IZOTOPOVÉ METODY
1
1. Základní údaje
Doporučená literatura:
Radioaktivita, ionizující záření, jaderná energie, Jiří Hála,
Konvoj 1998
Radioaktivní izotopy, Jiří Hála, Sursum 2013
Struktura hmoty:
Rozdělení částic (hmoty):
„Elementární“ částicednes – cca 100 částic + 100
antičástic
Následující schéma naznačuje zjednodušeně členění
„elementárních“ částic:
2
- hadrony, ovlivňuje je slabá jad., el. mag. a silná jaderná,
skládají se z kvarků
- leptony, necítí silnou jadernou (e, μ, τ), jsou elementární
hadrony:
- baryony – polocelý spin (n, p), skládají se ze 3 kvarků
(nukleony (p, n), hyperony – obsahují alespoň jeden
s kvark)
- mezony – celý spin (π), skládají se ze 2 kvarků ((π+
(ud), π0
(kvantová superpozice uu a dd stavu), π−
(du))
3
Další způsob dělení:
– bosony, celý spin (vnitřní moment hybnosti) (16
O, γ, α)
– fermiony, polocelý spin (p+
, n, e-
)
4
Symbolika: A
ZXN
běžný zkrácený zápis: A
X
A – nukleonové číslo (A=Z+N)
Z – protonové číslo
N – neutronové číslo
Zvláštní symbolika: D – deuterium – 2
H
T – tritium – 3
H
5
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 (40
Ar, 40
K, 40
Ca)
radio –značí, že jádro je nestabilní a samovolně se
rozpadá
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 = QU = 1,602·10-19
1 = 1,602·10-19
J =
1 eV.
Příklady: Energie fotonu viditelného záření.
λ = 550 nm = 5,5·10-7
m; h = 6,63·10-34
Js; c =
2,997·108
ms-1
.
E = hν = hc/λ = 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 = mc2
= 1,6606·10-27
(2,997·108
)2
= 1,492·10-10
J =
1,492·10-10
/ 1,602·10-19
= 931,3 MeV
6
2. Atomové jádro
p + n; centrum + náboje a hmoty
(mp 1,673·10-27
kg či mn 1,675·10-27
kg  2000 me
9,109·10-31
kg); průměr jádra  10-15
m (atomu  10-10
m)
Jaderná potenciálová jáma a bariéra:
7
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)
- 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, 298
X (114p, 184n), 310
Y (126p, 184n)
8
- 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
9
- př. 100
Sn (50p, 50n) T1/2 = cca 1 s
- nejstabilnější jádra jsou sudo-sudé, pak sudo-liché či
licho-sudé a jen 4 stabilní licho-liché: 2
H (1p, 1n), 6
Li (3p,
3n), 10
B (5p, 5n) a 14
N (7p, 7n)
Kapkový model jádra:
Ev  kA - 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
10
tvar jádra: kulový tvar mají jen dvojitě magická jádra,
ostatní jádra se stabilizují změnou tvaru
Hmotnost a vazebná energie jádra:
m(X) < Zmp + Nmn
hmotnostní úbytek: Δ = m(X) – (Zmp + Nmn), Δ < 0
Ev = - Δ 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.
Příklad:12
C (6 p, 6 n), mp = 1,672622·10-27
kg; mn =
1,674927·10-27
kg; me = 9,109382·10-31
kg; c =
2,997924·108
m·s-1
; u = 1,660539·10-27
kg
11
teoretická m(12
C) = 6mp + 6mn + 6me =
2,009076·10-26
kg
skutečná m(12
C) = 12 u = 1,992647·10-26
kg
Δ = 1,992647·10-26
- 2,009076·10-26
= -1,642916·10-28
kg
Ev = 1,642916·10-28
(2,997924·108
)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 12 g 12
C z p a n, by se uvolnilo
1,4736·10-11
6,022·1023
= 8,9 TJ, rozštěpením 12 g uranu se
uvolní asi 1 TJ.
Izotopové efekty:
 1
H2O, 2
H2O, 3
H2O či 235
UF6 a 238
UF6
 střední rychlost molekul: v = √(8kT/mπ)
 frekvence vibrace (těžší iz. menší frekv.):
√((m1+m2)/m1m2))
 jiná tt, tv, rychlost difúze, rychlost chemické reakce
12
Příklad: tv(D2O) = 101,42 °C; tt = 3,82 °C
3. Radioaktivita
> 2000 nuklidů; 266 stabilních
Radioaktivita – samovolná přeměna na jiný nuklid (neplatí
pro deexcitaci jádra).
Pro Z ≤ 20 je N / Z  1, poté postupně až 1,52 pro 209
Bi,
přebytek neutronů zmenšuje odpuzování protonů.
Vlevo: Jednoduchá dvojrozměrná mapa nuklidů. Vpravo:
Trojrozměrná mapa včetně vazbových energií.
Při radioaktivní přeměně se uvolňuje energie.
X → Y + n částic
Základní hmotnostní podmínka radioaktivity:
13
M(X) > M(Y) + M(ČÁSTIC)
Energie uvolněná při radioaktivní přeměně:
Epřeměny = Ekin(Y) + Ekin(ČÁSTIC) + Eγ
Stabilita atomových jader vyplývá z hladinového
modelu:
Skupiny radioaktivních přeměn:
1.mění se Z při konstantním A (β-, β+, EZ)
2.mění se Z i A (α, emise nukleonů, emise těžších jader
14
C, 24
Ne, SŠ)
3.deexcitace jádra (γ emise okamžitá či zpožděná,
vnitřní konverze)
14
Druhy radioaktivních přeměn:
A) Přeměna βn
→ p+
+ e+
υe
A
ZX → A
Z+1Y + β- + υe
14
C → 14
N + β- + υe
měříme 210
Pb → 210
Bi + β- + υe
Energie se rozdělí mezi jádro (málo), elektron a υe náhodně,
spektrum je proto spojité.
15
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 γ)
60
Co → 60
Ni*
+ β- + υe; 60
Ni*
→ 60
Ni + γ
Může vznikat i směs a) a b)
B) Přeměna β+
p+
→ n + e+
+ υe
A
ZX → A
Z-1Y + β+ + υe
22
Na → 22
Ne + β+ +
υe
Platí stejné energetické zásady jako u β- přeměny (spojité
spektrum apod.).
Čistý β+ rozpad je vzácný, většinou probíhá spolu
s elektronovým záchytem (EZ). Měří se pomocí anihilačních
fotonů a ionizačních účinků e+
:
e+
+ e→
2γ, E = 2 mec2
= 1,02 MeV tj. 0,51 MeV na jedno
kvantum γ
C) Elektronový záchyt (EZ)
p+
+ e→
n + υe
A
ZX + e→
A
Z-1Y + υe
7
Be + e→
7
Li + υe
16
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
D) Přeměna α
A
ZX → A-4
Z-2Y + 4
2He (α) 226
Ra → 222
Rn + α
měříme
Alfa částice je velice stabilní, a proto je její emise výhodná,
zvlášť u těžších prvků.
17
(h = 6,6·10-34
Js, h = 4,1·10-15
eVs)
Na rozdíl od spektra β je spektrum α čarové ale stejně jako
při β rozpadu vzniká část jader excitovaná.
Odrazová energie jádra Y:
EY = Q(α) m(α) / (m(Y) + m(α)) kde Q(α) = 931,5 (m(X) m(Y)
- m(α))
Y α
2% Q(α) 98% Q(α)
Eα  5 MeV, EY 100 keV
U přeměny β a emise γ je odrazová energie mnohem menší
(řádově 101
eV). Zde odrazová energie způsobuje ztrátu
části orbitálních elektronů, vzniká ion s velkým kladným
nábojem, což vede k rozrušení chemických vazeb v dané
sloučenině.
18
E) Emise těžších jader
232
U → 208
Pb + 24
Ne
měříme
Obdoba α 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 α částice
kapkový model: zvětšení povrchu, zúžení,
vznik stabilních zárodků, zaškrcení, rozštěpení
19
Většinou SŠ konkuruje α 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 jádro240
Pu = 8 μs, 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
Al*
+ β+ → 24
Mg + p+
H) Větvené přeměny
1)α / β
2)α / SŠ
3)α / EZ
4) β+ / EZ
5) β- / EZ
Současně můžou probíhat i více jak 2 přeměny naráz.
Každý děj probíhá vlastní rychlostí. Celkový úbytek nuklidu
je řízen nejrychlejším dějem.
I) Přeměna γ 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 γ záření.“
20
Rychlost přeměny: ΔI = 1, T1/2 = 10-16
– 10-10
s, ΔI = 2, T1/2
= 10-11
– 10-4
s
Dále existuje „zpožděná emise γ záření“ ΔI > 2 (zakázaný
přechod) T1/2 = 10-3
s – roky, daný nuklid se pak nazývá
jaderný izomer.
Příklad: 137
Cs → 137m
Ba + β- + υe ; 137m
Ba → 137
Ba + γ
T1/2 = 30,1 roků T1/2 = 2,7 minut
vnitřní konverze: Je to přímý a nezářivý přenos excitační
energie jádra na orbitální elektron.
Konvertované elektrony mají diskrétní spektrum:
Ekon = Eexc – Evaz. el.
Je-li ΔI = 0 pak VK je jediný možný proces, protože emise
není v tomto případě možná.
Kinetika radioaktivních přeměn:
21
- za dostatečně krátký časový interval se přemění vždy
stálá část z přítomného počtu (N) atomů radioaktivního
nuklidu (radionuklidu)
(dN / N) / dt = λ
λ [s-1
] – přeměnová konstanta
Př. λ = 1·10-3
s-1
– z přítomného počtu RN se přemění
každou sekundu 1 / 1000 atomů
Nuklid (s-1
) T1/2
238
U 4,87·10-18
4,5·109
r
14
C 3,84·10-12
5736 r
137
Cs 7,23·10-10
30 r
131
I 9,93·10-7
8,1 d
211
At 2,67·10-5
7,2 h
223
Fr 5,25·10-4
22 m
252
Db 0,0204 34 s
263
Sg 0,77 0,9 s
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
Výjimka: U EZ a vnitřní konverze.
λslouč.< λkov př: u 7
Be λ (BeF2) < λkov o 0,1 %
22
Střední doba života: τ = 1 / λ
Aktivita: rychlost přeměny radioaktivního nuklidu
A = dN / dt A = λN
- 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 = λN = λNA
[Bq·mol-1
]
Časová změna aktivity:
-dN / dt = λ N  N = N0 e–λt
 A = A0 e–λt
23
- aktivita RN klesá s časem exponenciálně, rychlost
poklesu je dána konstantou λ.
Poločas přeměny: A = A0 / 2  A0 / 2 = A0 e–λt
1 / 2 = e–λt
ln (1 / 2) = -λt
-ln2 = - λt
t = ln2 / λ
T1/2 = ln2 / λ
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).
24
Radionuklid o hmotnosti m obsahuje: N = nNA
N = (mNA) / Ar
A = (λmNA) / Ar
Pak z λ spočítáme T1/2, popřípadě se znalosti λ spočítáme
m.
Příklad využití vztahu A = A0e –λt
:
- 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), 26
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
λ = ln (2) / T1/2 = 3,813·10-12
s-1
; A (molární, maximální) =
λNA = 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:
25
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–λt
= (NX + NY) e–λt
Pro počet atomů NY vzniklých za čas t platí:
NX / e–λt
= NX + NY
NY = NX / e–λt
- NX
NY = NX eλt
- NX
NY / NX = eλt
– 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.
40
K 40
Ca + β- + υe (90% β-)
40
Ar + υe + RTG (10% EZ)
Kinetika hromadění radioaktivního produktu radioaktivní
přeměny:
X (λX)  Y (λY)  ...
X mateřský radionuklid, Y dceřinný radionuklid
Celková změna počtu atomů Y v čase je:
26
dNY / dt = λX NX - λY NY
Pro počet atomů Y v čase t platí:
NY = NX, 0 λX / (λY - λX) (e –λx t
- e –λy t
)
Jestli T1/2X >> T1/2Y (λX<< λY) pak se vztah zjednodušuje na:
AY = AX, 0(1 - e –λy 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 + βV
přírodě najdeme trvalé radioaktivní rovnováhy
v radioaktivních řadách. Existují 3 a to uran-radiová (238
U
27
– 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 (λX< λY; T1/2X >T1/2Y).
AY = AX λY / (λY - λX)
AY / AX = λY / (λY - λX)
Poměr AY / AX je konstantní, maximální aktivity je dosaženo
v čase:
t = 1 / (λY - λX) ln (λY / λX)
Generátory radioaktivních nuklidů: Kolonka sorbentu
s pevně zachycenou vhodnou formou mateřského nuklidu,
ve vhodné době se dceřiný nuklid s kolonky vymyje.
28
Přirozeně se vyskytující radioaktivní prvky: přírodní X
umělé (není mezi nimi rozdílu)
1. T1/2> 108
roků, vznikly při syntéze prvků ve vesmíru
Radionuklid Poločas rozpadu (roky) Zastoupeni (%)
40
K 1,27·109
0,012
87
Rb 4,7·1010
27,85
88
Sr >3·1015
82,56
115
In 6·1014
95,77
138
Ba >1·1015
71,66
147
Sm 6,7·1011
14,97
159
Tb >5·1016
100
186
W >6·1015
28,41
187
Re 5·1010
0,93
209
Bi 2,7·1017
100
232
Th 1,39·1010
100
235
U 7,13·108
0,715
238
U 4,51·109
99,274
29
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.)
30
4. Vlastnosti ionizujícího záření
Energie záření (γ, β, α 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
31
Absorpční křivky
Dávka záření – energie sdělená ionizujícím zářením
(energie získaná od všech primárně i sekundárně
ionizujících částic) malému objemu látky
D = dε / dm
Rozměr je J kg-1
, jednotkou Gray (Gy), 1 Gy = energie 1 J
absorbovaná v 1 kg látky.
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
- 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
32
D = 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
μm-1
L = dE / dx
(tzv Braggova křivka)
33
Mechanismus ztráty energie záření:
α: (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 μm, lineární ionizace je největší
před koncem dráhy (viz Braggova křivka)
34
β: L je menší než u α, menší náboj a při stejné energii větší
rychlost v = √(2E/m), má proto větší pronikavost a dosah,
v plynech metry, kapaliny milimetry:
Tabulka: Dosah (mm) β záření čtyř radionuklidů v různých materiálech
Absorpční křivka (viz Absorpční křivky nahoře) má
exponenciální průběh:
I = I0 e-μd
Kde d je tloušťka absorbující vrstvy v m a μ je lineární
absorpční koeficient v m-1
, závisí na hustotě elektronů
absorbujícího prostředí a energii β záření.
Další možnosti ztráty energie β 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 β záření a velkém Z.
Čerenkovovo záření vzniká je li vβ> c / n, vzniká rázová
35
elektromagnetická vlna – světelný záblesk. Ve vodě dochází
pro Eβ> 0,26 MeV.
γ: Ionizuje nepřímo účinkem sekundárních elektronů, tři
děje:
a) fotoefekt – pro Eγ< 0.1 MeV, na elektron uvnitř obalu se
přenese celá energie fotonu, pravděpodobnost silně
závisí na Z a Eγ (~ Z5
/ Eγ
3,5
), doprovázen RTG emisí
(zaplňování slupek)
b) Comptonův rozptyl - pro Eγ 0,1 - 2 MeV, interakce
s orbitálními elektrony, foton předá část své energie a
uvolňuje jej z atomu (Comptonův elektron), atd.
(zmenšuje se Eγ a směr γ se mění, až zanikne
fotoefektem), pravděpodobnost ~ Z / Eγ
36
c) tvorba párů – v blízkosti atomového jádra a pro Eγ>
1,02 MeV, dochází ke vzniku páru ea
e+
,
pravděpodobnost ~ Z2
/ Eγ, pozitrony zanikají anihilací
37
Uplatnění těchto 3 dějů:
38
Lineární ionizace je malá a dosah γ proto velký, nelze jej
běžně určit. Zeslabení svazku γ se řídí vztahem:
I = I0 e-μd
Kde μ (lineární absorpční koeficient) zahrnuje všechny tři
děje a závisí proto na Z a Eγ. Pronikavost γ se vyjadřuje
pomocí polotloušťky – vrstva zeslabující počáteční
intenzitu záření na 1/2.
I = I0 / 2  I0/2 = I0 e – μd
1/2 = e – μd
ln (1/2) = -μd
-ln2 = -μd
d = ln2 / μ
d1/2 = ln2 / μ
Tabulka: Polotloušťky (cm) pro absorpci γ 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
39
po zpomalení na energii ~ 10-2
eV (tepelné neutrony)
zanikají jadernou reakcí, stejně jako u γ nemá n záření
definovaný dosah, μ závisí na účinném průřezu (σ 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, α) 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 γ a RTG záření: γ: 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 β 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: α: 210
Po, 226
Ra, 238
Pu,
239
Pu, 241
Am, urychlovače částic
Zdroje neutronů: radionuklidové zdroje založené na
reakci (α, n) (AmBe, PuBe, RaBe) a samovolném štěpení,
neutronový generátor (3
H (d, n) 4
He), jaderný reaktor
40
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 /
d2
(důležité u γ záření)
b) odstíněním záření (všude kromě α záření, u β stačí 1 - 2
cm skla, plexiskla, u γ olovo, železobeton, beton
s barytem (BaSO4 – těživec), pozitrony se stíní jako γ,
stejně se stíní γ při rekaci pomalých neutronů s jádry
atomů, neutrony se zpomalují př. parafínem)
c) nejkratší dobou pobytu v prostoru kde záření působí
41
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. μGy hod-1
- 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:
42
 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, GeigerMűllerovy
detektory
3. fluorescenční stínítka, scintilační detektory,
termoluminiscenční detektory
4. polovodičové detektory
5. stopové detektory částic
Detektory obecně:
Hlavní funkcí detektoru je změna energie ionizujícího
záření na elektrické pulsy, které je možno zaznamenávat.
Důležitými charakteristikami všech typů detektorů jsou:
 účinnost
 linearita
 energetická proporcionalita
 rozlišení
Účinnost:
Výkonnost detektoru popisuje možnosti detektoru
zaznamenávat různé druhy záření o různých energiích,
43
která na něho dopadají. Ideální je stav, kdy počet částic
dopadajících na snímač je roven počtu impulsů
registrovaných detektorem. Většina detektorů neměří IZ se
100% účinností, pro četnost R platí: R = η A (η – účinnost <
1; A – aktivita v Bq)
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:
Rt = Rm/(1- Rm·)
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
44
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-Műllerova detektoru
 0,23 s u scintilačního krystalu NaI (Tl)
 0,027 s u scintilačního krystalu 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.
45
Rozlišení
Je to schopnost detektoru rozlišit částice různých energií.
Detektory konkrétně:
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 γ
46
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, γ) 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.
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
47
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.
Autoradiograf mozkového řezu krysího embrya. Značeno 35
SdATP,
který se váže na GAD67 (glutamate decarboxylase). Vysoká
koncentrace markeru (černě) je pozorována především v
subventrikulární zóně (SVZ). Rozměr černé čáry je 2 mm.
48
Fotografická detekce ionizujícího záření se také používá
v průmyslové radiografii a v lékařské rentgenové
diagnostice.
Ruka ženy W. Röntgena, exponováno 22. 12. 1885
49
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
50
ionizace. Koeficient plynového zesílení (A) udává,
kolikrát více párů dopadlo na elektrody, než vzniklo
účinkem ionizujícího záření (pracuje se v oblasti U3 – U4), u
napětí vyšší než U4 dochází v detektoru ke kontinuálnímu
výboji – není schopen detekovat IZ.
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-Műllerův 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
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-Műllerova detektoru je kolem 107
.
51
Geiger-Műllerův 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 vizuální detekci
ionizujícího záření. Jako fluoreskujících látek se používá
wolframan vápenatý, křemičitan zinečnatý nebo sulfid
zinečnatý. Ačkoliv existuje závislost mezi intenzitou
fluorescence a intenzitou dopadajícího svazku, používá se
fluorescenčních stínítek hlavně při justaci přístrojů.
52
Luminiscence materiálů v UV světle.
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.
53
Scintilačním krystalem emitovaný foton dopadne na
světlocitlivou katodu a uvolní z ní určitý počet (n)
fotoelektronů. Tyto dopadají na nejbližší dynodu
(parabolická elektroda) a 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
.
54
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.
55
Fotokatoda v scintilačních detektorech je zpravidla
antimon-cesiová.
Scintilační krystal z NaI dotovaný thaliem
Kapalný scintilátor je taková látka kapalného
skupenství, která při interakci s ionizujícím zářením převádí
část absorbované energie na světelné záblesky (scintilace),
podobně jako výše popsané scintilátory pevného
skupenství.
56
Foto- a termoluminiscenční detektory
Phosphorimager: Schopný zaznamenat 2D obrázky.
Zobrazuje místa která jsou radioaktivní. Je schopen
detekovat především γ, β a také RTG záření. Využívá se
především k detekci proteinů, nukleových kyselin apod. po
oddělení př. na gelu apod. Využívá metastabilního stavu,
který vzniká vytvořením iontu Eu3+
interakcí Eu2+
s ionizující
částicí v matrici. Po ozáření laserem o vlnové délce kolem
650 nm, dochází k deexcitaci stavu a vyzáření fialového
světla o vlnové délce 400 nm. Rozlišení matrice je cca 5
μm.
57
Termoluminiscenční detektory: Po ozáření určitých typů
materiálů ionizujícím zářením dojde k vytvoření relativně
trvalých excitovaných stavů. Po zahřátí tohoto materiálu
dojde k deexcitaci a vyzáření viditelného světla, většinou
v modré oblasti spektra. Využívá se většinou v dozimetrii
(prstenové termoluminiscenční dozimetry) anebo
v datování minerálů apod.
58
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.
59
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.
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.
60
Germaniové jádro Ge(Li) detektoru
Stopové detektory částic
Jsou látky, v nichž těžká jádra či α 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 α 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 α
částic vznikajících reakcí 10
B (n, α) 7
Li.
Stopové detektory se používají také k registraci těžkých
iontů v kosmickém záření a k měření dávek, kterým jsou
vystaveny posádky kosmických letů.
61
6. Biologické účinky IZ
Základní pojmy:
Dávka D: D = dE/dm [Gy]
Dávkový příkon D: D = 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 α 20
Efektivní dávka Hf: Hf = ∑ (wT • HT) [Sv]
Tkáň, orgán wT
gonády 0,20
červená kostní dřeň 0,12
62
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, dávkovém
příkonu a druhu organismů.
Přímé účinky: změna biologicky důležité
makromolekuly (nukleových kyselin) přímým zásahem
částicí IZ či sekundárními částicemi.
Nepřímé účinky: souvisí s radiolýzou 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
·H + ·H → H2
·OH + ·OH → H2O2
eaq
+ ·OH → OH·HO2
+ ·HO2 →H2O2 + O2
Kyslíkový efekt: O2 + ·H → ·HO2
O2 + eaq
→ O2
-
63
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.
64
65
Účinky IZ na lidský organismus
Nestochastické (deterministické):
- projeví se po ozáření IZ během krátké doby (max. týdny)
- 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, trávicího ústrojí a CNS (s
rostoucí dávkou)
- ekvivalentní prahová dávka 2 Sv
- projevuje se ve 3 fázích:
1)Nevolnost, skleslost, bolesti hlavy, zvracení, změny
krevního obrazu
66
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 (neúplné)
- při ozáření ekvivalentní dávkou do 6 Sv převládá
hematologická forma choroby (poškození krevní dřeně,
krvetvorby, krvavé průjmy, poruchy funkce střev)
- při ozáření ekvivalentní dávkou 6 - 10 Sv se
k hematologické formě přidává i poškození trávicího
ústrojí u 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)
b)lokální akutní poškození kůže:
- radiační dermatitida (stupeň 1 – 3, zarudnutí až špatně
hojitelné vředy vedoucí k amputacím)
- prahová dávka 3 Sv (výrazně se zvyšuje frakcionací
dávky – prahová dávka roste až k 15 Sv), výjimka –
objevuje se i po letech
c) poškození plodu:
- 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)
67
- 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)
- výjimka – objevuje se i po letech
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
68
- jiná studie uvádí při sledování obyvatel ozářených
atomovými bombami v Japonsku, kteří obdrželi dávky
průměrně 1 Sv, úmrtnost na stochastické účinky 0,07 Sv-1
- SÚJB uvádí koeficient 0,05 Sv-1
pro obyvatelstvo, 0,04 Sv-1
pro pracovníky se zářením
Díky opravným mechanismům je vznik poškození při
malých dávkách velmi málo pravděpodobný, přesto dosud
převládá tzv. konzervativní přístup (lineární
bezprahový model):
- stochastické účinky – mutace jediné buňky
- závislost na dávce podprahová
- předpokládá sčítání dávek, ignoruje opravné procesy
Moderní přístup:
- buňka může poškození DNA opravit či poškozenou buňku
odstranit (imunitní reakcí)
- při ozáření dávkami pod 0,2 Gy nelze prokázat škodlivé
účinky (kromě raného vývoje plodu) (výjimka radon)
- u lidí ozářených při bombardování atomovými bombami
dávkami menšími než 0,2 Gy zjištěna nižší úmrtnost na
rakovinu a nebyl pozorován vyšší výskyt leukémie
69
- britští radiologové s celoživotní dávkou 1 - 5 Gy,
radiologitští pracovníci 0,5 Gy: žádný statisticky
významný výskyt rakoviny navíc
- 28 000 pracovníků britských loděnic ozářeno dávkou
5 mSv: úmrtnost o 24 % nižší
- kanadské ženy vyšetřované pomocí RTG na tuberkulózu,
dávky 150 – 250 mGy: 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 chromozomových 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. – IZ stimuluje k lepšímu vylučování k. močové
(vzniká až močovina), metabolismus a imunitní systém
Léčení pomocí vysokých dávek IZ:
Teleterapie – dálkové ozařování především 60
Co (5·1013
–
1015
Bq)
Kontaktní terapie – β- zářič na povrchu těla (32
P či 90
Sr)
70
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 γ ozařování – ozařuje se i zdravá tkáň (různé
směry ozařování)
Současné trendy:
- ozařování urychlenými protony (vysoký lin. přenos
energie na konci dráhy, 180 MeV dosah 15 cm),
v Japonsku 12
C6+
- 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 (π
μ+
νμ;
μ
e+
νe + νμ
- bórová terapie 10
B(n, α)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
Druh vyšetření
Ef.
dávka
[mSv]
Statická scintigrafie
ledvin
1,5
Dynamická
scintigrafie ledvin
2,2
Dynamická 2,3
71
Angiografie 3 - 9
CT hlava 1,1
CT tělo 9,2
cholescintigrafie
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
72
- jednotlivé země povolují ozařování různých druhů
potravin
- nepovoluje se ozařovat čerstvé maso, ovoce a zeleninu
Účinky IZ na rostliny:
- 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 γ záření:
Ostatní účinky IZ:
- odstraňování statické elektřiny (ionizace vzduchu α
zářením 210
Po či 241
Am)
- ionizační hlásiče kouře (241
Am o malé aktivitě (cca 10 kBq
+ ionizační detektor záření, kouř mění ionizační proud)
73
- radionuklidové baterie využívají tepelných účinků IZ
(absorpce α a β záření v látce), tepelnou energii převádí
na elektrickou (238
PuO2 v kardiostimulátorech (g) či
družicích (kg), poločas 86 let, použití asi 20 let, nevzniká
γ: 238
Pu 234
U + α)
- radionuklidové světelné zdroje jsou založeny na emisi
viditelného světla při absorpci IZ v některých látkách
(kdysi 226
Ra a ZnS), dnes βzářiče
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
74
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
75
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.
ClO2
+
HOCl→ Cl+
HClO3
Významným přínosem bylo použití radioaktivních indikátorů
pro pochopení procesů fotosyntézy. Používá se 14
CO2
(rostliny) a NaH14
CO3 (řasy).
Další příklady:
15
NO + H14
NO3  14
NO + H15
NO3
C2H5
35
Cl + 38
Cl
C2H5
38
Cl + 35
ClStudium
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,
ve kterém orgánu k metabolismu dochází, případně
kde se ukládají produkty metabolismu.
76
Autoradiogram zmrazeného řezu krysou pořízený 6 h 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:
77
- 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:
a0m0 = a1 (m0 + mx)
a0m0/a1 = m0 + mx
a0m0/a1 - m0 = mx
mx = m0 (a0/a1 – 1)
78
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 (rybí aj.) 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:
79
Pro určení přesné sekvence nukleotidů v úseku DNA se
používají především dvě metody - Sangerova a Maxam a
Gilbertova.
80
Sangerova:
- využívá speciální vlastnosti speciálních nukleotidů - 2',
3' dideoxyribonukleotidtrifosfátů
81
- 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
82
- 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
- klasická metoda vyhodnocení spočívá v provedení
elektroforézy, přičemž jsou v gelu vytvořeny 4 dráhy,
každá pro jinou oligonukleotidovou směs
Sekvence - ACGATTCGGCACT
83
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.
Radiofarmaka – diagnostická a terapeutická – jedná
se o kovy v komplexech, chelátech. Pokud se hromadí
v příslušné tkáni, fungují přímo jako radiofarmaka.
84
85% všech vyšetření se provádí pomocí 99m
Tc, eluuje se z
kolony jako technecistan sodný.
85
Terapeutické použití radiofarmak:
Radioizotopová terapie – buď se roztok s
radiofarmakem vstříkne k postiženému místu(př.
synovektomie), případně se podá nitrožilně a
radiofarmakum se vhodnou interakcí (radioimunoterapie)
nahromadí v postižené tkáni – nádoru. Vhodné poločasy
rozpadu jsou desítky hodin až dnů, beta či alfa zářiče,
zdravá tkáň by měla dostat maximálně 0,1 Gy.
Radioimunoterapie – na peptid (protilátku
specifickou pro určitý receptor, ideálně pro nádorovou
buňku) naváže komplex s radioaktivním kovem, je schopna
léčit i rozptýlené nádorové buňky - metastázy. Celý
komplex musí být stabilní a neuvolňovat radioaktivní prvek
v tkáních. Somatostatin a jeho analoga – peptid o 14
aminokyselinách, vhodný pro radioimunoterapie, často se
váže na receptory somatostatinu v nádorových buňkách.
Biologický poločas je ale jen 3 minuty (rozkládají ho
peptidázy). Syntetická analoga oktreotid (Tb = 20 minut),
[Tyr3] – oktreotid (Tb = 90 minut).
86
Radiační synovektomie – léčení zánětů kloubů
vstříknutím radioaktivního koloidu (kvůli zabránění úniku do
krevního řečiště), β- zářič, na větší klouby se volí zářič
s větší energií β-, terapie je zároveň paliativní (lze snížit
množství léků proti bolesti)
Diagnostické použití radiofarmak:
Pro diagnostické účely musí být radioaktivní nuklid
přítomen v takové chemické formě, kterou tkáň
vyšetřovaného orgánu přijímá. Vhodné jsou β- (s
následnou emisí γ), β+ (anihilační γ - PET), jaderné izomery
a nuklidy podléhající elektronovému záchytu (RTG záření),
o energiích γ kolem 100 keV a poločasech rozpadu řádově
hodin až dnů.
Nejběžnější zařízení v diagnostické nukleární medicíně
je gamakamera – scintilační krystal je buď velký plochý
anebo plno malých krystalů s fotonásobiči. Vzniká
scintigram, případně u rotující gamakamery vzniká 3D
scitigram – SPECT. Ideální energie gama záření je 100 –
250 keV.
Gamakamera
87
Scintigram zdravého srdce (vlevo) a srdce po infarktu
myokardu (uprostřed); kontrola prokrvení ruky přišité
pacientovi po úrazu (vpravo)
Radiofarmaka značená β+ nestabilními radionuklidy
umožňují využít principu tomografie (pozitronová
emisní tomografie - PET). 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).Korigování na zeslabení
anihilačních fotonů se provádí externím zdrojem gama
umístěným na kruhovém rámu vně pacienta.
88
Schéma pozitronové emisní tomografie
SPECT (Single-photon emission computed tomography)
Principem je podání radiofarmaka vyzařujícího γ záření
(nejčastěji 99m
Tc) a pořízení řady scintigrafických snímků
pacienta z několika směrů v rovině tomografického řezu.
Používá se nejčastěji jedné až několika scintilačních kamer,
které se otáčí kolem vyšetřovaného po malých úhlových
krocích. Kolem dlouhé osy pacienta rotují jedna až tři
gamakamery, které tak mohou záření snímat z různých
úhlů a tvořit tak transverzální, frontální i sagitální řezy
tělem pacienta, a tak vytvořit 3D zobrazení patologického
ložiska.
3D Myš Zdroj: Christian Lackas, <delta@lackas.net>
89
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
D 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 a výzkumu:
- 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.)
- Defektoskopie – pomocí gama záření se prozařuje
materiál (sváry, potrubí, nádrže) a vhodným
zobrazovacím zařízením se detekuje.
- RTG fluorescenční analýza – hmota se ionizuje pomocí
RTG, gama či beta, dochází k vyražení elektronů z K či L
slupek a při následném zaplnění orbitalů dochází k emisi
charakteristického RTG. To se měří nejlépe
polovodičovými detektory,
90
Příprava značených sloučenin:
Ozařováním v reaktoru neutrony. Vzniká tak např. 24
NaCl,
42
KCl, 59
FeCl2, H3
32
PO4, Ba14
CO3. Dále se vyrábí další
sloučeniny.
Preparativní metody:
Sloučeniny s 14
C
Příprava dalších sloučenin:
Syntéza značeného aromatického kruhu
91
Syntéza serinu-14
C formylací N-benzoylglycinesteru
Syntéza β-indolyloctové kyseliny značené
v postranním řetězci
Sloučeniny s 3
H
Rozpuštění sloučenin v THO (kyselá katalýza H2SO4,
CF3COOH atd.) či Pt čerň.
92
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
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:
93
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
94
připravujeme značené bílkoviny, polysacharidy a
nukleové kyseliny. 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.
95
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
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 β záření tritia, které působí
radiolýzu substrátu:
96
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.
97