілому спіну електрон ферміоном, і підкоряється статистиці Фермі-Дірака. Теорія твердого тіла У квантовій теорії кристалів електрон це певна квазічастка із характерними для даного кристалу властивостями, зокрема законом дисперсії, ефективною масою й т.д. Поряд із делокалізованими електронами, які мають певний квазіімпульс і рухаються вздовж усього кристалу, існують електрони, локалізовані на допішках чи дефектах кристалічної гратки. Електронами зони провідності та дірками у валентній зоні визначається провідність План Контрольні запитання

Радіометр Радіометр для вимірювання радіаційного фону в місцях проживання і праці населення, контролю радіаційної чистоти житлових і виробничих приміщеннь, будівель та споруд, предметів одягу, теріторії, що прилягає, поверхні грунту на присадібних ділянках, транспортних засобів. Прилад забеспечує високу точність обробки інформації, зміну оперативності вимірюваннь без втрат точності при різних рівнях випромінення. Схема обробки інформації приладу позбавлена температурної нестабільності, прилад має низьке енергоспоживання, живиться від акамуляторів. Номер у Державному реєстрі засобів вимірюванняУ720-96. План Контрольні запитання

Фотоефект 1 У розвитку уявлень про природу світла важливий крок зроблено під час вивчення одного явища, відкритого Г. Герцем і грунтовно вивченого видатним російським фізиком О. Г. Столєтовим. Це явище отримало фотоефект. Фотоефектом називають явище виривання електронів із речовини під дією світла. Розрі зняють: зовнішній фотоефект - явище вибивання електронів з поверхні тіла під дією електромагнітного випромінювання; внутрішній фотоефект - явище збільшення електропровідності напівпровідника або діелектрика за рахунок електронів, вирваних з молекул або атомів під дією світла; вентильний фотоефект - збудження ЕРС на межі метал-напівпровідник чи на межі різнорідних напівпровідників. Кількісні закономірності зовнішнього фотоефекту Столєтов установив, використовуючи вакуумний скляний балон з двома електродами. На цій установці отримано вольт-амперні характеристики фотоефекту за різних значень світлового потоку. Із вольт-амперних характеристик видно, що: а) якщо немає напруги між електродами значення фотострум відмінне від нуля. (Це означає, що фотоелектрони мають під час вильоту кінетичну енергію); б) у разі досягнення між електродами деякої прискорювальної напруги UH фотострум перестає залежати від напруги, тобто його значення досягає насичення IH1, IH2; в) за деякої затримувальної напруги (на електрод А подано мінус від джерела струму) фотострум припиняється; г) значення затримувальної напруги не залежить від світлового потоку Ф. Із вольт-амперних характеристик можна визначити кількість фотоелектронів, що вилітають із електрода К за 1 с. адже (Qmax - максимальний заряд, що переноситься фотоелектронами). Оскільки Qmax = Nee, то IH ~ Ne. Червоне світло з великою довжиною хвилі не вибивало електрони, а фіолетове за будь-якого малого світлового потоку легко вибивало електрони План Контрольні запитання

Секунда Секунда - одиниця виміру часу, дорівнює 1/60 хвилини,1/3,600 години,або 1/86,400 дню. Через те, що довжина дня не постійна, а змінна, секунда повинна була бути перевизначена. У 1956 pоці фахівці надали секунді значення 1/31,556,925.9747 довжини тропічного року (тобто, час потрібний видимому з землі Сонцю, повернутися на таке саме положення відносно іншіх комічних світил) для 1900 року. У 1967 році була встановлена інша ознака секунди, щоб знайти більш стабільну одиницю вимірювання: 9,192,631,770 періодів випромінювання радіації атому Цезію-133 при сталій довжині хвилі.Цезiєвий еталон частоти забезпечує можливiсть вiдтворення одиницi часу - секунди та одиницi частоти - герца з відносною похибкою щонайбiльше ±1 · 10-11. Кулон (Кл, C) — одиниця вимірювання електричного заряду в системі СІ. Один сіменс дорівнює кількості електричного заряду, який проходить через поперечний перетин провідника при силі струму один ампер за одну секунду. 1 Кл = 1 А·с. Одиниця названа на честь французького фізика Шарля Оґюстена Кулона. Кулон зараз є похідною одиницею СІ, але історично похідною одиницею був ампер, що визначався як один кулон в секунду. Лише нещодавно, в 1960 році, ампер був прийнятий як основна одиниця СІ. План Контрольні запитання

Mетр Mетр (m, м) дорівнює довжині шляху, який проходить у вакуумi світло за 1/299 792 458 частину секунди. Таке визначення метра було прийнято 1983 р. XVII Генеральною конференцiєю з мiр і ваг (Резолюцiя 1) Ця одиниця довжини дiстала назву вiд грецького metron, що в перекладi означає "мiра", у перiод становлення Метричної системи мiр у Францiї. Теоретично метр тодi визначався як довжина однiєї десятимiльйонної частини від чвертi паризького меридiана, що, на думку вчених, робило цю одиницю довжини "природною", тобто взятою безпосередньо з природи мiрою. Виходячи з цього теоретичного визначення та результатів вимiрювання частини дуги паризького меридiана 1799 р. було виготовлено еталон метра у виглядi платинової лiнiйки шириною близько 25 мм, товщиною близько 4 мм i довжиною 1 м. Цей еталон дістав назву "метр Архiву", оскільки його було передано на зберiгання до нацiонального архiву Францiї. Такий штриховий еталон метра та відповідне визначення самої одиниці з неістотними змінами проіснували до жовтня 1960 р. Використання штрихового еталона метра має два основних метрологiчних недолiки: по-перше, втрачається природна мiра метра i, по-друге, штрихова мiра не може забезпечити необхiдну точнiсть його вiдтворення. План Контрольні запитання

Джоуль Джоуль (Дж, J) — одиниця вимірювання роботи і енергії в системі СІ. Джоуль рівний работі, яка виконується при переміщенні точки до якої прикладена сила 1 ньютон на відстань 1 метр в напрямку дії сили. Джоуль, як одиниця вимірювання енергії, рівна кількості теплоти, еквівалентній 1 Джоулю. План Контрольні запитання

Контрольні запитання Що таке фотоефект? Що таке радіометр? Властивості фотона? Електрон? Що таке секунда, що таке кулон? План

10.10 Лабораторна робота “Робота з дозиметром ДРГЗ-04”

План ПРИЗНАЧЕННЯ ДОЗИМЕТРА ДРГЗ-04 Склад приладу Характеристики дозиметра ДРГЗ-04 Управління роботою дозиметра ДРГЗ-04 Порядок виконання роботи Примітки Оформлення роботи Контрольні запитання Література для підготовки до лабораторної роботи

ПРИЗНАЧЕННЯ ДОЗИМЕТРА ДРГЗ-04 Дозиметр ДРГЗ-04 призначений для вимірювання експозиційної дози (її потужності або середньої потужності), безперервного та імпульсного рентгенівського і γ-випромінювань в діапазоні ефективних енергій квантів від 4.8 фДж=4.8*10-15 Дж до 0.48*10-12 Дж (від 30 кеВ до 3 МеВ), максимальної поглинутої дози в тканині (її середньої потужності) неперервно та імпульсного високоенергетичного гальмівного рентгенівського і гамма-випромінювань в діапазоні від 0.16 пДж до 4 пДж (від 1 МеВ до 25 МеВ ), в тому числі експозиційної і максимальної поглинутої доз одиничних імпульсів. Дозиметр застосовується для визначення радіаційного стану, пов'язаного з дією джерел гальмівного рентгенівського та гамма-випромінювань.

Склад приладу Дозиметр ДРГЗ-04 складається з таких частин (див.мал. ): 1 - пульту управління; 2 – з'єднувального кабелю між пультом і блоком детектування; 3 – блоку детектування; 4 – стакана-насадки, що використовується для вимірювання поглинутої дози.

Характеристики дозиметра ДРГЗ-04 Дозиметр може працювати як від мережі змінного струму напругою 220 В, так і від блоку батарей (12 окиснортутних елементів типу РЦ-85 з напругою 1.25 В кожний). Батарейний блок живлення постачається в комплекті з приладом, при потребі він розташовується в пульті замісті блоку стабілізації. Органи управління розташовані на верхній кришці дозиметра. У комплект дозиметра входить контейнер з контрольним бета-джерелом, що виготовлений з препарату стронцію та інших радіоактивних елементів і який має активність не більше 2.7*10 5 Бк. Товщина стінок контейнера забезпечує відсутність випромінювання на поверхні контейнера (пробіг бета-частинок максимальної енергії в стінці контейнеру 5 мм). Забороняється порушувати захисну фольгу джерела, зберігати джерело зі знятою кришкою, підносити його близько до очей.

Управління роботою дозиметра ДРГЗ-04 Дозиметр управляється за допомогою двох перемикачів В1 і В2, кнопки скидання показників В3, тумблера вмикання живлення дозиметра В4 і ручки резистора КОМП . СТРУМУ, розташованій на лицевій стороні панелі дозиметра (див. мал.). У нижній частині дозиметра під кришкою знаходяться резистори : для регулювання чутливості дозиметра ( ЧУТЛ), для встановлення нуля вимірювального приладу (НУЛЬ УПТ), а також тумблер (БАТ, МЕРЕЖА). В блоці детектування знаходяться металеві заглушки, які закривають отвори проти яких розташовані конденсатори для точного регулювання високовольтної напруги і перемикач режимів роботи дозиметра.

Порядок виконання роботи Ознайомитися з додатковими теоретичними відомостями , що наведені вище; Підготувати прилад до роботи , для чого потрібно виконати такі робочі операції : Підключити блок детектування до пульту дозиметра ; Початкове положення органів управління : тумблер МЕРЕЖА – в нижньому ; перемикач В1 – в положенні 1 ; перемикач В2 – в положенні НАПР. ЖИВЛ ; світловий затвор – закритий ; Увімкнути вилку кабелю в мережу 220 В, 50 Гц, увімкнути тумблер МЕРЕЖА. Показники вимірювального приладу повинні складати 1.2 – 1.5 за шкалою 3. Через 10 хв з моменту вмикання дозиметра встановити перемикач В2 в положенні КОМП. СТРУМУ. Стрілка вимірювального приладу повинна знаходитися на нульовій позначці або в діапазоні 0 – 0.1 за шкалою 3. Встановити перемикач В2 в положення 1. Стрілка вимірювального приладу повинна переміститися вправо. Перевірити нуль вимірювального приладу натисканням кнопки СКИДКА. Якщо спостерігається відхилення показників вимір.приладу від нульової позначки більш ніж на 2% відносно кінцевого показник при натиснутій кнопці СКИДКА. Відпустити кнопку СКИДКА.

Примітки: Операції за пп. 7, 8 треба повторити за відсутності випромінювання у місці розташування блока детектування . Дозиметр має 2 режими роботи, що розпізнаються в 10 разів за чутливістю і max потужністю експозиційної і поглинутої доз у імпульсі. Перший режим роботи забезпеч. при полож.1 перемикача В2. Положення 1, 3, 10 перемикача В2 визначають час встановлення показників, що не перевищує 5 с (при полож. 1), 15 с (при полож. 3), 50 с (при полож. 10) . Для другого режиму (В2 в положенні “Доза х 10”)чутливість дозиметра в 10 разів нижча, а max величина дози і потужності дози в 10 раз вища, ніж для першого режиму

Оформлення роботи У звіті повинно бути : стислі теоретичні відомості про основи дозиметрії іонізуючого випромінювання ; блок – схема дозиметра ; результати вимірювання експозиційної дози від контрольного радіоактивного джерела ; висновки.

Контрольні запитання Як визначаються дози та потужності доз ? Записати зв’язок між різними дозами . Який існує зв’язок між одиницями різних доз? Які існують дозиметри іонізуючого випромінювання ? Вкажіть фізичні принципи роботи дозиметрів. Деякий радіоактивний препарат має постійну =1.44*10 -3 год-1 . Через який час розпадеться 75% початкової кількості атомів? Кінетична енергія частинки , що вилітає з ядра атому радію при радіоактивному розпаді , дорівнює 4.78 МеВ . Знайти швидкість частинки. Потужність експозиційної дози в рентгенівському кабінеті становить 6*10-12 Кл/\ . Знайти експозиційну дозу протягом 5-денного тижня та відповідно поглинену і еквівалентну дози та їх потужності ( в системах і позасистемних одиницях ). Робочий день триває 5 годин.

Література для підготовки до лабораторної роботи Ливенцев Н. М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1978. – Ч. 2. Резимов А. Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1996.