Радиационная биофизика (ионизирующие излучения) - Кудряшов Ю.Б.
ISBN 5-9221-0388-1
Скачать (прямая ссылка):
4.1.1. Первичные продукты радиационного превращения
молекул
Представление о вероятностном характере взаимодействия излучения с веществом, в результате которого некоторые атомы или молекулы поглощают дискретные порции энергии, сформировалось в 20-е годы XX в. Оно привело к формулированию принципа попадания в радиобиологии. Однако до настоящего времени не создана строгая теория, позволяющая на основании строения молекулы предсказать вероятность поглощения ею определенного количества энергии ионизирующего излучения, т.е. оценить относительную частоту поглощения различных «энергетических пакетов».
Исследования в этом направлении интенсивно проводились в последнее время. Наметилось два подхода: теоретический, основанный на квантовомеханических моделях, и экспериментальный, связанный с поиском методов прямого измерения потерь энергии в результате одиночного взаимодействия заряженной частицы с молекулой.
На основании приведенного нами ранее уравнения Бете Блоха (П. 10) (см. с. 70) можно рассчитать дифференциальную потерю энергии частицей определенного заряда, движущейся со скоростью v в веществе данной плотности. Однако величина потери энергии dE/dx еще ничего не говорит о том, какие «энергетические пакеты» переносятся к молекуле.
В принципе, передача энергии может происходить за счет двух типов взаимодействия — лобового и скользящего соударения. Лобовое соударение достаточно точно описывается классической электродинамикой. При этом типе взаимодействия осуществляется «прямое попадание» заряженной частицы в орбитальный электрон, который приобретает необыкновенно большой момент количества движения. Вероятность этого эффекта низка.
В 8-10 раз чаще происходит скользящее соударение, которое служит основным типом взаимодействия заряженной частицы с молекулами.
140
Гл. IV. Прямое действие ионизирующих излучений
При описании скользящего соударения частица рассматривается как источник электрического поля, в котором содержатся фотоны всех возможных частот. Такое поле может взаимодействовать с орбитальными электронами на значительных расстояниях. В газах это расстояние («прицельный параметр») порядка 100 нм, в плотном веществе —
около 10 нм. Взаимодействие электрического поля заряженной частицы с молекулой переводит ее в то или иное возбужденное состояние, в том числе и соответствующее ионизации (рис. IV .9).
Силу, с которой электрическое поле действует на молекулы, можно разложить на две составляющие: параллельную пути частицы (продольная компонента) и перпендикулярную (поперечная компонента). Каждую компоненту можно изобразить рядом Фурье как сумму чисто гармонических функций времени:
¦^попереч “ ^ ' COS (2jri^f). (IV.1)
Продольная компонента так мала, что ею можно пренебречь (частица проходит на значительном расстоянии от молекулы).
Анализ функции Фурье для Епоперен показывает, что сила поперечной компоненты постоянна от низких до почти максимальных частот; каждый интервал частоты включает одно и то же количество энергии фотонов, составляющих поле частицы. Таким образом, действие заряженной частицы (ее электрического поля) на молекулу совпадает с действием света источника, дающего равное число фотонов для каждого интервала частот от видимого света до рентгеновского излучения.
В теории, развитой в 50-е годы Платцманом, для характеристики молекулы, взаимодействующей с заряженной частицей, вводится величина «силы осциллятора» этой молекулы, которая выражает вероятность перехода, приводящего к возбуждению или ионизации молекулы.
Силу осциллятора, пропорциональную коэффициенту макроскопического оптического поглощения света соответствующей частоты, обозначают через f8 для перехода из основного состояния в дискретное возбужденное состояние s, которое появляется в результате поглощения света частотой г/8 — Ea/h, где Еа — энергия молекулы в возбужденном состоянии относительно энергии в основном состоянии
а
б
Рис. IV.9. Кривая потенциальной энергии молекулы, взаимодействующей с полем заряженной частицы: а) молекула до наложения поля; 6) после взаимодействия с полем; 1 — возбужденная молекула; 2 — ионизированная молекула
4. Последовательность стадий прямого действия радиации
141
(энергия возбуждения). Для переходов внутри непрерывного спектра дискретную силу осциллятора нужно заменить на dfjdv или df/dE, зависящую от энергии Е = hv. Обе формы выражения силы осциллятора нужно понимать как величины, усредненные по всем возможным ориентациям молекулы.
Если молекула возбуждается светом источника, дающего равное число фотонов для каждого интервала частот — от видимого света (белый свет) до рентгеновского излучения, то число молекул, активированных до состояния 5, пропорционально силе осциллятора этого состояния:
N3 = const * fs. (IV.2)
Уравнение (IV.2) показывает, что при постоянном распределении частоты величина Ns пропорциональна силе осциллятора. Если частота падающего света характеризуется распределением \jhva = 1 (ESi то число молекул, возбужденных до состояния s прохождением быстрой заряженной частицы, описывается уравнением
