Interakce záření s hmotou Je to záření, které není schopno ionizovat a excitovat absorbující hmotu. Energie stačí ke změně vibračního či rotačního stavu molekuly Absorpce energie neionizujícího záření v látce nemá kvantový charakter ionizující neionizující Je to záření, které má natolik vysokou energii, že je schopno ionizovat a excitovat absorbující hmotu Absorpce energie ionizujícího záření v látce má kvantový charakter alfa, beta plus, beta mínus, gama, RTG záření, neutrony optické (UV, VS, IČ), mikrovlny, radiové frekvence, televizní ZÁŘENÍ
ZÁŘENÍ. ionizující. neionizující. Interakce záření s hmotou. Je to záření, které má natolik vysokou energii, že je schopno ionizovat a excitovat absorbující hmotu Absorpce energie ionizujícího záření v látce má kvantový charakter. - PowerPoint PPT Presentation
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Interakce záření s hmotou
Je to záření, které není schopno ionizovat a excitovat absorbující hmotu. Energie stačí ke změně vibračního či rotačního stavu molekuly
Absorpce energie neionizujícího záření v látce nemá kvantový charakter
ionizující neionizující
Je to záření, které má natolik vysokou energii, že je schopno ionizovat a excitovat absorbující hmotu
Absorpce energie ionizujícího záření v látce má kvantový charakter
optické (UV, VS, IČ), mikrovlny, radiové frekvence, televizní vlny
ZÁŘENÍ
Interakce záření s hmotouIONIZACEPojmem ionizace se rozumí situace, kdy se z atomu odštěpují elektrony; vznikají tak kationty a volné elektronyPro vlastní ionizaci je nutná absorpce ionizační energie, tj. energie potřebné k odštěpení elektronu
EXCITACEPokud atom absorbuje menší, než ionizační energii, může dojít k vybuzení elektronu do energeticky vyšších orbitalů. To je možné v případě, že atom absorbuje energii o rozdílu základní a některé vyšší hladiny (čárová absorpční spektra – kvantový charakter záření). O takovém atomu pak říkáme, že je v excitovaném stavu. Při přechodu do nižší energetické hladiny (při návratu elektronu z excitovaného stavu) je vyzářen rozdíl energií ve formě fotonu (nebo fotonů, je-li přechod po etapách, z n=3 na n=2 a pak na n=1). Tento děj je podstatou luminiscence
Interakce záření s hmotouIonizace vyžaduje minimální předanou energii, přesné množství závisí na složení absorbující hmoty. V cytoplazmě je její hodnota asi 33 eV
Proto jakýkoliv druh záření, který není schopen dodat cytoplazmě při jedné absorpční události 33 eV, nemůže jí ionizovat
V případě elektromagnetického ozáření energie 33 eV přenesená jedním fotonem odpovídá vlnové délce 40 nm ( E = h*f = h*c/λ - h je Planckova konstanta, f je frekvence, λ je vlnová délka)
Proto má elektromagnetické ionizující záření maximální vlnovou délku 40 nm a záření s delší vlnovou délkou není ionizující
Interakce záření s hmotouFáze Proces Trvání
FyzikálníAbsorpce energie záření v atomech a molekulách,
ionizace a excitace
10-16 s
Fyzikálně-chemická
Interakce iontů s molekulamiMezimolekulární interakceTvorba volných radikálů
10-6 s
ChemickáInterakce volných radikálů s
biologicky významnými molekulami, buňkami a DNA
Sekundy
BiologickáReparace buněk,
smrt buněk, změny v genetických datech
buněk - mutace
minutyaž léta
Přímý účinek - teorie zásahová (změna makromolekuly přímým zásahem), podstatou je fyzikální a fyzikálně-chemický přenos energie
Nepřímý účinek – teorie radikálová (radiolýza vody, tvorba volných radikálů, změny propustnosti membrán), podstatou je chemický přenos energie
Interakce záření s hmotouVliv ionizace na ozařovanou látku závisí na jejím atomovém složení
Ozáření prvku - žádná chemická změna
Ozáření sloučeniny - chemické změnyIonizované atomy se uvolňují z chemických vazeb, dochází k disociaci molekul - radiolýze - vznikají vysoce reaktivní radikály.
Rekombinace uvolněných elektronů s kladnými ionty za vzniku opět těch samých atomů prvku jako před ozářením
Interakce záření s hmotouPodle mechanizmu působení
Radikálová teorie "nepřímý účinek" - ionizace a excitace
Teorie vychází z toho, že každý organizmus obsahuje vysoké procento vody, při absorpci záření dochází k ionizaci vody a vzniku vysoce reaktivních radikálů (OH. ; H.), které mohou po dobu života (10-5 s) reagovat s kritickými biologickými molekulami v buňce a poškodit je, mohou také reagovat s dalšími radikály a vytvořit např. peroxid vodíku (H2O2 - vysoce účinný oxidační prostředek, poškozuje biomolekuly)
Volný radikál je jakýkoliv atom nebo skupina atomů, které mohou existovat samostatně a obsahují alespoň jeden nepárový elektron
Interakce záření s hmotouPodle mechanizmu působení
Radikálová teorie "nepřímý účinek" - ionizace a excitace
Vznik radikálů vody
EXCITACÍ (*) H2O H2O* (excitovaná) H.+ OH.
IONIZACÍ H2O H2O+ + e-
H2O+ H+ + OH.
e- + H2O H2O- H.+ OH-
e- + O2 .O2 RADIKÁLOVÉ REAKCE H. + H2O H2 + .OH H. + H. H2
.OH + .OH H2O2 H2O + O (singletový) H. + .OH H2O H. + O2 .HO2 H+ + .HO2 H2O2
Interakce záření s hmotouPodle mechanizmu působení
Radikálová teorie "nepřímý účinek" - ionizace a excitace
Vznik anorganických radikálů
Fe3+ + e- Fe2+ Fe
vyvázání Fe z hemoglobinu
Interakce záření s hmotouPodle mechanizmu působení
Zásahová teorie "přímý účinek" - absorpce energie
Má sekundární význam, pravděpodobnost "přímých zásahů" je totiž menší. Přímý účinek se výrazněji projevuje pouze v případě záření alfa
V biologických systémech absorbovaná energie připadá přibližně z jedné čtvrtiny na organické a ze tří čtvrtin na anorganické látky
Z hlediska zásahové teorie má u organických látek největší význam narušení vazby S-H (mění se na vazbu disulfidovou S-S) v rámci disulfidických intermolekulárních můstků
Intenzita poškození se zvyšuje tzv. kyslíkovým efektem a snižuje přítomností nebílkovinných S-H skupin v buňce
Interakce záření s hmotouPodle mechanizmu působení
Zásahová teorie "přímý účinek" - absorpce energie
A) intaktní DNAB) DNA s jednoduchým jedno
vláknovým zlomemC) DNA se dvěma jednoduchými
jedno vláknovými zlomy přes tři bázeD) DNA s dvouvláknovým zlomemTento typ poškození má reparaci
obtížnou, časté jsou chyby (mutace)
Dávka 1 Gy vede k vytvoření 360 000 volných radikálů v každé buňce (hmotnost buňky asi 1 ng)
Nejdůležitější molekulou, jejíž osud určuje další osud buňky, je DNA, obsahující genetickou informaci
Počet dvouvláknových zlomů v jedné buňce je 15-60 při ozáření dávkou 1 Gy,počet jedno vláknových zlomů je více než 1000 na 1 Gy
Nejnižší práh : erytémová dávka – zčervenání kůže - a
Vyšší práh : epilační dávka – pigmentace a vypadávání vlasů - b
Nejvyšší práh : nekrotická dávka – poškození kůže s nekrozou - c
Interakce záření s hmotou
DETERMINISTICKÉ ÚČINKYMuž, 40let, 1 koronární angiografie, 1 PTCA, další koronární angiografiepro komplikace a nakonec bypass chirurgie. To vše v jednom dni …
6 týdnů 20 týdnů 20 měsíců
Interakce záření s hmotou
Nemoc z ozářeníTypické projevy nemoci z ozáření:
1. neletální – poškození tvorby červených krvinek (kostní dřeně), účinky na gonády
Fáze nemoci z ozáření: prodromální (prvotní příznaky), latentní, plný klinický projev onemocnění, rekonvalescence
Interakce záření s hmotou
Citlivost tkáníUspořádáno podle klesající radiosensitivity:
Lymfatická; kostní dřeň; epitel tenkého střeva; zárodečný epitel varlete; vaječníky; bazální vrstva epidermis; endotel malých cév; oční čočka; ledviny a játra; dospělá kost a chrupavka; nervová tkáň svaly a vazivová tkáň
Jednotlivé tkáně a orgány nemají stejnou radiosensitivitu
Při stejné absorbované dávce se v různých tkáních projeví rozdílné biologické účinky
Platí, že vysokou radiosensitivitu vykazují tkáně s rychlým buněčným dělením
Vysvětluje se to tím, že mitotická smrt buňky je převládajícím typem buněčné smrti v důsledku ionizujícího záření
Interakce záření s hmotou
ZÁŘENÍ ALFA
Henri Becquerel v r. 1896
K ionizaci ve vzduchu je zapotřebí energie 32,5 eV, takže jedna letící alfa částice do úplného zabrzdění vytvoří podél své trajektorie dalších milion iontů
silné ionizační schopnosti, dráha při interakci přímočará, dolet, využití v medicíně, Litviněnko
22688Ra >>> 222
86Rn + 42He
Interakce záření s hmotouDominantní způsob interakce (předávání energie) záření alfa
Energie předaná elektronu nabitou částicí je dostatečně velká k jeho odtržení z atomu
Událost: předaná energie > vazebná energie elektronu
Důsledek: vzniká pár elektron – kladně nabitý iont
Přechod elektronu z nižší na vzdálenější slupku v důsledku interakce
Excitovaný stav je nestabilní:
Elektron se vrací na původní slupku, přebytečná
energie je emitována
Ionizace
Excitace
Interakce záření s hmotou
ZÁŘENÍ BETA
proměna protonu v neutron (a v beta +) Využití – PET - diagnostika proměna neutronu v proton (a v beta -) Využití – radioterapie
ionizační schopnosti, dolet, využití v medicíně, při interakci dráha klikatá
146C >>> 14
7N + beta-
Beta +
Beta -
Interakce záření s hmotou
Dominantní způsob předávání energie záření beta
Energie předaná elektronu nabitou částicí je dostatečně velká k jeho odtržení z atomu
Událost: předaná energie > vazebná energie elektronu
Důsledek: vzniká pár elektron – kladně nabitý iont
Přechod elektronu z nižší na vzdálenější slupku v důsledku interakce
Excitovaný stav je nestabilní:
Elektron se vrací na původní slupku, přebytečná energie
je emitována
Excitace
Ionizace
Interakce záření s hmotou
je vysoce energetické elektromagnetické záření s vlnovou délkou řádu 10-11 až 10-13 m. Vzniká v jádře při jaderných reakcích nebo při radioaktivní přeměně přechodem jádra z vyššího do nižšího energetického stavu, přičemž se jádro zbavuje pouze své excitační energie. Radionuklid vyzařující záření gama proto „zůstává na místě“ v periodické soustavě prvků
Záření gama
Interakce záření s hmotouDominantní způsob předávání energie záření gama
jeho pravděpodobnost se zmenšuje s rostoucí energií záření gama a roste s protonovým číslem materiálu. Projevuje se tedy hlavně u fotonů s nižší energií (řádově několik keV) a látek s vysokým protonovým číslem.
je převládajícím typem interakce záření gama středních energií s látkami s malým protonovým číslem. Rozptyl sekundárních fotonů kolísá v intervalu 0° až 180° a jejich energie je závislá na úhlu rozptylu.
se uplatňuje při vysokých energiích záření gama a u absorpčních materiálů s vysokým protonovým číslem. Je nezbytné, aby energie fotonu záření gama byla větší než energie odpovídající dvěma klidovým hmotnostem elektronu, tedy větší než 1,02 MeV.
Fotoelektrický děj
Comptonův rozptyl
Tvorba elektron-pozitronových párů
Interakce záření s hmotouInterakce neutronů s hmotou
Nejpravděpodobnější typ interakce. Dochází k němu na velmi malých jádrech, například jádře vodíku. Energie neutronu se přemění na kinetickou energii zasažené částice. Jádro se neexcituje. Odražený neutron pokračuje dále se zbytkem energie. Děj pokračuje dokud se neutron nezpomalí natolik, že může být absorbován jádrem.
Dochází k němu na jádrech těžkých prvků. Neutron, obdobně jako při pružném rozptylu, předá část své kinetické energie a, jako zpomalený pokračuje dál. Zasažené jádro se ale excituje, část předané energie je vyzářena v podobě γ fotonu, zbytek se změní v kinetickou energii jádra.
Interakce záření s hmotouInterakce neutronů s hmotou
Neutron má tolik energie, že při zásahu jádra vyrazí proton, α částici nebo deuteron, zbytek předané energie se změní v kinetickou energii vyražené částice. Tím může dojít ke vzniku radionuklidu
Neutron je zachycen jádrem, jeho kinetická energie je vyzářena v podobě γ fotonu. Vzniká čistý zářič gama, využití – nukleární medicína
Při vhodné rychlosti neutronu může dojít k rozštěpení jádra za vzniku štěpných produktů. Při štěpení se z jádra neutrony, dochází k tzv. lavinovému efektu. Této řetězové štěpné reakce se využívá u jaderných zbraní. V moderované podobě (= ne všechny vzniklé neutrony štěpí další jádra) je základem jaderného reaktoru
Hadrony ztrácejí energii srážkami s jádry a zejména s elektrony v obalu atomů. Energetické ztráty během srážky s elektrony jsou nepřímo úměrné druhé mocnině jejich rychlosti
Prakticky to znamená, že hadrony předávají maximum své energie těsně před doběhem v látce. Toho je využito v hadronové terapii
Oblast Braggova vrcholu je dána energií dané částice. Pro terapii je potřebná hloubka průniku asi 2 – 25 cm, což odpovídá energii 60 – 250 MeV pro protony a 120 – 400 MeV pro lehké ionty
Vlastnosti protonů - nízká vstupní dávka, maximální dávka energie v požadované hloubce a nulová výstupní dávka umožňuje velmi plánovat rozložení dávky záření v těle pacienta
Interakce záření s hmotouHadronová terapie
Hadrony ztrácejí energii srážkami s jádry a zejména s elektrony v obalu atomů. Energetické ztráty během srážky s elektrony jsou nepřímo úměrné druhé mocnině jejich rychlosti
Prakticky to znamená, že hadrony předávají maximum své energie těsně před doběhem v látce. Toho je využito v hadronové terapii
Oblast Braggova vrcholu je dána energií dané částice. Pro terapii je potřebná hloubka průniku asi 2 – 25 cm, což odpovídá energii 60 – 250 MeV pro protony a 120 – 400 MeV pro lehké ionty
Vlastnosti protonů - nízká vstupní dávka, maximální dávka energie v požadované hloubce a nulová výstupní dávka umožňuje velmi plánovat rozložení dávky záření v těle pacienta