Základní částice hmoty a jejich interakce

1. Základní částice hmoty a jejich interakce

2. Složení hmoty • Fotony • Fermiony leptony (elektron, neutrino a jejich antičástice) kvarky (u +2/3e- d -1/3e- ) hadrony – mezony baryony nukleony proton uud neutron ddu

3. Stabilita částic • stabilní jsou: proton, elektron, neutrino a jejich antičástice • volný neutron (poločas přeměny 15 min.) → proton + elektron + antineutrino

4. Interakce částic • gravitační • elektromagnetická • silná jaderná • slabá jaderná

5. Vznik a vývoj vesmíru Ve vesmíru převažuje temná hmota, která rozhodne o jeho osudu. Nejčastější skupenství je plazma. Sluneční soustava 4,6 miliard let

6. Vznik prvků • slučováním kvarků vznikly nukleony a jádra izotopů lehkých prvků H a He • jadernou syntézou na povrchu a v jádře hvězd vznikají prvky až po Fe • další prvky Mendělejevovy soustavy vznikly bombardováním rychlými neutrony po explozi supernov

7. Radioaktivita Ionizující záření

8. Příčina nestability jader • Z 2000 známých nuklidů pouze 266 stabilních • Stabilita = poměr protonů : neutronům • Z < 20 1 : 1, 25 výjimka 11H a 32He • Z > 20 1 : 1, 52 poslední stabilní 20983Bi 209 nukleonů – 83 protonů = 126 neutronů 126 : 83 = 1,52

9. Energie radioaktivní přeměny • Exergonický děj [MeV] Q = Eexcit.jádra + Ekin.částic + Efotonů

10. Zákon radioaktivní přeměny • Přeměna konkrétního jádra má stochastický charakter • N = No . e –λ t • λ desintegrační (přeměnová) konstanta • t čas za který se sníží No počet jader v čase t = 0 na počet jader N

11. Graf závislosti počtu přeměněných jader na čase má exponenciální tvar N0 N0/2 N0/4 oo 0 T 2T čas No – počet jader v čase T = 0

12. Poločasy • Fyzikální poločas přeměny • Biologický poločas • Efektivní poločas 1/ Tef = 1/Tfyz + 1/Tbiol • Ekologický poločas

13. Druhy záření • Korpuskulární x elektromagnetické • Podle ionizace: • Ionizující přímo • Ionizující nepřímo • Neionizující

14. 1.Korpuskulární záření Ionizující přímo • Alfa • Elektronové • Pozitronové • Protonové Ionizující nepřímo • Neutronové

15. 2. Elektromagnetické záření Ionizující nepřímo • Gama • Röntgenovo • UV C nad 10 eV nebo λ< 100 nm Neionizující • Mikrovlnné • Radarové • Infračervené • Viditelné • UV A, B, (C)

17. Vlastnosti ionizujícího záření • Biologická účinnost • Podle schopnosti ionizovat • Podle pronikavosti • Pronikavost • Podle velikosti náboje • Podle velikosti částice

18. Röntgenovo zářeníX rey • Působením vysokého napětí dojde k urychlení elektronů emitovaných ze žhavené katody. Nárazem do kovového terče anody vzniká emisní záření: • Brzdné – spojité energetické spektrum • Charakteristické – čarové spektrum

19. Záření alfa • Energeticky nestabilní atomové jádro X se přemění emisí částice  (jádro helia) na jádro Y. • PŘÍKLADY VŠEOBECNĚ • AZX  A-4Z-2Y + 42He • SPECIÁLNÍ • 22688Ra  22286Rn +  Energetické spektrum je čarové. Nejvyšší ionizační schopnost. Nízká pronikavost. Vysoká radiotoxicita při vnitřní kontaminaci.

20. Záření betaPři přeměnách  se přetváří protony (p) a neutrony (n) navzájem. Rozeznáváme 3 procesy: • 1. elektronové záření β- při přebytku neutronů v jádře n  p + e- + ~ • AZXAZ+1Y + - + ~ • 3215P3216S + - + ~

21. Záření beta • 2. pozitronové záření β+ při přebytku protonů v jádru 11p10n + + +  • AZX AZ-1Y + + +  • 189F 188O + + +  • 3. zachycení elektronů sféry K při přebytku neutronů v jádru p + e-  n +  Emise elmg. záření zpětným přeskokem e- do mezer vzniklých záchytem (K- dráha) • AZX + e-  AZ-1Y +  (kvarky u → d + ) • 5425Mn + e-  5424Cr +  (+2/3 – 1 = -1/3 náboje e-)

22. Záření beta • Energetické spektrum spojité • Druhá nejvyšší ionizace • Třetí nejpronikavější • Proniká do podkoží (beta popáleniny) • Vysoká radiotoxicita při vnitřní kontaminaci.

23. Záření gama •  – vzniká přeskokem kvant z úrovně excitace jádra Y* do níže ležící energetické hladiny. Nastupuje ve spojení s - rozpadem nebo - přeměnou. • X  Y* + ,  Y* Y +  • 6027Co  6028Ni* + - 6028Ni*6028 Ni +  Nižší ionizační schopnost. Nejvyšší pronikavost. Energetické spektrum čarové. Jak vnější ozáření, tak i vnitřní kontaminace.

24. Neutronové záření • Vzniká při jaderných reakcích, např. štěpení jádra, využívá se alfazářičů (neutronový generátor). A (x,y) B, 94Be +  →n + 126C 235U(x,y 2-5 n), • Energetické spektrum spojité. • Druhé nejpronikavější. • Stupeň ionizace je dán energií neutronů. • Významné zejména při vnějším ozáření. • Schopnost indukované radioaktivity (především nízkoenergetické-pomalé rezonanční neutrony). • Průmyslové využití (výroba radionuklidů, jaderný reaktor, neutronová bomba).

25. INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S HMOTOUI. ČÁSTICOVÁ ZÁŘENÍ NESOUCÍ NÁBOJ Excitace Ionizace Změny v jádře atomu u α záření Brzdné záření u β záření Anihilace hmoty (pozitron, elektron)

26. INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S HMOTOUII. FOTONOVÁ ZÁŘENÍ • Fotoelektrický jev – fotoefekt • Comptonův rozptyl • Tvorba elektron-pozitronového páru • Změny v jádře atomu

27. INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S HMOTOUIII.NEUTRONOVÉ ZÁŘENÍ • Pružný rozptyl • Nepružný rozptyl • Absorpce jádrem atomu

28. A) Veličiny a jednotky charakterizující zdroje IZ • λ přeměnová konstanta – podíl pravděpodobnosti dP a času dt , za který se jádro pravděpodobně rozpadne [ s-1 ] • A aktivita A = λ . N počet rozpadů za sekundu [ Bq] becquerel starší jednotka [ Ci] curie 1 Ci = 3,7 . 1010 Bq

29. A) Veličiny a jednotky charakterizující zdroje IZ • am hmotnostní aktivita [ Bq kg-1 ] • av objemová aktivita [ Bq l-1 ] • aS plošná aktivita [ Bq m-2 ] • f frekvence (vlnová délka) • E energie záření [ eV][ keV, MeV] energie elektronu ve spádu 1 V

30. B) Veličiny a jednotky popisující interakci IZ s hmotou • Dávka (D) popisuje předávání střední energie nabitých částic absorpcí v hmotě [ J kg-1]= [Gy] grey dE D = -------- dm

31. Veličiny a jednotky popisující interakci IZ s hmotou • L lineární přenos energie (LET) [ eV] L = dE / dx vyjadřuje energii která je při zpomalování nabité částice předávána elektronům hmoty • X expozice pouze pro fotonová záření ve vzduchu [ C kg-1] , starší [R] rentgen X = dQ / dm Q náboj v coulombech [C]

32. Veličiny a jednotky popisující interakce IZ s živou hmotou EKVIVALENTNÍ DÁVKA VE TKÁNI (ORGÁNU) HT[ Sv ] HT = wR . DT,R • wR radiační vahový faktor • DT, R [Gy] průměrná absorbovaná dávka ve tkáni T ionizujícím zářením R

33. Veličiny a jednotky popisující interakce IZ s živou hmotou • EFEKTIVNÍ DÁVKA CELÉHO NEBO ČÁSTI TĚLA E[ Sv ] E= wT .HT • wT tkáňový vahový faktor (závisí na radiosenzitivitě příslušné tkáně)

34. Vybrané metody detekce ionizujícího záření • Fyzikální elektrické ionizace – GM-trubice polovodičové luminiscenční scintilace • Chemické skiagrafie • Biologické

35. INTERAKCE IONIZUJÍCÍHOZÁŘENÍS ŽIVOU HMOTOU

36. Výchozí zákonitosti : 1)IZ je starší než Země 2) IZ je významný faktor pro vznik života a evoluci 3) Bez IZ není možný život 4) Každý živý organismus je primárně radioaktivní (40K, 14C, atd.) 5) Nízké dávky IZ mají odlišné účinky než dávky vysoké

37. TEORIE INTERAKCÍ IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S ŽIVOU HMOTOU Neexistuje žádná teorie, která je úplná a vyčerpávající ! Podle mechanizmu působení • Zásahová • Radikálová (nepřímého účinku) Podle místa primárního účinku • Duálové radiační akce • Molekulárně biologická • Membránová

38. Zásahová teorie • V biologických systémech absorbovaná energie připadá přibližně z jedné čtvrtiny na organické a ze tří čtvrtin na anorganické látky.

39. Teorie radikálová • Nejprve vznikají volné radikály • Vzhledem k jejich vysoké reaktivnosti sekundárně poškozují biopolymery • Nejčastější jsou radikály vody

40. Teorie duálové radiační akce • se manifestuje chromozomálními aberacemi • ze sublézí z vznikají léze, jejichž počet je úměrný z2 • Velikost biologického účinku E E(z) = k . z2 , kde k je konstanta úměrnosti.

41. Molekulárně biologická teorie Poškození a reparace na DNA v závislosti na energii záření: • pyrimidinové hydratace - pyrimidinové dimery, především dimerizaci tyminu (UV záření) • porušení vodíkových můstků mezi vlákny DNA • nejčastěji jednovláknové (jednoduché) zlomy, nebo méně často dvouvláknové zlomy • Větší poškození jednoho místa má menší negativní efekt než více drobnějších poškození na celém řetězci

43. Podle časové dynamiky účinku ionizujícího záření lze rozlišit procesy: 1. fyzikální (doba trvání 10-16 s) absorpce energie, vznik iontů 2. fyzikálněchemické (10-10 s) vznik radikálů, 3. chemické, resp. biochemické (10-6 s až celé sekundy) interakces biopolymery, změny metabolismu 4. biologické (doba trvání sekundy až roky) nemoc z ozáření, proliferace atd.