Глава 1. Физические основы радиационной медицины

Природные радионуклиды связаны между собой генетическим родством, образуя ряд семейств, возглавляемых ядрами-прародителями. Наиболее важны из них атомы ²³⁸U , ²³²Th и ²³⁵U , называвшегося ранее актиноураном (поэтому его семейство часто называют семейством актиния). Конечными продуктами многоступенчатых превращений ядер атомов этих семейств после ряда α- и β-распадов (и образования промежуточных нестойких ядер) оказываются изотопы свинца с массой 206, 207 и 208 соответственно.

Существуют четыре вида радиоактивного распада: α-распад, β-распад (в том числе электронный захват), спонтанное деление тяжелых ядер и протонная радиоактивность. Основными являются первые два вида распада, при которых испускаются, соответственно, α- и β-частицы (электроны или позитроны). Радиоактивный распад часто сопровождается возникновением квантов γ-излучения, которое представляет собой поток фотонов (квантов электромагнитного излучения) с очень малой длиной волны (менее 10^–10 м).

1.2. Виды ионизирующих излучений, их характеристики и взаимодействие с веществом

Ионизирующие излучения – это излучения, вызывающие при взаимодействии с веществом ионизацию и возбуждение его атомов и молекул. Важной особенностью большинства видов ионизирующих излучений является их высокая проникающая способность, а отсюда способность взаимодействовать с атомами вещества в глубине объекта. По своей физической природе все ионизирующие излучения подразделяются на электромагнитные и корпускулярные излучения (рис. 3). Фотоны электромагнитного излучения, энергия которых более 17 эВ (длина волны менее 7,3·10^–8 м), способны ионизировать атомы и поэтому их относят к ионизирующим излучениям. Основные характеристики ионизирующих частиц сведены в табл. 1.

Таблица 1. Основные характеристики ионизирующих частиц [13]

Рис. 3. Шкалы электромагнитного излучения [13] (λ – длина волны, f – частота колебаний, Е – энергия фотонов).

К электромагнитным излучениям относятся рентгеновское и γ-излучение, представляющие собой энергию электромагнитного поля, которая распространяется в пространстве со скоростью света. В зависимости от источника образования электромагнитные излучения подразделяются на тормозное, характеристическое и γ-излучение. Тормозное излучение возникает при замедлении в электрическом поле (например окружающем атомные ядра) ускоренных заряженных частиц. Характеристическое излучение обусловлено энергетическими перестройками внутренних электронных оболочек возбужденных атомов, а γ-излучение является продуктом ядерных превращений радиоактивных элементов (радиоизотопов). Совокупность тормозного и характеристического излучений называют рентгеновским излучением (в англоязычной литературе чаще употребляют термин «Х-излучение»). В земных условиях оно всегда имеет искусственное происхождение, в то время как γ-излучение может иметь как искусственное, так и естественное происхождение. Спектры рентгеновых и γ-лучей перекрываются, нет принципиальных различий между ними и по физическим свойствам.

К корпускулярным излучениям относятся электроны и позитроны (βчастицы), протоны (ядра водорода), дейтроны (ядра дейтерия), α-частицы (ядра гелия) и тяжелые ионы (ядра других элементов), не имеющие заряда нейтроны и отрицательно заряженные мезоны, в частности π-мезоны, имеющие значительную перспективу использования в радиационной онкологии. Отличительной особенностью корпускулярного излучения является то, что частицы обладают большим запасом кинетической энергии и способны с высокой скоростью перемещаться в пространстве, вызывая возбуждение и ионизацию атомов.

Более удобно подразделять ионизирующие излучения по особенностям их взаимодействия с веществом. В этом случае различают электрически нейтральные излучения (рентгеновы, γ-лучи и нейтроны) и ускоренные заряженные частицы (все остальные, помимо нейтронов, разновидности корпускулярного излучения). Ускоренные заряженные частицы – это перемещающиеся в пространстве источники электрического поля (поток электронов – β-частиц, протонов, ядер атома гелия – α-частиц и др.). Естественными источниками ускоренных заряженных частиц являются некоторые из природных радиоизотопов. К искусственным источникам относятся искусственные радиоизотопы и ускорители заряженных частиц.

Ионизация и возбуждение атомов вещества является следствием взаимодействия ускоренной заряженной частицы с электронными оболочками этих атомов. Под действием электрического поля ускоренной заряженной частицы происходит возмущение электронных оболочек атомов с переходом в возбужденное или ионизированное состояние. Способность ускоренных заряженных частиц непосредственно взаимодействовать с электронными оболочками атомов позволила определить их как первично или прямо ионизирующие излучения. Рентгеновское и γ-излучение, как и нейтроны, относятся к косвенно ионизирующим излучениям, так как они возбуждают и ионизируют атомы и молекулы не сами, а посредством инициируемых ими ускоренных заряженных частиц (комптоновских электронов, ядер отдачи и т. п.).