Основные виды ионизирующих излучений и их характеристика

Размещено на http://www.allbest.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВЕТЕРИНАРНОЙ МЕДИЦИНЫ

КАФЕДРА ВЕТЕРИНАРНОЙ ГИГИЕНЫ И РАДИОБИОЛОГИИ

РЕФЕРАТ

по теме № 5: «Основные виды ионизирующих излучений и их характеристика»

Выполнила:

Студентка 3 курса ФВМ,

группы №1

Журак Алена Алексеевна

Санкт-Петербург, 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. Виды ионизирующего излучения

2. Характеристика различных видов ионизирующего излучения

2.1 Альфа (б) лучи

2.2 Нейтронное излучение

2.3 Бета (в) - излучение

2.4 Гамма (г) - излучение

3. Взаимодействие радиоактивных излучений с веществом

3.1 Взаимодействие альфа и бета - частиц

3.2 Взаимодействие гамма-лучей

3.2.1 Фотоэффект

3.2.2 Комптонэффект

3.2.3 Образование электронно-позитронных пар

3.2.4 Закон ослабления гамма-излучений веществом

4. Основные эффекты взаимодействия нейтронов с веществом

4.1 Биологическое действие ионизирующих излучений

4.2 Особенности действия ионизирующего облучения на ткани

4.3 Теории прямого и непрямого действия

4.4 Теория «мишени»

4.5 Особенности патогенеза лучевых поражений

4.6 Действие излучений на клетку

4.7 Нарушение клеточного деления

4.8 Действие излучений на обмен веществ

Заключение

Литература

ВВЕДЕНИЕ

ионизирующий излучение клетка

Важнейшее свойство ядерных излучений -- их способность вызывать ионизацию атомов и молекул, в связи с чем ядерные излучения называют также ионизирующими излучениями. Ионизация -- это процесс образования положительно или отрицательно заряженных ионов или свободных электронов из нейтрально заряженных атомов или молекул.

Ионизирующее излучение используется в самых разных областях, таких как медицина, ядерная энергетика, научные исследования и промышленное производство, но представляет опасность для здоровья, если не принимаются надлежащие меры против чрезмерного облучения. Воздействие ионизирующего излучения вызывает повреждение клеток живой ткани и органов. В высоких острых дозах оно приводит к лучевым ожогам и лучевой болезни, а более низкие дозы в течение длительного времени могут вызвать рак [7].

Изучение влияния различных видов ионизирующего излучения (альфа, бета, гамма, нейтронное, рентгеновское) на организм домашних животных, проведение радиометрической и радиохимической экспертизы объектов ветеринарного надзора является важным аспектом ветеринарии и имеет большое значение для правильной оценки радиационной обстановки и оказания лечебно-профилактической помощи пораженным животным.

1. ВИДЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Радиоактивное излучение невидимо, но обнаруживается рядом объективных явлений. Наиболее характерными из них являются: фотохимические действие, возбуждение, люминесценция и ионизация вещества, в котором излучение поглощается. Радиация -- это процесс излучения веществом заряженных элементарных частиц, в виде электронов, протонов, нейтронов, атомов гелия или фотонов [9].

Рисунок 1. Виды ионизирующего излучения.

Было обнаружено, что радиоактивное излучение в поперечном магнитном поле разделяется обычно на три пучка. Один из них в магнитном поле не отклоняется и, следовательно, не имеет электрического заряда, два других в магнитном поле отклоняются в противоположные стороны, следовательно, они состоят из электрически заряженных частиц различного знака. Лучи, отклоняющиеся к отрицательно заряженной пластинке, условно были названы альфа-лучами, отклоняющиеся к положительно заряженной пластинке - бета-лучами, а лучи, которые совсем не отклонялись были названы гамма-лучами. Альфа, бета и нейтронное излучение -- это излучения, состоящие из различных частиц атомов (корпускулярные). Гамма и рентгеновское излучение -- это излучение энергии (электромагнитные). В процессе ядерного распада или синтеза происходит выброс элементов атома (протонов, нейтронов, электронов, фотонов), т.е. происходит излучение этих элементов [4].

2. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

2.1 Альфа (б) лучи -- это излучение тяжелых, положительно заряженных альфа-частиц (ядра атомов гелия), движущихся со скоростью 20000 км/с. Альфа - частицы - ядра, состоящие из 2-х протонов и 2-х нейтронов. Альфа - частицы имеют большую массу и обладают значительной энергией, но их проникающая способность не велика - их пробег в твердых и жидких средах составляет сотые доли мм. Они вызывают сильно выраженные эффекты ионизации и флуоресценции. Вся энергия альфа - частиц (на 1 см пути альфа- частицы образуют 100-250 тыс. пар ионов) передается клеткам организма, при взаимодействии с веществом альфа - частицы вызывают его значительную ионизацию. Альфа - излучение разрушает ткани, приводя к различным повреждениям живых клеток. Вследствие малой проникающей способности альфа - частицы могут быть полностью задержаны листом плотной бумаги, одеждой, слоем резины и хирургических перчаток, эпидермисом.

Из всех видов радиационного излучения, альфа - излучение обладает наименьшей проникающей способностью, но последствия облучения живых тканей данным видом радиации наиболее тяжелые и значительные по сравнению с другими видами излучения [5].

2.2 Нейтронное излучение -- это техногенное излучение, возникающие в различных ядерных реакторах и при атомных взрывах. Не обладая зарядом, нейтронное излучение, сталкиваясь с веществом, слабо взаимодействует с элементами атомов, поэтому обладает высокой проникающей способностью. Остановить нейтронное излучение можно с помощью материалов с высоким содержанием водорода, например, емкостью с водой. Также нейтронное излучение плохо проникает через полиэтилен.

Нейтронное излучение при прохождении через биологические ткани причиняет клеткам серьезный ущерб, так как нейтроны обладают значительной массой и более высокой скоростью, чем альфа - излучение [4,5].

2.3 Бета (в) - излучение - поток отрицательно заряженных частиц (электронов). В электрическом поле электроны отклоняются к положительному полюсу. Возникает при превращении одного элемента в другой, при этом процессы происходят в самом ядре атома с изменением свойств протонов и нейтронов. При бета - излучении, происходит превращение нейтрона в протон или протона в нейтрон, при этом превращении происходит излучение электрона или позитрона (античастица электрона). Скорость излучаемых бета - частиц приближается к скорости света. Металлический лист в несколько миллиметров может полностью остановить бета излучение. Если альфа - излучение представляет опасность только при непосредственном контакте с радиоактивным изотопом, то бета - излучение в зависимости от его интенсивности может нанести существенный вред живому организму на расстоянии несколько десятков метров от источника радиации. Бета - частицы имеют небольшую массу (они в 1840 раз легче протонов), но отличаются большой проникающей способностью -- в воздухе они могут пробегать путь длиной, измеряемой десятками сантиметров и даже несколькими метрами (в мягких тканях максимальный пробег бета - частиц достигает нескольких сантиметров). Бета - частицы средних энергий задерживаются оконным стеклом, подошвой обувью и т.п., но бета - частицы с энергией 0,07 МэВ уже могут пробить эпидермис. Поэтому даже при работе с мягкими бета - излучателями руки должны быть защищены перчатками, а от жестких бета-частиц с энергией 0,5 МэВ и выше следует защищаться экраном. Имея изначально высокую скорость излучения и малые размеры излучаемых элементов, бета - излучение таким образом обладает более высокой проникающей способностью, чем альфа - излучение, но обладает в сотни раз меньшей способностью ионизировать вещество по сравнению с альфа - излучением [6].

2.4 Гамма (г) - излучение сопровождает процесс распада атомов вещества и проявляется как излучаемая электромагнитная энергия в виде фотонов, высвобождающихся при изменении энергетического состояния ядра атома. Гамма - лучи излучаются ядром со скоростью света. Когда происходит радиоактивный распад атома, то из одних веществ образовываются другие. Атомы вновь образованных веществ находятся в энергетически нестабильном (возбужденном) состоянии. Воздействую друг на друга, нейтроны и протоны в ядре приходят к состоянию, когда силы взаимодействия уравновешиваются, а излишки энергии выбрасываются атомом в виде гамма - излучения, которое представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение. Гамма - лучи не отклоняются ни в электрическом, ни в магнитном поле. По свойствам это излучение близко к рентгеновскому, но обладает значительно большей скоростью и энергией. Характерная особенность гамма-излучения - исключительно высокая проникающая способность, оно с легкостью проникает сквозь одежду, живые ткани, немного меньше через плотные структуры вещества типа металла. Чтобы остановить гамма - излучение потребуется значительная толщина стали или бетона. Пробег гамма - квантов в воздухе может достигать 100 и более метров, в мягких тканях -- десятки сантиметров. При этом слой полуослабления для квантов с энергией 2,5 МэВ составляет в воздухе 200 м, в свинце только - 1,8 см, в бетоне - 10 см, а в дереве - 25 см. Слой свинца толщиной 40 см ослабляет энергию таких г -квантов в 107 раз. Биологическое действие гамма - радиации низкое [8,9].

2.5 Рентгеновское излучение -- это энергетическое электромагнитное излучение в виде фотонов, возникающие при переходе электрона внутри атома с одной орбиты на другую. Рентгеновское излучение сходно по действию с гамма -излучением, но обладает меньшей проникающей способностью,

3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ С ВЕЩЕСТВОМ

Обнаружение и регистрация всех видов ядерных излучений, выбор материала для защиты, оценка биологического действия излучения основаны на эффектах, которые возникают при взаимодействии излучений с веществом. Для понимания принципов этих явлений необходимо знать, каким образом различные по природе излучения взаимодействуют с веществом.

3.1 Взаимодействие альфа и бета - частиц

Заряженные частицы, проходя через вещество постепенно теряют энергию в основном в результате взаимодействия с электронами атомов, а также с электрическим полем ядра. В процессе взаимодействия с электронами атомов кинетическая энергия альфа и бета - частиц растрачивается на ионизацию, т.е. на отрыв электронов от атомов и на возбуждение атомов и молекул (ионизационные потери энергии). Взаимодействуя с электрическим полем ядра, заряженная частица тормозится и меняет направление своего движения, при этом происходит испускание излучения, которое по своей характеристике близко к рентгеновскому и называется тормозным рентгеновым излучением. Уменьшение кинетической энергии заряженных частиц в электрическом поле ядра составляет радиационные потери, которые будут тем значительнее чем больше порядковый номер атомов среды (плотность вещества) и энергия частиц. Исходя из этого в практической работе для защиты от бета-излучения целесообразно использовать материалы малой плотности (плексиглас, стекло, полимеры и т.п.) [8]. Величиной, определяющей энергетическую сторону процесса ионизации, служит так называемая работа ионизации - средняя работа, затрачиваемая на образование одной пары ионов. Для воздуха этот показатель составляет в среднем 35 эВ для альфы и 34 эВ для бета - частиц. Если известна энергия заряженной частицы, легко можно подсчитать полную ионизацию, т.е. количество пар ионов, образованных на всем пути частицы: J = Е/W, где Е - энергия частицы, W - средняя энергия, затраченная на образование одной пары ионов [2]. Заряженные частицы различные по природе, но с одинаковой энергией образуют практически одинаковое число пар ионов (одинаковая полярная ионизация). Однако плотность ионизации или удельная ионизация, т.е. число пар ионов на единицу пути частицы в веществе, будет различная. Плотность ионизации возрастает с увеличением заряда частицы и с уменьшением ее скорости. Это обусловлено тем, что частицы с большим зарядом сильнее взаимодействуют с электронами, а частицы, обладающие меньшей скоростью, большее время находятся вблизи электронов, и их взаимодействие с ними также оказывается более сильным. Удельная ионизация у альфа - частиц самая большая из всех ядерных излучений. В воздухе на 1см пути альфа - частица образует несколько десятков тысяч пар ионов, в то время как бета - частицы- 50-100 пар ионов [2,4]. Проходя через вещество заряженные частицы постепенно теряют энергию и скорость, поэтому плотность ионизации вдоль пути частицы возрастает и достигает наибольшей величины в конце пути. Процесс ионизации будет происходить до тех пор, пока энергия альфа и бета-частиц будет способна производить ионизацию. В конце пробега альфа-частица присоединяет к себе 2 электрона и превращается в атом гелия, а бета-частица (электрон) может включиться в один из атомов среды или на какое-то время остается свободным электроном. Путь, проходимый альфа или бета- частицей в веществе, на протяжении которого она производит ионизацию, называется пробегом частицы. Пробег альфа - частиц в воздухе может достигать 10 см, а в мягкой биологической ткани -- несколько микрон. Пробег бета - частиц в воздухе достигает 25 см, а в биологической ткани до 1см. Распространяются альфа-частицы в веществе прямолинейно и изменяют направления движения только при соударениях с ядрами встречных атомов. Бета - частицы, имея малую массу (в 7000 раз легче альфа - частиц), большую скорость и отрицательный заряд, значительно отклоняются от первоначального направления в результате соударения с орбитальными электронами и ядрами встречных атомов (эффект рассеяния). Претерпевая многократное рассеяние бета - частицы, могут даже двигаться в обратном направление - обратное рассеяние. Эффект обратного рассеяния наблюдается при радиометрии исследуемых препаратов, если пробу наносить на подложку из материала большей плотности. Вследствие значительного рассеяния бета-частиц в веществе истинная длина пути в 1,5-4 раза больше их пробега. Таким образом, путь и пробег при характеристике бета - излучения имеют разное значение, путь бета-частиц всегда больше, чем, пробег [2]. Следует отметить еще одно различие прохождения альфа и бета - частиц через вещество. Поскольку все альфа - частицы, испускаемые данным радиоактивным изотопом, обладают относительно равной энергией и движутся в веществе прямолинейно, то число альфа - частиц в параллельном пучке, проходящем через единицу поверхности поглотителя, резко падает до нуля лишь в конце пробега. Спектр же бета - частиц непрерывен, поэтому с увеличением толщины поглотителя число бета - частиц в параллельном пучке, проходящем через единицу поверхности уменьшается постепенно, так как бета - частицы различной энергии будут поглощаться различными слоями поглотителя. Ослабление интенсивности потока бета - частиц в веществе приблизительно подчиняется экспоненциальной зависимости [5].

3.2 Взаимодействие гамма-лучей

При радиоактивном распаде ядра испускают гамма-кванты с энергией в пределах от нескольких КэВ (килоэлектроновольт) до нескольких МэВ (мегаэлектронвольт).

Гамма-кванты при прохождении через вещество теряют энергию в результате проявления практически трех эффектов:

1. Фотоэлектрического поглощения (фотоэффект),

Комптоновского рассеяния (комптоноэффект)

3.3 Образование электронно-позитронных пар (образование пар).

3.3.1 Фотоэффект

При фотоэлектрическом поглощении г -квант, сталкиваясь с прочно связанным электроном (чаще с электронами К-слоя) в атомах излучаемого вещества, полностью передает ему свою энергию, сам исчезает, а электрон приобретает кинетическую энергию, равную энергии г -кванта минус энергия связи электрона в атоме. Таким образом при фотоэффекте вся энергия первичного г -кванта преобразуется в кинетическую энергию фотоэлектронов, которые ионизируют атомы и молекулы. На освободившееся место в орбите К-слоя перескакивает электрон l-слоя, на l-слой - электрон М-слоя и т.д. с высвечиванием кванта характеристического рентгеновского излучения. Фотоэлектрическое поглощение преобладает тогда, когда энергия г -кванта не превышает 0,05 МэВ, а поглотитель представляет собой вещество с большим атомным номером (например свинец). Процесс фотоэффекта невозможен на слабосвязанных и свободных электронах (не связанных с атомом), так как они не могут поглощать г -кванты. В воздухе, воде и биологических тканях фотоэлектрическое поглощение составляет 50% при энергии г -квантов порядка 60 кЭВ. При энергия г - квантов 120 КэВ фотоэлектрическое поглощение составляет около 10%, а начиная с 200 КэВ, этим процессом логично пренебречь. В этом случае г -излучение ослабляется за счет комптоновского рассеяния [2,5,8].

3.2.2 Комптонэффект [6,9]

При комптоновском эффекте г -кванты сталкиваясь с электронами, передают им не всю свою энергию, а только часть ее и после соударения изменяют направление своего движения, т.е. рассеиваются. Образовавшиеся вследствие соударения с г -квантами электроны (электроны отдачи) приобретают значительную кинетическую энергию и растрачивают ее на ионизацию вещества (вторичная ионизация). В отличии от процессов фотоэлектрического поглощения при комптонэффекте г-кванты взаимодействуют с внешними, валентными электронами, энергия связи которых минимальная. Комптоновское рассеивание возможно на свободных электронах. Таким образом в результате комптонэффекта интенсивность г -излучение ослабляется за счет того, что г-кванты, взаимодействуя с электронами среды рассеиваются в различных направления, и выходят за пределы первичного пучка, а также за счет передачи электронам части своей энергии.

Рисунок 2. Комптонэффект.

3.2.3 Образование электронно-позитронных пар

Некоторые г -кванты с энергией не ниже 1,02 МэВ, проходя через вещество, превращаются под давлением сильного электрического поля вблизи ядра атома в пару «электрон-позитрон» (позитрон - элементарная частица подобная электрону, но с положительным зарядом). В данном случае происходит преобразование одной формы материи - г - излучения в другую - в частицы вещества. Образование такой пары возможна только при энергиях г -квантов, не меньших чем энергия, эквивалентная массе обеих частиц -- электрона и позитрона. Образовавшаяся электронно-позитронная пара в дальнейшем исчезает, превращаясь в два вторичных гамма - кванта с энергией, равной энергетическому эквиваленту массы покоя частиц [2,9]. Вторичные г-кванты способны вызвать лишь комптонэффект и в конечном счете фотоэффект, т.е. терять энергию только при соударениях с электронами. Вероятность процесса образования пар увеличивается с увеличением энергии гамма-квантов и плотности поглотителя. г-лучи высоких энергий (болеее 8 МэВ) могут взаимодействовать с ядрами атомов (ядерный эффект). Вероятность такого эффекта весьма мала, и этот вид взаимодействия практически не ослабляет излучений в веществе.

3.2.4. Закон ослабления гамма-излучений веществом существенно отличается от закона ослабления альфа и бета - частиц. Пучок г - лучей поглощается непрерывно, с увеличением толщины слоя поглотителя его интенсивность не обращается в ноль ни при каких толщинах слоя поглотителях. Это значит, что какой бы ни была толщина слоя вещества, нельзя полностью поглотить поток гамма-лучей, а можно только ослабить его интенсивность в любое заданное число раз. В этом существенное отличие характера ослабления гамма - лучей от ослабления альфа и бета - частиц, для которых всегда можно подобрать такой слой вещества, в котором полностью поглощается поток б и бета - частиц. Закон ослабления может быть выражен через слой половинного ослабления (?1/2). Толщина поглотителя, после прохождения которого интенсивность излучения ослабляется вдвое, называется слоем половинного ослабления, величина которого зависит от энергии излучения и плотности поглотителя. Между линейным коэффициентом ослабления (м) и слоем половинного ослабления существует следующее взаимосвязь: ?1/2 = 0,693/м или м = 0,693/ ?1/2. Зная слой половинного ослабления, можно довольно легко определить какой нужно взять слой поглотителя, чтобы ослабить излучение в данное число раз [2,5].

Основные эффекты взаимодействия нейтронов с веществом.

Быстрые с энергией порядка МэВ, нейтроны попадая в ткань замедляются за счет передачи энергии ядрам вещества при непосредственном столкновении с последними; чем больше передача энергии при таком столкновении, тем быстрее замедляются нейтроны. Ткани организма животных практически полностью замедляют нейтроны, так как они много содержат водородных атомов, и в среднем одно столкновение приходится на 1 см пробега нейтрона в ткани. К вторичным ионизирующим частицам следует отнести незаряженные частицы - фотон и нейтрон. Фотон выбивает электроны с оболочки атома, а нейтрон - протон из ядра. Нейтрон- элементарная частица, не имеющая электрического заряда, обладающая массой покоя 1, 67495 10-27 кг и средним времени жизни около 1000 сек [4].

4. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

4.1 Особенности действия ионизирующего облучения на ткани

Ионизирующее излучение - одно из уникальных явлений окружающей среды, последствия от воздействия которого на организм на первый взгляд совершенно неадекватны величине поглощаемой энергии. Реакции организма на действие ионизирующих излучений многообразны. Характер проявления послелучевых изменений в организме зависит от многих причин: 1) физических параметров излучения (вид, энергия, мощность и доза облучения и т.д.); 2) биологических особенностей животного (состояния животного, возраста, массы, условия содержания и кормления и т.д.). Различные органы животных имеют неодинаковую радиочувствительность. По морфологическим признакам, выявляемым гистологическими методами, органы можно расположить по убывающей степени радиочувствительности в следующем порядке: лимфатические узлы и фолликулы, красный костный мозг, вилочковая железа, селезёнка, половые железы, кожа, глаза, печень, легкие, почки, головной мозг, сердце, кости, сухожилия, нервные стволы и др. В связи с этим для исхода лучевого воздействия на организм большое значение имеет какая часть тела животного облучена. Общее равномерное облучение вызывает наибольший радиобиологический эффект. Степень послелучевых реакций организма определяется дозой лучевого воздействия: малые дозы оказывают стимулирующее действие на биологические реакции (обмен веществ, секреторную, выделительную и другие функции), средние дозы затормаживают физиологические процессы, большие - вызывают глубокие патологические нарушения, сверхвысокие дозы полностью прекращают жизненные процессы. В зависимости от проникающей способности излучений ионизирующая радиация вызывает различные поражения. Так, внешнее облучение альфа- и бета-частицами, слабо проникающими в ткани, вызывает главным образом изменения в коже, а облучение рентгеновскими, гамма-лучами или нейтронами, обладающими большой проникающей способностью, чаще приводит к общему поражению в виде лучевой болезни [6,8].

4.2 Теории прямого и непрямого действия

Для объяснения механизма первичного действия ионизирующих излучений на живые клетки предложено большое число гипотез и теорий. Известны теории прямого и непрямого действия ионизирующих излучений. При прямом действии предполагается, что в основе повреждения клеток тканей лежит процесс ионизации. В результате прямого попадания ионизирующей частицы в биомолекулы могут наступить различные денатурационные изменения в них, например разрыв наименее прочных связей, отрыв радикалов, расщепление молекул, подавление действия ферментов, изменение проницаемости клеточных оболочек, кислородное голодание тканей, нарушение нервной трофики и др. Непрямым или косвенным действием ионизирующего излучения называют радиационно-химические изменения структур (молекул, клеток и т.д.), обусловленные продуктами радиолиза воды или растворенных в ней веществ (свободные радикалы, перекись водорода, органические перекиси).

Рисунок 3. Прямое и непрямое действие ионизирующего излучения на молекулу ДНК.

О различии прямого и косвенного действии 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 вещества 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. Кислородный эффект предполагает, что в развитии первичных реакций при облучении 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 [4,5].

4.3 Теория «мишени»

Дальнейшим развитием теории прямого действия излучений является теория «мишени». Эта теория подразумевает, что в животной или растительной клетках имеются чувствительные к излучению участки - «мишени» и что только при попадании ионизирующей частицы в эти участки происходят в клетке изменения, которые можно оценить количественно [6].

4.4 Особенности патогенеза лучевых поражений

В механизме биологического действия ионизирующего излучения на живые объекты можно выделить следующие этапы: первичный физический, радиационно-химический и биологический (морфологический). На первичном физическом этапе действия излучения биологическая ткань поглощает энергию, образуются ионы, а также возбужденные атомы и молекулы. В простых веществах, молекулы которых состоят из атомов одного и того же элемента (газы, металлы и т.д.), процессу ионизации сопутствует процесс рекомбинации. Ионизированный атом присоединяет к себе один из свободных электронов, которые всегда имеются в среде, в результате вновь образуется нейтральный атом. Возбужденный атом возвращается в нормальное состояние путем перехода электрона с внешних оболочек на более близко расположенные к атомному ядру. При этом происходит испускание одного или нескольких фотонов характеристического излучения. Таким образом, ионизация и возбуждение атомов простых веществ не приводят к каким-либо изменениям физико-химической природы облучаемой среды. Иначе дело обстоит при ионизации и возбуждении сложных молекул, в данном случае происходит их диссоциация в результате разрыва химических связей. Это так называемое прямое действие излучения. Под косвенным действием излучения понимают радиационно-химические изменения в данном растворенном веществе, обусловленные продуктами радиолиза воды. Ионизированные и возбужденные атомы и молекулы обладают большой биохимической активностью. Накопление этих активных агентов приводит к резким нарушениям жизнедеятельности облученных клеток, тканей и организма в целом. Вследствие ионизации в биологических средах образуются свободные радикалы, которые обладают очень высокими химическими (окислительными и восстановительными) способностями, за счет наличия неспаренного электрона в одном из атомов ионизированной молекулы. Взаимодействие свободных радикалов с органическими и неорганическими веществами идет по типу окислительно-восстановительных реакций и составляет эффект косвенного действия [8]. При облучении примерно половина поглощенной энергии влияет на организм по типу прямого (45%), а остальная (55%) - косвенного действия. Так, в чистых сухих веществах будет преобладать прямое действие, в слабых растворах - косвенное. Итак, получающиеся в процессе радиолиза воды свободные радикалы и окислители вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментами и другими структурными элементами биологической ткани, что приводит к изменению биохимических процессов в организме. В результате: 1) нарушаются обменные процессы; 2) подавляется активность ферментных систем; 3) замедляется и прекращается рост тканей; 4) возникают новые химические соединения, не свойственные организму, - токсины (радиотоксины). Об их наличии в облученных организмах свидетельствует тот факт, что при введении крови от облученных животных у необлученных реципиентов в ряде органов и систем возникают изменения, свойственные лучевому поражению. Индуцированные свободными радикалами химические реакции вовлекают в этот процесс многие сотни и тысячи молекул, не затронутых излучением.

4.5 Действие излучений на клетку

Наиболее чувствительными к облучению органеллами клеток организма являются ядро и митохондрии. Повреждения этих структур происходят при малых дозах и проявляются в самые короткие сроки. Под действием излучений в клетке и тканях нарушается структурно-метаболический процесс. Это происходит в три этапа. Первый - образование активных неорганических и органических радикалов. На втором этапе - нарушаются структуры биологических мембран, что приводит к высвобождению ряда ферментов. В результате повреждения лизосомных мембран наблюдается увеличение активности ДНКазы, РНКазы, катепсинов, фосфатазы и ряда других ферментов. На третьем этапе происходит нарушение процессов обмена, обусловливающее морфологические изменения, приводящие к нарушению дифференцирования клеток, их деления, изменению наследственных свойств [9].

4.6 Нарушение клеточного деления

При облучении в сравнительно малых дозах наблюдается временная остановка митоза. Большие дозы могут вызывать полное прекращение деления или гибель клеток. Нарушение нормального хода митоза сопровождается хромосомными перестройками, возникновением мутаций, ведущих к сдвигу в генетическом аппарате клетки, а, следовательно, к изменению наследственных свойств развивающихся из них организмов. При облучении в больших дозах происходит набухание ядра, затем структура ядра исчезает. В цитоплазме при облучении в дозах 10000-20000 Р наблюдается изменение вязкости, набухание цитоплазматических структур, образование вакуолей, повышение проницаемости. Всё это резко нарушает жизнедеятельность клетки. Наиболее уязвимыми являются клетки органов кроветворения (красный костный мозг, селезенка, лимфатические узлы), половых желез, эпителий кишечника и желудка, т.е. в основном клетки тех тканей, которые обладают высокой митотической активностью. Измененные свойства облученной клетки передаются по наследству. Если радиационные мутации развиваются в половых клетках (гаметические мутации), то результаты сказываются в последующих поколениях [6,8].

4.7 Действие излучений на обмен веществ

Нарушение обмена веществ, отмечающиеся в результате действия на организм ионизирующих излучений, в значительной степени связано с изменением активности ферментов. При тяжелом радиационном поражении быстро развивается нарушение белково-азотистого обмена. В тканях возрастает содержание свободных аминокислот, а в крови увеличивается количество остаточного азота и повышается содержание тирозина. Возрастает содержание азотистых веществ (мочевины, аминокислот и даже белков) в моче. В плазме крови отмечается нарушение соотношений между альбуминовой и глобулиновой фракциями, изменяется содержание общего белка и небелкового азота, ослабляется образование антител, изменяются антигенные свойства белков. Указанные нарушения азотистого обмена обусловливают снижение веса, отравление организма продуктами неполного белкового распада и изменение барьерных функций. Изменение углеводного обмена ведет к уменьшению содержания гликогена в печени, скелетных мышцах, миокарде, повышению содержания сахара в крови. Тормозится процесс образования лимонной кислоты, что задерживает распад глюкозы. Снижение гликогена объясняется голоданием животного вследствие плохого аппетита, а также замедлением всасывания глюкозы в результате поражения стенок тонкого кишечника. Изменения в жировом обмене приводят к снижению содержания холестерина в крови и тканях, отмечается жировое перерождение паренхиматозных органов, изменяется синтез триглицеридов и фосфатидов в органах и тканях. Нарушение витаминного обмена проявляется уменьшением содержания витаминов С, В1, В2, В6 в печени, селезенке, головном мозге, тканях тонкого кишечника и крови. После облучения отмечается общая тенденция обезвоживания организма. Уже в первые часы после облучения уменьшается поступление воды через кишечник, что в свою очередь оказывает влияние на минеральный обмен, обмен белков, жиров, углеводов, а также синтез витаминов и гормонов. Под действием излучения происходит перераспределение микроэлементов. В период разгара лучевых поражений развивается гипохлоремия. Уменьшается содержание в тканях фосфорных соединений и железа [5,6,9].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В 1899 году Эрнест Резерфорд обнаружил, что радиоактивное излучение в поперечном магнитном поле разделяется обычно на три пучка. Лучи, отклоняющиеся к отрицательно заряженной пластинке, условно были названы альфа - лучами, отклоняющиеся к положительно заряженной пластинке - бета- лучами, а лучи, которые совсем не отклонялись были названы гамма - лучами. Альфа-излучение представляет собой поток альфа-частиц, распространяющихся с начальной скоростью 20000 км/сек. Их ионизирующая способность огромна, а так как на каждый акт ионизации тратится определенная энергия, то их проникающая способность незначительна Поскольку альфа-излучение имеет наибольшую ионизирующую, но наименьшую проникающую способность, внешнее облучение альфа - частицами практически безвредно, но попадание их внутрь организма весьма опасно. Бета-излучение - поток электронов, которые в зависимости от энергии излучения могут распространяться со скоростью близкой к скорости света (300 тыс. км/с). Бета-излучение имеет достаточно большую проникающую способность. Однако внешнее бета-излучение представляет серьезную опасность лишь при попадании радиоактивных веществ непосредственно на кожу (особенно на глаза) или же внутрь организма.

Гамма-излучение - это электромагнитное излучение, испускаемое ядрами атомов при радиоактивных превращениях. Оно испускается отдельными порциями (квантами) и распространяется со скоростью света. Ионизирующая способность его значительно меньше, чем у бета-частиц и тем более у альфа-частиц. Из-за наибольшей проникающей способности гамма-излучение является важнейшим фактором поражающего действия радиоактивных излучений при внешнем облучении. Рентгеновские лучи также имеют электромагнитную природу. Энергии квантов рентгеновских лучей несколько меньше, чем гамма - излучения большинства радиоактивных изотопов; соответственно несколько ниже их проникающая способность. Нейтронное излучение -- это поток нейтронов, скорость распространения которых достигает 20000 км/сек. Так как нейтроны не имеют электрического заряда, они легко проникают в ядра атомов и захватываются ими, нанося при этом значительный вред.

Ионизирующие излучения оказывают сильнейшее воздействие на живые организмы, что в наибольшей степени и вред проявляется в тканях с большой митотической активностью. В зависимости от вида и количества излучения последствия облучения могут быть различными. Малые дозы могут оказывать стимулирующее действие на ткани [3]; большие же дозы облучения вызывают лучевую болезнь и другие лучевые поражения (нарушение роста, развития, обмена веществ и снижение продуктивности, воспроизводительных качеств, другие патологические процессы).

ЛИТЕРАТУРА

1. Владимиров С.Н., Скорик А.С. Современные проблемы радиобиологии. Международный журнал экспериментального образования. 2014, № 8-3. С. 63-64;

2. Гудков С.В. Частные вопросы радиационной биофизики. Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2022. - 236 с.

3. Журавская А.Н. Биологические эффекты малых доз ионизирующих излучений (обзор). Наука и образование. Биологические науки. Физико-химическая биология 2016, №2, с.94-102

4. Л. А. Ильин с соавт. Актуальная радиобиология: курс лекций. (Высшая школа физики). М: Издательский дом МЭИ, 2015. 240 с.

5. Легеза В. И. с соавт. Радиобиология, радиационная физиология и медицина: словарь-справочник. СПб: Фолиант, 2017. -- 176 с.

6. Hall EJ, Giaccia AJ. Radiobiology for the Radiologist, 8th edn. Philadelphia: Wolters Kluwer, 2018. Р.1161.

7. "Ionizing radiation, health effects and protective measures". World Health Organization. 29 April 2016. Archived from the original on 29 March 2020. Retrieved 22 January 2020.

8. Joiner Michael C., van der Kogel Albert J. Basic Clinical Radiobiology, Fifth Edition, CRC Press, 2018. Р. 360.

9. Виды ионизирующих излучений и их воздействие на человека. http://www.bio.bsu.by/biohim/files/presentation5_f.pdf

Размещено на Allbest.ru