Невидимый современник

Хотя физическая природа рентгеновых и световых лучей одинакова, первые свободно проходят через преграды, совершенно непрозрачные для вторых. Ведь энергия рентгеновых лучей во много тысяч раз больше энергии лучей света. Именно это свойство рентгеновых лучей и используется для «просвечивания»: в медицине — для рентгенодиагностики, в технике — для дефектоскопии.

Это очень важное свойство, но не оно нас сейчас интересует. Рентгеновы лучи проходят насквозь не на сто процентов. Если бы они все проходили насквозь, то и для просвечивания не годились бы. Никакого рентгеновского изображения не получалось: экран светился бы равномерно, а фотографическая пластинка равномерно темнела. Но воздух поглощает рентгеновы лучи очень слабо, мягкие ткани — сильнее, кости еще сильнее. Потому-то снимок дает и контуры тела, и очертания органов, и изображение скелета.

Действие на вещество может оказать не та часть лучей, что прошла насквозь, а та, которая в нем поглотилась. Значит, нужно посмотреть, что происходит при поглощении рентгеновых лучей веществом.

Любая волна обладает свойствами частицы, а любая частица — свойствами волны. При поглощении рентгеновых лучей веществом удобнее рассматривать их как частицы (кванты). С этой точки зрения рентгеновы лучи — поток частиц энергии (не имеющих массы покоя), несущихся со скоростью света. Большинство этих частиц свободно пронизывает вещество, пролетая мимо атомов. Но немногие (а чем плотнее вещество, тем, естественно, таких частиц больше) поглощаются атомами.

При поглощении квантов атомами происходит процесс, обратный тому, что мы видели в рентгеновской трубке при рождении лучей. Атом получает большую энергию, которая является лишней, и освобождается от нее. Энергия передается электрону, который отрывается от атома и начинает собственное путешествие в недрах вещества. Такой электрон носит название фотоэлектрона.

Описанный процесс характерен для рентгеновых лучей со сравнительно невысокой энергией квантов. Если же энергия больше, электрон уже не способен принять ее всю, и избыток снова излучается в виде кванта с соответственно меньшей энергией, который ведет себя так же, как и его «родитель»: летит сквозь вещество, пока не поглотится каким-нибудь атомом. Такой электрон, несущий не всю энергию, полученную атомом, а только часть ее, называют комптоновским (по имени английского ученого, сотрудника Резерфорда, изучившего этот процесс), или просто комптон-электрон. Фото- и комптон-электроны объединяют под общим названием вторичных электронов. По своему поведению в веществе они ничем не отличаются.

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.

Путешествие электрона

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.