 ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение Как определить диапазон голоса - ваш вокал Игровые автоматы с быстрым выводом Как самому избавиться от обидчивости Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам Вкуснейший "Салат из свеклы с чесноком" Натюрморт и его изобразительные возможности Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д. Как научиться брать на себя ответственность Зачем нужны границы в отношениях с детьми? Световозвращающие элементы на детской одежде Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ) Глава 3. Завет мужчины с женщиной
Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.
| ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ІОНІЗУЮЧЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ 12
Лекція 3. ХАРАКТЕРИСТИКА ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ІОНІЗУЮЧИХ ВИПРОМІНЮВАНЬ ТА ЇХ ВЗАЄМОДІЯ З РЕЧОВИНОЮ 1. Іонізація та збудження 2. Загальна характеристика електромагнітного іонізуючого випромінювання 3. Рентгенівське випромінювання 4. Гамма-випромінювання 5. Гальмівне випромінювання 6. Синхротронне випромінювання 7. Фотоелектричний ефект 8. Розсіяння та ефект Комптона 9. Народження пар та анігіляція 10. Позитроній
ІОНІЗАЦІЯ ТА ЗБУДЖЕННЯ Радіобіологія досліджує вплив на біологічні системи іонізуючих випромінювань різних типів — електромагнітних хвиль, потоків заряджених елементарних частинок та прискорених ядер елементів. Ці типи іонізуючих випромінюванії істотно відрізняються за своїми властивостями, що визначають характер взаємодії їх із речовиною. Саме від особливостей взаємодії випромінювання з речовиною залежить передавання енергії молекулам і атомам, які при цьому зазнають іонізації або збудження й утворюють хімічно активні форми. Останні ініціюють хімічні реакції, що супроводжуються появою продуктів, не характерних для нормальної життєдіяльності клітини й багатоклітинного організму. Первинні процеси взаємодії іонізуючих випромінювань із різними речовинами, що входять до складу живих клітин, є пусковими механізмами радіаційного ураження. Отже, до іонізуючих належать випромінювання різних типів, які під час проходження крізь речовину в актах дискретного передавання енергії (зіткнення гамма-фотонів або елементарних частинок з атомами або електронами) здатні іонізувати або збуджувати атоми й молекули. Іонізація — це перетворення нейтральних атомів чи молекул на частинки, які несуть позитивний або негативний заряд. Іонізація під впливом іонізуючого випромінювання здійснюється передаванням енергії випромінювання (кінетична енергія частки або фотона) електронам зовнішніх орбіталей у такій кількості, щоб електрони були відірвані від молекули або атома. Очевидно, кількість енергії, що передана атому або молекулі, має перевищувати енергію зв’язку електрона з атомом чи молекулою. Електрон може бути захопленим яким-небудь зустрічним іоном, що стає негативно зарядженим іоном. Так виникає пара іонів – основний розмір, що характеризує процес іонізації. Також електрон сам по собі може стати іонізуючою зарядженою частинкою. Енергію, яка має бути витрачена для відриву елекірона від атома чи молекули, називають потенціалом іонізації. Енергію електронних переходів (так само, як фотонів або частинок іонізуючого випромінювання) виражають в електрон-вольтах (еВ). Електрон-вольт дорівнює енергії, яку набирає частинка з одиничним зарядом (заряд електрона), переміщуючись в прискорювальному полі між двома точками з різницею потенціалів у 1 В. Утворені від нього десятинні кратні одиниці — кілоелектрон-вольт (кеВ), меа-електрон-вольт (МеВ). Потенціал іонізації визначають за спектроскопічними даними та характеристиками ударної іонізації й виражають у вольтах. Відрив одного електрона від нейтрального незбудженого атома характеризується першим потенціалом іонізації, відрив другого електрона описується другим потенціалом іонізації й т. д. Черговий потенціал іонізації з переходом до електронів глибшої електронної оболонки різко зростає. Зі збільшенням порядкового номера атомів, коли посилюється екранізація ядра глибинними електронами, перший потенціал іонізації зменшується. Енергія, за значенням менша від потенціалу іонізації, також може поглинатись атомом чи молекулою, які при цьому переходять у стан збудження. Збудженим називають такий стан атомів чи молекул, коли вони мають енергію, більшу ніж в основному стані. Підвищення енергії в системі атомів чи молекул відбувається шляхом електронних переходів з основного стану в збуджений. У молекулі існує система електронних енергетичних рівнів. Для хімічних та оптичних властивостей молекули визначальними є два рівні — верхня за значенням енергії заповнена молекулярна орбіталь і незаповнені молекулярні орбіталі. На кожній заповненій орбіталі може бути лише два електрони, які характеризуються протилежними власними магнітними моментами (антипаралельні спіни). Якщо ж на орбіталі залишається один електрон, то йдеться про наявність неспареного електрона. В разі поглинання молекулою енергії, яка відповідає різниці значень енергій верхнього заповненого й одного з незаповнених рівнів, матиме місце електронний перехід. Молекула при цьому переходить у збуджений стан. Кожному з цих станів молекули відповідають певні енергетичні рівні. Мінімальна енергія властива основному стану молекули. Зі стану збудження молекула може повернутися до основного стану кількома способами: перетворенням енергії електронного збудження на тепло (теплова конверсія); випромінюванням кванта енергії, який за значенням відповідає різниці енергій певних електронних рівнів (флуоресценція); передаванням енергії збудження іншій молекулі; перетворенням збудженої молекули на молекулу або молекули інших речовин (фотохімічна реакція) Іонізований стан атома або молекули триває усього 10-8с. Після цього іони знову перетворюються в нейтральні частки. Як бачимо, внаслідок поглинання іонізуючого випромінювання в речовині утворюються вільні електрони, позитивно заряджені іонізовані частинки, а також молекули чи атоми в стані збудження, перетворення яких може супроводжуватися виділенням тепла, фотонів флуоресценції й фотохімічними реакціями. Оскільки збуджені атоми й молекули на зовнішніх орбіталях мають поодинокі електрони, вони характеризуються підвищеною реакційною здатністю. Стан атомів і молекул, якому властива наявність на орбіталях електронів із неспареними спінами, називають вільнорадикальним. Розрізняють два типи іонізуючих випромінювань — некорпускулярне електромагнітне й корпускулярне. ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ІОНІЗУЮЧЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ Електромагнітне випромінювання являє собою сукупність змінних електричного й магнітного полів, які поширюються в просторі у формі хвиль. Електромагнітні хвилі характеризуються трьома векторними величинами — напруженостями електричного й магнітного полів і швидкістю, а також скалярними — частотою коливань ν або довжиною хвилі λ. Швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі становить 2,998 • 108 м/с. Хвильові властивості електромагнітного випромінювання — інтерференція, дифракція, поляризація — проявляються тим виразніше, чим більша довжина хвилі. Електромагнітні хвилі можна описувати як потік квазічастинок — фотонів, енергія яких Е пропорційна частоті коливань ν: Е = hν. де h —стала Планка (квант дії). h = 6,626176 • 10 14 Дж • с. Спін фотона дорівнює одиниці, маса спокою — нулю. Квантові властивості електромагнітних хвиль виявляються тим виразніше, чим менша довжина хвилі. Фотони, які є квантами електромагнітного поля, в разі поширення виявляють хвильові властивості, а в разі взаємодії з речовиною — корпускулярні. До явищ, в яких виявляється корпускулярна природа електромагнітних хвиль, належать фотоефект і напівпружнє співударяння (комптонівський ефект). Електромагнітні випромінювання характеризуються дуже широким інтервалом довжин хвиль. До іонізуючого електромагнітного випромінювання належать ультрафіолетові промені (λ = 400...50 нм), рентгенівські промені (λ = 50...0,01 нм) і гамма-випромінювання (X < 0,01 нм). Тобто іонізуюче випромінювання відрізняється від радіохвиль, інфрачервоних променів та видимого світла більш короткою довжиною хвилі, більшою частотою хвилі та більш високою енергією.
РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИПРМІНЮВАННЯ Під час гальмування зарядженої частинки в електричному полі генерується електромагнітне випромінювання, яке дістало назву гальмівного. Його інтенсивність пропорційна квадрату прискорення зарядженої частинки. Оскільки прискорення обернено пропорційне масі частинки, то в одному й тому самому полі гальмівне випромінювання електрона в мільйони разів більше, ніж випромінювання протона. Внаслідок розсіяння, гальмування електронів у електростатичному полі атомних ядер і електронів виникають рентгенівські промені. Рентгенівські промені — це електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі 50...0,01 нм (10-11 до 10-7 м), чому відповідають значення енергії фотонів 0,12...1237 кеВ. Займає спектральну область між гама і ультрафіолетовим випромінюванням. Рентгенівські промені виникають внаслідок гальмування швидких електронів у певних речовинах, переважно металах, де індукуються енергетичні переходи внутрішніх електронів атома після їх збудження електронами, іонами або фотонами. Рентгенівським випромінюванням супроводжується також захоплення електронів із глибинних орбіталей ядром атома. Поглинання енергії швидкого електрона або рентгенівського фотона атомом приводить до виривання одного з електронів його внутрішніх орбіталей, що спричинює негайні переходи електронів вищих орбіталей на вакансії, які виникають у нижчих електронних орбіталях. Ці переходи супроводжуються випромінюванням низки фотонів із різними значеннями енергії. Спектри рентгенівських променів поділяють на суцільні та характеристичні. Суцільні спектри характеризують різночастотне випромінювання. Найбільшу енергію фотон рентгенівського випромінювання має у випадку, коли кінетична енергія електрона цілком переходить в енергію фотона. Рентгенівські промені, що генеруються в рентгенівських апаратах, є різночастотними й характеризуються суцільним спектром. Такі самі спектри властиві й іншім типам гальмівного випромінювання. Характеристичними називають лінійчасті спектри, в яких кожна лінія відповідає певним енергетичним переходам внутрішніх електронів атома. Короткохвильове рентгенівське випромінювання належить до «жорсткого», а довгохвильове — до «м’якого». Фотони рентгенівського випромінювання мають високу проникаючу здатність і можуть проходити крізь товщі багатьох речовин без помітного ослаблення.
ГАММА-ВИПРОМІНЮВАННЯ Гамма-випромінювання — це короткохвильове електромагнітне випромінювання, яке виникає в разі зміни енергетичного стану атомних ядер, що утворюються в результаті радіоактивного розпаду. Енергетичний перехід здійснюється з вищих збуджених рівнів на нижчі. Крім цього, гамма-фотони (γ-фотони) генеруються в разі анігіляції пари електрон—позитрон, а також унаслідок розпаду деяких елементарних частинок, наприклад π0-мезона. Перехід ядра зі збудженого стану в основний може відбуватися шляхом випромінювання γ-фотона або групи γ-фотонів. Енергетичний спектр γ-випромінювань — лінійчастий. Гамма-фотони, виділенням яких супроводжується радіоактивний розпад, мають енергію 2...10 МеВ. Під час деяких ядерних реакцій виникають γ-фотони, енергія яких може досягати 20 МеВ. γ – випромінювання являє собою електромагнітне випромінювання з малою довжиною хвилі 10-12 – 10-11 м і коротше. На шкалі електромагнітних хвиль воно граничить із жорстким рентгенівським випромінюванням, займаючи область найкоротших довжин. Фотони γ–випромінювання мають високу проникаючу здатність і можуть проходити крізь товщі багатьох речовин без помітного ослаблення. Пробіг γ-фотонів значно більший, ніж для корпускулярного випромінювання, бо ймовірність їх взаємодії з молекулами та атомами речовини набагато нижча порівняно із зарядженими частинками.
ГАЛЬМІВНЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ Як уже зазначалося, електромагнітне випромінювання, котре генерується зарядженими частинками, що зазнають розсіяння, гальмування в електричному полі, найчастіше в електростатичному полі ядер атомів, називають гальмівним. Очевидно, рентгенівські промені слід розглядати як гальмівне випромінювання. Гальмівним випромінюванням є й гамма-промені, що супроводжують проходження прискорених електронів крізь будь-яку речовину. Гальмівним випромінюванням супроводжується проходження крізь речовину швидких електронів будь-якого походження (в прискорювачах елементарних частинок, під час радіоактивного розпаду, в матеріалах контура охолодження ядерного реактора тощо). Енергетичний спектр гальмівного випромінювання безперервний. Максимальне значення енергії фотонів гальмівного випромінювання відповідає максимальному значенню енергії електронів або інших заряджених частинок, розсіяння яких породжує це випромінювання.
12 |
