Курс взаємодії речовини іонізуючого випромінювання Радіоактивність Викладання досліджень біохімія
I. Легко заряджені частинки: електрони (негатони - позитрони)
1. Іонізація та збудження
2. Гальмівне випромінювання
3. Особливий випадок позитронів
II. Важкі заряджені частинки: α-частинки
III. Лінійний перенос енергії: T.L.E.
IV. Траєкторія і хід заряджених частинок у речовині
1. β-частинки-
2. α-частинки
3. Висновок про шлях заряджених частинок
B. X та γ електромагнітне випромінювання
I. 3 основні ефекти
1. Фотоефект
2. Ефект Комптона або дифузія
3. Виробництво пар
4. Область переваги кожного з цих ефектів
II. Послаблення електромагнітного випромінювання
1. Закон загасання
2. Напівзатухаючий шар
3. Зведена таблиця
А. Заряджені частинки.
I. Легко заряджені частинки: електрони (негатони або позитрони)
| походять від β-, β + викидів радіоактивних ядер | походять від іонізації або збудження ядер-мішеней |
| - це електрони, приведені в рух прискорювачем частинок | походять від взаємодії X або γ-фотонів з речовиною |
1. Іонізація та збудження
Електрони взаємодіють переважно з електронами атомів, що складають середовище, що перетинається.
Якщо енергія, що передається падаючим електроном, більша за енергію зв’язку (E> 30 еВ) електрона атома-мішені, він витісняється з процесії і відбувається іонізація атома. Відповідні атомні електрони - це сильно зв’язані електрони оболонки К .
Якщо енергія, що передається падаючим електроном, точно дорівнює різниці між енергіями зв’язку 2 електронних шарів атома-мішені, електрон цього атома стрибає на менш зв’язаний шар і відбувається збудження. Відповідні атомні електрони - це слабо зв’язані електрони зовнішніх шарів.
Іонізації та збудження є джерелом радіоіндукованих біологічних уражень .
2. Гальмівне випромінювання
Рідше електрони взаємодіють з ядрами атомів, що складають середовище, що перетинається.
Падаючий електрон відхиляється в кулонівському полі атома-мішені, і ця зміна траєкторії супроводжується випромінюванням рентгенівського випромінювання, званого гальмівним випромінюванням. Це явище стосується лише електронів дуже високих енергій (кілька МеВ), які також проходять через середовище, складене з важких атомів, тобто щільне середовище.
Приклад: для радіонуклеїду, що випромінює лише β - як 32 15P (Eβ - Max = 1,7 МеВ), свинцеві екрани повинні бути заборонені для захисту від них.
Оскільки свинець надзвичайно щільний, гальмівне випромінювання збільшується. Навпаки, необхідно використовувати легкий матеріал, такий як оргскло.
3. Особливий випадок позитронів
Коли падаючий позитрон перебуває в стані спокою, тобто, коли він втрачає всю свою початкову енергію, він асоціюється з негатоном, і ці 2 частинки дематеріалізуються. Це називається знищенням .
Однак закони збереження енергії показують, що це явище анігіляції призводить до того, що 2 гамма-промені (2 γ-фотони) випромінюються в протилежних напрямках і кожен з енергією 511 кэВ.
Енергія, еквівалентна масі спокою електрона, становить: Еелектрон = m. c 2
Маса електрона = 0,9 10 -27 г = 0,9 10 -30 кг і c = 3 10 8 м.с -1
отже: Електрон = 8,1 10 -14 Дж = 511 кев (оскільки: 1 еВ = 1,6 10 -19 Дж)
Оскільки оригінальний електрон - негатон, а інший - позитрон, ми випромінюємо 2 випромінювання енергії 511 кэВ.
У деяких книгах зустрічається, що анігіляція породжує лише один гамма-фотон .
II. Важкі заряджені частинки: α-частинки
Вони в основному взаємодіють з електронами атомів-мішеней, викликаючи іонізацію або збудження (електрони, що рухаються, називаються δ променями).
Взаємодія з ядрами є вторинною.
Α частинки мають масу в 4 рази в 1800 разів більшу, ніж маса електронів. В результаті, будучи набагато важчими, вони не піддаються гальмівному випромінюванню.
III. Лінійний перенос енергії (T.L.E.)
Яким би не був механізм взаємодії між падаючими електронами та речовиною, відбувається передача енергії від електрона до речовини, і електрон сповільнюється. Досвід показує, що передача енергії з низьким рівнем енергії є дуже сприятливою. Тому падаючий електрон повинен пройти дуже велику кількість взаємодій перед тим, як зупинитися.
Це прогресивне та безперервне уповільнення характеризується величиною, яка називається лінійним передаванням енергії або T.L.E.: T.L.E. = dE/dx
що перекладає середню енергію, передану частині (dE) на середовище на одиницю довжини пройденого шляху (концепція, розроблена разом з концепцією шляху).
Це визначення вказує на те, що чим більше T.L.E. великий, тим більше енергії виділяється на невеликій відстані (або товщині тканини).
В біологічних тканинах пошкодження тим важливіші, оскільки енергія, що віддається локально падаючою частинкою, велика.
T.L.E. тому безпосередньо відображає біологічну неприємність даного випромінювання.
IV. Траєкторія і хід заряджених частинок у речовині
1. β-частинки -
Траєкторія руху електрона в даному середовищі може бути дуже звивистою, оскільки в разі зворотного розсіювання електрони можуть зазнати відхилення на 180 °. Як результат, максимальна глибина, досягнута електроном у початковому напрямку падіння, менша за довжину його траєкторії.
Ця максимальна глибина називається курсом (або глибиною проникнення або діапазоном). Шлях електрона в даному середовищі є функцією його енергії, і цей шлях можна оцінити за допомогою наступного емпіричного співвідношення:
Курс = 0,412. E n/r з: n = 1,265 - 0,0954. Ln (E)
Відстань виражається в см, E в МеВ і r в g.cm -3 .
Таким чином, β-частинки, що випромінюються енергією 32 15P (Eβ-Max = 1,7 МеВ), мають шлях у повітрі та воді:
2. α-частинки
Процеси уповільнення α-частинок ідентичні процесам β-частинок. Однак їх електричний заряд і маса вищі. В результаті α-частинки мають майже пряму і дуже коротку траєкторію.
Таким чином, ми можемо вважати, що довжина їхньої траєкторії та їх курс однакові.
Їх зупиняє кілька сантиметрів повітря або аркуш паперу .
Крім того, α-частинки мають високу енергію струму (кілька МеВ), і оскільки вони мають дуже короткий шлях, вони характеризуються T.L.E. набагато вище, ніж у β-частинок (у 200 - 500 разів вище).
Приклад: шлях через воду α-частинки, енергія якої становить 5,3 МеВ, і T.L.E. у воді становить 130 кэВ. мкм -1 - це:
dx = dE/T.L.E. = 5300 кеВ/130 кеВ. МкМ -1 = 40 мкм .
3. Шлях заряджених частинок
Щільність м'яких тканин можна вважати еквівалентною щільності води (тобто d ≈ 1). Це причина, чому значення курсу заряджених частинок у воді є важливим.
Більш того, товщина рогового шару шкіри становить ≈ 70 мкм .
Що стосується впливу на організм людини іонізуючого випромінювання, розглядаючи шкіру як перший бар’єр ?
| β-частинки (E = 1,7 МеВ) | α-частинки (E = 5,3 МеВ) | |
| курс у повітрі | 603 см | 5 см |
| потік води | 0,8 см = 8000 мкм | 40 мкм |
| TLE середній | 0,4 кеВ.мм -1 | 130 кеВ.мм -1 |
| зовнішнє забруднення | небезпечний | "менш небезпечний" |
в. β-частинки
Їх сила проникнення в тканини порівняно низька. Крім того, глибина, з якою ці частинки подають максимальну дозу, менша, ніж шлях у воді, і це через їх кривий шлях.
Приклад: β-частинка енергії 1 МеВ має шлях у воді 0,4 см або 4000 мкм, але доза подається на глибину 0,17 см або 1700 мкм.
Фактом залишається факт, що ці значення набагато перевищують товщину дерми (70 мкм), а тому зовнішнє забруднення β-частинками є небезпечним. Крім того, поза поняттям шляху, ці частинки генерують гальмуючий рентген у значній кількості.
Примітка: концепції дози та забруднення розроблені в курсі "Захист від іонізуючого випромінювання".
b. α-частинки
Значення їх ходу у воді менше 70 мкм. Отже, α-частинки не становлять ризику під час зовнішнього впливу .
З іншого боку, під час внутрішнього опромінення (тобто в організмі) вони дуже небезпечні через свій рівень Т.Л.Е. надзвичайно високий .
B. X та γ електромагнітне випромінювання
I. 3 основні ефекти
1. Фотоефект
Фотон падаючої енергії EI, який взаємодіє з електроном атома-мішені, може викинути цей електрон зі своєї орбіти, передаючи йому кінетичну енергію, EC: EC = EI - EL
де EL - енергія зв'язку електрона, викинутого на його орбіту.
Джерело: "Практичний посібник із радіаційного захисту" Gambini & Granier (1997) - за ред. TEC & DOC Лавуазьє
Якщо енергія падаючого фотона менша за енергію зв'язку електрона K, фотоефект виникає з електроном L-оболонки тощо.
в. Фотоелектрон, що приводиться в рух, втрачає свою енергію через явище іонізації середовища, як ми переконалися на першому уроці: ці іонізації є причиною радіолезій. .
b. Другим наслідком взаємодії за допомогою фотоефекту є реорганізація електронної процесії, щоб заповнити щілину на шарі, з якого був вигнаний електрон.
Це, по суті, призводить до викиду іншого електрона з ще більш периферійної оболонки, яка називається оже-електроном. .
2. Ефект Комптона або дифузія
Падаючий фотон знову взаємодіє з електроном, але цей електрон має значно меншу енергію зв’язку, ніж енергія, що бере участь у фотоефекті.
Джерело: "Практичний посібник із радіаційного захисту" Gambini & Granier (1997) - за ред. TEC & DOC Лавуазьє
Тому комптонівське розсіювання стосується менш зв’язаних електронів, навіть вільних.
Електрон-мішень витісняється в заданому напрямку: це електрон Комптона. Падаючий фотон дифузується у напрямку, який утворює певний кут із напрямком електрона Комптона.
Зі збільшенням енергії падаючого фотона енергія, яку несе електрон Комптона, стає все більш важливою в порівнянні з енергією розсіяного фотона.
3. Виробництво пар
Напружене електричне поле, яке оточує ядро, може перетворити фотон в негатон і позитрон: це ефект утворення пар. .
Джерело: "Практичний посібник із радіаційного захисту" Gambini & Granier (1997) - за ред. TEC & DOC Лавуазьє
Ця матеріалізація (що є зворотним процесом анігіляції) вимагає мінімальної енергії падаючого фотона принаймні в 2 рази 511 кеВ, тобто Emin = 1,02 МеВ.
Створений негатон і позитрон втрачають свою енергію внаслідок явища іонізації середовища (як видно раніше).
Нарешті, позитрон знищується негативним електроном із середовища, і в результаті відбувається випромінювання 2 гамма-фотонів індивідуальної енергії 511 кэВ при 180 ° один від одного (як видно раніше).
4. Область переваги кожного з цих ефектів
Імовірність взаємодії за ефектом Комптона приблизно не залежить від атомного номера цілі. З іншого боку, ті, що мають фотоефект та утворення пар, пропорційні йому.
Тож енергетична область, в якій домінує ефект Комптона, тим важливіша, що атомний номер цілі менший.
Таким чином, при звичайному застосуванні рентгенівських променів та γ-випромінюючих радіонуклідів (енергії яких становлять від 50 кеВ до декількох МеВ) ефект Комптона є переважаючим .
II. Послаблення електромагнітного випромінювання
На відміну від заряджених частинок, які поступово віддають свою енергію речовині, електромагнітне випромінювання раптово зникає після взаємодії. Ми вже не можемо говорити про уповільнення. Необхідно ввести поняття загасання в кількості .
1. Закон загасання
У разі паралельного монохроматичного променя рентгенівських або γ-променів кількість випромінюючих променів (N), які не зазнали взаємодії при перетині екрану товщиною X, пов'язана з числом падаючих променів (N0) відношенням:
µ - загальний лінійний коефіцієнт загасання, одиниця якого дорівнює см -1; µ залежить від енергії падаючих фотонів та природи матеріалу.
Оскільки фотони, що розглядаються, однотонні, дуже схожа залежність пов'язує падаючу енергію (EI) променя та його енергію після проходження через товщину X (EX):
2. Напівзатухаючий шар
Ми називаємо напівзатухаючий шар (CDA) або половину товщини (X1/2), товщину матеріалу, необхідну для ослаблення в 2 рази початкової кількості фотонів (або їх початкової енергії).
Маємо співвідношення: CDA = X1/2 = Ln2/µ
Це співвідношення підкреслює аналогію між законом радіоактивного розпаду ядер та загасанням пучка фотонів.
У наступній таблиці наведені значення половини товщини, одиницею яких є см:
Пряме іонізуюче випромінювання
заряджені частинки: α, β- і β електрони+
Безпосередньо іонізуюче випромінювання
електромагнітне випромінювання: X, γ