برهم کنش امواج الکترومغناطیس
وقتی پرتو الکترومغناطیسی از ماده عبور می‌کند ممکن است بدون انتقال انرژی از آن عبور کند یا اینکه در اثر بر هم کنش با ماده عبوری شدتش کاهش یابد. در اثر واکنش فوتون با اتم ها، تضعیف منفرد رخ می‌دهد. اثرات بیولوژیکی زمانی ایجاد می‌شوند که پرتوهای الکترومغناطیسی( به طور عمده پرتوهای ایکس و گاما) به وسیله اتمهای بافت جذب یا پراکنده می‌شوند. تئوری کوانتوم، پرتو الکترومغناطیسی را به عنوان جریانی از بسته‌های انرژی با نام فوتون در نظر می‌گیرد. انرژی یک فوتون پرتو الکترمغناطیسی از طریق معادله پلانک محاسبه می‌شود:
E: انرژی فوتون، h ثابت پلانک و v : فرکانس فوتون است. انرژی یک فوتون به طور مستقیم با فرکانس و به طور معکوس با طول موج( λ ) رابطه دارد. سرعت موج از حاصل ضرب فرکانس در طول موج به دست می‌آید، که c سرعت نور است. اثرات بیولوژیکی پرتو زمانی ایجاد می‌شوند که پرتوهای یونیزان با یک عضویسم /بافت برخورد نموده و مقداری انرژی به آن منتقل می‌کنند. فرآیند جذب فوتونهای الکترومغناطیسی در ماده به انرژی فوتونها و عدد اتمی ماده جاذب بستگی دارد. با عبور فوتونها از ماده انرژی آنها از طریق سه فرآیند اصلی به ماده منتقل می‌شود: جذب فوتوالکتریک، پراکندگی کمپتون و تولید جفت( شکل 3-2).
انواع غالب واکنشها به عنوان تابعی از عدد اتمیz ماده جاذب و انرژی فوتون تابشی
جذب فوتوالکتریک
در جذب فوتوالکتریک، فوتون با یک الکترون در لایه داخلی یک اتم ماده جاذب برخورد و کل انرژی خود را به الکترون منتقل کرده وآن را از لایه اشغالی خود در اتم خارج می‌کند. فوتون برخوردی ناپدید و انرژی منتقل شده صرف غلبه بر انرژی وابستگی الکترون می‌شود و باقی انرژی به صورت انرژی جنبشی فوتوالکترون در خواهد آمد. بنابراین انرژی جنبشی فوتوالکترون خارج شده با انرژی فوتون برخوردی منهای انرژی وابستگی الکترون برابر است .
hν – E b = ( الکترون) انرژی جنبشی
Hv: انرژی فوتون برخوردی، Eb: انرژی وابستگی الکترون فوتوالکترون خارج شده در یک مسیر معین در ماده جاذب حرکت کرده و انرژی خود را از طریق یونیزاسیون ثانویه از دست می‌دهد. با این روش، کل انرژی فوتون برخوردی در بافت تابش دیده واگذار می‌شود. بنابراین اتمی که در برخورد فوتوالکتریک شرکت کرده یونیزه می‌شود. جای خالی ایجاد شده توسط الکترون خروجی، بلافاصله با یک الکترون از مدار بالاتر همان اتم پرمی‌شود و انرژی تعادل به صورت فوتونی ساطع می‌شود که انرژی مشخصه کمتری دارد. اثرفوتوالکتریک مکانیسم غالب انتقال انرژی بوسیله فوتونهای ایکس وگامایی است که در بافتهای بیولوژیکی انرژی‌های کمتر از keV50 دارند اما این پدیده در انرژی‌های بالاتر اهمیت کمتری دارد( یک الکترون ولت انرژی جنبشی یک الکترون حین عبور از اختلاف پتانسیل یک ولتی است. ژول 19- 10× 602/1 = eV1 )
پراکندگی کمپتون
فرآیند واگذاری انرژی که اثر کمپتون نامیده می‌شود زمانی رخ می‌دهد که فوتون برخوردی با الکترونهای مدارهای خارجی‌تر اتم (که انرژی وابستگی بسیار کمتری در مقایسه با انرژی فوتون برخوردی دارند) برخورد نماید. در این برهم کنش، فوتون برخوردی به یک الکترون انرژی منتقل و آن را از اتم خارج می‌کند. فوتون با باقی مانده انرژی اولیه در جهتی متفاوت از جهت فوتون اولیه پراکنده می‌شود. در نتیجه پراکندگی کمپتون باعث یونیزه کردن اتم در نتیجه از دست دادن الکترون می‌شود. الکترون پراکنده شده( یک ذره باردار ثانویه) مسافتی را در ماده طی کرده و در نهایت انرژی خود را از طریق وقایع یونیزاسیون و تحریک بیشتر از دست داده و جزئی از ماده می‌شود. احتمال پراکندگی کمپتون با افزایش انرژی فوتون کاهش می‌یابد. این روش مکانیسم اصلی جذب برای پرتوهای ایکس و گاما با انرژی‌های متوسط در محدوده MeV10-keV100 است. این محدوده، محدوده درمانی بوده و همچنین بیشتر پرتوهای گامای ساطع شده در یک انفجار اتمی در این محدوده انرژی قرار دارند.
تولید جفت
وقتی یک فوتون با انرژی بالاتر( MeV 02/1 <) با اتمهای یک ماده برخورد می‌کند، فوتون برخوردی به طور خود بخود و از طریق بر هم کنش نیروهای کلمبی در اطراف هسته به دو جرم، یک الکترون و یک پوزیترون، تبدیل می‌شود. ذرات باردار تولید شده در دو جهت مخالف یکدیگر ساطع شده و به عنوان ذرات باردار ثانویه ایجاد آسیب می نمایند. یک پوزیترون معادل یک الکترون بوده و همان جرم الکترون را دارد. انرژی فوتون برخوردی در صورتیکه از معادل جرم سکون دو ذره بیشتر باشد( MeV 02/1) به صورت انرژی جنبشی جفت ذرات تولیدی و هسته برگشتی ظاهر خواهد شد. طول عمر پوزیترون بسیار کوتاه بوده و در پایان مسافت خود با یک الکترون آزاد ترکیب می شود. سپس کل جرم این دو ذره به دو فوتون گاما (هر یک با انرژی MeV 51/0) تبدیل می‌شود که در دو جهت مخالف یکدیگر ساطع می‌شوند. در هر یک از سه فرآیند انرژی کافی برای تولید یونیزاسیون بیشتر وجود دارد.
وابستگی جذب به عدد اتمی
واگذاری انرژی به انرژی پرتو و عدد اتمی ماده جاذب (Z) بستگی دارد. ضریب جذب جرمی جذب فوتو الکتریک به طور مستقیم با توان سوم عدد اتمی ماده جاذب متناسب است z3)) . عدد اتمی مؤثر استخوان دو برابر عدد اتمی موثر بافت نرم است و احتمال اینکه یک فوتون در استخوان جذب شود شش برابر بافتهای نرم است. به طور عمده استخوان حاوی کلسیم است در حالیکه بافتهای نرم از عناصر با عدد اتمی کم مانند کربن، هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده‌اند. به طور معکوس، ضریب جذب جرمی برای پدیده کمپتون تقریباً مستقل از عدد اتمی است. اثرات کمپتون و فوتوالکتریک برای کاربرد صحیح اشعه ایکس در تشخیص و درمان سرطان حیاتی هستند. در پرتو درمانی فوتونهای در محدوده انرژی بالا( MeV10-1 ) به دلیل کنتراست قابل قبول بالاتر در بافتها ارجحیت دارند.
لایه نیم جذب
وقتی پرتوهای الکترومغناطیسی همانند پرتوهای ایکس و گاما از ماده عبور می‌کنند شدت آنها به تدریج کاهش می‌یابد و در نتیجه واگذاری انرژی تضعیف می‌شوند . نتیجه این عمل کاهش فوتونها به ویژه در اثر جذب فوتوالکتریک و پراکندگی کمپتون است. احتمال جذب در یک لایه از ماده با دانسیته( چگالی) جرمی ماده متناسب است. برای یک باریکه فوتون تک انرژی به ازای عبور باریکه از واحد ضخامت ماده جاذب کسر ثابتی از فوتونها کاهش می یابند که نتیجه آن کاهش نمایی شدت، متناسب با افزایش ضخامت ماده جاذب مطابق این معادله است:
I (x) = I0 e- µx
(x) I= شدت در ضخامتx، I0 شدت اولیه در سطح ماده جاذب ، µ=n×δ ضریب جذب بر حسب cm-1 ، n: تعداد اتمها در هر cm3 ماده ، δ سطح مقطع جذب بر حسب cm2 و x: ضخامت ماده بر حسب cm. ضخامتی از ماده جاذب که شدت فوتونها را به نصف مقدار اولیه می‌رساند لایه نیم جذب (Half Value Layer, HVL) نامیده می‌شود. جذب باریکه فوتونی به جرم و ضخامت ماده جاذب و انرژی باریکه فوتونی بستگی دارد. فوتونهای کم انرژی نسبت به فوتونهای پرانرژی جذب بیشتری دارند برای مثال در 5/1 سانتی متر اول آب 40% پرتوهای ایکس kVp50 جذب می‌شوند. احتمال واکنش یک فوتون با یک الکترون مداری زمانی حداکثر میزان است که انرژی آن با انرژی وابستگی الکترون در اتم مورد نظر برابرباشد. ترسیم ضریب جذب کلی آلمینیوم ( عدد اتمی= 13) در برابر انرژی فوتون برای فوتونهای گاما نشان می‌دهد که پراکندگی کمپتون غالب است بر خلاف آن؛ ترسیم ضریب جذب کلی سرب( عدد اتمی= 82) در برابر انرژی فوتون برای فوتونهای گاما نشان می‌دهد که در انرژی‌های پایین اثر فوتوالکتریک و در انرژی‌های بالای MeV 5 تولید جفت غالب است. سرب معمولاً به دلیل ویژگی لایه نیم جذب مناسب برای حفاظت بدن در مقابل پرتوهای یونیزان استفاده می‌شود.
پرتوهای ذره‌ای
پرتوهای ذره‌ای( برای مثال ذرات α و β ( الکترونها)، پروتونها، نوترونها و یونها) نیز از طریق فرآیندهای یونیزاسیون و تحریک تصادفی در اتمها و مولکولهای ماده‌ای که از آن عبور می‌کنند اثرات خود را اعمال می‌کنند. عبور ذرات باردار، الکترونها و یونهای باردار مثبت منجر به صدمات شدید( واگذاری انرژی) در مولکولهای مسیر خود در بافتهای زنده می‌شوند. این صدمات شدید در اثر برهم کنشهای شدید الکترواستاتیک بین ذرات عبوری و الکترونهای اتمهای ماده ایجاد می‌شوند.
ذرات باردار اولیه
پروتونها با یک واحد جرم اتمی و یک بار مثبت، نسبت به ذرات آلفا( هسته هلیوم) آسیب کمتری ایجاد می‌کنند به دلیل اینکه میزان واگذاری انرژی به طور معکوس با سرعت ذره و به طور مستقیم با مربع بار متناسب است. در انرژی مشابه، ذرات آلفا نسبت به پروتون بدلیل جرم بزرگتر دارای سرعت کمتری می باشند. مواد رادیواکتیو اغلب ذرات آلفا ساطع می‌کنند که به دلیل شدت یونیزه کنندگی زیاد، نفوذ کمی دارند. این ذرات به سرعت انرژی خود را از دست می‌دهند و فقط چند ده میکرون در بافتهای بدن نفوذ می‌کنند. این ذرات به طور کامل توسط یک ورقه کاغذ جذب می‌شوند. ذرات بتا هم توسط مواد رادیواکتیو و هم از طریق یونیزاسیون اتمها و مولکولها توسط اشعه ایکس و گاما همانطور که در بالا توضیح داده شد تولید می شوند. ذرات بتا دارای بار منفی بوده و به دلیل جرم کم و سبک در مواد جاذب همانند بافت مسیر پرپیچ و خمی دارند( جرم تقریباً 
یک پروتون). الکترونهای پر انرژی تر به دلیل جرم کمتر( و در نتیجه سرعت بالاتر) و بارکمتر نسبت به ذرات آلفا با کارایی کمتری عمل یونیزاسیون را انجام می‌دهند، بنابراین آنها نسبت به ذرات α در عمق بیشتری از بافتها نفوذ می‌کنند اما به طور کلی ذرات بتا نفوذی بیشتر از پوست بدن انسان ندارند.
ذرات بدون بار
نوترونها (n) ذرات بدون باری هستند که جرمی شبیه به یک پروتون داشته و به دلیل اینکه بدون بار نمی‌توانند در واکنشهای الکترواستاتیک شرکت کنند پرتوهای یونساز غیرمستقیم محسوب می‌شوند. در جرم و انرژی مشابه نوترونها نسبت به ذرات باردار نفوذ بیشتری دارند. علیرغم اینکه نوترونها به طور قوی و محکم با الکترون اتمهای ماده عبوری برهم کنش نداشته و به طور مستقیم اتمها را یونیزه نمی کنند؛ اما یونیزاسیون ایجاد شده توسط آنها، بسیار بزرگتر و متراکم تر از یونیزاسیون پرتوهای ایکس است. نوترونها با هسته اتمهای مواد واکنش داده و انرژی خود را با فرآیندهای برخوردی متفاوت، متناسب با انرژی خود( سرعت) و جرم هسته برخوردی ازدست می‌دهند. در بافتهای نرم به دلیل فراوانی پروتونها که جرمی برابر با جرم نوترون دارند، نوترونهای سریع (MeV1<) اغلب انرژی خود را از طریق پراکندگی الاستیک از دست می‌دهند(از طریق فرآیندهای برخوردی که پروتونهای برگشتی پر انرژی تولید می‌کنند). این پروتونهای برگشتی از طریق واکنشهای الکترواستاتیک با الکترونهای بافتها انرژی خود را واگذار می‌کنند (همانطور که در بالا توضیح داده شد). نوترونهای بالاتر از Mev6 واکنش غیرالاستیک انجام داده و نوترونهای سریع برخورد کننده با هسته‌های کربن و اکسیژن ممکن است ذرات آلفا، پروتونهای برگشتی و ذرات هسته‌ای سنگین تولید کنند.
نوترونهای سریع از طریق فرآیندی به نام کند سازی به نوترونهای حرارتی تبدیل می شوند. در رآکتورها به طور معمول آب سنگین، آب سبک یا گرافیت برای کندسازی نوترونها استفاده می‌شوند. نوترونهای حرارتی نسبت به نوترونهای سریع، سطح مقطع مؤثر بسیار بزرگتری داشته و بنابراین راحت‌تر توسط هسته اتمی که با آن برخورد می‌کنند جذب شده و اغلب ایزوتوپ ناپایدار و سنگین‌تر عنصر تابش دیده را تولید می نمایند. بیشتر راکتورهای شکافت برای کاهش سرعت یا حرارتی کردن نوترونهای حاصل از شکافت هسته ای از یک کند کننده استفاده می کنند تا شکافتهای بیشتری را باعث شوند. این توانایی نوترونها برای تولید هسته های رادیواکتیو(فعال سازی نوترون) در اثر استحاله پرتوهای یونساز می تواند برای تجزیه و تحلیل ترکیبات اتمی مواد مشخصی مورد استفاده قرار بگیرد.
یونها
وقتی یک یا تعداد بیشتری الکترون مداری از هسته اتمهای کربن، نئون، سیلیکون و آرگون جدا شود یونهای باردار تشکیل شده و این فرآیند می‌تواند در دستگاههای شتاب دهنده مخصوص تا چند صدMeV شتاب یابد. یونهای باردار پر انرژی به دلیل توزیع انرژیشان که در انتهای مسیر به حداکثر مقدار خود می‌رسد( پیک براگ) در پرتو درمانی سرطان مزایای قابل توجهی دارند. این نوع توزیع انرژی امکان واگذاری دانسیته‌های بالای انرژی در عمق بافت را فراهم می آورد، اما این دستگاهها به دلیل قیمت زیاد و نیاز به تکنیکهای پیچیده بسیار محدود هستند.
ادامه دارد.....
