Аналогичным образом вызывают ионизацию и заряженные корпускулярные излучения, длина пробега которых увеличивается с энергией и уменьшается с массой частиц. Нейтроны из-за отсутствия электрического заряда беспрепятственно проникают в глубь атомов, и, сталкиваясь с их ядрами, либо поглощаются ими, либо отталкиваются от них, подобно бильярдным шарам. При таком упругом рассеянии образуются сильно ионизирующие протоны большой энергии, а при поглощении нейтронов атомными ядрами из последних вылетают протоны, α-частицы и у-кванты, которые также производят ионизацию. Таким образом, и при нейтронном облучении конечный биологический эффект связан с ионизацией, производимой опосредованно вторичными частицами или у-квантами. При упругом рассеянии на ядрах углерода, азота, кислорода и других элементов, входящих в состав тканей, нейтрон теряет лишь около 10% энергии, а при столкновении с почти равными с ним по массе ядрами водорода протонами энергия нейтрона уменьшается почти втрое, передаваясь протону отдачи (рис. 3). Поэтому вещества, содержащие много водорода, графит, вода, парафин используют для защиты от нейтронного излучения, так как в них нейтроны быстро растрачивают свою энергию и замедляются. Если энергии ионизирующих излучений не хватает для отрыва электрона, т. е. для ионизации, то такие кванты поглощаются атомами и приводят их в возбужденное состояние.
Рис. 3. Взаимодействие быстрого нейтрона с атомом водорода вещества. Часть энергии нейтрона передается в виде кинетической энергии протону отдачи, а сам нейтрон остается с меньшей энергией, постепенно замедляется и затем поглощается в одном из ядер атомов вещества
Кроме длины пробега, остальные различия между отдельными видами ионизирующих излучений сводятся к пространственному распределению вызываемых ими актов ионизации. Энергию, теряемую фотоном или частицей на единице их пути, называют линейной потерей, или передачей энергии (ЛПЭ). За
единицу ЛПЭ принимают количество энергии (в кэВ) излучения, расходуемой при прохождении им 1 мкм в воде. В зависимости от этой величины все ионизирующие излучения делят на редко- и плотноионизирующие. К редкоионизирующим обычно относят электромагнитные излучения и электроны, а к плотноионизирующим нейтроны, дейтроны и более тяжелые заряженные частицы.
Однако это деление достаточно условное, так как ЛПЭ связана не с физической природой или массой частицы, а зависит от скорости ее полета. В современных мощных ускорителях тяжелые заряженные ядерные частицы разгоняют до огромных скоростей и энергий, в результате чего они могут ионизовать даже слабее, чем электроны, и их, конечно, следует рассматривать как редкоионизирующие излучения, как, впрочем, и космические лучи, состоящие в основном из протонов и тяжелых ядер. Поэтому к редкоиони-зирующим следует относить все виды излучений независимо от физической природы, имеющие ЛПЭ 10 кэВ/мкм, а к плотноионизирующим превышающие эту величину. В конце пробега отдача энергии всякой заряженной частицы максимальна, что приводит к характерному распределению ионизаций, описываемому известной кривой Брэгга, с конечным максимумом пиком Брэгга (рис. 4). Эта особенность взаимодействия тяжелых ядерных частиц используется, как мы увидим далее, при лечении опухолей, так как позволяет сосредоточить на глубине значительную энергию при ее максимальном рассеянии в здоровых тканях по ходу пучка.
В отличие от заряженных частиц кванты электромагнитного излучения проходят мимо многих атомов, не притягиваясь ими, и, как мы теперь уже знаем, лишь случайно, столкнувшись с одним из них, вышибают орбитальный электрон. Поэтому ионы на пути движения кванта появляются очень редко, а проникающая способность, т. е. длина пробега, электромагнитных излучений велика.
Рис. 4. Кривая Брэгга α-частицы
Биологический эффект прежде всего связан с количеством поглощенной энергии, т. е. с дозой излучения. Оценку дозы производят различными физическими и химическими методами. Самое общее представление о падающей энергии излучения может быть получено измерением количества энергии, освобождаемой источником излучения за время облучения в объекте. Чаще всего измеряют так называемую экспозиционную дозу, под которой понимают ионизирующую способность излучения в воздухе. Единицей ее измерения для электромагнитного излучения служит 1 рентген (Р). При дозе 1 Р электроны, освобожденные γ-квантами из 1 см3 воздуха, создают 2,08-109 пар ионов; энергетическим эквивалентом рентгена является величина, равная 0,88-10~2 Дж/кг. Для всех других видов ионизирующих излучений единицей дозы служат производные 1 Р, учитывающие относительную биологическую эффективность данного вида излучения.
Итак, фотоны и ядерные частицы, беспрепятственно ворвавшись внутрь молекул и атомов, превращают одни из них в ионы, а другие приводят в возбужденное состояние. Результаты этой «молекулярной катастрофы» незамедлительно сказываются на дальнейшей судьбе облученных клеток, тканей и организмов. Нам еще предстоит не только рассмотреть все последующие акты драмы, но и увидеть, как она может быть использована на благо человеку. Сейчас, однако, предпримем путешествие в обители физиков, до недавнего времени считавшиеся священными, а теперь широко открытые их любезными хозяевами для биологов и медиков.