Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом

Физические основы взаимодействия ионизирующего излучения с веществом

Ионизирующее излучение — это вид энергии, передаваемой в форме частиц или электромагнитных волн, который способен ионизировать атомы вещества, выбивая электроны из их оболочек. Существует две основные категории:

Корпускулярное излучение:
- α-частицы — ядра гелия (²⁴He), высокая масса и заряд, малая проникающая способность.
- β-частицы — электроны (β⁻) или позитроны (β⁺), меньшая масса, большая проникающая способность по сравнению с α-частицами.
- Протоны и нейтроны — важны при высоких энергиях, например в ускорителях или ядерных реакциях.
Фотонное (электромагнитное) излучение:
- γ-излучение — результат перехода ядер в более низкое энергетическое состояние.
- рентгеновское излучение — возникает при торможении электронов или переходе между электронными уровнями.

Основные механизмы взаимодействия

1. Потери энергии и торможение частиц

Корпускулярные частицы, проходя через вещество, теряют энергию в основном за счёт ионизации и возбуждения атомов среды. Путь частицы характеризуется рядом величин:

Пробег — средняя длина пути до полной остановки частицы.
Потери энергии (dE/dx) — количество энергии, теряемое частицей на единицу пути. Эта величина выражается через удельную ионизацию.

Для α-частиц dE/dx велико, что ведёт к высокой плотности ионизации на коротком пути. Для β-частиц dE/dx ниже, что позволяет им проникать глубже.

2. Фотоэффект

Фотон выбивает электрон из атома, полностью поглощаясь. Энергия фотона должна быть больше энергии связи электрона. Фотоэффект доминирует при низких энергиях (до 0.1 МэВ) и высоком атомном номере вещества (например, свинец).

3. Эффект Комптона

Фотон рассеивается на свободном или слабо связанном электроне, теряя часть энергии, которая передаётся электрону. Энергия фотона при этом уменьшается, а направление изменяется. Доминирует в диапазоне энергий от 0.1 до 10 МэВ.

4. Образование электрон-позитронных пар

При энергии фотона выше 1.022 МэВ возможна его трансформация в электрон и позитрон вблизи ядра. Избыток энергии делится между частицами в виде кинетической. Этот процесс становится значимым при энергиях выше 2–3 МэВ и растёт с увеличением Z вещества.

5. Взаимодействие нейтронов

Упругое рассеяние — нейтрон сталкивается с ядром и передаёт часть энергии. Особенно эффективно с ядрами водорода.
Неупругое рассеяние — возбуждение ядра с последующим излучением γ-квантов.
Захват нейтрона (n,γ) — приводит к радиоактивности.
Деление ядра — возможно у тяжёлых элементов (например, урана), сопровождается высвобождением энергии и новых нейтронов.

Линейный коэффициент ослабления

Ионизирующее излучение экспоненциально ослабляется при прохождении через вещество:

I(x) = I₀ ⋅ e^−μx

где:

I(x) — интенсивность излучения на глубине x,
I₀ — начальная интенсивность,
μ — линейный коэффициент ослабления (зависит от природы вещества и типа излучения).

Для практики вводится толщина половинного ослабления (T½) — толщина материала, при прохождении через которую интенсивность падает вдвое:

$$ T_{½} = \frac{\ln(2)}{\mu} $$

Биофизические аспекты взаимодействия

Ионизация в биологических тканях ведёт к образованию свободных радикалов и разрушению молекулярных структур:

Разрыв ковалентных связей ДНК, белков.
Образование активных форм кислорода.
Нарушение клеточных мембран.
Индукция мутаций, апоптоза или некроза.

Летальный эффект зависит от дозы, вида излучения и радиочувствительности ткани. Наиболее чувствительны быстро делящиеся клетки (костный мозг, эпителий ЖКТ, гонады).

Зависимость от LET (Linear Energy Transfer)

Показатель LET характеризует плотность энергии, отдаваемой излучением на единицу пути. Высокий LET (например, у α-частиц) вызывает более плотные и локализованные повреждения. Низкий LET (γ, β) распределяет энергию менее концентрировано.

Эффективность биологического действия часто выражается через относительную биологическую эффективность (RBE):

$$ RBE = \frac{\text{Доза эталонного излучения (например, γ)}}{\text{Доза исследуемого излучения при том же эффекте}} $$

Энергетическое распределение и пробег частиц

β-излучение обладает непрерывным энергетическим спектром, что затрудняет точное измерение пробега.
α-частицы имеют строго определённую энергию и, следовательно, фиксированный пробег, что делает их удобными для дозиметрии.

Для фотонов пробег некорректен как величина, но можно определить вероятность взаимодействия с веществом (через сечение взаимодействия и линейный коэффициент ослабления).

Примеры взаимодействия в биомедицинских приложениях

В радиотерапии используют γ-излучение, β-частицы, протоны и ионы углерода. Последние особенно эффективны из-за пика Брэгга — максимума ионизации в заданной глубине.
В радиодиагностике применяются рентгеновские лучи и γ-излучение с низкими дозами, но высокой проникающей способностью.
В радиационной биологии изучаются молекулярные последствия ионизации, дозозависимость эффектов, механизмы репарации ДНК.

Сечения взаимодействия

Вероятность взаимодействия излучения с атомом вещества определяется эффективным сечением (σ), которое зависит от типа взаимодействия, энергии излучения и свойств мишени. Единица измерения — барн (1 б = 10⁻²⁴ см²).

Радиационные единицы и дозиметрия

Экспозиционная доза (Рентген) — количество ионизации в воздухе.
Поглощённая доза (Грэй) — энергия, поглощённая единицей массы вещества:

1 Гр = 1 Дж/кг
Эквивалентная доза (Зиверт) — учитывает RBE (через коэффициент качества):

H = D ⋅ Q

где H — эквивалентная доза, D — поглощённая доза, Q — коэффициент качества излучения (например, 1 для γ, до 20 для α).

Комплексные модели взаимодействия

Для точного моделирования взаимодействия ионизирующего излучения с биологическими тканями применяются:

Монтекарловские методы для статистического описания путей частиц.
Геометрические модели клеток с распределением мишеней (ядро, митохондрии).
Молекулярная динамика для отслеживания первичных и вторичных химических реакций после ионизации.

Такие подходы позволяют проектировать эффективные методы терапии и защиты, основанные на фундаментальных физических принципах.