Сторінка
3

Іонізуючі випромінювання

Може виникнути питання, як же іонізують поглинаюче середовище нейтрони, якщо вони не заряджені і не можуть, електрично взаємодіяти з електронами молекул та атомів? Нейтрон дійсно не є безпосередньо іонізуючою часткою. Механізм поглинання нейтронів у тканинах живих організмів насамперед залежить від їх енергії. Для швидких нейтронів з енергією 1 МеВ і вище найбільш важливою реакцією є розсіювання на ядрах водню. Відштовхуючись від ядра водню, тобто протона, нейтрон передає останньому частину своєї кінетичної енергії. Такий протон, чи, як його звичайно називають, протон віддачі, і буде безпосередньо іонізуючою частинкою. Кожне зіткнення нейтрона з ядром водню приводить до зниження енергії нейтрона. Після декількох зіткнень нейтрон перейде в категорію повільних та теплових нейтронів. У тканинах поряд із протонами віддачі можуть виникати ядра віддачі вуглецю, кисню, азоту та ін. Однак імовірність виникнення ядер віддачі більш важких атомів, ніж водень, порівняно невелика. Головною реакцією при поглинанні теплових нейтронів є реакція радіаційного захоплення. Так називають реакцію, при якій відбувається захоплення нейтрона з випущенням гамма-кванта. Прикладом такої реакції може бути захоплення нейтрона ядром легкого водню з утворенням важкого водню:

.

Важкий водень – дейтерій – стійкий. Атоми дейтерію не піддані радіоактивному розпаду. Але поглинання повільних нейтронів приводить також до виникнення радіоактивних атомів. Прикладом можуть служити наступні дві ядерні реакції, що поряд з іншими протікають в організмі при опроміненні нейтронами:

У цих реакціях (як і при реакції з воднем) в момент захоплення нейтрона виникає гамма-квант. Іонізацію в середовищі викликають процеси поглинання цього гамма-кванту. Крім того, іонізацію викликають також випромінювання, що генеруються радіоактивними атомами, які утворилися, при їхньому розпаді.

В залежності від енергії гамма-квантів і елементного складу поглинаючого середовища по-різному буде відбуватися їхня взаємодія з атомами чи молекулами. Гамма-квант при взаємодії із середовищем може віддати усю свою енергію електрону, що вибивається з атома, і перестати існувати (фотоефект), або електрон здобуває тільки частину енергії гамма-кванта (ефект Комптона). В останньому випадку електрон вилітає з атома в одному напрямку, гамма-квант зі зменшеною в порівнянні з первісною енергією – в іншому. Електрон розтрачує свою кінетичну енергію на іонізацію і збудження інших атомів і молекул поглинаючого середовища, гамма-квант продовжує взаємодіяти із середовищем доти, поки не зникне в результаті фотоефекта.

При енергії гамма-кванта 1,02 МеВ і вище можливий ще третій вид взаємодії із атомами речовини, де вони розповсюджуються, – утворення пари електрон - позитрон. Ці частинки з'єднуються один з одним (або позитрон вступає у реакцію анігіляції з електроном іншого атома) і породжують два гамма-кванти з енергією 0,51 МеВ кожний.

Хоча вторинний електрон, що виникає при повному чи частковому поглинанні гамма-квантів, іонізує середовище точно так само, як бета-частинка відповідної енергії, розподіл йонів в об’ємі, що опромінюється, буде далеко не однаковий. При зовнішнім опроміненні бета-частинка з енергією 1 МеВ проникає в тканину на глибину лише декількох міліметрів. Більш глибокі шари тканини залишаються незачепленими таким випромінюванням. Гамма-квант тієї ж енергії буде проникати глибоко в тканину, поступово утрачаючи свою енергію на вибивання електронів, а електрони на іонізацію і руйнування молекул.

Таким чином, якщо навіть в об’ємі тканини, що опромінюється, у результаті дії різних видів випромінювань утвориться однакове число іонів, просторовий їхній розподіл буде різним. Альфа-частинки і протони дадуть щільні рої іонів. Бета-частинки високої енергії спочатку дають у тканини досить розосереджені по сліду пари іонів; наприкінці свого шляху вони так само як і альфа-частинки, утворюють пари іонів, що збиваються в тісний ряд. Гамма-кванти утворюють пари іонів рівномірно розподілені по всьому обсязі тканини, що опромінюється.

Швидкі нейтрони в силу їхнього великого пробігу в тканині вибивають протони з атомів на різній глибині. Іони, збуджені молекули та атоми, що утворюються при поглинанні енергії протонів, подібно тому, як це відбувається при взаємодії з гамма-квантами, розподілені у всьому об’ємі, що опромінюється. Різниця в тім, що протони – важкі частинки, тому вони мають короткий пробіг у тканині і дають щільну іонізацію, тоді як вторинні електрони при рівній енергії пробігають більший шлях у тканинах і дають меншу щільність іонів.

Чи буде людина, приймаючи сонячні ванни, радуватися красивій засмазі, або буде страждати від опіків, залежить від дози променевої енергії, поглиненої шкірою. Точно так само біологічна дія іонізуючих випромінювань пов'язана з кількістю енергії, поглиненою тканиною. Цю енергію, як згадувалося раніше, вимірюють у електрон-вольтах. Разом з тим зручніше скористатися іншою одиницею – ергом. Один електрон-вольт еквівалентний – 1,6·10-12 ерг. Ерг – одиниця роботи. Це сила в одну діну (1 дін), що діє на шляху 1 см. Ерг – мала величина. Для нагрівання одного граму води на 1°С потрібно виконати роботу у 4,2·106 ерг, що еквівалентно однієї малої калорії (1 кал).

Одиниця поглиненої дози будь-якого виду іонізуючого випромінювання зветься рад. Доза, що дорівнює 1 рад, означає, що кожен грам речовини, при опроміненні, поглинає 100 ерг енергії. Безпосередньо визначити кількість поглиненої енергії, а отже і поглинену дозу, можна в тому випадку, якщо поглинаюче середовище в кінцевому рахунку хімічно не змінюється; тоді вся енергія іонізуючого випромінювання перетворюється в тепло. Цей ефект вимірюють у калориметрі – приладі, у якому можна визначити кількість тепла, що виділилося. Але зробити це дуже важко, тому що навіть великі дози іонізуючого випромінювання, перетворені в тепло, дають дуже невеликий підйом температури.