PHYSICAL BASIS OF NUCLEAR PHYSICS

Ядра атомов естественных и искусственных радиоактивных элементов в отличие от стабильных нерадиоактивных находятся в состоянии неустойчивого равновесия. Такие ядра неизбежно претерпевают структурную перестройку. The nuclei of atoms of natural and artificial radioactive elements in contrast to the stable non-radioactive are in a state of instable equilibrium. Such nuclei inevitably undergo restructuring. Распад радиоактивных изотопов сопровождается испусканием из ядра элементарных частиц (электроны, позитроны, а- частицы) и превращением в другое радиоактивное или стабильное вещество. The decay of radioactive isotopes is accompanied by the emission from the nucleus of elementary particles (electrons, positrons, alpha particles) and transformation to other stable or radioactive substance. При выходе из ядра элементарных частиц испускается квант электромагнитного у-излучения. The quantum of electromagnetic radiation is emitted from the nucleus of elementary particles on its leaving.

Скорость распада ядер зависит от их строения и поэтому не может быть изменена. The decay rate of nuclei depends on their structure and therefore cannot be changed. AnСредняя продолжительность, в течение которой атомы существуют до распада, является строго определенной величиной. average duration, during which the atoms exist before the collapse, is a strictly defined quantity. Интенсивность распада в каждый данный момент пропорциональна числу атомов данного радиоактивного вещества; но мере уменьшения числа неустойчивых атомов интенсивность распада уменьшается. Время, в течение которого распадаются все неустойчивые атомы, называется периодом распада. The intensity of the collapse at any given moment is proportional to the number of atoms of a radioactive substance, but as the number of unstable atoms decreases the decay rate decreases as well. The time, at which all the unstable atoms disintegrate, is called the period of decay. Для каждого изотопа этот период строго определенный.That period is strictly defined for each isotope. Обычно при характеристике изотопа указывается время полураспада, в течение которого распадается половина радиоактивного вещества. Typically, when characterizing the isotope the half-time, during which half of the radioactive substance decays, is indicated. Элементарные частицы и у-кванты, испускаемые при распаде радиоактивных элементов, представляют собой излучения, которые применяются с лечебной целью. Elementary particles and y-quanta, emitted within the decay of radioactive elements which constitute the radiation, are used for therapeutic purposes.

Ионизирующими называют излучения, которые при взаимодействии со средой, в том числе с тканями живого организма, превращают нейтральные атомы в ионы (частицы, несущие отрицательный или положительный электрический заряд). Ionizing radiation is the radiation, which in interaction with the environment, including the tissues of a living organism, turns neutral atoms into ions (particles carrying a negative or positive electric charge).

Ионизирующие излучения подразделяются на корпускулярные и фотонные (квантовые). К корпускулярным излучениям относятся потоки заряженных частиц - электронов, позитронов, протонов, нейтронов, дейтронов, ос-частиц. Фотонные излучения - это потоки квантов, не имеющих заряда, энергия которых определяется их частотой или длиной волны. Ionizing radiation consists of the corpuscular and photon (quantum). Streams of charged particles - electrons, positrons, protons, neutrons, deuterons, alpha particles belong to corpuscular radiation. Photonic radiations are streams of photons, without a charge, the energy of which is determined by their frequency or wavelength.

Фотонные ионизирующие излучения включают у- излучение радиоактивных изотопов, характеристическое и тормозное излучения, генерируемые ускорителями электронов. Photonic ionizing radiations include y-rays of radioactive isotopes, the characteristic and bremsstrahlung radiation generated by electron accelerator.

Механизмы взаимодействия фотонных и корпускулярных излучений с веществом неодинаковы, но итог взаимодействия сходен - ионизация среды распространения. The mechanisms of an interaction between photon and corpuscular radiation with a substance differ, but the result of the interaction is similar, the ionization of the area of distribution occurs.

Корпускулярные ионизирующие излучения Положительно заряженные частицы Corpuscular ionizing radiation

Positively charged particles

а- излучение представляет собой поток ядер гелия, несущих два положительных заряда. Alpha-radiation is a stream of helium nuclei, carrying two positive charges. Так как масса а- частиц значительна по сравнению с массой электронов атомов, с которыми они соударяются, то траектория а- частиц прямолинейна. Since the mass of alpha-particles is significant as compared with the mass of the electrons of the atoms with which they collide, the trajectory of a-particles is straightforward. Вследствие большого заряда и малой скорости а-частицы весьма интенсивно взаимодействуют с электронами поглощающего материала; быстро расходуя свою энергию, они успевают пройти очень малое расстояние. Because of the high charge and low velocity alpha-particles interact with the electrons of the absorbing material very intensively; expending their energy quickly, they manage to pass a very small distance. В тканях человека а-частицы поглощаются на глубине 50 мкм, в воздухе их пробег равен 7-12 см. Это определяет относительно малую радиационную опасность а-частиц при наружном облучении. In human tissues and particles alpha-particles are absorbed at a depth of 50 microns, in the air their range is 7.12 cm. This defines a relatively small radiation danger of alpha-particles at external irradiation.

Протонные пучки. Как и а-частицы, характеризуются наибольшими массой и зарядом по сравнению с другими видами ионизирующих излучений. Их траектории также прямолинейны. Proton beams. As alpha –particles, they are characterized by the greatest mass and charge as compared with other types of ionizing radiation. Their trajectory is also straightforward.

Основными преимуществами использования протонных пучков в лучевой терапии являются формирование не расходящихся пучков и возможность подведения необходимого количества энергии на заданную глубину. При этом ткани, расположенные за пределами пучка, практически не повреждаются. The main advantages of using proton beams in radiation therapy are the formation of not divergent beams and the possibility of summing up the required amount of energy at a given depth. Thus the tissues outside the beam are almost not damaged.

Отрицательно заряженные частицы Negatively charged particles

β- излучение представляет собой поток электронов и позитронов, возникающий в результате внутриядерных превращений нейтронов и протонов. Beta-radiation is a stream of electrons and positrons resulting from intranuclear reactions of neutrons and protons.

В отличие от а-частиц р-частицы характеризуются непрерывным энергетическим спектром. Путь электрона в веществе извилист, поскольку он обладает малой массой и легко изменяет направление вследствие соударения с электронами атомов. Unlike alpha-particles beta-particles are characterized by a continuous energy spectrum. The path of an electron in a substance is tortuous, because it has a low weight and changes the direction easy due to collisions with electrons of the atoms. Поэтому начальный пучок электронов в тканях имеет тенденцию к расхождению (рассеяние электронов). При торможении быстрых электронов в поле ядра атомов возникает тормозное фотонное излучение. Therefore, the initial beam of electrons in the tissue has a tendency to divergence (the scattering of electrons). During the fast electrons braking the bremsstrahlung photon radiation arises in the field of atomic nuclei.

Вследствие большой скорости проникающая способность Р-частиц выше, чем у а-частиц. As the result of the high rate the penetration capacity of beta-particles is higher than that of alpha-particles. В воздухе она составляет около 10 м, в мышечных тканях - 10 мм. It is about 10 m in the air, and 10 mm Р- активные препараты используются при лечении злокачественных опухолей, локализация которых позволяетin muscle tissues. Beta-active drugs are used in the treatment of malignant tumors, the localization of which обеспечить непосредственный контакт с этими препаратами. Реже они используются с целью диагностики.provides the direct contact with these drugs. Less often they are used for diagnosis.

С помощью современных ускорителей создаются электронные пучки высоких энергий (до 15-50 МэВ), обладающие большой проникающей способностью. By means of modern accelerators high-energy electron beams with great penetrating power (up to 15-50 MeV) are generated. Средняя длина свободного пробега таких электронов может достигать в тканях человеческого организма 10-20 см.The average length of free path of these electrons can reach the concentration in the tissues of human body at about 10-20 cm.Электронный пучок, поглощаясь в тканях, создает дозное поле, отличающее этот вид излучения от других. The electron beam is absorbed in the tissues, and creates the dose field, which distinguishes this form of radiation from the others. Максимум ионизации при этом образуется вблизи поверхности тела. Thus maximum ionization is formed near the surface of the body. Размеры зоны максимума ионизации находятся в прямой зависимости от величины энергии излучения. The dimensions of the zone of maximum ionization are directly dependent on the dose of radiation energy. За пределами максимума происходит довольно быстрый спад дозы.A fairly rapid decline in dose occurs beyond the maximum limits of radiation.

Электронный пучок с энергией до 5 МэВ используется при лечении поверхностных злокачественных новообразований, с энергией от 20 до 50 МэВ - более глубоко расположенных. An electron beam with energy up to 5 MeV is used for treatment of superficial malignant tumors; a beam with energy from 20 to 50 MeV is applied for more deep-seated ones. Современные ускорители дают возможность плавно регулировать энергию пучка электронов и тем самым создавать требуемую дозу на любой глубине. Modern accelerators make it possible to smoothly adjust the energy of the electron beam and thereby create the required dose at any depth.

Таким образом, все заряженные частицы в результате их электростатического взаимодействия с электронами облучаемого вещества приводят к непосредственной прямой ионизации его атомов и молекул.Thus, all the charged particles resulting from their electrostatic interaction with the electrons of the irradiated material lead to the immediate direct ionization of its atoms and molecules.

Поиск по сайту: