Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом

Все виды, ионизирующих излучений могут быть сгруппированы в квантовые (фотонные) и корпускулярные.

К квантовым относятся электромагнитные излучения — тормозное и гамма-излучение, к корпускулярным — излучения, состоящие из частиц: пучки электронов, альфа-частиц, протонов, нейтронов, отрицательных пи-мезонов.

Действие излучения на организм человека начинается с физического процесса — взаимодействия излучения с веществом, т. е. с атомами и молекулами тканей. При этом взаимодействии энергия квантов и частиц расходуется на ионизацию и возбуждение атомов и молекул. В зависимости от типа излучения и величины энергии механизм взаимодействия различен.

Протоны, альфа-частицы и электроны постепенно теряют свою энергию при столкновении с ядрами атомов и внешними электронами. Так как масса альфа-частиц и протонов значительна по сравнению с массой электронов атомов, с которыми они соударяются, то траектория альфа-частиц и протонов прямолинейна.

Путь электрона в веществе извилист, поскольку он обладает малой массой и легко изменяет направление под действием электрических полей атомов. Поэтому всегда начальный пучок электронов в тканях имеет тенденцию к расхождению (рассеяние электронов).

Отрицательные пи-мезоны при входе в вещество в начале пути ведут себя подобно протонам, но затем поведение их меняется. Основная часть мезонов на определенной глубине останавливается и захватывается ядрами атомов, например ядрами атомов кислорода. В результате захвата пи-мезона ядро сильно возбуждается и распадается с испусканием нейтронов, протонов, дейтронов и альфа-частиц — происходит как бы атомный взрыв в миниатюре. А уже эти частицы вызывают сильную ионизацию вещества.

Быстрые нейтроны теряют свою энергию главным образом в результате столкновений с ядрами атомов водорода. Последние вырываются из атомов и образуют в тканях короткие плотные скопления ионов.

После замедления нейтроны захватываются атомными ядрами.

Часть ядер при этом расщепляется с выделением протонов высокой энергии, также дающих плотные короткие скопления ионов. Другие ядра испускают после захвата нейтронов гамма-кванты высокой энергии. Наконец, часть ядер, в частности ядра атомов натрия, фосфора, хлора, после взаимодействия с нейтронами становятся радиоактивными. Такую радиоактивность называют наведенной.

Обратите внимание на то, что перечисленные элементы входят в состав тканей человека. Следовательно, после облучения нейтронами в его теле образуются радионуклиды.

Таким образом, в результате взаимодействия заряженных и нейтральных частиц со средой про и с ходит ионизация вещества.

Для каждого вида излучения характерно определенное распределение ионов (энергии) в веществе.

Тип взаимодействия фотонов с атомами вещества зависит от энергии фотонов. При низких энергиях (5 — 50 кэВ) фотон часть своей энергии тратит на вырывание орбитального электрона из атома, а оставшуюся часть — на придание ему некоторой скорости движения. В результате сам фотон исчезает, а выбитый из атома электрон вызывает ионизацию окружающих атомов. Этот механизм (так называемый фотоэффект) играет существенную роль при рентгенотерапии.

ИОНИЗАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ - потери энергии заряженной частицей при прохождении через вещество, связанные с возбуждением и ионизацией его атомов. Удельные И. п. (- dE/dx), где E - кинетич. энергия частицы, называют тормозной способностью вещества. Они определяются как ср. энергия, потерянная частицей на единице длины пути. И. п. являются частью (для частиц тяжелее электрона преобладающей) общих электромагнитных потерь энергии, включающих также радиационные потери, Черенкова - Вавилова излучение и переходное излучение.И. п. складываются из дискретных порций передач энергии атомам среды в отдельных столкновениях. В результате энергия частицы монотонно уменьшается, что приводит к её торможению, а при большой толщине вещества (или малой E)и к полной остановке. Различают полные, ограниченные и вероятные И. п. Полные И. п. отвечают любым передачам энергии в отдельных элементарных актах столкновений вплоть до максим, кинематически возможного предела T _макс.

Ограниченные удельные И. п. отвечают ограничению передач энергии в соударениях значением T₀<T_макс. Ограничение связано с условиями наблюдения, напр, с ограничением пробега электронов ионизации в трековом детекторе шириной следа.

Проникающая способность всех видов ионизирующего излучения зависит от энергии. Необходимо учитывать проникающую способность излучений. Например, тяжёлые ядра атомов и альфа-частицы имеют крайне малую длину пробега в сколько-нибудь плотном веществе, поэтому радиоактивные альфа-источники опасны при попадании внутрь организма. Наоборот, гамма-излучение обладает значительной проникающей способностью.

65. Авторадиография (радиоавтография) — метод изучения распределения радиоактивных веществ в исследуемом объекте.

Техника исследования

Пленка (фотоматериал) с чувствительной к радиоактивному излучению фотоэмульсией накладывается на поверхность или срез объекта.

Для получения распределения тех или иных веществ в объекте используют маркирование нужных молекул изотопным индикатором. Радиоактивные вещества, содержащиеся в объекте, как бы сами себя фотографируют (отсюда название).

После проявления места затемнения на пленке соответствуют локализации радиоактивных частиц.

Применение

Метод используется в медицине, технике, а также в биологии, например, для изучения процессов фотосинтеза, где прослеживается след радиоактивного диоксида углерода, проходящего через различные химические стадии.

Фотографическое изображение распределения радиоактивных веществ, полученное методом авторадиографии, называется авторадиограммой, или радиоавтографом.