IZOTOPOVÉ METODY 1 IZOTOPOVÉ METODY Organizační informace: Přednášky a cvičení, přednáška zakončená zkouškou, cvičení 100% účast + všechny vypracované protokoly. 1. Základní údaje doporučená literatura: Radioaktivita, ionizující záření, jaderná energie - Jiří Hála - Konvoj 1998, skripta na webu Sylabus přednášky: 1. Základní údaje 2. Atomové jádro 3. Radioaktivní přeměny 4. Vlastnosti ionizujícího záření 5. Metody detekce IZ 6. Biologické účinky IZ 7. Použití radionuklidů a izotopů v biologii a lékařství Sylabus cvičení: 1. Školení bezpečnosti práce 2. Test + Vliv doby měření a pozadí na přesnost měření radioaktivních vzorků 3. Mrtvá doba scintilačního detektoru, charakteristika scintilačního detektoru 4. Spektrometrie záření s krystalem NaI(Tl) 5. Absorpce záření 6. Samoabsorpce záření 7. Absorpce záření 8. Poločas rozpadu dlouhodobého radionuklidu 9. Poločas rozpadu krátkodobého radionuklidu 10. Stanovení obsahu radonu ve vzduchu a ve vodě 11. Stanovení obohacení uranových preparátů IZOTOPOVÉ METODY 2 Struktura hmoty: Rozdělení částic (hmoty): Elementární částice dnes ­ cca 100 částic + 100 antičástic Následující schéma naznačuje zjednodušeně členění elementárních částic: ­ bosony, celý spin (vnitřní moment hybnosti) (16 O, , ) ­ fermiony, polocelý spin (p, n, e) ­ hadrony, slabá jad., el. mag. a silná jaderná ­ leptony, necítí silnou jadernou (e, , ) hadrony ­ baryony ­ polocelý spin (n, p) mezony ­ celý spin () Symbolika: NA Z X běžný zkrácený zápis: A X A ­ nukleonové číslo (A=Z+N) Z ­ protonové číslo N ­ neutronové číslo IZOTOPOVÉ METODY 3 Zvláštní symbolika: D ­ deuterium ­ 2 H T ­ tritium ­ 3 H Pojmy: nuklid(y) ­ soubor identických atomů, jejichž jádra tedy mají identické složení, stejné A i Z isotopy ­ soubor atomů, které mají stejné protonové (Z) ale různé neutronové N (tím pádem i A) číslo isobary ­ nuklidy které mají stejné nukleonové (A) ale různé protonové číslo radio ­ značí, že jádro je nestabilní a samovolně se rozpadá Příklady: Isobary: 40 Ar, 40 K, 40 Ca. Hmotnost atomu: kg x u definice u: u = 1/12 m(12 C) po vyčíslení: u = 0,012 / (12 6,022.1023 ) = 1,6606.10-27 kg = 1 u Energie: J x eV definice eV: je to energie, kterou elektron získá při průchodu potenciálovým spádem 1V E = Q U po vyčíslení: E = Q U = 1,602.10-19 1 = 1,602.10-19 J = 1 eV Příklady: Energie fotonu viditelného záření. = 550 nm = 5,5.10-7 m; h = 6,63.10-34 J s; c = 2,997.108 m s-1 E = h = h c / = 6,63.10-34 2,997.108 / 5,5.10-7 = 3,6.10-19 J = 3,6.10-19 / 1,602.10-19 = 2,3 eV Ekvivalentní energie 1 u. m = u = 1,6606.10-27 kg; c = 2,997.108 m s-1 E = m c2 = 1,6606.10-27 (2,997.108 )2 = 1,492.10-10 J = 1,492.10-10 / 1,602.10-19 = 931,3 MeV IZOTOPOVÉ METODY 4 2. Atomové jádro - p + n; centrum + náboje a hmoty (m(p) 1,673.10-27 či m(n) 1,675.10-27 2000 m(e) 9,109.10-31 ); průměr jádra 10-15 m (atomu 10-10 m) Jaderná potenciálová jáma a bariéra: Hladinový model jádra: - p i n mají spin 1/2 a ve společném (ale zvlášť p a n) silovém poli platí Pauliho princip každá částice musí být v jiném kvantovém stavu (jako u e v obalu) - vzniká tak soubor hladin (zvlášť pro p a n) IZOTOPOVÉ METODY 5 - u p coulombická síla způsobuje zvýšení energie energetických hladin v potenciálové jámě - zaplňování slupek (en. hladin) probíhá obdobně jako u elektronového obalu (2, 8, 8, 18, 18, 32...), zde u p 2, 6, 12... obdoba u n, celkem pak 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 protonů a 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 neutronů, jsou to tzv magická čísla - po zaplnění těchto slupek je jádro stabilizováno, obdoba vzácných plynů (při zaplňování slupek v el. obalu) - dvojitě magická: Z a N jsou magická čísla; Příklad: 4 He (2p, 2n), 16 O (8p, 8n), 208 Pb (82p, 126n) - ostrůvky stability: předpokládá se vznik relativně stabilních nuklidů, 298X (114p, 184n), 310 Y (126p, 184n) - aby bylo jádro stabilní, musí mít též správný poměr N a Z, zpočátku N / Z = 1 poté roste až na 1,52 u posledního stabilního nuklidu 209 Bi (83p, 126n), tzv. řeka stability - př. 100 Sn (50p, 50n) T1/2 1 s - nejstabilnější jádra jsou sudo-sudé, pak sudo-liché či licho-sudé a jen 4 stabilní licholiché: 2 H (1p, 1n), 6 Li (3p, 3n), 10 B (5p, 5n) a 14 N (7p, 7n) Hmotnost a vazebná energie jádra: m(X) < Z m(p) + N m(n) hmotnostní úbytek: = m(X) ­ (Z m(p) + N m(n)) < 0 Ev = - c2 (Ev > 0) - vazebná energie jádra, z definice plyne, že je kladná = Ev / A - střední vazebná energie, v podstatě je to energie potřebná k uvolnění jednoho nukleonu z jádra Excitační energie jádra je o 5-6 řádů větší než excitační energie el. obalu. IZOTOPOVÉ METODY 6 Příklad: 12 C (6 p, 6 n), m(p) = 1,6726.10-27 kg; m(n) = 1,6750.10-27 kg; m(e) = 9,1095.10-31 kg; c = 2.997.108 m s-1 ; u = 1,6606.10-27 kg teoretická m(12 C) = 6 m(p) + 6 m(n) + 6 m(e) = 2,0091.10-26 kg skutečná m(12 C) = 12 u = 1,9927.10-26 kg = 1,9927.10-26 - 2,0091.10-26 = -1.6407.10-28 kg Ev = 1.6407.10-28 (2.997.108 )2 = 1,4736.10-11 J = 1,4736.10-11 / 1,602.10-19 = 92 MeV = 9,2.107 / 12 = 7,7 MeV Zajímavost: Při vzniku 12g (1 mol) 12 C z p a n, by se uvolnilo 1,4736.10-11 6,022.1023 = 8,9 TJ, rozštěpením 12g uranu se uvolní asi 1 TJ ale rozštěpením 1 molu uranu 20 TJ Kapkový model jádra: Ev k A - krátký dosah jaderných sil obdoba v kapce vody, působí na sebe jen sousední molekuly Ev = k1 A ­ k2 A2/3 ­ k3 Z2 A-1/3 objemová e. povrchová e. coulombické odp. protonů IZOTOPOVÉ METODY 7 tvar jádra: kulový tvar mají jen dvojitě magická jádra, ostatní jádra se stabilizují změnou tvaru Izotopové efekty: 1 H2O, 2 H2O, 3 H2O či 235 UF6 a 238 UF6 střední rychlost molekul: v = m/kT8 frekvence vibrace (těžší iz. menší frekv.): )mm/()mm( 2121 + Jiná tt, tv, rychlost difúze, rychlost chemické reakce Příklad: tv 2 H2O = 101,42 °C; tt = 3.82 °C IZOTOPOVÉ METODY 8 3. Radioaktivita >2000 nuklidů; 266 stabilních radioaktivita ­ samovolná přeměna na jiný nuklid (neplatí pro deexcitaci jádra) pro Z 20 N / Z 1, poté postupně až 1,52 pro 209 Bi, přebytek neutronů zmenšuje odpuzování protonů Při radioaktivní přeměně se uvolňuje energie. X Y + n částic Základní hmotnostní podmínka radioaktivity: M(X) > M(Y) + M(ČÁSTIC) Energie uvolněná při radioaktivní přeměně: Epřeměny = Ekin(Y) + Ekin(ČÁSTIC) + E IZOTOPOVÉ METODY 9 Stabilita atomových jader vyplývá z hladinového modelu: Skupiny radioaktivních přeměn: 1. mění se Z při konstantním A (-, +, EZ) 2. mění se Z i A (, emise nukleonů, emise těžších jader 14 C, 24 Ne, SŠ) 3. deexcitace jádra ( emise okamžitá či zpožděná, vnitřní konverze) Druhy radioaktivních přeměn: A) Přeměna n p + e + e XA Z YA 1Z+ + - + e 14 C 14 N + - + e měříme 210 Pb 210 Bi + - + e Energie se rozdělí mezi jádro (málo), elektron a e náhodně, spektrum je proto spojité. IZOTOPOVÉ METODY 10 Jádro Y vzniká: a) v základním stavu 3 H, 14 C, 32 P, 35 S b) v excitovaném stavu (poté dochází k emisi 1 či více ) 60 Co 60 Ni + - + e; 60 Ni 60 Ni + Může vznikat i směs a) a b) B) Přeměna + p n + e+ + e XA Z YA 1Z- + + + e 22 Na 22 Ne + + + e Platí stejné energetické zásady jako u - přeměny (spojité spektrum apod.). Čistý + rozpad je vzácný, většinou probíhá spolu s elektronovým záchytem (EZ). Měří se pomocí anihilačních fotonů a ionizačních účinků e+ : e+ + e- 2 , E = 2 me c2 = 1,02 MeV tj. 0,51 MeV na jedno kvantum C) Elektronový záchyt (EZ) p + e n + e XA Z + e- YA 1Z- + e 7 Be + e- 7 Li + e Po EZ dochází k následným dějům, pomocí kterých se tato radioaktivita měří: zaplňování vakancí ve slupkách K či L emise RTG fotonů či Augerových elektronů (elektrony vyražené RTG zářením z vyšších slupek elektronového obalu, mají diskrétní energii, Eaug = ERTG ­ Evaz.). Měří se RTG fotony. Použití v medicíně: 13 N, 15 O, 11 C IZOTOPOVÉ METODY 11 D) Přeměna XA Z Y4A 2Z - + He4 2 () 226 Ra 222 Rn + měříme Alfa částice je velice stabilní, a proto je její emise výhodná, zvlášť u těžších prvků. IZOTOPOVÉ METODY 12 Na rozdíl od spektra je spektrum spojité ale stejně jako při rozpadu vzniká část jader excitovaná. Odrazová energie jádra Y: EY = (m() Q()) / (m(Y) + m()) kde Q() = 931,5 (m(X) - m(Y) - m()) Y 2% Q() 98% Q() E 5 MeV, EY 100 keV, Q() ­ přeměnová energie jádra X [MeV] U přeměny a emise je odrazová energie mnohem menší (řádově 101 eV). Zde odrazová energie způsobuje ztrátu části orbitálních elektronů, vzniká ion z velkým kladným nábojem, což vede k rozrušení chemických vazeb v dané sloučenině. E) Emise těžších jader 232 U 208 Pb + 24 Ne měříme Obdoba rozpadu. F) Samovolné štěpení (SŠ) Je-li splněna hmotnostní podmínka, rozštěpí se jádro těžší na dvě lehká plus dva až tři neutrony. Existuje ale i bezneutronové štěpení. Vysvětlení: hladinový model: emise těžké částice, obdoba emise částice kapkový model: zvětšení povrchu, zúžení, vznik stabilních zárodků, zaškrcení, rozštěpení IZOTOPOVÉ METODY 13 Většinou SŠ konkuruje přeměna, která je na rozdíl od SŠ velice rychlá. V excitovaném stavu jde SŠ snadněji, protože jádro je deformovanější. Příklad: T1/2 SŠ pro excitované jádro 240 Pu = 8 s, pro jádro v základním stavu 1,2.1011 roků. Použití: 252 Cf ­ jako zdroj neutronů se kterými se ozařují nádory G) Emise nukleonů Normálně nemožná (jen na hranici existence jádra). Možná je spíše zpožděná emise nukleonů z excitovaného jádra. 25 Si 25 Alexcit + + 24 Mg + p H) Větvené přeměny 1) / 2) / SŠ 3) / EZ 4) + / EZ 5) - / EZ Současně můžou probíhat i více jak 2 přeměny naráz. Každý děj probíhá vlastní rychlostí. Celkový úbytek nuklidu je řízen nejrychlejším dějem. I) Přeměna a vnitřní konverze Po radioaktivní přeměně vzniká jádro většinou v excitovaném stavu. Foton má spin I = 1 a proto změna spinu o 1 je nejpravděpodobnější a dochází k ,,okamžité emisi záření." Rychlost s I = 1 T1/2 = 10-16 ­ 10-10 s, s I = 2 T1/2 = 10-11 ­ 10-4 s Dále existuje ,,zpožděná emise záření" I > 2 (zakázaný přechod) T1/2 = 10-3 s ­ roky, daný nuklid se pak nazývá jaderný izomer. Příklad: 137 Cs 137m Ba + - + e ; 137m Ba 137 Ba + T1/2 = 30,1 roků T1/2 = 2,7 minut vnitřní konverze: Je to přímý a nezářivý přenos excitační energie jádra na orbitální elektron. IZOTOPOVÉ METODY 14 Konvertované elektrony mají diskrétní spektrum: Ekon = Eexc ­ Evaz. el. Je-li I = 0 pak VK je jediný možný proces, protože emise není v tomto případě možná. Kinetika radioaktivních přeměn: - za dostatečně krátký časový interval se přemění vždy stálá část z přítomného počtu (N) atomů radioaktivního nuklidu (radionuklidu) (dN / N) / dt = [s-1 ] ­ přeměnová konstanta Př. = 1.10-3 s-1 ­ z přítomného počtu RN se přemění každou sekundu 1 / 1000 atomů IZOTOPOVÉ METODY 15 Rychlost přeměny závisí na - výchozím a konečném stavu jádra - vlnové funkci obou jader - na parametrech slabé, silné a elektromagnetické interakce nezávisí na - tlaku, teplotě, koncentraci, chemické formě Vyjímka: U EZ a vnitřní konverze. slouč. < kov př: u 7 Be (BeF2) < kov o 0,1 % Střední doba života: = 1 / Aktivita: rychlost přeměny radioaktivního nuklidu A = dN / dt A = N - závisí na počtu radioaktivních atomů v radioaktivní látce - rozměr s-1 - jednotka 1 becquerel (Bq), násobné kBq, MBq, GBq apod. - měrná aktivita: vztaženo na m, V, c apod. - maximální možná molární aktivita A = N = NA [Bq . mol-1 ] Časová změna aktivity: -dN / dt = N N = N0 e ­t A = A0 e ­t - aktivita RN klesá s časem exponenciálně, rychlost poklesu je dána konstantou . Poločas přeměny: A = A0 / 2 A0 / 2 = A0 e ­t 1 / 2 = e ­t ln (1 / 2) = - t - ln 2 = - t t = ln 2 / T1/2 = ln 2 / Měření poločasu rozpadu z úbytku aktivity lze jen u krátkodobě žijících radionuklidů. Jinak se poločas rozpadu počítá z aktivity radionuklidu o známé hmotnosti (měrné aktiviy). IZOTOPOVÉ METODY 16 Radionuklid o hmotnosti m obsahuje: N = n NA N = (m NA) / Ar A = ( m NA) / Ar Pak z spočítáme T1/2, popřípadě se znalosti spočítáme m. Příklad využití vztahu A = A0 e ­t : - uhlíková metoda 14 N (n, p) 14 C - 14 C se během minut až hodin oxidují na CO2 - rozdělení mezi rostliny, organismy, oceány - rovnováha 15,3 přeměny za minutu v 1g C živé hmoty - po smrti konec rovnováhy, citlivost asi do 50 000 roků (T1/2 = 5,7 tisíc roků) - měří se dřevo, uhlíky, textil, kůže - moderní metoda: urychlovačová hmotnostní spektrometrie, použitelná až do 100 000 roků - stačí i 0,05 mg vzorku, ve vakuu se vzorek bombarduje ionty Cs+ za vzniku 14 C(izobarický 14 N záporné ionty netvoří) poté se ionty 14 Cdostávají do prostoru s Ar, vzniká 14 C3+ a vstupují do hmotnostního spektrometru. - stejná metoda se používá ke stanovení obsahu př.: 10 Be (mořské sedimenty, polární led), 36 Cl a 129 I (podzemní vody), 27 Al (mořské sedimenty). Příklad: Maximální měrná aktivita pro glycin NH2 ­ CH2 - 14 COOH T1/2 = 5760 r = 1,818.1011 s; NA = 6,022.1023 mol-1 = ln (2) / T1/2 = 3,813.10-12 s-1 A (molární, maximální) = NA = 3,813.10-12 6,022.1023 = 2,3.1012 Bq . mol-1 = 2,3 TBq . mol-1 = 2,3 GBq . mmol-1 Z katalogu SIGMA: glycin 14 C 0,3 ­ 2,0 GBq . mmol-1 Kinetika hromadění stabilního produktu radioaktivní přeměny: X Ystab. -dNX / dt = dNY / dt Na počátku (t = 0) NX, 0 atomů X a 0 atomů Y pak v čase t platí: NX, 0 = NX + NY NX = NX,0 e ­t = (NX + NY) e ­t Pro počet atomů NY vzniklých za čas t platí: NX / e ­t = NX + NY NY = NX / e ­t - NX NY = NX e t - NX NY / NX = e t ­ 1 Použití: Při určování stáří nerostů. Nuklid musí mít velký T1/2 (40 K, 87 Rb, 238 U atd.), okamžik krystalizace t = 0. Nejznámější je metoda draslík-argonová: roztavení materiálu a stanovení 40 Ar pomocí hmotnostní spetrometrie. IZOTOPOVÉ METODY 17 40 K 40 Ca + - + e (90% -) 40 Ar + e + RTG (10% EZ) Kinetika hromadění radioaktivního produktu radioaktivní přeměny: X (X) Y (Y) ... X mateřský radionuklid, Y dceřinný radionuklid Celková změna počtu atomů Y v čase je: dNY / dt = X NX - Y NY Pro počet atomů Y v čase t platí: NY = NX, 0 X / (Y - X) (e ­x t - e ­y t ) Jestli T1/2X >> T1/2Y (X << Y) pak se vztah zjednodušuje na: AY = AX, 0(1 - e ­y t ) Za dostatečně dlouhou dobu (vůči T1/2Y) pak platí: AY = AX, 0 To znamená že po uplynutí určité doby (10ti násobek T1/2 Y) se vytvoří v původně čistém nuklidu X dceřinný nuklid Y o stejné aktivitě ­ tzv. trvalá radioaktivní rovnováha. Významné jsou některé produkty štěpení uranu: 137 Cs 137m Ba + V přírodě najdeme trvalé radioaktivní rovnováhy v radioaktivních řadách. Existují 3 a to uranradiová (238 U ­ 206 Pb), thoriová (232 Th ­ 208 Pb) a uran ­ aktiniová (235 U ­ 207 Pb). Přechodná radioaktivní rovnováha: Mateřský nuklid má sice větší poločas rozpadu ale srovnatelný s dceřiným nuklidem (X < Y; T1/2X >T1/2Y). IZOTOPOVÉ METODY 18 AY = AX Y / (Y - X) AY / AX = Y / (Y - X) Poměr AY / AX je konstantní, maximální aktivity je dosaženo v čase: t = 1 / (Y - X) ln (Y / X) Generátory radioaktivních nuklidů: Kolonka sorbentu s pevně zachycenou vhodnou formou mateřského nuklidu, ve vhodné době se dceřinný nuklid s kolonky vymyje. IZOTOPOVÉ METODY 19 Přirozeně se vyskytující radioaktivní prvky: přírodní X umělé (není mezi nimi rozdílu) 1. T1/2 > 108 roků, vznikly při syntéze prvků ve vesmíru 2. T1/2 < 108 roků, vznikají jako produkty přeměny mateřských nuklidů z radioaktivních řad a jadernými reakcemi v zemské atmosféře působením kosmického záření (3 H, 14 C, 10 Be aj.) IZOTOPOVÉ METODY 20 4. Vlastnosti ionizujícího záření Energie záření (, , apod.) keV ­ MeV, ionizační energie atomů a molekul < 25 eV proto ionizující záření. a) M M+ + eb) M M* Rychlost asi 10-16 ­ 10-15 s, poměr a) a b) 1:2, elektrony způsobují další sekundární ionizaci a excitaci. Excitace je mnohonásobná a do vysokých excitačních stavů (na rozdíl od UV) Pojmy a veličiny: ionizující záření, jaderné záření (pouze při radioaktivních přeměnách), radioaktivní záření (nesprávné, záření není radioaktivní {kromě n}) Absorpce záření ­ postupné odevzdávání energie až do stavu kdy už není schopno dále ionizovat Dosah záření ­ tloušťka vrstvy která úplně absorbuje záření Absorpční křivky Dávka záření ­ energie sdělená ionizujícím zářením (energie získaná od všech primárně i sekundárně ionizujících částic) malému objemu látky D = d / dm Rozměr je J kg-1 , jednotkou Gray (Gy), 1 Gy = energie 1 J absorbovaná v 1 kg látky. IZOTOPOVÉ METODY 21 Rozsah dávek: 10-6 ­ 10-2 Gy při monitorování dávek v životním prostředí, 10-4 ­ 1 Gy při monitorování dávek u profesionálních pracovníků se zářením, 10-1 ­ 102 Gy v léčebném použití záření, 10-1 ­ 104 Gy v radiobiologii a 102 ­ 105 Gy v radiační chemii a technologii. Dávkový příkon ­ rychlost s jakou je látce energie sdělována, rozměr W kg-1 , jednotka Gy s-1 = dD / dt Lineární přenos energie ­ používá se při posuzování biologických účinků IZ a udává rozložení sdělené energie podél dráhy částice, rozměr J m-1 , běžně keV m-1 L = dE / dx (tzv Braggova křivka) IZOTOPOVÉ METODY 22 Mechanismus ztráty energie záření: : (těžké nabité částice): krátký, ostře definovaný dosah, ionizace po většinu dráhy stejná pak ostrý pokles k 0 (zachycení elektronů a vznik He), dosah ve vzduchu několik cm, v kapalinách desítky m, lineární ionizace je největší před koncem dráhy (viz Braggova křivka) : L je menší než u , menší náboj a při stejné energii větší rychlost v = m/E2 , má proto větší pronikavost a dosah, v plynech metry, kapaliny milimetry: IZOTOPOVÉ METODY 23 Tabulka: Dosah (mm) záření čtyř radionuklidů v různých materiálech Absorpční křivka (viz Absorpční křivky nahoře) má exponenciální průběh: I = I0 e-d Kde d je tloušťka absorbující vrstvy v m a je lineární absorpční koeficient v m-1 , závisí na hustotě elektronů absorbujícího prostředí a energii záření. Další možnosti ztráty energie záření ­ brzdné záření ­ při průniku až k jádru, dochází v elektrickém poli k vyzařování spojitého RTG záření (0,1 ­ 0,4 nm = 60 ­ 250 keV), uplatňuje se při velké energii záření a velkém Z. Čerenkovovo záření vzniká je li v > c / n, vzniká rázová elektromagnetická vlna ­ světelný záblesk. Ve vodě dochází pro E > 0.26 MeV. : Ionizuje nepřímo účinkem sekundárních elektronů, tři děje: a) fotoefekt ­ pro E < 0.1 MeV, na elektron uvnitř obalu se přenese celá energie fotonu, pravděpodobnost silně závisí na Z a E (~ Z5 / E 3,5 ), doprovazen RTG emisí (zaplňování slupek) IZOTOPOVÉ METODY 24 b) Comptonův rozptyl - pro E 0,1 - 2 MeV, interakce s orbitálními elektrony, foton předá část své energie a uvolňuje jej z atomu (Comptonův elektron), atd. (zmenšuje se E a směr se mění, až zanikne fotoefektem), pravděpodobnost ~ Z / E c) tvorba párů ­ v blízkosti atomového jádra a pro E > 1,02 MeV, dochází ke vzniku páru ea e+ , pravděpodobnost ~ Z2 / E, pozitrony zanikají anihilací Uplatnění těchto 3 dějů: IZOTOPOVÉ METODY 25 Lineární ionizace je malá a dosah proto velký, nelze jej běžně určit. Zeslabení svazku se řídí vztahem: I = I0 e-d Kde (lineární absorpční koeficient) zahrnuje všechny tři děje a závisí proto na Z a E. Pronikavost se vyjadřuje pomocí polotloušťky ­ vrstva zeslabující počáteční intenzitu záření na 1 / 2. I = I0 / 2 I0 / 2 = I0 e ­ d 1 / 2 = e ­ d ln (1 / 2) = - d - ln 2 = - d d = ln 2 / d1/2 = ln 2 / IZOTOPOVÉ METODY 26 Tabulka: Polotloušťky (cm) pro absorpci záření v některých látkách Pro vzduch pro 0,1 MeV 35 m, pro 1,0 MeV 90 m. n: energii ztrácí srážkami s atomovými jádry, k účinnému zpomalení dochází při srážce s lehkými jádry (nejlépe 1 H), E = E (4 m M) / (m + M)2 po zpomalení na energii ~ 10-2 eV (tepelné neutrony) zanikají jadernou reakcí, stejně jako u nemá n záření definovaný dosah, závisí na účinném průřezu ( rozměr m2 , závisí na energii projektilu a druhu jaderné reakce) záchytu neutronů jádry absorbující látky Pronikavost n se vyjadřuje opět pomocí polotloušťky. Ionizační účinky jsou nepřímé a jsou způsobeny částicemi, které vznikají jadernou reakcí při záchytu neutronu. 10 B (n, ) 7 Li apod. Při srážce s H (živé organismy) E = E, vyražení p z H atomu se značnou Ekin a velkým lineárním přenosem energie, nebezpečné pro živé organismy Zdroje IZ: - aparaturní ­ záření vzniká jen během provozu zařízení - radionuklidové ­ emitují záření nepřetržitě Zdroje a RTG záření: : 241 Am, 109 Cd, 57 Co, 55 Fe, 60 Co, 137 Cs, 192 Ir; RTG: RTG lampy, 109 Cd, radionuklidy generující brzdné záření při absorpci záření, urychlovače elektronů Zdroje elektronů: 90 Sr / 90 Y, 3 H, 147 Pm ; urychlovače elektronů Zdroje pozitronů: 22 Na, 68 Ge Zdroje těžkých kladných částic: : 210 Po, 226 Ra, 238 Pu, 239 Pu, 241 Am, urychlovače částic Zdroje neutronů: radionuklidové zdroje založené na reakci (, n) a samovolném štěpení, neutronový generátor (3 H (d, n) 4 He), jaderný reaktor IZOTOPOVÉ METODY 27 Ochrana před IZ: Spočívá v zeslabení dávky záření na hodnotu, při níž je riziko pro lidský organismus sníženo na zanedbatelnou hodnotu. Metody ochrany před IZ: a) udržováním patřičné vzdálenosti od zdroje záření ~ 1 / l2 (důležité u záření) b) odstíněním záření (všude kromě záření, u stačí 1-2 cm skla, plexiskla, u olovo, železobeton, beton s barytem (BaSO4 ­ těživec), pozitrony se stíní jako , stejně se stíní při rekaci pomalých neutronů s jádry atomů, neutrony se zpomalují př. parafínem) c) nejkratší dobou pobytu v prostoru kde záření působí IZOTOPOVÉ METODY 28 5. Metody detekce IZ - IZ není vnímatelné lidskými smysly - registruje se na základě dějů, které vyvolává při absorpci ve vhodné látce - důsledky těchto dějů se elektronicky převádějí na pozorovatelné signály - elektronický způsob detekce vyžaduje zařízení sestávající z několika částí - část citlivá na záření se nazývá detektor záření (energie záření se mění na elektrické či optické signály a dále se zpracovávají (zesílení, integrace) - zpracované signály se přivádějí na registrační jednotku (pulsní {zobrazují se přímo impulsy} či integrující režim {počet impulsů za čas} tzv. dozimetry ­ udávají dávkový příkon př. Gy hod-1 - většina detektorů neměří IZ se 100% účinností, pro četnost R platí: R = A ( ­ účinnost < 1; A ­ aktivita v Bq) - Zařízení, které rozlišuje energii záření podle výšky impulsů ­ spektrometr záření - chyba měření vzorku je tím menší, čím větší počet impulsů zaznamenáme Detektory IZ: Měření, detekce a registrace intenzity ionizujícího záření je proces, při kterém dochází k částečné nebo úplné absorpci ionizujícího záření. K detekci ionizujícího záření se běžně užívají tyto sekundární projevy absorpce: * fotografické účinky * ionizace plynů * luminiscence * schopnost zvyšovat elektrickou vodivost některých materiálů * změna struktury materiálu Podle toho lze rozdělit detektory ionizujícího záření do pěti základních skupin: 1. fotografický film 2. ionizační komora, proporcionální detektory, Geiger-Mőllerovy detektory 3. fluorescenční stínítka, scintilační detektory, termoluminiscenční detektory 4. polovodičové detektory 5. stopové detektory částic Detektory Hlavní funkcí detektoru je změna energie ionizujícího záření na elektrické pulsy, které je možno zaznamenávat. Základními typy jsou plynové detektory (proporcionální), scintilační, polovodičové a germaniové detektory. Důležitými charakteristikami všech typů detektorů jsou: * účinnost * linearita * energetická proporcionalita * rozlišení IZOTOPOVÉ METODY 29 Účinnost: Výkonnost detektoru popisuje možnosti detektoru zaznamenávat různé druhy záření o různých energiích, která na něho dopadají. Ideální je stav, kdy počet částic dopadajících na snímač je roven počtu impulsů registrovaných detektorem. Linearita: Proces konverze jednotlivých částic na elektrické pulsy je extrémně rychlý - řádově několik mikrosekund. Pokud je vysoký tok částic, může se stát, že částice přicházející do detektoru není zaznamenána, protože detektor ještě zpracovává částici předcházející. Doba potřebná pro registraci částice (přeměnu na elektrický puls) se označuje jako mrtvá doba detektoru (). Část částic, které mohou být náležitě zpracovány, je popsána linearitou detektoru. Jednotlivá částice s energií E, která vstoupí do detektoru, produkuje elektrický puls V, takže částice, které dopadají na detektor v počtu I částic za sekundu vyvolají vznik napěťových pulsů v počtu R pulsů za sekundu. Detektor považujeme za lineární, dokud trvá přímá úměra mezi R a I. Jelikož je detektor po určitou dobu "mrtvý", bude měřené množství pulsů Rm vždy nižší než skutečné množství pulsů Rt: Délka mrtvé doby je ovlivněna řadou faktorů a rozlišují se dva typy mrtvé doby: * "ochromující" mrtvá doba, která zcela zablokuje detektor tak, že přestane detekovat * "neochromující" mrtvá doba, při které dojde ke ztrátám při zaznamenávání pulsů, pokud se zvýší tok fotonů, ale nedojde do stavu, kdy je detektor zablokován Oba typy mrtvé doby se významně uplatňují u Si(Li) detektorů. Neochromující mrtvá doba zpravidla nedělá potíže u scintilačních detektorů. Průměrná mrtvá doba činí: * 200 s u Geiger-Mőllerova detektoru * 0,23 s u scintilačního detektoru s krystalem NaI (Tl) * 0,027 s u scintilačního detektoru s krystalem YAP (Ce) * 0,001 s u polovodičových detektorů Energetická proporcionalita: Jedná se o úměrnost signálu detektoru k energii dopadající částice. Velikost výstupního signálu je závislá na proudu vzniklém v čítači a tento proud je závislý na počtu ionizačních přeměn vedoucích ke vzniku pulsu. Jestliže počet ionizačních přeměn bude úměrný energii dopadajících částic, velikost výstupního napětí bude rovněž úměrná energii dopadajících částic. Detektor bude proporcionální, pokud je velikost výstupního napětí detektoru V úměrná energii E dopadajících částic. - = m m t R1 R R IZOTOPOVÉ METODY 30 Rozlišení Je to schopnost detektoru rozlišit částice různých energií. V proporcionálně pracujícím detektoru způsobí částice o energii E výstupní puls o napětí V. Prakticky budou tedy částice o stejné energii produkovat výstupní pulsy o stejném napětí Fotografický film Fotografická detekce ionizujícího záření je založena na tom, že ionizující záření, stejně jako viditelné světlo, vyvolává ve fotografické emulzi (krystalky Agar v želatině) latentní obraz, který lze zviditelnit chemickým vyvoláním. Ozářená místa emulze vykazují po vyvolání zčernání, jehož intenzita je úměrná počtu částic, které na emulzi působily. Používají se k detekci RTG záření, záření a neutronů. Neutrony, které sami na fotografickou emulzi nepůsobí, je třeba převést na detekci ionizujících částic. Například překrytím fotografické emulze kadmiovou fólií, v níž se pomalé neutrony zachycují reakcí 113 Cd (n, ) 114 Cd a vzniklé fotony pak způsobují zčernání emulze. Fotografická detekce ionizujícího záření se používá v osobní dozimetrii pracovníků s ionizujícím zářením. A v různých radiografických metodách. Osobní filmový dozimetr obsahuje film v papírovém obalu, který je uložen v plastikové kazetě. Na vnitřních stěnách kazety, jsou upevněny měděné a olověné proužky, které umožňují přibližně určit energii záření tím, že různě absorbují záření dopadající na film. Dozimetr je připevněn na pracovním oděvu a nepřetržitě registruje záření, obvykle po dobu jednoho měsíce. Po vyvolání filmu se dávka záření určí z intenzity zčernání filmu. IZOTOPOVÉ METODY 31 Osobní filmový dozimetr Autoradiografické metody jsou významné tím, že poskytují informace o rozložení radioaktivity ve zkoumaném objektu. To je velmi užitečné v biologických studiích, kde se zjišťuje rozložení radioaktivních látek v živočišných orgánech, částech rostlin a buněčných strukturách. Zkoumaný radioaktivní objekt se na určitou dobu přiloží na film, který se pak vyvolá Fotografická detekce ionizujícího záření se také používá v průmyslové radiografii a v lékařské rentgenové diagnostice. IZOTOPOVÉ METODY 32 Plynové ionizační detektory Všechny detektory mají za základ nádobu s tenkým, málo absorbujícím vstupním okénkem a dvěma elektrodami uvnitř. Detektor je plněn vzácnými plyny (argon, xenon). Po určité době budou vzniklé iontové páry rekombinovat a přejdou zpět do základního stavu. V případě, že je na elektrody vloženo určité napětí, budou elektrony přitahovány k anodě a ionty ke katodě a sníží se tím rozdíl potenciálů. Velikost vzniklého napěťového impulsu záleží na napětí mezi elektrodami. Závislost počtu elektronů vzniklých v komoře působením ionizujícího záření na napětí mezi elektrodami lze vyjádřit graficky. Je-li hodnota U menší než U1 bude část elektronů a iontů rekombinovat ještě před zachycením na elektrodách. V oblasti napětí U1-U2 dopadnou všechny elektrony na anodu a ionty na katodu - jejich počet závisí pouze na počtu absorbovaných částic. V oblasti, kde je napětí mezi elektrodami vyšší než U2, budou mít volné elektrony dostatečnou energii, aby na cestě k anodě ionizovaly další atomy plynu, a probíhá tzv. lavinová ionizace. Koeficient plynového zesílení (A) udává, kolikrát více párů dopadlo na elektrody, než vzniklo účinkem ionizujícího záření. Ionizační komora: Ionizační komora pracuje v oblasti U1-U2 (A = 1), ionizační proud je úměrný energii ionizujícího záření. Napětí nutné k dosažení nasyceného proudu závisí na intenzitě záření. Citlivost komory závisí na vlnové délce a stejně tak i absorpce záření v plynu. K plnění se používá těžkých vzácných plynů (Ar, Kr). Proporcionální a Geiger-Mőllerův detektor: Jedná se o detektory pracující v oblasti U3-U4. Počet vzniklých párů elektron-iont je úměrný energii ionizujícího záření. Pokud je koeficient plynového zesílení konstantní je IZOTOPOVÉ METODY 33 elektrický napěťový impuls na výstupu úměrný absorbované energii ionizujícího záření a detektor dovoluje rozlišit ionizující záření s různými energiemi. Vznik lavin elektronů je v proporcionálním detektoru lokální záležitostí - vznikají v té části, kde bylo ionizující záření pohlceno. Vyhasnutí lavin proběhne, aniž by se rozšířili do celého objemu. Plynové zesílení tohoto Geiger-Mőllerova detektoru je kolem 107 . Geiger-Mőllerův detektor Luminiscenční detektory Fluorescenční stínítka: Při ozáření některých látek ionizujícím zářením může dojít k uvolnění elektronů z valenčního pásu a přechodu do pásu vodivostního a při zpětném přechodu může vzniknout viditelné záření. Tento jev se pak využívá k visuelní detekci ionizujícího záření. Jako fluoreskujících látek se používá wolframan vápenatý, křemičitan zinečnatý nebo sirník zinečnatý. Ačkoliv existuje závislost mezi intenzitou fluorescence a intenzitou dopadajícího svazku, používá se fluorescenčních stínítek hlavně při justaci přístrojů. Scintilační detektory: V scintilačních detektorech je převod ionizujícího záření na elektrický impuls dvojstupňový proces. Prvním krokem je vznik záblesku (emise světla) na vhodném krystalu a druhým krokem je uvolňování elektronů na fotonásobiči a jejich detekce a převod na elektrický impuls. Ionizující záření, dopadající na uzemněný scintilační krystal detektoru, uvolní elektron, který při pohybu krystalem přivede do excitovaného stavu desítky atomů. Zpětný přechod do základního stavu je doprovázen emisí světla, jehož vlnová délka nemusí nutně ležet ve viditelné oblasti, ale musí být vhodná k uvolňování elektronů z fotokatody. Scintilačním krystalem emitovaný foton dopadne na světlocitlivou katodu a uvolní z ní určitý počet (n) fotoelektronů. Tyto dopadají na nejbližší dynodu (parabolická elektroda) a IZOTOPOVÉ METODY 34 každý z nich vyprodukuje jistý počet R sekundárních elektronů. Na druhou dynodu dopadá již nR elektronů, na třetí nR2 elektronů atd. Při počtu dynod m vzroste počet primárních elektronů na nRm , kde Rm je koeficient zesílení fotonásobiče. Mezi jednotlivými dynodami je održováno napětí 100-200 V a na výstupu z fotonásobiče je impuls napětí přímo úměrný energii absorbovaného ionizujícího záření. V běžných detektorech je počet dynod 8-15, a koeficient zesílení je 107 -108 . Fotonásobič Jako scintilačního krystalu se nejčastěji používá krystal NaI aktivovaný 1% Tl. Thalium vytváří v pásové struktuře krystalu hladinu nečistot, tzv. fluorescenční centra. Pro nízkoenergetické RTG záření (3-20 keV) není tento krystal vhodný a alternativně se používají monokrystaly YAlO3 aktivované Ce (YAP:Ce). Tento krystal může být v tenčí destičce a je mnohem stabilnější. Podstatný je i rozdíl v délce scintilačních záblesků - u NaI je to 230 ns, u YAP je to pouze 27 ns. Maximální intenzita fluorescenčního pásu NaI je na vlnové délce 410 nm, u krystalu YAP 350 nm. Fotokatoda v scintilačních detektorech je zpravidla antimon- cesiová. IZOTOPOVÉ METODY 35 Scintilační krystal z NaI dotovaný thaliem Polovodičové detektory V těchto detektorech je jednostupňová detekce ionizujícího záření prováděna pevnou látkou, ve které dokáže dopadající kvantum generovat dvojici nábojů, a ty jsou schopny rychlého pohybu k elektrodám, kde vyvolají elektrický impuls. Tato pevná látka je umístěna mezi dvěma elektrodami pod vysokým napětím. Je to vlastně typ ionizační komory, která je místo plynem vyplněna krystalem. Použitý krystal musí mít v zásadě tyto vlastnosti: * vysoký odpor, který zajišťuje sběr nábojů polem vysokého napětí a snižuje šum ze zbytkových proudů * dovoluje prodloužit dobu životnosti vzniklých nábojů * umožňuje vysokou pohyblivost nábojů * má malou šířku zakázané zóny (předpoklad dobrého energetického rozlišení) * velkou absorpční schopnost Těmto podmínkám vyhovují polovodičové materiály jako křemík a germanium. Tyto materiály jsou zpravidla driftované lithiem, které napomáhá k záchytu dopadajících fotonů. Jejich stabilitu je však nutno zajistit teplotami kapalného dusíku. Si(Li) detektor je tvořen monokrystalem p-typu křemíku tloušťky několik mm, který je pod napětím 300-1000 V. Vysoká koncentrace Li atomů na jeho okrajích tvoří oblast n-typu, kdy z jedné strany je kontakt zlatý a z druhé strany je tzv. Schootkyho bariéra (p-i-n dioda). Při vstupu fotonu dojde ke vzniku mraku elektronových párů, jejichž počet je přímo úměrný energii dopadajícího kvanta. Elektrony jsou pak směrovány ven z krystalu díky rozdílu potenciálů na čítací obvod. Na rozdíl od jiných typů detektorů, neexistuje zde žádné vnitřní zesílení, takže výstupní signál je velmi slabý. Výhodou těchto detektorů je možnost připojení na vícekanálový analyzér, vysoká účinnost ve sběru pulsů a velké úhly při sběru dat. Nevýhodou je dlouhá mrtvá doba. IZOTOPOVÉ METODY 36 Si(Li) krystaly pracují spolehlivě v oblasti asi 2-20 keV. V krátkovlnné oblasti však ztrácejí na účinnosti a jsou nahrazovány krystaly Ge (Li). Podmínkou je užití vysoce čistého germania, v opačném případě se radikálně zvyšuje mobilita Li. Problém chlazení kapalným dusíkem lze odstranit při použití teluridu kadmia, který je schopen pracovat při pokojové teplotě, ale jeho nevýhodou je poměrně vysoký šum. Germaniové jádro Ge(Li) detektoru Stopové detektory částic Jsou látky, v nichž těžká jádra či záření vyvolávají mikroskopické poruchy v jejich struktuře. Nejčastěji se používá slída, různá skla, či organické polymery. Poruchy vznikají tím, že procházející částice vytvářejí podél své dráhy v pevné látce vysoce ionizované atomy. Tyto ionty se silně odpuzují a vzájemně vytlačují z původních poloh., čímž vzniká mikroskopická oblast s porušenou strukturou, tzv. radiační stopa (válcový kanálek o průměru 1 ­ 10 nm). Lze je zviditelnit chemickým leptáním, protože v místech poruch je ozářená látka náchylnější k chemické korozi. Počet stop je přímo úměrný počtu částic, které dopadly na detektor. Stopové detektory se používají v dozimetrii záření, zejména k měření dávek záření způsobených radonem a jeho dceřinými produkty. Lze je použít i k dozimetrii neutronů. Pro tento případ se dozimetr překrývá fólií z uranu mírně obohaceného izotopem 235 U, který se neutrony štěpí a štěpné fragmenty vyražené z fólie pak vyvolávají poruchy v detektoru. Pokryje-li se detektor vrstvou boru, lze neutrony registrovat prostřednictvím částic vznikajících reakcí 10 B (n, ) 7 Li. Stopové detektory se používají také k registraci těžkých iontů v kosmickém záření a k měření dávek, kterým jsou vystaveny posádky kosmických letů. IZOTOPOVÉ METODY 37 6. Biologické účinky IZ Základní pojmy: Dávka D: D = dE/dm [Gy] Dávkový příkon = D/t [Gy/s] Ekvivalentní dávka HT: HT = wR * DTR [Sv] Druh záření wR fotony a elektrony všech energií 1 neutrony 10 keV 5 neutrony 10 ­ 100 keV 10 neutrony 0,1 ­ 2 MeV 20 neutrony 2 ­ 20 MeV 10 záření 20 Efektivní dávka Hf: Hf = wT * HT [Sv] Tkáň, orgán wT gonády 0,20 červená kostní dřeň 0,12 tlusté střevo 0,12 plíce 0,12 žaludek 0,12 močový měchýř 0,05 mléčná žláza 0,05 játra 0,05 jícen 0,05 štítná žláza 0,05 kůže 0,01 povrchy kostí 0,01 Účinky IZ se projevují ve větší či menší míře u všech živých organismů. Závažnost účinků závisí na dávce a druhu organismů. Přímé účinky: změna biologicky důležité makromolekuly (nukleových kyselin) přímým zásahem částicí IZ či sekundárními částicemi Nepřímé účinky: souvisí s radiolýzo vody (změny způsobené radikály, peroxidem vodíku a hydratovaným elektronem (vysušené enzymy vykazují menší poškození než roztoky enzymů) Radiolýza vody: H2O+ + H2O OH + H+ aq e+ nH2O e- aq eaq H + OH+ (n-1)H2O H2O H + OH IZOTOPOVÉ METODY 38 H + H H2 OH + OH H2O2 eaq + OH OHHO2 + HO2 H2O2 + O2 Kyslíkový efekt: O2 + H HO2 O2 + eaq O2 Poškození na buněčné úrovni: - změny ve struktuře a biosyntéze DNA - chybná syntéza enzymů - chybně syntetizované bílkoviny (chovají se cize a jsou toxické) - změny v propustnosti buněčných membrán - časem poruchy dělení, smrt buňky Větší rozmnožovací schopnosti, malá diferencovanost = výraznější poškození IZOTOPOVÉ METODY 39 Účinky IZ na lidský organismus IZOTOPOVÉ METODY 40 Nestochastické (deterministické): - projeví se po ozáření IZ během krátké doby - je postiženo současně mnoho buněk - nemohou se uplatnit všechny opravné procesy - prahová dávka vyvolá poškození u 1 ­ 5% osob - z rostoucí dávkou roste závažnost poškození - lze rozpoznat, že vznikly působením IZ - možnost vzniku těchto účinků popisuje ekvivalentní dávka a) akutní nemoc z ozáření: - jednorázové ozáření celého těla vysokými dávkami - poškození krvetvorných orgánů, trávícího ústrojí a CNS - ekvivalentní dávka 2 Sv - projevuje se ve 3 fázích: 1) Nevolnost, skleslost, bolesti hlavy, zvracení, změny krevního obrazu 2) Období latence ­ přechodné ustoupení příznaků, je tím kratší čím větší byla absorbovaná dávka 3) Intenzivní rozvinutí počátečních příznaků + padání vlasů, vnitřní krvácení, silná vnímavost vůči infekcím - zlepšování stavu po 6 ­ 8 týdnech, uzdravení - při ozáření ekvivalentní dávkou 6 Sv převládá hematologická forma choroby (poškození krevní dřeně, krvetvorby, krvavé průjmy, poruchy funkce střev) - při ozáření ekvivalentní dávkou 10 Sv a více převládá nervová forma choroby (psychická dezorientace, zmatenost, křeče, bezvědomí, smrt během hodin až dnů v důsledku oběhového kolapsu, zástavy dýchání a poruch mozku) - pravděpodobnost úmrtí: 6 Sv 80%, 10 Sv 100% - dlouhodobé následky (poruchy krvetvorby, poruchy funkce pohlavních orgánů, neplodnost, zvýšená vnímavost k infekcím a nádorovým onemocněním, trvalá slabost a únava) IZOTOPOVÉ METODY 41 b) lokální akutní poškození kůže: - radiační dermatitida (stupeň 1 ­ 3, zarudnutí až špatně hojitelné vředy) - prahová dávka 3 Sv (výrazně se zvyšuje frakcionací dávky ­ prahová dávka roste až k 15 Sv) Obrázek: Radiační dermatitida 1. stupeň Obrázek: Radiační dermatitida 2. stupeň c) poškození plodu: IZOTOPOVÉ METODY 42 - 1. ­ 2. týden: ,,všechno nebo nic", plod buď přežije bez újmy, nebo dojde k potratu (prahová dávka 250 mSv) - 3. ­ 8. týden: organogeneze - vznik malformací (prahová dávka 250 mSv) - 8. ­ 15. týden: mikrocefalie (špatně vyvinutý mozek), oční defekty, rozštěp patra, celkové zaostávání (mentální retardace, zakrslost) (prahová dávka 100 mSv) - v dalších týdnech je plod stejně odolný jako matka d) poruchy plodnosti: - přechodná aspermie (porucha v tvorbě spermií) - prahová dávka 250 mSv, od 3 Sv trvalá aspermie - u žen dávka do 1,5 Sv bez odezvy, sterilita od cca 3 Sv e) zákal oční čočky: - dlouhá doba latence - prahová dávka cca 1,5 Sv (výrazně závisí na frakcionaci dávky ­ posun až k 20 Sv) Stochastické: - poškození malého počtu buněk (i jediné) - projeví se po ozáření jednou či více podprahovými dávkami - vznik nádorových onemocnění (latentní doba 10 ­ 40 let), leukémie (l.d. 5 ­ 20 let), genetické poškození další generace - projeví se ve skupině náhodně - s rostoucí dávkou roste pravděpodobnost vzniku poškození ne jeho závažnost - nelze rozpoznat že vznikly působením IZ - lze odhalit jen sledováním velkého počtu osob - 6400 osob v Hirošimě ozářeno ekvivalentní dávkou 1,2 Sv, za 25 let 11 případů leukémie navíc nad přirozený výskyt ve stejně velké neozářené skupině IZOTOPOVÉ METODY 43 Díky opravným mechanismům je vznik poškození při malých dávkách velmi málo pravděpodobný, přesto dosud převládá tzv. konzervativní přístup: - stochastické účinky ­ mutace jediné buňky - závislost na dávce podprahová - předpokládá sčítání dávek, ignoruje opravné procesy Moderní přístup: - buňka může poškození DNA opravit - při ozáření dávkami pod 0,2 Gy nelze prokázat škodlivé účinky (kromě ranného vývoje plodu) - u lidí ozářených při bombardování atomovými bombami dávkami menšími než 0,2 Gy zjištěna nižší úmrtnost na rakovinu a nebyl pozorován vyšší výskyt leukémie - britští radiologové s celoživotní dávkou 1-5 Gy, radiologitští pracovníci 0,5 Gy: žádný výskyt rakoviny navíc - 28 000 pracovníků britských loděnic ozářeno dávkou 0,005 mSv: úmrtnost o 24% nižší - kanadské ženy vyšetřované pomocí RTG na tuberkulózu, dávky 0,15 ­ 0,25 Gy: nižší úmrtnost na rakovinu - Coloradská plošina, přirozené dávky záření 3x vyšší než USA průměr: úmrtnost na rakovinu o 15% menší Ochranný efekt: - leukocyty ozářeny nejprve dávkou 0,02 Gy a pak 0,15 Gy ­ poloviční výskyt chromozových aberací než po samostatné dávce 0,15 Gy Hormeze ­ stimulující účinky malých dávek IZ - vyšší metabolická aktivita bakterií - urychlení klíčení semen, vycházení, odnožování, růst, dřívější květenství, dozrávání - prodloužení života myší (celoživotně ozařovány 8h denně 1mGy) - u lidí: léčivé účinky radioaktivních koupelí (Jáchymov) - léčí se především: revmatismus, degenerativní změny obratlů, inf. onemocnění nervového systému, poruchy vylučování k. močové, poruchy při vylučování žluči játry apod. Léčení pomocí IZ: Teleterapie ­ dálkové ozařování především 60 Co (5.1013 ­ 1015 Bq) Kontaktní terapie ­ - zářič na povrchu těla (32 P či 90 Sr) Brachyterapie ­ tělesnými dutinami se zářič zavede k nádoru Endoterapie ­ vpravení radionuklidového zářiče do postižené tkáně metabolickým procesem (štítná žláza Na131 I apod.) Radioimunoterapie ­ RN je vázán na protilátku, selektivně se váže na spec. antigeny a receptory v nádorových buňkách Velikost dávek ­ cca 60 Gy (frakcionace po 2 Gy) Nevýhoda ozařování ­ ozařuje se i zdravá tkáň (různé směry ozařování) Současné trendy: - ozařování urychlenými protony (vysoký lin. přenos energie na konci dráhy, 180 MeV dosah 15cm), v Japonsku 12 C6+ IZOTOPOVÉ METODY 44 - ozařování svazkem záporných pionů (nestabilní částice (doba života 2,6.10-8 s), vznikají při ozařování terče protony o E > 500 MeV), po zpomalení dojde k zachycení v jádře a uvolnění 140 MeV = roztříštění jádra - bórová terapie 10 B(n, )7 Li Rentgenová diagnostika Radioisotopová diagnostika Druh vyšetření Ef. dávka [mSv] Snímek plic 0,05 Páteř 1,8 Břicho 3 - 8 Urografie 2,1 Mamografie 0,5 Angiografie 3 - 9 CT hlava 1,1 CT tělo 9,2 Druh vyšetření Ef. dávka [mSv] Statická scintigrafie ledvin 1,5 Dynamická scintigrafie ledvin 2,2 Dynamická cholescintigrafie 2,3 Scintigrafie skeletu 3,4 Perfúzní scintigrafie plic 1,2 Scintigrafie štítné žlázy 2,2 Scintigrafie perfuze myokardu 7,5 Přibližná radiační zátěž pro nejčastější metody rentgenové a radioisotopové diagnostiky Účinky IZ na hmyz: - 100x odolnější než obratlovci, smrtelné dávky 103 ­ 104 Gy - nižšími dávkami lze hmyz sterilizovat - radiační hubení hmyzu: potemník v obilí, při 100 Gy dochází ke sterilizaci samečka ale k přímému usmrcení je třeba 5000 Gy - ochrana starých dřevěných uměleckých předmětů (výhoda proti chemické sterilizaci) - hubení hmyzu ve volné přírodě: vypouštění sterilizovaných samečků (nezanáší se do přírody insekticidy) Účinky IZ na mikroorganismy: - jsou velmi odolné, smrtelné dávky 103 ­ 104 Gy - radiační sterilizace: obvazový materiál, chirurgické potřeby, injekční stříkačky, jehly, umělé srdeční chlopně, apod) - radiační ozáření potravin: dávka 30 ­ 70 kGy, potraviny jsou vakuované a zmrazené (masné výrobky) ­ potlačení vzniku zapáchajících produktů radiolýzy - jednotlivé země povolují ozařování různých druhů potravin - nepovoluje se ozařovat čerstvé maso, ovoce a zeleninu Účinky IZ na rostliny: IZOTOPOVÉ METODY 45 - pozorovaný účinek závisí na objemu chromozomů (objem jádra připadajícím na jeden chromozom), na rychlosti růstu rostliny, na frakcionaci dávky záření - jednorázové ozáření: odolnější pomaleji rostoucí rostliny - chronické ozařování: odolnější rychleji rostoucí rostliny - jehličnaté dřeviny: zpomalení růstu při 0,01 ­ 0,1 Gy/den - ostatní rostliny: zpomalení růstu při 1-100 Gy/den - radiační šlechtění: ozáření semen 100 ­ 1000 Gy, vznik mutací, část užitečných (odrůda obilí s většími výnosy a odolnější vůči chorobám apod.) LD50 v Gy pro RTG a záření: Ostatní účinky IZ: - odstraňování statické elektřiny (ionizace vzduchu zářením 210 Po či 241 Am) - ionizační hlásiče kouře (241 Am o malé aktivitě + ionizační detektor záření, kouř mění ionizační proud) - radionuklidové baterie využívají tepelných účinků IZ (absorpce a záření v látce), tepelnou energii převádí na elektrickou (238 PuO2 v kardiostimulátorech (g) či družicích (kg), poločas 86 let, použití asi 20 let, nevzniká : 238 Pu 234 U + ) - radionuklidové světelné zdroje jsou založeny na emisi viditelného světla při absorpci IZ v některých látkách (kdysi 226 Ra a ZnS), dnes zářiče 3 H, 85 Kr, 147 Pm, signalizační lampy, číselníky hodinek a měřicí přístroje apod. - barvení skel: ozařování dávkami 1 kGy, vytvářejí se poruchy absorbující viditelné světlo, trvanlivost desítky let (měření dávek), zkracuje se za vyšších teplot IZOTOPOVÉ METODY 46 7. Použití radionuklidů a izotopů v biologii a lékařství Izotopový indikátor ­ prvek, jehož přirozené izotopové složení bylo změněno (14 C byl přidán k přírodnímu C, či 198 Au k přírodnímu zlatu), většinou radioaktivním izotopem Indikátorová metoda ­ metoda využívající izotopové indikátory ke sledování různých dějů a procesů Izotopové indikátory: 1) sledujeme chování určité chemické látky, izotopový indikátor musí být ve stejné chemické formě, jako je sledovaná látka (př. sledování biochemických dějů) 2) sledujeme určitou látku či objekt, přičemž chemické vlastnosti izotopového indikátoru nejsou podstatné (sledování proudění kapalin v potrubí) Izotopicky substituované sloučeniny ­ sloučeniny, ve kterých je stabilní izotop nahrazen izotopem radioaktivním ve všech molekulách (2-(14 C)-octová kyselina) Izotopicky značené molekuly ­ směs látky s přírodním izotopovým složením a látky izotopově substituované (2-[14 C]-octová kyselina) Indikátory v chemii a biochemii: Reakce chloritanu s kyselinou chlornou: ClO2 + HOCl Cl+ HClO3 Ze stechiometrického zápisu není zřejmé, zda kyselina chlorečná vzniká oxidací chloritanu či kyseliny chlorné. Tím, že se v jednom reaktantu chlór označí, např. izotopem 36 Cl, lze jednoznačně původ chlóru v kyselině chlorečné zjistit. Významným přínosem bylo použití radioaktivních indikátorů pro pochopení procesů fotosyntézy. Používá se 14 CO2 (rostliny) a NaH14 CO3 (řasy). Studium metabolických přeměn: Látka, jejíž metabolismus se zkoumá (A), se podá organismu ve značené formě. Po určité době se izoluje látka B (předpokládaný metabolit látky A). Je-li látka B radioaktivní, je metabolitem látky A. Metabolismus složitějších látek probíhá přes řadu mezistupňů, které je možné všechny identifikovat metodou radioaktivních indikátorů. V kombinaci s autoradiografickou detekcí bývají izotopové metabolické studie také spojeny se zjišťováním, v kterém orgánu k metabolismu dochází, případně kde se ukládají produkty metabolismu. IZOTOPOVÉ METODY 47 Autoradiogram zmrazeného řezu krysou pořízený 6h po injekci roztoku Na2 35 SO4 Receptorové studie: Zjišťuje se, ve kterých tkáních a buňkách se nacházejí receptory biochemicky a fyziologicky účinných látek. Tyto látky se ve značené formě podávají organismu a jejich lokalizace ve tkáních nebo buňkách se provádí autoradiograficky. Autoradiogram řezu ledvinou krysy, ukazující lokalizaci receptorů endothelinu Studium samodifúze ­ sledování pohybu částic v čisté látce vlivem tepelného pohybu (např. pohyb molekul vody ve vodě, používá se 3 HHO) Studium výměnných reakcí ­ sledování výměny identických částí mezi jednotlivými molekulami AX + BX AX + BX, kde dochází k výměně identických částic X. Další použití izotopových indikátorů: - stanovení rozpustnosti málo rozpustných látek (ve vodě, v jiných rozpouštědlech, kovů v roztavených solích, plynů v kapalinách apod.) - stanovení tenzí par, málo těkavých látek (vysokovroucí kapaliny, roztavené kovy) - stanovení velikosti povrchu sorbentu (sleduje se množství naadsorbovaného radioaktivního plynu) - rychlost vylučování kovů na elektrodách a sledování následných elektrodových dějů - zadržování aktivních komponent pracích prášků na vláknech tkaniny atd. Metoda izotopového zřeďování: Radioaktivní indikátor o známé měrné aktivitě a0 = A0 / m0, kde A0 je aktivita indikátoru a m0 jeho hmotnost, se přidá ke vzorku, který obsahuje neznámou hmotnost mx látky. Měrná aktivita indikátoru se tím sníží na hodnotu a1 = A0 / (m0 + mx). Aktivita A0 přitom zůstala stejná, před zředěním pro ni platil vztah A0 = a0m0, po přidání vzorku A0 = a1 (m0 + mx). Z rovnosti těchto dvou vztahů dostáváme: IZOTOPOVÉ METODY 48 mx = m0 (a0/a1 ­ 1) Při použití indikátoru ve stejné chemické formě jako sledovaný vzorek můžeme určit množství konkrétní látky v systému. Použití: - pro stanovení obsahu vyměnitelného fosforu v půdě. Vzorek půdy se třepe s roztokem 32 PO4 3o známé měrné aktivitě, vyměnitelný fosfor přechází do roztoku a měrnou aktivitu indikátoru sníží - stanovení objemu v případech kdy objem nezaujímá jednoduchý geometrický tvar (podzemní zásobníky plynu, složitý systém potrubí, objem krevní plasmy apod.) - určování velikosti hmyzí populace (část jedinců se označí (n0), po promísení s neoznačenou populací se odchytí stejný počet jedinců, jako bylo označeno a zjistí se kolik z nich je radioaktivní (n1), poměr n0/n1 udává zřeďovací faktor, celkový počet v populaci pak činí: n0 2 / n1 Indikátory v biologii: - rozsah a směr migrace drobnějších živočichů (část jedinců se označí a po určité době se z počtu označených jedinců určuje rozsah a směr migrace) - studium pohybu a hromadění baktérií v živočišném organismu - pohyb a přenos potravy a živin (přenášení potravy uvnitř hmyzího společenství), u rostlin se autoradiograficky stanovuje rozložení přijatých živin v rostlinném těle - v molekulární biologii bylo pomocí značené DNA a RNA prokázáno že DNA slouží jako matrice pro vznik RNA - v současnosti je jednou z častých aplikací sekvenování Sekvenování: Pro určení přesné sekvence nukleotidů v úseku DNA se používají dvě metody - Sangerova a Maxam a Gilbertova. Sangerova: - využívá speciální vlastnosti speciálních nukleotidů - 2', 3' dideoxyribonukleotidtrifosfátů - tyto nukleotidy (ddATP, ddCTP, ddGTP a ddTTP) nemají na 3' uhlíku ribosy OH skupinu, na tento konec již nemůže být navázán žádný další nukleotid navázán - v reakční směsi máme namnoženou jednovláknovou DNA (jejíž sekvenci chceme znát), DNA polymerázu, příslušné primery (aby DNA polymeráza mohla začít pracovat), dostatek deoxyribonukleotidtrifosfátů (dATP, dCTP, dGTP a dTTP) pro syntézu a určité množství jednoho typu dideoxyribonukleotidtrifosfátu - dejme tomu ddATP - polymeráza začne od nasednuvších primerů doplňovat sekvenci druhého vlákna, pokaždé když polymeráza doplňuje dATP do řetězce, je určitá pravděpodobnost, že namísto dATP použije ddATP - pokud je zařazen ddATP, potom polymerace na tomto místě končí. Necháme-li tedy takovouto reakci proběhnout, získáme velké množství různě dlouhých oligonukleotidů, které budou všechny končit adeninem (dojde k zastavení polymerace u ddATP) - pokud necháme proběhnout stejnou reakci, tentokrát s ddCTP, ddGTP a nakonec i ddTTP, dostaneme 4 směsi oligonukleotidů, přičemž v každé směsi budou oligonukleotidy končit příslušnou bází IZOTOPOVÉ METODY 49 - klasická metoda vyhodnocení spočívá v provedení elektroforézy, přičemž jsou v gelu vytvořeny 4 dráhy, každá pro jinou oligonukleotidovou směs Maxam a Gilbertova: - metoda se vyhodnocuje podobným způsobem (elektroforeticky), ovšem reakce, při které vznikají různě dlouhé oligonukleotidy, nevyužívá polymerace podle vzorového vlákna, ale specifického chemického štěpení DNA za určitými nukleotidy Indikátory v lékařské diagnostice: Značené sloučeniny užívané v lékařství se nazývají radiofarmaka. Pro diagnostické účely musí být radioaktivní nuklid přítomen v takové chemické formě, kterou tkáň vyšetřovaného orgánu přijímá. Vhodné jsou - (s následnou emisí ), + (anihilační ), jaderné izomery a nuklidy podléhající elektronovému záchytu (RTG záření), o energiích kolem 100 keV a poločasech rozpadu řádově hodin či dnů. Nejběžnější zařízení v diagnostické nukleární medicíně je gamakamera. Gama kamera IZOTOPOVÉ METODY 50 Scintigram zdravého srdce (vlevo) a srdce po infarktu myokardu (vpravo); kontrola prokrvení ruky přišité pacientovi po úrazu Radiofarmaka značená + nestabilními radionuklidy umožňují využít principu tomografie (pozitronová emisní tomografie). Nejčastěji se pracuje s 11 C, 13 N, 15 O a 18 F (mají krátké poločasy rozpadu a kromě fluoru se jedná o biogenní prvky, kterými lze značit řadu biologicky aktivních molekul) Schéma pozitronové tomografie Indikátory v hydrologii: - pohyb vody v různých přírodních systémech - pohyb dešťové vody a vody z tajícího sněhu v podpovrchových vodách - rychlost průtoků ve vodních tocích, pronikání vody z jezer, nádrží a kanálů - studium podzemních vod (stáří, vztah mezi povrchovými a podzemními vodami) - vztahy mezi vodonosnými vrstvami Používá se 58 Co, 60 Co, 51 Cr. Tritium vzniklé při nadzemních pokusech jaderných a termonukleárních zbraní bylo pojato jako pulsní označení hydrosféry tritiem a bylo využito pro studium pohybu a výměny vod zejména v podzemních rezervoárech. Například nepřítomnost tritia v rozsáhlém podzemním rezervoáru pod Saharou ukázala, že v současnosti nedochází k jeho doplňování z vnějších zdrojů. Indikátory v průmyslu: - měření průtoku kapalin, sledování transportu surovin v technologickém zařízení, průběh procesů mísení apod. (průtok a doba setrvání odpadních vod v čistících stanicích a odkalovacích nádržích, pohyb roztaveného železa a strusky ve vysoké peci, průchod plynů vysokou pecí, netěsnosti v potrubí ropovodu, netěsnosti v potrubí plynovodu atd.) IZOTOPOVÉ METODY 51 Příprava značených sloučenin: Ozařováním v reaktoru neutrony. Vzniká tak např. 24 NaCl, 42 KCl, 59 FeCl, H3 32 PO4, Ba14 CO3. Dále se vyrábí další sloučeniny. Preparativní metody: Sloučeniny s 14 C Příprava dalších sloučenin: Syntéza značeného aromatického kruhu Syntéza serinu-14 C formylací N-benzoylglycinesteru IZOTOPOVÉ METODY 52 Syntéza -indolyloctové kyseliny značené v postranním řetězci Sloučeniny s 3 H Rozpuštění sloučenin v THO (kyselá katalýza H2SO4, CF3COOH atd.) či Pt čerň. Kyselé vodíky se dají tritiovat protřepáním v THO a odpařením THO. Kombinací s následnými reakcemi lze T zavést i tam kde je vázáno kovalentně. Sloučeniny s 35 S Většinou se vychází z elementární síry 35 S, reakcí s P se připraví P2 35 S5, tato látka pak slouží k zavádění síry do organických sloučenin. P2S5 + 5 CH3COOH + 3 H2O 5 CH3CO35 SH + 2 H3PO4 IZOTOPOVÉ METODY 53 S touto látkou pak lze připravit velmi snadno další organické látky značené sírou. Sloučeniny s 32 P: 4 32 P + 5 O2 2 32 P2O5 32 P2O5 + 3 H2O 2 H3 32 PO4 V koncentrovaných roztocích vzniká až H4 32 P2O7 2 H3PO4 H4P2O7 + H2O Značení pak probíhá zahříváním kyseliny difosforečné s látkou, jež chceme fosforylovat. Přebytečné fosforylační činidlo odstraníme pomocí LiOH, Li3PO4 je nerozpustný. Značená hnojiva: Přímé ozařování Ca3(PO4)2, případně se ozařuje KH2PO4 a vzniklý KH2 32 PO4 slouží jako výchozí surovina pro další sloučeniny. 2 KH2 32 PO4 + CaCl2 Ca(H2 32 PO4)2 + 2 KCl Ca(H2 32 PO4)2 + CaCO3 2 CaH32 PO4 + H2O + CO2 žíháním s CaCO3 vzniká Ca3(32 PO4)2 2 CaH32 PO4 + CaCO3 2 Ca3(32 PO4)2 + H2O + CO2 Sloučeniny s 131 I: 131 I je k dispozici většinou ve formě Na131 I, tato látka se pak používá buď přímo, anebo můžeme pomocí I značit např. bílkoviny. albumin + 2 Na131 I + (slabé ox. činidlo) albumin + 131 I2 albumin (s 131 I v tyrosinu) Nezreagovaný Na131 I se oddělí např. na ionexu. Biosyntetické metody: Využívají schopností živých organismů, hlavně rostlin a mikroorganizmů. Jako ,,krmivo" slouží 14 CO2, HTO, H3 32 PO4, H2 35 SO4 ve směsi se stejnými neaktivními látkami. Tyto látky jsou začleněny do složitějších molekul. Po nějaké době se organismus usmrtí a žádaná sloučenina se izoluje a vyčistí běžnými biochemickými postupy. S výhodou se připravují látky, jejichž syntéza je velice obtížná, jako jsou různé vitaminy a hormony. Často také připravujeme značené bílkoviny, polysacharidy a nukleové kyseliny. IZOTOPOVÉ METODY 54 Po rozštěpení těchto biopolymerů dostáváme značené aminokyseliny, nukleotidy a jednoduché sacharidy. Značení je ale většinou nespecifické. Značení 14 C: Využívá se fotosyntézy. Připravíme tak nespecificky značenou glukosu, fruktosu, sacharosu a škrob. Listy se exponují v uzavřené a osvětlené aparatuře po dobu cca 40 hodin v atmosféře 14 CO2, který připravíme rozkladem uhličitanu kyselinou. Ten je za 40 hodin spotřebován. Rostliny se usmrtí ponořením do vroucího etanolu, rozdrtí se a extrahují se 80 % etanolem. Extrakt se poté odpaří, odparek se rozpustí ve vodě, barviva se odstraní extrakcí do etheru a ve vodném roztoku zůstávají sacharidy 14 C, které se dělí chromatograficky. Před biosyntézou je žádoucí, aby byl objekt chudý na připravovanou sloučeninu. Listy se proto nechají několik dnů ve tmě, aby byl sacharid spotřebován dýcháním. Teprve poté se provádí fotosyntéza s využitím 14 CO2. Aminokyseliny se syntetizují pomocí řas Chlorela vyživovaných NaH14 CO3. Vznikají značené bílkoviny, které po hydrolýze poskytují jednotlivé značené aminokyseliny. Tuky, nukleové kyseliny, barviva aj. se získají po promytí a vysušení řas, které se následně extrahují metanolem. DNA se pak extrahuje 10% NaCl. Biosyntetické metody přípravy sloučenin značených jinými radioizotopy spočívají v pěstování organismů v živných roztocích s vhodným prekurzorem. Sojové boby ­ tritiovaná voda ­ tritiované mastné kyseliny. E. coli ­ 32 P-fosfát ­ DNA (32 P) Penicillium chrysogenum ­ Na2 35 SO4 ­ benzylpenicilin (35 S) Králík ­ nitrožilně Na2H32 PO4 ­ ATP (32 P) extrakcí k. trichloroctovou Wilzbachovo triciování (objeveno v r. 1956): Organická látka v plynné, kapalné, nebo pevné fázi je vystavena plynnému tritiu o aktivitě stovek GBq. Mechanismus je komplikovaný a doposud ne zcela prozkoumaný. Nejpravděpodobnější vysvětlení: V T2 se rozpadne jedno T za vzniku 3 HeT+ , který je značně excitován a přímo reaguje s organickou látkou: (3 HeT+ )* + RH (RHT+ )* + 3 He (RHT+ )* (RT+ )* + H IZOTOPOVÉ METODY 55 nebo přijímá elektron z okolí a se substrátem reaguje excitované T: (3 HeT+ )* + e- 3 He + T* T* + RH RT + H* Případně k excitaci substrátu (a dodání tak aktivační energie) dochází vlivem záření tritia, které působí radiolýzu substrátu: RH + energie RH+ + e- RH+ + RH RH2 + + R Produkty radiolýzy pak reagují s T či mezi sebou: RH2 + + T2 RHT+ + HT RHT+ +RH RT + RH2 + apod. Oba mechanizmy se uplatňují současně a u různých substrátů jsou zastoupeny nestejně. Wilzbachovo tritiování se provádí ve vakuové aparatuře, organická látka se odpaří a většinou ulpívá na stěnách nádoby, poté se do baňky vpraví tritium, buď rozlomením ampule s T2 nebo př. rozkladem UT3. Na 0,2 g U připadá 185 GBq T. Tritiovaní probíhá několik dnů až týdnů. Tritiování je ale nespecifické a neprobíhá rovnoměrně. Největším problémem je odstranění následných vedlejších aktivních produktů (substrát se vlivem záření rozkládá na menší fragmenty, které se tritiují, případně reagují s původní sloučeninou). Produkty tritiování se proto vždy čistí, většinou chromatograficky. Čištění probíhá v několika krocích, dokud nedosáhneme požadované čistoty.