Biofizyka wyk4

Biofizyka

Wykład 4 – 06.03.2015

dr. Ewa Tarnowska - Sokołow

Promieniowanie jonizujące

Promieniowanie jonizujące zawsze towarzyszyło życiu na Ziemi – promieniowanie tła. Źródła promieniowania:

Promieniowanie jonizujące jest czynnikiem fizycznym którego oddziaływanie na żywe organizmy obok pożądanych efektów zawsze związane jest z ryzykiem wystąpienia negatywnych skutków.

Źródła promieniowania stworzone przez człowieka:

W chwili obecnej promieniowanie ze źródeł cywilizacyjnych obarcza populacje ludzkie średnio dawką równą wartości tła.

Oddziaływania promieniowania jonizującego z materią - etapy:

  1. Stadium fizyczne – jonizacja i wzbudzenie

  2. Stadium chemiczne – powstawanie wolnych rodników oraz reakcje pomiędzy rodnikami i rodników z obojętnymi cząsteczkami

  3. Stadium biologiczne

Każde stadium jest dłuższe od poprzedniego – fizyczne trwa 10-13s a biologiczne może trwać dni a nawet lata.

Etap fizyczny :

Zdolność do wzbudzenia i jonizacji atomów i cząsteczek:


hv → M* → M+ + e

Wynik jonizacji – jon dodatni M i swobodny elektron (może utworzyć jon ujemny)

Promieniowanie jonizujące może mieć charakter korpuskularny lub fali elektromagnetycznej.

Promieniowanie jonizujące dzielimy na:

Promieniowanie jonizujące bezpośrednio – promieniowanie korpuskularne

Jonizacja – wynik elektrostatycznego oddziaływania pomiędzy cząsteczkami obdarzonymi ładunkiem a elektronami walencyjnymi atomów lub cząsteczek środowiska

Miara jonizacji – liczba par jonów wyzwolonych wzdłuż jednostki drogi cząsteczki jonizującej.

Intensywność jonizacji określa LET – utrata energii (E) przez cząstkę jonizującą na jednostce drogi (l).


$$LET = \ \frac{E}{l}\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ LET = \ \frac{\text{NZ}q^{2}}{v^{2}}$$


gdzie:


N − liczba atomow w jednostce odleglosci od osrodka z ktorym


 oddzialywyje czastka jonizujaca,  


Z −  liczba atomowa atomow osrodka,                                        


 q − laduknek czastki jonizujacej,                                                   


v − predkosc czastki jonizujacej                                                  

Zdolność do jonizacji jest tym większa im cząstka jonizująca ma większy ładunek i mniejszą prędkość. Dla cząstek o tej samej energii zdolność do jonizacji jest wprost proporcjonalna do ich masy.

Promieniowanie jonizujące pośrednio – promieniowanie elektromagnetyczne (X, γ)

  1. zjawisko fotoelektryczne – wybijanie elektronów z atomów, fotoelektron. Fotoelektron zużywa Ek na jonizację lub wzbudzenie atomów i cząsteczek. Zasięg fotoelektronu w tkankach miękkich – 0,02 – 4,5mm

  2. zjawisko Comptona – sprężyste zderzenie fotonu z elektronem

$hv = h\overset{\acute{}}{v} + \frac{mv^{2}}{2}$

Atomy stają się jonami (+) rozproszony foton może wywołać fotoefekt a elektron comptonowski jeśli ma odpowiednią Ek jonizuje atomy i cząsteczki.

  1. Zjawisko tworzenia par elektron – pozyton

Gdy E > 1,02MeV – zmiana energii promieniowania na masę dwóch cząstek elementarnych


hv = 2mc2 + Ek+ + Ek

Wytworzone elektrony jonizują cząsteczki ośrodka. Pozytony po utracie zdolności jonizacyjnej ulegają anihilacji w zderzeniu z elektronem – wypromieniowują dwa kwanty promieniowania γ (PET) – pozytonowa emisja transmisyjna

Przenikliwość promieniowania przez materię:

Dozymetria promieniowania jonizującego

Skutki biologiczne zależą od ilości pochłoniętej energii dla oceny której wprowadzono pojęcie dawki pochłoniętej i ekspozycyjnej.

Dawka pochłoniętego promieniowania (D)

Jest to ilość energii promieniowania pochłonięta przez jednostkę masy.


$$D = \ \frac{E}{m}$$


$$1Gy = 1\frac{J}{\text{kg\ }}\ \ \ \ \ \ \ \ 1rad = 0,01\ Gy\ $$

Dawka ekspozycyjna – ilość ładunków jednego znaku (Qwytworzonych przez promiwniowanie jonizujące w jednostce masy (mpowietrza.


$$X = \ \frac{Q}{m}\ \ \ \ \ \ \ \ \ D = f*X\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ gdzie:$$


f − rownowaznik energetyczny danego typu promieniowania


$$\left\lbrack X \right\rbrack = 1R = 2,58*10^{- 3}\frac{C}{\text{kg}}$$

Skutki biologiczne zależą także:


$$P_{D} = \frac{D}{t}$$

Ocena biologicznego działania promieniowania jonizującego

Promieniowanie jonizujące spośród czynników fizycznych wyróżnia:

Czynniki wpływające na intensywność reakcji radiobiologicznych komórek i tkanek

Skutki biologiczne są większe jeżeli w momencie napromieniowania występował w napromieniowanych komórkach tlen. Efekt tlenowy ujawnia się przede wszystkim dla promieniowania o niskim LET – X, γ.

Za efekt tlenowy odpowiedzialny jest nadtlenek wodoru H2O2

Efekt tlenowy ujawnia się często w terapii nowotworów . W szybko rozwijających się nowotworach występuje zjawisko niedotlenienia komórek. Komórki takie są odporne na działanie promieniowania X

Im mniejsza jest moc dawki tym mniejsza na ogół uszkodzenie żywej materii mimo że całkowita energia pochłonięta zostaje ta sama.

Skuteczność naprawy uszkodzeń popromiennych zwiększa się w miarę wydłużania się czasu pomiędzy kolejnymi oddziaływaniami promieniowania jonizującego na komórki

Najbardziej narażone na działanie promieniowania jonizującego są komórki w okresie:

Komórki napromieniowane w stadium mitozy kończą podział. Komórki napromieniowane w innych fazach cyklu życiowego – następuje opóźnienie przejścia w następne fazy.

Radiowrażliwość komórek i tkanej jest tym większa im większe są:

Radiowrażliwość Narządy / tkanki
Wysoka Narządy limfatyczne, szpik kostny, jądra, jajniki , jelito
Względnie wysoka Skóra i inne narządy o pokrywie nabłonkowej, (rogówka, jama ustna, przełyk, odbytnica, pochwa, szyjka macicy, pęcherz moczowy), soczewka oka, żołądek
Średnia Naczynia włosowate, tkanka chrzęstna i kostna w okresie wzrostu
Względnie niska Dojrzałe chrząstki i kości, gruczoły ślinowe, narząd oddechowy, nerki, wątroba , trzustka, nadnercza, przysadka
Mała Mięśnie, mózg, tkanka nerwowa

Dawki pochłonięte w badaniach medycznych

Prześwietlenia

Dawka (mSv)

Klatka piersiowa 0,06

Czaszka 0,20

Przewód pokarmowy 2,45

Badania izotopowe

Tarczyca 5,90

Serce 7,10

Nerki 3,10

Średnia dopuszczalna dawka promieniowania jonizującego dla całego ciała dla ogółu populacji źródeł sztucznych wynosi 1mSv/rok

Dawka graniczna dla osób narażonych zawodowo na promieniowanie jonizujące wynosi 20mSv/rok

Spontaniczne przemiany jądrowe


ZAX

Z – liczba atomowa – ilość protonów, określa właściwości chemiczne

A – liczba masowa – ilość nukleonów

Liczba neutronów N= A-Z

Izotopy różnią się ilością nukleonów w jądrze

Promieniotwórczość naturalna – spontaniczny rozpad nietrwałych jąder atomów – emisja cząstek α, β+, β-, lub kwantów γ

Przemiana α – emisja jądra cząstki α – odchyla w polu E i B, silnie oddziaływane z materią, duża energia, mały zasięg, w tkance <1mm

Przemiana β- - odchylane w polu E i B energia 1 MeV, mniejsze oddziaływanie z materią, większy zasięg w powietrzu, zaczernia kliszę fotograficzną. Jest to emisja z jądra z równoczesną przemianą neutronu w jądrze w proton.


$$_{Z}^{A}X \rightarrow_{Z + 1}^{A}X +_{- 1}^{0}{\beta + \ \overset{\overline{}}{\nu}}$$

Przemiana β+ - jest to emisja z jądra z przemianą protonu w jądrze w neutron.


$$_{Z}^{A}X \rightarrow_{Z - 1}^{A}X +_{+ 1}^{0}{\beta + \ v}$$

Neutrino i antyneutrino ulegają reakcji anihilacji (rozpadu) wraz z wydzieleniem energii.

Przemiana γ – występuje wówczas gdy jądro znajduje się w stanie wzbudzonym (po emisji α lub β) przechodzi do stanu wzbudzonego o niższej energii lub do stanu podstawowego. Energia kwantu promieniowania elektromagnetycznego o energii E:


$$E = hV\ \ \ \ \ \ \ gdzie\ h\ to\ stala\ Plancka = 6,62*10^{- 34\ }\frac{J}{s}$$


$$_{Z}^{A}X^{*} \rightarrow_{Z}^{A}X +_{0}^{0}\gamma$$

Fala elektromagnetyczna nie odchyla się w polu E i B, bardziej przenikliwe niż poprzednie, zaczernia kliszę fotograficzną i wywołuje luminescencję.

Prawo rozpadu spontanicznego –opisuję zachodzącą w czasie zmianę liczy jąder pierwiastka promieniotwórczego:


N =  N0 *  eλt


gdzie : N0 − liczba jader w chwili poczatkowej dla t = 0,


  N − liczba jader ktore pozostaly po czasie t,  


λ − stala rozpadu (charakteryzujaca rozpad jader danego rodzaju),  


e = 2, 72

Charakterystykę rozpady można oceniać na podstawie znajomości 𝝀 lub czasu połowicznego zaniku T1/2 


$$T_{1/2\ } = \ \frac{\ln 2}{\lambda} = \frac{0,693}{\lambda}$$

Aktywność pierwiastków promieniotwórczych:


$$A = \frac{N}{t} = - \lambda N$$


gdzie : N − ilosc rozpadow pormieniotworczych zachodzacych w czasie  t,  


λ − stala rozpadu,  


N − liczba czasteczek ktore ulegly rozpadowi  

Jednostką aktywności w układzie SI jest Bq:


$$1Bq = 1\frac{\text{rozpad}}{s}$$

Wpływ podwyższonego ciśnienia na organizm człowieka

Ciśnienie(p) – wielkość fizyczna informująca nas o tym, jaki jest nacisk ciała (F) na jednostkę powierzchni (S) na którą działa.


$$p = \ \frac{F}{S}$$

Jednostką ciśnienia jest 1 Pa (Pascal) – ciśnienie ma wartość 1 Pa gdy siła o wartości 1 N wywiera nacisk na powierzchnię 1 m2. W użyciu obecne są również:


1at = 1bar = 0, 1MPa = 10 m H2O

Ciśnienie wzrasta o 1 atm. Na każde 10 m zanurzenia się w wodzie słodkiej a o 9,75m wody morskiej.

Zwiększone ciśnienie:

Działanie biochemiczne zwiększonego ciśnienia:

Biochemiczne działanie azotu

Biochemiczne podstawy narkozy azotowej

Azot zależnie od ciśnienia parcjalnego może rozpuszczać się w mniejszym lub większym stopniu w błonie komórkowej. Rozpuszczając się tam zaburza lipidową strukturę błony. Utrudnia to przesyłanie impulsów nerwowych w komórkach wywołując powyższe efekty.

Działanie mechaniczne obniżonego ciśnienia

Część gazów zawartych w organizmie człowieka jest jednak rozpuszczalna w cieczach i tkankach. Ilość rozpuszczalnych gazów w płynach ustrojowych i tkankach zgodnie z prawem Henry’ego jest wprost proporcjonalna przy stałej temperaturze do ich ciśnień cząstkowych (dotyczy przede wszystkim azotu). Podczas spadku ciśnienia powietrza zmniejszają się ciśnienia cząstkowe jego składników dlatego mogą być rozpuszczone we krwi i tkankach odpowiednio mniejsze objętości tych gazów. Nadmiar gazów (zwłaszcza azotu) uwalnia się w postaci pęcherzyków które czopują małe naczynia krwionośne.

Hipoksja wywołuje wiele zmian w organizmie o charakterze adaptacyjnym, poprzez różne reakcje nerwowe. W zależności od szybkości przemieszczania się człowieka na znaczną wysokość mogą rozwijać się różne stany chorobowe

Rodzaj choroby Objawy, okoliczności wystąpienia
Ostra hipoksja Ograniczenie sprawności umysłowej, zapaść krążenia- po nagłym wzniesieniu na wysokość ponad 5500m;w lotnictwie w sytuacjach awaryjnych i w sporcie lotniczym
Ostra choroba wysokogórska Bóle głowy, nudności, wymioty, zaburzenia snu, duszności; powyżej 2500m
Ostry wysokościowy obrzęk płuc Duszności, kaszel, osłabienie, bóle głowy, osłupienie, rzadko śmierć; ponad 3000m; konieczne szybkie zejście w dół i leczenie
Ostry wysokościowy obrzęk mózgu Silne bóle głowy, halucynacje, osłabienie, zaburzenia kojarzenia, osłupienie, śmierć; ponad 3000-3600m; występuje rzadko; konieczna szybka ewakuacja w dół i leczenie
Podostra i przewlekła choroba górska przedłużająca się ostra choroba górska; duszność, zmęczenie, krwawe wybroczyny; występuje rzadko

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
biofiza cw 31
BIOFIZYKA
Biofizyka 4
Biochemia z biofizyką Seminarium 2
Biofizyka 3 0809
biofizyka wyklad 09
Biofizyka komórki II Propagacja impulsu
biofizyka wyklad 04
7 [ Biofizyczne metody monitorowania ciąży ]
biofizyka 11 09 10
Wyk4 term
wyk4 3
Biofizyka kontrolka do cw nr 20
BIOFIZYCZNE MONITOROWANIE CIAZY Nieznany (2)
Biofizyka egzamin pytania teoretyczne

więcej podobnych podstron