2.1. Типи іонізуючих випромінювань

Радіобіологічні реакції рослин визначаються факторами, які можна розділити на дві групи: пов'язані з природою самої рослини та пов’язані з характеристиками іонізуючого випромінювання і способами опромінення. До іонізуючої радіації відносять випромінювання різних типів. Загальним для всіх типів випромінювання є його здатність під час проходження через речовину до актів дискретної передачі енергії – іонізації та збудження атомів і молекул. Передача енергії на іонізацію атомів і молекул обумовлена взаємодією випромінювання з електронними оболонками атомів речовини. У процесі іонізації з нейтральних атомів або молекул виникають заряджені іони обох знаків – позитивні і негативні. Іонізація звичайно відбувається шляхом відриву електрона з зовнішніх орбіталей, тому взаємодія випромінювання з речовиною повинна забезпечувати передачу такому електронові енергії в кількості, достатній для повного його відриву від атома. Відповідну цій умові кількість енергії називають іонізаційним потенціалом.

Порушення атомів або молекул полягає у їхньому переході у більш високий енергетичний стан, називаний збудженим. Для формування збудженого стану атомів та молекул потрібна передача порції енергії, що забезпечує відповідні електронні переходи.

Збуджені атоми та молекули відрізняються підвищеною реакційною здатністю завдяки появі в них неспарених електронів, у цьому випадку говорять про вільнорадикальний стан речовини. Таким чином, у результаті взаємодії іонізуючої радіації з речовиною виникають іони обох знаків і вільнорадикальні стани атомів та молекул.

Розрізняють корпускулярні та некорпускулярні електромагнітні випромінювання. Корпускулярні випромінювання характеризуються тим, що їх частки мають масу спокою та основними характеристиками є маса частки, електричний заряд і початкова енергія. Електромагнітні випромінювання характеризуються частотою або довжиною хвилі, з якими пов'язане значення енергії окремих квантів. І корпускулярні, і некорпускулярні випромінювання характеризуються енергетичними спектрами – розподілом інтенсивності випромінювання за енергією квантів або часток.

Відомі корпускулярні випромінювання, у яких усі частки мають однакове значення енергії, у той же час існують і такі, у яких початкова енергія часток неоднакова: може бути кілька значень енергії або енергія описується безперервним розподілом. Електромагнітні випромінювання також можуть бути потоком квантів однакової енергії або характеризуватися безперервним розподілом енергії.

У радіобіологічних експериментах найчастіше використовують випромінювання наступних типів: рентгенівські промені, гамма-радіація і синхротронне випромінювання – з некорпускулярного випромінювання та електрони, протони (ядра атомів водню), α-частки, π-мезони, прискорені ядра різних елементів аж до ⁹²U – з корпускулярного випромінювання. До іонізуючої радіації відносять також нейтрони – елементарні частки, що не мають заряду. У процесі їхньої взаємодії з речовиною виникають заряджені частки, що під час проходження через речовину обумовлюють іонізацію і порушення атомів та молекул. Нейтрони, таким чином, виявляються іонізуючим випромінюванням унаслідок вторинних, а не первинних процесів взаємодії з речовиною.

Заряд протона, позитрона, позитивних π-мезонів (мюонів) характеризують як одиничний елементарний електричний, а відповідні їм античастинки – як одиничний елементарний негативний заряд електрона, що складає 1,6021892∙10^-19 Кл. В окремих актах взаємодії з речовиною електричний заряд виявляється як ціле кратне зарядові електрона.

Рентгенівські промені являють собою електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі 10-0,001 нм, що відповідає енергії квантів 0,12-1237 кеВ. Для порівняння відзначимо, що довжини хвиль ультрафіолетових променів складають 2000-3000 нм.

Рентгенівські промені утворюються під час гальмування швидких електронів, одержуваних у вакуумі, у речовині. У створених для цієї мети рентгенівських апаратах найчастіше для гальмування електронів використовують мішені з вольфраму або молібдену. Різке гальмування електронів у цих металах супроводжується генерацією рентгенівського випромінювання зі складним енергетичним спектром. Чим вище напруга на променевій трубці для прискорення електронів, тим коротше довжини утворених рентгенівських променів. Жорсткими називають більш короткохвильові, а м'якими – більш довгохвильові промені.

Гамма-промені – електромагнітне випромінювання, що випускається ядрами атомів у ході їхнього радіоактивного розпаду. Що випускаються γ-кванти супроводжують β-розпад, K-захоплення, α-розпад. Крім того, γ-кванти генеруються під час анігіляції електрон-позитронної пари та під час розпаду деяких часток, наприклад π-мезона.

На відміну від рентгенівських променів, які мають безперервний спектр енергій, γ-промені, які випускаються атомами радіоактивних елементів, представлені атомами одного або декількох дискретних рівнів енергії – моноергічними квантами. Звичайно на один квант γ-променів приходиться істотно більша енергія, чим у випадку рентгенівських променів, інакше кажучи – γ-промені більш «жорсткі», чим рентгенівські. Як джерела у-променів найчастіше використовують радіоактивні ізотопи ⁶⁰Co і ¹³⁷Cs.

Синхротронне випромінювання являє собою електромагнітні хвилі у вигляді прискорених релятивістських електронів у синхротроні. Воно характеризується безперервним спектром енергії від глибокого ультрафіолету до рентгенівських променів. Опромінення здійснюють у пучку синхротронного випромінювання, виведеного із синхротрона. Дослідження дії цього типу випромінювання на рослини тільки початі, однак установлена висока ефективність взаємодії даного типу випромінювання з речовиною.

β-Частки – прискорені електрони, які виникають під час розпаду атомів багатьох радіоактивних ізотопів, що перетерплюють β-розпад. Випромінювання характеризується безперервним спектром енергій. Проникаюча здатність β-часток значно слабкіша, ніж для γ-квантів такої ж енергії. Найчастіше досліджують біологічну дія β-випромінювання від інкорпорованих у клітинах і тканинах ізотопів, що розпадаються з виділенням β-часток, наприклад ³²P, ³⁵S, ³H. Для цієї мети сполуки, у молекули яких включений відповідний випромінюючий β-частки ізотоп, вводяться у рослини через корені шляхом позакореневого підживлення або іншим способом.

Нейтрони – частки, які не мають заряду, можуть мати кінетичну енергію від сотих часток до багатьох мільйонів електронвольт. Ці частки – складова частина проникаючої радіації ядерного вибуху. Для експериментальних цілей потоки нейтронів одержують у ядерних реакторах та на спеціальних нейтронних генераторах, у яких нейтрони виникають у ядерних реакціях. Велика частина нейтронів, що утворюються в ланцюговій реакції поділу ²³⁵U, має енергію між 0,5 і 2,0 МеВ. Ці нейтрони називають швидкими. Під час проходження швидких нейтронів через речовину у процесах взаємодії з атомами цієї речовини енергія нейтронів витрачається, і ті нейтрони, що не були поглинені в ядерних реакціях, утрачаючи кінетичну енергію, стають повільними частками, енергія яких відповідає тепловій рівновазі з навколишніми атомами.

Специфічність дії променів того або іншого типу визначається, в основному, щільністю розподілу іонізованих та збуджених станів молекул, що виникають у результаті взаємодії часток або квантів випромінювання з молекулами речовини і характером розподілу цих станів у клітині. Оскільки характеристики вихідного стану об'єкта в момент його опромінення можуть виявитися подібними під час дії випромінювань різних типів, то і наступні радіобіологічні реакції виявляться подібними.