INTERACTIUNEA RADIATIILOR IONIZANTE CU MATERIA VIE

INTERACTIUNEA RADIATIILOR IONIZANTE CU MATERIA VIE

Studiul efectelor radiatiilor ionizante asupra materiei vii este mai complicat si presupune parcurgerea mai multor etape:

- Intelegerea mecanismelor de transfer a energiei lor catre mediu si a producerii ionizarilor care reprezinta interactiunea lor primara cu substanta.

- Descifrarea efectelor radiochimice produse de ionizari. Aceste efecte pot avea loc fie datorita interactiunii directe cu macromoleculele sistemului viu, fie ca o consecinta a modificarilor induse de radiatii in solventului apos, cand vorbim de interactiuni indirecte.

- Transformarile radiochimice sunt urmate, in final de efecte biologice.

Interactiunea primara cu substanta a radiatiilor corpusculare incarcate

Principalul mecanism de transfer a energiei lor catre mediul strabatut este acela de ionizare a atomilor si moleculelor substantei. Responsabile de ionizari sunt interactiunile electrostatice dintre particula si electronii atomilor.

Pentru o particula, scaderea energiei ei si cresterea energiei mediului este caracterizata prin transferul linear de energie, TLE. Acesta reperezinta energia pierduta de particula pe fiecare unitate de lungime a traiectoriei sale.

Daca o particula face I ionizari pe unitatea de lungime, si energia medie pierduta de la initierea unei ionizari pana la producerea urmatoarei w avem: TLE = w I.

Intrucat intre doua ionizari particula produce si un numar de excitari ale atomilor, w este mai mare decat energia de ionizare. Astfel, pentru aer si apa valorile sunt de 32 eV si 34 eV, respectiv.

TLE creste cu patratul sarcinei particulei si concentratia electronilor din mediu dar nu are o valoare constanta de-a lungul traiectoriei. Ea scade cu cresterea patratului vitezei particulei deoarece, la viteze mari ale acesteia, timpul cat are loc interactiunea cu electronii este mai redus. Unitatea curent utilizata, la strabaterea mediilor apoase, este ^KeV/mm.

Daca particula strabate o substanta compusa dintr-un element pur, in vecinatata fiecarui punct al traiectoriei este valabila expresia:

unde dE este pierderea de energie pe distanta dx; k - o constanta ce depinde de natura particulei, a mediului si unitatile de masura alese; z - numarul de sarcini elementare ale particulei; v - viteza particulei in punctul dat; Z - numarul de ordine ai atomilor mediului; n - numarul de atomi pe unitatea de volum a mediului (concentratia atomilor mediului).

Intrucat Z n = n_e , concentratia electronilor in mediu, formula se poate rescrie

Ultima expresie este utila pentru calcularea valorii TLE in medii ce contin amestecuri moleculare si pentru care n_e este usor accesibil calculului.

Daca vom considera doua particule de aceeasi energie cinetica, una grea si alta usoara, prima va avea o viteza mai mica decat a doua. Din acest motiv particulele grele au un TLE mai mare decat cele usoare de aceeasi energie.

Privind din punctul de vedere a lungimii parcursului, particulele grele, pierzand mai multa energie pe unitatea de lungime, au parcursuri mai scurte, pe cand cele usoare strabat in mediu distante mai mari. Daca o particula are energie E si, pentru intreg parcursul de lungime d, are un TLE mediu, notat , aceste marimi se leaga cu relatia simpla:

In plus, particulele cu masa mare (alfa si protoni), nu ricoseaza la ciocnirile cu electronii, avand traiectorii rectilinii; pe cand cele usoare (electronii) dupa fiecare ciocnire cu un electron din mediu isi schimba directia, prezentand traiectorii sub forma unor linii frante.

Consecinte medicale

Particulele alfa (cu sarcina mare, z = +2, si masa mare m = 4 u.a.m.) prezinta un pericol redus in cazul iradierii externe, adancimea lor de patrundere nedepasind stratul cornos al epidermei. O astfel de particula cu energia de 5,3 MeV (Mega electron-Volti) are un TLE tisular mediu de 130 KeV/mm si patrunde la o profunzime de maximum 40 mm. Iradierea interna ce poate avea loc datorita absorbtiei digestive sau respiratorii a unor radionuclizi alfa-emitatori duce la iradieri importante ale celulelor vecine locului unde se fixeaza si se acumuleaza atomii radioactivi.

Protonii (z = +1 si m = 1 u.a.m.) se comporta aproximativ similar intrucat, conform formulelor precedente, au TLE de 16 ori mai mic iar lungimea traiectoriei de 16 ori mai mare.

Particulele beta (electroni cu z = -1 si m = ¹/1850 u.a.m.), datorita masei foarte mici au viteze extrem de mari, ceea ce conduce la valori de TLE foarte reduse, cu parcursuri in tesuturi mult mai lungi. Ele pot produce consecinte atat datorita iradierii externe cat si celei interne. La energii de zeci de MeV, particulele beta au parcursuri in tesuturi de 1 2 cm.

Interactiunea primara a neutronilor cu substanta

Neavand sarcina electrica, neutronii nu interactioneaza electrostatic cu componentele atomilor, fiind, prin sine, fara proprietati ionizante. Ei produc ionizari indirect, datorita interactiunilor cu nucleele atomice. Aceste interactiuni sunt difuziunea si captura neutronica.

Difuziunea neutronilor este consecinta fenomenului de ciocnire mecanica dintre acestia si nucleele atomilor, in urma caruia nucleele ciocnite (tintele) preiau parte din energia cinetica a neutronilor (proiectilele). In urma unei succesiuni de ciocniri, neutronul isi pierde progresiv energia cinetica. Cum in mediile biologice mai mult de jumatate de nuclee sunt de hidrogen, iar legile ciocnirilor elastice arata ca energia preluata de tinta creste cu scaderea masei acesteia, protonii de energie mare rezultati din cicniri vor fi principalii responsabili de producerea ionizarilor. Intrucat probabilitatea ciocnirii nucleelor este destul de mica, parcursurile neutromilor intre doua ciocniri sunt lungi, ceea ce explica marea lor putere de penetrare. Pe de alta parte, masele proiectilului (neutron) si tintei (proton) sunt aporoape egale iar neutronul ricoseaza dupa fiecare ciocnire, efectele ionizante fiind difuze. De exemplu, in apa, un neutron cu energia de 2 MeV si-o reduce la 1 eV dupa 18 ciocniri, in medie.

Captura neutronica este o reactie nucleara produsa de neutronii lenti, cu energii inferioare a 1KeV. In urma capturii rezuta un nucleu izotopic de masa superioara cu 1 u.a.m., care este in stare excitata. Dezexcitarea lui se produce prin emisia unei radiatii g. Schema generala a transformarilor este:

(radioactiv)

foton g

(stabil)

Fotonii g, sunt in continuare responsabili de ionizari prin mecanisme ce vor fi sumarizate in continuare.

Interactiunea fascicolelor de fotoni X si g cu substanta.

Daca un fascicol de radiatie X sau g, monocromatica (fotoni monoenergetici) strabate normal un strat de substanta, la iesire el se va gasi atenuat. Notand I_o intensitatea radiatiei incidente, I intensitatea celei emergente pe aceeasi directie, si cu x grosimea stratului se demonstreaza teoretic si se constata experimental ca atenuarea fascicolului respecta legea:

; e fiind baza logaritmilor, iar m coeficientul de atenuare lineara. Se mai constata ca m depinde atat de energia fotonilor cat si de natura materialului strabatut.

Proprietatile atenuante ale unui material fata de o radiatie cu fotoni de energie data se caracterizeaza prin grosimea de injumatatire (x ) care este grosimea stratului care reduce intensitatea radiatiei emergente la ^Io . Inlocuind in formula si logaritmand ambii membri ai egalitatii se obtine:

de unde rezulta relatia dintre grosimea de injumatatire si coeficientul de atenuare lineara:

Daca se vor face masuratori pe alte directii decat cea a fascicolului incident se vor gasi intensitati de radiatii diferite de zero pentru fotoni de energii mai mici sau pentru electroni accelerati. Aceasta arata ca interactiunile a radiatiilor X si g cu substanta sunt complexe, in urma acestora rezultand radiatii difuzate: unele imprastiate iar altele secundare. Inseamna ca reducerea intensitatii fascicolului (atenuarea lui) are loc atat prin absorbtia energiei lui de catre substanta cat si prin difuzia energiei pe alte directii si sub alte forme decat cele ale fotonilor fascicolului incident. Energia transportata de fascicolul incident (Winc) se va regasi integral, distribuita intre cea a fascicolului emergent (Wemg), energia absorbita de substanta strabatuta (Wabs, transferata mediului) si energia radiatiei difuzate (Wdif). Ultimele doua reduc intensitatea (energia) fascicolului emergent si, cu cat reprezinta o fractiune mai mare din aceasta, coeficientul de atenuare lineara (m) are valoarea mai mare.

Desi sunt mai multe tipuri de interactiuni care reduc intensitatea fascicolelor de fotoni X si g, de importanta practica sunt numai trei: efectul fotoelectric, efectul Compton si generarea de perechi (efectul de materializare).

Efectul fotoelectric se manifesta prin absorbtia integrala a energiei unui foton de catre un electron al unui atom. Energia lui se distribuie integral intre energia necesara extractiei din atom si energia cinetica a electronului expulzat (fotoelectronului). In acest caz, efectele ionizante se datoresc fotoelectronilor, care se comporta similar radiatiei b. Energia lor va fi absorbita de mediul strabatut. Pe de alta parte, atomii excitati prin expulzarea unui electron din paturile inferioare revin in stare fundamentala prin tranzitii ale celor din paturile superioare. Astfel de tranzitii sunt responsabile de emisia unor radiatii secundare de fluorescenta (X in cazul atomilor grei sau UV in cazul celor usori). Energia radiatiilor astfel difuzate este, in general, neglijabila.

Atenuarea prin efect fotoelectric a fascicolului se descrie cantitativ prin coeficientul de atenuare lineara m_f , care creste cu probabilitate producerii efectului. Aceasta depinde pronuntat de energia fotonilor incidenti si de natura atomilor tinta. Efectul fotoelectric este deosebit de important in cazul fotonilor de energii reduse care strabat materiale ce contin elemente grele.

Aplicatiile practice ale efectului fotoelectic se regasesc in alegerea si constructia filtrelor pentru realizarea imaginilor radiografice. Intrucat nu sunt potrivite explorarii radiologice de profunzime, radiatiile cu fotonii de energii mici (sub 50 KeV) sunt atenuate in fasciculele policromatice emise de tuburile Röentgen cu filtre din cupru. Pe de alta parte, contrastul optim al imaginilor radiografice se obtine in domeniul 60 120 KeV, unde efectul fotoelectric inca este manifest.

Efectul Compton apare la ciocnirea dintre un foton si un electron (considerat liber sau slab legat). Rezulta un electron de recul, care primeste o parte din energia fotonului incident si un foton difuzat, cu energie (si frecventa) mai mici decat a celui incident. Acest efect este semnificativ ca importanta cand energiile de legare a electronilor in atom pot fi considerate neglijabile fata de energiile fotonilor incidenti. In urma ciocnirii, energia fotonului incident se regaseste in energia transferata electronului de recul si energia fotonului difuzat. Electronii de recul au energii suficiente pentru a produce ionizari similare razelor beta, iar fotonii difuzati, in functie de energia pe care o mai au, pot produce fie alte efecte Compton fie efecte fotoelectrice.

Daca in cazul efectului fotoelectric aproape intreaga energie pierduta de fascicolul incident este transferata substantei absorbante, in cazul efectului Compton o parte este emisa de substanta traversata sub forma de radiatie imprastiata sub unghiuri mari fata de cea incigenta. In mediul biologic, energia radiatiei difuzate (Wdif) este de 4 5 ori mai mare decat energia transferata electronilior si absorbita (Wabs) in zona strabatuta de fascicol. Ca urmare, efectele iradierii prin radiatia imprastiata se vor manifesta pana departe de zona tintita de fascicolul incident.

Atenuarea fascicolului incident se caracterizeaza cantitativ printr-un coeficient de atenuare lineara pe care-l vom nota m_C. Acesta scade lent odata cu cresterea energiei fotonilor dar creste exprimat odata cu numarul de electroni din unitatea de volum (densitatea materialul). Astfel se explica proprietatile absorbante deosebite ale metalelor grele, cum este plumbul.

Geanerarea de perechi are loc atunci cand un foton de energie inalta traverseaza campul electrostatic al unui nucleu. Daca acest camp este destul de intens, energia fotonului se "materializeaza", prin aparitia unui electron (e ) si a unui pozitron (e⁺, antiparticula electronului). Materializarea nu poate avea loc decat daca energia fotonului depaseste de doua ori energia de repaus a unui electron (0,511 MeV). Pragul teoretic al energiei fotonului este hn > 2^. 0,511 = 1,022 MeV. In practica, atenuarea prin generare de perechi depaseste in amploare celelalte fenomene la energii cu mult mai mari, neantalnite in practica medicala, (5 MeV pentru plumb si 25 MeV pentru apa si carbon).

Diferenta dintre energia fotonului si cea necesara materializarii, este regasita ca energie cinetica a electronului si pozitronului. Aceasta energie este absorbita de mediu (Wabs), prin ionizari similare celor produse de radiatia b.

Spre deosebire de electron, viata pozitronului este scurta. Dupa incetinirea responsabila de ionizari, la intalnirea unui electron, perechea pozitron - electron sufera reactia de anihilare, energia particulelor transformandu-se in doua cuante g, fiecare cu hn = 0,511 MeV. Aceste cuante sunt emise pe o directie oarecare, in sensuri opuse, si intra in componenta energiei difuzate (Wdif). Fotonii de anihilare pot produce, in alte zone decat cea supusa iradierii primare, efecte fotoelectrice sau, mai ales, Compton.

Daca ne referim numai la pierderea de energie a fascicolului incident prin generarea de perechi, aceasta se caracterizeaza prin coeficientul de atenuare lineara m_p. Pierdere se datoreste in special absorbtiei de catre mediu, energia fotonilor difuzati fiind o fractiune redusa din cea a fotonilor ce a generat perechea.

Coeficientul global de atenuare lineara va fi suma celor trei, corespunzatoare fiercaruia dintre efecte:

m = m_f + m_C + m_p

Contributia independenta la scaderea energiei radiatiei incidente depinde de energia fotonilor si de mediul strabatut. In apa, fasciculele de fotonii cu diferite energii sunt atenuati dupa cum urmeaza:

hn < 50 KeV -------> predomina efectul fotoelectric

50 KeV < hn < 20 MeV -------> predomina efectul Compton

hn > 20 MeV -------> predomina generarea de perechi

Indiferent de efectul considerat, radiatiile X si g, prin natura lor au proprietati ionizante directe slabe. Ionizarile importante sunt indirecte si se datoresc electronilor accelerati care rezulta in urma fiecaruia din cele trei efecte discutate mai sus.