Interakce zá*ení s hmotou

Report
Interakce záření s hmotou
ZÁŘENÍ
ionizující
neionizující
Absorpce energie ionizujícího
záření v látce má kvantový
charakter
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
alfa, beta plus, beta mínus,
gama, RTG záření, neutrony
optické (UV, VS, IČ), mikrovlny,
radiové frekvence, televizní vlny
Je to záření, které má natolik
vysokou energii, že je schopno
ionizovat a excitovat absorbující
hmotu
Interakce záření s hmotou
IONIZACE
Pojmem ionizace se rozumí situace, kdy se z atomu odštěpují
elektrony; vznikají tak kationty a volné elektrony
Pro vlastní ionizaci je nutná absorpce ionizační energie, tj. energie
potřebné k odštěpení elektronu
EXCITACE
Pokud 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 hmotou
Ionizace 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 hmotou
Fáze
Fyzikální
Proces
Absorpce energie záření v
atomech a molekulách,
ionizace a excitace
Trvání
10-16 s
Fyzikálněchemická
Interakce iontů s molekulami
Mezimolekulární interakce
Tvorba volných radikálů
10-6 s
Chemická
Interakce volných radikálů s
biologicky významnými
molekulami, buňkami a DNA
Sekundy
Biologická
Reparace buněk,
smrt buněk,
změny v genetických datech
buněk - mutace
minuty
až 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 hmotou
Vliv ionizace na ozařovanou látku závisí na jejím atomovém složení
Ozáření prvku - žádná chemická změna
Rekombinace uvolněných elektronů s kladnými ionty za vzniku opět
těch samých atomů prvku jako před ozářením
Ozáření sloučeniny - chemické změny
Ionizované atomy se uvolňují z chemických vazeb, dochází k disociaci
molekul - radiolýze - vznikají vysoce reaktivní radikály.
Interakce záření s hmotou
Podle 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 hmotou
Podle mechanizmu působení
Radikálová teorie "nepřímý účinek" - ionizace a excitace
Vznik radikálů vody
EXCITACÍ (*)
IONIZACÍ
RADIKÁLOVÉ REAKCE
H2O
H2O* (excitovaná)
H2O
H2O+ + eH2O+ H+ + OH.
e- + H2O
H2OH.+ OHe- + O2 .O2
H.+ OH.
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 hmotou
Podle mechanizmu působení
Radikálová teorie "nepřímý účinek" - ionizace a excitace
Vznik anorganických radikálů
Fe3+ + e-
Fe2+
Fe
vyvázání Fe z hemoglobinu
Interakce záření s hmotou
Podle 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 hmotou
Podle mechanizmu působení
Zásahová teorie "přímý účinek" - absorpce energie
Dávka 1 Gy vede k vytvoření 360 000
volných radikálů v každé
buňce (hmotnost buňky asi 1 ng)
A) intaktní DNA
B) DNA s jednoduchým jedno
vláknovým zlomem
C) DNA se dvěma jednoduchými
jedno vláknovými zlomy přes tři báze
D) DNA s dvouvláknovým zlomem
Tento typ poškození má reparaci
obtížnou, časté jsou chyby (mutace)
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
Interakce záření s hmotou
Podle mechanizmu působení
Zásahová teorie "přímý účinek" - absorpce energie
Nejvýznamnějším faktorem ovlivňujícím citlivost buněk a tkání k
ionizujícímu záření je koncentrace kyslíku.
Jev se nazývá “kyslíkový efekt“, v principu jde o to, že nedostatek
kyslíku pomáhá přežívat části nádorových buněk po ozáření
Jev má důležitost pro radioterapii, protože nádory obsahují často
oblasti, které jsou hypoxické následkem sníženého zásobování krví
V přítomnosti kyslíku, je účinek radikálů na biomolekuly zvýšen, kyslík
reaguje s těmi místy, které byly napadeny radikály a upevňuje
poškození
Interakce záření s hmotou
Interakce záření s hmotou
STOCHASTICKÉ ÚČINKY
Pravděpodobnost účinku
Somatické onemocnění (nádory)
Genetické onemocnění
Dávka
Interakce záření s hmotou
STOCHASTICKÉ ÚČINKY
Pravděpodobnost účinku
deterministické
stochastické
hormeze
Dávka
Interakce záření s hmotou
DETERMINISTICKÉ ÚČINKY
Pravděpodobnost účinku
Tkáň
Účinek
Ovaria
sterilita
Prahová dávka
[Gy]
2,5 – 6
dočasná sterilita
0,15
trvalá sterilita
opacita
katarakta
erytém
nekróza
3,5 – 6
0,5 - 2
5
3-5
5
Varlata
Čočka
Kůže
Dávka
prahová dávka – nad 1 Gy
Interakce záření s hmotou
DETERMINISTICKÉ ÚČINKY
Příklad: ozáření kůže ionizujícím zářením - gradace deterministických účinků
B.Ú.
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 ÚČINKY
Muž, 40let, 1 koronární angiografie, 1 PTCA, další koronární angiografie
pro komplikace a nakonec bypass chirurgie. To vše v jednom dni …
6 týdnů
20 týdnů
20 měsíců
Interakce záření s hmotou
Nemoc z ozáření
Typické projevy nemoci z ozáření:
1. neletální – poškození tvorby červených krvinek (kostní dřeně),
účinky na gonády
2. letální – gastrointestinální syndrom (střevní smrt), nervový syndrom
(nervová smrt)
Pozdní následky (pokud nemoc z ozáření přežije – kumulativní –
genetické poškození, rakovina
Fáze nemoci z ozáření: prodromální (prvotní příznaky), latentní, plný
klinický projev onemocnění, rekonvalescence
Interakce záření s hmotou
Citlivost tkání
Uspořádáno 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
226
88Ra
>>> 22286Rn + 42He
Interakce záření s hmotou
Dominantní způsob interakce (předávání energie) záření alfa
Ionizace
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
Excitace
Přechod elektronu z nižší na vzdálenější slupku v důsledku interakce
Excitovaný stav je nestabilní:
Elektron se vrací na původní slupku, přebytečná
energie je emitována
Interakce záření s hmotou
ZÁŘENÍ BETA
Beta
+
proměna protonu v neutron (a v beta +)
Využití – PET - diagnostika
Beta
-
proměna neutronu v proton (a v beta -)
Využití – radioterapie
ionizační schopnosti, dolet, využití v medicíně, při interakci dráha
klikatá
14
6C
>>> 147N + beta-
Interakce záření s hmotou
Dominantní způsob předávání energie záření beta
Excitace
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
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
Interakce záření s hmotou
Záření gama
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
Interakce záření s hmotou
Dominantní způsob předávání energie záření gama
Fotoelektrický děj
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.
Comptonův rozptyl
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.
Tvorba elektron-pozitronových párů
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.
Interakce záření s hmotou
Interakce neutronů s hmotou
Pružný rozptyl
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.
Nepružný rozptyl
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 hmotou
Interakce neutronů s hmotou
Emise nabité částice
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
Radiační záchyt
Neutron je zachycen jádrem, jeho kinetická energie je vyzářena v
podobě γ fotonu. Vzniká čistý zářič gama, využití – nukleární medicína
Jaderné štěpení
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
Interakce záření s hmotou
Smrtelná dávka
hmyz
103 - 104 Gy
jednobuněčné organizmy
103 - 104 Gy
omezení klíčivosti (prodloužení skladovatelnosti brambor, cibule 50 až 500 Gy
a česneku)
ozařování semen dávkami, ozařování vyvolá vznik mutací a toho
se využívá k získávání odrůd s lepšími vlastnostmi
100 až 1000 Gy
člověk
10 Gy
Interakce záření s hmotou
Fylogeneticky podmíněná
LD50/30 (Gy)
Paramecium
2 500
Pes
4
Drozofila
600
Morče
2,5
Žába
10
Skot
5,5
Králík
8
Prase
6
Potkan
6
Kůň
6,5
Myš
6
Koza
5,5
Opice
5
Drůbež
9-12
Člověk
3-4
Bakterie
10 000
Interakce záření s hmotou
Příklad extrémní radiorezistence
Bakterie objevené v kanále amerického
Jaderného reaktoru, kde dávkový příkon
byl asi 12 Gy/s a absorbovaná dávka za
den představovala asi 10 MGy
Přežívání i množení !
Micrococcus radiodurens
(mikrokok radiačně odolný)
Interakce záření s hmotou
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 hmotou
Hadronová 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
Interakce záření s hmotou
Hadronová terapie

similar documents