Interakce záření s hmotou ionizující neionizující 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 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

Interakce záření s hmotou IONIZACE Pojmem ionizace se rozumí situace, kdy se z atomu odštěpují elektrony; vznikají tak kationty a volné elektrony Pro vlastní ionizaci je nutná absorpce ionizační energie, tj. energie potřebné k odštěpení elektronu EXCITACE Pokud 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 hmotou Ionizace 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 hmotou Fáze Proces Trvání Fyzikální Absorpce energie záření v atomech a molekulách, ionizace a excitace 10-16 s Fyzikálně-chemická Interakce iontů s molekulami Mezimolekulární interakce Tvorba volných radikálů 10-6 s Chemická Interakce volných radikálů s biologicky významnými molekulami, buňkami a DNA Sekundy Biologická Reparace buněk, smrt buněk, změny v genetických datech buněk - mutace minuty až 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 hmotou Vliv ionizace na ozařovanou látku závisí na jejím atomovém složení Ozáření prvku - žádná chemická změna Rekombinace uvolněných elektronů s kladnými ionty za vzniku opět těch samých atomů prvku jako před ozářením Ozáření sloučeniny - chemické změny Ionizované atomy se uvolňují z chemických vazeb, dochází k disociaci molekul - radiolýze - vznikají vysoce reaktivní radikály.

Interakce záření s hmotou Podle 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 hmotou Podle 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 hmotou Podle mechanizmu působení Radikálová teorie  "nepřímý účinek" - ionizace a excitace Vznik anorganických radikálů Fe3+ + e- Fe2+ Fe vyvázání Fe z hemoglobinu

Interakce záření s hmotou Podle 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 hmotou Podle mechanizmu působení Zásahová teorie "přímý účinek" - absorpce energie 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 A) intaktní DNA B) DNA s jednoduchým jedno vláknovým zlomem C) DNA se dvěma jednoduchými jedno vláknovými zlomy přes tři báze D) DNA s dvouvláknovým zlomem Tento typ poškození má reparaci obtížnou, časté jsou chyby (mutace)

Interakce záření s hmotou Podle 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 STOCHASTICKÉ ÚČINKY Pravděpodobnost účinku Somatické onemocnění (nádory) Genetické onemocnění O Dávka

Interakce záření s hmotou STOCHASTICKÉ ÚČINKY Pravděpodobnost účinku deterministické stochastické hormeze O Dávka

Interakce záření s hmotou Tkáň Účinek Prahová dávka [Gy] Ovaria sterilita 2,5 – 6 Varlata dočasná sterilita 0,15 trvalá sterilita 3,5 – 6 Čočka opacita 0,5 - 2 katarakta 5 Kůže   erytém 3 - 5 nekróza DETERMINISTICKÉ ÚČINKY Pravděpodobnost účinku Dávka prahová dávka – nad 1 Gy

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 účinky Muž, 40let, 1 koronární angiografie, 1 PTCA, další koronární angiografie pro komplikace a nakonec bypass chirurgie. To vše v jednom dni … 6 týdnů 20 týdnů 20 měsíců

Interakce záření s hmotou Nemoc z ozáření Typické 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 tkání Uspořádáno 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 >>> 22286Rn + 42He

Interakce záření s hmotou Dominantní 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 Ionizace Excitace Přechod elektronu z nižší na vzdálenější slupku v důsledku interakce Excitovaný stav je nestabilní: Elektron se vrací na původní slupku, přebytečná energie je emitována

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 Beta + Beta - ionizační schopnosti, dolet, využití v medicíně, při interakci dráha klikatá 146C >>> 147N + beta-

Interakce záření s hmotou Dominantní způsob předávání energie záření beta 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 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 Ionizace

Interakce záření s hmotou Záření gama 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

Interakce záření s hmotou Dominantní způsob předávání energie záření gama Fotoelektrický děj 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. Comptonův rozptyl 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. Tvorba elektron-pozitronových párů 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.

Interakce záření s hmotou Interakce neutronů s hmotou Pružný rozptyl 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. Nepružný rozptyl

Interakce záření s hmotou Interakce neutronů s hmotou Emise nabité částice 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 Radiační záchyt Jaderné štěpení

Interakce záření s hmotou Smrtelná dávka hmyz 103 - 104 Gy jednobuněčné organizmy 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 5,5 Králík 8 Prase 6 Potkan Kůň 6,5 Myš Koza 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 hmotou Hadronová 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 hmotou Hadronová terapie