Základní částice hmoty a jejich interakce Teze přednášky

Složení hmoty Fotony 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 32He 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 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

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 náboj 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 čárové. 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)

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 Pružný rozptyl Nepružný rozptyl Absorpce jádrem atomu

Pozitronová emisní tomografie PET je tomografickou metodou využívající pozitronových radiofarmak. Pozitron s elektronem při anihilaci hmoty vytváří dvojici fotonů o energii 511 keV.

PET Pozitronová radiofarmaka 11C, 13N, 15O, 18F ↑ 2-fluoro(18F)-2- deoxy-D-glukóza v nádorových a zánětlivých buňkách Při zobrazování PET jsou prstencem detektorů bez kolimátorů registrovány koincidence anihilačních fotonů.

SPECT – jednofotonová emisní tomografie Při tomografickém zobrazování SPECT dopadají na scintilační krystal fotony, které prošly kolimátorem.

Další využití otevřených zářičů a radiofarmak v medicíně 1. gama zářič 99mTc Jednofotonová emisní tomografie SPECT 2. Scintigrafie 123I, 131I (nefrografie) 81Rb, 32P, 59Fe 3. Radioterapie 131I – štítná žláza 4. Radioimunoanalýza RIA 125I, 3H

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

Radiosenzitivita na molekulární úrovni na buněčné a tkáňové úrovni fylogeneticky podmíněná ontogeneticky podmíněná

Vybrané metody detekce ionizujícího záření Fyzikální elektrické ionizace – GM-trubice polovodičové luminiscenční scintilace Chemické skiagrafie Biologické

INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ 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 Neexistuje žádná teorie, která je úplná a vyčerpávající ! Podle mechanizmu působení Zásahová Radikálová (nepřímého účinku) Podle místa primárního účinku Duálové radiační akce Molekulárně biologická Membránová

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

Membránová teorie Pravděpodobnost interakce ionizujícího záření s membránovými systémy buňky je vyšší než interakce s nukleovými kyselinami poškození membrán (lipoperoxidace, konfigurace atd.) představuje změny všech funkcí biomembrán

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.

Druhotné biogenní záření paprsky života

Experimentální ověření Induktor Zdroj Druhotné záření Biodetektor

INDUKTOR  ZDROJ  DRUHOTNÉ ZÁŘENÍ  BIODETEKTOR 60Co (1173 a 1332 keV) 137Cs (661 keV) dávky, které nenarušují kondenzovaný stav, 1 - 10 Gy

INDUKTOR  ZDROJ  DRUHOTNÉ ZÁŘENÍ  BIODETEKTOR srst nebo vlasy vaječný bílek biologická tkáň živý organismus

INDUKTOR  ZDROJ  DRUHOTNÉ ZÁŘENÍ  BIODETEKTOR VLASTNOSTI oblast vlnových délek UV záření koherentní záření přenos informace vysoká biologická aktivita

INDUKTOR  ZDROJ  DRUHOTNÉ ZÁŘENÍ  BIODETEKTOR efekt v závislosti na čase 15–30 min. maximální 1–2 h pokles 5–6 h ještě statisticky průkazné 24 h statisticky neprůkazné

INDUKTOR  ZDROJ  DRUHOTNÉ ZÁŘENÍ  BIODETEKTOR semena rostlin kvasinky tkáňové kultury jikry ryb pylová zrna

Předpokládaný mechanismus Ozáříme-li rigidní strukturu biopolymerů v kondenzovaném stavu, dojde k excitaci elektronů do elektronového oblaku molekuly, kde interagují s její oscilačněvibrační energií za vzniku polaritonů . Tyto postupně uvolňují záření o malé intenzitě v oblasti delších vlnových délek než mělo záření, které jejich vznik vyvolalo.

Předpokládaný mechanismus Ionty prvků zabudované do struktur biopolymerů mohou potencovat druhotné biogenní záření. Volné biopolymery ve zředěných roztocích nevytvářejí záření, neboť se zbavují energie rotací kolem vlastní osy. Denaturované biopolymery nemají schopnost tvorby polaritonů.