Biofizyka
Wykład 2
Elementy radiochemii i
przemiany jądrowe
Budowa jądra atomowego
Jądro atomowe (nuklid)  zbudowane jest z nukleonów  protonów i neutronów. Suma nukleonów-
liczba masowa - M. Liczba atomowa Z  liczba protonów w jądrze.
1908 rok  odkrycie jądra atomowego (E. Rutherford)
1932 rok  odkrycie neutronu (James Chadwick)
Atomy posiadające jądra o tej samej liczbie protonów, ale
różnej neutronów nazywa się izotopami (1913  Thomson).
E. Rutherford
J. Chadwick
Budowa jądra atomowego
Izobary  atomy posiadające jądra atomowe o równej liczbie masowej A, różniące się liczbą atomową.
5���5��� 5���5���
7 protonów, 7 neutronów
6 protonów, 8 neutronów
5�� 5� �
5��� 5���
Atomy posiadające jądra o tej samej liczbie neutronów, ale różnej protonów nazywa się izotonami.
5���5�� 5���5���
7 protonów, 7 neutronów
6 protonów, 7 neutronów
5�� 5� �
5��� 5���
Izotopy, ze względu na stabilność, dzieli się na:
- trwałe (nie ulegające samorzutnej przemianie na izotopy tego samego lub innych pierwiastków),
- nietrwałe, zwane izotopami promieniotwórczymi (ulegające samorzutnej przemianie na inne izotopy,
zazwyczaj innego pierwiastka).
Pierwiastki występują naturalnie zwykle jako mieszanina izotopów. Jest to główna przyczyna, dla
której masy atomowe pierwiastków nie są liczbami całkowitymi.
Pierwiastek - zbiór wszystkich atomów posiadających jednakową liczbę protonów w jądrze.
Budowa jądra atomowego
Istnieją nuklidy promieniotwórcze o tych samych wartościach liczb masowej A i atomowej Z, które
różnią się właściwościami promieniotwórczymi  energią emitowanych cząstek, okresem połowicznego
rozpadu. Takie jądra nazywamy izomerami lub jądrami izomerycznymi. Zjawisko izomerii jądrowej
234
odkrył w 1931 roku O. Hahn. Zaobserwował on, że obok izotopu protaktynu Pa, ulegającego
przemianie �, z okresem połowicznego rozpadu 1,17 minut, istnieje ten sam izotop, także ulegający
przemianie �, jednakże z innym okresem połowicznego rozpadu (6,7 h) i o innej energii emitowanych
cząstek �.
Ruda uranitowa zawierająca protaktyn (0,3-3 ppm).
Pierścień wykonany z plutonu o masie 5,3 kg.
y
ródło: Za: wikipedia.org
y
ródło: Los Alamos National Laboratory, Za: wikipedia.org
Budowa jądra atomowego
Trwałość jąder atomowych zależy od liczby nukleonów (A) oraz od stosunku N/Z liczb neutronów (N) i
protonów (Z). Najtrwalszymi jądrami są jądra o liczbie nukleonów 25 d" A d" 150, w których energia
wiązania jądra przypadająca na jeden nukleon jest największa. Jądra o parzystych liczbach N i Z
(parzysto-parzyste) są najczęściej trwalsze od jąder, dla których jedna z tych liczb jest nieparzysta.
Wszystkie ciężkie jądra o liczbie masowej A e" 210 (od polonu włącznie)  są promieniotwórcze. Dla
jąder o Z d" 83 tylko technet nie ma trwałego izotopu.
Promieniotwórczość
Promieniotwórczość, rozpad promieniotwórczy to właściwość wzbudzonych jąder atomowych
pewnych pierwiastków do samorzutnego rozpadu i emisji cząstek ą, �, fotonów ł. W przyrodzie
występuje oprócz 264 trwałych jąder pewna liczba nuklidów promieniotwórczych. Mówimy wówczas o
naturalnej promieniotwórczości.
Liczba jąder rozpadających się w jednostce czasu dN/dt jest proporcjonalna do liczby N jąder
istniejących, czyli tych które nie uległy jeszcze rozpadowi:
5��5� �
= -5���5� �
5��5�-�
  stała rozpadu promieniotwórczego, charakteryzuje dany nuklid promieniotwórczy.
Przekształcając równanie (całkowanie) otrzymamy:
N = N0e-t
N0- liczba jąder pierwiastka promieniotwórczego w chwili t=0, N-liczba cząstek jąder tego pierwiastka
po czasie t, e-podstawa logarytmu naturalnego
Promieniotwórczość
Oznaczmy przez T czas, w którym ulegnie rozpadowi połowa początkowej liczby jąder, czyli dla t=T i
N=N0/2. Równanie przyjmuje postać:
1/2 = e-t
Po zlogarytmowaniu obu stron równania otrzymamy zależność pomiędzy stałą rozpadu
promieniotwórczego  i okresem połowicznego rozpadu T danego pierwiastka:
5���, 5���5���5��
5�� =
5���
Wykres przebiegu rozpadu promieniotwórczego
Odkrycie promieniotwórczości
Radioaktywność (promieniotwórczość)  zdolność jąder atomowych do rozpadu
promieniotwórczego, który najczęściej jest związany z emisją cząstek alfa, cząstek beta oraz
promieniowania gamma.
1896 rok  odkrycie promieniotwórczości
 H. Bequerel
1898 rok  odkrycie polonu  Piotr i Maria Curie
1903 rok  Nagroda Nobla  Piotr i Maria Curie
oraz Henri Bequerel za odkrycie i wyjaśnienie Henri Bequerel
zjawiska promieniotwórczości
Radiochemia  dział nauki (chemii jądrowej) poświęcony badaniom
przemian chemicznych substancji promieniotwórczych oraz
własności fizykochemicznych związków zawierających określone
Piotr i Maria Curie
izotopy. Pionierem radiochemii była M. Curie-Skłodowska
Rozpady promieniotwórcze
Podczas rozpadu ą z jądra wyrzucane są cząstki ą, czyli jądra helu (4He = ą).
2
5�� 5��-5��� 5���
5�� 5�� + 5���
5�� 5��-5��� 5���
Rozpad � jąder atomowych może być realizowany w trzech różnych procesach: rozpad �-, rozpad �+,
wychwyt elektronu orbitalnego (wychwyt K).
Podczas rozpadu �- z jądra wyrzucana jest cząsteczka �-, czyli elektron. Proces ten jest poprzedzony
przemianą w jądrze neutronu w proton, elektron i antyneutrino (}):
5��� 5��� 5���
5�'� 5�)� + 5�� + }
5��� +5��� -5���
Rozpad �- opisuje równanie:
5�� 5�� 5���
5�� 5�� + 5��� + }
5�� 5��+5��� -5���
Rozpady promieniotwórcze
Przy rozpadzie �+ z jąder emitowane są pozytony, czyli dodatnie elektrony (�+=e+). W jądrze zachodzi
przemiana protonu w neutron, pozyton i neutrino (�).
5��� 5��� 5���
5�)� 5�'� + 5�� + 5���
+5��� 5��� +5���
Rozpad �+ opisuje równanie:
5�� 5�� 5���
5�� 5�� + 5��� + 5���
5�� 5��-5��� +5���
Przekształcenie protonu w neutron w jądrze może zajść również na skutek wychwytu przez jądro elektronu
orbitalnego z najbliższej powłoki K (wychwyt K). Wychwytowi K towarzyszy emisja neutrina. Jądro zwiększa o 1
liczbę porządkową.
5��� 5��� 5���
5�)� + 5�ą� 5�'� + 5���
+5��� -5��� 5���
Wychwyt K opisuje równanie:
5�� 5��� 5��
5�� + 5�ą� 5�� + 5���
5�� -5��� 5��+5���
Przemiana ł. Przejściu jądra promieniotwórczego ze stanu wzbudzonego do stanu o niższej energii
(podstawowego lub mniej wzbudzonego), bez zmiany składu jądra, towarzyszy emisja fotonu ł  kwantu
promieniowania elektromagnetycznego o bardzo dużej energii (od 1 MeV do 4 MeV). W większości
przypadków przemiana ł towarzyszy rozpadowi ą lub �. Dzieje się tak, gdy jądra powstałe po tych
rozpadach znajdują się w stanach wzbudzonych.
Promieniotwórczość naturalna
Przeważająca część promieniotwórczych nuklidów występujących w przyrodzie tworzy szeregi
promieniotwórcze.
Promieniotwórczość sztuczna
W 1919r. E. Rutherford dokonał pierwszego przekształcenia azotu w inny pierwiastek  tlen, jako
pierwszy przeprowadził reakcję jądrową. Rutherford poddał bombardowaniu warstwę azotu
strumieniem cząsteczek alfa (jądra helu).
14 4 1
N+�2He��16O+�1H
7 8
W 1932 James Chadwick podczas bombardowania cząstkami alfa jąder atomu berylu odkrył istnienie
neutronu (n).
9 4 1
Be+�2He��12C+�0n
7 6
Odkrycie neutronów umożliwiło przeprowadzenie kolejnych eksperymentów w zakresie reakcji
jądrowych, ponieważ neutron w przeciwieństwie do cząstek alfa nie są obdarzone ładunkiem
elektrycznym, łatwiej wnikają do jąder atomowych. Wynikiem reakcji jądrowych powstają często
produkty nietrwałe, ulegają dalszemu rozpadowi.
Powstawanie sztucznych izotopów promieniotwórczych po raz pierwszy zaobserwowali Irena Joliot  Curie i
Frederic Jean  Joliot - Curie naświetlając promieniami alfa jądra B, Mg, Al.
Zapis reakcji jądrowej:
10
B(a�,n)13N
5 7
Gdzie:
- na początku symbol jądra bombardowanego,
- w nawiasie symbol cząstki bombardującej,
- symbol cząstki emitowanej
- za nawiasem symbol pierwiastka powstającego
I. i F. Joliot-Curie
Izotop N jest nietrwały i rozpada się, emitując promieniowanie �+
(pozytony  antycząstki elektronów) i przechodzi
w trwały izotop węgla.
Enrico Fermi udowodnił, że pod wpływem bombardowania n prawie wszystkie pierwiastki dają
radioizotopy (izotopy promieniotwórcze).
Szczególnym rodzajem promieniotwórczości
jest rozszczepienie jądra atomowego,
podczas którego radioaktywne jądro rozpada
się na dwa fragmenty oraz emituje liczne
cząstki, między innymi neutrony, które mogą
indukować kolejne rozszczepienia. Zjawisko
F. Strassmann
takiej reakcji łańcuchowej jest wykorzystane w
elektrowniach jądrowych oraz w bombach
jądrowych.
E. Fermi
W 1939r. radiochemicy Otton Hahn i Fritz Strassmann bombardując
neutronami jądra uranu, zaobserwowali rozpad jąder na dwa mniejsze,
powstałe w reakcji neutrony bombardowały następne jądra uranu i
reakcja zachodziła lawinowo  reakcja łańcuchowa.
O. Hahn
Schemat reakcji łańcuchowej
Reakcji łańcuchowej towarzyszy
wydzielenie ogromnej ilości energii, np.
przy rozszczepieniu 1 g uranu wydziela się
ilość energii równa ilości uzyskanej ze
spalenia 2500 ton węgla.
Reakcja łańcuchowa może przebiegać w sposób kontrolowany (reaktory jądrowe w
elektrowniach) lub w sposób spontaniczny  niekontrolowany (w bombach atomowych). W obu
235 233 239
przypadkach paliwem jądrowym jest U, U, Pu.
Badawczy reaktor jądrowy  powstał w w 1942 na uniwersytecie w Chicago pod
kierunkiem Enrica Fermiego, badawczy reaktor jądrowy jako z
ródło cząstek elementarnych
służył do badań w chemii radiacyjnej i analitycznej oraz biologii.
Projekt Manhattan  program związany z pracami nad
bronią jądrową.
16 lipca 1945 rok  pierwszy test broni atomowej.
Reaktor Ewa w Świerku
Robert Oppenheimer
Skutki awarii elektrowni atomowej
Prypeć
Zniszczony reaktor w
Czarnobylu
Sarkofag betonowy wokół zniszczonego
reaktora w Czarnobylu
Oddziaływanie promieniowania na człowieka
Promieniowanie towarzyszące przemianom jądrowym (zarówno elektromagnetyczne jak i w postaci strumienia
cząstek) przechodząc przez substancję ośrodka powoduje jonizację (wybijanie elektronów z atomów).
Promieniowanie to, po przekroczeniu pewnego poziomu, ma szkodliwy wpływ na żywe organizmy. Pochłonięcie
jego dużej dawki może spowodować chorobę popromienną.
Szczególnym rodzajem promieniowania jest promieniowanie jonizujące, wywołuje ono w obojętnych atomach i
cząsteczkach materii zmiany w ładunkach elektrycznych czyli jonizację. Promieniowanie jonizujące może mieć
postać promieniowania korpuskularnego (cząstki  np. neutrony) albo elektromagnetycznego (promieniowanie
X, gamma ).
Zaporoska elektrownia atomowa na Ukrainie
Oddziaływanie promieniowania na człowieka
Promieniowanie rentgenowskie i gamma
odznaczają się dużą przenikliwością i
łatwo przenikają np. przez ludzkie ciało.
Przed tym promieniowaniem chroni duża
warstwa ołowiu, betonu lub wody.
Promieniowanie alfa i beta jest znacznie
mniej przenikliwe. Promieniowanie alfa,
czyli ciężkie a przez to powolne jądra
helu (4He) łatwo zatrzymać kartką
papieru lub dłonią. Promieniowanie beta,
czyli szybko poruszające się elektrony
przenikają przez 1-2 cm warstwę
ludzkiego ciała lub wody, ale z łatwością
zatrzymuje je kilkumilimetrowa płytka
aluminium.
Promieniowanie neutronowe to
strumienie cząstek obojętnych o dużej
przenikliwości. Osłonę przed takim
Rysunek. Przenikanie promieniowania przez różne materiały
promieniowaniem stanowi woda,
parafina, gruba warstwa ołowiu lub
ciężkiego betonu.
Oddziaływanie promieniowania na człowieka
Cząstki naładowane i kwanty promieniowania, przechodząc przez organizmy żywe, wywołują w
pierwszym etapie szereg procesów fizycznych, w tym:
" wzbudzanie atomów cząstek,
" wytwarzanie jonów,
" wolnych rodników i nadtlenków.
Niektóre produkty rozpadu cechuje wysoka aktywność chemiczna. Zapoczątkowują one szereg
niekorzystnych procesów chemicznych i biologicznych.
Promieniowanie jonizujące może powodować różne skutki u
ludzi: oparzenia, wypadanie włosów, zaćmę, uszkodzenie
układu krwionośnego i limfatycznego, astmę, nowotwory,
uszkodzenia DNA. Poziom danej reakcji radiobiologicznej
zależy od dawki pochłoniętej, obszaru ciała
napromieniowanego, mocy dawki, rodzaju promieniowania,
stanu fizjologicznego obiektu żywego. O efekcie
biologicznym decyduje w głównej mierze wartość dawki
pochłoniętej.
Promieniowanie jonizujące wywołuje skutki na poziomie molekularnym w organizmie i komórkach. Najbardziej
krytycznymi molekułami w komórkach są molekuły DNA, które mogą być uszkodzone bezpośrednio i pośrednio
przez oddziaływanie produktów radiolizy wody (rodniki i nadtlenki). Uszkadzane mogą być również i inne
makromolekuły biologiczne (np. proteiny).
A) Cięcie łańcucha bocznego
B) Zszywanie boczne lub rozcinanie
C) Uszkodzenie punktowe
A) Rozerwanie jednej nici
B) Rozerwanie obu nici
C) Zszywanie boczne
D) Uszkodzenie szczebli spirali
A) Chromosom normalny
B) Odcięcie fragmentu
C) Uformowanie niecentryczne
D) Tworzenie pierścienia
Radioliza wody
Cząstki promieniowania jonizują wodę:
H2O H2O+ + e
Zjonizowana cząsteczka wody może np. połączyć się z uwolnionym elektronem, tworząc cząsteczkę
wzbudzoną:
H2O+ + e H2O*
Na skutek jej rozpadu powstają produkty silnie reagujące ze związkami chemicznymi wchodzącymi w
skład komórek organizmu:
H2O* H. + OH.
Ważną rolę w przebiegu uszkodzeń popromiennych odgrywają procesy naprawcze (regeneracja).
Zakres naprawy uszkodzeń jest bardzo duży w tkance skórnej, płucnej, jelitowej. Ważniejsze zmiany
cytologiczne indukowane promieniowaniem jonizującym:
- czasowe zahamowanie poliferacji komórek.
- śmierć po jednokrotnym lub kilku podziałach,
- śmierć natychmiastowa,
- mutacje i zmiany nowotworowe,
- upośledzenie (czasowe lub trwałe) niektórych funkcji komórek.
Wielkości stosowane w dozymetrii promieniowania jonizującego
Dawka pochłonięta D  iloraz energii "E
przekazanej przez promieniowanie jonizujące
elementowi masy "m substancji:
5��5�l�
5�k� =
5��5؎�
Jednostką dawki pochłoniętej jest 1Gy
(grej)=1J/1kg. Dawniej stosowano jednostkę
1rd (rad)=0,01 greja
Dawka ekspozycyjna X  iloraz "Q  sumy
ładunków elektrycznych wszystkich jonów
jednego znaku wytworzonych przez
promieniowanie w masie powietrza i masy tej
powietrza "m
5��5�x�
X=
5��5؎�
Jednostką miary dawki ekspozycyjnej jest
1C/1kg
Wielkości stosowane w dozymetrii promieniowania jonizującego
Znaczenie dawki ekspozycyjnej wiąże się z
tym, że przeważnie podstawą określenia
dawki pochłoniętej jest pomiar jonizacji
powietrza. Bezpośredni pomiar D w tkankach
lub substancjach jest zazwyczaj niemożliwy.
Jeżeli organizm ludzki znajdzie się w
jednorodnym polu promieniowania, dawka
ekspozycyjna może być jednakowa dla kości i
tkanek miękkich. Natomiast dawka
pochłonięta dla różnych tkanek może być
różna. Można ja obliczyć, znając wartość
Licznik Geigera-Millera
dawki ekspozycyjnej w danym punkcie
promieniowania oraz stosunków masowych
współczynników pochłaniania wybranej tkanki
i powietrza.
Wielkości stosowane w dozymetrii promieniowania jonizującego
Równoważnik dawki pochłoniętej  H. Skutek radiobiologiczny zależy nie tylko od wartości dawki
pochłoniętej, a również od innych czynników, w tym w głównej mierze od rodzaju promieniowania.
H=D*Q*N
N-bezwymiarowy iloczyn współczynników modyfikujących  można przyjąć 1, Q= 1 dla promieniowania
rentgenowskiego, promieniowania gamma i elektronów, 10 dla neutronów i protonów o nieznanej energii, 20-
dla cząstek alfa i cząstek o wielokrotnym ładunku i o nieznanej energii.
Jednostką równoważnika dawki jest 1 Sv (siwert) = 1J/1kg. Używana jest również jednostka 1 rem,
dla D wyrażonego w radach. 1 Sv=100 rem
Efektywny równoważnik dawki pochłoniętej  Hef. Wrażliwość na promieniowanie różnych
tkanek jest inna dla takich samych równoważników dawek. Pozwala ocenić prawdopodobieństwo
zgonu lub wystąpienia poważnych skutków dziedzicznych.
5�o�5�ą�5؇� = 5�~�5�{ܰ5�o�5�{�
5�{�
Wielkości stosowane w dozymetrii promieniowania jonizującego
Aktywność z
ródła promieniotwórczego  całkowita liczba rozpadów jąder promieniotwórczych
z
ródła w jednostce czasu. Jednostką aktywności jest 1 Bq (Bekerel)= 1rozpad/s. Dawniej
stosowana jednostka 1 kiur (1 Ci) = 3,7*1010 Bq.
Aktywność właściwa wyraża aktywność promieniotwórczą jednostki masy, objętości lub
powierzchni np. 1 Bq/kg, 1 Bk/m3 itd.
5�h� 5ؕ� = 5�@�5�u�5���5�ą�-5�@�5ؕ� = 5�h�5���5�ą�-5�@�5ؕ�
gdzie: stała rozpadu: =ln2/T1/2
Oddziaływanie promieniowania na człowieka
Tabela. Skutki napromieniowania
Dawka [Sv] Skutki napromieniowania
0,25 brak wykrywalności skutków klinicznych
0,25-0,50 zmiany obrazu krwi
0,50-1,00 mdłości, zmęczenie
1,00-2,00 mdłości, wymioty, wyczerpanie, zmniejszona żywotność, biegunka
2,00-4,00 mdłości, wymioty, niezdolność do pracy, pewna liczba zgonów
4,00-6,00 50% zgonów (wciągu 2 - 6 tygodni)
6,00 i więcej prawie 100% zgonów
Oddziaływanie promieniowania na człowieka
Tabela. Roczna średnia dawka dla mieszkańca Polski ok. 3,6 mSv
Średnie dawki Udział
Składowe promieniowania
[mSv/rok na osobę] procentowy [%]
Promieniowane kosmiczne 0,290 8,0
Promieniowanie gamma z podłoża 0,040 1,1
Promieniowanie 222Rn i 220Rn (powietrze) 0,080 2,2
Opad promieniotwórczy po wybuchach 0,021 0,6
jądrowych i Czarnobylu
Promieniowanie gamma w budynkach 0,380 10,6
Promieniowanie 222Rn i 220Rn oraz ich 1,580 43,9
pochodnych wewnątrz budynków
Radionuklidy inkorporowane (bez radonu) 0,409 11,4
Diagnostyka rentgenowska i badania in vivo 0,780 21,7
Zagrożenia zawodowe w górnictwie 0,016 0,4
Inne (przedmioty powszechnego użytku) 0,005 0,1
Razem 3,600 100,0
Oddziaływanie promieniowania na człowieka
Tabela. Otrzymywane dawki podczas prześwietleń RTG i badań izotopowych
Narząd poddany Dawka efektywna Równoważnik zdjęć Równoważnik okresu
badaniu mSv RTG klp. promieniowania tła
naturalnego
Klatka piersiowa 0,02 1 3 dni
Kręgosłup 1-2,4 50-120 6-14 miesięcy
Jelito grube 9 450 4,5 roku
Urografia 4,6 230 2,5 roku
CT głowy 2 100 1 rok
CT brzucha 8 400 4 lata
Scyntygrafia kośćca 5 250 2,5 roku
Scyntygrafia 1 50 6 miesięcy
tarczycy
BIOLOGICZNE SKUTKI PROMIENIOWANIA
SOMATYCZNE GENETYCZNE
WCZESNE ODLEGA
E MUTACJE GENOWE
" Choroba popromienna " Zmętnienie soczewek -dominujące
- ostra " Aberracje chromosomowe - recesywne
- przewlekła w komórkach somatycznych Aberracje chromosomowe
" Miejscowe uszkodzenia " Niepłodność w komórkach
skóry
Oddziaływanie promieniowania na człowieka
Napromieniowanie miejscowe dużą dawką powoduje powstanie oparzeń popromiennych, które różnią się od
oparzeń termicznych. Nie pojawiają się one natychmiast, lecz stopniowo, po okresie utajenia, który trwa od kilku
godzin do 3 tygodni. Stopień uszkodzenia poszczególnych warstw skóry związany jest z energią
promieniowania.
Początkowe objawy występują po następujących dawkach:
�� rumień  3 - 8 Gy
�� suche zapalenie skóry  5 -10 Gy
�� wysiękowe zapalenie skóry  12 Gy
�� martwica  25 Gy
Napromienienie pojedynczych narządów może spowodować:
�� rumień porentgenowski (skóra)  ok. 4 Sv
�� kataraktę (oczy)  ok. 5 Sv
�� bezpłodność u kobiet  3 Sv, u mężczyzn  ok. 2 Sv.
Oddziaływanie promieniowania na człowieka
Duże dawki promieniowania powodują ostrą chorobę popromienną,
która rozwija się w następujący sposób:
�� Okres I  faza wstępna, rozpoczyna się kilka lub kilkanaście
godzin po ekspozycji, trwa ok. 1-2 dni. Objawy: złe samopoczucie,
niepokój, nudności, wymioty, bóle i zawroty głowy, bezsenność.
�� Okres II  faza utajona (bezobjawowa), trwa od kilku do kilkunastu
dni, brak wyraz
nych objawów klinicznych skrycie rozwijającego się
schorzenia.
Zmutowany motyl
�� Okres III  główna faza choroby popromiennej, rozwija się po ok.
2-3 tygodniach po ekspozycji. Wracają objawy z okresu I ale
znacznie silniejsze, objawy uszkodzenia wielu narządów i układów.
�� Okres IV  okres zejściowy (śmieć lub stopniowa
rekonwalescencja); powolne ustępowanie objawów chorobowych,
rzadko zmiany i zaburzenia ustępują całkowicie.
Oddziaływanie promieniowania na człowieka
Do najważniejszych zmian zachodzących podczas choroby popromiennej należą popromienne zmiany
somatyczne typu miejscowego lub ogólnoustrojowego, przewlekła choroba popromienna, popromienne
zmiany genetyczne oraz popromienne wady rozwojowe i zaburzenia wrodzone o podłożu
somatycznym lub genetycznym.
tkanki.
Ze względu na zróżnicowaną reakcję na
promieniowanie u różnych osobników tego samego
gatunku, nie istnieje pojęcie śmiertelnej dawki
promieniowania. Określa się jedynie dawkę letalną,
która powoduje śmierć 50 % osobników w ciągu 30
dni po napromieniowaniu. Wrażliwość na
promieniowanie jest różna dla różnych gatunków, a
także dla różnych komórek, tkanek i narządy
osobników jednego gatunku. Organizmy bardziej
złożone mają większą promieniowrażliwość. Tkanki
o szybkiej kinetyce odnawiania są bardziej wrażliwe
Niedokończona elektrownia atomowa w Żarnowcu
od tkanek, w których komórki dzielą się rzadziej.
Oddziaływanie promieniowania na człowieka
Narząd najbardziej wrażliwym na promieniowanie jonizujące są
gonady. Czasową bezpłodność mężczyzn powoduje dawka w
jądrach ok. 0,15 Gy, a trwałą  dawka od 3,5 do 6 Gy. Innymi
wrażliwymi narządami są oczy, dla których jednorazowa dawka
od 2 do 10 Gy, otrzymana w krótkim czasie może spowodować
zmętnienie soczewki i uszkodzenie wzroku (taki sam efekt może
wywołać o ponad połowę mniejsza dawka promieniowania
neutronowego) oraz szpik kostny, którego napromieniowanie
dawką powyżej 0,5 Gy osłabia jego funkcję krwiotwórczą.
Tkankami odpornymi na promieniowanie jonizujące są skóra
oraz powierzchnia kości. Wysoką odpornością na
promieniowanie charakteryzują się również tarczyca, wątroba,
przełyk i pęcherz moczowy.
Oddziaływanie promieniowania na człowieka
Istnieją metody pozwalające na
ograniczenie skutków napromienienia.
Jedną z nich jest blokada tarczycy
poprzez podanie roztworu jodu i jodku
potasu (płyn Lugola) w celu zmniejszenia
wchłaniania radioaktywnego jodu z
opadów promieniotwórczych. Nadmiar
jodu powstrzymuje wbudowywanie
radioaktywnych izotopów jodu w hormony
tarczycowe.
Akcja podawania płynu Lugola po, wybuchu w
Czarnobylu. y
ródło: PAP
Zastosowanie promieniowania jonizacyjnego w medycynie
Wszystkie metody z zastosowaniem promieniowania jonizującego ze względu na rodzaj użytych z
ródeł
dzieli się na:
" wykorzystujące otwarte z
ródła promieniowania (medycyna nuklearna),
" wykorzystujące zamknięte z
ródła promieniowania (radioterapia).
Radioterapia onkologiczna. Napromieniowanie pacjenta
przenikliwym promieniowaniem jonizującym - promienie X,
elektrony lub ciężkie cząstki o wysokich energiach. Do metod
radioterapii zalicza się:
" teleradioterapię: napromieniowanie wiązkami zewnętrznymi.
" brachyterapię: napromieniowanie przy pomocy z
ródła lub układu
z
ródeł umieszczonych na określony czas w jamach ciała pacjenta.
Igły do brachyterapii.
y
ródło: wikimedia
Zastosowanie promieniowania jonizacyjnego w medycynie
Radioterapia. Do niszczenia tkanek nowotworowych
stosuje się bomby kobaltowe lub aplikatory w postaci igieł
zawierających izotop kobaltu-60 lub irydu-192
(brahyterapia). Do celów diagnostycznych wykorzystuje
się promieniowanie gamma, natomiast do celów
terapeutycznych - promieniowanie �, ponieważ jest silnie
adsorbowane przez tkanki. Metody radioizotopowe
stosowane w medycynie zaliczane są do jednych z
najbezpieczniejszych.
Aparat do radioterapii. y
ródło: wikipedia
Zastosowanie promieniowania jonizacyjnego w medycynie
System SWIFT do brachyterapii HDR raka prostaty. y
ródło: WCO
Zastosowanie promieniowania jonizacyjnego w medycynie
Medycyna nuklearna stanowi samodzielną gałąz
medycyny i wg definicji WHO jest dziedziną
obejmującą wszystkie metody diagnostyczne i lecznicze polegające na zastosowaniu związków
chemicznych znakowanych izotopami promieniotwórczymi w formie otwartych z
ródeł
promieniowania. Należą do nich: tomograf komputerowy, rezonans magnetyczny, USG i badania
radioizotopowe.
Metody medycyny nuklearnej wykorzystywane są między innymi w onkologii, w leczeniu
niektórych typów nowotworów oraz jako zabiegi paliatywne, mające na celu zmniejszenie
dolegliwości bólowych, związanych z występowaniem rozsianego procesu nowotworowego (np.
przerzuty do kości). Stosowane są również w celu lokalizacji zmian niewidocznych przy użyciu
innych środków. Medycyna nuklearna stosowana jest również jako narzędzie w diagnostyce i
leczeniu chorób, np. endokrynologicznych (głównie chorób tarczycy). Metodą obrazowania
stosowaną w medycynie nuklearnej jest scyntygrafia. Zaletą tej techniki jest, poza
uwidacznianiem struktury, również dodatkowa możliwość badania funkcji czynnościowej danego
organu.
Zastosowanie promieniowania jonizacyjnego w medycynie
Scyntygrafia (badanie izotopowe) jest to obrazowa metoda diagnostyczna medycyny nuklearnej, polegająca na
wprowadzeniu do organizmu farmaceutyków znakowanych radioaktywnymi izotopami, a następnie cyfrowej
rejestracji ich rozpadu ( badanie pod kamerą ) i graficznym przedstawieniu wyniku badania.
Badania izotopowe należą do wyjątkowych metod pozwalających na ocenę zarówno budowy, jak i czynności
badanego narządu Wyniki tych badań umożliwiają rozpoznanie, rozpoczęcie odpowiedniego leczenia oraz
kontrolę prowadzonego leczenia. Metody te pozwalają niejednokrotnie na rozpoznanie schorzenia wcześniej niż
inne techniki obrazowe. Są to badania o małym stopniu inwazyjności, najczęściej w niewielkim stopniu uciążliwe
dla pacjentów, wymagają zazwyczaj niewielkiego przygotowania ze strony pacjenta.
Scyntygrafia mózgu. y
ródło: www.szpitaljp2.krakow.pl.
Scyntygraf. y
ródło: www.citomed.pl
Zastosowanie promieniowania jonizacyjnego w medycynie
W medycynie nuklearnej stosuje się bardzo małe ilości odpowiedniej substancji znakowanej
radioizotopem. Dawka ta jest tak mała, że nie powoduje żadnych reakcji ubocznych, np. uczulenia.
Radioizotopy łączy się z różnymi, nieaktywnymi biologicznie substancjami o znanej drodze jaką
przebywają po ludzkim organizmie.
Te powstałe kompleksy radioizotopu i substancji
nieaktywnej nazywa się radiofarmaceutykami
(znacznikami). Znacznik podawany jest dożylnie
lub doustnie, a następnie gromadzi się ( lub nie
gromadzi się) w miejscach chorobowych. Rozkład
znacznika bada się za pomocą specjalnego
urządzenia - gamma kamery. W trakcie badania
urządzenie to nie emituje żadnego dodatkowego
promieniowania. Dawka promieniowania związana z
podanym znacznikiem jest w większości
przypadków znacznie mniejsza niż dawka w trakcie
typowego badania radiologicznego. Znakowany
Pozytonowy tomograf emisyjny
znacznik ulega przeważnie bardzo szybkiemu
y
ródło: publicznecentraonkologii.pl
usunięciu z organizmu i nie stanowi żadnego
zagrożenia dla otoczenia.
Zastosowanie promieniowania jonizacyjnego w medycynie
Radioizotopy stosowane w medycynie dzieli się na cztery grupy.
1. Do pierwszej grupy należą radioizotopy pozytronowe.
11 18 13 15
Należą do nich C, F, N, O. Izotopy te mają krótki czas półtrwania. Z reguły służą do
znakowania substancji organicznych naturalnie biorących w przemianach biochemicznych lub ich
metabolizm zbliżony jest do tych przemian, które występują w żywym organizmie. Tymi izotopami
znakuje się wiele związków biologicznie czynnych bardzo często stosowanych w technice PET.
67
2. Do drugiej grupy należą radioizotopy cyklotronowe emitujące promieniowanie gamma np. Ga,
111 123
In, I. Czas połowicznego rozpadu tych znaczników jest znacznie dłuższy i jest od kilku godzin
123
do kilku dni. Radioizotopy te stosowane są w postaci roztworów soli (np. jodek sodu I, cytrynian
67
galu Ga), które są gromadzone przez odpowiednie narządy.
Radioizotopy te służą także do znakowania substancji białkowych.
3. Do trzeciej grupy zalicza się radioizotopy uzyskiwane z generatorów. Podstawowym
99m
radioizotopem jest Tc.
4. Ostatnią grupą są radioizotopy produkowane w reaktorach. Spośród nich główną rolę odgrywa
131
I.
Zastosowanie promieniowania jonizacyjnego w medycynie
Podstawowym radionuklidem stosowanym w metodach diagnostycznych medycyny nuklearnej jest
99
metastabilny izotop technetu Tc. Otrzymywany jest on z molibdenu. Jego okres półtrwania wynosi
6,03 h. W wyniku przejścia metastabilnego radionuklidu technetu do stanu podstawowego
emitowane jest promieniowanie.
5���5��� 5���5���5�&� 5���
5��5�(� 5��5�� + 5���
5���5��� 5���5�� -5���
Terapeutyczne zastosowanie substancji
promieniotwórczych dotyczy głównie chorób
nowotworowych tarczycy, gdzie od wielu lat
stosuje się jeden z syntetycznych izotopów
131
jodu, I, jak również leczenia przerzutów
nowotworowych (m.in. raka stercza) do kości
32 89
przy użyciu fosforu P, strontu Sr, renu
186 188 153
Re, Re oraz samaru Sm.
Iniekcja radionuklidu technetu.
Zastosowanie promieniowania jonizacyjnego w medycynie
y
ródłem promieniowania w urządzeniach izotopowych, zwanych popularnie bombami kobaltowymi
99
lub cezowymi, jest bryłka radioaktywnego izotopu. W generatorze technetu Tc radionuklid ten
utrzymuje się na miejscu, w laboratorium klinicznym, przez wymywanie w odpowiedniej kolumnie
roztworem NaCl izotopu molibdenu osadzonego na kolumnie szklanej z tlenkiem glinu.
Generator technetu
Zastosowanie promieniowania jonizacyjnego w medycynie
Obecnie stosuje się około 200 różnych związków znakowanymi izotopami promieniotwórczymi,
dobieranych w zależności od tego jaki narząd będzie badany i pod jakim kątem. Wynik badania
izotopowego wprawdzie nie może być podstawą do rozpoznania określonej choroby może jednak
znacznie proces ten ułatwić dając obraz: stanu nerek lub rozdziału krwi w łożysku naczyniowym.
Szerokie zastosowanie mają izotopy promieniotwórcze w badaniu układu krążenia. Dzięki
doskonaleniu metod pomiarowych i wprowadzaniu systemów komputerowych do analizy
otrzymanych wyników znaczenie rozszerzyły się wskazania diagnostyczne. Współczesne metody
izotopowe pozwalają na badanie ukrwienia mięśnia sercowego oraz ocenę parametrów krążenia.
W badaniu układu kostnego stosuje się związki fosforanowe. Przeprowadzane badania mają na
celu wykrycie ognisk nowotworowych w przypadku pierwotnych nowotworów kości oraz
przerzutów nowotworowych w celu określenia miejsc ewentualnej resekcji chirurgicznej.
Literatura uzupełniająca:
1. Biofizyka, red. Naukowa Feliks Jaroszyk, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa.
Pytania egzaminacyjne
1. Jakie skutki wywołuje promieniowania jonizujące na poziomie molekularnym w organizmie (w
DNA, chromosomach i makromolekułach).
2. Omów rodzaje rozpadów promieniotwórczych wraz z podaniem schematów rozpadu.
3. Omów podstawowe wielkości stosowane w dozymetrii promieniowania jonizującego.
4. Omów biologiczne skutki promieniowania.
5. Omów zastosowanie promieniowania jonizacyjnego i izotopów w radioterapii i medycynie
molekularnej.