Budowa jądra atomowego

Cały nasz wielki świat zbudowany jest z atomów. Atomy składają się z trzech rodzajów cząstek: protonów, neutronów i elektronów. Protony i neutrony upakowane są w jądrze, które zajmuje w atomie pozycję centralną, elektrony zaś krążą wokół niego. Często wyobrażamy sobie atom jak na rysunku obok. Przeciętna jego średnica wynosi jedną lub dwie dziesięciomiliardowe części metra. Taki planetarny model atomu, chociaż niezbyt wiernie odzwierciedlający rzeczywistość, jest wystarczający dla naszych celów. Patrząc na ten schematyczny rysunek pamiętajmy, że średnica jądra atomowego jest naprawdę około 10 000 razy mniejsza od średnicy orbity elektronu, a rozmiarów przestrzennych elektronu w ogóle nie znamy!

Jądro atomowe to centralna część każdego atomu, w której skoncentrowana jest niemal cała masa atomu. Istnienie masywnych jąder atomowych o objętości stanowiącej tylko niewielką część objętości całego atomu zostało stwierdzone w 1911 roku przez E. Rutherforda i jego współpracowników. Nie znamy kształtu jądra, ale najczęściej przyjmujemy, że jest on kulisty.

Jądro składa się z protonów (ich liczbę Z nazywa się liczbą atomową) i neutronów. Składniki jądra czyli protony i neutrony nazywamy nukleonami (liczba A nukleonów w jądrze zwana jest liczbą masową tego jądra. Jądra atomowe o tej samej liczbie protonów a różnej liczbie neutronów nazywamy izotopami (jądra tego samego pierwiastka).

Protony i neutrony jak wszystkie hadrony składają się z kwarków. Kwarki wewnątrz protonu i neutronu oddziaływują ze sobą w wyniku oddziaływania silnego wymieniając gluony. Oprócz tego kwarki jednego protonu mogą się "sklejać" z kwarkami innego protonu lub neutronu co utrzymuje jądro w całości. Nazywamy to szczątkowym oddziaływaniem silnym.

Obrazowanie za pomocą rezonansu magnetycznego (MRI - magnetic resonance imaging) uwidaczniają subtelne fluktuacje w magnetycznych właściwościach jąder wodoru. Zauważyli oni, że na jądra atomowe umieszczone w silnym polu magnetycznym można działać falami radiowymi o ściśle określonej częstości. Jądra absorbują energię tych fal radiowych, a potem oddają ją - emitując fale o tej samej częstości. Szybko przekonano się, że można w ten sposób badać chemiczną strukturę substancji. Zjawisko to zachodzi najłatwiej dla jąder wodoru, ponieważ są najlżejsze i stosunkowo prosto jest działać na nie polem magnetycznym i falami radiowymi.

Obrazowanie za pomocą rezonansu magnetycznego polega na umieszczeniu pacjenta w komorze aparatu, w stałym polu magnetycznym o wysokiej energii. Silne magnesy wytwarzają jednorodne pole, które powoduje, że momenty magnetyczne lub inaczej spiny jąder wodoru (protonów) porządkują się w kierunku pola. Dodatkowe cewki wytwarzają krótkie impulsy promieniowania elektromagnetycznego o częstotliwości radiowej. Jądra wodoru absorbują energię tych fal radiowych, zmieniają swój stan, a potem oddają energię emitując fale o tej samej częstości (zachodzi więc zjawisko rezonansu). Sygnały te odbierane są przez aparat i można precyzyjnie zlokalizować miejsce, w którym zachodzi emisja. Szybkość emisji zależy od typu cząsteczek i jest różna dla tłuszczów, białek, wody i innych bogatych w wodór związków, co pozwala rozróżnić typy i gęstości tkanek.

Odebranym sygnałom komputer przypisuje odpowiednią skalę szarości i na ekranie monitora telewizyjnego lub na zdjęciach widać obszary o różnym stopniu zaczernienia. Komputer na żądanie operatora może dokonać też obliczeń w taki sposób, aby przedstawić obraz anatomiczny w dowolnie wybranej płaszczyźnie. Obrazy badanych struktur u poszczególnych pacjentów zapamiętywane są w pamięci stałej komputera, tj. na dyskach optycznych. Obrazy te są także przez specjalną kamerę naświetlane na zwykłej folii rentgenowskiej.

Aby polepszyć obraz stosuje się środki kontrastowe różniące się pomiędzy sobą właściwościami magnetyczni, dzięki którym możliwa jest ocena nie tylko struktury, ale także funkcji tkanek i narządów. Za jego pomocą bada się wydzielanie nerkowe, ogniska zapaleń, ukrwienie tkanek i narządów. Badania z wykorzystaniem rezonansu magnetycznego są bardzo podobne jak w przypadku tomografii

komputerowej, ale jest jeszcze dokładniejsze i wnosi więcej informacji, choćby dlatego że dostarcza wiadomości na temat wielkości, kształtu i umiejscowienia różnych zmian chorobowych. Zachodzi to dzięki możliwości trójwymiarowego obrazowania oraz większej czułości kontrastowej.

Rezonans magnetyczny jest obecnie najbardziej wszechstronną i precyzyjną metodą w diagnozie raka. Umożliwia odwzorowanie nawet niewielkich zmian nowotworowych w prawie każdym narządzie i tkance ciała. Co więcej pozwala na pokazanie dynamiki tych zmian i stopnia ich złośliwości w stosunku do organizmu.

Drugim istotnym obszarem zastosowań klinicznych rezonansu jest układ mięśniowy i szkieletowy. Ta metoda pozwala uzyskać bardzo dobre obrazy kręgosłupa i otaczających go przestrzeni, a także umożliwia uwidocznienie elementów niedostępnych badaniu za pomocą promieni rentgenowskich np. szpiku kostnego. Duże znaczenie ma także możliwość wykorzystania rezonansu w angiografii czyli uzyskiwaniu obrazu naczyń krwionośnych. Różnice w intensywności sygnałów, jakie emituje krew i ściany naczyń, umożliwiają bardzo dobre uwidocznienie jam serca i mięśnia sercowego.

Jest to badanie całkowicie nieinwazyjne, gdyż w przeciwieństwie do innych badań radiologicznych nie wykorzystuje promieniowania rentgenowskiego, lecz nieszkodliwe dla organizmu pole magnetyczne i fale radiowe, lecz niestety należy do najdroższych badań w radiologii.