Биофиз.РЕМИЗОВ. Механика. Акустика глава 4 Некоторые вопросы биомеханики

• Название: Механика. Акустика глава 4 Некоторые вопросы биомеханики
• Анкор: Биофиз.РЕМИЗОВ.doc
• Дата: 08.12.2017
• Размер: 9.74 Mb.
• Имя файла: Биофиз.РЕМИЗОВ.doc
• Тип: Документы; #10792
• страница: 39 из 41

РАЗДЕЛ 8

Ионизирующие излучения. Основы дозиметрии

Ионизирующим излучением называют потоки частиц и электромагнитных квантов, взаимодей­ствие которых со средой приводит к ионизации ее атомов и моле­кул. Ионизирующим излучением являются рентгеновское и g-излучения, потоки a-частиц, электронов, позитронов, протонов, нейт­ронов.

В разделе описываются как источники ионизирующего излу­чения (рентгеновские трубки, радионуклиды¹, ускорители), так и физические вопросы применения этого излучения для медицин­ских целей.

Медикам и биологам несомненно интересны и такие вопросы, как взаимодействие ионизирующего излучения с веществом и элементы дозиметрии ионизирующего излучения.

 

 

¹ Нуклиды — атомы, ядра которых отличаются по своему составу, т. е. содержат различные количества протонов или нейтронов либо и тех и других частиц. В ряде случаев этот термин относят к общему названию атомных ядер. Радионуклиды — нуклиды, способные к радиоактивному распаду.

ГЛАВА 26

Рентгеновское излучение

Рентгеновским излучением называют электромагнитные вол­ны с длиной приблизительно от 80 до 10⁵ нм. Наиболее длинноволновое рентгеновское излучение перекрывается коротковолновым ультрафиолетовым, коротковолновое — длинноволновым g-излучением. По способу получения рент­геновское излучение подразделяют на тормозное и характе­ристическое.

 

§ 26.1. Устройство рентгеновской трубки. Тормозное рентгеновское излучение

Наиболее распространенным источником рентгеновского излу­чения является рентгеновская трубка, которая представляет собой двухэлектродный вакуумный прибор (рис. 26.1). Подогревный ка­тод 1 испускает электроны 4. Анод 2, называемый часто антикато­дом, имеет наклонную поверхность, для того чтобы направить воз­никающее рентгеновское излучение 3 под углом к оси трубки. Анод изготовлен из хорошо проводящего тепло материала для отвода теплоты, образующейся при ударе электронов. Поверхность анода выполнена из тугоплавких материалов, имеющих большой поряд­ковый номер в таблице Менделеева, например из вольфрама. В отдельных случаях анод специально охлаждают водой или маслом.

Для диагностических трубок важна точечность источника рентгеновских лучей, чего мож­но достигнуть, фокусируя электроны в одном месте анода (антикатода). Поэтому конструктив­но приходится учитывать две противоположные задачи: с одной стороны, электроны должны попадать на одно место антикатода, с другой сторо­ны, чтобы не допустить перегрева, желательно распределение электронов по разным участкам анода. В качестве одного из интересных техниче­ских решений является рентгеновская трубка с вращающимся анодом (рис. 26.2).

В результате торможения электрона (или иной заряженной частицы) электростатическим полем атомного ядра и атомных электронов веществ антикатода возникает тормозное рентге­новское излучение.

Механизм его можно пояснить следующим образом. С движу­щимся электрическим зарядом связано магнитное поле, индук­ция которого зависит от скорости электрона. При торможении уменьшается магнитная индукция и в соответствии с теорией Максвелла появляется электромагнитная волна.

При торможении электронов лишь часть энергии идет на созда­ние фотона рентгеновского излучения, другая часть расходуется на нагревание анода. Так как соотношение между этими частями случайно, то при торможении большого количества электронов возникает рентгеновское излучение с непрерывным (сплошным) спектром. На рис. 26.3 представлены зависимости потока рентге­новского излучения от длины волны l(спектры) при разных на­пряжениях на рентгеновской трубке: U₁ <U₂<U₃.

В каждом из спектров наиболее коротковолновое тормозное из­лучение, соответствующее длине волны l_min, возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию фотона:

откуда

 

Эту формулу можно преобразовать в более удобное для практи­ческих целей выражение:

где l_min— минимальная длина волны, 10 ¹⁰ м; U— напряжение, кВ. Формула (26.3) соответствует рис. 26.3.

 

Коротковолновое рентгеновское излучение обычно обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое, и на­зывается жестким, а длинноволновое — мягким.

Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, изменяют спектральный состав излучения, увеличивая долю жесткой ком­поненты, как это видно из рис. 26.3 и формулы (26.3).

Если увеличить температуру накала катода, то возрастут эмис­сия электронов и сила тока в трубке. Это приведет к увеличению числа фотонов рентгеновского излучения, испускаемых каждую секунду. Спектральный состав его не изменится. На рис. 26.4 по­казаны спектры тормозного рентгеновского излучения при одном напряжении, но при разной силе тока накала катода: 1_н1 < /_н2.

Поток рентгеновского излучения вычисляется по формуле

где U и I— напряжение между электродами и сила тока в рентге­новской трубке, Z— порядковый номер атома вещества антика­тода, k= 10^-9 В^-1 — коэффициент пропорциональности. Спектры, полученные от разных антикатодов при одинаковых Uи I_н, изо­бражены на рис. 26.5.

 

 

§ 26.2. Характеристическое рентгеновское излучение. Атомные рентгеновские спектры

Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, можно заме­тить на фоне сплошного спектра появление линейчатого, который соответствует характеристическому рентгеновскому излучению (рис. 26.6). Оно возникает вследствие того, что ускоренные электроны проникают в глубь атома и из внутренних слоев выби­вают электроны. На свободные места переходят электроны с верх­них уровней (рис. 26.7), в результате высвечиваются фотоны ха­рактеристического излучения.

Как видно из рисунка, характерис­тическое рентгеновское излучение состоит из серий К, L, М и т. д., наименование которых и послужило для обозначения электрон­ных слоев. Так как при излучении Jf-серии освобождаются места в более высоких слоях, то одновременно испускаются и линии дру­гих серий.

В отличие от оптических спектров характеристические рентге­новские спектры разных атомов однотипны. На рис. 26.8 показа­ны спектры различных элементов. Однотипность этих спектров обусловлена тем, что внутренние слои у разных атомов одинаковы и отличаются лишь энергетически, так как силовое воздействие со стороны ядра увеличивается по мере возрастания порядкового номера элемента. Это обстоятельство приводит к тому, что харак­теристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядра. Такая закономерность известна как закон Мозли:

где v — частота спектральной линии, Z— атомный номер испус­кающего элемента, А и В — постоянные.

Экспериментальные зависимости рис. 26.8 иллюстрируют за­кон Мозли (серии К, L, М, по оси абсцисс отложена длина волны

Есть еще одна разница между оптическими и рентгеновскими спектрами. Характеристический рентгеновский спектр атома не зависит от химического соединения, в которое этот атом входит. Так, например, рентгеновский спектр атома кислорода одинаков для О, О₂ и Н₂О, в то время как оптические спектры этих соедине­ний существенно различны. Эта особенность рентгеновского излу­чения атома послужила основанием и для его названия (характе­ристическое).

Характеристическое излучение возникает всегда при наличии свободного места во внутренних слоях атома независимо от при­чины, которая его вызвала. Так, например, характеристическое излучение сопровождает один из видов радиоактивного распада (см. § 27.1), который заключается в захвате ядром электрона с внутреннего слоя.

 

§ 26.3. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом

Регистрация и использование рентгеновского излучения, а также воздействие его на биологические объекты определяются первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электронами атомов и молекул вещества.

В зависимости от соотношения энергии hvфотона и энергии ионизации¹ А_и имеют место три главных процесса.

Когерентное (классическое) рассеяние. Рассеяние длинно­волнового рентгеновского излучения происходит в основном без из­менения длины волны, и его принято называть когерентным. Оно возникает, если энергия фотона меньше энергии ионизации: hv < А_и.

Так как в этом случае энергия фотона рентгеновского излуче­ния и атома не изменяется, то когерентное рассеяние само по себе не вызывает биологического действия. Однако при создании защи­ты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения направления первичного пучка. Этот вид взаимодейст­вия имеет значение для рентгеноструктурного анализа (см. § 19.7).

Некогерентное рассеяние (эффект Комптона). В 1922 г. А. X. Комптон, наблюдая рассеяние жестких рентгеновских лучей, обнаружил уменьшение проникающей способности рассеянного пуч­ка по сравнению с падающим. Это означало, что длина волны рассе­янного рентгеновского излучения больше, чем падающего. Рассея­ние рентгеновского излучения с изменением длины волны принято называть некогерентным, а само явление — эффектом Комптона.

Он возникает, если энергия фотона рентгеновского излучения боль­ше энергии связи электрона в атоме (энергии ионизации): hv >А_и.

Так как обычно hv>> А_и, и тогда эффект Комптона происходит как бы на свободных электронах, то можно записать приближенно

Это явление обусловлено тем, что при взаимодействии с атомом энергия hvфотона расходуется на образование нового рассеянного фотона рентгеновского излучения с энергией hv', на отрыв электро­на от атома (энергия ионизации А_я) и сообщение электрону кинети­ческой энергии Е_и:

Существенно, что в этом явлении (рис. 26.9) наряду с вторичным рентгеновским из­лучением (энергия hv' фотона) появляются электроны отдачи (кинетическая энергия Е_к электрона). Атомы или молекулы при этом становятся ионами.

Фотоэффект. При фотоэффекте рентге­новское излучение поглощается атомом, в результате чего вылетают электроны из глубоких оболочек атома. Если энергия фотона недостаточна для ионизации, то фотоэффект может проявляться в возбуждении атомов без вылета электронов. Три основных процесса взаимодействия, рассмотренные выше, являются первичными, они приводят к последующим вторичным, третичным и т. д. явлениям. Так, например, атомы с вакансией (отсутствием) электрона на одной из внутренних оболочек могут излучать характеристический рентгеновский спектр, возбужден­ные атомы могут стать источниками видимого света (рентгенолю-минесценция) и т. п.

На рис. 26.10 приводится схема возможных процессов, возни­кающих при попадании рентгеновского излучения в вещество.

Может происходить несколько десятков процессов, подобных изо­браженному, прежде чем энергия рентгеновского фотона перей­дет в энергию молекулярно-теплового движения.

Процессы, представленные схемой рис. 26.10, лежат в основе явлений, наблюдаемых при действии рентгеновского излучения на вещество. Перечислим некоторые из них.

Рентгенолюминесценция — свечение ряда веществ при рент­геновском облучении. Такое свечение платиносинеродистого ба­рия позволило Рентгену открыть лучи. Это явление используют для создания специальных светящихся экранов с целью визуаль­ного наблюдения рентгеновского излучения, иногда для усиления действия рентгеновских лучей на фотопластинку.

Известно химическое действие рентгеновского излучения, на­пример образование перекиси водорода в воде. Практически важ­ный пример — воздействие на фотопластинку, что позволяет фик­сировать такие лучи.

Ионизирующее действие проявляется в увеличении электро­проводимости под воздействием рентгеновских лучей. Это свойство используют в дозиметрии для количественной оценки дейст­вия этого вида излучения.

В результате многих процессов первичный пучок рентгенов­ского излучения ослабляется в соответствии с законом (24.3). За­пишем его в виде

где m — линейный коэффициент ослабления. Его можно пред­ставить состоящим из трех слагаемых соответствующих когерент­ному рассеянию m_к , некогерентному m_нк и фотоэффекту m_ф:

Поток рентгеновского излучения ослабляется пропорционально числу атомов вещества, через которое этот поток проходит. Если сжать вещество вдоль оси X, например, в bраз, увеличив в b раз его плотность, то ослабление пучка не изменится, так как число атомов остается прежним. Следовательно, показатель степени в формуле (26.8) не изменится:

х₂ — x1/b, так как при сжатии толщина поглощающего слоя уменьшилась в bраз. Из (26.10) имеем m₁ = m₂/b.

Это означает, что линейный коэффициент ослабления зависит от Плотности вещества.

Поэтому предпочитают пользоваться массовым коэффициен­том ослабления, который равен отношению линейного коэффици­ента ослабления к плотности поглотителя и не зависит от плот­ности вещества:

 

¹ Здесь под энергией ионизации понимают энергию, необходимую для удаления внутренних электронов за пределы атома или молекулы.

 

 

 

§ 26.4. Физические основы применения рентгеновского излучения в медицине

Одно из наиболее важных медицинских применений рентге­новского излучения — просвечивание внутренних органов с диаг­ностической целью (рентгенодиагностика).

Для диагностики используют фотоны с энергией порядка 60— 120 кэВ. При этой энергии массовый коэффициент ослабления в ос­новном определяется фотоэффектом. Его значение обратно пропор­ционально третьей степени энергии фотона (пропорционально ^.³), в чем проявляется большая проникающая способность жесткого из­лучения, и пропорционально третьей степени атомного номера ве­щества-поглотителя:

где k— коэффициент пропорциональности.

Поглощение рентгеновских лучей почти не зависит от того, в каком соединении атом представлен в веществе, поэтому можно легко сравнить по формуле (26.12) массовые коэффициенты ос­лабления m_тккости Са₃(РО₄)₂ и m_твмягкой ткани или воды Н₂О. Атомные номера Са, Р, О и Н соответственно равны 20, 15, 8 и 1. Подставив эти числа в (26.12), получим

Существенное различие поглощения рентгеновского излуче­ния разными тканями позволяет в теневой проекции видеть изо­бражения внутренних органов тела человека.

Рентгенодиагностику используют в двух вариантах: рентгено­скопия — изображение рассматривают на рентгенолюминесцирующем экране, рентгенография — изображение фиксируется на фотопленке.
Если исследуемый орган и окружающие ткани примерно оди­наково ослабляют рентгеновское излучение, то применяют специ­альные контрастные вещества. Так, например, наполнив желудок и кишечник кашеобразной массой сульфата бария, можно видеть их теневое изображение.

Яркость изображения на экране и время экспозиции на фото­пленке зависят от интенсивности рентгеновского излучения. Если его используют для диагностики, то интенсивность не может быть сделана большой, чтобы не вызвать нежелательных биологиче­ских последствий. Поэтому имеется ряд технических приспособ­лений, улучшающих изображение при малых интенсивностях рентгеновского излучения. При массовом обследовании населе­ния широко используется вариант рентгенографии — флюорогра­фия, при которой на чувствительной малоформатной пленке фик­сируется изображение с большого рентгенолюминесцирующего экрана. При съемке используют линзу большой светосилы, гото­вые снимки рассматривают на специальном увеличителе.

Интересным и перспективным вариантом рентгенографии яв­ляется метод, называемый рентгеновской томографией, и его «машинный вариант» — компьютерная томография.

Рассмотрим этот вопрос.

Обычная рентгенограмма охватывает большой участок тела, причем различные органы и ткани затеняют друг друга. Можно избежать этого, если периодически совместно (рис. 26.11) в про­тивоположных направлениях перемещать рентгеновскую трубку РТ и фотопленку Фп относительно объекта Об исследования. В теле имеется ряд непрозрачных для рентгеновских лучей включений, они показаны кружочками на ри­сунке. Как видно, рентгеновские лучи при любом положении рент­геновской трубки (1, 2 и т. д.) про­ходят через одну и ту же точку объекта, являющуюся центром, от­носительно которого совершается периодическое движение РТ и Фп. Эта точка, точнее небольшое непроз­рачное включение, показана тем­ным кружком. Его теневое изобра­жение перемещается вместе с Фп, занимая последовательно положе­ния 1, 2 и т. д. Остальные включе­ния в теле (кости, уплотнения и др.) создают на Фп некоторый общий «фон», так как рентгеновские лучи непостоянно затеняются ими. Изме­няя положение «центра качания», можно получить послойное рентгеновское изображение тела. Отсюда и название — томография (послойная запись).

Можно, используя тонкий пучок рентгеновского излучения, эк­ран (вместо фотопленки), состоящий из полупроводниковых детек­торов ионизирующего излучения (см. § 27.5), и ЭВМ, обработать те­невое рентгеновское изображение при томографии. Такой современ­ный вариант томографии (вычислительная или компьютерная рентгеновская томография) позволяет получать послойные изобра­жения тела на экране электронно-лучевой трубки или на бумаге с деталями менее 2 мм при различии поглощения рентгеновского из­лучения до 0,1%. Это позволяет, например, различать серое и белое вещество мозга и видеть очень маленькие опухолевые образования.

Первая Нобелевская премия была присуждена К. Рентгену (1901), в 1979 г. Нобелевская премия была присуждена Г. Хаунсфилду и Мак-Кормаку за разработку компьютерного рентгенов­ского томографа.

С лечебной целью рентгеновское излучение применяют глав­ным образом для уничтожения злокачественных образований (рентгенотерапия).

ГЛАВА 27

Радиоактивность. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом

Одним из распространенных источников ионизирующего излучения является радиоактивный распад атомных ядер. В главе наряду с этим вопросом рассматривается и взаимо­действие ионизирующего излучения с веществом.

 

§ 27.1.Радиоактивность

Радиоактивностью называют самопроизвольный распад неустойчивых ядер с испусканием других ядер или элемен­тарных частиц. Характерным признаком, отличающим ее от других видов ядерных превращений, является самопроизволъностъ (спонтанность) этого процесса. Различают радиоактив­ность естественную и искусственную.

Естественная радиоактивность встречается у неустойчи­вых ядер, существующих в природных условиях. Искусственной называют радиоактивность ядер, образованных в результате раз­личных ядерных реакций. Принципиального различия между ес­тественной и искусственной радиоактивностями нет. Им присущи общие закономерности.

Рассмотрим основные типы радиоактивного распада.

Альфа-распад состоит в самопроизвольном превращении одного ядра в другое ядро с испусканием а-частицы (ядра ато­ма гелия ₂Не). Схему альфа-распада с учетом правила смещения (за­кона сохранения зарядового и массового чисел) записывают в виде

где X и Y— символы соответственно материнского и дочернего ядер. Примером a-распада является превращение радона в поло­ний, а полония в свинец:

Суммарная масса дочернего ядра и а-частицы меньше массы материнского ядра, то же можно сказать относительно их энергий покоя. Разность этих энергий равна кинетической энергии a-час­тицы и дочернего ядра.

При a-распаде дочернее ядро может образоваться не только в нормальном, но и в возбужденных состояниях. Так как они при­нимают дискретные значения, то и значения энергии a-частиц, вылетающих из разных ядер одного и того же радиоактивного ве­щества, дискретны. Энергия возбуждения дочернего ядра чаще всего выделяется в виде g-фотонов. Именно поэтому a-распад со­провождается g-излучением.

Если дочерние ядра радиоактивны, то возникает целая цепоч­ка превращений, концом которой является стабильное ядро.

Бета-распад заключается во внутриядерном взаимном превра­щении нейтрона и протона. Разли­чают три вида b-распада.

1. Электронный, или b-распад, который проявляется в вылете из яд­ра b^--частицы (электрона). Энергии b^--частиц принимают всевозможные значения от 0 до –Е_mах. спектр энергий сплошной (рис. 27.1). Это не соответ­ствует дискретным ядерным энергетическим состояниям. В 1932 г. В. Паули высказал предположе­ний о том, что одновременно с b^--частицей из ядра вылетает еще и другая, нейтральная, с очень малой массой. По предложению Э. Ферми эта частица была названа нейтрино. Позже было установ­лено, что нейтрино возникает при b⁺-распаде, а при b^--распаде — антинейтрино.

Энергия, выделяющаяся при (b-распаде, распределяется между b-частицей и нейтрино или антинейтрино.

Схема b^--распада с учетом правила смещения:

где n — обозначение антинейтрино.

Примером b^--распада может быть превращение трития в гелий:

При b^- -распаде электрон образуется вследствие внутриядерно­го превращения нейтрона в протон:

2. Позитронный, или b⁺-распад. Схема b⁺-распада:

где n — обозначение нейтрино. Примером b⁺-распада является превращение рубидия в криптон:

При b⁺-распаде позитрон образуется вследствие внутриядерно­го превращения протона в нейтрон:

3. Электронный, или е-захват. Этот вид радиоактивности за­ключается в захвате ядром одного из внутренних электронов ато­ма, в результате чего протон ядра превращается в нейтрон:

Схема электронного захвата:

Примером е-захвата может быть превращение бериллия в литий:

В зависимости от того, с какой внутренней оболочки захваты­вается электрон, иногда различают K-захват, L-захват и т. д.

При электронном захвате освобождаются места в электронной оболоч­ке, поэтому этот вид радиоактивности сопровождается характе­ристическим рентгеновским излучением. Именно по рентгенов­скому излучению и был обнаружен электронный захват.

При b-распаде возможно возникновение g-излучения.

Радиоактивностью являются также спонтанное деление ядер, протонная радиоактивность и др. Понятие радиоактивности иног­да распространяют и на превращения элементарных частиц.

 

 

§ 27.2. Основной закон радиоактивного распада. Активность

Радиоактивный распад — это статистическое явление. Не­возможно предсказать, когда распадется данное нестабильное яд­ро, можно лишь сделать некоторые вероятностные суждения об этом событии. Для большой совокупности радиоактивных ядер можно получить статистический закон, выражающий зависи­мость нераспавшихся ядер от времени.

Пусть за достаточно малый интервал времени dtраспадается dNядер. Это число пропорционально интервалу времени di, а так­же общему числу N радиоактивных ядер:

где l— постоянная распада, пропорциональная вероятности распада радиоактивного ядра и различная для разных радиоак­тивных веществ. Знак «-» поставлен в связи с тем, что dN< 0, так как число нераспавшихся радиоактивных ядер убывает со временем.

Разделим переменные и проинтегрируем (27.8) с учетом того, что нижние пределы интегрирования соответствуют начальным условиям (t = 0, N = N₀; N_o— начальное число радиоактивных ядер), а верхние — текущим значениям t и N:

Потенцируя это выражение, имеем

Это и есть основной закон радиоактивного распада: число радио­активных ядер, которые еще не распались, убывает со временем по экспоненциальному закону.

На рис. 27.2 изображены кривые 1 и 2, соответствующие разным веществам (l₁ > l₂); начальное число N_oрадиоактив­ных ядер одинаково.

На практике вместо постоянной распа­да чаще используют другую характерис­тику радиоактивного изотопа — период полураспада Т. Это время, в течение ко­торого распадается половина радиоактив-

ных ядер. Естественно, что это понятие применимо к достаточно большому числу ядер. На рис. 27.2 показано, как с помощью кри­вых 1 и 2 можно найти периоды полураспада ядер; проводится прямая, соответствующая N₀/2, до пересечения с кривыми. Абс­циссы точек пересечения дают Т₁и Т₂.

Чтобы установить связь между Т и l, подставим в уравнение (27.9) N = N₀/2 vit = T, откуда следует N_Q/2 = N_oe^XT. Сокращая на N_oи логарифмируя это равенство, получаем

Работая с радиоактивными источниками, важно знать число частиц или у-фотонов, вылетающих из препарата в секунду. Это число пропорционально скорости распада, поэтому скорость рас­пада, называемая активностью, является существенной харак­теристикой радиоактивного препарата:

 Используя (27.8)—(27.10), можно найти следующие зависи­мости для активности:

Таким образом, активность препарата тем больше, чем больше ра­диоактивных ядер и чем меньше их период полураспада. Актив­ность препарата со временем убывает по экспоненциальному закону.

Единица активности — беккерелъ (Бк), что соответствует ак­тивности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за 1 с происходит один акт распада.

Наиболее употребительной единицей активности является кю­ри (Ки); 1 Ки = 3,7 • 10¹⁰ Бк = 3,7 • 10¹⁰ с"¹. Кроме того, существу­ет еще одна внесистемная единица активности — резерфорд (Рд); 1 Рд = 10⁶ Бк - 10⁶ с"¹.

Для характеристики активности единицы массы радиоактив­ного источника вводят величину, называемую удельной массо­вой активностью и равную отношению активности изотопа к его массе. Удельная массовая активность выражается в беккерелях на килограмм (Бк/кг).

 

 

§ 27.3. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом

Заряженные частицы и g-фотоны, распространяясь в веществе, взаимодействуют с электронами и ядрами, в результате чего изме­няется состояние как вещества, так и частиц.

Основным механизмом потерь энергии заряженной частицы (a и b) при прохождении через вещество является ионизационное торможение. При этом ее кинетическая энергия расходуется на возбуждение и ионизацию атомов среды.

Взаимодействие частицы с веществом количественно оценива­ется линейной плотностью ионизации, линейной тормозной спо­собностью вещества и средним линейным пробегом частицы.

Под линейной плотностью ионизации iпонимают отношение числа dnионов одного знака, образованных заряженной ионизи­рующей частицей на элементарном пути dl, к этому пути: i= dn/dl.

Линейной тормозной способностью вещества S называют от­ношение энергии dE, теряемой заряженной ионизирующей части­цей при прохождении элементарного пути dlв веществе, к длине этого пути: S = dE/dl.

Средним линейным пробегом заряженной ионизирующей час­тицы Rявляется среднее значение расстояния между началом и кон­цом пробега заряженной ионизирующей частицы в данном веществе.

График зависимости линейной плотности ионизации от пути х, проходимого a-частицей в среде (воздух), показан на рис. 27.3. По мере продвижения частицы в среде уменьшаются ее энергия и ско­рость, линейная плотность иониза­ции при этом возрастает и только при завершении пробега части­цы резко убывает.

Возрастание iобусловлено тем, что при меньшей скорости a-частица больше време­ни проводит вблизи атома и, таким образом, возрастает вероятность ионизации атома. Как видно из

рисунка, линейная плотность ионизации a-частиц естественно-радиоактивных изотопов в воздухе при нормальном давлении составляет i= (2 ¸ 8) • 10⁶ пар ионов/м.

Так как для ионизации молекул, входящих в состав воздуха, тре­буется энергия около 34 эВ, то значения линейной тормозной спо­собности вещества (воздуха) Sлежат в интервале 70—270 МэВ/м.

Средний линейный пробег а-частицы зависит от ее энергии и От плотности вещества. В воздухе он равен нескольким сантимет­рам, в жидкостях и в живом организме — 10—100 мкм. После то­го как скорость a-частицы уменьшается до скорости молекуляр-но-теплового движения, она, захватив два электрона в веществе, превращается в атом гелия.

Ионизация и возбуждение являются первичными процессами. Вторичными процессами могут быть увеличение скорости молекулярно-теплового движения частиц вещества, характеристиче­ское рентгеновское излучение, радиолюминесценция, химиче­ские процессы.

Взаимодействие a-частиц с ядрами — значительно более ред­кий процесс, чем ионизация. При этом возможны ядерные реак­ции, а также рассеяние a-частиц.

Бета-излучение, так же как и a-излучение, вызывает иониза­цию вещества. В воздухе линейная плотность ионизации b-частицами может быть вычислена по формуле

где k 4600 пар ионов/м, с — скорость света, а J — скорость b-частиц.

Кроме ионизации и возбуждения b-частицы могут вызывать и другие процессы. Так, например, при торможении электронов возникает тормозное рентгеновское излучение. Бета-частицы рас­сеиваются на электронах вещества, и их пути сильно искривля­ются в нем. Если электрон движется в среде со скоростью, превы­шающей фазовую скорость распространения света в этой среде, то возникает характерное черепковское излучение (излучение Черенкова—Вавилова).

При попадании b⁺-частицы (позитрона) в вещество с большой вероятностью происходит такое взаимодействие ее с электроном, в результате которого пара электрон — позитрон превращается в два g-фотона. Этот процесс, схема которого показана на рис. 27.4,_ называют аннигиляцией. Энергия каждого g-фотона, возникаю­щего при аннигиляции, оказывается не меньше энергии покоя электрона или позитрона, т. е. не менее 0,51 МэВ.

Несмотря на разнообразие процессов, приводящих к ослабле­нию излучения, можно приближенно считать, что интенсивность его изменяется по экспоненциальному закону, подобному (26.8). В качестве одной из характеристик поглощения b-излучения ве­ществом используют слой половинного ослабления, при прохож­дении через который интенсивность b-частиц уменьшается вдвое.

Можно считать, что в ткани организма b-частицы проникают на глубину 10—15 мм. Защитой от b-излучения служат тонкие алюминиевые, плексигласовые и другие экраны. Так, например, слой алюминия толщиной 0,4 мм или воды толщиной 1,1 мм уменьшает вдвое b-излучение от фосфора ³²₁₅ Р.

При попадании g-излучения в вещество наряду с процессами, ха­рактерными для рентгеновского излучения (когерентное рассеяние, эффект Комптона, фотоэффект, см. § 26.3), возникают и такие явле­ния, которые неспецифичны для взаимодействия рентгеновского излучения с веществом. К этим процессам следует отнести образова­ние пары электрон — позитрон, происходящее при энергии g-фотона, не меньшей суммарной энергии покоя электрона и позитрона (1,02 МэВ), и фотоядерные реакции, которые возникают при взаи­модействии g-фотонов больших энергий с атомными ядрами. Для возникновения фотоядерной реакции необходимо, чтобы энергия g-фотона была не меньше энергии связи, приходящейся на нуклон.

В результате различных процессов под действием g-излучения образуются заряженные частицы; следовательно, у-излучение также является ионизирующим.

Ослабление пучка g-излучения в веществе обычно описывают экспоненциальным законом (26.8). Линейный (или массовый) ко­эффициент ослабления можно представить как сумму соответст­вующих коэффициентов ослабления, учитывающих три основных процесса взаимодействия — фотоэффект, Комптон-эффект и обра­зование электрон-позитронных пар:

Эти основные процессы взаимодействия происходят с разной вероятностью, которая зависит от энергии g-фотона (рис. 27.5; кривая получена для свинца).

 

Как видно из рисунка, при малых энергиях основную роль играет фотоэффект, при средних — Комптон-эффект и при энергиях, больших 10 МэВ, — процесс об­разования пары электрон — позитрон.

Экспоненциальный закон ослабления пучка g-фотонов выпол­няется приближенно, особенно при больших энергиях. Это обус­ловлено вторичными процессами, возникающими при взаимодей­ствии g-излучения с веществом. Так, например, электроны и по­зитроны обладают энергией, достаточной для образования новых g-фотонов в результате торможения и аннигиляции.

Поток нейтронов тоже является ионизирующим излучением, так как в результате взаимодействия нейтронов с ядрами атомов образуются заряженные частицы и g-излучение. Проиллюстриру­ем это несколькими: примерами: — деление ядер при захвате ими нейтронов: образование ра­диоактивных осколков, g-излучения и заряженных частиц;—    образование a-частиц, например:

• 
  —    образование протонов, например:
  

 

 

 

§ 27.4. Физические основы действия ионизирующих излучений на организм

Рассматривая первичные физико-химические процессы в орга­низме при действии ионизирующих излучений, следует учиты­вать две принципиально разные возможности взаимодействия: с молекулами воды и с молекулами органических соединений.

Под действием ионизирующих излучений происходят химиче­ские превращения вещества, получившие название радиолиза. Укажем возможные механизмы радиолиза воды:

Наиболее реакционноспособными являются три типа радика­лов (присутствие неспаренного электрона у свободных радикалов обозначается жирной точкой в верхнем правом индексе), образую­щихся при радиолизе воды: е, Н* и ОН*.

Взаимодействие органических молекул RH с этими радикалами может привести к обра­зованию радикалов органических молекул, например:

Взаимодействие молекул органических соединений непосредст­венно с ионизирующими излучениями может образовать возбуж­денные молекулы, ионы, радикалы и перекиси:

Из приведенных реакций ясно, что эти высокоактивные в хими­ческом отношении соединения будут взаимодействовать с осталь­ными молекулами биологической системы, что приведет к пов­реждениям генетического аппарата, мембран, других структур клеток и, в итоге, нарушениям функций всего организма.

Рассмотрим некоторые общие закономерности, характерные для биологического действия ионизирующего излучения.

Значительные биологические нарушения вызываются ничтож­но малыми количествами поглощаемой энергии излучения.

Ионизирующее излучение действует не только на биологиче­ский объект, подвергнутый облучению, но и на последующие по­коления через наследственный аппарат клеток. Это обстоятельст­во, а также его условное прогнозирование особо остро ставят воп­рос о защите организмов от излучения.

Для биологического действия ионизирующего излучения спе­цифичен скрытый (латентный) период. Разные части клеток по-разному чувствительны к одной и той же дозе (см. гл. 28) иони­зирующего излучения. Наиболее чувствительным к действию из­лучения является ядро клетки.

Способность к делению — наиболее уязвимая функция клетки, поэтому при облучении прежде всего поражаются растущие тка­ни. Это делает ионизирующее излучение особенно опасным для детского организма, включая период, когда он находится в утробе матери. Губительно действует излучение и на ткани взрослого ор­ганизма, в которых происходит постоянное или периодическое деление клеток: слизистую оболочку желудка и кишечника, кро­ветворную ткань, половые клетки и т. д. Действие ионизирующе­го излучения на быстрорастущие ткани используют также при те­рапевтическом воздействии на ткани опухоли.

При больших дозах может наступить «смерть под лучом», при меньших — возникают различные заболевания (лучевая болезнь и др.).