Зрелость мирного медицинского атома. Часть первая

Первые ‎две‏ ‎статьи, ‎посвященные ‎ядерной ‎медицине ‎(«Начало‏ ‎мирного ‎медицинского‏ ‎атома» , «Становление‏ ‎мирного ‎медицинского ‎атома»), были‏ ‎рассказом ‎об‏ ‎удивительном ‎изобретении ‎немецкого ‎физика‏ ‎Вильгельма‏ ‎Конрада ‎Рентгена‏ ‎— ‎Х-лучах,‏ ‎которые ‎вот ‎уже ‎вторую ‎сотню‏ ‎лет‏ ‎носят ‎его‏ ‎имя ‎(рентгеновские‏ ‎лучи, ‎рентгеновское ‎излучение). ‎Четыре ‎способа‏ ‎использования‏ ‎рентгеновского‏ ‎излучения ‎от‏ ‎простого ‎к‏ ‎сложному, ‎от‏ ‎общего‏ ‎результата ‎до‏ ‎чрезвычайно ‎точных ‎послойных ‎«срезов»: ‎рентгеноскопия,‏ ‎флюорография, ‎рентгенография‏ ‎и‏ ‎компьютерная ‎томография, ‎вершиной‏ ‎развития ‎которой‏ ‎стала ‎многослойная ‎компьютерная ‎томография‏ ‎(МСКТ).‏ ‎Вот ‎только‏ ‎медики ‎не‏ ‎собирались ‎на ‎этом ‎останавливаться, ‎они‏ ‎считали‏ ‎и ‎считают,‏ ‎что ‎главный‏ ‎принцип ‎любого ‎вида ‎диагностики ‎—‏ ‎минимум‏ ‎вреда‏ ‎пациенту ‎при‏ ‎максимальном ‎объеме‏ ‎информации ‎—‏ ‎должен‏ ‎побуждать ‎физиков‏ ‎работать, ‎не ‎покладая ‎рук.

Циклотрон

Следующим ‎этапом‏ ‎развития ‎ядерной‏ ‎медицины‏ ‎стала ‎ядерно-медицинская ‎диагностика,‏ ‎в ‎которой‏ ‎действительно ‎используются ‎определенные ‎свойства‏ ‎определенных‏ ‎радиоактивных ‎материалов.‏ ‎Старт ‎собственно‏ ‎ядерной ‎медицины ‎дали ‎два ‎важных‏ ‎события‏ ‎первой ‎половины‏ ‎1930-х ‎годов.‏ ‎Вот ‎только ‎для ‎того, ‎чтобы‏ ‎пояснить‏ ‎физическую‏ ‎основу ‎ядерно-медицинской‏ ‎диагностики, ‎придется‏ ‎довольно ‎подробно‏ ‎рассказать‏ ‎о ‎свойствах‏ ‎атомных ‎ядер ‎и ‎элементарных ‎частиц,‏ ‎входящих ‎в‏ ‎их‏ ‎состав.

В ‎1931 ‎году‏ ‎американский ‎физик‏ ‎Эрнесто ‎Лоуренс ‎создал ‎первый‏ ‎в‏ ‎истории ‎циклический‏ ‎ускоритель, ‎который‏ ‎так ‎и ‎называется ‎— ‎циклотрон,‏ ‎открывший‏ ‎путь ‎к‏ ‎искусственному ‎созданию‏ ‎изотопов ‎химических ‎элементов. ‎Годом ‎позже‏ ‎английский‏ ‎физик‏ ‎Джеймс ‎Чедвик,‏ ‎обсчитывая ‎результаты‏ ‎ряда ‎экспериментов,‏ ‎открыл‏ ‎существование ‎нейтрона‏ ‎— ‎второй ‎тяжелой ‎частицы ‎в‏ ‎составе ‎ядра‏ ‎атома,‏ ‎но, ‎в ‎отличие‏ ‎от ‎протона,‏ ‎не ‎имеющей ‎электрического ‎заряда.

Не‏ ‎будем‏ ‎углубляться ‎в‏ ‎нюансы ‎квантовой‏ ‎теории, ‎я ‎бы ‎предложил ‎остановиться‏ ‎только‏ ‎на ‎том,‏ ‎что ‎имеет‏ ‎непосредственное ‎отношение ‎к ‎ядерной ‎медицине.‏ ‎Циклотрон‏ ‎—‏ ‎ускоритель ‎заряженных‏ ‎частиц, ‎более‏ ‎удобный ‎для‏ ‎работы‏ ‎в ‎медицинских‏ ‎клиниках, ‎нежели ‎линейный, ‎поскольку ‎он‏ ‎более ‎компактен.‏ ‎Электрически‏ ‎заряженные ‎частицы ‎вращаются‏ ‎по ‎спирали,‏ ‎на ‎каждом ‎витке ‎получая‏ ‎дополнительные‏ ‎порции ‎энергии,‏ ‎постепенно ‎наращивая‏ ‎скорость.

В ‎физике ‎большинство ‎ученых ‎—‏ ‎мужчины,‏ ‎а, ‎как‏ ‎известно, ‎взрослеем‏ ‎мы ‎годам ‎к ‎семидесяти, ‎потому‏ ‎нет‏ ‎ничего‏ ‎удивительного ‎в‏ ‎том, ‎что‏ ‎ускорители ‎используются‏ ‎для‏ ‎того, ‎чтобы‏ ‎направить ‎ускоренные ‎частицы ‎в ‎ядра‏ ‎каких-нибудь ‎атомов‏ ‎и‏ ‎посмотреть, ‎как ‎они‏ ‎«бумкнут», ‎после‏ ‎чего ‎присмотреться ‎к ‎полученным‏ ‎результатам.

«Неурановая»‏ ‎физика

Но ‎электрически‏ ‎заряженные ‎частицы‏ ‎точно ‎в ‎ядро ‎атома ‎попадают‏ ‎очень‏ ‎плохо: ‎облако‏ ‎электронов ‎вокруг‏ ‎ядра ‎с ‎их ‎отрицательным ‎зарядом‏ ‎«сбивают‏ ‎прицел».‏ ‎На ‎вопрос‏ ‎«Можно ‎ли‏ ‎ускорить ‎нейтрон?»‏ ‎ответ‏ ‎оказался ‎положительным,‏ ‎хоть ‎и ‎непростым: ‎ускоряют ‎протоны‏ ‎с ‎их‏ ‎положительным‏ ‎зарядом, ‎на ‎пути‏ ‎пучка ‎протонов‏ ‎ставят ‎мишень ‎из ‎химических‏ ‎элементов,‏ ‎охотно ‎отдающих‏ ‎нейтроны. ‎Нейтроны‏ ‎после ‎сурового ‎удара ‎летят ‎со‏ ‎скоростью,‏ ‎которая ‎вполне‏ ‎позволяет ‎им‏ ‎добраться ‎до ‎ядра ‎атомов ‎конечной‏ ‎цели:‏ ‎у‏ ‎нейтронов ‎электрического‏ ‎заряда ‎нет,‏ ‎потому ‎нет‏ ‎и‏ ‎никаких ‎искажений‏ ‎из-за ‎наличия ‎электронов.

И ‎процесс ‎пошел‏ ‎— ‎количество‏ ‎экспериментов‏ ‎увеличилось ‎кратно, ‎сначала‏ ‎в ‎Штатах,‏ ‎а ‎затем ‎и ‎в‏ ‎Германии.‏ ‎Экспериментов ‎было‏ ‎настолько ‎много,‏ ‎что ‎к ‎оценке ‎их ‎результатов‏ ‎подключались‏ ‎все ‎новые‏ ‎теоретики, ‎в‏ ‎том ‎числе ‎и ‎советские, ‎а‏ ‎в‏ ‎середине‏ ‎30-х ‎по‏ ‎инициативе ‎маститого‏ ‎академика ‎Абрама‏ ‎Иоффе‏ ‎и ‎его‏ ‎молодого, ‎но ‎талантливого ‎ученика ‎Игоря‏ ‎Курчатова, ‎началось‏ ‎конструирование‏ ‎циклотрона ‎и ‎в‏ ‎нашей ‎стране.‏ ‎Но ‎это, ‎конечно, ‎отдельная‏ ‎история,‏ ‎как ‎и‏ ‎эксперименты, ‎в‏ ‎которых ‎конечной ‎целью ‎пучка ‎нейтронов‏ ‎стали‏ ‎атомы ‎самого‏ ‎тяжелого ‎химического‏ ‎элемента ‎на ‎нашей ‎планете ‎—‏ ‎урана.

Для‏ ‎«неурановой»‏ ‎физики ‎главным‏ ‎результатом ‎стало‏ ‎создание ‎искусственных‏ ‎химических‏ ‎элементов ‎—‏ ‎большой ‎шаг ‎на ‎пути ‎исполнения‏ ‎мечты ‎средневековых‏ ‎алхимиков.‏ ‎В ‎части ‎проводимых‏ ‎экспериментов ‎ядра‏ ‎атомов-мишеней ‎принимали ‎в ‎свой‏ ‎состав‏ ‎прилетавшие ‎нейтроны,‏ ‎в ‎результате‏ ‎создавались ‎изотопы ‎этих ‎атомов: ‎количество‏ ‎протонов‏ ‎в ‎ядре‏ ‎оставалось ‎постоянным,‏ ‎а ‎вот ‎численность ‎нейтронов ‎менялась.

Достаточно‏ ‎быстро‏ ‎выяснилось,‏ ‎что ‎искусственные‏ ‎изотопы ‎испытывают‏ ‎радиоактивный ‎распад.‏ ‎Логика‏ ‎подсказывает, ‎что‏ ‎другого ‎и ‎быть ‎не ‎могло:‏ ‎если ‎бы‏ ‎такие‏ ‎изотопы ‎были ‎стабильными,‏ ‎они ‎бы‏ ‎в ‎больших ‎количествах ‎обнаруживались‏ ‎в‏ ‎природе. ‎Ну,‏ ‎а ‎раз‏ ‎уж ‎не ‎обнаруживаются ‎— ‎значит,‏ ‎они‏ ‎распадаются, ‎превращаясь‏ ‎в ‎привычные‏ ‎нам ‎химические ‎элементы.

Последний ‎шаг ‎в‏ ‎глубины‏ ‎физики‏ ‎— ‎уж‏ ‎извините, ‎но‏ ‎без ‎него‏ ‎никак,‏ ‎если ‎мы‏ ‎действительно ‎хотим ‎понять, ‎что ‎же‏ ‎такое ‎ядерная‏ ‎медицина‏ ‎и ‎чего ‎нам‏ ‎от ‎нее‏ ‎можно ‎ждать. ‎Формул ‎не‏ ‎будет‏ ‎— ‎заранее‏ ‎приношу ‎извинения‏ ‎всем ‎тонким ‎знатокам ‎ядерной ‎физики‏ ‎и‏ ‎квантовой ‎динамики.

Для‏ ‎протонов ‎обстановка‏ ‎нервная

 Давайте ‎представим ‎себе ‎обстановочку ‎внутри‏ ‎атомного‏ ‎ядра‏ ‎с ‎житейской‏ ‎точки ‎зрения.‏ ‎В ‎его‏ ‎составе‏ ‎имеются ‎протоны‏ ‎— ‎тяжелые ‎электрически ‎заряженные ‎частицы.‏ ‎Одноименные ‎электрические‏ ‎заряды‏ ‎отталкиваются ‎— ‎значит,‏ ‎протоны ‎пытаются‏ ‎разбежаться ‎друг ‎от ‎друга‏ ‎куда‏ ‎подальше. ‎Однако‏ ‎ведь ‎не‏ ‎разлетаются ‎— ‎подавляющее ‎большинство ‎химических‏ ‎веществ‏ ‎на ‎планете‏ ‎вполне ‎стабильно.

Размышления‏ ‎физиков ‎парадоксальностью ‎не ‎отличались, ‎да‏ ‎и‏ ‎сложную‏ ‎терминологию ‎физики,‏ ‎в ‎отличии‏ ‎от ‎химиков‏ ‎терпеть‏ ‎не ‎могут.‏ ‎Раз ‎протоны ‎из ‎ядра ‎не‏ ‎разлетаются ‎—‏ ‎значит,‏ ‎в ‎ядре ‎имеется‏ ‎еще ‎какое-то‏ ‎взаимодействие, ‎более ‎сильное, ‎чем‏ ‎электромагнитное‏ ‎отталкивание. ‎«Бинго!»‏ ‎— ‎сказали‏ ‎физики ‎и ‎назвали ‎такое ‎взаимодействие‏ ‎…‏ ‎сильным.

А ‎почему‏ ‎вне ‎ядра‏ ‎протоны ‎отталкиваются ‎друг ‎от ‎друга?‏ ‎Постулируем:‏ ‎сильное‏ ‎взаимодействие ‎является‏ ‎короткодействующим: ‎как‏ ‎только ‎расстояние‏ ‎между‏ ‎протонами ‎превышает‏ ‎какое-то ‎критическое, ‎сильное ‎взаимодействие ‎«выключается».‏ ‎Протоны ‎одновременно‏ ‎и‏ ‎отталкиваются, ‎и ‎притягиваются‏ ‎друг ‎к‏ ‎другу, ‎но ‎и ‎это‏ ‎же‏ ‎еще ‎не‏ ‎все: ‎своим‏ ‎положительным ‎зарядом ‎они ‎удерживают ‎вокруг‏ ‎ядра‏ ‎отрицательно ‎заряженные‏ ‎электроны. ‎Мало‏ ‎того ‎— ‎в ‎составе ‎ядра‏ ‎еще‏ ‎и‏ ‎нейтроны ‎толкаются,‏ ‎место ‎занимают,‏ ‎того ‎и‏ ‎гляди‏ ‎из-за ‎них‏ ‎расстояние ‎между ‎протонами ‎достигнет ‎той‏ ‎самой ‎критической‏ ‎величины,‏ ‎после ‎которой ‎протонам‏ ‎придется ‎разлетаться.

Для‏ ‎протонов ‎обстановка ‎в ‎ядре,‏ ‎прямо‏ ‎скажем ‎—‏ ‎нервная. ‎А‏ ‎вот ‎нейтроны ‎откровенно ‎скучают ‎—‏ ‎взаимодействия‏ ‎с ‎электронами‏ ‎никакого, ‎между‏ ‎собой ‎тоже ‎приходится ‎нейтралитет ‎поддерживать,‏ ‎дабы‏ ‎название‏ ‎оправдать.

Модель ‎ядра‏ ‎— ‎вечеринка

Моделью‏ ‎атомного ‎ядра‏ ‎предлагаю‏ ‎считать ‎корпоративную‏ ‎вечеринку, ‎в ‎которой ‎большинству ‎участников‏ ‎под ‎50‏ ‎лет‏ ‎и ‎больше. ‎Безудержного‏ ‎веселья ‎уже‏ ‎не ‎получается, ‎компания ‎разбивается‏ ‎на‏ ‎отдельные ‎группки,‏ ‎многие ‎нервно‏ ‎курят, ‎алкогольные ‎возлияния ‎еще ‎больше‏ ‎накаляют‏ ‎обстановку.

Как ‎сгладить‏ ‎противоречия? ‎Первый‏ ‎вариант ‎— ‎выгнать ‎самых ‎пьяных‏ ‎прочь‏ ‎из‏ ‎помещения. ‎В‏ ‎мире ‎ядерной‏ ‎физики ‎прочь‏ ‎уходит‏ ‎квартет ‎из‏ ‎двух ‎протонов ‎и ‎двух ‎нейтронов,‏ ‎он ‎же‏ ‎—‏ ‎альфа-частица. ‎Вреда ‎от‏ ‎этой ‎пьяной‏ ‎четверки ‎особого ‎ждать ‎не‏ ‎приходится,‏ ‎им ‎бы‏ ‎самые ‎простые‏ ‎препятствия ‎одолеть: ‎для ‎защиты ‎от‏ ‎внешнего‏ ‎альфа-излучения ‎вполне‏ ‎достаточно ‎листа‏ ‎бумаги. ‎В ‎ядерной ‎медицине ‎не‏ ‎используется‏ ‎—‏ ‎пропускаем.

Еще ‎один‏ ‎вариант ‎разрядить‏ ‎обстановку ‎—‏ ‎форточку‏ ‎открыть, ‎дабы‏ ‎дым ‎улетучился, ‎на ‎свежем ‎воздухе‏ ‎ему ‎препятствий‏ ‎нет.‏ ‎Это ‎— ‎гамма-излучение,‏ ‎которое ‎количество‏ ‎нейтронов ‎и ‎протонов ‎не‏ ‎меняет,‏ ‎ядро ‎просто‏ ‎сбрасывает ‎излишнюю‏ ‎энергию. ‎Гамма-квант ‎— ‎это ‎все‏ ‎тот‏ ‎же ‎фотон,‏ ‎частица ‎света‏ ‎с ‎волновыми ‎свойствами. ‎Частота ‎колебаний‏ ‎выше‏ ‎не‏ ‎только, ‎чем‏ ‎у ‎света‏ ‎в ‎оптическом‏ ‎диапазоне,‏ ‎но ‎и‏ ‎выше ‎частоты ‎рентгеновского ‎излучения, ‎то‏ ‎есть ‎гамма-квант‏ ‎несет‏ ‎более ‎серьезное ‎количество‏ ‎энергии.

Вот ‎гамма-излучение‏ ‎остановить ‎очень ‎сложно ‎—‏ ‎фотон‏ ‎не ‎имеет‏ ‎электрического ‎заряда,‏ ‎ему ‎протискиваться ‎сквозь ‎атомы ‎и‏ ‎молекулы‏ ‎легко ‎и‏ ‎просто. ‎С‏ ‎одной ‎стороны ‎— ‎максимальный ‎вред,‏ ‎с‏ ‎другой‏ ‎— ‎еще‏ ‎и ‎максимальная‏ ‎польза, ‎но‏ ‎исключительно‏ ‎в ‎руках‏ ‎ядерных ‎медиков.

Какое ‎излучение ‎особо ‎интересно‏ ‎ядерной ‎медицине‏ ‎—‏ ‎во ‎второй ‎части‏ ‎статьи.