71735

Изучение законов радиоактивного излучения

Лабораторная работа

Физика

Чем объясняется ослабление бета-излучения при прохождении через вещество Охарактеризовать способность вещества поглощать ионизирующее излучение. Методы регистрации ионизирующего излучения. В качестве еще одной из характеристик поглощения бета-излучения веществом используют слой...

Русский

2014-11-11

183.5 KB

8 чел.

258

Лабораторная работа №25

Изучение законов радиоактивного излучения

Цель работы: экспериментально исследовать проникающую способность радиоактивного излучения и его ослабление различными веществами.

Литература

  1.  [1], главы 32, 33.
  2.  [2], т.2, главы 23-25.
  3.  [3], стр. 231-245.
  4.  Белов А.Д., Киршин В.А. Радиобиология.-М.:Колос, 1981.-255 с., глава IV.

Вопросы входного контроля

  1.  Что такое радиоактивность?
  2.  Какие существуют виды бета-распада? Какова их природа?
  3.  Основной закон радиоактивного распада. Характеристики радиоактивного препарата.
  4.  Чем объясняется ослабление бета-излучения при прохождении через вещество?
  5.  Охарактеризовать способность вещества поглощать ионизирующее излучение.
  6.  Методы регистрации ионизирующего излучения.

  1.  Введение

  1.  Краткие теоретические сведения

Радиоактивностью  называют самопроизвольный распад неустойчивых ядер или элементарных частиц.

Различают три типа радиоактивного распада: альфа-, бета- и гамма-распад.

-распад состоит в самопроизвольном превращении ядра радиоактивного элемента с испусканием ядра атома гелия – альфа-частицы.

-распад заключается во взаимных внутриядерных превращениях нейтрона и протона. Выделяют три вида таких превращений:

  1.  электронный -распад с выделением антинейтрино;
  2.  позитронный -распад с выделением нейтрино;
  3.  электронный Е-захват или взаимодействие электрона и протона с образованием нейтрона.

Альфа- и бета-распад сопровождается гамма-излучением  - выделением фотонов электромагнитной энергии.

Схемы альфа-, бета- и гамма-распада с учетом правила смещения записывают в виде:

 

                                                        

где X и Y – символы соответственно материнского и дочернего ядер.

Радиоактивный распад – это статистическое явление. Невозможно предсказать, когда распадется то или иное ядро, но для большой совокупности нестабильных ядер существует статистический закон, который выражает зависимость числа нераспавшихся ядер от времени.

Основной закон радиоактивного распада:

 или ,

где N – число не распавшихся ядер на момент времени t;

N0 – первоначальное количество радиоактивных ядер;

Т – период полураспада, т.е. время распада половины ядер.

Характеристикой любого радиоактивного препарата является скорость его распада, называемая активностью (А):

, [A]=c-1=Бк (Беккерель),

или 

Заряженные частицы и гамма-фотоны, распространяясь в веществе, взаимодействуют с электронами и ядрами, в результате чего изменяется состояние как вещества, так и самих частиц.  Основную роль в потере энергии заряженной частицей играет ионизационное торможение, при котором происходит возбуждение и ионизация атомов вещества. Бета-частицы могут вызывать и другие процессы, так при торможении быстрых электронов возникает тормозное рентгеновское излучение. Ослабление потока заряженных радиоактивных частиц  в веществе описывается экспоненциальным законом:

,

где Ф0 – поток частиц, падающих на вещество;

ФL – поток частиц, прошедших через слой вещества толщиной L;

- линейный коэффициент поглощения.

Так как длина свободного пробега электронов в веществе и их поглощение зависит от плотности вещества, то наряду с линейным коэффициентом характеристикой поглощающих свойств вещества является массовый коэффициент поглощения (=), который равен линейному коэффициенту поглощения, делённому на плотность вещества.

В качестве еще одной из характеристик поглощения бета-излучения веществом используют слой половинного поглощения, при прохождении через который интенсивность излучения уменьшается вдвое.

1.2. Биологическое действие ионизирующих излучений

Ионизирующие излучения обладают очень высокой биологической активностью. Они способны вызывать ионизацию биохимических соединений, образование активных радикалов и этим порождать длительно протекающие реакции в живых тканях. Поэтому результатом биологического действия радиации является, как правило, нарушение нормальных биохимических процессов с последующими функциональными и морфологическими изменениями в клетках и тканях организма.

Механизм биологического действия ионизирующих излучений 

Механизм действия излучений на живой организм очень сложный и пока ещё до конца не выяснен. Однако результаты многочисленных исследований свидетельствуют о том, что у разных видов излучений он, в основном одинаковый, начиная от исходных актов поглощения и переноса энергии излучения через первичные радиационно-химические процессы и кончая патолого-физиологическими и патолого-морфологическими изменениями в облучённом организме.

В механизме биологического действия ионизирующих излучений на живые объекты условно можно выделить два основных этапа. Первый этап определяется как первичное (непосредственное) действие излучения на биохимические процессы, функции и структуры органов и тканей. Второй этап — опосредованное действие, которое обусловливается нейрогенными и гуморальными сдвигами, возникающими в организме под влиянием радиации.

Для объяснения механизма первичного действия ионизирующих излучении на биосубстрат предложено более десяти гипотез и теорий, многие из которых имеют уже только историческое значение.

Впервые теорию о начальных процессах лучевого поражения живого организма выдвинул в 1903 г. Г. Шварц; это так называемая лецитиновая теория. Сущность её заключается в том, что при лучевом воздействии происходит разложение лецитина с образованием холиноподобных токсических веществ, которыми и отравляется организм.

Несколько позже, в 1905 г., появилась теория Бергонье и Трибондо, согласно которой ведущее значение в лучевом поражении имеет нарушение обмена веществ. По мнению авторов, наиболее уязвимыми являются молодые делящиеся клетки с наиболее интенсивным обменом.

Е.С. Лондон (1911) объяснял первичные лучевые процессы в тканях нарушениями ферментативных процессов в организме.

В 1923 г. Дессауер выдвинул гипотезу теплового эффекта (точечного тепла). Суть её сводится к тому, что в местах взаимодействия излучения с биосубстратом  (в микрообъёмах) происходит резкое повышение температуры, которое приводит к нарушениям функции и структуры клетки. Однако последующие исследования и математические расчёты показали ошибочность таких предположений. Оказалось, что количество энергии, поглощаемой живыми тканями, ничтожно по тепловому эквиваленту, и те глубокие биохимические процессы, которые возникают при облучении, связаны не только с превращениями энергии излучения в тепло, но и со сложными физико-химическими изменениями в биомолекулах.

По гипотезе Штрауса (1923) в основе лучевого поражения лежит действие ионизирующих излучений на липоиды ароматического ряда как наиболее радиочувствительные компоненты клетки.

Теoрии прямого и непрямого действия ионизирующих излучений. Под прямым действием излучений принято считать радиационно-химические превращения молекул, возникающие под непосредственным действием радиации в месте поглощения её энергии. При этом основное поражающее действие связано с самим актом ионизации.

Непрямым, или косвенным действием ионизирующих излучений называют радиационно-химические изменения структур (молекул, клеток и т.д.), обусловленные продуктами радиолиза воды или растворённых в ней веществ.

В качестве примера можно проследить действие излучения на молекулы воды. Гамма-квант, или заряженная частица, взаимодействуя с молекулой воды, ионизируют её, в результате образуется два иона:

В этом случае физико-химические свойства ионизированных молекул воды будут отличаться от молекул воды электрически нейтральных.                                               

Продолжительность существования  ионов воды и ионизированных молекул растворенных в ней веществ очень короткая. У ионов она составляет Ю-10 с, за это время они претерпевают ряд превращений, образуя свободные радикалы. Положительный ион воды распадается на протон и гидроксильный остаток, отрицательный — на атомарный  водород и гидроксильный остаток: 

На молекулы ряда веществ (ферменты, витамины и др.) прямое действие излучений в основном проявляется окислительными и реже восстановительными реакциями, т. е. отнимается или присоединяется электрон, например,

(реакция окисления)

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

H+OHH2O (рекомбинация);

Н+ НH2;

OH+OHH2O +O;

OH+OHH2O2.

При наличии растворенного кислорода в воде образуются и другие перекиси:

H+O2HO2 (гидропероксид);

HO2+HO2H2O2+2O;

HO2+HH2O2.

Появление свободных радикалов и их взаимодействие составляют этап первичных химических соединений воды и растворенных в ней веществ, а в случаях облучения животных и растений, и биологических молекул. Продолжительность этого этана—10-5—10-6 с.

Взаимодействие свободных радикалов с органическими и неорганическими веществами идет по типу окислительно-восстановительных реакций и составляет эффект непрямого (косвенного) действия. Величина прямого и непрямого действия в первичных радиобиологических эффектах различных систем неодинаковая. В абсолютно чистых сухих веществах будет преобладать прямое, а в слаборастворимых—косвенное действие радиации.

О различии прямого и косвенного действия радиации на биологические объекты и величину их влияния на развитие лучевого поражения можно судить по двум феноменам — эффекту разведения и кислородному эффекту.

Эффект разведения — это состояние, при котором абсолютное число поврежденных молекул веществ в слабом растворе не зависит от его концентрации и остается для данной экспозиционной дозы постоянным, так как в этих конкретных условиях в растворе образуется постоянное количество активированных радикалов. Эффект разведения достаточно четко проявляется в опытах in vitro с растворами и суспензиями микромолекул, вирусов, фагов и т. д. Он свидетельствует о величине косвенного действия радиации при лучевом повреждении этих микроскопических структур. Однако эффект разведения не проявляется при облучении суспензий перевиваемых клеток и тканей животных, так как в данном случае большая часть активных радикалов воды поглощается «поверхностными» метаболитами и не доходит до активных макромолекул клетки.

Кислородный эффект. В развитии первичных реакций при обучении биообъектов большое значение имеет концентрация кислорода в среде. С повышением его концентрации в окружающей среде и объекте облучения усиливается эффект лучевого поражения, и наоборот, при понижении концентрации кислорода наблюдается уменьшение степени лучевого поражения. Это явление было названо кислородным эффектом.

Кислородный эффект нередко применяется в клинической медицине при лечении больных с злокачественными новообразованиями. Для усиления лучевого поражения клеток опухоли создают условия повышенного содержания кислорода в ней и одновременно для уменьшения радиационного повреждения здоровых клеток обеспечивают гипоксическое состояние окружающих тканей.

Установлено, что в результате взаимодействия свободных радикалов воды с органическими соединениями и взаимодействие радикалов органических веществ с молекулярным кислородом, растворенным в тканях организма, образуются органические перекиси, которые обладают высокой химической активностью и различным временем существования. Они играют основную роль в первичных биохимических реакциях организма при действии излучения.

Дальнейшее изучение прямого и непрямого действия излучений позволило получить данные для количественной и качественной характеристики первичных процессов лучевого поражения.

На основе представления о прямом действии излучения возникла теория «мишени или попаданий», которая была развита Кроутером, Тимофеевым-Рессовским, Ли, Циммером и др. Из нее следует, что ионизирующая частица или -квант одномоментно действует на чувствительную часть (мишень) структуры или молекулы клетки, вызывая ее гибель или генетические изменения. Имеется количественная зависимость между дозой и биологическим эффектом, с увеличением дозы происходит увеличение в геометрической прогрессии количества поврежденных единиц в объеме облучения. Когда гибель клеток, разрушение молекул, инактивацию ферментов можно описать экспоненциальной кривой, говорят об одноударном поражении, т. е. инактивация объекта происходит под действием одного попадания. Клетки растительных и животных тканей повреждаются по S-образной кривой, вычерченной в нормальных координатах. Это говорит о том, что для их инактивации или разрушения требуется более одного попадания в мишень, и поэтому данный процесс называется многоударным.

Стохастическая (вероятностная) гипотеза является дальнейшим развитием теории прямого действия излучений  первичных  радиобиологических  процессов (О. Хуг и А. Келлерер). Отличие ее от теории попаданий состоит в том, что взаимодействие излучений с определенным участком клетки происходит по принципу вероятности (случайности)  и что зависимость эффекта обусловливается не только мишенью попадания, но и (в большей мере) состоянием биологического объекта как динамической системы.

Гипотезы, отражающие преимущественно непрямое действие ионизирующих излучений, т. е. качественную сторону возникновения и развития послелучевых процессов в организме. Выяснено, что первичная реактивация биомолекул идет как прямым, так и непрямым путем п в большинстве случаев тот и другой путь ведет к активации одних и тех же реакций.

Теория липидных радиотоксинов (первичных, радиотоксинов и цепных реакций). Роль токсических веществ в первичных радиохимических процессах при облучении клеток была экспериментально показана Б. Н. Тарусовым, Ю, Б. Кудряшовым и др. Ими установлено, что при воздействии ионизирующего излучения в тканях животных, особенно в печени, селезенке и других органах образуются липидные (первичные) радиотоксины. Процессы, возникающие в начальный период развития лучевого поражения, протекают в организме с очень малой скоростью вследствие действия ингиби-рующих веществ—антиокислителей. Под влиянием активных радикалов, образующихся при лучевом воздействии, происходит усиление окислительных цепных реакций биолипидов, в результате этого появляются продукты окисления ненасыщенных жирных кислот (альдегиды и кетоны).

Структурно-метаболическая  теория.  Автор этой теории А. М. Кузин считает, что динамика и место нарушения обменных процессов при действии радиации обусловлены нарушениями цитоплазматических структур в живой клетке. За основу гипотезы взято действие первичных радиотоксинов, которые представляют собой комплекс веществ метаболитов, обладающих токсическими свойствами, — это хиноны или ортохиноны.   Некоторые из токсических метаболитов всегда и небольших количествах содержатся в клетках здоровых тканей. При действии радиации содержание их значительно увеличивается и дополнительно появляются новые токсические соединения. Первичные радиотоксины образуют большое количество вторичных радиотоксинов, которые играют существенную роль в патогенезе и исходе лучевых поражений.

Рассматривая теории и гипотезы первичных механизмов лучевых поражений необходимо отметить, что ни одна отдельно взятая из них не объясняет механизмы первичного биологического действия ионизирующих излучений. Общий их недостаток состоит в том, что выдвигаемые положения не удается подтвердить в экспериментальных условиях на теплокровных животных. Большей аргументацией отличаются структурно-метаболическая теория, а также теория липидных токсинов с цепными разветвленными реакциями и теория «попаданий». Они дают более правильное представление о первичных механизмах непосредственного действия радиации на животный организм, которое в дальнейшем усиливается нейроэндокринными и гуморальными реакциями.

  1.  Регистрация ионизирующих частиц

Приборы, регистрирующие заряженные частицы, а также рентгеновское и гамма-излучение называют детекторами. Детекторы могут быть разделены на три группы по методам регистрации:

  •  следовые детекторы позволяют наблюдать траекторию частицы;
  •  счетчики регистрируют появление частицы в заданном объеме;
  •  интегральные приборы дают информацию о потоке ионизирующего излучения.

В качестве примера рассмотрим работу газоразрядных счетчиков (типа СТС-5, СТС-6, СБМ-20).

Газоразрядный счетчик (рис. 1) представляет собой устройство, состоящее из двух электродов 1 и 4, имеющих положительный и отрицательный потенциалы соответственно. Одним электродом является металлический цилиндр 2, который соединяется с отрицательным полюсом 4, вторым электродом служит металлическая нить 3, натянутая вдоль оси цилиндра. Газоразрядные счетчики заполняются разряженной смесью инертных газов аргона и неона с добавками.

Ионизирующая частица, попадая в межэлектродное пространство, вызывает ионизацию молекул газа. Под действием электрического поля положительные ионы движутся к катоду, отрицательные – к аноду. Возникает газовый разряд, ток которого пропорционален энергии частицы.

Рис.1.

Самостоятельный разряд, возникший в счетчике, необходимо погасить, иначе счетчик не прореагирует на следующую ионизирующую частицу. Для этой цели последовательно со счетчиком включают высокоомный резистор. При протекании тока на этом резисторе возникает значительно большее падение напряжения по сравнению с газовым разрядом, напряжение на счетчике уменьшается и разряд прекращается. Электрические импульсы, возникающие на резисторе, усиливают и регистрируют специальными счётными устройствами или индикаторами.

2. Практическая часть

2.1. Описание лабораторной установки и метода измерения

Основными частями лабораторной установки (рис. 2)  являются индикатор ионизирующих частиц и счетчик импульсов. Электрическую схему индикатора составляют резистор, 2 конденсатора и газоразрядный счетчик типа СБМ-20. При подаче на индикатор напряжения 450В от источника постоянного тока (ВУП-2М) в репродукторе, подключенном к индикатору, чётко прослушиваются щелчки от разрядов, возникающих в газоразрядном счётчике от действия ионизирующих частиц. Одновременно счётчик импульсов (СИЛ-1) ведёт автоматический подсчет ионизирующих частиц.

Рис. 2.

Так как бета-излучение обладает небольшой проникающей способностью, то контейнер с радиоактивным препаратом необходимо устанавливать непосредственно под газоразрядным счетчиком. Для более точного подсчёта количества импульсов, возникающих в газоразрядном счетчике за одну минуту, все измерения интенсивности следует проводить в течении трёх или более минут, а результат усреднять.

2.2. Задание 1. Определить линейные и массовые коэффициенты поглощения бета-излучения для различных веществ.

Внимание: в течение всего эксперимента не менять положение контейнера относительно газоразрядного счётчика.

Ход работы.

  1.  Измерить уровень космического излучения (фон) в течении 3 минут.
  2.  Установить контейнер с радиоактивным препаратом под газоразрядный счетчик и измерить поток ионизирующих частиц от этого препарата.
  3.  Измерить толщину исследуемой пластины микрометром.
  4.  Положить пластину из исследуемого вещества на контейнер и измерить поток ионизирующих частиц после прохождения через вещество.
  5.  Результаты измерений занести в таблицу 1.
  6.  Пользуясь формулой (1) вычислить линейный коэффициент поглощения:

  1.  Вычислить массовый коэффициент поглощения по формуле:

, [μ]2/кг

  1.  Результаты вычислений занести в таблицу 1.
  2.  Построить графическую зависимость массового коэффициента поглощения от плотности вещества.

2.3. Задание 2. Определить толщину слоя половинного поглощения бета-излучения алюминием.

Ход работы.

  1.  Измерить уровень космического излучения (фон) в течении 3 минут.
  2.  Измерить толщину пластины микрометром.
  3.  Положить на контейнер алюминиевую пластину и измерить поток ионизирующих частиц, проходящих через неё.
  4.  Результаты измерений занести в таблицу 2.
  5.  Повторять пункты 2-4 пока число пластин на контейнере не достигнет 6.
  6.  Построить зависимость потока ионизирующего излучения от толщины слоя алюминиевых пластин.
  7.  По графику определить величину половинного поглощения L1/2 бета-излучения для алюминия. Выполнить необходимые построения.

    Таблица 1

Измерение

Интенсивности

Число импульсов

Толщина пластины

L, мм

Плотность вещества

,

за

3

мин.

За

1

мин.

за

1мин. без

фона

Космическое излучение (фон)

От источника бета-излучения

После прохождения через вещество

Алюминий

Сталь

Титан

Таблица 2

Измерение

интенсивности

Число импульсов

Толщина слоя пластин

L, мм

За 3 мин.

за 1 мин.

за 1 мин.

без фона

Космическое излучение (фон)

От источника бета-излучения

После прохождения через

  1.  Пластину
  2.  Пластины

6 пластин

Вопросы выходного контроля

  1.  Дать характеристику биологическому действию ионизирующего излучения.
  2.  Способы защиты от ионизирующего излучения.
  3.  Устройство и принцип действия газоразрядного счетчика.
  4.  Каково назначение высокоомного резистора в цепи газоразрядного счетчика?
  5.  Что понимают под термином «космическое излучение» или «фон»?

258


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

64520. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ 253.64 KB
  Энергетический обмен диссимиляция катаболизм совокупность реакций расщепления органических соединений сопровождающихся выделением энергии. Питание процесс потребления энергии и веществ.
64521. Основные этапы становления дипломатических школ 32.5 KB
  В Средневековье не мог существовать институт светского суверенитета дипломатия не имела в своем распоряжении постоянного дипломатического представительства послы в этой системе направлялись к другому правителю по конкретному случаю. Начался бурный расцвет светского права.
64522. Предмет и основные понятия информатики 15.4 KB
  Информатика это комплексная техническая наука которая систематизирует приемы создания сохранения воспроизведения обработки и передачи данных средствами вычислительной техники а также принципы функционирования этих средств и методы управления ними.
64524. Предмет и содержание дисциплины «Охраны труда» 30 KB
  В соответствии с ТК РБ охрана труда это система обеспечения безопасности жизни и здоровья работников в процессе трудовой деятельности включающая правовые социально-экономические организационно-технические гигиенических и лечебно-профилактические мероприятия и средства.
64526. Российское многонациональное государство – империя особого типа 18.86 KB
  Но для того чтобы понять чем Российская империя отличалась от других империй необходимо понять что такое империя западного тип и что такое империи вообще Итак: империя конгломерат народов образующих политическую экономическую и культурную систему где ведущая роль...
64527. Онтологическая проблема 30.9 KB
  Откуда возникло живое из неживого Откуда возникло сознание из чего Очень часто эту проблему интерпретируют как психофизиологическую. Как сознание можно вывести из физиологии Физиология некий автомат. И вдруг у этого автомата появляется сознание.