3. Виды ионизирующих излучений, их свойства.
Гамма-излучение – это электромагнитное излучение, состоящие из потока гамма-квантов, энергии фотонов, не имеющих массы покоя, поэтому обладающих большой проникающей способностью в различные материалы и организмы.
Нейтронное излучение – это поток нейтральных частиц с массой 1,009 а.е.м., обладающих большой проникающей способностью.
Альфа-частицы – это положительно заряженные атомы гелия состоящие из двух протонов и двух нейтронов, обладающих большой ионизирующей способностью. Пробег в воздухе равен 8-10 см и не представляют какой-либо опасности при внешнем облучении. Только при попадании внутрь организма представляют серьёзную угрозу.
Бета-частицы по своим физическим свойствам представляют электрон, обладающие отрицательным зарядом и позитроны, несущие положительный заряд. Проникновение ионизирующего излучения в живые ткани составляет 0,2-0,5 см.
Ионизирующие излучения — это излучения, вызывающие при взаимодействии с веществом ионизацию и возбуждение его атомов и молекул. Важной особенностью большинства видов ионизирующих излучений является их высокая проникающая способность, а отсюда способность взаимодействовать с атомами вещества в глубине объекта.
По своей физической природе все ионизирующие излучения подразделяются на электромагнитные и корпускулярные излучения.
К электромагнитным излучениям относятся рентгеновское и у-излучение, представляющие собой энергию электромагнитного поля, которая распространяется в пространстве со скоростью света.
В зависимости от источника образования электромагнитные излучения подразделяются на тормозное, характеристическое и у-излучение. Тормозное излучение возникает при замедлении в электрическом поле (например, окружающем атомные ядра) ускоренных заряженных частиц. Характеристическое излучение обусловлено энергетическими перестройками внутренних электронных оболочек возбужденных атомов, а у-излучение является продуктом ядерных превращений радиоактивных элементов (радиоизотопов). Совокупность тормозного и характеристического излучений называют рентгеновским излучением (в англоязычной литературе чаще употребляют термин «Х-излучение»). В земных условиях оно всегда имеет искусственное происхождение, в то время как у-излучение может иметь как искусственное, так и естественное происхождение. Спектры рентгеновских и у-лучей перекрываются, нет принципиальных различий между ними и по физическим свойствам.
К корпускулярным излучениям относятся электроны (бета-частицы) и позитроны, протоны (ядра водорода), дейтроны (ядра дейтерия), а-частицы (ядра гелия) и тяжелые ионы (ядра других элементов), не имеющие заряда нейтроны и отрицательно заряженные мезоны, в частности л-мезоны, имеющие значительную перспективу использования в радиационной онкологии. Отличительной особенностью корпускулярного излучения является то, что частицы обладают большим запасом кинетической энергии и способны с высокой скоростью перемещаться в пространстве, вызывая возбуждение и ионизацию атомов.
Более удобно подразделять ионизирующие излучения по особенностям их взаимодействия с веществом. В этом случае различают электрически нейтральные излучения (рентгеновские, у-лучи и нейтроны) и ускоренные заряженные частицы (все остальные, помимо нейтронов, разновидности корпускулярного излучения). Ускоренные заряженные частицы — это перемещающиеся в пространстве источники электрического поля (поток электронов — бета-частиц, протонов, ядер атома гелия — а-частиц и др.). Естественными источниками ускоренных заряженных частиц являются некоторые из природных радиоизотопов. К искусственным источникам относятся искусственные радиоизотопы и ускорители заряженных частиц.
Ионизация атомов вещества является следствием взаимодействия ускоренной заряженной частицы с электронными оболочками этих атомов. Под действием электрического поля ускоренной заряженной частицы происходит возмущение электронных оболочек атомов с переходом в возбужденное, а затем ионизированное состояние. Способность ускоренных заряженных частиц непосредственно взаимодействовать с электронными оболочками атомов позволила определить их как первично или прямоионизирующие излучения. Рентгеновское и гамма-излучение, как и нейтроны, относятся к косвенно-ионизирующим излучениям, так как они возбуждают и ионизируют атомы и молекулы не сами, а посредством инициируемых ими ускоренных заряженных частиц (комптоновских электронов, ядер отдачи и т. п.).
Первичные изменения атомов и молекул качественно не зависят от вида действующего на них ионизирующего излучения. При одном и том же количестве энергии, поглощенной единицею массы вещества, микропространственное распределение этой энергии в облученном объеме различно. Это различие определяется линейной передачей энергии (ЛПЭ) — средним количеством энергии, передаваемой частицей веществу в среднем на единицу длины пройденного в нем пути: ЛПЭ = dE / dx, где Е — энергия частицы, эВ; х — длина пробега частицы в веществе, мкм.
Поскольку по мере прохождения частицы через вещество ее энергия снижается, а с уменьшением энергии возрастает ЛПЭ, в конце пробега заряженной частицы создается наибольшая плотность ионизации (пик Брэгга), иными словами — поглощается наибольшая доза. Это свойство используется в практике лучевой терапии, когда хотят подать на опухоль, находящуюся на определенной глубине, большую дозу при минимальном повреждении тканей, находящихся по ходу пучка перед опухолью и за нею. Варьируя энергию заряженных частиц, можно добиться, чтобы пик Брэгга пришелся на нужную глубину.
Скоростью потери энергии определяется еще одно важное свойство ионизирующих излучений — проникающая способность. Глубина проникновения ионизирующих излучений зависит, с одной стороны, от состава и плотности облучаемого объекта, а с другой стороны — от природы и свойств излучения (рис. 58). Она прямо пропорциональна энергии, массе и квадрату скорости частицы, обратно пропорциональна — абсолютной величине заряда. Чем больше величина ЛПЭ, тем меньше проникающая способность излучения в данном веществе.
За меру проникающей способности для ускоренных заряженных частиц принимают расстояние, на котором частица замедляется до энергии, близкой к средней энергии теплового движения. Излучения с высокой проникающей способностью называют жесткими. Если же проникающая способность мала, то такое излучение будут называть мягким. Однако эти термины весьма относительны, так как, например, бета-излучение по сравнению с альфа-частицами будет жестким, а по сравнению с гамма-лучами — мягким.
В зависимости от величины ЛПЭ, все ионизирующие излучения делят на редко- и плотноионизирующие. К редкоионизирующим относят все виды излучения, имеющие ЛПЭ менее 10 кэВ/мкм: бета-частицы, у- и рентгеновские лучи, ионизирующее действие которых также осуществляется электронами. К плотноионизирующим (ЛПЭ более 10 кэВ/мкм) относят протоны, а-частицы и другие тяжелые частицы, а также нейтроны, биологическое действие которых реализуется за счет вторичных ускоренных заряженных частиц. Редкоионизирующие виды излучений отличаются сравнительно высокой проникающей способностью, а плотноионизирующие (за исключением нейтронов) проникают в ткани на небольшую глубину.
Так, а-частицы обладают очень низкой проникающей способностью. Даже в воздухе их пробег равен нескольким сантиметрам, а более плотные вещества (например, ткань или бумага) непроницаемы для а-частиц при толщине в доли миллиметра. Поток а-частиц, падающий на тело человека, из-за малой проникающей способности целиком поглощается в верхних слоях кожи. Вследствие этого, a-излучение при внешнем радиационном воздействии совершенно безопасно для человека. Однако если а-излучающий изотоп попадет с пищей, водой или воздухом внутрь организма, то опасность будет весьма велика, так как испускаемые изотопом внутри тканей а-частицы вызовут очень сильную ионизацию атомов и молекул, а следовательно, сильное повреждение биологических субстратов, в которых непосредственно поглощается энергия.
Проникающая способность бета-частиц примерно в сто раз больше, чем а-частиц. В воздухе они проходят несколько метров, в твердых средах — несколько миллиметров. В связи с этим бета-частицы представляют определенную опасность для жизни и здоровья людей не только при их попадании внутрь организма, но и при их аппликации на кожные покровы и слизистые оболочки, вследствие чего могут развиться местные лучевые поражения.
Проникающая способность рентгеновского и у-излучения очень велика. Они глубоко проникают даже в плотные среды, а тело человека «пронизывают» насквозь. Например, у-кванты с высокой энергией могут проходить через слой земли или бетона толщиной в несколько метров.
Весьма велика проникающая способность и у нейтронов. Проникающая способность нейтронов несколько меньше, чем у у-излучения, но существенно больше, чем у ускоренных заряженных частиц. При ядерных и водородных взрывах нейтронный поток распространяется на сотни метров, легко проникая сквозь стальную броню и железобетон. Энергия нейтронов наиболее эффективно передается ядрам легких атомов. Поэтому вещества, богатые атомами водорода, бериллия, углерода, находят применение в экранировании от нейтронного излучения. Тяжелые металлы, плохо задерживающие нейтроны, могут применяться для ослабления вторичного у-излучения, возникающего в легких материалах в результате неупругого рассеяния нейтронов и ядерных перестроек.