4. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом.

В связи с общим характером первичного действия на вещество α-, β- и γ-излучение, жёсткое рентгеновское излучение, а также потоки протонов и нейтронов объединяются под общим названием ионизирующего излучения. Заряженные частицы и γ-фотоны, распространяясь в веществе, взаимодействуют с электронами и ядрами, в результате чего изменяется состояние, как вещества, так и частиц.

К основным свойствам радиоактивных излучений относятся ионизирующая и проникающая способности.

Ионизирующая способность излучения оценивается линейной плотностью ионизации – , где dn – число ионов одного знака, образованных частицей на элементарном пути dl. На практике эта величина оценивается количеством пар ионов, образованных частицей на 1 см пробега.

Ионизирующая способность оценивается так же линейной тормозной способностью вещества – , где dE – энергия, теряемая заряженной ионизирующей частицей при прохождении элементарного пути dl в веществе. Так как для ионизации одной молекулы требуется энергия 34 эВ, то значение S можно рассчитать, зная линейную плотность ионизации.

Проникающая способность излучения оценивается длиной свободного пробега или средним линейным пробегом – R. Это среднее расстояние, которое проходит частица в веществе, пока она способна ионизировать. Чем больше заряд и масса частицы, тем больше её способность ионизировать вещество и тем меньше её средний пробег. Средний линейный пробег α-частицы в живом организме – 10-100 мкм; β-частицы – 10-15 мм; γ-излучение проникает на большую глубину или пронизывает тело человека насквозь. Свойства ионизирующих частиц приведены в таблице 1.

ТАБЛИЦА 1

Вид излучения	Средняя энергия, МэВ	Линейная плотность ионизации – i, пар/см	Средний линейный пробег – R, м
			в воздухе	в веществе
α	4 – 8,8	3·104	(2 – 8)·10-2	—
β	0,01 – 10	50 – 250	10	1,5·10-2
γ	0,2 – 3	300	300	около 1

Выбитые при ионизации электроны могут выбивать вторичные электроны, обладающие энергией, достаточной для последующей ионизации вещества. Эти вторичные процессы могут вызывать характеристическое рентгеновское излучение, радиолюминисценцию, химические процессы.

γ-фотоны, вызывая незначительную первичную ионизацию, порождают вторичную, в результате которой полный ионизационный эффект может быть весьма значительным.

Вследствие различных ионизирующих и проникающих способностей радиоактивных излучений способы защиты от них различны: для защиты от α-частиц достаточно слоя бумаги, одежды; от β-излучения можно защититься сантиметровым слоем дерева, стекла или любого лёгкого металла; для защиты от γ-излучения применяются толстые (до метра) слои воды, бетона, кирпичные стены, а также пластины свинца толщиной до 10 см.

Кроме ионизации частицы способны вызывать и другие процессы.

α-частицы могут взаимодействовать с ядрами, вызывая ядерные реакции, хотя этот процесс более редкий, чем ионизация.

β-частицы при торможении могут создавать тормозное рентгеновское излучение.

При попадании позитрона в вещество с большой вероятностью происходит такое его взаимодействие с электроном, после которого возникают два γ-фотона, которые имеют энергию не менее энергии покоя электрона – 0,51 МэВ (реакция аннигиляции): .

Для α- и β-частиц возможны процессы рассеяния, в результате чего их путь в веществе сильно искривляется.

При попадании γ-излучения в вещество наряду с процессами, характерными для рентгеновского излучения (когерентное рассеяние, эффект Комптона, фотоэффект), возможны и другие процессы.

При взаимодействии γ-фотонов большой энергии с атомными ядрами возможна фотоядерная реакция. Для её возникновения энергия γ-фотона должна быть не меньше энергии связи, приходящейся на нуклон.

При энергии γ-фотона более 1,2 МэВ (не меньше суммарной энергии покоя электрона и позитрона) возможна реакция рождения пары электрон-позитрон: .

Ослабление потока γ-излучения в веществе описывается законом , где μ – линейный коэффициент поглощения, который можно представить как сумму соответствующих коэффициентов поглощения, учитывающих три процесса взаимодействия – фотоэффект (μ_Ф), комптон-эффект или некогерентное рассеяние (μ_НК) и образование пар электрон-позитрон (μ_П): μ = μ_Ф + μ_НК + μ_П.

При действии на вещество потока нейтронов могут происходить: упругое соударение с ядром и вторичная ионизация, неупругое соударение с ядром с испусканием γ-кванта, захват нейтрона ядром с образованием радиоактивного изотопа. Последний эффект может быть причиной образования в организме радиоактивных изотопов: ; ; и ряда других реакций.

Следует отметить взаимодействие радиоактивных излучений с водой, при котором происходит химическое превращение, называемое радиолизом воды. В результате такого взаимодействия возможно образование возбуждённых молекул (H₂O^*), ионов (H₂O⁺), радикалов (например, , ), перекиси водорода (H₂O₂). Эти высокоактивные в химическом отношении соединения могут взаимодействовать с другими молекулами биохимической системы, что приведёт к нарушению нормального функционирования мембран, клеток и органов.