Лекція 5 тема: Йонізуюче випромінювання

Рентгенівське випромінювання, його одержання. Спектр, характеристики, первинні механізми взаємодії рентгенівського випромінювання з речовиною. Закон послаблення і захист від рентгенівського випромінювання. Застосування рентгенівського випромінювання в медицині.

Радіоактивність, основні види і властивості. Закон радіоактивного розпаду. Період напіврозпаду. Активність, одиниці активності. Йонізуюче випромінювання, властивості та основні механізми взаємодії з біологічними об’єктами. Захист від йонізуючого випромінювання.

Рентгенівське випромінювання (РВ) – це електромагнітні хвилі з довжиною від 80 нм до 10^-5 нм. В медицині РВ використовують з довжинами хвиль від 10 нм до 5∙10^-3 нм, яким відповідає енергія від 100 еВ до 0,5 МеВ. РВ одержують в спеціальних рентгенівських трубках. Рентгенівська трубка складається з трьох основних частин:

- вакуумного скляного або металевого балона з розрідженням до 10^-7 мм рт.ст. ;

- катоду, як джерела електронів і масивного аноду (антикатоду), який виготовляється з тугоплавких металів з великими порядковими номерами;

- системи охолодження.

Рентгенівська трубка працює при напругах U від 10 до 400 кВ. Вихід електронів з катоду відбувається внаслідок термоелектронної емісії, рух до аноду – завдяки сильному електричному полю. Енергія рентгенівського кванта :

е∙U=h∙с/λ_min; звідки λ_min= h∙с/ е∙U, або λ_min= 12,3/U

Напруга на трубці визначає спектр рентгенівського випромінювання.

Основною характеристикою рентгенівського випромінювання є потік енергії Ф при заданій напрузі, що визначається формулою: Ф =k∙I∙U²∙Z, де k=10^-9 В^-1 – коефіцієнт пропорційності,

Z – порядковий номер атома речовини анода,

І – сила струму в рентгенівській трубці,

U – напруга між електродами.

За способом отримання рентгенівське випромінювання ділять на гальмівне та характеристичне.

Властивостями рентгенівського випромінювання є :

1) поширення прямолінійно (використовується для просвічування, бо тіньове зображення об’єкта подібне до реального об’єкта);

2) не відхиляється ні в електричному, ні в магнітному полях; це свідчить проте, що випромінювання не є потоком заряджених частинок, а електромагнітними хвилями;

3) має велику проникну здатність;

4)зумовлює фотолюмінісценцію деяких речовин (у рентгеноскопії);

5) виявляє фотохімічну дію;

6) зумовлює іонізацію речовин;

7) виявляє біологічну дію.

Під час взаємодії з речовиною рентгенівське випромінювання частково відбивається від поверхні, частково проходить у глиб речовини, де поглинається і розсіюється, а частково проходить крізь неї. Реєстрація і використання рентгенівського випромінювання, а також дія на його на біологічні об’єкти визначаються первинними процесами. Проходячи крізь речовину, фотони рентгенівського випромінювання взаємодіють з електронами її атомів і молекул. Залежно від співвідношення енергії фотона (h∙ν) та енергією іонізації атома можуть відбуватися три основних процеси:

1) когерентне (класичне) розсіювання–взаємодія фотонів з внутрішніми, міцно зв’язаними з ядром електронами, зумовлює зміну напряму руху фотона, при незмінній енергії. Когерентне розсіювання характерне для довгохвильового РВ, що проходить в основному без зміни довжини хвилі, не викликає біологічної дії, однак при створенні системи захисту від дії РВ, враховують можливість зміни напрямку первинного пучка. Цей вид взаємодії має значення при рентгеноструктурному аналізі.

2) фотоефект – якщо енергія фотона приблизно дорівнює енергії іонізації, то внаслідок взаємодії фотон поглинається, і електрон відривається від атома. Дане явище описується рівнянням Ейнштейна:

h∙ν=А+m∙υ²/2.

Якщо енергія фотона менша від енергії іонізації, то атом або молекула переходить у збуджений стан.

У деяких речовин це призводить до наступного випромінювання фотонів у видимій ділянці (рентгенолюмінісценція), а в тканинах організму – до активації молекул і фотохімічних реакцій.

3) некогерентне розсіювання(комптон-ефект) – енергія рентгенівського кванту більша від енергії іонізації атома . в 1922 році А. Х. Комптон (американський фізик) спостерігаючи розсіювання жорстких рентгенівських променів, виявив проникаючу здатність розсіяного пучка в порівнянні з падаючим. Це означає, що довжина хвилі розсіяного рентгенівського випромінювання більша, ніж падаючого.

h∙ν= (h∙ν)′+А_і+m∙υ²/2.

Комптон-ефект проходить на вільних електронах, оскільки h∙ν<<А_і , тому

h∙ν= (h∙ν)′+m∙υ²/2, де Е_к=m∙υ²/2 – кінетична енергія.

Під час проходження рентгенівського випромінювання через речовину внаслідок його взаємодії з електронами атомів, інтенсивність випромінювання зменшується за законом Бугера – Ламберта:

І=І₀е^-µ∙X,

де І – інтенсивність випромінювання після його проходження через шар речовини;

Х – товщина шару речовини;

І₀ – інтенсивність падаючого випромінювання;

µ – лінійний коефіцієнт послаблення.

Лінійний коефіцієнт послаблення залежить від довжини хвилі та природи речовини, тобто її густини.

Тому користуються масовим коефіцієнтом ослаблення, який не залежить від густини речовини:

µ_m=µ/ρ,

де µ=0,693/d, d – товщина шару половинного послаблення. Тоді:

І=І₀е ^{- µm ∙ρ∙X},

Зростання температури зумовлює зменшення лінійного коефіцієнта послаблення

У медицині використовують рентгенівське випромінювання з енергією фотонів:

від 60 до 120 кеВ – для діагностики,

від 150 до 200 кеВ – для терапії.