Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственный медицинский университет г. Семей

Методическое пособие

По теме: «Ионизирующее излучение»

Составители:

ст. преподаватель Дихамбеков Ж.К.

преподаватель Крылова Л.А.

Оглавление

1. Открытие рентгеновских лучей

2. Природа рентгеновских лучей, их место в шкале электромагнитных волн

3. Источники рентгеновского излучения. Устройство рентгеновских трубок

4. Виды рентгеновского излучения

5. Процессы, происходящие при взаимодействие рентгеновского излучения с веществом

6. Закон ослабление рентгеновского излучения

7. Физические основы применения рентгеновского излучения в медицине

8. Методы использования рентгеновских лучей в медицине

9. Радиоактивное излучение. Структура ядра. Радиус ядра

10. Ядерные силы. Свойства ядерных сил. Модели ядерных сил

11. Радиоактивность. Виды радиоактивного излучения

12. Виды радиоактивного распада

13. Основной закон радиоактивного распада в дифференциальной форме. Постоянная распада

14. Активность радиоактивного распада

15. Ионизирующее радиоактивное излучение и его биологическое действие

16. Поглощенная и экспозиционная доза. Мощность дозы. Единицы измерения

Рекомендуемая литература

1. Открытие рентгеновских лучей

Конец 19 века ознаменовался повышенным интересом к явлениям прохождения электричества через газы. Еще Фарадей серьезно занимался этими явлениями, описал разнообразные формы разряда, открыл темное пространство в разряженном газе. Опыты с "трубкой Крукса" демонстрировались во всех физических кабинетах, отклонение катодного пучка магнитным полем в трубке Крукса стало классической школьной демонстрацией. С такими трубками Крукса экспериментировал профессор Вильгельм Конрад Рентген в 1895 году. Однажды по окончании опыта, закрыв трубку чехлом черного картона, выключив свет, но не выключив питание трубки, он заметил свечение экрана из синеродистого бария, который находился вблизи трубки.

Первое сообщение Рентгена "О новом роде лучей" вышло в 1895 году. "Кусок бумаги, покрытый пластиносинеродистым барием, при приближении к трубке, закрытой достаточно плотно прилегающим к ней чехлом из тонкого черного картона при каждом разряде вспыхивает ярким светом: начинает флуоресцировать. Флуоресценция заметна еще на расстоянии 2-х метров от трубки".

Первая Нобелевская премия была присуждена К.Рентгену (1901), в 1979 г. Нобелевская премия была присуждена Г.Хаунсфилду и Мак-Кормаку за разработку компьютерного рентгеновского томографа.

2. Природа рентгеновских лучей, их место в шкале электромагнитных волн

Уже после первых опытов Рентген твердо установил, что Х-лучи отличаются от катодных, они не несут заряда и не отклоняются магнитным полем, но возбуждаются катодными лучами. Они невидимы для глаза, действуют на магнитное поле и т.д. Таким образом, возникает и распространяется короткий электромагнитный импульс, т.е. электромагнитная волна.

Рентгеновские лучи, являющиеся электромагнитной волной длиной волны от 80 нм до 0, 0001 нм, в шкале электромагнитных волн со стороны длинных волн граничит с ультрафиолетовыми лучами оптического диапазона, а со стороны коротких волн - с г лучами.

3. Источники рентгеновского излучения. Устройство рентгеновских трубок

Источников рентгеновского излучения можно разделить на две группы: естественные и искусственные.

Естественные источники излучения

Естественные источники рентгеновского излучения, генераторы рентгеновского излучения, находятся вне Земли. Один из них - Солнце. Его рентгеновская радиация настолько огромна, что способна в считанные минуты уничтожить все живое на Земле. Но на наше счастье, рентгеновский квант по дороге к Земле бесчисленное множество раз поглощается и испускается частицами атмосферы, в итоге он приходит на поверхность Земли «обессиленным». Так жесткая радиация солнечных недр становится все более мягкой и превращается в УФ, видимую и ИК. Поэтому нельзя сказать, что рентгеновские лучи вошли в нашу жизнь тогда, когда их открыл Рентген. Человечество сталкивается с ними на каждом шагу с тех пор, как появилось на свет.

Существуют "рентгеновские" звезды, хотя они достаточно редки. И в нашей галактике и в туманности Андромеды на миллиард обычных звезд приходится только одна рентгеновская. К 1977 году было обнаружено приблизительно 200 рентгеновских звезд. Полагают, что дальнейшие поиски увеличат это число до тысячи. Предполагают, что рентгеновское и оптическое (видимое) излучение рентгеновских звезд представляет непрерывный спектр теплового излучения газа, разогретого до десятков миллионов градусов.

Пульсары - невидимые в обычный телескоп "маяки", которые регулярно, нередко с удивительной правильностью через равные промежутки времени изменяют интенсивность своего излучения, радиоволнового или рентгеновского. Пульсар - это нейтронная звезда, которая действует не в одиночку, а вдвоем с напарником, подобным нашему Солнцу только во много раз больше. Будучи сравнительно с ним карлицей, но зато сверхплотной и весьма массивной, она непрестанно перетягивает на себя вещество своего компаньона - раскаленного газообразного шара. При этом выделяется огромное количество лучистой энергии в рентгеновском диапазоне. А так как нейтронная звезда вращается вокруг своей оси, то Х-лучи мигают. Геркулес X-I - период обращения вокруг оси 1,24 сек. Центавр X - 3 - 4,84 сек. При каждом таком пируэте в том же темпе поворачивается и поток Х-лучей, т.к. источник испускает ее не равномерно во все стороны, а направленным узким коническим пучком. Как зеленый маяк с прожектором.

На возможность существования нейтронных звезд первым указал Ландау еще в 1932 году. Рентгеновская звезда - ядро диаметром в 80 км. Если бы наша планета перешла в такое состояние, то поперечник уменьшился бы до 100 м. Одна чайная ложка вещества Земли была бы тяжелее миллиарда тонн.

Источниками Х-лучей могут служить некоторые радиоактивные изотопы, интенсивность х-лучей изотопных источников на несколько порядков меньше интенсивности излучения рентгеновской трубки.

Искусственные источники излучения

Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, которая представляет собой двухэлектродный вакуумный прибор (рис. 1).

Рис 1.

Подогревный катод 1, раскаленная вольфрамовая спираль, испускает электроны 4, анод 2, называемый часто антикатодом, имеет наклонную поверхность, для того чтобы направить возникающее рентгеновское излучение 3 под углом к оси трубки. Анод изготовлен из теплопроводящего материала для отвода теплоты, образующейся при ударе электронов. Поверхность анода выполнена из тугоплавких материалов, имеющих большой порядковый номер атома в таблице Д.И. Менделеева, например из вольфрама. В отдельных случаях анод специально охлаждают водой или маслом.



Рис 2.

Для диагностических трубок важна точечность источника рентгеновских лучей, чего можно достигнуть, фокусируя электроны в одном месте антикатода. Поэтому конструктивно приходится учитывать две противоположные задачи: с одной стороны, электроны должны попадать на одно место анода, с другой стороны, чтобы не допустить перегрева, желательно распределение электронов по разным участкам анода. В качестве одного из интересных технических решений является рентгеновская трубка с вращающимся анодом (рис.2)

Питание рентгеновской трубки обеспечивается двумя источниками: источник высокого напряжения для анодной цепи и источник низкого напряжения (6-8В) для накала. Изменение анодного напряжения позволяет регулировать жесткость излучения, изменение накала - силу тока в анодной цепи и мощность излучения. Анодная_цепь питается постоянным током. Но в некоторых случаях возможно использование переменного тока. Тогда трубка служит одновременно и генератором рентгеновского излучения, и выпрямителем питающего напряжения.

Диагностические рентгеновские трубки имеют рабочее напряжение от 100 до 120 кВ.

Терапевтические рентгеновские трубки имеют более высокое рабочее напряжение (160 - 200 кВ) и работают при малых силах тока

В медицине используется рентгеновское излучение с длиной волны порядка от 1,0 до 0,006 нм.

4. Виды рентгеновского излучения

Исходя из принципа возникновения излучения различают тормозное и характеристическое излучение.

Тормозное рентгеновское излучение

Рис 3. Спектр тормозного рентгеновского излучения

Электроны, испускаемые катодом, разгоняются электрическим полем, приложенным между катодом и антикатодом, приобретая у антикатода кинетическую энергию

Е = еU

где е - заряд электрона 1,6 10^-19 Кл и U - напряжение между катодом и антикатодом. На поверхности вещества антикатода (зеркала) движение электрона резко тормозится электрическим полем его атомов и избыток энергии частью превращается в тепловую, а частью излучается в виде электромагнитной волны рентгеновского диапазона:

Е = еU = Q + hн

где Q - тепловая энергия, h - постоянная Планка 6,68 10^-34 Дж с, н - частота электромагнитного излучения.

Появление электромагнитного излучения можно объяснить следующим образом: направленное движение электронов от катода к антикатоду представляет собой электрический ток. Вокруг электрического тока возникает магнитное поле. При торможении электронов, т.е. при резком уменьшении скорости движения электронов, электрический ток так же резко изменяется, в связи с этим магнитное поле тоже будет изменяться. По теории Максвелла вокруг изменяющегося магнитного поля возникает изменяющееся электрическое поле, а это электрическое поле создаст вокруг себя изменяющееся магнитное поле. Так возникает электромагнитное излучение.

Какая доля кинетической энергии электрона приходится на тепловую, а какая на электромагнитную зависит от различных факторов взаимодействия электрона с веществом антикатода, и несет случайный характер, т.е. для одних электронов его энергия превращается полностью в тепловую, для других - полностью в электромагнитную, а для остальных и в тепловую и электромагнитную с различной долей.

Если Q = 0, то еU = hн_макс, учитывая что частота н и длина волны л излучения обратны друг другу получим

еU = hн_макс = hс/л_мин.

Отсюда минимальная длина волны тормозного рентгеновского излучения л_мин, если напряжение прикладываемое на трубку измерить в киловольтах (кВ), будет

(ангстем)

Из этой формулы следует, что увеличение напряжения прикладываемого между анодом и катодом, т. е. анодного напряжения, приводит к уменьшению минимальной длины, т.е. сдвигу коротковолновой границы спектра тормозного рентгеновского излучения в сторону коротких волн.

Экспериментальной проверкой справедливости этой формулы является вычисление по ней постоянной Планка. Значение постоянной Планка, полученное этим методом, наиболее точно и достоверно.

Характерной для тормозного рентгеновского излучения является длина волны л_Емакс, на которую приходится максимум энергии излучения Е_макс, т.е наибольшее количество фотонов излучения с данной длиной волны. Из рисунка следует, что при увеличении напряжения длина волны на которую приходится максимум энергии сдвигается в сторону коротких волн.

Между длинами волн на которые приходятся коротковолновая граница и максимум энергии излучения связаны друг с другом соотношением

л_Емакс = 1,5 л_мин =18,6/U.

Длину волны можно регулировать, изменяя напряжение трубки. При изменении напряжения изменяется не только длина волны, но и поток энергии излучения, соответственно изменяется общая мощность излучения.



Если увеличить силу тока накала катода, то увеличится его температура, что вызовет возрастание эмиссии электронов и силы тока в трубке. Это приведет к увеличению числа фотонов рентгеновского излучения, испускаемых каждую секунду. Спектральный состав излучения не изменится (рис 4). Увеличение числа фотонов рентгеновского излучения есть увеличение потока излучения. Таким образом поток энергии рентгеновского излучения зависит от напряжения U на антикатоде, силы тока I накала рентгеновской трубки, что можно выразить формулой Ф= kU²IZ, где k - коэффициент пропорциональности, U - напряжение, приложенное между катодом и анодом, I - сила тока в цепи трубки, Z - атомный номер вещества зеркала анода. Из этой формулы следует, что, при постоянном напряжении на аноде и силы тока нити накала трубки, поток рентгеновского излучения прямо пропорционален порядковому номеру вещества антикатода,

Спектры, полученные от различных антикатодов при одинаковых U и I_н, изображены на рисунке 5.

Из выше изложенного и формул следует, что спектр тормозного излучения (рис. 3):

а) является сплошным,

б) имеет коротковолновую границу л_мин,

в) увеличение напряжения на рентгеновской трубке, изменяет спектральный состав излучения;

г) коротковолновая граница л_мин=12,3/U сдвигается в сторону коротких волн л₃<л₂<л₁ при увеличении напряжения U₃>U₂>U₁ на трубке и наоборот,

д) кроме того имеет длину волны л_Емакс, на которую приходится максимум энергии излучения при данном напряжении,

е) длина волны л_Емакс = 1,5л_мин, сдвигается в сторону коротких волн л_Емакс3<л_Емакс2< л_Емакс1 при увеличении напряжения U₃>U₂>U₁ на трубке и наоборот;

ж) поток энергии излучения, определяемая как площадь под кривой излучения, зависит от напряжения на антикатоде, с увеличением его увеличивается поток излучения.

Б) Характеристическое рентгеновское излучение.

Кроме тормозного, есть характеристическое излучение, которое имеет линейчатый спектр.

Характеристическое излучение возникает в результате возбуждения атомов электронами высоких энергий, которые проникают вглубь атома и переводят близкие к ядру электроны на более высокие энергетические уровни. Последующие переходы удаленных от ядра электронов на освобождающийся уровень сопровождается испусканием квантов, длины волн которых лежат в рентгеновской области и служат характеристикой материала анода.

Как правило, характеристическое излучение возникает при переходах электронов на внутренние оболочки (k, l, m) атомов с высоким порядковым номером. В веществе антикатода, подвергшемуся сильному внешнему воздействию, т.е. бомбардировке быстрыми электронами, электрон с оболочки К удаляется со своей орбиты и переходит на достаточно удаленный уровень - N (рис. 6). На освободившееся место уровня K может перейти электрон с любого другого, более высокого энергетического уровня, например, с L или М, или N уровня. При этом излучается фотон с частотой, соответствующей разности энергии перехода:

hн_k1 = E_L - E_K

при чем на уровне L освобождается место, куда перейдет электрон с М уровня, испуская фотон с энергией и т.д.;

hн_L1 = E_М - E_L

hн_k2= E_М - E_K,

при чем на уровне М освобождается место, куда перейдет электрон с N уровня, испуская фотон с энергией и т.д.;

hн_М1 = E_N - E_М

hн_k3 = E_N - E_K

при чем на уровне N освобождается место, куда перейдет электрон с O уровня, испуская фотон с энергией и т.д.

hн_N1 = E_O - E_N

Свободное место может возникнуть на одном из внутренних оболочек, а переход электрона может происходить с любого более высокого уровня. В результате образуется излучение, состоящее из отдельных линий и специфичное для вещества, в котором оно возбуждается. Линии в спектре характеристического излучения объединяются в серии К, L, М и соответствуют переходам электронов с более высоких уровней на уровни К к- серия, L (l- серия), М (m- серия), и т.д. Частоты, соответствующие линиям этих серий, связаны атомным номером вещества, в котором излучение возбуждается. Эту связь экспериментально установил английский физик Мозли в 1913г

где н - частота характеристического излучения; R - постоянная Ридберга, Z - порядковый номер элемента зеркала антикатода, S_n - постоянная экранирования, n - главное квантовое число. Учитывая, что величины R, n и S_n постоянные, закон Мозли можно представить в виде

В каждой серии при переходе от Z к (Z+1) значение изменяется на одну и ту же величину, поэтому можно показать спектр характеристического излучения различных химических элементов, расположив их в ряд в соответствии с возрастанием атомного номера вещества анода (рис 7).

5. Процессы, происходящие при взаимодействие рентгеновского излучения с веществом

Регистрация и использование рентгеновского излучения, а также воздействие его на биологические объекты определяются первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электронами атомов и молекул вещества.

В зависимости от соотношения энергии hн фотона и энергии ионизации Е_и имеют место три главных процесса взаимодействия рентгеновского излучения с веществом: когерентное (классическое) рассеяние, фотоэффект, некогерентное рассеяние (Комптон эффект).

Когерентное рассеяние (рис. 8) происходит, если энергия падающего рентгеновского фотона hн₁ (hc/л₁) меньше, чем энергия ионизации вещества (работы выхода электрона из вещества) hн₁< Е_и. В этом случае фотон рентгеновского излучения, встретившись с валентным электроном вещества, отдает ему свою энергию и возбуждает его, в результате электрон переходит на более удаленную орбиту, где не может быть дольше чем 10^-10 секунд, возвращается в основную орбиту и излучает свою избыточную энергию в виде электромагнитного излучения рентгеновского диапазона. Этот фотон электромагнитного излучения будет иметь энергию hн₂ (hc/л₂), равную поглощенной электроном, но может иметь другое направление, поэтому называется рассеянием. А когерентным называется потому, что hн_{2 =} hн₁ или hc/л₂ = hc/л₁ и н_{2 =} н₁ или л₂ = л₁, частота (или длина волны) первичного и вторичного излучении равны. Таким образом при когерентном рассеянии в веществе изменения не происходят, излучение изменяет только направление распространения.

Фотоэффект (рис. 9) происходит, если энергия падающего рентгеновского фотона hн₁ (hc/л₁) больше, чем энергия ионизации вещества (работы выхода электрона из вещества) hн₁ ? Е_и.

Фотон рентгеновского излучения взаимодействует с валентным электроном вещества, отдает ему свою энергию. Электрон получив достаточную энергию оставляет вещество, т.е. часть полученной энергии затрачивает на совершение работы выхода из вещества, а оставшаяся часть энергии преобразуется в кинетическую энергию свободного электрона hн₁ = Е_и+ mх²/2. Таким образом в результате фотоэффекта вещество превращается в положительный ион, появляется свободный электрон, а фотон исчезает.



Некогерентное рассеяние (Комптон эффект, рис. 10) происходит, если hн₁ >> Е_и. В этом случае часть энергии фотона, сообщенная электрону, идет на совершения работы выхода электроном из вещества Е_и, другая часть на кинетическую энергию mх²/2 свободного электрона, третья часть излучается в виде вторичного излучения hн₂, которое рассеивается по всевозможным направлениям. Закон сохранения энергии для данного случая взаимодействия можно представить в виде: hн₁= Е_и+ mх²/2+ hн₂. Отсюда следует, что энергия вторичного фотона hн₂ меньше энергии первичного hн₁, соответственно н₂<н₁ или л₂>л₁, поэтому данный вид взаимодействия называется некогерентным. В результате такого взаимодействия вещество ионизируется, появляется свободный электрон и присутствует вторичное излучение, которое может взаимодействовать с другими атомами или молекулами вещества.

рентгеновский электромагнитный излучение доза



Перечисленные физические явления взаимодействия рентгеновского ( ионизирующего) излучения с веществом являются первичными процессами. Они приводят к последующим вторичным, третичным и т.д. явлениям. Например, ионизированные атомы могут излучать характеристический спектр или же как химически активное вещество вступать в различные реакции, возбужденные атомы могут стать источниками видимого света (рентгенолюминес-ценция) и т.п.

На рис. 11 приводится схема возможных процессов, возникающих при попадании рентгеновского излучения в вещество. Может происходить несколько десятков процессов, подобных изображенному, прежде чем энергия рентгеновского фотона перейдет в энергию молекулярно-теплового движения. В итоге произойдут изменения молекулярного состава вещества.

Перечислим некоторые процессы, лежащие в основе явлений, наблюдаемых при действии рентгеновского излучения на вещество.

1) Рентгенолюминесценция -- свечение ряда веществ при рентгеновском облучении, что позволило Рентгену открыть лучи. Это явление используют для создания специальных светящихся экранов с целью визуального наблюдения рентгеновского излучения (рентгеноскопия), иногда для усиления действия рентгеновских лучей на фотопластинку .

2) Химическое действие рентгеновского излучения, например образование перекиси водорода в воде. Практически важный пример -- воздействие на фотопластинку, что позволяет фиксировать такие лучи.

3) Ионизирующее действие проявляется в увеличении электропроводимости под воздействием рентгеновских лучей. Это свойство используют в дозиметрии для количественной оценки действия этого вида излучения.

6. Закон ослабление рентгеновского излучения

В результате множества процессов, происходящих при взаимодействия рентгеновского излучения с веществом поток излучения ослабляется. Это ослабление можно описать законом Бугера : Ф = Ф_ое^-мd, где Ф - поток излучения, прошедшее через вещество, Ф_о - поток излучения, падающее на вещество, м - линейный коэффициент ослабления, d - толщина слоя вещества.

Одним из показателей ослабления рентгеновского излучения с веществом является толщина слоя половинного поглощения, которое можно определить из условия, что прошедший через вещество поток излучения равен половине падающего: Ф = Ф_о/2. Если подставить сюда математическое выражение закон Бугера получится: Ф_о/2 =Ф_ое^-мd Ѕ = е^-мd

ln1 - ln2 = -мd_1/2 d_1/2 = ln2/м = 0,693/ м

т.е. толщина слоя половинного поглощения величина обратная линейному коэффициенту ослабления.

Линейный коэффициент ослабления м можно представить как сумму коэффициентов ослабления первичных действии: когерентного м_кр и некогерентного м_нр рассеянии и фотоэффекта

м_{ф :} м = м_кр + м_нр + м_ф.

Поток рентгеновского излучения ослабляется пропорционально числу атомов вещества, через которое этот поток проходит. Чем больше атомов в единице длины вещества, соответственно в единице объема, тем сильнее ослабляется поток рентгеновского излучения. Отсюда следует, что линейный коэффициент ослабления зависит от плотности вещества с м = см_m, где м_m - массовый коэффициент ослабления, который зависит от природы вещества и от длины волны излучения..

Используя массовый коэффициент ослабления, закон Бугера можно представить в виде

Одним из показателей ослабления рентгеновского излучения с веществом является толщина слоя половинного поглощения, которое можно определить из условия, что прошедший через вещество поток излучения равен половине падающего: Ф = Ф_о/2. Если подставить сюда математическое выражение закон Бугера получится:

Ф_о/2 =Ф_ое^-мd Ѕ = е^-мd

ln1 - ln2 = -мd_1/2 d_1/2 = ln2/м = 0,693/ м,

т.е. толщина слоя половинного поглощения величина обратная линейному коэффициенту ослабления.

7. Физические основы применения рентгеновского излучения в медицине

В основе применения рентгеновских лучей в медицине лежит закон ослабления потока рентгеновских лучей веществом, т.е. закон Бугера. Как видно из формулы закона Бугера, излучение с одной и той же длиной волны поглощается веществом тем сильнее, чем больше плотность с и чем выше атомный номер Z. Кость поглощает Х-лучи сильнее, чем мягкие ткани. Если на пути пучка рентгеновского излучения поместить неоднородное тело и за ним флуоресцирующий экран, то из-за неравномерного поглощения на экране образуется тень, где светлые изображения соответствуют более плотным участкам тела, а темные - менее плотным участкам, так как у первых больше поглотительная способность, а у вторых - меньше. Полученная таким образом, тень позволяет судить о внутреннем строении тела.

Если массовый коэффициент ослабления в основном определяется фотоэффектом, то можно считать, что его значение обратно пропорционально третьей степени энергии фотона (пропорционально л³), и пропорционально третьей степени атомного номера вещества-поглотителя (пропорционально Z³): м_m= k л³ Z³. Используя эту формулу можно сравнивать массовые коэффициенты различных веществ, например, массовые коэффициенты ослабления м_mк кости Са₃(РО₄)₂ и м_mв мягкой ткани или воды Н₂О. Атомные номера Са, Р, О и Н соответственно равны 20, 15, 8 и 1. Подставив эти числа в (31.12), получим

Существенное различие поглощения рентгеновского излучения разными тканями позволяет в теневой проекции видеть изображения внутренних органов тела человека.

Если учесть вклад в ослабление потока рентгеновского излучения когерентного и некогерентного рассеяния, то последняя формула примет вид

м_m= k л³ Z⁴.

Из формулы видно, что массовый коэффициент ослабления зависит от третьей степени длины волны излучения, чем больше длина волны, тем больше поглощение, и наоборот. Принято считать, что более поглощаемое излучение длинноволновое, мягкое, а менее поглощаемое - коротковолновое, жесткое. Проникающая способность жестких лучей больше, чем у мягких лучей.

Элементы в периодической системе Д.И. Менделеева, имеющие большие атомные номера, способны поглощать большую часть рентгеновских лучей и меньшую часть пропускать через вещество. Поэтому такие элементы, как свинец, широко используются для защиты от рентгеновского излучения.

Этот способ используется в медицине для защиты медперсонала и пациентов (больных), так как от рентгеновского излучения нельзя защититься с помощью электроического или магнитного поля. Рентгенологи во время работы используют просвинцованные резиновые перчатки и фартуки, экраны с отражателями. У них имеются профессиональные льготы и особый сокращенный режим работы.

8. Методы использования рентгеновских лучей в медицине

Рентгеновские лучи относятся к группе излучений, называемых ионизирующими. Эта их способность положена в основу измерения дозы облучения, получаемой человеком при рентгеновском облучении.

Рентгеновские лучи используются в медицине и в терапевтических и диагностических целях.

В терапевтических целях рентгеновские лучи применяют главным образом для уничтожения злокачественных образований (рентгенотерапия). В этом случае используют более мягкое рентгеновское излучение, т.е. менее проникающее и более поглощаемое излучение.

В диагностических целях рентгеновские лучи применяются для просвечивания внутренних органов. Различают два варианта рентгенодиагностики: рентгеноскопия и рентгенография. В рентгеноскопии изображение рассматривают на рентгенолюминесцирую-щем экране, а в рентгенографии - изображение фиксируют на фотопленке. При рентгеноскопии вызывают свечение лучи, прошедшие через мягкие ткани, т.е. менее поглощенный пучок излучения, а плотные ткани, поглотившие излучение, дают темную тень. При рентгенографии лучи, прошедшие через мягкие ткани, менее поглощаются и, вызывая фотохимические реакции на пленке, дают более темное изображение, чем лучи, прошедшие через плотные ткани, они дают светлые изображения, так как интенсивность прошедших лучей настолько мала, что они не вызывают фотохимических реакции на пленке.

Если исследуемый орган и окружающие ткани примерно одинаково ослабляют рентгеновское излучение, то применяют специальные контрастные вещества. Так, например, наполнив желудок и кишечник кашеобразной массой сульфата бария, можно видеть их теневое изображение.

Яркость изображения на экране и время экспозиции на фотопленке зависят от интенсивности рентгеновского излучения. Если его используют для диагностики, то интенсивность не может быть сделана большой, чтобы не вызвать нежелательных биологических последствий. Поэтому имеется ряд технических приспособлений, улучшающих изображение при малых интенсивностях рентгеновского излучения. В качестве примера такого приспособления можно указать электронно-оптические преобразователи. При массовом обследовании населения широко используется вариант рентгенографии -- флюорография, при которой на чувствительной малоформатной пленке фиксируется изображение с большого рентгенолюминесци-рующего экрана. При съемке используют линзу большой светосилы, готовые снимки рассматривают на специальном увеличителе.

Интересным и перспективным вариантом рентгенографии является метод, называемый рентгеновской томографией, и его «машинный вариант» -- компьютерная томография. Обычная рентгенограмма охватывает большой участок тела, причем различные органы и ткани затеняют друг друга. Можно избежать этого, если периодически совместно в противофазе перемещать рентгеновскую трубку РТ и фотопленку Фп относительно объекта Об исследования. В теле имеется ряд непрозрачных для рентгеновских лучей включений, они показаны кружочками на рисунке. Как видно (рис. 12) рентгеновские лучи при любом положении рентгеновской трубки (J, 2 и т.д.) проходят через одну и ту же точку объекта, являющуюся центром, относительно которого совершается периодическое движение РТ к Фп. Эта точка, точнее небольшое непрозрачное включение, показана темным кружком. Его теневое изображение перемещается вместе с Фп, занимая последовательно положения 1, 2 и т.д. Остальные включения в теле (кости, уплотнения и др.) создают на Фп некоторый общий «фон», так как рентгеновские лучи не постоянно затеняются ими. Изменяя положение «центра качания», можно получить послойное рентгеновское изображение тела. Отсюда и название -- томография (послойная запись).

Можно, используя тонкий пучок рентгеновского излучения, экран (вместо Фп), состоящий из полупроводниковых детекторов ионизирующего излучения, и ЭВМ, обработать теневое рентгеновское изображение при томографии. Такой современный вариант томографии (вычислительная или компьютерная рентгеновская томография) позволяет получать послойные изображения тела на экране электронно-лучевой трубки или на бумаге с деталями менее 2 мм при различном поглощении рентгеновского излучения до 0,1%. Это позволяет, например, различать серое и белое вещество мозга и видеть очень маленькие опухолевые образования.

В рентгеноструктурном анализе рентгеновские лучи используют для исследования внутреннего строения кристалла или веществ в любых агрегатных состояниях.

9. Радиоактивное излучение. Структура ядра. Радиус ядра

Ядро атомов состоит из элементарных частиц - протонов и нейтронов, называемых нуклонами. В свободном состоянии протоны и нейтроны - самостоятельные частицы, но в ядре они могут взаимно превращаться и тогда рассматриваются как различные состояния одной и той же частицы. Число Z протонов в ядре равно атомному номеру элемента. Массовое число А - это целое число, ближайшее к атомной массе элемента (изотопа), выраженной в а.е.м..

Число N нейтронов в ядре равно разности между массовым числом и атомным номером элемента (изотопа):

N = A - Z

Радиус ядра определяется по приближенной формуле:

R=1.5 ^-13

т.е. имеет порядок 10^-13см (в 10⁵ раз меньше порядка радиуса атома).

10. Ядерные силы. Свойства ядерных сил. Модели ядерных сил

Нуклоны в ядре связаны особыми силами взаимного притяжения - ядерными силами.

Природа ядерных сил недостаточно еще изучена, однако основные его свойства установлены достоверно.

Ядерные силы - короткодействующие

Ядерные силы -сильнодействующие

Ядерные силы действуют между нуклонами независимо от их электрического заряда, как между двумя нейтронами, так и между нейтроном и протоном или двумя протонами.

Ядерные силы имеют свойства насыщения, т.е. каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом окружающих его нуклонов, поэтому при увеличении числа нуклонов в ядре ядерные силы не возрастают, как это имеет место для сил электростатического отталкивания между протонами. По мере увеличения общего числа нуклонов в ядре, причем со значительным избытком нейтронов по отношению к протонам (N / Z > 1.6), устойчивость ядра ослабляется, вследствие чего у элементов последнего ряда происходит самопроизвольный распад, называемый радиоактивность.

В соответствии со свойствами ядерных сил предложены капельная и оболочечная модели строения ядер атомов. Согласно теории, принятой в настоящее время, нуклоны в ядре непрерывно обмениваются особыми частицами, которые называются - мезонами или квантами ядерного поля. Обмен происходит настолько быстро ( в течение 10^-23 с), что установить самостоятельное существование этих частиц в ядре затруднительно, поэтому их называют виртуальными.

Энергия связи нуклонов.

При рассмотрении вопроса связанного с ядерными силами вводят понятие об энергии связи Е_св нуклонов, под которой понимают разность между общей потенциальной энергией Е св. нуклонов и потенциальной энергией Е яд. этих же нуклонов, связанных в ядре силами взаимного притяжения Е св. = Е своб. -Еяд. Энергия связи - это энергия, которая выделяется при образовании ядра из свободных нуклонов, или соответственно энергия, которую необходимо затратить, чтобы действием внешних сил разрушить ядро. Энергия связи ядра пропорциональна числу нуклонов, поэтому для сравнения между собой ядер различных элементов пользуется средним значением энергии связи, приходящиеся на один нуклон, который называют удельной энергией связи

Е св. = Е св./А.

11. Радиоактивность. Виды радиоактивного излучения

Радиоактивность - свойство ядер определенных элементов самопроизвольно (т.е. без каких-либо внешних воздействий) превращаться в ядра других элементов с испусканием особого излучения, называемого радиоактивным излучением. Само явление называется радиоактивным распадом. Радиоактивный распад сопровождается небольшим выделением теплоты. Радиоактивные явления, происходящие у встречающихся в природе изотопов, называют естественной радиоактивностью, а происходящие в искусственно созданных изотопах - искусственной радиоактивностью. Под общим названием радиоактивного излучения объединяются три вида излучений , различные по природе, но имеющие некоторые общие свойства.

Альфа - излучение - это поток - частиц с высокой кинетической энергией, которое представляют ядра гелия. Альфа - частица состоит из двух протонов и двух нейтронов и обозначается ^.

Бета-излучение - это поток -частиц с высокой кинетической энергией, которые представляют или электроны (у большинства радиоактивных элементов), или позитроны (у некоторых искусственно полученных изотопов)

Бета - частица обозначается ^- или e (электрон) и илиe(позитрон).

Гамма - излучение имеет электромагнитную природу и представляет поток фотонов с высокой энергией порядка от 1 до 2-3 МэВ и соответственно малой длиной волны (0,1 нм и меньше).

Характеристиками радиоактивного излучения являются масса и заряд частиц, скорость их при выбрасывании из ядра и соответствующая ей кинетическая энергия, а также распределение частиц по энергиям, называемое спектром радиоактивного излучения. В одном акте распада из ядер данного вещества выбрасываются частицы только одного вида: альфа- или бета-. Соответственно различают три основных вида распада радиоактивных ядер: - распад, - электронный и - позитронный. Любой из этих распадов может сопровождаться излучением - фотонов.

12. Виды радиоактивного распада

б- распад. Формула б- распада.

Для ядер тяжелых элементов характерен - распад, при этом уменьшается общее число нуклонов в ядре, и оно становится более устойчивым. Альфа - распад описывается уравнением:

В связи с выбрасыванием - частиц заряд ядра и соответственно атомный номер элемента уменьшается на две единицы, а массовое число - на четыре единицы. При определенных условиях некоторые из образовавшихся таким образом - частиц могут преодолеть действие ядерных сил и оторваться от ядра. Этот процесс имеет квантовомеханическую природу и называется тоннельным эффектом.

в- распад. Формула в-распада.

Бета - распад происходит у ядер, неустойчивость которых связана с неблагоприятным соотношением числа нейтронов и протонов. Если в ядре имеется излишек нейтронов, то происходит электронный - распад, при котором один из нейтронов, превращается в протон, при этом в ядре рождается электрон:



Он выбрасывается, и в ядре остается более устойчивый комплекс нуклонов. Электронный распад - распад описывается уравнением:

При этом заряд ядра и соответственно атомный номер элемента увеличиваются на единицу, а массовое число его остается без изменений.

Электронный - распад характерен для многих естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов, например, распад изотопа калия с превращением его в кальций:

При позитронном - распаде один из протонов превращается в нейтрон, и в ядре рождается позитрон:

Он выбрасывается, а в ядре остается более устойчивый комплекс нуклонов. Позитронный - распад описывается уравнением:

.

Заряд ядра и соответственно атомный номер элемента уменьшается на единицу, а массовое число остается без изменения.

Бета - излучение одного и того же элемента содержит частицы с различной энергией в пределах от самой малой до некоторой максимальной величины. Поэтому спектр - излучения непрерывный или сплошной. Для того чтобы объяснить различие в энергии - частиц при распаде ядер одного и того же элемента, В. Паули в 1931 году предположил, что при -распаде вместе с - частицами из ядра выбрасываются нейтральные частицы, ничтожные по массе и имеющие энергию, которая в сумме с энергией - частиц составляет некоторую постоянную величину , характерную для распада данного изотопа, причем эта энергия у разных ядер одного и того же элемента делится между - частицами и этими частицами в самых разнообразных соотношениях. В дальнейшим эти частицы были обнаружены экспериментально. Частица, испускаемая вместе с позитроном, была названа нейтрино . С учетом выбрасывания нейтрино или антинейтрино уравнения взаимного превращения нуклонов имеют вид:

Превращение протона в нейтрон может произойти так же путем захвата ядром одного из электронов с ближайшей к ядру оболочки К:

Это явление называется электронным захватом или К- захватом, например, превращение изотопа бериллия в литий:

Радиоактивный ряд

К радиоактивному распаду относят так же самопроизвольный распад ядер тяжелых элементов, например, изотопов урана на два осколка, близких между собой по атомному номеру и массовому числу.

У некоторых элементов наблюдается целая цепочка таких последовательных распадов, пока при последнем распаде не образуется стабильный элемент. Совокупность элементов, образующих подобную цепочку, называется радиоактивным семейством, или рядом.

13. Основной закон радиоактивного распада в дифференциальной форме. Постоянная распада

Радиоактивный распад ядер одного и того же элемента происходит постепенно и со скоростью весьма различной у различных элементов. Радиоактивный распад - статистический процесс, подчиняющийся законам теории вероятностей. Момент распада каждого ядра не может быть указан заранее, но эта теория позволяет установить вероятность распада одного ядра за определенный промежуток (единицу) времени. Эта вероятность характеризуется коэффициентом , который называется постоянной распада и зависит только от природы элемента. Основной закон радиоактивного распада устанавливает: за равные промежутки времени распадается одинаковая доля наличных (т.е. еще не распавшихся к началу данного промежутка) ядер данного элемента. Это и характеризуется постоянной распада .

Из закона следует, что число dN ядер, распадающихся за промежуток времени dt, пропорционально числу N ядер, еще не распавшихся к началу данного промежутка времени, и промежутку времени dt:

(знак минус показывает на убывание со временем величины N).

Решением уравнения является экспоненциальная функция

где N₀ - исходное (в момент t = 0) число ядер. Таким образом, число N не- распавшихся (т.е. активных) ядер убывает со временем по указанной выше зависимости и может быть определенно для любого момента времени путем вычисления по формуле или с помощью графиков. Число N распавшихся ядер изменяется со временем по зависимости

Практически скорость распада различных элементов характеризуют периодом полураспада Т_1/2. Это время, в течение которого распадается половина исходного числа радиоактивных ядер.

Период полураспада.

Период полураспада можно найти из следующих соображений. При число не распавшихся ядер

откуда , следовательно

Период полураспада элементов (изотопов) различается в весьма широких пределах - от миллионов лет до долей секунды.

14. Активность радиоактивного распада

При практическом использовании источников радиоактивного излучения основное значение имеет общее число распадов, происходящих в источнике в единицу времени. Эта величина называется активностью А данного источника и зависит как от относительной скорости распада, так и наличного числа ядер, т.е. массы изотопа в источнике. Активность характеризует абсолютную скорость распада изотопа в данном источнике:

Из сопоставления формул основного закона и периода полураспада следует:

Активность элемента пропорциональна числу ядер (массе изотопа) и обратно пропорциональна его периоду полураспада.

Кюри - активность такого препарата, который дает распадов в секунду.

Применяется также единица активности Резерфорд (Рд), соответствующая распадов в секунду.

Радиоактивные элементы в природе.

Радиоактивные элементы распространены в природе, хотя и в ничтожных количествах. В земной коре радиоактивные элементы содержатся преимущественно в урановых рудах. В почве содержатся радиоактивный изотоп калия (в количестве до небольших долей процента), а так же изотопы углеводорода и водорода , которые образуются в атмосфере и из нее поступают в почву. В природных водах имеется радиоактивные вещества, вымываемые из почвы и горных пород. Эти источники используются для лечебных целей. Растения усваивают радиоактивные вещества из почвы, воды и атмосферы. Изотоп углерода образуется в атмосфере из азота под действием нейтронов космического излучения по реакции:

Он усваивается растениями при фотосинтезе. В животные организмы радиоактивные вещества поступают с пищей, водой и воздухом, но и выводятся с экскрементами, поэтому накопление их в организме не происходит.

Таким образом, везде в природе, где имеются радиоактивные вещества, возникает радиоактивное излучение, которое вместе с космическим составляет естественный радиоактивный фонд. Растения и животные приспособились этому радиоактивному фону, как и к прочим физическим факторам внешней среды.

15. Ионизирующее радиоактивное излучение и его биологическое действие

Радиоактивность ( альфа-, бета-, гамма-излучение) и жесткое рентгеновское излучение, а так же потоки протонов и нейтронов объединяются под общим названием ионизирующего излучения. К ионизирующему излучению относят так же потоки протонов и нейтронов. Скорость и энергия протонов, выбрасываемых при ядерных реакциях, проникающая и ионизирующая способность этих частиц такие же, как и у альфа - частиц. При соударении нейтронов с ядрами атомов может происходить их упругое рассеяние, неупругое рассеяние и захват нейтрона ядром (радиационный захват).

Действие ионизирующих излучений может вызвать так же нарушение в структуре молекул веществ. В качестве примера можно указать радиолиз воды, который заключается в ионизации и последующем распаде ионизированной молекулы воды с образованием ненасыщенных радикалов Н и ОН, не несущих электрических зарядов, но имеющих ненасыщенные валентности, и поэтому обладающие исключительно высокой химической активностью, при этом образуются также соединения типа Н₂О₂ или НО₂ (гидропероксид), являющиеся сильными окислителями.

16. Поглощенная и экспозиционная доза. Мощность дозы. Единицы измерения

Поэтому основной величиной, характеризующей действие ионизирующего излучения на вещество, является энергия излучения, поглощенного единицей массы вещества за время облучения. Эта величина называется дозой излучения или поглощенной дозой излучения .

Экспозиционную дозу, или дозу облучения определяют по ионизирующему действию излучения в воздухе. Рентгену дают определение: это доза рентгеновского или - излучений, которое в результате полной ионизации 1 см³ чистого сухого воздуха при 0⁰ С и нормальном давлении образует округленно два млрд. пар ионов.

Для количественной характеристики действия излучения водится понятие мощности дозы излучения Р. Мощность дозы излучения есть величина, измеряемая дозой излучения, поучаемой объектом за единицу времени. При достаточно равномерном действии излучения мощность дозы Р численно равна отношению дозы излучения к промежуткам времени действия излучения:

Единицами мощности дозы излучения являются: для поглощенной дозы -ватт на кг (Вт/кг) и рад в секунду (рад/с); для экспозиционной дозы - ампер на кг (А/кг) и рентген в час (Р/ ч) или микрорентген в секунду (мкР/ с).

Относительная биологическая эффективность.

Если известна экспозиционная доза D₀ в рентгенах, которой облучается объект, то с помощью переходного коэффициента f, который обычно определяется опытным путем на моделях (фонтомах), можно найти поглощенную в объекте дозу в радах:

Коэффициент f зависит главным образом от атомного номера и плотности вещества объекта, и в меньшей степени - от энергии фотонов. Например, для воды соответственно для мягких тканей человека коэффициент f мало зависит от энергии фотонов и округленно может быть принят равным единице (f = 1).

Биологическое действие различных видов ионизирующего излучения отличается. В связи с этим в дозиметрию вводится величина, называемая биологической дозой излучения D_б. Единицей ее является биологический эквивалент рада - бэр. Бэр равен количеству энергии любого вида ионизирующего излучения, которое по своему биологическому действию эквивалентно 1 рад рентгеновского или гамма - излучения. Биологическая доза излучения в Берах численно равна произведению поглощенной дозы в радах на коэффициент, называемой относительной биологической эффективностью излучения (ОБЭ):

Рекомендуемая литература

Основная

1. Н.М. Ливенцев , «Курс физики» , М. «Высшая школа», 1978 г., том 2, §114-§116, стр. 43-57.

2. Н.М. Ливенцев , «Курс физики» , М. «Высшая школа», 1974 г., глава 20, §159-§161, стр. 508-523.

3. Е.А. Безденежных, А.Ф. Шевченко, «Физика», М «Медицина», 1978 г. , §159-§161, стр. 408-415

4. А.Н. Ремизов, «Медицинская и биологическая физика», М., «Высшая школа», 1999г., глава 31, §31.1 - 31.4 стр. 566-576.

4. А.Н. Ремизов, «Медицинская и биологическая физика», М., «Высшая школа», 1987г., глава 31, §31.1 - 31.4 стр. 548-557.

- А.Н.Ремизов, «Курс физики, электроники, кибернетики» для медицинских институтов, М., «Высшая школа», 1982 г., глава 35, §5, стр. 419-421.

- Н.М. Ливенцев , «Курс физики» , М. «Высшая школа», 1978 г. часть 2, §122 - §127, стр. 70 - 85.

- Н.М. Ливенцев , «Курс физики» для мед. ВУЗов , М. «Высшая школа», 1974 г., главы 32 - 34, §167-181 стр. 537-581.

- А.Н. Ремизов, «Медицинская и биологическая физика», М., «Высшая школа», 1999г.

Дополнительная

- Владимиров Ю.А. и др. «Биофизика», М, «Медицина» , 1983 г.

-Е.А. Безденежных, А.Ф. Шевченко «Курс физики», М «Медицина», 1978 г, §190 - 200, стр. 488 - 521.

- Л.С. Жданов, Г.Л. Жданов, «Физика», М., «Наука», 1987г., глава 37, §37.1 -§37.11 , стр. 458-446.

Размещено на Allbest.ru