Курс лекций по сельскохозяйственной радиологии учебное пособие - shikardos.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Курс лекций по психиатрии и наркологии (учебное пособие) 11 4182.42kb.
Курс лекций по данной дисциплине. Учебное пособие издается в соответствии... 3 1052.59kb.
Учебное пособие Черемхово, 2013 ббк 86. 2(2) ф 34 7 2867.92kb.
Учебное пособие Третье издание, переработанное и дополненное Томск... 9 894.81kb.
Курс лекций учебное пособие Ижевск фгоу впо ижевская гсха 2009 (075. 4 1361.66kb.
Учебное пособие по литературе. Омск: Омгкпт, 2006 -74 с. Учебное... 5 1073.75kb.
В. И. Гинецинский характер гинецинский В. И. Пропедевтический курс... 1 124.91kb.
Учебное пособие для I курса факультетов иностранных языков Балашов... 14 1035.74kb.
Учебное пособие для студентов и преподавателей Биохимия. Краткий... 1 45.22kb.
Учебное пособие. Москва, Высшая школа, 2003 12 3953.59kb.
Учебное пособие для слушателей интенсивный курс обучения английскому... 2 784.05kb.
Баюров Л. И. Радиобиология 9 4104.19kb.
- 4 1234.94kb.
Курс лекций по сельскохозяйственной радиологии учебное пособие - страница №1/4



МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра физиологии сельскохозяйственных животных




Баюров Л.И.

КУРС ЛЕКЦИЙ

ПО СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ

РАДИОЛОГИИ

Учебное пособие




Краснодар, 2009
УДК
Баюров Л.И.
Курс лекций по сельскохозяйственной радиологии: Учебное пособие. – Краснодар: КубГАУ, 2009. – 112 с.

Учебное пособие включает курс лекций по основным разделам сельскохозяйственной радиологии: понятие об ионизирующем излучении, строение атома, типы ядерных распадов, взаимодействие ионизирующего излучения с биологической тканью, понятие доз излучения и единицы, используемые в радиобиологии.

Дано описание путей миграции, депонирования и выведения радионуклидов по пищевым цепочкам. Дана характеристика медицинских и экологических последствий аварии на Чернобыльской АЭС.

Пособие предназначено для обучения студентов специальностей 110401 – «Зоотехния», 110305 - «Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции» и 110202 – «Плодоовощеводство и виноградарство».


Одобрено методической комиссией факультета зоотехнологии и менеджмента, протокол № от 2009 г.

Рецензент: доцент кафедры агрохимии КубГАУ, кандидат сельскохозяйственных наук Суетов В.П.

© Л.И. Баюров

СОДЕРЖАНИЕ

с.

Лекция 1. Предмет и задачи сельскохозяйственной радиологии………………...5



1. Радиология как наука. Ее предмет и задачи……………………………………5

2. Понятие об ионизирующем излучении (ИИ)…………………………………..11

3. Характеристика ионизирующих излучений…………………………….……..12
Лекция 2. Физические основы радиобиологии………………………………….17

1. Строение атома и ядра. Ядерные силы сцепления..........................................17

2. Эффект насыщения и дефект массы ядра…………………………………...21

3. Понятие о стабильных и нестабильных изотопах…………………………..23

4. Явление радиоактивности……………………………………………………..24
Лекция 3. Ядерные превращения………………………………………………...25

1. Типы ядерных превращений…………………………………………………....25

2. Радиоактивные семейства…………………………………………………….27

3. Ядерная реакция и ее сущность……………………………………………….29

4. Закон радиоактивного распада и единицы радиоактивности………………30
Лекция 4. Источники ионизирующего излучения………………………………33

1. Радиационный фон и его компоненты………………………………………..34

2. Искусственные источники излучения…………………………………………37

3. Миграция радионуклидов в биосфере………………………………………….39
Лекции 5-6. Механизм взаимодействия ионизирующего излучения с биологичес

кой тканью................................................................................................................44

1. Этапы развития радиационного поражения……………………..………….44

2. Теории косвенного и прямого действия…………………………..…………...51

3. Радиохимические процессы в облученном организме……………..…………47

4. Механизм гибели клетки………………………………………….…………....49

5. Радиочувствительность растений и факторы ее определяющие.…………50

6. Влияние облучения растений на качество продукции растениеводства…..53

7. Прогнозирование снижения урожая….………………………………………54
Лекции 7-8. Закономерности загрязнения радионуклидами почвы и растений..55

1. Осаждение радиоактивных аэрозолей на поверхность земли…………………55

2. Радиоактивное загрязнение растений при корневом и некорневом поступлении….…………………………………………………………………………………………56

3. Растениеводство и животноводство в зонах с различной степенью загрязнения почвы радионуклидами………………………..………………………………..…59

4. Агротехнические и агрохимические мероприятия по снижению поступления

радионуклидов из почвы в растения и продукты питания…………………………62

5. Дезактивация растениеводческой и животноводческой продукции...............66
Лекция 9. Действие ионизирующих излучений на людей и животных…..……69

1. Зависимость радиобиологического эффекта от дозы и вида излучения…...69

2. Репарационные (восстановительные) процессы в облученных организмах...70

3. Клиника острой формы лучевой болезни………………………………………73

4. Влияние ионизирующей радиации на иммунитет и продуктивность животных………………………………………………………………………………….75
Лекция 10. Радиотоксикология…………………………………………………...78

1. Предмет радиотоксикологии………………………………………………….78

2. Физико-химические свойства, обусловливающие токсичность радионукли-дов…………………………………………………………………………………..78

3. Пути поступления радионуклидов в организм….……………………………..81

4. Распределение радионуклидов в организме……………………………………81

5. Выведение радионуклидов из организма……………………………………….83
Лекции 11-12. Использование ионизирующего излучения в растениеводстве и животноводстве………………………………………..…………………………..84

1. Радиационные методы в растениеводстве…………………………………...84

2. Радиационный мутагенез как основа селекции………………………………..85

3. Радиоактивные индикаторы в физиологии и биохимии растений и животных…………………………………………………………………………………………….88

4. Использование радиационно-биологических способов в биотехнологии…….92

Лекция 1. Предмет и задачи сельскохозяйственной радиологии
1. Радиология как наука. Ее предмет и задачи

2. Понятие об ионизирующем излучении (ИИ)

3. Характеристика ионизирующих излучений

1. Радиология как наука. Ее предмет и задачи
Радиоактивность и сопутствующие ей ионизирующие излучения существовали на Земле задолго до зарождения на ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения нашей планеты. Ионизирующие излучения сопровождали и Большой взрыв, с которого, как полагается, началось существование нашей Вселенной около 20 млрд. лет назад. С того времени радиация постоянно наполняет космическое пространство, а радиоактивные материалы вошли в состав Земли с самого ее появления. Даже человек слегка радиоактивен, так как во всякой живой ткани присутствуют в следовых количествах радиоактивные вещества. Да и само зарождение жизни на Земле происходило в присутствии радиационного фона окружающей среды.

Ученые часто дискутируют о том, шло ли развитие жизни наперекор постоянному скрытому патогенному воздействию радиации или же способность ионизирующих излучений вызывать мутации и послужила основной причиной непрерывной эволюции биологических видов в сторону повышения их организации. Однако в настоящее время никто не сможет с уверенностью сказать, как в действительности обстоит дело. И новое, что создал человек в этом отношении, это лишь дополнительная радиационная нагрузка, которой мы подвергаемся, например, во время рентгеновского исследования, полета на реактивном самолете, при выпадении радиоактивных осадков после испытания ядерного оружия или в результате работы атомных электростанций, созданных человеком для получения электрической энергии.

В результате этого, в настоящее время миллионы людей контактируют с источниками ионизирующих излучений. Что же помешало огромному росту числа жертв радиации, которого можно было бы ожидать, исходя из многократного увеличения массы контактирующих с нею людей? Таким фактором стало знание свойств ионизирующих излучений, позволившее разработать методы противорадиационной защиты и прогнозирования последствий воздействия радиации на организм человека.

«Предвидеть - значит управлять», - писал великий французский философ, математик и физик Блез Паскаль. Приступая к изучению явления радиоактивности и свойств ионизирующих излучений, знание которых необходимо для прогнозирования и снижения тяжести последствий их воздействия на организм, разработки способов и средств противорадиационной защиты, вначале мы познакомимся с предметом с.-х. радиологии и проделаем краткий экскурс в историю ее становления и развития как науки.

Как и всякое явление, в условиях которого проходит жизнь человека, радиация (будь это естественное или техногенное воздействие на живой организм) заслуживает соответствующего внимания. Именно этим и занимается наука и учебная дисциплина «Сельскохозяйственная радиология».



Сельскохозяйственная радиология – это раздел радиологии, изучающий действие ионизирующей радиации на живые организмы, их сообщества и биоценозы в целом.

Основной задачей, составляющей предмет с.-х. радиологии, является вскрытие закономерностей ответа биологических объектов на радиационное воздействие, на основе которых можно овладеть искусством управления лучевыми реакциями организма. Для решения этой задачи необходимо обладать знаниями из ряда смежных фундаментальных дисциплин, таких как физика, химия, биология, биофизика, биохимия, цитология, гистология, нормальная и патологическая физиология.

Решение стоящих перед радиологией задач позволило ей занять достойное место среди наук, служащих интересам человечества. Уже сегодня в сельском хозяйстве используют предпосевное облучение семян как метод повышения урожайности, методы радиационной генетики используются не только для выведения новых видов животных и растений, но и для борьбы с вредителями путем стерилизации насекомых. На основе радиобиологических знаний организована лучевая стерилизация овощей, пищевых консервов, а также медицинских средств и реактивов.

За более чем 100 лет со времени открытия ионизирующих излучений накоплен огромный теоретический и практический материал, обобщение которого позволило построить стройную систему представлений о радиации и ее воздействии на живые организмы.

Зарождение радиологии связано с тремя важнейшими событиями конца XIX века:

1). открытие Вильгельмом Конрадом Рентгеном (первая Нобелевская премия по физике, 1901) новых невидимых для глаза лучей, получивших название рентгеновских или Х-лучей.

Сообщение об открытии датировано 28 декабря 1895 г. Более полутора меся-

цев ученый тщательно исследовал неведомые лучи. Ему удалось установить, что они сильно флюоресцируют под ударами катодных лучей.



В начале 1896 г. петербургский физиолог И. Р. Тарханов провел первые исследования на лягушках и насекомых, облученных лучами Рентгена, и пришел к выводу, что «Х-лучами можно не только фотографировать, но и влиять на ход жизненных функций».

Другим пионером в радиобиологии был российский патофизиолог, биохимик и радиобиолог, профессор Е. С. Лондон, который начал в 1896 г. многолетние широкие исследования по рентгенорадиологии и экспериментальной радиобиологии. Еще в 1901 г. в работе П. Кюри и А. Беккереля, появилась первая официальная информация о патологическом влиянии радиации на кожу, в которой авторы сообщали, что неосторожное обращение с радием вызывало у них ожоги кожи. Понимая необходимость элементарных дозиметрических знаний, Е.С. Лондон и его сотрудник врач-хирург С.В. Гольдберг проводили экспериментальные исследования действия радия на себе. Работа Е.С. Лондона «Радий в биологии и медицине» (1911) стала первой в мире монографией по радиобиологии.

Основной и очень важной задачей радиобиологии в то время была необходимость точной количественной оценки дозы радиации. Дозиметрия, как раздел физики, количественно оценивающая испускаемую (экспозиционную) и поглощенную энергию излучений, а также активность радиоизотопов, появилась значительно позднее.

2). весной 1896 г. французский физик Антуан Анри Беккерель (Нобелевская премия по физике, 1903) сделал ряд сообщений об обнаружении им нового вида излучения, которое испускается солями урана. Подобно открытым за несколько месяцев до этого рентгеновским лучам, оно обладало проникающей способно-

стью, засвечивало экранированную черной бумагой фотопластинку и ионизи-

ровало воздух.

Гипотеза, которая привела к открытию радиоактивности, возникла у Беккереля под влиянием исследований В.Рентгена.

Поскольку при генерации Х-лучей наблюдалась фосфоресценция стеклянных стенок рентгеновской трубки, Беккерель предположил, что любое фосфорес-

центное свечение сопровождается испусканием рентгеновского излучения. Он поместил на пакет фотографических пластинок, завернутых в плотную чер-

ную бумагу, люминесцентный материал (сульфат-уранил калия), имевшийся у него под рукой, и в течение нескольких часов подвергал этот сверток облуче-

нию солнечным светом.

После этого Беккерель обнаружил, что излучение прошло сквозь бумагу и воздействовало на фотографическую пластинку, что, очевидно, указывало на то, что соль урана испускала рентгеновские лучи, а также и свет после того, как была облучена солнечным светом. Однако, к удивлению Беккереля, оказалось, что то же самое происходило и тогда, когда такой пакет с фотопластинками помещали в темное место без облучения солнечным светом.

Анри Беккерель, по-видимому, наблюдал результат воздействия не рентгеновских лучей, а нового вида проникающей радиации, испускаемой без внешнего облучения источника.

В мае 1896 г. Беккерель, проведя опыты с чистым ураном, обнаружил, что фотографические пластинки показывали такую степень облучения, которая в три-четыре раза превышала излучение первоначально использовавшейся соли урана. Загадочное излучение, которое, совершенно очевидно, являлось свойством, присущим урану, стало известно как лучи Беккереля.

Многочисленные контрольные опыты показали, что причиной засветки явилась не фосфоресценция, а именно уран, в каком бы химическом соединении он ни находился. Это явление самопроизвольного испускания солями урана лучей особой природы было названо радиоактивностью (от лат. radio – «излучаю»; radius-«луч» и activus - «действенный»).

Своим открытием Беккерель поделился с Пьером Кюри и Марией Склодовс-

кой-Кюри. Однажды для публичной лекции он взял у супругов Кюри пробирку с радиоактивным препаратом и положил ее в жилетный карман. На следующий день он обнаружил на теле покраснение кожи в виде пробирки. Беккерель рассказал об этом П.Кюри, который ставит на себе опыт: в течение десяти часов носит привязанную к предплечью пробирку с радием. Через несколько дней у него развивается покраснение, перешедшее затем в тяжелейшую язву, от которой Кюри страдал два месяца. Так впервые опытным путем, было открыто биологическое действие радиации.

3). открытие в 1898 г. супругами Кюри радиоактивности тория и радиоактив-

ных элементов - полония и радия, испускающих три вида лучей: α, β и γ. Радий заставлял фосфоресцировать многие вещества, неспособные сами по себе излучать свет.

За свои исследования Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри в 1903 г. были удостоены Нобелевской премии по физике. Спустя 8 лет последовала вторая Нобелевская премия по химии, присужденная Марии Кюри «за открытие элементов радия и полония, за выяснение природы радия и выделение его в металлическом виде». Так М. Склодовская-Кюри стала первой женщиной, удостоенной высшей награды, и первым ученым, удостоенным ею дважды.



М. Склодовская-Кюри скончалась в 1934 г. от лучевой болезни. В 1955 г. были обследованы записные книжки Марии Кюри. Они до сих пор излучают из-за радиоактивного загрязнения, внесенного при их заполнении. На одном из листков сохранился также радиоактивный отпечаток пальца ее супруга - Пьера Кюри.

Особенно интенсивно радиология начала развиваться в 30-40-х годах прош-

лого столетия в связи с достижениями ядерной физики.

В 1934 г. супругами Иреной и Фредериком Жолио-Кюри была открыта искусственная радиоактивность, за что им была присуждена Нобелевская пре-

мия по химии. Открытие искусственной радиоактивности явилось началом нового этапа развития ядерной физики.

Совместно с сотрудниками они изучали также различные ядерные реакции, вызванные действием альфа-частиц и дейтронов, и способы использования искусственных радиоактивных изотопов в качестве меченых атомов. Исследование супругами Жолио-Кюри свойств излучения, возникающего при бомбардировке атомов бериллия альфа-частицами, сыграло большую роль в развитии нейтронной физики.

Ф. Жолио-Кюри впервые доказал (1934), что масса нейтрона несколько больше массы протона.

В конце 30-х годов ХХ века итальянский физик Энрико Ферми с сотрудни-

ками доказал возможность получения радиоактивности почти у всех элементов под воздействием нейтронной бомбардировки их ядер. Им же в 1942 г. был спроектирован и построен в США первый в мире ядерный реактор, что позво-

лило широко использовать радиоизотопы в научных лабораториях, технике, медицине и сельском хозяйстве.

В 1938 г. Э.Ферми была присуждена Нобелевская премия по физике. В решении Нобелевского комитета говорилось, что премия присуждена ему «за доказательства существования новых радиоактивных элементов, полученных при облучении нейтронами, и связанное с этим открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами». В том же году Энрико Ферми эмигри-

ровал в США, став профессором Колумбийского университета, где руководил исследованиями в области исследования ядерной энергии, участвовал в созда-

нии проекта атомной бомбы. В декабре 1942 г. ему с сотрудниками впервые удалось осуществить цепную ядерную реакцию в ядерном реакторе, где в ка-

честве замедлителя нейтронов использовался графит, а в качестве «горючего» – уран.

В 1955 г. при ООН был создан научный комитет по действию атомной радиации (НКДАР) на организм человека.

В настоящее время функционирует ещё одна организация - МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии) - созданная в 1957 году, со штаб-квартирой в Вене, для развития международного сотрудничества в области мирного использования атомной энергии.

Наиболее важной задачей, стоящей в настоящее время перед сельскохозяйст-

венной радиологией является защита живых организмов от вредного воздейст-

вия ионизирующих излучений. Они опасны тем, что даже в малых дозах, не вызывающих заболеваний или гибели, они оставляют свой след на облученном организме, что может сказаться на последующих поколениях по истечении длительного времени.

Кроме этого, сельскохозяйственная радиология занимается также проблемой миграции радионуклидов в сфере сельскохозяйственного производства, изуче-

нием закономерностей поступления и накопления радиоизотопов в растениях, разработкой агротехнических и агрохимических мероприятий по снижению перехода радионуклидов из почвы в растения и разрабатывает различные способы и методы дезактивации сельскохозяйственной продукции.

Достижения современной радиологии нашли отражение и в такой отрасли растениеводства как селекция с.-х. культур на основе использования эффекта радиационного мутагенеза при выведении новых высокоурожайных сортов. Весьма перспективной видится роль ионизирующей радиации в различных биотехнологических приемах и методах.

А в физиологических и биохимических исследованиях животных и растений нашли широкое применение различные радиоактивные индикаторы («меченые» атомы).



2. Понятие об ионизирующем излучении (ИИ)
Важнейшим свойством различных ядерных превращений является их способность образовывать различные виды ионизирующих излучений (ИИ), которые, в свою очередь, при прохождении различных сред (газы, твердые тела и жидкости) неорганического или органического происхождения вызывают в них ионизацию атомов и молекул. Это приводит к образованию электрически заряженных частиц – ионов (катионов и анионов).

Такое взаимодействие приводит возбуждению атомов и отрыву отдельных элект-ронов из атомных оболочек. В результате атом, лишенный одного или нескольких электронов, превращается в положительно заряженный ион - происходит первичная ионизация.

Выбитые при первичном взаимодействии электроны, обладающие энергией, сами взаимодействуют со встречными атомами и также создают новые ионы - происходит вторичная ионизация. Электроны, потерявшие в результате многократных столкновений свою энергию, остаются свободными или присоединяются («прилипают») к нейтральному атому, образуя отрицательно заряженные ионы. Энергия излучения при прохождении через вещество расходуется в основном на ионизацию среды.

Число пар ионов, создаваемых ионизирующим излучением в веществе на единице пути пробега, называется удельной ионизацией, а средняя энергия, затрачиваемая ионизирующим излучением на образование одной пары ионов, - средней работой ионизации. Расстояние, пройденное частицей от места образования до места потери ею избыточной энергии, называется длиной пробега.

На каждую пару ионов возникает, кроме того, два-три возбуждённых атома или молекулы, в которых при столкновении происходит перемещение электронов на оболочках. В результате атом или молекула приобретают избыточную энергию, которая излучается или в виде фотонов видимого, ультрафиолетового света, или в виде рентгеновских лучей и гамма- квантов.

Радиобиологические эффекты, возникающие при воздействии ИИ на живые

организмы, обусловлены, прежде всего, количеством энергии, поглощенной единицей объема биологической ткани. Вплоть до начала пятидесятых годов прошлого столетия для измерения количества радиации использовалась единица экспозиционной дозы «рентген» (Р). Один рентген соответствовал эффекту действия 1 г радия-226 за час на расстоянии одного метра и обнаруживался по покраснению кожи руки.

В настоящее время один рентген - это такая величина энергии ионизирую-

щего излучения, которая в 1 см³ абсолютно сухого воздуха при температуре 0ºС и атмосферном давлении 760 мм рт. ст. приводит к образованию 2,08•109 пар ионов.

Ионизирующие излучения по своей природе неоднородны, т.к. создаются различными видами радиоактивных лучей.
3. Характеристика ионизирующих излучений
Все виды ИИ по природе принято делить на 2 группы:

1). корпускулярные (от лат. corpusculum – «тельце»);

2). волновые (электромагнитные).

Корпускулярные излучения представляют собой потоки лучей определенной массы, создаваемых элементарными и атомными частицами. Большинство этих лучей имеет электрический заряд, массу покоя и скорость распространения. Выделяют 3 группы корпускулярных излучений. Рассмотрим их подробнее.

(альфа) - излучение. Это излучение создается альфа-частицами, каждая из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов, прочно связанных между собой. Масса -частицы составляет 4,003 атомных единиц массы (а.е.м.), а её заряд равен двум положительным элементарным единицам. При вылете из ядер одного и того же радиоизотопа все альфа-частицы имеют одинаковую энергию. Скорость их движения составляет от 0,05 до 0,08 скорости света, т. е. 14-20,6 тыс. км в секунду.

Вследствие положительного заряда и относительно невысокой скорости -частицы весьма интенсивно взаимодействуют с электронами поглощающего материала; быстро расходуя свою энергию. При этом они успевают пройти очень небольшое расстояние и обладают самой высокой степенью линейной, удельной и объемной ионизации различных сред и веществ. Так, в воздухе на своем коротком пути движения одна альфа-частица приводит к образованию от 116 до 254 тыс. пар ионов. В воздухе - частицы имеют путь пробега от 2,5 до 11 см, а в мягких тканях живых организмов – всего лишь 30-130 микрон в зависимости от своей энергии.

Поток альфа-частиц легко остановит даже лист бумаги. Поэтому обладающие самой большой энергией альфа-частицы не могут проникнуть сквозь огрубевшие верхние слои клеток кожи. Однако, альфа-излучение гораздо опаснее, когда его источники находятся внутри организма.

Кроме -частиц, представляющих собой ядра гелия, существуют альфа-лучи, создаваемые дейтронами - ядрами дейтерия Н2(одного из изотопов водорода). Такое ядро состоит из одного протона и нейтрона, а сама частица при одинарном положительном заряде имеет массу, равную приблизительно двум атомным единицам массы.

(бета) - излучение. По знаку может быть положительным и отрицатель-

ным. В первом случае оно создается потоком позитронов, а во втором – электронов.

В отличие от альфа-излучения бета-частицы одного и того же радиоизотопа обладают разным уровнем энергии. Скорость, с которой они движутся в прост-

ранстве, колеблется от 10 до 28,9 тыс. км в секунду (0,029-0,099 скорости све-

та).


Вследствие большей скорости проникающая способность -частиц выше, чем у альфа. В воздухе она составляет около 10 м, а в мягких тканях - до 10 мм и более.

Поток нейтрально заряженных частиц (нейтронов) представляет собой третью группу корпускулярных излучений. Оно возникает при превращении ядер одних химических элементов в другие. Нейтроны – это элементарные частицы, не имеющие заряда, и массой, практически равной массе протонов.

Лучи, создаваемые этими частицами, обладают сравнительно высоким коэффициентом ионизации, уступающим только -лучам. В связи с отсутстви-

ем у нейтронов электрического заряда они проходят в веществе без взаимодей-

ствий сравнительно большие расстояния, измеряемые сантиметрами. Нейтроны сталкиваются, главным образом, с ядрами атомов различных веществ.

Явления, происходящие при взаимодействии нейтронов с ядрами, зависят от кинетической энергии нейтронов. Поэтому обычно нейтроны делят на от-дельные энергетические группы - тепловые, медленные и быстрые нейтроны. Границы этих энергетических групп условны.

При взаимодействии с ядрами тяжелых элементов нейтроны могут вызывать реакции деления. Однако для живой материи, состоящей преимущественно из атомов легких элементов, эти реакции несущественны.

Таким образом, все заряженные частицы в результате их электростатического взаимодействия с электронами облучаемого вещества приводят к непосредственной прямой ионизации его атомов и молекул. Это взаимодействие тем эффективнее, чем больше порядковый номер вещества-поглотителя.

Второй вид ИИ представлен различными группами волновых (электромагнитных) лучей, которые распространяются в пространстве в виде колебаний электромагнитных полей. Характерным их свойством является постоянная скорость распространения в вакууме, равная скорости света (около 300 тыс. км в сек). Имея сходную природу образования, эти излучения отличаются между собой условиями образования, длиной волны, частоты колебания и энергией. При этом, чем меньше длина волны и больше частота колебания, тем больше энергия и проникающая способность электромагнитного ионизирующего излучения.

Ионизирующим эффектом из различных волновых излучений обладают рентгеновские и гамма-лучи, а также дальний («жесткий») ультрафиолет.

Наибольшее значение для всех живых организмов, населяющих Землю, имеют гамма-лучи. Это коротковолновое электромагнитное излучение с дли-

ной волны менее 10-10 см, возникающее при распаде радиоактивных ядер и

элементарных частиц и взаимодействии быстрых заряженных частиц с вещест-

вом.

По своей сути эти лучи представляют собой кванты, то есть порции электрических магнитных колебаний, имеющих наименьшую длину волны и наибольшую частоту колебания с другими видами волновых излучений.



В межзвёздном пространстве γ-излучение может возникать в результате соударений квантов более мягкого длинноволнового электромагнитного излучения, например света, с электронами, ускоренными магнитными полями космических объектов. При этом быстрый электрон передаёт свою энергию электромагнитному излучению и видимый свет превращается в более жёсткое гамма-излучение.

Гамма-кванты являются электрически нейтральными, не отклоняются в магнитном поле, не имеют массы покоя и не вызывают прямой ионизации.

При прохождении среды они способны выбивать электроны с оболочек атомов, передавая им часть или всю свою энергию. Эти выбитые электроны (-лучи) и производят эффект вторичной ионизации. Гамма-лучи отличаются очень высокой скоростью прохождения различных сред на довольно большие расстояния. Так, в воздухе путь их пробега равен 100-120 м, а в мягких тканях животных и человека - до 0,5 м и более.

При прохождении через вещество гамма-кванты взаимодействуют с атомами, электронами и ядрами, в результате их интенсивность уменьшается. В области энергий до 10 МэВ и более существенными процессами являются эффект Комптона (комптон-эффект), образование электрон-позитронных пар и фотоэффект.



При фотоэффекте происходит поглощение γ -кванта одним из электронов атома, причём энергия γ-кванта преобразуется (за вычетом энергии связи электрона в атоме) в кинетическую энергию электрона, вылетающего за пределы атома.

При комптон-эффекте происходит рассеяние γ-кванта на одном из электронов, слабо связанных в атоме, В отличие от фотоэффекта, при этом взаимодействии γ-квант не исчезает, а лишь изменяет энергию (длину волны) и направление своего распространения. Узкий пучок гамма-лучей в результате комптон-эффекта становится более широким, а само излучение - более мягким (длинноволновым).

Если же энергия γ-кванта превышает 10 МэВ, становится возможным процесс образования электрон-позитронных пар в электрическом поле ядер. В свою очередь противоположный процесс аннигиляции электрон-позитронной пары является источником гамма-излучения.

Рентгеновские (X) лучи - это невидимое глазом электромагнитное излуче-

ние с длиной волны 10-5 - 102 нм. Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии электронов, движущихся с большими скоростями, с вещест-

вом. Когда электроны соударяются с атомами какого-либо вещества, они быстро теряют свою кинетическую энергию. При этом большая ее часть пере-

ходит в тепло, а небольшая доля, обычно менее 1%, преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Эта энергия высвобождается в форме квантов – частиц, называемых фотонами, которые обладают энергией, но масса покоя которых равна нулю.

Вредное биологическое действие рентгеновского излучения обнаружилось вскоре после его открытия Рентгеном. Оказалось, что новое излучение может вызвать что-то вроде сильного солнечного ожога (эритему), сопровождающегося, однако, более глубоким и стойким повреждением кожи. Появлявшиеся при этом язвы нередко переходили в рак. Во многих случаях приходилось ампутировать пальцы или руки. Случались также и летальные исходы. Было установлено, что поражения кожи

можно избежать, уменьшив время и дозу облучения, применяя экранировку (например, свинец) и средства дистанционного управления.

Ультрафиолетовое (UV) излучение. Вся область ультрафиолетового излучения условно делится на ближнюю (200-400 нм) и дальнюю (вакуумную) (10-200 нм). Последнее название обусловлено тем, что излучение этого диапазона сильно поглощается воздухом и его исследование производят с помощью вакуумных спектральных приборов.

UV- радиация находится в конце видимого фиолетового спектра, имеет длину волн короче 400 нм и подразделяется на:

1). UVA (320-400 нм), которая не вызывает покраснения или ожога кожи после чрезмерного воздействия;

2). UVB (280-320 нм) - этот подвид является основным в естественном солнечном свете, и именно он обусловливает острые и хронические повреждения кожи. UVB-радиация (спектр загара) является с биологической точки зрения наиболее опасной и требующей особого внимания;

3). UVC (100-280 нм), воздействию этих лучей кожа человека подвергается редко, поскольку они полностью рассеиваются в атмосфере.

Естественный солнечный свет является наиболее распространенным источником UVB- радиации. Слой озона в стратосфере, лежащий на высоте примерно от 15 до 30 км над уровнем моря, играет наиболее важную роль в защите от вредного воздействия ультрафиолета на здоровье. Озон поглощает большую часть УФ-радиации, излучаемой солнцем и вредной для человека.



Искусственные источники ультрафиолетовой радиации включают в себя флуоресцентные лампы, которые вырабатывают в основном UVA-лучи и используются в качестве ламп для загара в соляриях, а также для диагностики и терапии в дерматологии.

Нетрудно заметить, что для -, - и -излучений наблюдается простая закономерность: чем выше ионизирующая способность излучения, тем ниже способность проникающая. Это вовсе не случайно: при взаимодействии этих

излучений с веществом основная часть энергии расходуется именно на ионизацию.

Итак, ионизирующие излучения представляют собой потоки частиц и квантов электромагнитного излучения, прохождение которых через вещество приводит к ионизации и возбуждению его атомов или молекул. Это электроны, позитроны, протоны, нейтроны и другие элементарные частицы, а также атомные ядра и электромагнитное излучение гамма, рентгеновского и оптического диапазонов.

В случае воздействия нейтрального излучения (X-, γ-кванты и нейтроны) ионизацию осуществляют вторичные заряженные частицы, образующиеся при взаимодействии излучения с веществом. Это - электроны и позитроны (в случае воздействия Х- и γ-квантов) и протоны (в случае бомбардировки ядер нейтронами).

Лекция 2. Физические основы радиобиологии
1. Строение атома и ядра. Ядерные силы сцепления

2. Эффект насыщения и дефект массы ядра

3. Понятие о стабильных и нестабильных изотопах

4. Явление радиоактивности

1. Строение атома и ядра. Ядерные силы сцепления
Еще в V веке до нашей эры греческие мыслители Левкипп и Демокрит сформулировали результаты своих размышлений о структуре материи в виде атомистической гипотезы: вещество невозможно бесконечно делить на все более мелкие части, существуют «окончательные», неделимые частицы вещества. Все материальные предметы состоят из разнообразных атомов (от греч. atomos - «неделимый», «неразрезаемый»).

Атом – это наименьшее структурное образование любого из простейших химических веществ, называемых элементами. Хотя понятие атома, как и сам термин, имеет древнегреческое происхождение, только в ХХ веке была твердо установлена истинность атомной гипотезы строения веществ.

Размер и масса атомов чрезвычайно малы. Так, диаметр самого легкого атома (водорода) составляет всего 0,53 . 10-8 см, а его масса 1,67 . 10-24 г.

Развитие исследований радиоактивного излучения, с одной стороны, и квантовой теории - с другой, привели к созданию квантовой модели атома Резерфорда - Бора. Но созданию этой модели предшествовали попытки построить модель атома на основе представлений классической электродинамики и механики.

Ученик Джозефа Томсона Эрнест Резерфорд (Нобелевская премия по химии, 1908) в результате знаменитых экспериментов по рассеянию золотой фольгой α-частиц «разделил» атом на маленькое положительно заряженное ядро и окружающие его электроны. Согласно ей он напоминал миниатюрную солнечную систему, в которой «планеты» - электроны вращаются вокруг «Солнца» - ядра.

Благодаря работам Резерфорда стало ясно, как устроены атомы: в середине атома находится крохотное массивное ядро, а вокруг ядра «роятся» электроны и образуют легкую оболочку атома. При этом электроны, располагаясь и вращаясь в разных плоскостях, создают отрицательный суммарный заряд, а ядро - положительный. В целом же атом остается электронейтральным, так как положительный заряд ядра полностью компенсируется отрицательным зарядом электронов.

Однако, согласно законам классической механики и электродинамики, вращение электрона вокруг ядра должно сопровождаться электромагнитным излучением с непрерывным спектром. Но это противоречило известным еще с 1880 г. линейчатым спектрам газов и паров химических элементов. Противоречие разрешил в 1913 г. ученик Резерфорда датский физик Нильс Бор (Нобелевская премия по физике, 1922), разработав квантовую модель строения атома на основе квантовой теории излучения и поглощения света, созданной Максом Планком (Нобелевская премия по физике, 1918) и Альбертом Эйнштейном (Нобелевская премия по физике, 1921).

При этом Бору удалось объяснить и рассчитать теоретически линейчатые спектры испускания атомов водорода, а также серии линий в рентгеновских спектрах элементов.

В 1932 г. наш отечественный физик Дмитрий Дмитриевич Иваненко и немецкий ученый Вернер Гейзенберг (Хайзенберг) независимо друг от друга высказали предположение, что нейтрон является наряду с протоном структурным элементом ядра. Однако, протонно-нейтронная модель ядра была встречена большинством физиков скептически. Даже Э. Резерфорд полагал, что нейтрон - это лишь сложное образование протона и электрона.

В дальнейшем протон и нейтрон стали рассматриваться как два состояния одной частицы - нуклона, и идея Иваненко стала общепринятой, а в 1932 г. в составе космических лучей была открыта еще одна элементарная частица - позитрон.

В настоящее время существует гипотеза о делимости ряда элементарных частиц на субчастицы – кварки.

Кварки - это гипотетические частицы, из которых, как предполагается, могут состоять все известные элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях (адроны).

Итак, атомы состоят из трех видов элементарных частиц. В центре атома имеется ядро, образованное протонами и нейтронами. Вокруг него быстро вращаются электроны, образуя так называемые электронные облака. Количество протонов в ядре равно количеству электронов, движущихся вокруг него. Масса протона примерно равна массе нейтрона. Масса электрона гораздо меньше их масс (1836 раз).

Электрон (е-) - это устойчивая элементарная частица массой 9,1.10-28 г. Напомним еще раз, что он был открыт в 1897 г. английским физиком Джозефом Джоном Томсоном.

Название «электрон» первоначально предложенное английским учёным Джорджем Стони (1891) для заряда одновалентного иона происходит от греческого слова elektron, означающего «янтарь». Его заряд, измеренный в свое время американским физиком Робертом Милликеном (Нобелевская премия по физике, 1923), представляет собой наименьшее количество отрицательного электричества, существующее в природе. В зависимости от своей энергии, с которой электроны удерживаются вокруг ядра, они распределяются по электронным оболочкам или орбитам, которые обозначаются цифрами или буквами, начиная от ядра: 1-K, 2-L, 3-M, 4-N, 5-O, 6-P, 7-Q.

Максимальное количество электронов, вращающихся на каждой орбите, строго определено. Так, на орбите К их только 2, L-8, М-18, N-32 и т.д. Атомы, у которых внешняя электронная оболочка заполнена полностью, обладают особенно высокой устойчивостью и образуют группу химически неактивных инертных («благородных») газов (He, Ne, Ar, Kr, Xe и Rn).

Под действием бомбардировок элементарными частицами или квантами извне электроны способны переходить с одних орбит на другие или покидать пределы атома, присоединяясь к электронным оболочкам других атомов.

В первом случае возникает возбуждение, а во втором - ионизация атома.

Электрон участвует в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействиях и проявляет многообразие свойств в зависимости от типа взаимодействий. Электрон - представитель единого обширного семейства элементарных частиц, и ему в полной мере присуще одно из основных свойств элементарных частиц - их взаимопревращаемость.

Ядро атома имеет в среднем размер 10-13 см, что меньше диаметра самого атома от 10 до 100 тысяч раз. В его состав входят ядерные частицы - нуклоны (от греч. nucleos – «ядро»), которые представлены протонами и нейтронами.

Протон (р) – это устойчивая элементарная частица массой 1,008 а.е.м., что превышает массу электрона в 1836 раз. Эта частица несет в себе положительный одинарный заряд. Как известно, за одну атомную единицу массы в химии принята масса 1/12 части ядра изотопа С12, что составляет 1,66.10-27 кг.

Протон является сильно взаимодействующей частицей (адроном) и относится к «тяжёлым» адронам - барионам. Важнейшим примером сильного взаимодействия с участием протона являются ядерные силы, связывающие нуклоны в ядре.



Нейтрон (n) был открыт в 1932 г. английским физиком Джеймсом Чедвиком (Нобелевская премия по физике, 1935) при облучении бериллиевой мишени потоком альфа-частиц, создаваемых полонием. Чедвик установил, что обнаруженное ранее немецкими физиками В.Боте и Г.Бекером проникающее излучение, которое возникает при бомбардировке атомных ядер -частицами, состоит из незаряженных частиц массой, близкой к массе протона.

Нейтрон устойчив только в составе стабильных атомных ядер. В свободном состоянии - это нестабильная частица, распадающаяся на протон, электрон и электронное антинейтрино.

Итак, протоны, входящие в ядро, определяют его заряд, а сумма масс протонов и нейтронов – его массу, которая практически и составляет массу самого атома ввиду ничтожности величины масс электронов.

Число протонов в ядре всегда равно числу электронов. В ядрах легких и устойчивых изотопов число p и n совпадает (Н- 1р и 1n, Не – 2р и 2n, О – 8р и

8n и т.д.). В ядрах же тяжелых элементов количество нейтронов существенно

превышает число протонов.

Для характеристики соотношения нуклонов в ядерной физике и химии принята следующая запись элементов:

А

Z X
где Х - символ элемента; А - массовое число; Z - заряд ядра (порядковый номер).

Таким образом, число протонов соответствует величине Z, а число нейтронов можно рассчитать по формуле: n = A-Z.



Например, 92U238 А = 238; Z = 92; n = 238 – 92 = 146

Нуклоны в ядре могут взаимно переходить друг в друга:

1). p n + e+ (позитрон) + υ (нейтрино) + Q

2). n p + e- (электрон) + υ~ (антинейтрино) + Q

В результате этих переходов нейтроны и протоны остаются в ядре, а позитроны, электроны, нейтрино и антинейтрино вылетают из него.

Протоны ядра, неся положительный заряд, испытывают силу взаимного отталкивания, которая выражается законом Кулона: электрическая сила взаимодействия двух точечных элементарных зарядов прямо пропорциональна их величине и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Так как расстояние между протонами в ядре ничтожно мало, величина силы отталкивания чрезвычайно велика. Что же удерживает протоны в ядре?

Нейтрон не обладает электрическим зарядом, и электрические силы на него не действуют. Поэтому физики предположили, что внутри ядра действуют какие-то неизвестные до сих пор силы, которые «склеивают» протоны и нейтроны в единое ядро. Вскоре стали известны свойства этих сил, и в 1935 г. японский физик-теоретик Хидэки Юкава создал мезонную теорию ядерных сил взаимодействия.

Ядерные силы сцепления существуют благодаря наличию двух основных факторов:

1). нейтроны ядра выполняют роль своеобразного «разбавителя-буфера» протонов, не давая им взаимодействовать между собой;

2). между протонами и нейтронами действуют силы взаимного притяжения, которые отличны от электромагнитных и гравитационных сил.

Эти силы отличны от хорошо известных электростатических и гравитационных сил, не исчезающих даже на очень больших расстояниях.

Ядерные силы являются силами притяжения, что прямо следует из факта существования устойчивых ядер, вопреки электростатическому отталкиванию находящихся в них протонов. В пределах своего радиуса действия (до 10-13 см) ядерные силы достигают очень большой величины.


2. Эффект насыщения и дефект массы ядра
Эффект насыщения ядра связан с силами взаимного сцепления нуклонов. Последние определяются соотношением числа протонов и нейтронов в ядре. В стабильных (нерадиоактивных) ядрах соотношение p к n составляет обычно 1:1-1,2. В ядрах тяжелых радионуклидов это соотношение существенно сдвигается в сторону нейтронов и достигает значения 1:1,6.

Нуклоны в ядрах находятся в состояниях, существенно отличающихся от их свободных состояний. За исключением ядра обычного водорода во всех ядрах имеется не менее двух нуклонов, между которыми существует особое ядерное сильное взаимодействие - притяжение - обеспечивающее устойчивость ядер, несмотря на отталкивание одноименно заряженных протонов.



Энергией связи нуклона в ядре называется физическая величина, равная той работе, которую нужно совершить для удаления нуклона из ядра без сообщения ему кинетической энергии.

Энергия связи ядра определяется величиной той работы, которую нужно совершить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра должна выделяться такая же энергия, какую нужно затратить при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны. Отсюда, энергия связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро и их энергией в ядре.

Еще в 1927 г. английский химик Фрэнсис Астон, измеряя атомные веса различных элементов, экспериментально доказал, что фактическая масса любого стабильного или нестабильного ядра меньше расчетной суммы масс входящих в него частиц на несколько десятых долей процента. Эта разница между теоретической (расчетной) и фактической массами ядра получила название дефекта массы, что выражается следующей формулой:

mядра = mядра теоретическая - mядра фактическая

Таким образом, при образовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра при его образовании объясняется выделением энергии связи.

Одной атомной единице массы соответствует атомная единица энергии связи (а.е.э.): 1 а.е.э.= 931,5016 МэВ.

Например: рассчитать m ядра гелия, состоящего из 2 протонов и 2 нейтронов. Находим расчетным путем массу ядра, подставляя уже известные нам величины масс протона и нейтрона: mя He = 2.1,008+2.1,009=4,034 а.е.м. Фактическая же масса ядра гелия составляет 4,003 а.е.м., т.е. меньше расчетной примерно на 0,03 а.е.м.

Этот дефект массы указывает на то, что при образовании ядра гелия часть масс нуклонов преобразуется в энергию связи, необходимую для существования ядра.

Ее расчет по формуле Эйнштейна (Есв = Δmc2) приводит к следующему: 0,03•931,5016 = 27,945 МэВ. Это - огромная величина. Образование всего 1 г гелия сопровождается выделением энергии порядка 1012Дж. Примерно такая же энергия выделяется при сжигании почти целого вагона каменного угля.
3. Понятие о стабильных и нестабильных изотопах
Одним из главных открытий выдающегося английского радиохимика Фредерика Содди стало открытие явления изотопии элементов (Нобелевская премия по химии, 1921). Изотопы - это разновидности атомов одного и того же элемента, занимающие в периодической системе одно и то же место. Термин «изотоп» был предложен Содди в 1910 г. на основе двух греческих слов: isos - «равный», «одинаковый» и topos - «место».

Другими словами, изотопы это разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но разную атомную массу. Ф.Содди говорил, что изотопы одинаковы «снаружи», но отличаются «внутри».

Сначала Ф.Содди нашел изотопы нескольких радиоактивных элементов, а потом обнаружил и нерадиоактивные. Отличить изотопы друг от друга Содди смог из-за различия их физических свойств.

Большой вклад в развитие учения об изотопах внес также выдающийся английский химик Фрэнсис Астон. В 1913 г. он совместно с Дж.Томсоном впервые получил подтверждение существования стабильных изотопов у неона.



Им был сконструирован первый масс-спектрометр, с помощью которого были открыты 213 устойчивых изотопов химических элементов и определена их относительная распространенность. В 1922 г. ученому была присуждена Нобелевская премия по химии «за сделанное им с помощью им же изобретенного масс-спектрографа открытие изотопов большого числа нерадиоактивных элементов и за формулирование правила «целых чисел».

Итак, практически все элементы периодической системы Д.И. Менделеева имеют несколько изотопов. При этом их химические свойства довольно близки. А физические могут кардинально отличаться. Это связано с различным эффектом насыщения ядер, и, следовательно, величиной дефекта массы ядра и ядерных сил сцепления между нуклонами.

В связи с этим изотопы одного и того же химического элемента могут быть как стабильными, так и нестабильными, т.е. радиоактивными.

Целый ряд элементов представлен только нестабильными изотопами (радон, полоний, все актиноиды и др.). Следует отметить и тот факт, что из около 2000 известных науке изотопов только 400 являются стабильными.


4. Явление радиоактивности
Работами В.Рентгена, А.Беккереля и супругов Кюри было открыто явление радиоактивности. По предложению Марии Склодовской-Кюри все вещества, обладавшие способностью испускать лучи были названы радиоактивными. Под радиоактивностью понимают явление самопроизвольного превращения одних ядер в другие с выделением ионизирующих излучений.

Открытие радиоактивности оказало огромное влияние на развитие науки и техники. Оно ознаменовало начало эпохи интенсивного изучения свойств и структуры вещества. Новые перспективы, возникшие в энергетике, промышленности и многих других областях человеческой деятельности благодаря овладению ядерной энергией, были вызваны к жизни обнаружением способности химических элементов к самопроизвольным превращениям.

За работы, связанные с исследованием и применением радиоактивности, было присуждено более десяти Нобелевских премий по физике и химии, в том числе Анри Беккерелю, супругам Кюри, Энрико Ферми, Эрнесту Резерфорду, супругам Жолио-Кюри, Дьёрдю Хевеши, Отто Гану, Эдвину Макмиллану, Гленну Сиборгу, Уилларду Либби и др.


следующая страница >>