Этапы развития радиационного поражения

Принято считать, что процесс биологического воздействия ионизирующих излучений на живые структуры включает три этапа: физический, радиохимический и биологический.

Физический этап, длящийся всего 10 ^-11 - 10 ^-13 сек, включает в себя чисто физические явления взаимодействия энергии излучения с веществом, приводящие в итоге к одному из нестабильных состояний атомов и молекул: их ионизации или возбуждению. В зависимости от энергии кванта различают три вида взаимодействия его с веществом. При энергии кванта в 100 кэВ она полностью поглощается электроном, который выбивается, образуя два иона. Кинетическая энергия выбитого электрона, по существу, равна энергии кванта, за вычетом энергии связи данного электрона с орбитой. Такой процесс называется фотоэффектом и он характерен для мягкого рентгеновского излучения.

Как уже указывалось выше (глава 1, раздел 1.3.) энергия кванта от 1 до 10 МэВ вызывает комптоновский эффект. В 1920 г. в Кавендиш-

ской лаборатории (Кембридж) американский физик Артур Комптон начал исследовать рассеяние и поглощение рентгеновских лучей.

В 1922 г. им был открыт эффект изменения

длины волны рентгеновских лучей, рассеивае-

мых электронами и выдвинута его теория на

А. Комптон (1892-1962) основе представления о свете как о потоке фотонов. При этом происходит как бы упругое столкновение между фотоном излучения и выбиваемым электроном атома, которому передается лишь часть энергии кванта. Оставшаяся часть энергии, образующая в результате взаимодействия кванта с веществом, вылетает под определенным углом из атома. Вылетевший квант разной энергии может в дальнейшем взаимодействовать с веществом.

Он также обнаружил явление полного внутреннего отражения рентгеновских лучей от зеркальной поверхности стекла и металлов. За свои выдающиеся исследования в области физики А.Комптон в 1927 г. был удостоен Нобелевской премии «за открытие эффекта, названного его именем». Представляя лауреата, Кай Сигбан из Шведской королевской академии наук отметил, что эффект Комптона «ныне настолько важен, что в будущем ни одна атомная теория не может быть принята, если она не согласуется с ним и не следует законам, установленным его первооткрывателем».

И, наконец, третий вид взаимодействия с веществом связан с образованием в поле атомного ядра пары: электрон-позитрон. Этот эффект возникает при воздействии излучений с энергией, превышающей 1,02 МэВ. Энергии позитрона и электрона затем соединяются, порождая два γ- кванта с энергией

0,51 МэВ каждый. Такой процесс взаимодействия кванта с веществом называется, как мы уже знаем, аннигиляцией.

Таким образом, в зависимости от энергии падающего излучения преобладает тот или иной вид его взаимодействия с веществом. В большинстве случаев при облучении биологических объектов энергия используемого излучения находится в диапазоне 0,2-2 МэВ. Поэтому наибольший вклад вносит поглощение энергии путем комптоновского эффекта.

Механизм передачи энергии всех заряженных частиц один и тот же. При прохождении через вещество заряженная частица теряет свою энергию, вызывая ионизацию и возбуждение атомов до тех пор, пока общий запас энергии уменьшится до такой степени, что частица теряет ионизирующую спо­собность и обычно захватывается каким-либо атомом с образованием иона.

При ионизации молекул воды и различных органических и неорганических соединений образуются ионы и свободные радикалы.

Радиохимический этап начинается с момента образования в облученных клетках активных радикалов и перекисей, которые активно вступают в химические реакции с ненарушенными молекулами других веществ клетки.

В ходе третьего - биологического - этапа действия радиации на живую клетку происходят различные радиационно-химические изменения в субстрате клеток, приводящие к изменению проницаемости мембран, цепным ферментативным процессам, нарушению синтеза АТФ, образованию радиотоксичных веществ. Это приводит к серьезным и часто необратимым изменениям структуры и функций всех клеточных органоидов, включая само ядро.