Физические основы радиобиологии

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА   РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Факультет биотехнологии и ветеринарной медицины

 

Кафедра Частной зоотехнии

 

 

 

 

КУРСОВАЯ     РАБОТА

по дисциплине

«Ветеринарная радиобиология»

на тему: «Физические основы радиобиологии»

 

 

 

 

 

Работу выполнил студент(ка)        4 курса, группы  412

Специальность 111801. 65 - Ветеринария 
Квалификация - Специалист 
Тишина О.А.                                        _____________

          Ф.И.О                                                             подпись

 

Работа зарегистрирована:  «____» __________2014 г.

Лаборант: 

 

Работа допущена к защите:   « » 2014 г.

Руководитель    к.в.н., доцент Крайс В,В.

                                          подпись        

 

Курсовая работа защищена « »  2014 г.

с оценкой 

Руководитель   к.в.н., доцент Крайс В,В.

                                        подпись 

 

 

 

Орел 2014

 

 

 

Введение

 

Радиоактивностью называют способность атомных ядер спонтанно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц.

Радиоактивность можно разделить на два вида: естественную и искусственную. Естественную можно наблюдать у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственная радиоактивность наблюдается у изотопов которые были получены в результате проведения ядерных реакций.

Радиоактивное излучение бывает трех типов.

a -излучение - этому излучению присущи отклонения электрическим и магнитными полями. Оно обладает высокой ионизирующей способностью. Также характеризуется малой проникающей способностью. По своей сути это поток ядер гелия. Заряд a -частицы равен +2е, а масса совпадает с массой ядра изотопа гелия 4 2 Не.

b -излучение - также как и a -излучение , данное излучение отклоняется электрическим и магнитным полями. Если продолжить сравнение то его ионизирующая способность значительно меньше (приблизительно на два порядка), а проникающая способность гораздо больше, чем у a -частиц. b -излучение -- это поток быстрых электронов.

g -излучение -- в отличие от двух предыдущих, не отклоняется электрическим и магнитными полями. Ионизирующая способность невелика. А вот проникающая способность просто колоссальна. g -излучение это коротковолновое электромагнитное излучение у которого длина волны не велика l < 10 -10 м. Следствием этого являются ярко выраженные корпускулярные свойства. Период полураспада (Т 1/2 ) сокращается, приблизительно в два раза.

 

Под радиоактивным распадом, или просто распадом, понимают естественное радиоактивное превращение ядер, происходящее самопроизвольно. Атомное ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским, возникающее ядро — дочерним.  
Теория радиоактивного распада строится на предположении о том, что радиоактивный распад является спонтанным процессом, подчиняющимся законам статистики.  
Так как отдельные радиоактивные ядра распадаются независимо друг от друга, т.е. можно считать, что число ядер dN, распавшихся в среднем за интервал времени от t до t+dt, пропорционально промежутку времени dt и числу N нераспавшихся ядер к моменту времени t  
dN = -λN dt, (36.5)  
где λ— постоянная для данного радиоактивного вещества величина, называемая постоянной радиоактивного распада; знак минус указывает, что общее число радиоактивных ядер в процессе распада уменьшается.  
Разделив переменные и интегрируя: получим  
N = N0 е –λt, (36.6)  
где N0—начальное число нераспавшихся ядер (в момент времени t=0), N—число нераспавшихся ядер в момент времени t. Формула выражает закон радиоактивного распада, согласно которому число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненциальному закону.  
Интенсивность процесса радиоактивного распада характеризуют две величины: период полураспада Т1/2 и среднее время жизни τ радиоактивного ядра.  
Период полураспада Т1/2 — время, за которое исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое. Тогда  
= N0 , (36.7)  
откуда  
Т1/2 = = . (36.8)  
Периоды полураспада для естественно-радиоактивных элементов колеблются от десятимиллионных долей секунды до многих миллиардов лет.  
Суммарная продолжительность жизни dN ядер равна t|dN| = λNtdt. Проинтегрировав это выражение по всем возможным t (т. е. от 0 до ∞) и разделив на начальное число ядер N0, получим среднее время жизни τ радиоактивного ядра:  
τ = . (36.9)  
Таким образом, среднее время жизни радиоактивного ядра есть величина, обратная постоянной радиоактивного распада.  
Радиоактивный распад происходит в соответствии с так называемыми правилами смещения, позволяющими установить, какое ядро возникает в результате распада данного материнского ядра. Правила смещения:  
→ + для ( распада, (36.10)  
→ + для распада β, (36.11)  
где — материнское ядро, Y — символ дочернего ядра, — ядро гелия, е—символическое обозначение электрона (заряд его равен —1, а массовое число — нулю). Правила смещения являются ничем иным, как следствием двух законов, выполняющихся при радиоактивных распадах, — сохранения электрического заряда и сохранения массового числа: сумма зарядов (массовых чисел) возникающих ядер и частиц равна заряду (массовому числу) исходного ядра.  
Возникающие в результате радиоактивного распада ядра могут быть, в свою очередь радиоактивными. Это приводит к возникновению цепочки или ряда радиоактивных превращении, заканчивающихся стабильным элементом. Совокупность элементов, образующих такую цепочку, называется радиоактивным семейством.  
Методы регистрации радиоактивного излучения: практически все методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений и частиц на их способности производить ионизацию и возбуждение атомов среды. Сцинтилляционный счетчик, черенковский счетчик, импульсная ионизационная камера, газоразрядный счетчик, полупроводниковый счетчик, камера Вильсона, диффузионная камера, пузырьковая камера, ядерные фотоэмульсии, искровые камеры, трековые детекторы.  
Действие радиоактивных лучей на организмы. Излучение радиоактивных веществ оказывает сильное воздействие на все живые организмы. Даже сравнительно слабое излучение, которое при полном поглощении повышает температуру тела лишь на 0,001(С, нарушает жизнедеятельность клеток. Наиболее чувствительны к излучениям ядра клеток, особенно клеток, которые быстро делятся. Поэтому в первую очередь излучения поражают костный мозг, из-за чего нарушается процесс образования крови. Далее наступает поражение клеток пищеварительного тракта и других органов. Сильное влияние оказывает облучение на наследственность, которое является неблагоприятным. Облучение живых организмов может оказывать и определенную пользу. Быстро размножающиеся клетки в злокачественных опухолях более чувствительны к облучению, чем нормальные. На этом основано подавление раковой опухоли радиоактивными препараторами.

РАДИОБИОЛОГИЯ КАК ПРЕДМЕТ

Радиация и жизнь – эти понятия неразрывно связаны. Все организмы, живущие на Земле, получают энергию для жизнедеятельности построения своего тела от Солнца. Растения поглощают энергию солнечного излучения непосредственно и с её помощью строят из неорганических веществ воздуха, воды и почвы сложные органические молекулы. Животные и человек получают готовые органические вещества и скрытую в них энергию от растений. Нет такой стороны жизнедеятельности, на которую не влияло бы ионизирующее излучение. Это воздействие зависит от дозы облучения, метода облучения, вида излучения и возраста и состояния организма. За девяносто лет, прошедших со времени открытия ионизирующих излучений, накоплен огромный фактический материал, прежде всего феноменологического плана, обобщение которого позволило построить стройную систему представлений, допускающих их широкую экспериментальную проверку и создающих основы для оптимистических прогнозов.

Радиобиология – это наука о воздействии всех видов ионизирующих излучений на живые организмы и их сообщества.

Радиобиологический парадокс – большое несоответствие между ничтожной величиной поглощенной энергии и крайней степенью выраженности реакций биологического объекта вплоть до летального исхода.

Предмет радиобиологии – вскрытие общих закономерностей биологического ответа на ионизирующее излучение и разработка путей и методов лучевыми реакциями организма.

Задачи радиобиологии:

· поиск средств защиты организма от воздействия ИИ и пути пострадиационного восстановления от повреждений;

· прогнозирование опасности для человека и животных, вызванных повышенным уровнем радиации окружающей среды и радиоактивным загрязнением с/х продуктов;

· разработка методов использования излучений в качестве радиобиологической технологии;

· диагностика болезней и лечение больных;

· рассмотреть и изучить кардинальные понятия радиочувствительности;

· изучить возможность изменять радиочувствительность с помощью физ. и хим. агентов;

· изучить процессы восстановления на клеточном и организменном уровне;

· провести полный анализ лучевых болезней, знать методы лечения острой и хронической болезни.

Фундаментальная задача: вскрытие общих закономерностей биологического ответа на воздействие ионизирующих излучений, которые являются научной основой гигиенической регламентации радиационного фактора и овладения искусством управления лучевыми реакциями организма.

Методы: 1) физическая дозиметрия; 2) химическая дозиметрия; 3) фотохимическая дозиметрия; 4) калометрическая дозиметрия; 5) математический расчет; 6) биологический метод; 7) цитогенетический; 8) биохимический;  
9) геофизический; 10) иммунологический

Наличие фундаментальной задачи, составляющей предмет радиобиологии, и собственных методов исследования, определяет ее как самостоятельную комплексную научную дисциплину, имеющую тесные связи с рядом теоретических и прикладных областей знаний (рис.1).

Рис.1. Связь радиобиологии с другими дисциплинами.

Особенности радиобиологии как науки:

· строго экспериментальная дисциплина;

· специфические, присущие только радиационному агенту свойства, обусловливают другую особенность радиобиологии–необходимость проведения исследования на всех уровнях биологической организации – от молекулярного до популяционного;

· большая практическая значимость;

· овладение способами искусственного управления лучевыми реакциями биологических объектов и человека с помощью различных модифицирующих средств.

Как самостоятельная научная дисциплина начала формироваться в середине прошлого столетия после уникальных открытий ядерной физики – атомной энергии и возможностей её получения путём деления атомов урана.

На современном этапе взаимодействия человека и окружающей среды особенно актуальными являются вопросы воздействия источников ионизирующего излучения природного и техногенного происхождения на живые объекты и изучение процессов биологического ответа. Опасно недооценивать губительное действие радиации на живые организмы, но в тоже время не следует, и переоценивать опасность малых доз ионизирующего излучения, сопоставимых с естественным радиационным фоном, изменяющим свои уровни в десятки и сотни раз в различных районах проживания человека.

Таким образом, современная радиобиология представляет самостоятельную комплексную дисциплину, которая имеет четко выделенные отдельные отрасли, главные из которых перечислены на рис.2. Такие направления, как противолучевая защита и терапия радиационных поражений, космическая радиобиология, радиационная иммунология, радиационная гигиена и, наконец, получившая активное развитие в настоящее время радиобиология опухолей, могут быть с достаточным основанием объединены в одну крупную ветвь радиобиологии – медицинскую радиобиологию.

Каждое из перечисленных направлений имеет свои конкретные задачи, достаточно полно определенные их названием, для решения которых, однако, применяют специальные радиобиологические количественные методы исследования, что и объединяет их в одну общую дисциплину.

стуктура радиобиологии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Строение атома. Элементарные частицы Атом – мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая все его свойства. По своей структуре атом (размер ~ 10 –8 см) представляет сложную систему, состоящую из находящегося в центре атома положительного ядра (10 –13 см) и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра на различных орбитах. Радиус атома равен радиусу орбиты самого удаленного ядра электрона. Отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра, при этом атом в целом электрически нейтрален. Э. Резерфорд (1911 г.) предложил планетарную модель строения атома, Н. Бором (1913 г.) была далее развита.Любой атом состоит из элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов, которые характеризуются такими физическими величинами, как масса, электронный заряд (или его отсутствие), устойчивость, скорость и т.д. Масса выражается в атомных единицах массы (а.е.м.). За единицу атомной массы принята 1/12 массы атома углерода ( 12С). 1 а.е.м. = 1,67∙10 –27 кг Энергия выражается в электрон-вольтах (эВ). Один электрон- вольт равен кинетической энергии, которую приобретает электрон или другая частица имеющая заряд, при прохождении электрического поля с разностью потенциалов в один вольт. 1 эВ = 1,602∙10 –19 Кл Массу часто выражают в энергетических эквивалентах, это энергия покоя частицы, масса которой равна 1 а.е.м. и составляет 931,5 МэВ (10 6 эВ).Атомное ядро – центральная часть атома, в котором сосредоточена почти вся масса, состоит из таких элементарных частиц как протоны и нейтроны. Общее название их – нуклон. Протон и электрон относятся к устойчивым и стабильным частицам, нейтрон стабилен только находясь в ядре. Суммарное число протонов и нейтронов в ядре называют массовым числом и обозначается А (или М). Так как заряд нейтрона равен нулю, а протон имеет элементарный положительный заряд +1, то заряд ядра равен числу протонов – зарядовое число (Z) или атомным номером. Число нейтронов равно разности между массовым числом А и атомным номером Z элемента: N = A – Z ( A ZX). Электрический заряд (q) ядра равен произведению элементарного электрического заряда (е) на атомный номер (Z) химического элемента периодической системы Менделеева: q = Z еАтомные ядра разных элементов с равным числом нейтронов называют изотонами. (атом 13 6С имеет 6 протонов 7 нейтронов, а атом 14 7N имеет 7 протонов 7 нейтронов). Атомные ядра разных элементов с одинаковым массовым числом, но с разным атомным номером называются изобарами. ( 10 4Be, 10 5B, 10 6C).Элементарные частицы Элементарные частицы являются составной частью атомов. Некоторые из них стабильны или квазистабильны и существуют в свободном или слабосвязанном состоянии. Электроны, их античастицы – позитроны; протоны и нейтроны; фотоны – кванты электромагнитного поля; электронные нейтрино и антинейтрино (образуются при бета-распаде или в термоядерных реакциях. Остальные частицы крайне нестабильны и образуются при вторичном космическом излучении или получаются искусственно на разгонных установках или циклотронах. К ним относятся мюоны (мю- мезоны), пионы (пи-мезоны) и др.Виды радиоактивного распада Радиоактивность – это свойство атомных ядер определенных химических элементов самопроизвольно превращаться в ядра других элементов с испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным излучени ем. Само явление носит название радиоактивный распад. Альфа-распад – это самопроизвольное деление атомного ядра на α-частицу (ядро атома гелия 4 2He) и ядро-продукта. A ZX → 4 2He + A-4 Z-2X + Q; 238 92U → 4 2He + 234 90Th + Q Бета-распад – это самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер с испусканием β- частицы, при котором их заряд изменяется на единицу.Нейтронный распад – электронный β —-распад, при котором один из нейтронов превращается в протон, а ядро испускает электрон и антинейтрино. 40 19К → 40 20Са + β — + υ — + Q При этом распаде атомный номер элемента увеличивается на единицу, а массовое число остается без изменений. Позитронный β + -распад, при котором ядро испускает позитрон и нейтрино. 30 15Р → 30 14 Si + β + + υ + + Q Заряд ядра и соответственно атомный номер элемента уменьшается на единицу, массовое число остается без изменений.Электронный захват – самопроизвольное превращение атомного ядра, при котором его заряд уменьшается на единицу за счет захвата одного из орбитальных электронов и превращения протона в нейтрон. 123 52Те + 0 –1е → 123 51 Sb + υ + + hv Выделяющаяся энергия в виде квантов представляет электромагнитное излучение (рентгеновский диапазон). Деление ядер – это спонтанное деление ядра, при котором оно, без какого-либо внешнего воздействия, распадается на две неравные части. 92U → 56Ba + 36Kr При данном типе распада выделяется большая кинетическая энергия порядка 165 МэВ. Внутренняя конверсия. Возбужденное ядро передает энергию возбуждения одному из электронов внутренних слоев, который вырывается за пределы атома. Один из электронов с отдаленных слоев осуществляет квантовый переход на «вакантное» место с испусканием рентгеновского излучения.Закон радиоактивного распада Самопроизвольное превращение ядер любого радиоактивного изотопа подчиняется закону радиоактивного распада, который устанавливает , что за единицу времени распадается одна и та же доля ядер. Nt = N0 ∙e –λt , Nt – число радиоактивных ядер, оставшихся по прошествии времени t; N0 – исходное число радиоактивных ядр; е – основание натурального логарифма (2,72); λ – постоянная радиоактивного распада. По этой формуле можно рассчитать число не распавшихся радиоактивных атомов в данный момент времени.Период полураспада - это время, в течении которого распадается половина исходного количества радиоактивных ядер. Nt = N0 ∙e –λt , если в это выражение подставить t = T и Nt = N0 /2, то получим N0 /2 = N0 ∙e –λt , сократив N0 и взяв натуральный логарифм, получим: λT = ln 2, т.е. λT = 0,693, откуда λ = 0,693/T. Т – период полураспада. Итоговое выражение имеет вид: Nt = N0 ∙e –0,693t/Т . Таким образом, число ядер радиоактивного изотопа уменьшается со временем по экспоненциальному закону.Графически закон радиоактивного распада выражается экспоненциальной кривой.Активность радиоактивного элемента и единицы активности Количество радиоактивного вещества определяют не единицами массы, а активностью данного вещества, которая равна числу распадов в единицу времени. Чем больше радиоактивных превращений испытывают атомы данного препарата в секунду, тем больше активность. Единицей активности в абсолютной системе единиц (СИ) служит распад в секунду (расп/с) или беккерель (Бк); 1 Бк = с –1 . Внесистемная международная единица – кюри (Ки). Кюри – это такое количество любого радиоактивного вещества, в котором число радиоактивного распадов в секунду равно 3,7 ∙ 10 10 . Единица кюри соответствует радиоактивности 1 г радия. Часто употребляют дробные единицы: милликюри (мКи) = 10 –3 Ки =3,7 ∙ 10 7 расп/с; микрокюри (мкКи) = 10 –6 Ки =3,7 ∙ 10 4 расп/с; нанокюри (нКи) = 10 –9 Ки =3,7 ∙ 10 расп/с. На практике пользуются числом распадов в минуту: 1 Ки = 2,22 ∙ 10 12 расп/мин; 1 мКи = 2,22 ∙ 10 9 расп/мин; 1 мкКи = 2,22 ∙ 10 6 расп/мин; 1 нКи = 2,22 ∙ 10 3 расп/мин.Радиоактивные вещества характеризуются величиной удельной активности или концентрации, т.е. активностью, приходящейся на единицу массы или объема. Аt = А0 ∙e –0,693t/Т , где Аt – активность препарата через время t; А0 – исходная активность препарата; е – основание натурального логарифма (2,72); Т – период полураспада; значения Т и t должны иметь одинаковую размерность (мин., сек., часы, дни и т.д.).Единицы гамма-активности Единицы кюри для характеристики гамма-активности источников непригодны. Для этой цели введена другая единица – эквивалент 1 мг радия (мг-экв. радия). Милиграмм-эквивалент радия – это активность любого радиоактивного препарата, гамма-излучение которого при идентичных условиях измерения создает такую же мощность экспозиционной дозы, как гамма-излучение 1 мг радия Государственного эталона радия РФ при платиновом фильтре 0,5 мм. Данная единица не установлена существующими стандартами, но широко используется. Точечный источник в 1 мг (1мКи) радия, находящийся в равновесии с продуктами распада, после начальной фильтрации 0,5 мм платины создает в воздухе на расстоянии 1 см мощность дозы 8,4 Р/ч. Эта величина называется ионизационно гамма-постоянной радия и обозначается Кϒ .