Реферат: Роль многократной ионизации в действии излучения

Преобладающее количество электронов малой энергии, обра­зуемых тяжелыми заряженными частицами; неспособно ионизо­вать K-оболочку. Вторичные частицы большой энергии встречают­ся очень редко [33]. Например, для падающих протонов g_K можно рассчитать (см. последний раздел) из сечений ионизации К-обо лочки [33, 34] и данных о полной тормозной способности облучае­мого вещества.

Радиационная химия и радиобиология.

Вводные замечания. В первую очередь нас интересуют эф­фекты облучения, и поэтому мы не будем рассматривать (см. [4], [35]) образование внутриоболочечных вакансий в веществах с включенными радиоактивными ядрами. Однако последствия образо­вания внутриоболочечной вакансии, по существу, не зависят от пути ее образования. Мы уже обсуждали некоторые наблюдаемые и предсказываемые эффекты, вызываемые внутриоболочечными вакансиями, созданными облучением, а также некоторые теоре­тические значения выходов испускания электронов с внутренних оболочек. В следующем разделе мы обсудим их более подробно.

Вода. В 1950 г. Платцман представил результаты вычислений, касающихся вырывания электронов с внутренних оболочек про­тонами в воде. Его данные остаются заслуживающим доверия приближением, несмотря на прогресс, достигнутый с тех пор в изучении проникновения протонов в вещество [33, 34, 36], а резуль­таты, полученные для воды, примерно совпадают с данными для биологической среды.

Если полная энергия падающих протонов составляет, напри­мер, 3 Мэв или 1 Мэв, то доля ее, идущая на выбивание К-элек­тронов кислорода в воде, равна соответственно около 4% и 1%. Общее число К-электронов, вырываемых из кислорода, быстро растет с увеличением первоначальной энергии протонов и равно примерно 10 и 80 при 1 и 3 Мэв соответственно. Эти числа соот­ветствуют значениям g_K (О) (выход в воде атомов кислорода с ионизированной ^-оболочкой) приблизительно равным 10 ^-3 и 2,7-10^-3 соответственно. Платцман обнаружил, что даже в случае очень малых выходов таких процессов эти события происходят чаще, чем прямая передача «сильного» импульса всему атому.

Рис. 2. Теоретические значения выхода ионизации K-оболочки LiFи КСl [15].

По оси ординат отложены g _k -10ⁿ , величины п показаны у кривых.

Однако число дельта-электронов даже с энергиями, превышающи­ми 500 эв, по-видимому, больше. Для электронов с энергией выше 50 кэв Дуруп и Платцман [16] нашли (предположив, что происхо­дит полное их поглощение) g_K (О) для воды порядка 0,01 числа ионизации К-оболочки атомов кислорода на 100 эв поглощенной энергии. Это означает, что около 5% всей поглощенной энергии первоначально должно передаться молекулам воды, атомы кис­лорода которых содержат внутриоболочечные вакансии. Добав­ляя эту энергию к энергии выбитого электрона, получим значи­тельно большую долю падающей энергии, затраченную на иони­зацию К-оболочки кислорода.

Приведенные выше данные о конечном заряде, приобретаемом изолированными атомами и молекулами, указывают, что часто молекулы воды несут больше двух зарядов, даже если энергети­чески возможен только один переход Оже (в данном случае в атоме кислорода). Хотя молекулярная связь делает второй пере­ход Оже энергетически возможным, появление необходимой ва­кансии в Li-оболочке, по-видимому, не всегда является наиболее вероятным результатом первого перехода [37]. Нестабильность Н₂ 0²⁺ и Н₂ О³⁺ в газовой фазе подтверждается отсутствием этих ионов в спектре масс [38].

В воде и других веществах, состоящих из малых молекул, образованных только легкими атомами, эффекты ионизации внут­ренних оболочек могут не играть заметной роли. Тем не менее детальный анализ, подобный анализу Платцмана [39] для сверх­возбужденных молекул воды, по-видимому, представляется ин­тересным. В льде необычайно большие локальные возмущения подобного типа можно отличить от эффектов ионизации валент­ных электронов. Например, могут наблюдаться различия в их термолюминесценции.

Вместе с тем в средних или очень крупных молекулах соот­ветствующее возмущение будет возникать (по крайней мере в основном) в самой молекуле и, даже если она не содержит атомов тяжелее С, N и О, соответствующая энергия равна приблизитель­но 300—500 эв. Эта энергия может оказаться особенно сущест­венной, если молекула особо устойчива к воздействиям, сопро­вождающимся передачей малой энергии, или способна репарироваться после таких воздействий.

Углеводороды, белки и нуклеиновые кислоты. В случае пол­ного поглощения электронов большой энергии теоретический вы­ход g_K (С) для ионизации Х-оболочки углерода, связанного в поли­этилене [16], примерно в 2,5 раза больше выхода g_K (О) в воде, что нетрудно объяснить. К-электроны углерода легче отрываются, и, кроме того, они составляют 25% всех электронов С₂ Н₄ , тогда как К- электроны кислорода составляют только 20% от общего их числа в воде.

Качественно зависимость g_K (С) для полиэтилена от начальной энергии электрона Т₀ совпадает с приведенной в предыдущем разделе. Величины g_K (С) равны 0; 0,01; 0,02 и 0,03 при значениях Т₀ , примерно равных 0,3; 1; 10 кэв и 3 Мэв соответственно. Выход, равный 0,03, означает, что ионизация К-оболочки составляет около 1% от всех ионизации, включая те, которые производятся электронами, возникающими при каждой ионизации К-оболочки.

Вычисления Дурупа и Платцмана [16] справедливы также для рентгеновского и γ-излучения при следующих упрощающих пред­положениях, вполне реальных для многих экспериментов: комптоновские электроны и фотоэлектроны поглощаются полностью, а фотоны, образовавшиеся при комптоновском рассеянии, не пре­терпевают дальнейших неупругих столкновений в облучаемом веществе. Для моноэнергетических фотонов большой энергии g _к (С) для полиэтилена получается, как и ожидалось, приблизи­тельно таким же, как и для электронов большой энергии. Подоб­ным же образом при высоких энергиях g_K медленно уменьшается с уменьшением энергии фотона, но в этом случае график g_K про­ходит через широкий минимум. Такое поведение отражает воз­растающий вклад фотоэлектрического эффекта при низких энер­гиях .

Результаты вычислений для полиэтилена легко распростра­няются на другие углеводороды. Специфика углеводорода опре­деляется главным образом отношением числа атомов углерода н общему числу связанных электронов. Выход g_K (С) пропорцио­нален этому отношению, которое может меняться приблизительно на 50% от одного углеводорода к другому. Физическое состояние углеводорода, по существу, не влияет на величину g_K . Даже если абсолютные значения теоретических выходов малы, они на­ходятся в соответствии с наблюдаемыми значениями G для раз­личных строго эндотермических процессов радиолиза ароматичес­ких углеводородов. Другие возможные причины следует, конечно, исключить, прежде чем можно будет сказать, что ионизация K-оболочки является преобладающим процессом. Это, по-видимому, будет не легкой задачей. Однако, как указывалось выше, пред­сказанная зависимость выходов от энергии падающих частиц вероятно поможет найти один из возможных путей ее решения.

Дуруп и Платцман распространили свои расчеты для элект­ронного облучения и на некоторые белки. Было найдено, что при небольшой примеси серы g_K (S) пренебрежимо мало, тогда как по оценке g_K (S) составляет менее 10% от суммы значений g_K для С, N и О (последняя величина составляет приблизительно 80% от значения g_K (С) для полиэтилена). Следовательно, при воздей­ствии электронами, так же как и при воздействии рентгеновским и γ -излучениями большой энергии при нормальных условиях, атомы серы не должны заметно увеличивать возможную роль, которую играет ионизация внутренних оболочек в молекуле белка.

Нуклеиновые кислоты не обсуждались явным образом теми же авторами. Несмотря на относительно большое содержание фосфора, следует ожидать, что величина £# (Р) составит только около 1% от суммы значений g _K для С, N и О. Однако значение g_L (P) должно быть по крайней мере сравнимо с этой величиной. Так как ионизация L-оболочки фосфора почти всегда приводит к переходам Оже, выход многократных ионизации при облучении нуклеиновых кислот (включая эффект Оже) может даже, как указывалось выше, превзойти довольно большое значение g_K (С), вычисленное для полиэтилена.

Когда дело касается биологических макромолекул, физик вряд ли сможет отличить возмущения, вызванные переходами Оже, от эффектов, обусловленных вырыванием валентных элект­ронов. Существуют некоторые экспериментальные исследования, которые, по-видимому, имеют отношение к данному вопросу. В этих исследованиях действия рентгеновского излучения авто­ры рассматривают преобладающую ионизацию К-оболочки, ко­торая начинается после того, как энергия фотона превзойдет ее порог.

Уже 15 лет назад Гилд [41] пытался использовать это, чтобы решить, является ли ионизация атомов фосфора более эффективной для инактивации бактериофага Т 1, чем ионизация любой дру­гой молекулы. Его гипотеза не подтвердилась. Манойлов [42] приписывал некоторые наблюдаемые радиационные повреждения ионизации К-оболочки железа ( Z — 26) в цитохромной системе. Недавно Аддинк [43] пытался объяснить вызванное рентгеновским излучением отщепление жестко связанного цинка (Z= 30) от карбоангидразы результатом возмущения, вызванного переходом Оже. Однако два последних наблюдения имеют чисто качествен­ный характер, и к тому же Гилд использовал только немо но энер­гетическое рентгеновское излучение.

Гомбергидр. [44] использовали монохроматические регулируе­мые источники рентгеновского излучения. В их планы входило изучение возможного радиационного эффекта TsT-резонанса в ме­таллсодержащих ферментах и в хромосомах с введенными тяже­лыми атомами. Положительные предварительные результаты были доложены. Сообщалось также [44] о возрастающей скорости об­разования F-центров в кристаллах КВr при К-резонансе в Вr(Z= 35). В таком случае следует ожидать заметной иониза­ции К-оболочки калия (Z= 19), а также ионизации L-оболочки брома, проявляющейся в флуоресцентном рентгеновском излу­чении, испускаемом бромом с ионизированной K-оболочкой. Вы­ход K-флуоресценции для этих довольно тяжелых атомов пре­восходит 50%.

ЛИТЕРАТУРА

1. R.L.Platzman, всб.: «Symposium on radiobiology», ed. J. J. Nick-son, J. Wiley a. Sons, 1952, Ch. 7.

2. H. В. Ф е д о peн к о, УФН 68, 481 (1959).

3. С. F. P оw e 1 I, P. F. Fowler, D. H. P e гk i n s_f The study of ele­mentary particles by the photographic method, Perganion Press, 1959,

53

4. S. W e x 1 e г, всб.: «Actions chimiques et biologiques des radiations», vol. 8, M. Haissinsky (ed⁴ .), Masson, 1965, Ch. 3.

5. G. J. N e a r y, Int. J. Radiation Biol. 9, 477 (1965); J. R e a d, Physics Med. Biol. 2, 258 (1957/58).

6. W. P. McNutly, F. Hutchinson, Arch. Biochem. Biophys. 50, 92 (1954); E. G. P о 1 1 агd, W. R. G u i Id, F. Hutchinson, R. B. S e t 1 оw, всб.: «Progress in Biophysics», vol. 5, J. A. V. But­ler, J. T. Randall (eds.), Pergamon Press, 1955, Ch. 3.