2. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ РАДІОБІОЛОГІЇ

Хоча на початку цієї глави говорилось про потоки електронів, котрі виникають при дії іонізуючих випромінювань і призводять до різних уражень живої речовини, слід підкреслити, що первинним джерелом випромінювань є ядра атомів, а не їх електронні оболонки. Це цілком очевидно для α-(альфа-) випромінювання, нейтронного, протонного випромінювань, але не є зовсім зрозумілим для β-(бета-)випромінювання, яке є потоком електронів, котрі не входять до складу ядра. Але вони виникають у ядрі у процесі його розпаду при перетворення нейтронів у протни. І α- і β-розпади супроводжуються випромінювання γ-квантів. Саме тому іонізуючі випромінювання ще називають ядерним випромінюванням.

Основними типами ядерних перетворень, або радіоактивного розпаду, є α-розпад, β-розпад (електронний та позитронний), електронне захоплення і внутрішня конверсія.

Альфа(α)-розпад. Цей тип радіоактивного розпаду полягає у випусканні ядром радіоактивного ізотопу частинки, яка являє собою ядро атому гелію, котра включає два протони і два нейтрони – α-частинку. Таким чином, ядро втрачає два протони і два нейтрони і перетворюється у інше ядро, у котрого заряд ядра зменшується на 2, а масове число – на 4. Отже, при α-розпаді, дочірній ізотоп, що виникає, зміщується ліворуч або вгору по періодичній системі елементів, відносно вихідного материнського елементу на дві клітини, тобто перетворюється в ізотоп іншого елемента, відповідно, з меншою атомною масою і електричним зарядом. Наприклад: α-розпад є характерним для переважаючої більшості радіоактивних ядер важких елементів з атомною масою більше 207, тобто починаючи з вісмуту.

Бета(β)-розпад. Виділяють електронний бета-мінус (β^–)- і позитронний бета-плюс (β⁺)-розпади. Якщо нестабільність ядра зумовлена надлишком нейтронів, відбувається електронний β^–-розпад, за якого нейтрон перетворюється в протон, а ядро випускає електрон і антинейтрино. При цьому заряд атому, а, відповідно, атомний номер ізотопу збільшується на одиницю, і дочірній ізотоп зсувається на один номер праворуч від материнського, стаючи ізотопом іншого елемента. Масове ж число залишається тим самим. Типовим прикладом електронного β^–-розпаду є розпад природного радіоактивного ізотопу ⁴⁰К з перетворенням його у стабільний ізотоп ⁴⁰Са, котрий супроводжується γ-випромінюванням.

Якщо нестабільність ядра зумовлена надлишком протонів, то відбувається позитронний β⁺-розпад, за якого випускається позитрон – частинка такої ж маси, що і електрон, але з позитивним електричним зарядом, і нейтрино. При цьому один з протонів перетворюється у нейтрон. Заряд ядра і, відповідно, атомний номер ізотопу зменшується на одиницю, а дочірній ізотоп зсувається ліворуч від материнського, також стаючи ізотопом іншого елементу. Масове число при такому розпаді також залишається без змін. Прикладом β⁺-розпаду може бути перетворення радіоактивного ізотопу фосфору ³⁰Р у стабільний ізотоп кремнію ³⁰Si, котрий складає понад 3% усього кремнію, що є на планеті.

Позитрон, що вилітає з ядра, взаємодіє з електроном атомної оболонки, внаслідок чого виникає пара позитрон-електрон, котра перетворюється у два γ-кванти з енергією 511 000 еВ, або 0,511 МеВ. Цей процес має назву анігіляції (буквально з латині: перетворення у ніщо), а γ-випромінювання, що виникає, називається анігіляційним. Зрештою, при позитронному розпаді за межі атому вилітають не ядерні частинки, а γ-кванти і ізотоп, що перетворюється за β-розпадом, фактично стає джерелом γ-радіації.

Електронне захоплення. Цей тип ядерного перетворення полягає у захопленні протоном електрону з орбіти, як правило, найближчої. При цьому протон перетворюється у нейтрон, а порядковий номер ядра стає на одиницю меншим за порядковий номер материнського ядра, хоча масове число не змінюється. Ізотоп нового елемента займає у періодичній системі місце на одну клітину ліворуч.

Типовим прикладом електронного захоплення є поглинання електрону ядром ⁴⁰К, наслідком котрого є виникнення ⁴⁰Аr.

Надлишок енергії, що вивільнюється при реакції, випромінюється у вигляді γ-радіації.

Таким чином, природній радіоактивний ізотоп ⁴⁰К водночас піддається електронному β- (88%) з утворенням β- та γ-випромінювання і електронному захопленню (12%) з виникненням γ-випромінювання.

Внутрішня конверсія. В результаті тих чи інших перетворень ядро атому переходить у збуджений стан. Повертання до звичайного стану завжди супроводжується або викиданням ядерної частинки, або випромінюванням γ-кванту. Але часто-густо при цьому надлишкова енергія збудження передається електрону однієї з найближчих орбіт. Внаслідок такої передачі електрон може вириватись за межі атому. Це й породжує так зване конверсійне випромінювання, яке по суті являє собою потік електронів. Але на відміну від електронів β-розпаду, які утворюють електрони суцільного енергетичного спектру, конверсійні електрони мають лінійчатий спектр, тобто займають у ньому певні достатньо вузькі діапазони.

Ядерна фізика розглядає і деякі інші типи і різновидності ядерних перетворень. Але у загальній кількості ядерних розпадів їм належить відносно незначна роль.