2. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ РАДІОБІОЛОГІЇ

9. Взаємодія електромагнітних та корпускулярних випромінювань з речовиною

Проникаюча здатність іонізуючих випромінювань, тобто глибина проникнення у речовину, залежить з одного боку від їх фізико-хімічних властивостей, а з іншого – від складу і щільності речовини, що опромінюється. Вона мінімальна у матеріалах, які мають високу щільність, подібних до бетону, сталі, свинцю, і котрі звичайно і застосовують для захисту від випромінювань, і максимальна у повітрі та інших газових середовищах.

Проникаючи у речовину, іонізуючі випромінювання вступають у взаємодію з його атомами та молекулами. При цьому основна частка енергії витрачається на іонізацію атомів та збудження їх електронів, перетворюючись у кінетичну енергію вторинних електронів оболонок атомів.

Електромагнітні випромінювання проникають у речовину, в тому числі і у живу тканину, дуже глибоко. Більш того, якою б щільною не була речовина, якою б не була її товщина, теоретично поглинути їх фотони повністю неможливо. Їх можна тільки послабити. І у ядерній фізиці, а, відповідно, і в радіобіології  існує поняття лінійного коефіцієнту послаблення електромагнітного випромінювання, котрий являє собою величину відносного його зменшення після проходження через шар речовини товщиною в 1 см. 

Основні процеси, що відбуваються при взаємодії електромагнітних іонізуючих випромінювань з речовиною, - це фотоелектричний ефект (фотоефект), комптонівське розсіяння (ефект Компотна, або комптон-ефект) та утворення пар електрон-позитрон.

При фотоелектричному ефекті відбувається поглинання енергії падаючих квантів електронами атому речовини, внаслідок чого виникають вільні електрони, що вилітають за межі атому з кінетичною енергією, котра дорівнює енергії кванту випромінювання за вирахуванням енергії зв’язку електрону в атомі. В тканинах живих організмів фотоефект спостерігається при опроміненні низько енергетичними електромагнітними випромінюваннями – довгохвильового рентгенівського та γ-випромінювання з енергіями до 100 кеВ. Зі збільшенням енергії випромінювань імовірність його фотоелектричної взаємодії з речовиною зменшується і за енергій вище 1 МеВ ним можна взагалі знехтувати. Основний внесок у взаємодію з речовиною випромінювань високих енергій вносить комптонівське розсіяння енергії.                                                       

При комптон-ефекті відбувається розсіяння енергії фотону на одному з електронів атому. Це явище можна уявити як пружне співударяння фотону рентгенівського або γ-випромінювання з електроном. На відміну від фотоефекту фотон віддає електрону не всю свою енергію, а лише деяку її частку і продовжує рух вже у якості розсіяного фотону у новому напрямку і, природно, з меншою енергією. Вузький пучок випромінювання внаслідок такого розсіяння стає більш широким, а само випромінювання більш м’яким (довгохвильовим).

Якщо енергія електромагнітного випромінювання перевищує 1,02 МеВ, стає можливим процес утворення електрон-позитронних пар. Цей процес відбувається при зіткненні фотону з атомним  ядром, внаслідок чого і виникає пара частинок – електрон і позитрон. Імовірність утворення пар зростає зі збільшенням енергії фотону (випромінювання) і щільності речовини. При енергії вище 1,02 МеВ надлишок енергії перетворюється у кінетичну енергію утворених електрону і позитрону. В подальшому після повного гальмування у речовині позитрон      щезає (анігілює) з випромінюванням двох фотонів з енергією по 0,51 МеВ.

Таким чином, в залежності від енергії електромагнітного випромінювання внесок різних типів його взаємодії з речовиною змінюється: з її зростанням зменшується частка фотоелектричного і комптонівського ефектів, але збільшується роль утворення електрон-позитронних пар. Рівні енергій електромагнітних випромінювань, що виникають при розпаді більшості природних і штучних радіоактивних ізотопів, а також джерел рентгенівських і γ-випромінювань, які використовуються в радіобіології, знаходяться переважно у діапазоні 0,2–2,2 МеВ. І тому найбільш імовірними при опроміненні ними рослин і тварин є процеси взаємодії по типу комптон-ефекту та утворення пар.

Взаємодія корпускулярних випромінювань з речовиною

Механізм взаємодії усіх типів заряджених корпускулярних частинок з речовиною подібний – при проходженні через неї вони втрачають свою енергію на іонізацію і збудження атомів. В залежності від знаку заряду частинки зазнають електростатичної взаємодії з частинками речовини і можуть змінювати напрямок руху. Однак, цей вплив на важкі частинки невеликий, і їх траєкторія у речовині практично прямолінійна. При цьому швидко зменшується їх енергія і швидкість хоча і значно повільніше, ніж важких заряджених частинок.

Саме тому проникаюча здатність заряджених частинок значно менша за кванти електромагнітних випромінювань. Хоча вона також в першу чергу визначається їх енергією, але у значній мірі залежить від маси і наявності електричного заряду. Так, α-частинки з величезною енергією 5–10 МеВ з-за своїх великих розмірів і позитивного заряду проникають у м’які тканини живого організму лише на глибину 30–100 мкм. Бета-частинки, які мають малі розміри, не дивлячись на наявність заряду, значно повільніше втрачають свою кінетичну енергію і тому їх пробіг у тканинах значно більший. Так, β-частинки радіоактивного фосфору ³²Р, які мають енергію до 1,71 МеВ, проникають в тканини на глибину до 12 мм; калію ⁴⁰К з енергією 1,31 МеВ – до 10 мм, а відносно м’яких стронцію ⁹⁰Sr, енергія котрих складає 0,55 МеВ, – на 6–8 мм.

Про високу проникаючу здатність у речовину незаряджених важких частинок нейтронів вже згадувалось. При однаковій масі і кінетичній енергії вона набагато вища, ніж у протонів, котрі мають позитивний електричний заряд.

Важливою відміною у взаємодії з речовиною електромагнітних і корпускулярних випромінювань є ще й те, що якщо фотони рентгенівського і γ-випромінювань на всьому шляху свого руху більш-менш рівномірно іонізують його, то потік заряджених частинок, наприклад, α-частинок, поступово втрачаючи енергію і швидкість, викликає нерівномірну іонізацію – з уповільненням частинки вона зростає і досягає максимуму наприкінці шляху. Ця характерна для будь-якої зарядженої частинки залежність у графічному зображенні одержала назву кривої Брегга.

Кількість пар іонів, що виникає на одиницю шляху частинки або фотону у речовині, називають щільністю іонізації, або питомою іонізацією. Питома іонізація α-частинок дуже висока. Пробігаючи у повітрі відстань до 10 см одна α-частинка утворює на кожному сантиметрі шляху декілька десятків тисяч пар іонів, в той час як високо енергетична β-частинка, наприклад, того ж ³²Р, пробігаючи у повітрі до 25 м, викликає утворення на 21 см пробігу усього 50-100 пар іонів. Приблизно таку ж ступінь іонізації індукують фотони рентгенівського і γ-випромінювань, довжина пробігу котрих у повітрі досягає сотень метрів.