Механізм взаємодії іонізуючого випромінювання з речовиною
Що стосується рентгенівського проміння, то механізм його взаємодії з речовиною розглянутий в параграфі 8.1.4. Розглянемо особливості взаємодії  - і  - частинок з речовиною.
Дія іонізуючого випромінювання на речовину приводить до:
збудження атомів і молекул;
іонізації або рекомбінації атомів і молекул;
появи нового випромінювання;
виникнення нових радіонуклідів.
В ядерній фізиці розрізняють іонізаційні і радіаційні витрати. Іонізаційні витрати залежать від виду частинки, її енергії, властивостей середовища: густини і товщини шару речовини, з якою вони взаємодіють. Частинки, які мають велику швидкість, іонізують речовину слабо, так як вони не встигають передати свою енергію навколишнім електронам. Навпаки, при малій швидкості частинки проводять сильну іонізацію. Частинки, які мають велику масу, мають дуже малий пробіг.
Існують деякі особливості проходження електронів через речовину. Вони пов’язані з тим, що з усіх заряджених частинок у них найменша маса. Електрони малої енергії при зіткненні з електронами, а тим більше з ядрами атомів середовища, часто сильно змінюють напрям свого руху, а в той же час важкі частинки при зустрічі з електронами не змінюють свого напряму. Якщо товщина шару менша довжини пробігу важких частинок в речовині, то із нього практично виходять всі частинки, які попадають в речовину. При товщині шару більшій за довжину пробігу, важкі частинки зовсім не виходять із нього. Якщо електрони володіють великою енергією, то згідно теорії відносності, їх маса збільшується і вони ведуть себе подібно до важких частинок.
Розглянемо особливості взаємодії , - частинок і  - випромінювання з речовиною.
Альфа-частинки з енергією 1 МеВ здатні іонізувати середовище і проникають в організм на малу глибину (10 100) мкм. Пролітаючи через речовину, - частинки гублять свою енергію, затрачаючи її на іонізацію атомів і молекул речовини. В кінці кінців - частинка захоплює два електрони і перетворюється в атом гелію. Альфа-частинки повністю поглинаються, наприклад, шаром алюмінію товщиною 0,06 мм або шаром біологічної тканини чи листком паперу.
Для утворення однієї пари іонів у повітрі необхідно затратити енергію 31еВ. Таким чином, - частинка утворює на своєму шляху 105 пар іонів/м.
Альфа-частинки згубно діють на організм.
Бета-частинки володіють меншою іонізуючою здатністю, але більшою проникністю у повітрі, яка сягає 10-15 мм при тій же енергії.
Пробіг - частинок великої енергії в повітрі – 40 мм, в алюмінії – 2 см, а в біологічних тканинах приблизно 6 см. Захиститися від - частинок можна металевими або пластмасовими листами, відповідної товщини.
Гама-промені поглинаються атомами речовини і вибивають із них електрони, які потам приймають участь в іонізації. Взаємодія - квантів великої енергії (0,0210 МеВ) приводить до фотоефекту, комптон-ефекту і утворення пари позитрон-електрон.
Гама промені мають найбільшу проникну здатність. Жорсткі - промені проходять через свинець товщиною 5 см або шар повітря товщиною в декілька сот метрів, пронизують все тіло людини.
Іонізуюча здатність - променів невелика; в повітрі утворюється 100 пар іонів (в середньому 1-2 іона на 1 см пробігу).
Що стосується взаємодії нейтронного випромінювання з речовиною, то слід відмітити, що у зв’язку з відсутністю заряду первинна іонізуюча здатність потоку нейтронів низька, проникна – відповідно висока. В результаті взаємодії нейтронів з ядрами атомів утворюються заряджені частини і - випромінювання. Іонізуючий ефект від дії нейтронів на речовину є наслідком вторинних процесів. При співударі нейтронів з ядрами атомів може проходити пружне розсіювання і захоплення нейтронів ядром (радіаційне захоплення). При пружному співударі, особливо з ядрами легких елементів, нейтрони передають частину кінетичної енергії. Ядро, яке називається ядром віддачі, за рахунок одержаної енергії викликає вторинну іонізацію. Так як тканини організму містять багато води, то нейтрони можуть викликати значну іонізацію в тканинах організму.
Взаємодія заряджених частин (і ) з речовиною кількісно оцінюється такими характеристиками:
а) лінійна густина іонізації – це відношення числа  іонів одного знаку утворених зарядженою іонізуючою частиною на елементарному шляху  до цього шляху:
б) лінійна гальмівна здатність речовини  - це відношення енергії  , яка втрачається зарядженою частиною при проходженні елементарного шляху в речовині до довжини цього шляху: 
в) середній лінійний пробіг частини  зарядженої частини – це середнє значення віддалі між початком і кінцем пробігу зарядженої іонізуючої частини в даній речовині. Коли швидкість іонізуючої частини приблизно буде дорівнювати швидкості теплового руху, то вона втрачає свою активність.
Основи квантової біофізики
Елементи квантової механіки
Хвильові властивості частинок. Гіпотеза де Бройля.
Фізика атомів, молекул, атомних ядер і елементарних частинок вивчається в квантовій механіці. Об’єкти мікросвіту, що вивчаються квантовою механікою мають лінійні розміри порядку  . Якщо частинки рухаються з швидкостями  , де  - швидкість світла в вакуумі, то використовується нерелятивістська квантова механіка, при  - релятивістська квантова механіка.
В основі квантової механіки лежать наступні уявлення:
В1900 р. М.Планк, вивчаючи випромінювання чорного тіла, прийшов до висновку про те, що при випромінюванні енергія віддається тілом в чітко визначеній кількості, яку він назвав квантом енергії.
В 1905 р. А.Ейнштейн, вивчаючи фотоефект, ввів в фізику уявлення про те, що електромагнітне поле має дискретну структуру і що енергія світлових хвиль сконцентрована в просторі певними порціями - квантами. Так склалось нове уявлення про частинки світлової хвилі - фотони, які випромінюються і поглинаються речовиною як єдине ціле.
В 1913р. Н. Бор, використовуючи розроблену Розенфордом планетарну модель атома, ввів уявлення про енергетичні рівні атома. Квантові умови руху електрона і на цій основі пояснив закономірності лінійчатих спектрів.
В 1923 р. А Комптон, вивчаючи розсіювання рентгенівських променів на атомах речовини, встановив, що воно підлягає законам пружного удару, а значить фотон володіє імпульсом, певної величини. Таким чином було встановлено, що крім хвильових, фотон має також і корпускулярні властивості. Досліди Комптона показали, що довжина хвилі  розсіяного випромінювання більша за довжину хвилі  падаючого випромінювання, причому різниця  залежить від кута розсіювання:
-
|
(7.1)
|
Основу квантової механіки складає ідея про те, що хвильово-корпускулярний дуалізм, встановлений для світла, має універсальний характер. Вперше ця ідея була висловлена французьким фізиком Луї де Бройлем в 1924р. Всі частинки які мають певний імпульс  , володіють хвильовими властивостями, а їх рух супроводжується деяким хвильовим процесом.
Формула для імпульсу фотона:
 ,
|
(7.2)
|
Була використана для інших частинок масою m, які рухаються зі швидкістю 
 ,
|
|
звідки 
|
(7.3)
|
де  – стала Планка ( Дж с).
Хвилі, про які йде мова, називаються хвилями де Бройля.
Рис. 7.1
Формула де Бройля експериментально підтверджується дослідами по розсіюванню електронів і других частинок на кристалах і по проходженню частинок через речовини. Ознакою хвильового процесу в цих дослідах є дифракційна картина розподілу електронів (частинок).
Дифракція електронів. Поняття про електричний мікроскоп
Формулу де Бройля експериментально підтвердили в дослідах К.Девісон і Л.Джермер (1927р.), які спостерігали розсіювання електронів монокристалом нікелю. Згодом Г.Томпсон і С.Тартаковський спостерігали дифракцію електронів на металічній фользі(товщиною  см) (полікристалічне тіло). На рис. 7.1 зображено фотографію дифракційної картини пучка електронів, що пройшов через золоту фольгу. Користуючись такими фотографіями Томпсон перевірив формулу де Бройля і підтвердив її справедливість.
Хвильові властивості електрона можна використовувати не тільки для дифракційного структурного аналізу, але і для отримання збільшених зображень предметів. Електронний мікроскоп і його елементи по своєму призначенню аналогічні оптичному мікроскопу. Роздільна відстань оптичного мікроскопа:
 ,
|
(7.4)
|
де - довжина хвилі;
 - показник заломлення;
 - апертурний кут.
Для електронного мікроскопа:
|
(7.5)
|
де  - прискорюючи напруга, і роздільна здатність
|
(7.6)
|
Як бачимо роздільна відстань залежить від прискорюючої напруги і можна добитися, щоб вона була значно менша ніж у оптичного мікроскопа ( в сотні раз менше).
Хвильові властивості не проявляються у макроскопічних тіл. Довжини хвиль де Бройля для таких тіл настільки малі, що виявити їх неможливо.
Хвильова функція та її фізичний зміст. Співвідношення невизначеностей
Так як з мікрочастинкою співставляють хвильовий процес, який відповідає її рухові, то стан частинки в квантовій механіці описується хвильовою функцією, залежною від координати і часу:  .
Інтенсивність хвиль де Бройля визначається величиною квадрата модуля хвильової функції  .
З дослідів по дифракції електронів випливає, що інтенсивність хвиль у певній точці простору визначає число електронів, що потрапили в цю точку за 1 с. Це стало основою для своєрідного імовірнісного тлумачення хвиль де Бройля. Ймовірність того, що частинка знаходиться в елементі об’єму  , пропорційна і елементу об’єму
Величина є густиною ймовірності
і задає ймовірність перебування частинки в даній точці простору.
|
(7.7)
|
В квантовій механіці існують обмеження в можливостях одночасного визначення координати частинки і величини її імпульсу. Ці обмеження пов’язані з хвильово – корпускулярним дуалізмом мікрочастинок. Гейзенберг показав, що чим точніше визначена одна з двох змінних величин, які визначають стан мікрочастинки, тим з меншою точністю може бути визначена друга з них і навпаки. Добуток похибок, з якими визначаються ці величини, не може бути менше сталої Планка  . Наприклад, якщо координата х частинки визначена з похибкою  , то імпульс частинки  визначається з похибкою  , більший, або рівний сталій Планка:
|
(7.8)
|
Аналогічне співвідношення є для при визначенні енергії  і часу  , на протязі якого частинка має цю енергію:
 .
|
(7.9)
|
В квантовій механіці дію на об’єкти в процесі вимірювання не можна вважати малою або несуттєвою – стан об’єкту при вимірюванні змінюється. Наприклад, для визначення положення електрона його необхідно “освітити” світлом можливо більш високої частоти. В результаті співудару електрона з фотоном імпульс електрона зміниться на величину: .
|
