Вопрос 62

Биологическое действие излучения заключается в нарушении жизнедеятельности, особенно быстро размножающихся клеток. Для первичного взаимодействия между рентгеновским излучением и веществом характерно три механизма:1. Когерентное рассеяние. Эта форма взаимодействия происходит, когда фотоны рентгеновских лучей имеют меньшую энергию, чем энергия связи электронов с ядром атома. В таком случае, энергия фотона оказывается не достаточной для освобождения электронов из атомов вещества. Фотон не поглощается атомом, но изменяет направление распространения. При этом длина волны рентгеновского излучения остается неизменной.2. Фотоэлектрический эффект (фотоэффект). Когда фотон рентгеновского излучения достигает атома вещества, он может выбить один из электронов. Это происходит в том случае, если энергия фотона превышает энергию связи электрона с ядром. При этом фотон поглощается, а электрон высвобождается из атома. Если фотон несет большую энергию, чем необходимо для высвобождения электрона, он передаст оставшуюся энергию освобожденному электрону в форме кинетической энергии. Этот феномен, называемый фотоэлектрическим эффектом, происходит при поглощении относительно низкоэнергетического рентгеновского излучения. 3. Некогерентное рассеяние (эффект Комптона). Этот эффект обнаружен американским физиком Комптоном. Он происходит, если вещество поглощает рентгеновские лучи малой длины волны. Энергия фотонов таких рентгеновских лучей всегда больше, чем энергия ионизации атомов вещества. Эффект Комптона является результатом взаимодействия высокоэнергетического фотона рентгеновских лучей с одним из электронов внешней оболочки атома, который имеет сравнительно слабую связь с атомным ядром. рентгеновские лучи способны «разбивать» сложные молекулы и атомы организма человека на заряженные частицы и активные молекулы. Как и в случае других видов радиации, опасным считается только рентгеновское излучение определенной интенсивности, которое воздействует на организм человека в течение достаточно долгого промежутка времени. К эффектам, обусловленным действием рентгеновского излучения, а также других ионизирующих излучений относятся: 1) временные изменения в составе крови после относительно небольшого избыточного облучения; 2) необратимые изменения в составе крови (гемолитическая анемия) после длительного избыточного облучения; 3) возникновение катаракт; 4) рост заболеваемости раком (включая лейкемию); 5) более быстрое старение и ранняя смерть

Вопрос 64

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).

ИОНИЗАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ - потери энергии заряженной частицей при прохождении через вещество, связанные с возбуждением иионизацией его атомов. Удельные И. п. (- dE/dx), где E - кинетич. энергия частицы, называют тормозной способностью вещества. Они определяются как ср. энергия, потерянная частицей на единице длины пути. И. п. являются частью (для частиц тяжелее электрона преобладающей) общих электромагнитных потерь энергии, включающих также радиационные потери, Черенкова - Вавилова излучение ипереходное излучение .И. п. складываются из дискретных порций передач энергии атомам среды в отдельных столкновениях. В результате энергия частицы монотонно уменьшается, что приводит к её торможению, а при большой толщине вещества (или малой E)и к полной остановке. Различают полные, ограниченные и вероятные И. п. Полные И. п. отвечают любым передачам энергии в отдельных элементарных актах столкновений вплоть до максим, кинематически возможного предела T_макс. Полные удельные И. п. заряженных частиц тяжелее электрона (в г/см²) даются ф-лой Бете-Блоха:    Здесь A=0,1536 МэВ г^-1 см², z - заряд частицы в ед. заряда электрона, b~v/c (v - скорость частицы), g=(1- b²)^-1/2 - лоренц-фактор, Z и А- атомный номер( на примере)

Рис. 1. Полные удельные ионизационные потери энергии быстрых заряженных частиц тяжелее электрона в воздухе, Аl, Рb.Проникающая способность излученияВсе атомные и субатомные частицы, вылетающие из ядра атома при радиоактивном распаде: альфа, бета, n, p, гамма и т. д. - называют радиоактивными частицами, радиоактивным или ионизирующим излучением (ИИ), так как все они при прохождении через вещество:  - во-первых, приводят к его ионизации, к образованию горячих (высокоэнергетичных) и исключительно реакционно-способных частиц: ионов и свободных радикалов (осколков молекул, не имеющих заряда) и  - во-вторых, могут приводить к активации (активированию) вещества, к появлению так называемой наведённой активности, то есть к превращению стабильных атомов в радиоактивные - появлению радионуклидов активационного происхождения.Пробег альфа-частиц зависит от начальной энергии и обычно колеблется в пределах от 3-х до 7 (редко до 13) см в воздухе, а в плотных средах составляет сотые доли мм (в стекле - 0,04 мм). альфа-излучение не пробивает лист бумаги и кожу человека. Из-за своей массы и заряда альфа-частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью, они разрушают всё на своём пути. И поэтому альфа-активные радионуклиды являются наиболее опасными для человека и животных при попадании внутрь. Проникающая способность бета-частицИз-за малой массы (она в 1836 раз меньше массы протона) заряда (-1) и размеров бета-частицы слабее взаимодействуют с веществом, через которое им приходится лететь, но летят дальше. При этом путь бета-частицы в веществе не является прямолинейным. Поэтому говорят о их проникающей способности, которая также зависит от энергии. Проникающая способность бета-частиц, образовавшихся при радиоактивном распаде, в воздухе достигает 2?3 м, в воде и других жидкостях измеряется сантиметрами, в твёрдых телах - долями см. В ткани организма бета-излучение проникает на глубину 1?2 см. Хорошей защитой от бета-излучения является слой воды в несколько (до 10) см. Поток бета-частиц с весьма большой для естественного распада энергией в 10 Мэв практически полностью поглощается слоями: воздуха - 4 м; алюминия - 2,16 см; железа - 7,55 мм; свинца - 5,18 мм. Из за малых размеров, массы и заряда бета-частицы обладают гораздо меньшей ионизирующей способностью, чем альфа-частицы, но естественно, что при попадании внутрь бета-активные изотопы также гораздо опаснее, чем при внешнем облучении. Кратность ослабления n- и гамма-излученийНаиболее проникающими видами излучения являются нейтронное и гамма. Их пробег в воздухе может достигать десятков и сотен метров (также в зависимости от энергии), но при меньшей ионизирующей способности. У большинства изотопов энергия гамма-квантов не превышает 1?3 Мэв, хотя очень редко может достигать и больших величин - 6?7 Мэв. Поэтому в качестве защиты от n- и гамма-излучения применяют толстые слои из бетона, свинца, стали и т. п. и речь ведут уже о кратности ослабления.