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).

Схема основных актов взаимодействия корпускулярных излучений
с атомами вещества в тканях организма

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.

Из курса физики

Электрон-вольт (э В) — специальная единица, применяемая в атомной физике для измерения энергии элементарных частиц. 1 эВ соответствует кинетической энергии, которую приобретает заряженная частица, обладающая элементарным электрическим зарядом (зарядом, равным заряду электрона), проходя через электрическое поле с разностью потенциалов 1В.

Помимо энергии элементарных частиц, в электрон-вольтах измеряют энергию других видов излучения — корпускулярного, фотонного.

В этом случае пользуются кратными единицами: килоэлектронвольт (кэВ), мегаэлектронвольт (МэВ). 1 эВ=1,6*10^-19 Дж. 1 кэВ = 1000 эВ. 1 МэВ = 1 000 000 эВ.

При более высоких энергиях фотонов (порядка 200 кэВ и выше) преобладающее значение получает другой процесс — комптоновское рассеяние фотонов.

В таких случаях часть энергии фотонов тратится на вырывание электрона из атома и придание ему определенной кинетической энергии, а сам фотон отклоняется от первоначального направления и продолжает движение в среде.

Рентгеновское или гамма-излучение, изменившее первоначальное направление вследствие взаимодействия с веществом, называют рассеянным, или вторичным. Оно отличается от первичного не только иным направлением движения, но и меньшей энергией фотонов.

При действии на атомы среды фотонов с энергией более 1 МэВ известную роль начинает приобретать процесс образования электронно-позитронных пар.

С этим механизмом приходится считаться при облучении больного пучком тормозного излучения высокой энергии. Когда фотон проникает в электрическое поле ядра атома, он исчезает, давая жизнь паре элементарных частиц — электрону и позитрону.

Последний мгновенно объединяется со встречным электроном.

При этом обе частицы исчезают (так называемая аннигиляция), а взамен возникают два фотона, энергия каждого из которых вдвое меньше энергии исходного фотона.

Таким образом, фотон при прохождении через вещество образует лишь одну пару ионов в случае фотоэффекта или несколько пар ионов за счет выбивания электронов отдачи при постепенном рассеянии. Но зато возникшие фотоэлектроны и электроны отдачи расходуют энергию на ионизацию вещества, обусловливая тысячи актов ионизации. Следовательно, тормозное (в том числе рентгеновское) и гамма-излучение, в основном

при посредничестве вторичных электронов, также производят ионизацию вещества, через которое они проходят.

Задание 1

Определите, какие схемы на рисунке отражают фотоэффект, эффект Комптона, процесс образования пар.

Смотрите — Ответ к заданию 1

Схема основных актов взаимодействия фотонов с веществом

«Медицинская радиология»,
Л.Д.Линденбратен, Ф.М.Лясс

Популярные статьи раздела