Кравців Р.Й., Салата В.З., Семанюк В. І., Фреюк Д.В., Ярошович І. Г. Ветеринарна радіологія

Подождите немного. Документ загружается.

Ветеринарна радіологія

Таким чином, повна схема β-електронного розпаду, β-пози-

тронного розпаду і K-захоплення становитиме відповідно:

X → β

–

Z+1

Y + ν

−

X → β

Z-1

Y + ν

X+

-1

e →

Z-1

Y + ν

−

Значення E

макс

для різних радіоактивних ізотопів є різними,

знаходяться в межах від 15 кеВ до 15 МеВ.

Джерелами

β-випромінювання є як природні, так і штучні

радіоактивні ізотопи.

Як відбувається взаємодія β-частинок з речовиною?

При однаковій початковій енергії пробіг

β-частинок є біль-

шим, ніж

α-частинок у зв’язку з їх значно меншими масою і за-

рядом.

Чим більша енергія

β-частинок, тим більша їх швидкість і

тим більша віддаль, на яку вони здатні проникати. В зв’язку з тим,

що електрично заряджені корпускули більш інтенсивно іонізують

при малих швидкостях руху,

β-частинки характеризуються мак-

симальною густиною іонізації в кінці свого шляху, коли їх енергія

зменшується в тисячі разів. У таблиці 2.3 наведені величини про-

бігу

β-частинок різних енергій, та їх іонізаційна здатність.

На рис. 2.6 показаний графік іонізаційної здатності

β-части-

нок з енергією 50 і 100 кеВ при проходженні через тканину. По осі

абсцис відкладений шлях, який проходить

β-частинка в тканині, а

по осі ординат – питома іонізація, тобто кількість утворених пар

іонів на один мікрон шляху.

Таблиця 2.3

Величини пробігу β-частинок різних енергій та їх іонізаційна здатність

Енергія Кількість пар іонів Пробіг Пробіг

β-частинок на 1 мкм шляху у повітрі у тканині

кеВ см мкм

1000 6,3 380 4900

100 13 10,9 141

10 29 0,2 2,5

1 200 0,041 0,053

0,1 1697 0,00023 0,002

Рис. 2.6. Характер іонізації м’якої тканини β-частинками

різних енергій.

Видно, що β-частинки навіть великих енергій мають віднос-

но невеликий пробіг у тканині. Отже, екрани з легких прозорих

матеріа лів є надійним захистом від зовнішнього джерела

β-ви-

промінювання. Основна іонізація відбувається на кінцевому ета-

пі проходження

β-частинки через тканину.

Збільшення енергії

β-частинки в основному веде до збіль-

шення її проникної здатності.

Кількість пар іонів на 1 µ шляху

Шлях в µ

0 50 100 150 200 250 300

2000

1500

1000

500

Фізико-хімічні основи радіології

50 кеВ

Ветеринарна радіологія

Гамма-випромінювання

Що представляють собою γ-частинки

і чим характеризується γ-випромінювання?

Гамма-випромінювання (

γ-кванти, або фотони), як і радіохви-

лі, видиме світло, ультрафіолетове та інфрачервоне, а також рент-

генівське випромінювання, є електромагнітними хвилями, що по-

ширюються у вакуумі зі сталою швидкістю – близько 300 000 км/с

(3×10

см/с).

Якщо наявність видимого світла, інфрачервоного, ультрафі-

олетового і характеристичного рентгенівського випромінювання

є наслідком різних переходів атомів і молекул зі збудженого ста-

ну в незбуджений, то

γ-кванти – це випромінювання ядерного по-

ходження. Вони випускаються ядрами атомів при альфа- та бета-

розпадах природних і штучних радіонуклідів у тих випадках, коли

в дочірньому ядрі виявляється надлишок енергії, не захоплений

корпускулярним випромінюванням (

α- або β-частинкою). Цей

надлишок миттєво випромінюється у вигляді

γ-квантів.

Фотонне випромінювання виникає також при гальмуванні

заряджених частинок, при анігіляції пар античастинок (електрон-

позитрон, протон-антипротон та ін.), при самовільному і штуч-

ному розщепленні ядер атомів урану й плутонію та при деяких

інших ядерних реакціях.

γ-кванти не мають маси спокою. Це озна-

чає, що вони існують лише в русі.

Гамма-кванти електрично нейтральні, тому не відхиляють-

ся в магнітному та електричному полях. У речовині й вакуумі во-

ни поширюються прямолінійно й рівномірно в усіх напрямках від

джерела. Не викликаючи прямої іонізації, під час руху в середови-

щі вони вибивають електрони, передаючи їм повністю або част-

ково свою енергію. Ці вторинні електрони й здійснюють процес

іонізації. На 1 см пробігу

γ-кванти утворюють 1-2 пари іонів. У

повітрі вони проходять шлях у кілька сотень метрів, у деревині –

25 см, у бетоні – 10 см, у свинці – до 5 см, у воді – десятки метрів,

а тваринні організми пронизують наскрізь.

Внаслі док великої проникної здатності

γ-випромінювання

дуже небезпечне для живих організмів як джерело зовнішнього

опромінення.

Для захисту від

γ-квантів використовують хімічні елементи з

великою атомною масою.

Іонізаційні властивості мають також протони і нейтрони.

Протонне випромінювання

Що представляє собою протонне випромінювання?

Протонне випромінювання – це потік протонів, тобто оголе-

них ядер легкого нукліда водню – протію. Воно може утворюва-

тись при гальмуванні швидких нейтронів водневмісними речови-

нами. Протон має позитивний заряд і значну масу. Він, так само

як електрон, викликає іонізацію та збуджує молекули на шляху

руху, втрачаю чи свою енергію.

У тканинах організму протони з енергією 10 МеВ проходять

шлях близько 1 мм, густина іонізації протонів значно більша (при-

близно в 10 разів), ніж електронів.

Нейтронне випромінювання

Що представляє собою нейтронне випромінювання?

Нейтронне випромінювання – це потік нейтронів (електро-

нейтральних частинок з масою 1,00898 а.о.м.). Нейтрони належать

до класу сильно взаємодіючих частинок (андронів). На відміну від

заряджених частинок вони легко проникають всередину атомів і,

досягаючи ядер, поглинаються ними або розсіюються. При погли-

нанні нейтронів атомні ядра стають нестійкими і, розпадаючись,

випускають протони,

α-частинки та γ-кванти – набувають так

званої “наведеної радіоактивності”.

Процес поглинання нейтронів ядрами важких елементів су-

проводжується безперервним поділом ядер – ланцюговою реакці-

єю, умови для якої створюються в ядерних реакторах.

Якщо ланцюгова реакція наростає лавиноподібно внаслідок

виділення величезної енергії протягом дуже короткого проміжку

Фізико-хімічні основи радіології

Ветеринарна радіологія

часу, відбувається вибух. Це явище можливе в тому випадку, коли

маса здатного до поділу матеріалу досягає критичної (наприклад,

в атомних зарядах при їх вибухах).

Перебіг ланцюгової реакції можна регулювати за допомогою

часткового поглинання нейтронів особливими вбирачами, що й

використовується в ядерних реакторах.

Ядерні реактори поки що залишаються єдиним обладнанням,

яке дає змогу керувати процесом поділу ядер важкого урану, що

використовується тут як паливо.

Що представляє собою гамма-спектр радіоактивних ізотопів?

Гамма-кванти випромінюються ядрами, які зазнають

α- або

β-розпаду. Вони випромінюються у вигляді дискретних спек-

тральних ліній, характерних для кожного ізотопа, якому властиве

γ-випромінювання. Наприклад, радіоактивний ізотоп

Со розпа-

дається шляхом

β-розпаду і випромінює при цьому два γ-кванти

з енергіями 1,17 і 1,33 МеВ, як показано на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Лінійний енергетичний спектр γ-випромінювань

Со.

Які існують види взаємодії гамма-випромінювання з речовиною?

При радіоактивному розпаді ядра випускають гамма-кванти

з енергією в межах від декількох кілоелектронвольтів до декількох

мегаелектронвольтів. Проходячи через речовину, вони втрачають

енергію внаслідок прояву трьох ефектів: фотоелектричного по-

Інтенсивність гамма-випромінювань

Енергія в МеВ

глинання (фотоефект), комптонівського розсіювання (комптон-

ефект), утворення електронно-позитронних пар (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Види взаємодії гамма-випромінювання з речовиною:

а – фотоелектричне поглинання; б – комптонівський ефект;

в – утворення пар.

Відносна величина кожного з цих ефектів залежить від атом-

ного номера поглинаючого матеріалу й енергії фотона.

Фотоефект. При фотоелектричному поглинанні гамма-

квант, стикаючись з міцно пов’язаним електроном (частіше елек-

тронами К-рівня) в атомах речовини, що опромінюється, повні-

стю передає йому свою енергію, сам зникає, а електрон набуває

кінетичної енергії, що дорівнює енергії гамма-кванта мінус енер-

гія зв’язку електрона в атомі. Таким чином, при фотоефекті вся

енергія первинного гамма-кванта перетворюється в кінетичну

енергію фотоелектронів, які іонізують атоми й молекули. На міс-

це, що звільнилося в орбіті К-рівня перескакує електрон L-рівня,

на L-рівень – електрон М-рівня і т.д. з випромінюванням квантів

характеристичних рентгенівських променів.

Фотоелектричне поглинання переважає тоді, коли енергія

гамма-кванта не перевищує 0,05 МеВ, а поглинач являє собою ре-

човину з великим атомним номером (наприклад, свинець).

Фотоефект неможливий на слабо зв’язаних і вільних елек-

тронах (не пов’язаних з атомом), оскільки вони не можуть погли-

нати гамма-кванти. У повітрі, воді й біологічних тканинах фото-

електричне поглинання становить 50% при енергії гамма-квантів

порядку 60 кеВ. При Е

=120 кеВ частка фотоелектричного погли-

Розсіяний

гамма-квант

Фізико-хімічні основи радіології

Гамма-

квант

Гамма-

квант

Гамма-

квант

(позитрон)

Ветеринарна радіологія

нання складає біля 10%, а починаючи з 200 кеВ цим процесом

можна знехтувати. У цьому випадку гамма-випромінювання по-

слаблюється за рахунок комптонівського розсіювання.

Комптон-ефект. Цей ефект полягає в тому, що гамма-кванти,

стикаючись з електронами, передають їм не всю свою енергію, а тіль-

ки її частину і після стикання між собою змінюють напрямок свого

руху, тобто розсіюються. Внаслідок стикання з гамма-квантами елек-

трони (електрони віддачі) набувають значної кінетичної енергії, яку

витрачають на іонізацію речовини (повторна іонізація).

На відміну від процесу фотоелектричного поглинання при

комптон-ефекті гамма-кванти взаємодіють із зовнішніми валент-

ними електронами, енергія зв’язку яких мінімальна. Комптонівсь-

ке розсіювання можливе на вільних електронах. Таким чином, в

результаті комптон-ефекту інтенсивність гамма-випромінюван-

ня послаблюється внаслідок того, що гамма-кванти, взаємодію-

чи з електронами середовища, розсіюються в різних напрямках і

йдуть за межі первинного пучка, а також внаслідок передачі елек-

тронам частини своєї енергії.

Утворення електронно-позитронних пар. Деякі гамма-кван-

ти з енергією не нижче 1,022 МеВ, проходячи через речовину, пе-

ретворюються під дією сильного електричного поля поблизу ядра

атома в пару “електрон-позитрон”. У цьому випадку одна фор-

ма матерії гамма-випромінювання перетворюється в іншу – в ча-

стинки речовини. Утворення такої пари частинок можливе тільки

при енергіях гамма-квантів не менших, ніж енергія, еквівалентна

масі обох частинок – електрона і позитрона. Оскільки маси елек-

трона та позитрона однакові, то для утворення пари без надан-

ня їй додаткової кінетичної енергії, енергія гамма-кванта повинна

відповідати співвідношенню взаємозв’язку маси й енергії:

= hν≥2m

≈ 1,022 МеВ.

Якщо енергія гамма-квантів більша 1,022 МеВ, то надлишок її

передається частинкам. Тоді кінетична енергія частинок, що утво-

рюються Е

, дорівнює різниці між енергією фотона Е

і подвоєній

енергії спокою електрона:

= Е

-2m

= hν–1,022 МеВ.

Утворена електронно-позитронна пара надалі зникає, пе-

ретворюючись на два вторинні гамма-кванти з енергією, рівною

енергетичному еквівалентові маси спокою частинок (0,511 МеВ).

Вторинні гамма-кванти здатні викликати лише комптон-ефект і,

зрештою, фотоефект, тобто втрачати енергію тільки при стиканні

з електронами. Ймовірність процесу утворення пар збільшується

зі зростанням енергії гамма-квантів та щільності поглинача. Гам-

ма-промені високих енергій (більше за 8 МеВ) можуть взаємоді-

яти з ядрами атомів (ядерний ефект). Ймовірність такого ефекту

дуже мала і цей вид взаємодії практично не послаблює випромі-

нювань в речовині.

Яка проникна здатність гамма-квантів?

Характерною особливістю

γ- і рентгенівських випроміню-

вань є їх висока про никна здатність, завдяки чому їх відносять до

проникної радіації. Проникна здатність

γ- і рентгенівських кван-

тів пов’я зана із відсутністю в них електричного заряду, завдяки

чому вони взаємодіють з речовиною шляхом хаотичного розсію-

вання на електронах згідно з імовірністю їх зустрічі з електронами

при проходженні через речовину. Крива проникної здатності гам-

ма-випромінювання через тканину зображена на рис. 2.9.

Поглинання

γ-фотонів пропорційне густині речовини. Чим

більша густина речовини, тим більше електронів знаходиться

в одиниці її об’єму і тим більша ймовірність зустрічі

γ-кванта з

електроном при проходженні через неї. У зв’язку з цим для екра-

нізації від

γ- і рентгенівського випромінювання використовують

важкі матеріали, зокрема свинець.

Фізико-хімічні основи радіології

Ветеринарна радіологія

Рис. 2.9. Проникнення γ-випромінювання з енергією

2 МеВ у м’яку тканину.

Як і для інших видів електромагнітного коливання, інтен-

сивність

γ-випромінювань зменшується з віддаллю від джере-

ла радіації в квадратичній залежності. Якщо, наприклад, прий-

няти за одиницю інтенсивність випромінювання на віддалі 10 см

від джерела радіації, то на віддалі 20 см його інтенсивність змен-

шиться в 4 рази, на віддалі 30 см – у 9 разів, тощо.

Вторинні електрони, або, як їх ще називають, електрони від-

дачі, що утворюються в результаті втрати енергії

γ-квантами при

їх проходженні через речовину, іонізують і збуджують атоми ре-

човини аналогічно

β-частинкам. Вони утворюють по рівняно ко-

роткі треки іонів з максимальною густиною іонізації в кінці шля-

ху. В зв’язку з високою проникною здатністю

γ-випромінювань

вторинні електрони виникають по всьому об’є му опромінюваної

речовини, тоді як

β-частинки зовнішнього джерела поглинаються

поверхневим шаром речовини.

Рентгенівське випромінювання

Що представляє собою рентгенівське випромінювання?

Рентгенівське випромінювання є високочастотним електро-

магнітним коливанням. Одержують його за допомогою рентге-

нівської трубки, яка являє собою електровакуумний при лад. При

подачі високої напруги (близько декількох десятків кіловольтів)

між катодом та анодом електрони, які звільняються з матеріалу

Відносна інтенсивність

γ-випрмінювань

Шлях в см

0 5 10 15 20

100

катода при його розжаренні, набувають великих швидкостей. При

попаданні на анод вони різко гальмуються, зіштовхуючись з ато-

мами, їх кінетична енергія частково перехо дить в енергію рентге-

нівського випромінювання. Схема рентге нівської трубки показа-

на на рис. 2.10.

Рис. 2.10. Схема рентгенівської трубки.

У зв’язку з тим, що при взаємодії з атомами анода елек трон

витрачає при кожному ударі певну енергію, спектр випроміню-

вання рентгенівської трубки є неперервним (суцільним), його на-

зивають спектром гальмування. Енергія кванта рентгенівсько го

гальмівного випромінювання h

ν визначається як різниця кіне-

тичних енергій електрона до його зіткнення з атомом анти катода

) і після (E

hν = E

- E

де ν - частота одержаного рентгенівського випромінювання;

h – стала Планка.

Якщо позначити різницю потенціалів між анодом та катодом

через U, то енергія електрона E при проходженні цієї різниці по-

тенціалів дорівнює:

Е = е ·U,

де е – заряд електрона.

Якщо електрон у процесі зіткнення з атомом антикатода повні-

стю віддає свою енергію на утво рення рентгенівського випромінюван-

ня, кванти такого випромі нювання матимуть максимальну енергію.

Чим вища напруга на рентгенівській трубці, тим вища максимальна

енергія рентгенів ських променів, а, отже, їх проникна здатність.

Фізико-хімічні основи радіології

Катод

Потік електронів

Анод

Рнетгенівські

промені