2) возбуждения
3) рассеяния
4) ядерного взаимодействия
При прохождении тяжелой заряженной частицы через вещество основная часть энергии передается электронам атомных оболочек посредством кулоновского взаимодействия. Если переданная энергия превышает энергию связи электрона с атомом, электрон покидает оболочку, а атом превращается в положительно заряженный ион; одновременно формируется свободный электрон. Такое удаление электрона называется ионизацией, поэтому правильным является первый вариант.
При меньшей передаче энергии электрон может перейти на более высокий энергетический уровень, сохраняя связь с атомом, — это возбуждение. Изменение направления движения частицы без образования ионной пары относится к рассеянию, а взаимодействие непосредственно с атомным ядром — к ядерным процессам. В радиотерапии множественные акты ионизации и возбуждения формируют линейную передачу энергии (ЛПЭ); возникающие вторичные электроны вызывают дополнительные ионизации и повреждение ДНК опухолевых клеток.
Ионизация может быть первичной, когда электрон выбивается непосредственно тяжелой частицей, или вторичной, когда это делает δ-электрон, получивший значительную кинетическую энергию. Число и пространственная плотность ионизаций зависят от заряда, скорости и массы частицы, а также от свойств среды. Поэтому тяжелые заряженные частицы, особенно альфа-частицы и ионы углерода, создают плотные кластеры повреждений, потенциально более сложные для репарации.
| Процесс | Изменение в атоме или ядре | Ключевой дифференциальный признак | Радиобиологическое значение |
|---|---|---|---|
| Ионизация | Электрон полностью удаляется с оболочки; образуются положительный ион и свободный электрон | Переданная энергия превышает энергию связи электрона | Формирование ионных пар, вторичных электронов и повреждений ДНК |
| Возбуждение | Электрон переходит на более высокий уровень, но остается связанным с атомом | Энергии недостаточно для отрыва электрона | Последующая релаксация сопровождается излучением фотона или испусканием электрона |
| Упругое рассеяние | Изменяется направление движения частицы, возможна небольшая отдача ядра | Не происходит ионизации или возбуждения электронной оболочки | Определяет рассеяние пучка и пространственное распределение дозы |
| Неупругое взаимодействие с электронной оболочкой | Часть кинетической энергии передается электрону | Может завершаться возбуждением или ионизацией в зависимости от величины энергии | Является основным механизмом потерь энергии тяжелых заряженных частиц в ткани |
| Ядерное взаимодействие | Частица взаимодействует с атомным ядром, возможны фрагментация и ядерная реакция | В процесс вовлекается ядро, а не только электронная оболочка | Может изменять радиационный спектр, создавать вторичные частицы и влиять на дозовое распределение |
| Рекомбинация и релаксация | Свободный электрон присоединяется к иону или возбужденный атом возвращается в основное состояние | Это последующие процессы после первичной передачи энергии | Сопровождаются эмиссией фотонов, химическими реакциями и образованием активных форм кислорода |
Ионизация является фундаментальным физическим этапом действия ионизирующего излучения на биологическую ткань. Вода и органические молекулы подвергаются радиолизу, в результате чего образуются свободные радикалы и другие реакционноспособные соединения. Эти продукты могут повреждать основания ДНК, вызывать одно- и двунитевые разрывы, а также хромосомные аберрации. Эффект особенно выражен при высокой ЛПЭ, когда повреждения возникают компактными кластерами.