Заряженные частицы, распространяясь в веществе, взаимодействуют с электронами и ядрами, в результате чего изменяется состояние как вещества, так и частиц.Основным механизмом потерь энергии заряженной частицы при прохождении через вещество является ионизационное торможение. Кинетическая энергия расходуется на возбуждение и ионизацию атомов среды.
1. Первичное взаимодействие. Заряженные частицы, попадающие в вещество, взаимодействуют с атомами среды. Заряженные частицы имеют очень высокую энергию, ионизируют атом. Как правило, эта частица продолжает свой путь, в результате чего появляются вторичные ионизирующие частицы. Такие процессы могут происходить многократно.
2. Вторичное взаимодействие. Это цепочка взаимодействий, обусловленных взаимодействием первичных продуктов реакции. Вторичными процессами могут быть увеличение скорости молекулярно – теплового движения частиц вещества, характеристическое рентгеновское излучение, радиолюминисценция, химические процессы.
Далее, продукты теряют энергию и превращаются в неонизирующие атомы, приобретают энергию, соответствующую энергии теплового движения. В результате получается среда, насыщенная положительно и отрицательно заряженными ионами и возбужденными частицами.
Частица, которая инициировала эти процессы, может осуществить такое взаимодействие несколько раз. В веществе образуютсы следы – трек-частицы.
3. Цитотоксичные продукты вторичных реакций начинают взаимодействовать со средой. В неживой среде разрушаются кристаллические решетки металлов. В живой среде они взаимодействуют с клетками, приводят к разрушению мембран, повреждению, нарушению хода биохимических реакций. На втором и третьем этапах могут разрушаться ДНК и РНК.
4. Отдаленные последствия – несколько дней, недель, месяцев, лет. Повреждение генетического набора сказывается на следующих поколениях.
Цитотоксические процессы подавляются антиоксидантной системой организма (ферменты, витамины). Если защита не справляется, то возможноразвитие лучевой болезни как специфической реакции организма на высокую дозу излучения.
Избыточная доза получается при превышении нормального радиационного фона (мощность поглощенной дозы). Коэффициент качества альфа-частиц= 20, рентгеновского излучения – 1.
Альфа-частицы могут взаимодействовать с ядрами, при этом возможны ядерные реакции, а также рассеяние альфа-частиц. При торможении электронов бета-частиц возникает тормозное рентгеновское излучение.
8. Взаимодействие рентгеновского и гамма –излучения с веществом. Характеристики фотоэффекта, комптоновского рассеяния и рождения пар. Коэффициент ослабления рентгеновского и гамма-излучения, зависимость от энергии излучения.
Рентгеновское и гамма-излучение – нейтральные ионизирующие излучения. В зависимости от соотношения энергии фотона и энергии ионизации взаимодействуют с веществом:
1. Упругое рассеяние – рассеяние длинноволнового рентгеновсого излучения. В этом случае энергия фотона меньше энергии ионизации. Фотон не меняет свою энергию, только отклоняется от своего пути. Атом также не меняет своего состояния. Фотон выходит из пучка, происходит ослабление. Такое рассеяние само по себе не вызывает биологического действия.
2. Комптоновское рассеяние – рассеяние на одной из внешних оболочек атома. Энергия фотона больше энергии ионизации. При взаимодействии с атомом энергия фотона расходуется на образование нового фотона рентгеновского излучения, на отрыв электрона от атома и сообщение электрону кинетической энергии. Происходит ионизация.
3. Фотоэффект. Излучение поглощается атомом, в результате чего вылетают электроны из глубоких оболочек атома. Атом превращается в положительно заряженный ион. Если энергия фотона недостаточна для ионизации, то фотоэффект может проявляться в возбуждении атомов без вылета электронов.
4. Рождение пар. Фотон взпимодействует с ядром атома, при этом происходит конверсия (превращение)фотона в свободный электрон и позитрон. Атом не меняется. Происходит поглощение фотона.
В результате многих процессов первичный пучок излучения ослабляется.
I = I 0 e (-mx), m –коэффициент ослабления
m = m(упр) + m(компт) + m(фотона) + m(рожд. пар)
Поток рентгеновского излучения ослабляется пропорционально числу атомов вещества, через которе этот поток проходит. Линейный коэффициент ослабления зависит от плотности вещества, определяется отомным номером среды. В мягких тканях атомный номер среды не велик, в костной ткани намного больше.
Длина волны обратно пропорциональна энергии, следовательно, с ростом энергии падает длина волны и резко падает коэффициент ослабления.