Αλληλεπίδραση Ακτινοβολίας με την Ύλη

Κάθε υλικό γύρω μας, από τον αέρα που αναπνέουμε μέχρι το σώμα μας, αποτελείται από μικροσκοπικά δομικά στοιχεία που ονομάζονται άτομα. Φανταστείτε το άτομο σαν ένα μικροσκοπικό ηλιακό σύστημα. Στο κέντρο βρίσκεται ο «ήλιος», που ονομάζεται πυρήνας και περιέχει θετικά φορτισμένα πρωτόνια και ουδέτερα νετρόνια. Γύρω από αυτόν τον πυρήνα, σε συγκεκριμένες τροχιές ή «στιβάδες», περιφέρονται οι «πλανήτες», που είναι τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Αυτές οι στιβάδες έχουν διαφορετικά επίπεδα ενέργειας, με τα ηλεκτρόνια στις εσωτερικές στιβάδες να είναι πιο «δεσμευμένα» στον πυρήνα, ενώ αυτά στις εξωτερικές στιβάδες είναι πιο χαλαρά συνδεδεμένα. Η ισορροπία μεταξύ των θετικών πρωτονίων και των αρνητικών ηλεκτρονίων κρατά το άτομο ηλεκτρικά ουδέτερο και σταθερό. Όταν η ακτινοβολία αλληλεπιδρά με την ύλη, ουσιαστικά «συγκρούεται» με αυτά τα ατομικά συστατικά, κυρίως με τα ηλεκτρόνια.

Στη φυσική, η δομή αυτή περιγράφεται από το κβαντομηχανικό μοντέλο. Τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν διακριτές ενεργειακές στάθμες, που χαρακτηρίζονται από κύριους κβαντικούς αριθμούς (n=1, 2, 3,...), οι οποίες αντιστοιχούν στις στιβάδες K, L, M, κ.ο.κ. Η ενέργεια που απαιτείται για να απομακρυνθεί ένα ηλεκτρόνιο από μια στιβάδα ονομάζεται ενέργεια σύνδεσης (binding energy) και μετράται σε ηλεκτρονιοβόλτ (eV). Η ενέργεια σύνδεσης είναι υψηλότερη για τις εσωτερικές στιβάδες (π.χ., στιβάδα Κ) και για άτομα με μεγάλο ατομικό αριθμό (Ζ), δηλαδή με πολλά πρωτόνια στον πυρήνα τους. Για παράδειγμα, η ενέργεια σύνδεσης του ηλεκτρονίου Κ στο βολφράμιο (Z=74) είναι περίπου 69.5 keV, ενώ στο ασβέστιο (Z=20) είναι μόλις 4 keV. Αυτή η ιδιότητα είναι θεμελιώδης για την κατανόηση φαινομένων όπως το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο στην ακτινοδιαγνωστική.

Ιοντίζουσα ακτινοβολία είναι κάθε τύπος ενέργειας που ταξιδεύει στο χώρο και είναι αρκετά ισχυρή ώστε να «πετάξει» ένα ηλεκτρόνιο έξω από την τροχιά του σε ένα άτομο. Φανταστείτε μια μπάλα του μπόουλινγκ (η ακτινοβολία) να χτυπά μια κορίνα (το ηλεκτρόνιο) με τόση δύναμη που την εκτοξεύει από τη θέση της. Όταν ένα άτομο χάνει ένα ηλεκτρόνιο με αυτόν τον τρόπο, παύει να είναι ουδέτερο και μετατρέπεται σε ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο που ονομάζεται ιόν. Αυτή η διαδικασία, ο ιονισμός, είναι το κλειδί. Στην ιατρική, χρησιμοποιούμε ελεγχόμενα αυτή την ιδιότητα. Στις ακτινογραφίες, οι ακτίνες-Χ περνούν μέσα από το σώμα και ιοντίζουν τα άτομα που συναντούν, δημιουργώντας μια εικόνα. Στην ακτινοθεραπεία, χρησιμοποιούμε πολύ ισχυρότερη ακτινοβολία για να προκαλέσουμε εκτεταμένους ιονισμούς στα καρκινικά κύτταρα, καταστρέφοντας το DNA τους και εμποδίζοντας τον πολλαπλασιασμό τους.

Τεχνικά, για να θεωρηθεί ιοντίζουσα, η ακτινοβολία πρέπει να φέρει ενέργεια μεγαλύτερη από την ενέργεια σύνδεσης των ηλεκτρονίων του ατόμου-στόχου. Στην πράξη, το όριο τίθεται συμβατικά γύρω στα 10 eV, καθώς αυτή είναι μια τυπική ενέργεια ιονισμού για τα άτομα στους βιολογικούς ιστούς. Η ιοντίζουσα ακτινοβολία μπορεί να είναι είτε ηλεκτρομαγνητική (όπως οι ακτίνες-Χ και οι ακτίνες γάμμα), που αποτελείται από φωτόνια χωρίς μάζα, είτε σωματιδιακή (όπως σωμάτια άλφα, βήτα ή πρωτόνια). Η ικανότητα ιονισμού εξαρτάται από την ενέργεια, το φορτίο και τη μάζα της ακτινοβολίας. Για παράδειγμα, ένα σωμάτιο άλφα (πυρήνας ηλίου, He²⁺) είναι πολύ πυκνά ιοντίζον σωμάτιο λόγω του διπλού θετικού φορτίου και της μεγάλης μάζας του, αφήνοντας ένα πυκνό ίχνος ιονισμών σε μικρή απόσταση.

Η ιοντίζουσα ακτινοβολία δεν είναι ένα ενιαίο πράγμα· έρχεται σε δύο κύριες μορφές. Η πρώτη είναι η ακτινοβολία φωτονίων, όπως οι ακτίνες-Χ και οι ακτίνες-γάμμα. Τα φωτόνια είναι σαν μικροσκοπικά πακέτα καθαρής ενέργειας, χωρίς μάζα ή ηλεκτρικό φορτίο. Ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός και μπορούν να διαπεράσουν την ύλη σχετικά εύκολα. Σκεφτείτε τα σαν φαντάσματα που μπορούν να περάσουν μέσα από τοίχους, αλλά μερικές φορές συγκρούονται με κάτι. Η δεύτερη μορφή είναι η σωματιδιακή ακτινοβολία. Αυτή αποτελείται από πραγματικά σωματίδια, όπως ηλεκτρόνια (σωμάτια βήτα), πρωτόνια ή πυρήνες ηλίου (σωμάτια άλφα). Αυτά τα σωματίδια έχουν μάζα και ηλεκτρικό φορτίο, και συμπεριφέρονται περισσότερο σαν μικροσκοπικές μπάλες κανονιού. Λόγω του φορτίου και της μάζας τους, αλληλεπιδρούν πολύ έντονα με την ύλη και σταματούν πολύ γρήγορα, αφήνοντας όλη τους την ενέργεια σε μια μικρή περιοχή.

Η διάκριση είναι θεμελιώδης στη φυσική και τις ιατρικές εφαρμογές. Η ακτινοβολία φωτονίων (Χ, γ) είναι έμμεσα ιοντίζουσα. Τα ίδια τα φωτόνια είναι αφόρτιστα, αλλά όταν αλληλεπιδρούν με την ύλη (π.χ., μέσω του φωτοηλεκτρικού φαινομένου ή της σκέδασης Compton), μεταφέρουν την ενέργειά τους σε ηλεκτρόνια, τα οποία στη συνέχεια προκαλούν ιονισμούς. Αντίθετα, η φορτισμένη σωματιδιακή ακτινοβολία (e⁻, p⁺, α²⁺) είναι άμεσα ιοντίζουσα. Το ηλεκτρικό πεδίο των σωματιδίων αλληλεπιδρά απευθείας με τα ηλεκτρόνια των ατόμων του υλικού, προκαλώντας ιονισμούς ή διεγέρσεις μέσω ηλεκτροστατικών δυνάμεων Coulomb. Αυτή η διαφορά οδηγεί σε πολύ διαφορετικά προφίλ εναπόθεσης δόσης: τα φωτόνια έχουν εκθετική εξασθένηση, ενώ τα βαριά φορτισμένα σωματίδια παρουσιάζουν το φαινόμενο της κορυφής Bragg (Bragg peak), όπου εναποθέτουν το μέγιστο της ενέργειάς τους στο τέλος της διαδρομής τους, μια ιδιότητα που αξιοποιείται στην ακτινοθεραπεία πρωτονίων.

Η διέγερση είναι μια πιο «ήπια» μορφή αλληλεπίδρασης της ακτινοβολίας με ένα άτομο, σε σύγκριση με τον ιονισμό. Αντί η ακτινοβολία να έχει αρκετή ενέργεια για να διώξει εντελώς ένα ηλεκτρόνιο από το άτομο, απλώς του δίνει ένα «σπρώξιμο». Αυτό το σπρώξιμο αναγκάζει το ηλεκτρόνιο να μεταπηδήσει προσωρινά σε μια πιο εξωτερική τροχιά, σε μια υψηλότερη ενεργειακή στάθμη. Το άτομο βρίσκεται τώρα σε μια ασταθή, «διεγερμένη» κατάσταση. Ωστόσο, αυτή η κατάσταση δεν διαρκεί πολύ. Σχεδόν αμέσως, το ηλεκτρόνιο θέλει να επιστρέψει στην αρχική, σταθερή του θέση. Καθώς «πέφτει» πίσω στην εσωτερική τροχιά, απελευθερώνει την επιπλέον ενέργεια που είχε απορροφήσει, συνήθως με τη μορφή φωτός ή ακτίνων-Χ χαμηλής ενέργειας. Αυτή η διαδικασία είναι η βάση για πολλά φαινόμενα, όπως ο φθορισμός και η λειτουργία των λαμπτήρων νέον.

Σε ατομικό επίπεδο, η διέγερση συμβαίνει όταν ένα προσπίπτον σωμάτιο (φωτόνιο ή φορτισμένο σωμάτιο) μεταφέρει σε ένα ατομικό ηλεκτρόνιο μια ποσότητα ενέργειας ΔΕ, η οποία είναι μικρότερη από την ενέργεια σύνδεσής του (Eb), αλλά ίση ακριβώς με τη διαφορά ενέργειας μεταξύ της αρχικής του στάθμης (E1) και μιας επιτρεπτής, κενής υψηλότερης στάθμης (E2). Δηλαδή, $ΔΕ = E2 - E1 < Eb$. Το άτομο παραμένει ηλεκτρικά ουδέτερο αλλά βρίσκεται σε μια διεγερμένη κατάσταση. Η αποδιέγερση, η επιστροφή του ηλεκτρονίου στη θεμελιώδη του κατάσταση, συμβαίνει σε χρόνο της τάξης των νανοδευτερολέπτων (10⁻⁹ s). Η ενέργεια που εκπέμπεται κατά την αποδιέγερση με τη μορφή φωτονίου (χαρακτηριστική ακτινοβολία ή ορατό φως) είναι ακριβώς ίση με τη διαφορά ΔΕ. Ενώ ο ιονισμός είναι η κύρια αιτία βιολογικής βλάβης, οι διεγέρσεις συμβάλλουν επίσης στην εναπόθεση ενέργειας στους ιστούς.

Ο ιονισμός είναι το πιο δραστικό αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης της ακτινοβολίας με την ύλη και αποτελεί τη βασική διαφορά μεταξύ της ιοντίζουσας και της μη ιοντίζουσας ακτινοβολίας. Εδώ, η ενέργεια της ακτινοβολίας δεν είναι απλώς αρκετή για να «σπρώξει» ένα ηλεκτρόνιο σε μια εξωτερική τροχιά, αλλά είναι τόσο μεγάλη που το αποσπά εντελώς από την έλξη του πυρήνα, εκτοξεύοντάς το έξω από το άτομο. Το αποτέλεσμα είναι η δημιουργία ενός «ζεύγους ιόντων»: από τη μία έχουμε το ελεύθερο, αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο, και από την άλλη το υπόλοιπο άτομο, το οποίο τώρα έχει ένα περισσότερο πρωτόνιο από ό,τι ηλεκτρόνια και άρα είναι ένα θετικά φορτισμένο ιόν. Αυτό το ελεύθερο ηλεκτρόνιο, που συχνά ονομάζεται δευτερογενές ηλεκτρόνιο, μπορεί να έχει αρκετή κινητική ενέργεια για να προκαλέσει και αυτό με τη σειρά του περαιτέρω ιονισμούς σε γειτονικά άτομα, δημιουργώντας μια αλυσιδωτή αντίδραση.

Η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για να συμβεί ο ιονισμός ονομάζεται δυναμικό ιονισμού ή ενέργεια ιονισμού, και είναι ίση με την ενέργεια σύνδεσης (Eb) του συγκεκριμένου ηλεκτρονίου. Οποιαδήποτε ενέργεια του προσπίπτοντος σωματιδίου (E) που υπερβαίνει την Eb μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια (Ek) του εκπεμπόμενου ηλεκτρονίου, σύμφωνα με τη σχέση: $E_k = E - E_b$. Το εκπεμπόμενο ηλεκτρόνιο ονομάζεται φωτοηλεκτρόνιο στην περίπτωση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, ή ηλεκτρόνιο Compton στη σκέδαση Compton. Η πιθανότητα να συμβεί ιονισμός εξαρτάται από την ενέργεια της ακτινοβολίας και τον ατομικό αριθμό (Ζ) του υλικού. Ο ιονισμός είναι η πρωταρχική αιτία της βιολογικής βλάβης από την ακτινοβολία, καθώς η δημιουργία ιόντων και ελεύθερων ριζών μέσα στα κύτταρα μπορεί να οδηγήσει σε θραύση των δεσμών του DNA.

Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα είναι ουσιαστικά η πλήρης γκάμα όλων των τύπων φωτός, από τα ραδιοκύματα πολύ χαμηλής ενέργειας μέχρι τις ακτίνες γάμμα εξαιρετικά υψηλής ενέργειας. Το ορατό φως, τα χρώματα που βλέπουμε, είναι απλώς μια μικροσκοπική φέτα αυτού του φάσματος. Όλες αυτές οι μορφές ακτινοβολίας είναι fundamentally το ίδιο πράγμα: ηλεκτρομαγνητικά κύματα που ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός. Αυτό που τις διαφοροποιεί είναι το μήκος κύματος και, κατά συνέπεια, η ενέργειά τους. Τα ραδιοκύματα έχουν μεγάλο μήκος κύματος και χαμηλή ενέργεια, γι' αυτό και είναι αβλαβή. Καθώς προχωράμε στο φάσμα προς τα μικρότερα μήκη κύματος—περνώντας από τα μικροκύματα, το υπέρυθρο, το ορατό φως και το υπεριώδες—η ενέργεια αυξάνεται. Στο άκρο του φάσματος βρίσκονται οι ακτίνες-Χ και οι ακτίνες γάμμα. Αυτές έχουν τόσο μικρό μήκος κύματος και τόσο υψηλή ενέργεια που μπορούν να προκαλέσουν ιονισμό, γι' αυτό και χρησιμοποιούνται στην ιατρική αλλά απαιτούν και προσοχή.

Η ενέργεια (E) ενός φωτονίου είναι αντιστρόφως ανάλογη του μήκους κύματός του (λ) και ανάλογη της συχνότητάς του (f), σύμφωνα με τη θεμελιώδη σχέση του Planck: $E = hf = hc/λ$, όπου h είναι η σταθερά του Planck και c η ταχύτητα του φωτός. Η ενέργεια μετράται συνήθως σε ηλεκτρονιοβόλτ (eV). Το φάσμα εκτείνεται από ραδιοκύματα (E < 10⁻⁵ eV) έως ακτίνες γάμμα (E > 1 MeV). Το όριο μεταξύ μη ιοντίζουσας και ιοντίζουσας ακτινοβολίας βρίσκεται στην περιοχή του υπεριώδους φωτός (~10 eV). Οι διαγνωστικές ακτίνες-Χ έχουν ενέργειες στην περιοχή 20-150 keV (kilo-electronvolts), ενώ οι ακτίνες που χρησιμοποιούνται στην ακτινοθεραπεία είναι πολύ υψηλότερης ενέργειας, συνήθως στην περιοχή 1-25 MeV (Mega-electronvolts). Η πηγή προέλευσης διαφοροποιεί τις ακτίνες Χ (παράγονται από ατομικές μεταπτώσεις ηλεκτρονίων) από τις ακτίνες γ (παράγονται από πυρηνικές μεταπτώσεις).

Η συνεκτική σκέδαση, γνωστή και ως σκέδαση Rayleigh, είναι ο πιο απλός τύπος αλληλεπίδρασης μεταξύ ενός φωτονίου και ενός ατόμου. Συμβαίνει κυρίως με φωτόνια πολύ χαμηλής ενέργειας. Φανταστείτε το φωτόνιο σαν μια μικρή μπάλα που πλησιάζει ένα ολόκληρο άτομο. Αντί να χτυπήσει ένα συγκεκριμένο ηλεκτρόνιο, το φωτόνιο αλληλεπιδρά με ολόκληρο το «σύννεφο» των ηλεκτρονίων του ατόμου ταυτόχρονα. Το άτομο απορροφά στιγμιαία την ενέργεια του φωτονίου, αρχίζει να «ταλαντώνεται» για μια πολύ σύντομη στιγμή, και αμέσως μετά εκπέμπει ένα νέο φωτόνιο με ακριβώς την ίδια ενέργεια (και μήκος κύματος) με το αρχικό, αλλά προς μια ελαφρώς διαφορετική κατεύθυνση. Το σημαντικό εδώ είναι ότι δεν υπάρχει μεταφορά ενέργειας στο άτομο, δεν χάνεται κανένα ηλεκτρόνιο και δεν συμβαίνει ιονισμός. Είναι απλώς μια αλλαγή στην κατεύθυνση του φωτονίου.

Η συνεκτική σκέδαση κυριαρχεί σε ενέργειες φωτονίων κάτω από περίπου 10 keV. Καθώς δεν υπάρχει εναπόθεση ενέργειας, δεν συμβάλλει στη δόση του ασθενούς ούτε στην παραγωγή βιολογικής βλάβης. Ωστόσο, στην ακτινοδιαγνωστική, και ειδικά στη μαστογραφία όπου χρησιμοποιούνται χαμηλές ενέργειες, μπορεί να έχει μια μικρή επίδραση. Η αλλαγή κατεύθυνσης των φωτονίων συμβάλλει στην ομίχλη (fog) του φιλμ ή του ανιχνευτή, μειώνοντας ελαφρώς την αντίθεση και την ευκρίνεια της εικόνας. Η πιθανότητα να συμβεί συνεκτική σκέδαση αυξάνεται με τον ατομικό αριθμό (Ζ) του υλικού, αλλά μειώνεται γρήγορα καθώς η ενέργεια του φωτονίου αυξάνεται. Λόγω της μικρής της σημασίας στις τυπικές διαγνωστικές και θεραπευτικές ενέργειες, συχνά παραβλέπεται σε σχέση με το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και τη σκέδαση Compton.

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι μία από τις πιο σημαντικές αλληλεπιδράσεις στην ιατρική απεικόνιση, ειδικά στις ακτινογραφίες. Φανταστείτε ένα φωτόνιο ακτίνας-Χ να χτυπά ένα άτομο-στόχο. Αντί απλώς να αλλάξει κατεύθυνση, το φωτόνιο απορροφάται πλήρως από το άτομο. Όλη η ενέργειά του μεταφέρεται σε ένα από τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στις εσωτερικές στιβάδες (συνήθως στη στιβάδα Κ). Αυτή η ενέργεια είναι τόσο μεγάλη που όχι μόνο υπερνικά τη δύναμη που κρατά το ηλεκτρόνιο δεμένο στον πυρήνα, αλλά το εκτινάσσει και έξω από το άτομο με μεγάλη ταχύτητα. Το αποτέλεσμα; Το αρχικό φωτόνιο εξαφανίζεται, το άτομο μένει ιονισμένο και ένα γρήγορο ηλεκτρόνιο (που ονομάζεται φωτοηλεκτρόνιο) απελευθερώνεται. Αυτή η διαδικασία είναι ο λόγος που τα οστά, που περιέχουν ασβέστιο (μεγάλο άτομο), φαίνονται λευκά στις ακτινογραφίες: απορροφούν πολύ περισσότερα φωτόνια μέσω του φωτοηλεκτρικού φαινομένου από ό,τι οι μαλακοί ιστοί.

Για να συμβεί το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, η ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου (Eγ) πρέπει να είναι ίση ή ελαφρώς μεγαλύτερη από την ενέργεια σύνδεσης (Eb) του ηλεκτρονίου. Η πιθανότητα αλληλεπίδρασης είναι μέγιστη όταν Eγ ≈ Eb. Η κινητική ενέργεια του εκπεμπόμενου φωτοηλεκτρονίου (Eke) δίνεται από τη σχέση: $E_{ke} = E_γ - E_b$. Η πιθανότητα (διατομή, σ) του φωτοηλεκτρικού φαινομένου είναι ισχυρά εξαρτώμενη από τον ατομικό αριθμό του απορροφητή (Ζ) και την ενέργεια του φωτονίου, περίπου $σ_{PE} \propto Z^3/E^3$. Αυτή η ισχυρή εξάρτηση από το Ζ ($Z^3$) είναι το κλειδί για την υψηλή αντίθεση μεταξύ οστών (μέσος Z ≈ 13.8) και μαλακών ιστών (μέσος Z ≈ 7.4) στη διαγνωστική ακτινολογία. Μετά την εκπομπή του φωτοηλεκτρονίου, η κενή θέση στην εσωτερική στιβάδα καλύπτεται από ένα ηλεκτρόνιο από εξωτερική στιβάδα, οδηγώντας στην εκπομπή χαρακτηριστικών ακτίνων-Χ ή ηλεκτρονίων Auger.

Η σκέδαση Compton είναι μια άλλη κυρίαρχη αλληλεπίδραση, ιδιαίτερα στις ενέργειες που χρησιμοποιούνται στην ακτινοθεραπεία αλλά και στη διαγνωστική απεικόνιση. Σε αυτή την περίπτωση, το φωτόνιο δεν απορροφάται πλήρως. Αντ' αυτού, φανταστείτε το σαν μια μπάλα του μπιλιάρδου (το φωτόνιο) που χτυπά μια άλλη, σχεδόν ακίνητη μπάλα (ένα ηλεκτρόνιο από τις εξωτερικές στιβάδες του ατόμου). Μετά τη σύγκρουση, και οι δύο μπάλες αλλάζουν κατεύθυνση. Το αρχικό φωτόνιο (τώρα ονομάζεται σκεδαζόμενο φωτόνιο) συνεχίζει την πορεία του αλλά με λιγότερη ενέργεια και σε διαφορετική γωνία. Το ηλεκτρόνιο (τώρα ονομάζεται ηλεκτρόνιο ανάκρουσης ή Compton) εκτινάσσεται από το άτομο με την ενέργεια που έχασε το φωτόνιο. Αυτό το φαινόμενο είναι προβληματικό στην ακτινοδιαγνωστική, καθώς τα σκεδαζόμενα φωτόνια που φτάνουν στον ανιχνευτή από τυχαίες κατευθύνσεις δημιουργούν «θόρυβο» (ομίχλη), μειώνοντας την ποιότητα της εικόνας.

Στη σκέδαση Compton, η αλληλεπίδραση συμβαίνει με τα εξωτερικά, χαλαρά συνδεδεμένα (σχεδόν ελεύθερα) ηλεκτρόνια, οπότε η ενέργεια σύνδεσής τους θεωρείται αμελητέα. Η ενέργεια και η ορμή διατηρούνται στο σύστημα φωτονίου-ηλεκτρονίου. Η ενέργεια του σκεδαζόμενου φωτονίου (E'γ) εξαρτάται από την αρχική ενέργεια (Eγ) και τη γωνία σκέδασης (θ): $E'_γ = E_γ / [1 + (E_γ/m_e c^2)(1 - cosθ)]$, όπου $m_e c^2$ είναι η ενέργεια ηρεμίας του ηλεκτρονίου (511 keV). Η πιθανότητα της σκέδασης Compton είναι σχεδόν ανεξάρτητη από τον ατομικό αριθμό (Ζ) του υλικού και εξαρτάται κυρίως από την ηλεκτρονική πυκνότητα (αριθμός ηλεκτρονίων ανά γραμμάριο), η οποία είναι παρόμοια για τους περισσότερους βιολογικούς ιστούς. Γι' αυτό, η σκέδαση Compton δεν προσφέρει καλή αντίθεση μεταξύ μαλακών ιστών και οστών, σε αντίθεση με το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.

Η δίδυμη γένεση είναι ένα συναρπαστικό φαινόμενο που μοιάζει να βγήκε από ταινία επιστημονικής φαντασίας: η μετατροπή της ενέργειας σε μάζα. Αυτή η αλληλεπίδραση συμβαίνει μόνο με φωτόνια πολύ υψηλής ενέργειας, πολύ πάνω από αυτές που χρησιμοποιούνται στις απλές ακτινογραφίες. Όταν ένα τέτοιο φωτόνιο περάσει πολύ κοντά από το ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο του πυρήνα ενός ατόμου, μπορεί κυριολεκτικά να εξαφανιστεί. Στη θέση του, δημιουργούνται από το πουθενά δύο σωματίδια: ένα ηλεκτρόνιο και το αντίθετό του στην αντιύλη, ένα ποζιτρόνιο. Το ποζιτρόνιο είναι πανομοιότυπο με το ηλεκτρόνιο σε όλα, εκτός από το ότι έχει θετικό ηλεκτρικό φορτίο. Αυτό το φαινόμενο είναι θεμελιώδες για την ακτινοθεραπεία υψηλών ενεργειών, αλλά και για την απεικονιστική τεχνική PET (Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίων), όπου η ανίχνευση της ακτινοβολίας που παράγεται όταν ένα ποζιτρόνιο συναντά ένα ηλεκτρόνιο μας επιτρέπει να χαρτογραφήσουμε μεταβολικές διαδικασίες στο σώμα.

Η δίδυμη γένεση έχει ένα αυστηρό ενεργειακό κατώφλι. Σύμφωνα με την περίφημη εξίσωση του Αϊνστάιν, $E=mc²$, η ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου (Eγ) πρέπει να είναι τουλάχιστον ίση με τη συνδυασμένη ενέργεια ηρεμίας του ζεύγους ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου. Δεδομένου ότι η ενέργεια ηρεμίας καθενός είναι 0.511 MeV, το κατώφλι είναι $E_γ \geq 2 \times 0.511 \text{ MeV} = 1.022 \text{ MeV}$. Οποιαδήποτε επιπλέον ενέργεια του φωτονίου μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια του ζεύγους: $E_γ = 1.022 \text{ MeV} + E_{k,e⁻} + E_{k,e⁺}$. Η πιθανότητα της δίδυμης γένεσης αυξάνεται με την ενέργεια του φωτονίου (πάνω από το κατώφλι) και με το τετράγωνο του ατομικού αριθμού του υλικού ($σ_{PP} \propto Z^2$). Το παραγόμενο ποζιτρόνιο, αφού χάσει την κινητική του ενέργεια, εξαϋλώνεται με ένα ηλεκτρόνιο του μέσου, παράγοντας δύο φωτόνια των 511 keV το καθένα, τα οποία εκπέμπονται σε αντίθετες κατευθύνσεις (180°), αρχή στην οποία βασίζεται η τομογραφία PET.

Η φωτοδιάσπαση είναι η πιο ακραία μορφή αλληλεπίδρασης φωτονίου-ύλης και συμβαίνει σε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες, πολύ πέρα από αυτές που χρησιμοποιούνται συνήθως στην ιατρική. Σε αυτή την περίπτωση, το φωτόνιο δεν αλληλεπιδρά με τα ηλεκτρόνια του ατόμου, αλλά απευθείας με τον ίδιο τον πυρήνα. Το φωτόνιο απορροφάται από τον πυρήνα, θέτοντάς τον σε μια διεγερμένη, ασταθή κατάσταση. Για να επιστρέψει στη σταθερότητα, ο πυρήνας εκπέμπει ένα πυρηνικό σωματίδιο, συνήθως ένα νετρόνιο, αλλά μερικές φορές ένα πρωτόνιο ή ένα σωμάτιο άλφα. Αυτή η διαδικασία μεταστοιχειώνει το άτομο, αλλάζοντάς το σε ένα διαφορετικό ισότοπο ή ακόμα και σε ένα διαφορετικό στοιχείο. Στην πράξη, αυτό το φαινόμενο δεν έχει κάποια χρήσιμη εφαρμογή στην ιατρική απεικόνιση ή την τυπική ακτινοθεραπεία. Αποτελεί όμως μια πηγή ανεπιθύμητης δόσης νετρονίων σε θεραπείες με πολύ υψηλές ενέργειες (πάνω από 10 MeV), καθώς τα νετρόνια που παράγονται μπορούν να ενεργοποιήσουν υλικά στον χώρο του επιταχυντή και να συμβάλλουν στη συνολική δόση του ασθενούς.

Η φωτοδιάσπαση είναι μια πυρηνική αντίδραση τύπου (γ, n), (γ, p), κ.λπ. Κάθε τέτοια αντίδραση έχει ένα συγκεκριμένο ενεργειακό κατώφλι, το οποίο αντιστοιχεί στην ενέργεια σύνδεσης του νουκλεονίου (πρωτονίου ή νετρονίου) μέσα στον πυρήνα. Αυτές οι ενέργειες είναι τυπικά της τάξης των 7-8 MeV για τους περισσότερους πυρήνες. Για παράδειγμα, το κατώφλι για την αντίδραση (γ, n) στο μολύβι είναι περίπου 7.4 MeV. Σε γραμμικούς επιταχυντές που λειτουργούν σε ενέργειες πάνω από 10 MV για θεραπεία, η φωτοδιάσπαση στους πυρήνες υψηλού Ζ των υλικών της κεφαλής του επιταχυντή (π.χ., βολφράμιο, μόλυβδος) γίνεται ένα σημαντικό φαινόμενο. Η παραγωγή νετρονίων αποτελεί ένα ζήτημα ακτινοπροστασίας για το προσωπικό και συμβάλλει σε μια μικρή, ολόσωμη δόση για τον ασθενή, η οποία πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στον σχεδιασμό της θεραπείας και της θωράκισης του χώρου.

Εξασθένηση είναι η σταδιακή μείωση της έντασης μιας δέσμης ακτινοβολίας καθώς αυτή περνά μέσα από την ύλη. Φανταστείτε να ρίχνετε μια χούφτα βόλους (τα φωτόνια) σε ένα δάσος με πολλά δέντρα (τα άτομα του υλικού). Κάποιοι βόλοι θα περάσουν ανάμεσα από τα δέντρα χωρίς να χτυπήσουν τίποτα. Κάποιοι άλλοι θα χτυπήσουν σε έναν κορμό και θα σταματήσουν (απορρόφηση, όπως στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο). Και κάποιοι άλλοι θα χτυπήσουν και θα αλλάξουν κατεύθυνση (σκέδαση, όπως στη σκέδαση Compton). Εξασθένηση είναι το συνολικό αποτέλεσμα: ο αριθμός των βόλων που βγαίνουν από την άλλη πλευρά του δάσους είναι μικρότερος από τον αριθμό που ρίξατε αρχικά. Δεν εξαφανίζονται όλοι, αλλά η αρχική, ευθεία δέσμη «αποδυναμώνεται». Αυτή η αρχή είναι η βάση της ακτινογραφίας: τα οστά είναι πιο «πυκνό δάσος» από τους μαλακούς ιστούς, οπότε εξασθενούν περισσότερο τις ακτίνες-Χ, αφήνοντας μια «σκιά» στον ανιχνευτή.

Η εξασθένηση μιας μονοενεργειακής δέσμης φωτονίων περιγράφεται από τον νόμο Beer-Lambert: $I = I_0 e^{-μx}$, όπου I είναι η ένταση της δέσμης μετά τη διέλευση από υλικό πάχους x, I₀ είναι η αρχική ένταση, και μ είναι ο γραμμικός συντελεστής εξασθένησης. Ο συντελεστής μ εκφράζει τη συνολική πιθανότητα αλληλεπίδρασης ανά μονάδα μήκους και είναι το άθροισμα των συντελεστών για όλα τα πιθανά φαινόμενα: $μ = μ_{PE} + μ_{Compton} + μ_{PP} + ...$. Είναι σημαντικό να τονιστεί ότι η εξασθένηση δεν είναι το ίδιο με την απορρόφηση. Η εξασθένηση αναφέρεται σε κάθε φωτόνιο που απομακρύνεται από την αρχική δέσμη, είτε μέσω απορρόφησης (φωτοηλεκτρικό, δίδυμη γένεση) είτε μέσω σκέδασης (Compton). Η ενέργεια των σκεδαζόμενων φωτονίων δεν απορροφάται απαραίτητα στο σημείο της αλληλεπίδρασης, αλλά μπορεί να εναποτεθεί σε κάποια άλλη περιοχή ή να διαφύγει τελείως από το υλικό.

Ο γραμμικός συντελεστής εξασθένησης, που συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα 'μ', είναι ένας αριθμός που μας λέει πόσο αποτελεσματικά ένα συγκεκριμένο υλικό «μπλοκάρει» την ακτινοβολία. Κάθε υλικό έχει το δικό του 'μ'. Φανταστείτε ότι το νερό έχει ένα μικρό 'μ', οπότε η ακτινοβολία περνάει σχετικά εύκολα. Αντίθετα, ο μόλυβδος έχει ένα πολύ μεγάλο 'μ', που σημαίνει ότι είναι εξαιρετικά καλός στο να σταματά την ακτινοβολία. Αυτός ο συντελεστής δεν είναι σταθερός· αλλάζει ανάλογα με δύο πράγματα: την ενέργεια της ακτινοβολίας και το είδος του υλικού. Για παράδειγμα, ο μόλυβδος είναι πολύ αποτελεσματικός για τις ακτίνες-Χ χαμηλής ενέργειας, αλλά λιγότερο αποτελεσματικός για τις ακτίνες-γάμμα πολύ υψηλής ενέργειας. Στην πράξη, το 'μ' μας λέει το ποσοστό των φωτονίων που θα αλληλεπιδράσουν (θα απορροφηθούν ή θα σκεδαστούν) καθώς διανύουν ένα εκατοστό μέσα στο υλικό. Ένα μεγάλο 'μ' σημαίνει ότι πολλά φωτόνια θα σταματήσουν σε μικρή απόσταση.

Ο γραμμικός συντελεστής εξασθένησης (μ) ορίζεται ως η πιθανότητα αλληλεπίδρασης ενός φωτονίου ανά μονάδα διαδρομής στο υλικό και έχει μονάδες αντίστροφου μήκους (π.χ., cm⁻¹). Εξαρτάται από την ενέργεια του φωτονίου (E) και τον ατομικό αριθμό (Z) και την φυσική πυκνότητα (ρ) του υλικού. Συγκεκριμένα, $μ(E, Z) = (N_A \cdot ρ / A) \cdot σ_{tot}(E, Z)$, όπου $N_A$ είναι ο αριθμός Avogadro, A είναι το ατομικό βάρος και $σ_{tot}$ είναι η ολική ενεργός διατομή. Καθώς ο μ εξαρτάται από την πυκνότητα, συχνά χρησιμοποιείται ο μαζικός συντελεστής εξασθένησης ($μ_m = μ/ρ$), ο οποίος είναι ανεξάρτητος από τη φυσική κατάσταση του υλικού (π.χ., νερό ή υδρατμοί) και έχει μονάδες cm²/g. Ο γραμμικός συντελεστής είναι το άθροισμα των επιμέρους συντελεστών για κάθε φαινόμενο: $μ = μ_{PE} + μ_{C} + μ_{PP}$. Η γνώση του μ είναι κρίσιμη για τους υπολογισμούς θωράκισης και δοσιμετρίας.

Το Στρώμα Ημιεξασθένησης ή HVL (Half-Value Layer) είναι ένας πολύ πρακτικός τρόπος για να περιγράψουμε την «ποιότητα» ή τη διεισδυτικότητα μιας δέσμης ακτινοβολίας. Αντί για έναν αφηρημένο συντελεστή, το HVL μας λέει κάτι πολύ συγκεκριμένο: τι πάχος ενός συγκεκριμένου υλικού (συνήθως αλουμινίου ή μολύβδου) χρειαζόμαστε για να μειώσουμε την ένταση της δέσμης ακριβώς στο μισό. Για παράδειγμα, αν μια δέσμη ακτίνων-Χ έχει HVL 3 χιλιοστά αλουμινίου, αυτό σημαίνει ότι αν παρεμβάλουμε ένα φύλλο αλουμινίου πάχους 3 χιλιοστών στην πορεία της, μόνο το 50% της αρχικής ακτινοβολίας θα καταφέρει να περάσει από την άλλη πλευρά. Αν προσθέσουμε άλλο ένα φύλλο 3 χιλιοστών, η ένταση θα ξαναμειωθεί στο μισό (δηλαδή στο 25% της αρχικής), και ούτω καθεξής. Το HVL είναι ένας χρήσιμος δείκτης: μια δέσμη με μεγάλο HVL είναι πιο «σκληρή», δηλαδή έχει υψηλότερη μέση ενέργεια και είναι πιο διεισδυτική.

Το HVL σχετίζεται άμεσα με τον γραμμικό συντελεστή εξασθένησης (μ) μέσω μιας απλής μαθηματικής σχέσης. Ξεκινώντας από τον νόμο της εκθετικής εξασθένησης, $I = I_0 e^{-μx}$, θέτουμε $I = I_0/2$ και λύνουμε ως προς το πάχος x, το οποίο τώρα ονομάζουμε HVL. Η σχέση που προκύπτει είναι: $HVL = \ln(2) / μ \approx 0.693 / μ$. Αυτή η σχέση δείχνει ότι το HVL είναι αντιστρόφως ανάλογο του συντελεστή εξασθένησης: υλικά με υψηλό μ (όπως ο μόλυβδος) έχουν μικρό HVL, ενώ υλικά με χαμηλό μ (όπως οι μαλακοί ιστοί) έχουν μεγάλο HVL. Στην κλινική πράξη, η μέτρηση του HVL μιας λυχνίας ακτίνων-Χ είναι μια βασική διαδικασία ποιοτικού ελέγχου για να διασφαλιστεί ότι η δέσμη έχει τα αναμενόμενα χαρακτηριστικά ενέργειας, κάτι που επηρεάζει τόσο την ποιότητα της εικόνας όσο και τη δόση στον ασθενή.

Η ενεργός διατομή, που συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα 'σ', είναι ένας τρόπος να εκφράσουμε την πιθανότητα να συμβεί μια συγκεκριμένη αλληλεπίδραση. Μπορούμε να τη φανταστούμε σαν έναν μικροσκοπικό «στόχο» που παρουσιάζει το άτομο στο εισερχόμενο σωματίδιο της ακτινοβολίας. Όσο μεγαλύτερη είναι η ενεργός διατομή, τόσο μεγαλύτερος είναι ο στόχος, και επομένως τόσο πιο πιθανό είναι το σωματίδιο να τον «πετύχει» και να αλληλεπιδράσει. Δεν πρόκειται για μια πραγματική, φυσική επιφάνεια, αλλά για μια εννοιολογική περιοχή που περιγράφει την πιθανότητα. Για παράδειγμα, μπορούμε να μιλάμε για την ενεργό διατομή του φωτοηλεκτρικού φαινομένου ή την ενεργό διατομή της σκέδασης Compton. Η συνολική πιθανότητα αλληλεπίδρασης είναι απλώς το άθροισμα των ενεργών διατομών όλων των πιθανών φαινομένων. Αυτή η έννοια είναι θεμελιώδης στη φυσική, καθώς μας επιτρέπει να ποσοτικοποιήσουμε και να προβλέψουμε τη συμπεριφορά της ακτινοβολίας μέσα στην ύλη.

Η ενεργός διατομή (σ) έχει μονάδες εμβαδού και μετράται συνήθως σε barns (1 barn = 10⁻²⁴ cm²). Αντιπροσωπεύει την αποτελεσματική επιφάνεια που «βλέπει» ένα προσπίπτον σωμάτιο για μια συγκεκριμένη αντίδραση. Η μακροσκοπική ποσότητα που σχετίζεται με την πιθανότητα αλληλεπίδρασης, ο γραμμικός συντελεστής εξασθένησης (μ), συνδέεται με τη μικροσκοπική ενεργό διατομή (σ) μέσω της σχέσης $μ = N \cdot σ$, όπου Ν είναι ο αριθμός των ατόμων-στόχων ανά μονάδα όγκου του υλικού. Κάθε φαινόμενο (φωτοηλεκτρικό, Compton, κ.λπ.) έχει τη δική του ενεργό διατομή ($σ_{PE}, σ_{C}, ...$) η οποία εξαρτάται έντονα από την ενέργεια του φωτονίου (E) και τον ατομικό αριθμό του στόχου (Z). Η ολική ενεργός διατομή είναι $σ_{tot} = σ_{PE} + σ_{C} + σ_{PP} + ...$. Τα διαγράμματα που δείχνουν τις ενεργές διατομές αυτών των φαινομένων συναρτήσει της ενέργειας είναι κρίσιμα για την κατανόηση του ποιο φαινόμενο κυριαρχεί σε δεδομένες συνθήκες.

Στη διαγνωστική ακτινολογία, ο στόχος είναι να δημιουργήσουμε μια εικόνα με καλή αντίθεση μεταξύ των διαφόρων ιστών του σώματος. Το φαινόμενο-κλειδί για αυτό είναι το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Όπως είδαμε, η πιθανότητά του εξαρτάται πολύ από τον τύπο του ατόμου (τον ατομικό αριθμό Ζ). Τα οστά περιέχουν ασβέστιο (Ζ≈14), το οποίο έχει πολύ μεγαλύτερο Ζ από τους μαλακούς ιστούς που αποτελούνται κυρίως από άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο (μέσος Ζ≈7.5). Ως αποτέλεσμα, τα οστά απορροφούν πολύ περισσότερες ακτίνες-Χ μέσω του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Αυτό σημαίνει ότι λιγότερες ακτίνες-Χ φτάνουν στον ανιχνευτή πίσω από τα οστά, δημιουργώντας μια λευκή «σκιά» στην εικόνα, ενώ οι μαλακοί ιστοί, που αφήνουν τις περισσότερες ακτίνες να περάσουν, φαίνονται σε αποχρώσεις του γκρι. Για να ενισχύσουμε την αντίθεση σε όργανα που δεν φαίνονται καλά, χρησιμοποιούμε σκιαγραφικές ουσίες όπως το βάριο (Z=56) ή το ιώδιο (Z=53), που εκμεταλλεύονται ακριβώς την ίδια αρχή.

Οι βέλτιστες ενέργειες για τη διαγνωστική ακτινολογία είναι αυτές όπου το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο κυριαρχεί ή τουλάχιστον είναι συγκρίσιμο με τη σκέδαση Compton, τυπικά στην περιοχή 20-100 keV. Σε αυτές τις ενέργειες, η εξάρτηση της εξασθένησης από το $Z^3$ μεγιστοποιεί τη διαφορική απορρόφηση μεταξύ οστών και μαλακών ιστών. Η σκέδαση Compton, που είναι σχεδόν ανεξάρτητη του Ζ, είναι ανεπιθύμητη γιατί δεν προσφέρει πληροφορία αντίθεσης και δημιουργεί θόρυβο στην εικόνα. Για τη μείωσή της, χρησιμοποιούνται αντισκεδαστικά πλέγματα (grids) που απορροφούν τα σκεδαζόμενα φωτόνια πριν φτάσουν στον ανιχνευτή. Σε τεχνικές όπως η μαστογραφία, χρησιμοποιούνται πολύ χαμηλές ενέργειες (~20-30 keV) για να μεγιστοποιηθεί η αντίθεση μεταξύ των μικροδιαφορών στην πυκνότητα των μαλακών ιστών του μαστού.

Στην ακτινοθεραπεία, ο στόχος είναι ο αντίθετος από τη διάγνωση: θέλουμε να εναποθέσουμε όσο το δυνατόν περισσότερη ενέργεια-δόση στον καρκινικό όγκο, καταστρέφοντας τα κύτταρά του, ενώ ταυτόχρονα προστατεύουμε τους γύρω υγιείς ιστούς. Εδώ, χρησιμοποιούμε δέσμες πολύ υψηλότερης ενέργειας (συνήθως 6-18 εκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ, MeV). Σε αυτές τις ενέργειες, το κυρίαρχο φαινόμενο αλληλεπίδρασης είναι η σκέδαση Compton. Καθώς αυτή η σκέδαση είναι σχεδόν ανεξάρτητη από το είδος του ιστού (οστό ή μαλακός ιστός), η ενέργεια εναποτίθεται σχεδόν ομοιόμορφα, ανάλογα με την πυκνότητα του ιστού. Τα φωτόνια υψηλής ενέργειας δημιουργούν δευτερογενή ηλεκτρόνια υψηλής ταχύτητας μέσα στον όγκο, και αυτά τα ηλεκτρόνια είναι που προκαλούν το μεγαλύτερο μέρος του ιονισμού και της βιολογικής βλάβης στο DNA των καρκινικών κυττάρων. Η δίδυμη γένεση αρχίζει επίσης να παίζει ρόλο σε πολύ υψηλές ενέργειες (πάνω από 10 MeV), συμβάλλοντας στη συνολική δόση.

Η χρήση φωτονίων στην περιοχή των MeV για ακτινοθεραπεία (megavoltage therapy) έχει πολλά πλεονεκτήματα. Πρώτον, η σκέδαση Compton είναι κυρίως προς τα εμπρός (forward scattering) σε αυτές τις ενέργειες, το οποίο βοηθά στον καλύτερο ορισμό της δέσμης. Δεύτερον, υπάρχει το φαινόμενο "skin-sparing": η μέγιστη δόση δεν εναποτίθεται στην επιφάνεια του δέρματος, αλλά σε κάποιο βάθος (συνήθως 1.5-3 cm), λόγω της πεπερασμένης διαδρομής των δευτερογενών ηλεκτρονίων μέχρι να φτάσουν σε ισορροπία. Αυτό προστατεύει το δέρμα από σοβαρές βλάβες. Η εναπόθεση δόσης είναι αποτέλεσμα μιας πολύπλοκης διαδικασίας όπου τα πρωτογενή φωτόνια μεταφέρουν ενέργεια στα ηλεκτρόνια (διαδικασία γνωστή ως Κέρμα), και στη συνέχεια αυτά τα ηλεκτρόνια εναποθέτουν την ενέργειά τους στον ιστό μέσω ιονισμών και διεγέρσεων (η διαδικασία της δόσης). Οι σύγχρονες τεχνικές όπως το IMRT και το VMAT χρησιμοποιούν πολλαπλές δέσμες από διαφορετικές γωνίες για να «σμιλέψουν» τη δόση γύρω από τον όγκο.

Όταν η ακτινοβολία περνά μέσα από το σώμα, αφήνει πίσω της ενέργεια. Η απορροφούμενη δόση είναι ακριβώς αυτό: η ποσότητα ενέργειας που απορροφάται από μια συγκεκριμένη ποσότητα ιστού. Τη μετράμε σε μια μονάδα που ονομάζεται Gray (Gy), όπου ένα Gray αντιστοιχεί στην απορρόφηση ενός Joule ενέργειας ανά κιλό μάζας. Ωστόσο, δεν είναι όλοι οι τύποι ακτινοβολίας το ίδιο βλαβεροί, ακόμα και για την ίδια απορροφούμενη δόση. Για παράδειγμα, ένα Gray από σωμάτια άλφα προκαλεί πολύ μεγαλύτερη βιολογική βλάβη από ένα Gray από ακτίνες-Χ. Για να το λάβουμε αυτό υπόψη, χρησιμοποιούμε την έννοια της ισοδύναμης δόσης. Παίρνουμε την απορροφούμενη δόση και την πολλαπλασιάζουμε με έναν «συντελεστή βαρύτητας» που εξαρτάται από τον τύπο της ακτινοβολίας. Για τις ακτίνες-Χ και γάμμα, αυτός ο συντελεστής είναι 1, οπότε η απορροφούμενη και η ισοδύναμη δόση είναι αριθμητικά ίδιες. Για τα σωμάτια άλφα, ο συντελεστής είναι 20, δείχνοντας ότι είναι 20 φορές πιο βλαβερά.

Η απορροφούμενη δόση (D) ορίζεται ως $D = dE/dm$, όπου dE είναι η μέση ενέργεια που εναποτίθεται από την ιοντίζουσα ακτινοβολία στη μάζα dm. Η μονάδα της στο SI είναι το Gray (Gy), όπου 1 Gy = 1 J/kg. Η ισοδύναμη δόση (H) υπολογίζεται για να ποσοτικοποιήσει τον βιολογικό κίνδυνο και ορίζεται ως $H = D \cdot w_R$, όπου $w_R$ είναι ο συντελεστής βάρυνσης της ακτινοβολίας (radiation weighting factor). Η μονάδα της ισοδύναμης δόσης είναι το Sievert (Sv), όπου 1 Sv = 1 J/kg. Για φωτόνια και ηλεκτρόνια, $w_R=1$, οπότε 1 Gy ισοδυναμεί με 1 Sv. Για πρωτόνια, $w_R \approx 2$, και για σωμάτια άλφα, $w_R=20$. Επίσης, διαφορετικοί ιστοί και όργανα έχουν διαφορετική ευαισθησία στην ακτινοβολία. Για να το συνυπολογίσουμε αυτό, ορίζεται η ενεργός δόση (E), η οποία είναι το σταθμισμένο άθροισμα των ισοδύναμων δόσεων σε όλα τα όργανα: $E = \sum_T w_T \cdot H_T$, όπου $w_T$ είναι ο συντελεστής βάρυνσης του ιστού. Η ενεργός δόση εκφράζεται επίσης σε Sievert (Sv) και επιτρέπει τη σύγκριση του κινδύνου από διαφορετικές εκθέσεις.

Η ALARA είναι ένα ακρωνύμιο από τη φράση "As Low As Reasonably Achievable", που σημαίνει "Τόσο Χαμηλά Όσο είναι Λογικά Εφικτό". Αυτή είναι η θεμελιώδης φιλοσοφία της ακτινοπροστασίας. Αναγνωρίζει ότι, ενώ η ιοντίζουσα ακτινοβολία έχει τεράστια οφέλη στην ιατρική, ενέχει επίσης έναν μικρό κίνδυνο. Επομένως, ο στόχος μας δεν είναι να εξαλείψουμε την έκθεση (κάτι που θα σήμαινε κατάργηση των ακτινογραφιών και της ακτινοθεραπείας), αλλά να διατηρούμε κάθε δόση, είτε σε ασθενείς είτε στο προσωπικό, στο χαμηλότερο δυνατό επίπεδο, χωρίς να θυσιάζουμε την ποιότητα της διάγνωσης ή της θεραπείας. Για να το πετύχουμε αυτό, βασιζόμαστε σε τρεις χρυσούς κανόνες: Χρόνος, Απόσταση και Θωράκιση. Μειώνουμε τον χρόνο παραμονής κοντά σε μια πηγή ακτινοβολίας. Αυξάνουμε την απόσταση από την πηγή. Και χρησιμοποιούμε κατάλληλη θωράκιση (όπως οι ποδιές μολύβδου) για να μπλοκάρουμε την ακτινοβολία.

Η αρχή ALARA αποτελεί τον πυλώνα της δικαιολόγησης και της βελτιστοποίησης στην ακτινοπροστασία, όπως ορίζεται από διεθνείς οργανισμούς όπως η ICRP (International Commission on Radiological Protection). Η εφαρμογή της βασίζεται σε τρεις βασικές παραμέτρους: 1. **Χρόνος (Time):** Η συνολική δόση είναι ανάλογη του χρόνου έκθεσης. Ελαχιστοποίηση του χρόνου που δαπανάται σε πεδία ακτινοβολίας μειώνει άμεσα τη δόση. 2. **Απόσταση (Distance):** Για μια σημειακή πηγή, η ένταση της ακτινοβολίας μειώνεται με το τετράγωνο της απόστασης (νόμος του αντιστρόφου τετραγώνου, $I \propto 1/d²$). Διπλασιάζοντας την απόσταση από μια πηγή, μειώνουμε τη δόση στο ένα τέταρτο. 3. **Θωράκιση (Shielding):** Η παρεμβολή κατάλληλων υλικών (π.χ., μόλυβδος για φωτόνια, σκυρόδεμα για νετρόνια) μεταξύ της πηγής και του ατόμου εξασθενεί την ακτινοβολία εκθετικά, μειώνοντας σημαντικά τον ρυθμό δόσης.