2) всегда меньше энергии межмолекулярных и внутримолекулярных связей
3) имеет большую величину энергию межмолекулярных связей и меньшую величину энергии внутримолекулярных связей
4) имеет меньшую величину энергию межмолекулярных связей и большую величину энергии внутримолекулярных связей
Ионизирующим называют излучение, энергия кванта или частицы которого достаточна для удаления электрона из атома либо молекулы с образованием ионной пары. Для фотонов эта энергия определяется соотношением E = hν, а для корпускулярного излучения — кинетической энергией частицы. Поскольку межмолекулярные взаимодействия и большинство внутримолекулярных связей требуют меньших энергетических затрат, энергия ионизирующего излучения превышает энергию их разрушения, что соответствует варианту 1.
Энергия межмолекулярных связей, включая водородные и ван-дер-ваальсовы взаимодействия, обычно составляет доли электронвольта, а энергия ковалентных и ионных внутримолекулярных связей — несколько электронвольт. Для ионизации атомов и молекул, как правило, необходима энергия порядка 10–25 эВ и выше. Рентгеновские и гамма-кванты имеют энергию от нескольких килоэлектронвольт, альфа-частицы и быстрые электроны — обычно от десятков килоэлектронвольт до мегаэлектронвольт, поэтому способны вызывать ионизацию в биологических тканях.
Ионизация приводит к образованию свободных электронов, возбужденных молекул и реакционноспособных радикалов. Повреждение клеток реализуется как непосредственно, например при разрыве химических связей в ДНК, так и косвенно — через радиолиз воды с формированием гидроксильных радикалов и других активных форм. Способность излучения вызывать ионизацию является энергетическим критерием, тогда как выраженность биологического эффекта дополнительно зависит от дозы, мощности дозы, линейной передачи энергии и радиочувствительности тканей.
| Объект или вид воздействия | Ориентировочная энергия | Основной физико-химический процесс | Биологическое значение |
|---|---|---|---|
| Межмолекулярные взаимодействия | Примерно 0,01–0,5 эВ | Изменение пространственной ориентации, разрыв слабых взаимодействий | Нагрев, изменение конформации и свойств биомолекул |
| Внутримолекулярные ковалентные и ионные связи | Обычно около 1–10 эВ | Возбуждение молекулы или диссоциация химической связи | Химическая модификация молекул, потенциальное повреждение ДНК |
| Энергия ионизации атомов и молекул | Чаще 10–25 эВ и выше | Удаление электрона и образование ионной пары | Ключевой критерий ионизирующего действия |
| Ультрафиолетовое излучение ближнего диапазона | Около 3–6 эВ | Электронное возбуждение и фотохимические реакции | Фотохимическое повреждение кожи; обычно не вызывает прямой ионизации |
| Рентгеновское и гамма-излучение | От килоэлектронвольт до мегаэлектронвольт | Фотоэффект, комптоновское рассеяние, образование вторичных электронов | Ионизация тканей и повреждение генетического материала |
| Заряженные корпускулярные частицы: альфа-частицы, протоны, электроны | Обычно от килоэлектронвольт до мегаэлектронвольт | Неупругие столкновения и возбуждение атомов по траектории частицы | Плотная ионизация; выраженность эффекта определяется также линейной передачей энергии |
Таким образом, превышение энергии химических связей — физическая предпосылка ионизирующего действия. При этом термин ионизирующее относится прежде всего к энергии отдельного кванта или частицы, а не к суммарной дозе. Даже при одинаковой поглощённой дозе разные виды излучения могут вызывать неодинаковое повреждение из-за различий в пространственном распределении ионизаций. В медицинской физике поэтому одновременно оценивают энергию, спектр, линейную передачу энергии и дозиметрические характеристики.