радиобиология / занятие 1

Особенности взаимодействия ионизирующих излучений с веществом

Существует три механизма передачи энергии электромагнитных ионизирующих излучений веществу, при которых происходит ионизация молекул:

1.Фотоэлектрический эффект

2.Эффект Комптона

3.Образование электронно-позитронных пар

Фотоэлектрический эффект

Рис.1 Схема фотоэлектрического эффекта.

Энергия падающего кванта полностью поглощается веществом, в результате появляются свободные электроны, обладающие определенной энергией кинетической энергией. Величина этой энергии равна энергии кванта излучения за вычетом работы выхода данного электрона из атома.

Екин.электрона = − связи

Свободный электрон, ассоциируясь с одним из нейтральных атомов, порождает отрицательный ион.

Фотоэффект характерен для длинноволнового рентгеновского излучения. Вероятность фотоэффекта также зависит от атомного номера поглощаемого

вещества и возрастает пропорционально . Вероятность фотоэлектрического эффекта снижается по мере увеличения энергии фотона.

Эффект Комптона

Эффект Комптона можно рассматривать как результат упругого взаимодействия кванта с электронами внешней орбиты атома вещества. При этом взаимодействии образуется свободный электрон и фотон рассеяния. Электрон, освободившийся из атомной оболочки при упругом рассеянии фотона, получает не всю энергию фотона, а лишь некоторую его часть. При этом энергия электронов отдачи изменяется в широких пределах. Средняя энергия возрастает с увеличением энергии падающего излучения. Фотон продолжает свое движение в качестве рассеянного кванта в новом направлении и с меньшей энергией, при этом может и дальше вызывать процесс ионизации вещества, пока

1

его энергия не снизится на столько, что он уже может полностью поглотиться в результате фотоэлектрического эффекта.

Рис.2 Схема Комптон-эффекта

Образование электрон-позитронных пар

Если энергия падающего фотона превышает 1,022 МэВ, становится возможным еще один тип взаимодействия электромагнитного излучения с веществом – эффект образования пар. Электрон-позитронные пары возникают в результате взаимодействия кванта излучения с кулоновским полем ядра. Квант высокой энергии, приближаясь к полю ядра атома, поглощается, и одновременно возникает пара элементарных частиц позитрон-электрон. Вся энергия падающего кванта затрачивается на образование позитрон-электронной пары, при чем энергия равная 1,022 МэВ, всегда преобразуется в «массу покоя» элементарных частиц, а остаток в их кинетическую энергию. Проходя через вещество, образовавшиеся электроны теряют свою энергию в результате комптоновского рассеяния и фотоэффекта. Образовавшиеся позитроны взаимодействуют с электронами среды, при этом происходит их ангилляция, сопровождающееся возникновением ядра отдачи и испусканием двух противоположно направленных гамма-квантов с энергией 0,511 МэВ, которые способны взаимодействовать с веществом за счет фотоэффекта или комптоновского эффекта.

Вероятность образования пары также зависит от атомного номера вещества и возрастает пропорционально .

2

Рис. 3. Относительная частота процессов поглощения веществом (углеродом) квантов ионизирующего излучения: 1.Фотоэффект; 2. Комптон-эффект; 3. Процесс образования пар

Относительная частота всех трех перечисленных выше процессов поглощения веществом квантов ионизирующего излучения показана на рис.3. Как видно из рисунка кванты с энергией 10-100 кэВ поглощаются преимущественно за счет фотоэффекта, в диапазоне 0,3-10 МэВ основной тип взаимодействия – эффект Комптона, а при энергиях квантов более 10 МэВ начинают преобладать эффект образования позитрон-электронной пары

Поглощение квантов электромагнитного излучения высокой энергии приводит к возникновению в веществе небольшого числа атомов, утративших электроны. Это первичная ионизация вследствие фото- и комптоновского эффектов. Высвободившиеся электроны обладают большим запасом кинетической энергии и могут многократно взаимодействовать с атомами и молекулами, отдавая энергию на их ионизацию и возбуждение. Так продолжается до тех пор пока энергия свободного электрона не снизится до минимального уровня, при котором электрон присоединится к нейтральному атому с образованием отрицательного иона.

Поглощение пучка моноэнергетических фотонов в веществе описывает зависимость

I(х) -= I0·е-µх,

где I0 и I (х) — интенсивности излучения, падающего и прошедшего толщину х, а показатель экспоненты µ линейный коэффициент поглощения характеризует поглощающую способность вещества.

Корпускулярные излучения

Механизм передачи энергии в объекте от заряженных частиц сходен: при прохождении через вещество заряженная частица теряет свою энергию, вызывая ионизацию и возбуждение атомов до тех пор, пока общий запас энергии уменьшится настолько, что частица утратит свою ионизирующую способность.

Взависимости от знака заряда при перемещении частицы, она испытывая электростатическое взаимодействие, притягивается или отталкивается от положительно заряженных ядер. Чем больше массы частицы, тем меньше она отклоняется от первоначального направления.

Основные типы взаимодействия с веществом α – излучений и β – излучений

Упругое рассеяние Неупругое торможение

Ионизация и возбуждение атомов

Упругое рассеяние

Упругое рассеяние - изменение траектории зараженной частицы в результате отталкивания ядер без потери энергии.

Чем меньше масса частицы, тем больше ее отклонение от прямого направления

Неупругое рассеяние

Электрон при прохождении вблизи атомного ядра теряет скорость и энергию. При этом может испускаться фотон тормозного излучения (в том же направлении, что и электрон). Ионизация и возбуждение атомов

Врезультате взаимодействия частицы с электронными оболочками атомов, происходит потеря энергии частицы в веществе. Под действием электрического поля частиц происходит возмущение электронных оболочек атомов с переходом последних в возбужденное или ионизированное состояние.

Способность ускоренных заряженных частиц непосредственно взаимодействовать с электронными оболочками атомов позволила определить их как первично ионизирующие излучения.

Нейтронное излучение

3

Нейтронное излучение возникает при бомбардировке атомного ядра ускоренной заряженной частицей или фотоном высокой энергии (лабораторные условия, атомные взрывы)

Нейтроны не имеют заряда, поэтому не оказывают непосредственного влияния на оболочку атомов, взаимодействуя только с ядрами. Сталкиваясь с ядрами, нейтроны либо отталкиваются от них (рассеяние), либо поглощаются ими (участие в ядерных перестройках)

Основные типы взаимодействия с веществом нейтронных излучений

Упругое рассеяние Неупругое торможение

Ионизация и возбуждение атомов

Упругое рассеяние

При столкновении с ядрами углерода, кислорода, фосфора нейтроны теряют 10-15%, и при столкновении с ядрами водорода до 2/3 своей энергии. Потерянная нейтронами энергия передается «ядрам отдачи» - положительно заряженным частицам, имеющим высокую ионизирующую способность Неупругое торможение

В этом случае часть энергии расходуется нейтронами на возбуждение (разновидность колебательного движения) ядер-мишеней . В исходное состояние ядра возвращаются испуская фотоны гамма-излучения Ионизация и возбуждение атомов

При поглощении ядрами нейтронов происходит выброс фотонов, α-частиц, гаммаквантов, возникают искусственные изотопы (наведенная активность).

Образующиеся при взаимодействии нейтронов с веществом ускоренные заряженные частицы – ядра отдачи – вносят основной вклад в ионизацию и возбуждение атомов вещества, поэтому нейтронной излучение – косвенно ионизирующее излучение

ЛПЭ - линейная передача энергии

Это количество энергии, передаваемой частицей веществу в среднем на единицу пройденного пути.

ЛПЭ=∆Е/∆х, где Е-энергия частицы (эВ), х – путь частицы (мкм)

Все излучения делятся на редкоионизирующие (ЛПЭ меньше 10) и плотноионизирующие (ЛПЭ больше 10).

4

Семинарское занятие № 1. 7 сентября 2012 года

Ф.И.О. студента_____________________________________ группа _______

1.Перечислите механизмы передачи энергии от электромагнитных ионизирующих излучений веществу.

2.От чего зависит вероятность поглощения фотонов по одному из трех механизмов?

3.Почему фотоэффект характерен для длинноволнового (мягкого) рентгеновского излучения и в значительно меньшей степени происходит при жестком рентгеновском излучении?

4.При одинаковой энергии фотонов – 0,05 МэВ, вероятность фотоэлектрического эффекта будет больше при облучении атомов кислорода (атомный номер -8) или атомов свинца (атомный номер – 98)? Объясните свой ответ.

5.Сколько электронов может образовать при взаимодействии 1 фотона с веществом с не высокой, в случае если энергия фотона равна 0,01 МэВ? 0,1 МэВ?

6.Почему в биологических системах вероятность образования позитронэлектронных пар очень низка?

7.Нарисуйте схему образования электрон-позитронных пар при взаимодействии фотона с веществом

8.Почему траектории β-частиц веществе изломаны, а α-частиц практически прямые?

9.Что называют ядром отдачи?

5