Воздействие ионизирующих излучений на вещество и биомолекулы

Особенность действия ионизирующих излучений — их способность проникать в биологические ткани, клетки, субклеточные структуры и повреждать их. Биологическое действие ионизирующих излучений нельзя рассматривать как элементарный акт. В его формировании выделяют несколько следующих друг за другом стадий:

1. физическая стадия, в течение которой происходит поглощение энергии излучения облучаемой средой с возбуждением и ионизацией ее молекул;

2. физико-химическая стадия, заключающаяся в возникновении активных в химическом отношении свободных радикалов, которые взаимодействуют между собой и с органическими молекулами клетки;

3. химическая стадия, на протяжении которой появляются биохимические повреждения биологически важных макромолекул (белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов);

4. биологическая стадия, заключающаяся в формировании повреждений на клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях.

Физическая стадия

Физические механизмы, при посредстве которых частицы вызывают ионизацию атомов, различны и зависят от вида частиц и их энергии.

Альфа-излучение. Обладает высокой ионизирующей способностью. По мере продвижения альфа-частицы в веществе плотность ионизации возрастает в несколько раз, а затем резко падает в конце пробега. Траектории альфа-частиц в веществе прямолинейны, что связано с их большой массой. В зависимости от энергии альфа-частиц длина их пробега в биологической ткани достигает десятков микрометров. Несмотря на небольшую глубину проникновения альфа-частиц в живую ткань, их разрушительное действие весьма значительно из-за высокой линейной плотности ионизации. Эти особенности взаимодействия альфа частиц с веществом используют при лечении опухолей, что позволяет сосредоточить значительную энергию на глубине пораженной ткани при минимальном рассеянии в здоровых тканях.

Бета-излучение представляет собой поток -частиц. Бета-излучение обладает меньшей ионизирующей способностью по сравнению с -излучением. Бета-частица образует несколько десятков пар ионов на микрометр пробега в веществе. Кроме ионизации, за счет торможения электронов в веществе (особенно в веществе, состоящем из атомов с большим порядковым номером), возникает тормозное рентгеновское излучение. Из-за малой массы -частицы при продвижении в веществе отклоняются на большие углы, поэтому траектория их очень извилиста. Проникающая способность -частиц в биологической ткани составляет несколько сантиметров.

Гамма-излучение представляет собой поток -квантов. Его проникающая способность зависит как от энергии -квантов, так и от свойств вещества. В процессе прохождения через вещество -кванты (фотоны) взаимодействуют с электронами атомов, электрическим полем ядра, а также с нейтронами и протонами, входящими в состав ядра. В результате этих взаимодействий происходит ослабление плотности потока излучения благодаря рассеянию -квантов и передачи их энергии атомам среды. По отношению к фотонному излучению говорить о длине свободного пробега неверно, так как, какой бы толщины ни была среда, данное излучение полностью не поглощается, а лишь ослабляется в любое заданное число раз. Ослабление гамма-излучения в веществе происходит за счет различных эффектов взаимодействия: фотоэффекта, эффекта Комптона, эффекта образования пары «электронпозитрон».

При фотоэлектрическом поглощении (фотоэффекте) фотоны (-кванты) полностью передают свою энергию электронам внутренней орбитали атома. При этом фотон поглощается, а его энергия расходуется на отрыв электрона и сообщение ему кинетической энергии. В результате электрон вырывается из поля атома и производит в дальнейшем ионизацию вещества. Место выбитого фотоэлектрона занимает другой электрон с более высокой орбитали, что сопровождается испусканием низкоэнергетического характеристического рентгеновского излучения. Возникновение фотоэффекта наиболее характерно для мягкого -излучения (до 0,5 МэВ).

Суть комптоновского рассеивания (Комптон-эффекта) заключается в том, что фотон (-квант) передает электрону лишь часть своей энергии, а сам меняет направление своего движения. В отличие от фотоэффекта такое рассеивание происходит в основном на электронах внешних оболочек атомов с минимальной энергией связи. Выбитый электрон производит в дальнейшем ионизацию. Вторичный фотон может вновь претерпевать эффект Комптона и т. д. Этот эффект наиболее вероятен при энергии -квантов 0,51,0 МэВ.

Образование пары электрон-позитрон возможно только при значительной энергии -кванта (>1,0 МэВ). Такой квант взаимодействует с атомным ядром и в его поле преобразуется в пару частиц — электрон и позитрон. Эти частицы производят в дальнейшем ионизацию. Позитрон, встречая на своем пути электрон, может соединиться с ним и превратиться в 2 фотона (эффект аннигиляции). Образующиеся фотоны поглощаются средой в результате эффекта Комптона или фотоэффекта.