Поглощенная доза

Определение и физический смысл

Поглощённая доза — это дозиметрическая величина, характеризующая количество энергии, переданной ионизирующим излучением единице массы вещества. Она отражает реальный физический процесс передачи энергии от ионизирующих частиц (нейтронов, фотонов, альфа- или бета-частиц) к атомам и молекулам облучаемого вещества. Поглощённая доза обозначается символом D и измеряется в единицах грей (Гр), где 1 Гр = 1 Дж/кг.

Поглощённая доза является основной величиной в физике радиации и служит фундаментом для последующего перехода к более прикладным и биологически значимым дозиметрическим величинам — эквивалентной и эффективной дозе.

Математическое выражение

Поглощённая доза определяется как:

$$ D = \frac{dE}{dm} $$

где:

• dE — средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу,
• dm — масса вещества, в котором происходит поглощение энергии.

Важно понимать, что данная величина является локальной: она определяется для малого объёма вещества, где энергия передаётся равномерно.

Физические процессы, лежащие в основе поглощения энергии

Механизмы передачи энергии различаются в зависимости от типа излучения:

• Фотонное излучение (гамма-кванты и рентгеновские лучи) передаёт энергию посредством фотоэффекта, комптоновского рассеяния и образования пар.
• Заряженные частицы (альфа- и бета-частицы, протоны) теряют энергию за счёт ионизации и возбуждения атомов среды.
• Нейтроны взаимодействуют с ядрами атомов: упругие и неупругие столкновения, ядерные реакции (например, захват нейтрона).

Каждый из этих процессов сопровождается высвобождением энергии, которая в итоге становится поглощённой дозой.

Примеры численных значений

Рассмотрим, например, гамма-облучение с дозой 1 Гр. Это означает, что каждый килограмм облучаемого вещества (например, ткани тела человека) получил 1 джоуль энергии. В масштабе молекулярной физики — это огромная энергия, достаточная для разрушения миллионов молекул ДНК.

Для сравнения:

• Доза в 1 мГр (0.001 Гр) — типичная доза при рентгене грудной клетки.
• Доза в 4–5 Гр может быть смертельной при равномерном облучении всего тела человека без медицинской помощи.

Измерение поглощённой дозы

На практике поглощённую дозу напрямую измерить трудно, поскольку измерительные приборы фиксируют другие величины (например, ионизацию в воздухе, термолюминесценцию, фотолюминесценцию и т.п.). Поэтому используется калибровка приборов по известным стандартным условиям.

Среди основных методов измерения:

• Ионизационные камеры: измеряют заряд, созданный в воздухе при прохождении ионизирующего излучения. Через определённые поправочные коэффициенты можно перейти к поглощённой дозе.
• Дозиметры на твёрдом теле: термолюминесцентные, фотолюминесцентные и аланиновые дозиметры.
• Калориметры: определяют дозу через нагревание вещества, однако используются редко, в основном в лабораторных калибровках.

Зависимость от свойств вещества

Поглощённая доза зависит не только от характеристик излучения, но и от свойств самого вещества. Основные влияющие параметры:

• Плотность вещества: чем выше плотность, тем выше вероятность взаимодействия и, следовательно, поглощение энергии.
• Атомный номер (Z): для фотонного излучения важную роль играет фотоэффект, вероятность которого пропорциональна Z³, поэтому тяжёлые элементы (свинец, йод) поглощают фотонное излучение эффективнее.
• Состав вещества: наличие водорода, кислорода, углерода, азота и других элементов влияет на сечение взаимодействия с нейтронами и другими частицами.

Распределение дозы в теле человека

В биофизике важно учитывать распределение дозы в теле человека. Оно зависит от:

• Энергии и типа излучения (бета-частицы дают локализованные дозы в поверхностных слоях кожи, гамма-лучи — более равномерное распределение),
• Глубины проникновения излучения,
• Геометрии облучения (плоский пучок, точечный источник, равномерное облучение всего тела),
• Экранирования одеждой или биологическими тканями.

Для оценки доз, поглощённых отдельными органами, используют антропоморфные фантомы и моделирование с помощью методов Монте-Карло.

Роль в радиационной защите и медицине

Поглощённая доза служит фундаментальной величиной для:

• Оценки облучения в медицинской радиологии (диагностика, терапия),
• Разработки норм радиационной безопасности (например, предельно допустимые уровни),
• Моделирования аварийных ситуаций и дозовой реконструкции,
• Планирования лучевой терапии в онкологии.

Однако, несмотря на физическую точность, поглощённая доза не отражает биологическое действие излучения — для этого используются производные величины: эквивалентная доза и эффективная доза, учитывающие тип излучения и чувствительность различных тканей.

Соотношение с другими дозиметрическими величинами

Поглощённая доза является основой для вычисления следующих величин:

• Эквивалентная доза H_T:

H_T = D_T ⋅ w_R

где:

• D_T — средняя поглощённая доза в ткани T,

• w_R — радиационно-взвешивающий коэффициент, зависящий от типа излучения.

• Эффективная доза E:

E = ∑_Tw_T ⋅ H_T

где w_T — весовой коэффициент ткани, отражающий её радиочувствительность.

Таким образом, вся современная система радиационной безопасности основана на точном понимании и измерении поглощённой дозы.

Особые случаи: микродозиметрия и нанодозиметрия

В ряде случаев — особенно при рассмотрении взаимодействия излучения с биологическими структурами — важную роль играет локальное распределение дозы на микро- и наномасштабах. Например, альфа-частица может передать огромную дозу (в десятки Гр) в узком треке шириной в десятки нанометров, проходящем через ядро клетки. Несмотря на то что средняя доза в организме при этом мала, биологический эффект может быть крайне выраженным.

Для таких задач применяется специальная аппаратура (прямое считывание микротреков, жидкостные счётчики, радиобиологические маркеры) и разрабатываются модели стохастических эффектов радиации.

Влияние на вещество: радиационно-химические и термические эффекты

Поглощённая энергия может реализовываться в веществе различными способами:

• Ионизация и возбуждение — ведёт к химическим реакциям, разрыву связей и изменению структуры молекул.
• Нагревание среды — незначительно при низких дозах, но играет роль при мощных излучениях.
• Радиационно-индуцированные превращения — появление свободных радикалов, мутации, изменения кристаллической решётки.

Таким образом, поглощённая доза — не просто абстрактная величина, но параметр, напрямую связанный с реальными физико-химическими и биологическими изменениями в веществе.

Законы накопления дозы во времени

Поглощённая доза может поступать в вещество:

• Импульсно — например, при вспышке гамма-излучения,
• Непрерывно — при длительном облучении, например, вблизи источника или при внутреннем облучении (радионуклиды).

Накопление дозы описывается через мощность дозы:

$$ \dot{D} = \frac{dD}{dt} $$

Единицей мощности поглощённой дозы служит Гр/с, хотя чаще используются производные единицы: мГр/ч и мкГр/ч.

Нормативные и предельно допустимые уровни

Органы радиационного контроля и МАГАТЭ устанавливают предельные уровни по поглощённой дозе для различных условий:

• Для профессионального персонала: дозовые пределы на органы, кожу, хрусталик глаза.
• Для населения: существенно ниже, чтобы исключить даже потенциально вредные воздействия.

Поглощённая доза также используется в промышленной радиационной обработке (например, стерилизация медицинских изделий) — в этих случаях дозы могут достигать десятков и сотен кГр.

---

Таким образом, поглощённая доза — это краеугольный камень всей системы радиационного контроля, физической дозиметрии, радиобиологии и лучевой медицины. Без понимания механизмов её формирования, измерения и действия невозможно обеспечить ни безопасность, ни эффективное применение ядерных технологий.