Promieniowanie jonizujące i metody radioizotopowe. dr Marcin Lipowczan

Transkrypt

1 Promieniowanie jonizujące i metody radioizotopowe dr Marcin Lipowczan

2 Budowa atomu 897 Thomson, 0 0 m, kula dodatnio naładowana ładunki ujemne 9 Rutherford, rozpraszanie cząstek alfa na folię metalową, jądrowy model atomu (problem z emisją promieniowania przez elektrony) 93 Bohr (postulaty), dobre dla wodoru i helu. stany energetyczne elektronu, brak emisji promieniowania 2. E = hν 3. obowiązują prawa mechaniki z wyjątkiem przejść 4. możliwe stany energetyczne J = mvr = nh / (2π) 924 Schroedinger, falowa natura elektronu, słynne równanie: Hψ = Εψ, ψ funkcja falowa

3 Promieniowanie rentgenowskie promieniowanie X Powstaje na skutek bombardowania materii elektronami (> 20 kev) Wybijanie elektronów (promieniowanie charakterystyczne) Jonizacja Wzbudzanie i powrót do stanu podstawowego => emisja fali elektromagnetycznej: Elektron z powłoki walencyjnej nadfiolet, widzialne Elektron z powłok wewnętrznych X Hamowanie w pobliżu jąder atomowych różne spektrum energii promieniowania jonizującego (λ > λ gr, krótkofalowa granica widma) promieniowanie ciągłe

4 Promieniowanie rentgenowskie E k = hυ = hc λ Oba komponenty prominiowania gr

5 Lampy rentgenowskie >2000 o C U = termoemisja wyrzucanie elektronów poza katodę E k = eu hc hc λ gr = Ek = hυ = eu λ gr Natężenie I zależy od: I a prądu płynącego pomiędzy anodą i katodą U napięcia Konstrukcja lampy Z liczby atomowej pierwiastka z którego 2 zbudowana jest anoda I = AZI U a

6 Lampy rentgenowskie Wady: Duże straty nadmierne grzanie się lamp (trzeba stosować specjalne układy chłodzenia) Uszkodzenie anody (dla U = 00 kev, prędkość elektronów = ½ c) wirujące anody

7 Podział promieniowania Promieniowanie miękkie niższe energie i słabsza przenikliwość (λ od 0, nm do 0 nm ) Promieniowanie twarde wysokie energie i duża przenikliwość (λ od 5 pm do 00 pm) Efekty działania Jonizacja Zaczernianie kliszy fotograficznej Luminescencja niektórych substancji

8 Promieniotwórczość naturalna Izotop nietrwały rozpad => emisja kwantu energii Prawdopodobieństwo rozpadu dowolnego jądra izotopu jest zawsze takie samo => ilość rozpadów w jednostce czasu zależy rodzaju izotopu i ilości jąder (tych przed rozpadem) dn dt = λ N, gdzie λ stala rozpadu Rodzaj jąder N = N 0 e λt N = N 2 0, t = T T czas połowicznego rozpadu λ = ln 2 T

9 Aktywność promieniotwórcza szybkość rozpadu próbki A = dn dt Bq = s Promieniowanie α α jądro helu A Z X 4 A 4 2He Z 2X ' Dodatni ładunek => odchylanie w polu elektromagnetycznym Krótki zasięg oddziaływanie z materią E k = kilka MeV (zdolność do ok. 0 5 jonizacji) Zastosowanie czujniki przeciwpożarowe

10 Promieniowanie β, β υ υ ~ e p n e n p Zamiana protonu w neutron bądź odwrotnie ' 0 ' 0 X e X X e X A Z A Z A Z A Z Zachowanie jądra atomowego cząstki β są odchylane przez pole elektromagnetyczne Energia zależy od reakcji (rzędu MeV) Zasięg większy od α

11 Promieniowanie γ Jądra powstałe na skutek przemian α lub β są zwykle w stanie wzbudzonym. Przechodząc do stanu podstawowego emitują energię (kwant γ). Jest to promieniowanie elektromagnetyczne Nie jest odchylane w polu elektromagnetycznym Duży zasięg

12 Promieniotwórczość sztuczna Zderzenia jąder z innymi cząstkami (np. neutronami) E < E a wzbudzenie i emisja kwantu γ E > E a rozszczepienie jądra i emisja kwantu γ np.: U 0n 92U 38Sr 54Xe Może dojść do reakcji łańcuchowej Absorpcja Synteza jądrowa (zderzenia dwu lekkich jąder) 3 4 H H He n 7, 6MeV n

13 Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią Etap fizyczny Elektrony, zjonizowane atomy, promieniowanie γ, ciepło de B Z Wzór Bethego: = ρ 2, B zależy od ładunku dx v A Neutrony zderzenia z jądrami (sprężyste i niesprężyste) kwant γ neutrony lub zmiana n p Promieniowanie elektromagnetyczne zjawisko fotoelektryczne absorpcja γ (o energii E = hν) przez elektron mv 2 2 el. = hv E j

14 hν 0 Efekt Comptona [ ev ev ] 5 7, 0 Zmniejszenie częstotliwości promieniowania i zmiana kierunku hν hν ' = hν h m c 0 2 ( cosθ ) hν '

15 Powstawanie par elektron pozyton foton o wysokiej energii traci wskutek zderzenia z jądrem całą swą energię hν. Powstaje para cząstek elektron i pozyton. Proces odwrotny też zachodzi 2m el c 2 =. 02MeV

16 Obszary dominacji różnych efektów oddziaływania fotonów z materią w funkcji energii fotonów i liczby atomowej absorbenta Z. Prawo absorpcji promieniowania I µ x = I e, µ τ σ π 0 = (fotoelektryczny, comptonowski, tworzenie par)

17 Chemiczne skutki promieniowania Radioliza wody H 2 O γ H H 2 2 O O * H OH e H OH H OH. ciepło H 2 O * H 2 O H 2 O H. OH Elektrony uwodnione Wolne rodniki ulegają rekombinacji i może powstać H 2 O 2, H 2, woda

18 Biologiczne skutki absorpcji γ H 2 O 2, toksyczny OH. reagują z aminokwasami aromatycznymi, zawierającymi siarkę Bezpośrednim efektem jest: radioliza kwasów nukleinowych Dezaminacja aminokwasów Rozerwanie pierścieni benzenowych SH grupy dwusiarczkowe Skutki dzielimy na Trwałe (procesy naprawcze) Letalne

19 Ilościowa ocena promieniowania jonizującego [Gy = J/kg] dawka promieniowania pochłoniętego [Gy/s] moc dawki pochłoniętej [C/kg] dawka ekspozycyjna (dawka promieniowania, która w kg suchego powietrza jonizuje C / ) [Sv] równoważnik dawki (zależy od skuteczności biologicznej, dawki pochłoniętej)

20 Metody radioizotopowe Zdjęcia rentgenowskie Tomografia komputerowa (podobnie jak NMR) pochłanianie w różnych kierunkach Rozcieńczanie izotopowe badanie metabolizmu, immunologia (możliwość wykonania analizy związków występujących w zbyt małych ilościach żeby móc wykonać zwykłą analizę chemiczną Scyntygrafia dwuwymiarowy rozkład promieniowania emitowanego przez dany obiekt (podaję się izotop pacjentowi ). Lepsze urządzenia Gamma kamery lepsza scyntygrafia Radioterapia