1
Oddziaływanie
promieniowania
jonizującego z materią
1
Oddziaływanie
promieniowania
jonizującego z materią
2
PODSTAWOWE POJĘCIA FIZYCZNE
MATERIA to inaczej ciało o określonych własnościach
fizycznych oraz chemicznych. Składa się ona z cząsteczek
zbudowanych z atomów pierwiastków, natomiast każdy atom
z jądra atomowego i otaczającej go chmury elektronów
usytuowanych na odpowiednich poziomach energetycznych.
Jądro składa się z protonów i neutronów, tzw. nukleonów, te
zaś złożone są z oddziałujących między sobą kwarków.
PROMIENIOWANIE to strumień cząstek (fotonów,
elektronów, neutronów, cząstek i innych) emitowanych
przez układy materialne (np.cząsteczki, atomy, jądra
atomowe);
Istnieją różne typy promieniowania, tworzącego,
ze względu na wielkość energii, widmo elektromagnetyczne
3
Widmo elektromagnetyczne
4
5
JONIZACJA jest procesem oderwania elektronu od
obojętnego atomu lub cząsteczki dzięki dostarczeniu
odpowiedniej ilości energii. W wyniku procesu jonizacji
z obojętnego elektrycznie atomu lub cząstki powstaje
naładowany dodatnio jon i
swobodne elektrony.
Dla ciał stałych terminem jonizacji określa się zjawisko
oddania elektronu z pasma walencyjnego do pasma
przewodnictwa.
PROMIENIOWANIE JONIZUJĄCE najprościej określić
można jako promieniowanie niosące energię
wystarczającą do bezpośredniej lub pośredniej jonizacji
atomów i cząstek ośrodka, przez który przenika. Energia
przekazana atomom ośrodka jest na tyle duża, że
powoduje zerwanie wiazań chemicznych w dotychczas
stabilnych atomach, stąd ich jonizacja.
6
Promieniowanie może jonizować materię dwojako:
• bezpośrednio ( promieniowanie α, promieniowanie
beta (β–, β+ ))
• pośrednio (efekt fotoelektryczny, zjawisko Comptona,
zjawisko tworzenia par )
7
Źródła promieniowania jonizującego
• Izotopy promieniotwórcze naturalne
• Izotopy promieniotwórcze sztuczne
• Reakcje jądrowe
• Akceleratory cząstek naładowanych
• Lampy rentgenowskie (promieniowanie X)
Sztuczne reakcje jądrowe mają miejsce, gdy jądra
atomowe (lub jądra i
cząstki elementarne np. neutrony) zbliżą się na odległość
mniejszą niż
10-15 m. W wyniku reakcji jądrowych powstają nowe jądra
oraz cząstki
elementarne.
Reakcje rozczepienia – zachodzą dla jąder ciężkich. Na
przykład jądro
uranu bombardowane neutronami rozpada się na jądro strontu,
ksenonu
oraz neutrony:
8
Reakcja łańcuchowa następuje, gdy neutrony
uwolnione przez jedno
jądro inicjują rozpad kolejnych jąder.
Reakcje łańcuchowe wykorzystywane są w reaktorach
jądrowych do
produkcji energii.
Reakcje syntezy – zachodzą dla jąder lekkich. Na
przykład połączenie
jąder deuteru i trytu daje jądro helu oraz neutron
Ze względu na to, że w reakcjach syntezy wydziela się
bardzo duża ilość
energii reakcje te nie są do tej pory kontrolowane i nie
mogą być wykorzystane przy produkcji energii.
9
10
Promieniowanie jonizujące uwalniane jest podczas
PRZEMIAN JĄDROWYCH, czyli reakcji polegających
na przekształceniu jądra atomowego, której towarzyszy
emisja nośnika promieniowania w postaci cząstki lub
fotonu energii. Nazwa przemiany pochodzi zazwyczaj
od nazwy emitowanej cząstki.
11
Jądro atomowe opisywane jest przez liczbę porządkową
(Z) oraz masową (A). Liczba porządkowa określa ilość
protonów w jądrze, liczba masowa liczbę nukleonów
(sumę protonów i neutronów).
X
A
Z
Promieniotwórczość naturalna: spontaniczny rozpad
niestabilnych jąder. Procesy rozpadu prowadzą do emisji
trzech rodzajów promieniowania
12
Przemiana Jądrowa α (rozpad α)
Przemiana jądrowa z emisją cząstki α na przykładzie przemiany
jądra U-235 w Th-231.
Z
A
Z
A
X
Y
He
2
4
2
4
13
Typowe cząsteczki α przebywają w powietrzu drogę nie
dłuższą niż kilka centymetrów, a zatrzymuje je nawet
kartka papieru. Stąd określenie promieniowania α jako
słabo przenikliwe i silnie jonizujące.
Cząstki α są jądrami helu, jest to zatem
promieniowanie korpuskularne
14
Przemiana Jądrowa β (rozpad β)
Przemiana jądrowa z emisją cząstki β- (elektronu) oraz antyneutrina
elektronowego na przykładzie przemiany jądra K-40 w Ca-40.
15
Promieniowanie β jest bardziej przenikliwe niż α (zasięg
w powietrzu wynosi kilka metrów) zatrzymywana jest
przez warstwę metalu czy plastiku
Z
A
Z
A
e
Z
A
Z
A
e
Z
A
at
Z
A
e
X
Y e
X
Y e
X e
Y
1
1
1
( )
( )
( )
1
2
3
Jądra powstające w wyniku przemian α lub β znajdują się zwykle
w stanie wzbudzonym. Oznacza to, że posiadają one nadmiar
energii, której mogą się pozbywać. Przechodząc do stanu
podstawowego emitują kwant promieniowania γ, czyli foton.
Ulegają więc przemianie γ
16
Przemiana Jądrowa γ
Przemiana jądrowa z emisją kwantu promieniowania
elektromagnetycznego γ na przykładzie przemiany jądra
Co-60 w Ni-60.
Z
A
Z
A
Z
A
at
A
Z
X
X e
X
e
X e
*
*
Promieniowanie γ jest falą elektromagnetyczną.
W większości przypadków promieniowanie γ towarzyszy
promieniowaniu α lub β.
Promieniowanie γ nie posiada
ładunku, nie jest więc odchylane
przez pole elektryczne lub
magnetyczne. Słabiej niż α lub β
oddziałuje
z materią i dlatego jego zasięg
jest duży.
17
Promieniowania Roentgenowskie X
Powstawanie promieniowania X.
Promieniowanie rentgenowskie powstaje na skutek
gwałtownego oddawania energii kinetycznej przez silnie
rozpędzone elektrony. Aby mogło powstać promieniowanie
rentgenowskie elektrony powinny posiadać energię większą
niż 20 keV.
18
Emitowane z anody fotony unoszą
energię:
- hamowania elektronów (widmo ciągłe),
- wzbudzonych atomów anody (widmo
liniowe złożone, tzw. charakterystyczne)
Energia elektronów w zderzeniu z anodą:
A
el
U
e
E
gdzie
e – ładunek elektronu,
U
A
– napięcie
anodowe.
19
Cechy promieniowania hamowania elektronów
• Widmo ciągłe
• Granica krótkofalowa:
największa energia jaką może oddać elektron w procesie
pojedynczego hamowania co najwyżej może być równa jego
początkowej energii kinetycznej. Energii tej odpowiada
najmniejsza długość fali w widmie ciągłym, czyli krótkofalowa
granica widma
• Natężenie zależne od napięcia anodowego i napięcia żarzenia
(prądu anody):
A
min
U
e
c
h
2
A
A
X
U
I
Z
C
I
20
Cechy promieniowania charakterystycznego
• Widmo liniowe o strukturze seryjnej
• Położenie linii widmowych zależy tylko od materiału
anody (liczby atomowej Z)
• Ze wzrostem liczby atomowej materiału anody linie
widmowe się zagęszczają, a widmo przesuwa się w
stronę fal krótszych (reguła Moseley’a)
21
Seria K
Seria L
Seria M
Schemat powstawania
promieniowania
charakterystycznego w lampie
RTG
Linia widmowa tego
promieniowania powstaje w
wyniku przejścia elektronu
atomu anody z poziomu
wzbudzonego na poziom o
mniejszej energii. Długość fali
promieniowania emitowanego
w wyniku tego przejścia
można obliczyć ze wzoru:
n
m
n
m
E
E
c
h
22
długość fali
λ
λ
min.
S
tr
u
m
ie
ń
f
o
to
n
ó
w
K
L
M
Widmo promieniowania
rentgenowskiego w lampie
rentgenowskiej
23
Źródłem promieniowania
rentgenowskiego może być też
wychwyt elektronu.
Zjawisko to polega na tym, że z
niskiej powłoki (zazwyczaj K) do
jądra wciągany jest elektron.
W jądrze proton ulega zamianie
na neutron
i emitowane jest neutrino
W efekcie tej przemiany jądro
przesuwa się o jedną pozycję
niżej w układzie okresowym. Na
wolne miejsce na powłoce
K przechodzi elektron w wyższej
powłoki, czemu towarzyszy
emisja
promieniowania rentgenowskiego
o określonej długości fali.
Wychwyt K zachodzi dla ciężkich
jąder.
24
Promieniowanie Neutronowe
Zjawisko powstawania promieniowania neutronowego powstałego przez
bombardowanie jądra berylu cząstkami α
Neutrony mogą być emitowane podczas reakcji
rozszczepienia jąder atomowych oraz w procesie
rozpadu pewnych radionuklidów, zazwyczaj
powstałych naturalnie. Ogromnym źródłem
naturalnego promieniowania neutronowego jest
promieniowanie kosmiczne jak i jądra powstałe w
procesach rozpadu α. Typowe sztuczne źródło emisji
neutronów to akceleratory.
25
Zasięg i przenikliwość poszczególnych typów
promieniowania jonizującego.
26
Zjawisko fotoelektryczne
e
atom
atom
Zjawisko fotoelektryczne. Równanie energii wyemitowanego elektronu Ee
jako różnica energii kwantu promieniowania elektromagnetycznego γ i
energii wiązania elektronu w atomie równoznaczna pracy wyjścia elektronu.
27
Efekt Comptona
Efekt
Comptona
opisujący
rozpraszanie
kwantu
wysokoenergetycznego
promieniowania
elektromagnetycznego (tu: γi oraz γf) na elektronach
absorbenta.
Kwant promieniowania zderza się z elektronem i ulega
rozproszeniu (zmienia się energia i kierunek ruchu
kwantu). Kwant rozproszony może brać udział w
następnym zderzeniu z elektronem. Foton przekazuje
część swojej energii elektronowi – powstaje
promieniowanie rozproszone o dłuższej fali.
28
Zjawisko tworzenia par elektronowych.
Schemat procesu tworzenia pary elektron-pozyton podczas przejścia
promieniownia γ przez materię.
Zjawisko takie polega na utworzeniu pary elektron-pozyton
po przejściu kwantu γ przez ośrodek absorbujący
29
Do efektu tego dojść może tylko wtedy, gdy energia
kwantu γ osiąga tzw. energię progową dwukrotnie
przekraczając energię masy spoczynkowej elektronu,
czyli wynosi minimum 1,022 MeV. Jest to wynikiem
zasad zachowania energii i pędu i wartość energii
progowej można określić z następującego wzoru:
E
m c
m
m
c
e
e
j
2
2
2
2
2
gdzie Eγ jest energią fotonu, me i mj to odpowiednio masy
elektronu i jądra,
c- prędkość światła.
30
Obszary w płaszczyźnie liczby atomowej absorbenta i energii fotonu γ, w których
dominują poszczególne procesy oddziaływania promieniowania γ z materią. Linie
wyznaczają obszary, dla których prawdopodobieństwo zajścia dwóch
odpowiednich procesów jest jednakowe.
Prawdopodobieństwo zajścia jednego z tych procesów zależy
od energii
kwantu. Dla małych energii (do 0.1 MeV) najbardziej
prawdopodobne
jest zjawisko fotoelektryczne, dla energii z przedziału 0.1 – 10
MeV zjawisko
Comptona, dla energii większych od 10 MeV najczęściej
zachodzi
zjawisko tworzenia par.
31
Cechy zjawiska fotoelektrycznego
• Największe prawdopodobieństwo zjawiska jest dla
oddziaływania z elektronami z powłoki K
• Energia deponowana w miejscu zjawiska – elektrony o
zasięgu milimetrów
• Zderzenie fotonu z elektronem jest niesprężyste:
• Prawdopodobieństwo takiego oddziaływania fotonu z
elektronem:
W
h
E
el
)
)
h
(
Z
(
)
h
(
Z
3
4
a
3
3
e
32
Cechy zjawiska Comptona
• Największe prawdopodobieństwo zjawiska jest dla
oddziaływania z elektronami z powłok oddalonych od
jądra
• Energia deponowana w pewnym obszarze wokół
miejsca zjawiska – elektrony o zasięgu centymetrów
• Zderzenie fotonu z elektronem jest sprężyste:
• Prawdopodobieństwo takiego oddziaływania fotonu z
atomem:
h
h
E
el
Z
e
a
33
Cechy zjawiska tworzenia par (kreacji)
• Warunkiem zajścia zjawiska jest odpowiednio duża
energia fotonu (h > 1.02 MeV dla oddziaływania z
polem sił jądrowych, h > 2.04 MeV dla oddziaływania
z polem kulombowskim)
• Energia deponowana w pewnym obszarze wokół
miejsca zjawiska
• Energia fotonu jest zużyta na kreację pary oraz
równopodzielnoną energię cząstek:
• Prawdopodobieństwo takiego oddziaływania:
]
Mev
[
02
.
1
E
E
h
poz
el
2
a
Z
34
Osłabienie promieniowania gamma przy
przejściu przez materię.
Prawo pochłaniania. Wiązka promieniowania o
natężeniu I0 przechodząc przez materię ulega
osłabieniu.
Natężenie promieniowania po przejściu przez warstwę
o grubości x wyraża się wzorem
I
I e
x
0
gdzie μ jest liniowym współczynnikiem pochłaniania i charakteryzuje
materiał
pochłaniający (oraz zależy od rodzaju promieniowania)
35
Współczynnik osłabienia wiązki fotonów μ,
określony przez prawdopodobieństwo usunięcia
fotonu z wiązki na jednostkę drogi jest sumą
prawdopodobieństw zajścia każdego z trzech
możliwych sposobów oddziaływania kwantu γ z
materią i zależy w dość złożony sposób zarówno od
energii fotonów jak i od liczby atomowej Z materii
absorbującej:
f
c
p
fotoelektryczny
Comptona
tworzeniepar
(
)
(
)
(
)
c
cs
ca
rozpraszania
absorpcji
(
)
(
)
a
f
f
c c
p p
f
f
f
36
PODSTAWOWE WIELKOŚCI I
JEDNOSTKI DOZYMETRYCZNE
Prawo rozpadu promieniotwórczego.
N t
N e
t
( )
0
gdzie
N0
to
początkowa
liczba
atomów
pierwiastka
promieniotwórczego a λ jest stałą rozpadu.
Średni czas życia jądra promieniotwórczego τ to odwrotność stałej rozpadu:
1/
Czas, w którym rozpadowi ulega połowa początkowej liczby jąder
nazywany jest czasem połowicznego zaniku T i wyznaczyć go
można z zależności
N
N e
T
T
0
0
2
2
2
ln
ln
37
Zasada rozpadu pierwiastków radioaktywnych
Po czasie dziesięciokrotnego czasu połowicznego zaniku,
poziom promieniowania jest tysiąckrotnie mniejszy.
Każdy z promieniotwórczych pierwiastków ma inny czas
połowicznego zaniku, może on być mierzony w sekundach a
nawet w milionach lat.
38
Aktywność promieniotwórcza A wyraża liczbę rozpadów
promieniotwórczych w jednostce czasu. Jednostką aktywności w
układzie SI jest
1
1
Bq be
el
rozpad s
( ker )
/
Dawka pochłonieta D średnia dawka pochłoniętą D przez
daną substancję nazywamy energię promieniowania E
przekazaną jednostce masy tej substancji.
m
E
D
Jednostką średniej dawki pochłoniętej jest
1
1
Gy grej
J kg
(
)
/
Moc dawki to dawka pochłonięta w jednostce czasu
D
dD
dt
39
Dawka ekspozycyjna: jest miarą jonizacji wywołanej
w ośrodku pochłaniającym przez promieniowanie.
Jednostką dawki ekspozycyjnej jest kulomb na
kilogram, co odpowiada wytworzeniu przez
promieniowanie ładunku jednego kulomba w jednym
metrze sześciennym suchego powietrza.
X
Q
m
Dawka równoważna (H): dawka pochłonięta z
uwzględnieniem rodzaju i
jakości promieniowania.
H = QD
Q jest współczynnikiem jakości promieniowania
[1 Sv = 1 J/kg]
1 C/kg
40
Dawka skuteczna (E): dawka pochłonięta z
uwzględnieniem zarówno
rodzaju i jakości promieniowania jak również
biologicznych skutków
wywoływanych przez dane promieniowanie w narządach
(tkankach).
E = BQD
B jest współczynnikiem skuteczności biologicznej
[Sv
]
41
Liniowe przenoszenie energii
L
inear
E
nergy
T
ransfer
LET
• Najistotniejszy parametr opisujący intensywność
oddziaływania promieniowania z ośrodkiem:
• Wartość LET’u promieniowania jest proporcjonalna do
ładunku cząstek, a odwrotnie proporcjonalna do ich
prędkości
m
J
]
LET
[
;
dx
dE
LET
42
Zastosowania promieniowania jonizującego w
medycynie
Prześwietlenie: promieniowanie przechodzące przez
ciało człowieka w
różnym stopniu ulega pochłanianiu ze względu na różne
współczynniki
pochłaniania różnych tkanek. Obraz powstający na kliszy
zawiera sumaryczne informacje o pochłanianym
promieniowaniu.
43
Tomografia komputerowa
Na podstawie pomiaru natężenia wiązek promieniowania
przechodzących
w różnych kierunkach przez badany obiekt wyliczane są
współczynniki
pochłaniania poszczególnych elementów obiektu.
Skala Hounsfielda służy do zamiany współczynników
pochłaniania na
liczby odpowiadające skali szarości.
44
Ochrona przed promieniowaniem
kategorie osób:
A – osoby bezpośrednio narażone na promieniowanie ze
względu na
wykonywany zawód (kontakt ze źródłami promieniowania)
B – osoby pracujące w sąsiedztwie źródeł promieniowania
C – osoby przebywające w sąsiedztwie zakładów (budynków)
stosujących
źródła promieniowania.
Osoby należące do kategorii A i B podlegają kontroli
indywidualnych dawek
promieniowania (dozymetry osobiste). prowadzona jest też
kontrola
dozymetryczna środowiska pracy.
Pracownicy narażeni na działanie promieniowania jonizującego
chronieni
są przez fizyczne środki ochrony (osłony, fartuchy etc).
45
Promieniowanie jonizujące jest stale obecne w środowisku
człowieka,
zawsze i wszędzie. Jest to spowodowane głównie
wszechobecnością
radioizotopów różnych pierwiastków w przyrodzie oraz
promieniowaniem kosmicznym. Naturalne promieniowanie
jonizujące
środowiska jest jednym z czynników powodujących mutacje w
genach
organizmów żywych, czyli jednym z czynników ewolucyjnych,
którym
zawdzięczamy różnorodność fauny i flory.
Statystyczna roczna dawka promieniowania naturalnego wynosi
2,4 mSv
Naturalne tło promieniowania jonizującego
46
Schemat inicjacji procesów
radiobiologicznych
Wrażliwość komórki na
promieniowanie zależy od
fazy jej rozwoju –
najbardziej wrażliwe są
komórki znajdujące się w
fazie podziału. Dlatego na
działanie promieniowania
jonizującego najbardziej
narażone są komórki
szpiku kostnego, komórki
nabłonka, komórki układu
rozrodczego.
47
HISTORIA
1662 r.- Rober Boyl podał ścisłą definicję pierwiastka
chemicznego
1897r.- J.J. Thomson zidentyfikował oraz określił
własności elektronu.
1871r.- D.I. Mendelejew stworzył okresowy układ
pierwiastków, co pozwoliło przewidzieć istnienie wielu
nieznanych wówczas pierwiastków.
1895r.-
odkryte zostało promieniownie X
Wilhelm Roentgen badał wyładowania w szklanej rurce
odpompowanej do wysokiej próżni, z wtopionymi elektrodami
metalowymi. Zauważył on silne świecenie papieru pokrytego
platynocyjankiem baru, w momencie, kiedy szklana rurka była
całkowicie zasłonięta czarnym papierem. Wtedy wydedukował
on, że wewnątrz rurki zachodzi proces będący źródłem
jakiegoś silnie przenikliwego promieniowania jonizującego
powietrze. Okazało się, że promienie X przenikają z łatwością
tkanki miękkie ciała ludzkiego, natomiast są pochłaniane
przez kości, jak przedstawiono w postaci zdjęć autentycznych
oraz żartobliwych.
48
Właściwości promieniowania elektromagnetycznego X; a) zdjęcie
roentgenowskie dłoni żony wynalazcy- Berty Roentgen, b) istota
rozchodzenia się fal elektromagnetycznych oraz zdjęcie roentgenowskie
korpusu człowieka, c) poster obrazujący ludzi widzianych „oczami
promieniowania X”.
49
1896r.- narodziła się fizyka jądrowa, odkrycie
promieniotwórczości
Becquerel
stwierdził
istnienie
promieniotwórczości
wyjaśniając, że Uran i jego związki jest spontanicznym
źródłem niewidzialnego promieniowania, przechodzącego
przez
przedmioty
nieprzezroczyste
dla
światła
i
oddziałującego również na płytę fotograficzną. Państwo
Curie podali natomiast interpretację tego zjawiska
udowadniając, że owo promieniowanie jest własnością uranu
i
nazwali
tę
cechę
materii
promieniotwórczością
(radioaktywnością).
1899r.- Ernest Rutherford odkrył cząstki α i β, postulując, że
cząstki α to strumień atomów helu pozbawionych elektronów.
Stwierdził również, że cząstki β to elektrony.
1900r.
-
Paul Villard
francuski fizyk
odkr
ył
promieniowanie elektromagnetyczne γ
50
Koniec