Взаимодействие фотонов с веществом

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ С ВЕЩЕСТВОМ

Ионизирующие излучения способны вырывать (удалять) электроны из атомов, создавая положительно заряженные ионы, отсюда и термин – ионизирующие излучения. Благодаря ионизации могут быть нарушены химические связи этого иона, а восстановленная новая химическая связь может быть неидентичной существовавшей, что в конечном счете может привести к неправильному функционированию какого-либо биологического процесса.

Экспериментально доказано, что для образования пары ионов в воздухе (т.е. положительно заряженного ионизованного атома + электрона) необходимо затратить в среднем 34 эВ. Вместе с тем для большинства элементов биогенного происхождения потенциал ионизации составляет 10–12 эВ. На возбуждение электронов при создании пары ионов требуется (34 – 12) = 22 эВ.

Ионизирующие излучения – поток квантов электромагнитного излучения высокой энергии и заряженных или нейтральных частиц, прохождение которых через вещество приводит к ионизации и возбуждению его атомов и молекул. Это – электроны, позитроны, протоны и другие заряженные частицы, а также атомные ядра и электромагнитные излучения высокой энергии, способные к ионизации атомов – гамма излучение, рентгеновское излучение, жесткий УФ свет.

Главной задачей биофизики ионизирующих излучений является вскрытие первичных физических закономерностей, приводящих к наблюдаемым биологическим реакциям после действия ионизирующих излучений, на основе которых можно было бы овладеть управлением радиационными реакциями.

Известны два вида электромагнитных ионизирующих излучений – рентгеновское излучение и гамма кванты. Рентгеновские лучи испускаются при торможении электронов в кулоновском поле ядра (непрерывный спектр) и при обратных переходах возбужденных электронов на внутренние оболочки атомов (линейчатый спектр). Линейчатый спектр называют характеристическим излучением, характерное для вещества анода. Энергии связи электронов с внутренних оболочек велики (K-, L-, M-линии). Интенсивность выхода рентгеновского излучения тем больше, чем больше Z анода. При бомбардировке анода электронами только 0,2% их кинетической энергии испускается в виде квантов рентгеновского излучения, остальная энергия рассеивается в виде тепла. Поэтому нельзя использовать уран или трансурановые элементы, у них низкая температура плавления. Используют золото и вольфрам. На следующем рисунке справа рисунке здесь же приведены спектры рентгеновского излучения. Характерная особенность – резкое снижение кривых слева, обусловлено максимальной энергией. Совершенно неверное обозначение энергий на рисунке слева. И это – опубликовано!

Гамма излучение возникает во время перехода ядра из возбужденного состояния, возникающего, например при β-распаде, в более стабильное состояние. Это означает, что рентгеновское излучение возникает вне ядра, а гамма кванты – внутри ядра. Поскольку γ-кванты излучаются при дискретных переходах в ядре, γ-спектры являются линейчатыми, без постоянного фона, как в случае рентгеновского излучения

Известны три типа взаимодействия рентгеновского и гамма излучений с веществом: фотоэлектрический эффект, комптоновское рассеяние и образование пар.

Фотоэлектрический эффект – основной вид поглощения фотонов низкой энергии (< 25 кэВ). Этот процесс сходен с процессом образования характеристических рентгеновских лучей. При этих переходах выполняется закон сохранения энергии. Ниже этот процесс изображен для вольфрама.

В результате вместо одного фотона (75 кэВ) испускаются дополнительно 2 фотона (58,5 и 8,7 кэВ) и электрон с энергией 5,5 кэВ. Фотон 58,5 кэВ испускается при переходе электрона с L-оболочки (Есв = 11 кэВ) на K-оболочку (Есв = 69,5 кэВ) – (69,5 – 11) = 58,5 кэВ. Фотон 5,5 кэВ испускается при переходе электрона с M-оболочки (Есв = 2,3 кэВ) на L-оболочку (Есв = 11 кэВ) – (11 – 2,3) = 8,7 кэВ. Образующееся при фотоэффекте электромагнитное излучение может выбивать электроны с внутренних оболочек. Такие электроны называются Оже электронами. Вероятность фотоэффекта пропорциональна Z⁴ или Z⁵.

Однако вольфрама в биологических тканях нет. Наиболее распространенным элементом с большим Z является углерод. Здесь K-оболочка имеет низкую энергию связи (Е_св = 0,3 кэВ). Если падающий электрон имеет энергию 75 кэВ, то выбиваемый фотоэлектрон имеет энергию (75 – 0,3) = 74,7 кэВ, т.е. почти вся энергия фотона передается электрону. Фотон, излученный при заполнении вакансии на К-оболочке, имеет энергию всего 0,3 кэВ. Он немедленно поглощается, поэтому основное количество энергии уходит на фотоэлектрон, который и вызывает дальше ионизации и возбуждения.

Фотоэффект характерен только для длинноволнового рентгеновского излучения (малая энергия) и γ-квантов низкой энергии. Его вероятность зависит от атомного номера и пропорциональна Z⁴ или даже Z⁵. С повышением энергии излучения вероятность фотоэффекта уменьшается, и для излучений с энергией, значительно превышающей внутриатомные энергии связи (более 0,1–1,0 МэВ) его вкладом во взаимодействие можно пренебречь

Комптоновское рассеяние. При энергии свободных электронов выше 25–40 кэВ имеет место комптоновское рассеяние. При комптоновском рассеянии фотон взаимодействует с внешними электронами атома, имеющими малую энергию связи, поэтому они могут рассматриваться как свободные. Взаимодействие представляет собой неупругое столкновение (рисунок ниже поясняет этот процесс). При столкновении не происходит потери энергии, поэтому hν₁ = hν₂ + E₁.

Рассеянный фотон характеризуется меньшей частотой (большей длины волны) и меньшей энергией. В отличие от фотоэлектронов, энергия комптоновского электрона изменяется в широких пределах от 0 до некоторого максимального значения. Комптоновский эффект пропорционален Z вещества. Изменение частоты рассеянного фотона зависит не от частоты падающего фотона, а только от угла рассеяния θ. Поэтому в отличие от фотоэлектронов, энергия комптоновского электрона изменяется в широких пределах от 0 до некоторого максимального значения. Доля энергии, поглощенной комптоновскими электронами, в общем количестве поглощенной энергии увеличивается с энергией излучения.

Образование пар. Масса покоя электрона равна 0,51 МэВ, и при энергии фотонов, превышающей 1,02 МэВ, происходит образование пар (электрон и позитрон), – процесс, который является яркой иллюстрацией принципа эквивалентности массы и энергии Эйештейна (E =mc²). В сильном электрическом поле вокруг ядра фотон исчезает, превращаясь в электрон и позитрон. Энергия падающего фотона распределяется между частицами так, что hν = 1,02 МэВ + Е электорна + Е позитрона. Вероятность такого процесса пропорциональна Z² вещества и поэтому для тяжелых элементов она больше, чем для лёгких.. Позитрон, окруженный в ткани большим количеством электронов, имеет большую вероятность аннигиляции. Поэтому после того, как его движение замедлится в результате взаимодействий, сходных с теми, которые испытывают электроны, он сталкивается с электронами поглотителя и аннигилирует. Аннигиляция представляет собой обратное превращение массы в энергию, при этом излучаются два фотона с энергией 0,51эВ под углом 180º друг к другу, которые называют аннигиляционным излучением.

Процентное соотношение различных процессов взаимодействия γ-квантов

Энергия hν	Фотоэффект	Комптоновский эффект	Образование пар
10 кэВ 20 кэВ 40 кэВ 200 кэВ 400 кэВ 1 МэВ 10 МэВ 100 МэВ

Относительная вероятность поглощения фотонов в зависимости от их энергии: 1 – фотоэффект, 2 – комптон эффект, 3 – рождение пар

Ионизирующее электромагнитное излучение обладает большой проникающей способностью. Поглощение пучка моноэнергетических фотонов в веществе описывает зависимость

I(x) + I_oe^-μx,

где в показателе у экспоненты μ называют линейным коэффициентом поглощения γ-излучения. Этот показатель характеризует поглощающую способность вещества. Чем меньше линейный коэффициент поглощения, тем слабее поглощение и тем больше проникающая способность электромагнитного излучения.

Дата добавления: 2014-01-07