Свойства ионизирующих излучений и их взаимодействие с веществом

Здравоохранение материалы / Природная радиоактивность и законы радиоактивного распада / Свойства ионизирующих излучений и их взаимодействие с веществом

Ионизирующие излучения характеризуются большой энер­гией. Она измеряется в электронвольтах (эВ). Электронвольт равен кинетической   энергии   электрона,   прошедшего   разность   потенциала в один вольт. Излучения характеризуются ионизирующей и большой проникающей способностью, сильным физико-химиче­ским и, что особенно важно для врачей, биологическим действием. Отдельные свойства некоторых излучений, наиболее часто приме­няющихся в медицинской практике, представлены в табл.  1.

Таблица  1

Физические свойства ионизирующих излучений

В таблице представлены средние параметры, истинные значения которых отличаются в зависимости от энергии ионизирующих излу­чений. Так, с увеличением энергии ά-частицы от 1 до 3 МэВ прони­кающая способность их в мягких тканях возрастает от 5 до 35 мкм.

В настоящее время все шире используются в лучевой терапии нейтроны, л-мезоны, протоны, дейтроны и более тяжелые ионы. Разогнанные в ускорителях заряженных частиц до большой скоро­сти, они приобретают большую энергию и проникающую способ­ность что позволяет получить необходимую дозу облучения на любой заданной глубине.

Проникающая способность излучений находится в прямой зави­симости от скорости и в обратной — от линейной потери энергии и плотности среды пробега. Ионизирующая способность пропор­циональна массе, квадрату заряда ионизирующей частицы и об­ратно пропорциональна ее скорости. Поэтому по мере снижения энергии в конце пути пробега частицы плотность ионизации будет наибольшей. Кроме ионизации энергия излучения при прохожде­нии через определенную среду расходуется на возбуждение атомов и молекул.

В зависимости от величины линейной потери энергии (ЛПЭ) все ионизирующие излучения делят на редко- и плотноионизирующие. К редкоионизирующим относят все виды излучений с ЛПЭ менее 10 кэВ/мкм, а к плотноионизирующим — с ЛПЭ выше 10 кэВ/мкм. Редкоионизирующими являются все виды электромаг­нитных излучений, электроны, а плотноионизирующими — ней­троны, протоны, дейтроны и ядра тяжелых химических элементов.

ЛПЭ для γ-лучей 6027Со составляет около 0,3 кэВ/мкм, для рент­геновских лучей с энергией 250 кэВ — 2, нейтронов с энергией 14 МэВ — 12, ά-лучей с энергией 100 МэВ — около 100, ускорен­ных ядер углерода и аргона соответственно 120 и 1100 кэВ/мкм.

Рис.1 Схема распределения дозы в тканях при облучении тяжелыми заряженными частицами

Вследствие того, что ЛПЭ, кроме энергии и заряда частицы, зависит и от ее скорости, тяжелые ионы, разогнанные в современ­ных мощных ускорителях до

Рис.2 Взаимодействие γ–квантов с веществом

больших скоростей и энергий, иони­зируют среду слабее электронов, ЛПЭ которых

составляет 2— 10 кэВ/мкм.

В среде скорость заряженных частиц снижается, а ЛПЭ воз­растает. Происходит характерное распределение ионизации на пути пробега частиц, описываемое как кривая Брегга с максиму­мом ионизации — пиком Брегга — в конце пути пробега (рис. 1). Эта особенность распределения энергии заряженных частиц по­зволяет сосредоточить   значительную дозу излучения на глубине залегания злокачественной опухоли при минимальном ее рассея­нии по ходу пучка излучения в здоровых тканях, а крутой спад дозы до нуля за опухолью полностью исключает облучение глубжележащих тканей. Изменяя энергию излучения, можно получить максимум  дозы  на   необходимой глубине.

Различные излучения вызывают ионизацию среды не одно­типно. В механизме взаимодействия ионизирующих излучений со средой следует различать передачу энергии непосредственно иони­зирующими заряженными частицами (ά-частицы, протоны, дейт­роны и более тяжелые ионы, π-мезоны, β-частицы) и вторично иони­зирующими излучениями (рентгеновскими и γ-квантами, нейт­ронами). Первые из них могут передавать свою энергию среде путем отрыва от ее атомов и молекул электронов в результате взаимодействия их электрических зарядов.

Отрицательные π-мезоны имеют массу в 273 раза большую массы электронов. Получают их в синхроциклотронах. π -Мезоны на всем пути пробега в тканях теряют энергию при отрыве элект­ронов от атомов среды, а в конце пробега захватываются ядрами атомов. При этом в ядро вносится очень большая энергия (140 МэВ), в результате чего оно «взрывается» с локальным выделением боль­шой энергии в виде протонов, нейтронов и таких плотноионизирующих частиц, как ά-частицы, ионы В, Be, Li, передающих энер­гию в месте своего возникновения и обладающих очень высокой относительной биологической эффективностью.

Взаимодействие вторично ионизирующих излучений возможно лишь при соударении с электронами или ядрами атомов среды. Здесь наблюдается несколько вариантов их взаимодействия с ве­ществом (рис. 2).

Квант энергии (фотон) рентгеновского или γ-излучения, столк­нувшись с электроном атома, может только изменить направление движения без потери энергии. Такое рассеяние называется упругим.

Энергия падающего кванта может полностью передаваться электрону, который выбивается с орбиты атома. Такой процесс называется фотоэлектрическим эффектом, а выбитый электрон — фотоэлектроном (1). Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, а выбитый электрон вызывает ионизацию среды как непосредственно ионизирующая частица. В конце пути пробега фотоэлектрон теряет энергию, присоединяется к нейтраль­ному атому среды и превращает его в отрицательно заряженный ион. Фотоэффект чаще возникает при энергии кванта 0,1— 0,3 МэВ.

Если квант, передав часть своей энергии электрону, изменяет свое направление, а электрон движется по направлению, опреде­ленному рассеянным фотоном, такой эффект называется комптоновским (2).

Если энергия фотона больше 1,02 МэВ, при его взаимодействии с ядрами атомов среды образуется пара электрон (3) - позитрон (4) которая вызывает ионизацию среды. Но, потеряв свою энергию, они могут соединяться друг с другом, образуя два фотона с энер­гией, меньшей энергии исходного фотона. Вероятность образования пар возрастает с увеличением энергии фотона.

Фотоны с энергией более 2,2 МэВ могут выбить из ядра атома нейтрон (5) или протон (6). Это явление именуется ядерным фото­эффектом, в результате его часто образуются радиоактивные изо­топы.

Нейтронам, которые, как и фотоны, не являются первично ионизирующими частицами, свойственно вступать в реакцию с яд­рами атомов. При упругом соударении нейтрон передает часть своей энергии ядру атома, которое получает название ядра отдачи и при движении вызывает ионизацию среды. Нейтроны могут поглотиться ядрами атомов, из которых вылетают протоны, ά-частицы,γ-кванты. При таких ядерных реакциях могут образо­ваться искусственно радиоактивные изотопы, при распаде которых выделяются первично ионизирующие частицы или γ-кванты.

Наибольшее практическое значение имеют быстрые нейтроны с энергией более 0,1 МэВ, обладающие большой проникающей способностью. Получают нейтроны в атомных реакторах и цикло­тронах, а также при спонтанном распаде 25298Cf.

Все мы живём в городе, в котором находится серьёзное предприятие ПО «Маяк». Жизнь каждого из нас, так или иначе, в большей или меньше степени зависит от работы этого предприятия. Поэтому очень важно иметь правильное представление о проблемах, связанных с опасными условиями труда и последствиями, которые они за собой влекут.

В частности, в своей работе я рассмотрела самостоятельное заболевание – острая лучевая болезнь, одной из причин которой может послужить авария на производстве.