Альфа-, бета- и гамма-излучение

Природа ионизирующих излучений

Ионизирующее излучение — это тип излучения, обладающий достаточной энергией для ионизации атомов и молекул, то есть для выбивания электронов из атомных оболочек. Основные типы ионизирующего излучения, представляющие интерес в медицинской физике, включают альфа-излучение (α), бета-излучение (β) и гамма-излучение (γ). Эти виды излучения отличаются друг от друга по природе, проникающей способности, ионизирующей способности, а также по применению в диагностике и терапии.

Альфа-излучение (α)

Физическая природа. Альфа-частицы представляют собой ядра атомов гелия (⁴He²⁺), состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Источниками α-излучения являются в основном тяжелые радионуклиды, такие как уран-238, радий-226, плутоний-239.

Характеристики:

Заряд: +2
Масса: 4 а.е.м.
Скорость: ~10⁷ м/с
Ионизирующая способность: очень высокая
Проникающая способность: очень низкая (останавливаются листом бумаги или внешним слоем кожи)

Взаимодействие с веществом. Альфа-частицы, имея большой заряд и массу, вызывают плотную ионизацию на малом расстоянии. Они быстро теряют энергию в тканях и оставляют мощный ионизационный след. При проникновении в биологические ткани альфа-частицы оказывают сильное радиобиологическое воздействие, но только если источник находится внутри организма (ингаляция, проглатывание).

Применение в медицине.

Используются в радионуклидной терапии, особенно для лечения метастазов в костях (например, радий-223).
Перспективны для таргетной альфа-терапии (TAT), где радионуклид прикрепляется к молекуле-носителю, направляющей его к опухолевым клеткам.

Бета-излучение (β)

Физическая природа. Бета-излучение — поток электронов (β⁻) или позитронов (β⁺), испускаемых при радиоактивном β-распаде ядер. В процессе распада нейтрон превращается в протон и электрон (β⁻-излучение), либо протон — в нейтрон и позитрон (β⁺-излучение).

Характеристики:

Заряд: ±1
Масса: 1/1836 а.е.м.
Скорость: до 0,9c
Ионизирующая способность: средняя
Проникающая способность: средняя (останавливаются несколькими миллиметрами алюминия или миллиметрами биоткани)

Взаимодействие с веществом. Бета-частицы обладают меньшей ионизирующей способностью по сравнению с альфа-частицами, но способны проникать глубже. При торможении в веществе могут образовывать тормозное рентгеновское излучение, особенно при взаимодействии с высокоатомными элементами.

Применение в медицине.

Терапевтическое применение: бета-излучатели (например, иттрий-90, фосфор-32) используются в радиотерапии при поверхностных опухолях, внутрисуставном введении, радиосинавэктомии.
Диагностика: β⁺-излучение используется в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Радиофармпрепараты с позитронными изотопами (например, фтор-18) позволяют получать высокоточные изображения метаболических процессов в организме.

Гамма-излучение (γ)

Физическая природа. Гамма-излучение — это электромагнитное излучение с очень короткой длиной волны (менее 0,01 нм) и высокой энергией, испускаемое при переходе возбужденного ядра в более стабильное состояние.

Характеристики:

Заряд: 0
Масса: 0
Скорость: c (скорость света)
Ионизирующая способность: низкая
Проникающая способность: высокая (проникает через десятки сантиметров ткани, ослабляется свинцом, бетоном)

Взаимодействие с веществом. Гамма-кванты взаимодействуют с веществом посредством трёх основных процессов:

Фотоэлектрический эффект — характерен при низких энергиях (до 100 кэВ).
Эффект Комптона — преобладает в диапазоне от 100 кэВ до нескольких МэВ.
Параобразование — возникает при энергиях выше 1,02 МэВ, когда гамма-квант превращается в электрон-позитронную пару вблизи ядра.

Применение в медицине.

Диагностика: применяется в гамма-сканировании и однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ). Используются радионуклиды, излучающие γ-кванты (технеций-99m, йод-123).
Терапия: гамма-излучение используется в дистанционной лучевой терапии (например, кобальтовая пушка, линейные ускорители), а также в радиохирургии (гамма-нож).

Сравнительная характеристика

Параметр	Альфа-излучение (α)	Бета-излучение (β)	Гамма-излучение (γ)
Тип частиц	Ядро гелия	Электрон / Позитрон	Электромагнитное
Масса	4 а.е.м.	~1/1836 а.е.м.	0
Заряд	+2	±1	0
Проникающая способность	Низкая	Средняя	Очень высокая
Ионизирующая способность	Очень высокая	Средняя	Низкая
Биологический риск	Высокий при внутреннем облучении	Умеренный	Высокий при внешнем облучении
Основные применения	Таргетная терапия	ПЭТ, терапия	Диагностика, лучевая терапия

Биофизические аспекты воздействия

Линейная энергия потерь (LET) — один из ключевых параметров, характеризующих излучение. Альфа-частицы имеют высокую LET, вызывают плотную ионизацию, способствуют двухцепочечным разрывам ДНК, что делает их эффективными, но и опасными. Бета-частицы — низко-LET-излучатели, с меньшей вероятностью глубокого повреждения ДНК. Гамма-излучение обладает наименьшей LET, но из-за высокой проникающей способности может оказывать значительное общее облучение организма.

Защита от излучения

Альфа-частицы: достаточно бумажного листа или верхнего слоя кожи. Опасны только при внутреннем попадании (ингаляция, раны, пищеварительный тракт).
Бета-частицы: требуют защитных экранов из пластика, стекла или алюминия. Важна защита от тормозного излучения.
Гамма-излучение: необходимы плотные материалы — свинец, бетон, вода. Толщина зависит от энергии кванта (толщина половинного ослабления — Hvl).

Радиационная безопасность и дозиметрия

Поскольку ионизирующее излучение может вызывать биологические повреждения (мутации, канцерогенез, клеточную гибель), строгий контроль дозы облучения жизненно важен. Основные параметры:

Эквивалентная доза (в зивертах) учитывает биологическую эффективность разных видов излучения.
Коэффициенты качества (w_R): для α — 20, для β и γ — 1.
Лимиты доз облучения устанавливаются международными рекомендациями (МКРЗ, МАГАТЭ).

В медицинской практике необходим строгий контроль доз при диагностических и терапевтических процедурах с применением радиоактивных веществ и излучающих установок.