Promieniowanie jonizujące
Promieniowanie jonizujące promieniowanie zdolne do
jonizowania atomów i cząsteczek w sposób:
" bezpośredni elektrony, protony, deuterony (promieniowanie
korpuskularne)
" pośredni neutrony oraz fotony (fala elektromagnetyczna), czyli
między innymi promieniowanie X i ł, które z kolei może
wywoływać promieniowanie wtórne:
fotony elektrony
neutrony protony
Energia a długość fali elektromagnetycznej
c prędkość światła = 3108 m/s
h stała Plancka = 6,62610-34 Js = 4,13610-15 eVs
Fale radiowe
Mikrofale
n źm
Prom. podczerwone (IR)
Prom. widzialne ok. (380-740) nm
Prom. UV
10 nm
Częstotliwość
Prom. X
5 pm
Przenikliwość Prom. ł
Energia
Długość fali
promieniowanie jonizujące
Promieniotwórczość naturalna
Izotopy odmiany pierwiastków o różnych liczbach masowych A.
Pierwiastek definiuje liczba atomowa Z.
Defekt masy: "mp + "mn + "me > mat
"mc2 = Ew
Izotopy promieniotwórcze mają nietrwałe jądra, które ulegają
rozpadowi zgodnie z kinetyką I rzędu zgodnie z prawem rozpadu
promieniotwórczego:
5Q5A
= 54 = -55A
5Q5a
5A = 5A05R-5a
A aktywność promieniotwórcza [Bq = 1/s, dawniej Ci = 3,7x1010 Bq]
stała rozpadu promieniotwórczego
ln 2
Okres połowicznego zaniku:
5a5\.5 =
5
Promieniotwórczość naturalna
1. Promieniowanie ą jądra helu
54 54-4 4
5K 5K2 + 5;5R
" Korpuskularne
5M 5M-2 2
obdarzone
2. Promieniowanie pozytony lub negatony
ładunkiem
54 54 0 ulegają
5K 5K2 + 5R
5M 5M-1 -1
odchyleniu w
polu elektro-
54 54 0
magnetycznym
5K 5K2 + 5R
5M 5M+1 1
" Zaczerniają
1 1 0 kliszę
(neutrino)
5] 5[ + 5R +
1 0 +1
fotograficzną
1 1 0
(antyneutrino)
5[ 5] + 5R + 5
0 1 -1
Neutrino to nie to samo co neutron! Neutrino należy do leptonów, a więc do cząstek mniejszych
niż proton czy neutron. Ma bliską 0 masę, pozbawiony jest ładunku.
3. Promieniowanie ł towarzyszy prom. ą i , jest niekorpuskularne, nie ulega
odchyleniu w polu elektromagnetycznym, wywołuje luminescencję i zaczernia
kliszę fotograficzną.
Promieniotwórczość sztuczna
Reakcje rozszczepienia:
5 5
5d5g5O5b5Q5g5R5[5V5R
235 1 236 94 139
5H + 5[ 5H 5F5_ + 5K5R + 315[
92 0 92 38 54 0
58<585N5X5a . 58k"585N5X5a .
Reakcja
łańcuchowa
Reakcje syntezy:
2 3 4 1
5; + 5; + 585[. 5;5R + 5[ + 17,6 5@5R5I
1 1 2 0
Energia większa niż w
procesie rozszczepienia
Promieniowanie korpuskularne
wzbudzenie
jonizacja
atomów
emisja promieniowania
elektrony
UV lub IR
jony
straty
absorpcja
energii
X
absorpcja
ł
- efekt Comptona
promieniowanie
- zjawisko fotoelektryczne
(np. neutrony r.
cieplne
- tworzenie par
rozszczepienia)
Oddziaływanie z materią absorpcja
promieniowania korpuskularnego
LET linear energy transfer = dE/dx liniowe przenoszenie energii.
Wzór Bethego:
5Q58 55 5M
- =
5Q5e 5c2 54
B zależy od ilości ładunków elementarnych przenoszonych przez cząstkę
v prędkość cząstki, proporcjonalna do energii cząstki, która maleje wraz z
drogą pokonywaną przez cząstkę w ośrodku
- gęstość ośrodka absorbującego
Z liczba atomowa
pierwiastka, z którego zbudowany
A liczba masowa
jest ośrodek absorbujący
Neutrony
nie jonizują bezpośrednio
tracą energię w zderzeniach z jądrami atomowymi
sprężystych niesprężystych
(te same cząstki na pocz.
i na końcu, Ekin.
zachowana)
ł
wzbudzenie jądra
spowolnienie neutronu
zamiana protonu w
jądrze na neutron
możliwe pochłonięcie
przez jądro atomowe
Promieniowanie elektromagnetyczne efekt
fotoelektryczny
Efekt fotoelektryczny polega na tym, że foton (kwant
promieniowania elektromagnetycznego) uderza w elektron
(związany w atomie) i go odrywa. Dochodzi do jonizacji. Energia
fotonu zamienia się na energię kinetyczną elektronu, a część jest
zużywana do jonizacji:
5Z5c2
! = 585[5W +
2
Promieniowanie elektromagnetyczne efekt
Comptona
h2
5R-
h
ł lub X
> 2
v
Foton sprężyście uderza w swobodny lub słabo związany elektron i ulega rozproszeniu,
zmieniając kierunek ruchu. Elektrony zyskują energię kinetyczną. Różnica między efektem
Comptona a zjawiskiem fotoelektrycznym polega na tym, że promieniowanie nie ulega
całkowitemu wygaszeniu, a zmniejsza jedynie częstotliwość:
1
!2 = !
!
1 + (1-5P5\5`ܸ)
5Z5R5P2
Promieniowanie elektromagnetyczne tworzenie
par pozyton - negaton
Foton napotykając jądro atomowe, oddaje mu swoją energię i powoduje
powstanie 2 cząstek negatonu (e-) i pozytonu (e+) dochodzi do zamiany
energii na masę. 2mec2 = 1,02 MeV jest to graniczna energia, jaka ma być
dostarczona, by zaszło to zjawisko. Nadmiar energii będzie stanowić energię
kinetyczną poruszających się cząstek. Pozyton jako cząstka nietrwała łączy się z
innym elektronem (anihilacja) i z powrotem zamienia na promieniowanie ł.
h
e-
h
e+ napotyka e-
e+
ANIHILACJA
jądro
atomowe
h
Pochłanianie promieniowania
elektromagnetycznego przez żywe
organizmy
Efekt fotoelektryczny zachodzi, gdy energia promieniowania
jonizującego jest mniejsza niż 1 MeV, z tym, że dla substancji o
małych masach atomowych (do 40) w zakresie 10 keV (atomy
wodoru) 1MeV występuje zjawisko Comptona, a nie efekt
fotoelektryczny.
Zjawisko tworzenia par zachodzi, gdy mamy do czynienia z
promieniowaniem o bardzo dużych energiach powyżej 1,02 MeV
(promieniowanie ł), z tym, że dla substancji absorbujących o
małych masach (do 40) nawet tak duże energie spowodują zjawisko
Comptona. Zjawisko to będzie więc dominującym sposobem
absorpcji energii przez organizmy żywe.
Prawo absorpcji promieniowania
5< = 5<05R-55e
gdzie: I natężenie wiązki promieniowania przechodzącej przez warstwę
substancji absorbującej o grubości x,
I0 natężenie wiązki padającej,
ź liniowy współczynnik pochłaniania, ź<", dlatego wprowadzono
masowy współczynnik pochłaniania (ź/), który odpowiada zdolności
absorpcyjnej warstwy o masie 1 kg i polu powierzchni 1 m2.
Jako że promieniowanie jonizujące, ulega absorpcji na 3 sposoby, można
wyróżnić 3 składowe liniowego współczynnika pochłaniania fotoelektryczny
(), comptonowski () i tworzenia par (Ą):
5 = 5 + 5 + 5
Skutki absorpcji promieniowania etap
chemiczny
RADIOLIZA WODY
!
5;25B 5;25B" 5;܁) + 5B5;܁) wzbudzenie
!
trwa (10-18 10-16) s
jonizacja
5;2O 5;25B+ 5;+ + 5B5;܁) 5Y5b5O 5;܁) + 5B5;+
-5R-
5a5R5_5Z5N5Y5V5g5N5P5W5N
5;25B+ + 5R- 5;25B"
5a5R5_5Z5N5Y5V5g5N5P5W5N
trwa 10-12 s
5;25B + 5R- 5;25B-'5;܁) + 5B5;-
5;܁) + 5;܁) ' 5;2
REKOMBINACJA
5;܁) + 5B5;܁) ' 5;25B
5B5;܁) + 5B5;܁) ' 5;25B2
5;܁)
)
REAKCJE Z O2
5;܁) + 5B2 5;5B2 5;25B2 5`5V5Y5[5f 5b5a5Y5R5[5V5N5P5g
UWODNIENIE ELEKTRONÓW otoczenie cząsteczkami wody,
elektrony takie posiadają silne właściwości redukujące.
Rodnik) posiada niesparowany elektron, cząsteczka wzbudzona* nie.
-7
trwa 10 s
Sposoby wykrywania i pomiaru skażeń
" Wielkość dawki promieniowania pochłoniętego grej (Gy) - 1 grej odpowiada
pochłonięciu przez 1 kilogram substancji napromieniowanej 1 dżula energii:
1 Gy = J/kg
" Wielkość pochodna moc dawki pochłoniętej wyrażana w grejach na sekundę
(Gy/s).
" Do ilościowej oceny promieniowania stosowana jest dawka ekspozycyjna wyrażana w
kulombach na kilogram (C/kg).
" Poprzednio: 1R (rentgen) = 2,5810-4 C/kg.
" Wielkość pochodna moc dawki ekspozycyjnej wyrażana jest w C/kgs, czyli A/kg.
" Do oceny skutków biologicznych promieniowania stosuje się równoważnik dawki:
H = DQN [Sv sievert]
D wielkość dawki pochłoniętej, Q współczynnik jakości, stosunek pochłoniętych
dawek ocenianego i wzorcowego promieniowania, N współczynnik zależny od innych
czynników, mających wpływ na skuteczność biologiczną promieniowania
Sposoby wykrywania i pomiaru skażeń
" Wielkość dawki promieniowania pochłoniętego grej
(Gy)
" 1 grej - pochłonięciu przez jeden kilogram substancji
napromieniowanej jednego dżula energii
1 Gy = J/kg
" Wielkość pochodna moc dawki pochłoniętej
Moc dawki pochłoniętej = grej na sekundę (Gy/s)
" Do ilościowej oceny promieniowania stosowana jest dawka
ekspozycyjna. Wartość dawki ekspozycyjnej kulomb na
kilogram (C/kg)
Urządzenia wykrywające
promieniowanie jonizujące
Grupy urządzeń:
Wykorzystujące zaczernienie kliszy fotograficznej
Wykorzystujące efekt jonizacji
Wykorzystujące efekt scyntylacji
Wykorzystujące półprzewodnictwo
Fotodozymetr osobisty
Zawiera kasetę z kliszą
fotograficzną
Klisza zmienia barwę pod
wpływem promieniowania im
większe tym staje się
ciemniejsza
Pozwala na określenie
dokładnej dawki
promieniowania
http://www.jzimaging.com/Film_Badge.htm
Licznik Geigera-Mllera
Budowa i charakterystyka:
wykorzystuje efekt jonizacji
zbudowany z metalowego walca (katoda) oraz rozciętego w jego wnętrzu,
odizolowanego od niego drutu (anoda)
wewnątrz walca znajduje się gaz pod niskim ciśnieniem (90% gazu szlachetnego i ok.
10% oparów alkoholu)
do elektrod podłączone jest wysokie napięcie (kilkaset woltów)
stosowany do detekcji promieniowania b lub g
Sposób działania:
wpadająca do licznika cząsteczka powoduje jonizację cząsteczek gazu
pole elektryczne istniejące pomiędzy elektrodami rozpędza powstałe jony, uzyskana
energia kinetyczna pozwala na jonizację kolejnych cząsteczek gazu jonizacja
lawinowa
w obwodzie elektrycznym licznika przepływa prąd, a na oporniku R powstaje
różnica potencjałów, rejestrowana jako pojedyncze zliczenie przez urządzenie
zliczające.
wystąpienie różnicy potencjałów na oporniku obniża napięcie elektryczne pomiędzy
elektrodami, powodując zahamowanie jonizacji gazu (rekombinacja jonów).
Schemat licznika Geigera-Mllera
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Geiger_Mueller_Counter_with_Circuit-pl.svg
Licznik scyntylacyjny
Scyntylacja - zjawisko powstawania błysku świetlnego w wyniku
trafiania atomów lub cząsteczek przez kwanty promieniowania.
Licznik scyntylacyjny stosuje się do detekcji promieniowania b, g i
rentgenowskiego. Charakteryzuje się dużą sprawnością, znacznie
większą od liczników GM.
Budowa licznika:
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Photomultipliertube-pl.svg
Detekcja promieniowania przez licznik
scyntylacyjny
Na skutek promieniowania jonizującego na scyntylator powstaje
słaby błysk światła (a więc fala o niższej energii), który może być
przetwarzany na sygnał elektryczny. Fotony trafiające na fotokatodę
wybijają z niej elektrony. Elektrony są następnie przyspieszane przez
pole elektryczne pomiędzy fotokatodą i pierwszą z dynod. Napięcia
pomiędzy kolejnymi dynodami dobrane są tak, by elektrony wybite
z jednej przemieszczały się w kierunku następnej.
Pierwotny słaby impuls zostaje wzmocniony 105 108 razy i na
anodzie fotopowielacza możliwa jest jego rejestracja.
Liczniki półprzewodnikowe
Wykorzystują zjawisko wybicia elektronów do pasma przewodnictwa przez fotony g
padające na odpowiednio przygotowany półprzewodnik (półprzewodnik to
materiał, który ma zmienną w szerokim zakresie konduktywność = przewodnictwo
właściwe w zależności od temperatury bądz światła) diodę (dioda jest
elementem przewodzącym prąd głównie w 1 kierunku) spolaryzowaną w kierunku
zaporowym (tj. przeciwnym do kierunku przepływu prądu).
Wybicie elektronu powoduje kaskadę jonizacji, co rejestruje się jako zwiększenie
wskazania woltomierza (wzrasta spadek napięcia na oporze połączonym szeregowo
z diodą).
" Wysokoenergetyczne fotony tworzą w
detektorze wiele nośników ładunku: dziur i
elektronów przewodnictwa, w ilości
proporcjonalnej do ich energii.
-
" Ilość wytworzonych nośników jest
proporcjonalna do natężenia rejestrowanego
+
sygnału. Dzięki temu można zmierzyć energię
fotonu ł, który uderzył w licznik.
http://wiki.biol.uw.edu.pl/w/Chemia_j%C4%85drowa/Liczniki_i_detektory_promieniowania
Wykorzystywanie
promieniowania jonizującego w
medycynie
Promieniowanie X - RTG
Promieniowanie X ma długość fali od 10 pm do 10 nm:
" twarde 5 pm do 100 pm
" miękkie 0,1-10 nm.
Posiada ono następujące właściwości:
" jonizuje,
" wywołuje luminescencję,
" nie ulega odchyleniu w polu elektromagnetycznym,
" zaczernia kliszę fotograficzną.
Promieniowanie X zasada działania aparatu RTG
rozżarzona katoda
wysokie napięcie napędzające elektrony
(2000 "C)
lampa
rentgenowska wirująca
anoda
promieniowanie X
e-
obwód żarzenia
jonizacja
katody
Elektrony uwolnione z katody są napędzane przez wysokie napięcie, a następnie hamowane
na anodzie (hamowanie wynika z faktu, że anodę tworzą atomy, które posiadają ujemnie
naładowane chmury elektronowe) i tracą energię w postaci ciepła (99%) oraz w postaci
promieniowania elektromagnetycznego, którego natężenie wyraża wzór:
I = CZiU2
gdzie: C stała, Z l. at. mat. anody, i natężenie prądu anodowego,
U napięcie prądu napędzającego ruch elektronów
Widmo ciągłe
Elektrony mogą zderzyć się z atomami anody raz i stracić całą energię,
wytwarzając kwant promieniowania o możliwie największej energii (co
odpowiada min.) albo kilkakrotnie zderzać się niesprężyście z atomami anody.
Wtedy dochodzi do emisji kilku kwantów promieniowania o mniejszych
energiach i większych długości fali.
Energia, a więc i dł. fali zależą od energii kinetycznej elektronu, a ta zależy od
napięcia w obwodzie napędzającym elektron:
1
I U1>U2>U3
5R5H = 5Z5c2 = !5Z5N5e
2 U1
5P 5R5H
5Z5N5e = = U2
5Z5V5[. !
U3
!5P 1,24
5Z5V5[. = = [5[5Z]
5R5H 5H
min.
Widmo charakterystyczne
Widmo to pojawia się, gdy Ekin. elektronu jest większa niż E potrzebna do
wybicia elektronu z powłoki walencyjnej atomów tworzących anodę.
W zależności od ilości powłok, możliwe jest 1 lub więcej pików w widmie
charakterystycznym.
Przy najmniejszych
długościach fali pojawia się
I
K'L
pik odpowiadający przejściu
powłoki K na L, potem są
L'M
kolejno piki dla L'M,
M'N
M'N itd. Poszczególnym
przejściom odpowiada
pobranie, a pózniej emisja
ściśle określonych energii
są to procesy skwantowane.
Promieniowanie X zdjęcia rentgenowskie
Promieniowanie X ma przenikliwość różną w zależności od tkanki,
którą napotka. Od ilości promieniowania, która po przejściu przez
tkanki, trafi i zaczerni kliszę, zależy rozpoznanie. Tkanki lite, guzy i
kości pochłaniają promienie X i dlatego na obrazie RTG są jasne.
Obecnie mamy do czynienia z emulsją fotograficzną związaną z
warstwą wzmacniającą zaczernienie. Stosuje się CaWO4 lub
pierwiastki ziem rzadkich o wysokich liczbach atomowych.
W badaniach RTG stosuje się środki kontrastowe pozytywne
(duże ź) zw. jodu i baru (BaSO4 wykorzystywany do
obrazowania przewodu pokarmowego) oraz negatywne
powietrze, gazy szlachetne i CO2.
RTG wykorzystanie matryc aktywnych
" Tradycyjne zdjęcie rentgenowskie jest tanim lecz niewygodnym w przechowywaniu
sposobem obrazowania. Nowszym rozwiązaniem jest zastosowanie tzw. matryc
aktywnych.
" Foton pada na
matrycę
półprzewodnikową
podzieloną na bardzo
małe pola, co
wywołuje przepływ
elektronów do
detektora
odpowiadającego
konkretnie tej
matrycy. Pozwala to
na uzyskanie obrazu
cyfrowego o dużej
rozdzielczości.
Carini et al.: Tests of small X-ray Active Matrix Pixel Sensor prototypes at the National Synchrotron Light Source. PIXEL 2008
INTERNATIONAL WORKSHOP FERMILAB, BATAVIA, IL, U.S.A.
Promieniowanie X tomografia
komputerowa
I0
I0
" TK jest metodą opartą na RTG
pozwalającą na cyfrową analizę
obrazu.
ź1
ź2
IA
I0
" TK dzieli obraz na wiele
małych pól o różnych ź.
" Informacje o przetwarzane są
na wartości w skali szarości
ź3
ź4
IB
I0
Hounsfielda (0 woda,
+1023 kości biały; -1023
powietrze - czarny), co
IC ID
pozwala na uzyskanie
cyfrowego obrazu.
5<54 = 5<05R-515e5R-525e = 5<05R-5e(51+52)
" Stosuje się 2 układy pomiarowe
ruchoma lampa + ruchome
1 5<0
5Y5[ = 51 + 52 lub nieruchome detektory.
5e 5<54
to znamy
Wykorzystanie radionuklidów -
autoradiografia
Izotopami promieniotwórczymi znaczy się określony
związek chemiczny. Związek ten dodaje się do
preparatu. Następuje związanie znaczonego związku ze
składnikami preparatu. Cienką warstwę preparatu
nakłada się na kliszę. Następuje rozkład radionuklidu.
Zaczernienie kliszy pozwala na przestrzenne
zlokalizowanie składnika preparatu, z którym związał
się znakowany izotopowo związek chemiczny. Jest to
metoda jakościowa.
Wykorzystanie radionuklidów metoda
rozcieńczenia izotopowego
metoda wykorzystywana w immunologii i biochemii
pozwala na pomiary dla małych próbek
tak jak w poprzednio opisanej metodzie mamy związek chemiczny z
wbudowanym pierwiastkiem promieniotwórczym i dajemy go od
próbki badanej. Zachodzi reakcja związku z jej składnikiem.
różnica polega na tym, że badaniu nie podlega cały preparat, a
izolowany jest składnik, z którym związał się znaczony
promieniotwórczo związek. Składnik ten musi być więc znany,
ponieważ musi być znana metoda jego izolacji.
oznaczenie aktywności promieniotwórczej izolatu pozwala na jego
analizę ilościową, co wykorzystuje się do oceny wydajności reakcji
immunologicznych i biochemicznych.
Wykorzystanie radionuklidów -
scyntygrafia
Scyntygrafia służy do badania narządów wewnętrznych: tarczyca,
nerki, wątroba, śledziona, płuca.
Pacjentowi podaje się pierwiastek promieniotwórczy i mierząc
promieniowanie (głównie ł), określa jego lokalizację w organizmie.
W metodzie tej stosuje się liczniki scyntylacyjne do pomiaru
natężenia promieniowania.
Pierwotnie stosowano pojedynczy licznik z kolimatorem
przesuwany nad ciałem pacjenta.
Obecnie zastosowanie dużej liczby liczników w postaci matrycy
pozwala na pomiar w czasie rzeczywistym (tzw. kamera gamma).
PET pozytonowa tomografia emisyjna
Izotop
najczęściej o
(54=25M-1)
wzorze:
5K
5M
rozpad
negaton (czyli elektron) e-
z otoczenia
emisja pozytonu e+
ANIHILACJA
2 kwanty promieniowania ł każdy po 511 keV
Odchylenie wynika z
faktu, że w chwili
zderzenia elektrony są
w ruchu
pomiar promieniowania w koincydencji czasowej i przestrzennej
Detektorem jest licznik scyntylacyjny.
Scyntylacja jest metodą pomiaru natężenia promieniowania
Detekcja
w zależności od stopnia luminescencji, czyli emisji światła,
która towarzyszy promieniowaniu ł.
http://www.jens-langner.de/ftp/MScThesis.pdf
Warunki, jakie muszą spełniać izotopy:
" ich czas połowicznego rozpadu musi wynosić do kilku
godzin produkcja krótko żyjących izotopów wymaga
CYKLOTRONU,
" muszą być zdolne do emisji pozytonów,
" pozytony przez nie emitowane powinny nieść możliwie
jak najmniejszą energię energia rzędu kilku (3,5) MeV
oznacza wytworzenie pozytonu, który nie anihiluje w
miejscu wytworzenia, a w obrębie 10 mm, co zmniejsza
precyzję pomiarów,
" niski koszt wytwarzania (generalnie jest to droga
metoda),
" możliwość podania do organizmu i selektywność w
rozmieszczeniu w organizmie np. w postaci CO2,
palmitynianu z 11C (ocena metabolizmu serca),
fluorodeoksyglukozy z radioaktywnym F (ocena krążenia
mózgowego), 131I (badanie funkcji tarczycy).
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
biologiczne skutki promieniowania jonizujacegoWytwarzanie promieniowanie rentgenaPromieniowanie rentgenowskie II Pracownia119 Wielkosci opisujace dawki promieniowania jonizujacego Grey REMpromieniowanie jonizujaceprawo promieniowania PlanckaPromieniowanie Wodorowe RoksalCoś na ząb03 promieniowanie konspekt5 Ochrona przed promieniowaniem materialywięcej podobnych podstron