Излучение, проходя через вещество, может претерпевать различные физические процессы, изменяющие его характеристики и приводящие к поглощению или рассеянию. В медицинской физике ключевое значение имеют следующие типы взаимодействия:
Каждое из этих взаимодействий зависит от энергии излучения и атомного номера вещества, что определяет выбор материалов и технологий для диагностики и терапии.
Фотоэлектрический эффект возникает при взаимодействии фотона с внутренним (обычно K- или L-оболочки) электроном атома. Энергия фотона полностью поглощается, а электрон выбивается из атома. В результате:
Зависимости: Вероятность фотоэффекта пропорциональна Z3/E3, где Z — атомный номер, E — энергия фотона. Это означает, что фотоэффект доминирует при низких энергиях фотонов (до ~50 кэВ) и в веществах с высоким атомным номером (например, свинец, йод, барий).
Применение в медицине: Фотоэффект обеспечивает контраст на рентгеновских изображениях. Визуализация костей, кальцинированных образований, контрастных веществ (йод, барий) в значительной мере обусловлена именно фотоэлектрическим взаимодействием.
Комптоновское рассеяние — упругое столкновение фотона с слабо связанным или свободным электроном. В этом процессе:
Закон сохранения энергии и импульса описывает изменение энергии рассеянного фотона: $E' = \frac{E}{1 + \frac{E}{m_e c^2}(1 - \cos \theta)}$, где E и E′ — энергии исходного и рассеянного фотонов, θ — угол рассеяния, mec2 = 511 кэВ — энергия покоя электрона.
Зависимости: Вероятность комптоновского рассеяния зависит слабо от Z и уменьшается с увеличением энергии фотона. Оно преобладает в диапазоне 50–500 кэВ.
Медицинское значение: Комптоновское рассеяние снижает контраст изображения, поскольку рассеянные фотоны попадают на детектор, создавая фоновый сигнал. Методы антирассеяния, такие как решетки Бакки, направлены на уменьшение его влияния.
При энергиях фотонов выше 1,022 МэВ (удвоенная масса электрона) возможен процесс парообразования: фотон исчезает, создавая электрон и позитрон. Этот процесс возможен только вблизи ядра, обеспечивающего сохранение импульса.
Особенности процесса:
Зависимости: Вероятность процесса пропорциональна Z2 и быстро возрастает при энергии выше пороговой. При энергии 5–10 МэВ парообразование становится доминирующим процессом.
Применение: Основной механизм регистрации в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), где фиксируются аннигиляционные кванты.
Заряженные частицы (альфа-, бета-частицы, протоны, ионы) взаимодействуют с веществом непрерывно, передавая энергию электронным оболочкам атомов:
Потери энергии описываются уравнением Бете-Блоха: $-\frac{dE}{dx} = \frac{4\pi z^2 e^4 N Z}{m_e v^2} \ln \left( \frac{2 m_e v^2}{I} \right)$, где z — заряд частицы, v — её скорость, I — средняя энергия ионизации, N, Z — концентрация и атомный номер вещества.
Пробег частиц: Чем выше масса и заряд, тем меньше пробег. Альфа-частицы имеют короткий пробег и высокую ионизирующую способность, электроны — длинный пробег и сильное рассеяние.
Медицинское значение: Ионизация — основа дозиметрии и радиобиологического действия. Используется в лучевой терапии: протоны и ионы позволяют достичь высокой точности дозы в опухоли (эффект Брэгга).
Нейтроны не имеют заряда, но эффективно взаимодействуют с ядрами. Возможны следующие процессы:
Энергетическая классификация:
Медицинское применение: Нейтронная терапия, бор-захватная терапия (BNCT), активационный анализ в ядерной медицине.
При взаимодействии первичных излучений с веществом возникают:
Эти процессы критически важны для формирования биологического эффекта и учета дозы, особенно при высоких LET-излучениях.
В зависимости от энергии фотонов и состава среды преобладают разные механизмы:
| Энергия фотона | Доминирующее взаимодействие |
|---|---|
| < 50 кэВ | Фотоэлектрический эффект |
| 50 – 500 кэВ | Комптоновское рассеяние |
| > 1,022 МэВ | Появление пар |
| > 10 МэВ | Фотоядерные реакции |
Понимание взаимодействий излучения с веществом позволяет:
Эти знания лежат в основе всей радиационной медицины, включая как традиционные, так и современные молекулярные и таргетные технологии.