- •351 Рентгенівські промені розділ 10. Іонізуюче випромінювання та його дія на медико-біологічні об’єкти
- •Рентгенівські промені
- •10.1.1. Історія відкриття рентгенівських променів, праці і. Пулюя
- •10.1.2. Природа рентгенівських променів і методи їх отримання
- •10.1.3. Гальмівне рентгенівське випромінювання
- •10.1.4. Характеристичне рентгенівське випромінювання, його природа. Закон Мозлі.
- •Радіоактивне випромінювання
- •10.2.1. Радіоактивність, її властивості
- •10.2.2. Основний закон радіоактивного розпаду, період напіврозпаду, активність
- •10.2.3. Правила зміщення, особливості спектрів при радіоактивному розпаді
- •Основи дозиметрії іонізуючого випромінювання
- •10.3.1. Експозиційна доза, її потужність, одиниці
- •10.3.2. Поглинена доза, її потужність, одиниці
- •10.3.3. Еквівалентна доза, її потужність, одиниці
- •10.3.4. Дозиметри іонізуючого випромінювання
- •Взаємодія іонізуючого Випромінювання з речовиною
- •10.4.1. Первинні фізичні механізми взаємодії рентгенівського випромінювання з речовиною
- •10.4.2. Первинні механізми дії радіоактивного випромінювання і потоків частинок на речовину
- •10.4.3. Фізико-хімічні механізми радіаційних пошкоджень
- •10.4.4. Ефект дії малих доз іонізуючого випромінювання
- •Застосування рентгенівського випромівання в медицині
- •10.5.1. Методи рентгенодіагностики
- •10.5.2. Рентгенотерапія
- •10.5.3. Рентгенівський структурний аналіз в медико-біологічних дослідженнях
- •10.5.4. Променеві навантаження на медичний персонал при рентгенодіагностичних дослідженнях
- •10.5.5. Деякі факти реакції крові на опромінення
- •10.5.6. Опромінення малими дозами великих груп людей
- •10.5.7. Латентний період – час виявлення в організмі порушень, викликаних радіацією
- •10.5.8. Проблеми ризику, пов’язаного із радіаційною дією
- •Комп’ютерна томографія
- •10.6.1. Рентгенівська томографія
- •10.6.3. Позитронна емісійна томографія
- •Практичне заняття “Рентгенівське випромінювання, його застосування”
- •Контрольні питання для підготовки до заняття
- •Приклади задач та їх розв’язки
- •Контрольні запитання та завдання для самостійної роботи
- •Практичне заняття “Радіоактивне випромінювання та його дія на біооб’єкти”
- •Контрольні питання для підготовки до заняття
- •Приклади задач та їх розв’язки
- •Контрольні запитання та завдання для самостійної роботи
- •Лабораторна робота “Визначення коефіцієнта лінійного послаблення гамма-випромінювання”
- •Питання для підготовки до лабораторної роботи
- •Додаткова література
- •Додаткові теоретичні відомості
- •Лабораторна установка для визначення коефіцієнта лінійного послаблення гамма-випромінювання
- •Порядок виконання роботи
- •Завдання для самостійної роботи та самоконтролю
- •2. Склад приладу
- •3. Характеристики дозиметра дргз-04.
- •4. Управління роботою дозиметра дргз-04
- •Порядок виконання роботи
- •Завдання для самостійної роботи та самоконтролю
Взаємодія іонізуючого Випромінювання з речовиною
10.4.1. Первинні фізичні механізми взаємодії рентгенівського випромінювання з речовиною
Механізм взаємодії з речовиною рентгенівських променів визначається довжиною їх хвилі (частотою). Випромінювання з довжиною хвилі Å (1 Å = 10–10 м = 0.1 нм) має більшу енергію і глибше проникає в речовину, його називають жорстким рентгенівським випромінюванням. Випромінювання з λ = 10 –100 Å називають граничним, а з λ > 100 Å – м’яким, оскільки воно має порівняно малу проникну здатність.
Потрапляючи в речовину (наприклад, тіло людини), рентгенівське випромінювання частково поглинається і розсіюється в речовині, частково проходить через речовину. Дію на речовину чинить випромінювання, поглинуте і розсіяне в речовині. Фотони рентгенівського випромінювання взаємодіють в основному з електронами атомів і молекул речовини. Є три первинні процесі взаємодії рентгенівського випромінювання з речовиною: когерентне розсіяння, фотоефект, комптон-ефект (некогерентне розсіяння).
Когерентне розсіяння спостерігається при взаємодії рентгенівського фотона з електронами внутрішніх, міцно зв’язаних з ядром оболонок. При цьому змінюється тільки напрям первинного фотона, довжина хвилі залишається незмінною.
Н
Мал.
10.9. Процес когерентного
розсіяння, при якому енергія
рентгенівського кванта h
залишається незмінною, а змінюється
лише напрямок розповсюдження
кванта.
Слід зазначити, що саме механізм когерентного розсіяння рентгенівських променів лежить в основі рентгеноструктурного аналізу. За допомогою рентгеноструктурного аналізу були вперше визначені, як зазначалося в розділі 6, просторова структура білкової молекули гемоглобіну кита та спіральна структура ДНК.
Отримаємо основну формулу Вульфа-Брегга, що використовується в рентгеноструктурному аналізі. Для спрощення розглянемо кубічну кристалічну решітку з періодом d, який часто є шуканою величиною.
На мал.10.10 зображено розріз кристалічної решітки. Виділимо в кристалі сімейство паралельних атомних площин 1, 2, 3, ..., які утворюють з пучком первинних променів з довжиною хвилі λ кут θ, і розглянемо інтерференцію відбитих хвиль від окремих площин сімейства. Так як рентгенівські промені здатні проникати в глибину кристала, то відбивання променів пройде не тільки від площини 1, але й від площин 2, 3, ... Відбиті від різних площин промені будуть інтерферувати між собою і підсилювати один одного, якщо різниця ходу променів рівна цілому числу к (k = 1, 2, ...) довжин хвиль : . З мал. 10.10 видно, що .
Мал. 10.10. Розріз кристалічної решітки: 1, 2, 3 – атомні площини.
Таким чином, умова інтерференційного максимуму відбитих рентгенівських променів має вигляд
, (10.33)
де d – міжплощинна відстань (період решітки). Кут θ звичайно називають кутом ковзання, або кутом відбивання. Якщо відомо λ і θ, з формули (10.33) легко знайти d. На дифракції рентгенівських променів грунтується рентгеноструктурний аналіз кристалічних решіток твердих розчинів, сплавів і чистих речовин, а також інших систем, включаючи біологічні об’єкти.
Формула (10.33) носить назву формула Вульфа-Брегга. Ця формула була отримана в 1913 р. незалежно російським кристалофізиком Ю.В. Вульфом та англійським фізиком Л. Бреггом. Останній разом із своїм батьком – англійським фізиком Г. Бреггом були нагороджені в 1915 р. Нобелевською премією за значний внесок у вивчення внутрішньої структури кристалів за допомогою рентгенівських променів.
Фотоефект спостерігається, коли енергії фотона h вистачає для виконання роботи виходу Ав електрона. При h > Aв фотон поглинається і електрон відривається від атома (мал. 10.11). Енергія такого електрона за формулою Ейнштейнна дорівнює
.
В залежності від енергії квантів, рентгенівські промені можуть викликати фотоефект з різних електронних оболонок атомів. Із збільшенням енергії квантів (зменшенням довжини хвилі) коефіцієнт поглинання зменшується. Однак, на деяких частотах поглинання він різко зростає. Це пов’язано з появою додаткового поглинання за рахунок виривання електронів з відповідної внутрішньої оболонки атома. Значення цих частот рентгенівських променів дозволяє визначити енергію електронів в станах, що відповідають різним підоболонкам. Результатом фотоефекту є інтенсивна іонізація атомів і молекул речовини.
|
|
Мал. 10.11. Процес фотоефекту. |
Мал. 10.12. Процес некогерентного розсіяння. |
Некогерентне розсіяння, або ефект Комптона, спостерігається при взаємодії фотонів досить великих енергій (h >> Ai) з зовнішніми електронами, що слабо зв’язані з ядром. При цьому первинний (налітаючий) фотон передає частину своєї енергії електрону. Електрон відривається від атома, такі електрони називаються електронами віддачі, або комптонівськими електронами. Разом з електронами віддачі випромінюється ще й фотон з енергією меншою, ніж у первинного фотона. Напрям цього фотона також інший, ніж у первинного (мал. 10.12).
Запишемо закон збереження енергії у випадку ефекта Комптона:
h = Ai + . (10.34)
Згідно з цим рівнянням, енергія налітаючого рентгенівського кванта (фотона) h витрачається на роботу іонізації Аі для відриву електрона від атома, надання цьому електрону кінетичної енергії , а також на енергію вторинного фотона , що з’являється внаслідок процеса некогерентного розсіяння. Оскільки енергія вторинного (розсіяного) фотона повинна бути менша за енергію первинного фотона , то з умови випливає, що довжина хвилі розсіяного фотона більша за довжину хвилі первинного фотона . Умова означає, що розсіяний фотон “червоніє”, тобто його довжина хвилі зсувається в бік більших довжин хвилі у порівнянні з довжиною хвилі первинного фотона, що налітає на атом.
Якщо енергія фотона недостатня для відриву електрона, може відбуватися збудження атома чи молекули. Переходячи із збудженого стану в стабільний, атом (молекула) випромінює фотон. У деяких речовин це випромінювання відбувається в області видимого спектра (рентгенолюмінісценція). В тканинах організму при цьому можливе збільшення швидкості перебігу фотохімічних реакцій. Швидкі електрони і фотони, що утворилися при первинних процесах, можуть викликати ряд так званих вторинних ефектів. Так, електрони, що утворились при фотоефекті і комптон-ефекті, за наявністю достатньої кінетичної енергії можуть іонізувати сусідні атоми шляхом зіткнення. На місце електронів, вибитих при фотоефекті із внутрішніх оболонок, можуть переходити електрони з більш високих рівнів, що супроводжується вторинним характеристичним випромінюванням. Фотони цього випромінювання, а також фотони, що утворюються при комптон-ефекті, можуть в свою чергу викликати явища фотоефекту і комптон-ефекту.
Слід зазначити, що із зростанням енергії рентгенівського кванта (фотона) зростає роль процесу некогерентного розсіяння (ефекта Комптона) у порівнянні з процесом фотоефекту. Так, якщо енергія фотона дорівнює w1 = 104 eB = 1.610–15 Дж, то ефект Комптона практично відсутній і має місце лише фотоефект. При зростанні енергії фотона до величини w2 = 8104 eB = 12.810–15 Дж ефект Комптона і фотоефект стають рівноймовірними. Нарешті, коли енергія фотона стає w3 = 2105 eB = 3.210–14 Дж, то ймовірність ефекта Комптона сягає 99%, тоді як ймовірність фотоефекту – лише 1%.
При проходженні рентгенівських променів через речовину їх інтенсивність зменшується внаслідок істинного поглинання і розсіяння. Інтенсивність І паралельного пучка рентгенівських променів при проходженні ними в речовині відстані d задовольняє закону Бугера (див. розділ 8):
, (10.35)
де Ι0 – інтенсивність падаючих на речовину променів (при ), а μ – лінійний коефіцієнт послаблення.
Так як послаблення інтенсивності випромінювання, що проходить, здійснюється за рахунок істинного поглинання (фотоефект і комптон-ефект) та когерентного розсіяння, то μ рівне сумі лінійних коефіцієнтів істинного поглинання τ і розсіяння σ:
. (10.36)
Враховуючи (10.36), формулу (10.35) записують у вигляді:
.
Експериментально встановлена формула залежності коефіцієнта істинного поглинання τ від атомного номера Z, густини ρ поглинаючого середовища і довжини хвилі λ рентгенівських променів:
, (10.37)
де k – коефіцієнт пропорційності.
Дуже важлива залежність від Z. Наприклад, при просвічуванні тіла людини коефіцієнт істинного поглинання в кістках, що складаються із фосфорнокислого кальцію (Z = 20 для кальцію і Ζ = 15 для фосфору), буде приблизно в 150 раз більший, ніж для м’яких тканин, в яких поглинає переважно вода. Тому при фіксації рентгенівського випромінювання буде різко виділятися тінь від кісток. Другий приклад використання залежності коефіцієнта поглинання від атомного номера Z полягає в тому, що для захисту від рентгенівського випромінювання використовують матеріал з великим значенням Z ( як правило, це свинець).
Залежність (при Ζ = const) використовується при виборі матеріалу фільтрів, за допомогою яких із даного випромінювання виділяються компоненти з потрібною жорсткістю. Фільтр являє собою металеву пластинку із алюмінію, міді, інколи свинцю, яка ставиться на шляху променів. М’яке, тобто довгохвильове, рентгенівське випромінювання інтенсивно поглинається шкірою людини, тому потрібно захищати від цього випромінювання і пацієнта, і рентгенолога при проведенні рентгенологічних обслідувань. Для захисту рентгенолога використовують свинцеве скло, свинцеві гумові фартухи, рукавички, а для захисту пацієнта – фільтри.
Для таких речовин, як повітря, вода, м’які тканини організму, що містять близькі за атомним номером елементи, залежність коефіцієнта поглинання τ від довжини хвилі практично не відрізняється. Це використовується при дозиметрії рентгенівського випромінювання, а саме: вимірюють експозиційну дозу, тобто енергію випромінювання, поглинутого в повітрі, далі помножують її на відповідний коефіцієнт і визначають за формулою (10.26) поглинуту в тканинах організму енергію цього ж випромінювання.