Природная радиоактивность и законы радиоактивного распада

СОДЕРЖАНИЕ. Содержание 2 Естественная и искусственная радиоактивность 3 Радиоактивный распад и законы радиоактивного распада 5 Закон радиоактивного распада, период полураспада радиоактивных изотопов 6 Единицы радиоактивности 8 Свойства ионизирующих излучений и их взаимодействие с веществом 8 Лучевая болезнь 13 Стадии и типичные проявления болезни 14 Реакция кожи на облучение 19 Диагностика и терапия 20 Прогноз 21 Острая лучевая болезнь 23 Симптомы и лечение 24 Распознавание и лечение 25 Литература 27   ЕСТЕСТВЕННАЯ И ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ Радиоактивность — это. способность ядер атомов некоторых химических элементов самопроизвольно превращаться в ядра дру¬гих химических элементов с выделением энергии в виде излучений.

Естественно радиоактивными называются вещества, существующие в природе, а искусственно радиоактивными — приобретшие это свойство искусственно.

Явление радиоактивности было открыто в 1896 г. французским физиком А. Беккерелем при изучении фос¬форесценции солей урана. При спонтанном, не зависящем от внеш¬них причин, распаде солей урана испускались лучи, сходные с рентгеновскими: они проникали через непрозрачные вещества, засвечивали фотобумагу, ионизировали газы, воздействовали на живую ткань. В 1898г. Мария Склодовская-Кюри открыла радио¬активность тория.

Она показала также, что урановая руда обла¬дает большей радиоактивностью по сравнению с чистым ураном. Мария и Пьер Кюри высказали предположение, что соли урана содержат примеси других радиоактивных веществ, ими оказались полоний и радий. Излучения естественно радиоактивных элементов, как показал английский физик Э. Резерфорд (1911), имеют различные физиче¬ские свойства. Часть лучей в электрическом поле отклоняется к отрицательно заряженному проводнику, что свидетельствует об их положительном заряде; их назвали ά-лучами.

Другая часть лучей отклонялась к положительно заряженному проводнику. Эти отрицательно заряженные лучи получили название β-лучей. Электронейтральные лучи, которые не отклонялись в электриче¬ском поле, были названы γ-лучами. Изучение сущности естественного радиоактивного распада при¬вело Э. Резерфорда к заключению о возможности искусственного расщепления ядер. В 1919 г. при бомбардировке ά -частицами ядра атома азота он выбил из него положительно заряженную частицу — протон.

При этом образовался новый химический элемент — кислород. В 1932 г. появились данные о существовании в ядре атомов наряду с протонами аналогичных им по величине нейтронов. Со¬ветские физики Д. Д. ИЕаненко, Е. Г. Гапон и немецкий физик Гольдхабер разработали теорию о протонно-нейтропном строении ядра атома. Английский физик Chadwick в 1933 г. открыл нейтрон. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри при бомбардировке ά -частицами алюминия, бора, магния наряду с нейтронами получили позит¬рон. Причем позитроны испускались и после прекращения облу¬чения алюминия, т. е. впервые были получены радиоактивные элементы искусственным путем. 2713А1 +42 ά→10n + 3015P→ е+ + 3014Si Первый генератор нейтронов, которые образовывались в ускори¬теле тяжелых заряженных частиц (циклотроне), сконструировал в 1936 г. Laurence.

В 1940 г. советские физики Г. Н. Флеров и К. А. Петржак открыли явление самопроизвольного деления ядер урана на круп¬ные осколки с выделением 2-3 свободных нейтронов, которые, в свою очередь, вызывали деление других ядер с высвобождением новых нейтронов и т. д. Показана возможность цепной реакции, которая могла быть использована для облучения нейтронами ста¬бильных химических элементов и превращения их в радиоактив¬ные. В противоположность а-частицам нейтроны, будучи электро¬нейтральными, легко внедряются в ядра атомов, переводя их в возбужденное состояние.

В 1942 г. в США итальянский физик Э. Ферми впервые получил цепную реакцию на практике, создав работающий атомный реак¬тор. Ко времени второй мировой войны относится разработка пер¬вых образцов атомного оружия.

Его применили США в 1945 г. при бомбардировке японских городов Хиросима и Нагасаки. В 1954 г. в СССР началась промышленная эксплуатация первой в мире атомной электростанции. Благодаря созданию атомных реакторов и мощных ускорите¬лей заряженных частиц в настоящее время получены радиоактив¬ные изотопы всех химических элементов, которые можно исполь¬зовать для нужд народного хозяйства, в том числе и для меди¬цины. Искусственно радиоактивные изотопы получают путем бомбар¬дировки ядер атомов стабильных химических элементов нейтро¬нами, протонами, дейтронами, а также из продуктов деления урана или плутония в атомных реакторах.

В качестве примера можно привести реакцию получения радио¬фосфора: 3115P + 10n → 3215Р или 3115P + 11H → 3215P + e+ + п. РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД И ЗАКОНЫ РАДИОАКТИВНОГО СМЕЩЕНИЯ В процессе ядерных превращений частицы и кванты излучаются в различных сочетаниях.

Большинство естественно радиоактивных веществ претерпевает ά - и β-распад, который сопровождается излучением γ-квантов. В искусственно радиоактивных веществах, как правило, происходит β -распад, сопровождающийся излуче¬нием одного или нескольких γ -квантов. У одного химического элемента может быть несколько радиоактивных изотопов.

К при¬меру, у йода и цезия их около 20. В одних случаях радиоактивный распад приводит к образованию стабильного атома, в других — целой серии промежуточных радиоактивных продуктов распада. Наиболее сложные превращения характерны для естественно ра¬диоактивного урана, тория и плутония. Так, 23992U до образования конечного продукта 20282Рв претерпевает 18 распадов. При ά-распаде вылетающая из ядра частица представляет собой ядро атома гелия *Не, состоящее из 2 протонов и 2 нейтронов.

Поэтому при излучении ά -частицы массовое число ядра умень¬шается на 4 единицы, а его атомный номер — на 2 единицы. Полу¬чающийся в результате ά -распада элемент смещается в таблице Менделеева на два места влево по отношению к исходному — это первый закон радиоактивного смещения. Пример ά -распада: 22688Ra →22286Rn + 42Не. β-лучи представляют собой поток электронов или позитронов.

При электронном β -распаде массовое число элемента не меняется, а заряд ядра увеличивается на единицу. Новый химический эле¬мент в таблице Менделеева будет располагаться на одно место вправо — второй закон радиоактивного смещения. Пример β- -распада: 3215P →3216S + β- При позитронием β +-распаде или электронном захвате (ЭЗ) массо¬вое число нового элемента также не меняется, но заряд ядра умень¬шается на единицу. Следовательно, элемент в таблице Менделеева смещается на одну клетку влево — третий закон радиоактивного смещения.

Например: 3015P→3014Si + β +; 5124Cr →ЭЗ 5123V В результате ЭЗ возникает исключительно γ-излучение; при радиоизотопной диагностике введение в организм таких изотопов значительно снижает лучевую нагрузку из-за отсутствия ά- и β-излучений, В медицинской практике наиболее часто применяются следую¬щие радиоактивные изотопы (они приводятся в порядке возраста¬ния атомной массы); 2211Na; 2411Na; 3215P; 5124Cr; 6027Co; 7534Se; 8235Br; 8538Sr; 9943Tc; 11349In; 12553I; 13253I; 13354Xe; 13755Cs; 19879Au; 19780Hg; 20380Hg; 22688Ra. Используемые в клинике изотопы должны быть химически чи¬стыми.

Некоторые радиоактивные изотопы включают в более слож¬ные молекулы, которые называются мечеными. Для синтеза слож¬ных меченых молекул используют в основном три метода. 1. Из облученного нейтронами в атомном реакторе неорганического сырья с помощью химических реакций высвобождается радиоак-тивный атом, который затем путем сложных химических реакций включается в нужную молекулу. 2. В реакции изотопного обмена добавленный к сложным молекулам радиоактивный элемент посте¬пенно занимает в их пространственной структуре место такого же или другого элемента. 3. В результате процессов биосинтеза вклю¬чение метки происходит, например, из питательной среды низших водорослей, простейших или микроорганизмов.

ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА, ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ Вероятность распада в каждый данный момент пропорцио¬нальна числу нераспавшихся атомов.

Экспериментально найдено, что количество радиоактивного вещества уменьшается в соответ¬ствии с экспоненциальной кривой. Экспоненциальный закон радио¬активного превращения единичного изотопа выражается урав¬нением N=No * e-λt где N — число атомов, распавшихся за данный промежуток вре¬мени t; No — число атомов, еще не распавшихся к этому моменту; e — основание натуральных логарифмов; λ — коэффициент пропорциональности, который называется постоянной распада.

Она показывает, какая часть имею¬щихся радиоактивных ядер распадается каждую се¬кунду. Вероятность распада ядра в единицу времени (λ) у разных изотопов различна, но для одного и того же изотопа она постоянна, поэтому и называется постоянной распада. Чем больше постоянная распада тем быстрее распадается изотоп, следовательно, тем меньше его период полураспада (Т), представляющий собой отрезок времени, за который начальное число ядер радиоактивного изотопа вследствие спонтанного распада уменьшится в 2 раза. После замены в формуле экспоненциальной зависимости по¬стоянной распада (λ) на период полураспада (Т) количество имеющихся радиоактивных ядер по истечении времени t определяется из уравнения Nt = No * e-0.693t/T Для удобства и ускорения расчетов оставшееся по истечении времени t количество радиоактивных ядер для короткоживущих радиоактивных изотопов можно определить по таблицам распада или из расчетного коэффициента, соот-ветствующего частному от t/T. После попадания радиоактивных изотопов в организм их коли¬чество снижается не только за счет распада, но и вследствие вы¬ведения из организма.

Для определения продолжительности на¬хождения радиоактивного вещества в организме и скорости его элиминации вводятся понятия биологического периода полураспада (Тбиол) и эффективного периода полураспада (TЭфф). Тбиол — время, за которое из организма или отдельных органов выводится половина радиоактивного вещества.

Вследствие того, что одновременно с выведением изотопа про¬исходит и физический распад, уменьшение его количества в орга¬низме в 2 раза (ТЭфф) является результатом суммирования этих процессов.

TЭфф определяется путем повторных измерений радиоактивности всего тела или отдельных органов. Тбиол или TЭфф можно получить из следующих уравнений: 1/ Тбиол = 1/ TЭфф - 1/ Tфиз TЭфф = (Tфиз * Тбиол)/ (Tфиз + Тбиол)

Единицы радиоактивности

Единицы радиоактивности За единицу активности радионуклида в системе СИ принят беккерель (Бк) с размерностью с-1, т. е. 1 расп./с. Соотношение между беккерелем и ранее применявшейся единицей активности кюри (Ки). Удельная (Ауд), объемная (Аоб) и поверхностная (Апов) ра¬диоактивность представляет собой отношение количества радио¬активного вещества, выраженного в беккерелях или его произ¬водных, соответственно к единице массы, объема или площади распределения этого вещества (Бк • кг-1, Бк • м-3, Бк . м-2 и т. д.).

Свойства ионизирующих излучений и их взаимодействие с веществом

2). В первые часы после облучения появляется первичная реакция (рвота, лих... е. При дозах облучения выше 300-500 рад области кишечника могут развивать... Время формирования лучевого гастрита и эзофагита приходится на начало ...

Реакция кожи на облучение

Поражение кожи - лучевой дерматит - проходит соответствующие фазы разв... Вторичная эритема может закончиться шелушением кожи, легкой ее атрофие... На местах пузырей после их заживления образуются узловатые кожные рубц... Не подвержены каким-либо рецидивам изменения кишечника и полости рта. Выделяют 4 степени лучевой болезни в зависимости от полученной дозы: л...

Литература

Литература. Н.Сорокин. Профессиональные болезни и их последствия. Изд. 2, 1999 Н.В. Медуницын Диагностика и профилактика острой лучевой болезни.

М 1999 Н.Н. Каркищенко Лекарственная профилактика. М 2001 Н.В.Смирнов Вакцинология. СПб, 2003.