Rádioaktivita a ionizujúce žiarenie Ivan Poliaček Ciele prednášky •štruktúra atómu •ionizácia •porovnanie ionizácie a excitácie (energia fotónu) •vznik ionizujúceho žiarenia •základné častice a ich vlastnosti •mechanizmy interakcie •základné jednotky •základ poškodzovania biologického materiálu ATÓM •základná štruktúra atómov a molekúl - jadro, elektrónový obal • •veľkosť – typicky, • rádovo 10-10 m •jadro - 10-15 m –protóny a neutróny •elektrónový obal • EXCITÁCIA •vzbudený stav atómov a molekúl •absorpcia energie atomárnym alebo molekulovým systémom • energia ΔW = (Wu-Wl) ABSORBOVANÁ EMITOVANÁ img1 Excitácia atómu absorpciou fotónu a de-excitácia emisiou svetla http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/light/excitation.gif FOTÓN •W(fotón) •= ΔW •= (Wu – Wl) · energia fotónu • img2 IONIZÁCIA •elektrón prijme energiu dostatočnú na jeho uvoľnenie z atómu (molekuly) •ionizačná práca (desiatky eV) + kinetická energia • 6 240 miliárd MeV = 1 J 1 eV = 1,602 x 10-19 J Ionizujúce žiarenie •žiarenie - schopné nielen excitovať atómy a molekuly, ale ich aj ionizovať • (dostatočná energia na uvolnenie elektrónu) •- electromagnetické vlnenie – vlnové dĺžky pod 100 nm • - UV (<100 nm), rtg lúče, gama žiarenie •- korpuskulárne • - alfa, beta, neutróny, iné častice 6 240 miliárd MeV = 1 J 1 eV = 1,602 x 10-19 J Typ Efekty Zdroje Vlnová dĺžka (m) Elektromagnetické spektrum Zdroje ionizujúceho žiarenia - rádioaktivita (významná zmena jadra atómu – hmotnosti, náboja, energie) - základný zákon rozpadu, aktivita vzorky - umelá rádioaktivita (po zmene stabilného jadra napr. „ostreľovaním“ neutrónmi) - produkcia spojitého (v rtg lampách) a charakteristického rtg žiarenia - urýchľovače (využitie elmg poľa na zrýchľovanie častíc až dosiahnu vysoké rýchlosti a energie) alphadecayanim 23592U → 23190Th + alfa 4019K → 4020Ca + beta + antineutríno 6028Ni → 6028Ni + gamma AKTIVITA vzorky počet rozpadov za sekundu Jednotky: Becquerel (Bq) = 1 rozpad za sekundu (Curie (Ci) = 3,7 x 1010 Bq) POLČAS ROZPADU čas (doba) za ktorý sa rozpadne polovica jadier (atómov) Jednotky: časové – sekunda, hodina, deň, rok POLČAS ROZPADU Zákon rádioaktívneho rozpadu N = N0 e-λt N – počet jadiet v čase t N0 – počet jadier v čase 0 λ – rozpadová konštanta e-Eulerovo číslo=2.71 t – čas λ = ln2 / polčas Schéma vzniku rtg žiarenia brzdením elektrónov Image:Bremsstrahlung.svg Rtg brzdné žiarenie TYPY IONIZUJÚCEHO ŽIARENIA •alfa a iné jadrá atómov (ťažké nabité častice) •beta (ľahké nabité častice) •gama a rtg (elmg pole) •neutrónové (ťažké nenabité častice) 2 protóny a 2 neutróny náboj +2 hmotnosť 4 (v atómových jednotkách, každý protón alebo neutrón = 1) pomerne „pomalé“ a „ťažké“ V PROSTREDÍ - malá priechodnosť (prenikavosť) - vysoká úroveň ionizácie a aj excitácie atómov a molekúl prostredia - nebezpečnosť Q = 20 (20x viac voči fotónom) Alpha particle alfa častice (podobne iné jadrá) elektrický náboj mínus 1 hmotnosť cca 1/2000 rýchle (blízko rýchlosti svetla) a ľahké V PROSTREDÍ - stredná prenikavosť - ionizácia aj excitácia atómov a molekúl, ale menej než alfa - produkcia brzdného rtg - nebezpečnosť Q = 1-2 Beta particle beta častice Ionization Produced by a Radiation Electron Schéma ionizácie (vyrážania elektrónov z atómov a molekúl) rýchloletiacim elektrónom (beta časticou) nulová kľudová hmotnosť a nulový elektrický náboj V PROSTREDÍ - vysoko prenikavé - „jednotlivé ionizácie“ procesmi FOTOEFEKT COMPTONOV ROZPTYL TVORBA páru elektrón-pozitrón -nebezpečnosť Q = 1 Fotóny interagujú najmä s elektrónmi – na ich absorpciu treba látky s veľa elektrónmi (ťažké kovy) Gamma rays gama a rtg častice - fotóny FOTOEFEKT A diagram illustrating the emission of electrons from a metal plate, requiring energy gained from an incoming photon to be more than the work function of the material. magnify-clip Image:NM6 2Ani.gif Fotoefekt The Two Basic Interactions Between Photons and Electrons Image:CE Ani.gif Comptonefekt Image:Pairproduction.png Elektrón – pozitrónové páry (jadro nezmenené, len kompenzovalo hybnosť e-e+) IntensityEq4 Attenuation1 µ - lineárny absorbčný koeficient x – hrúbka vrstvy (hĺbka prenikania) ABSORPCIA fotónov (akékoľvek elmg pole – svetlo, rtg, gama lúče...) Alfa častice je možné ľahko zastaviť, gama žiarenie je obtiažne zastaviť (nízka absorpcia = vysoká prenikavosť) Penetrating power neutróny •žiadna priama ionizácia (prakticky nijaká interakcia neutrónov a elektrónov) •jadrové interakcie - rozptyl a jadrové reakcie (interakciou s jadrami zasiahnutej látky ich excituje a vyvoláva gama radiáciu, prípadne zachytením neutrónu vzniká umelo rádioaktívne jadro v látke) •veľká prenikavosť •veľmi nebezpečné Q = 5-20 • •neutróny interagujú s jadrami – lepšie ich absorbujú látky s množstvom atómov (voda, uhľovodíky...) Hlavné veličiny •Absorbovaná energia - Dávka (D) –(jednotka : Gray = J / kg) •Ionizácia - Expozícia - Ožiarenie (E) –(jednotka : C / kg) •Biologický účinok - Dávkový ekvivalent = = D x G x Q –(jednotka : Sievert = J / kg) –Q – koeficient nebezpečnosti žiarenia –G – koeficient „geometrie“ ožarovania (najmä ktoré tkanivá sú zasiahnuté) Biologické účinky ionizujúceho žiarenia •Účinky sú stochastické (náhodné, pravdepodobnostné) • a deterministické (zákonité, pravidelné) –priame poškodenie molekúl nukleových kyselín a proteínov, –nepriame poškodenia cez produkty rádiolýzy vody (radikály a ióny - H, H2O2, H+, OH-) a ich chemické reakcie. •Inaktivácia biomolekúl - depolymerácia, poškodenia chemických väzieb •Inhibícia metabolických reakcií •Vznik anomálnych produktov •Poškodenia mitochondrií •Inhibícia proliferácie •Choroba z ožiarenia •Kancerogenéza Základný mechanizmus účinku • •Citlivé štruktúry v bunke - genetická informácia (DNA) a riadenie jej funkcií (súvisiace enzýmy) •Citlivé tkanivá - kostná dreň, sliznice, reprodukčné orgány (genetické a dedičné vady) –rýchlo proliferujúce tkanivá (preto aj nádorové tkanivo je citlivé na ožarovanie), –pretože sa používa celá genetická informácia na rozdiel od diferencovanej bunky, –niet času na opravy vzniknutých chýb pri replikácii opravnými mechanizmami buniek –niet času na odstránenie poškodených buniek imunitným systémom NIE JE ŽIADNY PRIAMY POZITÍVNY EFEKT IONIZUJÚCEHO ŽIARENIA •Napriek tomu veľmi významné použitie : •rtg diagnostika •CT tomografia •emisná tomografia •rádioimunodetekcia •rádionuklidové diagnostické metódy •antiinflamačná a analgetická terapia Hygienické normy pre ožiarenie : max. prípustné ožiarenie • •gonády, kostná dreň (celé telo rovnomerne) - 5 mSv/rok •koža, štítna žľaza, kosť - 30 mSv/rok •ruky, predlaktia, nohy, členky - 75 mSv/rok •ostatné tkanivá - 15 mSv/rok Reálne ožiarenie • •prirodzené –Rn vo vzduchu, terestriálne, vnútorné a kozmické žiarenie - cca 2,5 mSv/rok •umelé –lekárske expozície, spady a odpad (hlavne armáda), energetika - cca 0,5 mSv/rok