Základní částice hmoty a jejich interakce

Složení hmoty

1. Fotony

2. Fermiony

leptony (elektron, neutrino a jejich antičástice)

kvarky (u +2/3e- d -1/3e- )

hadrony – mezony

baryony

nukleony

proton uud

neutron ddu

Stabilita částic

• stabilní jsou:

proton, elektron, neutrino a jejich antičástice

• volný neutron (poločas přeměny 15 min.)

→ proton + elektron + antineutrino

Interakce částic

• gravitační

• elektromagnetická

• silná jaderná

• slabá jaderná

Vznik a vývoj vesmíru

Ve vesmíru převažuje temná

hmota, která rozhodne o jeho

osudu.

Nejčastější skupenství je

plazma.

Sluneční soustava 4,6 miliard let

Vznik prvků

• slučováním kvarků vznikly nukleony a jádra izotopů lehkých prvků H a He

• jadernou syntézou na povrchu a v jádře hvězd vznikají prvky až po Fe

• další prvky Mendělejevovy soustavy vznikly bombardováním rychlými neutrony po explozi supernov

Radioaktivita

Ionizující záření

Příčina nestability jader

• Z 2000 známých nuklidů pouze 266 stabilních

• Stabilita = poměr protonů : neutronům

• Z < 20 1 : 1, 25

výjimka 11H a 3

2He

• Z > 20 1 : 1, 52

poslední stabilní 20983Bi

209 nukleonů – 83 protonů = 126 neutronů 126 : 83 = 1,52

Energie radioaktivní přeměny

• Exergonický děj [MeV]

Q = Eexcit.jádra + Ekin.částic + Efotonů

Zákon radioaktivní přeměny

• Přeměna konkrétního jádra má

stochastický charakter

• N = No . e –λ t

• λ desintegrační (přeměnová) konstanta

• t čas za který se sníží No počet jader v

čase t = 0 na počet jader N

Graf závislosti počtu přeměněných jader na čase má exponenciální tvar

0 T 2T čas

N0

N0/2

N0/4

No – počet jader v čase T = 0

oo

Poločasy

• Fyzikální poločas přeměny

• Biologický poločas

• Efektivní poločas

1/ Tef = 1/Tfyz + 1/Tbiol

• Ekologický poločas

Druhy záření

• Korpuskulární x elektromagnetické

• Podle ionizace:

1. Ionizující přímo

2. Ionizující nepřímo

3. Neionizující

1.Korpuskulární záření

Ionizující přímo

1. Alfa

2. Elektronové

3. Pozitronové

4. Protonové

Ionizující nepřímo

1. Neutronové

2. Elektromagnetické záření

Ionizující nepřímo1. Gama2. Röntgenovo3. UV C nad 10 eV nebo λ < 100 nmNeionizující 1. Mikrovlnné2. Radarové3. Infračervené4. Viditelné5. UV A, B, (C)

Vlastnosti ionizujícího záření

• Biologická účinnost

1. Podle schopnosti ionizovat

2. Podle pronikavosti

• Pronikavost

1. Podle velikosti náboje

2. Podle velikosti částice

Röntgenovo zářeníX rey

• Působením vysokého napětí dojde k urychlení elektronů emitovaných ze žhavené katody. Nárazem do kovového terče anody vzniká emisní záření:

1. Brzdné – spojité energetické spektrum

2. Charakteristické – čarové spektrum

Záření alfa• Energeticky nestabilní atomové jádro X se

přemění emisí částice (jádro helia) na jádro Y.• PŘÍKLADY VŠEOBECNĚ

• AZX A-4

Z-2Y + 42He

• SPECIÁLNÍ

• 22688Ra 222

86Rn +

Energetické spektrum je čarové.

Nejvyšší ionizační schopnost.

Nízká pronikavost.

Vysoká radiotoxicita při vnitřní kontaminaci.

Záření betaPři přeměnách se přetváří protony (p) a neutrony (n) navzájem. Rozeznáváme 3 procesy:

• 1. elektronové záření β-

při přebytku neutronů v jádře n p + e- + ~

• AZX A

Z+1Y + - + ~

• 3215P 32

16S + - + ~

Záření beta• 2. pozitronové záření β+

při přebytku protonů v jádru 11p1

0n + + + • A

ZX AZ-1Y + + +

• 189F 18

8O + + + • 3. zachycení elektronů sféry K při přebytku neutronů v jádru p + e- n + Emise elmg. záření zpětným přeskokem e- do mezer

vzniklých záchytem (K- dráha)• A

ZX + e- AZ-1Y + (kvarky u → d + )

• 5425Mn + e- 54

24Cr + (+2/3 – 1 = -1/3 náboje e-)

189

Záření beta

• Energetické spektrum spojité

• Druhá nejvyšší ionizace

• Třetí nejpronikavější

• Proniká do podkoží (beta popáleniny)

• Vysoká radiotoxicita při vnitřní kontaminaci.

Záření gama – vzniká přeskokem kvant z úrovně excitace

jádra Y* do níže ležící energetické hladiny. Nastupuje ve spojení s - rozpadem nebo - přeměnou.

• X Y* + , Y* Y + • 60

27Co 6028Ni* + -

6028Ni* 60

28 Ni + Nižší ionizační schopnost. Nejvyšší pronikavost. Energetické spektrum čarové.Jak vnější ozáření, tak i vnitřní kontaminace.

Neutronové záření

• Vzniká při jaderných reakcích, např. štěpení jádra, využívá se alfazářičů (neutronový generátor).

A (x,y) B, 94Be + → n + 12

6C 235U(x,y 2-5 n), • Energetické spektrum spojité.• Druhé nejpronikavější.• Stupeň ionizace je dán energií neutronů.• Významné zejména při vnějším ozáření.• Schopnost indukované radioaktivity (především

nízkoenergetické-pomalé rezonanční neutrony).• Průmyslové využití (výroba radionuklidů, jaderný

reaktor, neutronová bomba).

INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S HMOTOU

I. ČÁSTICOVÁ ZÁŘENÍ NESOUCÍ NÁBOJ

Excitace

Ionizace

Změny v jádře atomu u α záření

Brzdné záření u β záření

Anihilace hmoty (pozitron, elektron)

INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S HMOTOU II. FOTONOVÁ ZÁŘENÍ

– Fotoelektrický jev – fotoefekt

– Comptonův rozptyl

– Tvorba elektron-pozitronového páru

– Změny v jádře atomu

INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S HMOTOU

III. NEUTRONOVÉ ZÁŘENÍ

1. Pružný rozptyl

2. Nepružný rozptyl

3. Absorpce jádrem atomu

A) Veličiny a jednotky charakterizující zdroje IZ

• λ přeměnová konstanta – podíl pravděpodobnosti dP a času dt , za který se jádro pravděpodobně rozpadne [ s-1 ]

• A aktivita A = λ . N počet rozpadů za sekundu [ Bq ] becquerel starší jednotka [ Ci ] curie

1 Ci = 3,7 . 1010 Bq

A) Veličiny a jednotky charakterizující zdroje IZ

• am hmotnostní aktivita [ Bq kg-1 ]

• av objemová aktivita [ Bq l-1 ]

• aS plošná aktivita [ Bq m-2 ]

• f frekvence (vlnová délka)

• E energie záření [ eV ] [ keV, MeV ] energie elektronu ve spádu 1 V

B) Veličiny a jednotky popisující interakci IZ s hmotou

• Dávka (D) popisuje předávání střední energie nabitých částic absorpcí v hmotě [ J kg -1 ] = [Gy] grey

dE

D = --------

dm

Veličiny a jednotky popisující interakci IZ s hmotou

• L lineární přenos energie (LET) [ eV ] L = dE / dx

vyjadřuje energii která je při zpomalování nabité částice předávána elektronům hmoty

• X expozice pouze pro fotonová záření ve vzduchu [ C kg -1 ] , starší [R] rentgen

X = dQ / dm Q náboj v coulombech [C]

Veličiny a jednotky popisující interakce IZ s živou hmotou

EKVIVALENTNÍ DÁVKA VE TKÁNI (ORGÁNU) HT [ Sv ]

HT = wR . DT,R

• wR radiační vahový faktor

• DT, R [Gy] průměrná absorbovaná dávka ve tkáni T ionizujícím zářením R

Veličiny a jednotky popisující interakce IZ s živou hmotou

• EFEKTIVNÍ DÁVKA CELÉHO NEBO ČÁSTI TĚLA E [ Sv ]

E = wT . HT

• wT tkáňový vahový faktor (závisí

na radiosenzitivitě příslušné tkáně)

Vybrané metody detekce ionizujícího záření

• Fyzikální

elektrické

ionizace – GM-trubice

polovodičové

luminiscenční

scintilace • Chemické

skiagrafie• Biologické

INTERAKCE IONIZUJÍCÍHOZÁŘENÍ

S ŽIVOU HMOTOU

Výchozí zákonitosti :1) IZ je starší než Země

2) IZ je významný faktor pro vznik života a evoluci

3) Bez IZ není možný život

4) Každý živý organismus je primárně radioaktivní

(40K, 14C, atd.)

5) Nízké dávky IZ mají odlišné účinky než dávky

vysoké

TEORIE INTERAKCÍ IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ

S ŽIVOU HMOTOU

Podle mechanizmu působení • Zásahová• Radikálová (nepřímého účinku)

Podle místa primárního účinku• Duálové radiační akce • Molekulárně biologická• Membránová

Neexistuje žádná teorie, která je úplná a vyčerpávající !

Zásahová teorie

• V biologických systémech absorbovaná energie připadá přibližně z jedné čtvrtiny na organické a ze tří čtvrtin na anorganické látky.

Teorie radikálová

• Nejprve vznikají volné radikály

• Vzhledem k jejich vysoké reaktivnosti sekundárně poškozují biopolymery

• Nejčastější jsou radikály vody

Teorie duálové radiační akce

• se manifestuje chromozomálními aberacemi

• ze sublézí z vznikají léze, jejichž počet je úměrný z2

• Velikost biologického účinku E

  E(z) = k . z2 

, kde k je konstanta úměrnosti.

Molekulárně biologická teorie

Poškození a reparace na DNA v závislosti na energii záření:

• pyrimidinové hydratace - pyrimidinové dimery, především dimerizaci tyminu (UV záření)

• porušení vodíkových můstků mezi vlákny DNA • nejčastěji jednovláknové (jednoduché) zlomy,

nebo méně často dvouvláknové zlomy • Větší poškození jednoho místa má menší

negativní efekt než více drobnějších poškození na celém řetězci

Podle časové dynamiky účinku ionizujícího záření lze rozlišit procesy:

1. fyzikální (doba trvání 10-16 s) absorpce energie, vznik iontů 2. fyzikálněchemické (10-10 s) vznik radikálů,

3. chemické, resp. biochemické (10-6 s až celé sekundy) interakce s biopolymery, změny metabolismu

4. biologické (doba trvání sekundy až roky) nemoc z ozáření, proliferace atd.