Радиоактивность и распад ядра атома

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«АМУРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ»

МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Реферат на тему: «Радиоактивность и распад ядра атома»

Выполнила: студентка 316 группы

Морозова Екатерина Дмитриевна

Проверил: д.м.н., профессор

Гордиенко Виктор Петрович

Благовещенск 2021

Содержание

Введение

1. Закон радиоактивного распада

2. Виды радиоактивного распада

2.1 Альфа-распад

2.2 Бета-распад

2.3 Гамма-распад (изомерный переход)

3. Специальные виды радиоактивности

4. Основы и клиническое применение радионуклидного метода диагностики

Литература

Введение

В основе радионуклидного метода исследования лежит явление радиоактивности и способность радиофармацевтического препарата накапливаться в разных тканях в разной степени.

Радиоактивность - способность ядер атомов радиоактивных изотопов распадаться с выделением освободившейся при распаде энергии в виде б, в и г-излучения.

Применяемые при этом радионуклиды отличаются от своих аналогов - стабильных элементов, содержащихся в организме или поступающих в него с пищевыми продуктами, лишь физическими свойствами, т.е. способностью распадаться и выделять энергию. С использованием небольших индикаторных количеств радионуклидов можно изучать состояние обмена веществ, функцию органов и систем, скорость движения лимфы и крови, получать анатомо-топографические изображения органов, систем, тканей и т. д.

Введение радиоактивного нуклида осуществляется различными способами: синтезом (путем замены нуклида в молекуле) и биосинтезом.

Существует несколько способов получения радионуклидов. Часть образуется в реакторах (йод (131I) и йод (125I), золото (198Аu), ксенон (133Хе), фосфор (32Р): часть - в ускорителях (индий (111In), йод (123I), фтор(18F), кислород (15O), углерод(11С), азот (13N)). Однако наиболее распространенным способом получения радионуклидов является теперь генераторный, т.е. изготовление радионуклидов непосредственно в лаборатории радионуклидной диагностики с помощью генераторов. Таким образом получают технеций (99mТс), индий (113In).

Выбор радиоактивного нуклида желательно осуществлять в соответствии с комплексом взаимосвязанных требований: низкая радиотоксичность, относительно короткий период полураспада, удобное для регистрации г-излучение и необходимые биологические свойства. Важным требованием является минимальная лучевая нагрузка при его введении. Известно, что активность примененного радионуклида уменьшается вследствие двух факторов: распада его атомов, т. е. физического процесса, и выведения его из организма - биологического процесса. Время распада половины атомов нуклида называется физическим периодом полураспада (Тфиз.). Время, за которое активность препарата, введенного в организм, снижается наполовину за счет выведения, называется периодом биологического полувыведения (Тбиол.). Время, в течение которого активность введенного в организм РФП уменьшается наполовину за счет физического распада и за счет выведения, называется эффективным периодом полувыведения (Тэфф.).

1. Закон радиоактивного распада

Радиоактивный распад (от лат. radius «луч» и вctоvus «действенный») -- спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер (заряда Z, массового числа A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов. Процесс радиоактивного распада также называют радиоактивностью, а соответствующие элементы радиоактивными. Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные ядра.

Естественная радиоактивность -- самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе.

Искусственная радиоактивность -- самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции.

Энергетические спектры б-частиц и г-квантов, излучаемых радиоактивными ядрами, прерывистые («дискретные»), а спектр в-частиц -- непрерывный.

Распад, сопровождающийся испусканием альфа-частиц, назвали альфа-распадом; распад, сопровождающийся испусканием бета-частиц, был назван бета-распадом (в настоящее время известно, что существуют типы бета-распада без испускания бета-частиц, однако бета-распад всегда сопровождается испусканием нейтрино или антинейтрино). Термин «гамма-распад» применяется редко; испускание ядром гамма-квантов называют обычно изомерным переходом. Гамма-излучение часто сопровождает другие типы распада.

Образовавшееся в результате радиоактивного распада дочернее ядро иногда оказывается также радиоактивным и через некоторое время тоже распадается. Процесс радиоактивного распада будет происходить до тех пор, пока не появится стабильное, то есть нерадиоактивное ядро, а последовательность возникающих при этом нуклидов называется радиоактивным рядом.

Закон радиоактивного распада

Наглядная демонстрация закона.

Закон радиоактивного распада -- закон, открытый Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом экспериментальным путём и сформулированный в 1903 году. Современная формулировка закона:

,

что означает, что число распадов за интервал времени в произвольном веществе пропорционально числу имеющихся в образце атомов .

В этом математическом выражении -- постоянная распада, которая характеризует вероятность радиоактивного распада за единицу времени и имеющая размерность с^-1. Знак минус указывает на убыль числа радиоактивных ядер со временем.

Этот закон считается основным законом радиоактивности, из него было извлечено несколько важных следствий, среди которых формулировки характеристик распада -- среднее время жизни атома и период полураспада^.

2. Виды радиоактивного распада

2.1 Альфа-распад

б-распадом называют самопроизвольный распад атомного ядра на дочернее ядро и б-частицу (ядро атома ⁴He).

б-распад, как правило, происходит в тяжёлых ядрах с массовым числом А?140 (хотя есть несколько исключений). Внутри тяжёлых ядер за счёт свойства насыщения ядерных сил образуются обособленные б-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Образовавшаяся б-частица подвержена большему действию кулоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Одновременно б-частица испытывает меньшее ядерное притяжение к нуклонам ядра, чем остальные нуклоны. Образовавшаяся альфа-частица на границе ядра отражается от потенциального барьера внутрь, однако с некоторой вероятностью она может преодолеть его (см. Туннельный эффект) и вылететь наружу. С уменьшением энергии альфа-частицы проницаемость потенциального барьера экспоненциально уменьшается, поэтому время жизни ядер с меньшей доступной энергией альфа-распада при прочих равных условиях больше.

Правило смещения Содди для б-распада:

.

Пример:

.

В результате б-распада элемент смещается на 2 клетки к началу таблицы Менделеева, массовое число дочернего ядра уменьшается на 4.

2.2 Бета-распад

Беккерель доказал, что в-лучи являются потоком электронов. в-распад -- это проявление слабого взаимодействия.

в-распад (точнее, бета-минус-распад, в ^- -распад) -- это радиоактивный распад, сопровождающийся испусканием из ядра электрона и антинейтрино.

в-распад является внутринуклонным процессом. Он происходит вследствие превращения одного из d-кварков в одном из нейтронов ядра в u-кварк; при этом происходит превращение нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино:

Правило смещения Содди для в ^- -распада:

Пример:

После в ^- -распада элемент смещается на 1 клетку к концу таблицы Менделеева (заряд ядра увеличивается на единицу), тогда как массовое число ядра при этом не меняется.

2.3 Гамма-распад (изомерный переход)

Почти все ядра имеют, кроме основного квантового состояния, дискретный набор возбуждённых состояний с большей энергией (исключением являются ядра ¹H, ²H, ³H и ³He). Возбуждённые состояния могут заселяться при ядерных реакциях либо радиоактивном распаде других ядер. Большинство возбуждённых состояний имеют очень малые времена жизни (менее наносекунды). Однако существуют и достаточно долгоживущие состояния (чьи времена жизни измеряются микросекундами, сутками или годами), которые называются изомерными, хотя граница между ними и короткоживущими состояниями весьма условна. Изомерные состояния ядер, как правило, распадаются в основное состояние (иногда через несколько промежуточных состояний). При этом излучаются один или несколько гамма-квантов; возбуждение ядра может сниматься также посредством вылета конверсионных электронов из атомной оболочки. Изомерные состояния могут распадаться также и посредством обычных бета- и альфа-распадов. радиоактивный позитрон нуклид

3. Специальные виды радиоактивности

· Спонтанное деление

· Кластерная радиоактивность

· Протонная радиоактивность

· Двухпротонная радиоактивность

· Нейтронная радиоактивность

4. Основы и клиническое применение радионуклидного метода диагностики

Физические основы радионуклидной диагностики в основе радионуклидного метода диагностики лежит явление естественной радиоактивности открытое в конце XIX века французским физиком Анри беккерелем, за это открытие в 1903 году был удостоен Нобелевской премии

Радиоактивность - это самопроизвольное распад ядер атомов нестабильных химических элементов вследствие которого выделяются определённые виды радиоактивного излучения образуются новые вещества и выделяется энергия путем испускания излучения.

Новые излучение неоднородные а складывается из трех составляющих которые стали именовать по первым буквам греческого алфавита альфа, бета и гамма-излучения.

Альфа излучение представляет собой поток атомов гелия лишенных электронов. Альфа - частица имеет двойной положительный заряд и массу равную 4 атомными единицам, пробег альфа частиц в теле человека составляет несколько десятков микрон.

Бета - излучение - это поток бета частиц то есть электронов или позитронов. Каждая частица обладает одним элементарным положительным или отрицательным электрическим зарядом. Электроны, образовавшиеся при распаде радионуклидов, проникает на несколько миллиметров в ткани человека.

Гамма - излучение - это электромагнитное излучение. испускаемое при радиоактивном распаде. Они имеют высокую проникающую способность и оказывают выраженное биологическое действие.

Современная радионуклидная диагностика основана на регистрации гамма-квантов либо испускаемых непосредственно радиоактивные нуклиды нами при распаде (сцинтиграфия однофотонная эмиссионная компьютерная томография), либо образующихся при взаимодействии позитронов испускаемых на клином с электронами окружающих атомов.

Все радиоактивные излучения относят к ионизирующим поскольку они способны ионизировать атомы и возлагать нейтральные молекулы в том числе и биологических объектов и оказывать биологическое действие. Регистрация гамма-квантов производится несколькими способами подсчетом ионизации в изоляционных камерах газоразрядных счётчиках и фиксации побега гамма-квантов в некоторых веществах при попаданиии в них ионизирующих излучений. Число ионизации или сцинтилляций соответствует число радиоактивных распадов и соответственно количество радиоактивного нуклида.

Единицы активности радионуклидов в системе СИ является беккерель (БК). 1 BK равен одному ядерному превращению за одну секунду. На практике ещё используют мне системную единицу Кюри (Ки): 1 Ки = 3,7 на 10 в 10 степени ядерных превращений за 1 секунду, 1 БК = 0,027 нКи.

Радионуклидные исследования на основе гаммы излучающих нуклидов.

Радиофармацевтическим препаратам (РФП) называется разрешённое для введения человеку с диагностической и лечебной целью химическое соединение содержащее в своей молекуле определённый радиоактивный нуклид.

Большинство РПФ меченых гамма - излучающие нуклидами, искусственно синтезированные эти химические соединения тем или иным образом отображают функцию органов и тканей или имитирует естественное метаболиты организма. В последние годы разработаны РПФ на основе естественных химических соединений или их аналогов, которые более точно отражают в течение биологических процессов при различных заболеваниях.

Основные требования предъявляемые к РФП:

1. низкая радиотоксичность, от которой зависит лучевая нагрузка на пациента и на персонал;

2. относительно короткий период полураспада;

3. удобный для регистрации гамма-излучения энергетический спектр;

4. соответствующие биологические свойства определяющие участие в метаболизме и позволяющие решать конкретные диагностические задачи;

5. соответствующая фармакодинамика при которой РФП быстро выводится из организма.

Радионуклиды с физическим периодом полураспада в несколько недель принято считать долгоживущими, в несколько дней среднеживущими, в несколько часов - короткоживущими, в несколько минут - ультракороткоживущими.

Для радиационной безопасности оптимальные короткоживущие гамма излучающие нуклиды и ультракороткоживущие.

Следует отметить что РФП быстрым выведением из организма не всегда нужны для радионуклидных исследований, поскольку в исследуемом органе должно оставаться достаточное количество радиоактивного индикатора для получения качественного изображения.

Основные типы аппаратов и принципы регистрации гамма квантов

Все диагностические методы включающие использования радиоактивных веществ подразделяются на две группы.

Первые предполагают введение радиоактивных веществ в организм человека (in vivo), вторые - исследования биологических объектов (сыворотки крови) вне его пределов (in vitro).

Методы первой группы относят к лучевой диагностики, второй - лежат в основе некоторых лабораторных методов.

Основными методами радионуклидные индикации патологических процессов при исследовании in vivo являются радиометрия, радиография и сцинтиграфия. В настоящее время все функции радиологов и сканеров совмещает в себе современные сцинтилляционные гамма камеры. Совершенствование гамма-камеры и разработка нового программного обеспечения привели к созданию гамма-камеры с функцией томографии. Методика исследования получило название однофотонный эмиссионный компьютерной томографии. Основными преимуществами этих комплексов являются возможность получения срезов изучаемых органов и активное использование компьютера для управления процессом сканирования.

ОФЭКТ позволяет получить объемное представление о распределении РФП внутри исследуемого органа или области исследования. ОФЭКТ - изображение получают путем записи серии плоскостных сцинтиграмм при вращении детекторов гамма-камеры вокруг тела пациента. Многие современные аппараты совмещают полученные томографические срезы с компьютерно-томографическими или магнитно-резонансной изображениями и таким образом соединяют анатомическую информацию с функциональной.

Все радионуклидные исследования разделяют на динамические и статические. Динамические исследования проводятся с целью изучения динамики распределение РФП в том или ином органе. Они состоят из записей серии кадров (плоскостных сцинтиграмм) в течение определенного времени после внутривенной инъекции РФП. Затем с помощью компьютерных программ производят обработку данных и построение кривых распределения РФП. Наиболее часто динамические исследования используются при изучении функции почек печени и желчных путей, щитовидной железы.

Статические исследования применяют для оценки пространственного накопления РФП в теле больного или в каком-либо органе. Рассчитывают накопление РФП в тканях сравнивают на различных участках органа, оценивают равномерность накопления внутри органа. Статические исследования проводится путем записи одной плоскостной сцинтиграммы надо определённой областью тела в течение времени необходимого для накопления достаточного объема информации.

ОФЭКТ можно отнести к разновидности статических исследований но в последнее время разработаны программы динамической однофотонной эмиссионной КТ.

Радионуклидные исследования на основе позитрон излучающих нуклидов.

Позитронно-эмиссионная томография - это метод радионуклидной диагностики, основанный на применении РФП, меченых нуклидами - позиционными излучателями. Эти изотопы обладают коротким периодом физического полураспада, поэтому отрицательный биологический эффект минимальный. ПЭТ позволяет проводить точную количественную оценку концентрации радионуклидов в изучаемом органе и может использоваться для тонкого изучения протекающих в нём метаболических процессов.

Реконструкция изображения. ПЭТ- система суммирует все линии ответа от пар детекторов зарегистрированных вовремя записи, и реконструирует изображение по алгоритму аналогично КТ, МРТ, ОФЭК. Каким образом получаются послойные изображения накопление РФП в исследуемой области или во всём теле сразу, и главной задачей становится определить точную локализацию этих изменений с учетом данных, ранее полученные другими методами исследования. Существует две основные методики проведения сканирования при ПЭТ - динамическая и статическая.

Современные совмещённые ПЭТ-КТ-сканеры позволяют проводить одновременно два исследования и точно совмещать данные с ПЭТ результатами КТ, чтобы оценить морфологические изменения с точки зрения изменения метаболизма клеток.

При ПЭТ используется РФП - естественные метаболиты меченые радиоактивным кислородом, углеродом, азотом, фтором. Эти препараты включаются в обмен веществ. В результате можно оценить процессы протекающие на клеточном уровне. Для ПЭТ используется только Ультра короткоживущие нуклиды.

Период полураспада исчисляется несколькими минутами или даже секундами. Для производства РФП в циклотронах синтезируют ультракороткоживущие радионуклиды. Следующим этапом является присоединение полученного нуклида к естественному метаболиту. Это происходит в радиохимической лаборатории. ПЭТ является высоко информативной методикой, её используют в диагностике злокачественных опухолей. В последнее время всё большее значение приобретают исследования с использованием аминокислот или их аналогов, меченых позитрон-излучающими нуклидами. Транспорт аминокислот усиливается при опухолевой трансформации клетки. Рост опухоли требуют повышенного поступления питательных веществ, необходимых для энергетического обмена, синтеза белка, поэтому увеличение транспорта аминокислот может быть связано со специфическими изменениями на поверхности опухолевой клетки.

Эти данные послужили основой для использования меченых аминокислот в качестве РФП для визуализации опухоли, так как замена атома углерода на нуклид углерода химически не изменяет молекулу.

В настоящее время ПЭТ применяется для диагностики главным образом в онкологии, кардиологии и неврологии.

Литература

1. Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. -- М.: Советская энциклопедия, 1994. -- Т. 4. Пойнтинга -- Робертсона - Стримеры. -- С. 210. -- 704 с. -- 40 000 экз. -- ISBN 5-85270-087-8

2. А.Н. Климов Ядерная физика и ядерные реакторы. -- Москва: Энергоатомиздат, 1985. -- С. 352.

3. Бартоломей Г.Г., Байбаков В.Д., Алхутов М.С., Бать Г.А. Основы теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов. -- Москва: Энергоатомиздат, 1982.

4. I.R. Cameron, University of New Brunswick Nuclear fission reactors. -- Canada, New Brunswick: Plenum Press, 1982.

5. И. Камерон Ядерные реакторы. -- Москва: Энергоатомиздат, 1987. -- С. 320.

6. Сивухин Д. В. Общий курс физики. -- 3-e издание, стереотипное. -- М.: Физматлит, 2002. -- Т. V. Атомная и ядерная физика. -- 784 с. -- ISBN 5-9221-0230-3

Размещено на Allbest.ru