40. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом. Ионизационные потери. Проникающая способность ионизирующих излучений.

Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом - взаимное влияние ионизирующих излучений и вещества, которое зависит, с одной стороны, от природы излучения, заряда составляющих его частиц и энергии, а с другой, - от состава и плотности облучаемого вещества. Различают три вида взаимодействия электромагнитного излучения с веществом: фотоэлектрический эффект, Комптона эффект и образование пар заряженных частиц (электронно-позитронных пар).

При фотоэлектрическом эффекте энергия падающего кванта полностью поглощается веществом, в результате появляются свободные электроны, обладающие определенной кинетической энергией, величина которой равна энергии кванта излучения за вычетом работы выхода данного электрона из атома. Свободный электрон, ассоциируясь с одним из нейтральных атомов, порождает отрицательный ион. Фотоэффект характерен только для длинноволнового рентгеновского излучения.

С повышением энергии излучения вероятность фотоэффекта уменьшается, и для излучений с энергией, значительно превышающей внутриатомные энергии связи (> 1 МэВ), его вкладом во взаимодействие можно пренебречь. Главную роль при этом начинает играть другой способ размена энергии - эффект Комптона, при котором происходит упругое рассеяние падающих фотонов излучения на свободных (или слабо связанных) электронах, которым передается лишь часть энергии фотонов. Оставшуюся часть энергии уносят новые фотоны, образующиеся в результате этого взаимодействия. В дальнейшем вторичный фотон может вновь претерпевать Комптон-эффект и т.д. Поэтому в отличие от фотоэлектронов энергия электронов отдачи, образующихся при эффекте Комптона, изменяется в широких пределах. Средняя их энергия возрастает с увеличением энергии падающего излучения. Доля энергии, поглощенной комптоновскими электронами, в общем количестве поглощенной энергии увеличивается с ростом жесткости излучения.

Третий вид взаимодействия излучения с веществом характеризуется возможностью превращения γ-кванта большой энергии (> 1 МэВ) в пару заряженных частиц - электрон и позитрон. Этот процесс вызывается взаимодействием γ-кванта с каким-либо атомным ядром, в поле которого и образуется электронно-позитронная пара. Вероятность такого процесса пропорциональна Z и поэтому для тяжелых элементов она больше, чем для легких.

Следовательно, в зависимости от энергии падающего электромагнитного излучения преобладает тот или иной вид его взаимодействия с веществом. В большинстве случаев при облучении биологических объектов энергия используемого электромагнитного излучения находится в диапазоне 0,2-2 МэВ, поэтому наиболее вероятен Комптон эффект.

Механизм передачи энергии в объекте от корпускулярного излучения одинаков. При прохождении через вещество заряженная частица теряет свою энергию, вызывая ионизацию и возбуждение атомов до тех пор, пока общий запас энергии уменьшится настолько, что частица утратит ионизирующую способность. Энергию, переданную заряженной частицей на единице длины ее пробега в веществе, называют линейной передачей энергии (ЛПЭ). За единицу ЛПЭ принимают 1 кэВ/мкм ткани. В зависимости от значения ЛПЭ все ионизирующие излучения делят на редко- и плотноионизирующие. ЛПЭ связана не только с физической природой излучения, но зависит и от скорости полета заряженной частицы.

В отличие от заряженных частиц нейтроны не несут электрического заряда, что позволяет им беспрепятственно проникать вглубь атомов; достигая ядер они либо поглощаются ими, либо рассеиваются на них. При упругом рассеянии нейтронов образуются сильно-ионизирующие протоны.

Атомные ядра при поглощении нейтронов становятся неустойчивыми и, распадаясь, порождают протоны, α-частицы и фотоны γ-излучения, также способные производить ионизацию, т.е. и при нейтронном облучении конечный биологический эффект связан с ионизацией, производимой опосредованно вторичными частицами или фотонами.

Таким образом, все виды ионизирующих излучений сами или опосредованно вызывают либо возбуждение, либо ионизацию атомов или молекул биосистем. Однако при облучении объектов разными видами ионизирующей радиации в разных дозах возникают количественно, а иногда и качественно различные биологические эффекты, что связано с пространственным распределением выделяющейся при взаимодействии энергии в облучаемом микрообъеме, т.е. с ЛПЭ.

ИОНИЗАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ - потери энергии заряженной частицей при прохождении через вещество, связанные с возбуждением и ионизацией его атомов. Удельные И. п. (- dE/dx), где E - кинетич. энергия частицы, называют тормозной способностью вещества. Они определяются как ср. энергия, потерянная частицей на единице длины пути. И. п. являются частью (для частиц тяжелее электрона преобладающей) общих электромагнитных потерь энергии, включающих также радиационные потери, Черенкова - Вавилова излучение и переходное излучение .И. п. складываются из дискретных порций передач энергии атомам среды в отдельных столкновениях.

В зависимости от типа частиц и их энергии сильно различаются длина пробега и проникающая способность ионизирующего излучения — от долей миллиметра в конденсированной среде (альфа-излучение радионуклидов, осколки деления) до многих километров (высокоэнергетические мюоны космических лучей).