Физика ответы на экзаменационные вопросы стомат. 1. Основные понятия биомеханики. Внешние и внутренние силы, напряжения и деформации. Законы упругой
 Скачать 1.47 Mb.
|
Фотонное ИИ включает излучение радиоактивных изотопов, ха- рактеристическое и тормозное излучение, генерируемое различными ускорителями электронов. Корпускулярное ионизирующее излучение К этому виду излучения относятся частицы: протоны и дейтроны, тяжелые ядра и их осколки. Эти частицы характеризуются большей массой и зарядом по сравнению с другими видами ИИ. Их траектории прямолинейны, поэтому длина траектории и средняя длина свободного пробега равны R R Движение «тяжелых» положительных частиц сопровождается «волновой» ионизацией, возникающей в результате кулоновского взаи- модействия с атомами поглощающего вещества. Необходимо отметить, что ионизация, создаваемая положительно заряженными частицами, неравномерна вдоль трека частицы. Плот- ность ионизации в области пика в сотни раз превышает плотность в на- Ответы на экзаменационные вопросы 91 чале пути. Это объясняется тем, что, замедляясь «тяжелые» частицы взаимодействуют с веществом со значительно большей вероятностью. Рис. 38 . Пик Брэгга. Положение пика Брэгга зависит от энергии частиц – чем больше энергия, тем на большей глубине он локализован. Рассмотрим основные типы излучения, относящиеся к данному классу. Альфа-излучение Альфа – излучение (поток ядер гелия He 4 2 ) возникает в ре- зультате альфа- распада радиоактивных элементов. Указанный вид рас- пада характерен для тяжелых ядер. Схема распада имеет следующий вид: Y X A z A z 4 2 He 4 2 Энергетический спектр альфа-частиц – линейчатый. Энергия прак- тически является постоянной величиной, для данного вещества варьи- рует в пределах от 4 до 9 МэВ в воздухе. Длина свободного пробега альфа- частиц в воздухе составляет несколько сантиметров, а в мышеч- ной ткани 10 -3 см. Это определяет относительно малую радиационную опасность при наружном облучении. Наличие пика Брэгга и возможность «управления» его локализаци- ей на глубине создает благоприятные возможности для использования в лучевой терапии протонных пучков высокой энергии. В настоящее вре- мя существуют различные устройства, с помощью которых из плазмен- ного шнура, горящего в водородной атмосфере, «извлекаются» свобод- ные от электронов ядра водорода – протоны. Они ускоряются в цилинд- рических ускорителях, приобретая требуемую и регулируемую энергию. Основными преимуществами использования протонных пучков в лучевой терапии являются: формирование нерасходящихся пучков и возможность подведения необходимого количества энергии на любую заданную глубину, соответствующую пику Брэгга. При этом ткани, рас- положенные за пределами пучка, практически не повреждаются. S R X Физика стоматологический факультет 92 Потоки отрицательно заряженных частиц К этому виду излучения относится β-излучение радиоактивных изотопов, потоки ускоренных электронов, π- мезонов. Основным видом их взаимодействия с веществами является ионизация атомов и молекул. Наряду с этим при торможении быстрых электронов (в том числе и β- частиц) в поле ядра атома возникает тормозное излучение. β-излучение (бета- распад) – это излучение, возникающее в ре- зультате внутриядерных превращений нейтронов и протонов. Одним из видов бета- распада, представляющим наибольший инте- рес при медико-биологических исследованиях, является распад ядер, сопровождающийся испусканием электронов. Общая схема распада: 1 Y X A z A z , где - обозначение антинейтрино. Бета- частицы характеризуется непрерывным энергетическим спек- тром. Для любых электронов характерным является их рассеяние на атомах поглощаемого вещества. Траектория электронов вследствие со- ударения электронами атомов представляет ломаную линию. По отно- шению к электронам можно говорить о средней линии свободного про- бега R Проникающая способность бета- частиц на два порядка выше, чем для альфа-частиц. В воздухе она составляет несколько метров, в мы- шечных тканях 10 мм. Бета- активные препараты используют чаще все- го при лечении злокачественных опухолей, локализация которых позво- ляет обеспечить непосредственный контакт с этими препаратами. Зна- чительно реже они используются с целью диагностики. С помощью современных ускорителей создаются электронные пуч- ки с энергиями до 15-50 МэВ, обладающие большой проникающей спо- собностью. Средняя длина свободного пробега таких электронов дости- гает в биологических тканях 10-20 см. Электронный пучок, поглощаясь в таких тканях, создает дозное поле, отличающее этот вид излучения от других. Максимум ионизации при этом образуется вблизи поверхности тела и удерживается на расстоянии, равном от трети до половины вели- чины среднего пробега электронов. π – мезоны – безспиновые элементарные частицы с массой, вели- чина которой занимает промежуточное место между массой электрона и протона. Согласно современным представлениям, мезон состоит из кварка и антикварка. Так же как и протоны, они весь свой путь в веще- стве до полного торможения проходят крайне редко, взаимодействуя с окружающими атомами и молекулами, а в конце пробега со 100% веро- ятностью захватываются атомами, а затем поглощаются его ядром (ки- слородом и азотом тканей). При этом в ядро вносится очень большая энергия, равная массе покоя π – мезона, которая превышает 100 МэВ. В результате этого ядро расщепляется («ионизируется»), пропуская ней- троны, протоны, альфа- частицы, ионы лития и тд. Создаваемые таким путем «микровзрывы» вблизи места захвата π – мезонов ядрами атомов Ответы на экзаменационные вопросы 93 тканей определяют высокую биологическую эффективность π – мезо- нов. Их применяют в лучевой терапии. Нейтронное излучение. Процессы взаимодействия нейтронов n 1 0 с веществом определяются как энергией нейтронов, так и атомным составом поглощающей среды. Отсутствие у нейтронов электрического заряда позволяет им проникать через электронные оболочки атомов и свободно приближаться к ядру. Основными процессами взаимодействия нейтронов с веществом являются: Упругое рассеяние, при котором в результате взаимодействия, про- исходящего по типу упругого взаимодействия шаров, сам нейтрон из- меняет траекторию своего движения, предавая часть своей энергии ядру отдачи. Процесс происходит при любых значениях энергии нейтронов. Средняя энергия, предаваемая ядру 0 2 ) 1 ( 2 E A A E , где 0 E – начальная энергия нейтрона, А – массовое число ядра вещества, с которым нейтрон взаимодей- ствует. Из формулы следует, что чем меньше А (чем «легче» ядро), тем большее энергии передается веществу и, соответственно, теряется ней- троном. Неупругое рассеяние – процесс, при котором ядро отдачи оказы- вается в возбужденном состоянии, из которого оно переходит в основ- ное, испуская γ- квант. Процесс типичен для быстрых нейтронов. Ядра отдачи, обладающие большой энергией, производят высокую ионизацию среды. Их ионизирующая способность близка к альфа– частицам. Однако поражающее действие нейтронов значительно выше вследствие их большей проникающей способности (для альфа-частиц она ничтожна). Из всех видов ИИ быстрые нейтроны обладают наи- большей радиационной опасностью. Радиационный захват является характерным видом взаимодействия для тепловых нейтронов. Нейтрон захватывается ядром атома, в резуль- тате чего образуется изотоп того же элемента, находящийся в возбуж- денном состоянии. Последующий переход в основное состояние сопро- вождается излучением гамма-квантов. Процесс происходит на ядрах всех элементов. Протекают реакции типа Н 1 (n,γ) H 2 . Захват нейтронов ядрами атомов-мишеней приводит к образованию радиоактивных изо- топов (явление активации). Большинство радиационных изотопов, используемых в медицине, получают именно этим методом. Активация лежит в основе поражаю- щего действия ядерного оружия. Мощный поток нейтронов, образую- щийся в результате взрыва, создает наведенную активность в почве, в воздухе. Физика стоматологический факультет 94 Однако радиационная опасность для организма определяется в ос- новном не наведенной активностью в самом теле человека, а процесса- ми накопления радиоактивных веществ в растениях и организмах жи- вотных. Расщепление ядра сопровождается вылетом заряженных частиц. Этот процесс наиболее характерен для быстрых нейронов, взаимодейст- вующих с легкими ядрами. Для медленных и тепловых нейтронов про- цесс вероятен только для ядер Li,B,He. В процессах радиационного захвата и расщепления ядра вся энер- гия нейтрона преобразуется в энергию фотонного и корпускулярного излучения. Однако результатом процесса рассеяния является возникно- вения ядра отдачи. Именно вторичное излучение и ядра отдачи, взаимо- действуя с веществом, вызывают его ионизацию. Сам нейтрон непо- средственно не ионизирует среду. Особенности взаимодействия нейтронов с биологическими тка- нями. Приближенно химический состав мягких тканей организма можно описать воображаемой формулой «тканевой молекулы» - (С 5 Н 10 О 18 N x ). Для тепловых и медленных нейтронов решающее действие имеет про- цесс захвата нейтронов. Протекают реакции типа, Н 1 (n,γ) H 2 , N 14 (n,γ) N 15 . Захват нейтронов ядрами водорода имеет наибольшее значение, так как их количество в тканях максимально. Высокая проникающая способность открывает перспективы и для использования нейтронов в лучевой терапии злокачественных образо- ваний. При решении вопросов защиты от нейтронного излучения необхо- димо учитывать специфику его взаимодействия с веществом. Для быст- рых нейтронов необходимо, прежде всего, их замедлить, так как реак- ция захвата для них маловероятна. Для этого используются «легкие» ядра (вода, парафин). Медленные нейтроны затем поглощаются в ре- зультате радиационного захвата в материалах, изготовленных из бора или кадмия. Поскольку процесс захвата сопровождается излучением гамма-кванта, необходимо использовать в качестве защитного материа- ла свинец или железо. Ответы на экзаменационные вопросы 95 25. Радиоактивность. Основной закон радиоактивного распа- да. Активность, единицы измерения. Радиоактивность - самопроизвольный распад неустойчивых ядер с испусканием других ядер или элементарных частиц. Характерным при- знаком, отличающим ее от других видов ядерных превращений, являет- ся самопроизвольность (спонтанность) этого процесса. Различают есте- ственную и искусственную радиоактивность. Естественная радиоактивность встречается у неустойчивых ядер, существующих в природных условиях. Искусственной называют ра- диоактивность ядер, образованных в результате различных ядерных ре- акций. Радиоактивный распад – это статистическое явление. Невозмож- но предсказать, когда распадется данное нестабильное ядро, можно лишь сделать некоторые вероятные суждения об этом событии. Для большой совокупности радиоактивных ядер можно получить статисти- ческий закон, выражающий зависимость не распавшихся ядер от време- ни. Пусть за достаточно малый интервал времени dt распадет- ся dN ядер. Это число пропорционально интервалу времени dt , а также общему числу радиоактивных ядер: Ndt dN , где – постоянная распада, пропорциональная ве- роятности распада и различная для разных радиоактивных веществ. Знак «-» поставлен в связи с тем, что 0 dN , так как число не распав- шихся радиоактивных ядер убывает со временем. Разделим переменные и проинтегрируем с учетом того, что нижнее пределы интегрирования соответствуют начальным условиям (t=0, N=N 0 ; N 0 – начальное число радиоактивных ядер), а верхние – текущим значениям t и N: t N N dt N dN 0 0 t N N 0 ln t e N N 0 Основной закон радиоактивного распада: число ра- диоактивных ядер, которые еще не распались, убывает со временем по экспоненциальному закону. Физика стоматологический факультет 96 Рис. 39. График зависимости количества радиоактивных ядер от времени. На практике вместо постоянной распада чаще используют другую характеристику – период полураспада Т - время, в течение которого распадается половина радиоактивных ядер. Чтобы установить связь ме- жду Т и λ, подставим в уравнение основного закона радиоактивного распада N=N0/2 и t=T: T e N N 0 0 2 / Сокращая на Т и логарифмируя это равенство, получаем / 69 , 0 / 2 ln T Активностью (А) радиоактивного источника называется величина dt dN А Используя выражение для N, получаем 2 ln ) / ( 0 T N e N А t Единица активности – беккерель (Бк). 1 Бк –такая активность, при которой в источнике за 1 секунду происходит один акт распада Чаще употребляется кюри (Ки) 1 Ки = 3.7 10 10 Бк N N 0 1 2 T 1 T 2 t N 0 /2 Ответы на экзаменационные вопросы 97 26. Фотонное ионизирующее излучение (гамма излучение, тормозное и характеристическое рентгеновское излучение). Процессы первичного взаимодействия фотонного ионизи- рующего излучения с веществом. Применение фотонного излучения в медицине. Фотонное излучение включает гамма-излучение радиоактивных веществ, характеристическое и тормозное излучение, генерируемое различного вида ускорителями. Удельная ионизация фотонного излуче- ния составляет 1-2 пар ионов/1 см воздуха. Это определяет его высокую проникающую способность. Средняя длина пробега фотонного излуче- ния достигает в воздухе несколько сотен сантиметров. Они могу прохо- дить через бетонные стены толщиной в несколько метров. Гамма- излучение Возникает в результате эволюции атомных ядер. Так, например, при радиоактивном распаде, в результате которого дочернее ядро ока- зывается в возбужденном состоянии, последующий переход в основное состояние сопровождается излучением гамма- кванта. Этот переход может быть многоуровневым. При этом дочернее ядро занимает более низкие энергетические уровни в процессе перехода в основное состоя- ние. Каждый такой переход сопровождается излучением гамма- кванта с энергиями от 10 КэВ до 5 МэВ. Кроме того, гамма- кванты образуются в результате процесса анги- ляции электрон-позитронной пары и в процессах захвата ядрами мед- ленных и тепловых нейтронов. Процесс взаимодействия с веществом рентгеновского, так же как и гамма- излучения, носит дискретный характер. Фотон передает квант своей энергии этому веществу. Поэтому оправданным является опреде- ление рентгеновского излучения (характеристического и тормозного) как фотонного излучения. Характеристическое рентгеновское излучение Если сообщить атому достаточную энергию за счет столкновения с ускоренным электроном, как это происходит в рентгеновской трубке, то удается выбить один из внутренних К-электронов. В атоме на К- оболочке образуется вакансия. Электрон с более высокого уровня зани- мает освободившееся место. Вероятнее всего, такой переход совершит L-электрон, испуская при этом фотон рентгеновского излучения (линию Kα спектра). Вакансия на L-уровне в свою очередь будет заполнена электроном с одной из внешних оболочек атома. В конце концов, после последующих переходов электронов и испускания серии рентгеновских квантов атом вернется в основное состояние. Излучение, соответст- вующее переходам внутренних электронов с более высоких на более низкие энергетические уровни, называется характеристическим. Ли- ния Kα является наиболее характерной чертой спектра излучения дан- Физика стоматологический факультет 98 ного атома, хотя переходам М-К (линия K β ), N-K (линия Кγ) и тд. соот- ветствуют более высокие энергии излучения. Тормозное излучение Возникает в результате торможения быстрых электронов в вещест- ве-мишени. При приложении между катодом и антикатодом напряже- ния термо-электроны ускоряются до энергии eU . Попав в вещество ан- тикатода, они испытывают торможение в результате взаимодействия с атомными ядрами вещества-мишени. Электрон энергии eU в результате взаимодействия с веществом теряет свою энергию. Величина энергии рентгеновского фотона h не может превысить энергию ускоренного электрона eU h Чем слабее взаимодействие, тем меньше потери энергии электрона, тем меньше энергия излучаемого фотона. В предельном случае, когда электрон не вступает во взаимодействие и сохраняет свою первоначаль- ную энергию, можно считать, что излучается фотон с нулевой энергией 0 h Таким образом, фотоны, испускаемые рентгеновской трубкой, мо- гут иметь все возможные значения энергии в диапазоне eU h 0 Следовательно, и тормозное излучение характеризуется непрерывным спектром энергии в диапазоне от 0 до максимально возможного значе- ния Ег = eU. Эта величина, определяющая максимально возможное зна- чение энергии, при данном значении напряжения на трубке U, называ- ется граничной энергией спектра Ег г h ) ( Рис. 40. Распределение энергии в спектре тормозного излучения. |