ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Механизмы передачи энергии из "Энергия " Различные виды излучений по-разному вза-. имодеиствуют с веществом в зависимости от свойств частиц, составляющих излучение их заряда, массы и энергии. Поскольку значительная часть излагаемого в настоящей главе материала так или иначе связана с этими фундаментальными взаимодействиями, остановимся подробнее на их рассмотрении. [c.334] Заряженные частицы (электроны, протоны, продукты деления и т. д.) взаимодействуют с частицами вещества, главным образом с элек-тронами, окружающими ядра атомов. Если частицы излучения несут достаточно большую энергию, каждое,такое взаимодействие будет приводить к отрыву электрона от атома и образованию положительно заряженного иона. Для того чтобы это произошло, необходимо, чтобы энергия налетающей частицы превышала энергию связи электрона в атоме. Значение энергии связи электрона меняется в очень широких пределах от нескольких электрон-вольт для валентных электронов до многих тысяч электрон-вольт для электронов k-й оболочки тяжелых элементов. В данной главе прежде всего рассмотрим взаимодействие излучения с живой тканью, которую можно представить как смесь атомов легких элементов (табл. 14.2). Подобный подход может быть применен. и к любому другому типу вещества. [c.334] Количество энергии, передаваемой при взаимодействии частицы излучения с электроном, зависит от заряда, массы и энергии налетающей частицы. Точная зависимость является достаточно сложной и для данного исследования не представляет большого интереса. [c.334] При очень низких энергиях необходимо внести некоторые поправки. Составлены таблицы значений среднего линейного пробега ионизирующих частиц в различных средах, которыми пользуются в практических целях. [c.335] Большой пик на кривой зависимости линейной тормозной способности вещества от глубины проникновения частицы в слой вещества в конце тормозного пути называют пиком Брэгга. Это явление используют в лучевой терапии рака, где очень важно добиться максимального выделения энергии в глубоко расположенной опухоли, не разрушив окружающую здоровую ткань или, по крайней мере, причинив ей минимальный вред. В этом отношении еще более эффективным по сравнению с протонным излучением является использование пионов, поскольку в этом случае не только имеется пик Брэгга, но происходит поглощение пиона одним из ядер вещества, которому полностью передается энергия массы покоя пиона (см. табл. 14.1), следствием чего является расщепление или скалывание этого ядра. Пнонная терапия делает только первые шаги, поскольку получение пионных пучков (для этого требуются специальные ускорители) является не очень простой задачей. [c.335] Нейтроны могут также вызывать ядерные реакции. Реакции 0(п, а) С и 0(п, p) N имеют высокие сечения на быстрых нейтронах и, по-видимому, также вносят вклад в суммарный эффект повреждающего воздействия быстрых нейтронов на живую ткань. Подобные реакции, конечно, происходят и с участием заряженных частиц, но их доля в суммарном количестве переданной энергии ничтожна по сравнению с процессом прямой ионизации. [c.336] В результате неупругого рассеяния нейтронов на ядрах может возникать гамма-излучение. Доля энергии этих процессов может составлять до i20 % всей передаваемой энергии. Тепловые нейтроны в отличие от быстрых не могут образовывать вторичные заряженные частицы с высокими значениями Z-д. Энергия тепловых нейтронов часто не превышает энергии связи атомов в молекулах водородсодержащих соединений. Однако эти нейтроны могут вызывать возбуждение атома, а также возбуждать колебательные переходы в молекулах, что приводит к разогреву вещества. Кроме того, тепловые нейтроны могут поглощаться некоторыми ядрами с образованием радиоактивных продуктов. Однако ядра атомов, которые в основном составляют живую ткань, имеют небольшие сечения поглощения нейтронов. [c.336] Это уравнение аналогично уравнению (1.6) знак минус означает, что интенсивность пучка падает с увеличением глубины его проникновения в слой вещества. Значение его непостоянно и находится в сложной зависимости от энергии излучения и свойств вещества, подвергаемого облучению. Отношение р./р называют массовым коэффициентом ослабления, который подобен коэффициенту ослабления, использованному в гл. 12. Сложная зависимость этих коэффициентов от энергии определяется сложным характером взаимодействия фотонного излучения с веществом. [c.337] Для 50 %-ного ослабления i = 15,33 мм для 90%-иого ослабления л=50,9 мм. [c.337] Полученный результат наглядно показывает, насколько велика проникающая способность фотонов высоких энергий. [c.337] Различают пять типов взаимодействия фотонного излучения с веществом рассеяние фотонов на ядрах (упругое и неупругое), фотоэлектрический эффект, комптоновское рассеяние, образование пар и атомное или молекулярное возбуждение. [c.337] При упругом рассеянии на ядрах фотоны только меняют направление своего движения. Их энергия меняется только в той мере, в какой это обусловлено законом сохранения энергии. При неупругом рассеянии энергия фотона передается ядру. Поглотив избыточную энергию, ядро, как правило, излучает ее в виде вторичного фотона, направление движения которого скорее всего не совпадает с направлением движения первичного фотона. Если исключить ту небольшую долю актов неупругого рассеяния, которые сопровождаются излучением электронов с атомных оболочек, можно сказать, что рассеяние фотонного пучка на ядрах приводит к ослаблению его интенсивности при незначительном выделении энергии в веществе. [c.337] Образование пар (рис. 14.7) представляет собой процесс, не имеющий аналогов в классической физике. Фотон, обладающий достаточно высокой энергией, может спонтанно (при этом по условию сохранения момента необходимо присутствие другого тела) превращаться в электрон-позитронную пару. Минимальная энергия фотона, необходимая для образования пары, соответствует удвоенной массе электрона, т. е. 1,02 МэВ. Если энергия фотона превышает это значение, избыточная энергия преобразуется в кинетическую энергию электрона и позитрона. [c.338] Фотоны с энергией ниже 5 эВ не могут взаимодействовать с веществом таким образом, как это описано выше. Значение энергии этих фотонов, как правило, не превышает энергии связи электронов в атомах. Однако фотоны низких энергий могут вызывать атомные или молекулярные возбуждения. При этом происходит полное поглощение энергии фотона атомом или молекулой, которые переходят в возбужденное состояние. Возбужденные атомы или молекулы, возвращаясь в основное состояние, излучают один или более фотонов, которые в свою очередь могут точно таким же путем поглощаться соседними атомами или молекулами. В конечном счете энергия первичного фотона преобразуется в тепловые колебания частиц вещества, поглощающего излучение. Энергия микроволнового излучения недостаточна для ионизации вещества. Воздействуя на биологическую ткань, оно способно только вызывать ее нагрев. Хотя высказывалось много соображений относительно других видов воздействия микроволнового излучения на живую ткань, ни одно из них не получило убедительного экспериментального подтверждения (в том числе и эффекты, связанные с низкими уровнями облучения). [c.338] Из рассмотрения процессов воздействия различных типов излучений высокой энергии на вещество, можно сделать общий вывод о том, что это воздействие сводится в конечном счете к образованию быстрых заряженных частиц, электронов или положительных ионов, т. е. к ионизации вещества. Радиационные повреждения в первую очередь вызываются именно этими вторичными заряженными частицами, поскольку они взаимодействуют с большим числом атомов, чем частицы первичного излучения. Как можно убедиться из приведенного ниже примера, процессы ионизации вещества имеют очень короткую временную шкалу. [c.338] Используем уравнения для равномерно ускоренного движения. [c.338] Этот промежуток времени настолько мал, что всеми другими явлениями, например химическими реакциями и т. п., протекающими в данной системе, можно пренебречь. Поэтому радиационное воздействие отдельной частицы можно представить как чрезвычайно короткий временной импульс. [c.339] Вернуться к основной статье