Interactiunea radiatiilor nucleare cu substanta
La trecerea radiatiilor printr-o substanta, acestea pot interactiona diferentiat cu atomii care o alcatuiesc, formati la randul lor din nucleu si invelis electronic.
In timpul strabaterii substantei de catre radiatii are loc cedarea energiei radiatiilor atomilor substantei cu care interactioneaza.
De regula, energia unei radiatii este cedata electronilor unui atom, acest act elementar de transfer de energie se poate repeta de un numar mare de ori de catre aceeasi radiatie.
Actul elementar de interactiune a unei radiatii incidente cu electronul unui atom, prin care electronul incarcat negativ preia energie de la radiatia incidenta, putand fi expulzat din atom, lasa atomul cu o sarcina electrica pozitiva. Daca atomul face parte dintr-o molecula, atunci prin smulgerea unui electron, molecula respectiva ramane incarcata pozitiv.
Procesul prin care un atom neutru sau o molecula devin incarcate pozitiv, se numeste ionizare, iar entitatea rezultata se numeste ion pozitiv.
Electronul expulzat poate, la randul sau, sa ionizeze alti atomi sau molecule.
Pentru acest motiv, radiatiile a b g, X si 
se mai numesc radiatii ionizante.
a. Interactiunea radiatiilor X si g cu substanta
Radiatiile Roentgen (X) si gama fac parte din doua familii de radiatii, dupa punctul de vedere din care se face clasificarea. Pe de o parte in cadrul radiatiilor electromagnetice, ele reprezinta limita superioara a spectrului de energie, de aceea radiatiile X si g sunt radiatii electromagnetice penetrante. Pe de alta parte, radiatiile Roentgen si gama au proprietate comuna cu radiatiile corpusculare de a produce, prin interactiune cu atomii substantelor strabatute sau iradiate, fenomenul de ionizare. Ele fac astfel parte si din familia radiatiilor ionizante.
Radiatiile X de franare (Bremsstrahlung) au un spectru continuu in timp ce radiatiile X caracteristice caracteristice au un spectru discret de linii, numit spectru caracteristic.
Radiatiile g sunt determinate de dezexcitarea nucleelor excitate.
Radiatiile X si g la limita de energie inalta a spectrului radiatiilor electromagnetice, au frecvente foarte ridicate si corespunzator, lungimii de unda foarte scurte. Daca toti fotonii au aceeasi energie rezulta un fascicol monocromatic.
Imprastierea si absorbtia
Datorita fenomenelor de interactiune cu
substanta, un fascicol de radiatii X si g, alcatuit din fotoni, se atenueaza din ce in ce mai mult, pe
masura ce patrunde in substanta.
Atenuarea fascicolului de fotoni se datoreaza faptului
ca fotonii dispar din fascicul prin doua tipuri de procese: de
imprastiere si de absorbtie.
Spre deosebire de alte tipuri de radiatii, de exemplu
electroni, procesele de interactiune a fotonilor sunt „catastrofice”.
Intr-o singura interactiune, fotonul isi poate modifica
considerabil energia sau directia, si aceasta cu o probabilitate
relativ mare.
Fotonii imprastiati pornesc sub diferite
unghiuri formand radiatii imprastiate. Energia fotonului
imprastiat poate fi egala sau mai mica decat aceea a
fotonului initial. Imprastierea se imparte in doua tipuri:
elastica si neelastica.
Desi sunt mai multe tipuri de interactiuni care reduc intensitatea fascicolelor de radiatii X si g, de importanta practica sunt trei: efectul fotoelectric, efectul Compton si generarea de perechi.
Efectul fotoelectric se manifesta prin absorbtia integrala a energiei unui foton de catre un electron al unui atom. Energia lui se distribuie integral intre energia necesara extractiei din atom si energia cinetica a electronului expulzat (fotoelectronul). In acest caz, efectele ionizante se datoreaza fotoelectronilor, care se comporta similar radiatiei β. Energia lor va fi absorbita in mediul strabatut.
Efectul fotoelectric este important in cazul fotonilor de energii reduse care strabat materiale ce contin elemente grele.
Efectul Compton apare la ciocnirea dintre un foton si un electron (considerat liber sau slab legat). Rezulta un electron de recul, care primeste energia fotonului incident si un foton difuzat, cu energie mai mica decat a celui incident. Acest efect este semnificativ ca importanta cand energiile de legatura a electronilor in atom pot fi considerate neglijabile fata de energiile fotonilor incidenti. In urma ciocnirii, energia fotonului incident se regaseste in energia transferata electronului de recul si energia fotonului difuzat. Electronii de recul au energii suficiente pentru a produce ionizari similare radiatiilor β, iar fotonii difuzati, in functie de energia pe care o mai au, pot produce fie alte efecte Compton, fie efecte fotoelectrice.
Daca in cazul efectului fotoelectric aproape toata energia fotonului incident este transferata substantei absorbante, in cazul efectului Compton o parte este emisa de substanta traversata sub forma de radiatie imprastiata sub unghiuri mari fata de unghiul de incidenta.
Generarea de perechi are loc atunci cand un foton de energie inalta traverseaza campul electrostatic al unui nucleu. Daca acest camp este suficient de intens, energia fotonului se pune in evidenta prin aparitia unui electron si a unui pozitron. Aceasta „materializare” a energiei nu poate avea loc decat daca energia fotonului depaseste de doua ori energia de repaus a unui electron. Diferenta dintre energia fotonului si cea necesara materializarii este regasita ca energie cinetica a electronului si pozitronului. Aceasta energie este absorbita de mediu prin ionizari similare celor produse de radiatia β. Spre deosebire de electron, viata pozitronului este scurta. Dupa incetinirea datorata ionizarilor, la intalnirea unui electron, perechea pozitron-electron sufera reactia de anihilare, energia particulelor transformandu-se in cuante γ. Fotonii de anihilare pot produce, in alte zone decat cea supusa iradierii primare, efecte fotoelectrice sau, mai ales, efect Compton.
b. Interactiunea electronilor cu substanta
Electronii interactioneaza cu materia asemanator particulelor grele incarcate, dar deosebirile care apar se datoreaza masei foarte mici a electronilor. Pierderea de energie a electronilor se produce prin doua mecanisme: ionizare (excitare) si radiatii de franare.
La ciocnirea cu electronii atomici, electronul de masa foarte mica va fi puternic deviat. Parcursul lui nu va mai fi o linie dreapta, ci una franta. Un fascicol initial monoenergetic de electroni, dupa trecerea prin substanta va prezenta un spectru larg de energie.
Prin unele interactiuni, fotonii radiatiilor electromagnetice penetrante elibereaza un flux de electroni secundari, care devin astfel purtatorii prin care energia radiatiilor electromagnetice primare este absorbita in substanta.
Electronii secundari interactioneaza cu substanta iradiata, cedand energia prin mai multe mecanisme sau tipuri de interactiune: ciocnirea inelastica in care are loc cu unul din electronii orbitali ai atomilor substantei, avand ca rezultat excitarea sau ionizarea atomilor, generarea de radiatii electromagnetice prin efectul Cerenkov sau prin anihilarea unui electron negativ cu un electron pozitiv, generarea de radiatii electromagnetice de franare (Bremsstrahlung), imprastierea elastica (coulombiana) pe nucleele atomilor si reactia nucleara initiata de electroni (electrodezintegrare nucleara).
Ca urmare a interactiunilor, energia unui electron scade treptat pe masura ce distanta strabatuta in substanta creste.
Excitarea si ionizarea atomilor
Principala interactiune a electronilor secundari cu mediul iradiat este interactiunea coulombiana cu electronii orbitali ai atomilor substantei, in urma careia au loc doua procese: transferarea unui electron orbital pe un nivel de energie superior, proces numit excitarea atomilor si separarea unui electron orbital de atom, proces denumit ionizarea atomilor.
In urma ionizarii, atomul incarcat pozitiv devine un ion pozitiv, iar impreuna cu electronul ejectat constituie o pereche de ioni.
c. Interactiunea radiatiei cu materia vie
Actiunea radiatiilor asupra tesutului si organelor
Tesuturile si organele sunt complexe structurale formate din mai multe clase de celule, fiecare cu caracteristici proprii.
Momentul in care pot fi detectate leziunile functionale dupa iradiere, depinde de intervalul de timp in care intervine moartea celulara.
Tesuturile sunt formate din celule parenchimatoase (cu rol functional) si o retea conjunctiva vasculara (care asigura suportul metabolic necesar activitatii lor).
Raspunsul la iradiere este rezultatul distrugerii definitive a celulelor parenchimatoase, care daca nu pot fi inlocuite duc la atrofia tesutului cu compromiterea, pana la distrugerea functiei acestuia.
Modificarile tisulare dupa iradiere nu sunt specifice si au un caracter progresiv, devenind tot mai pregnante pe masura trecerii timpului. De aceea, aprecierea raspunsului la iradiere a unui tesut sau organ se face in mod arbitrar, pe baza gradului maxim de hipoplazie observat pana la doua luni dupa iradiere.
In radioterapie, reactiile sau sechelele tardive sunt mai importante decat cele acute, ele fiind astazi principalul factor care determina toleranta si limiteaza doza de radiatie. Intre intensitatea reactiilor acute si gravitatea sechelelor tardive nu exista, in general, nici o corespondenta si disocierea lor este favorizata de modul clasic de fractionare, respectiv 1,8 – 2 Gy de 5 – 6 ori pe saptamana.
Raspunsul la iradiere poate fi insa mult influentat prin utilizarea altor scheme de fractionare, diferite de cele clasice.
Diferenta dintre panta curbelor de supravietuire pentru efectele acute si tardive poate fi influentata astfel prin modificarea fractionarii clasice. Efectele tardive pot fi reduse la minim prin cresterea numarului de fractiuni, care pot fi administrate cu o etalonare conventionala clasica, de 6 – 8 saptamani sau redusa la jumatate, constituind asa numita hiperfractionare, respectiv fractionare accelerata.
Parametrii mai importanti care determina magnitudinea efectelor tardive sunt marirea dozei de fractionare si numarul total de fractiuni.
Actiunea radiatiilor asupra tumorilor
Tumorile sunt populatii celulare neechilibrate, proliferative, in care proliferarea depaseste pierderile celulare.
Ele respecta structura generala de organizare a tesuturilor normale si sunt formate din celule tumorale propriu-zise.
Celulele tumorale la randul lor sunt clonogenice, aranjate in diviziune sau in afara ciclului celular, incapabile de reproducere sau sterile si sunt eliminate sau mor rezultand pierderea celulara.
Tumorile raspund la iradiere prin reducerea progresiva a volumului lor, care in functie de doza poate fi mai mult sau mai putin completa.
Intervalul de timp in care are loc aceasta regresiune difera foarte mult in functie de histologie; limfovanulele regreseaza progresiv, in cateva ore; carcimvanulele nediferentiate regreseaza in zile, in timp ce sarcvanulele sau adenocarcinvanulele necesita saptamani sau luni.
Ritmul de regresiune depinde de natura constituentilor tumorali care trebuie resorbiti si de timpul in care are loc moartea celulara.
Cand proliferarea celulara este oprita prin iradiere, tumorile cu pierderi celulare mari vor regresa rapid, in timp ce tumorile cu pierderi celulare reduse vor avea o regresiune lenta, raspunsul la iradiere fiind determinat si in cazul tumorilor de caracteristicile lor cinetice.
Iradierea tumorilor induce leziuni identice cu cele ale tesuturilor normale, dar interventia prompta si mai eficace a mecanismelor de aparare, in al doilea caz, explica diferentele care fac posibila aplicarea cu succes a radioterapiei in tratamentul cancerului.
Absorbtia de radiatie
Unele aspecte ale procesului de absorbtie de radiatie, legate de fenomenele care conduc la tranzitie intre nivele energetice mai sarace in energie si nivele mai bogate in energie, au fost studiate cu ocazia studiului spectrelor atomice si moleculare.
Fie
un strat de substanta de grosime dx pe care cade un fascicul de
radiatii monocromatic alcatuit din fotoni, de intensitate Io.
Intensitatea fascicolului emergent este I. 
Fig. I.1.
In cazul multor substante, micsorarea intensitatii datorita absorbtiei, verifica relatia:
unde k reprezinta coeficientul de absorbtie al substantei (caracterizeaza atenuarea relativa a fluxului de radiatie, pe unitatea de lungime de strat absorbant).
Dupa separarea variabilelor si integrare intre limitele Io si I, respectiv 0 si x, se obtine:
I = Io e-kx
relatie care exprima legea lui Lambert. Aceasta relatie mai poate fi scrisa pentru logaritm zecimal:
I = I0 10-kx
Cand
stratul absorbant reprezinta o solutie a unei substante
absorbante intr-un mediu transparent pentru radiatii incidente, k este
proportional cu concentratia solutiei, ceea ce inseamna
ca E = ecx, unde e se numeste coeficient de extinctie al substantei si
reprezinta inversul grosimii acelui strat absorbant pentru care 
.
Legea absorbtiei devine:
I = I0 10-ecx
unde e(0) = h(0) lg e = 0,43 k si se numeste Legea lui Beer. Aceasta lege se poate scrie si sub forma: I = I0 e-ecx , in cazul logaritmului natural.
Raportul
si se numeste transmisie sau
transmitanta. Extinctia sau absorbanta E se defineste
ca fiind logaritmul cu semn schimbat din transmisie, adica:
E = - ln T = - ln 
= ln 
= εcl
Spectrul de absorbtie al unei substante este deseori reprezentat prin curbe e = f(ν) sau e = f(l Cunoasterea spectrelor de absorbtie permite identificarea substantei absorbante si dozarea ei intr-un amestec in care se pot gasi si componenti care nu absorb in acelasi domeniu de lungimi de unda ca si substantele largi raspandite.
