Ионизирующее излучение: виды излучения
Энергия излучения, поглощенная веществом, вызывает процессы возбуждения и ионизации. Возбуждение - это переход электрона в атоме на более высокий энергетический уровень, а ионизация - это отрыв одного или нескольких электронов от атома.
Ионизирующее излучение подразделяют на электромагнитное и корпускулярное ( табл. 396.2 ). Электромагнитное излучение состоит из сгустков энергии - фотонов. Фотоны не имеют массы и заряда, и теряют энергию, проходя через вещество. Энергию одного фотона можно вычислить по формуле: Е = hv, где h - постоянная Планка.
Ионизирующее и неионизирующее излучения различаются только энергией отдельных фотонов , а не общей энергией дозы. Связь длины волны электромагнитного излучения (лямбда) с его частотой (ню) описывается уравнением с = лямбда*ню, где с - скорость света. Таким образом, длина волны обратно пропорциональна частоте.
К электромагнитному излучению относят рентгеновское и гамма-излучение (длина волны порядка 1/10000000000 м, или 1 ангстрема). Они отличаются только источником: рентгеновское излучение - это результат преобразования кинетической энергии электронов при взаимодействии с атомами вещества, а гамма-излучение образуется при распаде радионуклидов.
Энергия фотона рентгеновского или гамма-излучения в килоэлектронвольтах (кэВ) равна 12,4/лямбда, где лямбда - длина волны в ангстремах.
Корпускулярное излучение - это поток частиц: электронов, тяжелых заряженных частиц (например, протонов, альфа-частиц, отрицательных пи-мезонов) или нейтронов. Частицы имеют определенную массу и заряд (кроме нейтронов, которые заряда не имеют) ( табл. 396.2 ). Заряженные частицы могут ускоряться в электрическом поле. Электроны (бета-частицы) имеют небольшую массу и отрицательный заряд и могут разгоняться почти до скорости света. В тканях они быстро теряют скорость и проникают лишь на небольшую глубину, поэтому электронно-лучевую терапию часто используют для лечения некоторых заболеваний кожи. Протоны заряжены положительно; их масса составляет около 1 (в атомных единицах массы) и превышает массу электронов почти в 2000 раз. При столкновении с веществом протоны теряют энергию и быстро останавливаются. Максимум потерь энергии и ионизации приходится на небольшой участок в конце пробега протонов, называемый пиком Брэгга. Глубина расположения пика Брэгга зависит от энергии протонов. Альфа-частицы - это ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Из-за большой массы и заряда они могут проходить через вещество, только обладая огромной кинетической энергией; в большинстве случаев для защиты от альфа-частиц достаточно листа бумаги.
Нейтроны имеют почти такую же массу, как и протоны, но не имеют заряда, и поэтому не могут ускоряться в электрическом поле. Нейтронное излучение образуется при столкновении заряженных частиц с бериллиевой или дейтериевой мишенью или при распаде тяжелых радионуклидов.
Одинаковые дозы различных видов излучения обладают разным биологическим эффектом. Например, действие 1 Гр нейтронов намного сильнее, чем такой же дозы рентгеновского излучения. В связи с этим введено понятие относительная биологическая эффективность ионизирующего излучения. Для количественной оценки относительной биологической эффективности применяют коэффициент качества - это безразмерная величина, равная отношению доз исследуемого и стандартного излучения (обычно рентгеновского с энергией фотона 250 кэВ), вызывающих одинаковый биологический эффект. Коэффициент качества зависит от линейной передачи энергии, дозы, мощности дозы и вида биологической системы. Обычно относительная биологическая эффективность рентгеновского, гамма-излучения и бета-частиц близка, но точная величина коэффициента качества зависит от энергии излучения. Так, рентгеновское излучение с более высокой энергией, чем стандартное, имеет меньший коэффициент качества. Плотноионизирующие излучения имеют более высокий коэффициент качества: в случае нейтронов и альфа-частиц для большинства биологических систем он приблизительно равен 3.
Линейная передача энергии - это отношение энергии, поглощенной веществом, к длине пробега ионизирующих частиц. Она служит количественной мерой плотности ионизации. Обычно линейная передача энергии выражается в килоэлектронвольтах на микрометр (кэВ/мкм); она прямо пропорциональна квадрату заряда частицы. Излучения с высокой и низкой линейной передачей энергии имеют разное биологическое действие: так, гипоксия в три раза ослабляет действие излучения с низкой линейной передачей энергии (например, рентгеновского и гамма-излучения), а при высокой линейной передаче энергии (например, у альфа-частиц) этот так называемый кислородный эффект отсутствует. Считается, что излучение с низкой линейной передачей энергии вызывает гибель клетки за счет накопления множественных повреждений ДНК, тогда как излучение с высокой линейной передачей энергии способно убить клетку, повредив ДНК в единственном месте. Некоторые величины линейной передачи энергии и коэффициентов качества приведены в табл. 396.3 .
Электромагнитное излучение, особенно рентгеновское, взаимодействует с веществом и вызывает ионизацию тремя путями: при помощи фотоэффекта, эффекта Комптона и образования электронно-позитронных пар. Фотоэффект преобладает при излучениях с низкой энергией (от 30 до 100 кэВ), которые используются в диагностической радиологии. Эффект состоит в том, что фотон взаимодействует с электроном одного из энергетических уровней атома (обычно К, L или М). Если энергия фотона превышает энергию связи электрона, то электрон покидает свою орбиту с кинетической энергией, равной разности между энергией фотона и энергией связи электрона. Фотоэлектрический эффект прямо пропорционален кубу атомного номера элемента Z; именно поэтому кости видны на рентгенограммах намного лучше, чем мягкие ткани.
У излучений с более высокой энергией, используемых в терапевтической радиологии, преобладает эффект Комптона. Он состоит в том, что при столкновении фотона с электроном, находящимся на орбите, часть энергии фотона переходит в кинетическую энергию электрона, а фотон, потеряв часть энергии, изменяет направление движения.
Фотоны с энергией выше 1,02 МэВ могут вызывать образование электронно-позитронных пар. Позитрон имеет такую же массу, как и электрон, но положительно заряжен. Пройдя небольшое расстояние, он соединяется с электроном из другой пары. При этом масса обеих частиц переходит в энергию с излучением в противоположных направлениях двух фотонов.
