Radiobioloogia ja kiirguskaitse Sissejuhatus radiobioloogiasse

Transcript

1 Radiobioloogia ja kiirguskaitse Sissejuhatus radiobioloogiasse Aine ehitus, kiirguse liigid, aine ja kiirguse vastasmõjud Mare Lintrop Radiobioloogia on teadus ioniseeriva kiirguse toimest elusorganismidele Radiobioloogia on konglomeraat kiirgusfüüsikast, keemiast, bioloogiast, geneetikast Ioniseerival kiirgusel on kahjustav bioloogiline toime Radiobioloogia ja kiirguskaitse Kiirguskaitse alus too kasu minimaalselt kahjustades Ioniseeriv kiirgus ja radioaktiivsed ained on ohutud kui neid kasutada oskuslikult Kiirgusväli on pidevalt olemas loodusliku foonkiirguse tõttu Aatomi ehitus atomos on kreeka keeles jagamatu Aatom on aine väikseim osake, millel on veel selle aine omadused Ühesuguse ehitusega aatomid moodustavad keemilise elemendi Aatomid koosnevad kolme liiki osakestest - prootonitest, neutronitest ja elektronidest Aatomi ehitus Tuum Prootonid on positiivselt laetud osakesed laeng +1 mass g e amü iga element on määratud prootonite arvuga sama elemendi aatomite tuumas sama arv prootoneid Neutron on neutraalne, laenguta mass g e amü neutronite arvust sõltub elemendi isotoop neutronite arv ei mõjuta elemendi keemilisi omadusi Aatomi ehitus Elektronid on negatiivse laenguga osakesed laeng -1 Elektronide ja prootonite laeng on võrdne mass g e amü e 1/1840 prootoni massist tavaliselt on elektronide arv aatomis võrdne prootonite arvuga Osakesed on alati ühesugused, ükskõik, millistes aatomites nad parajasti on Erinevate ainete aatomid erinevad üksteisest ainult osakeste arvu ja asetsuse poolest 1

2 Tuum ja elektronid Aatomi ehitusest räägime eelkõige piltlikus tähenduses Aatomifüüsikaalased katsed on andnud informatsiooni aatomimudeli loomiseks Bohri aatomimudel ei seleta kaugeltki kõiki kaasajal teadaolevaid nähtusi aatomifüüsikas, kuid radiofüüsika algkursuse mõistmiseks on ta piisav Tuum ja elektronid Bohri mudel: prootonid ja neutronid tihedalt tuumas, elektronid tuuma ümber Elektrone on sama palju kui tuumas prootoneid Elektronid ja prootonid on võrdsete vastasmärgiliste laengutega Aatom tervikuna on normaalolukorras elektriliselt neutraalne Aatominumber (Z) Erinevate elementide aatomituumas on kindel arv prootoneid Prootonite arv määrab ära elemendi koha perioodilisuse süsteemis ja aatomituuma laengu Nimetatakse aatominumbriks ja tähistakse Z tähega Vesiniku (H) aatomi tuumas on 1 prooton, vesiniku Z=1 Heeliumi (He) tuumas on 2 prootonit, Z=2, koobalti (Co) Z= 27 etc Aatominumber (Z) Prootonite ja elektronide arv aatomis on võrdne, seega Z väljendab ühtlasi orbitaalseste elektronide arvu Neutronid on laenguta ja ei mõjuta aatomi elektrilist olekut Looduslikult ekstisteerib 92 elementi Aatomimass (A) aatomiosakesed erinevad üksteisest nii laengu kui ka massi poolset tavalistes mõõtühikutes väljendatuna on osakeste massid väga väikesed kasutatakse spetsiaalseid aatomimassi ühikuid, amu või amü 1 amu= x kg. Prooton ja neutron on massilt ligikaudu võrdsed, nende mass on umbes 1 amu. Aatomimass (A) Elektroni mass on umbes 1/1840 amu. Elektroni mass on võrreldes prootonite ja neutronite massiga palju väiksem Aatomi kogumassis on elektronide massiosa tühine Ligikaudselt võrdub aatomimass tuuma massiga, st prootonite ja neutronite arvuga Valemina A=N+Z, kus N on neutronite arv 2

3 A=N+Z Teades aatommassi ja aatominumbrit, saab leida neutronite arvu N=A-Z Näiteks hapniku A = 16 ja Z = 8 Seega neutronite arv hapniku aatomis on N=8 Elektronide orbiidid Atomaarsed elektronid liiguvad tuuma ümber kontsentrilistel orbiitidel ehk elektronkihtidel Igal kihil võib olla kindel arv elektrone, mida ei saa ületada Elektronkihte märgistatakse tähtedega tähestikulises järjekorras, alates sisemisest K-kihist, millele järgnevad L-, M- etc-kihid. Elektronide orbiidid Elektronide asetsus elekronkihtidel määrab kindlaks, kuidas aatom osaleb keemilistes reaktsioonides Aatomituum keemilistes reaktsioonides ei muutu Aatomi suurus Aatomituuma läbimõõt on ca meetrit, kogu aatomi läbimõõt meetrit Aatomisiseselt on palju tühja ruumi Kui kujutleme, et punkt on aatomituum, siis esimese kihi elektronid tiirleksid ca 50 m kaugusel Isotoobid Erinevate massidega ühe ja sama keemilise elemendi aatomeid nimetatakse isotoopideks Isotoobid on aatomid, millel on sama Z ja N, kuid erinev A Kõigil elementidel on 3 või rohkem isotoopi Vesiniku isotoobid deuteerium ja triitium Isotoobid Sama elemendi isotoopide keemilised omadused on samad, füüsikalised erinevad Keemilisi reaktsioone ei saa kasutada ühe ja sama elemendi erinevate isotoopide lahutamiseks Väga erinevad on sama elemendi erinevate isotoopide tuumaomadused 3

4 Radioaktiivsus Radionukliidid Radioaktiivsel kiirgusel on lisaks keemilisele toimele ka bioloogiline toime on enamasti suur läbitungimisvõime radioaktiivne aine on alati kõrgema temperatuuriga Radioaktiivse lagunemise seadus N(t) = N 0 e -λt N 0 - aatomituumade arv aja alghetkel N(t) - arv ajahetkel t λ - radioaktiivse lagunemise konstant Nukliid - isotoobist üldisem mõiste Nukliidi iseloomustatakse tuuma ehituse kaudu, neutronite ja prootonite arvu järgi tuumas Radioaktiivset nukliidi nimetatakse radionukliidiks Radionukliid on aatomituum, mis on võimeline spontaanselt lagunema ja mida eristatakse massi (A) ja aatominumbri (Z) järgi Mõned nukliidid ja nende tuumaehitus Nukliid Sümbol Z N A vesinik 1 1 H heelium 4 2 He liitium 7 3 Li berüllium 9 4 Be boor 11 5 B alumiinium 27 14Al raud Fe hõbe Ag kuld Au Radioaktiivsus. Tuumade stabiilsus Ühenimelised laengud tõukuvad Tuumasisesed külgetõmbejõud on elektrilistest tõukejõududest tunduvalt tugevamad Nii prootonid kui neutronid alluvad tuumajõududele Neutronite osa on stabiliseeriv Laenguta neutronid suurendavad tõmbejõude, lisamata elektrilisi tõukejõude Radioaktiivsus. Tuumade stabiilsus Radioaktiivsus. Ebastabiilsed nukliidid Kui tuumajõud ületavad samanimeliste laengute tõukejõu on tuum stabiilne Enamus looduses esinavatest elementidest on stabiilsed, erandiks on väga rasked elemendid Neutronite arvu suurendamine tuumas ei muuda tuuma stabiilsemaks, tuum on stabiilne kindla prootonite ja neutronite vahekorra puhul O on 8 prootonit ja 8 neutronit, Pb on 82 prootonit ja 126 neutronit etc ca 2500 erinevat nukliidi Tuum, milles on liiga vähe või liiga palju neutroneid on ebastabiilne ja laguneb Lagunemise käigus eraldub tuumast osakesi, liigne energia võib vabaneda γ kiirgusena Tuumast eralduvad osakesed ja γ kiirgus on ioniseeriva kiirguse liigid 4

5 Radioaktiivsus. Ebastabiilsed nukliidid Ained, mis koosnevad ebastabiilsete tuumadega aatomitest on radioaktiivsed ja protsessi, milles ebastabiilne tuum liigub lagunedes stabiilsuse poole nimetatakse radioaktiivseks lagunemiseks Radioaktiivne aine üht või enamat radionukliidi sisaldav aine, mille aktiivsus või eriaktiivsus on suurem kui väljaarvamistase (radioaktiivse aine koguaktiivsuse või eriaktiivsuse väärtus, millest väiksema väärtuse korral kiirgustegevusluba ei nõuta) Lagunemise tüüp sõltub tuuma suurusest ja prootonite ja neutronite suhtest Radioaktiivne lagunemine Poolestusaeg (T 1/2 ) aeg, mille jooksul radionukliidi radioaktiivsus väheneb poole võrra Radioaktiivne lagunemine on juhuslik protsess igal elemendil on iseloomulik poolestusaeg β lagunemine Kui tuumas on üleliigselt neutroneid, emiteeritakse elektron ehk β osake Tuumas ei ole vabu elektrone, lagunemise käigus transformeerub neutron prootoniks ja elektroniks, mis lahkub tuumast ja liigub valguse kiirusel. Vabaneb ka antineutriino Triitium (3H) laguneb heeliumiks (3He) 3 / 1 H 3 / 2 He + β Lagunemise valem - A (mass) jääb samaks, Z (järjenr) suureneb ühe võrra α lagunemine Väga suured tuumad võivad spontaanselt emiteerida α osakese α osake on He tuum, koosnedes kahest prootonist ja kahest neutronist, Z=2, A=4 241Am lagunemine 237Np 241 / 95 Am 237 / 93 Np + 4 / 2 α Lagunemise valem mass (A) väheneb 4 võrra, aatominumber (Z) väheneb 2 võrra Positronemissioon Juhul kui neutronite-prootonite suhe on liiga madal ja alfaemissioon ei ole energeetiliselt võimalik, võib tuum stabiilsuse saavutamiseks emiteerida positroni β + on massilt elektroniga võrdne ja positiivse laenguga Eraldub tuumast, prooton muutub neutroniks 11 / 6 C 11 / 5 B + β + positronide emissiooniga kaasneb alati annihilatsioon γ kiirgus lagunedes jääb tuumadele lisaenergiat, mis vabaneb gammakiirgusena elektromagnetiline, kõrge sagedusega, lühikese lainepikkusega 5

6 Neutronkiirgus Kiirguste liigid Töötavates kiirendites produtseeritakse hulgaliselt suure energiaga osakesi, millest neutronid on kiirguskaitse seisukohalt tähtsaimad Neutron on ebastabiilne ja muutub beetalagunemisel prootoniks Kiirgused võime jaotada Olemuse järgi elektromagnetilised Korpuskulaarsed e osakestest koosnevad Toime järgi mitteioniseerivad ioniseerivad Olemuse järgi. Elektromagnetilised kiirgused Elektromagnetilise kiirguse hulka kuuluvad raadiolained, mikrolained, soojuskiirgus, nähtav valgus, ultraviolettkiirgus, röntgen- ja γ-kiirgus Kiirguse omadusi iseloomustavad suurused on energia (ev), sagedus (Hz) ja lainepikkus (cm) Olemuse järgi. Elektromagnetilised kiirgused EMK levikut kujutame kas elektromagnetilise lainetusena (lν = c) või footonite voona (E=hν). Raadiolained on kõige pikema, γ-kiirgus kõige lühema lainepikkusega, lainepikkuse vähenedes suureneb sagedus ja kasvab footonite energia Olemuse järgi. Elektromagnetilised kiirgused γ kiirgus röntgenikiirgus tekib tuumasisesi, tekib tuumaväliselt, aatomituuma elektronkatte ergastusseisundi ergastusseisundi muutustest. muutustest röntgenitorus kiirendatakse γ-kiirgust kiirgavad katoodilt eraldunud elektronid radioaktiivsed isotoobid, suure energiani ja pidurdatakse nende ebastabiilne tuum järsult märklaual (anoodil) laguneb, eraldades osa elektronide kineetilisest energiat energiast muutub röntgenikiirguseks 6

7 Olemuse järgi. Osakestest koosnevad e. korpuskulaarsed kiirgused tekivad looduses leiduvate radioaktiivsete ainete lagunemisel või tekitatakse vastavates seadmetes Mitteioniseerivad neeldudes tekitavad aatomite ja molekulide ergastumist Kiirgused toime järgi Ioniseerivad neeldudes ioniseerivad keskkonda Kriitiline erinevus mitteioniseeriva ja ioniseeriva kiirguse toimes tuleneb kiirguse üksikute footonite energiast, mitte kogu neeldunud energiahulga suurusest Radiobioloogia seisukohalt huvitab meid eelkõige ioniseeriv kiirgus Ioniseeriv kiirgus Energia siire otseselt või kaudselt ioone tekitavate osakestena või elektromagnetiliste lainetena, mille lainepikkus on 100 nm või lühem Ioniseeriv kiirgus Ioniseerivat kiirgust iseloomustab suurte energiahulkade vabanemine väikesel alal Ühe ionisatsiooniga desintegreerub ca 33eV Süsiniku aatomite seoseenergia C=C on 4.9eV Ioniseeriva kiirguse liigid Ioniseerivat kiirgust võib jaotada olemuse EM korpuskulaarsed toime järgi otseselt ioniseerivad kaudselt ioniseerivad EM ioniseerivad kiirgused γ-kiirgus ja röntgenkiirgus kiirguse neeldumisega aines kaasneb aine aatomite ja molekulide ergastumine (nt elektroni siirdumine aatomis kõrgemale elektronkihile) või ionisatsioon (elektroni aatomi elektronkattest väljalöömine) bioloogilise toime aspektist on tähtis ühe energiapaketi, mitte kogu mõjuva energiahulga suurus 4Gy=67cal=lonks kohvi 7

8 Korpuskulaarsed ioniseerivad kiirgused elektronkiirgus prootonkiirgus α-kiirgus neutronkiirgus raskete laetud osakeste kiirgus Ioniseerivad kiirgused toime järgi Otseselt ioniseerivad kiirgused Kõik laetud osakesed (korpuskulaarsed kiirgused) on otseselt ioniseerivad, eeldusel, et neil on piisavalt kineetilist energiat lõhkumaks absorbeeriva aine aatomite struktuuri ja tekitamaks keemilisi ning bioloogilisi muutusi Kaudselt ioniseerivad kiirgused Kaudselt ioniseerivad kiirgused Röntgenkiirguse neeldumine elektromagnetilised kiirgused ja laenguta osakesed ei tekita otseselt keemilisi ja bioloogilisi muutusi röntgen- ja γ-kiirgus aines neeldudes annavad energiat edasi elektronidele, tekitades ionisatsiooni neutronid aatomituumadega põrkudes lõhuvad tuumi väiksemateks laetud osakesteks, mis suure kiirusega liikudes tekitavad sekundaarset ionisatsiooni Comptoni hajumine Fotoelektriline protsess mõlema protsessi käigus tekib kiire elektron, mis omakorda ergastab ja ioniseerib aines edasi liikudes molekule Comptoni hajumine Fotoelektriline neeldumine elektron Footon reageerib väliskihi elektroniga, mille seoseenergia on kaduvväike võrreldes footoni energiaga Elektron lahkub orbiidilt footon kaotab sedavõrd energiat kui ta annab elektronile ja muudab oma liikumissuunda footon reageerib sisemiste kihtide elektronidega (K, L või M) elektron saab footonilt energiat KE = hν Ε Β ja lahkub aatomist auk elektronkihis täidetakse elektroniga väiksema energiaga kihilt erinevate kihtide elektronide potensiaalsete energiate vahe eraldub elektronkihile iseloomuliku EM kiirgusena 8

9 Comptoni hajumise ja fotoelektrilise neeldumise erinevus Compton massi neeldumise koefitsent ei sõltu kiirgust neelava aine aatominumbrist (µ - Z) fotoelektriline massi neeldumise koefitsent sõltub väga tugevalt kiirgust neelava aine aatominumbrist (µ - Z 3 ) Diagnostilises radioloogias kasutatavate footonienergiate puhul esineb nii Comptoni kui fotoelektrilist neeldumist Kuid just fotoelektrilise neeldumise suur sõltuvus aine Z-st võimaldab tekitada diagnoositavat röntgeniülesvõtet, kus erinevad koed jätavad erineva intensiivsusega varju Massi neeldumise koefitsendi ja aatominumbri sõltuvus H Z=1, Z 3 =1, A=1 O Z=8, Z 3 =512, A=16 C Z=6, Z 3 =216, A=12 N Z=7, Z 3 =343, A=14 Ca Z=20, Z 3 =8000, A=40 Cr Z=24, Z 3 =13 824, A=40 Ba Z=56, Z 3 = I Z=53, Z 3 = Massi neeldumise koefitsendi ja aatominumbri sõltuvus Kiirguse otsene ja kaudne toime bioloogilise toime aluseks on DNA kahjustus OTSENE - EM kiirguse neeldumisel vabanenud kiirete elektronide või korpuskulaarse kiirguse (nt alfaosakesed, neutronid) otsene toime DNA -le KAUDNE kiired elektronid reageerivad vee molekulidega, tekib vee radiolüüs, vabad radikaalid kahjustavad DNA-d Energia ülekanne Lineaarne energia ülekanne (LET) Suhteline bioloogiline efektiivsus (RBE) 9