عندما تمر حزمة أشعة إكس أو أشعة جاما عبر وسيط، يمكن أن يحدث التفاعل بين الفوتونات والمادة مما يؤدي إلى نقل الطاقة إلى الوسط، كما تتضمن الخطوة الأولى في نقل الطاقة إخراج الإلكترونات من ذرات وسيط الامتصاص، تنقل هذه الإلكترونات عالية السرعة طاقتها عن طريق إنتاج تأين وإثارة الذرات على طول مساراتها، إذا كان وسيط الامتصاص يتكون من أنسجة الجسم، فقد يتم ترسيب طاقة كافية داخل الخلايا، مما يدمر قدرتها على الإنجاب. ومع ذلك، يتم تحويل معظم الطاقة الممتصة إلى حرارة ولا ينتج عنها أي تأثير بيولوجي.
تفاعلات الأشعة المؤينة
التأين
التأين هو العملية التي تكتسب فيها الذرة المحايدة شحنة موجبة أو سالبة، كما يمكن للإشعاعات المؤينة أن تنزع الإلكترونات من الذرات أثناء انتقالها عبر الوسائط. الذرة التي تمت إزالة الإلكترون منها هي أيون موجب. في بعض الحالات، قد يتحد الإلكترون الذي تم تجريده لاحقًا مع ذرة محايدة لتكوين أيون سالب.
كما يُطلق على الجمع بين أيون موجب الشحنة والأيون سالب الشحنة (عادةً إلكترون حر) زوج أيون، تُعرف الجسيمات المشحونة مثل الإلكترونات والبروتونات والجسيمات بالإشعاع المؤين المباشر بشرط أن يكون لديها طاقة حركية كافية لإنتاج التأين بواسطة تصادم 1 لأنها تخترق المادة.
تُفقد طاقة الجسيم الساقط بعدد كبير من الزيادات الصغيرة على طول مسار التأين في الوسط، مع تفاعل عرضي يتلقى فيه الإلكترون المقذوف طاقة كافية لإنتاج مسار ثانوي خاص به، يُعرف باسم شعاع الفا. من ناحية أخرى، إذا كانت الطاقة المفقودة بواسطة الجسيم الساقط غير كافية لإخراج إلكترون من الذرة ولكنها تستخدم لرفع الإلكترونات إلى مستويات طاقة أعلى، فإن العملية تسمى الإثارة.
الجسيمات غير المشحونة مثل النيوترونات والفوتونات هي إشعاع مؤين بشكل غير مباشر لأنها تحرر الجسيمات المؤينة مباشرة من المادة عندما تتفاعل مع المادة، كما تتفاعل الفوتونات المؤينة مع ذرات مادة أو ماص لإنتاج إلكترونات عالية السرعة من خلال ثلاث عمليات رئيسية: التأثير الكهروضوئي وتأثير كومبتون وإنتاج الأزواج.
التأثير الكهروضوئي
التأثير الكهروضوئي هو ظاهرة يتم فيها امتصاص الفوتون بواسطة الذرة ونتيجة لذلك يتم طرد أحد إلكتروناته المدارية. في هذه العملية، يتم امتصاص الطاقة الكاملة للفوتون أولاً بواسطة الذرة ثم يتم نقلها بشكل أساسي إلى الإلكترون الذري. الطاقة الحركية للإلكترون المقذوف (تسمى فوتو إلكترون)، بعد طرد الإلكترون من الذرة، يتم إنشاء شاغر في الغلاف، مما يترك الذرة في حالة إثارة، كما يمكن ملء الفراغ بواسطة إلكترون مداري خارجي بانبعاث أشعة سينية مميزة.
هناك أيضًا إمكانية انبعاث إلكترونات أوجيه والذي يحدث عندما يتم إطلاق الطاقة نتيجة لملء الإلكترون الخارجي للشغور لإلكترون آخر في غلاف عالٍ والذي يتم طرده لاحقًا. نظرًا لأن طاقة الربط للأنسجة الرخوة لا تتجاوز 0.5 كيلو فولت، فإن طاقة الفوتونات المميزة المنتجة في الماصات البيولوجية منخفضة جدًا ويمكن اعتبارها ممتصة محليًا.
بالنسبة للمواد ذات العدد الذري الأعلى، تكون الفوتونات المميزة ذات طاقة أعلى وقد تودع الطاقة على مسافات كبيرة مقارنة بمدى الإلكترون الضوئي. في مثل هذه الحالات، يتم تقليل امتصاص الطاقة المحلية من خلال الطاقة المنبعثة من الإشعاع المميز (يُطلق عليه أيضًا الإشعاع الفلوري) والذي يُعتبر ممتصًا عن بُعد ويعتمد احتمال الامتصاص الكهروضوئي على طاقة الفوتون حيث الكتلة الكهروضوئية الكتلية يتم رسم معامل التوهين (t / r) كدالة لطاقة الفوتون، لا يمتلك الفوتون الذي تكون طاقته أقل من 15 كيلو فولت طاقة كافية لإخراج إلكترون.
وبالتالي، أقل من 15 كيلو فولت، يقتصر التفاعل على الإلكترونات ذات القشرة الأعلى، عندما يكون للفوتون طاقة تساوي فقط طاقة الربط للقشرة، يحدث الرنين وتصبح احتمالية الامتصاص الكهروضوئي التي تنطوي على الغلاف عالية جدًا.
الاختلاف في الأنسجة المختلفة مثل العظام والعضلات والدهون يضخم الاختلافات في امتصاص الأشعة السينية، بشرط أن يكون النمط الأساسي للتفاعل هو الكهروضوئية، كما يتم أيضًا استغلال هذا الاعتماد على الانسجة عند استخدام مواد التباين مثل مزيج كبريتات الباريوم ومركبات الصوديوم.
في الأشعة العلاجية، تسبب الحزم منخفضة الطاقة التي تنتجها الآلات السطحية وتقويم العظام امتصاصًا عاليًا غير ضروري لطاقة الأشعة السينية في العظام، كما يعتمد التوزيع الزاوي للإلكترونات المنبعثة في عملية كهروضوئية على طاقة الفوتون. بالنسبة للفوتون منخفض الطاقة، ينبعث الإلكترون الضوئي على الأرجح عند 90 درجة بالنسبة لاتجاه الفوتون الساقط. مع زيادة طاقة الفوتون، تنبعث الإلكترونات الضوئية في اتجاه أمامي أكثر.
