xii
Contents
8
Ionizing Radiation and Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
8.1
Detection of Ionizing Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
8.2
Characterizing Ionizing Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
8.3
Natural Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
8.4
Ultraviolet Radiation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
8.4.1
Production of Ultraviolet Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
8.4.2
Ultraviolet Light in Biology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
8.5
X-ray Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
8.6
Man-made X-rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
8.6.1
X-rays Via Characteristic Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
8.6.2
X-rays Via Bremsstrahlung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
8.6.3
X-rays Via Synchrotron Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
8.6.4
X-rays from Free Electron Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
8.6.5
Penetration of X-rays Through the Body . . . . . . . . . . . . . . . 295
8.6.6
Research and Diagnostic Applications of X-rays . . . . . . 296
8.6.7
Small-Angle X-ray Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
8.6.8
X-ray Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
8.6.9
Mammography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
8.6.10
CAT Scans. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
8.7
Gamma Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
8.7.1
Positron-Emission Studies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
8.7.2
Mössbauer Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
8.7.3
Nuclear Resonance Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
8.8
The Electron Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
8.9
PET Scans and Gamma Emission Tomography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
8.10
Radiative Bactericide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
8.11
Radiotherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
8.12
Rate of Loss After Isotope Ingestion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
8.13
Mechanisms for Energy Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
8.13.1
Radiation Tracks and Trails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
8.13.2
Energy Loss in Materials from Ionizing Beams . . . . . . . . 311
8.13.3
Linear Energy Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
8.14
Radiation Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
8.14.1
X-rays in Radiation Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
8.14.2
Particle Beam Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
8.14.3
Systemic Radiation Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
8.14.4
Brachytherapy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
8.15
Radiation Dosimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
8.15.1
UV Light Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
8.15.2
X-ray and Gamma Ray Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
8.15.3
Reactions by Cells to Radiation Damage . . . . . . . . . . . . . . . 317
8.15.4
Ionizing Radiation Exposure to Humans . . . . . . . . . . . . . . . 318
8.16
Radiation Hazards of Space Travel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
Contents
8
Ionizing Radiation and Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
8.1
Detection of Ionizing Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
8.2
Characterizing Ionizing Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
8.3
Natural Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
8.4
Ultraviolet Radiation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
8.4.1
Production of Ultraviolet Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
8.4.2
Ultraviolet Light in Biology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
8.5
X-ray Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
8.6
Man-made X-rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
8.6.1
X-rays Via Characteristic Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
8.6.2
X-rays Via Bremsstrahlung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
8.6.3
X-rays Via Synchrotron Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
8.6.4
X-rays from Free Electron Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
8.6.5
Penetration of X-rays Through the Body . . . . . . . . . . . . . . . 295
8.6.6
Research and Diagnostic Applications of X-rays . . . . . . 296
8.6.7
Small-Angle X-ray Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
8.6.8
X-ray Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
8.6.9
Mammography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
8.6.10
CAT Scans. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
8.7
Gamma Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
8.7.1
Positron-Emission Studies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
8.7.2
Mössbauer Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
8.7.3
Nuclear Resonance Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
8.8
The Electron Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
8.9
PET Scans and Gamma Emission Tomography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
8.10
Radiative Bactericide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
8.11
Radiotherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
8.12
Rate of Loss After Isotope Ingestion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
8.13
Mechanisms for Energy Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
8.13.1
Radiation Tracks and Trails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
8.13.2
Energy Loss in Materials from Ionizing Beams . . . . . . . . 311
8.13.3
Linear Energy Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
8.14
Radiation Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
8.14.1
X-rays in Radiation Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
8.14.2
Particle Beam Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
8.14.3
Systemic Radiation Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
8.14.4
Brachytherapy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
8.15
Radiation Dosimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
8.15.1
UV Light Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
8.15.2
X-ray and Gamma Ray Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
8.15.3
Reactions by Cells to Radiation Damage . . . . . . . . . . . . . . . 317
8.15.4
Ionizing Radiation Exposure to Humans . . . . . . . . . . . . . . . 318
8.16
Radiation Hazards of Space Travel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320