КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №9

Модуль 4

по дисциплине «Биофизика»

специальность «Сестринское дело»

Форма обучения: очная, с использованием дистанционных технологий

Номер группы: 112-1 сдип

Выполнил:

Пышкина Татьяна Анатольевна

Проверил:

Чернова Галина Викторовна

2021-2022 уч.год

Вариант №9

Контрольная работа по 4 модулю

«Оптика. Квантовая физика, ионизирующее излучение»

Теоретические вопросы:

1.Активность радиоактивного элемента. Единицы измерения активности.

Активность излучателя (А) определяется числом атомных ядер, распадающихся за единицу времени, единицы А. Единицей активности в абсолютной системе координат служит распад в секунду – беккерель.

1 Бк = 1 расп/сек (1.11)

Внесистемной единицей является кюри(Кu) – такое количество любого радиоактивного вещества, в котором число радиоактивных распадов в секунду равно 3,7∙10¹⁰.

Для измерения количества поглощённой энергии введено понятие «доза излучения» – величина энергии, поглощённой в единице объёма облучаемого вещества.

2.Оптическая система глаза. Угол зрения. Острота зрения.

Оптическая система глаза – это роговица, влага передней и задней камер, хрусталик и стекловидное тело. Проходя через эти образования, световые лучи преломляются и попадают на сетчатку.

Угол зрения - угол между лучами, идущими от крайних точек предмета через узловую точку (оптический центр глаза).

Из рисунка 24.6 следует, что tgβ = B/L = b/l. Учитывая эти соотношения, можно записать следующую формулу для размера изображения:



Рис. 24.6. Изображение на сетчатке и угол зрения β

Разрешающая способность

Острота зрения

В офтальмологии способность глаза к дальней аккомодации характеризуют остротой зрения(V). При этом с помощью специальной таблицы определяют способность глаза опознавать стандартные символы (буквы) в зависимости от их величины. Остроту зрения для нормального глаза принимают за единицу(V_норм = 1). Испытуемый находится на определенном расстоянии от таблицы и рассматривает предлагаемые врачом символы одним глазом. Поделенный на 10 номер строки, которую испытуемый распознает еще безошибочно, и является остротой зрения. Например, V = 0,3, если испытуемый без ошибок читает третью строку таблицы. Обратите внимание на то, что здесь определяется способность распознавать нечеткие(несфокусированные) изображения. Норме соответствует чтение десятойстроки. Если размер ее символов принять за единицу, то размеры символов по мере продвижения вверх равны: 2, 3, 10. Это позволяет записать следующую формулу для остроты зрения:



Острота зренияравна отношению минимального углового размера символа, распознаваемого нормальным глазом, к угловому размеру символа, распознаваемого пациентом.

3.Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом на атомарном уровне. Понятие о радикалах. Механизмы прямого и косвенного действия ионизирующего излучения на биологические объекты. Биофизические механизмы повреждения клеток ионизирующим излучением.

Альфа-частицы, бета-частицы, выброшенные из ядра, обладают значительной кинетической энергией и, воздействуя на вещество, с одной стороны производят его ионизацию, а с другой проникают на определенную глубину. Взаимодействуя с веществом, они теряют эту энергию, в основном, в результате упругих взаимодействий с ядрами атомов или электронами, отдавая им всю или часть своей энергии, вызывая ионизацию или возбуждение атомов (т.е. перевод электрона с более близкой на более удаленную от ядра орбиту). Ионизация и проникновение на определенную глубину имеют принципиальное значение для оценки воздействия ионизирующего излучения на биологическую ткань различных видов излучений. Зная свойства различных видов излучений проникать через разные материалы, последние можно использовать как для защиты человека, так и некоторых объектов, приборов и т.д.

Результаты взаимодействия ионизирующего излучения с веществом зависят:

-от массы, заряда потока частиц и их энергий

-от вида фотонов и их энергий; от типа и плотности вещества

-от значения энергий внутримолекулярных сил облучаемого вещества

Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом зависит от соотношения масс и энергий частиц и может носить упругий или неупругий характер.

С учетом выше сказанного можно сделать некоторые выводы:

-заряженные частицы, проходящие через вещество, взаимодействуют как с орбитальными электронами атома, так и с его ядром;

-при взаимодействии с орбитальными электронами, энергия частиц растрачивается на ионизацию атомов, если она не менее 35 эВ и на возбуждение атомов (перевод электрона с ближней орбиты на более удаленную), если она менее 35 эВ

-в процессе ионизации атома образуются заряженные частицы (свободные электроны), а атомы, потерявшие один или несколько электронов, превращаются в положительно заряженные ионы

-при взаимодействии с ядром заряженная частица может или тормозиться электрическим полем ядра и менять свое направление движения или поглощаться ядром. В первом случае происходит испускание тормозного излучения, во втором случае заряженная частица (при достаточно большой энергии) поглощается ядром, при этом выбрасываются элементарные частицы и фотоны. Поглощение частицы ядром обычно происходит, если энергия частицы превышает 1,02 МэВ. Процесс взаимодействия, при котором исчезают первоначальные и появляются новые частицы, называют ядерной реакцией. Свободные радикалы — это чрезвычайно реактогенные окислители, играющие важную роль в процессах метаболизма клеток в условиях нормы, а при образовании в избыточных концентрациях - являющиеся факторами дезорганизации всех структур клеток и в конечном итоге их гибели.

Прямое и косвенное действие ионизирующих излучений

Прямое действие ионизирующих излучений — такие изменения, ко­торые возникают в результате поглощения энергии излучения самими молекулами, а поражающее действие связано с актом возбуждения и ионизации атомов и макромолекул (т. е. с утерей или приобретением электрона самими рассматриваемыми молекулами («мишенями»). Косвенное (непрямое) действие ионизирующих излучений — измене­ния молекул клеток и тканей, вызванные продуктами радиационного разложения (радиолиза) окружающей эти молекулы воды и раство­ренных в ней низкомолекулярных соединений, а не энергией излуче­ния, поглощенной самими исследуемыми молекулами. На основе представления о прямом действии ИИ возникла теория мишени и попаданий. Эта теория объясняла наличие в клетке жизненно важного центра (гена или ансамбля генов) — мишени, попадание в которую одной или нескольких высокоэнергетических частиц атомной радиации достаточно для разрушения и гибели клет­ки. Попадание в мишень — вероятностное событие. Дальнейшим раз­витием теории прямого действия излучений явилась стохастическая (вероятностная) теория. Она, так же, как и теория "мишени, учиты­вает вероятностный характер попадания излучения в чувствитель­ный объем клетки, но в отличие от нее еще учитывает и состояние клетки как биологического объекта, лабильной динамической сис­темы.

При косвенном действии наиболее важен процесс радиолиза (радиационного разрушения) воды, потому что вода составляет основу важнейших структур клетки (80-90 %). В воде растворены белки, нуклеиновые кислоты, ферменты, гормоны и другие жизненно важные вещества, являющиеся основными компонентами клетки, ко­торым легко может быть передана энергия, первоначально поглощен­ная водой. Под действием ионизирующего излучения в клетке начинаются физико-химические процессы, в результате которых образуются хи­мически высокоактивные соединения, радикалы и ионы, повреждаю­щие биологические структуры организма и вызывающие рассогласова­ние его функций. Воздействие ионизирующей радиации на живое вещество проходит в три фазы:

-в физическую — длится Ю-13— 10

16с;

-в фазу первичных физико-химических превращений — Ю-6— 10_9с;

-в фазу химических реакций — 105—10_6с.

---

Физическая фаза по существу — один из моментов прямого действия; ИИ на молекулярные и биологические структуры клетки. При взаимо­действии ИИ (гамма-кванты, заряженные частицы, и т: д.) с элект­ронными оболочками атомов происходит возбуждение и ионизация^ атомов или молекул вещества, через которые излучения проходят. При этом на один акт ионизации приходится 10—100 возбужденных ато­мов, которые в процессе рекомбинации излучают избыток энергии в виде характеристического рентгеновского излучения.

В физическую фазу происходит взаимодействие ИИ с молекулой воды, в результате чего выбивается электрон с внешней орбиты атома и образуется положительно заряженный ион воды:

γ→ Н20 → е - + Н20+

«Выбитый» электрон присоединяется к нейтральной молекуле воды, образуя отрицательный ион воды:

е - + Н20 → Н20- При эффекте возбуждения образуется нейтрально заряженная мо­лекула воды с избытком энергии, привнесенной ИИ:

γ→ Н20→ Н20*

Физико-химические свойства ионизированных и возбужденных мо­лекул воды будут отличаться от молекул воды электрически нейтральных. Продолжительность существования таких молекул очень короткая; они распадаются (диссоциируют), образуя высокореактивные сво­бодные радикалы водорода и гидроксила (Но и ОНо); наступает вторая фаза радиолиза воды.

Фаза первичных физико-химических реакций: Н20+ → Н+ + ОН'

Н20- → Н' + ОН- Н20* → Н' + ОН'

Гидроксильные радикалы (ОН') — сильные окислители, а радикал водорода (Н) — восстановитель. Образование свободных радикалов может идти и другим путем. Выбитый из молекулы воды под действи­ем излучения электрон может присоединиться к положительно заря­женному иону воды с образованием возбужденной молекулы: Н20++ е - →Н20*

Избыточная энергия этой молекулы расходуется на ее расщепление с образованием свободных радикалов водорода и гидроксила: Н20* → Н' + ОН'

Ионизированная молекула воды (Н20+) может реагировать с дру­гой нейтральной молекулой воды (Н20), в результате чего образуется высокореактивный радикал гидроксила (ОН'): Н2 О+ + Н2 О → Н3 О+ +ОН.

На этом заканчивается физико-химическая фаза и развивается тре­тья фаза действия ионизирующего излучения.

Фаза химических реакций. Обладая очень высокой химической ак­тивностью за счет наличия неспаренного электрона, свободные ради­калы взаимодействуют друг с другом или с растворенными в воде веществами. Реакции могут идти следующими путями:

Н' + ОН' —> Н2О (рекомбинация, восстановление воды)

---

Н' + Н' → Н2О + О (образование молекул воды и выделение кислорода, который является сильным окислителем)

ОН' + ОН' → Н2О2 (образование пероксида водорода)

При наличии в среде растворенного кислорода О2 возможна реак­ция образования гидропероксидов:

Н' + 02 Н02' (гидропероксидный радикал).

Эта реакция указывает на роль кислорода в повреждающем эффек­те ИИ.

Гидропероксиды могут взаимодействовать между собой, образуя пероксиды водорода и высшие пероксиды, которые обладают высокой токсичностью, но они очень быстро разлагаются в организме фермен­том каталазой на воду и кислород:

НО2 + Н2О2+ О2

НО2 + Н' —> Н2О2 (пероксид водорода)

НО2 + НО 2 —> Н204 (высший пероксид)

Появление свободных радикалов и их взаимодействие составляют этап первичных химических реакций воды и растворенных в ней ве­ществ, а в случаях облучения животных и растений — и биологических молекул.

Энергия излучения может поглощаться и непосредственно молеку­лами органических соединений. При этом также образуются возбуж­денные молекулы, ионы, радикалы и перекиси, при реакциях типа:

а) RН + Н' -> R' + Н2

б) RН + ОН - -> R' + Н20

Возможна также диссоциация органических молекул или присоеди­нение к ним радикала. В результате они либо разрушаются, либо инактивируются, теряя свои биологические свойства. Энергия излучения, поглощенная молекулой белка или нуклеиновой кислоты, может передаваться ее структурами, разрушая молекулу в оп­ределенных, наиболее уязвимых местах по вышеприведенной схеме.



Рис. 13.1. Продукты радиолиза воды

Таким образом, первичные процессы, происходящие в организме непосредственно в момент действия изучения, заключаются в образовании возбужденных молекул, ионов, радикалов и перекисей.

На биологической стадии воздействия эти высокоактивные в хими­ческом отношении соединения вступают в реакции с компонентами сложных биохимических систем живого организма, что приводит к 3 нарушениям химических процессов и структур клеток и, как следствие, — к нарушению функций на уровне целостного организма. Величина прямого и непрямою действия в первичных радиобиологических эффектах различных систем неодинаковая. В абсолютно чистых сухих веще­ствах будет преобладать прямое, а в слаборастворенных—косвенное действие радиации. У животных, поданным МА Кузина, примерно 45 % поглощенной энергии излучения действует непосредственно на молекулярные структуры — прямое действие, а остальные 55 % энергии непрямое действие.

---

ИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Для понимания биологического действия излучения необходимо знать все его этапы: молекулярный уровень (физические процессы взаимодействия ионизирующего излучения с веществом), клеточный уровень (нарушение биохимии и морфологии клетки, её генетического аппарата), уровень целостного организма (морфологические и функциональные изменения органов и систем).

Этапы биологического действия ионизирующих излучений представлены в виде схемы.

Время течения Облучение Этапы поражения



Поглощение энергии излучения и первичные радиационнохимические реакции

Всё начинается с чисто физического процесса – поглощения энергии в биосубстрате. Заряженные частицы, нейтроны и фотоны вступают во взаимодействие с атомами биологического объекта и передают им частично или полностью свою энергию. Все ионизирующие излучения действуют в принципе одинаково: все они передают свою энергию атомам вещества, вызывая их возбуждение или ионизацию. Таким образом, физический процесс поглощения энергии заканчивается образованием ионизированных и возбуждённых, т.е. очень активных в химическом отношении, атомов и молекул. Поглощённая в тканях энергия излучения превращается в другие виды энергии (в тепло, в химическую энергию). Происходит изменение тех молекул, которые поглотили энергию. Ведущей радиационно-химической реакцией является разрыв химических связей и возникновение активных радикалов. Большую роль здесь играет первичная ионизация воды, которая составляет около 70% массы человеческого тела. В воде образуются свободные радикалы Н и ОН, обладающие высокой химической активностью. В результате взаимодействия с ними происходит окисление или восстановлении молекул и образование перекисных соединений. Под действием излучения белки расщепляются на аминокислоты и гистаминоподобные соединения, токсичные для человека. Сложные реакции происходят в липидах, углеводах, нуклеопротеидах. Возникшие под влиянием ионизации атомов и молекул первичные реакции ведут к изменению структуры молекул, что приводит к нарушению биохимических процессов в органах и тканях. Это выражается в расстройстве тканевого дыхания, изменении действия ферментных систем, извращении синтеза белков и т.д. Присутствие кислорода в облучаемом объекте сильно увеличивает выход многих радиационно-химических реакций. Ведь органические радикалы, возникающие при действии ионизирующего излучения на молекулы липидов, нуклеопротеидов, белков и других веществ, а также радикалы воды отличаются выраженной способностью соединяться с атомами кислорода. Недостаток кислорода понижает чувствительность к излучению как нормальных, так и патологически изменённых клеток и тканей. Иначе говоря, степень лучевых реакций зависит от концентрации кислорода в биосубстрате. Явление известно в радиобиологии под названием кислородного эффекта.

---

Действие ионизирующего излучения на клетки

В клетке нет таких структур, которые не поражались бы при облучении. По современным представлениям, гибель клеток вызывается в первую очередь поражением ядерных структур – ДНК, дезоксирибонуклеопротеидов и ДНК-мембранного комплекса.

Различают два вида гибели клеток вследствие облучения – митотическую и интерфазную гибель.

Интерфазной гибельюназывают гибель клетки до вступления её в фазу митоза, в большинстве случаев в первые часы после облучения. Этот тип гибели характеризуется расстройством всей метаболической организации клетки.

Митотическая(репродуктивная, пролиферативная) гибель возникает вследствие инактивации клетки, наступающей после облучения и после первого или последующих митозов. Поэтому даже при воздействии облучения в больших дозах этот вид гибели может проявляться через отдалённый период времени (до нескольких суток). Интерфазная гибель является или выражением высокой радиочувствительности клетки или следствием воздействия большой дозы излучения. В поражённых клетках выявляются физико-химические изменения: повышение проницаемости клеточных оболочек, изменение вязкости и гидрофильности цитоплазмы и др. Происходят и морфологически определяемые сдвиги: слипание. Набухание, разрыв с последующей утратой части хромосом или неправильным воссоединением концов, изменения микросом и лизосом, увеличение ядра и изменение его формы и размеров клеток, вакуолизация цитоплазмы. При облучении в дозах, принятых в лучевой терапии, не во всех клетках создаются условия, ведущие к их гибели. Наряду с клетками, находящимися в таком состоянии, что нанесённые лучевые повреждения оканчиваются их гибелью (летальные повреждения). Имеются облученные клетки, в которых изменения сами по себе не приведут клетку к гибели, но при повторном облучении проявятся в виде лучевого поражения клетки (сублетальные повреждения). Существуют и такие лучевые изменения в клетках, при которых эффект воздействия реализуется в разной степени при определённых условиях (например, температурных). При этих так называемых потенциальных повреждениях клетки могут восстановиться (репарация) или же повреждения появятся, но только при определённых условиях. Наличие этих двух последгих видов повреждений клеток (сублетальных и потенциально летальных) очень важно для объяснения репаративных изменений, происходящих после облучения. Умение использовать радиобиологические особенности поражённых излучением клеток позволяет проводить направленные изменения радиочувствительности с помощью физических и химических средств в сторону увеличения "радиотерапевтического интервала", т.е. модифицировать лучевую реакцию. Эффект облучения связан с распределением дозы во времени, т.е. со скоростью поглощения энергии. Разделение одной и той же суммарной дозы на отдельные фракции и проведение облучения с перерывами ведут к уменьшению лучевого поражения, так как процессы восстановления, начинающиеся сразу после облучения, способны хотя бы частично компенсировать возникшие нарушения. Степень и форма лучевого поражения определяются распределением энергии излучения в организме. Наибольший поражающий эффект обуславливает облучение всего организма (общее облучение). Меньшие изменения вызывает воздействие в той же дозе локальное облучение. При этом не всё равно, какие части облучаются. Самые большие последствия даёт облучение живота, а наименьшее –конечностей. Биологическое действие зависит от вида излучения. Разные излучения даже в равной дозе дают разный эффект. Неодинаковая степень лучевых повреждений, развивающихся при воздействии равных доз разных излучений, заставила сформулировать представление об относительной биологической эффективности (ОБЭ) ионизирующих излучений. Например, ОБЭ=1 у

---

Смотрите также файлы

• Деятельность способ существования людей ( 10 класс).pptx

• Протокол от Председатель пс Н. В. Охотникова.doc

• Добавление, выделение, форматирование текста. Создание колонок, списков, добавление маркеров.doc

• План урока Духовные ориентиры личности Мировоззрение и его роль в жизни общества Проблема урока.pptx

• Задание на учебную практику (виды работ).docx