Історія радіаційної медицини. Радіаційне випромінювання

У 1911 р. видатний англійський фізик Е. Резерфорд розробив теорію планетарної моделі будови атома, згідно з якою в середині атома міститься позитивно заряджене компактне ядро, а навколо нього нарізній відстані обертаються негативно заряджені електрони. Ядро атома складається з протонів, нейтронів та інших часточок, що утримуються разом завдяки ядерним силам зчеплення, які набагато більші від кулонівських сил відштовхування однойменно заряджених часточок, але діють лише на відстані 1 фермі (1 фермі =10^І3см). Тому ядра атомів деяких важких елементів зазнають мимовільного розпаду.

Протон – елементарна часточка з масою 1,008 атомних одиниць маси (1,6724 х 10"²⁴ г) і зарядом +1.

Нейтрон – електронейтральна елементарна часточка з масою 1,009 атомних одиниць маси. Нейтрони розпадаються на протони та електрони з періодом напіврозпаду 12 хв (Дж. Чедвік, 1932).

Електрон – елементарна часточка з масою, що в стані спокою дорівнює 1/1836 часточки маси протона, та зарядом -1 (Дж. Томпсон, 1897).

Позитрон – елементарна часточка, маса якої дорівнює масі електрона, а заряд +1 (К. Андерсон, 1932).

Зараз відомо близько 1000 різних короткоживучих елементарних часточок (гіперони, мезони, нейтрино, антинейтрино та ін.).

Число протонів у ядрі відповідає кількості електронів на орбітах, а загалом атом електронейтральний. Якщо електрону надати енергію, якої не досить для вибивання його за межі атома, він переходить на вищий енергетичний рівень, і такий атом стає збудженим. Число протонів у ядрі і відповідне число електронів у нейтральному атомі характерне для даного хімічного елементу і дорівнює порядковому номеру в періодичній системі хімічних елементів. Кількість нейтронів у ядрі атома дорівнює різниці між масою ядра та кількістю протонів. Число нейтронів у ядрі даного елементу може бути різним. Такі різновиди атомів одного й того ж елементу, що відрізняються за числом нейтронів, є радіоактивними, тобто нестійкими (при розпаді виділяють іонізуюче випромінювання), їх називають радіонуклідами.

Таблиця № 1.

Характеристика радіоактивних випромінювань.

При α-розпаді частинка, що вилітає з ядра, являє собою ядро атома гелію (Не), яке складається із 2 протонів і 2 нейтронів. Тому при випромінюванні α-частинки масове число ядра зменшується на 4 одиниці, а його атомний номер – на 2 одиниці. Отриманий в результаті α -розпаду елемент зміщується в таблиці Менделєєва на два місця вліво по відношенню до попереднього – це перший закон радіоактивного зміщення.

Приклад α -розпаду: ²²⁶Ra₈₈ = ²²²Rng₆ + ²²⁴Не₂

ß-промені являють собою потік електронів або позитронів. При електронному ß-розпаді масове число елемента не змінюється, а заряд ядра збільшується на одиницю. Новий хімічний елемент в таблиці Менделєєва буде розташовуватись на одне місце вправо – другий закон радіоактивного зміщення:

Приклад ß-розпаду: ³²Р₁₅ = ³²Si₆ + ß

При позитронному ß-розпаді або електронному захопленні (ЕЗ) масове число нового елемента не змінюється, але заряд ядра зменшується на одиницю. Отже, елемент в таблиці Менделєєва зміщується на одну клітинку вліво – третій закон радіоактивного зміщення.

Іонізуюче випромінювання характеризується великою енергією. Вона вимірюється в електронвольтах (еВ). Електронвольт дорівнює кінетичній енергії електрона, що пройшов різницю потенціалу в один вольт. Випромінювання характеризується іонізуючою і проникаючою здатністю, сильною фізико-хімічною і, що особливо важливо для лікарів, біологічною дією.

Проникаюча здатність випромінювання є в прямій залежності від швидкості, лінійної втрати енергії і щільності середовища перебігу. Іонізуюча здатність пропорційна масі, квадрату заряду іонізуючої частинки і зворотньо пропорційна її швидкості. Тому з мірою зниження енергії в кінці шляху перебігу щільність іонізації є найбільшою. Крім іонізації, енергія випромінювання при проходженні через певне середовище витрачається на збудження атомів та молекул.

Залежно від величини лінійної втрати енергії (ЛВЕ) всі іонізуючі випромінювання розділяють на рідко – та щільно іонізуючі. До рідкоіонізуючих відносять всі види випромінювань з ЛВЕ менше 10 кеВ/мкм, а до щільноіонізуючих – з ЛВЕ більше 10 кеВ/мкм. Рідкоіонізуючими є всі види електромагнітних випромінювань, електрони, а щільноіонізуючими – нейтрони, протони, дейтрони.

В середовищі швидкість заряджених частинок знижується, а ЛВЕ зростає. Відбувається характерний розподіл іонізації на шляху перебігу частинок, що описується як крива Брега. Ця здатність розподілу енергії заряджених частинок дозволяє зосередити значну дозу випромінювання на глибині залягання злоякісної пухлини при мінімальному її розсіюванні по ходу пучка випромінювання в здорових тканинах. Змінюючи енергію випромінювання, можна отримати максимум дози на необхідній глибині.

Квант енергії (фотон) рентгенівського або γ-випромінювання при зіткненні з електроном атома, може змінити напрям руху без втрати енергії. Таке розсіювання називається пружним.

Енергія кванту, що падає, може повністю передаватись електрону, який вибивається з орбіти атома. Такий процес називається фотоелектричним ефектом, а вибитий електрон – фотоелектроном. Атом який втратив електрон, перетворюється в позитивний іон, а вибитий електрон викликає іонізацію середовища як безпосередньо іонізуюча частинка. В кінці шляху пробігу _N фотоелектрон втрачає енергію, приєднується до нейтрального атома середовища і перетворює його в негативно заряджений іон. Фотоефект виникає при енергії кванта 0,1 -0,3 Meß.

Якщо квант при передачі частини своєї енергії електрону, змінює свій напрям, а електрон рухається по напряму, який визначається розсіяним фотоном, такий ефект називається комптонівським.

Якщо енергія фотона більше 1,02 МеВ, при його взаємодії з ядрами атомів середовища утворюється пара електрон – позитрон, яка викликає іонізацію.

Фотони з енергією більш 2,2 МеВ можуть вибити з ядра атома нейтрон або протон. Це явище називається ядерним фотоефектом, в результаті його часто утворюються радіоактивні ізотопи.

Нейтронам, які як і фотони, не є іонізуючими частинками, властиво вступати в реакцію з ядрами атомів. При пружному співударі нейтрон передає частину своєї енергії ядру атома, яке отримує назву ядра віддачі і при русі виникає іонізацію середовища. Нейтрони можуть поглинатись ядрами атомів, з яких вилітають протони, γ-частинки, γ-кванти. При таких ядерних реакціях можуть утворюватися штучно радіоактивні ізотопи, при розпаді яких виділяються первинно іонізуючі частинки або γ -кванти.

Найбільш практичне значення мають швидкі нейтрони з енергією більше 0,1 МеВ, які володіють більшою проникаючою здатністю. Отримують нейтрони в атомних реакторах і циклотронах, а також при спонтанному розпаді.

Усі живі організми на Землі, у тому числі в природному середовищі свого проживання, зазнають впливу космічного випромінювання та випромінювання природних радіонуклідів. Історія виникнення й еволюції людства, нараховуючи якнайменше 50 тис. поколінь людей, відбувається в умовах постійного взаємовпливу людини і навколишнього середовища, одним із численних чинників якого завжди була і є радіація. Тому вплив малих доз опромінення, які можна співставити з рівнем природного радіаційного фону, слід оцінювати з позицій загальних діалектичних закономірностей розвитку життя на Землі.

Радіаційний фон Землі складається з трьох компонентів.

1. Випромінювання від розсіяних у земній корі, грунті, повітрі, воді та інших об'єктах зовнішнього середовища природних радіонуклідів. Основний вклад у дозу опромінення людини вносять К, ^J U, ^ Th разом із продуктами розпаду урану і торію.

Природний радіаційний фон на поверхні Землі не є постійною величиною. Його зміни пов'язані як із глобальними, так і з локальними аномаліями. Вони зумовлені циклічними коливаннями космічного фону та геологічних процесів.

Методи визначення радіоактивності та дози іонізуючого випромінювання.

У радіології використовують різноманітні методи визначення радіоактивності та дози – фізичні, хімічні, фотохімічні, біологічні та математичні. Найчастіше застосовують фізичні методи, в яких використовують іонізуючу або світлозбуджувальну дію випромінювань (сцинтиляція), зміну електричних та інших властивостей твердих і рідких середовищ, теплову дію випромінювань.

Для виявлення іонізуючих випромінювань та вимірювання дози частіше застосовують такі методи: іонізаційний, сцинтиляційний, фотографічний, колориметричний, хімічний, нейтронно-активаційний, біологічний, розрахунковий.

Таблиця № 2.

Коефіцієнт якості Q для різних видів випромінювання:

1. Іонізуючий метод грунтується на здатності випромінювань іонізувати будь-яке середовище, через яке вони проходять, у тому числі й детектори (прилад, що вловлює випромінювання). Вимірюючи іонізуючий струм, отримують уявлення про інтенсивність проникаючих випромінювань.

2. Сцинтиляційний (люмінесцентний) метод грунтується на реєстрації спалахів світла, які виникають у сцинтиляторі під дією іонізуючих випромінювань. У фотоелектронному помножувачі (ФЕП) сцинтиляції перетворюються на електричний струм, величина якого і швидкість рахунку пропорційні рівню радіації. У люмінісцентних детекторах використовуються ефекти радіофотолюмінесценції і радіотермолюмінесценції. У фотолюмінесцентних дозиметрах (ФЛД) під дією іонізуючих випромінювань у люмінофорі (Nal-монокристал, нафталін та ін.) створюються центри фотолюмінесценції, які містять атоми й іони срібла, котрі при подальшому освітленні ультрафіолетовим світлом дають видиму люмінесценцію, що пропорційна рівню радіації. У термолюмінесцентних дозиметрах під впливом тепла (нагрівання) поглинута енергія іонізуючих випромінювань перетворюється на люмінесцентну, інтенсивність якої пропорційна дозі іонізуючих випромінювань.

3. Фотографічний метод грунтується на здатності випромінювань викликати фотоліз AgBr. При проявленні експонованої фотоплівки срібло відновлюється до вигляду металу і випадає в емульсії плівки як чорна речовина. Інтенсивність почорнінні пропорційна поглинутій енергії випромінювання.

4. Колориметричний метод грунтується на вимірюванні кількості тепла, яке виділяється в детекторі при поглинанні іонізуючих випромінювань. Вся енергія випромінювань, яка поглинається речовиною, зрештою перетворюється на теплову за умови, що поглинаюча речовина є хімічно інертною до випромінювання. Теплоутворення прямо пропорційне інтенсивності випромінювань.

5. Хімічний метод грунтується на вимірюванні виходу радіаційно хімічних реакцій, які відбуваються під впливом іонізуючих випромінювань у рідких чи твердих системах, котрі змінюють своє забарвлення внаслідок окисних або відновних реакцій. Забарвлення відповідає ступеню іонізації. Метод використовують при реєстрації значних рівнів радіації.

6. Нейтронно-активізаційний метод повязаний з вимірюванням наведеної радіоактивності. У деяких випадках можна використовувати тільки цей метод реєстрації. Особливо це стосується слабких нейтронних потоків, оскільки наведену ними ß-активність зареєструвати легше, ніж активність безпосередньо нейтронів. Крім того, цей метод зручний для оцінки доз у аварійних ситуаціях, коли спостерігається короткочасне опромінення великими потоками нейтронів.

7. Біологічний метод грунтується на здатності випромінювань викликати біологічні ефекти. Величину дози оцінюють за рівнем летальності тварин, ступенем лейкопенії, кількістю хромосомних аберацій, зміною забарвленні шкіри, випаданням волосся, появою в сечі дезоксицитидину тощо. Ці методи не дуже точні і не такі чутливі, як фізичні.

8. Розрахунковий метод передбачає визначення дози випромінювання шляхом математичних розрахунків. Цей метод застосовується для оцінки дози від інкорпорованих радіонуклідів, тобто тих, що потрапили до організму.