Сообщение радиоактивные изотопы в биологии и медицине. Реферат: по физике явление радиоактивности. Его значение в науке, технике, медицине. Виды радиоактивных излучений
9. Применение радиоактивных изотопов
Одним из наиболее выдающихся исследований, проведенных с помощью «меченых атомов», явилось исследование обмена веществ в организмах. Было доказано, что за сравнительно небольшое время организм подвергается почти полному обновлению. Слагающие его атомы заменяются новыми. Лишь железо, как показали опыты по изотопному исследованию крови, является исключением из этого правила. Железо входит в состав гемоглобина красных кровяных шариков. При введении в пищу радиоактивных атомов железа было установлено, что свободный кислород, выделяемый при фотосинтезе, первоначально входил в состав воды, а не углекислого газа. Радиоактивные изотопы применяются в медицине как для постановки диагноза, так и для терапевтических целей. Радиоактивный натрий, вводимый в небольших количествах в кровь, используется для исследования кровообращения, йод интенсивно отлагается в щитовидной железе, особенно при базедовой болезни. Наблюдая с помощью счетчика за отложением радиоактивного йода, можно быстро поставить диагноз. Большие дозы радиоактивного йода вызывают частичное разрушение аномально развивающихся тканей, и поэтому радиоактивный йод используют для лечения базедовой болезни. Интенсивное гамма-излучение кобальта используется при лечении раковых заболеваний (кобальтовая пушка).
Не менее обширны применения радиоактивных изотопов в промышленности. Одним из примеров этого может служить следующий способ контроля износа поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания. Облучая поршневое кольцо нейтронами, вызывают в нем ядерные реакции и делают его радиоактивным. При работе двигателя частички материала кольца попадают в смазочное масло. Исследуя уровень радиоактивности масла после определенного времени работы двигателя, определяют износ кольца. Радиоактивные изотопы позволяют судить о диффузии металлов, процессах в доменных печах и т. д.
Мощное гамма-излучение радиоактивных препаратов используют для исследования внутренней структуры металлических отливок с целью обнаружения в них дефектов.
Все более широкое применение получают радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Облучение семян растений (хлопчатника, капусты, редиса и др.) небольшими дозами гамма-лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному увеличению урожайности. Большие дозы радиации вызывают мутации у растений и микроорганизмов, что в отдельных случаях приводит к появлению мутантов с новыми ценными свойствами (радиоселекция). Так выведены ценные сорта пшеницы, фасоли и других культур, а также получены высоко продуктивные микроорганизмы, применяемые в производстве антибиотиков. Гамма-излучение радиоактивных изотопов используется также для борьбы с вредными насекомыми и для консервации пищевых продуктов. Широкое применение получили «меченые атомы» в агротехнике. Например, чтобы выяснить, какое из фосфорных удобрений лучше усваивается растением, помечают различные удобрения радиоактивным фосфором 15 32P. Исследуя затем растения на радиоактивность, можно определить количество усвоенного ими фосфора из разных сортов удобрения.
Интересным применением радиоактивности является метод датирования археологических и геологических находок по концентрации радиоактивных изотопов. Наиболее часто используется радиоуглеродный метод датирования. Нестабильный изотоп углерода возникает в атмосфере вследствие ядерных реакций, вызываемых космическими лучами. Небольшой процент этого изотопа содержится в воздухе наряду с обычным стабильным изотопом.Растения и другие организмы потребляют углерод из воздуха, и в них накапливаются оба изотопа в той же пропорции, как и в воздухе. После гибели растений они перестают потреблять углерод и нестабильный изотоп в результате?-распада постепенно превращается в азот с периодом полураспада 5730 лет. Путем точного измерения относительной концентрации радиоактивного углерода в останках древних организмов можно определить время их гибели.
Задача осуществления прививочной полимеризации тетрафторэтилена
Тетрафторэтилен используют в качестве мономера в производстве политетрафторэтилена (тефлона). Часть тефлон называют «пластмассовой платиной». Тефлон - линейный полимер. Поперечные химические связи в нем отсутствуют...
Источники радиоактивного излучения делят на закрытые и открытые. Закрытые -- должны быть герметичны. Открытые -- любые негерметичные источники излучения, которые могут создавать радиоактивное загрязнение воздуха, аппаратуры...
Методы анализа основанные на радиоактивности
Метод основан на осаждении ионов определяемого элемента в виде нерастворимого осадка избытком осадителя (реагента) известной концентрации, меченного радиоактивным изотопом. Удельная активность осадителя (реагента) должна быть известна...
Методы анализа основанные на радиоактивности
Многие химические элементы являются радиоактивными, т.е. все их изотопы радиоактивны. К ним относятся технеций, прометий и все естественные и искусственные элементы, стоящие в периодической системе элементов после висмута. Кроме того...
Превращения вольфрамат–антимонатов калия и цезия
РАО классифицируют по различным признакам (рис. 1): по агрегатному состоянию, по составу (виду) излучения, по времени жизни (периоду полураспада Т1/2), по удельной активности (интенсивности излучения). Однако...
Применение радиоактивных изотопов в технике
Когда в руках исследователей появились мощные источники радиации, в миллионы раз более сильные, чем уран (это были препараты радия, полония, актиния), можно было более подробно ознакомиться со свойствами радиоактивного излучения...
Ртуть
Мировое производство ртути в последнее десятилетие составляло около 8600 т/год. Потребление ртути (т/год): ь США -- 1800-2000; ь Япония -- 600-900; ь Германия -- 600; ь Италия -- 550; ь Испания -- 400; ь Великобритания -- 350; ь Франция -- 300...
Свойства и получение хлорида кальция
Хлорид кальция используют в производстве хлорида бария, некоторых красителей, для коагуляции латекса, в химико-фармацевтической промышленности, при обработке сточных вод, в системах для кондиционирования воздуха, при экстракции масел и др...
Свойства и применение кальция
Кальций находит все возрастающее.применение в различных отраслях производства. В последнее время он приобрел большое значение как восстановитель при получении ряда металлов. Чистый металлический...
Свойства нитрата кальция
1) В сельском хозяйстве. Кальциевая селитра является физиологическим щелочным удобрением, пригодным для всех почв и прежде всего для закисленных почв. В сельском хозяйстве применяют как азотное удобрение...
Синтез бихромата аммония
Удобный исходный реагент для получения высокочистого оксида хрома (III) (стойкий зеленый пигмент и составная часть некоторых катализаторов и известной смеси для полировки оптики - пасты ГОИ). Кроме того...
Синтез бихромата аммония
Используется для получения хрома электролизом, электролитического хромирования, в качестве сильного окислителя, изредка в пиросоставах. Применяют также, как окислитель в органической химии (в производстве изатина, индиго и т.д.)...
Синтез бихромата аммония
Калия дихромат - дубитель в кожевенной промышленности; протрава в производстве красителей, компонент составов для головок спичек...
Синтез бихромата аммония
Серную кислоту применяют: · в производстве минеральных удобрений; · как электролит в свинцовых аккумуляторах; · для получения различных минеральных кислот и солей; · в производстве химических волокон, красителей...
Хроматографический анализ различных классов веществ
Ряд работ посвящен разделению изотопов других элементов: неона, азота, кислорода, криптона и ксенона. Стоит немного сказать о трудноразделяемых парах. Применение молекулярных сит разрешило проблему разделения смеси кислорода и азота...
>> Получение радиоактивных изотопов и их применение
§ 112 ПОЛУЧЕНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
В атомной индустрии всевозрастающую ценность для человечества представляют радиоактивные изотопы .
Элементы, не существующие в природе. С помощью ядерных реакций можно получить радиоактивные изотопы всех химических элементов, встречающихся в природе только в стабильном состоянии. Элементы под номерами 43, 61, 85 и 87 вообще не имеют стабильных изотопов и впервые получены искусственно. Так, например, элемент с порядковым номером Z - 43, названный технецием, имеет самый долгоживущий изотоп с периодом полураспада около миллиона лет.
С помощью ядерных реакций получены также трансурановые элементы. О нептунии и плутонии вы уже знаете. Кроме них, получены еще следующие элементы: америций (Z = 95), кюрий (Z = 96), берклий (Z = 97), калифорний (Z = 98), эйнштейний (Z = 99), фермий (Z = 100), менделевий (Z = 101), нобелий (Z = 102), лоуренсий (Z = 103), ре-зерфордий (Z = 104), дубний (Z = 105), сиборгий (Z = 106), борий (Z = 107), хассий (Z = 108), мейтнерий (Z = 109), а также элементы под номерами 110, 111 и 112, не имеющие пока общепризнанных названий. Элементы, начиная с номера 104, впервые синтезированы либо в подмосковной Дубне, либо в Германии.
Меченые атомы. В настоящее время как в науке, так и в производстве все более широко используются радиоактивные изотопы различных химических элементов. Наибольшее применение имеет метод меченых атомов.
Метод основан на том, что химические свойства радиоактивных изотопов не отличаются от свойств нерадиоактивных изотопов тех же элементов.
Обнаружить радиоактивные изотопы можно очень просто - по их излучению. Радиоактивность является своеобразной меткой, с помощью которой можно проследить за поведением элемента при различных химических реакциях и физических превращениях веществ. Метод меченых атомов стал одним из наиболее действенных методов при решении многочисленных проблем биологии , физиологии, медицины и т. д.
Радиоактивные изотопы - источники излучений. Радиоактивные изотопы широко применяются в науке, медицине и технике как компактные источники -лучей. Главным образом используется радиоактивный кобальт .
Получение радиоактивных изотопов. Получают радиоактивные изотопы в атомных реакторах и на ускорителях элементарных частиц. В настоящее время производством изотопов занята большая отрасль промышленности.
Радиоактивные изотопы в биологии и медицине. Одним из наиболее выдающихся исследований, проведенных с помощью меченых атомов, явилось исследование обмена веществ в организмах. Было доказано, что за сравнительно небольшое время организм подвергается почти полному обновлению. Слагающие его атомы заменяются новыми.
Лишь железо, как показали опыты по изотопному исследованию крови, является исключением из этого правила. Железо входит в состав гемоглобина красных кровяных шариков. При введении в пищу радиоактивных атомов железа было обнаружено, что они почти не поступают в кровь. Только в том случае, когда запасы железа в организме иссякают, железо начинает усваиваться организмом.
Если не существует достаточно долго живущих радиоактивных изотопов, как, например, у кислорода и азота, меняют изотопный состав стабильных элементов. Так, добавлением к кислороду избытка изотопа было установлено, что свободный кислород , выделяюнщйся при фотосинтезе, первоначально входил в состав воды, а не углекислого газа.
Радиоактивные изотопы применяются в медицине как для постановки диагноза, так и для терапевтических целей.
Радиоактивный натрий, вводимый в небольших количествах в кровь, используется для исследования кровообращения.
Иод интенсивно отлагается в щитовидной железе, особенно при базедовой болезни. Наблюдая с помощью счетчика за отложением радиоактивного иода, можно быстро поставить диагноз. Большие дозы радиоактивного иода вызывают частичное разрушение аномально развивающихся тканей, и поэтому радиоактивный иод используют для лечения базедовой болезни.
Интенсивное -излучение кобальта используется при лечении раковых заболеваний (кобальтовая пушка).
Радиоактивные изотопы в промышленности. Не менее обширна область применения радиоактивных изотопов в промышленности. Одним из примеров может служить способ контроля износа поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания. Облучая поршневое кольцо нейтронами, вызывают в нем ядерные реакции и делают его радиоактивным. При работе двигателя частички материала кольца попадают в смазочное масло. Исследуя уровень радиоактивности масла после определенного времени работы двигателя, определяют износ кольца.
Радиоактивные изотопы позволяют судить о диффузии металлов, процессах в доменных печах и т. д. Мощное -излучение радиоактивных препаратов используют для исследования внутренней структуры металлических отливок с целью обнаружения в них дефектов.
Радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Все более широкое применение получают радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Облучение семян растений (хлопчатника, капусты, редиса и др.) небольшими дозами -лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному повышению урожайности.
Большие дозы радиации вызывают мутации у растений и микроорганизмов, что в отдельных случаях приводит к появлению мутантов с новыми ценными свойствами (радиоселекция). Так выведены ценные сорта пшеницы, фасоли и других культур, а также получены высокопродуктивные микроорганизмы, применяемые в производстве антибиотиков. Гамма-излучение радиоактивных изотопов используется также для борьбы с вредными насекомыми и для консервации пищевых продуктов.
Широкое применение получили меченые атомы в агротехнике. Например, чтобы выяснить, какое из фосфорных удобрений лучше усваивается растением, помечают различные удобрения радиоактивным фосфором ЦР. Исследуя за тем растения на радиоактивность, можно определить количество усвоенного ими фосфора из разных сортов удобрения.
Радиоактивные изотопы в археологии. Интересное применение для определения возраста древних предметов органического происхождения (дерева, древесного угля, тканей и т. д.) получил метод радиоактивного углерода. В растениях всегда имеется -радиоактивный изотоп углерода с периодом полураспада Т = 5700 лет. Он образуется в атмосфере Земли в небольшом количестве из азота под действием нейтронов. Последние же возникают за счет ядерных реакций, вызванных быстрыми частицами, которые поступают в атмосферу из космоса (космические лучи).
Соединяясь с кислородом, этот изотоп углерода образует углекислый газ, поглощаемый растениями, а через них и животными. Один грамм углерода из образцов молодого леса испускает около пятнадцати -частиц в секунду.
После гибели организма пополнение его радиоактивным углеродом прекращается. Имеющееся же количество этого изотопа убывает за счет радиоактивности. Определяя процентное содержание радиоактивного углерода в органических остатках, можно определить их возраст, если он лежит в пределах от 1000 до 50 000 и даже до 100 000 лет. Таким методом узнают возраст египетских мумий, остатков доисторических костров и т. д.
Радиоактивные изотопы широко применяются в биологии, медицине, промышленности , сельском хозяйстве и даже в археологии.
Что такое радиоактивные изотопы и как их используют!
Мякишев Г. Я., Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. В. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. - 17-е изд., перераб. и доп. - М. : Просвещение, 2008. - 399 с: ил.
Планирование физике, материалы по физике 11 класса скачать , учебники онлайн
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные урокиМуниципальное общеобразовательное учреждение «Побединская средняя общеобразовательная школа» Шегарский район Томская область
ГОСУДАРСТВЕННАЯ (ИТОГОВАЯ) АТТЕСТАЦИЯ ВЫПУСКНИКОВ IX КЛАССОВ
РЕФЕРАТ ПО ФИЗИКЕ
ЯВЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ. ЕГО ЗНАЧЕНИЕ В НАУКЕ, ТЕХНИКЕ, МЕДИЦИНЕ
Выполнил: Дадаев Аслан, ученик 9 класса
Руководитель: Гагарина Любовь Алексеевна, учитель физики
п. Победа 2010
1. Введение……………………………………………………………...стр.1
2. Явление радиоактивности………..……………………….................стр.2
2.1.Открытие радиоактивности…………………………................стр.2
2.2. Источники радиации………………………………………….. стр.6
3. Получение и применение радиоактивных изотопов……………..стр.8
3.1.Использование изотопов в медицине……………………........стр.8
3.2. Радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве………………стр.10
3.3.Радиационная хронометрия……………………………………стр.11
3.4. Применение радиоактивных изотопов в промышленности...стр.12
3.5. Использование изотопов в науке……………………………...стр.12
4. Заключение…………………………………………………………...стр.13
5. Литература …………………………………………………………..стр.14
ВВЕДЕНИЕ
Представление об атомах как неизменных мельчайших частицах вещества было разрушено открытием электрона, а также явления естественного радиоактивного распада, открытого французским физиком А. Беккерелем. Значительный вклад в изучение этого явления внесли выдающиеся французские физики Мария Склодовская – Кюри и Пьер Кюри.
Естественная радиоактивность существует миллиарды лет, она присутствует буквально повсюду. Ионизирующие излучения существовали на Земле задолго до зарождения на ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения самой Земли. Радиоактивные материалы вошли в состав Земли с самого ее рождения. Любой человек слегка радиоактивен: в тканях человеческого тела одним из главных источников природной радиации являются калий - 40 и рубидий - 87, причем не существует способа от них избавиться.
Путем осуществления ядерных реакций при бомбардировке ядер атомов алюминия а – частицами известным французским физикам Фредерику и Ирен Кюри – Жолио в 1934 году удалось искусственно создать радиоактивные ядра. Искусственная радиоактивность принципиально ничем не отличается от естественной и подчиняется тем же законам.
В настоящее время искусственные радиоактивные изотопы получают разными способами. Наиболее распространенным является облучение мишени (будущего радиоактивного препарата) в ядерном реакторе. Возможно облучение мишени заряженными частицами в специальных установках, где частицы ускоряются до больших энергий.
Цель: выяснить в каких областях жизнедеятельности используют явление радиоактивности.
Задачи:
· Изучить историю открытия радиоактивности.
· Выяснить, что происходит с веществом при радиоактивном излучении.
· Выяснить, как получить радиоактивные изотопы и где они применятся.
· Развивать навык работы с дополнительной литературой.
· В компьютерном исполнении выполнить презентацию материала.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
2.Явление радиоактивности
2.1.Открытие радиоактивности
История радиоактивности началась с того, как в 1896 году французский физик Анри Беккерель занимался люминесценцией и исследованием рентгеновских лучей.
Открытие радиоактивности, наиболее яркое свидетельство сложного строения атома.
Комментируя открытие Рентгена ученые выдвигают гипотезу о том, что рентгеновские лучи испускаются при фосфоресценции независимо от наличии катодных лучей. А. Беккерель решил проверить эту гипотезу. Обернув фотопластинку черной бумагой, он положил на нее металлическую пластинку причудливой формы, покрытую слоем соли урана. Дав четырехчасовую выдержку на солнечном свете, Беккерель проявил фотопластинку и увидел на ней точный силуэт металлической фигурки. Он повторил опыты с большими вариациями, получая отпечатки монеты, ключа. Все опыты подтвердили проверяемую гипотезу, о чем Беккерель доложил 24 февраля на заседании академии наук. Однако Беккерель не прекращает опыты, готовя все новые варианты.
Анри Беккерель Вельгельм Конрад Рентген
26 февраля 1896 года погода над Парижем испортилась и подготовленные фотопластинки с кусочками урановой соли пришлось положить в темный ящик стола до появления солнца. Оно появилось над Парижем 1 марта, и опыты можно было продолжить. Взяв пластинки, Беккерель решил их проявить. Проявив пластинки, ученый увидел на них силуэты урановых образцов. Ничего не понимая, Беккерель решил повторить случайный опыт.
Он уложил в светонепроницаемую коробку две пластинки, насыпал на них урановую соль, положив предварительно на одну из них стекло, а на другую – алюминиевую пластинку. Пять часов все это находилось в темной комнате, после чего Беккерель проявил фотопластинки. И что же – силуэты образцов вновь четко видны. Значит, какие – то лучи образуются в солях урана. Они похожи на Х – лучи, но откуда они берутся? Ясно одно, что связи между Х – лучами и фосфоресценцией нет.
Об этом он доложил на заседании академии наук 2 марта 1896 года, совершенно сбив с толку всех ее членов.
Беккерель установил также, что времени с течением интенсивность излучения одного и того же образца не меняется и что новое излучение способно разряжать наэлектризованные тела.
Большинство членов Парижской академии после очередного доклада Беккереля на заседании 26 марта поверили в его правоту.
Открытое Беккерелем явление получило название радиоактивности, по предложению Марии Склодовской – Кюри.
Мария Склодовская – Кюри
Радиоактивность - способность атомов некоторых химических элементов к самопроизвольному излучению.
В 1897 году Мария занимаясь докторской диссертацией, выбрав тему для исследования – открытие Беккереля (Пьер Кюри посоветовал выбрать жене эту тему), решила найти ответ на вопрос: что является подлинным источником уранового излучения? С этой целью она решает исследовать большое количество образцов минералов и солей и выяснить, только ли уран обладает свойством излучать. Работая с образцами тория, она обнаруживает, что он, подобно урану, дает такие же лучи и примерно такой же интенсивности. Значит, данное явление оказывается свойством не только урана, и ему надо дать особое название. Уран и торий назвали радиоактивными элементами. Работа продолжалась с новыми минералами.
Пьер, как физик, чувствует важность работы и, оставив временно исследование кристаллов, начинает работать вместе с супругой. В результате данной совместной работы были открыты новые радиоактивные элементы: полоний, радий и др.
В ноябре 1903 года Королевское общество присудило Пьеру и Марии Кюри одну из высших научных наград Англии – медаль Дэви.
13 ноября супруги Кюри одновременно с Беккерелем получают телеграмму из Стокгольма о присуждении им троим Нобелевской премии по физике за выдающиеся открытия в области радиоактивности.
Дело, начатое супругами Кюри, подхватили их ученики, среди которых была дочь Ирен и зять Фредерик Жолио, ставшие в 1935 году лауреатами Нобелевской премии за открытие искусственной радиоактивности .
Ирен и Фредерик Кюри - Жолио
Английскими физиками Э. Резерфордом и Ф. Содди было доказано, что во всех радиоактивных процессах происходят взаимные превращения атомных ядер химических элементов. Изучение свойств излучения, сопровождающего эти процессы в магнитном и электрическом полях, показало, что оно разделяется на a-частицы, b-частицы и g-лучи (электромагнитное излучение с очень малой длиной волны).
Э.Резерфорд Ф.Содди
Некоторое время спустя в результате исследования различных физических характеристик и свойств этих частиц (электрического заряда, массы и др.) удалось установить, что b – частица представляет собой электрон, а а – частица – полностью ионизированный атом химического элемента гелия (т.е. атом гелия, потерявший оба электрона).
Кроме того выяснилось, что радиоактивность – это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц.
Так, например, было найдено несколько разновидностей атомов урана: с массами ядер, приблизительно равными 234 а.е.м., 235 а.е.м., 238 а.е.м. и 239 а.е.м. Причем все эти атомы обладали одинаковыми химическими свойствами. Они одинаковым образом вступали в химические реакции, образуя одни и те же соединения.
При некоторых ядерных реакциях возникает сильно проникающее излучение. Эти лучи проникают через слой свинца толщиной в несколько метров. Это излучение представляет собой поток частиц, заряженных нейтрально. Эти частицы названы нейтронами.
При некоторых ядерных реакциях возникает сильно проникающее излучение. Эти лучи бывают разных видов и обладают различной проникающей способностью. Например, поток нейтронов проникает через слой свинца толщиной в несколько метров.
2.2. Источники радиации
Радиация весьма многочисленна и разнообразна, однако можно выделить около семи основных её источников.
Первым источником является наша Земля. Эта радиация объясняется наличием в Земле радиоактивных элементов, концентрация которых в разных местах изменяется в широких пределах.
Второй источник радиации – космос, откуда на Землю постоянно падает поток частиц высокой энергии. Источниками образования космического излучения являются звёздные взрывы в Галактике и солнечные вспышки.
Третий источник радиации – это радиоактивные природные материалы, используемые человеком для строительства жилых и производственных помещений. В среднем мощность дозы внутри зданий на 18% - 50% больше, чем снаружи. Внутри помещений человек проводит три четверти своей жизни. Человек, постоянно находящийся в помещении, построенном из гранита, может получить - 400 мбэр/год, из красного кирпича –189 мбэр/год, из бетона – 100мбэр/год, из дерева – 30 мбэр/год.
Четвертый источник радиоактивности населению малоизвестен, но не менее опасен. Это радиоактивные материалы, которые человек использует в повседневной деятельности.
В состав красок для печати банковских чеков включают радиоактивный углерод, обеспечивающий легкую идентификацию подделанных документов.
Для получения краски или эмали на керамике или драгоценностях применяется уран.
Уран и торий используют при производстве стекла.
Искусственные зубы из фарфора усиливаются ураном и церием. При этом - излучение на прилегающие к зубам слизистые оболочки может достичь 66 бэр/год, тогда как годовая норма для всего организма не должна превышать 0,5 бэр (т.е. в 33 раза больше)
Экран телевизора излучает на человека 2-3 мбэр/год.
Пятый источник – предприятия по транспортировке и переработке радиоактивных материалов.
Шестым источником радиации являются атомные электростанции. На АЭС,
кроме твердых отходов, имеются также жидкие (зараженные воды из контуров охлаждения реакторов) и газообразные содержащемся в углекислом газе, используемом для охлаждения.
Седьмой источник радиоактивного излучения - это медицинские установки. Несмотря на обычность их использования в повседневной практике, опасность облучения от них намного больше, чем от всех рассмотренных выше источников и достигает иногда десятков бэр. Один из распространенных способов диагностики - рентгеновской аппарат. Так, при рентгенографии зубов - 3 бэр, при рентгеноскопии желудка - столько же, при флюорографии - 370 мбэр.
Что же происходит с веществом при радиоактивном излучении?
Во – первых , удивительное постоянство, с которым радиоактивные элементы испускают излучения. На протяжении суток, месяцев, лет интенсивность излучения заметно не изменяется. На него не оказывает влияние нагревание или увеличение давления, химические реакции в которые вступал радиоактивный элемент, так же не влияли на интенсивность излучения.
Во – вторых , радиоактивность сопровождается выделением энергии, и она выделяется непрерывно на протяжении ряда лет. Откуда же берется эта энергия? При радиоактивности вещество, испытывает какие – то глубокие изменения. Было сделано предположение, что превращения претерпевают сами атомы.
Наличие одних и тех же химических свойств означает, что все эти атомы имеют одинаковое число электронов в электронной оболочке, а значит, и одинаковые заряды ядер.
Если заряды ядер атомов одинаковы, значит, эти атомы принадлежат одному и тому же химическому элементу (несмотря на различия в их массах) и имеют один и тот же порядковый номер в таблице Д.И. Менделеева. Разновидности одного и того же химического элемента, различающиеся по массе атомных ядер назвали изотопами .
3. Получение и применение радиоактивных изотопов
Радиоактивные изотопы, встречающие в природе, называются естественными . Но многие химические элементы встречаются в природе только в стабильном (т.е. радиоактивном) состоянии.
В 1934 году французские ученые Ирен и Фредерик Жолио – Кюри обнаружили, что радиоактивные изотопы могут быть созданы искусственным путем в результате ядерных реакций. Такие изотопы назвали искусственными .
Для получения искусственных радиоактивных изотопов обычно используют ядерные реакторы и ускорители элементарных частиц. Существует отрасль промышленности, специализирующаяся на производстве таких элементов.
Впоследствии был получены искусственные изотопы всех химических элементов. Всего в настоящее время известно примерно 2000 радиоактивных изотопов, причем 300 из них – естественные.
В настоящее время радиоактивные изотопы широко применяют в различных сферах научной и практической деятельности: техника, медицина, сельское хозяйство, средства связи, военной области и в некоторых других. При этом часто используют так называемый метод меченых атомов.
3.1.Использование изотопов в медицине
Применение изотопов, одним из наиболее выдающихся исследований, проведенных с помощью «меченых атомов», явилось исследование обмена веществ в организмах.
С помощью изотопов были раскрыты механизмы развития (патогенез) ряда заболеваний; их применяют также для изучения обмена веществ и диагностики многих заболеваний.
Изотопы вводят в организм человека в крайне малых количествах (безопасное для здоровья), не способных вызвать какие-либо патологические сдвиги. Кровью они неравномерно распределяются по всему организму. Излучение, возникающее при распаде изотопа, регистрируют приборами (специальными счетчиками частиц, фотографированием), расположенных вблизи тела человека. В результате можно получить изображение какого –либо внутреннего органа. По этому изображению можно судить о размерах и форме этого органа, о повышенной или пониженной концентрации изотопа в
различных его частях. Можно также оценить функциональное состояние (т.е. работу) внутренних органов по скорости накопления и выведения ими радиоизотопа.
Так, состояние сердечного кровообращения, скорости кроветока, изображение полостей сердца определяют с помощью соединений, включающих изотопы натрия, иода, технеция; для изучения лёгочной вентиляции и заболеваний спинного мозга применяют изотопы технеция, ксенона; макроагрегаты альбумина человеческой сыворотки с изотопом иода используют для диагностики различных воспалительных процессов в легких, их опухолей и при различных заболеваниях щитовидной железы.
Использование изотопов в медицине
Концентрационную и выделительную функции печени изучают при помощи краски бенгал-роз с изотопом иода, золота. Изображение кишечника, желудка получают, используя изотоп технеция, селезёнки применяя эритроциты с изотопом технеция или хрома; с помощью изотопа селена диагностируют заболевания поджелудочной железы. Все эти данные позволяют поставить правильный диагноз заболевания.
С помощью метода «меченых атомов» исследуют также различные отклонения в работе системы кровообращения, обнаруживают опухоли (поскольку именно в них накапливаются некоторые радиоизотопы). Благодаря этому методу было обнаружено, что за сравнительно короткое время организм человека почти полностью обновляется. Исключение является лишь железо, входящее в состав крови: оно начинает усваивается организмом из пищи только тогда, когда ег запасы иссякают.
Важное значение при выборе изотопа имеет вопрос о чувствительности метода изотопного анализа, а также о типе радиоактивного распада и энергии излучения.
В медицине радиоактивные изотопы используются не только для диагностики, но и для лечения некоторых заболеваний, например раковых опухолей, базедовой болезни и др.
В связи с применением очень малых доз радиоизотопов лучевое воздействие на организм при радиационной диагностике и лечении не представляет опасности для пациентов.
3.2. Радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве
Все более широкое применение получают радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве . Облучение семян растений (хлопчатника, капусты, редиса и др.) небольшими дозами гамма-лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному увеличению урожайности. Большие дозы радиации вызывают мутации у растений и микроорганизмов, что в отдельных случаях приводит к появлению мутантов с новыми ценными свойствами (радиоселекция ). Так выведены ценные сорта пшеницы, фасоли и других культур, а также получены высоко продуктивные микроорганизмы, применяемые в производстве антибиотиков.
Гамма - излучение радиоактивных изотопов используется также для борьбы с вредными насекомыми и для консервации пищевых продуктов. Широкое применение получили «меченые атомы» в агротехнике. Например, чтобы выяснить, какое из фосфорных удобрений лучше усваивается растением, помечают различные удобрения радиоактивным фосфором. Исследуя затем растения на радиоактивность, можно определить количество усвоенного ими фосфора из разных сортов удобрения.
Интересное применение для определения возраста древних предметов органического происхождения (дерева, древесного угля, тканей и т. д.) получил метод радиоактивного углерода. В растениях всегда имеется бета - радиоактивный изотоп углерода с периодом полураспада Т=5700 лет. Он образуется в атмосфере Земли в небольшом количестве из азота под действием нейтронов. Последние же возникают за счет ядерных реакций, вызванных быстрыми частицами, которые поступают в атмосферу из космоса (космические лучи). Соединяясь с кислородом, этот углерод образует, углекислый газ, поглощаемый растениями, а через них и животными.
Изотопы широко используются для определения физических свойств почвы
и запасов в ней элементов пищи растений, для изучения взаимодействия почвы и удобрений, процессов усвоения растениями питательных элементов, поступления в растения минеральной пищи через листья. Пользуются изотопами для выявления действия на растительный организм пестицидов, что позволяет установить концентрацию и сроки обработки ими посевов. Применяя метод изотопов, исследуют важнейшие биологические свойства с/х культур (при оценке и отборе селекционного материала) урожайность, скороспелость, хладостойкость.
В животноводстве изучают физиологические процессы, протекающие в организме животных, проводят анализ кормов на содержание токсичных веществ (малые дозы которых трудно определить химическими методами) и микроэлементов. При помощи изотопов разрабатывают приёмы автоматизации производственных процессов, например отделение корнеплодов от камней и комков почвы при уборке комбайном на каменистых и тяжёлых почвах.
3.3.Радиационная хронометрия
Некоторые радиоактивные изотопы можно с успехом использовать для определения возраста различных ископаемых (радиационная хронометрия ). Наиболее распространенный и эффективный метод радиационной хронометрии основан на измерении радиоактивности органических веществ, которая обусловлена радиоактивным углеродом (14С).
Исследования показали, что в каждом грамме углерода в любом организме за минуту происходит 16 радиоактивных бета-распадов (точнее, 15,3 ± 0,1). По истечении 5730 лет в каждом грамме углерода будет распадаться уже только 8 атомов в минуту, через 11 460 лет - 4 атома.
Один грамм углерода из образцов молодого леса испускает около пятнадцати бета - частиц в секунду. После гибели организма пополнение его радиоактивным углеродом прекращается. Имеющееся же количество этого изотопа убывает за счет радиоактивности. Определяя процентное содержание радиоактивного углерода в органических остатках, можно определить их возраст, если он лежит в пределах от 1000 до 50000 и даже до 100000 лет.
Число радиоактивных распадов, т. е. радиоактивность исследуемых образцов, измеряют детекторами радиоактивного излучения.
Таким образом, измерив в определенном весовом количестве материала исследуемого образца число радиоактивных распадов за минуту и пересчитав это число на грамм углерода, мы можем установить возраст объекта, из которого взят образец. Таким методом узнают возраст египетских мумий, остатков доисторических костров и т. д.
3.4. Применение радиоактивных изотопов в промышленности
Одним из примеров может служить следующий способ контроля износа поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания. Облучая поршневое кольцо нейтронами, вызывают в нем ядерные реакции и делают его радиоактивным. При работе двигателя частички материала кольца попадают в смазочное масло. Исследуя уровень радиоактивности масла после определенного времени работы двигателя, определяют износ кольца. Радиоактивные изотопы позволяют судить о диффузии металлов, процессах в доменных печах и т. д. Мощное гамма-излучение радиоактивных препаратов используют для исследования внутренней структуры металлических отливок с целью обнаружения в них дефектов.
Изотопы также используются в ядерно-физической аппаратуре для изготовления счетчиков нейтронов, что позволяет увеличить эффективность счета более чем в 5 раз, в ядерной энергетике как замедлители и поглотители нейтронов.
3.5. Использование изотопов в науке
Использование изотопов в биологии привело к пересмотру прежних представлений о природе фотосинтеза, а также о механизмах, обеспечивающих усвоение растениями неорганических веществ карбонатов, нитратов, фосфатов и др. С помощью изотопов изучено перемещение популяций в биосфере и отдельных особей внутри данной популяции, миграции микробов, а также отдельных соединений внутри организма. Вводя в организмы с пищей или путём инъекций метку, удалось изучить скорость и пути миграции многих насекомых (москитов, мух, саранчи), птиц, грызунов и др. мелких животных и получить данные о численности их популяций.
В области физиологии и биохимии растений с помощью изотопов решен ряд теоретических и прикладных проблем: выяснены пути поступления минеральных веществ, жидкостей и газов в растения, а также роль различных химических элементов, в том числе микроэлементов, в жизни растений. Показано, в частности, что углерод поступает в растения не только через листья, но и через корневую систему, установлены пути и скорости передвижения ряда веществ из корневой системы в стебель и листья и из этих органов к корням.
В области физиологии и биохимии животных и человека изучены скорости поступления различных веществ в их ткани (в том числе скорость включения железа в гемоглобин, фосфора в нервную и мышечные ткани, кальция в кости). Использование "меченой" пищи привело к новому представлению о скоростях всасывания и распространения пищевых веществ, об их "судьбе" в организме и помогло проследить за влиянием внутренних и внешних факторов (голодание, асфиксия, переутомление и т. д.) на обмен веществ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выдающиеся французские физики Мария Склодовская – Кюри и Пьер Кюри, их дочь Ирен и зять Фредерик Жолио и многие другие ученые не только внесли большой вклад в развитие ядерной физики, но были страстными борцами за мир. Они вели значительную работу по мирному использованию атомной энергии.
В Советском Союзе работы над атомной энергией начались в 1943 году под руководством выдающегося советского ученого И. В. Курчатова. В трудных условиях небывалой войны советские ученые решали сложнейшие научные и технические задачи, связанные с овладением атомной энергией. 25 декабря 1946 года под руководством И.В.Курчатова впервые на континенте Европы и Азии была осуществлена цепная реакция. В Советском Союзе началась эра мирного атома.
В ходе работы я выяснил, радиоактивные изотопы, полученные искусственным путем, нашли широкое применение в науке, технике, сельском хозяйстве, промышленности, медицине, археологии и других областях. Это обусловлено следующими свойствами радиоактивных изотопов:
· радиоактивное вещество непрерывно излучает определенный вид частиц и интенсивность в течение времени не меняется;
· излучение обладает определенной проникающей способностью;
· радиоактивность сопровождается выделением энергии;
· под действием излучения могут происходить изменения в облучаемом веществе;
· излучение можно зафиксировать разными способами: специальными счетчиками частиц, фотографированием и т.д.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ф.М. Дягилев «Из истории физики и жизни ее творцов» - М.: Просвещение, 1986.
2. А.С. Енохин, О.Ф. Кабардин и др. «Хрестоматия по физике» - М.: Просвещение, 1982.
3. П.С. Кудрявцев. «История физики» - М.: Просвещение, 1971.
4. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев «Физика 11 кл.» - М.: Просвещение, 2004.
5. А.В. Перышкин, Е.В. Гутник «Физика 9 кл.» - М.: Дрофа, 2005.
6. Интернет – ресурсы.
Рецензия
на экзаменационный реферат по физике «Явление радиоактивности. Его значение в науке, технике, медицине».
Актуальность выбранной темы автор видит в возможности использования ядерной энергии в мирных целях. Радиоактивные изотопы, полученные искусственным путем, нашли широкое применение в различных сферах научной и практической деятельности: науке, технике, сельском хозяйстве, промышленности, медицине, археологии и др.
Однако в разделе «Введение» не указана актуальность и заинтересованность автора в выбранной теме реферата.
Доступно, логически прописано открытие радиоактивности; исследования, проводимые с помощью «меченых атомов».
Оформление реферата не во всех случаях соответствует требованиям:
· Не пронумерованы страницы;
· Каждый раздел напечатан не с новой страницы;
· В тексте нет ссылок на иллюстрации;
· В разделе «Литература» не указаны сайты Интернет – ресурсов.
В целом, несмотря на незначительные недочеты в составлении и оформлении, можно сказать, что реферат «Явление радиоактивности. Его значение в науке, технике, медицине» заслуживает оценки «хорошо».
Учитель физики МОУ «Побединская СОШ»: ___________/Л.А. Гагарина/
Радиоактивность является естественным свойством многих веществ, атомы которых находятся в нестабильном состоянии. Хотя атом каждого химического элемента характеризуется строго определенным количеством входящих в него протонов и электронов, количество нейтронов в атомном ядре может варьировать, так что атомный вес (определяемый как сумма входящих в ядро протонов и нейтронов) может быть различным у атомов одного и того же элемента.
Смесь таких атомов , получившие название изотопов, в определенной пропорции присутствует в любом чистом веществе (особенно в металлах типа железа, марганца или кобальта). Радиоактивное излучение является результатом распада нестабильных атомных ядер на более стабильные элементы. Каждый химический элемент характеризуется вполне определенным уровнем естественной радиоактивности.
Существует множество естественных радиоактивных материалов , которые излучают в диапазоне, способном вызывать ионизацию в живых тканях. Исторически принято подразделять все радиоактивные излучения на а-, b- и у-излучения, в зависимости от их характеристик. Альфа-частицы по сути являются ядрами атомов гелия, испускаемыми при распаде нестабильных радионуклидов.
Следует помнить, что, хотя многие характеристики радиоактивных излучений описываются исходя из волновой концепции излучения, каждое излучение одновременно является также потоком частиц. С этой точки зрения легче понять природу а- и b-излучений. Так, а-излучение представляет собой поток тяжелых положительно заряженных атомов гелия, а b-излучение является потоком отрицательно заряженных электронов с исчезающе малой массой. Гамма-лучи в отличие от предыдущих типов излучения не несут никакого заряда.
Хотя все эти три типа излучения способны вызывать ионизацию в живых тканях, наибольшее распространение в радиационной терапии получило именно у-излучение. В медицине очень широко используется нестабильный изотоп кобальта с атомным весом 60, который теряет один из нейтронов с испусканием у-излучения и превращается в стабильный изотоп с атомным весом 59.
Характеристики излучения при этой реакции очень стабильны, а количество распадов остается неизменным, так что за 5,33 года половина массы этого радиоактивного элемента переходит в стабильную форму, что определяет период полураспада для 60 Со. Знание времени полураспада того или иного элемента очень важно для планирования теоретических и клинических задач.
Для различных элементов этот период колеблется от нескольких секунд до сотен и тысяч лет. Радий, который интенсивно использовался в медицинской практике до нахождения более подходящих элементов, имеет период полураспада в 1620 лет, т. е. такой источник излучения практически не требует замены при его использовании. Тем не менее в настоящее время в медицине все более широко применяются бета-частицы или электроны, так как характеристики этого излучения более подходят для медицинских целей.
В настоящее время происходит изучение и других атомных частиц , так как теоретически они могут оказывать интересные биологические эффекты. Речь идет о нейтронах, протонах и пи-мезонах.
Хотя с момента открытия радия супругами Кюри медики пользовались в основном радиоактивными источниками естественного происхождения, современная физика высоких энергий позволяет производить целый ряд искусственных источников и изотопов. Эти радионуклиды обычно получают путем бомбардировки в атомных реакторах природных материалов тяжелыми частицами.
Преимущество искусственных источников излучения состоит в том, что так можно получать материалы с наиболее приемлемыми для поставленных задач характеристиками у-излучения и периода полураспада.
Разработка новых диагностических методов, например радиоизотопного сканирования , и внедрение новых подходов в терапии требуют создания искусственных источников излучения с заданными свойствами. Применительно к терапии требуется создание новых типов закрытых и открытых источников. Использование закрытых источников состоит в том, что радиоактивный материал помещается в изолирующий контейнер (например, платиновые иглы с радиоактивным цезием или радием).
В этом случае возможно введение радиоактивного материала именно в те ткани, которые требуется облучить, а по прошествии заданного времени удалить его из организма.
Открытые радиоактивные источники , такие как I, вводятся в организм перорально или в виде инъекции. Они проникают в кровяное русло и аккумулируются в органе-мишени (в случае с йодом - в щитовидной железе, где радиоактивное излучение действует как на опухолевую ткань, так и на нормальные ткани железы). Понятно, что в последнем случае изотопы невозможно использовать повторно.
Открытые источники широко используются в диагностике (радиоактивный технеций - в диагностическом сканировании костей и мозга). В терапии наиболее известно применение радиоактивных изотопов йода (обычно 131 I) для лечения рака щитовидной железы. Изотоп принимается перорально, избирательно накапливается в щитовидной железе и обеспечивает «внутреннее» облучение высокой интенсивности, практически не затрагивая близлежащие органы и ткани. Менее известным примером является использование радиоактивного фосфора (32 Р) для облучения костного мозга при стойкой красной полицитемии или истинной полицитемии.
Терапия с использованием радионуклидов характеризуется избирательностью, эффективностью и относительно малой токсичностью, что допускает многократное использование, в том числе в качестве паллиативного лечения. Ограничения, накладываемые на эти виды терапии, связаны с необходимостью содержать пациентов в изолированных помещениях, и трудностями с хранением радиоактивных отходов. Кроме того, многие современные методы радиотерапии довольно дорогостоящи. Тем не менее в последнее время в клинической практике год от года растет количество показаний к применению открытых радиоактивных источников в лечении онкологических заболеваний.
В клинической практике выбор естественных или искусственных зависит от поставленной задачи. Например, при интерстициальной имплантации, когда содержащие радиоактивный материал иглы помещаются в непосредственной близости или вообще внутри опухолевой ткани, все более широко используется радиоактивный цезий вместо ранее применяемого радия.
Дело в том, что радий характеризуется очень высокой радиационной активностью (количество радиоактивных распадов в секунду), и при работе с ним требуется уделять большое внимание защите медицинского персонала, проводящего данное лечение. Радиационная активность цезия значительно ниже, поэтому затраты времени и средств на защиту от излучения при работе с ним будут также значительно ниже.
Радиоактивные изотопы также используются в источниках внешнего облучения (дистанционная лучевая терапия). Почти все крупные онкологические центры укомплектованы установками для дистанционной гамматерапии, так как множество опухолей залегает достаточно глубоко и не может быть подвергнуто облучению с использованием прямой имплантации (брахитерапии). В настоящее время в качестве внешнего источника излучения наиболее широко применяется 60Со, радиоактивный изотоп, который излучает высокоэнергетические у-лучи (с энергией порядка 1,2 МэВ), обладающие достаточной проникающей способностью, чтобы достигать глубоко залегающие опухоли.
Период полураспада кобальта-60 составляет 5,3 года, поэтому источник на его основе может работать без замены изотопа в течение 3-4 лет.
Традиционная кобальтовая пушка представляет собой цилиндрический источник 60 Со, получаемый в атомных реакторах, помещенный в защитную оболочку. С помощью простого механизма источник выдвигается в рабочее положение на требуемое для проведения лечения время, а затем вновь убирается внутрь защитного кожуха.
Радиоактивные изотопы и ионизирующие излучения для диагностики и лечения широко применяются в медицине, а в ветеринарии для практического использования они не нашли широкого применения.
Радиоактивные изотопы, используемые для диагностики должны отвечать следующим требованиям: иметь короткий период полураспада, низкую радиотоксичность, возможность для регистрации их излучений, а также накапливаться в тканях обследуемого органа. Например, для диагностики патологических состояний костной ткани используют 67 Ga (галий), для диагностики первичных и вторичных опухолей скелета – изотопы стронция (85 Sr и 87 Sr), для диагностики печени – 99 Tc и 113 In (технеций и индий) для диагностики почек – 131 I (йода) и щитовидной железы 24 Na (натрия) и 131 I (йода), селезенки – 53 Fe (железа) и 52 Cr (хрома).
Радиоактивные изотопы используют для определения функционального состояния сердечно-сосудистой системы по скорости кровотока и объему циркулирующей крови. Метод основан на регистрации перемещения меченной гамма-радиоактивной меткой крови в сердце и в разных участках сосудов. Радиоизотопные методы позволяют определять минутный объем крови в сердце и объем крови, циркулирующей в сосудах, в тканях органов. С помощью радиоактивных газов, из которых чаще используется радиоизотоп ксенона (133 Хе), определяют функциональное состояние внешнего дыхания – вентиляции, диффузии в легочном кровотоке.
Изотопный метод очень эффективен при исследовании водного обмена, как в норме, так и при нарушении обмена веществ, инфекционной и неинфекционной патологии. Метод состоит в том, что в состав молекулы водорода (1 Н) вводят его радиоактивный изотоп тритий (3 Н). Меченую воду в виде инъекций вводят в кровь, с которой тритий быстро разносится по организму и проникает во внеклеточное пространство и клетки, где вступает в реакции обмена с биохимическими молекулами. При этом, прослеживая путь и скорость обменных реакций трития, определяют динамику водного обмена.
При некоторых заболеваниях крови возникает необходимость исследования функций селезенки, для этих целей используют радиоизотоп железа (59 Fe). Радиоактивное железо вводят в кровь в виде метки в составе эритроцитов или плазмы, из которых оно поглощается селезенкой, пропорционально функциональному нарушению органа. Концентрация 59 Fe в селезенке определяется путем регистрации гамма-излучения, сопровождающего радиоактивным распадом ядер 59 Fe, с помощью гамма-щупа, приложенного к области селезенки.
Широкое применение в клинической практике получило сканирование исследуемых органов – печени, почек, селезенки, поджелудочной железы и т. д. При помощи этого метода изучают распределение радиоизотопа в исследуемом органе и функциональное состояние органа. Сканирование дает наглядное представление о месте расположения органа, о его размерах и форме. Диффузное распределение радиоактивного вещества позволяет обнаружить в органе участки интенсивного накопления («горячие» очаги) или пониженной концентрации изотопа («холодные» зоны).
Лечебное применение радиоизотопов и ионизирующих излучений основано на их биологическом действии. Известно, что наиболее радиочувствительны молодые, интенсивно делящиеся клетки, к которым также относятся раковые клетки, поэтому радиотерапия оказалась эффективна на злокачественных новообразованиях и болезнях кроветворных органов. В зависимости от локализации опухоли осуществляют внешнее гамма-облучение с помощью гамма-терапевтических установок; накладывают на кожу аппликаторы с радиоактивным калифорнием (252 Cf) для контактного действия; вводят непосредственно в опухоль коллоидные растворы радиоактивных препаратов или полые иглы, заполненные радиоизотопами; вводят внутривенно короткоживущие радионуклиды, которые избирательно накапливаются в опухолевых тканях.
Задачей лучевой терапии рака является подавление способности опухолевых клеток к неограниченному размножению . При небольшом размере опухолевого очага эта задача решается путем облучения опухоли дозой, способной очень быстро подавить клоногенную активность всех клеток опухоли. Однако в большинстве случаев при лучевой терапии в зоне облучения неизбежно оказываются не только опухоль, но и окружающие ее здоровые ткани. Часть нормальных тканей подвергается облучению специально с целью подавления роста опухолевых клеток, которые проникают в нормальные ткани.
В лучевой терапии необходимо совершенствование аппаратуры и источников облучения, способных обеспечивать лучшее пространственное распределение дозы между опухолью и окружающими ее тканями. На начальном этапе развития лучевой терапии основной задачей являлось повышение энергии рентгеновского излучения , что позволяло перейти от лечения поверхностно расположенных новообразований к глубоко расположенным в тканях опухолям. Использование кобальтовых гамма-установок позволяет улучшить соотношение глубинной и поверхностной доз. При этом максимум поглощенной дозы распределятся не на поверхности опухоли, как при рентгеновском облучении, а на глубине 3–4 мм. Использование линейных ускорителей электронов позволяет проводить облучение опухоли пучком электронов высоких энергий. Наиболее совершенные установки в настоящее время снабжаются лепестковым коллиматором, который позволяет формировать поле облучения, соответствующее форме опухоли. Более точное пространственное распределение поглощенной дозы между опухолью и окружающими ее нормальными тканями получают используя тяжелые заряженные частицы, к которым относятся протоны, ионы гелия, ионы тяжелых элементов, а также π - -мезоны. Кроме технического прогресса лучевой терапии не менее важным является повышение биологической эффективности лечения, которое предполагает проведение исследований по изучению процессов, происходящих в различных тканях при облучении. При ограниченной распространенности опухолевого процесса эффективным методом лечения является облучение опухоли. Вместе с тем, только одна лучевая терапия опухолей менее эффективна. Излечение большей части больных достигается хирургическими, лекарственными и комбинированными методами в совмещении с лучевой терапией. Улучшение результативности лучевых методов лечения простым увеличением доз облучения вызывает резкое возрастание частоты и тяжести лучевых осложнений в нормальных тканях. Преодолеть этот процесс можно, во-первых, путем углубленного изучения процессов, происходящих в тканях в условиях фракционированного облучения, во-вторых, путем изучения факторов, влияющих на радиочувствительность клеток опухолей и нормальных тканей с учетом индивидуальных особенностей больных. Эти обстоятельства требуют разработки новых методов повышения эффективности лучевой терапии, в частности, за счет использования радиомодификаторов и новых режимов фракционирования дозы. Большое влияние на эффективность лучевой терапии оказывает исходная радиоустойчивость раковых клеток, которая значительно изменяется как среди опухолей различного происхождения, так и в пределах одной опухоли. К радиочувствительным новообразованиям принято относить лимфомы, миеломы, семиномы, опухоли головы и шеи. К опухолям с промежуточной радиочувствительностью относят опухоли молочной железы, рак легкого, рак мочевого пузыря. К наиболее радиоустойчивым опухолям относят опухоли нейрогенного происхождения, остеосаркомы, фибросаркомы, рак почки. Низкодифференцированные опухоли более радиочувствительны, чем высокодифференцированные. В настоящее время имеются данные о высокой изменчивости радиочувствительности клеточных линий, полученных из одной и той же опухоли. Причины широкой вариабельности радиочувствительности раковых клеток к облучению остаются невыясненными до настоящего времени.
Важной задачей раковой терапии является разработка методов селективного (избирательного) управления тканевой радио-чувствительности, направленных на повышение радио-чувствительности опухолевых клеток и увеличение радио-устойчивости клеток здоровых тканей. Фактором, значительно увеличивающим радиоустойчивость опухолевых клеток, является гипоксия , возникающая вследствие дисбаланса в скоростях размножения клеток и роста сосудистой сети, питающей эти клетки. Это было доказано на основании того, что радиоустойчивость облученных клеток значительно возрастает при дефиците кислорода или гипоксии, а также на основании того, что развитие гипоксии является логическим следствием неуправляемого роста злокачественных опухолей. Клетки опухоли растут быстрее, питающей их сосудистой сети, поэтому сосудистая сеть опухолевых клеток, по сравнению с сосудистой сетью нормальных клеток, физиологически неполноценна. Плотность капиллярной сети неравномерно распределена по объему опухоли. Делящиеся клетки, расположенные около сосудов, раздвигают капилляры, и на расстоянии 150-200 мкм от них возникают зоны хронической гипоксии, в которые не доходит кислород. Кроме этого неуправляемое деление клеток приводит к периодическому повышению внутриопухолевого давления, из-за которого происходит временное сдавливание отдельных капилляров и прекращение в них микроциркуляции крови, при этом напряжение кислорода (рО 2) может падать до нулевых значений, и поэтому наблюдается состояние острой гипоксии. В таких условиях часть наиболее радиочувствительных клеток опухоли погибает, а радиоустойчивые клетки остаются и продолжают деление. Эти клетки называются гипоксическими опухолевыми клетками .
Методы управления тканевой радиочувствительностью при лучевой терапии основаны на различиях в кровоснабжении и кислородных режимах, метаболизме и интенсивности деления клеток опухолей и нормальных тканей. Для повышения радиочувствительности гипоксических опухолевых клеток в качестве сенсибилизатора используется кислород . В 1950 г. английскими учеными был разработан метод оксибарорадиотерапии , при котором на время сеансов лучевой терапии больной помещается в барокамеру, в которой находится кислород под давлением в три атмосферы. В этом случае кислородом насыщается гемоглобин и значительно увеличивается напряжение кислорода, растворенного в плазме крови. Использование этого метода позволило значительно улучшить лечение нескольких видов опухолей, в первую очередь рака шейки матки и новообразований головы и шеи. В настоящее время используется другой метод насыщения клеток кислородом – дыхание карбогеном, смесью кислорода и 3–5 %-ного углекислого газа , которые усиливает легочную вентиляцию за счет стимулирования дыхательного центра. Улучшению лечебного эффекта способствует назначение больным никотинамида – препарата, расширяющего кровеносные сосуды. Большое внимание уделяется разработке химических соединений, обладающих электронакцепторными свойствами, имеющих, как и кислород, не спаренный электрон, благодаря которому обеспечивается высокая реакционная способность. В отличие от кислорода, электронакцепторные сенсибилизаторы не используются клеткой в процессе энергетического метаболизма и поэтому они более эффективны.
Кроме гипоксии в радиационной онкологии используют гипертермию , т. е. кратковременный, в пределах 1 часа, локальный нагрев отдельных участков тела (локальная гипертермия) или нагрев всего тела, за исключением головного мозга до температуры 40– 43,5 0 C (общая гипертермия). Такая температура вызывает гибель некоторой части клеток, которая увеличивается в условиях пониженного напряжения кислорода, характерного для гипоксических зон злокачественных новообразований. Гипертермия применяется для лечения только отдельных злокачественных и доброкачественных новообразований (главным образом аденомы простаты). Для достижения более высоких эффектов лечения гипертермию используют в сочетании с лучевой терапией и химиотерапией, при этом гипертермию проводят до или после облучения. Сеансы гипертермии проводят 2–3 раза в неделю, при этом чаще используется прогрев опухоли после сеанса облучения, чтобы обеспечить в опухоли более высокую температуру, чем в нормальных тканях. При высокой температуре в опухолевых клетках синтезируются особые белки (белки теплового шока), которые участвуют в радиационном восстановлении клеток, поэтому часть повреждений в облученных клетках опухоли восстанавливается, а повторное облучение вызывает гибель этих восстановленных клеток и вновь образующихся клеток. Установлено, что одним из факторов усиления эффекта облучения с помощью гипертермии является подавление репарационных способностей раковой клетки.
Экспериментально доказано, что при облучении клеток, нагретых до температуры 42 0 С, поражающий эффект зависит от рН клеточной среды, при этом наименьшая гибель клеток наблюдалась при рН = 7,6, а наибольшая – при рН = 7,0 и менее. Для повышения эффективности лечения опухоли, в организм вводят большое количество глюкозы, которую жадно поглощает опухоль и преобразует ее в молочную кислоту, поэтому в клетках опухоли рН снижается до 6 и 5,5. Введение в организм повышенного количества глюкозы также увеличивает в крови содержание сахара в 3–4 раза, поэтому значительно снижается рН и усиливается противоопухолевое действие гипертермии, которое проявляется в массовой гибели клеток.
При разработке методов облучения опухоли встает проблема противолучевой защиты нормальных тканей , поэтому необходимо разрабатывать методы, способствующие повышению радиоустойчивости нормальных тканей, что в свою очередь позволит увеличить дозы облучения опухолей и повысить эффективность лечения. В настоящее время доказано, что в условиях гипоксии лучевое поражение опухолевых клеток значительно усиливается по сравнению с облучением на воздухе. Это дает основание использовать для избирательной защиты нормальной ткани методы облучения опухолей в условиях газовой (кислородной) гипоксии. В настоящее время продолжается поиск химических радиопротекторов, которые бы оказывали избирательное защитное действие только для нормальных тканей и в тоже время не защищали клетки опухолей от поражения.
При лечении многих онкологических заболеваний используется комплексная терапия, т. е. совместное применение облучения и химиотерапевтических препаратов, которые оказывают радиомоди-фицирующее действие. Облучение используется для подавления роста основной опухоли, а лекарственная терапия – для борьбы с метастазами.
В лучевой терапии широко используются тяжелые ядерные частицы – протоны, тяжелые ионы, π-мезоны и нейтроны разных энергий . Пучки тяжелых заряженных частиц создаются на ускорителях, имеют малое боковое рассеяние, что позволяет формировать дозовые поля с четким контуром по границе опухоли. Все частицы имеют одинаковую энергию и соответственно одинаковую глубину проникновения в ткань, что позволяет меньше облучать нормальные ткани, находящиеся по ходу пучка за пределами опухоли. У тяжелых заряженных частиц линейные потери энергии увеличиваются в конце пробега, поэтому создаваемая ими физическая доза в тканях не уменьшается с увеличением глубины проникновения, как при облучении редко ионизирующими излучениями, а возрастает. Увеличение поглощенной в тканях дозы излучения в конце пробега носит название пика Брэгга. Расширить пик Брэгга до размера опухоли можно при использовании на пути пробега частиц так называемых гребенчатых фильтров. На рисунке 6 приведены результаты оценки глубинного распределения дозы, создаваемого разными видами излучения, при облучении опухоли диаметром 4 см, располагающейся в теле на глубине 8–12 см.
Рис. 6. Пространственное распределение поглощенной дозы излучений разных видов излучений
Если относительная доза облучения, равная единице, приходится на середину опухоли, т. е. 10 см от поверхности тела, тогда при гамма- и нейтронном облучении доза на входе пучка (т. е. в нормальных тканях) вдвое превышают дозу в центре опухоли. При этом облучение здоровых тканей происходит и после прохождения пучка излучений через злокачественную опухоль. Иная картина наблюдается при использовании тяжелых заряженных частиц (ускоренных протонов и π-мезонов), которые основную энергию передают непосредственно опухолям, а не нормальным тканям. Доза, поглощенная в опухоли, выше, чем доза, поглощенная в нормальных тканях, расположенных по ходу пучка, как до проникновения в опухоль, так и после выхода из опухоли.
Корпускулярную терапию (облучение ускоренными протонами, ионами гелия и водорода) используют при облучении опухолей, расположенных вблизи от критических органов. Например, если опухоль локализована рядом со спинным мозгом, тканями головного мозга, вблизи радиочувствительных органов малого таза, в глазном яблоке.
Нейтронная терапия оказалась наиболее эффективной при лечении нескольких видов медленно растущих опухолей (рака простаты, саркомы мягких тканей, рака слюнных желез). Для облучения используют быстрые нейтроны с энергией до 14 МэВ. В последние годы возрос интерес к нейтронзахватной терапии , для которой используются тепловые нейтроны с низкой энергией 0,25–10 кэВ, которые образуются в атомных реакторах и по отдельным каналам выводятся в расположенные рядом с реактором процедурные помещения. Для нейтронного захвата используются атомы бора-10 и гадолиния-157. При захвате нейтрона атомами бора-10 происходит его распад на атомы лития и альфа-частицы, пробег которых в тканях равен нескольким клеточным диаметрам, поэтому зона интенсивного воздействия излучения может ограничиваться только клетками, в которых будет высокое содержание бора. Захват нейтронов гадолинием-157 также приводит к распаду его ядер, который сопровождается гамма-излучением и образованием двух типов электронов – электорнов Оже и электронов конверсии. Электроны Оже имеют очень короткий пробег, поэтому, чтобы вызвать поражение клетки гадолиний должен находиться в самой клетке, однако гадолиний в клетку не проникает, поэтому основной поражающий эффект вызывают электроны конверсии, возникающие при распаде гадолиния в межклеточном пространстве. Для нейтронзахватной терапии необходимо обеспечить доставку бора и гадолиния непосредственно в опухолевые клетки или хотя бы в межклеточное пространство. Необходимым условием при этом является обеспечение поступления этих элементов только в опухолевые ткани исключая при этом возможность поступления их в клетки нормальных тканей. Для выполнения этого условия необходимо использование синтетических носителей бора и гадолиния.
Разные виды опухоли значительно различаются по скорости роста. Скорость опухолевого роста определяется не только длительностью клеточного цикла, но и долей постоянно погибающих и удаляемых из опухоли клеток. В нормальных тканях, оказавшихся в зоне облучения также имеются клетки в разных стадиях цикла, причем соотношение между делящимися и покоящимися клетками не одинаково в начале и в конце облучения. Глубина поражения клеток опухоли и нормальных тканей после однократного облучения определяется их исходной радиочувствительностью, а при фракционированном облучении – дополнительно и эффективностью восстановления клеток от сублетальных поражений. Если перерыв до второй фракции облучения составляет 6 и более часов, тогда возможна практически полная репарация повреждений данного вида клеток, поэтому эти клетки не погибают. Одновременно с восстановлением у некоторых видов клеток регистрируется гибель. Например, клетки лимфоидного происхождения начинают погибать уже в первые сутки после облучения. Гибель летально пораженных клеток другого происхождения (т. е. нелимфоидного), как опухолевых, так и здоровых тканей, растягивается на несколько дней и происходит, как во время очередного деления, так и спустя несколько часов после него. Клетки опухолей, находящиеся вне цикла, также как и покоящиеся клетки нормальных тканей, в течение определенного времени могут не проявлять признаков летального поражения. Непосредственно после облучения большинство опухолей продолжает рост даже после облучения высокой дозой, которая впоследствии приведет к гибели значительной части клеток. Это происходит по причине деления клеток, сохранивших жизнеспособность, а также по причине нескольких делений летально пораженных клеток.
Сразу после лучевого воздействия в опухоли возрастает доля относительно радиоустойчивых клеток, находящихся в момент воздействия в состоянии гипоксии и клеток, находящихся в наиболее радиоустойчивых фазах клеточного цикла. При получении стандартного курса лучевой терапии, когда фракции проводятся с интервалом 24 часа, к моменту очередного облучения клетки проходят следующие процессы. С одной стороны, благодаря восстановлению от потенциально летальных и сублетальных поражений, радиоустойчивость опухолевых и нормальных клеток повышается. С другой стороны, одновременное возобновление деления и переход клеток из наиболее радиоустойчивых стадий в более радиочувствительные, приводит к повышению радиочувстви-тельности. Эти процессы воспроизводятся после каждой фракции облучения, поэтому через некоторое время после начала курса облучения количество погибших клеток начинает превышать количество вновь образовавшихся клеток, поэтому опухоль уменьшается в объеме. По мере продолжения курса облучения наступает момент ускоренного деления клеток опухолевой и нормальной тканей, которое приводит к репопуляции этих тканей (или к самовосстановлению). Репопуляция осуществляется благодаря сохранившимся опухолевым клеткам, способным к делению, которые при этом получают достаточное количество питательных веществ и кислорода, поэтому рост опухоли возобновляется. При фракционированном облучении необходимо знать скорость репопуляции опухолей, потому что при фракционировании дозы незначительное увеличение интервала между фракциями может привести к возникновению динамического равновесия, при котором степень подавления роста опухоли на единицу дозы будет падать.
В настоящее время наиболее широко применяют курс лечебной терапии с ежедневным облучением опухоли дозой 2 Гр, при этом общая суммарная доза составляет 60 Гр, а общая длительность курса – 6 недель. Для повышения эффективности лучевой терапии используют новые режимы фракционирования дозы – мультифракционирование – ежедневное проведение 2–3-х фракций вместо одной, что способствует снижению тяжести отдаленных лучевых поражений. При лучевой терапии большинства злокачественных опухолей пока не возможно 100 %-ное излечение онкобольных.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, знание закономерностей биологического действия ионизирующего излучения на уровне клеток, микроорганизмов, а также организма растений и животных, позволяет широко применять ионизирующие излучения в различных радиационно-биологических технологиях.
Литература
1. Г р о д з и н с к и й Д. М. Радиобиология растений / Д.М. Гродзинский.Киев: Навукова думка, 1989. 384 с.
2.Г у л я е в, Г. В. Генетика. – 3-е изд., перераб. и доп. / Г.В. Гуляев. М.: Колос, 1984. 351 с.
3. И в а н о в с к и й, Ю. А. Эффект радиационной стимуляции при действии больших и малых доз ионизирующего облучения / Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук. Владивосток. 2006 г. - 46 С.
4. К а у ш а н с к и й, Д. А., К у з и н, А.М. Радиационно-биологическая технология / Д.А. Каушанский, А.М. Кузин. М.: Энергоатомиздат. 1984. 152 С.
5. К у з и н, А. М., Каушанский, Д.А. Прикладная радиобиология: (теоретические и технические основы) / А.М. Кузин, Д.А. Каушанский. М.: Энергоатомиздат. 1981. 224 с.
6. Р а д и о б и о л о г и я / А.Д. Белов, В.А. Киршин, Н.П. Лысенко, В.В. Пак и др. /Под Ред. Белова. М.:Колос,1999. 384С.
7.С а м с о н о в а, Н. Е. Ионизирующая радиация и сельскохозяйственное производство. 2007г.
8. Я р м о н е н к о, С. П. Радиобиология человека и животных: Учеб. Пособие / С.П.Ярмоненко. – М.: Высш. Шк., 2004.– 549 с.
9.Использование радионуклидов и ионизирующих излучений в защите растений (сборник научных трудов) / Алма-Ата, Восточное отделение ВАСХНИЛ,1980. 132 с.
10. А н д р е е в, С. В., Е в л а х о в а, А. А. Радиоактивные изотопы в защите растений / С.В. Андреев, А.А. Евлахова, .Ленинград, «Колос», 1980. 71 с.
11.Радиационная обработка пищевых продуктов / под редакцией В. И. Рогачева. Москва, Атомиздат,1971. 241 с.
П Р И Л О Ж Е Н И Е
Введение………………………………………………………………………………………..3
1.РАДИАЦИОННО-БИОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
1.1. Области применения радиационно-биологической технологии……………………….4
1.2. Радиационный мутагенез как основа получения новых сортов сельскохозяйственных растений, микроорганизмов…………………………………………………………………..6
1.3.Использование стимуляционного действия ионизирующего излучения в отраслях сельского хозяйства…………………………………………………………………………..12
1.4.Использование ионизирующих излучений при производстве кормов и кормовых добавок для сельскохозяйственных животных……………………………………………..19
1.5.Применение ионизирующего излучения для радиационной стерилизации………….20 ветеринарных принадлежностей, бактерийных препаратов и для получения радиовакцин
1.6.Радиационная стерилизация животных и насекомых-вредителей……………………27
1.7. Использование радиоактивных изотопов в качестве индикаторов
в животноводстве……………………………………………………………………………..29
1.8. Использование радиоактивных изотопов в качестве индикаторов
в растениеводстве…………………………………………………………………………….31
1.9. Радиационное обеззараживание навоза и навозных стоков животноводческих ферм. Дезинфекция сырья животного происхождения при инфекционных заболеваниях……..31
2. РАДИАЦИОННО-БИОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ В ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ………………………………………………………………………32
2.1. Использование ионизирующих излучений в пищевой промышленности для продления сроков хранения продукции животноводства, растениеводства, овощеводства и рыбоводства…………………………………………………………………………………32
2.2..Изменение качества сырья с целью улучшения его технологической обработки…..39
2.3.Ускорение медленно идущих процессов в пищевой технологии…………………….41
3. РАДИАЦИОННО-БИОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ В МЕДИЦИНЕ……………..42
3.1.Использование ионизирующих излучений в медицинской промышленности, для диагностики и лечения болезней человека и животных…………………………………...42
3.2.Использование радиоактивных изотопов и ионизирующих излучений для диагностики и лечения болезней…………………………………………………………….44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………………….54
Приложения…………………………………………………………………………………..56
Радиационная стерилизация питательных сред для культивирования микробов и вирусов способствует повышению питательных свойств для некоторых видов микроорганизмов. Например, для азотфиксирующих клубеньковых бактерий. Лучшей питательной средой является торфяной нитрагит, подвергнутый радиационной стерилизации. При радиационной стерилизации субстрата повышается содержание микробных тел в готовом препарате и снижается зараженность посторонней микрофлорой, по сравнению с тепловой стерилизацией.