Если энергии ионизирующих излучений не хватает для отрыва электрона, т. е. для ионизации, то такие кванты поглощаются атомами и приводят их в возбужденное состояние.
Рис. 3. Взаимодействие быстрого нейтрона с атомом водорода вещества. Часть энергии нейтрона передается в виде кинетической энергии протону отдачи, а сам нейтрон остается с меньшей энергией, постепенно замедляется и затем поглощается в одном из ядер атомов вещества
Кроме длины пробега, остальные различия между отдельными видами ионизирующих излучений сводятся к пространственному распределению вызываемых ими актов ионизации. Энергию, теряемую фотоном или частицей на единице их пути, называют линейной потерей, или передачей энергии (ЛПЭ). За единицу ЛПЭ принимают количество энергии (в кэВ) излучения, расходуемой при прохождении им 1 мкм в воде. В зависимости от этой величины все ионизирующие излучения делят на редко- и плотноионизирующие. К редкоионизирующим обычно относят электромагнитные излучения и электроны, а к плотноионизирующим — нейтроны, дейтроны и более тяжелые заряженные частицы.
Однако это деление достаточно условное, так как ЛПЭ связана не с физической природой или массой частицы, а зависит от скорости ее полета. В современных мощных ускорителях тяжелые заряженные ядерные частицы разгоняют до огромных скоростей и энергий, в результате чего они могут ионизовать даже слабее, чем электроны, и их, конечно, следует рассматривать как редкоионизирующие излучения, как, впрочем, и космические лучи, состоящие в основном из протонов и тяжелых ядер. Поэтому к редкоиони-зирующим следует относить все виды излучений независимо от физической природы, имеющие ЛПЭ 10 кэВ/мкм, а к плотноионизирующим — превышающие эту величину. В конце пробега отдача энергии всякой заряженной частицы максимальна, что приводит к характерному распределению ионизаций, описываемому известной кривой Брэгга, с конечным максимумом — пиком Брэгга (рис. 4). Эта особенность взаимодействия тяжелых ядерных частиц используется, как мы увидим далее, при лечении опухолей, так как позволяет сосредоточить на глубине значительную энергию при ее максимальном рассеянии в здоровых тканях по ходу пучка.
В отличие от заряженных частиц кванты электромагнитного излучения проходят мимо многих атомов, не притягиваясь ими, и, как мы теперь уже знаем, лишь случайно, столкнувшись с одним из них, вышибают орбитальный электрон. Поэтому ионы на пути движения кванта появляются очень редко, а проникающая способность, т. е. длина пробега, электромагнитных излучений велика.
Рис. 4. Кривая Брэгга α-частицы
Биологический эффект прежде всего связан с количеством поглощенной энергии, т. е. с дозой излучения. Оценку дозы производят различными физическими и химическими методами. Самое общее представление о падающей энергии излучения может быть получено измерением количества энергии, освобождаемой источником излучения за время облучения в объекте. Чаще всего измеряют так называемую экспозиционную дозу, под которой понимают ионизирующую способность излучения в воздухе. Единицей ее измерения для электромагнитного излучения служит 1 рентген (Р). При дозе 1 Р электроны, освобожденные γ-квантами из 1 см3 воздуха, создают 2,08-109 пар ионов; энергетическим эквивалентом рентгена является величина, равная 0,88-10~2 Дж/кг. Для всех других видов ионизирующих излучений единицей дозы служат производные 1 Р, учитывающие относительную биологическую эффективность данного вида излучения.
Итак, фотоны и ядерные частицы, беспрепятственно ворвавшись внутрь молекул и атомов, превращают одни из них в ионы, а другие приводят в возбужденное состояние. Результаты этой «молекулярной катастрофы» незамедлительно сказываются на дальнейшей судьбе облученных клеток, тканей и организмов. Нам еще предстоит не только рассмотреть все последующие акты драмы, но и увидеть, как она может быть использована на благо человеку. Сейчас, однако, предпримем путешествие в обители физиков, до недавнего времени считавшиеся священными, а теперь широко открытые их любезными хозяевами для биологов и медиков.
Ядерные мастодонты
Представьте себе машину, имеющую сотни метров в диаметре или тысячи метров в длину. Это — далеко не предельные размеры ныне действующих ускорителей ядерных частиц тех самых представителей атомного микромира, о которых только что шла речь. Гигантские размеры линейных ускорителей, синхротронов, фазотронов и других машин, сложнейшее оборудование, среди которого в особом почете огромные магниты и магнитные линзы, нужны для того, чтобы разогнать ядерные частицы до фантастических скоростей и тем самым нагрузить их колоссальной энергией порядка миллионов (МэВ) и миллиардов (ГэВ) электрон-вольт. Такая энергия превращает и без того вездесущие «пули» в разрушительные «снаряды», моделирующие происходящие в природе микрокатастрофы и тем самым открывающие все новые тайны мироздания.
В последние 15—20 лет, однако, возможности ядерных мастодонтов стали пытаться использовать для практических, земных дел, прежде всего, для улучшения лучевых методов лечения рака. Совсем недавно для того, чтобы познакомиться со специально выведенными для медико-биологических целей пучками протонов высоких энергий, нужно было отправиться в США, в Швецию или в Швейцарию. Сегодня это легко сделать, посетив г. Дубну — ядерную мекку стран СЭВ, или Институт теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) в Москве, или Ленинградский институт ядерной физики (ЛИЯФ) в г. Гатчине, или, наконец, Институт физики высоких энергий (ИФВЭ) в Протвино.
В Дубне нас любезно примет директор лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований член-корреспондент АН СССР Венедикт Петрович Джелепов. Он первым откликнулся на предложение лидера отечественной онкологии академика АМН СССР Николая Николаевича Блохина и профессора Аркадия Иосифовича Рудермана изучить возможности клинического использования протонов, в изобилии получаемых на 780-МэВ-ном синхроциклотроне. На этом ускорителе выведен специальный медико-биологический пучок протонов с энергией 160—180 МэВ. Здесь же оригинальным способом, разработанным под руководством О. В. Савченко, получен пучок отрицательных пи-мезонов. Это чрезвычайно интересные ядерные частицы. Они имеют положительный заряд, но по своей массе намного легче протона, хотя в 173 раза превышают массу электрона. Отрицательные пи-мезоны с энергиями 25— 100 МэВ обладают уникальными особенностями. Весь свой путь в ткани до полного торможения они проходят почти без ядерных взаимодействий, а в конце пробега со 100 %-ной вероятностью захватываются ядрами атомов ткани. Так как при этом в ядро вносится очень большая энергия, равная массе покоя пи-мезона (140 МэВ), то, как правило, каждый акт его поглощения сопровождается разрушением ядра и вылетом нейтронов, протонов, α-частиц, ионов Li, β и других плотноионизирующих частиц, создающих большое локальное энерговыделение в непосредственной близости от места захвата пи-мезона. Эта особенность взаимодействия отрицательных пи-мезонов (образование «звезд») явилась основанием для начала работ по их применению в лучевой терапии опухолей, интенсивно проводящихся сейчас в СССР й США. Мы вернемся к ним специально, когда будем рассматривать возможности лечебного применения ионизирующих излучений.
Другая группа энтузиастов применения достижений ядерной физики и ускорительной техники в медицине встретит нас в ИТЭФ. Здесь она представлена директором Института профессором Иваном Васильевичем Чувило, профессором
