Радиационная биофизика (ионизирующие излучения) - Кудряшов Ю.Б.
ISBN 5-9221-0388-1
Скачать (прямая ссылка):
Облучение тканей косвенно ионизирующими частицами в конечном счете заканчивается появлением заряженных частиц: фотоны рентгеновского и 7-излучения высвобождают в тканях высокоэнергетические электроны; нейтроны вызывают появление в тканях протонов отдачи, а-частиц и ядер других элементов. Все эти заряженные частицы обладают значительной энергией и способны многократно вызывать ионизацию и возбуждение атомов и молекул.
Для того чтобы описать характер ионизации поглотителя, необходимо построить качественную картину и выяснить количественные закономерности взаимодействия ускоренных заряженных частиц с атомами.
Пучки таких частиц, движущихся с большими скоростями, часто используются в радиобиологических экспериментах. Вместо /3-частиц, т. е. быстрых электронов, испускаемых в процессе радиоактивного распада, можно создавать потоки электронов, ускоренных в электрическом поле. Протонное излучение также генерируется специальными ускорителями; а-частицы, испускаемые радиоактивными веществами, тоже заменяются ускоренными до различных энергий ионами гелия.
Ускоренные заряженные частицы, которыми облучают ткани, вызывают возбуждение и ионизацию атомов точно так же, как и те заряженные частицы, которые высвобождаются нейтронами или фотонами рентгеновского и 7-излучения. Различие связано только с неодинаковой энергией и зарядом высвобождающихся в каждом отдельном случае ионизирующих частиц. Важно знать, как зависит ионизирующая способность заряженных частиц от величины их энергии, от массы и величины заряда, который они несут.
При возмущении атомов существует вероятность либо перехода их в возбужденное состояние, либо их ионизации. Она возрастает при увеличении длительности возмущения или его интенсивности, поэтому медленные частицы вызывают больше переходов, чем быстрые, а многократно заряженные — больше, чем однократно заряженные; масса частицы не оказывает влияния на эти эффекты. Ускоренную частицу можно рассматривать как перемещающийся в пространстве
4. Механизмы процессов поглощения энергии излучений
69
источник электрического поля. За счет взаимодействия электрического поля частицы с полем орбитального электрона последний приобретает энергию. Если заряженная частица пролетает достаточно близко от орбитального электрона, то перенесенной энергии достаточно для ионизации: электрон отрывается от соответствующего атома или молекулы, и в результате образуются положительно заряженный ион и свободный электрон. Если же частица значительно удалена от электронных оболочек, то электрон приобретает энергию, недостаточную для ионизации, и переходит на более удаленную энергетическую орбиту.
Такая схема, основанная на принципе упругого и неупругого соударений, еще не позволяет определить зависимость характера поглощения энергии ускоренной заряженной частицы от ее параметров — заряда, массы, скорости.
Качественно на эти вопросы можно ответить, рассмотрев модель, предложенную Дертингером и Юнгом еще в конце 60-х годов XX столетия, которая учитывает изменение поля частицы во времени (рис. П.7).
В верхней части рис. П.7, а показан путь летящей частицы через область с высокой плотностью атомов.
Стрелками обозначено возникновение ионизации (в данном случае двух), а пунктирными кружками - возбужденные атомы. Ниже (рис. П.7, б) изображена траектория частицы при ее прохождении вблизи одного из атомов. На рис. П.7, в вычерчена зависимость поля, действующего в атоме, от положения частицы, а на рис. П.7, г — зависимость этого поля от времени, прошедшего после приближения частицы к атому. Для медленной частицы это поле существует длительное время, для быстрой оно сначала резко возрастает, а затем быстро уменьшается. Значит, медленная частица будет вызывать возмущение в атоме в течение длительного времени и передаст ему гораздо больше энергии, чем быстрая частица.
Рассмотрение такой модели позволяет сформулировать ряд следствий, к которым приведет наложение на атом дополнительного поля заряженной частицы:
1) действие поля ускоренной частицы вызывает временное возмущение каждого атома, вблизи которого эта частица проходит;
б
I
«>
в
1
А
Положение частицы
г
. медленная
¦~*«>ччастица
_JK быстрая
Время
П.7. Модель, поясняющая
характер взаимодействия ускоренных заряженных частиц с атомом: а) частица проходит через некоторую совокупность атомов, производя несколько ионизаций и возбуждений; б) атом и частица, проходящая мимо него; в) зависимость величины поля, создаваемого в атоме быстрой заряженной частицей, от положения частицы; г) зависи-
70
Гл. П. Поглощение энергии ионизирующих излучений
2) это возмущение существует тем дольше, чем медленнее движется частица;
3) частицы, несущие неединичный заряд, вносят большее возмущение, чем однозарядные;
4) величина массы движущейся частицы не влияет на количество перенесенной энергии, т. е. при равных скоростях электроны и протоны переносят веществу одинаковое количество энергии, хотя массы их различаются почти в две тысячи раз.
