Кравців Р.Й., Салата В.З., Семанюк В. І., Фреюк Д.В., Ярошович І. Г. Ветеринарна радіологія

Подождите немного. Документ загружается.

Ветеринарна радіологія

для променевої терапії та отримання штучних радіонуклідів.

Першими на собі відчули властивості непомітних випромі-

нювань дослідники, які працювали з радіоактивними речови-

нами. А.Беккерель не тільки першим встановив факт природної

радіоактивності, але й першим помітив на собі шкідливу дію ра-

діації. У квітні 1902 року П.Кюрі на прохання А.Беккереля підго-

тував препарат радію для демонстрації його властивостей на за-

сіданні фізико-технічного товариства. До цього він 6 годин носив

склянку з радієм в кишені жилетки. Через 10 днів на шкірі під ки-

шенею з’явилась еритема, а згодом - виразка, яка протягом трива-

лого часу не загоювалась.

2. Фізико-хімічні основи радіології.

Джерела природної та штучної радіоактивності

Що таке відкрите і закрите радіоактивне джерело

і яке опромінення дістанемо при роботі з ним?

Джерела іонізуючих випромінювань згідно з НРБУ-97 та

ОСПУ-2005 поділяються на відкриті та закриті.

Відкриті джерела іонізуючих випромінювань – це радіоак-

тивні речовини (препарати) у вигляді розчинів, газів або сипучих

речовин, які знаходяться в тимчасовій тарі й під час їх фасування

та використання можуть забруднювати навколишнє середовище.

При роботі з ними можна отримати внутрішнє і зовнішнє опро-

мінення.

Закриті джерела іонізуючих випромінювань не можуть за-

бруднювати навколишнє середовище (рентгенівські та γ-терапев-

тичні апарати, лінійні прискорювачі, закриті радіоактивні препа-

рати, які знаходяться у тривкій герметичній упаковці).

Відкриті джерела можуть розлитись, випаруватись, розсипа-

тись, потрапити на поверхню тіла і в організм через органи трав-

лення та дихання. Тому захист від них складніший, потрібні більш

жорсткі умови. Для кожного з видів роботи з джерелами іонізую-

чих випромінювань передбачено ряд вимог згідно з ОСПУ-2005.

Які джерела випромінювань використовуються

у ветеринарній радіології?

У ветеринарній радіології, крім іонізуючих, використовують-

ся також неіонізуючі джерела випромінювань. До неіонізуючих ви-

промінювань відносять теплове (інфрачервоне) випромінюван-

ня і резонансне, що виникає в об’єкті, розміщеному у потужному

статичному магнітному полі під впливом електромагнітних ім-

пульсів. До неіонізуючих відносять також ультразвукові хвилі, які

являють собою пружні коливання великої частоти.

Спектри електромагнітних та звукових випромінювань пред-

ставлені в табл. 2.1.

Ветеринарна радіологія

Таблиця 2.1

Спектри електромагнітних та звукових випромінювань

Випромінювання Довжина хвилі (λ) Частота (υ), Енергія квантів (E),

см ГЦ eB

Електромагнітні

Радіохвилі: 10

-10

-12

-10

-7

-ЯМР 10

-8

Інфрачервоне 10

-10

-7

-10

-1

Ультрафіолетове: 10

-4

-10

-1

-10

- видиме світло 10

-2

Рентгенівське та

γ-випромінювання 10

-10

Звукові

Звукові коливання - 10-10

Ультразвукові коливання - 10

-10

Будова ядра атома. Типи радіоактивного розпаду

Що представляє собою планетарна модель атома?

У 1911 році Е.Резерфорд запропонував планетарну модель ато-

ма, яка була розвинута Н.Бором (1913). Згідно з цією моделлю весь

позитивний заряд і майже вся маса (>99,94%) атома зосереджена в

атомному ядрі, розмір якого дуже малий (10

-13

см) порівняно з роз-

міром атома (10

-8

см). Довкола ядра по замкнутих орбітах рухають-

ся електрони, утворюючи електронні оболонки (рис. 2.1).

Одним з найважливіших параметрів руху електрона довко-

ла ядра є середня віддаль його орбіти від ядра. Електрони, які зна-

ходяться на однаковій віддалі від ядра, утворюють так звані елек-

тронні рівні, або шари, що позначаються латинськими бук вами К,

L, М, N, О, Р, Q, R, починаючи з найближчого до ядра рівня. На

кожному з них може знаходитися певна кількість електронів, яка

визначається головним квантовим числом n за формулою:

N = 2n

де N – максимальна кількість електронів на даному рівні;

– числове значення головного квантового числа для да ного

рівня в цілих числах.

Рис. 2.1. Схематичне зображення шарів електронної оболонки.

На найближчому до ядра К-рівні може знаходитись тіль-

ки 2×1

= 2 електрони, на L-рівні – 2×2

=8 електронів, на М-рів-

ні – 2×3

=18, на N-рівні – 2×4

=32 і т.д. При цьому жоден електрон

будь-якої оболонки не повторює повністю руху іншого електрона;

кожен електрон має свою специфічну характеристику руху.

Енергія зв’язку електрона з ядром в ато мі тим більша, чим

ближче знаходиться до ядра його орбіта руху. У зв’язку з цим, для

відриву електрона з верхньої орбіти ато ма треба затратити менше

енергії, ніж для відриву електрона з ближчої до ядра орбіти.

Електрони зовнішніх орбіт атома на зиваються валентними

електронами.

Хімічні реакції – це реакції, в яких атоми взаємодіють між

собою валентними електронами. Енергія, що вивільняється у про-

цесі хімічних реакцій, є енергією зв’язку валентних електронів з

ядрами в атомах і молекулах.

К-рівень

L-рівень

М-рівень

Фізико-хімічні основи радіології

Ядро

атома

Ветеринарна радіологія

Яка будова ядра атома?

Атомне ядро складається з протонів і нейтронів, які мають

загальну назву – нуклони. Протонно-нейтронна теорія будови

атомного ядра була вперше сформульована в 1932 році Д.Д.Іва-

ненком і Є.В.Гапоном, а в подальшому розвинута В.Гейзенбергом.

Нейтрон може розпадатися на протон, електрон і антинейтрино:

n→p + e

+ ν

В ядрі протон і нейтрон, обмінюючись з частото ю 10

-1

π-ме-

зонами, взаємно перетворюються:

←

→

p π

+ n;

←

→

n π

+ p

Тому їх вважають двома станами однієї ядерної частинки та

об’єднують спільною назвою – нуклони. Маса обох типів нуклонів

майже однакова. Вона у 1840 разів більша за масу електрона. Ма-

са ж електрона складає 9,1×10

-28

грама. Протони мають позитив-

ний заряд, нейтрони не мають заряду. В силу позитивного заря-

ду протонів ядро заряджене в цілому позитивно. Нуклони в ядрах

укомплектовані надзвичай но щільно внаслідок того, що між ними

діють ядерні сили, які значно перевершують сили електростатич-

ного відштовхування між однойменно зарядженими протонами.

Протон прийнято позначати латинською буквою р, нейтрон

– n. Масу ядер та елементарних частинок звичайно виражають в

атомних одиницях маси (а.о.м.). За атомну одиницю маси прийня-

то 1/12 маси ізотопу атома вуглецю –

С; 1 а.о.м. = 1,66×10

-27

кг.

Якщо в атомі протон перетворюється в нейтрон або навпа-

ки, то виникає атом іншого елемента. Сума протонів і нейтронів в

атомі називається масовим числом.

Який символічний запис складу ядра атома?

Запис елементів у ядерній фізиці прийнято вести із вказуван-

ням структури їх ядра. Зліва зверху біля символу хімічного еле-

мента Х вказують загальну кількість нуклонів у його ядрі – так

зване масове число атома А, а зліва внизу – кількість протонів або

заряд його ядра Z:

Наприклад:

О – атомне ядро кисню. Масове число атома А

дорівнює округленій (до найближчого цілого числа) атомній масі

елемента, вираженій в атомних одиницях маси. Таким чином, по-

значивши буквою N кількість нейтронів в ядрі, маємо:

А = Z+N.

Отже, кількість нейтронів в атомному ядрі елемента дорів-

нює різниці між масовим числом і атомним номером елемента:

N = A-Z.

Кількість протонів свідчить про те, що це за елемент. У зв’яз-

ку з цим у скорочених записах число протонів біля символу еле-

мента не вказують. Кількість нуклонів вказує, з яким ізотопом

даного елемента ми маємо справу. Щоб дізнатись про кількість

нейтронів у ядрі, досить від загальної кількості нуклонів відня-

ти кількість протонів. Наприклад, відомі три ізотопи водню. Пер-

ший з них – протій, ядро якого складається тільки з одного про-

тона. Його запис:

H. Другий ізотоп водню – дейтерій. Його ядро,

крім обов’язкового для всіх ізотопів водню одного протона, мі-

стить один нейтрон. Його запис:

H. Третій ізотоп водню – три-

тій. До складу ядра входять три нуклони, з них, очевидно, один

протон. Його запис, отже,

Що представляють собою ізотопи, ізотони, ізобари,

ізомери, нукліди?

При однаковій кількості протонів атоми того чи іншого еле-

мента можуть мати в своїх ядрах різну кількість нейтронів. Еле-

менти, які мають в ядрах однакову кількість протонів, але різну

кількість нейтронів називаються ізотопами (isos – однаковий,

topos – місце). Ядра всіх ізотопів хімічних елементів прийнято на-

зивати нуклідами. Всі хімічні елементи мають або можуть мати

різні ізотопи. Існують різні ізотопи вуглецю –

C, урану –

233

235

238

, і т.д. для кожного елемента.

Ізотони – атоми різних елементів, ядра яких мають однакову

кількість нейтронів (

C і

N; в ядрі першого 6р і 7n, а в ядрі дру-

гого 7р і також 7n).

Фізико-хімічні основи радіології

Ветеринарна радіологія

Ізобари – атоми різних елементів з однаковою кількість про-

тонів і нейтронів в ядрі, тобто з однаковим масовим числом (

Ar,

Ca).

Ізомери – атоми елемента з однаковим масовим числом, але

ядра яких знаходяться в різних енергетичних станах. При цьому

ядра з надлишком енергії називаються метастабільними і позна-

чаються буквою m, поставленою поряд з масовим числом (

80m

Br).

Будь-яка різновидність атомів називається нуклідом.

Що представляють собою стабільні та радіоактивні ізотопи?

Для всіх елементів одні ізотопи є стабільними – їх ядра не роз-

падаються самовільно, інші ж є нестабільними – їх ядра самовіль-

но розпадаються. Неста більні ізотопи називають радіоактивни-

ми, а випромінювання, яке виділяється при розпаді нестабільних

ядер, називають радіо активним випромінюванням. Радіоактивні-

стю називають самовільне перетворення атомних ядер одних еле-

ментів в ядра інших елементів, яке супроводжується виділенням

енергії у вигляді іонізуючого випромінювання. Причина радіоак-

тивного розпаду ядер полягає в диспропорції протонів і нейтро-

нів. Для кожного елемента існує характерна пропорція кількості

протонів та ней тронів ядра, коли ядро укомплектоване стабільно

і само по собі не розпадається:

—

= const,

де N

i N

– відповідно кількість протонів і нейтронів в ядрі

атома.

Для ядер легких елементів це співвідношення нуклонів близь-

ке до одиниці. Із збільшенням кількості протонів у ядрах елемен-

тів для стабільності ядра необхідна більша кількість нейтронів,

ніж протонів, і вказане співвідношення стає меншим за одиницю.

Для важких ядер воно наближається до 0,7. Ядра атомів ізотопів, у

яких пропорція нуклонів зміщена в той чи інший бік, намагають-

ся стабілізувати характерне співвідношення шляхом різних типів

радіоактивного розпаду.

Що представляють собою природні та штучні

радіоактивні ізотопи?

Більшість еле ментів у природі представлена стабільними ізо-

топами і тільки відносно невелика кількість природних ізотопів є

радіоактив ною. Це ті ізотопи, ядра яких розпадаються повіль но, то-

му за час існування нашої планети вони не встигли повністю роз-

пастися. Наявністю в природі декількох ізотопів одного й того ж

елемента пояснюється те, що атомні маси елементів у таблиці Мен-

делєєва представлені не цілими числами, а десятковими дробами,

які є середніми зна ченнями кількості нуклонів для всіх ізотопів да-

ного елемента з урахуванням частоти їх зустрічі в природі.

Штучні радіоактивні ізотопи одержують за допомогою ядер-

них реакцій, у більшості яких беруть участь нейтрони. Принци-

пової різниці між природною та штучною радіоактивністю немає,

оскільки два види радіоактивності підкоряються одним і тим са-

мим законам.

Типи радіоактивного розпаду

Що представляє собою альфа-розпад?

Радіоактивний розпад ядер супроводжується їх перетворен-

ням. Так, при випусканні α-частинки заряд ядра зменшується на

2р, маса – на 4 одиниці. В результаті дочірнє ядро зміщується в пе-

ріодичній системі на два номери вліво від вихідного (материнсь-

кого) ядра при одночасному зменшенні масового числа А на 4 оди-

ниці. Схему альфа-розпаду з урахуванням вищезгаданого правила

зміщення записують у такому вигляді:

X →

A-4

Z-2

Y+

де Х і Y – символи відповідно материнського і дочірнього

ядер. Прикладом α-розпаду є перетворення урану в торій:

238

U →

234

+

При α-розпаді дочірнє ядро може утворитися в збудженому

стані. Енергія збудженого дочірнього ядра виділяється у виді γ-фо-

Фізико-хімічні основи радіології

Ветеринарна радіологія

тонів. Саме тому α-розпад супроводжується γ-випромінюванням.

Якщо дочірнє ядро радіоактивне, то виникає цілий ланцюг пере-

творень, кінцем якого є стабільне ядро.

Що представляє собою бета-розпад?

Другий тип радіоактивного розпаду – β-розпад. Він полягає у

внутрішньому взаємному перетворенні нейтрона і протона. Роз-

різняють три види β-розпаду.

Електронний, або β

–

-розпад, який проявляється у вилітанні

з ядра β

–

-частинки (електрона). Схема β

–

-розпаду з урахуванням

правила зміщення така:

X → β

–

Z+1

Y + ν

−

де

−

– позначення антинейтрино. Енергія, що виділяється

при β

–

-розпаді, розподіляється між β-частинкою та антинейтри-

но. Прикладом β

–

-розпаду може бути розпад ізотопу калію з пере-

творенням його в кальцій:

K → β

–

Ca + ν

−

При β

–

-розпаді електрон утворюється в результаті внутріш-

ньоядерного перетворення нейтрона в протон:

n →

–

+ ν

−

Електронного β

–

-розпаду зазнають нукліди, в ядрах яких

кількість нейтронів більша, ніж у ядрах стабільних нуклідів.

Бета-позитронний розпад є другим видом β-розпаду. Його за-

знають нукліди, в ядрах яких кількість нейтронів менша, ніж у ядрах

стабільних нуклідів, тобто коли в ядрах є надлишок протонів.

Ядро такого ізотопу перебудовується, в результаті цього один

протон перетворюється в нейтрон, а одиниця позитивного за ряду

покидає ядро у вигляді β

-частинки, яка носить назву позитрона.

Всі властивості позитрона аналогічні власти востям електрона, за

винятком заряду, який у позитрона є по зитивним.

Таким чином, якщо елемент X, який має масу ядра А і заряд

Z, розпадається шляхом β-позитронного розпаду, то в резуль таті

утворюється ізотоп нового елемента Y, який має таку ж кількість

нуклонів A, але зменшену на одиницю кількість протонів, і при

цьому з ядра вилітає позитрон. Утворений в результаті β-пози-

тронного розпаду елемент стоїть на одну клі тинку вліво в табли-

ці Менделєєва:

X → β

Z-1

Y + ν

де

позначення нейтрино.

Наприклад:

С → β

B + ν

При позитронному розпаді один із внутрішньоядерних про-

тонів перетворюється на нейтрон, а ядро випромінює позитрон і

нейтрино:

p →

n + e

+ ν

Електронне захоплення – третій тип β-розпаду. Воно відбу-

вається, коли один із протонів ядра захоплює електрон з однієї з

оболонок атома, найчастіше з ближнього до нього К-шару або рід-

ше (приблизно в 100 разів) з L-шару, і перетворюється в нейтрон.

Такий процес називається електронним К- або L-захопленням.

Протон перетворюється в нейтрон згідно з наступною реакцією:

p +

-1

e →

n + ν

−

Порядковий номер дочірнього ядра стає на одиницю мен-

шим від порядкового номера материнського ядра, а масове чис-

ло не змінюється. Новий елемент у періодичній системі зміщуєть-

ся на одну позицію вліво від початкового. Перетворення ядер при

К-захопленні записують так:

X+

-1

e →

Z-1

Y + ν

−

Наприклад:

K +

-1

e →

Ar + ν

−

Таким чином, кінцевий ефект К-захоплення аналогічний до

β-позитронного розпаду, бо в ре зультаті утворюється ядро еле-

мента із незмінним масовим чис лом, але кількість протонів якого

зменшена на одиницю.

Для К-захоплення характерна не тільки перебудова ядра, але

й перебудова електронних орбіт. У зв’язку з тим, що один елек-

трон з К-оболонки захоплюється ядром, на цій оболонці утво-

рюється дірка, своєрідне електронне “вакантне місце”. Оскільки

Фізико-хімічні основи радіології