Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом

Ионизация, создаваемая излучением в клетках, приводит к образованию свободных радикалов. Свободные радикалы вызывают разрушения целостности цепочек макромолекул (белков и нуклеиновых кислот), что может привести как к массовой гибели клеток, так и канцерогенезу и мутагенезу. Наиболее подвержены воздействию ионизирующего излучения активно делящиеся (эпителиальные, стволовые, также эмбриональные) клетки.

Из-за того, что разные типы ионизирующего излучения обладают разной ЛПЭ, одной и той же поглощённой дозе соответствует разная биологическая эффективность излучения. Поэтому для описания воздействия излучения на живые организмы вводят понятия относительной биологической эффективности (коэффициента качества) излучения по отношению к излучению с низкой ЛПЭ (коэффициент качества фотонного и электронного излучения принимают за единицу) и эквивалентной дозы ионизирующего излучения, численно равной произведению поглощённой дозы на коэффициент качества.

После действия излучения на организм в зависимости от дозы могут возникнуть детерминированные и стохастические радиобиологические эффекты. Например, порог появления симптомов острой лучевой болезни у человека составляет 1—2 Зв на всё тело. В отличие от детерминированных, стохастические эффекты не имеют чёткого дозового порога проявления. С увеличением дозы облучения возрастает лишь частота проявления этих эффектов. Проявиться они могут как спустя много лет после облучения (злокачественные новообразования), так и в последующих поколениях (мутации).

При прохождении -излучения через вещество происходит ослабление интенсивности пучка -квантов, что является результатом их взаимодействия с атомами вещества.

Фотоэффект. Если энергия -кванта больше энергии связи электрона оболочки атома, происходит фотоэффект. Это явление состоит в том, что фотон целиком поглощается атомом, а один из электронов атомной оболочки выбрасывается за пределы атома. Используя закон сохранения энергии, можно определить кинетическую энергию фотоэлектрона E_е: E_е = - I_i - E_n, где I_i - ионизационный потенциал оболочки атома, из которой выбивается электрон; E_n - энергия отдачи ядра, - энергия гамма-кванта. Величина энергии отдачи ядра обычно мала, поэтому ею можно пренебречь.

> 2mec2 + Eя,

Образование пары электрон–позитрон. Процесс образования пар происходит лишь в кулоновском поле частицы, получающей часть энергии и импульса. Образование пар в поле ядра может иметь место, если энергия кванта удовлетворяет соотношению

где первый член справа соответствует энергии покоя пары электрон- позитрон, а второй - энергия отдачи ядра.

При энергиях гамма-кванта выше ~0.1 МэВ в веществе с малыми значениями Z и выше ~1 МэВ в веществах с большим Z главным механизмом ослабления первичного пучка гамма-квантов становится некогерентное рассеяние фотонов на электронах вещества (эффект Комптона).

1°. В ядерных реакциях на легких ядрах под действием а-частиц был обнаружен нейтрон — важнейшая элементар­ная частица, входящая в состав всех атомных ядер, кроме ядра обычного водорода (VI.4.1.Г). Впервые нейтрон был получен в реакции превращения бериллия (|Ве) в углерод

CSC):

JBe + JHe -^iC + in.

2°. Отсутствие у нейтрона электрического заряда, спо­собствует более легкому, чем у заряженных частиц, проник­новению нейтронов в атомные ядра. Характер взаимодейст­вия нейтронов с ядрами различен для быстрых и медленных нейтронов. Нейтроны называются быстрыми (быстрые ней­троны), если их скорость и так велика, что соответствующая длина дебройлевской волны нейтронов X=h/mv (VI. 1.1.3°) много меньше радиуса R ядра, т. е. hlmv< ^R, или v^> h/mR. Энергии быстрых нейтронов заключены в пределах от 0, 1 МэВ до 50 МэВ. Если X^R, то нейтроны называются мед­ленными (медленные нейтроны). Энергии медленных нейт­ронов не превышают 100 кэВ. Медленные нейтроны с энер­гиями от 0, 025 эВ до 0, 5 эВ называются тепловыми нейтро­нами. При энергиях, меньших 0, 025 эВ, различают холод­ные и ультрахолодные нейтроны.

3°. Взаимодействие нейтронов с ядрами состоит, глав­ным образом, либо в упругом рассеянии нейтронов на яд­рах, либо в захвате нейтронов ядрами. В веществах, назы­ваемых замедлителями (графит, тяжелая вода D _aO, HDO, соединения бериллия), быстрые нейтроны рассеиваются на ядрах, и их энергия переходит в энергию теплового движе­ния атомов вещества — замедлителя. В результате нейт­роны становятся тепловыми. Их энергии при комнатных тем­пературах составляют примерно 0, 025 эВ.

Если энергии тепловых нейтронов совпадают с энергией составного ядра (VI.4.8.9°), происходит резонансное погло­щение нейтронов ядрами (резонансный захват нейтронов). Захват нейтронов приводит к искусственной радиоактив­ности ядер вещества (VI.4.10. Г) и делению ядер (VI.4.11. Г).

4°. Реакции ядер урана с нейтронами привели к созданию химических элементов с зарядовыми числами Z, превышаю­щими 92. Такие химические элементы называются заура- новыми (трансурановые элементы). При резонансном зах­вате нейтрона наиболее распространенным изотопом ура­

на ²slU образуется радиоактивный изотоп урана ² m U- Он испытывает р_-распад с периодом полураспада 23 минуты и превращается в изотоп трансуранового элемента непту­ния ²e? Np:

23 мин

Ядро изотопа нептуния ^" Np является ^.-радиоактивным с периодом полураспада 2, 3 дня и превращается в плуто­ний ²мРи:

«ИРТГ^'ЯРи.

2, 3 дня

5°. Плутоний ²eJPu благодаря эффективному делению под действием тепловых нейтронов (VI.4.11.4°) играет важней­шую роль в получении ядерной энергии. Плутоний ^Ри является а-радиоактивным с периодом полураспада 24 ООО лет и превращается в устойчивый изотоп урана ^ag|U:

²³⁹ D m; " й

М^Ч „., *■ 92

2, 4- Ю'лет

6°. Ядерная реакция урана ^HU с нейтроном может про­исходить по другому каналу (VI.4.8.2°) и приводит к созда­нию изотопа нептуния ²взЙр, являющегося родоначальни­ком одного из радиоактивных семейств (VI.4.5.3°):

«и + in — ^и, *и ₊ 2> n, *IIU %»Np.

6.8 дня

Изотоп нептуния ^Np является а-радиоактивным с большим периодом полураспада: 2, 21-10^е лет.