Зрелость мирного медицинского атома. Часть первая
Какое излучение приносит максимальную пользу в руках ядерных медиков
Первые две статьи, посвященные ядерной медицине ("Начало мирного медицинского атома" , "Становление мирного медицинского атома"), были рассказом об удивительном изобретении немецкого физика Вильгельма Конрада Рентгена – Х-лучах, которые вот уже вторую сотню лет носят его имя(рентгеновские лучи, рентгеновское излучение). Четыре способа использования рентгеновского излучения от простого к сложному, от общего результата до чрезвычайно точных послойных "срезов": рентгеноскопия, флюорография, рентгенография и компьютерная томография, вершиной развития которой стала многослойная компьютерная томография (МСКТ). Вот только медики не собирались на этом останавливаться, они считали и считают, что главный принцип любого вида диагностики – минимум вреда пациенту при максимальном объеме информации – должен побуждать физиков работать, не покладая рук.
Циклотрон
Следующим этапом развития ядерной медицины стала ядерно-медицинская диагностика, в которой действительно используются определенные свойства определенных радиоактивных материалов. Старт собственно ядерной медицины дали два важных события первой половины 1930-х годов. Вот только для того, чтобы пояснить физическую основу ядерно-медицинской диагностики, придется довольно подробно рассказать о свойствах атомных ядер и элементарных частиц, входящих в их состав.
В 1931 году американский физик Эрнесто Лоуренс создал первый в истории циклический ускоритель, который так и называется – циклотрон, открывший путь к искусственному созданию изотопов химических элементов. Годом позже английский физик Джеймс Чедвик, обсчитывая результаты ряда экспериментов, открыл существование нейтрона – второй тяжелой частицы в составе ядра атома, но, в отличие от протона, не имеющей электрического заряда.
Не будем углубляться в нюансы квантовой теории, я бы предложил остановиться только на том, что имеет непосредственное отношение к ядерной медицине. Циклотрон – ускоритель заряженных частиц, более удобный для работы в медицинских клиниках, нежели линейный, поскольку он более компактен. Электрически заряженные частицы вращаются по спирали, на каждом витке получая дополнительные порции энергии, постепенно наращивая скорость.
В физике большинство ученых – мужчины, а, как известно, взрослеем мы годам к семидесяти, потому нет ничего удивительного в том, что ускорители используются для того, чтобы направить ускоренные частицы в ядра каких-нибудь атомов и посмотреть, как они "бумкнут", после чего присмотреться к полученным результатам.
"Неурановая" физика
Но электрически заряженные частицы точно в ядро атома попадают очень плохо: облако электронов вокруг ядра с их отрицательным зарядом "сбивают прицел". На вопрос "Можно ли ускорить нейтрон?" ответ оказался положительным, хоть и непростым: ускоряют протоны с их положительным зарядом, на пути пучка протонов ставят мишень из химических элементов, охотно отдающих нейтроны. Нейтроны после сурового удара летят со скоростью, которая вполне позволяет им добраться до ядра атомов конечной цели: у нейтронов электрического заряда нет, потому нет и никаких искажений из-за наличия электронов.
И процесс пошел – количество экспериментов увеличилось кратно, сначала в Штатах, а затем и в Германии. Экспериментов было настолько много, что к оценке их результатов подключались все новые теоретики, в том числе и советские, а в середине 30-х по инициативе маститого академика Абрама Иоффе и его молодого, но талантливого ученика Игоря Курчатова, началось конструирование циклотрона и в нашей стране. Но это, конечно, отдельная история, как и эксперименты, в которых конечной целью пучка нейтронов стали атомы самого тяжелого химического элемента на нашей планете – урана.
Для "неурановой" физики главным результатом стало создание искусственных химических элементов – большой шаг на пути исполнения мечты средневековых алхимиков. В части проводимых экспериментов ядра атомов-мишеней принимали в свой состав прилетавшие нейтроны, в результате создавались изотопы этих атомов: количество протонов в ядре оставалось постоянным, а вот численность нейтронов менялась.
Достаточно быстро выяснилось, что искусственные изотопы испытывают радиоактивный распад. Логика подсказывает, что другого и быть не могло: если бы такие изотопы были стабильными, они бы в больших количествах обнаруживались в природе. Ну, а раз уж не обнаруживаются – значит, они распадаются, превращаясь в привычные нам химические элементы.
Последний шаг в глубины физики – уж извините, но без него никак, если мы действительно хотим понять, что же такое ядерная медицина и чего нам от нее можно ждать. Формул не будет – заранее приношу извинения всем тонким знатокам ядерной физики и квантовой динамики.
Для протонов обстановка нервная
Давайте представим себе обстановочку внутри атомного ядра с житейской точки зрения. В его составе имеются протоны – тяжелые электрически заряженные частицы. Одноименные электрические заряды отталкиваются – значит, протоны пытаются разбежаться друг от друга куда подальше. Однако ведь не разлетаются – подавляющее большинство химических веществ на планете вполне стабильно.
Размышления физиков парадоксальностью не отличались, да и сложную терминологию физики, в отличии от химиков терпеть не могут. Раз протоны из ядра не разлетаются – значит, в ядре имеется еще какое-то взаимодействие, более сильное, чем электромагнитное отталкивание. "Бинго!" – сказали физики и назвали такое взаимодействие … сильным.
А почему вне ядра протоны отталкиваются друг от друга? Постулируем: сильное взаимодействие является короткодействующим: как только расстояние между протонами превышает какое-то критическое, сильное взаимодействие "выключается". Протоны одновременно и отталкиваются, и притягиваются друг к другу, но и это же еще не все: своим положительным зарядом они удерживают вокруг ядра отрицательно заряженные электроны. Мало того – в составе ядра еще и нейтроны толкаются, место занимают, того и гляди из-за них расстояние между протонами достигнет той самой критической величины, после которой протонам придется разлетаться.
Для протонов обстановка в ядре, прямо скажем – нервная. А вот нейтроны откровенно скучают – взаимодействия с электронами никакого, между собой тоже приходится нейтралитет поддерживать, дабы название оправдать.
Модель ядра – вечеринка
Моделью атомного ядра предлагаю считать корпоративную вечеринку, в которой большинству участников под 50 лет и больше. Безудержного веселья уже не получается, компания разбивается на отдельные группки, многие нервно курят, алкогольные возлияния еще больше накаляют обстановку.
Как сгладить противоречия? Первый вариант – выгнать самых пьяных прочь из помещения. В мире ядерной физики прочь уходит квартет из двух протонов и двух нейтронов, он же – альфа-частица. Вреда от этой пьяной четверки особого ждать не приходится, им бы самые простые препятствия одолеть: для защиты от внешнего альфа-излучения вполне достаточно листа бумаги. В ядерной медицине не используется – пропускаем.
Еще один вариант разрядить обстановку – форточку открыть, дабы дым улетучился, на свежем воздухе ему препятствий нет. Это – гамма-излучение, которое количество нейтронов и протонов не меняет, ядро просто сбрасывает излишнюю энергию. Гамма-квант – это все тот же фотон, частица света с волновыми свойствами. Частота колебаний выше не только, чем у света в оптическом диапазоне, но и выше частоты рентгеновского излучения, то есть гамма-квант несет более серьезное количество энергии.
Вот гамма-излучение остановить очень сложно – фотон не имеет электрического заряда, ему протискиваться сквозь атомы и молекулы легко и просто. С одной стороны – максимальный вред, с другой – еще и максимальная польза, но исключительно в руках ядерных медиков.
Какое излучение особо интересно ядерной медицине – во второй части статьи.
