Невидимый современник

При взаимодействии рентгеновых квантов с веществом идут и некоторые другие процессы. Но они существенного значения для радиобиологии не представляют. Например, при взаимодействии рентгеновых квантов очень высокой энергии с тяжелыми атомами (которых в живом веществе почти нет) наблюдается презанятнейший процесс рождения пар. Его трудно понять: ничего подобного в нашем макромире мы не наблюдаем, но процесс идет в полном соответствии с законами физики — законом сохранения и с законом эквивалентности энергии и массы. Невесомый квант при торможении порождает две частицы, обладающие массой: электрон и позитрон (позитрон — частица во всем подобная электрону, но имеющая не отрицательный, а положительный заряд). Энергия превратилась в вещество.

Рождением вторичных электронов процесс поглощения энергии не заканчивается, так как они несут значительную энергию и движутся внутри вещества.

Их путь гораздо короче, чем у рентгеновских квантов, но богаче происшествиями. Это и естественно, электрон отягощен массой и движется значительно медленнее. Ему гораздо труднее продираться через скопище атомов. Но дело не только в скорости. Электрон в отличие от кванта заряжен, заряжены и частицы вещества, через которые он путешествует. А электрические заряды энергично взаимодействуют друг с другом.

Итак, вторичный электрон проходит через вещество. При этом он взаимодействует с атомами, встречающимися на его пути. Каждому он отдает часть своей энергии, а отдав, начинает двигаться медленнее и несколько изменяет направление полета. Чем меньше энергия электрона, тем чаще взаимодействия. Израсходовав весь излишек энергии, электрон останавливается, соединившись с каким-нибудь атомом.

Что же происходит с атомами, которым вторичный электрон отдал часть энергии?

Если энергия, отданная вторичным электроном атому, невелика, она идет на то, чтобы поднять один из электронов на более высокую орбиту. Чем выше полученная энергия, тем дальше электрон уходит от ядра (на одну из разрешенных орбит!). Такой атом называется возбужденным. Он гораздо легче вступает в химические реакции, чем не возбужденный.

Свойством возбуждать атомы обладают не только электроны, рождающиеся при облучении вещества рентгеновыми лучами, но и ультрафиолетовые лучи и даже (хотя и в гораздо меньшей степени) видимый свет.

Но, отдавая энергию атомам, электроны не только возбуждают их. Часто энергия, переданная атому, настолько велика, и его электрон так далеко уходит от ядра, что вообще теряет с ним связь. Атом, потеряв электрон, становится заряженным положительно. Образуется, как говорят физики, пара ионов: отрицательный (ушедший электрон) и положительный (атом, лишенный электрона). Ионы обладают еще более высокой химической активностью, чем возбужденные атомы. Процесс отрыва электрона от атома носит название ионизации. (Наконец-то! До сих пор мне приходилось довольно трудно, потому что часто было нужно слово, которого я не мог употреблять, не объяснив, а теперь смогу это делать.)

Ни свет, ни ультрафиолетовые лучи, ни инфракрасные, ни радиоволны не способны вызывать ионизацию. Для этого им не хватает энергии. А лучи высоких энергий могут. Поэтому их называют ионизирующими.

Радиобиология как раз и занимается биологическим действием ионизирующих излучений.

Электрон невозможно увидеть под микроскопом. И никогда не удастся как раз потому, что он не имеет цвета. Поскольку диаметр электрона во много раз меньше длины световой волны, его принципиально невозможно обнаружить оптическими методами.

Но хотя электрон нельзя разглядеть и под микроскопом, следы его мы можем отлично видеть невооруженным глазом. Если камеру заполнить перенасыщенным паром, а затем быстро изменить ее объем, она наполнится туманом. Если же перед этим внутри камеры пробегал электрон, мы увидим туманный след. Частицы тумана осели на ионизированных (электрически заряженных) атомах воздуха. Каждая капелька воды вдоль следа (такие следы называют треками) соответствует ионизированному атому. Как следы человека-невидимки из романа Герберта Уэллса выдавала налипшая к ногам грязь, так и следы электрона можно обнаружить по капелькам тумана.

Этот прибор есть в любой лаборатории, занимающейся изучением заряженных частиц. Он называется камерой Вильсона — по имени ученого, который ее изобрел. На фотографиях, полученных с помощью камеры Вильсона, видно, что след электрона в начале его пути состоит из ясно различимых капелек и кажется совершенно прямым. Дальше вдоль трека капельки располагаются все чаще, путь все больше искривляется, а в конце его мы видим плотный «хвост» из совершенно сливающихся частиц тумана.

Все это понятно. Ведь по мере движения электрон теряет энергию и постепенно замедляется, а чем медленнее он движется, тем с большим числом атомов успевает провзаимодействовать.

Рассматривая снимок более внимательно, мы замечаем, что трек электрона не вполне гладкий: то здесь, то там от него отходят коротенькие веточки. Они образовались в тех местах, где отрицательный ион (такой же электрон) получал достаточно большую энергию, чтобы, в свою очередь, произвести несколько ионизаций. Это так называемые дельта-лучи.

Итак, в камере Вильсона следы электрона обнаруживаются благодаря тому, что он производит ионизации, то есть создает электрический заряд. И, нужно заметить, большинство способов обнаружения и измерения ионизирующих частиц так или иначе используют электрические методы.

Правда, электрические методы не единственная возможность. Излучение можно обнаружить и с помощью фотографической пластинки и по свечению флюоресцирующего экрана. Но в обоих случаях ионизация не обязательна. И свечение экрана и почернение пластинки вызывается и с помощью простых возбуждений. Потому-то и существует обычная фотография!

Много важных работ в первую пору исследования ионизирующих излучений выполнено с помощью простейшего прибора — электроскопа, который при желании ничего не стоит изготовить собственными руками. В сосуде на металлическом стержне висят два тоненьких листочка фольги. Если к стержню прикоснуться заряженным предметом, листочки, получив одноименный заряд, разойдутся. Но если на электроскоп направить поток ионизирующих лучей, листочки вновь спадут. Это потому, что лучи ионизируют окружающий воздух.

Гораздо более тонкий прибор — счетная трубка: она регистрирует каждый проход ионизирующей частицы. Благодаря ионизации газа трубка на один миг начинает проводить ток, что и обнаруживается прибором: стрелка передвигается на одно деление или вспыхивает сигнальная лампочка.

Очень часто важно определить дозу радиации, то есть количество энергии, поглощенной веществом во время облучения. Определение дозы особенно важно при изучении биологического действия излучений, при использовании их в медицине и в сельском хозяйстве. Для измерения дозы рентгеновых лучей служит международная единица рентген. Она определяется как доза, создающая в одном кубическом сантиметре воздуха одну единицу электрического заряда.

И совершенно естественно, что наиболее ходовой метод дозиметрии заключается в измерении заряда, создаваемого в воздухе при облучении. Конечно при том же облучении доза, получаемая живой тканью, будет значительно больше: примерно в тысячу раз, так как ткань примерно в тысячу раз плотнее воздуха. Но, зная это, нетрудно, измерив дозу в воздухе, рассчитать, какая энергия будет поглощена в облучаемом веществе.

Такой пересчет не всегда бывает достаточно точным. Но теперь существует много методов дозиметрии. Есть дозиметры, меряющие дозу в веществе той же плотности, что и живая ткань, даже имеющем тот же атомарный состав. Разработаны и методы непосредственного измерения дозы в облучаемом объекте.