Transcript Interakce zá*ení s hmotou
Interakce záření s hmotou
ZÁŘENÍ ionizující Je to záření, které má natolik vysokou energii, že je schopno ionizovat hmotu a excitovat absorbující Absorpce charakter energie ionizujícího záření v látce má kvantový alfa, beta plus, beta mínus, gama, RTG záření , neutrony neionizující Je to záření, které není schopno ionizovat a excitovat absorbující hmotu. Energie stačí ke změně vibračního či rotačního stavu molekuly Absorpce energie neionizujícího záření v látce nemá kvantový charakter optické (UV, VS, IČ), mikrovlny, radiové frekvence, televizní vlny
Interakce záření s hmotou
IONIZACE Pojmem ionizace se rozumí situace, kdy se z atomu odštěpují elektrony; vznikají tak kationty a volné elektrony Pro vlastní ionizaci je nutná absorpce potřebné k odštěpení elektronu ionizační energie , tj. energie EXCITACE Pokud atom absorbuje menší, než ionizační energii, může dojít k vybuzení elektronu do energeticky vyšších orbitalů. To je možné v případě, že atom absorbuje energii o rozdílu základní a některé vyšší
hladiny (čárová absorpční spektra – kvantový charakter záření). O
takovém atomu pak říkáme, že je v excitovaném stavu . Při přechodu do nižší energetické hladiny (při návratu elektronu z excitovaného stavu) je vyzářen rozdíl energií ve formě fotonu (nebo fotonů, je-li přechod po etapách, z n=3 na n=2 a pak na n=1). Tento děj je podstatou luminiscence
Interakce záření s hmotou
Ionizace vyžaduje minimální předanou energii , přesné množství závisí na složení absorbující hmoty. V cytoplazmě je její hodnota asi 33 eV Proto jakýkoliv druh záření, který není schopen dodat cytoplazmě při jedné absorpční události 33 eV, nemůže jí ionizovat V případě elektromagnetického ozáření energie 33 eV přenesená jedním fotonem odpovídá vlnové délce 40 nm ( E = h*f = h*c/λ - h je Planckova konstanta, f je frekvence, λ je vlnová délka) Proto má elektromagnetické ionizující záření maximální vlnovou délku 40 nm a záření s delší vlnovou délkou není ionizující
Fáze Fyzikální
Interakce záření s hmotou
Proces Trvání Absorpce energie záření v atomech a molekulách, ionizace a excitace 10 -16 s Fyzikálně chemická Interakce iontů s molekulami Mezimolekulární interakce Tvorba volných radikálů Chemická Biologická Interakce volných radikálů s biologicky významnými molekulami, buňkami a DNA Reparace buněk, smrt buněk, změny v genetických datech buněk - mutace 10 -6 s Sekundy minuty až léta Přímý účinek - teorie zásahová (změna makromolekuly přímým zásahem), podstatou je fyzikální a fyzikálně-chemický přenos energie Nepřímý účinek – teorie radikálová (radiolýza vody, tvorba volných radikálů, změny propustnosti membrán), podstatou je chemický přenos energie
Interakce záření s hmotou
Vliv ionizace na ozařovanou látku závisí na jejím atomovém složení Ozáření prvku - žádná chemická změna Rekombinace uvolněných elektronů s kladnými ionty za vzniku opět těch samých atomů prvku jako před ozářením Ozáření sloučeniny - chemické změny Ionizované atomy se uvolňují z chemických vazeb, dochází k disociaci
molekul -
radiolýze
- vznikají
vysoce reaktivní radikály
.
Interakce záření s hmotou
Podle mechanizmu působení Radikálová teorie "nepřímý účinek" - ionizace a excitace Teorie vychází z toho, že každý organizmus obsahuje vysoké procento vody, při absorpci záření dochází k ionizaci vody a vzniku vysoce reaktivních radikálů (OH reagovat s kritickými biologickými molekulami v buňce a poškodit je, mohou také reagovat s dalšími radikály a vytvořit např. peroxid vodíku (H 2 O 2 .
; H .
) , které mohou po dobu života (10 -5 s) - vysoce účinný oxidační prostředek, poškozuje biomolekuly) Volný radikál je jakýkoliv atom nebo skupina atomů, které mohou existovat samostatně a obsahují alespoň jeden nepárový elektron
Interakce záření s hmotou
Podle mechanizmu působení Radikálová teorie "nepřímý účinek" - ionizace a excitace Vznik radikálů vody EXCITACÍ (*) IONIZACÍ H 2 O H 2 O* (excitovaná) H .
+ H 2 O H 2 O + + e H 2 O + H + + OH .
e e + H + O 2 2 O H .O
2 2 O H .
+ OH OH . RADIKÁLOVÉ REAKCE H. + H 2 O H 2 + .OH
H. + H. H 2 .OH + .OH H 2 O 2 H 2 O + O (singletový) H. + .OH H 2 O H. + O 2 .HO
2 H + + .HO
2 H 2 O 2
Interakce záření s hmotou
Podle mechanizmu působení Radikálová teorie "nepřímý účinek" - ionizace a excitace Vznik anorganických radikálů
Fe 3+ + e Fe 2+ Fe
vyvázání Fe z hemoglobinu
Interakce záření s hmotou
Podle mechanizmu působení Zásahová teorie "přímý účinek" - absorpce energie Má sekundární význam , pravděpodobnost "přímých zásahů" je totiž menší. Přímý účinek se výrazněji projevuje pouze v případě záření alfa V biologických systémech absorbovaná energie připadá přibližně z jedné čtvrtiny na organické a ze tří čtvrtin na anorganické látky Z hlediska zásahové teorie má u organických látek největší význam narušení vazby S-H (mění se na vazbu disulfidovou S-S) v rámci disulfidických intermolekulárních můstků Intenzita poškození se zvyšuje tzv. kyslíkovým efektem a snižuje přítomností nebílkovinných S-H skupin v buňce
Interakce záření s hmotou
Podle mechanizmu působení Zásahová teorie "přímý účinek" - absorpce energie
A) intaktní DNA B) DNA s jednoduchým jedno vláknovým zlomem C) DNA se dvěma jednoduchými jedno vláknovými zlomy přes tři báze D) DNA s dvouvláknovým zlomem Tento typ poškození má reparaci obtížnou, časté jsou chyby (mutace)
Dávka 1 Gy vede k vytvoření 360 000 volných radikálů v každé buňce (hmotnost buňky asi 1 ng) Nejdůležitější molekulou , jejíž osud určuje další osud buňky, je DNA, obsahující genetickou informaci Počet dvouvláknových zlomů v jedné buňce je 15-60 při ozáření dávkou 1 Gy, počet jedno vláknových zlomů než 1000 na 1 Gy je více
Interakce záření s hmotou
Podle mechanizmu působení Zásahová teorie "přímý účinek" - absorpce energie Nejvýznamnějším faktorem ovlivňujícím citlivost buněk a tkání k ionizujícímu záření je koncentrace kyslíku . Jev se nazývá “kyslíkový efekt“ , v principu jde o to, že nedostatek kyslíku pomáhá přežívat části nádorových buněk po ozáření Jev má důležitost pro radioterapii , protože nádory obsahují často oblasti, které jsou hypoxické následkem sníženého zásobování krví V přítomnosti kyslíku, je účinek radikálů na biomolekuly zvýšen, kyslík reaguje s těmi místy, které byly napadeny radikály a upevňuje poškození
Interakce záření s hmotou
Interakce záření s hmotou
STOCHASTICKÉ ÚČINKY Pravděpodobnost účinku Somatické onemocnění (nádory) Genetické onemocnění Dávka
Pravděpodobnost účinku
Interakce záření s hmotou
STOCHASTICKÉ ÚČINKY stochastické deterministické hormeze Dávka
Interakce záření s hmotou
DETERMINISTICKÉ ÚČINKY Pravděpodobnost účinku Tkáň Ovaria Varlata Čočka Kůže Účinek sterilita dočasná sterilita trvalá sterilita opacita katarakta erytém nekróza Prahová dávka [Gy] 2,5 – 6 0,15 3,5 – 6 0,5 - 2 5 3 - 5 5 prahová dávka – nad 1 Gy Dávka
Interakce záření s hmotou
DETERMINISTICKÉ ÚČINKY Příklad: ozáření kůže ionizujícím zářením - gradace deterministických účinků B.Ú.
Nejnižší práh : erytémová dávka – zčervenání kůže - a Vyšší práh : epilační dávka – pigmentace a vypadávání vlasů - b Nejvyšší práh : nekrotická dávka – poškození kůže s nekrozou - c
Interakce záření s hmotou
DETERMINISTICKÉ ÚČINKY Muž, 40let, 1 koronární angiografie, 1 PTCA, další koronární angiografie pro komplikace a nakonec bypass chirurgie. To vše v jednom dni …
6 týdnů 20 týdnů 20 měsíců
Interakce záření s hmotou
Nemoc z ozáření
Typické projevy nemoci z ozáření: 1. neletální – poškození tvorby červených krvinek (kostní dřeně), účinky na gonády 2. letální – gastrointestinální (nervová smrt) syndrom (střevní smrt), nervový syndrom Pozdní následky (pokud nemoc z ozáření přežije – kumulativní – genetické poškození, rakovina Fáze nemoci z ozáření : prodromální (prvotní příznaky), latentní, plný klinický projev onemocnění, rekonvalescence
Interakce záření s hmotou
Citlivost tkání
Uspořádáno podle klesající radiosensitivity: Lymfatická; kostní dřeň; epitel tenkého střeva; zárodečný epitel varlete; vaječníky; bazální vrstva epidermis; endotel malých cév; oční čočka; ledviny a játra; dospělá kost a chrupavka; nervová tkáň svaly a vazivová tkáň Jednotlivé tkáně a orgány nemají stejnou radiosensitivitu Při stejné absorbované dávce se v různých tkáních projeví rozdílné biologické účinky Platí, že vysokou radiosensitivitu vykazují tkáně s rychlým buněčným dělením Vysvětluje se to tím, že mitotická smrt buňky je převládajícím typem buněčné smrti v důsledku ionizujícího záření
Interakce záření s hmotou ZÁŘENÍ ALFA
Henri Becquerel v r. 1896 K ionizaci ve vzduchu je zapotřebí energie 32,5 eV , takže jedna letící alfa částice do úplného zabrzdění vytvoří podél své trajektorie dalších milion iontů silné ionizační schopnosti, dráha při interakci přímočará, dolet, využití v medicíně, Litviněnko 226 88 Ra >>> 222 86 Rn + 4 2 He
Interakce záření s hmotou
Dominantní způsob interakce (předávání energie) záření alfa Ionizace Energie předaná elektronu nabitou částicí je dostatečně velká k jeho odtržení z atomu Událost: předaná energie > vazebná energie elektronu Důsledek: vzniká pár elektron – kladně nabitý iont Excitace Přechod elektronu z nižší na vzdálenější slupku v důsledku interakce Excitovaný stav je nestabilní : Elektron se vrací na původní slupku, přebytečná energie je emitována
Interakce záření s hmotou ZÁŘENÍ BETA
Beta + proměna protonu v neutron (a v beta +) Využití – PET - diagnostika Beta proměna neutronu v proton (a v beta -) Využití – radioterapie ionizační schopnosti, dolet, využití v medicíně, při interakci dráha klikatá 14 6 C >>> 14 7
N + beta
-
Interakce záření s hmotou
Dominantní způsob předávání energie záření beta Excitace Přechod elektronu z nižší na vzdálenější slupku v důsledku interakce Excitovaný stav je nestabilní : Elektron se vrací na původní slupku, přebytečná energie je emitována Ionizace Energie předaná elektronu nabitou částicí je dostatečně velká k jeho odtržení z atomu Událost: předaná energie > vazebná energie elektronu Důsledek: vzniká pár elektron – kladně nabitý iont
Interakce záření s hmotou
Záření gama je vysoce energetické elektromagnetické záření s vlnovou délkou řádu 10 -11 až 10 -13 m. Vzniká v jádře při jaderných reakcích nebo při radioaktivní přeměně přechodem jádra z vyššího do nižšího energetického stavu, přičemž se jádro zbavuje pouze své excitační energie. Radionuklid vyzařující záření gama proto „zůstává na místě“ v periodické soustavě prvků
Interakce záření s hmotou
Dominantní způsob předávání energie záření gama Fotoelektrický děj jeho pravděpodobnost se zmenšuje s rostoucí energií záření gama a roste s protonovým číslem materiálu. Projevuje se tedy hlavně u fotonů s nižší energií (řádově několik keV) a látek s vysokým protonovým číslem.
Comptonův rozptyl je převládajícím typem interakce záření gama středních energií s látkami s malým protonovým číslem. Rozptyl sekundárních fotonů kolísá v intervalu 0° až 180° a jejich energie je závislá na úhlu rozptylu. Tvorba elektron-pozitronových párů se uplatňuje při vysokých energiích záření gama a u absorpčních materiálů s vysokým protonovým číslem. Je nezbytné, aby energie fotonu záření gama byla větší než energie odpovídající dvěma klidovým hmotnostem elektronu, tedy větší než 1,02 MeV.
Interakce záření s hmotou
Interakce neutronů s hmotou Pružný rozptyl Nejpravděpodobnější typ interakce. Dochází k němu na velmi malých jádrech , například jádře vodíku. Energie neutronu se přemění na kinetickou energii zasažené částice. Jádro se neexcituje. Odražený neutron pokračuje dále se zbytkem energie. Děj pokračuje dokud se neutron nezpomalí natolik, že může být absorbován jádrem. Nepružný rozptyl Dochází k němu na jádrech těžkých prvků . Neutron, obdobně jako při pružném rozptylu, předá část své kinetické energie a, jako zpomalený pokračuje dál. Zasažené jádro se ale excituje, část předané energie je vyzářena v podobě γ fotonu, zbytek se změní v kinetickou energii jádra.
Interakce záření s hmotou
Interakce neutronů s hmotou Emise nabité částice Neutron má tolik energie, že při zásahu jádra vyrazí proton, α částici nebo deuteron , zbytek předané energie se změní v kinetickou energii vyražené částice. Tím může dojít ke vzniku radionuklidu Radiační záchyt Neutron je zachycen jádrem, jeho kinetická energie je vyzářena v podobě γ fotonu . Vzniká čistý zářič gama, využití – nukleární medicína Jaderné štěpení Při vhodné rychlosti neutronu může dojít k rozštěpení jádra za vzniku štěpných produktů. Při štěpení se z jádra neutrony, dochází k tzv. lavinovému efektu. Této řetězové štěpné reakce se využívá u jaderných zbraní . V moderované podobě (= ne všechny vzniklé neutrony štěpí další jádra) je základem jaderného reaktoru
Interakce záření s hmotou
hmyz jednobuněčné organizmy omezení klíčivosti (prodloužení skladovatelnosti brambor, cibule a česneku) ozařování semen dávkami, ozařování vyvolá vznik mutací a toho se využívá k získávání odrůd s lepšími vlastnostmi člověk
Smrtelná dávka
10 3 - 10 4 Gy 10 3 - 10 4 Gy 50 až 500 Gy 100 až 1000 Gy 10 Gy
Interakce záření s hmotou
Fylogeneticky podmíněná LD 50/30 (Gy)
Paramecium Drozofila Žába Králík Potkan Myš Opice Člověk 2 500 600 10 8 6 6 5 3-4 Pes Morče Skot Prase Kůň Koza Drůbež Bakterie 4 2,5 5,5 6 6,5 5,5 9-12 10 000
Interakce záření s hmotou Příklad extrémní radiorezistence
Bakterie objevené v kanále amerického Jaderného reaktoru, kde dávkový příkon byl asi 12 Gy/s a absorbovaná dávka za den představovala asi 10 MGy
Přežívání i množení !
Micrococcus radiodurens
(mikrokok radiačně odolný)
Interakce záření s hmotou
Hadrony ztrácejí energii srážkami s jádry a zejména s elektrony v obalu atomů. Energetické ztráty během srážky s elektrony jsou nepřímo úměrné druhé mocnině jejich rychlosti Prakticky to znamená, že hadrony předávají maximum své energie těsně před doběhem v látce. Toho je využito v hadronové terapii Oblast Braggova vrcholu je dána energií dané částice. Pro terapii je potřebná hloubka průniku asi 2 – 25 cm, což odpovídá energii 60 – 250 MeV pro protony a 120 – 400 MeV pro lehké ionty Vlastnosti protonů nízká vstupní dávka, maximální dávka energie v požadované hloubce a nulová výstupní dávka umožňuje velmi plánovat rozložení dávky záření v těle pacienta
Interakce záření s hmotou Hadronová terapie
Hadrony ztrácejí energii srážkami s jádry a zejména s elektrony v obalu atomů. Energetické ztráty během srážky s elektrony jsou nepřímo úměrné druhé mocnině jejich rychlosti Prakticky to znamená, že hadrony předávají maximum své energie těsně před doběhem v látce. Toho je využito v hadronové terapii Oblast Braggova vrcholu je dána energií dané částice. Pro terapii je potřebná hloubka průniku asi 2 – 25 cm, což odpovídá energii 60 – 250 MeV pro protony a 120 – 400 MeV pro lehké ionty Vlastnosti protonů nízká vstupní dávka, maximální dávka energie v požadované hloubce a nulová výstupní dávka umožňuje velmi plánovat rozložení dávky záření v těle pacienta