«Роль радиации в современном мире»

«Роль радиации в современном мире»

Калитвинцев Денис, 10 «Б» класс МОУ «СОШ №37»

Научный руководитель: , доцент ФТФ ТПУ, к. техн. н.

Руководитель: , учитель физики МОУ «СОШ №37» г. Томска

В ядрах атомов – мельчайших частиц, из которых состоят все вещества, - содержится значительный запас энергии. Именно эта энергия высвобождается в виде радиации при распаде радиоактивных элементов. Радиация опасна для жизни, однако ядерные реакции могут использоваться для производства электричества. Радиация также используется в медицине, промышленности, сельском хозяйстве и даже в искусстве.

Радиоактивность.

Радиоактивность – это самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц. Такие превращения претерпевают только нестабильные ядра.

Схема строения атома.

К числу радиоактивных процессов относятся:

1)  α- распад,

2)  β- распад (в том числе электронный захват),

3)  γ- излучение ядер,

4)  спонтанное деление тяжелых ядер,

5)  протонная радиоактивность.

Радиоактивность, наблюдающаяся у ядер, существующих в природных условиях, называется естественной. Радиоактивность ядер, полученных посредством ядерных реакций, называется искусственной. Между искусственной и естественной радиоактивностью нет принципиального различия. Процесс радиоактивного превращения в обоих случаях подчиняется одинаковым законам. В частности закону радиоактивного превращения: число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненте (показательной кривой).

Часто бывает, что возникающие в результате радиоактивного превращения ядра в свою очередь оказываются радиоактивными и распадаются со скоростью, характеризуемой постоянной распада. Новые продукты распада могут также оказаться радиоактивными и т. д. В результате возникает целый ряд радиоактивных превращений. Процесс распада продолжается до тех пор, пока не образуется стабильное ядро.

К примеру, когда атом плутония - 242 (его масса 242) испускает альфа-частицу, относительная атомная масса которой 4 (2 протона и 2 нейтрона), он превращается в атом урана -238 (атомная масса 238).

На этой схеме видно, как плутоний превращается в уран и затем в торий.

В периоде существует три радиоактивных ряда (или семейства), родоначальниками которых являются 238U (ряд урана); 232Τh (ряд тория); и 235U (ряд актиноурана). Конечными продуктами во всех трех случаях служат изотопы свинца – в первом случае 206Ρb, во втором 208Ρb и, наконец, в третьем 207 Ρb.

Естественная радиоактивность была открыта в 1896 году французским физиком Беккерелем. Большой вклад в изучение радиоактивных веществ внесли Пьер Кюри и Мария Склодавская-Кюри. Было обнаружено, что имеется три вида радиоактивных излучений. Одно из них, получившее название α- лучей, отклоняется под действием магнитного поля в ту же сторону, в которую отклонялся бы поток положительно заряженных частиц. Второе, названное β- лучами, отклоняется магнитным полем в противоположную сторону, т. е. так, как отклонялся бы поток отрицательно заряженных частиц. Наконец, третье излучение, никак не реагирующее на действие магнитного поля, было названо γ-лучами. Впоследствии выяснилось, что γ-лучи представляют собой электромагнитное излучение весьма малой длины волны.

Альфа – лучи представляют собой поток ядер гелия. Скорости, с которыми α- частицы (т. е. ядра гелия) вылетают из распавшегося ядра, очень велики. Пролетая через вещество, α- частицы постепенно теряют свою энергию, затрачивая её на ионизацию молекул веществ, и, в конце концов, останавливается. Естественно, что чем больше плотность вещества, тем меньше пробег α- частиц до остановки. В результате -распада заряд ядра уменьшается на 2, а массовое число на 4 единицы.  Кинетическая энергия вылетающей -частицы определяется массами исходного и конечного ядер и -частицы. Если конечное ядро образуется в возбуждённом состоянии, эта энергия несколько уменьшается, и, напротив, возрастает, если распадается возбуждённое ядро. Энергетический спектр -частиц дискретный. Период полураспада -радиоактивных ядер экспоненциально зависит от энергии вылетающих -частиц. Теория -распада, основанная на квантовомеханическом описании проникновения через потенциальный барьер, была развита в 1928 г. Гамовым и независимо — английскими физиками Р. Гёрни и Э. Коцдоном.

Альфа-частицы состоят из двух протонов и двух нейтронов. Точно такой же состав имеет ядро атома гелия.

  Известно более 200 активных ядер, расположенных в основном в конце периодической системы, за Pb, которым заканчивается заполнение протонной ядерной оболочки с Z = 82 Известно также около 20 радиоактивных изотопов редкоземельных элементов. Здесь распад наиболее характерен для ядер с числом нейтронов N = 84, которые при испускании частиц превращаются в ядра с заполненной нейтронной ядерной оболочкой (N = 82). Времена жизни активных ядер колеблются в широких пределах: от 3-10—7сек (для 212Po) до (2—5)-1015 лет (природные изотопы 142Ce, 144Nd, 174Hf). Энергия наблюдаемого распада лежит в пределах 4—9 МэВ (за исключением длиннопробежных частиц) для всех тяжёлых ядер и 2—4,5 МэВ для редкоземельных элементов.

Существует три разновидности β- распада. В одном случае ядро, претерпевающее превращение, испускает электрон, в другом - позитрон, в третьем случае, называемом электронным захватом, ядро поглощает один из электронов.

Бета-чамстицы – это электроны с очень большой энергией, возникают при расраде нецтрона.

Захват электронов происходит с одной из атомных оболочек, чаще всего с ближайшей к ядру К-оболочки (К-захват), реже — со следующих, L- и М-оболочек (L- и М-захваты), распад характерен для нейтроноизбыточных ядер, в которых число нейтронов больше, чем в устойчивых ядрах (а для ядер с Z > 83, если число нейтронов больше, чем в стабильных ядрах, испытывающих только распад). распад и электронный захват свойственны нейтронодефицитным ядрам, более лёгким, чем устойчивые или стабильные ядра. Энергия при распаде распределяется между 3 частицами: электроном или позитроном, антинейтрино или нейтрино и конечным ядром; поэтому спектр частиц сплошной. Бета-радиоактивные изотопы встречаются у всех элементов периодической системы. Особенностью электронного захвата является слабая зависимость его скорости от химического состояния превращающихся атомов. Ядро захватывает электрон с какой-либо из электронных оболочек атома, а вероятность подобного захвата определяется строением не только внутренней оболочки, отдающей ядру электрон, но и (в меньшей степени) более отдалённых оболочек, в том числе и валентных. Изменение заряда ядра при распаде влечёт за собой последующую перестройку («встряску») электронных атомных оболочек, возбуждение, ионизацию атомов и молекул, разрыв химических связей. Химические последствия распада (и в меньшей степени др. радиоактивных превращений) являются предметом многочисленных исследований.

Излучение квантов сопровождает радиоактивность в тех случаях, когда «дочерние» ядра образуются в возбуждённых состояниях.

Гамма лучи – это электромагнитное излучение большой энергии, распрастраняется со скоростью света. Время жизни ядер в таких возбуждённых состояниях определяется свойствами данного уровня и нижележащих уровней, на которые могут происходить переходы с испусканием квантов. Длительность переходов резко возрастает с уменьшением их энергии и с увеличением разности моментов исходного и конечного состояний ядра. В ряде случаев эта длительность существенно превышает 10—10—10—9 сек, т. е. наряду с основным состоянием данного стабильного или радиоактивного ядра может относительно долго (иногда годы) существовать его метастабильное возбуждённое (изомерное) состояние. Для многих ядерных изомеров наблюдается явление внутренней электронной конверсии: возбуждённое ядро, не излучая -квантов, передаёт свою избыточную энергию электронным оболочкам, вследствие чего один из электронов вылетает из атома. После внутренней конверсии возникает вторичное излучение рентгеновского и оптического диапазона вследствие заполнения одним из электронов освободившегося места и последующих переходов. Участие электронных оболочек в конверсионных переходах приводит к тому, что время жизни соответствующих изомеров зависит (хотя и очень слабо) от химического состояния превращающихся атомов.

В 1940 году советскими физиками и был обнаружен процесс самопроизвольного деления ядер урана на две примерно равные части. Впоследствии это явление было наблюдено и для других тяжелых ядер. По своим характерным чертам спонтанное деление близко к вынужденному делению.

При протонной радиоактивности ядро претерпевает превращение, испуская один иди два протона. Этот вид радиоактивности наблюдался впервые в 1963г. группой советских физиков, руководимой .

Атомная энергетика

Испускание при делении ядер 235 U, 239 Pu и 233 U нескольких нейтронов делает возможным осуществление цепной ядерной реакции.

Практическое применение цепных ядерных реакций осуществляется в атомной или ядерной энергетики, использующей ядерную энергию для электрификации и теплофикации. Атомная энергетика - это область науки и техники, разрабатывающая методы и средства преобразования ядерной энергии в электрическую и тепловую. Основа ядерной энергетики — атомные электростанции, оснащенные ядерными (атомными) реакторами, являющимися устройствами для осуществления ядерной цепной реакции деления. В качестве делящегося вещества в реакторах служит природный (либо несколько обогащенный изотопом 235 U) уран. Чтобы предотвратить радиационный захват нейтронов ядрами 238 U, сравнительно небольшие блоки делящегося вещества размещают на некотором расстоянии друг от друга, а промежутки между блоками заполняют замедлителем, т. е. веществом, в котором нейтроны замедляются до тепловых скоростей.

Замедление нейтронов осуществляется за счет упругого рассеяния. В этом случае энергия, теряемая замедляемой частицей, зависит от соотношения масс сталкивающихся частиц. Максимальное количество энергии теряется в случае, если обе частицы имеют одинаковую массу. С этой точки зрения идеальным замедлителем должно было быть вещество, содержащее обычный водород, например вода. Однако такие вещества оказались непригодными в качестве замедлителя, потому что протоны поглощают нейтроны, вступая с ними в реакцию.

Ядра замедлителя должны обладать малым сечением захвата нейтронов и большим сечением упругого рассеяния. Этому условию удовлетворяют дейтрон (ядро тяжелого водорода – дейтерия), а также ядра графита и беррилия.

Первый уран-графитовый реактор был пущен в декабре 1942 года в Чикагском университете под руководством итальянского физика Э. Ферми. В Советском Союзе реактор такого же типа был пущен под руководством в декабре 1946г. в Москве.

Схема уран-графитового реактора приведена на рисунке.

Цифрой 1 обозначен замедлитель - графит, 2 – блоки из урана; 3 стержни, содержащие кадмий или бор. Эти стержни служат для

регулировки процесса в реакторе. Кадмий и бор интенсивно поглощают нейтроны. Поэтому введение стержней в ректоре уменьшает коэффициент размножений нейтронов, а выведение – увеличивает. Специальное автоматическое устройство, управляющее стержнями, позволяет поддерживать развиваемую в ректоре мощность на заданном уровне. Регулирование значительно облегчается тем обстоятельством, что часть нейтронов испускается при делении ядер не мгновенно, а с запозданием до 1 мин.

Ядерные реакторы различают:

- по энергии нейтронов, вызывающих деление ядер (ядерные реакторы на тепловых, быстрых и промежуточных нейтронах);

- по характеру распределения ядерного топлива (гомогенные и гетерогенные);

- по используемому замедлителю (графитовые, водо-водяные и др.);

- по назначению (энергетические, исследовательские) и т. д.

Первые промышленные реакторы предназначались для производства делящегося материала для атомных бомб - плутония.

Применение ядерной энергии для мирных целей было впервые осуществлено в СССР под руководством . В 1954 году в Советском Союзе была введена в эксплуатацию первая атомная электростанция мощностью 5000 кВт. Схема атомной электростанции изображена на рисунке.

Энергия, выделяемая в активной зоне реактора 1, снимается теплоносителем, циркулирующим в контуре 2. Циркуляция обеспечивается насосом 3. В качестве теплоносителя применяется вода или щелочные металлы с низкой температурой плавления, например натрий (Т плав. = 98 ºС). В теплообменнике 4 теплоноситель отдает теплоту воде, превращая её в пар, вращающий турбину 5.

К началу 90-х гг. прошлого века в 27 странах мира работало свыше 430 ядерных энергетических реакторов общей мощностью около 340 ГВт. По прогнозам специалистов, доля ядерной энергетики в общей структуре выработки электроэнергии в мире будет непрерывно возрастать при условии реализации основных принципов концепции безопасности атомных электростанций. Главные принципы этой концепции — существенная модернизация современных ядерных реакторов, усиление мер защиты населения и окружающей среды от вредного техногенного воздействия, подготовка высококвалифицированных кадров для атомных электростанций, разработка надежных хранилищ радиоактивных отходов и другое.

Доля атомной энергетики в совокупном производстве энергии

Радиационная химия

Радиация или ионизирующие излучения играют большую роль в различных физических и химических процессах, в биологии, медицине, сельском хозяйстве и промышленности. Многие химические реакции под влиянием ионизирующего излучения осуществляются с большей лёгкостью или протекают при значительно меньших температурах и давлениях. Химические процессы, вызываемые действием ионизирующих излучений на вещество изучаются радиационной химией. Ионизирующей способностью обладают как электромагнитные излучения (рентгеновские лучи, -лучи, коротковолновое излучение оптических частот), так и быстрые заряженные частицы (электроны, протоны, -частицы, осколки тяжёлых ядер и др.), энергия которых превышает ионизационный потенциал атомов или молекул (обычно имеющий величину 10—15 эв). Возникновение химических реакций под действием ионизирующих излучений обусловлено их способностью ионизировать и возбуждать молекулы вещества. Способность ионизирующих излучений вызывать химические реакции была обнаружена вскоре после открытия радиоактивности.. Как самостоятельная область науки радиационная химия начала складываться в 40-х гг. прошлого столетия, в связи с созданием ядерных реакторов и промышленного производства делящихся элементов (плутоний и др.). С развитием этой области техники возникла необходимость изучения различных сопутствующих химических эффектов. К ним относятся радиолиз воды, превращения в растворах радиоактивных веществ, изменения в различных материалах, применяемых в атомной технике, реакции газов — компонентов воздуха (Na, O2, CO2) и т. д. В связи с действием ионизирующих излучений на организмы возникла необходимость в детальном исследовании радиационно-химических превращений в биополимерах.

Радиационно-химические реакции имеют самый разнообразный характер. Простейшие из них происходят в воздушной среде под действием космических излучений или излучений радиоактивных элементов. При действии ионизирующих излучений на воздух происходят химические процессы, например: из кислорода образуется озон, азот вступает в реакцию с кислородом и образуются различные окислы азота, углекислый газ разлагается с образованием окиси углерода. В др. случаях происходит разложение химических соединений на простые вещества: вода разлагается на водород и кислород, аммиак — на водород и азот, перекись водорода — на кислород и воду и т. п. Способность ионизирующих излучений вызывать химические реакции при сравнительно низких температурах позволяет осуществлять ряд практически важных процессов, например окисление углеводородов кислородом воздуха, приводящее к образованию веществ, входящих в состав смазочных масел, моющих средств.

  Один из наиболее интересных процессов, инициируемых ионизирующими излучениями, — полимеризация органических мономеров, приводящая к образованию разнообразных полимеров. Многие из них обладают ценными свойствами, которые не приобретаются при других методах синтеза (например, большим молекулярным весом). При действии радиации на полимеры в них могут происходить процессы, приводящие к улучшению их физико-химических свойств, в том числе термической стойкости. Для осуществления радиационно-химических процессов применяются различные источники ионизирующих излучений. Одним из наиболее распространённых является радиоактивный кобальт, излучающий -лучи с энергией свыше 1 Мэв. Широкое применение получают ускорители электронов, которые имеют значительные удобства для практического применения благодаря высокой интенсивности излучения и возможности управления ими. Разработаны также способы непосредственного использования излучений ядерных реакторов для осуществления радиационно-химических процессов.

Мутация

В результате действия ионизирующего излучения можно получить разнообразные мутации у микроорганизмов и растений.

Мутации (от лат. mutatio — изменение, перемена), внезапно возникающие естественные (спонтанные) или вызываемые искусственно (индуцированные) стойкие изменения наследственных структур живой материи, ответственных за хранение и передачу генетической информации. В результате мутации могут изменяться самые различные биохимические, физиологические и морфологические признаки организма. Изменения эти у организмов, претерпевших мутацию — мутантов — могут быть резко выраженными или слабыми, представляющими лишь незначительные отклонения от среднего для данного вида значения признака. После того, как были разработаны методы количественного учёта генных мутаций, выяснилась возможность вызывать их различными физическими и химическими факторами — мутагенами. Первые данные о влиянии излучений радия на наследственную изменчивость у низших грибов были получены в СССР. Убедительные доказательства возможности искусственно вызывать мутацию были приведены в 1927 г. Мёллером, обнаружившим в опытах на дрозофиле сильное мутагенное действие рентгеновских лучей. В дальнейшем работами по генетическому действию излучений на различные организмы была установлена универсальная способность всех ионизирующих излучений вызывать не только генные мутации, но и хромосомные перестройки.

С разработкой способов искусственного мутагенеза открылась возможность значительного ускорения селекции — селекционерам стал доступен гораздо больший исходный материал, чем при использовании редких спонтанных мутаций. В 1930 учёные и впервые применили ионизирующую радиацию в селекции пшеницы. В дальнейшем методами радиационной селекции были выведены новые высокоурожайные сорта пшеницы, ячменя, риса, люпина и др. с.-х. растений, ценные штаммы микроорганизмов, используемых в промышленности. В селекции с хорошими результатами применяются и химические мутагены.

В сельском хозяйстве радиационные воздействия применяются с целью выведения новых форм растений, для предпосевной обработки семян, борьбы с вредителями (путём выведения и выпуска на поражаемые плантации обеспложенных облучением самцов), для лучевой консервации фруктов и овощей, предохранения продуктов растениеводства
от вредителей (дозы, губительные для насекомых, безвредны для зерна) и др.

Вместе с тем, геномные мутации, хромосомные перестройки и генные мутации — причина многих наследственных заболеваний и врождённых уродств у человека. Поэтому ограждение человека от действия мутагенов — важнейшая задача. Огромное значение в этом отношении имело осуществлённое ещё в СССР запрещение испытаний ядерного оружия в атмосфере, загрязняющих окружающую среду радиоактивными веществами. Очень важно тщательное соблюдение мер защиты человека от радиации в атомной индустрии, при использовании радиоактивных изотопов, рентгеновских лучей и т. п.

Радиобиология

Наука о действии всех видов ионизирующих излучений на живые организмы, их сообщества и биосферу в целом называется радиобиология. Специфика радиобиологии обусловлена большой энергией квантов и частиц (a-частиц, электронов, позитронов, протонов, нейтронов и др.), значительно превосходящей энергию ионизации атомов, и способностью частиц проникать в глубь облучаемого объекта, воздействуя на все его структуры, составляющие их молекулы и атомы.

  Исследование биологического действия ионизирующих излучений началось почти тотчас за открытием этих излучений В. К. Рентгеном (1895), А. Беккерелем (1896) и открытием радия М. Склодовской-Кюри и П. Кюри (1898).  В 40-е — начале 50-х гг. прошлого века благодаря быстрому развитию ядерной физики и техники, а также в результате радиоактивного загрязнения окружающей среды вследствие испытаний ядерного оружия резко возрос интерес к последствиям биологического действия ионизирующих излучений. Перед радиобиологией стали проблемы: всестороннего исследования радиационного поражения многоклеточных организмов при их тотальном облучении, познание причин различной радиочувствительности организмов, роли радиации в возникновении вредных мутаций, изучение закономерностей и причин возникновения отдалённых последствий облучения (сокращение продолжительности жизни, возникновение опухолей, снижение иммунитета). Актуальными для радиобиологии являются практические задачи изыскания различных средств защиты организма от излучений и путей его пострадиационного восстановления от повреждений, прогнозирование опасности для человечества повышающегося уровня радиации окружающей среды, изыскание новых путей использования ионизирующих излучений в медицине, сельском хозяйстве, пищевой и микробиологической промышленности.

  В связи с интенсивными испытаниями ядерного оружия и повсеместным загрязнением Земли радионуклидами, в первую очередь долгоживущими нуклидами 90Sr и 137Cs, перед радиобиологией встают новые задачи изучения особенностей действия проникших внутрь организма (инкорпорированных) излучателей с их специфическим распределением по тканям, различной длительностью выведения из организма и хроническим облучением клеток. Проблемы хронического действия малых доз радиации приобретают большую актуальность и в связи с всё убыстряющимися темпами развития ядерной энергетики.

  Строительство ускорителей ядерных частиц, применение в медицине плотноионизирующих излучений, проникновение человека в космос поставили перед радиобиологией ряд новых проблем, в том числе исследование относительной биологической эффективности нейтронов и протонов больших энергий, многозарядных ионов, пи-мезонов; изучение одновременного действия радиации и др. факторов космического полёта (невесомости, вибрации и т. п.); исследование действия радиации на высшую нервную деятельность человека в условиях космоса и др. Интенсивно развивающаяся ветвь радиобиологии — космическая радиобиология — решает эти вопросы как в земных условиях (эксперименты с использованием современных ускорителей, специальных стендов и т. д.), так и при полётах в космос.

  Преимущества работы с микроорганизмами при проведении радиобиологических исследований способствовали быстрому развитию и оформлению другой самостоятельной ветви радиобиолгии — радиационной микробиологии, основы которой были заложены в 20-е гг. 20 в. работами . Микроорганизмы широко используются для выяснения общих закономерностей воздействия ионизирующих излучений на клетки или различные внутриклеточные структуры — органоиды и др., для выяснения механизмов радиационного мутагенеза и многих других проблем радиобиолгии. Исследования по радиочувствительности микроорганизмов, показавшие поразительную устойчивость некоторых из них к облучению, значительно изменили наши представления о возможных границах существования жизни в экстремальных радиационных условиях.

  Конец 50-х — 60-е гг. 20 века ознаменовались в радиобиологии открытием явлений восстановления — репарации — облученных клеток, осуществляемых специальными ферментными системами, которые быстро ликвидируют радиационные повреждения молекул ДНК. Эти открытия побудили пересмотреть прежние выводы о формировании радиационных эффектов, об опасностях поражения при хронических облучениях в малых дозах, а также по-новому оценить причины устойчивости генетического аппарата клетки. Значительно расширились представления о причинах различной радиочувствительности клеток, значении для радиочувствительности объёма хромосом, числа сульфгидрильных групп, активности репарирующих ферментов и др. факторов. Формальные обобщения новых фактов и представлений нашли отражение в стохастической (вероятностной) концепции биологического действия излучений. Исследования биохимических сдвигов в облученных клетках и тканях, радиационных повреждений ядра, митохондрий, биологических мембран и др. органелл клетки позволили обосновать структурно-метаболическую гипотезу действия радиации. Согласно этой гипотезе, вероятностный характер радиационных эффектов является результатом взаимодействия процессов, возникающих в молекулярных и надмолекулярных структурах, обмене веществ в регуляторных системах облученного организма.

Применение ионизирующего излучения в медицине

Ионизирующие излучения широко применяются в медицине. Так, широко распространен — метод рентгенодиагностики (скиаграфия), заключающийся в получении фиксированного рентгеновского изображения объекта на фотоматериале.

Рентгенодиагностика, распознавание повреждений и заболеваний человека и животных на основе данных рентгенологического исследования. Некоторые органы (кости, лёгкие, сердце) хорошо видны на снимках при рентгенографии и на флюороскопическом экране при рентгеноскопии благодаря тому, что разные ткани имеют различные коэффициенты поглощения рентгеновских лучей; другие органы можно исследовать только после введения в организм рентгеноконтрастных веществ. В медицинской практике рентгенологические данные необходимы для выяснения локализации, объёма и характера анатомических изменений, изучения функции органов, наблюдения за течением болезни, её осложнениями и исходом. Поскольку рентгенодиагностика сопровождается лучевой нагрузкой, соблюдаются меры защиты организма от излучений. Современная клиническая диагностика основана на комплексном исследовании больного различными методами, поэтому правильная методика рентгенодиагностики включает такие этапы, как предварительное ознакомление с жалобами больного и клинической картиной болезни; сопоставление данных рентгенологических и других диагностических методов, а также результатов предыдущих рентгенологических исследований; проверку правильности рентгенологического заключения путём дальнейшего наблюдения за больным и эффектом лечебных мероприятий.

Рентгеновскую съёмку любого органа производят не менее чем в двух взаимно перпендикулярных проекциях. Технические условия съёмки определяются с помощью таблиц или автоматически задаются в ходе рентгенографии специальными приборами, входящими в комплект рентгеновской установки. На рентгенограммах выявляется больше деталей изображения, чем при рентгеноскопии. Лучевая нагрузка при рентгенографии меньше. Полученный снимок — документ, который хранится в лечебном учреждении и служит для сопоставления с последующими рентгенограммами.

Рентгеноскопия, просвечивание, флюороскопия, рентгенологическое исследование, при котором рентгеновское изображение объекта получают на флюороскопическом экране. Обычную рентгеноскопию проводят в затемнённом помещении (в условиях темновой адаптации). При рентгенотелевизионном просвечивании изображение усиливают посредством электроннооптического преобразователя и передают на телевизионный экран. Рентгеноскопия легко выполнима, позволяет исследовать больного в разных проекциях и наблюдать за функцией (движением) органов. Поскольку при рентгеноскопия хуже, чем на рентгенограмме, различимы мелкие детали изображения и не остаётся документа (снимка, кривой) для повторного рассмотрения и наблюдения за эволюцией болезни, оптимальным считают рентгенотелевизионное просвечивание с видеомагнитной записью.

Использует в лечебных целях разнообразные виды ионизирующих излучений и различных энергий лучевая терапия или радиотерапия (от латинского radius — луч и греческого therapeia — лечение). В 1897 французские врачи Э. Бенье и А. Данло впервые применили излучение радия с лечебной целью. Дальнейшими исследованиями была выявлена наибольшая чувствительность к излучению радия молодых, быстрорастущих и размножающихся клеток, что дало основание использовать радиоактивное излучение для разрушения состоящих именно из таких клеток злокачественных опухолей.

  Виды лучевой терапии: альфа-терапия, бета-терапия, гамма-терапия, нейтронная терапия, пи-мезонная терапия, протонная терапия, рентгенотерапия, электронная терапия. Применение лучевой терапии обосновано следующими факторами:

1) биологическим действием ионизирующих излучений, то есть их способностью вызывать функциональные и анатомические изменения тканей, органов и организма в целом, — подавление способности роста и размножения клеток и тканей и гибель тканевых элементов облученного органа. При этом степень повреждения облученных тканей прямо пропорциональна поглощённой дозе;

2) большей чувствительностью к воздействию излучений патологически измененных тканей (опухолевые, дистрофические, при воспалительном процессе и др.);

3) ответной реакцией организма, его органов и тканей на облучение.

Слабая степень повреждения — обратимый процесс, и ответная реакция облучённой ткани выражается не только в компенсации ослабленной или утраченной в той или иной степени функции, но и в усилении функции. При глубоких анатомических повреждениях облученных тканей процесс оказывается необратимым, и погибшие элементы замещаются нефункциональной соединительной тканью. Поэтому в одних случаях цель лучевой терапии состоит в усилении или, наоборот, подавлении функции того или иного органа, в других, например при злокачественных опухолях (рак, саркома и другие), — в полном подавлении жизнедеятельности и уничтожении патологически измененных тканей. Важное условие эффективности лучевой терапии — выбор энергии излучения и поглощённая тканями доза. В качестве источников ионизирующих излучений в лучевой терапии используют радиоактивные изотопы (60Co, 137Cs, 32P,198Au, 137I, 192Ir и другие), а также рентгеновские установки, гамма-установки и ускорители заряженных частиц (линейные и циклические ускорители, бетатроны).

  В зависимости от расположения источника излучения по отношению к облучаемому органу различают внутреннее и внешнее облучение. Внутреннее облучение осуществляют при введении в организм (через рот или внутривенно) радиоактивного вещества, которое постепенно распределяется в различных органах и тканях и сопровождается испусканием заряженных частиц и g-лучей. Внешнее облучение может быть общим и местным. Общее применяется крайне редко, и основным методом лучевой терапии является местное облучение, то есть облучение какого-либо органа или его ограниченного участка при защите остальных частей организма от действия излучения.

  Для лечения глубоко расположенных очагов применяется дистанционное облучение (телетерапия) — источник излучения (гамма - и рентгеновские установки, ускорители) находится от кожи на большом расстоянии (30—120 см). Близкофокусное, или короткофокусное, облучение, при котором расстояние от источника (рентгенотерапевтические аппараты и установки с зарядом 60Co или 192Ir) до кожи не превышает 3—7 см, используют чаще для лечения заболеваний кожи, особенно её злокачественных опухолей. Для лечения кожных заболеваний применяют также контактное облучение, или аппликационную терапию, при которой радиоактивные препараты, испускающие a - и b-частицы, располагают на поверхности кожи или слизистой оболочки.

  Внутриполостное облучение выполняется различными способами. Небольшой тубус специального близкофокусного рентгеновского аппарата вводится непосредственно в полость тела (ротовая полость, влагалище, прямая кишка). Резиновый баллон, наполненный раствором радиоактивного вещества, металлический футляр с трубочками, содержащими радиоактивный изотоп, а также бусы из 60Co вводят в полостной или трубчатый орган (мочевой пузырь, матка, бронхи др.). В полостной орган (мочевой пузырь) или полость тела (плевральная, брюшная и др.) можно впрыскивать раствор или взвесь радиоактивного изотопа. Внутритканевое облучение достигается и введением в ткани игл или трубочек, содержащих 60Co или 192Ir, керамических цилиндров, а также коллоидного раствора 198Au или гранул из 198Au. Л. т. широко сочетается с хирургическим, лекарственным, гормональным, диетическим и другими видами лечения, так как комбинированные методы лечения оказываются наиболее эффективными.

Дефектоскопия

На основе ионизирующих излучений разработан метод дефектоскопии. Дефектоскопия (от лат. defectus — недостаток и ...скопия), комплекс методов и средств неразрушающего контроля материалов и изделий с целью обнаружения дефектов. Вследствие несовершенства технологии изготовления или в результате эксплуатации в тяжёлых условиях в изделиях появляются различные дефекты — нарушения сплошности или однородности материала, отклонения от заданного химического состава или структуры, а также от заданных размеров. Дефекты изменяют физические свойства материала (плотность, электропроводность, магнитные, упругие свойства и др.). В основе существующих методов Дефектоскопия лежит исследование физических свойств материалов при воздействии на них рентгеновских, инфракрасных, ультрафиолетовых и гамма-лучей, радиоволн, ультразвуковых колебаний, магнитного и электростатического полей и др.   Рентгенодефектоскопия основана на поглощении рентгеновских лучей, которое зависит от плотности среды и атомного номера элементов, образующих материал среды. Наличие таких дефектов, как трещины, раковины или включения инородного материала, приводит к тому, что проходящие через материал лучи (рис.) ослабляются в различной степени. Регистрируя распределение интенсивности проходящих лучей, можно определить наличие и расположение различных неоднородностей материала.

Схема рентгеновского просвечивания: 1 — источник рентгеновского излучения 2 — пучок рентгеновских лучей; 3 — деталь; 4 — внутренний дефект в детали; 5 — невидимое глазом рентгеновское изображение за деталью; 6 – регистратор рентгеновского изображения.

Интенсивность лучей регистрируют несколькими методами. Фотографическими методами получают снимок детали на плёнке. Визуальный метод основан на наблюдении изображения детали на флуоресцирующем экране. Более эффективен этот метод при использовании электронно-оптических преобразователей. При ксерографическом методе получают изображения на металлических пластинках , покрытых слоем вещества, поверхности которого сообщён электростатический заряд. На пластинах, которые могут быть использованы многократно, получают контрастные снимки. Ионизационный метод основан на измерении интенсивности электромагнитного излучения по его ионизирующему действию, например на газ. В этом случае индикатор можно устанавливать на достаточном расстоянии от изделия, что позволяет контролировать изделия нагретые до высокой температуры.

Чувствительность методов рентгенодефектоскопии определяется отношением протяжённости дефекта в направлении просвечивания к толщине детали в этом сечении и для различных материалов составляет 1—10%. Применение рентгенодефектоскопии эффективно для деталей сравнительно небольшой толщины, т. к. проникающая способность рентгеновских лучей с увеличением их энергии возрастает незначительно. Рентгенодефектоскопию применяют для определения раковин, грубых трещин, ликвационных включений в литых и сварных стальных изделиях толщиной до 80 мм и в изделиях из лёгких сплавов толщиной до 250 мм. Для этого используют промышленные рентгеновские установки с энергией излучения от 5—10 до 200 —400 кэв (1 эв = 1,60210 · 10-19дж). Изделия большой толщины (до 500 мм) просвечивают сверхжёстким электромагнитным излучением с энергией в десятки Мэв, получаемые в бетатроне. Гамма-дефектоскопия имеет те же физические основы, что и рентгенодефектоскопия, но используется излучение гамма-лучей, испускаемых искусственными радиоактивными изотопами различных металлов (кобальта, иридия, европия и др.). Используют энергию излучения от нескольких десятков кэв до 1—2 Мэв для просвечивания деталей большой толщины (рис.). Этот метод имеет существенные преимущества перед рентгенодефектоскопией: аппаратура для гамма-дефектоскопии сравнительно проста, источник излучения компактный, что позволяет обследовать труднодоступные участки изделий. Кроме того, этим методом можно пользоваться, когда применение рентгенодефектоскопии затруднено (например, в полевых условиях). При работе с источниками рентгеновского и гамма-излучений должна быть обеспечена биологическая защита.

Снимок в гамма-излучении (слева) и фотография разреза прибыли (справа) слитка массой около 500 кг; видна усадочная раковина.

Применение ионизирующего излучения в археологии и искусстве.

Ионизирующие излучения нашли применения в археологии, реставрации произведений искусств.

Так, например: датировку органических остатков определяют по содержанию в них радиоактивного углерода 14C.  Данный анализ называется активационным анализом, который заключается в определении качественного и количественного состава вещества. Активационный анализ основанн на активации атомных ядер и измерении их радиоактивного излучения. Впервые применен венгерскими химиками Д. Хевеши и Г. Леви в 1936. При проведении активационного анализа исследуемый материал в течение некоторого времени облучают (активируют) ядерными частицами (нейтроны, протоны, дейтроны, -частицы и т. д.) или жёсткими -лучами, а затем с помощью специальной аппаратуры определяют вид и активность каждого из образующихся радиоактивных изотопов. Каждый радиоактивный изотоп обладает своими, свойственными только ему одному, характеристиками: периодом полураспада Т1/2 и энергией излучения Еизл, которые никогда не совпадают с аналогичными характеристиками других изотопов; эти характеристики собраны в таблицы. Поэтому, если определить вид излучения и измерить Еизл и (или) Т1/2 изотопов, присутствующих в активированном образце, то по таблицам можно провести их идентификацию (т. е. установить порядковый номер и массовое число). Ядерные реакции, которые при выбранном способе активирования приводят к образованию тех или иных радиоактивных изотопов, обычно хорошо известны, и с их помощью легко найти, из каких исходных изотопов образовались обнаруженные в активированном образце радиоактивные изотопы, т. е. определить исходный состав исследуемого материала. Для изучения древних вещей и способов их производства применяются спектральный анализ, металлография, техническая петрография и др.

Для проведения количественного активационного анализа используют то обстоятельство, что активность радиоактивного изотопа после облучения образца пропорциональна числу ядер исходного изотопа, участвовавшего в ядерной реакции. Количественный активационный анализ может быть выполнен абсолютным или относительным способом. В первом случае измеряют абсолютную активность изотопа и, зная факторы, от которых зависит её значение, — время облучения, число активирующих частиц, проходящих через образец в единицу времени, эффективное сечение ядерной реакции (оно характеризует вероятность протекания ядерной реакции), изотопный состав химического элемента, Т1/2 образующегося радиоактивного элемента и время, прошедшее после прекращения облучения до момента измерения активности, — рассчитывают исходное содержание анализируемого элемента. Во 2-м случае вместе с исследуемым образцом в строго идентичных условиях облучают специально приготовленный эталон или серию эталонов, содержание определяемого элемента в которых точно известно. Далее сравнивают активность образца с активностями эталонов и, учитывая, что количество радиоактивных атомов, образующихся при облучении, пропорционально содержанию исследуемого элемента, находят требуемое значение (при использовании серии эталонов определение обычно ведут по калибровочной кривой зависимости активности от содержания анализируемого элемента).

Научно обоснованная современная реставрация памятников архитектуры и произведений искусств развивается на основе изучения материалов и технологии создания объекта реставрации, причин и видов его разрушений и привнесённых искажений, глубокого изучения истории искусства и материальной культуры. Реставрации предшествует предварительное всестороннее изучение объекта реставрации с привлечением химических, оптических и физических исследований материалов и технологии создания объекта (спектральный, хроматографический, микрокристаллический и другие анализы, обзорное рентгенографирование, микро - и макрофотография, обследование в инфракрасных лучах и др.).

Биологическое действие ионизирующих излучений,

Ионизирующие излучения вызывают изменения в жизнедеятельности и структуре живых организмов при воздействии коротковолновых электромагнитных волн (рентгеновского излучения и гамма-излучения) или потоков заряженных частиц (альфа-частиц, бета-излучения, протонов) и нейтронов.

  Для биологического действия ионизирующих излучений характерен ряд общих закономерностей.

1) Глубокие нарушения жизнедеятельности вызываются ничтожно малыми количествами поглощаемой энергии. Так, энергия, поглощённая телом млекопитающего животного или человека при облучении смертельной дозой, при превращении в тепловую привела бы к нагреву тела всего на 0,001°С. Попытка объяснить «несоответствие» количества энергии результатам воздействия привела к созданию теории мишени, согласно которой лучевое повреждение развивается при попадании энергии в особенно радиочувствительную часть клетки — «мишень».

2) Биологическое действие ионизирующих излучений не ограничивается подвергнутым облучению организмом, но может распространяться и на последующие поколения, что объясняется действием на наследственный аппарат организма. Именно эта особенность очень остро ставит перед человечеством вопросы изучения биологического действия ионизирующих излучений и защиты организма от излучений.

3) Для данного действия характерен скрытый (латентный) период, т. е. развитие лучевого поражения наблюдается не сразу. Продолжительность латентного периода может варьировать от нескольких минут до десятков лет в зависимости от дозы облучения, радиочувствительности организма и наблюдаемой функции. Так, при облучении в очень больших дозах (десятки тыс. рад) можно вызвать «смерть под лучом», длительное же облучение в малых дозах ведёт к изменению состояния нервной и других систем, к возникновению опухолей спустя годы после облучения.

Радиочувствительность разных видов организмов различна. Смерть половины облученных животных (при общем облучении) в течение 30 сут после облучения (летальная доза — ЛД 50/30) вызывается следующими дозами рентгеновского излучения: морские свинки 250 р, собаки 335 р, обезьяны 600 р, мыши 550—650 р, караси (при 18°С) 1800 р, змеи 8000—20000 р. Более устойчивы одноклеточные организмы: дрожжи погибают при дозе 30000 р, амёбы — 100000 р, а инфузории выдерживают облучение в дозе 300000 р. Радиочувствительность высших растений тоже различна: семена лилии полностью теряют всхожесть при дозе облучения 2000 р, на семена капусты не влияет доза в 64000 р.

Большое значение имеют также возраст, физиологическое состояние, интенсивность обменных процессов организма, а также условия облучения. При этом, помимо дозы облучения организма, играют роль: мощность, ритм и характер облучения (однократное, многократное, прерывистое, хроническое, внешнее, общее или частичное, внутреннее), его физические особенности, определяющие глубину проникновения энергии в организм (рентгеновское и гамма-излучение проникает на большую глубину, альфа-частицы до 40 мкм, бета-частицы — на несколько мм), плотность вызываемой излучением ионизации (под влиянием альфа-частиц она больше, чем при действии других видов излучения). Все эти особенности воздействующего лучевого агента определяют относительную биологическую эффективность излучения. Если источником излучения служат попавшие в организм радиоактивные изотопы, то огромное значение для биологического действия испускаемого этими изотопами, имеет их химическая характеристика, определяющая участие изотопа в обмене веществ, концентрацию в том или ином органе, а следовательно, и характер облучения организма.

    Возникающие в облучаемых клетках изменения ведут к нарушениям в тканях, органах и жизнедеятельности всего организма. Особенно выражена реакция тканей, в которых отдельные клетки живут сравнительно недолго. Это слизистая оболочка желудка и кишечника, которая после облучения воспаляется, покрывается язвами, что ведёт к нарушению пищеварения и всасывания, а затем к истощению организма, отравлению его продуктами распада клеток (токсемия) и проникновению бактерий, живущих в кишечнике, в кровь Сильно повреждается кроветворная система, что ведёт к резкому уменьшению числа лейкоцитов в периферической крови и к снижению её защитных свойств. Одновременно падает и выработка антител, что ещё больше ослабляет защитные силы организма.. Большую роль в развитии лучевой болезни играют и нарушения деятельности желёз внутренней секреции.

  Растения, по сравнению с животными, более радиоустойчивы. Облучение в небольших дозах может стимулировать жизнедеятельность растений— прорастание семян, интенсивность роста корешков, накопление зелёной массы и др. Большие дозы —40 000 р) вызывают снижение выживаемости растений, появление уродств, мутаций, возникновение опухолей. Нарушения роста и развития растений при облучении в значительной степени связаны с изменениями обмена веществ и появлением первичных радиотоксинов, которые в малых количествах стимулируют жизнедеятельность, а в больших — подавляют и нарушают её. Так, промывка облученных семян в течение суток после облучения снижает угнетающий эффект на 50—70%.

  Лучевое повреждение организма сопровождается одновременно текущим процессом восстановления, который связан с нормализацией обмена веществ и регенерацией клеток. Поэтому облучение дробное или с малой мощностью доз вызывает меньшее повреждение, чем массивное воздействие. Изучение процессов восстановления важно для поисков радиозащитных веществ, а также средств и методов защиты организма от излучений. В небольших дозах все обитатели Земли постоянно подвержены действию ионизирующего излучения — космических лучей и радиоактивных изотопов, входящих в состав самих организмов и окружающей среды Испытания атомного оружия и мирное применение атомной энергии повышают фон радиоактивный. Это делает изучение биологического действия ионизирующего излучения и поиски защитных средств всё более важными.

Прибор «Рентгено - флуоресцентный спектрометр»

Данный прибор предназначен для количественного и качественного анализа
элементного состава проб. Анализируемая проба может быть как в твердом, так и в жидком состоянии. Рентгено – флуоресцентный анализ основан на измерении характеристического рентгеновского излучения (ХРИ), испускаемого элементами, находящимися в анализируемой пробе. Время измерения не более 200 сек.

При облучении пробы в рентгеновской трубке, каждый элемент при воздействии на него рентгеновскими лучами испускает ХРИ строго определенной энергии, которая является как бы «паспортом» элемента.

Рентгено - флуоресцентный спектрометр состоит из основных блоков:

Источник рентгеновского излучения - рентгеновская трубка; Прободержатель; Детектор рентгеновского излучения; Спектрометрический блок.

Рентгеновская трубка, прободержатель и детектор рентгеновского излучения находятся в строго фиксированной геометрии, которая должна обеспечивать максимальную эффективность регистрации элементов.

При облучении неизвестной пробы, содержащей много элементов, на экране компьютера, который является конечным элементом спектрометрического тракта, появляется характерная картина, которая называется энергетическим спектром.

На оси абсцисс отражается Е - рентгеновская энергия, на оси ординат – N количество импульсов.

Площадь пика определяет количество энергии. Детектор рентгеновского излучения преобразует это излучение в электрические импульсы, а спектрометрический тракт обрабатывает эти импульсы. Величина импульса соответствует определенной рентгеновской энергии излучения.

Я в Томском политехническом университете на кафедре Общей физики под руководством профессора Ю и к. т.н. на рентгено - флуоресцентном спектрометре анализировал спектр геологической породы. На полученном энергетическом спектре видны разные пики различных элементов. Соответствие ХРИ элементу определял по специальным таблицам (образец таблицы прилагается).

В моей пробе содержались следующие элементы: калий, кальций, железо, медь.

Список используемой литературы

Савельев общей физики, книга 5, М., 1998; , , Введение в радиационную химию, М., 1963; , Введение в молекулярную биологию, М. —Л., 1966; , Очерки клинической радиологии, М., 1960; , Рентгенодефектоскопия, М., 1948 Большая Советская энциклопедия, Электронное издание, М. 2003.