atomteoria RADIAČNÍ BIOFYZIKA Martin Falk BFU AVCR Brno Email: falk@ibp.cz Tel.: 728-084060 [USEMAP] Přednáška 7. Interakce ionizujícího záření s hmotou a biologickými systémy - minule: nestabilita atomového jádra, radioaktivita, typy radioaktivních rozpadů - nyní: vysvětlení základních procesů •v neživé a živé hmotě, které jsou vyvolány interakcí s ionizujícím zářením (IZ) [USEMAP] •Absorbce IZ vyvolává v živých systémech procesy, které jsou charakteristické –svou komplexností –extrémním časovým rozpětím (od attosekund [10-18] po několik desetiletí) •Pro lepší porozumění můžeme rozlišit několik fází (obr. vlevo): –Fyzikální –Fyzikálně-chemickou –Chemickou / biochemickou –Biologickou –Medicínskou •rozhraní těchto fází jsou však neostré a v literatuře panují značné rozdíly zejména s ohledem na dobu jejich trvání •Nejprve IZ interaguje s biologickými systémy řadou fyzikálních pochodů, které se nijak neliší od interakcí záření s neživou hmotou (viz dále) •Totéž lze v principu říci i o chemické fázi, do interakcí však vstupují i biomolekuly specifické pro živé systémy [USEMAP] Interakce IZ s hmotou •Absorbce IZ vede k postupnému předání energie záření hmotě, což vyvolá v ozářené látce nejprve procesy –Fyzikální (ihned po ozáření) –Fyzikální fáze je obdobím, kdy atomy a molekuly biologického systému absorbují energii záření. –Při interakci kvanta ionizujícího záření s hmotou je energie záření předávána elektronům v atomech, –primární záření a následně i elektrony vyražené z atomů primárním zářením ionizují a excitují velké množství dalších atomů. –čímž se rozvíjí kaskády ionizací a excitací. [USEMAP] VYSOKÁ ÚČINNOST IZ •Za zmínku stojí, že ve srovnání s jinými formami energie je energie ionizujícího záření nezbytná k poškození či dokonce usmrcení člověka relativně velmi malá •Například při celotělové expozici 10 Gy (10 J.kg-1) záření gama, tj. dávce, která již vyvolá smrtelnou formou nemoci z ozáření (LD50~4 Gy), předá záření člověku o hmotnosti 80 kg pouze 800 J. •Přestože tato dávka 10 zvýší tělesnou teplotu člověka pouze o 0,002 °C, je schopna vyvolat smrt. •Přitom třeba k ohřátí 1 l vody o 1 °C potřebujeme 4180 J, tj. energii více než 4x větší. g IZ: LD50~4 Gy IZ: 10 Gy (10 J.kg-1) DT=0,002 °C versus 100% úmrtnost Tepelný ohřev: V=1 litr H2O DT=1°C à 4180 J (tzn. 4x více) X [USEMAP] –Fyzikálně-chemické (zlomky sekund po ozáření; 10-14 až 10-10 s) –Během tohoto stádia se rozvíjí sekundární fyzikálně-chemické procesy – interakce vytvořených iontů s molekulami, při nichž dochází k disociaci molekul a vzniku dalších reaktivních iontů a volných radikálů – radiolýzou vody H2O (nejčastější molekula v těle, viz dále) např. vznikají vodíkové kationty H+ a hydroxylové anionty OH-, radikály H●, OH● –I tento proces je velmi rychlý, netrvá déle než 10-14-10-10sec. Interakce IZ s hmotou [USEMAP] Interakce IZ s živou hmotou • •CHEMICKÉ STÁDIUM – •Vzájemnou rekombinací vytvořených radikálů některé z nich zanikají, a přestávají tak být pro biomolekuly nebezpečné; například vzniká opět voda • –H● a OH● à H2O – •Zbývající radikály mezi sebou též reagují za vzniku dalších více či méně reaktivních molekul • –např. H● a OH● (+O2) à H2 a H2O2 – •Radikály a další reaktivní molekuly zároveň napadají další a další molekuly ve svém okolí – – • [USEMAP] Fyzikální až chemické stádium interakce IZ s hmotou [USEMAP] Specifika biologických systémů •Až do chemického stádia je interakce neživé hmoty a živých organismů s IZ principiálně stejná, •U živých organismů však do chemických reakcí vstupují i biomolekuly •K fyzikálním a chemickým procesům se proto u živých organizmů následně přidávají i specifické procesy chemické a biologické (eventuálně medicínské) • [USEMAP] Chemické stádium interakce IZ s hmotou – specifika biologických systémů •Nezrekombinované ionty, radikály, excitované atomy a další produkty reagují s biologicky důležitými organickými molekulami •"atakují" DNA, RNA, enzymy, strukturní proteiny, lipidy membrán přičemž často mění složení a funkci těchto molekul. • H● OH● OH● H● OH● H● OH● zrekombinované volné radikály volné radikály [USEMAP] POŠKOZENÍ DNA – prvotní nastínění problému •Typickou poruchou na molekulární úrovni jsou zlomy vlákna v molekule DNA –buď zlom jen jednoho vlákna (SSB, single strand break), –nebo úplný zlom dvojvlákna DNA (DSB, double strand break) à nejzávažnější poškození DNA •Dále mohou vznikat atypické vazbové "můstky" uvnitř dvouvlákna DNA a mnohé další chemické změny cukr-fosfátové páteře DNA i jednotlivých bazí (problematice poškození DNA bude věnována samostatná přednáška). • [USEMAP] Chemické stádium interakce IZ s hmotou – specifika biologických systémů •Zlomy v DNA mohou vznikat i přímo následkem fyzikální interakce IZ nebo sekundárních (delta) elektronů (viz později) s DNA, nejen tedy následkem chemického poškození • •Jednotlivé procesy tohoto chemického stádia trvají různě dlouhou dobu - od tisícin sekundy do řádově jednotek sekundy, v závislosti na transportní době reaktivních složek z místa svého vzniku do místa lokalizace napadené biomolekuly. • [USEMAP] Interakce IZ s živou hmotou BIOLOGICKÉ PROCESY •Biologické procesy probíhají v extrémně dlouhém časovém období desítek minut až několik desetiletí (!!) po ozáření http://csls-text2.c.u-tokyo.ac.jp/images/fig/fig02_06.gif Molekulární změny v biologicky důležitých látkách (DNA, enzymech, proteinech) mohou vyústit ve funkční a morfologické změny v buňkách a orgánech, a následně i organismu jako celku. Změny na úrovni buněk Změny na úrovni tkání, orgánů a orgánových soustav Medicínské manifestace na úrovni celého organismu [USEMAP] •Buňky v závislosti na rozsahu poškození umírají nebo přežijí a aktivují komplexní odpověď buňky na ozáření. •Cílem této odpovědi je opravit poškozené biomolekuly a navrátit buňku do původního stavu, Interakce IZ – biologické stádium DDR –DNA damage repair [USEMAP] •V případě neúspěšné reparace přechází buňka do senescence nebo iniciuje sebevražedné buněčné procesy – apoptózu* •Apoptóza = geneticky naprogramovaná buněčná smrt u mnohobuněčných organizmů. Na rozdíl od nekrózy nevyvolává ve tkáni zánět (viz samostatná přednáška). • Úspěšná reparace Přechod do senescence Buněčná sebevražda - apoptóza [USEMAP] [USEMAP] •Poruchy funkce biomolekul mohou tedy kromě umírání buněk vyústit také ve změnu genetické informace u buněk přeživších, •Smrt buněk a genetické poškození se následně různým způsobem projeví na úrovni tkání a orgánů a posléze i celého organizmu (MEDICÍNSKÉ STÁDIUM). •„Biologické stádium“ se při vysokých dávkách záření může manifestovat již po několika desítkách minut (akutní poškození či nemoc z ozáření - ARS), •Při nižších dávkách však může zahrnovat dlouhou dobu latence několika let nebo i desítek let (pozdní stochastické účinky). •Konkrétní druhy biologických účinků ionizujícího záření budou vysvětleny později. Interakce IZ – medicínské stádium [USEMAP] Fáze Proces Trvání Fyzikální Absorpce energie záření v atomech a molekulách, ionizace a excitace 10-16 s Fyzikálně-chemická Interakce iontů s molekulami Mezimolekulární interakce Tvorba volných radikálů 10-6 s Chemická Interakce volných radikálů s biologicky významnými molekulami, buňkami a DNA Sekundy Biologická/medicínská Reparace buněk, smrt buněk, změny v genetických datech buněk - mutace minuty až desetiletí Interakce IZ s živou hmotou – SHRNUTÍ [USEMAP] RadiacniUcinky1 Interakce IZ s živou hmotou – SHRNUTÍ [USEMAP] Interakce IZ s hmotou •I. FYZIKALNÍ INTERAKCE V zásadě rozlišujeme • Interakce přímoionizujícího záření •Interakce těžkých nabitých částic a částice, p+, štěpné trosky vzniklé při štěpení uranu ap. •Interakce lehkých nabitých částic b- (elektrony), b+ (pozitrony) • Interakce nepřímoionizujího záření • Interakce fotonů g, RTG • Interakce neutronů [USEMAP] Interakce přímoionizujícího záření •Nabitá částice při průchodu látkou ztrácí svou kinetickou energii převážně Coulombovskou (elektrickou) interakcí s elektrony v atomech látky. •Základní interakcí přímo ionizujícího záření je tak IONIZACE. Právě tento projev dal IZ jméno •Obdrží-li elektron dost energie na to, aby se zcela uvolnil z vazby k mateřskému atomu, vzdálí se od něj trvale - dochází k ionizaci atomu •z elektroneutrálních atomů [p+ = e-] vznikají kladně nabité částice, kationty, a volné elektrony. •reakcemi s e- vznikají záporně nabité anionty •ionty jsou velice reaktivní a vedou k celé řadě chemických reakcí [USEMAP] Interakce přímoionizujícího záření •Přímo ionizující záření. je takové záření, které je schopné při svém průletu hmotou látku přímo ionizovat – to platí pro IZ tvořené elektricky nabitými částicemi. Ionization_Of_Water Ionization_Of_Water [USEMAP] EXCITACE •Je-li energie předaná elektronu v atomovém obalu menší, než je zapotřebí k ionizaci, může dojít alespoň k vybuzení elektronu do energeticky vyšších orbitalů (vyzdvižení e- na vyšší energetickou hladinu) – tj. excitaci atomů. •Excitovaný (vzbuzený) stav atomu není stálý – vzápětí přeskočí elektron zpět na původní hladinu - nastane deexcitace, •přičemž rozdíl energií se vyzáří ve formě fotonu elektromagnetického záření (nebo více fotonů, je-li přechod po etapách, např. z n=3 na n=2 a pak na n=1). Tento děj je podstatou luminiscence [USEMAP] •Při excitaci elektronů na vnějších slupkách je emitováno viditelné světlo, •při excitaci na vnitřních slupkách pak fotony charakteristického rentgenového záření IR IR [USEMAP] Augerův efekt •Díra po e- vyraženém z atomového obalu zářením je v rámci deexcitace zaplněna přeskokem e- z vyšších energetických hladin. •Oproti předcházejícímu scénáři však není rozdíl energií elektronů vyzářen ve formě RTG záření, nýbrž je předán dalšímu elektronu nebo elektronům, které jsou z elektronového obalu atomu následně „vystřeleny“ •U těžkých prvků (vysoké Z) může být těchto e- třeba až 20 à elektronové „spršky“ •Potenciálně výhodné v radioterapii, kde např. kovové nanočástice (Au, Pt, Gd, …) mohou teoreticky lokálně zvyšovat účinek ionizujícího záření (nanočástice jsou preferenčně vychytávány nádorovými buňkami [díky tzv. EPR efektu a jejich vyšší metalické aktivitě] a po ozáření emitují mj. spršky Auger elektronů) [USEMAP] Interakce IZ s hmotou - IONIZACE •Z předchozích lekcí již vím, že •minimální energie potřebná k ionizaci ve vodném prostředí (cytoplazma) je 33 eV. •To odpovídá záření s kratší vlnovou délkou, než přísluší ultrafialovému záření, přibližně tedy <40 nm. •Vztah mezi energií fotonu a vlnovou délkou je dán rovnicí – E = h*f = h*c/λ; •E = energie fotonu, f = frekvence, h = Planckova konstanta a λ = vlnová délka. • [USEMAP] •Absorpce energie ionizujícího záření v látce má kvantový charakter (viz dřívější přednášky) • •Pro srovnání: Neionizující záření není (z logiky věci) schopno ionizovat a excitovat absorbující hmotu. Energie stačí pouze ke změně vibračního či rotačního stavu molekuly •Absorpce energie neionizujícího záření v látce nemá kvantový charakter • [USEMAP] •Primární ionizací se rozumí počet iontových párů vytvořených vyražením elektronů primární částicí. •Některé elektrony vyražené při ionizaci (tzv. delta elektrony, paprsky delta) mají tolik energie, že mohou samy dále po své dráze ionizovat - jedná se o sekundární ionizaci (název paprsky delta proto, jelikož stopa sekundárních e- v mlžné komoře má charakteristický rozvětvený tvar). IONIZACE [USEMAP] IONIZACE •Při ionizaci a excitaci ztrácí letící nabitá částice svou kinetickou energii předáváním své hybností elektronům působením elektrických Coulombových sil. •Velikost hybnosti předané elektronům je úměrná velikosti Coulombových sil a času, po který tyto síly působí (době interakce). –Coulumbovské síly jsou úměrné náboji částice q a elektronové hustotě látky, jež je daná hustotou r a atomovým číslem Z (r.Z). –Doba interakce je nepřímo úměrná rychlosti částice v, takže energie, která je elektronům předána, je úměrná 1/v2. •Velikost ztráty energie na jednotku dráhy letu částice definuje tzv. lineární přenos energie, LPE (LET) •anglická zkratka LET, odvozená z Linear Energy Transfer, se používá patrně častěji a preferuji ji i dále v prezentacích – [USEMAP] LET, LINEÁRNÍ PŘENOS ENERGIE •Shrneme-li uvedené, je LET přímo úměrný náboji částice a elektronové hustotě látky (q.r.Z) a nepřímo úměrný čtverci rychlosti částice (1/r2), tedy: • -dE/dx ~ q.r.Z/v2 [keV/mm]; •LET (Linear Energy Transfer) vyjadřuje velikost energie předané ionizující částicí na jednotku délky její dráhy v daném prostředí. Vyjadřuje se obvykle v keV/mm. • •přesná hodnota je dána tzv. Betheho vzorcem, v němž je zahrnut i střední excitační potenciál atomů látky, přibližně úměrný protonovému číslu Z. • [USEMAP] Záření s nízkým LET (low-LET IR) Záření s vysokým LET (high-LET IR) [USEMAP] http://www.elmsagen.de/images/Hexe.jpg Falk M: Indukce chromozomálních aberací ionizujícím zářením různých kvalit http://www.angelfire.com/ak2/francoiscoderre/images/dejima.jpg ROZDÍLNÉ VLASTNOSTI ZÁŘENÍ VE VZTAHU K LET HMOTNOST/VELIKOST těžký iont: hmotnost velká, rychlost malá,dolet malý, počet ionizací/ztráty energie na jednotku dráhy – obrovský (proměnlivý) high-LET g [USEMAP] ROZDÍLNÉ VLASTNOSTI ZÁŘENÍ VZTAHU K LET - NÁBOJ http://www.elmsagen.de/images/Hexe.jpg vs http://www.pozitivni-noviny.cz/test/gallery/Image/2009/11/saudek1.jpg [USEMAP] gamma rays/protons/… http://www.angelfire.com/ak2/francoiscoderre/images/dejima.jpg heavy ions (zde 11B) Poškození při stejné dávce (1 Gy) http://www.pozitivni-noviny.cz/test/gallery/Image/2009/11/saudek1.jpg http://www.elmsagen.de/images/Hexe.jpg [USEMAP] 1broken ankle CT.JPG ≈ Tvorba dvouřetězcových zlomů DNA (DSB) DSB představují nejzávažnější poškození DNA (ostatní typy poškození jsou mnohem snadněji a přesněji opravitelné) Kumulace špatně opravených DSB = KARCINOGENEZE Radioterapie (a některé formy chemoterapie): též založena na indukci DSB [USEMAP] BRAGGOVY KŘIVKY •Braggovy křivky popisují závislost LET (též mluvíme o specifické či lineární ionizaci) na hloubce průniku nabité částice do látky. •Jak se nabitá částice brzdí a klesá její rychlost, ionizační účinky rostou, protože při delším čase působení Coulombovské interakce se stačí předat větší energie a vytrhnout více elektronů; http://th.physik.uni-frankfurt.de/%7Escherer/Blogging/HeidelbergIonTherapy/BraggPeak.jpg [USEMAP] BRAGGOVY KŘIVKY •Energie předaná částicí hmotě je nepřímo úměrná čtverci rychlosti částice •Proto předává částice nejvíce energie těsně před svým zabrzděním - křivka hloubkové závislosti specifické ionizace zde má výrazné tzv. Braggovo maximum (angl. Braggův peak). http://th.physik.uni-frankfurt.de/%7Escherer/Blogging/HeidelbergIonTherapy/BraggPeak.jpg InterakceAlfaBeta [USEMAP] V praxi se používá tzv. spread-out Bragg peak (SOBP) – viz samostatná přednáška) •Po zabrzdění je částice neutralizována záchytem elektronů a další ionizace již nepokračuje •využití této výhodné hloubkové závislosti ionizace v radioterapii (tzv. hadronové radioterapii) (viz samostatná přednáška). zdravá tkáň zdravá tkáň tumor [USEMAP] Interakce těžkých nabitých částic - IONIZACE •hlavním interakčním procesem je zde IONIZACE •ionizuje především vlastní nabitá částice, v menší míře pak vyražené e- •dráha pohybu přímá a krátká – dáno vysokou hustotou ionizace kolem dráhy, což vede k vysoké ztrátě energie částice na jednotce dráhy (obdobně jako když se medicinbal valí polem pingpongových míčků) –např. a-částice má ve vzduchu dosah (dolet) řádově jen centimetry a záření je zcela odstíněno pouhým listem papíru –(v pevných látkách dosah jen mm – desítky mm) radstop http://www.angelfire.com/ak2/francoiscoderre/images/dejima.jpg [USEMAP] Interakce těžkých nabitých částic – INTERAKCE S JÁDRY • kromě ionizace se uplatňuje také INTERAKCE NABITÝCH ČÁSTIC S ATOMOVÝMI JÁDRY •ve srovnání s ionizací však při běžných reakcích tvoří jen zanedbatelnou složku, •využívá se jich v některých zdrojích neutronů [např. 9Be(a,n)12C] •Při průchodu těžkých nabitých částic (těžké ionty, alfa částice, protony) látkou zpravidla nemusíme uvažovat o ztrátě jejich energie brzdným zářením http://www.angelfire.com/ak2/francoiscoderre/images/dejima.jpg [USEMAP] Interakce lehkých nabitých částic (e-, pozitrony) 1. IONIZACE •nejvýznamnějším interakčním procesem je opět IONIZACE •dráha letu částice (průnik do hmoty) je delší než u těžkých částic, •dráha je ale zakřivená, takže hustota ionizace je menší Ionizations and excitations along particle tracks in water, for a 5.4 MeV α-particle (top left), for electrons generated following the absorption of a 1.5 keV X-ray photon (top right) and electrons generated during the decay of iodine-125. [USEMAP] Interakce lehkých nabitých částic •Obecně má záření b ve vzduchu dolet decimetry až metry. •Dolet však značně závisí na energii – pro vodu platí přibližně následující vztah: R[cm]=E[MeV]/2 2. BRZDNÉ ZÁŘENÍ •ztráta energie prostřednictví emise BZ má u lehkých nabitých částic význam i při relativně nízkých energiích (na rozdíl od těžkých nabitých částic) •Nejvíce relevantní je však zejména pří vyšších energiích [USEMAP] Interakce-Radiace 2. BRZDNÉ ZÁŘENÍ •BZ vzniká při zbržďování beta částic v materiálu (viz přednáška č. 1, RTG) •…částice prolétává elektromagnetickým polem mezi atomy a interaguje s ním – to vede ke ztrátě energie, která se vyzáří ve formě fotonového RTG záření. •Toto záření má spojité spektrum a energii, která je menší než energie letícího elektronu. Jedná se o BRZDNÉ RENTGENOVO ZÁŘENÍ [USEMAP] Brzdné záření – z německého „bremsstrahlung“, používá se i v anglické literatuře Energie emitovaných fotonů závisí na: •Vzdálenosti průletu částice od jádra (nebo jiné částice) •Energii částice (↑E (rychlost) e- → ↑E fotonů BZ, tzn. tím tvrdší záření vzniká. Tyto faktory se následně projeví velikostí změny vektoru rychlosti Rozdílné energie emitovaných fotonů mají za následek kontinuální energetické spektrum BZ [USEMAP] •Obecně vzniká BZ, když se rychle letící nabité částice dostanou do silného elektromagnetického pole, kde jeho vlivem dojde k velké změně rychlosti (deceleraci) a směru letu dané částice. •Za přirozených podmínek: průlet částice v poli orbitálních elektronů nebo atomových jader, •BZ však vzniká i v urychlovačích následkem ohybu dráhy částice v magnetickém poli à SYNCHROTRONY à intenzívní zdroje RTG • • • • • • • •V užším slova smyslu mluvíme o BZ hlavně v souvislosti s elektrony •BZ je málo významné z hlediska radioaktivity, protože rozpad beta málokdy produkuje e-/e+ s dostatečnou rychlostí. •Významnou roli hraje ale v případě kosmického záření a při provozu částicových urychlovačů. • • • • • • The SOLEIL synchrotron In a facility such as SOLEIL, electrons of very high energy (their nominal energy is of 2750 MeV) rotate at nearly the speed of light in a 354 m circumference storage ring. The emission of radiation is tangent to the trajectory in an extremely thin “light” line, when the electrons trajectory is curved with a magnetic field that plays the role of the nuclei electric field. The synchrotron radiation, produced in bending magnets and Wigglers inverters used for insertions), is filtered in energy or wavelength and directed by optical systems in beamlines towars experimental stations. [USEMAP] 1.energií záření (elektronů, pozitronů) 2. a zejména PROTONOVÝM ČÍSLEM (Z) ostřelovaného materiálu – proporční Z2 (Z udává i počet e- v elektronovém obalu →  Z znamená  hustota e- → více interakcí • Podíl BZ vůči energii spotřebované ionizací narůstá s: Poměr ztráty energie e- prostřednictvím BZ oproti ionizaci/excitaci Lze empiricky odhadnout jako E.Z/820, kde E = kinetická energie e- [MeV] a Z = protonové číslo absorbující látky 3.Hmotnosti částice – p+ a a částice produkují <1/106 množství BZ oproti e- se stejnou energií V případě biologických tkání (malé Z) tedy BZ nepříliš významné [USEMAP] Na brzdné záření si musíme dávat pozor i při stínění (viz přednáška o radiační ochraně) Ke stínění paprsků g se používají těžké materiály. Kdybychom toto učinili při stínění záření b, způsobili bychom si emisi ještě pronikavějšího brzdného záření (RTG/g). Ke stínění b záření se proto využívají lehké materiály (např. plexisklo), případně za ním ještě vrstva olova na odstínění BZ (POZOR! – nesmí se obrátit) [USEMAP] Interakce lehkých nabitých částic • • • • • •energie gama fotonů je rovna hmotnosti anihilovaných částic (kinet. energie e+ je totiž na konci dráhy téměř nulová). •Dle E=mc2 to představuje energii 511 keV na každý foton 3. ANIHILACE b+ e^- + e^+ \rightarrow 2 \gamma •letící pozitron ztrácí svou energii ionizací a na konci své dráhy nutně narazí na e-. •jedná se o interakci hmoty s antihmotou → ANIHILACE: e+ a e- anihilují za vzniku dvou fotonů, [USEMAP] Interakce lehkých nabitých částic •vzniká u energetičtějších beta částic v průhledném materiálu •letící e- v poli atomů a molekul na ně působí svým nábojem tak, že se natáčejí opačnými póly čímž od něho převezmou část energie. •Po odletu e- se dipóly vrátí do původní polohy a získanou energii vyzáří ve formě fotonů – ČERENKOVOVA ZÁŘENÍ 4. VZNIK ČERENKOVOVA ZÁŘENÍ [USEMAP] Interakce-Radiace Pokud e- letí v daném materiálu rychleji než světlo (v materiálu je totiž světlo pomalejší než ve vakuu), vznikají vlnoplochy světelné energie, které mohou interferovat a zesilovat se – … materiál je pak už nebude absorbovat a tuto energii bude odebírat záření, které je dokonce vidět (např. namodralá záře v bazénech s vyhořelým palivem) Interakce-Radiace [USEMAP] Interakce nepřímoionizujícího záření •Nepřímoionizující záření je záření, které nenese elektrický náboj – materiál tedy neionizuje přímo, nýbrž prostřednictvím produkce sekundárních (delta) elektronů •Jedná se o: – elektromagnetické záření (fotony): •Paprsky gama •Rentgenovo záření –Částice bez elektrického náboje: •neutrony • [USEMAP] INTERAKCE FOTONŮ •interakcí je celá řada, mezi nejdůležitější patří 1.FOTOELEKTRICKÝ JEV – FOTOEFEKT •foton ( g) narazí na e-, ten ho absorbuje a jeho energii převede na zvýšení své energie → jeho vytržení z elektronového obalu •typické pro nízkoenergetické záření •FE nastává častěji u atomů s  Z, tj. u těžkých atomů (větší pravděpodobnost interakcí s e-) X-ray photon [USEMAP] INTERAKCE FOTONŮ •2. COMPTONŮV ROZPTYL •obdoba fotoefektu ale na vyražení e- z elektronového obalu je spotřebována jen část energie fotonu. •Zbytek energie je vyzářen ve formě fotonu s nižší energií než měl původní foton. (tj. energii poníženou o energii předanou emitovanému elektronu) •Typická interakce pro fotony s E = 200 keV – 2 MeV Interakce-Radiace compton_effect [USEMAP] INTERAKCE FOTONŮ •3. TVORBA ELEKTRON-POZITRONOVÉHO PÁRU •Foton se v blízkosti jádra (nabité částice) zhmotní v elektron a pozitron (opačný proces k ANIHILACI pozitronu). •à přeměna energie v hmotu •Podmínkou je, že energie fotonu musí být větší než 1.02MeV (2 x 0.511 MeV) (nejnižší možná energie e-), •typicky však >2 MeV (pro  E dominantní proces) • • • • •Pozitron následně anihiluje s e- v okolí [USEMAP] INTERAKCE FOTONŮ 4.FOTOJADERNÉ REAKCE foton gama po absorbci jádrem vyvolá emisi n0, p+, případně i většího počtu částic • + další méně významné interakce [USEMAP] INTERAKCE NEUTRONŮ Bez náboje – interagují proto pouze s jádry atomů, do kterých navíc díky této neutralitě mohou pronikat [USEMAP] INTERAKCE NEUTRONŮ [USEMAP] INTERAKCE NEUTRONŮ 1.ROZPTYL NEUTRONU NA JÁDŘE –PRUŽNÝ ROZPTYL (n,n) •K PR dochází na velmi malých jádrech, která se svou velikostí blíží neutronu (nejúčinnější jsou v tomto směru tedy jádra vodíku = 1p+) •Neutron předá část své energie jádru a odražený pokračuje dále se zbytkem energie (zjednodušeně se jedná o obdobu srážky dvou kulečníkových koulí) •Energie, předaná neutronem jádru se celá přemění na kinetickou energii jádra („rozkmitá ho“). •Děj pokračuje dokud se neutron nezpomalí natolik, že může být absorbován jádrem. •PR tak způsobuje zpomalení (moderaci) neutronů, jíž se využívá při stínění neutronů a v atomových reaktorech za účelem podpory jaderné reakce. g [USEMAP] INTERAKCE NEUTRONŮ 1.ROZPTYL NEUTRONU NA JÁDŘE –NEPRUŽNÝ ROZPTYL (n, n´) •K nepružnému rozptylu dochází na rozdíl od PR na jádrech těžkých prvků •Neutron, obdobně jako při pružném rozptylu, předá část své kinetické energie jádru a jako zpomalený pokračuje dál. Vzhledem k poměru hmotností n0 a těžkých jader je však zpomalení n0 méně účinné než při PR •Část energie předané neutronem jádru se opět přemění na kinetickou energii jádra, zároveň se ale jádro excituje (zvýší se potenciální energie), což následně vede k vyzáření fotonu γ [USEMAP] INTERAKCE NEUTRONŮ 2.ZÁCHYT NEUTRONU JÁDREM •RADIAČNÍ ZÁCHYT (n,g) neutronu –n0 je zachycen jádrem a jeho energie se předá jádru ve formě zvýšení jeho potenciální energie. –K deexcitaci jádra pak dochází vyzářením fotonu gama, jádro se přemění na nuklid s N+1, ten může být stabilní nebo radioaktivní – [USEMAP] INTERAKCE NEUTRONŮ 2.ZÁCHYT NEUTRONU JÁDREM •Neutronové jaderné reakce s emisí nabitých částic –n0 je zachycen jádrem ze kterého je emitována částice (alfa, p+, n0 + p+ apod.) •ŠTĚPENÍ JADER (n,f) –n0 je zachycen jádrem, které se následně rozštěpí na dvě přibližně stejně velké částice, které jsou vždy radioaktivní – [USEMAP]