Wykład dla studentów kierunku  analityka medyczna
Promieniowanie jÄ…drowe
Hanna Trębacz
Katedra i Zakład Biofizyki
Uniwersytet Medyczny w Lublinie
2012/2013
 Promieniowanie jÄ…drowe
Oddziaływanie promieniowania jądrowego z
materiÄ…
Wykorzystanie izotopów promieniotwórczych
w medycynie
i nie tylko w medycynie
Jądro atomowe  pojęcia podstawowe
Budowa jÄ…dra atomowego
Liczba atomowa, liczba masowa
Izotopy
Promieniowanie jÄ…drowe
0 0
4
e e
h
He
1 1
2
Promieniowanie jÄ…drowe  rozpad
A A 4 4
X Y He
Z Z 2 2
EKin = nMeV
214 210 4
Po Pb He
84 82 2
EKin=7,7 MeV
Promieniowanie jÄ…drowe  rozpad
A A 0
X Y e
Z Z 1 1
15 15 0
O N e
8 7 1
A A 0
X Y e
Z Z 1 1
14 14 0
C N e
6 7 1
EKin = 1MeV
SkÄ…d siÄ™ biorÄ… elektrony w jÄ…drze?
1 1 0
~
n p e
0 1 1
1 1 0
p n e
1 0 1
Promieniowanie jÄ…drowe 
(promieniowanie elektromagnetyczne)
A * A
X X
Z Z
61 61
Ni* Ni
28 28
Promieniotwórczość sztuczna
Rozpad jądra uranu jako przykład
promieniotwórczości sztucznej
235 1 236 94 139 1
U n U Sr Xe 30 n
92 0 92 38 54
Neutrony jako inicjatory reakcji łańcuchowej
Prawo rozpadu promieniotwórczego
dN
 stała rozpadu
N
dt
t
N N0e
Prawo rozpadu promieniotwórczego
żðAktywność izotopu
N
R N
t
żðJednostka aktywnoÅ›ci w SI  bekerel; 1Bq = 1/s
żðOkres poÅ‚owicznego zaniku  T
ln 2 0,693
T T
Prawo rozpadu promieniotwórczego
Zmiana aktywności izotopu
90
Sr
T1/2=28 lat
Oddziaływanie promieniowania
jÄ…drowego z materiÄ…
Fizyczny etap absorpcji promieniowania
Chemiczny etap absorpcji promieniowania
Biologiczne skutki absorpcji promieniowania
Fizyczny etap absorpcji promieniowania
Promieniowanie korpuskularne ( , )
Neutrony
Promieniowanie elektromagnetyczne
Oddziaływanie promieniowania
korpuskularnego z materiÄ…
Jonizacja  powstawanie elektronów i
zjonizowanych atomów
Promieniowanie elektromagnetyczne (w wyniku
hamowania elektronów na jądrach atomów
ośrodka)
Wytwarzanie ciepła
Oddziaływanie promieniowania
korpuskularnego z materiÄ…
Liniowe przenoszenie energii (LET):
ilość energii traconej przez promieniowanie na
jednostkÄ™ przebytej drogi
dE B Z
dx v2 A
B  parametr zależny od ładunku cząstki jonizującej ,
v - prÄ™dkość czÄ…stki jonizujÄ…cej, Á  gÄ™stość oÅ›rodka
LET określa zdolność ośrodka do pochłaniania
promieniowania jonizujÄ…cego
Oddziaływanie neutronów z materią
Zderzenia z jądrami atomów
Wzbudzenie jÄ…dra
Promieniowanie
Pochłonięcie neutronu przez jądro atomu
Promieniowanie
Oddziaływanie promieniowania
elektromagnetycznego z materiÄ…
Efekt fotoelektryczny
Zjawisko Comptona
Tworzenie par elektron-pozyton
Efekt fotoelektryczny
h
Pierwotny foton
(kwant )
Fotoelektron
Efekt Comptona
h 
foton
rozproszony
h
elektron
pierwotny
Comptona
foton
Dla fotonów o energii od 100 keV do 10 MeV
Tworzenie par elektron-pozyton
pozyton
elektron
h e" 1,02 MeV
Oddziaływanie promieniowania z materią
100
80
Efekt
fotoelektryczny
Tworzenie par
elektron-pozyton
60
40
Zjawisko
Comptona
20
0,1 1 10 100
Energia promieniowania (MeV)
Liczba atomowa
Oddziaływanie promieniowania z materią
Pochłanianie wiązki promieniowania prowadzi
do jej osłabienia
Prawo absorpcji promieniowania:
x
I I0e
Io  natężenie wiązki padajacej,  liniowy współczynnik
pochłaniania, x- grubość warstwy absorbującego ośrodka
Oddziaływanie promieniowania z materią
Jonizacja w 1 cm powietrza
 104 par jonów
 102 par jonów
 100 par jonów
Oddziaływanie promieniowania z materią
Zasięg promieniowania (3 MeV) w wodzie
 1 m
 10 m
 n·100 m
Oddziaływanie promieniowania
z materiÄ…
Przenikliwość różnego typu
promieniowania
Dłoń
Beton
Ołów
Ołów
Aluminium
Chemiczny etap absorpcji promieniowania
przez organizmy żywe
radioliza wody
Rozpad wody pod wpływem promieniowania
(radioliza wody)
Powstawanie wolnych rodników: H·,OH·
Powstawanie nadtlenku wodoru H2O2
2H2O H2O+ + e- + H2O*
Produkty radiolizy wody  podstawowy czynnik
odpowiedzialny za radiacyjne efekty biologiczne
Biologiczne skutki absorpcji
promieniowania
Działanie pośrednie:
wchodzenie produktów radiolizy wody w
reakcje z biomolekułami (DNA, białka)
Działanie bezpośrednie:
Rozrywanie łańcuchów kwasów nukleinowych
Uszkodzenie aminokwasów (zmiany procesów
syntezy białek, aktywności enzymów)
Biologiczne skutki absorpcji
promieniowania
Skutki:
Przejściowe
Trwałe: uszkodzenie materiału genetycznego
Wysoka wrażliwość organizmów we wczesnej
fazie rozwoju
Wysoka wrażliwość komórek rozrodczych i szpiku
kostnego
Letalne
Ilościowa ocena promieniowania
Dawka pochłonięta, Da (E/m):
Jednostka w SI : 1Gy (grej) = 1 J/kg
1 rad = 0,01 Gy
Dawka dopuszczalna  0,15  1,25 Gy,
5 Gy na cały organizm  śmiertelne zagrożenie
(Scyntygrafia: 0,01  0,1 Gy)
Dawka ekspozycyjna, Dexp (Q/m):
SI : 1 C/kg
Moc dawki jako stosunek dawki do czasu
y
ródła narażenia na promieniowanie
Ilościowa ocena promieniowania
skutki biologiczne
Równoważnik dawki, H = Da·Q
Jednostka w SI: 1Sv (sievert)
Współczynnik jakości promieniowania (Q)
X i > 30 keV 1
> 30 keV 1,2
n, p 10
25
Zastosowanie izotopów promieniotwórczych
- podstawy
Izotopy promieniotwórcze oraz trwałe tego
samego pierwiastka sÄ… chemicznie jednakowe
Powinowactwo tkankowe izotopów
Izotopy promieniotwórcze są łatwo wykrywalne
dzięki emitowanemu promieniowaniu
Emisja promieniowania jest rozłożona w czasie
Istnieją czułe metody detekcji nawet
najmniejszej ilości promieniowania, takich, które
nie wywierają ujemnego wpływu na organizm
Zastosowanie izotopów promieniotwórczych
Badanie kinetyki przemian metabolicznych, np.
Jod 125I, Technet 99Tc (T1/2=6h)
Autoradiografia: lokalizacja znakowanego zwiÄ…zku w
strukturach tkanek
Metoda rozcieńczania izotopowego
ze zmiany aktywności znacznika izotopowego w
preparacie określa się ilość substancji i wydajność
reakcji
Scyntygrafia
Tomografia emisji pozytonowej
Radioterapia
Autoradiografia
Określenie miejsc
wiązania związków
chemicznych, które
zawierajÄ… atomy
promieniotwórczych
izotopów
Scyntygrafia
Cel- Zobrazowanie aktywności metabolicznej narządów i tkanek
Metoda - pomiar rozkładu radioaktywności w ciele spowodowanej
kumulacjÄ… substancji radioaktywnej w badanym narzÄ…dzie
Detekcja na zewnątrz ciała - scyntygrafy, gamma ( ) -kamery
Głównie do badania aktywności tarczycy, nerek, kości, płuc.
Najczęściej stosowane radioizotopy  technet-99 (T1/2  6 h), jod-
123 (T1/2  13,3 h), tal-201, gal-67
Scyntygrafia
Scynytgram nerek, na dole pokazana jest zmiana
radioaktywności wraz z czasem
Tomografia emisji pozytonowej (PET)
Cel- Zobrazowanie aktywności metabolicznej narządów i tkanek
qðTechnika diagnostyczna, w której jako znaczników
+
używa się radioizotopów promieniujących pozytony ( )
- głównie 11C, 15O, 18F (wbudowane w glukozę lub CO2).
qðPozytony emitowane wewnÄ…trz ciaÅ‚a anihilujÄ… z
elektronami w tkankach wytwarzajÄ…c promieniowanie .
+ -
qðPromieniowanie jest rejestrowane na zewnÄ…trz ciaÅ‚a
za pomocÄ… gamma-kamery.
Zastosowanie PET
PET stosuje się głównie przy badaniach mózgu, serca,
oraz nowotworów nawet w bardzo wczesnych stadiach
rozwoju.
Zastosowanie PET wpłynęło na poszerzenie wiedzy o
chorobie Alzheimera, Parkinsona, różnych postaciach
schizofrenii.
Skan PET mózgu :
zdrowego człowieka oraz schizofrenika
Radioterapia
bomba kobaltowa
Leczenie nowotworów
y
ródła otwarte  włączane w cykl przemian
metabolicznych; wykorzystuje siÄ™ powinowactwo
tkankowe izotopów, np. :
198Au  białaczki szpikowe
131I  choroby gruczołu tarczowego
y
ródła zamknięte
32
Kontaktowe - emitery (np. P, 90Sr)
y
ródła (np. 137Cs, 60Co, )
Promieniowanie kosmiczne
Datowanie izotopowe
reaguje z jÄ…drem azotu
qðDopóki organizm żyje stosunek
tworzÄ…c
izotopu 12C do izotopu 14C jest w
węgiel 14C.
nim stały, taki jak w atmosferze.
Wbudowuje siÄ™ on
qðPo Å›mierci organizmu (i zaniku
w atmosferyczny
metabolizmu) stosunek ten
CO2
zwieksza siÄ™.
który pobierany
jest przez rośliny
qðOkres poÅ‚owicznego zaniku dla
i, pośrednio,
14
C wynosi 5730 lat
przez zwierzęta.
Wykrywanie związków azotu
(w materiałach wybuchowych)
14 1 15
N n N
7 0 7
N
252 251 1
Cf Cf n
92 92 0
To już jest KONIEC