Vznik a vývoj vesmíru Ve vesmíru převažuje temná hmota, která rozhodne o jeho osudu. Nejčastější skupenství je plazma. Sluneční soustava 4,6 miliard let

Radiobiologie potravin Teze přednášky 2 prof. MVDr. Petr Dvořák, CSc. FVHE VFU Brno

Vznik prvků slučováním kvarků vznikly nukleony a jádra izotopů lehkých prvků vodíku a helia jadernou syntézou na povrchu a v jádře hvězd vznikají prvky až po Fe další prvky Mendělejevovy soustavy vznikly bombardováním rychlými neutrony po explozi supernov

Základní částice hmoty a jejich interakce

Elementární částice Svět přesných kopií ! S výjimkou doby života a hmotnosti jsou všechny vlastnosti kvantovány. symbióza částic a interačních sil Volný prostor mnohonásobně převažuje nad částicemi ! Antihmota je stejně reálná jako hmota, zrcadlová symetrie částic s opačnými znaménky nenulových kvantových čísel.

Elementární částice SPIN – počet možných os rotace celistvý – bosony, polocelistvý – fermiony NÁBOJ +1; 2/3; 0; 1/3; -1 náboje elektronu SPECIFICKÉ VLASTNOSTI KVARKŮ „vůně“ d, u, s, c, b, t „barva“ červená, zelená, modrá Fermiony se řídí Pauliho principem výlučnosti Leptony jsou nedělitelné Hadrony – kvarky - preony

Stabilita částic stabilní jsou: proton, elektron, neutrino a jejich antičástice volný neutron (poločas přeměny 15 min.) → proton + elektron + antineutrino

Složení hmoty Fotony Fermiony leptony (elektron, mion, tauon, neutrina a jejich antičástice) kvarky (u +2/3e- d -1/3e- ) hadrony – mezony baryony (3 kvarky) nukleony proton uud neutron ddu

Interakce částic Gravitační univerzální, dalekého dosahu, přitažlivá Elektromagnetická výběrová, dalekého dosahu, přitažlivá i odpudivá Silná jaderná jen v jádře atomu, přitažlivá i odpudivá, konstruktivní Slabá jaderná jen v jádře atomu, nejkratšího dosahu, destruktivní

Radioaktivita Ionizující záření

X U Základní symboly, izotopy Příklad počet neutronů N = A – Z 236 U 92 počet neutronů N = A – Z Z protonové číslo A hmotnostní číslo relativní atomová hmotnost u = jedna 12tina hmotnosti 12C 1 u = 1,66 . 10-27 kg

Příčina nestability jader Z 2000 známých nuklidů pouze 266 stabilních Stabilita = poměr protonů : neutronům Z < 20 1 : 1, 25 výjimka 11H a 32He Z > 20 1 : 1, 52 poslední stabilní 20983Bi 209 nukleonů – 83 protonů = 126 neutronů 126 : 83 = 1,52

Důsledky velikosti vazebné energie nukleonů : Železo má nejvyšší vazebnou energie nukleonů. Jedná se o nejstabilnější prvek v přírodě (vyžaduje nejvíce energie na oddělení nukleonů od sebe – jadernou přeměnu) Jaderná fúze - energie pochází ze slučování lehkých prvků na těžší (zvýšení vazebné energie na nukleon pro prvky lehčí než železo). Štěpení jádra - energie pochází z rozdělení těžkých prvků na lehčí (zvýšení vazebné energie na nukleon u prvků těžších než železo).

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 oo T 2T čas No – počet jader v čase T = 0

Poločasy Fyzikální poločas přeměny Biologický poločas Efektivní poločas 1/ Tef = 1/Tfyz + 1/Tbiol Ekologický poločas

Jaderná geochronologie 1 Ny t = --- -------- + 1 λ Nx Ny stabilní nuklid Nx nuklid s dlouhým poločasem přeměny Metoda draslík argonová 40K T = 1,27 . 1010 let Uhlíková 14C 12C

Druhy záření Korpuskulární x elektromagnetické Podle ionizace: Ionizující přímo Ionizující nepřímo Neionizující

1.Korpuskulární záření Ionizující přímo Alfa Elektronové Pozitronové Protonové Ionizující nepřímo Neutronové

2. Elektromagnetické záření Ionizující nepřímo Gama Röntgenovo UV C nad 10 eV nebo λ < 100 nm Neionizující Mikrovlnné Radarové Infračervené Viditelné UV A, B, (C)

Vlastnosti ionizujícího záření Biologická účinnost Podle schopnosti ionizovat Podle pronikavosti Pronikavost Podle velikosti náboje Podle velikosti částice

Röntgenovo záření X rey Působením vysokého napětí dojde k urychlení elektronů emitovaných ze žhavené katody. Nárazem do kovového terče anody vzniká emisní záření: Brzdné – spojité energetické spektrum Charakteristické – čarové spektrum

CT číslo Hounsfieldova jednotka (HU) μT  -  μv denzita (HU) =  ---------------- . 1000 μv μT  absorpční koeficient  pro tkáň  (cm-1) μv   absorpční koeficient  pro vodu (cm-1) voda HU = 0 vzduch HU = - 1000 maximální hodnota +3000 V praxi se používá rozpětí od -120 po + 1000 HU

Záření alfa Energeticky nestabilní atomové jádro X se přemění emisí částice  (jádro helia) na jádro Y. PŘÍKLADY VŠEOBECNĚ AZX  A-4Z-2Y + 42He SPECIÁLNÍ 22688Ra  22286Rn +  Energetické spektrum je čarové. Nejvyšší ionizační schopnost. Nízká pronikavost. Vysoká radiotoxicita při vnitřní kontaminaci.

Záření beta Při 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 AZ+1Y + - + ~ 3215P 3216S + - + ~

Záření beta 2. pozitronové záření β+ při přebytku protonů v jádru 11p10n + + +  AZX AZ-1Y + + +  189F 188O + + +  3. zachycení elektronů sféry K při přebytku protonů v jádře p + e-  n +  Emise elmg. záření zpětným přeskokem e- do mezer vzniklých záchytem (K- dráha) AZX + e-  AZ-1Y +  (kvark u → d + ) 5425Mn + e-  5424Cr +  (+2/3 – 1 = -1/3 náboje e-)

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 +  6027Co  6028Ni* + - 6028Ni* 6028 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 + 126C 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).

Změny v jádře atomu u α záření Brzdné záření u β záření 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) Braggova křivka Čerenkovo záření

INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S HMOTOU II. FOTONOVÁ ZÁŘENÍ Fotoelektrický jev – fotoefekt Comptonův rozptyl Tvorba elektron-pozitronového páru Změny v jádře atomu

FOTONOVÁ ZÁŘENÍ pravděpodobnost interakce v závislosti na energii 10-200 keV do 2 MeV do 20 MeV nad 20MeV P až 99 % až 99 % asi 50 % asi 1 %

INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S HMOTOU III. NEUTRONOVÉ ZÁŘENÍ Pružný rozptyl Nepružný rozptyl Absorpce jádrem atomu

Radiofarmaka a využití otevřených zářičů v medicíně 1. Pozitronová 11C, 13N, 15O, 18F ↑ 2-fluoro-2- deoxy-D-glukóza v nádorových a zánětlivých buňkách Pozitronová emisní tomografie PET 2. gama zářiče 99mTc, Jednofotonová emisní tomografie SPECT 3. Scintigrafie 123I, 131I (nefrografie) 81Rb, 32P, 59Fe 4. Radioterapie 131I – štítná žláza 5. Radioimunoanalýza RIA 125I, 3H

Veličiny a jednotky v radiobiologii Mezinárodní komise pro radiologické jednotky ICRU založená 1925 Mezinárodní komise pro radiologickou ochranu ICRP založená 1928 Mezinárodní agentura pro atomovou energii IAEA a její doporučení normy ISO

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 IZ charakterizující pole v prostoru Ψ hustota (fluence) částic [ m-2 ] fluenční příkon [ m-2 s-1] zářivá energie [ J ] tok energie [ J m-2 ] hustota toku energie [J m-2 s-1] = [ W m-2 ]

C) Veličiny a jednotky popisující interakci IZ s hmotou Míry interakcí jsou dány: účinnými průřezy σ – míra pravděpodobnosti, že dojde k interakci (totální; úhlový; spektrální; makroskopický) pravděpodobností srážky I = Io B e –μx μ = Σ σ . ρ . Na / M   μ lineární součinitel zeslabení Na Avogadrova konstanta M molekulová hmotnost B růstový faktor pro nové fotony komptonova rozptylu x síla vrstvy

C) Veličiny a jednotky popisující interakci IZ s hmotou Kerma (K) – popis přenosu energie u záření ionizujícího nepřímo = energie předaná na částice nesoucí náboj [ m2 s-2 ] = [Gy] grey K = Ψ μ / ρ Dávka (D) popisuje předávání střední energie nabitých částic absorpcí v hmotě [ J kg -1 ] = [Gy] grey D = dE / dm U vnitřní kontaminace není mezi K a D rozdíl U zevního ozáření jde o kombinaci obou, neboť na povrchu kůže se část fotonů odráží a část elektronů uniká ven J kg -1 = N m kg -1 = kg m s-2 m kg -1 = m2 s-2

C) 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]

C) Veličiny a jednotky popisující interakci IZ s hmotou Okamžitou situaci vyjadřují Kermová rychlost - příkon [ Gy s-1] Dávková rychlost - příkon [ Gy s-1] Expoziční rychlost - příkon [ A kg -1 ] A ampér A = C . s-1

D) 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

D) 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)