2. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ РАДІОБІОЛОГІЇ

Атом – найменша частинка хімічного елементу, котра зберігає його властивості. Атом складається з позитивно зарядженого ядра і негативно заряджених електронів, які обертаються по орбітах навколо нього. Електрон – найлегша  елементарна частинка речовини, яка несе негативний електричний заряд найменш можливої величини, що дорівнює 1,6×10^–19. Абсолютна маса електрону складає 9,1×10^–28 г. Згідно принципу еквівалентності А. Ейнштейна (Е=mc², де E – енергія, m – маса і с – швидкість світла) маса електрону  може бути виражена через енергію.

Енергетичний еквівалент електрону дорівнює заряду ядра, і тому в цілому атом є електрично-нейтральним.

Електрони, що обертаються навколо ядра, мають певну для кожної орбіти енергію. При переході з однієї орбіти на іншу енергія електрону змінюється стрибкоподібно, внаслідок чого при переході на орбіту з меншою енергією (більш віддалену від ядра) він випускає енергію, а при переходу на орбіту з більшою енергією (більш близьку) поглинає електромагнітне випромінювання у вигляді фотонів. Другий процес, який супроводжується  збільшенням енергії, називається збудженням електрону. Тому класичне уявлення про електронну орбіту в атомі як певного кола втрачає сенс, так як виявляється, що електрони, яким властиві хвильові властивості, ніби розмазані у просторі і один електрон може перебувати на різній віддалі від ядра. Стало прийнятим говорити про так звану „електронну хмару” в атомі, маючи при цьому саме місце знаходження електрону.

Радіус атому складає біля 10^–8 см, а ядра – лише 10^–12–10^–13 см. Але у ядрі зосереджено до 99,8% маси атому. Воно складається з нуклонів – протонів і нейтронів.

Протон – це елементарна частинка, яка має однаковий з електроном електричний заряд, але позитивний. Маса протону у 1836 разів більша за масу електрону, тобто складає 1,67^.10^–24 г. Протон – це ядро самого простого за фізичною будовою елемента – атому водню, позитивний заряд котрого нейтралізується негативним зарядом одного тільки електрону.

Нейтрон – електрично-нейтральна частинка масою, що дорівнює масі протону. У зв’язку з тим, що нейтрон не має заряду, він не взаємодіє з електрично-зарядженими частинками, не відхиляється в магнітному полі. Тому проникаюча здатність нейтрону у речовину досить значна.

Вважається, що і протон, і нейтрон є одними й тими ж частинками, тільки такими, що знаходяться у різних „зарядових” станах, котрі за певних умов можуть переходити одна в одну.

Атомне ядро включає у себе також багато інших елементарних частинок, в тому числі електрони, позитрони, нейтрино, антинейтрино, мезони.

З радіобіологічної точки зору, крім електронів, з них, як можливий тип іонізуючих випромінювань, цікавість являють позитрони. Позитрон – частинка, ідентична за своїми властивостями електрону, але така, що має еквівалентний позитивний заряд.

Не дивлячись на те, що ці частинки нібито додатково, крім нуклонів, входять до складу ядра, маса ядра у вільному стані менша за суму мас його протонів і нейтронів. Це не зовсім зрозуміле поняття із звичайної точки зору одержало назву дефект маси. Воно пояснюється тим, що при поєднанні нуклонів у атомне ядро частина маси не щезає безслідно, а уноситься з випромінюванням, що випускається при виникненні такої системи.

Щільність ядра надзвичайно велика, досягаючи величезних, котрі важко уявити, значень – 2¹⁴ г/см³, або 200 млн. т/см³.

Атоми  з однаковою кількістю протонів, але різною кількістю нуклонів (а, відповідно, різною масою) називають ізотопами.

Існують атоми із стійкими – стабільними і нестійкими – радіоактивними ядрами. У ізотопів елементів, що розташовані у періодичній системі елементів після вісмуту, тобто починаючи з елементу полонію з порядковім номером 84, всі ядра атомів радіоактивні.

У цьому розділі і протягом усієї книги будуть вживатися такі поняття: радіоактивний ізотоп, радіоактивний елемент, радіоактивна речовина і радіонуклід. Між ними багато спільного, проте їх треба розрізняти.

Радіоактивний ізотоп, або радіоізотоп, – це нестійкий ізотоп, що розпадається. Так, елемент калій складається з трьох ізотопів – ³⁹К, ⁴⁰К і ⁴¹К. Перший і третій з них – стійкі, стабільні, а ⁴⁰К – нестійкий, радіоактивний. Терміни „ізотоп”, „радіоактивний ізотоп” використовується звичайно тоді, коли говориться про атоми одного і того ж елементу.

Радіоактивний елемент – це хімічний елемент, всі ізотопи якого радіоактивні. Наприклад, природний уран, який складається з трьох радіоактивних ізотопів – ²³⁴U, ²³⁵U і ²³⁸U, а також торій, полоній, плутоній, америцій та інші, у склад яких входять виключно радіоактивні ізотопи.

Радіоактивна речовина – це речовина, до складу якої входить радіоактивний ізотоп. При цьому слід розуміти тільки хімічні сполучення атомів елементів, до складу котрих входять радіоактивні ізотопи. Наприклад, ³H₂O, ⁴⁰КСl, K₂³⁵SO₄,²³⁵UO₂, ⁹⁰SrSO₄, ¹³⁷CsNO₃.

Нукліди – це загальна назва атомів, що відрізняються кількістю нуклонів у ядрі або при однаковій кількості нуклонів містять різну кількість протонів чи нейтронів. Радіонуклід, або радіоактивний нуклід, – це нестійкий, такий, що розпадається, нуклід. Термін „радіонуклід” звичайно застосовують для визначення атомів радіоактивних речовин, так як радіоактивні ізотопи, як правило, бувають у складі сполук і дуже рідко у вільному стані. Так, говорять про радіонукліди ⁸⁹Sr і ⁹⁰Sr, ¹³⁴Сs і ¹³⁷Сs, ¹³¹І і ¹³²І  і т.д. В принципі поняття „радіонуклід” близьке поняттю „радіоізотоп”.

Що ж таке радіоактивність, зумовлена нестійкість атомних ядер?