PROMIENIOWANIE RTG

PROMIENIOWANIE RTG

Wilhelm Conrad Roentgen – 1895r.

Wilhelm Conrad Roentgen – 1895r.



powstawanie

powstawanie



widmo

widmo



zjawiska falowe

zjawiska falowe



oddziaływanie z

oddziaływanie z

materią

materią

Promienie X

Promienie X

- fale elektromagnetyczne

- fale elektromagnetyczne

dł. od ok. 6pm do ok. 100pm

dł. od ok. 6pm do ok. 100pm

(p=piko=10

(p=piko=10

ˉ¹²

ˉ¹²

)

)

Długość fali:

Długość fali:

λ

λ

=

=

v

v

T

T

(

(

v

v

– prędkość fali, T – okres fali)

– prędkość fali, T – okres fali)

Częstotliwość fali:

Częstotliwość fali:

f =

f =

1/T (jednostka 1/s=Hz)

1/T (jednostka 1/s=Hz)

Promieniowanie elektromagnetyczne, choć jest falą,

Promieniowanie elektromagnetyczne, choć jest falą,

jest

jest

wysyłane, rozchodzi się i jest pochłaniane w

wysyłane, rozchodzi się i jest pochłaniane w

kwantach.

kwantach.

Energia kwantu:

Energia kwantu:

E = hc / λ (h – stała Plancka, energia kwantu

E = hc / λ (h – stała Plancka, energia kwantu

zależy od długości fali)

zależy od długości fali)

Promienie X powstają w wyniku hamowania

Promienie X powstają w wyniku hamowania

elektronów

elektronów

swobodnych przyspieszonych w polu elektrycznym,

swobodnych przyspieszonych w polu elektrycznym,

czyli

czyli

na skutek gwałtownego oddawania energii

na skutek gwałtownego oddawania energii

kinetycznej

kinetycznej

przez silnie rozpędzone elektrony.

przez silnie rozpędzone elektrony.

Lampa rentgenowska

Lampa rentgenowska

– urządzenie

– urządzenie

stosowane w diagnostyce lekarskiej do

stosowane w diagnostyce lekarskiej do

wytwarzania promieniowania X

wytwarzania promieniowania X

Lampa próżniowa z dwiema elektrodami

Lampa próżniowa z dwiema elektrodami

Katoda

Katoda

– elektroda ujemna – skręcony spiralnie drut

– elektroda ujemna – skręcony spiralnie drut

wolframowy, tzw.: włókno żarzenia

wolframowy, tzw.: włókno żarzenia

Anoda

Anoda

– elektroda dodatnia – blok miedziany, w który

– elektroda dodatnia – blok miedziany, w który

wtopiony jest krążek z wolframu

wtopiony jest krążek z wolframu

Wolfram – pierwiastek o wysokiej l. atomowej (Z=74), posiadający

Wolfram – pierwiastek o wysokiej l. atomowej (Z=74), posiadający

wysoką temp. topnienia (3370°C), małą skłonność do parowania,

wysoką temp. topnienia (3370°C), małą skłonność do parowania,

bardzo dobry przewodnik ciepła

bardzo dobry przewodnik ciepła

Podgrzana katoda jest źródłem elektronów, które

Podgrzana katoda jest źródłem elektronów, które

następnie

następnie

są przyspieszane napięciem przyspieszającym, osiągając

są przyspieszane napięciem przyspieszającym, osiągając

duże energie.

duże energie.

W bańce jest próżnia, by elektrony nie rozpraszały się na

W bańce jest próżnia, by elektrony nie rozpraszały się na

cząsteczkach powietrza. Rozpędzone elektrony padają na

cząsteczkach powietrza. Rozpędzone elektrony padają na

anodę i zostają w niej wyhamowane - jeśli elektrony

anodę i zostają w niej wyhamowane - jeśli elektrony

miały

miały

duże prędkości (co uzyskuje się przez przyłożenie różnicy

duże prędkości (co uzyskuje się przez przyłożenie różnicy

potencjałów rzędu kilku tysięcy woltów), a proces

potencjałów rzędu kilku tysięcy woltów), a proces

hamowania był szybki, to uzyskuje się silne

hamowania był szybki, to uzyskuje się silne

promieniowanie elektromagnetyczne.

promieniowanie elektromagnetyczne.

Budowa lampy rentgenowskiej (schemat)

Budowa lampy rentgenowskiej (schemat)

Jest to najprostsza lampa rentgenowska i nie

Jest to najprostsza lampa rentgenowska i nie

uwzględniono

uwzględniono

tu chłodzenia anody, co w warunkach doświadczalnych

tu chłodzenia anody, co w warunkach doświadczalnych

jest konieczne.

jest konieczne.

Najczęściej chłodzi się przepływającą wodą, ale także

Najczęściej chłodzi się przepływającą wodą, ale także

robi

robi

się tzw. wirujące anody: anoda jest w kształcie tarczy,

się tzw. wirujące anody: anoda jest w kształcie tarczy,

która

która

wiruje po to, by elektrony uderzały za każdym razem w

wiruje po to, by elektrony uderzały za każdym razem w

inne miejsce.

inne miejsce.

Zgodnie z prawami fizyki klasycznej

Zgodnie z prawami fizyki klasycznej

w wyniku

w wyniku

hamowania

hamowania

elektronów w materiale tarczy, aż do ich

elektronów w materiale tarczy, aż do ich

całkowitego zatrzymania, następuje emisja

całkowitego zatrzymania, następuje emisja

promieniowania elektromagnetycznego o

promieniowania elektromagnetycznego o

widmie

widmie

ciągłym

ciągłym

.

.

Jednak może się zdarzyć, że elektron uderzając w anodę

Jednak może się zdarzyć, że elektron uderzając w anodę

nie tylko zostanie wyhamowany, ale może

nie tylko zostanie wyhamowany, ale może

wybić

wybić

elektron

elektron

z atomu anody. Zostanie dziura, którą wypełni elektron

z atomu anody. Zostanie dziura, którą wypełni elektron

spadający z wyższych powłok, z czym związane jest

spadający z wyższych powłok, z czym związane jest

promieniowanie charakterystyczne dla danego

promieniowanie charakterystyczne dla danego

pierwiastka. Dlatego ostatecznie wykres przedstawia

pierwiastka. Dlatego ostatecznie wykres przedstawia

widmo ciągłe promieniowania X z ostrymi pikami

widmo ciągłe promieniowania X z ostrymi pikami

promieniowania charakterystycznego (widmo liniowe).

promieniowania charakterystycznego (widmo liniowe).

Wzrost napięcia przyspieszającego powoduje wzrost

Wzrost napięcia przyspieszającego powoduje wzrost

energii elektronów, które następnie hamowane są

energii elektronów, które następnie hamowane są

na powierzchni anody.

na powierzchni anody.

Powstaje promieniowanie rentgenowskie, składające

Powstaje promieniowanie rentgenowskie, składające

się z:

się z:

1. promieniowania hamowania

1. promieniowania hamowania

2. promieniowania charakterystycznego

2. promieniowania charakterystycznego

1. Promieniowanie hamowania

1. Promieniowanie hamowania

(promieniowanie

(promieniowanie

ciągłe)

ciągłe)

Powstaje gdy elektrony są wyhamowywane na

Powstaje gdy elektrony są wyhamowywane na

anodzie

anodzie

w pobliżu jąder atomowych. Ponieważ w procesie

w pobliżu jąder atomowych. Ponieważ w procesie

hamowania oddawane mogą być różne ilości energii

hamowania oddawane mogą być różne ilości energii

więc

więc

promieniowanie hamowania ma

promieniowanie hamowania ma

widmo ciągłe

widmo ciągłe

(różne

(różne

długości fal).

długości fal).

2. Promieniowanie charakterystyczne

2. Promieniowanie charakterystyczne

Jest związane ze wzbudzeniem atomu pierwiastka

Jest związane ze wzbudzeniem atomu pierwiastka

elektrody hamującej - elektrony bombardujące

elektrody hamującej - elektrony bombardujące

dany materiał wybijają elektrony z wewnętrznych

dany materiał wybijają elektrony z wewnętrznych

powłok

powłok

atomów tego materiału.

atomów tego materiału.

Promieniowanie charakterystyczne stanowi niewielki

Promieniowanie charakterystyczne stanowi niewielki

odsetek całości promieniowania rtg.

odsetek całości promieniowania rtg.

Tylko 1% energii kinetycznej elektronów jest

Tylko 1% energii kinetycznej elektronów jest

zamieniany

zamieniany

na energię promieniowania

na energię promieniowania

Aż 99% ich energii jest zamieniane na ciepło!

Aż 99% ich energii jest zamieniane na ciepło!

Przykładowe widmo promieniowania

Przykładowe widmo promieniowania

rentgenowskiego:

rentgenowskiego:

Złożony kształt widma jest

Złożony kształt widma jest

rezultatem nałożenia się

rezultatem nałożenia się

dwóch efektów:

dwóch efektów:

1. emisji promieniowania

1. emisji promieniowania

hamowania (widmo ciągłe)

hamowania (widmo ciągłe)

2. emisji promieniowania

2. emisji promieniowania

charakterystycznego (linie

charakterystycznego (linie

odpowiadające emisji

odpowiadające emisji

fotonów o energiach

fotonów o energiach

dyskretnych).

dyskretnych).

Przykładowe widmo promieniowania

Przykładowe widmo promieniowania

rentgenowskiego:

rentgenowskiego:

1. widmo promieniowania

1. widmo promieniowania

hamowania ma ściśle

hamowania ma ściśle

określoną wartość najmniejszej

określoną wartość najmniejszej

długości fali (czyli największej

długości fali (czyli największej

energii emitowanych fotonów).

energii emitowanych fotonów).

2. dyskretne wartości energii

2. dyskretne wartości energii

fotonów odpowiadają

fotonów odpowiadają

przejściom

przejściom

na różne powłoki atomowe

na różne powłoki atomowe

oznaczone na rysunku

oznaczone na rysunku

symbolami: K, L, M.

symbolami: K, L, M.

Promieniowanie elektromagnetyczne rozchodząc się

Promieniowanie elektromagnetyczne rozchodząc się

objawia swe własności falowe zachowując się jak

objawia swe własności falowe zachowując się jak

każda

każda

fala:

fala:

1. ulega interferencji, dyfrakcji,

1. ulega interferencji, dyfrakcji,

2. spełnia prawo odbicia i załamania.

2. spełnia prawo odbicia i załamania.

Interferencja

Interferencja

to zjawisko nakładania się fal

to zjawisko nakładania się fal

prowadzące

prowadzące

do zwiększania lub zmniejszania amplitudy fali

do zwiększania lub zmniejszania amplitudy fali

wypadkowej. Interferencja zachodzi dla wszystkich

wypadkowej. Interferencja zachodzi dla wszystkich

rodzajów fal, we wszystkich ośrodkach, w których

rodzajów fal, we wszystkich ośrodkach, w których

mogą

mogą

rozchodzić się dane fale.

rozchodzić się dane fale.

Dyfrakcja

Dyfrakcja

to zjawisko fizyczne zmiany kierunku

to zjawisko fizyczne zmiany kierunku

rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz

rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz

w ich

w ich

pobliżu. Zjawisko zachodzi dla wszystkich wielkości

pobliżu. Zjawisko zachodzi dla wszystkich wielkości

przeszkód, ale wyraźnie jest obserwowane dla

przeszkód, ale wyraźnie jest obserwowane dla

przeszkód o

przeszkód o

rozmiarach porównywalnych z długością fali.

rozmiarach porównywalnych z długością fali.

W wyniku dyfrakcji następuje zmiana kierunku

W wyniku dyfrakcji następuje zmiana kierunku

rozchodzenia się fal i zmiana natężenia wiązki

rozchodzenia się fal i zmiana natężenia wiązki

(wzmocnienie lub osłabienie)

(wzmocnienie lub osłabienie)

Odbicie

Odbicie

to nagła zmiana kierunku rozchodzenia się fali

to nagła zmiana kierunku rozchodzenia się fali

na granicy dwóch ośrodków powodująca, że pozostaje

na granicy dwóch ośrodków powodująca, że pozostaje

ona

ona

w ośrodku, w którym się rozchodzi.

w ośrodku, w którym się rozchodzi.

Załamanie

Załamanie

w fizyce to zmiana kierunku rozchodzenia

w fizyce to zmiana kierunku rozchodzenia

się fali (refrakcja fali) związana ze zmianą jej prędkości,

się fali (refrakcja fali) związana ze zmianą jej prędkości,

gdy przechodzi do innego ośrodka. Inna prędkość

gdy przechodzi do innego ośrodka. Inna prędkość

powoduje zmianę długości fali, a częstotliwość pozostaje

powoduje zmianę długości fali, a częstotliwość pozostaje

stała.

stała.

Wzajemne oddziaływanie

Wzajemne oddziaływanie

promieniowania rentgenowskiego i

promieniowania rentgenowskiego i

materii

materii

Trzy podstawowe procesy:

Trzy podstawowe procesy:

1. rozpraszanie spójne

1. rozpraszanie spójne

2. zjawisko fotoelektryczne

2. zjawisko fotoelektryczne

3. rozpraszanie Comptona

3. rozpraszanie Comptona

Przy wyższych energiach promieniowania rtg (nie stosowanych

Przy wyższych energiach promieniowania rtg (nie stosowanych

w

w

diagnostyce medycznej) występuje jeszcze:

diagnostyce medycznej) występuje jeszcze:

4. zjawisko tworzenia par

4. zjawisko tworzenia par

5. zjawisko rozpadu atomu

5. zjawisko rozpadu atomu

1.rozpraszanie spójne

1.rozpraszanie spójne

Występuje, gdy foton promieniowania trafi na atom

Występuje, gdy foton promieniowania trafi na atom

(jeśli elektron jest silnie związany w atomie tarczy lub gdy energia

(jeśli elektron jest silnie związany w atomie tarczy lub gdy energia

padającego fotonu jest bardzo mała, elektron może nie zostać od

padającego fotonu jest bardzo mała, elektron może nie zostać od

atomu oderwany - w takim przypadku zderzenie może być

atomu oderwany - w takim przypadku zderzenie może być

traktowane

traktowane

jako zderzenie fotonu z całym atomem).

jako zderzenie fotonu z całym atomem).

Może to spowodować wysłanie innego fotonu

Może to spowodować wysłanie innego fotonu

(o zmienionym kierunku, ale tej samej długości fali).

(o zmienionym kierunku, ale tej samej długości fali).

Rozpraszanie spójne jako jedyne przebiega bez

Rozpraszanie spójne jako jedyne przebiega bez

jonizacji

jonizacji

atomu.

atomu.

2. zjawisko fotoelektryczne

2. zjawisko fotoelektryczne

Zjawisko uwalniania przez światło elektronów z

Zjawisko uwalniania przez światło elektronów z

powierzchni rozmaitych substancji nazwane jest

powierzchni rozmaitych substancji nazwane jest

zjawiskiem

zjawiskiem

fotoelektrycznym.

fotoelektrycznym.

Foton promieniowania rtg o energii większej niż energia

Foton promieniowania rtg o energii większej niż energia

wiązania powłoki elektronu atomu na który trafia, oddaje

wiązania powłoki elektronu atomu na który trafia, oddaje

całą swoją energię wytrącając ten elektron poza atom (ten

całą swoją energię wytrącając ten elektron poza atom (ten

elektron nazywa się wówczas fotoelektronem).

elektron nazywa się wówczas fotoelektronem).

Zjawisko fotoelektryczne jest zjawiskiem

Zjawisko fotoelektryczne jest zjawiskiem

pochłaniania

pochłaniania

promieniowania.

promieniowania.

Zjawisko powstawania promieniowania hamowania

Zjawisko powstawania promieniowania hamowania

można uważać za proces odwrotny do zjawiska

można uważać za proces odwrotny do zjawiska

fotoelektrycznego.

fotoelektrycznego.

W zjawisku fotoelektrycznym foton jest absorbowany i

W zjawisku fotoelektrycznym foton jest absorbowany i

jego energia i pęd przekazywane są elektronowi i

jego energia i pęd przekazywane są elektronowi i

jądru

jądru

odrzutu.

odrzutu.

W procesie wytwarzania promieniowania hamowania

W procesie wytwarzania promieniowania hamowania

powstaje foton, którego pęd i energia pochodzi od

powstaje foton, którego pęd i energia pochodzi od

zderzających się ze sobą elektronu i jądra - mamy do

zderzających się ze sobą elektronu i jądra - mamy do

czynienia z kreacją fotonów, a nie z ich absorpcją

czynienia z kreacją fotonów, a nie z ich absorpcją

lub rozpraszaniem przez materię.

lub rozpraszaniem przez materię.

3. rozpraszanie Comptona

3. rozpraszanie Comptona

Występuje wtedy, gdy foton uderza w elektron

Występuje wtedy, gdy foton uderza w elektron

powłoki

powłoki

zewnętrznej atomu, która ma niską energię

zewnętrznej atomu, która ma niską energię

wiązania.

wiązania.

Elektron zostaje wyrzucony poza atom, a pozostała

Elektron zostaje wyrzucony poza atom, a pozostała

energia

energia

fotonu tworzy nowy foton o zmienionej długości fali

fotonu tworzy nowy foton o zmienionej długości fali

(dłuższej) i zmienionym kierunku (nawet o 180

(dłuższej) i zmienionym kierunku (nawet o 180

°

°

).

).

Atom pozbawiony elektronu staje się jonem.

Atom pozbawiony elektronu staje się jonem.

W odróżnieniu od zjawiska fotoelektrycznego fotony w

W odróżnieniu od zjawiska fotoelektrycznego fotony w

zjawisku Comptona są raczej rozpraszane a nie

zjawisku Comptona są raczej rozpraszane a nie

absorbowane.

absorbowane.

Ponieważ padające fotony podczas zderzeń

Ponieważ padające fotony podczas zderzeń

przekazują

przekazują

część swojej energii elektronom, więc rozproszony

część swojej energii elektronom, więc rozproszony

foton

foton

musi mieć energię E2 mniejszą od E1, a zatem i

musi mieć energię E2 mniejszą od E1, a zatem i

niższą

niższą

częstotliwość, co z kolei daje większą długość fali.

częstotliwość, co z kolei daje większą długość fali.

Właściwości promieniowania rentgenowskiego:

Właściwości promieniowania rentgenowskiego:

1. zmniejsza swoje natężenie z kwadratem

1. zmniejsza swoje natężenie z kwadratem

odległości

odległości

2. ulega osłabieniu przenikając przez materię

2. ulega osłabieniu przenikając przez materię

3. wywołuje jonizację materii

3. wywołuje jonizację materii

4. wywołuje zjawisko luminescencji

4. wywołuje zjawisko luminescencji

5. działa na emulsję fotograficzną

5. działa na emulsję fotograficzną

6. ma działanie biologiczne

6. ma działanie biologiczne

1. zmiana natężenia z kwadratem odległości –

1. zmiana natężenia z kwadratem odległości –

najlepszą

najlepszą

ochroną przed promieniowaniem jest odległość!

ochroną przed promieniowaniem jest odległość!

2. osłabienie promieniowania – udział rozpraszania i

2. osłabienie promieniowania – udział rozpraszania i

pochłaniania (zjawisko fotoelektryczne).

pochłaniania (zjawisko fotoelektryczne).

Im wyższa zawartość pierwiastków o dużych liczbach

Im wyższa zawartość pierwiastków o dużych liczbach

atomowych, tym większe pochłanianie – tkanki miękkie

atomowych, tym większe pochłanianie – tkanki miękkie

zbudowane głównie z pierwiastków lekkich (H, C, O)

zbudowane głównie z pierwiastków lekkich (H, C, O)

wytwarzają mało fotoelektronów, natomiast kości

wytwarzają mało fotoelektronów, natomiast kości

zawierające Ca dużo – stąd różnica zaczernienia między

zawierające Ca dużo – stąd różnica zaczernienia między

gazem, tkankami miękkimi i tkanką kostną.

gazem, tkankami miękkimi i tkanką kostną.

Im wyższa energia promieniowania tym większe

Im wyższa energia promieniowania tym większe

rozpraszanie.

rozpraszanie.

3. jonizacja – powstaje w wyniku oddziaływania

3. jonizacja – powstaje w wyniku oddziaływania

promieni

promieni

rtg z materią

rtg z materią

4. luminescencja – zjawisko emitowania światła

4. luminescencja – zjawisko emitowania światła

widzialnego przez niektóre związki chemiczne pod

widzialnego przez niektóre związki chemiczne pod

wpływem promieniowania rentgenowskiego (folie

wpływem promieniowania rentgenowskiego (folie

wzmacniające, ekrany wzmacniacza obrazu)

wzmacniające, ekrany wzmacniacza obrazu)

5. działanie na emulsję fotograficzną – razem ze

5. działanie na emulsję fotograficzną – razem ze

zjawiskiem luminescencji umożliwia wykonanie

zjawiskiem luminescencji umożliwia wykonanie

zdjęć

zdjęć

rentgenowskich na kliszach fotograficznych

rentgenowskich na kliszach fotograficznych

6. działanie biologiczne – wynika z jonizacji tkanek

6. działanie biologiczne – wynika z jonizacji tkanek

poddanych napromieniowaniu.

poddanych napromieniowaniu.

Dochodzi do zmian na poziomie molekularnym –

Dochodzi do zmian na poziomie molekularnym –

łańcuchy

łańcuchy

przemian fizyko- i biochemicznych, może doprowadzić do

przemian fizyko- i biochemicznych, może doprowadzić do

uszkodzenia DNA.

uszkodzenia DNA.

Podstawowa reguła określająca promienioczułość

Podstawowa reguła określająca promienioczułość

komórek,

komórek,

a więc ich podatność na uszkodzenie:

a więc ich podatność na uszkodzenie:

„

„

Wrażliwość komórek na promieniowanie jest wprost

Wrażliwość komórek na promieniowanie jest wprost

proporcjonalna do ich aktywności proliferacyjnej i

proporcjonalna do ich aktywności proliferacyjnej i

odwrotnie

odwrotnie

proporcjonalna do stopnia ich zróżnicowania”

proporcjonalna do stopnia ich zróżnicowania”

Jakie właściwości promieniowania

Jakie właściwości promieniowania

wykorzystywane są w medycynie?

wykorzystywane są w medycynie?

-

-

rozproszenie

rozproszenie

-

-

jonizacja

jonizacja

przenikanej materii (odpowiada za efekty

przenikanej materii (odpowiada za efekty

biologiczne, wykorzystywana w radioterapii

biologiczne, wykorzystywana w radioterapii

nowotworów)

nowotworów)

-luminescencja, fluorescencja (zjawisko

-luminescencja, fluorescencja (zjawisko

wykorzystywane w

wykorzystywane w

prześwietleniach)

prześwietleniach)

-

-

działanie na błony fotograficzne

działanie na błony fotograficzne

(zdolność

(zdolność

redukowania

redukowania

emulsji światłoczułej)

emulsji światłoczułej)

Jakie właściwości promieniowania

Jakie właściwości promieniowania

wykorzystywane są w medycynie?

wykorzystywane są w medycynie?

-

-

przenikliwość

przenikliwość

(w różnym stopniu przez różne tkanki)

(w różnym stopniu przez różne tkanki)

-

-

prostolinijny przebieg wiązki promieni

prostolinijny przebieg wiązki promieni

(obrazowany

(obrazowany

narząd powinien znajdować się jak najbliżej kasety, zanim

narząd powinien znajdować się jak najbliżej kasety, zanim

dojdzie do rozbieżnego rozchodzenia się wiązki)

dojdzie do rozbieżnego rozchodzenia się wiązki)

-

-

pochłanianie

pochłanianie

(różne dla różnych tkanek- najmniejsze w

(różne dla różnych tkanek- najmniejsze w

tkankach zawierających powietrze- płuca, gaz w

tkankach zawierających powietrze- płuca, gaz w

przewodzie pokarmowym, największe dla tkanki kostnej,

przewodzie pokarmowym, największe dla tkanki kostnej,

zębów, zwapnień)

zębów, zwapnień)