Биологическое действие ионизирующего излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию РФ

ФГБОУ ВПО «Ишимский государственный педагогический институт Им. П.П. Ершова»

Физико-математический факультет

Контрольная работа

Биологическое действие ионизирующего излучения

Исполнитель:

Пименова Ксения Андреевна

Студентка 4 курса 101 группы

Дневного отделения

Научный руководитель:

Журавлёва Надежда Степановна

Ишим 2013

Оглавление

Введение

1. Радиоактивность и законы радиоактивного распада

2. Виды ионизирующих излучений

3. Биологическое действие излучений

Введение

Воздействие ионизирующего излучения на живой организм представляет собой сложный и не изученный до конца процесс. Сравнительно недавно многие исследователи полагали, что ионизирующее излучение оказывает повреждающее действие за счет сообщения органам и тканям энергии, т.е. что биологическая реакция организма на облучение осуществляется ровно настолько, насколько хватает поглощенной организмом при облучении энергии. Основной ошибкой таких представлений являлось сведение сложных биологических процессов к упрощенным физическим закономерностям, игнорирование особенностей организма, подвергающегося облучению, и ответных реакций на лучевое воздействие, которые по своим энергетическим параметрам могут в десятки раз превосходить энергию, сообщенную организму при облучении. Известно, что летальная доза для млекопитающих составляет от 300 до 900 Р. При таких дозах поглощаемая тканями и органами животных и человека энергия могла бы обусловить повышение температуры тела не более чем на сотые доли градуса. Ясно, что само по себе такое повышение температуры не может вызвать столь явно выраженного эффекта поражения; последний обусловлен высокой радиочувствительностью живой клетки. Причины столь высокой радиочувствительности до конца не выяснены; существуют гипотезы о возможном существовании цепных автокаталитических реакций, усиливающих первичное действие излучения.

Объектом исследования

Предмет исследования: Биологическое действие ионизирующего излучения.

Цель исследования: дать полную характеристику понятия ионизирующего излучения и его биологического действия.

Гипотеза исследования

В соответствии с поставленной целью и выдвинутой гипотезой сформулированы следующие задачи исследования:

1. Охарактеризовать понятие радиоактивности и закона радиоактивного распада.

2. Рассмотреть основные виды ионизирующего излучения.

3. Выявить значение биологического излучения.

Для решения поставленных задач использовались следующий метод исследования: анализ теоретического материала.

 1. Радиоактивность и закон радиоактивного распада

Естественной радиоактивностью называется самопроизвольное превращение ядер неустойчивых изотопов одного химического элемента в ядра изотопов других химических элементов.

Радиоактивность впервые обнаружена А. Беккерелем у солей урана. Естественная радиоактивность, как правило, наблюдается у ядер тяжелых элементов, располагающихся в таблице Менделеева за свинцом. Существуют и легкие радиоактивные ядра 4190K,146C,8737Rb и др.

Скорость распада различных радиоактивных элементов неодинакова и характеризуется периодом полураспада.

Период полураспада -- это промежуток времени Т, в течение которого распадается половина первоначального количества ядер (рис. 1).

Рис. 1

Если в начальный момент времени t₀=0 было N₀ радиоактивных ядер, то через промежуток времени, равный периоду полураспада t₁=T, число нераспавшихся ядер N1=N02. Спустя еще такой же промежуток времени t₂=2T число нераспавшихся ядер N2=N12=N04=N022.По истечении t = nT радиоактивных ядер останется N=N02n. Поскольку n=tT, то

N=N02?tT.

Эта формула является аналитическим выражением закона радиоактивного распада, установленного Ф. Содди.

Число распавшихся ядер за время Дt=t?t0=t будет равно ДN=N0?N=N0(1?2?tT).

Активностью А нуклида в радиоактивном источнике называется величина, равная отношению числа распавшихся ядер ко времени, за которое распад произошел, т.е. это число распадов в единицу времени

A=ДNДt.

В СИ единицей активности является беккерель. 1 Бк -- это активность радиоактивного препарата, в котором происходит распад одного ядра за 1 с.

Внесистемная единица активности -- 1 кюри = 3,7 * 10¹⁰ Бк. Чем меньше период полураспада Т, тем быстрее происходит распад, тем активнее элемент.

Часто радиоактивный распад характеризуют не периодом полураспада Т, а постоянной радиоактивного распада л, которая связана с периодом формулой л=ln2T. Постоянная радиоактивного распада определяет вероятность распада одного ядра за 1 с.

Тогда закон радиоактивного распада будет иметь вид:

N=N0e?лt

Величина, обратная постоянной распада ф=1л, называется средним временем жизни радиоактивного элемента.

Возникающие в результате радиоактивного распада ядра могут быть, в свою очередь, радиоактивными. Это приводит к возникновению цепочки, или ряда, радиоактивных превращений, заканчивающихся стабильным изотопом. Совокупность ядер, образующих такую цепочку, называется радиоактивным семейством. Известны три радиоактивных семейства: семейство урана (от 23892U семейство тория (от 23290Th) и семейство актиния (от 23589Ac). Все семейства заканчиваются стабильными изотопами свинца 20682Pb;20882Pb;20782Pb соответственно.

2. Виды ионизирующих излучений

Ионизирующие излучения -- это электромагнитные излучения, которые создаются при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образуют при взаимодействии со средой ионы различных знаков.

Виды ионизирующих излучений

В решении производственных задач имеют место разновидности ионизирующих излучений как (корпускулярные потоки альфа-частиц, электронов (бета-частиц), нейтронов) и фотонные (тормозное, рентгеновское и гамма-излучение).

Альфа-излучение представляет собой поток ядер гелия, испускаемых главным образом естественным радионуклидом при радиоактивном распаде, имеют массу 4 у.е. и заряд +2. Энергия альфа-частиц составляет 4--7 Мэв. Пробег альфа-частиц в воздухе достигает 8--10 см, в биологической ткани нескольких десятков микрометров. Так как пробег альфа-частиц в веществе невелик, а энергия очень большая, то плотность ионизации на единицу длины пробега у них очень высока (на 1 см до десятка тысяч пар-ионов).

Бета-излучение -- поток электронов или позитронов при радиоактивном распаде. Бета-частицы имеют массу, равную 1/1838 массы атома водорода, единичный отрицательный (бета-частица) или положительный (позитрон) заряды. Энергия бета-излучения не превышает нескольких Мэв. Пробег в воздухе составляет от 0,5 до 2 м, в живых тканях -- 2-- 3 см. Их ионизирующая способность ниже альфа-частиц (несколько десятков пар-ионов на 1 см пути).

Нейтроны -- нейтральные частицы, имеющие массу атома водорода. Они при взаимодействии с веществом теряют свою энергию в упругих (по типу взаимодействия биллиардных шаров) и неупругих столкновениях (удар шарика в подушку). ионизирующий излучение биологический действие

Гамма-излучение -- фотонное излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер, при ядерных превращениях или при аннигиляции частиц. Источники гамма-излучения, используемые в промышленности, имеют энергию от 0,01 до 3 Мэв. Гамма-излучение обладает высокой проникающей способностью и малым ионизирующим действием (низкая плотность ионизации на единицу длины).

Рентгеновское излучение -- фотонное излучение, состоящее из тормозного и (или) характеристического излучения, возникает в рентгеновских трубах, ускорителях электронов, с энергией фотонов не более 1 Мэв. Тормозное излучение -- фотонное излучение с непрерывным энергетическим спектром, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц. Характеристическое излучение -- это фотонное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома. Рентгеновское излучение, так же как и гамма-излучение, имеет высокую проникающую способность и малую плотность ионизации среды.

Физические характеристики ионизирующего излучения

Активность. Количество радионуклида принято называть активностью. Активность -- число самопроизвольных распадов радионуклида за единицу времени.

Единицей измерения активности в системе СИ является беккерель (Бк). 1Бк = 1 распад/с.

Внесистемной единицей активности является ранее используемая величина Кюри (Ки).1Ки = 3,7 *10¹⁰Бк.

Дозы излучения. Когда ионизирующее излучение проходит через вещество, то на него оказывает воздействие только та часть энергии излучения, которая передается веществу, поглощается им. Порция энергии, переданная излучением веществу, называется дозой.

Количественной характеристикой взаимодействия ионизирующего излучения с веществом является поглощенная доза.

Поглощенная доза D„ -- это отношение средней энергии АЕ, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к единице массы Am вещества в этом объеме

В системе СИ в качестве единицы поглощенной дозы принят грей (Гр), названный в честь английского физика и радиобиолога Л. Грея. 1 Гр соответствует поглощению в среднем 1 Дж энергии ионизирующего излучения в массе вещества, равной 1 кг * 1 Гр = 1 Дж/кг. 214

3. Биологическое действие ионизирующих излучений

Биологическое действие ионизирующих излучений - изменения, вызываемые в жизнедеятельности и структуре живых организмов при воздействии коротковолновых электромагнитных волн (рентгеновского излучения и гамма-излучения) или потоков заряженных частиц (альфа-частиц, бета-излучения, протонов) и нейтронов.

Исследования биологического действия ионизирующих излучений были начаты сразу после открытия рентгеновского излучения (1895) и радиоактивности (1896). В 1896 русский физиолог И. Р. Тарханов показал, что рентгеновское излучение, проходя через живые организмы, нарушает их жизнедеятельность. Особенно интенсивно стали развиваться исследования биологическое действие ионизирующих излучений с началом применения атомного оружия (1945), а затем и мирного использования атомной энергии.

Для биологического действия ионизирующих излучений характерен ряд общих закономерностей:

1) Глубокие нарушения жизнедеятельности вызываются ничтожно малыми количествами поглощаемой энергии. Так, энергия, поглощённая телом млекопитающего животного или человека при облучении смертельной дозой, при превращении в тепловую привела бы к нагреву тела всего на 0,001°С. Попытка объяснить "несоответствие" количества энергии результатам воздействия привела к созданию теории мишени, согласно которой лучевое повреждение развивается при попадании энергии в особенно радиочувствительную часть клетки -- "мишень".

2) Биологическое действие ионизирующих излучений не ограничивается подвергнутым облучению организмом, но может распространяться и на последующие поколения, что объясняется действием на наследственный аппарат организма. Именно эта особенность очень остро ставит перед человечеством вопросы изучения биологическое действие ионизирующих излучений и защиты организма от излучений.

3) Для биологического действия ионизирующих излучений характерен скрытый (латентный) период, т. е. развитие лучевого поражения наблюдается не сразу. Продолжительность латентного периода может варьировать от нескольких мин до десятков лет в зависимости от дозы облучения, радиочувствительности организма. Так, при облучении в очень больших дозах (десятки тыс. рад) можно вызвать "смерть под лучом", длительное же облучение в малых дозах ведёт к изменению состояния нервной и других систем, к возникновению опухолей спустя годы после облучения.

Радиочувствительность разных видов организмов различна. Смерть половины облученных животных (при общем облучении) в течение 30 сут после облучения (летальная доза -- ЛД ⁵⁰/₃₀) вызывается следующими дозами рентгеновского излучения: морские свинки 250 р, собаки 335 р, обезьяны 600 р, мыши 550--650 р, караси (при 18°С) 1800 р, змеи 8000--20000 р. Более устойчивы одноклеточные организмы: дрожжи погибают при дозе 30000 р, амёбы -- 100000 р, а инфузории выдерживают облучение в дозе 300000 р.

Радиочувствительность высших растений тоже различна: семена лилии полностью теряют всхожесть при дозе облучения 2000 р, на семена капусты не влияет доза в 64000 р.

Большое значение имеют также возраст, физиологическое состояние, интенсивность обменных процессов организма, а также условия облучения. При этом, помимо дозы облучения организма, играют роль: мощность, ритм и характер облучения (однократное, многократное, прерывистое, хроническое, внешнее, общее или частичное, внутреннее), его физические особенности, определяющие глубину проникновения энергии в организм (рентгеновское и гамма-излучение проникает на большую глубину, альфа-частицы до 40 мкм, бета-частицы -- на несколько мм), плотность вызываемой излучением ионизации (под влиянием альфа-частиц она больше, чем при действии других видов излучения). Все эти особенности воздействующего лучевого агента определяют относительную биологическую эффективность излучения. Если источником излучения служат попавшие в организм радиоактивные изотопы, то огромное значение для Б. д. и. и.. испускаемого этими изотопами, имеет их химическая характеристика, определяющая участие изотопа в обмене веществ, концентрацию в том или ином органе, а следовательно, и характер облучения организма.

Первичное действие радиации любого вида на любой биологический объект начинается с поглощения энергии излучения, что сопровождается возбуждением молекул и их ионизацией. При ионизации молекул воды (косвенное действие излучения) в присутствии кислорода возникают активные радикалы (ОН- и др.), гидратированные электроны, а также молекулы перекиси водорода, включающиеся затем в цепь химических реакций в клетке. При ионизации органических молекул (прямое действие излучения) возникают свободные радикалы, которые, включаясь в протекающие в организме химические реакции, нарушают течение обмена веществ и, вызывая появление несвойственных организму соединений, нарушают процессы жизнедеятельности. При облучении в дозе 1000 р в клетке средней величины (10^-9г) возникает около 1 млн. таких радикалов, каждый из которых в присутствии кислорода воздуха может дать начало цепным реакциям окисления, во много раз увеличивающим количество измененных молекул в клетке и вызывающим дальнейшее изменение надмолекулярных (субмикроскопических) структур. Выяснение большой роли свободного кислорода в цепных реакциях, ведущих к лучевому поражению, т.н. кислородного эффекта, способствовало разработке ряда эффективных радиозащитных веществ, вызывающих искусственную гипоксию в тканях организма. Большое значение имеет и миграция энергии по молекулам биополимеров, в результате которой поглощение энергии, происшедшее в любом месте макромолекулы, приводит к поражению её активного центра(например, к инактивации белка-фермента). Физические и физико-химические процессы, лежащие в основе Б. д. и. и., т. е. поглощение энергии и ионизация молекул, занимают доли сек.

Последующие биохимические процессы лучевого повреждения развиваются медленнее. Образовавшиеся активные радикалы нарушают нормальные ферментативные процессы в клетке, что ведёт к уменьшению количества богатых энергией (макроэргических) соединений. Особенно чувствителен к облучению синтез дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) в интенсивно делящихся клетках. Таким образом, в результате цепных реакций, возникающих при поглощении энергии излучения, изменяются многие компоненты клетки, в том числе макромолекулы (ДНК, ферменты и др.) и сравнительно малые молекулы (аденозинтрифосфорная кислота, коферменты и др.). Это приводит к нарушению ферментативных реакций, физиологических процессов и клеточных структур.

Воздействие ионизирующего излучения вызывает повреждение клеток. Наиболее важно нарушение клеточного деления -- митоза. При облучении в сравнительно малых дозах наблюдается временная остановка митоза. Большие дозы могут вызвать полное прекращение деления или гибель клеток. Нарушение нормального хода митоза сопровождается хромосомными перестройками, возникновением мутаций, ведущими к сдвигам в генетическом аппарате клетки, а следовательно, к изменению последующих клеточных поколений (цитогенетический эффект.) При облучении половых клеток многоклеточных организмов нарушение генетического аппарата ведёт к изменению наследственных свойств развивающихся из них организмов. При облучении в больших дозах происходит набухание и пикноз ядра (уплотнение хроматина), затем структура ядра исчезает. В цитоплазме при облучении в дозах 10 000--20 000 р наблюдаются изменение вязкости, набухание протоплазматических структур, образование вакуолей, повышение проницаемости. Всё это резко нарушает жизнедеятельность клетки.

Сравнительное изучение радиочувствительности ядра и цитоплазмы показало, что в большинстве случаев чувствительно к облучению ядро (например, облучение ядер сердечной мышцы тритона в дозе нескольких протонов на ядро вызвало типичные деструктивные изменения; доза в несколько тысяч раз большая не повредила цитоплазмы). Многочисленные данные показывают, что клетки наиболее радиочувствительны в период деления и дифференцировки: при облучении поражаются прежде всего растущие ткани. Это делает облучение наиболее опасным для детей и беременных женщин. На этом же основана и радиотерапия опухолей -- растущая ткань опухоли погибает при облучении в дозах, которые меньше повреждают окружающие нормальные ткани.

Возникающие в облучаемых клетках изменения ведут к нарушениям в тканях, органах и жизнедеятельности всего организма. Особенно выражена реакция тканей, в которых отдельные клетки живут сравнительно недолго. Это слизистая оболочка желудка и кишечника, которая после облучения воспаляется, покрывается язвами, что ведёт к нарушению пищеварения и всасывания, а затем к истощению организма, отравлению его продуктами распада клеток (токсемия) и проникновению бактерий, живущих в кишечнике, в кровь (бактериемия). Сильно повреждается кроветворная система, что ведёт к резкому уменьшению числа лейкоцитов в периферической крови и к снижению её защитных свойств. Одновременно падает и выработка антител, что ещё больше ослабляет защитные силы организма. (Уменьшение способности облученного организма вырабатывать антитела и тем самым противостоять внедрению чужеродного белка используется при пересадке органов и тканей -- перед операцией пациента облучают.) Уменьшается и количество эритроцитов, с чем связано нарушение дыхательной функции крови. Б. д. и. и. обусловливает нарушение половой функции и образования половых клеток вплоть до полного бесплодия (стерильности) облученных организмов. Важную роль в развитии лучевого поражения животных и человека играет нервная система. Так, у кроликов смертельный исход при облучении в дозе 1000 р часто определяется нарушениями в центральной нервной системе, вызывающими остановку сердечной деятельности и паралич дыхания.

Исследования биоэлектрических потенциалов мозга облученных животных и людей, подвергающихся лучевой терапии, показали, что нервная система раньше других систем организма реагирует на радиационное воздействие. Облучение собак в дозе 5--20 р и хроническое облучение в дозе 0,05 р при достижении дозы в 3 р ведёт к изменению условных рефлексов. Большую роль в развитии лучевой болезни играют и нарушения деятельности желёз внутренней секреции.

Для биологического воздействия ионизирующих излучений характерно последействие, которое может быть очень длительным, т.к. по окончании облучения цепь биохимических и физиологических реакций, начавшихся с поглощения энергии излучения, продолжается долгое время. К отдалённым последствиям облучения относятся изменения крови (уменьшение числа лейкоцитов и эритроцитов), нефросклероз, циррозы печени, изменения мышечных оболочек сосудов, раннее старение, появление опухолей. Эти процессы связаны с нарушением обмена веществ и нейроэндокринной системы, а также повреждением генетического аппарата клеток тела (соматические мутации).

Растения, по сравнению с животными, более радиоустойчивы. Облучение в небольших дозах может стимулировать жизнедеятельность растений -- прорастание семян, интенсивность роста корешков, накопление зелёной массы и др. Большие дозы (20 000--40 000 р)вызывают снижение выживаемости растений, появление уродств, мутаций, возникновение опухолей. Нарушения роста и развития растений при облучении в значительной степени связаны с изменениями обмена веществ и появлением первичных радиотоксинов, которые в малых количествах стимулируют жизнедеятельность, а в больших -- подавляют и нарушают её. Так, промывка облученных семян в течение суток после облучения снижает угнетающий эффект на 50--70%.

Лучевое повреждение организма сопровождается одновременно текущим процессом восстановления, который связан с нормализацией обмена веществ и регенерацией клеток. Поэтому облучение дробное или с малой мощностью доз вызывает меньшее повреждение, чем массивное воздействие. Изучение процессов восстановления важно для поисков радиозащитных веществ, а также средств и методов защиты организма от излучений. В небольших дозах все обитатели Земли постоянно подвержены действию ионизирующего излучения -- космических лучей и радиоактивных изотопов, входящих в состав самих организмов и окружающей среды. Испытания атомного оружия и мирное применение атомной энергии повышают фон радиоактивный. Это делает изучение Б. д. и. и. и поиски защитных средств всё более важными.

Б.д. и. и. пользуются в биологических исследованиях, в медицинской и с.-х. практике. На биологическом действие ионизирующих излучений основаны лучевая терапия, рентгенодиагностика, радиоизотопная терапия.

В сельском хозяйстве радиационные воздействия применяются с целью выведения новых форм растений, для предпосевной обработки семян, борьбы с вредителями (путём выведения и выпуска на поражаемые плантации обеспложенных облучением самцов), для лучевой консервации фруктов и овощей, предохранения продуктов растениеводства от вредителей (дозы, губительные для насекомых, безвредны для зерна) и др.

Размещено на Allbest.ru