Sprawozdanie z ćwiczenia z fizyki medycznej
Temat : Wyznaczenie energii promieniowania jonizującego z warstwy osłabienia połówkowego.
Wykonujący : 1. 5074Agnieszka Agnieszka Tomasińska 2. Karolina Tomczyk 3. Aleksandra Urbanik		Wydział Lekarski Rok I Semestr II
Prowadzący : dr Wojciech Podraza
Grupa i podgrupa	Data wykonania ćwiczenia	Data oddania sprawozdania	Ocena	Podpis
F	13.02.03	27.03.03

1. Podstawy teoretyczne.

Promieniotwórczość

Naturalne promieniowanie jonizujące pochodzi :

1. z przestrzeni kosmicznej

2. radioaktywnych pierwiastków znajdujących się w przyrodzie (²³²Th, ²³⁸U itd.)

Sztuczne promieniowanie pochodzi głównie z niektórych urządzeń np. medycznych, elektrowni jądrowych, podczas badań naukowych.

Promieniowanie jonizujące wywiera szkodliwy wpływ na procesy zachodzące w komórkach (radioliza wody - wytwarzanie rodników i nadtlenków, niszczenie enzymów, zmiany w cząsteczkach DNA, błonach komórkowych. Wczesne skutki tego promieniowania obserwuje się w tkance krwiotwórczej, w przewodzie pokarmowym, w układzie sercowo-naczyniowym, mózgu i skórze. Do późniejszych następstw zalicza się nowotwory, zmiany genetyczne, przyspieszone starzenie organizmu, skrócenie życia.

Do ilościowej oceny skutków działania promieniowania jonizującego wprowadzono pojęcia dawek :

1. dawka pochłonięta D w grejach [1Gy = 1J/kg - 1Gy jest to dawka, przy której 1J promieniowania pochłonięty jest przez substancję o masie 1kg] lub w radach [1rad = 10^-2 J/kg - 1 rad jest to dawka promieniowania, przy której 1J pochłonięty jest przez substancję o masie 10^-2kg],

2. równoważnik dawki H określany jako iloczyn współczynnika jakości Q i dawki pochłoniętej wyrażany w siwertach [1Sv =Q*Gy] lub w remach [1 rem = Q*rad].

Szkodliwość promieniowania wyrażana w tzw. dawkach granicznych, dopuszczalnych.. W Polsce największa dopuszczalna dawka wynosi 5 remów, a tygodniowo 0,1 rema. Dawka śmiertelna wynosi 400 radów, czyli 1 gram tkanki pochłania 4*10^-3 J (następuje wzrost temperatury o ok. 0,001 C).

Najbardziej przenikliwe jest promieniowanie γ (fotony te emitowane są przy przejściu jądra ze stanu wzbudzonego - czas życia 10^-13 - 10^-14 s, pochłaniane są przez płytkę ołowiową o grubości kilku centymetrów lub beton o grubości około metra). Mniej przenikliwe jest promieniowanie β (strumień elektronów powstałych w czasie rozpadu neutronu w proton). Najmniej przenikliwe jest promieniowanie α (emitowane są przez jądra ciężkich atomów o liczbie masowej powyżej 200 i liczbie atomowej powyżej 82). Natomiast największe spustoszenie w organizmie powodują cząstki α (dwudodatnie jądra helu posiadając dużą wartość pędu powodują jonizację dużej liczby atomów, aż do momentu, kiedy ich energia zrówna się z energią otoczenia).

Fotony jonizującego promieniowania elektromagnetycznego współdziałają z ośrodkiem według trzech różnych mechanizmów : efektu fotoelektrycznego, rozproszenia komptonowskiego, i zjawiska tworzenia par elektron-pozyton. We wszystkich przypadkach bezpośrednim skutkiem współdziałania jest pojawienie się w ośrodku elektronów, zwanych często wtórnymi, które całkowicie lub częściowo przejmują energię fotonów. Te ostanie ulegają odpowiednio absorpcji lub rozproszeniu. Wtórne elektrony są właściwym czynnikiem jonizującym tkankę.

Efekt fotoelektryczny . W zjawisku fotoelektrycznym foton o energii hν wytrąca z atomu elektron i nadaje mu energie kinetyczną 1/2mv² . Energia fotonu zostaje zużyta na wykonanie pracy potrzebnej do przezwyciężenia energii wiązania elektronu W (praca wyjścia) oraz na udzielenie mu energii kinetycznej. Ze zjawiskiem fotoelektrycznym wiąże się więc całkowita absorpcja fotonu.

hν= 1/2mv² + W

Atom pozbawiony elektronu staje się jonem dodatnim. Wybity elektron tzw. Fotoelektron zderza się z sąsiednimi atomami jonizując je, przy czym traci stopniowo swą energię kinetyczną i ulega rekombinacji tzn. połączeniu z jonem dodatnim, w wyniku czego powstaje atom obojętny lub przyłącza się do jednego z obojętnych atomów, który dzięki temu staje się jonem ujemnym.

W ten sposób w następstwie pojedynczego aktu absorpcji fotonu, w napromieniowanym ośrodku powstaje pewna liczba jonów. Długość drogi fotoelektronu, a więc skuteczny zasięg jego działania zależy od energii przekazanej mu przez pochłonięty foton i od materiału absorbentu. Przy energiach fotonów najczęściej stosowanych w medycynie (50-200KeV) zasięg fotoelektronów w tkankach miękkich zmienia się w niewielkich granicach i wynosi 0,02_4,5 mm(wg Jaegera).

Rozproszenie komptonowskie. Zjawisko Comptona można traktować jako wynik sprężystego zderzenia fotonu z elektronem. Ponieważ zjawisko to zachodzi przy większych energiach fotonów w porównaniu z efektem fotoelektrycznym, przeto energię wiązania elektronów w atomie, jako małą w stosunku do energii fotonu, można zaniedbać i traktować te elektrony jako swobodne o początkowej energii równej zeru. Ponieważ zderzenie fotonu z elektronem uważamy za sprężyste, musi ono podlegać zasadzie zachowania energii i zasadzie zachowania pędu. Elektron komptonowski jonizuje środowisko podobnie jak fotoelektron. Foton rozproszony hν′ , zależnie od posiadanej energii, zapoczątkowuje bądź kolejne zjawisko Comptona, bądź ulega absorpcji w zjawisku fotoelektrycznym.

Tworzenie par elektron-pozyton. Jeżeli energia jest większa od energii równoważnej masie spoczynkowej dwóch elektronów, współdziałanie promieniowania z materią może mieć inny przebieg. Masa i energia są ze sobą związane zależnością E = mc² . Masa spoczynkowa elektronu m₀ = 9,1*10^-31 kg, prędkość światła c = 3*10⁸ m/s. Podstawiając te wartości do wzoru Einsteina otrzymamy, że energia równoważna masie elektronu E = 0,511MeV. Mając energię większą od 1,022MEV foton może w polu jądra atomowego wyzwolić dwa elektrony o przeciwnych ładunkach elektrycznych. Tj. negaton i pozyton, sam

Doświadczenie2: Wyznaczanie energii promieniowania jonizującego z warstwy osłabienia połówkowego

Celem ćwiczenia jest obserwacja mechanizmu promieniowania jonizującego z materią, podczas którego natężenia wiązki promieniowania maleje w miarę wnikania jej w głąb środowiska.

Przebieg doświadczenia

Do doświadczenia używamy detektora oraz cyfrowego miernika promieni jonizujących. Naszym źródłem promieniowania jest pierwiastek promieniotwórczy.

1. Mierzymy tło (tara) w czasie 30s odsuwając detektor od źródła promieniowania.

2. Mierzymy ilość impulsów jakie przeniknęły przez daną grubość płytki ołowianej w czasie 30s począwszy od 0mm a skończywszy na 18mm (wartość brutto).

3. Odejmujemy od uzyskanych wyników tło otrzymując właściwą ilość impulsów (wartość netto).

Uzyskane wyniki zostały przedstawione w formie :

1. Wykresu

2. Liniowego współczynnika osłabienia promieniowania

3. Masowego współczynnika osłabienia promieniowania.

Ad 1.

Tło=201

Grubość płytki ołowianej (w milimetrach)	Wartość brutto	Wartość netto ( wart. brutto-wart. tła )
0	1548	1347
2	1409	1208
3	1282	1081
4	1250	1049
5	1231	1030
6	1219	1018
7	1076	875
8	1050	849
9	1026	825
10	984	783
11	954	753
12	932	731
13	890	689
14	818	617
15	804	603
16	702	501
17	743	542
19	633	432

Ad.2 Obliczenie liniowego współczynnika osłabienia promieniowania

d - warstwa połowiąca ; oznacza taką grubość absorbentu, która powoduje

absorpcję połowy padającego nań promieniowania

μ = ln2 / d _1/2

ln2 = 0,69

d _½ = 0,013 m

μ = 53

Ad. 4 Obliczenie masowego współczynnika osłabienia promieniowania

ρ - gęstość ołowiu

μ_m = μ/ρ

μ = 53

ρ = 11330kg/m³

μ_m = 0,00468

Omówienie wyników i wnioski.

Z wykresu można wyznaczyć tzw. warstwę połowiącą- d która odgrywa ważną rolę przy ocenie przenikliwości promieniowania np. w radioterapii.

Z powyższego doświadczenia wynika, iż ołów jest doskonałym absorbentem promieniowania jonizującego.

W celu uzyskania dokładniejszych wyników należałoby zwiększyć czas trwania impulsów oraz grubość płytki

Rys.1. Wykres zależności natężenia promieniowania (n_x, oś y) od grubości warstwy absorbującej (oś x).

---