Физика ответы на экзаменационные вопросы стомат

Ответы на экзаменационные вопросы

чале пути. Это объясняется тем, что, замедляясь «тяжелые» частицы взаимодействуют с веществом со значительно большей вероятностью.

S

X

R

Рис. 38 . Пик Брэгга.

Положение пика Брэгга зависит от энергии частиц – чем больше энергия, тем на большей глубине он локализован. Рассмотрим основные типы излучения, относящиеся к данному классу.

Альфа-излучение

Альфа – излучение (поток ядер гелия 24 He ) возникает в ре-

зультате альфараспада радиоактивных элементов. Указанный вид распада характерен для тяжелых ядер.

Схема распада имеет следующий вид:

Az X Az 42Y 24 He

Энергетический спектр альфа-частиц – линейчатый. Энергия практически является постоянной величиной, для данного вещества варьирует в пределах от 4 до 9 МэВ в воздухе. Длина свободного пробега альфачастиц в воздухе составляет несколько сантиметров, а в мышечной ткани 10-3 см. Это определяет относительно малую радиационную опасность при наружном облучении.

Наличие пика Брэгга и возможность «управления» его локализацией на глубине создает благоприятные возможности для использования в лучевой терапии протонных пучков высокой энергии. В настоящее время существуют различные устройства, с помощью которых из плазменного шнура, горящего в водородной атмосфере, «извлекаются» свободные от электронов ядра водорода – протоны. Они ускоряются в цилиндрических ускорителях, приобретая требуемую и регулируемую энергию.

Основными преимуществами использования протонных пучков в лучевой терапии являются: формирование нерасходящихся пучков и возможность подведения необходимого количества энергии на любую заданную глубину, соответствующую пику Брэгга. При этом ткани, расположенные за пределами пучка, практически не повреждаются.

91

Ответы на экзаменационные вопросы

тканей определяют высокую биологическую эффективность π – мезонов. Их применяют в лучевой терапии.

Нейтронное излучение.

Процессы взаимодействия нейтронов 01 n с веществом определяются

как энергией нейтронов, так и атомным составом поглощающей среды. Отсутствие у нейтронов электрического заряда позволяет им проникать через электронные оболочки атомов и свободно приближаться к ядру.

Основными процессами взаимодействия нейтронов с веществом являются:

Упругое рассеяние, при котором в результате взаимодействия, происходящего по типу упругого взаимодействия шаров, сам нейтрон изменяет траекторию своего движения, предавая часть своей энергии ядру отдачи. Процесс происходит при любых значениях энергии нейтронов.

E0 – начальная энергия нейтрона,

А – массовое число ядра вещества, с которым нейтрон взаимодей-

ствует. Из формулы следует, что чем меньше А (чем «легче» ядро), тем большее энергии передается веществу и, соответственно, теряется нейтроном.

Неупругое рассеяние – процесс, при котором ядро отдачи оказывается в возбужденном состоянии, из которого оно переходит в основное, испуская γ- квант. Процесс типичен для быстрых нейтронов.

Ядра отдачи, обладающие большой энергией, производят высокую ионизацию среды. Их ионизирующая способность близка к альфа– частицам. Однако поражающее действие нейтронов значительно выше вследствие их большей проникающей способности (для альфа-частиц она ничтожна). Из всех видов ИИ быстрые нейтроны обладают наибольшей радиационной опасностью.

Радиационный захват является характерным видом взаимодействия для тепловых нейтронов. Нейтрон захватывается ядром атома, в результате чего образуется изотоп того же элемента, находящийся в возбужденном состоянии. Последующий переход в основное состояние сопровождается излучением гамма-квантов. Процесс происходит на ядрах всех элементов. Протекают реакции типа Н1 (n,γ) H2. Захват нейтронов ядрами атомов-мишеней приводит к образованию радиоактивных изотопов (явление активации).

Большинство радиационных изотопов, используемых в медицине, получают именно этим методом. Активация лежит в основе поражающего действия ядерного оружия. Мощный поток нейтронов, образующийся в результате взрыва, создает наведенную активность в почве, в воздухе.

93

Ответы на экзаменационные вопросы

25. Радиоактивность. Основной закон радиоактивного распада. Активность, единицы измерения.

Радиоактивность - самопроизвольный распад неустойчивых ядер с испусканием других ядер или элементарных частиц. Характерным признаком, отличающим ее от других видов ядерных превращений, является самопроизвольность (спонтанность) этого процесса. Различают естественную и искусственную радиоактивность.

Естественная радиоактивность встречается у неустойчивых ядер, существующих в природных условиях. Искусственной называют радиоактивность ядер, образованных в результате различных ядерных реакций.

Радиоактивный распад – это статистическое явление. Невозможно предсказать, когда распадется данное нестабильное ядро, можно лишь сделать некоторые вероятные суждения об этом событии. Для большой совокупности радиоактивных ядер можно получить статистический закон, выражающий зависимость не распавшихся ядер от времени.

Пусть за достаточно малый интервал времени dt распадет-

ся dN ядер. Это число пропорционально интервалу времени dt , а также общему числу радиоактивных ядер:

dN Ndt , где – постоянная распада, пропорциональная вероятности распада и различная для разных радиоактивных веществ.

Знак «-» поставлен в связи с тем, что dN 0 , так как число не распавшихся радиоактивных ядер убывает со временем.

Разделим переменные и проинтегрируем с учетом того, что нижнее пределы интегрирования соответствуют начальным условиям (t=0, N=N0; N0 – начальное число радиоактивных ядер), а верхние – текущим

N N0 e t Основной закон радиоактивного распада: число ра-

диоактивных ядер, которые еще не распались, убывает со временем по экспоненциальному закону.

95

Ответы на экзаменационные вопросы

26. Фотонное ионизирующее излучение (гамма излучение, тормозное и характеристическое рентгеновское излучение). Процессы первичного взаимодействия фотонного ионизирующего излучения с веществом. Применение фотонного излучения в медицине.

Фотонное излучение включает гамма-излучение радиоактивных веществ, характеристическое и тормозное излучение, генерируемое различного вида ускорителями. Удельная ионизация фотонного излучения составляет 1-2 пар ионов/1 см воздуха. Это определяет его высокую проникающую способность. Средняя длина пробега фотонного излучения достигает в воздухе несколько сотен сантиметров. Они могу проходить через бетонные стены толщиной в несколько метров.

Гаммаизлучение

Возникает в результате эволюции атомных ядер. Так, например, при радиоактивном распаде, в результате которого дочернее ядро оказывается в возбужденном состоянии, последующий переход в основное состояние сопровождается излучением гаммакванта. Этот переход может быть многоуровневым. При этом дочернее ядро занимает более низкие энергетические уровни в процессе перехода в основное состояние. Каждый такой переход сопровождается излучением гаммакванта с энергиями от 10 КэВ до 5 МэВ.

Кроме того, гаммакванты образуются в результате процесса ангиляции электрон-позитронной пары и в процессах захвата ядрами медленных и тепловых нейтронов.

Процесс взаимодействия с веществом рентгеновского, так же как и гаммаизлучения, носит дискретный характер. Фотон передает квант своей энергии этому веществу. Поэтому оправданным является определение рентгеновского излучения (характеристического и тормозного) как фотонного излучения.

Характеристическое рентгеновское излучение

Если сообщить атому достаточную энергию за счет столкновения с ускоренным электроном, как это происходит в рентгеновской трубке, то удается выбить один из внутренних К-электронов. В атоме на К- оболочке образуется вакансия. Электрон с более высокого уровня занимает освободившееся место. Вероятнее всего, такой переход совершит L-электрон, испуская при этом фотон рентгеновского излучения (линию Kα спектра). Вакансия на L-уровне в свою очередь будет заполнена электроном с одной из внешних оболочек атома. В конце концов, после последующих переходов электронов и испускания серии рентгеновских квантов атом вернется в основное состояние. Излучение, соответствующее переходам внутренних электронов с более высоких на более низкие энергетические уровни, называется характеристическим. Линия Kα является наиболее характерной чертой спектра излучения дан-

97

ного атома, хотя переходам М-К (линия Kβ), N-K (линия Кγ) и тд. соответствуют более высокие энергии излучения.

Тормозное излучение

Возникает в результате торможения быстрых электронов в вещест- ве-мишени. При приложении между катодом и антикатодом напряже-

ния термо-электроны ускоряются до энергии eU . Попав в вещество антикатода, они испытывают торможение в результате взаимодействия с

атомными ядрами вещества-мишени. Электрон энергии eU в результате взаимодействия с веществом теряет свою энергию. Величина энергии

рентгеновского фотона h не может превысить энергию ускоренного электрона h eU .

Чем слабее взаимодействие, тем меньше потери энергии электрона, тем меньше энергия излучаемого фотона. В предельном случае, когда электрон не вступает во взаимодействие и сохраняет свою первоначаль-

ную энергию, можно считать, что излучается фотон с нулевой энергией h 0 .

Таким образом, фотоны, испускаемые рентгеновской трубкой, мо-

гут иметь все возможные значения энергии в диапазоне 0 h eU . Следовательно, и тормозное излучение характеризуется непрерывным спектром энергии в диапазоне от 0 до максимально возможного значения Ег = eU. Эта величина, определяющая максимально возможное значение энергии, при данном значении напряжения на трубке U, называ-

ется граничной энергией спектра (h )г Ег .

Рис. 40. Распределение энергии в спектре тормозного излучения.

Процессы первичного взаимодействия фотонного ионизирующего излучения с веществом.

При прохождении потока фотонов через вещество поглотителя происходит его ослабление в результате следующих процессов взаимодействия: фотоэффекта и рождения пар. Каждый из этих процессов

98

Ответы на экзаменационные вопросы

имеет определенную вероятность, которая характеризуется соответствующим коэффициентом, зависящим от энергии фотона и свойств среды.

Фотоэффект – это процесс освобождения связанных электронов под действием электромагнитного фотона. В этом процессе фотон, взаимодействуя с электроном, отдает ему свою энергию, в результате чего нарушается связь электрона с ядром, и электрон приобретает кинетическую энергию.

При этом:

meV 2

2

Фотоэлектрическое поглощение осуществляется при взаимодействии фотона с электроном одной из внутренних оболочек атома (в основном К-оболочки). Освободившееся на электронной оболочке место занимается одним из электронов с выше расположенных оболочек. Этот процесс сопровождается излучением характеристического рентгеновского излучения.

Очевидно, что для выравнивания электрона с одной из оболочек атома энергия фотона должна быть не меньше потенциала ионизации этой оболочки (φион.)

Вероятность этого процесса характеризуется коэффициентом фо-

тоэлектрического поглощения τ.

Процесс рождения пары (эффект материализации).

При прохождении фотонов через вещество происходит рождение электронно-позитронной пары. Минимальная энергия фотона, при ко-

торой этот процесс возможен, оказывается равной 2me c2 1,02 МэВ,

где me – масса покоя электрона. Для сохранения импульса в процессе

должна участвовать еще одна частица (ядро или электрон), которая воспримет избыток импульса фотона над суммарным импульсом электрона и позитрона.

h X X e e , где X- ядро, в силовом поле которого происходит рождение пары. Электрон и позитрон теряют свою энергию в процессе ионизации атомов и молекул вещества поглотителя. Затем позитрон ангилирует с одним из свободных электронов. При этом образуются 2 фотона с энергиями 0,51 МэВ.

Вероятность рассматриваемого процесса k пропорциональна Z поглотителя и увеличивается с ростом энергии фотона.

В той или иной степени интенсивности взаимодействия фотонного излучения в широком диапазоне энергий зависит от свойств облучаемой среды (Z) и плотности вещества (ρ). Поэтому защитные устройства выполняются из плотных материалов с высоким Z (железо, свинец, желе-

99