Електромагнітне випромінювання

Типи іонізуючих випромінювань

 

Радіобіологія досліджує вплив на біологічні системи іонізуючих випромінювань різних типів – електромагнітних хвиль, потоків заряджених елементарних частинок (електронів, протонів, позитронів, нейтронів) та прискорених ядер елементів. Ці типи іонізуючих випромінювань істотно відрізняються за своїми властивостями, що визначають характер взаємодії їх із речовиною. Саме від особливостей взаємодії випромінювання з речовиною залежить передавання енергії молекулам і атомам, які при цьому зазнають іонізації або збудження й утворюють хімічно активні форми. Останні ініціюють хімічні реакції, що супроводжуються появою продуктів, не характерних для нормальної життєдіяльності клітини й багатоклітинного організму.

До іонізуючих належать випромінювання різних типів, які під час проходження крізь речовину в актах дискретного передавання енергії здатні іонізувати або збуджувати атоми й молекули.

Розрізняють два типи іонізуючих випромінювань – не корпускулярне електромагнітне й корпускулярне.

Класифікацію іонізуючої радіації можна здійснювати наступним чином:

Іонізуюча радіація

Корпускулярна (має масу спокою)             Електромагнітні хвилі (фотонна)

 

 

Електромагнітне випромінювання

Електромагнітне випромінювання являє собою сукупність змінних електричного й магнітного полів, які поширюються в просторі у формі хвиль.

Електромагнітні хвилі характеризуються трьома векторними величинами – напруженностями електричного й магнітного полів і швидкістю, а також скалярними – частотою коливань v або довжиною хвилі . Останні величини пов’язані між собою таким співвідношенням:

                                                                                (1)

Швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі становить 2,998*10⁸ м/с.

Електромагнітні хвилі можна описувати як потік квазічастинок – фотонів, енергія яких Е пропорційна частоті коливань v:

E = hv                                                                                           (2),

де h – стала Планка (квант дії), h =6,626176*10^-34*с.

Фотони, які є квантами електромагнітного поля, в разі поширення виявляють хвильові властивості, а в разі взаємодії з речовиною – корпускулярні. До явищ, в яких виявляється корпускулярна природа електромагнітних хвиль, належать фотоефект і напівпружне співударяння (комптонівський ефект, комптонівське розсіювання). Даний механізм передачі енергії електромагнітного випромінювання речовини полягає у вибиванні вільних чи слабо зв’язаних електронів (комптон – електрони, або електрони віддачі) з електронної оболонки атома. Такий механізм ще називається пружним розсіюванням фотонів на електронах із передачею для них лише частини своєї енергії. Внаслідок зменшення енергії фотона відповідно зростає довжина хвилі електромагнітного випромінювання. Збільшення довжини хвилі фотона при розсіюванні на слабо зв’язаних електронах зумовлюється зменшенням його енергії й залежить від кута розсіювання. При розсіюванні фотона на електронах, що рухаються (вільних), зміна довжини хвилі залежатиме не тільки від кута розсіювання, а й від початкової енергії електронів. При цьому утворюються електрон віддачі та вторинний фотон. На відміну від фотоелектронів, енергія електронів віддачі може змінюватися в широкому діапазоні – від нуля до деяких максимальних значень. У середньому енергія електронів віддачі зростає зі збільшенням енергії електромагнітного випромінювання, що взаємодіє. Вторинний фотон, залежно від енергії, знову може зазнати комптон – ефекту. Після ояду таких зіткнень енергія фотона зменшується до величин, коли останній поглинається в результаті фотоефекту.

Електромагнітні випромінювання характеризуються дуже широким інтервалом довжин хвиль.

До іонізуючого електромагнітного випромінювання належать ультрафіолетові промені ( =400…50 нм), рентгенівські промені ( =50…0,01 нм) і гамма-випромінювання ( <0,01 нм).

Ультрафіолетові промені – отримуються від об’єктів які мають дуже високу температуру (сонце).

Рентгенівські промені – це електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі 50…0,01 нм, чому відповідають значення енергії фотонів 0,12…1237 кеВ. Енергія фотонів рентгенівського випромінювання пов’язана з довжиною хвилі  таким співвідношенням:

hv = 1,237/ .                                                                                       (3)

Рентгенівські промені виникають за умов гальмування швидких електронів у певних речовинах, переважно металах, де індукуються енергетичні переходи внутрішніх електронів атома після їх збудження електронами, іонами або фотонами.

Гамма випромінювання – це короткохвильове (завдовжки від 0,1 до 0,001 нм (10^-12…10^{-10 см) електромагнітне випромінювання, яке виникає у випадку зміни енергетичного стану атомних ядер, що утворюються в результаті радіоактивного розпаду. Джерелами його є енергетичні переходи збуджених дочірніх ядер при альфа – та бета – перетвореннях ядер атомів, анігіляції електрон – позитронних пар, гальмуванні електронів високих енергій у речовині тощо. Енергія γ – випромінювання різних радіоактивних елементів коливається в діапазоні 0,1-3 МеВ рідко досягає 10 МеВ. γ-кванти з енергією до 1 МеВ утворюють м’яке випромінювання, а з енергією більше 1 МеВ – жорстке.}