ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 20.02.2019
Просмотров: 3391
Скачиваний: 4
Данный эффект характерен для быстрых нейтронов (пример - рассеяние на ядрах водорода (протонах); при этом нейтрон передаёт протону более половины своей энергии с образованием протона отдачи, поэтому для замедления быстрых нейтронов используют вещества, содержащие водород - вода, парафин).
б) неупругое рассеяние - часть кинетической энергии нейтрона тратится на возбуждение ядра отдачи, которое затем переходит в стабильное состояние, излучая гамма-квант.
в
)
поглощение
(радиационный захват)
- при взаимодействии нейтрона с ядром
оно переходит в возбуждённое состояние
и испускает гамма-квант или частицы
(протон, нейтрон, альфа-частицу).
В результате радиационного захвата многие вещества становятся радиоактивными с образованием так называемой "наведенной" активности. Данный эффект наиболее характерен для медленных нейтронов, их лучшими поглотителями являются кадмий и бор.
Основная часть энергии заряженных частиц, взаимодействующих с веществом, идёт на его:
1) ионизацию - отрыв электрона от атома или молекулы, в результате чего они преобразуются в положительно заряженные ионы.
2) возб уждение - переход электрона на удаленную от ядра орбиталь; происходит, когда энергии излучения недостаточно для полного отрыва электрона.
Выделяют излучения:
а) прямо ионизирующие - ионизацию непосредственно производят заряженные частицы (альфа- и бета-); механизм потери энергии этих частиц в поглотителе в основном обусловлен кулоновским взаимодействием с орбитальными электронами атомов вещества.
б) косвенно ионизирующие - электрически нейтральные излучения (гамма, рентгеновское, нейтронное) ионизируют атомы среды в результате вторичных процессов.
Степень ионизации зависит как от свойств самого излучения (энергия, заряд частиц), так и от структуры облучаемого объекта. Основными свойствами излучений являются:
1) линейная плотность ионизации (удельная ионизация) - это число пар ионов, образованных заряженной частицей на микрометр пробега в веществе.
2) линейная передача энергии (ЛПЭ) - средняя энергия, теряемая заряженной частицей на единице длины её пробега в веществе. Единица измерения - килоэлектрон-вольт на микрометр пути (кэВ/мкм).
Для электрически нейтральных видов излучения ЛПЭ не применяется, но используется значение ЛПЭ вторичных заряженных частиц, образующихся в веществе.
В зависимости от ЛПЭ все излучения делятся на:
а) редкоионизирующие (ЛПЭ < 10 кэВ/мкм) - бета-, гамма- и рентгеновское излучения.
б) плотноионизирующие (ЛПЭ > 10 кэВ/мкм) - альфа- и нейтронное излучения.
ЛПЭ заряженных частиц возрастает по мере снижения их скорости, поэтому в конце пробега отдача энергии заряженной частицей максимальна.
6. Характеристика рентгеновского и гамма-излучения, их взаимодействие с веществом.
Основной характеристикой для электромагнитных излучений (гамма, рентгеновское) являются энергия излучений.
Характеристика электромагнитных видов излучения и особенностей их взаимодействия с веществом:
1) гамма-излучение - представляет собой поток гамма-квантов
- имеет длину волны 10-10-10-14 м
- образуется при ядерных превращениях
- обладает высокой проникающей способностью, которая зависит как от энергии гамма-квантов, так и от свойств вещества, длина пробега в воздухе достигает сотен метров
В процессе прохождения через вещество -кванты (фотоны) взаимодействуют с электронами атомов, электрическим полем ядра, а также с нейтронами и протонами, входящими в состав ядра, в результате чего происходит ослабление плотности потока излучения благодаря рассеянию -квантов и передачи их энергии атомам среды.
Гамма-кванты относятся к косвенно ионизирующему излучению. Данное излучение в среде любой толщины полностью не поглощается, а лишь ослабляется в заданное число раз за счет различных эффектов взаимодействия:
а
)
фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект)
- фотоны (-кванты)
поглощаются и полностью передают свою
энергию электронам внутренней орбитали
атома. Данная энергия равна энергии
орбитали, расходуется на отрыв электрона
и сообщение ему кинетической энергии.
В результате электрон вырывается из
поля атома и производит в дальнейшем
ионизацию вещества. Место выбитого
фотоэлектрона занимает другой электрон
с более высокой орбитали, что сопровождается
испусканием низкоэнергетического
характеристического рентгеновского
излучения или Оже-электронов.
Чем больше энергия связи электрона, чем ближе он находится к ядру, тем больше вероятность передачи ему всей энергии -кванта. С ростом номера элемента или его заряда вероятность фотоэффекта возрастает, а с увеличением энергии излучения она быстро падает.
Возникновение фотоэффекта наиболее характерно для мягкого -излучения (до 0,5 Мэв). Т.к. для биологических тканей энергия выбивания электрона не превышает 0,5 Мэв, данный эффект наиболее вероятен при поглощении мягкого -излучения.
б) комптоновское рассеивание (Комптон-эффекта) - фотон (-квант) передает электрону лишь часть своей энергии, а сам меняет направление своего движения. Выбитый электрон производит в дальнейшем ионизацию. Затем вторичный фотон может вновь претерпевать эффект Комптона и т.д.
В
отличие от фотоэффекта такое рассеивание
происходит, в основном, на электронах
внешних оболочек атомов с минимальной
энергией связи. С ростом энергии излучения
вероятность такого взаимодействия
снижается, но медленнее, чем при
фотоэффекте.
Комптон-эффект наиболее вероятен при энергии -квантов 0,5-1 МэВ.
в
)
образовании пары "электрон-позитрон"
-
при значительной энергии -кванта
(>1 МэВ) он взаимодействует с атомным
ядром и в его поле преобразуется в пару
частиц - электрон и позитрон, которые и
производят в дальнейшем ионизацию.
Позитрон, встречая на своем пути электрон,
может соединиться с ним и превратиться
в 2 фотона (эффект
аннигиляции).
Образующиеся фотоны поглощаются средой
в результате эффекта Комптона или
фотоэффекта.
2) рентгеновское излучение:
- имеет длину волны 10-9-10-12 м; чем меньше длина волны, тем выше энергия излучения и больше его проникающая способность
- образуется за счет изменения энергетического состояния электрона при его переходе на энергетически более выгодную орбиталь (характеристическое рентгеновское излучение) или при столкновении заряженных частиц с частицами вещества, через которое они проходят (тормозное рентгеновское излучение)
Защитные материалы для электромагнитных видов излучения - тяжелые металлы, бетон, грунт.
7. Стадии формирования лучевого поражения. Прямое и косвенное действие ионизирующих излучений на биомолекулы. Кислородный эффект.
Принципиальная особенность действия ионизирующих излучений - дистанционность воздействия источника на организм, т.е. способность проникать в биологические ткани, клетки, субклеточные структуры и повреждать их, вызывая одномоментную ионизацию атомов и молекул за счет физических взаимодействий и радиационно-химических реакций.
Под воздействием ионизирующего излучения изменяется электронная оболочка атомов. Вследствие этого меняются их химические свойства и возникают химические реакции, приводящие в некоторых случаях к тяжелым повреждениям органов и тканей.
Стадии формирования ионизирующих излучений:
1. Физическая стадия - поглощение энергии излучения облучаемой средой с возбуждением и ионизацией её молекул (длительность около 1*10-16 сек). Данный процесс практически не зависит от условий окружающей среды.
2. Физико-химическая стадия - возникновение активных в химическом отношении свободных радикалов, которые взаимодействуют между собой и с органическими молекулами клетки (длительность около 1*10-7 сек). Данный процесс слабо зависит от условий окружающей среды.
Свободные радикалы - это электрически нейтральные атомы или молекулы с неспаренным электроном на внешней орбитали; они являются весьма реакционноспособными, т.к. имеют тенденцию спаривать свой электрон с аналогичным электроном в другом свободном радикале (окислители, акцепторы), либо удалять его из атома путём электронного излучения (восстановители, доноры).
3. Химическая стадия - появление биохимических повреждений биологически важных макромолекул - белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов (длительность порядка нескольких секунд). Данный процесс существенно зависит от условий окружающей среды: температуры, фазового состояния и т.д.
4. Биологическая стадия - формирование повреждений на клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях и отдаленных последствий облучения (длительность сильно варьирует - часы, недели, годы - и определяется особенностями протекания патофизиологических процессов в различных органах и тканях; например, для развития опухоли или лучевой катаракты требуется значительно больше времени, чем для развития острой лучевой болезни).
Прямое и косвенное действие ионизирующих излучений на биомолекулы:
В основе первичных радиационно-химических изменений могут лежать 2 механизма действия ионизирующих излучений:
1) прямое действие - молекулы претерпевают изменения непосредственно при взаимодействии с ионизирующим излучением.
2) косвенное действие - молекулы претерпевают изменения не непосредственно поглощая энергию от ионизирующих излучений, а получая её от других молекул.
Кислородный эффект - усиление лучевого повреждения в присутствии кислорода по сравнению с анаэробными условиями. Эффект объясняется тем, что в присутствии кислорода образуются дополнительные реакционноспособные радикалы, обладающие выраженным поражающим действием; кроме того, молекула кислорода обладает электроноакцепторными свойствами, активно взаимодействует с образующимися при действии излучения радикалами биологических молекул, фиксирует возникшие в них потенциальные повреждения и делает их труднодоступными для репарации.
Количественная мера кислородного эффекта - коэффициент кислородного усиления. При облучении отдельных клеток он равен 3, т.е. в присутствии кислорода лучевое повреждение усиливается втрое. Для проявления такого действия кислород должен присутствовать в клетке в момент облучения.
В дальнейшем кислород играет положительную роль: он необходим для нормальной работы системы репарации ДНК.
NB! Кислород в формировании лучевого повреждения ведёт себя двояко: усиливая первичные процессы повреждения в момент воздействия излучения он одновременно стимулирует процессы внутриклеточного восстановления после облучения.
Кислородный эффект зависит от ЛПЭ: с увеличением ЛПЭ он уменьшается и при действии, например, альфа-излучения исчезает.
На кислородном эффекте основаны методы управления тканевой радиочувствительностью, используемые в лучевой терапии опухолей:
1) оксигенорадиотерапия (оксибарорадиотерапия) - во время сеанса лучевой терапии больной дышит чистым кислородом при нормальном или увеличенном в 2-3 раза атмосферном давлении, при этом напряжение кислорода в здоровых тканях увеличивается незначительно (есть предел насыщения), а в опухоли давление кислорода поднимается до такого же уровня, но, по сравнению с исходным уровнем его содержание возрастает во много раз, следовательно, повышается и радиочувст вительность опухолевой ткани.
2) гипооксирадиотерапия - во время сеанса лучевой терапии больной дышит гипоксической газовой смесью (содержание кислорода 7-10% вместо 21%). Напряжение кислорода в здоровой ткани уменьшается, а в опухоли останется прежним, что позволяет повысить дозу облучения на опухоль.
8. Радиационная биохимия нуклеиновых кислот. Основные типы репарации ДНК.
На ядерную ДНК приходится около 7% поглощенной дозы.
Механизм повреждения нуклеиновых кислот:
а) при прямом действии ионизирующих излучений на нуклеиновые кислоты: выбивание электрона и последующая миграция дефектного участка по полинуклеотидной цепи (несколько сотен азотистых оснований) до участка с повышенными электрон-донорными свойствами (чаще всего до участка локализации тимина или цитозина, где и образуются свободные радикалы этих оснований).
б) при косвенном действии ионизирующих излучений на нуклеиновые кислоты: взаимодействие с продуктами радиолиза воды приводит к образованию свободных радикалов, что ведет к нарушению структуры ДНК, в основе которого лежат следующие механизмы:
- одно- и двунитевые разрывы;
- модификация азотистых оснований;
- образование тиминовых димеров;
- сшивки ДНК–ДНК, ДНК-белок.
При дозе 1 Гр в каждой клетке человека повреждаются около 5000 азотистых оснований, возникают примерно 1000 одиночных и от 10 до 100 двойных разрывов. Определенное число одиночных разрывов образуется даже при малых дозах излучения, но они не приводят к поломкам молекулы ДНК, т.к. куски поврежденной молекулы прочно удерживаются на месте водородными связями с комплементарной нитью ДНК и хорошо поддаются восстановлению.
Репарация повреждений в ДНК.
Все механизмы репарации в клетке многократно продублированы и могут идти разными путями, находящимися под генетическим контролем. Репарация может быть как практически безошибочной (фотореактивация и эксцизионная репарация коротких участков), так и зачастую ошибочной (SOS-репарация, т.к. она является попыткой восстановить структуру ДНК любой ценой при серьезных массивных повреждениях).
Репарация генетических повреждений обеспечивается десятками ферментов, многие из которых участвуют также в процессах репликации и рекомбинации.
Основные группы ферментов репарации:
1. нуклеозидазы - производят выщепление оснований по N-гликозидной связи с образованием АП-сайтов - апуриновых или апиримидиновых участков;
2. инсертазы - производят встраивание оснований в АП-сайты;
3. лиазы - производят расщепление пиримидиновых димеров;
4. эндонуклеазы - проводят инцизию - разрез ДНК возле повреждения;
5. экзонуклеазы - проводят эксцизию - удаление поврежденного участка;
6. ДНК-полимеразы - проводят синтез ДНК по комплементарной матрице;
7. ДНК-лигазы - производят сшивку нуклеотидов.
Основные типы репарации ДНК:
I. Прямая репарация:
а) фотореверсия - происходит за счет работы фотолиаз, причем начальный этап - образование фермент-субстратного комплекса - может идти и в темноте: E + S ES + h E + P , где Е – фермент (энзим), S – субстрат, P - продукт реакции. Для работы фотолиазы требуется свет с длиной волны 350 нм.
Этапы фотореверсии:
1. Повреждение ДНК с образованием димера под действием УФ-излучения
2. Образование фермент-субстратного комплекса с фотолиазой: