Агрегатное состояние веществ

Термин "поверхностная энергия" применяют обычно для границы твердое тело-газ (пар); если граничащие фазы суть твердое тело и жидкость или две несмешивающиеся жидкости, пользуются термином "межфазная энергия". Удельная свободная поверхностная энергия на границе раздела жидкость-газ (пар) называется поверхностным натяжением.

Адсорбция (лат. ad - на, при; sorbeo - поглощаю) - увеличение концентрации растворенного вещества у поверхности раздела двух фаз (твердая фаза-жидкость, конденсированная фаза - газ) вследствие нескомпенсированности сил межмолекулярного взаимодействия на разделе фаз. Адсорбция является частным случаем сорбции, процесс, обратный адсорбции - десорбция.

Поглощаемое вещество, ещё находящееся в объёме фазы, называют адсорбтив, поглощённое - адсорбат. В более узком смысле под адсорбцией часто понимают поглощение примеси из газа или жидкости твёрдым веществом (в случае газа и жидкости) или жидкостью (в случае газа) - адсорбентом. При этом, как и в общем случае адсорбции, происходит концентрирование примеси на границе раздела адсорбент-жидкость либо адсорбент-газ. Процесс, обратный адсорбции, то есть перенос вещества с поверхности раздела фаз в объём фазы, называется десорбция. Если скорости адсорбции и десорбции равны, то говорят об установлении адсорбционного равновесия. В состоянии равновесия количество адсорбированных молекул остается постоянным сколь угодно долго, если неизменны внешние условия (давление, температура и состав системы).

В жидких растворах поверхностное натяжение у является функцией от концентрации растворенного вещества. Вещества, добавление которых к растворителю уменьшает поверхностное натяжение, называют поверхностно-активными (ПАВ), вещества, добавление которых увеличивает или не изменяет поверхностное натяжение - поверхностно-инактивными (ПИАВ).

Уменьшение поверхностного натяжения и, следовательно, поверхностной энергии происходит в результате адсорбции ПАВ на поверхности раздела жидкость - пар, т.е. того, что концентрация поверхностно-активного вещества в поверхностном слое раствора оказывается больше, чем в глубине раствора.

Количественной мерой адсорбции на границе раствор-пар является поверхностный избыток Г (гамма), равный числу молей растворенного вещества в поверхностном слое. Количественное соотношение между адсорбцией (поверхностным избытком) растворенного вещества и изменением поверхностного натяжения раствора с ростом концентрации раствора определяет изотерма адсорбции Гиббса:

Г=-C\RT*d у\dC

32. Адсорбция на границе твёрдого тело- газ. Адсорбция на границе твёрдого тело- раствор. Молекулярная адсорбция из растворов

Адсорбция на границе твердое тело - газ

При адсорбции газов на твердых телах описание взаимодействия молекул адсорбата и адсорбента представляет собой весьма сложную задачу, поскольку характер их взаимодействия, определяющий характер адсорбции, может быть различным. Поэтому обычно задачу упрощают, рассматривая два крайних случая, когда адсорбция вызывается физическими или химическими силами - соответственно физическую и химическую адсорбцию.Физическая адсорбция возникает за счет ван-дер-ваальсовых взаимодействий.Химическая адсорбция (хемосорбция) осуществляется путем химического взаимодействия молекул адсорбента и адсорбата.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ АДСОРБЦИЯ ИЗ РАСТВОРОВ:

Адсорбция из растворов на твердом адсорбенте-* более сложный процесс, чем адсорбция газов.Поэтому адсорбция из растворов определяется не только силами взаимодействия между молекулами растворенного вещества и адсорбентом, но и взаимодействием растворитель - адсорбент и растворитель - растворенное вещество. Адсорбция молекулярно растворенного вещества в зависимости от его равновесной концентрации характеризуется обычной (как и для газов) изотермой адсорбции. Повышение температуры вызывает снижение адсорбции из растворов, но в значительно меньшей степени, чем адсорбцию газов. Большое влияние на адсорбцию из растворов оказывают природа адсорбента, растворителя и растворенного вещества.

33. Адсорбция из растворов электролитов

Уравнение Фрейндлиха. Адсорбция из водных растворов электролитов происходит, как правило, таким образом, что на твердом адсорбента из раствора адсорбируются преимущественно ионы одного вида. Преимущественная адсорбция из раствора или аниона, или катиона определяется природой адсорбента и ионов. Механизм адсорбции ионов из растворов электролитов может быть различным; выделяют обменную и специфическую адсорбцию ионов. Обменная адсорбция представляет собой процесс обмена ионов между раствором и твердой фазой, при котором твердая фаза поглощает из раствора ионы какого-либо знака (катионы либо анионы) и вместо них выделяет в раствор эквивалентное число других ионов того же знака. При специфической адсорбции адсорбция на поверхности твердой фазы ионов какого-либо вида не сопровождается выделением в раствор эквивалентного числа других ионов того же знака; твердая фаза при этом приобретает электрический заряд.

На поверхности кристаллического твердого тела из раствора электролита специфически адсорбируется ион, который способен достраивать его кристаллическую решетку или может образовывать с одним из ионов, входящим в состав кристалла, малорастворимое соединение.

Г. Фрейндлих показал, что при постоянной температуре число молей адсорбированного газа или растворенного вещества, приходящееся на единицу массы адсорбента (т.н. удельная адсорбция x/m), пропорционально равновесному давлению (для газа) или равновесной концентрации (для веществ, адсорбируемых из раствора) адсорбента, возведенным в некоторую степень, которая всегда меньше единицы. Показатель степени n и коэффициент пропорциональности а в уравнении Фрейндлиха определяются экспериментально.

34. Теория мономолекулярной адсорбции Лэнгмюра

Теория Ирвинга Ленгмюра(1914-1918) явилась фундаментальным вкладом в учение об адсорбции. Она позволяет учесть наиболее сильные отклонения от закона Генри, связанные с ограниченностью поверхности адсорбента. Ограниченность этого параметра приводит к адсорбционному насыщению поверхности адсорбента по мере увеличения концентрации распределяемого вещества.

Теория мономолекулярной адсорбции основывается на следующих положениях:

1) Адсорбция является локализованной (происходит на адсорбционных центрах).

2) Адсорбция происходит не на всей поверхности адсорбента, а на активных центрах, которыми являются выступы либо впадины на поверхности адсорбента. Активные центры считаются независимыми (т.е. один активный центр не влияет на адсорбционную способность других), и тождественными.

3) Каждый активный центр способен взаимодействовать только с одной молекулой адсорбата; в результате на поверхности может образоваться только один слой адсорбированных молекул.

4) Процесс адсорбции находится в динамическом равновесии с процессом десорбции.

На основании этих положений можно получить уравнение изотермы адсорбции.Уравнение Ленгмюра содержит два параметра, характеризующих адсорбцию. Это константа адсорбционного равновесия b и величина предельной адсорбции a? , соответствующая полной полному заполнению поверхности мономолекулярным слоем адсорбата.

35. Теория полимолекулярной адсорбции Поляни

Для объяснения этого явления Поляни в 1915 г. предложил теорию полимолекулярной адсорбции, называемую также потенциальной. Рассмотрим кратко исходные положе­ния этой теории, особенно пригодной в случае адсорбции паров на твердом теле.1. Адсорбция обусловливается чисто физическими силами.2. На поверхности адсорбента нет активных центров, а адсорбционные силы действуют вблизи от поверхности адсорбента и образуют около этой поверхности со стороны газовой фазы непрерывное силовое поле.3 Адсорбционные силы действуют на сравнительно большие расстояния, во всяком случае большие, чем размеры отдельных молекул адсорбтива, и поэтому можно говорить о существовании У поверхности адсорбента адсорбционного объема, который заполняется при адсорбции молекулами адсорбтива.

4. Действие адсорбционных сил по мере удаления от поверхности уменьшается и на некотором расстоянии практически стано - вится равным нулю.5. Притяжение данной молекулы поверхностью адсорбента не зависит от наличия в адсорбционном пространстве других молекул, вследствие чего возможна полимолекулярная адсорбция.6. Адсорбционные силы не зависят от температуры, и, следовательно, с изменением температуры адсорбционный объем не изменяется Это не противоречит тому, что с повышением температуры адсорбция уменьшается; в этом случае снижение адсорб­ции обусловливается не уменьшением адсорбционных сил, а увеличением в результате нагревания интенсивности теплового движения адсорбированных молекул, что приводит к увеличению десорбции.Из рассмотрения положений теории полимолекулярной адсорбции можно видеть, что силовое поле, возникающее у поверхности адсорбента, во многом сходно с гравитационным полем (ненасыщаемость поля молекулами адсорбтива, находящимися непосредственно на поверхности адсорбента; независимость сил, действующих в поле, от температуры).

36. Общая характеристика растворов высокомолекулярных соединений

Растворы ВМС термодинамически устойчивы и при соответствующих предосторожностях могут существовать сколько угодно долго. При растворении ВМС всегда образуется гомогенная система, причем, растворение сопровождается уменьшением термодинамического потенциала. Коллоидные растворы, наоборот термодинамически неустойчивы и способны стареть.

Растворение ВМС не требует присутствия в системе стабилизатора. Наконец, растворы ВМС находятся в термодинамическом равновесии и являются обратимыми системами. К таким системам применимо правило фаз Гиббса (в отличие от коллоидных систем)..Для растворов ВМС характерны три группы свойств. Первые две присущи истинным и коллоидным растворам, а третья группа характерна только для растворов ВМС: набухание и студнеобразование.

37. Заряд частиц ВМС. Изоэлектрическая точка (ИТ). Вязкость

Повышенная вязкость растворов ВМС связана с формой макромолекул и характером межмолекулярных взаимодействий и объясняется большой сольватацией макромолекул. Вязкость растворов высокомолекулярных соединений, обычно выше вязкости растворов низкомолекулярных соединений и коллойдных растворов, взятых с одинаковой концентрацией. При исследовании растворов ВМС характеристическую вязкость обозначают через [h].Причиной отклонения вязкости растворов ВМС является взаимодействие вытянутых и гибких макромолекул, часто образующих структированные системы. Такие системы получили название ассоциаты.. Ассоциаты обладают свойством сильно увеличивать вязкость растворов. Заряд частицы ВМС Появление на поверхности молекул заряда, является одной из важных проблем, возникающих при изучении ВМС. Возникновение заряда объясняется рядом причин. Изоэлектрической точкой - называют значение рН, при котором лектрофоретическая подвижность белка равна нулю. При значении рН, близком к изоэлектрической точки, разноименно заряженное группы -NH3+ и COO- притягиваются друг к другу и нить закручивается в спираль. Тогда раствор имеет наименьшую вязкость. Молекулы ВМС в развернутом состоянии придают растворам более высокую вязкость.

38.Осмотическое давление растворов ВМС

Согласно уравнению Вант - Гоффа осмотическое давление растворов увеличивается прямо пропорционально концентрации. Для ВМС эксперимент показывает, что осмотическое давление значительно выше чем это требуется по закону Вант - Гоффа.

Чем более гибка молекула, тем при прочих равных условиях осмотическое давление выше и тем больше оно отклоняется от значения, вычисленного по уравнению Вант - Гоффа. Для описания зависимости осмотического давления предложено уравнение

Где С - концентрация, М - относительная молекулярная масса полимера, В - некоторый коэффициент характеризующий отклонение от уравнения Вант - Гоффа.

39. Набухание и растворение ВМС

Набухание представляет собой самопроизвольный процесс поглощение ВМС больших объемов низкомолекулярной жидкости, сопровождающейся значительным увеличением объема ВМС. В процессе растворения ВМС происходит главным образом диффузия молекул растворителя в высокомолекулярное в-во. Это обусловлено двумя факторами:

1. Большей подвижностью маленьких по сравнению с макромолекулами ВМС молекул растворителя

2. Неплотной упаковкой макромолекул ВМС.Процесс

проникновения молекул растворителя в макромолекулы ВМС приводит ктому, что при набухании объем полимера всегда увеличивается, а объем всейсистемы уменьшается.

Уменьшение объема системы при набухании, называемая

контракцией, в большинстве случаев описывается следующим эмпирическим уравнением с двумя константами.

где V - концентрация; m - масса жидкости, поглощенной при набухании одного кг.

полимера ( степень оводнения); и ( - константы.

Суммарный тепловой эффект при набухании ВМС обычно положительный.

Набухание представляет собой специфическую стадию процесса растворения ВМС, а весь процесс растворения можно разделить на четырестадии.1. Исходная стадия. Система гетерогенна, двухфазна: чистая низкомолекулярная жидкость и чистый полимер Ж1 + Ж2.

2. Стадия набухания. Система расслаивается на две жидкие фазы : одна фаза -ф раствор низкомолекулярного компонента в компоненте ВМС Ж1 ( Ж2, где Ж2 - набухший ВМС, а Ж1 чистая низкомолекулярная жидкость. Вторая фаза представлена чистой низкомолекулярной жидкостью.

3. Стадия образования второго раствора Ж2(Ж1

4. Стадия полного растворения - превращение гетерогенной (двухфазной) системы галогенной Ж1(Ж2. Различают два вида набухания - неограниченное и ограниченное. Неограниченное представляет собой набухание, последовательно переходящее через все четыре стадии в полное растворение, то есть с образованием однофазной системы. Ограниченное - набухание, не переходящее в полное растворение останавливающееся на второй или третьей его стадии. Степень набухания, которая поглощается на данной стадии набухания и при данной температуре 1 кг высокополимера. Скорость набухания (имеется в виду ограниченное набухание) обычно выражают в объемных единицах.

40. Светорассеяние и поглощение света растворов ВМС. Нарушение устойчивости ВМС

Светорассеяние и поглощение света.Цепные молекулы полимеров нельзя обнаружить в растворах при ультрамикроскопических наблюдениях. Растворы ВМС характеризуются светорассеянием. Изменение величины рассеяния света используют в методе определения относительной массы полимеров. Метод основан на измерении мутности разбавленных растворов ВМС.Инфокрасные спекторы поглощения ВМС очень сложны и их редко используют при исследовании растворов ВМС, но они играют важную роль в современных исследований твердых полимеров.

Нарушение устойчивости растворов ВМС.

Все процессы нарушения устойчивости растворов ВМС связаны с переходом от полного растворения ВМС к ограниченному растворению или к нерастворимости.

Изменение растворимости ВМС может быть вызвана либо понижением температуры, либо изменением состава раствора путем добавления жидкости, в которой ВМС не растворяется. Чаще всего нарушение устойчивости растворов ВМС связывают с введением в раствор электролитов. Нарушение устойчивости растворов ВМС при введении электролитов нельзя отождествлять с коагуляцией лиофобных коллоидов. Коагуляция золей происходит при введении малых концентраций электролита и представляет собой обычное необратимое явление. Механизм коагуляции лиофобных коллоидов и нарушение устойчивости ВМС различны. Выделение из раствора ВМС при добавлении электролита объясняется уменьшением растворимости ВМС в концентрированном растворе электролита .Поэтому по аналогии с подобными явлениями в растворах низкомолекулярных в-в такое выделение ВМС из раствора называют высаливанием.

Под влиянием высокой и низкой температурой, при действии высококонцентрированных кислот и щелочей, дубильных в -в , лучистой энергии, ультразвука, механического воздействия высокого давления происходит специфическое необратимое осаждение белков, которая называется денатурацией.



41.Типы ионизирующих излучений

При радиоактивном распаде имеют место три основных вида ионизирующих излучений: альфа , бета и гамма.

Альфа-частица - это положительно заряженные ионы гелия, образующиеся при распаде ядер, как правило, тяжелых естественных элементов (радия, тория и др.). Эти лучи не проникают глубоко в твердые или жидкие среды, поэтому для защиты от внешнего воздействия достаточно защититься любым тонким слоем, даже листком бумаги.

Бета-излучение представляет собой поток электронов, образующихся при распаде ядер как естественных, так и искусственных радиоактивных элементов. Бета-излучения обладают большей проникающей способностью по сравнению с альфа-лучами, поэтому и для защиты от них требуются более плотные и толстые экраны. Разновидностью бета-излучений, образующихся при распаде некоторых искусственных радиоактивных элементов, являются. позитроны. Они отличаются от электронов лишь положительным зарядом, поэтому при воздействии на поток лучей магнитным полем они отклоняются в противоположную сторону.

Гамма-излучение, или кванты энергии (фотоны), представляют собой жесткие электромагнитные колебания, образующиеся при распаде ядер многих радиоактивных элементов. Эти лучи обладают гораздо большей проникающей способностью. Поэтому для экранирования от них необходимы специальные устройства из материалов, способных хорошо задерживать эги лучи (свинец, бетон, вода). Ионизирующий эффект действия гамма-излучения обусловлен в основном как непосредственным расходованием собственной энергии, так и ионизирующим действием электронов, выбиваемых из облучаемого вещества.

Рентгеновское излучение образуется при работе рентгеновских трубок, а также сложных электронных установок (бетатронов и т. п.). По характеру рентгеновские лучи во многом сходны с гамма-лучами и отличаются от них происхождением и иногда длиной волны: рентгеновские лучи, как правило, имеют большую длину волны и более низкие частоты, чем гамма-лучи. Ионизация вследствие воздействия рентгеновских лучей происходит в большей степени за счет выбиваемых ими электронов и лишь незначительно за счет непосредственной траты собственной энергии. Эти лучи (особенно жесткие) также обладают значительной проникающей способностью.

Нейтронное излучение представляет собой поток нейтральных, то есть незаряженных частиц нейтронов (n) являющихся составной частью всех ядер, за исключением атома водорода. Они не обладают зарядами, поэтому сами не оказывают ионизирующего действия, однако весьма значительный ионизирующий эффект происходят за счет взаимодействия нейтронов с ядрами облучаемых веществ. Облучаемые нейтронами вещества могут приобретать радиоактивные свойства, то есть получать так - называемую наведенную радиоактивность. Нейтронное излучение образуется при работе ускорителей элементарных частиц, ядерных реакторов и т. д. Нейтронное излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Задерживаются нейтроны веществами, содержащими в своей молекуле водород (вода, парафин и др.).

42.Виды радиоактивных превращений

Явление радиоактивности сопровождается превращением ядра одного химического элемента в ядро другого химического элемента, а также выделением энергии, которая "уносится" с альфа- бета- и гамма-излучениями.

Все радиоактивные элементы подвержены радиоактивным превращениям. В некоторых случаях у радиоактивного элемента наблюдается альфа- и бета-излучения одновременно.

Чаще химическому элементу присуще или альфа-излучение, или бета-излучение.Альфа- или бета- излучения часто сопровождаются гамма- излучением.

Испускание радиоактивных частиц называется радиоактивным распадом. Различают альфа-распад ( с испусканием альфа-частиц), бета-распад (с испусканием бета-частиц), термина "гамма-распад" не существует. Альфа- и бета-распады - это естественные радиоактивные превращения.

Альфа - распад

Альфа-частицы испускаются только тяжелыми ядрами, т.е. содержащими большое число протонов и нейтронов. Прочность тяжелых ядер мала. Для того, чтобы покинуть ядро, нуклон должен преодолеть ядерные силы, а для этого он должен обладать достаточной энергией.

При объединении двух протонов и двух нейтронов в альфа-частицу ядерные силы в подобном сочетании (между нуклонами частицы) являются наиболее крепкими, а связи с другими нуклонами слабее, поэтому альфа-частица способна "выйти" из ядра. Вылетевшая альфа-частица уносит положительный заряд в 2 единицы и массу в 4 единицы.

В результате альфа-распада радиоактивный элемент превращается в другой элемент, порядковый номер которого на 2 единицы, а массовое число на 4 единицы, меньше.

То ядро, которое распадается, называют материнским, а образовавшееся дочерним.

Дочернее ядро оказывается обычно тоже радиоактивным и через некоторое время распадается.

Процесс радиоактивного распада происходит до тех пор, пока не появится стабильное ядро, чаще всего ядро свинца или висмута.

Бета-распад

Явление бета-распада состоит в том, что ядра некоторых элементов самопроизвольно испускают электроны и элементарную частицу очень малой массы - антинейтрино.

Так как электронов в ядрах нет, то появление бета-лучей из ядра атома можно объяснить способностью нейтронов ядра распадаться на протон, электрон и антинейтрино. Появившийся протон переходит во вновь образующееся ядро. Электрон, вылетающий из ядра, и является частицей бета-излучения.

Такой процесс распада нейтронов характерен для ядер с большим количеством нейтронов.

В результате бета-распада образуется новое ядро с таким же массовым числом, но с большим на единицу зарядом.

Гамма - распад - не существует

В процессе радиоактивного излучения ядра атомов могут испускать гамма-кванты. Испускание гамма-квантов не сопровождается распадом ядра атома.

Гамма излучение зачастую сопровождает явления альфа- или бета-распада.

При альфа- и бета-распаде новое возникшее ядро первоначально находится в возбужденном состоянии и , когда оно переходит в нормальное состояние, то испускает гамма-кванты (в оптическом или рентгеновском диапазоне волн).

Так как радиоактивное излучение состоит из альфа-частиц, бета-частиц и гамма-квантов (т.е. ядер атома гелия, электронов и гамма-квантов), то явление радиоактивности сопровождается потерей массы и энергии ядра, атома и вещества в целом.

Доказательством того, что радиоактивное излучение несет энергию, является опыт, показывающий, что при поглощении радиоактивного излучения вещество нагревается.



43. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом

Все виды, ионизирующих излучений могут быть сгруппированы в квантовые (фотонные) и корпускулярные.

К квантовым относятся электромагнитные излучения - тормозное и гамма-излучение, к корпускулярным - излучения, состоящие из частиц: пучки электронов, альфа-частиц, протонов, нейтронов, отрицательных пи-мезонов.

Действие излучения на организм человека начинается с физического процесса - взаимодействия излучения с веществом, т. е. с атомами и молекулами тканей. При этом взаимодействии энергия квантов и частиц расходуется на ионизацию и возбуждение атомов и молекул. В зависимости от типа излучения и величины энергии механизм взаимодействия различен.

Протоны, альфа-частицы и электроны постепенно теряют свою энергию при столкновении с ядрами атомов и внешними электронами. Так как масса альфа-частиц и протонов значительна по сравнению с массой электронов атомов, с которыми они соударяются, то траектория альфа-частиц и протонов прямолинейна.

Путь электрона в веществе извилист, поскольку он обладает малой массой и легко изменяет направление под действием электрических полей атомов. Поэтому всегда начальный пучок электронов в тканях имеет тенденцию к расхождению (рассеяние электронов).

Отрицательные пи-мезоны при входе в вещество в начале пути ведут себя подобно протонам, но затем поведение их меняется. Основная часть мезонов на определенной глубине останавливается и захватывается ядрами атомов, например ядрами атомов кислорода. В результате захвата пи-мезона ядро сильно возбуждается и распадается с испусканием нейтронов, протонов, дейтронов и альфа-частиц - происходит как бы атомный взрыв в миниатюре. А уже эти частицы вызывают сильную ионизацию вещества.

Быстрые нейтроны теряют свою энергию главным образом в результате столкновений с ядрами атомов водорода. Последние вырываются из атомов и образуют в тканях короткие плотные скопления ионов.

После замедления нейтроны захватываются атомными ядрами.

Часть ядер при этом расщепляется с выделением протонов высокой энергии, также дающих плотные короткие скопления ионов. Другие ядра испускают после захвата нейтронов гамма-кванты высокой энергии. Наконец, часть ядер, в частности ядра атомов натрия, фосфора, хлора, после взаимодействия с нейтронами становятся радиоактивными. Такую радиоактивность называют наведенной.

Обратите внимание на то, что перечисленные элементы входят в состав тканей человека. Следовательно, после облучения нейтронами в его теле образуются радионуклиды.

Таким образом, в результате взаимодействия заряженных и нейтральных частиц со средой про и с ходит ионизация вещества.

Для каждого вида излучения характерно определенное распределение ионов (энергии) в веществе.

Тип взаимодействия фотонов с атомами вещества зависит от энергии фотонов. При низких энергиях (5 - 50 кэВ) фотон часть своей энергии тратит на вырывание орбитального электрона из атома, а оставшуюся часть - на придание ему некоторой скорости движения. В результате сам фотон исчезает, а выбитый из атома электрон вызывает ионизацию окружающих атомов. Этот механизм (так называемый фотоэффект) играет существенную роль при рентгенотерапии.

44. Основы радиационной дозиметрии

Радиоактивные излучения вызывают ионизацию атомов и молекул вещества, поэтому их часто называют ионизирующими излучениями. Все виды радиоактивных излучений оказывают сильное действие на живые организмы. Характер этого действия зависит от вида излучения и его интенсивности.

Механизм биологического действия радиоактивных излучений сложен. Его основу составляют процессы ионизации и возбуждения атомов и молекул в живых тканях, происходящие при поглощении ими ионизирующих излучений. Эти процессы являются лишь начальным этапом в сложной цепи биохимических превращений, вызванных действием радиации.

Ионизация тканей приводит к разрыву молекулярных связей и изменению структуры химических соединений, входящих в состав тканей. Часть атомов и молекул вещества тканей при поглощении радиоактивных излучений не ионизируется, а только переходит в возбужденное состояние. Через определенное время эти атомы возвращаются в невозбужденное состояние, отдавая избыток энергии в виде квантов ультрафиолетового излучения. Под действием этого излучения, поглощаемого тканями организма, происходит биохимическая реакция, приводящая к разрушению молекул нуклеиновых кислот и белка.

Первичным результатом действия радиации на живой организм является поражение клеток. Как известно, клетка - это сложная структура, неспособная к продолжению нормальной деятельности при повреждении ее частей. Под действием облучения прежде всего поражаются ядра клеток, которые гораздо чувствительнее ее цитоплазмы. Нарушаются способность клеток к нормальному делению и обмен веществ в клетках.

Различные органы человеческого тела реагируют на облучение по-разному, наиболее чувствительны к радиации кроветворные органы (костный мозг, селезенка, лимфатические железы) и эпителий слизистых оболочек (в частности, кишечника). В результате действия радиоактивных излучений на организм возникают тяжелейшие заболевания: лучевая болезнь, злокачественные опухоли (часто со смертельным исходом).

Облучение оказывает сильное влияние и на наследственность, что может привести к появлению потомства с уродливыми отклонениями или врожденными заболеваниями.

Специфическая особенность радиоактивных излучений заключается в том, что они не воспринимаются органами чувств человека и даже при смертельных дозах не вызывают у него в момент облучения болевых ощущений. Это делает радиацию особенно опасной.

На организм влияет только та часть радиоактивного излучения, которая поглощается его тканями. Поэтому биологическое действие излучений принято характеризовать поглощенной дозой излучения.

Поглощенной дозой излучения D называют величину, равную отношению энергии ионизирующего излучения W, поглощенной облучаемым веществом, к массе m этого вещества.

D=W/m

В СИ единицей поглощенной дозы излучения является грэй (Гр)

Для измерения поглощенной дозы используются специальные приборы - дозиметры. Наибольшее распространение имеют дозиметры, в которых датчиками являются ионизационные камеры. В некоторых дозиметрах в качестве датчиков используют счетчики частиц, фотопленку или сцинтилляторы.

Предельно допустимой дозой облучения считается такая поглощенная доза, которая по порядку величины совпадает с естественным радиоактивным фоном, существующим на Земле и обусловленным в основном космическим излучением и радиоактивностью Земли.



45. Линейная потеря энергии

Линейная потеря энергии (ЛПЭ) - параметр, определяющий качество ионизирующего излучения; характеризует энергию, теряемую ионизирующей частицей или квантом электромагнитного излучения на единице пути в облучаемой среде.

Измеряется в килоэлектронвольтах на микрон (кэв/мк). За некоторыми исключениями, чем больше ЛПЭ излучения, тем больше его биологическая эффективность. В практике радиационной защиты значения ЛПЭ в воде используют для определения фактора качества (ФК) рассматриваемого излучения, рекомендованной Международной комиссией по радиологическим единицам и измерениям.

46. Методы оценки относительной биологической эффективности и ее связь с линейной потерей.

Относительная биологическая эффективность (ОБЭ / RBE) ионизирующих излучений - показатель, необходимый для количественной оценки качества излучения энергии. Методы оценки ОБЭ.ОБЭ оценивают сравнением дозы излучения, вызывающей определённый биологический эффект, с дозой стандартного излучения, обуславливающий тот же эффект. Ранее в качестве стандартного принималось рентгеновское излучение, генерируемое при напряжении на трубке в 180-250 кВ. Значение (величину, коэффициент) ОБЭ вычисляют по формуле: ОБЭ = Dr/Dx, где Dr - доза рентгеновского излучения, Гр; Dx - доза изучаемого излучения, Гр; при этом эффект сравнивают по одному и тому же показателю. Сейчас принимается, что в качестве стандартного можно использовать гамма-излучение, которое широко применяется при лучевой терапии опухолей и для которого соответственно известны количественные данные о связи с дозой самых разных эффектов поражения. Связь ОБЭ с ЛПЭ

В первом приближении можно считать, что при тщательном соблюдении экспериментальных условий ОБЭ зависит только от ЛПЭ.Поэтому,например, протоны и альфа-частицы, ускоренные до высоких энергий (200 МэВ и более), имеют приблизительно такую же эффективность, как и рентгеновское излучение, генерируемое при энергии 200 кВ, так как они характеризуются близкими значениями ЛПЭ. Те же виды излучения, но с меньшими энергиями и соответственно с большей ЛПЭ, обладают и большей ОБЭ.

48.Прямое и косвенное действие ионизирующего излучения

В основе первичных радиационно-химических изменений молекул, образующих клетки организма, могут лежать два механизма, обозначаемые как прямое и косвенное действия радиации. Под прямым действием понимают изменения, которые возникают в результате поглощения энергии излучения биологически важными молекулами, такими как белок или нуклеиновая кислота. Из-за разрыва химических связей в молекуле может нарушиться нормальное ее функционирование. Косвенное воздействие связано с разрушением более простой молекулы, например молекулы воды (Н2О). Вода составляет основную массу (до 90 % ) вещества в клетках. При радиолизе воды молекула ионизируется заряженной частицей, теряя при этом электрон:

H2O > H2O+ + e-.

Ионизированная молекула воды реагирует с другой нейтральной молекулой воды, в результате чего образуется высокореактивный радикал гидроксила ОНя:

H2O+ + H2O > H3O+ + ОНя

Вырванный электрон очень быстро взаимодействует с окружающими молекулами воды. В результате возникает сильно возбужденная молекула H2O*, которая диссоциирует с образованием двух радикалов:

H2O+ + e-> H2O* > Ня + ОНя

Свободные радикалы содержат неспаренные электроны и поэтому отличаются чрезвычайно высокой реакционной способностью. Время их жизни в воде не более 10-5 с. За этот период они либо рекомбинируют друг с другом, либо реагируют с растворенным субстратом.

В присутствии кислорода образуются и другие продукты радиолиза, обладающие окислительными свойствами - гидропероксидный радикал , пероксид водорода Н2О2 и атомарный кислород :

Миграция ионов и радикалов может вызвать повреждение ДНК в клетке. Крупные органические молекулы клетки повреждаются либо прямым действием радиации, либо продуктами радиолиза воды. Относительный вклад прямого и косвенного действия радиации в разных системах будет совершенно различным в зависимости от размера и природы данного сорта макромолекул, а также концентрации их раствора в воде. В сильно разбавленных растворах при облучении макромолекул небольших размеров преобладает косвенное действие радиации, в сухих препаратах - прямое действие.



49. Репарационные механизмы клетки

В клетках имеются разнообразные "ремонтные бригады", которые следят за сохранностью информации, хранящейся на ДНК. Такие клеточные системы, исправляющие повреждения ДНК, называют системами репарации.

Ежедневно в молекулах ДНК каждой клетки человеческого тела около 100000 звеньев повреждаются за счет разнообразных эндогенных процессов и экзогенных генотоксичных воздействий. Повреждение ДНК может приводить к появлению мутаций, провоцировать гибель клетки или служить толчком к ее злокачественному перерождению. Для предотвращения таких последствий в клетке существует несколько взаимодополняющих ферментативных систем, которые поддерживают процессы, носящие общее название репарация ДНК . Главная цель всех этих систем - восстановление последовательности ДНК, существовавшей до ее повреждения, или, если это невозможно, сведение изменений к минимуму. Системы репарации ДНК обеспечивают точность воспроизведения и сохранения генетической информации . Репаративные механизмы, которые использует клетка для поддержания стабильности информации, заложенной в ДНК универсальны - функциональная, а иногда и структурная гомология элементов, образующих эти механизмы, прослеживается от бактерий до человека. Чем сложнее клетка, тем большее количество структурных и регуляторных генов и их продуктов участвуют в процессах репарации ДНК, хотя принципиальная схема конкретного процесса, как правило, остается неизменной. Репаративные механизмы образуют сложную сеть, сплетенную функциональными связями или заимствованиями структурных элементов, которая обеспечивает баланс между стабильностью информации в ДНК и ее эволюционной изменчивостью. Точность воспроизведения ДНК и передачи информации, в ней заложенной, обеспечивается двумя матричными процессами - репликацией и транскрипцией ДНК. Хотя ДНК-полимераза обладает корректирующей активностью, репликация не абсолютно точна, и, если возникают неспаренные основания, то системы коррекции оснований исправляют ошибку.

Если в ДНК появляются одно- и двунитевые разрывы, то в действие вступает гомологичная рекомбинация , которая за счет сестринских обменов точно восстанавливает целостность ДНК. Однако рекомбинация - это "тяжелая артиллерия", и предназначена она более всего для изменчивости . При поступлении в клетку ДНК, которая лишь частично гомологична ДНК клетки, вероятна ее интеграция в геном с помощью гомологичной рекомбинации. На страже точности этого процесса стоит система корекции неспаренных оснований с длинным ресентезируемым участком (ДКНО), которая прерывает рекомбинацию, если гомология взаимодействующих молекул ДНК излишне несовершенна. Более того, ДКНО ликвидирует большинство рекомбинационных застроек на уровне онДНК, если они нарушают комплементарность спаривания нуклеотидов. Тем самым ДКНО снижает частоту рекомбинационных обменов в ДНК. Так система ДКНО отстаивает стабильность генома и его видоспецифичность. Наследственные нарушения клеточных репаративных систем у человека приводят к тяжелым врожденным аномалиям и/или предрасположенности к развитию раковых заболеваний. В случае сильного повреждения ДНК - образования двуцепочечных разрывов, обширных однонитевых брешей, сшивок между цепочками - функционирует система рекомбинационной репарации , при которой поврежденная ДНК исправляется за счет рекомбинации с полноценной копией генетического материала, если та присутствует в клетке.

51. Теория прямого действия ионизирующих излучений

Принцип попадания и мишени - формальное объяснение первичных механизмов биологического действия ионизирующих излучений, в том числе, и радиобиологического парадокса. Согласно этому принципу, в биологических объектах имеются особо чувствительные объёмы - «мишени», поражение которых приводит к поражению всего объекта. Клетки и ткани состоят из огромного числа макромолекул, мицелл, фибрилл, мембран и других структур различного строения и величины. При применяемых в радиобиологии дозах облучения вероятность попадания частицы или фотона в редкую, но жизненно важную внутриклеточную «мишень» (макромолекулярную и биологически активную структуру) невелика. Однако в результате редких попаданий в такую «мишень» даже небольшие дозы ионизирующих излучений могут вызвать гибель клетки или какие-либо редкие специфические реакции в ней (например, мутации отдельных генов), частота которых будет возрастать с дозой облучения. Т.о.мишень в радиобиологии (на молекулярном и/или клеточном уровнях) - формальное обозначение того микрообъема (например, ДНК), в котором должны произойти одна или несколько ионизаций (попаданий), приводящих к изучаемой реакции. Распределение по клеткам отдельных элементарных повреждений (последствий дискретных событий попаданий) происходит случайно и, следовательно, подчиняется статистическим закономерностям; если изучаемые единицы реакции связаны с повреждением дискретных универсальных внутриклеточных структур, то вследствие малых размеров последних это распределение будет подчиняться закону Пуассона. Классическое применение принципа «попадания» сводится к анализу зависимости (от дозы излучения с данным значением ЛПЭ) частоты попаданий в данное число эффективных объемов данного размера. Исходя из принципов классической теории мишени, количество попаданий должно быть прямо пропорциональным дозе облучения. Поэтому в определенном диапазоне доз число пораженных мишеней строго пропорционально дозе, или числу попаданий, так как поражается лишь небольшая их часть из общего количества; в связи с этим зависимость эффекта от дозы имеет вид прямой линии. С повышением дозы облучения вероятность попадания в одну и ту же мишень увеличивается, и хотя общее число попаданий остается пропорциональным дозе, их эффективность уменьшается, и количество пораженных мишеней возрастает медленнее, асимптотически приближаясь к 100 %. Иначе говоря, количество жизнеспособных единиц с увеличением дозы уменьшается в экспоненциальной зависимости от дозы.

52.Теория непрямого действия ионизирующих излучений

Теория непрямого действия излучения возникла в связи с тем, что некоторые радиационные эффекты, известные в то время, не находили объяснения с позиций прямого действия излучения. Одним из этих эффектов был т.н. «эффект разведения» (или как его стали позже называть - «эффект Дейла»). Суть этого эффекта заключается в следующем: при облучении водных растворов различных молекул (например, молекул простых органических соединений или ферментов) число пораженных молекул (абсолютное число) не зависит от их исходной концентрации в определенном концентрационном диапазоне.

Впервые подобные эксперименты были проведены в 30?е годы прошлого столетия Г. Фрикке с использованием растворов простых органических соединений и У. Дейлом в 40?е годы с использованием растворов ферментов (карбоксипептидазы и др.).

Так, Г. Фрикке обнаружил, что облучение рентгеновским излучением водных растворов муравьиной кислоты с концентрацией 10?4 и 10?1 М приводит к образованию одного и того же количества газообразного водорода независимо от исходной концентрации муравьиной кислоты (т.е. к распаду одного и того же количества молекул муравьиной кислоты).

С позиций прямого действия излучения этот эффект объяснить было невозможно, т.к. при прямом действии излучения с ростом концентрации растворенных молекул (т.е. с увеличением количества мишеней) число пораженных молекул (мишеней) должно возрастать (как это представлено на рис. 3, А) вследствие повышения вероятности попадания в них кванта излучения. При этом доля пораженных молекул должна оставаться неизменной (рис. 3, Б).

Именно поэтому и было сделано заключение, что повреждение растворенных в воде молекул может осуществляться не только в результате прямого взаимодействия с ними излучения, но и в результате непрямого (косвенного) действия, а именно через активные продукты радиолиза воды. Исходя из предположения о наличии непрямого действия излучения, отсутствие зависимости радиационного эффекта от концентрации растворенных молекул объясняется тем, что, начиная с какой-то концентрации, не всем растворенным молекулам «достаются» активные продукты радиолиза воды, образующиеся в определенном количестве при данной дозе облучения. Т.е. лимитирующим параметром становится не концентрация молекул растворенного вещества, а количество образовавшихся при данной дозе облучения активных продуктов радиолиза воды. Поэтому дальнейшее увеличение концентрации растворенных молекул не приводит к росту числа пораженных молекул (рис. 4, А). Повышение же числа поврежденных молекул при больших исходных концентрациях растворенных молекул (изображено пунктиром) связано с тем, что здесь заметный вклад в их повреждение начинает вносить прямое действие излучения. Это означает, что непрямое действие излучения преобладает только в сильно разбавленных растворах. Очевидно, что доля пораженных молекул при непрямом действии излучения снижается с увеличением исходной концентрации этих молекул (рис. 4, Б).

Таким образом, эффект Дейла можно использовать в качестве одного из критериев наличия прямого и непрямого действия излучения на радиационные повреждения макромолекул в простых модельных системах (т.е. в водных растворах).



53. Радиационные синдромы

Развитие радиационных синдромов определяется цитокинетическими параметрами соответствующих самообновляющихся клеточных систем - кроветворения, тонкого кишечника и центральной нервной системы (ЦНС). Скорость проявления симптомов лучевой болезни зависит от интенсивности облучения. При сильном облучении, произошедшем быстро, симптомы могут появиться через один-два часа. Чем менее интенсивным было облучении, тем позже проявляются симптомы поражения.Интенсивное общее облучение радиацией вызывает острую лучевую болезнь (радиационное отравление или острый радиационный синдром). Первыми ее признаками являются тошнота, рвота, может быть с кровью, жидкий стул, кровотечения из носа, кишечника, гематомы - синяки, сильная слабость, головная боль.Поражаются в первую очередь желудочно-кишечный тракт, кроветворные органы и половые клетки.Затем появляются поражения иммунитета, связанные с поражением клеток крови - простуда, температура, воспаления различных органов - легких, носоглотки, десен (стоматит). Выпадают волосы, в первую очередь на голове. Выпадение волос без восстановления происходит при получении однократной дозы в 700 рад.У беременных женщин может погибнуть плод - самопроизвольный аборт - выкидыш, у мужчин наступает бесплодие.При попадании изотопов в организм через рот развивается отек слизистой оболочки рта, сухость во рту, изъязвление слизистой.Если облучение происходит малопроникающим спектром излучения, то на первый план выходят поражения кожи и подкожной клетчатки. Кожа краснеет, как от ожога, появляются пузыри, шелушение, позже - пигментация, атрофия, со склерозированием и повторными изъязвлениями.



54. Поражение внутренних органов и тканей организма

55. Основные гипотезы механизмов противолучевой защиты

Противолучевая защита - это комплекс мероприятий, направленных на предупреждение или значительное ослабление вредного воздействия ионизирующих излучений.

Пробег б-частиц очень мал, поэтому для полной защиты от внешних потоков б-излучения достаточно находиться на расстоянии не ближе 9-10 см от радиоактивного препарата; одежда, резиновые перчатки полностью защищают от внешнего облучения б-частицами.

Для защиты от внешних потоков в-излучения манипуляции с радиоактивными веществами осуществляют за специальными экранами (ширмами) или в защитных шкафах. В качестве защитных материалов используют плексиглас, алюминий или стекло. При энергии в-частиц, не превышающей 3 МэВ, толщина защитного экрана составляет 1,5 см воды или 0,6 см алюминия.

При расчете толщины защитных устройств от г-излучения необходимо учитывать его спектральный состав, мощность источника, расстояние, на котором находится обслуживающий персонал, и время пребывания в сфере воздействия излучения. В качестве защиты от рентгеновского и г-излучения используют свинец, бетон и барит, руководствуясь при выборе защитного материала его свойствами, а также требованиями к габаритам и весу.

56. Разработки методов химической защиты от излучения

В настоящее время разработка методов химической защиты проводится по следующим направлениям.

1. Индивидуальная профилактика с применением радиопротекторов, защищающих организм от внешнего облучения, вызывающего острое лучевое поражение.

2. Применение средств, повышающих радиорезистентность человека в клинике при лучевой терапии.

3. Использование пищевых добавок и препаратов, повышающих устойчивость биологических объектов при хроническом облучении в природных условиях.

4. Выведение радионуклидов из организма.

57. Радиопротекторы. Радиосенсибилизаторы

Радиопротекторы (синоним радиозащитные препараты) - это химические соединения, применяемые для ослабления вредного действия ионизирующей радиации на организм. Радиопротекторы используются лишь с целью профилактики и облегчают течение лучевой болезни. радиопротекторы на две группы: 1) радиопротекторы кратковременного, одномоментного действия, которые вводят в организм за короткий промежуток времени до облучения, 2) радиопротекторы пролонгированного действия, которые вводят многократно, обычно небольшими дозами до лучевого воздействия. К радиопротекторам 1-0й группы относят различные аминотиолы (меркамин, пропамин, аминоэтилизотиоуроний и др.), аминокислоту цистеин, цистамин, некоторые биогенные амины, не содержащие сульфгидрильных групп, цианофоры, аминофеноны, некоторые спирты, отдельные представители углеводов и др.

Радиосенсибилизаторы - это лекарства, которые повышают чувствительность к лучевой терапии. Объединение лучевой терапии и радиосенсибилизаторов помогает уничтожить клетки опухоли.

58.Применение радиозащитных средств при лучевой терапии

Применение химических радиопротекторов (радиозащитных веществ) направлено на ослабление радиационных положений здоровых тканей. Эти препараты вызывают гипотермию и уменьшение обмена веществ. Используют радиопрепараты, содержащие сульфгидрильную группу (цистеин, цистамин), и радиопротекторы пролонгированного действия.

Применение физических и химических радиосенсибилизаторов (препаратов, повышающих радиочувствительность) направлено на повышение чувствительности ткани опухоли к воздействию ионизирующего излучения. Механизм действия искусственной оксигенации связан как с увеличением чувствительности опухоли за счет насыщения ее кислородом и меньшим повреждением при лучевом воздействии, так и с ослаблением процессов после- лучевого восстановления опухолевой ткани. Известно несколько способов повышения напряжения кислорода в тканях: облучение больного в условиях повышенного содержания кислорода в окружающей атмосфере (в барокамере); метод беззондовой оксигенации путем перорального приема богатой кислородом жидкости.

Предупреждение общей лучевой реакции включает название уже с первого дня облучения полноценного, разнообразного питания, богатого витаминами, и витаминотерапии. Больным, страдающим сердечно-сосудистыми заболеваниями, необходимо назначать кислород, сосудорасширяющие и тонизирующие средства, а при гипертонической болезни - соответственно гипотензивные препараты.

Облучение натощак переносится легче, чем после еды. Поэтому не рекомендуется облучать тяжелых больных в первые часы после приема пищи.

В случае появления тошноты, рвоты можно давать 0,5 % раствор новокаина 2 столовые ложки внутривенно вводить 10 % раствор натрия хлорида 10 мл.

Для контроля за состоянием кроветворения при лучевой терапии проводят исследования состава периферической крови раз в неделю, а при тенденции к лейкопении, исследование крови осуществляют до сеанса облучения.

Подавление гранулопоэза во время лучевой терапии может отмечаться при облучении больших участков тела, главным образом живота и малого таза. Вместе с тем даже стойкой лейкопении в этот период облучение продолжают 1 раз в неделю. Диагноз является прямым показанием к переливанию крови, переливания крови сеанс облучения не проводят.

При возникновении кровотечений (рак шейки матки, прямой кишки, при распадающихся опухолях пищевода, желудка) показано применение гемотрансфузии с статической и заместительной целями, а также внутримышечные инъекции викасола (0,3 % раствор по 5 мл), внутривенном введение 10 мл 10 % раствора кальция хлорида, 5 аминокапроновой кислоты, иногда у-глобулина.

59.Химическая защита при хроническом облучении

В последнее десятилетие в связи с опасностями радиоэкологического кризиса особое внимание уделяется поиску путей защиты от действия хронического облучения ионизирующими излучениями низкой интенсивности в природных условиях. Традиционные радиопротекторы с их кратковременным действием и высокой токсичностью оказались непригодными при хроническом облучении. Как показали исследования, проводившиеся в различных странах, в том числе и в России, для этой цели наиболее целесообразно использовать биологически активные вещества природного происхождения. Не обладая высокой противолучевой активностью в условиях острого облучения, эти вещества в отличие от классических радиопротекторов могут применяться при хроническом облучении. Благодаря отсутствию (или низкой) токсичности и хорошей переносимости они могут быть использованы в качестве пищевых добавок, которые повышают общую неспецифическую устойчивость организма, стимулируя защитные, антиокислительные резервы организма (см. рис. 2, III ). К таким защитным природным веществам относятся адаптогены: фито- и зоопрепараты народной медицины (алкалоиды, полисахариды), смеси биологически активных веществ, зооэффекторы, трефоны (стимуляторы кроветворения), эстрогены (соединения пролонгированного системного действия), иммуномодуляторы, мобилизующие общую устойчивость организма к заболеваниям, в том числе вызванным лучевым поражением.Природные вещества активизируют защитные ресурсы организма, воздействуя в основном на нейрогуморальную и иммунно-гематопоэтическую (кроветворную) регуляторные системы. В результате повышается общая неспецифическая сопротивляемость организма, стимулируется эндогенный фон радиорезистентности (сложный комплекс эндогенных биологически активных соединений: аминов, тиолов и других антиокислителей, осуществляющих защитные функции и подавляющих накопление губительного для живых клеток избытка продуктов лучевого перекисного окисления, см. рис. 2).