Interakce záření s hmotou

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

ionizující neionizující

Je to záření, které má natolik vysokou energii, že je schopno ionizovat a excitovat absorbující hmotu

Absorpce energie ionizujícího záření v látce má kvantový charakter

alfa, beta plus, beta mínus, gama, RTG záření, neutrony

optické (UV, VS, IČ), mikrovlny, radiové frekvence, televizní vlny

ZÁŘENÍ

Interakce záření s hmotouIONIZACEPojmem ionizace se rozumí situace, kdy se z atomu odštěpují elektrony; vznikají tak kationty a volné elektronyPro vlastní ionizaci je nutná absorpce ionizační energie, tj. energie potřebné k odštěpení elektronu

EXCITACEPokud 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 hmotouIonizace 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

Interakce záření s hmotouFáze Proces Trvání

FyzikálníAbsorpce energie záření v atomech a molekulách,

ionizace a excitace

10-16 s

Fyzikálně-chemická

Interakce iontů s molekulamiMezimolekulární interakceTvorba volných radikálů

10-6 s

ChemickáInterakce volných radikálů s

biologicky významnými molekulami, buňkami a DNA

Sekundy

BiologickáReparace buněk,

smrt buněk, změny v genetických datech

buněk - mutace

minutyaž 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 hmotouVliv ionizace na ozařovanou látku závisí na jejím atomovém složení

Ozáření prvku - žádná chemická změna

Ozáření sloučeniny - chemické změnyIonizované atomy se uvolňují z chemických vazeb, dochází k disociaci molekul - radiolýze - vznikají vysoce reaktivní radikály.

Rekombinace uvolněných elektronů s kladnými ionty za vzniku opět těch samých atomů prvku jako před ozářením

Interakce záření s hmotouPodle 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. ; H.), které mohou po dobu života (10-5 s) reagovat s kritickými biologickými molekulami v buňce a poškodit je, mohou také reagovat s dalšími radikály a vytvořit např. peroxid vodíku (H2O2 - 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 hmotouPodle mechanizmu působení

Radikálová teorie "nepřímý účinek" - ionizace a excitace

Vznik radikálů vody

EXCITACÍ (*) H2O H2O* (excitovaná) H.+ OH.

IONIZACÍ H2O H2O+ + e-

H2O+ H+ + OH.

e- + H2O H2O- H.+ OH-

e- + O2 .O2 RADIKÁLOVÉ REAKCE H. + H2O H2 + .OH H. + H. H2

.OH + .OH H2O2 H2O + O (singletový) H. + .OH H2O H. + O2 .HO2 H+ + .HO2 H2O2

Interakce záření s hmotouPodle mechanizmu působení

Radikálová teorie "nepřímý účinek" - ionizace a excitace

Vznik anorganických radikálů

Fe3+ + e- Fe2+ Fe

vyvázání Fe z hemoglobinu

Interakce záření s hmotouPodle 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 hmotouPodle mechanizmu působení

Zásahová teorie "přímý účinek" - absorpce energie

A) intaktní DNAB) DNA s jednoduchým jedno

vláknovým zlomemC) DNA se dvěma jednoduchými

jedno vláknovými zlomy přes tři bázeD) DNA s dvouvláknovým zlomemTento 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 je více než 1000 na 1 Gy

Interakce záření s hmotouPodle 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

Pravděpodobnost účinku

Dávka

Somatické onemocnění (nádory)Genetické onemocnění

STOCHASTICKÉ ÚČINKY

Interakce záření s hmotou

Pravděpodobnost účinku

Dávka

STOCHASTICKÉ ÚČINKY

hormeze

stochastické

deterministické

Interakce záření s hmotou

Pravděpodobnost účinku

Dávka

prahová dávka – nad 1 Gy

Tkáň Účinek Prahová dávka [Gy]

Ovaria sterilita 2,5 – 6

Varlatadočasná sterilita 0,15

trvalá sterilita 3,5 – 6

Čočkaopacita 0,5 - 2

katarakta 5

Kůže erytém 3 - 5nekróza 5

DETERMINISTICKÉ ÚČINKY

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 ÚČINKYMuž, 40let, 1 koronární angiografie, 1 PTCA, další koronární angiografiepro komplikace a nakonec bypass chirurgie. To vše v jednom dni …

6 týdnů 20 týdnů 20 měsíců

Interakce záření s hmotou

Nemoc z ozářeníTypické projevy nemoci z ozáření:

1. neletální – poškození tvorby červených krvinek (kostní dřeně), účinky na gonády

2. letální – gastrointestinální syndrom (střevní smrt), nervový syndrom (nervová smrt)

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 tkáníUspořádáno 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

22688Ra >>> 222

86Rn + 42He

Interakce záření s hmotouDominantní způsob interakce (předávání energie) záření alfa

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

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

Excitace

Interakce záření s hmotou

ZÁŘENÍ BETA

proměna protonu v neutron (a v beta +) Využití – PET - diagnostika proměna neutronu v proton (a v beta -) Využití – radioterapie

ionizační schopnosti, dolet, využití v medicíně, při interakci dráha klikatá

146C >>> 14

7N + beta-

Beta +

Beta -

Interakce záření s hmotou

Dominantní způsob předávání energie záření beta

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

Přechod elektronu z nižší na vzdálenější slupku v důsledku interakce

Excitovaný stav je nestabilní:

Elektron se vrací na původní slupku, přebytečná energie

je emitována

Excitace

Ionizace

Interakce záření s hmotou

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

Záření gama

Interakce záření s hmotouDominantní způsob předávání energie záření gama

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.

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.

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.

Fotoelektrický děj

Comptonův rozptyl

Tvorba elektron-pozitronových párů

Interakce záření s hmotouInterakce neutronů s hmotou

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.

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.

Pružný rozptyl

Nepružný rozptyl

Interakce záření s hmotouInterakce neutronů s hmotou

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

Neutron je zachycen jádrem, jeho kinetická energie je vyzářena v podobě γ fotonu. Vzniká čistý zářič gama, využití – nukleární medicína

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

Emise nabité částice

Radiační záchyt

Jaderné štěpení

Interakce záření s hmotou

Smrtelná dávkahmyz 103 - 104 Gyjednobuněčné organizmy 103 - 104 Gy

omezení klíčivosti (prodloužení skladovatelnosti brambor, cibule a česneku)

50 až 500 Gy

ozařování semen dávkami, ozařování vyvolá vznik mutací a toho se využívá k získávání odrůd s lepšími vlastnostmi

100 až 1000 Gy

člověk 10 Gy

Interakce záření s hmotou

Fylogeneticky podmíněná LD50/30 (Gy)

Paramecium 2 500 Pes 4

Drozofila 600 Morče 2,5

Žába 10 Skot 5,5Králík 8 Prase 6

Potkan 6 Kůň 6,5

Myš 6 Koza 5,5

Opice 5 Drůbež 9-12

Člověk 3-4 Bakterie 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 hmotouHadronová 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

Interakce záření s hmotouHadronová terapie