ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

С ВЕЩЕСТВОМ

Проходя через любую среду, в том числе через ткани организма человека, все ионизирующие излучения передают свою энергию атомам этих тканей, вызывая их возбуждение и ионизацию. Распределение возникающих ионов по пути следования частиц или фотонов различно, так как оно зависит от их природы и энергии.

Протоны и особенно α-частицы имеют большую массу, заряд и энергию, поэтому они движутся в тканях прямолинейно, образуя густые скопления ионов, т.е. отмечается большая линейная потеря энергии этих частиц в тканях. Длина же их пробега зависит от исходной энергии частицы и характера вещества, в котором она перемешается.

Линейная потеря энергии (ЛПЭ) = Е/Р, где Ε — энергия частицы; Ρ — пробег ее в данной среде.

Путь электрона в ткани извилист, так как последний имеет небольшую массу и изменяет направление движения под действием электрических полей атомов. Однако электрон способен вырвать орбитальный электрон из системы встречного атома, т.е. производить ионизацию вещества. Только образующиеся пары ионов распределены по пути следования электрона гораздо менее густо, чем при движении протонного пучка или α-частиц.

Быстрые нейтроны теряют энергию главным образом в результате столкновений с ядрами водорода. Эти ядра вырываются из атомов и сами создают в тканях густые скопления ионов. После замедления движения нейтроны захватываются атомными ядрами, что может сопровождаться выделением гамма-квантов или протонов высокой энергии, которые в свою очередь образуют плотные скопления ионов. Часть ядер, в частности ядра атомов натрия, фосфора и хлора, вследствие взаимодействия с нейтронами становятся радиоактивными, поэтому после облучения человека потоком нейтронов в его теле остаются радионуклиды, являющиеся источником излучения (так называемая наведенная радиоактивность).

Таким образом, в результате взаимодействия заряженных и нейтральных частиц с атомами тканей организма человека происходит ионизация их вещества. При этом для каждого вида излучения характерно определенное микрораспределение ионов (энергии) в тканях.

Поток фотонов уменьшается в любой среде, в том числе в биосубстрате, за счет двух факторов: рассеяния фотонов в пространстве и их взаимодействия с атомами среды. Пространственное рассеивание происходит так же, как ослабление лучей видимого света: чем дальше от источника, тем в большем объеме рассеиваются фотоны и тем меньшее количество их приходится на единицу облучаемой поверхности. Интенсивность излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника излучения (закон «обратных квадратов»). Типы взаимодействия фотонов с атомами среды известны читателю из курса физики. При низких энергиях фотонов (5-50 кэВ) и для веществ с небольшим порядковым номером имеет значение фотоэффект. Фотон вырывает орбитальный электрон из атома и придает ему определенную энергию. Выбитый электрон вызывает ионизацию окружающих атомов. При более высоких энергиях фотонов преобладающее значение получает второй тип взаимодействия — неупругое рассеяние электронов на атомах. В этом случае как сам фотон, так и образуемые им электроны отдачи также вызывают ионизацию вещества. Однако и при фотоэффекте, и при комптоновском неупругом рассеянии все фотоны с энергией до 1 МэВ обусловливают максимум поглощения энергии в самом поверхностном слое тканей (до 0,5 см), так как именно в этом слое образуется наибольшее количество вторичных электронов.

Фотоны с энергией выше 1 МэВ вызывают максимум актов ионизации в глубине тканей — тем глубже, чем больше их энергия. При высоких энергиях фотонов приобретает значение третий тип взаимодействия — образование электронно-позитронных пар. Сам фотон исчезает, давая жизнь паре элементарных частиц — электрону и позитрону. Последний быстро теряет энергию и объединяется с встречным электроном. При этом обе частицы тоже исчезают (так называемая аннигиляция), а взамен возникают два фотона, которые расходятся в противоположные стороны. Энергия каждого из этих фотонов вдвое меньше энергии исходного фотона.

Таким образом, при основных типах взаимодействия тормозного излучения и γ-излучения с веществом часть их энергии превращается в кинетическую энергию электронов, которые осуществляют ионизацию среды. Процесс ионизации обусловливает биологические эффекты излучений.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ.(ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ)

В литературе часто встречаются термины радиоактивных излучений: рентгеновские или гамма-лучи, или общее название – электромагнитные волны с большой проникающей способностью в веществе. Различные названия рентгеновские и гамма лучи – связаны не с различными физическими свойствами этих лучей, а со способом их получения. Наиболее часто употребляется гамма- излучение, которое не является самостоятельным видом радиоактивности, а только сопровождает альфа- и бета- распады. Оно возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц и т.д.

Рентгеновское излучение связано с возбуждением у вещества анода электронов внутренних электронных оболочек, потенциал ионизации которых гораздо больше, чем у валентных электронов. При возврате возбуждённых атомов в исходное, невозбуждённое состояние высвечиваются фотоны определённой энергии, обычно не превышающей 250 кэВ.

Тормозное излучение, испускаемое заряженными частицами большой энергии при их рассеянии (торможении) в электрическом поле, может иметь энергию гораздо большую, чем та, которой обладает α- излучение при распаде радиоактивных ядер.

При распаде гамма- излучение испускается дочерним ядром. Дочернее ядро в момент своего образования оказывается возбуждённым, а затем за время 10 ^{– 13} – 10 ^–14 с оно переходит в основное состояние с испусканием гамма – излучения. Возвращаясь в основное состояние, ядро может пройти через ряд промежуточных состояний, поэтому гамма-излучение может содержать несколько групп гамма – квантов, отличающихся значениями энергии. Гамма – кванты, обладая нулевой массой покоя, не могут замедляться в среде, они или поглощаются или рассеиваются. Гамма – излучение не имеет заряда и тем самым не испытывает влияния кулоновских сил. При прохождении пучка гамма-квантов через вещество их энергия не меняется, но уменьшается интенсивность, согласно закону

I=I₀ e ^{– μ x} (I и I₀ – интенсивности гамма- излучения на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной X, μ – коэффициент поглощения); μ зависит от свойств вещества и энергии гамма-квантов.

Основными процессами, сопровождающими прохождение гамма-излучения через вещество является фотоэффект, комптоновское рассеяние и образование электронно – позитронных пар.

А) Фотоэффект.

При фотоэлектрическом эффекте энергия падающего кванта полностью поглощается веществом, в результате появляются свободные электроны, обладающие определённой кинетической энергией, величина которой равна энергии кванта излучения за вычетом работы выхода данного электрона из атома: E_k = hv – I ,

Где I – энергия ионизаций соответствующей атомной оболочки. Если энергия hv достаточна для вырывания электрона из любой атомной оболочки ( hv > I_max), то наиболее вероятным будет испускание сильно связанных, т.е. глубинных атомных электронов.

Свободный электрон ассоциируясь с одним из нейтральных атомов, порождает отрицательный ион. Фотоэффект характерен только для длинноволнового рентгеновского излучения. Его вероятность зависит от атомного номера и пропорциональна Z⁵. С повышением энергии излучения вероятность фотоэффекта уменьшается, и для излучений с энергией, значительно превышающие внутриатомные связи ( > 1 МэВ ), его вкладом во взаимодействие можно пренебречь. Главную роль при этом начинает играть другой способ размена энергии –