Лекция 2. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом.

1. Ослабление ионизирующего излучения при взаимодействии с веществом.

2. Первичные физические процессы взаимодействия ионизирующего излучения с веществом

3. Сравнительные количественные характеристики взаимодействия различных видов ионизирующего излучения с веществом.

4. Основы дозиметрии.

Ослабление ионизирующего излучения при взаимодействии с веществом.

Ионизирующее излучение ослабевает тем больше, чем больше толщина пройденного слоя вещества и чем больше сам поток.

, где- уменьшение потока;- толщина.

, где Ф₀– падающий поток. Так как Ф > 0:

Потенцируем:- закон ослабления:

Поток ионизирующего излучения при прохождении вещества уменьшается по экспоненциальному закону: .

-линейный коэффициент ослабления. При

Таким образом, линейный коэффициент ослабления обратен толщине слоя вещества, при прохождении которого поток излучения уменьшится в eраз.

Чем больше линейный коэффициент ослабления, тем сильнее ослабеет излучение. Оно не зависит от и.

Линейный коэффициент ослабления- характеристика взаимодействия данного вида излучения с данным видом вещества.

Линейный коэффициент ослабления зависит от плотности вещества: чем больше плотность, тем больше атомов встретит излучение и тем значительнее будет его ослабление.

-массовый коэффициент ослабления, не зависящий от плотности.

-слой половинного ослабления– толщина слоя вещества, при которой поток излучения ослабляется вдвое.

Чем больше линейный коэффициент ослабления, тем меньше слой половинного ослабления.

Первичные физические процессы взаимодействия ионизирующего излучения с веществом

1. Рентгеновское излучение.

Когерентное рассеивание– изменение направления пучка излучения с рассеиванием по всем направлениям. Энергия фотонов не изменяется. Энергия атомов вещества не изменяется, так как нет непосредственного биологического эффекта. Характерно для мягкого рентгеновского излучения, при котором энергия фотонов меньше энергии ионизации (разница и есть – работа выхода).

Фотоэффект– происходит поглощение рентгеновского фотона атомом вещества с

а) выбиванием одного из внешних валентных электронов ()

б) при меньшей энергии возбуждённого атома – внутреннего.

Уравнение Эйнштейна:, где

- квант

- энергия ионизации

- кинетическая энергия выбитого электрона

Некогерентное рассеивание– рассеивание с изменением длины волны. Рентгеновский фотон меняет направление при столкновении. Фотон выбивает из атома электрон. Энергия фотона уменьшается, но излучение остаётся. Частота излучения уменьшается, а длина волны возрастает.

Увеличение длины волны при некогерентном рассеивании рентгеновского излучения – эффект Комптона.

Для жёсткого излучения:

В общем случае:

2. Гамма – излучениес наибольшей энергией фотона.

Когерентного рассеивания не происходит. Осуществляется некогерентное рассеивание, фотоэффект и образование электрон-позитронных пар(превращение частиц поля в частицы вещества).

Образование электрон-позитронных пар: в электронном поле атом ядра (гамма-фотон) превращается в пару электрон-позитрон, которые разлетаются в разные стороны. Это превращение происходит с выполнением закона сохранения энергии и импульса.

Реакция возможна, если энергия гамма-фотона не меньше суммарной энергии покоя членов пары.

Роль ядра – принятие части импульсов фотонов.

Заряженные частицы исами произведут непосредственную ионизацию вещества. Позитрон в веществе может встретиться с электроном –анимляция– образование двух-фонов, имеющих одинаковую скорость, но противоположно направленную. Этот процесс обратен рождению электрон-позитронной пары.

Сравнительные количественные характеристики взаимодействия различных видов ионизирующего излучения с веществом.

Линейная плотность ионизации– удельная ионизация.

Линейная плотность ионизации численно равна числу пар ионов, образованных частицей на единице пути в веществе.

Линейная тормозящая способность– удельная ионизация потери.

Линейная тормозящая способность – энергия, теряемая частицей на единице пути в веществе.

Средний линейный пробег– средняя длина свободного пробега. ОбозначаетсяR. Это расстояние, пройденное частицей со скоростью, большей скорости молекулярно-теплового движения.

Чем больше линейная плотность ионизации, тем больше линейная тормозящая способность и тем меньше средний линейный пробег.

1. 

2. 

3. 

- частицы– заряжены и сравнительно медленно движутся, следовательно, много времени проводят рядом с атомами вещества и ионизируют их, следовательно, в веществе плотные скопления ионов и электронов. Но глубина проникновения небольшая (около 40 мкм).

- частицы– движутся быстрее, следовательно, ионизация проходит в меньшей степени, следовательно, остаётся разреженное скопление ионов и электронов. Наибольшая ионизация – к концу пути. Глубина проникновения больше (до нескольких мм).

Рентгеновское и -излучения (фотонов)– при их действии образуются электроны с большой энергией, которые действуют как-излучение. Фотон легко проходит через вещество, путь большой ещё до первого взаимодействия. Фотоны могут проникать в любую точку тела.

Если источник излучения внешний – фотоновское излучение. Если источник излучения можно ввести внутрь - илиизлучение.

Основы дозиметрии.

Дозиметрия– наука, изучающая величины, характеризующие действие ионизирующего излучения на вещества, а также методы и приборы для их измерения.

Доза излученияилипоглощённая доза(для любого ионизирующего излучения) – энергия, поглощённая единицей массы облучаемого вещества.

[Рад] – внесистемная единица измерения,

Мощность поглощённой дозы:

Экспозиционная доза– для фотоновых излучений (рентгеновского и гамма-) – заряд, созданный при ионизации фотоновским излучением единичной массы воздуха – мера ионизации воздуха рентгеновскими и гамма- лучами.

Мощность экспозиционной дозы:

Связь доз:

, где- зависимость от облучаемого вещества и энергии фотонов.

Для воды и мягких тканей ; для костной ткани уменьшается с ростом энергии фотонов, и составляет 4,5 – 1.

Связь между активностью препарата– источника-фотонови мощностью экспозиционной дозы:

, гдеА– активность препарата;r– расстояние от препарата до облучаемого объекта;- гамма – постоянная характеристика для ядра данного изотопа.

Эквивалентная доза– характеризует биологическое действие данного вида ионизирующего излучения.

Поглощённая доза характеризует количественный аспект взаимодействий. Биологическое действие излучения тем больше, чем больше его поглощённая доза.

К– характеризует качественный аспект взаимодействия: при одной и той же поглощённой дозе воздействие разных излучений различно.

К–коэффициент качества–относительная биологическая эффективность (ОБЭ)– безразмерная величина.

ОБЭ показывает во сколько раз эффективность биологического действия данного вида излучения больше, чем у фотоновского при одинаковой дозе излучения в тканях. ОБЭ зависит от вида излучения и от энергии его частиц.

Приблизительно, для фотоновского и излучений. Дляизлучения.

Радиоактивный фон соответствует эквивалентной дозе в 125 мБЭР. Предельно допустимая эквивалентная доза при профессиональном облучении составляет 5 БЭР в течение года. Минимальная летальная доза гамма – излучения при облучении всего организма около 600 БЭР.