Радиобиология как наука и направления ее развития

Бета распад – радиоактивное превращение нестабильных атомных ядер. Различают электронный β-отрицательный распад и позитронный β-положительный распад. Бета отрицательный распад состоит в выбрасывании из ядра электрона, который образуется вследствие превращения нейтрона в протон (с выделением электрона и антинейтрино). Этот вид бета-отрицательного превращения происходит с периодом полураспада, приблизительно равным 15 минутам. Во время этого распада образуется ядро нового элемента, который является следующим в таблице Менделеева, поскольку в ядре на один протон становится больше. Бета положительный распад состоит в выбрасывании из ядра позитрона, который возникает впоследствии превращения протона на нейтрон (с выделением электрона и γ-фотона). Соответственно в дочернем ядре становится протонов на единицу меньше и поэтому дочернее ядро уже принадлежит атому элемента, который предшествует таблице Менделеева тому, который радиоактивно распался. β-частицы в электрических и магнитных полях отклоняются сильнее чем α-частицы, поскольку они сильно рассеиваются веществом, их ионизирующая способность где-то в сотни раз меньше чем у α-частицы и поэтому пробег больше. Так в газовых составляющих десятки метров, в металлах - несколько мм,  в биологических тканях до 15 мм. Для защиты от β-частиц используют металлические либо пластиковые экраны.

К-захват – тип радиоактивного превращения ядра, который состоит в превращении ядром электрона с ближайшей электронной К-оболочки, в результате этого один из протонов превращается в нейтрон и при этом испускается нейтрино. В результате возникает ядро атомов элемента, который в таблице Менделеева предшествует тому, который преобразовался по данному типу. С внутренней электронной оболочки соответствующая орбиталь образует вакансию, в которой заполняется другими электронами оболочки атома. В связи с этим атом излучает рентгеновские лучи, которые возникают в следствии этих электронных переходов. По типу К-захвата преобразуются атомы ⁴⁰К.

Передача энергии  фотонов атомам и молекулам вещества

Ионизация и возбуждение  электронов в атомах и молекулах  связанна с взаимодействием электромагнитного  волнового излучения с веществом. При этом процесс передачи энергии  электромагнитного излучения (рентгеновских лучей и гамма излучения) осуществляется тремя механизмами, а именно фотоэлектрический эффект, Комптон-эффект, образование пары альфа частиц электрон-позитрон.

Фотоэффектом называют вырывание электронов из вещества под действием света, этот механизм состоит в том, что квант излучения полностью передает энергию атому, которой достаточно для того, чтобы атом испустил электрон. Электроны возникающие вследствие фотоэффекта называются фотоэлектронами, они могут изыматься не только с глубоких но и из внешних орбиталей атома. Свободные электроны не подвергаются фотоэффекту. По аналогии с  механическим процессом упругого соизмерения тел, фотоэффект еще называют также упругим столкновением. Энергия фотона, как правило, передается электронам наиболее близким к ядру.

Эффект Комптона можно рассматривать как результат упругого столкновения - соударения кванта излучения с электроном. При этом квант отдает электрону не всю энергию, а лишь часть её, причем сам он продолжает движение уже в качестве рассеянного фотона. Происходит так же образование Комптон-электрона, который приобретает не всю энергию первичного кванта. Эффект Комптона еще называют эффект неупругого столкновения.

Образование пары античастиц электрон-позитрон Взаимодействие гамма-фотонов с электрическим (кулоновским) полем приводит к образованию пары частиц е⁺ и е^-, а квант приближаясь к полю ядра аннигилирует. Для образования пары частиц электрон-позитрон, необходимы излучения, энергия которых превышает 1,022 МэВ. С увеличением энергии гамма фотонов вероятность образования пары античастиц возрастает.  Электрон может взаимодействовать с позитроном в результате чего образуется гамма фотон с энергией 1,022 МэВ. Это явление называется аннигиляцией частиц. Следует так же сказать, что свободные электрон и позитрон могут также образовывать связанную систему из электрона и позитрона, которая подобна атому водорода, но в ядре атома протон заменен на позитрон.  Такую структуру называют позитронием е^-+е⁺=Ps. Вероятность передачи энергии данными механизмами представлена на рисунке.

Рис.1 Вероятностное распределение механизмов передачи энергии, где линия 1)фотоэффект; 2)Комптон-эффект; 3)рождение пары электрон -позитрон

Из приведенной зависимости  следует, что при энергии фотона от 0,1 до 100 МэВ эффект Комптона является основным процессом поглощения γ-квантов в веществе. С ростом же энергии гамма квантов вероятность этого эффекта убывает. Рассмотрим взаимодействие частиц высокой энергии с веществом. Во время прохождения заряженных частиц через слой вещества их поток ослабляется и такая закономерность описывается следующим выражением :

I=I₀*e^-μх

I₀ – интенсивность падающего на вещество потока частиц.

I – интенсивность потока частиц после его прохождения  через слой вещества толщиной Х

μ – коэффициент поглощения - вероятность столкновения частиц с атомами среды.

Эту вероятность столкновения частиц характеризуют полным микроскопическим эффективным поперечным сечением σ. Если обозначить через N число атомов в единице объема поглощающей среды, то коэффициент поглощеня будет равен μ_s=σ*N.

Упругое рассеивание, неупругое рассеивание, ядерные  реакции

Различают следующие  механизмы:

- упругое рассеивание

- неупругое рассеивание

- ядерная реакция

Упругое рассеивание заряженных частиц состоит во взаимодейтсвии их с положительно заряженными ядрами атомов по закону Кулона. В результате этого взаимодействия частица может изменять направление своего дальнейшего движения относительно первоначального, однако она не теряет при этом запаса своей кинетической энергии. Значение эффективного поперечного сечения μ_s+ такого упругого рассеивания возрастает при увеличении заряда частицы и уменьшается при больших энергиях.

 Неупругое рассеивание заряженных частиц состоит во взаимодействии их с электромагнитным полем атомов, когда частица теряет энергию на выбивание электронов из атомных электронных оболочек. Это сопровождается ионизацией, когда электрон полностью отрывается от атома и движется в бесконечность или же это сопровождается возбуждением, в результате чего электрон переводится на более отдаленную от ядра атома электронную оболочку. Следует отметить, что перемещающуюся в пространстве заряженную частицу можно рассматривать как перемещающийся источник электромагнитного поля, при взаимодействии этого поля с полем орбитального электрона атома. Этот электрон приобретает энергию, причем если заряженная частица пролетает близко от орбитального электрона, то переносимой энергии достаточно для ионизации (отрыва электрона). Если же заряженная частица значительно удалена от электронных оболочек атома, то электрон переходит на более удаленную энергетическую орбиталь. Взаимодействие нейтронов (незаряженных частиц) с веществом осуществляется двумя механизмами:

1. Упругого столкновения нейтронов c ядрами атомов вещества
2. Путем ядерных реакций при участии нейтронов.

1)Механизм упругого  столкновения состоит в том,  что быстрый по скорости нейтрон  передает всю свою энергию  атомным ядрам, с которыми он  сталкивается. В ядрах любых элементов  после такого упругого столкновения  возрастает кинетическая энергия,  и они также сами осуществляют ионизацию и возбуждение других атомов и молекул. Такие ядра с повышенной кинетической энергией называют ядрами отдачи. В биологических объектах ядра отдачи образуются из ядер водорода, углерода, азота и кислорода.

2)Второй механизм состоит  в участии промежуточных по скорости нейтронов в ядерных реакциях, которые сопровождаются излучением гамма-фотонов или заряженных частиц. При их соударении часть энергии идет на возбуждение ядра, при этом возбужденное ядро переходит в основное состояние с испускание гамма квантов. Они испытывают дальнейшую ионизацию.

Очень важной характеристикой поглощения заряженных частиц в веществе является их средний массовый пробег в среде. Он определятся толщиной слоя вещества в котором излучение полностью  поглощается. Значение R обратно пропорционально вязкости среды, атомному номеру элемента поглотителя, а также квантовому заряду частицы излучения. Следует также сказать, что пробег гамма-фотонов значительно больший, чем корпускулярного излучения, потому что вероятность взаимодействия с молекулами и атомами вещества намного ниже, чем у заряженных частиц. По мере проникновения заряженных частиц вглубь вещества возрастает количество взаимодействий с атомами и молекулами этого вещества. При этом скорость частиц уменьшается и соответственно повышается вероятность новых взаимодействий, и частота ионизаций увеличивается. Это выражается в том, что при определенных скоростях пробега частицы (R), удельная ионизация (число ионизаций приходящихся на единицу длины пробега) возрастает и достигает максимума, а дальше довольно быстро уменьшается до нуля (кривая Брега).

Такую зависимость удельной ионизации от глубины проникновения  заряженных частиц используют, когда  желательно локализовать облучение  повышенной дозы в определенной зоне облучаемого объекта.

Трек ионизирующего  излучения и его структура

При исследовании излучений  в веществе важным является изучение структуры треков (следы которые  оставляют ионы). Их оставляют заряженные частицы в веществе, однако фотоны высоких энергий сами непосредственно не формируют ионных треков. Но в результате столкновения фотонов с атомами вещества возникают заряженные частицы – электроны высоких энергий (дельта – электроны), они приводят к формированию трека в слое вещества. вследствие фотоэлектрического эффекта или комптон-эффекта. Электроны, которые освобождаются от связи с атомом, могут иметь настолько значительную энергию, что способны ионизировать молекулы и атомы вещества. Такие электроны относятся к вторичным, и разделяют на две группы:

1. Электроны, энергия которых не превышает одного кэВ.
2. Электроны, у которых энергия превышает 1 КэВ.

Такой энергии больше одного КэВ достаточно, чтобы формировать  собственный трек. Вдоль траектории движения заряженной частицы или  гамма излучения в веществе происходит их взаимодействие  с молекулами и атомами этого вещества. В результате этого возникает возбужденное или ионизированное состояние атома или молекул в объеме вещества, которое окружает траекторию этого движения. Этот объем вещества и называют ионным треком. Вдоль трека плотность ионизации изменяется, радиус трека зависит от природы излучения и вещества поглотителя, в которых формируется трек. Визуально треки наблюдают в камерах Вильсона, в которых следы движения становятся видимыми в результате конденсации  пересыщенного па

ра на ионизированных молекулах. Следует сказать, что  для заряженной частицы, масса которой  превышает массу электрона, а  также для тяжелых частиц, таких  как протоны, альфа-частицы треки  прямолинейны. Если при взаимодействии квантов или заряженных частиц происходит рассеяние, то трек может иметь вид ломанной линии. Начальный эффект отложения энергии в треке состоит в создании облака коллективно возбужденных электронов. Трек тяжелой заряженной частицы имеет форму прямолинейного стержня с высокой плотностью ионизации, а от него уже отходят треки с меньшей плотностью ионизации (дельта-электроны).

Физические  параметры радиобиологических процессов

1)Параметры характеризующие  ионизирующие излучения

2)Дозные величины и  единицы измерения доз.

3)Основные методы дозиметрии

4)Величины характеризующие  передачу энергии ионизирующего  излучения биологическим объектам  и способы передачи.

Облучение объекта достигается  тем, что его помещают в пространство, где действуют ионизирующие излучения (поток радиации). Это пространство называют полем ионизирующего излучения. Для его характеристики необходимо знать следующее:1) число заряженных частиц или нейтронов, а также гамма-фотонов, которые пересекают границу пространства;2) значение энергии, которое поступает в элемент поля 3)направление движения частиц или же протонов. Перечисленные величины характеризуют потоки ионизирующего излучения, поскольку поле излучения создается в определенной среде, в которой могут быть воздух, вода или ткани организма, то в нем происходит взаимодействие излучения с атомами и молекулами данной среды. В результате этого могут изменяться начальное направление движения частиц и фотонов. Для характеристики поля излучения ограничиваются значениями распределения энергии излучения и её потоков в элементарных объемах поля излучения.  Для исследования действий ионизирующего излучения необходима точная спецификация пространства, в котором регистрируются излучения. Эту спецификацию определяют методами радиометрии. К основным главным радиометрическим параметрам относятся следующие:

1) N-число частиц излученных, поглощенных измеряемым объектом, ед.

2) E – Энергия ионизирующего излучения (без учета поглощенных, Дж)

3) J_p=dN/dt - Поток ионизирующих частиц (число ионизирующих частиц, которые проходят через данную поверхность за интервал времени dt к этому интервалу с^-1)

4) J_r Поток ионизирующего излучения – отношение энергии ионизирующего излучения, которая проходит через данную поверхность за интервал времени dt к этому интервалу Jr=dE/dt, Вт