ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Некоторые свойства ионизирующих излучений из "Биологические эффекты радиации" В этой книге рассмотрены вопросы взаимодействия ионизирующих излучений с живой материей. Биологические эффекты ионизирующего излучения — результат поглощения энергии излучения тканями и распространения этой энергии в тканях. Если бы излучение проходило через Т1 ни, не отдавая им части своей энергии, оно не производило бы никакого биологического эффекта. Для наглядности наиболее часто применяющиеся в радиобиологии виды ионизирующих излучений и их основные свойства приведены в табл. 1.1 и 1.2. [c.7] Характеристика рентгеновского и 7-излучения дана отдельно в табл. 1.2. —Прим. [c.8] Эффекты, вызываемые различными видами излучений, тесно связаны с их энергетическими характеристиками, которые, в свою очередь, зависят от массы, заряда и энергии данного вида излучения. В гл. 1 обсуждаются некоторые основные физические и химические стадии, предшествующие биологическим эффектам ионизирующего излучения. Однако в ней не дается исчерпывающего анализа всех сторон этого чрезвычайно разнообразного процесса, а рассматриваются только основные понятия об атомной структуре и свойствах а-, /3- и у-излучений. [c.9] Материя состоит из элементов, среди которых 92 — естественные, несколько получены искусственно. Элементы состоят из атомов, которые имеют положительно заряженное ядро и вращающиеся вокруг него отрицательно заряженные электроны. Ядро состоит из протонов (заряженных положительно) и нейтронов (электрически нейтральных частиц). Протоны и нейтроны имеют одинаковую массу, которая приблизительно в 1800 раз больше массы электронов. Обычно атомы электрически нейтральны, так как число вращающихся вокруг ядра электронов равно числу протонов в ядре. Атомный номер элемента, т. е. число протонов в ядре, Z и атомная масса А обозначаются слева от элемента. Например, I — это атом I, в ядре которого находятся 53 протона и 78 нейт-рбнов. В настоящее время известно приблизительно 1600 изотопов. Изотопом называется разновидность одного и того же химического элемента, отличающаяся массой атома. Например, и 1. Большинство изотопов стабильны, но некоторые из них неустойчивы и подвержены радиоактивному распаду, в результате которого образуются более устойчивые элементы. Каждый радиоактивный изотоп (нуклид) распадается специфическим образом, испуская одну или несколько определенных порций энергии. Существует несколько типов распада, включающих а-, 3- и у-излучение, внутреннюю конверсию и захват электронов. [c.9] Следует обратить внимание на то, что /3-частица имеет атомную массу, равную нулю, так как не содержит протонов или нейтронов и имеет отрицательный заряд, равный единице, чем и объясняется изменение атомного номера изотопа. [c.10] Выход из возбужденного состояния может происходить и иначе — путем внутренней конверсии , при которой энергия 7-квантов передается одному из внутренних орбитальных электронов. Электрон получает энергию, равную энергии 7-кванта минус энергия связи электрона. [c.10] После внутренней конверсии будет испускаться характеристическое рентгеновское излучение, так как орбитальные электроны перераспределяются, чтобы заполнить пустоты, оставленные конвертированными электронами. Если часть этого рентгеновского излучения поглощается орбитальными электронами, то может произойти дальнейшая эмиссия электронов, называемых оже-электронами. [c.10] В нуклидах, где отношение нейтронов к протонам слишком низко для стабильности ядра, происходят следующие явления протон ядра захватывает электроны с одной из внутренних орбит — обычно глубоко лежащей /Сюболочки. Протон, таким образом, превращается в нейтрон и излучает нейтрино. Таким образом, характеристическое рентгеновское излучение всегда испускается в том случае, когда заполняется пустота в /С-обо-лочке путем перераспределения орбитальных электронов. [c.10] До 1934 г. считалось, что уран с 92 протонами — это элемент с самым высоким атомным номером. Зат%м было обнаружено, что если уран бомбардировать нейтронами, он поглощает нейтрон и испускает /3-части-цу, становясь, таким образом, 93-м элементом — нептунием. Этот процесс нейтронной активации можно использовать для получения элементов с еще большим атомным номером - Ри, Ат, Се, Вк, f и т. д. Эти элементы называются трансурановыми или высшими актинидами. Некоторые из этих тяжелых нуклидов, например не только радиоактивны и излучают частицы, но могут также подвергаться делению. При этом ядра спонтанно делятся на две приблизительно равные части, и одновременно выделяется большое количество энергии. В основном это кинетическая энергия продуктов деления, но определенную часть ее несут нейтроны и -у-кванты, эмиссия которых сопровождает процесс деления. Новые ( дочерние ) нуклиды, образовавшиеся в результате деления, весьма разнообразны и имеют широкий диапазон — от бария до брома. Все они без исключения являются нестабильными и распадаются с испусканием /3-частиц. Выход продуктов деления различается в зависимости от атомной массы, образуя седлообразное распределение . [c.11] Эти нейтроны вызывают дальнейшее деление, что приводит к началу са-мозарождающейся цепной реакции. [c.11] Поглощение а-частиц. Альфа-частица состоит из двух нейтронов и двух протонов. Таким образом, это довольно тяжелая частица - в 7500 раз тяжелее электрона. Проходя через вещество, такая положительно заряженная частица вызывает сильное притяжение отрицательно заряженных орбитальных электронов атомов, неходящихся вблизи ее траектории. Это притяжение может вырвать один или несколько электронов, а энергия, затраченная на это взаимодействие, уменьшает энергию а-частицы. Электрон, оторванный таким образом, и положительно заряженный ион, оставшийся после отрыва электрона, образуют перу ионов , а сам процесс называется ионизацией. Взаимодействие между а-частицей и атомами среды, через которую она проходит, не всегда бывает достаточно сильным, чтобы вызветь ионизацию, но оно может вызвать возбуждение . Возбуждение отличается от ионизации тем, что при возбуждении происходит увеличение энергии орбитальных электронов. Возбуждение и ионизация — это два основных вида взаимодействия, с помощью которых а-частицы (или другие ионизирующие излучения) передают свою энергию веществу, через которое они проходят. [c.12] Поглощение электронов. Взаимодействие между электронами (или /3-частицами, как их называют в том случае, когда они являются продуктами радиоактивного распада) и веществом приводит к тем же процессам ионизации и возбуждения, т. е. к той же постоянной потере энергии /3-частицей. Благодаря небольшой мессе и единичному отрицательному заряду каждый раз. когда свободный электрон приближается к орбитальным электронам, он отклоняется от своего пути. Отклоняется он и положительно заряженными ядрами атомов. В результате этих процессов путь электрона очень трудно определить в отличие от четкого и прямого пути а-частицы. Из-за сложности траектории глубина проникновения электронов в вещество меньше, чем истинная длина пробега (рис. 1.3). [c.13] Поглощение нейтронов. Нейтроны не несут электрического заряда, и поэтому их взаимодействие с веществом происходит в результате прямого столкновения с ядреми атомов. Эти взаимодействия — редкие события и зависят от энергии нейтронов, атомной плотности и атомной массы. В результате нейтроны способны проникать глубоко в вещество. [c.14] Медленные или тепловые нейтроны (0,025 эВ — 0,1 кэВ) взаимодействуют в основном путем проникновения в ядро атома, где они захватываются или удерживаются. Быстрые нейтроны ( 0,02 МэВ) взаимодействуют в основном путем упругого столкновения с ядром. Максимальный перенос энергии происходит при прямом столкновении (законы механики показывают, что если массы двух столкнувшихся частиц равны, то возможна полная передача энергии). Для нейтрона это становится справедливым при столкновении с ядром водорода, т. е. протоном, а для живой материи, богатой атомами водорода, это взаимодействие имеет большое значение. В результате этого взаимодействия образуются протоны, обладающие энергией, приближающейся к энергии свободных нейтронов. Будучи тяжелыми заряженными частицами, они вызывают интенсивную ионизацию по мере замедления (сравните с а-частицами). Нейтроны сталкиваются и с ядрами других атомов (например, ядрами атомов углерода, кислорода и т. д.), вызывая плотно ионизирующее излучение, что приводит к значительным биологическим повреждениям. [c.14] Нейтроны с промежуточной энергией (0,1 — 20 кэВ) взаимодействуют с веществом в результате двух процессов — захвата и столкновения. [c.14] Поглощение фотонов. Рентгеновское и -излучение имеют электромагнитную природу и состоят из потока квантов, обладающих определенной энергией и способных производить ионизацию. Для получения картины их взаимодействия с веществом полезно будет сначала вспомнить, каким образом образуется рентгеновское излучение. Известно, что оно возникает в тех случаях, когда быстрые электроны захватываются мишенью. Интенсивность рентгеновского излучения увеличивается с атомным номером (Z) мишени. Таким образом, для получения рентгеновского излучения большой интенсивности кажется разумным использовать уран с атомным номером 92. Однако требуется материал с высокой температурой плавления, поэтому для получения рентгеновского излучения используют такие вещества, как вольфрам (Z = 74) или золото (Z = = 79), у которых и атомная масса и температура плавления достаточно высоки. Спектр рентгеновского излучения, вызванного вольфрамовой мишенью, показан на рис. 1.5. Он состоит из двух частей непрерывного фонового излучения и сильно возвышающихся над ним пиков характеристического излучения данного материала. Непрерывное тормозное (от немецкого bremsstrahlung) или белое излучение — результат взаимодействия электрона с ядром мишени. При этом наблюдается сильное ускорение, и электрон может отклониться от своей траектории на большой угол. Электрон теряет энергию вследствие электромагнитного излучения, энергия которого зависит от взаимодействия между электроном и ядром. Можно получить фотоны с определенным диапазоном энергий и вследствие этого постоянный диапазон длин волн — непрерывный спектр (рис. 1.5). [c.14] Вернуться к основной статье