RADIOBIOLOGIJA -
skripta
Veterinarska medicina
Mara Brankov
Mara Brankov
2
1. Raderfordov eksperiment i Borov model atoma
Raderfordov eksperiment
su 1911. godine izvršili njegovi učenici Hans Gajger i Ernest
Marsden kako bi proverili tačnost Tompsonovog modela atoma koji je tvrdio da je atom
kompaktna sfera sačinjena od pozitivnog naelektrisanja u koju su utisnuti negativno
naelektrisani elektroni. Izvor radijacije (izotop polonijuma
–
214
Po) je emitovao uzan snop
α čestica (jezgra atoma He sa dvostrukim pozitivnim naelektrisanjem) kroz olovni kolimator
i tanku foliju zlata iza koje je bio postavljen detektor.
Šematski prikaz Gajger – Marsdenovog eksperimenta. Sa R je označen izvor radijacije – izotop
polonijuma
214
Po, F je zlatna folija, a sa M
je označen detektor
Rezultati
: većina α čestica prolazi kroz foliju zlata, manji broj njih se odbija pod uglom
većim od 90
0
, a samo vrlo mali broj se odbija pod uglom od 180
0
(u zavisnosti od toga
koliko im se pravac kretanja pruža blizu jezgra).
Zaključak
: skretanj
e α čestica se odvija pod dejstvom odbojne Kulonove sile koja potiče
od + naelektrisanog tela veoma malih dimenzija (reda veličine 10
-14
) u kojem je
skoncentrisana skoro sva masa atoma
–
jezgro (nukleus)
, a e
-
kruže oko jezgra kao
planete oko Sunca (planet
arni model atoma), što znači da u atomu postoji dosta
slobodnog prostora.
Kružeći oko jezgra e
-
stalno menjaju pravac svog kretanja, pa bi trebali neprestano da
emituju E u vidu elektromagnetnog
zračenja što bi vremenom dovelo do smanjena brzine i
njihovog
pada na jezgro usled dejstva privlačne Kulonove sile.
Nils Bor
je svojim
postulatima objasnio zašto se ovo ne događa:
1) e
-
kruže oko jezgra po određenim, dopuštenim putanjama (orbitama), a da pri tome
spontano niti emituju, niti absorbuju E
–
stacionarno stanje
2)
emitovanje ili absorbovanje E se dešava samo prilikom skoka sa jedne orbitale na
drugu
– ako se e
-
dovede E jednaka razlici neka dva nivoa, on će skočiti na višu
orbitalu i tako će se atom naći u
pobuđenom stanju
(E manju od razlike između
dva nivoa
neće absorbovati, a E veću od razlike između dva nivoa će absorbovati
Mara Brankov
4
Proton
– neutronski dijagram
Na ovom dijagramu se
uočava da kod lakših jezgara (do rednog broja 20) bivaju stabilna
ona jezgra
koja imaju jednak broj protona i neutrona, dok kod težih jezgara (redni broj veći
od 20) bivaju stabilna ona jezgra koja imaju veći broj neutrona od protona. To je zato što
kod te
žih jezgara odbojne Kulonove sile koje vladaju među protonima mogu da se
neutrališu jedino jačanjem nuklearnih sila čiji intenzitet raste sa povećanjem broja
neutrona.
Izotopi
– jezgra koja imaju isti broj protona, a različit broj neutrona. Na proton –
ne
utronskom dijagramu su poređana u horizontalnom nizu.
Izotoni
– jezgra koja imaju isti broj neutrona, a različit broj protona. Na proton –
neutronskom dijagramu su poređana u vertikalnom nizu.
Izobari
– jezgra kod kojih se broj protona i broj neutrona razlikuje, ali im je zbir uvek isti
(imaju isti maseni broj). Na proton
– neutronskom dijagramu su poređana u dijagonalnim
nizovima sa opadajućim nagibom. Uzastopni beta raspadi povezuju izobare jer se odvijaju
bez promene masenog broja.
3. Radioaktivni raspad
Radioaktivni raspad
je proces u kome dolazi do spontane transformacije jezgra, prilikom
čega ono menja svoj sastav. Dešava se u slučajevima kada jezgro ne poseduje stabilnu
strukturu, odnosno optimalan broj protona i neutrona, pa se putem jednog ili v
iše raspada
taj odnos menja sve dok nastalo jezgo ne dospe do linije stabilnosti. Jezgro koje se
raspada se naziva
predak
, a jezgro koje tom prilikom nastaje se naziva
potomak
.
Mara Brankov
5
Kod
alfa raspada
jezgro napušta
α čestica
koja se sastoji iz 2 protona i 2 neutrona, a kod
beta raspada
dolazi do transformacije jednog protona u neutron prilikom čega se emituje
β čestica
(elektron).
U
prirodi
radioaktivna jezgra se raspadaju alfa raspadom, elektronskim raspadom ili
spontanom fisijom, a jezgra nastala u
laboratorijama
se raspadaju alfa raspadom ili
pozitronskim raspadom.
Totalna
E
nekog radionuklida pre radioaktivnog raspada jednaka je totalnoj E sistema koji
se tom prilikom dobija
– deo dobija jezgro potomak, deo dobija emitovana čestica u vidu
kinetičke E, a ukoliko jezgro potomka nije nastalo u osnovnom stanju deo odlazi i na
njegovu pobudu.
Na brzinu raspada nekog radioaktivnog elementa se ne može uticati ni jednim spoljašnjim
faktorom (t, pritisak, električno ili magnetno polje, itd.), što znači da je verovatnoća
raspada radionuklida određena isključivo prirodom procesa koji se u njemu odvijaju i za
dati izotop je konstantna. Zato je uvedena
konstanta radioaktivnog raspada
–
verovatnoća da se neko radioaktivno jezgro raspadne u jedinici vremena. Ne postoje dva
radioizotopa sa istim konstantama radioaktivnog raspada.
Zakon radioaktivnog raspada
kazuje koliko se jezgara nije raspalo u posmatranom
vremenskom intervala i taj broj se eksponencijalno smanjuje sa vremenom.
Aktivnost radioaktivnog izvora
(A [Bq]) je ve
ća što se u tom izvoru nalazi veći broj
radioaktivnih jezgara i ova veličina takođe opada eksponencijalno sa vremenom. Izvori
visokih aktivnosti doživljavaju veliki broj raspada u jedinici vremena i odašilju veliki broj
radioaktivnih čestica, a izvori male aktivnosti doživljavaju mali broj raspada u jedinici
vremena i odašilju mali broj radioaktivnih čestica.
Vreme poluraspada
(T
1/2
) je vreme za koje će se od početnog broja nestabilnih jezgara u
nekom uzorku raspasti tačno polovina njih.
4. Alfa raspad i emisija gama zra
č
enja
Alfa raspad doživljavaju
teški elementi
(oni koji imaju više od 92 protona) – npr. izotop
uranijuma
238
U jer njegovih 146 neutrona nisu u stanju da dejstvom nuklearnih sila
uravnoteže Kulonovska odbijanja 92 protona, usled čega dolazi do alfa raspada i
emitovanja
α čestice
koja se sastoji od 2 protona i 2 neutrona (jezgro He). Ovim nastaje
lakše jezgro koje u svom sastavu ima 4 nukleona manje od svog pretka i nalazi se dva
mesta ulevo u PSE.
Alfa čestice imaju visoke
E
–
3-10 MeV
, al
i im je prodorna moć mala. U vazduhu im je
domet samo nekoliko centimetara, a u mekim tkivima je reda veličine nekoliko
mikrometara. Običan list hartije može da ih zaustavi. Nakon što se zaustave alfa čestice
zahvataju 2 elektrona iz materijala i postaju atomi He.
Mara Brankov
7
5. Beta raspad i emisija gama zra
č
enja
Beta raspad doživljavaju i
laki i teški elementi
(skoro svi radionuklidi izvan linije
stabilnosti i svi radionuklidi koji nastaju fisijom). Prilikom beta raspada dolazi do emisije
beta čestice
čiji je domet u vazduhu može biti veći od 10m, dok se u mekim tkivima meri u
centimetrima. Postoje
tri procesa
koja se smatraju beta raspadom:
β
-
(elektronski) raspad
nastaje kada se jedan neutron
iz jezgra transformiše u
proton
i elektron uz emisiju antineutrina.
~
0
1
1
1
1
0
e
p
n
U ovom slučaju jezgro potomak ima jedan proton više u odnosu na pretka i
pomeriće se za jedno mesto udesno u PSE. Ovako se raspadaju jezgra koja imaju
veći broj neutrona nego što to ima jezgro sa istim brojem protona koje se nalazi na
liniji stabilnosti. Antineutrino nema naelektrisanja i slabo interaguje sa materijom,
tako da nije od
značaja.
β
+
(pozitronski) raspad
nastaje kada se jedan proton
iz jezgra transformiše u
neutron i pozitron uz emisiju neutrina (istih je svojstava kao antineutrino).
e
n
p
0
1
1
0
1
1
U ovom slučaju jezgro potomak ima jedan proton manje u odnosu na pretka i
pomera se za jedno mesto ulevo u PSE. Ovako se raspadaju jezgra koja imaju
manji broj neutrona nego jezgro istog elementa na liniji stabilnosti.
Pozitron je antičestica elektrona, odnosno ima istu masu i proizvodi iste efekte
prilikom prolaska k
roz materiju kao i elektron samo što ima jedno elementarno
pozitivno naelektrisanje. Kada izgubi svu E pozitron se vezuje za elektron i
doživljava anihilaciju – i pozitron i elektron nestaju i stvaraju se dva gama fotona od
0,511 MeV koja se emituju pod uglom od 180
o
(transformisanje materije u E). Ovi
fotoni imaju mnogo veću prodornu moć od elektrona i pozitrona i zato predstavljaju
veću opasnost. Pozitroni se stvaraju u lab i u višim slojevima atmosfere prilikom
interakcije kosmičkog zračenja sa jezgrima N i O i ne mogu da se probiju do nas.
K (elektronski) zahvat
nastaje kada jedan proton zahvati orbitalni elektron
(obično
onaj najbliži, sa K ljuske), pri čemu nastaje neutron uz emisiju neutrina.
n
e
p
1
0
0
1
1
1
Jezgro potomak ima jedan proton manje u odnosu na jezgro pretka i nalazi se jedno
mesto ulevo u PSE.
