Лекции - Радиобиология. Адаптированный курс - файл n1.doc

Лекции - Радиобиология. Адаптированный курс
скачать (71.1 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc432kb.31.10.2006 10:22скачать

n1.doc

  1   2   3   4
Адаптированный курс лекций по с/х радиобиологии для студентов заочного отделения

  1. Что изучает радиобиология. Открытие явления радиации.




Радиобиологияэто наука, изучающая происхождение и свойства ядерных излучений, способы и средства их обнаружения и регистрации, действие на биологические системы, способы и средства защиты от ионизирующей радиации.

Основные темы лекционного курса:

  1. Физическая природа ионизирующих излучений.

  2. Закон радиоактивного распада.

  3. Взаимодействие радиоактивных излучений с веществом.

  4. Радиометрия и дозиметрия ионизирующих излучений

  5. Основы с/х радиоэкологии и радиотоксикологии.

  6. Биологическое действие ионизирующего излучения на живые организмы.

  7. Лучевые поражения животных.

8. Организация животноводства в условиях радиоактивного загрязнения

  1. Радиационная экспертиза кормов и продуктов животноводства.

  2. Основы мер безопасности при работе с РВ и радиационная гигиена.

При проведении лабораторных работ должна быть изучена основная радиометрическая и дозиметрическая аппаратура и освоены современные методы проведения радиационной экспертизы объектов ветнадзора, применяющиеся в радиологических отделах ветбаклабораторий, производственных лабораториях предприятий мясной и молочной промышленности, лабораториях ветэкспертизы на рынках.

Окончательно можно сформулировать:

Радиобиология – наука о действии всех видов ионизирующих излучений на живые

организмы и их сообщества.

Радиобиология, являясь самостоятельной комплексной научной дисциплиной, имеет тесные связи с рядом теоретических и прикладных областей знаний – биологией, физиологией, генетикой, биохимией, биофизикой, ядерной физикой. При изучении с/х радибиологии потребуются знания таких базовых дисциплин, как высшая математика, статистика, химия, физика.

В нашем лексиконе слово радиоактивность (от греч. радиус – луч) появилось чуть более 100 лет назад, когда в 1896 г. французский учёный Анри Беккерель случайно проявив фотопластинку, открыл излучение от солей урана, находившихся до этого рядом с фото кассетой. Свойства этих лучей были подобны рентгеновским лучам открытым за год до этого немецким физиком Рентгеном.

И те, и другие, проходя через вещество, вызывают ионизацию его атомов и молекул, поэтому они имеют ещё одно название - ионизирующие излучения.

Радиоактивные материалы вошли в состав земли с самого её рождения. Развитие жизни на земле всегда проходило в присутствии радиационного фона, состоящего из космической и земной составляющей. В каждом представителе растительного и животного мира, в т.ч. и в любом человеке имеются природные радиоактивные изотопы в следовых количествах.

Вопрос о роли естественного радиационного фона для растительного, животного мира и человека окончательно не решен. С одной стороны он послужил одной из главных причин многочисленных мутаций после появления первых молекул ДНК, приведших к огромному многообразию растительного и животного мира, на вершине которого находится человек. Но с другой стороны в настоящее время появляются данные о частичной ответственности радиации за спонтанное появление опухолей и мутаций обусловленных повреждением хромосом.

  1. Строение атома и ядра атома. Ионизация, рекомбинация, возбуждение и излучение атома


Атом (греч. неделимый) – мельчайшая частица простого вещества, обладающая его химич. свойствами. Атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого по определённым орбитам (слоям) движутся электроны. Сумма отрицательных зарядов всех электронов равна положительному заряду ядра, поэтому атом электрически нейтрален.

Радиус атома - Rатома = 10-8см, радиус ядра Rядра = 10-12-10-13 см. Размер ядра в 10 – 100 тысяч раз меньше размера атома. (Соотношение как 1см к 1км.)

Массы атомов очень малы. Масса самого лёгкого это атом водорода -1,67х10-24 г, самого тяжёлого урана – 3,86х10-22 г. Поэтому в ядерной и атомной физике массу измеряют в атомных единицах массы ( а.е.м). 1 а.е.м. = 1/16 массы атома изотопа кислорода О-16 (или 1/12 массы изотопа углерода С-12) =1,66 х 10-24 г.

Орбиты электронов представляют собой окружность или эллипс и обозначаются латинскими буквами от ближайшей орбиты к ядру (K,L,M,N,O,Р,Q). Скорость движения электрона по орбите оценивается как 1/100 скорости света и центробежная сила инерции отталкивания от ядра уравновешивается кулоновской силой притяжения к ядру. По представлениям квантовой механики заряд электрона не локализован, а «размазан» по всему объёму атома, образуя электронное облако переменной плотности. Плотность пропорциональна вероятности нахождения электрона в данной точке.

Электрон (е -) устойчивая элементарная частица с массой покоя 9,1х10-28 г (0,000548 а.е.м.) примерно в 2000 раз (1860) легче ядра атома водорода. Энергию электрона и других частиц выражают в единицах электронвольт эВ (это энергия, приобретаемая электроном при прохождении ускоряющей разности потенциалов в 1 вольт). 1000эВ = 1кэВ, 1млн эВ= 1МэВ.

Если атому из вне сообщить дополнительную энергию - нагреть его как спираль в электролампочке – то эту энергию реально получат электроны и перейдут на более отдалённые орбиты. Это процесс возбуждения.

При большей энергии электроны могут покинуть пределы атома – это процесс ионизации. Воссоединение атома с покинувшим его электроном (или другим) – рекомбинация ионов.

Из возбуждённого состояния атом всегда переходит в первоначальное и выделяет избыточную энергию либо в виде характеристического рентгеновского излучения (при переходе электрона с внешней орбиты на внутреннюю), либо в виде оптического спектра, состоящего из ультрафиолетовых, световых и инфракрасных лучей (при переходе электронов в пределах внешних орбит)

Атомное ядро состоит из протонов - положительно заряженных частиц и нейтронов, частиц не имеющих электрического заряда. Общее название протонов и нейтронов – нуклоны.

А - массовое число это общее число нуклонов в ядре (атомный вес в целых числах в т. Менделеева).

Z – число протонов в ядре = числу электронов на орбитах (номер элемента (№ клетки) в т. Менделеева)

N – число нейтронов в ядре атома N=А-Z.

Принято обозначать любой хим. элемент, как АZ Х, 11 Н, 92238U, или сокращённо Сs-137, U-238.

Протон (р) устойчивая элементарная частица с массой равной 1,0076а.е.м.(1836 массе электрона). Имеет один элементарный положительный электрический заряд равный заряду электрона.

Нейтрон (n) элементарная нейтральная частица с массой покоя 1,0089а.е.м.(1838 масс электрона). обладает большой проникающей способностью в биологической ткани.

Изотопы это атомы одного и того же химического элемента, содержащие в ядре одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Большинство природных элементов – смесь нескольких изотопов. Водород Н-1,.Н-2 (0,02%). Уран U-238 (99,3%), U-235(0,7%),U234(0,006%). Калий К-39(93,08%), К-41(6,91%), К-40(0,01%

3. Ядерные силы, дефект массы, соотношение Эйнштейна между массой и энергией.

Протоны и нейтроны в ядре связаны между собой огромными ядерным силами притяжения, в 1000 раз превосходящими кулоновские силы отталкивания, действующие между протонами. Радиус действия ядерных сил  10-13 см., поэтому их называют короткодействующими в отличие от дальнодействующих электрических сил. При большом количестве протонов в тяжёлых ядрах электрические силы отталкивания уже соизмеримы с ядерными силами и при Z115 превосходят их. Ядро сущест-ать не можт

Ядерные силы возникают в процессе непрерывного обмена между нуклонами особыми частицами пи-мезонами (пионами). Пион может иметь заряд “+”, ”--“, ”о”, его масса покоя 273,2 массы -) , 1/7 массы нуклона. Считают, что протон и нейтрон состоят из керна, окружённого мезонной «шубой» («+» у р и «– » у нейтрона).

Масса ядра всегда меньше суммы масс составляющих его нуклонов на величину дефекта массы m.

Рассчитаем дефект массы ядра атома гелия 2Нe4 , состоящего из двух протонов и двух нейтронов.

Сумма масс нуклонов (1,0076 х 2) + (1,0089 х 2) = 4,033 а.е.м. Массы ядра атома гелия 2Нe4= 4,03 а.е.м. Дефект массы m = 4,033 - 4,03 = 0,003 а.е.м.

Теория относительности Эйнштейна устанавливает связь между массой и энергией Е=m C2 .

С – скорость света 300000км/с (3*1010 см/с). 1а.е.м. при расчете по этой ф-ле = 931МэВ, а 0,003аем = 28Мэв.Примерно столько энергии выделится при слиянии двух ядер дейтерия в ядро гелия. Эта реакция синтеза происходит на Солнце и в водородных бомбах.. При реакциях деления U и Pu в ядерных реакторах и атомных бомбах, также наблюдается превращение части массы в энергию.


  1. Радиоактивность. Радиоактивные семейства.


Радиоактивность – это самопроизвольное превращение (распад) ядер определённых элементов в ядра других элементов с испусканием ионизирующих излучений в виде -,-частиц и -лучей, разделяющихся на три пучка в электрическом или магнитном поле. Замедлить или ускорить

ход р/а распада невозможно. Все виды ионизирующих излучений возникают только при ядерных превращениях. При альфа- и бета-распаде гамма-кванты уносят из ядра избыток энергии, не захваченный или частицей. и излучения проявляют как волновые, так и корпускулярные свойства.

В природе известны три естественно-радиоактивных семейства: урана-238 – радия, тория-232 и актиния-235. Они представляют естественную радиоактивность. Аналогична искусственная радиоактивность в р/а изотопах полученных искусственным путём. Каждый р/а изотоп характеризуется периодом полураспада Т1/2 – это время, за которое распадается половина исходного количества атомов.

Семейство урана -238

Уран-238  + Т1/2 = 4,47 млрд.лет Свинец-214  + 26,8 мин.

Торий-234  + 24,1 суток Висмут-214  + 19,7 мин.

Протактиний  + 1,17 мин. Пололний-214  19,7 мин.

Уран-234  + 245000 лет. Свинец-210  + 22,3 лет.

Торий-230  + 8000 лет Висмут-210  + 5 суток.

Радий-226  + 1600 лет Полоний-210  + 138,4суток

Радон-222  3,8 суток Свинец-206 стабильный

Полоний-218  3,05 минуты.

Ядра всех изотопов химического элемента образуют группу нуклидов, радиоактивные ядра называют радионуклидами.

5. Вывод закона радиоактивного распада. Период полураспада. Кривая р/а распада. Вследствие самопроизвольного распада ядер постоянно уменьшается количество любого радиоактивного изотопа. Введено понятие период полураспада - Т1/2 - это время, за которое распадается половина исходного количества атомов радиоактивного изотопа.

Легко заметить, что цифра, выражающая количество периодов полураспада (1,2,3,4) это показатель степени, в которую нужно возвести двойку, для получения величины доли оставшихся атомов. (1/2, 1/4 1/8 1/16 итд)

n t/T1/2 -t/T1/2

Поэтому Nt = No/2 = No/2 = No*2

По этим данным можно построить график радиоактивного распада.

No (%) 100%



50%
25%

12,5%

0

T 2T 3T 4T 5T t (время)

Видим, что число радиоактивных ядер (а следовательно и атомов) уменьшается с течением времени по экспоненциальному закону и за единицу времени (например за Т) распадается всегда одна и та же доля, имеющихся в наличии ядер. Эту долю называют постоянной радиоактивного распада - (лямбда) = 0,693/Т1/2.

Величина, обратная постоянной распада называется Средней продолжительностью жизни ядра - = 1/. ( = Т/ 0,693 или  = 1,44Т)

Если процесс распада ядер описать дифференциальным уравнением, то интегрируя его можно получить другое математическое выражение закона р/а распада -0,693 t/T

Nt = No * е

Но, т. к. основание натурального логарифма е = 2,718 в степени 0,693 = 2, то видно, что это то же самое соотношение, которое мы получили выше в результате логических рассуждений.

Нужно учитывать, что все полученные закономерности справедливы для большого количества радиоактивных атомов, т.к. распад любого радиоактивного элемента носит вероятностный характер и подчиняется статистическим закономерностям.

Поэтому при проведении радиационной экспертизы объектов ветеринарного надзора следует ожидать, что более точные результаты могут быть получены в результате усреднения нескольких измерений.
6. Активность радиоактивного изотопа. Единицы активности. Изменение активности с течением времени. Активность - это число ядер распадающихся в единицу времени или мера количества р/а вещества.

Единицей активности в системе СИ является Беккерель -это один распад в секунду. 1Бк = сЇ№. Внесистемная единица Кюри . 1Кu = 3,7*10№° расп/сек.

Следовательно 1Кu = 37 миллиардов Бк.

Активностью в 1 Кюри обладает: 1 грамм радия;

1 миллиграмм кобальта - 60;

8 микрограмм йода -131;

3 тонны урана - 238.

Кюри - очень большая величина, поэтому применяют более мелкие дольные единицы: милликюри (мКu) = 10Їі Кu = 3,7*10 в 7-й степени расп/сек.

микрокюри (мКu) = 10 в -6-й ст Кu = 3,7*10 в 4й степени расп/сек.

нанокюри (нКu) = 10 в -9-й ст Кu = 3,7*10 расп/сек (37 Бк).

пикокюри (пКu) = 10 в -12-й ст Кu = 0,037 расп/сек.

При контроле содержания р/а веществ в объектах санитарного и ветеринарного надзора (вода, воздух, продукты питания, корма, продукты животноводства) пользуются величиной удельной активности или концентрации. Это активность, приходящаяся на единицу массы или объёма.

Их выражают в Кu/л, Кu/кг, Бк/л, Бк/кг и производных от этих единиц.

Зараженность земель радионуклидами характеризуется поверхностной активностью и измеряется в Кu/кмІ.

Активность любого радиоактивного изотопа с течением времени убывает в соответствии с законом радиоактивного распада и определяется по аналогичным соотношениям:

-t/T - 0,693 t/T

Аt = Ао*2 Аt = Ао*2 ,

где

Аt - активность на интересующее нас время t, Ао - начальная активность изотопа.

Для характеристики гамма-излучающих изотопов введена гамма-постоянная КЭ

Это мощность экспозиционной дозы в рентгенах за час, создаваемая точечным изотопным источником активностью в 1мКu на расстоянии 1 см

Для всех р/а изотопов величина КЭ приведена в справочниках. Для Ra КЭ=8,4 р/ч и является эталоном при определении ионизационной способности различных радионуклидов в единицах миллиграмм эквивалент радия (мг-экв.радия).

Это количество любого радионуклида, которое создаёт такую же мощность экспозиционной дозы (8,4р/ч), как и 1 мг радия, заключённый в платиновый фильтр, толщиной 0.5 мм.


Изотоп

Активность -А

КЭ р/ч*смІ : мКu

мг - экв. радия

Масса

Ra - 226

1 мкКu

8,4

1

1 мг

Со - 60

“------“

13,2

13,2 : 8,4=1,6

0,01 мг

Сs - 137

“------“

3,55

3,55 : 8,4=0,4

сотые мг

Рu -239

“-----“

0,05

0,05 : 8,4 = 0,006

сотни кг
  1   2   3   4


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации