Αλληλεπίδραση Ακτινοβολίας-Ύλης

Φανταστείτε την ακτινοβολία σαν μικροσκοπικά μπαλάκια που ταξιδεύουν με τεράστια ταχύτητα. Όταν αυτά τα «μπαλάκια» συναντούν οποιοδήποτε υλικό, από τον αέρα μέχρι το σώμα μας, δεν περνούν απλώς μέσα από αυτό σαν φαντάσματα. Αντιθέτως, συγκρούονται με τα άτομα του υλικού. Αυτή η σύγκρουση, ή αλληλεπίδραση, είναι κρίσιμη. Είναι ο λόγος που μια ακτινογραφία δημιουργεί εικόνα, ο λόγος που η ακτινοθεραπεία καταστρέφει τα καρκινικά κύτταρα και ο λόγος που χρειαζόμαστε προστασία από την υπερβολική έκθεση. Κάθε τύπος ακτινοβολίας αλληλεπιδρά διαφορετικά, αφήνοντας πίσω του ένα μοναδικό «αποτύπωμα» ενέργειας, το οποίο καθορίζει τις βιολογικές και φυσικές συνέπειες.

Από επιστημονική σκοπιά, η αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας με την ύλη είναι η διαδικασία κατά την οποία η ενέργεια της προσπίπτουσας ακτινοβολίας μεταφέρεται στα άτομα και τα μόρια του υλικού απορροφητή. Αυτή η μεταφορά ενέργειας μπορεί να οδηγήσει σε ιονισμό (απομάκρυνση ηλεκτρονίων από τα άτομα) ή διέγερση (μετάπτωση ηλεκτρονίων σε υψηλότερες ενεργειακές στάθμες). Τα φαινόμενα αυτά εξαρτώνται από τον τύπο και την ενέργεια της ακτινοβολίας (π.χ., φωτόνια, ηλεκτρόνια, πρωτόνια, νετρόνια) καθώς και από την ατομική σύσταση (ατομικός αριθμός Z) και την πυκνότητα (ρ) του υλικού. Η κατανόηση αυτών των θεμελιωδών μηχανισμών είναι απαραίτητη για τον σχεδιασμό ανιχνευτών ακτινοβολίας, την ακτινοπροστασία και τις ιατρικές εφαρμογές.

Η ακτινοβολία χωρίζεται σε δύο μεγάλες οικογένειες. Η πρώτη είναι τα σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια και τα σωματίδια άλφα, που είναι ουσιαστικά μικροσκοπικά κομμάτια ύλης με μάζα και (συνήθως) ηλεκτρικό φορτίο. Σκεφτείτε τα σαν γρήγορες σφαίρες. Η δεύτερη οικογένεια είναι τα κύματα, όπως οι ακτίνες-Χ και οι ακτίνες-γ. Αυτά δεν έχουν μάζα και είναι καθαρή ενέργεια, σαν το φως που βλέπουμε, αλλά πολύ πιο ισχυρά. Ο τρόπος που κάθε «μέλος» αυτών των οικογενειών αλληλεπιδρά με την ύλη είναι διαφορετικός. Τα φορτισμένα σωματίδια "σπρώχνουν" και "τραβούν" τα ηλεκτρόνια των ατόμων που συναντούν, ενώ οι ακτίνες-Χ συμπεριφέρονται σαν ενεργειακά πακέτα που μπορεί να απορροφηθούν πλήρως ή να σκεδαστούν.

Η ακτινοβολία ταξινομείται με βάση τη φύση της. Η ιονίζουσα ακτινοβολία φέρει αρκετή ενέργεια ανά σωματίδιο (>10 eV) για να προκαλέσει ιονισμό. Διακρίνεται σε: α) Άμεσα ιονίζουσα ακτινοβολία, η οποία αποτελείται από φορτισμένα σωματίδια (π.χ., ηλεκτρόνια, ποζιτρόνια, πρωτόνια, σωμάτια άλφα) που αλληλεπιδρούν άμεσα με τα ατομικά ηλεκτρόνια μέσω ηλεκτροστατικών δυνάμεων Coulomb. β) Έμμεσα ιονίζουσα ακτινοβολία, αποτελούμενη από αφόρτιστα σωματίδια (φωτόνια όπως οι ακτίνες-Χ και γ, και νετρόνια). Αυτά πρώτα μεταφέρουν την ενέργειά τους σε φορτισμένα σωματίδια μέσα στην ύλη (π.χ., φωτοηλεκτρόνια, ηλεκτρόνια Compton, νετρόνια ανάκρουσης), τα οποία στη συνέχεια προκαλούν τον ιονισμό. Η διάκριση αυτή είναι θεμελιώδης για την κατανόηση των μηχανισμών εναπόθεσης ενέργειας.

Κάθε υλικό αποτελείται από άτομα, τα οποία μπορούμε να φανταστούμε σαν μικροσκοπικά ηλιακά συστήματα. Στο κέντρο βρίσκεται ο πυρήνας (ο «ήλιος»), που περιέχει θετικά φορτισμένα πρωτόνια και ουδέτερα νετρόνια. Γύρω από τον πυρήνα περιφέρονται τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια (οι «πλανήτες») σε συγκεκριμένες τροχιές ή ενεργειακές στιβάδες. Οι περισσότερες αλληλεπιδράσεις της ακτινοβολίας συμβαίνουν με αυτά τα ηλεκτρόνια. Μια ακτινοβολία μπορεί να «χτυπήσει» ένα ηλεκτρόνιο και να το πετάξει έξω από το άτομο (ιονισμός) ή απλώς να το ανεβάσει σε μια πιο εξωτερική τροχιά (διέγερση). Μόνο οι πολύ υψηλές ενέργειες και συγκεκριμένοι τύποι ακτινοβολίας, όπως τα νετρόνια, αλληλεπιδρούν απευθείας με τον πυρήνα.

Το άτομο, σύμφωνα με το μοντέλο του Bohr, αποτελείται από έναν κεντρικό, θετικά φορτισμένο πυρήνα (με Z πρωτόνια και Ν νετρόνια) και Ζ ηλεκτρόνια που κινούνται σε κβαντισμένες ενεργειακές στιβάδες (K, L, M, ...). Κάθε στιβάδα χαρακτηρίζεται από μια συγκεκριμένη ενέργεια σύνδεσης (Binding Energy, Eb), η οποία αντιπροσωπεύει την ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου από τη στιβάδα στο άπειρο. Η ενέργεια σύνδεσης είναι μεγαλύτερη για τις εσωτερικές στιβάδες (π.χ., Κ-στιβάδα) και αυξάνεται περίπου ανάλογα με το Z². Οι αλληλεπιδράσεις της ακτινοβολίας κατηγοριοποιούνται με βάση το ποιο συστατικό του ατόμου εμπλέκεται: α) με τα ατομικά ηλεκτρόνια, β) με το ηλεκτροστατικό πεδίο του πυρήνα, ή γ) απευθείας με τα νουκλεόνια του πυρήνα.

Φανταστείτε ότι ρίχνετε μια χούφτα άμμο σε έναν τοίχο με πολλούς μικρούς στόχους κολλημένους πάνω του. Η «ενεργός διατομή» είναι σαν το μέγεθος κάθε στόχου. Όσο μεγαλύτερος ο στόχος, τόσο πιο πιθανό είναι ένας κόκκος άμμου να τον χτυπήσει. Στον κόσμο της ακτινοβολίας, κάθε άτομο είναι ένας στόχος, και η ενεργός διατομή εκφράζει την πιθανότητα η ακτινοβολία να αλληλεπιδράσει με αυτό. Η «μέση ελεύθερη διαδρομή» είναι η μέση απόσταση που διανύει ένα σωματίδιο ακτινοβολίας μέσα σε ένα υλικό πριν τελικά χτυπήσει έναν στόχο. Σε ένα υλικό με μεγάλους ή πολλούς στόχους, αυτή η απόσταση είναι μικρή, ενώ σε ένα αραιό υλικό είναι μεγαλύτερη.

Η ενεργός διατομή (cross section, σ) είναι ένα μέτρο της πιθανότητας να συμβεί μια συγκεκριμένη αλληλεπίδραση μεταξύ ενός προσπίπτοντος σωματιδίου και ενός ατόμου-στόχου. Έχει διαστάσεις εμβαδού και μετριέται συνήθως σε barn (1 barn = 10⁻²⁴ cm²). Η τιμή της εξαρτάται από τον τύπο και την ενέργεια του σωματιδίου, καθώς και από τον ατομικό αριθμό (Ζ) του στόχου. Η μέση ελεύθερη διαδρομή (mean free path, λ) ορίζεται ως η μέση απόσταση που διανύει ένα σωματίδιο σε ένα υλικό πριν υποστεί αλληλεπίδραση. Συνδέεται με την ενεργό διατομή και την πυκνότητα των ατόμων-στόχων (n, άτομα/cm³) μέσω της σχέσης λ = 1 / (nσ). Αυτές οι δύο ποσότητες είναι θεμελιώδεις για τον υπολογισμό της εξασθένησης της ακτινοβολίας.

Όταν μια δέσμη ακτινοβολίας, όπως οι ακτίνες-Χ σε ένα ακτινολογικό μηχάνημα, περνάει μέσα από ένα υλικό (π.χ. το ανθρώπινο σώμα), δεν βγαίνει από την άλλη πλευρά το ίδιο ισχυρή. Κάθε αλληλεπίδραση αφαιρεί σωματίδια ή ενέργεια από τη δέσμη, κάνοντάς την πιο αδύναμη. Αυτό το φαινόμενο λέγεται εξασθένηση. Υλικά που είναι πυκνά και αποτελούνται από «βαριά» άτομα, όπως ο μόλυβδος, είναι πολύ καλά στο να εξασθενούν την ακτινοβολία και γι' αυτό χρησιμοποιούνται για θωράκιση. Αντίθετα, υλικά όπως ο αέρας ή οι μαλακοί ιστοί την εξασθενούν πολύ λιγότερο. Η εξασθένηση είναι ο λόγος που στην ακτινογραφία τα οστά (πιο πυκνά) φαίνονται λευκά, ενώ οι πνεύμονες (γεμάτοι αέρα) φαίνονται μαύροι.

Η εξασθένηση μιας μονοενεργειακής, παράλληλης δέσμης φωτονίων που διέρχεται από ένα ομογενές υλικό πάχους x περιγράφεται από τον εκθετικό νόμο: I(x) = I₀ * e^(-μx). Εδώ, I₀ είναι η αρχική ένταση της δέσμης, I(x) είναι η ένταση μετά τη διέλευση από το υλικό, και μ είναι ο γραμμικός συντελεστής εξασθένησης (linear attenuation coefficient). Ο συντελεστής μ εκφράζει την πιθανότητα ανά μονάδα μήκους να αλληλεπιδράσει ένα φωτόνιο με το υλικό και εξαρτάται από την ενέργεια του φωτονίου και τη φύση του υλικού (Ζ, ρ). Η μονάδα του είναι cm⁻¹. Μια χρήσιμη ποσότητα είναι το πάχος ημιεξασθένησης (Half-Value Layer, HVL), το οποίο ορίζεται ως το πάχος του υλικού που απαιτείται για να μειώσει την ένταση της δέσμης στο μισό (HVL = ln(2)/μ).

Φανταστείτε ένα φωτόνιο (π.χ. από ακτίνα-Χ) σαν ένα μπιλιάρδο που χτυπά μια άλλη μπάλα (ένα ηλεκτρόνιο) τόσο τέλεια, που η πρώτη μπάλα σταματά εντελώς και η δεύτερη εκτοξεύεται με όλη την ενέργεια. Αυτό είναι το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Το εισερχόμενο φωτόνιο απορροφάται πλήρως από ένα άτομο, και όλη του η ενέργεια χρησιμοποιείται για να ξεπεράσει τη «δύναμη» που κρατά ένα ηλεκτρόνιο δεμένο στο άτομο και να το εκτινάξει μακριά. Το άτομο μένει «πληγωμένο» (ιονισμένο) και ασταθές. Αυτό το φαινόμενο είναι πολύ σημαντικό στις διαγνωστικές ακτινογραφίες, γιατί η πιθανότητα να συμβεί εξαρτάται πολύ από το υλικό. Τα οστά (με υψηλό ατομικό αριθμό) το προκαλούν πολύ περισσότερο από τους μαλακούς ιστούς, δημιουργώντας την αντίθεση στην εικόνα.

Στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, ένα προσπίπτον φωτόνιο με ενέργεια Eγ αλληλεπιδρά με ένα άτομο και απορροφάται πλήρως, εκτινάσσοντας ένα ηλεκτρόνιο από μία από τις εσωτερικές στιβάδες (συνήθως την Κ). Το εκπεμπόμενο ηλεκτρόνιο, που ονομάζεται φωτοηλεκτρόνιο, έχει κινητική ενέργεια Ke = Eγ - Eb, όπου Eb είναι η ενέργεια σύνδεσης του ηλεκτρονίου στην αρχική του στιβάδα. Η κενή θέση που δημιουργείται καλύπτεται από ένα ηλεκτρόνιο από εξωτερική στιβάδα, οδηγώντας στην εκπομπή χαρακτηριστικών ακτίνων-Χ ή ηλεκτρονίων Auger. Η ενεργός διατομή για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο (τ) είναι περίπου ανάλογη του Z⁴/Eγ³. Αυτή η ισχυρή εξάρτηση από τον ατομικό αριθμό (Z) το καθιστά τον κυρίαρχο μηχανισμό αλληλεπίδρασης για χαμηλές ενέργειες φωτονίων και υλικά με υψηλό Ζ.

Η σκέδαση Compton μοιάζει με μια ατελή σύγκρουση στο μπιλιάρδο. Εδώ, το εισερχόμενο φωτόνιο (η «στέκα») χτυπά ένα ηλεκτρόνιο που είναι χαλαρά δεμένο στο άτομό του (συνήθως σε μια εξωτερική τροχιά). Αντί όμως να σταματήσει, το φωτόνιο απλώς χάνει ένα μέρος της ενέργειάς του, αλλάζει κατεύθυνση και συνεχίζει την πορεία του, σαν μια εξοστρακισμένη μπάλα. Η ενέργεια που έχασε μεταφέρεται στο ηλεκτρόνιο, το οποίο επίσης εκτινάσσεται από το άτομο. Αυτό το φαινόμενο είναι πολύ σημαντικό στις ενέργειες που χρησιμοποιούνται στην ακτινοθεραπεία, αλλά και στη διαγνωστική απεικόνιση, όπου τα σκεδαζόμενα φωτόνια δημιουργούν «θόρυβο» και θολώνουν την εικόνα.

Η σκέδαση Compton είναι μια ανελαστική σκέδαση ενός φωτονίου από ένα σχεδόν ελεύθερο ατομικό ηλεκτρόνιο. Στη διαδικασία αυτή, το προσπίπτον φωτόνιο ενέργειας Eγ μεταφέρει μέρος της ενέργειάς του στο ηλεκτρόνιο (το οποίο ονομάζεται ηλεκτρόνιο ανάκρουσης ή Compton) και σκεδάζεται υπό γωνία θ με μειωμένη ενέργεια E'γ. Η μεταβολή στο μήκος κύματος του φωτονίου δίνεται από τη σχέση του Compton: Δλ = λ' - λ = (h/m₀c)(1 - cosθ), όπου h είναι η σταθερά του Planck, m₀c² είναι η ενέργεια ηρεμίας του ηλεκτρονίου (0.511 MeV). Η ενεργός διατομή της σκέδασης Compton εξαρτάται από τον αριθμό των ηλεκτρονίων ανά γραμμάριο του υλικού και είναι σχεδόν ανεξάρτητη από τον ατομικό αριθμό Ζ για τις ενέργειες που χρησιμοποιούνται στην ιατρική. Κυριαρχεί στις ενδιάμεσες ενέργειες (περίπου 100 keV - 10 MeV).

Αυτό είναι ένα από τα πιο εντυπωσιακά φαινόμενα στη φυσική, όπου η ενέργεια μετατρέπεται σε ύλη, ακολουθώντας τη διάσημη εξίσωση του Einstein, E=mc². Όταν ένα φωτόνιο πολύ υψηλής ενέργειας περνά κοντά από τον βαρύ πυρήνα ενός ατόμου, μπορεί κυριολεκτικά να εξαφανιστεί και στη θέση του να γεννηθούν δύο σωματίδια: ένα ηλεκτρόνιο (ύλη) και το δίδυμό του από αντιύλη, ένα ποζιτρόνιο. Για να συμβεί αυτό, το φωτόνιο πρέπει να έχει ενέργεια τουλάχιστον ίση με τη συνδυασμένη μάζα αυτών των δύο σωματιδίων. Το φαινόμενο αυτό είναι σημαντικό μόνο σε πολύ υψηλές ενέργειες, όπως αυτές που χρησιμοποιούνται σε προηγμένες τεχνικές ακτινοθεραπείας (π.χ., με γραμμικούς επιταχυντές) και στην τεχνολογία PET (Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίων).

Η δίδυμη γένεση είναι η διαδικασία κατά την οποία ένα φωτόνιο υψηλής ενέργειας, αλληλεπιδρώντας με το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο ενός πυρήνα, μετατρέπεται σε ένα ζεύγος ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου. Για να συμβεί το φαινόμενο, η ενέργεια του φωτονίου (Eγ) πρέπει να υπερβαίνει την ενέργεια ηρεμίας του ζεύγους, η οποία είναι 2m₀c² = 1.022 MeV. Αυτή είναι η κατώφλιος ενέργεια (threshold energy) για το φαινόμενο. Η πλεονάζουσα ενέργεια, Eγ - 1.022 MeV, μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια του ηλεκτρονίου και του ποζιτρονίου. Η ενεργός διατομή για τη δίδυμη γένεση (κ) αυξάνεται με την ενέργεια πάνω από το κατώφλι και είναι ανάλογη του Z². Το ποζιτρόνιο που παράγεται, αφού επιβραδυνθεί, εξαϋλώνεται με ένα ηλεκτρόνιο του μέσου, παράγοντας δύο φωτόνια των 0.511 MeV.

Η συνεκτική σκέδαση, γνωστή και ως σκέδαση Rayleigh, είναι η πιο «ήπια» μορφή αλληλεπίδρασης. Εδώ, ένα φωτόνιο χαμηλής ενέργειας συναντά ένα άτομο και το κάνει να «ταλαντωθεί» για μια στιγμή, σαν μια καμπάνα που τη χτυπάς ελαφρά. Το άτομο απορροφά και αμέσως επανεκπέμπει το φωτόνιο, συνήθως σε ελαφρώς διαφορετική κατεύθυνση, αλλά χωρίς να του αλλάξει καθόλου την ενέργεια. Είναι σαν το φωτόνιο να «αναπηδά» απλώς πάνω στο άτομο. Δεν προκαλείται ιονισμός, και η εναπόθεση ενέργειας στο υλικό είναι μηδενική. Αν και δεν είναι σημαντική για τις περισσότερες ιατρικές εφαρμογές, όπου ο ιονισμός είναι το ζητούμενο, παίζει ρόλο σε ορισμένες τεχνικές, όπως η κρυσταλλογραφία με ακτίνες-Χ, και συμβάλλει ελαφρώς στη συνολική εξασθένηση της δέσμης.

Η συνεκτική σκέδαση είναι μια διαδικασία κατά την οποία ένα φωτόνιο αλληλεπιδρά με το σύνολο των ηλεκτρονίων ενός ατόμου, χωρίς να μεταφέρει ενέργεια σε αυτό. Το ηλεκτρικό πεδίο του προσπίπτοντος φωτονίου προκαλεί τη συντονισμένη ταλάντωση των ατομικών ηλεκτρονίων. Αυτό το σύστημα που ταλαντώνεται λειτουργεί ως πηγή, εκπέμποντας ένα φωτόνιο με την ίδια ακριβώς ενέργεια (και μήκος κύματος) με το προσπίπτον, αλλά συνήθως σε διαφορετική κατεύθυνση, κυρίως προς τα εμπρός. Δεδομένου ότι δεν υπάρχει μεταφορά ενέργειας, το φαινόμενο αυτό δεν συμβάλλει στην απορροφούμενη δόση. Η ενεργός διατομή του είναι σημαντική μόνο σε πολύ χαμηλές ενέργειες φωτονίων (κάτω από 30 keV) και για υλικά με υψηλό ατομικό αριθμό Ζ.

Οι τέσσερις μηχανισμοί που είδαμε (φωτοηλεκτρικό, Compton, δίδυμη γένεση, Rayleigh) είναι σαν διαφορετικοί δρόμοι που μπορεί να πάρει ένα φωτόνιο όταν συναντά την ύλη. Ο συνολικός συντελεστής εξασθένησης είναι απλώς το άθροισμα των πιθανοτήτων να συμβεί οποιοδήποτε από αυτά τα τέσσερα φαινόμενα. Σε χαμηλές ενέργειες, ο «δρόμος» του φωτοηλεκτρικού είναι ο πιο πιθανός. Σε μεσαίες ενέργειες, κυριαρχεί ο «δρόμος» του Compton, και σε πολύ υψηλές ενέργειες, αυτός της δίδυμης γένεσης. Γνωρίζοντας ποιος μηχανισμός κυριαρχεί σε κάθε ενέργεια και για κάθε υλικό, μπορούμε να προβλέψουμε πώς θα συμπεριφερθεί η ακτινοβολία, κάτι που είναι ζωτικής σημασίας για τον σχεδιασμό της ακτινοθεραπείας ή τη βελτιστοποίηση της ποιότητας μιας ακτινογραφίας.

Ο ολικός γραμμικός συντελεστής εξασθένησης (μ) είναι το άθροισμα των γραμμικών συντελεστών για κάθε επιμέρους φαινόμενο αλληλεπίδρασης φωτονίων: μ = τ (φωτοηλεκτρικό) + σ (Compton) + κ (δίδυμη γένεση) + σ_R (Rayleigh). Συχνά, είναι πιο βολικό να χρησιμοποιείται ο μαζικός συντελεστής εξασθένησης (μ/ρ), όπου ρ είναι η πυκνότητα του υλικού. Αυτός ο συντελεστής είναι ανεξάρτητος από τη φυσική κατάσταση του υλικού (αέριο, υγρό, στερεό) και έχει μονάδες cm²/g. Ο μαζικός συντελεστής εναπόθεσης ενέργειας (μ_en/ρ) είναι ένα παρόμοιο μέγεθος που λαμβάνει υπόψη μόνο την ενέργεια που πραγματικά αποτίθεται τοπικά στο υλικό, εξαιρώντας την ενέργεια που διαφεύγει με τη μορφή σκεδαζόμενων φωτονίων ή ακτινοβολίας πέδησης. Είναι κρίσιμος για τους υπολογισμούς της δόσης.

Τα βαρέα φορτισμένα σωματίδια, όπως τα πρωτόνια και τα σωμάτια άλφα (πυρήνες ηλίου), συμπεριφέρονται σαν οδοστρωτήρες σε μοριακό επίπεδο. Λόγω της μεγάλης μάζας και του φορτίου τους, ταξιδεύουν μέσα στην ύλη σε σχεδόν ευθείες γραμμές, αφήνοντας πίσω τους ένα πυκνό ίχνος ιονισμού. Αλληλεπιδρούν ταυτόχρονα με πολλά ηλεκτρόνια των ατόμων που συναντούν, χάνοντας την ενέργειά τους σταδιακά μέσα από χιλιάδες μικρές «συγκρούσεις». Επειδή δεν αλλάζουν εύκολα πορεία, έχουν μια πολύ συγκεκριμένη και προβλέψιμη διαδρομή (εμβέλεια) μέσα σε ένα υλικό. Αυτή η ιδιότητα είναι εξαιρετικά χρήσιμη στη θεραπεία με πρωτόνια, όπου μπορούμε να στοχεύσουμε με ακρίβεια έναν όγκο βαθιά μέσα στο σώμα, εναποθέτοντας το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας εκεί και προστατεύοντας τους γύρω υγιείς ιστούς.

Τα βαρέα φορτισμένα σωματίδια (π.χ., p, α, ιόντα άνθρακα) χάνουν ενέργεια στην ύλη κυρίως μέσω ανελαστικών κρούσεων Coulomb με τα ατομικά ηλεκτρόνια, προκαλώντας διέγερση και ιονισμό. Λόγω της μάζας τους, που είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή του ηλεκτρονίου (m_p ≈ 1836 m_e), οι εκτροπές τους είναι αμελητέες και οι τροχιές τους είναι σχεδόν ευθύγραμμες. Η απώλεια ενέργειας ανά μονάδα μήκους είναι πολύ υψηλή, οδηγώντας σε υψηλή Γραμμική Μεταφορά Ενέργειας (Linear Energy Transfer, LET). Η εμβέλειά τους (range) είναι καλώς ορισμένη. Οι ελαστικές κρούσεις με τους πυρήνες είναι σπάνιες και συμβάλλουν ελάχιστα στη συνολική απώλεια ενέργειας, εκτός από το τέλος της διαδρομής τους.

Η «ικανότητα ανάσχεσης» ενός υλικού περιγράφει πόσο αποτελεσματικά φρενάρει ένα φορτισμένο σωμάτιο που περνά μέσα του. Είναι, δηλαδή, ο ρυθμός με τον οποίο το σωμάτιο χάνει την ενέργειά του. Ένα παράδοξο χαρακτηριστικό των βαρέων σωματιδίων είναι ότι χάνουν περισσότερη ενέργεια ανά εκατοστό καθώς επιβραδύνουν. Αυτό οδηγεί σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται «κορυφή Bragg». Το σωμάτιο εναποθέτει σχετικά λίγη ενέργεια στην αρχή της διαδρομής του, και ξαφνικά, λίγο πριν σταματήσει εντελώς, απελευθερώνει το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειάς του σε μια μικρή περιοχή. Είναι σαν ένας δρομέας που κάνει ένα εκρηκτικό σπριντ ακριβώς πάνω στη γραμμή του τερματισμού. Αυτή η κορυφή Bragg είναι το κλειδί για την ακρίβεια της θεραπείας με πρωτόνια.

Η ικανότητα ανάσχεσης (Stopping Power, S) ενός υλικού για ένα φορτισμένο σωμάτιο ορίζεται ως η μέση απώλεια ενέργειας του σωματιδίου ανά μονάδα μήκους διαδρομής, S = -dE/dx. Περιγράφεται θεωρητικά από τον τύπο Bethe-Bloch, ο οποίος λαμβάνει υπόψη την ταχύτητα (β=v/c) και το φορτίο (ze) του σωματιδίου, καθώς και τον ατομικό αριθμό (Ζ) και το μέσο δυναμικό ιονισμού (Ι) του υλικού. Ο τύπος δείχνει ότι η ικανότητα ανάσχεσης είναι ανάλογη του (z/β)². Καθώς το σωμάτιο επιβραδύνεται, το β μειώνεται, οδηγώντας σε αύξηση του -dE/dx, το οποίο κορυφώνεται λίγο πριν το σωμάτιο ακινητοποιηθεί. Αυτή η κορύφωση στη γραφική παράσταση της εναπόθεσης δόσης σε συνάρτηση με το βάθος ονομάζεται κορυφή Bragg (Bragg Peak).

Σε αντίθεση με τα βαριά σωματίδια, τα ηλεκτρόνια είναι εξαιρετικά ελαφριά. Όταν ταξιδεύουν μέσα στην ύλη, συμπεριφέρονται σαν μια μπάλα του φλίπερ. Επειδή έχουν την ίδια μάζα με τα ηλεκτρόνια των ατόμων που συναντούν, κάθε σύγκρουση μπορεί να αλλάξει δραματικά την πορεία τους. Έτσι, αντί για μια ευθεία γραμμή, η διαδρομή ενός ηλεκτρονίου είναι μια τεθλασμένη, ακανόνιστη πορεία. Χάνουν την ενέργειά τους με δύο βασικούς τρόπους: είτε συγκρουόμενα με άλλα ηλεκτρόνια (όπως και τα βαριά σωματίδια) είτε εκπέμποντας ακτίνες-Χ όταν περνούν κοντά από τους πυρήνες των ατόμων (ένα φαινόμενο που θα δούμε στην επόμενη ενότητα). Τα ποζιτρόνια (η αντιύλη των ηλεκτρονίων) συμπεριφέρονται παρόμοια, με τη διαφορά ότι στο τέλος της διαδρομής τους εξαϋλώνονται.

Τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια χάνουν ενέργεια μέσω δύο κύριων μηχανισμών: α) συγκρουσιακές απώλειες (collisional losses) με ατομικά ηλεκτρόνια, που οδηγούν σε ιονισμό και διέγερση, και β) ακτινικές απώλειες (radiative losses) μέσω της εκπομπής ακτινοβολίας πέδησης (Bremsstrahlung) στο πεδίο των πυρήνων. Λόγω της μικρής μάζας τους, τα ηλεκτρόνια υφίστανται μεγάλες γωνιακές εκτροπές σε κάθε σύγκρουση, με αποτέλεσμα οι τροχιές τους να είναι έντονα ελικοειδείς (tortuous). Για τον λόγο αυτό, η εμβέλειά τους δεν είναι τόσο καλώς ορισμένη όσο των βαρέων σωματιδίων. Η σχετική σημασία των ακτινικών απωλειών αυξάνεται με την ενέργεια του ηλεκτρονίου και τον ατομικό αριθμό (Ζ) του απορροφητή, και είναι ανάλογη προς E*Z.

Φανταστείτε ένα γρήγορο ηλεκτρόνιο να περνά ξυστά δίπλα από έναν βαρύ, θετικά φορτισμένο πυρήνα. Η ισχυρή ηλεκτρική έλξη του πυρήνα το αναγκάζει να αλλάξει απότομα κατεύθυνση, σαν ένα αυτοκίνητο που παίρνει μια κλειστή στροφή με μεγάλη ταχύτητα. Αυτό το απότομο «φρενάρισμα» και η αλλαγή πορείας κάνουν το ηλεκτρόνιο να χάσει ενέργεια, την οποία την εκπέμπει με τη μορφή μιας ακτίνας-Χ, που ονομάζεται ακτινοβολία πέδησης (Bremsstrahlung στα γερμανικά). Αυτός ακριβώς είναι ο μηχανισμός με τον οποίο παράγουμε τις ακτίνες-Χ στα ακτινολογικά μηχανήματα: επιταχύνουμε ηλεκτρόνια και τα αφήνουμε να προσκρούσουν σε έναν στόχο από βαρύ μέταλλο (όπως το βολφράμιο), για να παραχθεί άφθονη ακτινοβολία πέδησης.

Η Bremsstrahlung είναι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που παράγεται από την επιβράδυνση ενός φορτισμένου σωματιδίου, συνήθως ενός ηλεκτρονίου, όταν εκτρέπεται από το ηλεκτροστατικό πεδίο ενός πυρήνα. Η απώλεια ενέργειας μέσω αυτής της διαδικασίας (ακτινική ικανότητα ανάσχεσης) είναι ανάλογη της ενέργειας του προσπίπτοντος ηλεκτρονίου (Ε) και του τετραγώνου του ατομικού αριθμού του υλικού (Ζ²). Έτσι, το φαινόμενο είναι πιο έντονο για υψηλές ενέργειες και υλικά με υψηλό Ζ. Το φάσμα της παραγόμενης ακτινοβολίας πέδησης είναι συνεχές, εκτεινόμενο από μηδενική ενέργεια μέχρι τη μέγιστη κινητική ενέργεια του ηλεκτρονίου. Ο λόγος των ακτινικών προς τις συγκρουσιακές απώλειες ενέργειας για ένα ηλεκτρόνιο είναι περίπου (EZ)/800, όπου η ενέργεια Ε είναι σε MeV.

Η ακτινοβολία Cherenkov είναι το φωτεινό ανάλογο του ηχητικού κώνου (sonic boom) που δημιουργεί ένα υπερηχητικό αεροσκάφος. Τίποτα δεν μπορεί να ταξιδέψει ταχύτερα από το φως στο κενό. Ωστόσο, μέσα σε ένα υλικό μέσο (όπως το νερό), το φως επιβραδύνει. Ένα πολύ ενεργητικό σωματίδιο, που παράγεται από μια πυρηνική αντίδραση, μπορεί να κινείται μέσα στο νερό με ταχύτητα μεγαλύτερη από αυτή του φωτός μέσα στο νερό. Καθώς το σωμάτιο αυτό «σχίζει» το μέσο, διαταράσσει τα μόρια του υλικού, τα οποία, επιστρέφοντας στην ηρεμία τους, εκπέμπουν ένα χαρακτηριστικό γαλαζωπό φως. Αυτή η μπλε λάμψη που βλέπουμε γύρω από τους πυρήνες των πυρηνικών αντιδραστήρων που είναι βυθισμένοι σε νερό είναι ακτινοβολία Cherenkov.

Η ακτινοβολία Cherenkov εκπέμπεται όταν ένα φορτισμένο σωμάτιο διασχίζει ένα διηλεκτρικό μέσο με ταχύτητα v, η οποία είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα φάσης του φωτός c' στο συγκεκριμένο μέσο (c' = c/n, όπου n είναι ο δείκτης διάθλασης του μέσου). Η συνθήκη για την εκπομπή είναι v > c/n ή βn > 1, όπου β=v/c. Η ακτινοβολία εκπέμπεται συνεκτικά και σχηματίζει ένα κωνικό μέτωπο κύματος, με τη γωνία του κώνου θ_c να δίνεται από τη σχέση cos(θ_c) = 1/(βn). Το φάσμα της ακτινοβολίας Cherenkov είναι συνεχές και η έντασή της είναι γενικά χαμηλή. Το φαινόμενο αυτό αξιοποιείται σε ανιχνευτές σωματιδίων για την ταυτοποίηση και τη μέτρηση της ταχύτητας πολύ ενεργητικών σωματιδίων.

Τα νετρόνια είναι τα «φαντάσματα» του υποατομικού κόσμου. Επειδή δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο, δεν αλληλεπιδρούν με τα ηλεκτρόνια των ατόμων και μπορούν να διαπεράσουν μεγάλες αποστάσεις στην ύλη χωρίς να ενοχληθούν. Ο μόνος τρόπος για να αλληλεπιδράσουν είναι να χτυπήσουν απευθείας πάνω στον μικροσκοπικό πυρήνα ενός ατόμου. Μία από τις βασικές αλληλεπιδράσεις είναι η σκέδαση, που μοιάζει με μια σύγκρουση δύο μπαλών μπιλιάρδου. Το νετρόνιο χτυπά τον πυρήνα και αλλάζουν και τα δύο κατεύθυνση και ταχύτητα. Η καλύτερη επιβράδυνση των νετρονίων γίνεται όταν συγκρούονται με πυρήνες που έχουν παρόμοια μάζα, όπως οι πυρήνες του υδρογόνου. Γι' αυτό, υλικά πλούσια σε υδρογόνο, όπως το νερό και η παραφίνη, είναι εξαιρετικοί επιβραδυντές και χρησιμοποιούνται για θωράκιση από νετρόνια.

Τα νετρόνια, ως αφόρτιστα σωματίδια, αλληλεπιδρούν με την ύλη μέσω ισχυρών πυρηνικών δυνάμεων, κυρίως με τους πυρήνες. Η σκέδαση είναι μια κύρια διαδικασία. Διακρίνεται σε: α) Ελαστική σκέδαση (n, n), όπου η συνολική κινητική ενέργεια διατηρείται. Το νετρόνιο συγκρούεται με τον πυρήνα και μεταφέρει μέρος της ενέργειάς του σε αυτόν (πυρήνας ανάκρουσης), επιβραδυνόμενο το ίδιο. Η μεταφορά ενέργειας μεγιστοποιείται για συγκρούσεις με ελαφρούς πυρήνες (π.χ., ¹H). β) Ανελαστική σκέδαση (n, n'γ), όπου το νετρόνιο μεταφέρει μέρος της ενέργειάς του στον πυρήνα, αφήνοντάς τον σε μια διεγερμένη κατάσταση. Ο πυρήνας στη συνέχεια αποδιεγείρεται εκπέμποντας μια ακτίνα γάμμα. Αυτό το φαινόμενο έχει ενεργειακό κατώφλι.

Εκτός από το να «αναπηδήσει» πάνω σε έναν πυρήνα, ένα νετρόνιο μπορεί και να απορροφηθεί από αυτόν. Αυτό το φαινόμενο, που ονομάζεται σύλληψη νετρονίου, συμβαίνει συνήθως όταν το νετρόνιο κινείται αργά. Ο πυρήνας «καταπίνει» το νετρόνιο, μετατρέπεται σε ένα βαρύτερο ισότοπο και μένει με περίσσεια ενέργειας, την οποία συνήθως απελευθερώνει εκπέμποντας μια ακτίνα γάμμα. Σε ειδικές περιπτώσεις, με πολύ βαριούς πυρήνες όπως το ουράνιο-235, η απορρόφηση ενός νετρονίου μπορεί να κάνει τον πυρήνα τόσο ασταθή που διασπάται σε δύο μικρότερους πυρήνες. Αυτή η διαδικασία, η σχάση, απελευθερώνει τεράστια ποσότητα ενέργειας και περισσότερα νετρόνια, τα οποία μπορούν να προκαλέσουν νέες σχάσεις, οδηγώντας σε μια αλυσιδωτή αντίδραση. Αυτή είναι η αρχή λειτουργίας των πυρηνικών αντιδραστήρων.

Η απορρόφηση νετρονίων είναι μια διαδικασία όπου το νετρόνιο συλλαμβάνεται από τον πυρήνα-στόχο, σχηματίζοντας έναν σύνθετο πυρήνα. Οι πιο συνηθισμένες αντιδράσεις απορρόφησης είναι: α) Σύλληψη με ακτινοβολία (radiative capture, (n,γ)), όπου ο σύνθετος πυρήνας αποδιεγείρεται εκπέμποντας μία ή περισσότερες ακτίνες γάμμα. Αυτή η αντίδραση είναι πιο πιθανή για θερμικά (χαμηλής ενέργειας) νετρόνια. β) Αντιδράσεις (n,p) και (n,α), όπου μετά τη σύλληψη του νετρονίου εκπέμπεται ένα φορτισμένο σωμάτιο (πρωτόνιο ή άλφα). γ) Σχάση (fission), όπου η σύλληψη ενός νετρονίου από έναν βαρύ πυρήνα (π.χ., ²³⁵U, ²³⁹Pu) προκαλεί τη διάσπασή του σε δύο ελαφρύτερους πυρήνες (προϊόντα σχάσης), απελευθερώνοντας ενέργεια και 2-3 νέα νετρόνια. Η πιθανότητα (ενεργός διατομή) για τις περισσότερες αντιδράσεις απορρόφησης είναι αντιστρόφως ανάλογη της ταχύτητας του νετρονίου (νόμος 1/v).

Όταν η ακτινοβολία περνά από την ύλη (π.χ. το σώμα μας), αφήνει πίσω της ενέργεια. Η δοσιμετρία είναι η επιστήμη που μετρά αυτή την ενέργεια. Η βασική μονάδα είναι η **απορροφούμενη δόση**, που μετριέται σε Gray (Gy). Ένα Gray σημαίνει ότι ένα Joule ενέργειας έχει απορροφηθεί από ένα κιλό ύλης. Ωστόσο, δεν είναι όλοι οι τύποι ακτινοβολίας το ίδιο βλαβεροί. Ένα Gray από σωμάτια άλφα προκαλεί πολύ μεγαλύτερη βιολογική βλάβη από ένα Gray από ακτίνες-Χ. Για να το λάβουμε αυτό υπόψη, χρησιμοποιούμε την **ισοδύναμη δόση**, που μετριέται σε Sievert (Sv). Υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας την απορροφούμενη δόση με έναν «παράγοντα ποιότητας» που εξαρτάται από τον τύπο της ακτινοβολίας. Έτσι, το Sievert είναι μια καλύτερη ένδειξη του βιολογικού κινδύνου.

Οι θεμελιώδεις δοσιμετρικές ποσότητες είναι: 1) **Απορροφούμενη Δόση (Absorbed Dose, D)**: Ορίζεται ως η μέση ενέργεια dE που αποτίθεται από την ιονίζουσα ακτινοβολία σε μια μάζα dm του υλικού (D = dE/dm). Η μονάδα SI είναι το Gray (1 Gy = 1 J/kg). 2) **Ισοδύναμη Δόση (Equivalent Dose, H)**: Υπολογίζεται για να σταθμίσει τη βιολογική αποτελεσματικότητα των διαφόρων τύπων ακτινοβολίας. H = D * w_R, όπου w_R είναι ο συντελεστής στάθμισης της ακτινοβολίας (radiation weighting factor). Ο w_R είναι 1 για φωτόνια και ηλεκτρόνια, 5-20 για νετρόνια (ανάλογα με την ενέργεια) και 20 για σωμάτια άλφα. Η μονάδα SI είναι το Sievert (Sv). 3) **Ενεργός Δόση (Effective Dose, E)**: Λαμβάνει υπόψη την διαφορετική ευαισθησία των διαφόρων οργάνων και ιστών του σώματος. Υπολογίζεται ως το άθροισμα των ισοδύναμων δόσεων σε κάθε όργανο, σταθμισμένο με τον αντίστοιχο συντελεστή ευαισθησίας του ιστού (tissue weighting factor, w_T).

Η κατανόηση του πώς η ακτινοβολία αλληλεπιδρά με την ύλη είναι η καρδιά της Ιατρικής Φυσικής. Στη **Διαγνωστική Ακτινολογία**, εκμεταλλευόμαστε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Οι ακτίνες-Χ απορροφώνται περισσότερο από τα οστά (υψηλό Ζ) παρά από τους μαλακούς ιστούς, δημιουργώντας μια σκιαγραφική εικόνα. Στην **Ακτινοθεραπεία**, ο στόχος είναι να καταστρέψουμε τα καρκινικά κύτταρα. Χρησιμοποιούμε φωτόνια υψηλής ενέργειας (όπου κυριαρχεί η σκέδαση Compton για την εναπόθεση δόσης) ή σωματίδια όπως πρωτόνια (αξιοποιώντας την κορυφή Bragg) για να μεγιστοποιήσουμε τη δόση στον όγκο και να ελαχιστοποιήσουμε τη βλάβη στους υγιείς ιστούς. Στην **Πυρηνική Ιατρική**, χορηγούμε ραδιοφάρμακα που εκπέμπουν ακτινοβολία από το εσωτερικό του σώματος για να απεικονίσουμε τη λειτουργία οργάνων (π.χ. PET/CT, όπου ανιχνεύουμε τα φωτόνια από την εξαΰλωση ποζιτρονίων).

Οι ιατρικές εφαρμογές βασίζονται στην επιλεκτική αξιοποίηση των μηχανισμών αλληλεπίδρασης. **Διαγνωστική Απεικόνιση (π.χ., Ακτινογραφία, CT)**: Λειτουργεί στην περιοχή ενεργειών 20-150 keV. Η αντίθεση της εικόνας οφείλεται κυρίως στη διαφορική εξασθένηση μέσω του φωτοηλεκτρικού φαινομένου (εξάρτηση από Z³) και της σκέδασης Compton (εξάρτηση από την πυκνότητα ηλεκτρονίων). **Ακτινοθεραπεία (Εξωτερική Δέσμη)**: Χρησιμοποιεί φωτόνια υψηλής ενέργειας (MeV), όπου η σκέδαση Compton είναι ο κύριος μηχανισμός μεταφοράς ενέργειας στα ηλεκτρόνια που προκαλούν τη βιολογική βλάβη. Στη θεραπεία πρωτονίων, η εναπόθεση δόσης κυριαρχείται από τις συγκρουσιακές απώλειες και την κορυφή Bragg. **Πυρηνική Ιατρική (π.χ., PET)**: Βασίζεται στην ανίχνευση των δύο φωτονίων των 511 keV που παράγονται από την εξαΰλωση ενός ποζιτρονίου (από ένα ραδιονουκλίδιο όπως το ¹⁸F) με ένα ατομικό ηλεκτρόνιο.

Η γνώση του πώς η ακτινοβολία αλληλεπιδρά με την ύλη οδηγεί απευθείας στον τρόπο που προστατευόμαστε από αυτήν. Οι αρχές είναι απλές και βασίζονται στη λογική: Χρόνος, Απόσταση και Θωράκιση. Πρώτον, μειώνουμε τον χρόνο παραμονής κοντά σε μια πηγή ακτινοβολίας. Δεύτερον, αυξάνουμε την απόσταση από την πηγή – καθώς η ένταση της ακτινοβολίας μειώνεται δραματικά με την απόσταση, όπως το φως ενός κεριού. Τρίτον, χρησιμοποιούμε θωράκιση, δηλαδή τοποθετούμε κατάλληλα υλικά (όπως μόλυβδο για τις ακτίνες-Χ ή νερό για τα νετρόνια) ανάμεσα σε εμάς και την πηγή για να εξασθενήσουν τη δέσμη. Η φιλοσοφία πίσω από όλα αυτά συνοψίζεται στη φράση ALARA: "As Low As Reasonably Achievable" (Τόσο Χαμηλά Όσο είναι Λογικά Εφικτό), που σημαίνει ότι πρέπει πάντα να προσπαθούμε να κρατάμε την έκθεσή μας στην ακτινοβολία στο ελάχιστο δυνατό επίπεδο.

Η ακτινοπροστασία διέπεται από τρεις θεμελιώδεις αρχές που έχουν τεθεί από τη Διεθνή Επιτροπή Ακτινολογικής Προστασίας (ICRP). Η πρώτη είναι η αρχή της Αιτιολόγησης (Justification): καμία πρακτική που περιλαμβάνει έκθεση σε ιονίζουσα ακτινοβολία δεν πρέπει να υιοθετείται αν δεν παράγει επαρκές όφελος στα εκτιθέμενα άτομα ή στην κοινωνία, ώστε να αντισταθμίζει την ακτινική βλάβη που προκαλεί. Η δεύτερη είναι η αρχή της Βελτιστοποίησης (Optimisation), γνωστή ως ALARA, η οποία επιβάλλει τη διατήρηση όλων των εκθέσεων στο χαμηλότερο λογικά εφικτό επίπεδο, λαμβάνοντας υπόψη οικονομικούς και κοινωνικούς παράγοντες. Η τρίτη είναι η αρχή του Περιορισμού της Δόσης (Dose Limitation), που θέτει όρια στην ατομική δόση για τους επαγγελματικά εκτιθέμενους και το γενικό πληθυσμό, τα οποία δεν πρέπει να ξεπερνιούνται υπό κανονικές συνθήκες.