A. Ope
РОЛЬ МНОГОКРАТНОЙ ИОНИЗАЦИИ В ДЕЙСТВИИ ИЗЛУЧЕНИЯ
Введение. Шестнадцать лет назад Платцман блестяще рассмотрел вопрос о возможной роли многократной ионизации в действии излучения. К сожалению, к проблеме изучения действительной роли, которую играет переданная энергия, вызывающая образование многократно заряженных ионов, приступить очень трудно и она остается довольно неясной.
Механизмы ионизации. Существуют различные процессы, которые могут привести к образованию многократно заряженных ионов. В этом обзоре мы не будем обсуждать такие процессы, как одновременный электронный захват и ионизацию «тяжелыми» положительными частицами (см., например, [2], а также следующую статью Кистемейкера), ионизацию при мезонном захвате [3] и т. д. Блестящий анализ ионизации, связанной с различными процессами ядерного распада, был недавно опубликован Вексле-ром [4].
Мы обсудим здесь кратко многократную ионизацию, обусловленную смежными ионизациями, и многократное испускание слабо связанных электронов по существу в «одном акте». Основная часть настоящей статьи будет посвящена многократной ионизации, связанной с первоначальной ионизацией внутренних оболочек.
Смежные ионизации. Гипотеза, согласно которой определенный тип эффектов облучения может обусловливаться смежными ионизациями, не нова. Напомним модель Ли — Кэтчесайда (представляющую интерес хотя бы с исторической точки зрения [5]), согласно которой каждая ионизирующая частица, которая пересекает хроматиду в традесканции, может с большой вероятностью разрушить ее только в том случае, если в пределах диаметра хро-матиды эта частица производит 15—20 актов ионизации. Аналогично в ранних попытках объяснить радиационные повреждения сухих белков, исходя из предположения о «прямом действии», допускалось, что для инактивации одной молекулы иногда необходимо, чтобы при прохождении одной частицы наступало несколько ионизации [6]. Па основании этих рассуждений, а также анализа более общей модели Ховарда-Фландерса [7], были выполнены расчеты вероятности того, что в пределах данного расстояния образуется некоторое число ионов, причем допускались статистические флуктуации как чдсдз ионных скорлений, так и числа ионов в каждом из них [8]. Эти расчеты, основанные на данных об ионизации газа, следует, однако, пересмотреть, чтобы учесть прогресс наших знаний о характеристических потерях энергии электронами в конденсированных средах [9]. Согласно гипотезе Хатчинсона, на одну первичную ионизацию требуется меньшая энергия, чем обычно считалось [10], т. е. для инактивации ферментов, облучаемых в сухом состоянии в отсутствие кислорода (но не в его присутствии), требуется, как правило, многократная ионизация. Наконец, механизм инактивации, предложенный Плат-цманом и Франком и заключающийся в разрыве вторичных связей волной поляризации, предполагает необходимость небольшого числа ионизации в самой молекуле белка или вблизи нее [11].
По-видимому, вопрос о пространственных корреляциях возникших зарядов относится к важным. Количественные характеристики ионных скоплений еще не установлены. Кроме того, не существует резкого экспериментального различия между «смежными ионизациями» и состоянием, возникающим при различных видах многократной ионизации, обсуждаемых ниже.
«Одноактное» испускание внешних электронов. Для физиков-экспериментаторов и теоретиков объяснение «одноактного» испускания двух или большего числа слабо связанных атомных или молекулярных электронов под действием, скажем, удара электрона до сих пор представляется очень сложным.
К счастью, возможные детали механизма многократного испускания слабо связанных электронов для наших целей имеют лишь второстепенный интерес. К сожалению, эмпирические данные о вероятности (сечении) тг-кратной ионизации (п ]> 2) до сих пор чрезвычайно скудны [12, 13]. Однако основная масса «вторичных» электронов, создаваемых высокоэнергетическим излучением, имеет энергию, при которой сечение даже наиболее вероятной двукратной ионизации мало. Поэтому при обычных условиях облучения значение полного выхода такой двукратной ионизации в 103 раз меньше значения выхода для однократных ионизации [1]. Кроме того, химическая активность этих двукратно ионизированных атомов не должна быть особенно большой. Аналогичной ионизацией более высокой кратности можно полностью пренебречь. Что же касается первичных ионизации, то в некоторых атомарных газах около 10% всех ионизации, создаваемых электронами средней энергии, могут оказаться двукратными и около 1% —трехкратными [12, 13].
Внутриоболочечная ионизация. Общие соображения. Особенный интерес представляет механизм многократной ионизации с потерей электронов внутренними, глубоколежащими оболочками, за которой следует — вероятно, через 10~14 — 10~15сек — эмиссия других электронов с последующей перестройкой атомного или молекулярного электронного облака. Этот механизм предполагает выделение болыноц порции энергии, способной вызвать
сильные локальные нарушения и затем быстро преобразоваться в потенциальную энергию молекулы. Даже в кислороде— легком атомо — по крайней мере 530 эв остается в ионе при испускании одного K-электрона, что более чем в 10 раз превышает энергию, необходимую для удаления двух валентных электронов.
Сечения однократной внутриоболочечной ионизации можно довольно точно вычислить из теории. Число первичных двукратных или многократных внутриоболочечных ионизации очень мало. (Даже если эти ионизации маловероятны, они сыграли известную роль в интерпретации Kα-сателлитов в рентгеновском спектре [14].) Теоретический выход внутриоболочечной ионизации в реальных условиях облучения был получен Дурупом и Платцмашш [15, 10] путем расчета сечений с использованием теории Спенсера и Фано [17]. Наконец, процессы, вызываемые образованием внутриоболочечных вакансий, интенсивно изучались как физиками, так и химиками, занимающимися ядерной химией [4, 18].
Процессы, непосредственно следующие за образованием внутриоболочечных вакансий.
Изолированные атомы. В тяжелом атоме, электроны которого располагаются на многочисленных оболочках и подоболочках (энергетических уровнях), перестройка может происходить громадным числом способов, в том числе путем как радиационных, так и нсрадиационных переходов, причем последние могут вызывать значительную потерю электронов. Образование внутриоболочечной вакансии в атоме Хе (Z— 54) иногда сопровождается ливнем, состоящим из более чем 20 электронов [19], а наиболее вероятное их число равно 8 [19, 201 (см. также [13]). Этот процесс представляет собой каскад простых переходов Оже, в'каждом из которых один электрон переходит на внутреннюю орбиту, а энергия перехода идет на выбивание другого электрона.
Однако такая картина формирования заряда не полна. В основном закопченная картина была недавно создана Карлсоном и Краузе [21] для простейшего случая атома Ne (Z= 10), т. е. легкого атома, подвергнутого рентгеновскому облучению. Некоторые основные ее особенности заключаются в следующем.
а) В тот момент, когда быстрый фотоэлектрон вылетает из K-оболочки Ne, поле, в котором движутся оставшиеся электроны, претерпевает внезапное возмущение, приводящее к «выбросу» одного или нескольких электронов примерно в 16% случаев.
б) Вероятность последующего процесса Оже, в котором испускается два электрона (или большее их число), равна приблизительно 8% («двойной» процесс Оже может иметь ту же природу, что и в пункте а) [22].
Если бы не было таких механизмов эмиссии добавочных электронов, следовало бы предсказать только образование Ne1+ (вакансия в k-оболочке заполнена в результате радиационного перехода) и Ne2+ (простой переход Оже), Однако на самом деле наблюдается около 22% Ne3+, около 3% Ne4+ и 0,3% Ne6+. Сходная ситуация должна наблюдаться для атомов О, N и С [20].
Изучался также случай не столь легкого атома Аг (Z= 18) [13, 23]. Полученные результаты можно в известном приближении применить к таким биологически важным атомам, как S(Z= 16) и Р (Z= 15) [20]. При К-ионизации аргона примерно в 40% случаев теряется пять электронов или более; наиболее вероятна потеря четырех электронов. Что касается количества выделившейся энергии, то при К-ионизации ее величина в Аг, Sи Р равна соответственно 3,2, 2,5 и 2,1 кэв [24]. В этих атомах ионизация L-оболочки также сопровождается (≈ 100%) одним или несколькими процессами Оже, иногда комбинированными с «выбросом» электрона. Таким образом, в Аrвероятность ионизации L-оболочки, приводящей к образованию ионов с зарядом три и больше, превосходит 40%. Ионизация L-оболочки падающей частицей обычно значительно более вероятна, чем ионизация .К-оболочки; исключением служит фотоэлектрический эффект при энергиях фотона, превышающих порог ионизации К-оболочки. Энергии ионизации L-оболочки, конечно, меньше и равны 290—245 эв, 190—163 эв и 150—128 эв для Аr, Sи Р соответственно [24].
Исследования, проведенные с помощью рентгеновского облучения, дали возможность установить эмпирические правила, посредством которых можно оценить средний заряд, возникающий при образовании вакансий в результате атомной перестройки в любой оболочке любого изолированного атома [20].
Изолированные молекулы. Можно ожидать, что в молекулах во время конечных стадий перестройки будет осуществляться быстрый внутримолекулярный перенос заряда. Давно известно, что в случаях, когда внутренние вакансии создаются включенными в молекулу радиоактивными ядрами [4], в ней могут произойти сильные нарушения. Более точная информация была недавно получена в исследованиях Карлсона и Уайта [25] с использованием рентгеновского облучения. Изображенный на рис. 1 спектр зарядов показывает, что при ионизации внутренней оболочки йода в газообразном CH3Jнейтральные фрагменты образуются редко (отношение атомарных ионов отражает долю данных атомов в молекуле). Кроме того, мы видим, что происходит целый ряд распадов, но наиболее вероятна реакция