Глава 1. Физические основы радиационной медицины

В основе всех эффектов ионизирующих излучений лежит их взаимодействие с атомами вещества. Чтобы разобраться в существе этого взаимодействия, необходимо вспомнить наиболее важные сведения о структуре и свойствах атомов.

Диаметр атома составляет величину порядка 10^–8 см. Еще в 1911 г. английским физиком Э. Резерфордом была предложена использующаяся до сих пор планетарная модель, представляющая атом в виде миниатюрной солнечной системы (рис. 2).

Рис. 2. Схема строения атомов водорода (слева) и меди (справа). Цифры – количество протонов и нейтронов в ядрах.

Почти вся масса атома сосредоточена в ядре, состоящем из протонов и нейтронов (их объединяют под названием нуклонов). Протон несет один элементарный положительный заряд, нейтрон электрически нейтрален. Массы их практически одинаковы и приблизительно равны 1 а.е.м. (атомная единица массы). Сумма масс всех протонов и нейтронов ядра составляет его общую массу. В зависимости от количества нейтронов в ядре атомные массы отдельных изотопов одного и того же элемента различаются.

Заряд ядра и химические свойства элемента определяются числом протонов. Этот положительный заряд уравновешивается отрицательно заряженными частицами – электронами, вращающимися вокруг ядра по определенным фиксированным орбитам (т.е., на фиксированных энергетических уровнях). На каждой из орбит может находиться не более определенного количества электронов. На ближайшей к ядру орбите (ее обычно обозначают буквой «К») максимальное число электронов равно двум, на следующей (L) – число электронов максимум восемь, на орбитали М – восемнадцать и т.д. Масса электрона в 1836 раз меньше массы протона. Число электронов в оболочке равно числу протонов в ядре, и в целом атом электрически нейтрален. Заряд ядра атома количественно равен атомному номеру.

Состояние атома, когда все его электроны располагаются на допустимо наиболее близких к ядру орбитах, и связаны с ним электрическими силами наиболее прочно, называется основным. Если один или несколько электронов связаны слабее, т.е. находятся на более отдаленных от ядра орбитах при не полностью заполненных более близких, такое состояние атома называется возбужденным.

Переход электрона с одного энергетического уровня на другой сопровождается испусканием или поглощением кванта света (фотона). Поскольку число «дозволенных» энергетических уровней в атоме каждого элемента ограничено, ограничен и спектр излучения фотонов, испускаемых этими атомами при возвращении их в основное состояние после возбуждения.

Энергия связи (Е) электрона на внутренних оболочках возрастает с увеличением атомного номера. Для атома водорода на внутренней оболочке Е = 13,5 эВ, а для тяжелых атомов она составляет десятки кэВ. Чтобы вырвать из атома электрон, надо передать ему энергию, равную или большую, чем энергия связи электрона с ядром. При отрыве электронов с внешних орбит атом превращается в положительно заряженный ион, который со временем возвращается в исходное состояние, захватывая электрон и испуская квант света в видимом диапазоне. При встраивании в атом «лишнего» электрона образуется отрицательно заряженный ион.

Бомбардировка тяжелых элементов ускоренными электронами приводит к вырыванию электронов с внутренних оболочек. Наступающий вслед за этим переход электронов с внешних оболочек на «вакантные места» на внутренних орбитах сопровождается испусканием так называемого характеристического излучения. Кванты характеристического излучения имеют более короткую длину волны по сравнению со световыми и относятся к области рентгеновых лучей.

При одном и том же числе протонов количество нейтронов в ядре может варьировать. Элементы с одинаковым зарядом ядра (одинаковым числом протонов), но с разным числом нейтронов называются изотопами. Соотношение числа протонов и нейтронов в ядрах влияет на устойчивость изотопа, т.е. способность неограниченно долго сохраняться в неизменном состоянии. Такие изотопы получили наименование стабильных. Неустойчивые ядра могут претерпевать различные самопроизвольные превращения – подобные изотопы называют радиоактивными. Сейчас известно 105 элементов периодической системы Д.И. Менделеева. Среди них обнаружено около 280 устойчивых изотопов и всего лишь около 100 радиоактивных.

Искусственным путем получено более 1500 радионуклидов всех без исключения элементов периодической системы.

Причины разной устойчивости изотопов определяются особенностями сил взаимодействия между нуклонами. Во-первых, радиус действия ядерных сил составляет около 10^–15 м, а электрические силы на таких расстояниях практически не действуют. С увеличением расстояния они резко уменьшаются, а силы электростатического взаимодействия, напротив, увеличиваются. Во-вторых, все нуклоны притягиваются друг к другу независимо от наличия заряда, но сила притяжения разноименных частиц, например, протон – нейтрон, больше, чем одноименных. Поэтому притяжение между нуклонами сильнее в том случае, когда число протонов примерно равно числу нейтронов. Максимальное притяжение обнаруживается у четверки частиц – два протона и два нейтрона (такая группа называется α-частицей); из подобных групп и сформированы ядра большинства стабильных изотопов. Вот почему природные элементы, начиная от водорода и кончая висмутом, в большинстве своем (кроме технеция и прометия) практически стабильны. Лишь у некоторых из них имеется сравнительно небольшое количество радиоактивных изотопов. Это калий, рубидий, лантан, индий, самарий, лютеций и рений.

Однако все сказанное справедливо лишь для легких элементов, в ядрах которых число протонов невелико, а электрические силы пренебрежимо малы по сравнению с ядерными. В ядрах тяжелых элементов в связи с большим количеством протонов заметную роль начинают играть электрические силы. Это объясняется еще одной особенностью ядерных сил – насыщаемостью, т.е. свойством нуклонов взаимодействовать только с ближайшими соседями, в то время как электрическое отталкивание происходит между всеми протонами ядра. Вот почему все элементы, следующие за висмутом, радиоактивны.