- •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
10.4.2. Первинні механізми дії радіоактивного випромінювання і потоків частинок на речовину
Як зазначалося в 10.2, дія заряджених - і -частинок радіоактивного випромінювання на речовину зводиться головним чином до збудження і іонізації атомів, тобто переходу електронів атома на більш високі енергетичні рівні і відриву електронів від атома. При цьому, якщо енергія - і -частинок є достатньо великою, то вони можуть вибити електрони з глибоких енергетичних рівнів, що призводить до виникнення характеристичного рентгенівського випромінювання.
Щодо -випромінювання, то первинні механізми його дії на речовину здебільшого подібні до дії рентгенівського випромінювання, а саме зводяться до фотоефекту і ефекту Комптона. Крім того, для -випромінювання великих енергій характерним стає процес утворення електронно-позитронних пар. Оскільки енергії спокою електрона і позитрона майже однакові (маси їх спокою відрізняються на 0.007%)
w0 = m0c2 = 0.51 МеВ,
то для утворення електроно-позитронної пари і надання цим частинці та античастинці кінетичної енергії треба, щоб енергія -фотона була більшою, ніж 2w0 = 1.02 МеВ.
Таким чином, послаблення пучка -випромінювання, як і рентгенівського випромінювання, описується законом Бугера (10.35), в якому лінійний коефіцієнт послаблення складається з суми трьох доданків
= ф + к + п, (10.38)
де перший доданок характеризує послаблення за рахунок явища фотоефекту, другий – комптон-ефекту, а третій – утворення електронно-позитронних пар.
У речовинах з високим атомним номером (наприклад, у свинцю) при енергіях фотонів менших, ніж 1 МеВ, головним чином відбувається фотоефект, при середніх енергіях (25 МеВ) – комптон-ефект, а при великих енергіях значення набуває утворення пар. В результаті загальний коефіцієнт послаблення із зростанням енергії фотонів спочатку падає внаслідок зниження фотоефекту, а потім збільшується за рахунок утворення пар.
Для речовин з невисоким атомним номером (наприклад, для води) при енергії -фотонів w < 100 кеВ переважає фотоефект, при w 1 МеВ – ефект Комптона, а при w > 10 МеВ – процес утворення електронно-позитронних пар.
Для повітря фотоефект має значення тільки при енергії фотонів до 0.01 МеВ, потім відбувається головним чином комптон-ефект, утворення пар можливе тільки при енергії порядку 3040 МеВ.
Важливо зазначити, що іонізуюча здатність зростає в ряду -, -, -випромінювання, а проникна здатність у зворотному ряду -, -, -випромінювання (мал. 10.11).
Мал. 10.13. Відносна іонізуюча та поглинаюча здатність радіоактивного випромінювання.
Для більш детальної характеристики взаємодії радіоактивного випромінювання з речовиною вводять такі величини:
1) питома іонізація – число пар іонів, які утворюються на 1 см шляху частинки в речовині,
2) іонізаційні втрати – зміна енергії частинки на 1 см її шляху в речовині,
3) повний пробіг – відстань R, яку проходить частинка в речовині доти, доки її енергія не стає рівною тепловій енергії (wчаст кТ 410–21Дж 2.510–2 еВ).
Звичайно, ці величини не є постійними і залежать від типу випромінювання та його енергії. Так, для -частинок з енергією 8 МеВ максимальне значення питомої іонізації в повітрі складає приблизно 8104 пар іонів на 1 см шляху, причому це значення досягається не відразу при попаданні -частинки в повітря, а після того, як вона пройшла шлях приблизно 6 см. За цих умов швидкість -частинки зменшується настільки, що її іонізуюча здатність стає максимальною, а іонізаційні втрати досягають значення 2.7 МеВ/см.
У рідинах типу води та в тілі людини і тварин типові значення повного пробігу -частинок звичайно суттєво менші за їх значення в повітрі і складають приблизно R 0.1–0.01 мм. Пояснення цього факту пов’язане з тим, що біологічні рідини, як і вода, містять багато атомів водню, маса яких по порядку величини близька до маси -частинок. Чим ближче маса частинок, які співударяються, тим ефективніше передається кінетична енергія від однієї частинки до іншої. В цьому випадку так званий коефіцієнт акомодації, що визначає такий процес передачі енергії, прямує до одиниці. Саме цим визначається швидке сповільнення -частинок в організмі людини і тварин, які на 70–80% складаються з рідин, що за своєю консистенцією наближаються до води. Іншим прикладом є використання важкої води D2O для сповільнення нейтронів в ядерному реакторі.
Що стосується -частинок, то послаблення їх потоку в речовині відбувається наближено теж за законом Бугера , причому внесок в лінійний коефіцієнт послаблення потоку -випромінювання дають такі процеси, як іонізація і збудження атомів та молекул, гальмівне рентгенівське випромінювання, розсіяння на електронах атомів і молекул тощо. Слід зазначити, що у випадку позитронного -випромінювання зустріч електронів та позитронів, тобто частинок і античастинок, призводить до реакції анігіляції
,
внаслідок якої з’являються 2 -кванти, які через закон збереження імпульсу розлітаються під кутом 180о один до одного. При середніх значеннях енергії Есер = Еmax / 3 -частинкам в організмі людини і тварин (маються на увазі, звичайно, електрони) притаманні значно більші значення повного пробігу R , ніж -частинкам, а саме: R 10–20 мм. Більша проникна здатність -частинок пояснюється меншою їх масою (m/m 7345) та суттєво меншими іонізаційними втратами і питомою іонізацією (для релятивістських -частинок, тобто електронів, які рухаються зі швидкістю, що близька до швидкості світла, питома іонізація складає приблизно 50 пар іонів на 1 см шляху).
Питання про послаблення -випромінювання обговорювалося раніше у зв’язку з формулою (10.38). Додаткова увага буде приділена цьому питанню далі в лабораторній роботі “Визначення коефіцієнта лінійного послаблення -випромінювання”.
До іонізуючого випромінювання відносять також протони і нейтрони. Швидкість і енергія протонів, що утворюються при ядерних реакціях, а також їх проникна та іонізуюча здатності близькі до відповідних величин альфа-частинок. Нейтрони, що викидаються при ядерних реакціях, мають початкову швидкість порядку 3 107 м/с і енергію до 45 МеВ. У зв’язку з відсутністю заряду первинна іонізуюча здатність у них низька, проникна відповідно досить висока.
Іонізуючий ефект від дії нейтронів на речовину є наслідком головним чином вторинних процесів. При взаємодії нейтронів з ядрами атомів можуть відбуватися пружне розсіяння, непружне розсіяння і захват нейтронів ядрами (радіаційне захоплення). При непружних взаємодіях, особливо з ядрами легких елементів, нейтрон передає ядру частину кінетичної енергії. За рахунок отриманої енергії ядро, що в даному випадку називається ядром віддачі, викликає вторинну іонізацію, яка через наявність у ядра електричного заряду може бути досить інтенсивною. Оскільки тканини організму містять багато водню, то швидкі нейтрони легко втрачають в них свою енергію і, утворюючи ядра віддачі (протони), викликають значну іонізацію. При суттєвих передачах енергії при непружних взаємодіях ядер з нейтронами відбувається збудження ядра, внаслідок чого воно випромінює один або декілька -фотонів. Якщо нейтрон поглинається ядром, то відбувається ядерна реакція. Зазвичай, це перетворення ядра в радіоактивний ізотоп з наступним -розпадом та випромінюванням -фотонів. При цьому в біологічних тканинах часто утворюються дейтерій за рахунок реакції
,
радіоактивні ізотопи натрію за реакцією
,
а також радіовуглець за реакцією (10.20) та інші.
При дії іонізуючих випромінювань може відбуватися також порушення структури молекул речовини. Зокрема, можна відзначити радіоліз води, який полягає в іонізації, а потім розпаді іонізованої молекули води з утворенням ненасичених радикалів Н і ОН, які не несуть електричних зарядів, але мають ненасичені валентності і тому володіють виключно високою хімічною активністю.