Πώς τα φωτόνια, τα ηλεκτρόνια, τα νετρόνια και τα βαριά σωματίδια μεταφέρουν ενέργεια στην ύλη, πώς δημιουργείται δόση και εικόνα, και πώς από όλα αυτά προκύπτουν εφαρμογές και ακτινοπροστασία.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
Σε αντίθεση με τα βαριά σωματίδια, τα ηλεκτρόνια είναι εξαιρετικά ελαφριά. Όταν ταξιδεύουν μέσα στην ύλη, συμπεριφέρονται σαν μια μπάλα του φλίπερ.
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.
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.
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.
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.
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 κατανόηση του πώς η ακτινοβολία αλληλεπιδρά με την ύλη είναι η καρδιά της Ιατρικής Φυσικής. Στη **Διαγνωστική Ακτινολογία**, εκμεταλλευόμαστε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.
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.