Magdalena Lisiecka

Katarzyna Krysiuk

Grupa V, zespół VI

Wydział Medycyny Weterynaryjnej

„Promieniowanie jonizujące. Wyznaczanie liniowego i masowego współczynnika pochłaniania promieniowania gamma dla różnych materiałów”

Budowa jądra atomowego.

Jądro atomowe będące centralną częścią atomu zbudowane jest z nukleonów (protony+neutrony).

Proton- trwała cząstka elementarna o ładunku +1 i masie spoczynkowej równej ok. 1 u.

Liczba protonów określa ładunek elektryczny jądra.

Neutron- obojętna elektrycznie cząsteczka subatomowa.

Jądro stanowi niewielką część objętości całego atomu, jednak to w jądrze skupiona jest prawie cała masa. Przemiany jądrowe mogą prowadzić do powstawania ogromnych ilości energii.

Izotop- odmiana atomów pierwiastka chemicznego o określonej liczbie neutronów. Różne izotopy danego pierwiastka różnią się między sobą ilością neutronów N, a więc i masą atomową.

gdzie: E - symbol danego pierwiastka chemicznego, Z- liczba masowa, A- liczba atomowa

Defekt masy (niedobór masy)- różnica między sumą mas poszczególnych składników układu fizycznego a masą tego układu, najczęściej odnosi się do różnicy pomiędzy masą protonów (Z) i neutronów (N), a masą danego jądra atomowego o liczbie masowej A=N+Z. Brakująca masa odpowiada energii wiązania uwalnianej w trakcie łączenia się nukleonów w jądro. Iloczyn niedoboru masy i kwadratu prędkości światła w próżni jest równy energii wiązania jądra (ΔE). ΔE=Δmc² , a energia wiązania jądra to praca jaką należy wykonać, aby rozdzielić jądro atomowe na swobodne nukleony bez nadania im energii kinetycznej.

Promieniowanie jonizujące- każde promieniowanie, zarówno falowe, jak i korpuskularne, zdolne do wywołania jonizacji tj. oderwania przynajmniej jednego elektronu od atomu lub cząsteczki albo wybicie go ze struktury krystalicznej.

Promieniowanie jonizujące występuje tylko i wyłącznie w obecności źródła promieniowania, którym może być izotop promieniotwórczego pierwiastka lub działająca lampa rentgenowska. Promieniowanie to jest wynikiem przemian jądrowych, a więc zmiany w układzie nukleonów w jądrze, której to zmianie towarzyszy zmiana układu energii. Wyróżnia się promieniowanie jonizujące bezpośrednio i pośrednio:

Promieniowanie jonizujące bezpośrednio- strumień cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym jonizujących głównie przez oddziaływanie kulombowskie (wzajemne oddziaływanie ciał, np. cząsteczek posiadających ładunek elektryczny, np. 2 jonów lub jonu). Należą tu:

• promieniowanie alfa (α, jądra helu; ładunek elektryczny +2e)

• promieniowanie beta (β^-, β⁺, elektron i antyelektron, ładunek elektryczny -e, +e, odpowiednio)

Promieniowanie jonizujące pośrednio- promieniowanie składające się z obiektów nieposiadających ładunku elektrycznego. Jonizuje ono materię poprzez oddziaływania inne niż kulombowskie. Należą tu:

• promieniowanie neutronowe (n)

• promieniowanie elektromagnetyczne (promieniowanie rentgenowskie (X), promieniowanie gamma (γ); o energiach wyższych od energii promieniowania ultrafioletowego)

Promieniowanie �� - rodzaj promieniowania jonizującego cechującego się małą przenikalnością. Cząstka alfa składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Ma ładunek dodatni i jest identyczna z jądrem atomu izotopu ⁴He. Cząstka alfa powstaje z jądra pierwiastków promieniotwórczych, jak uran i rad. Proces ten określa się jako rozpad alfa.

Promieniowanie β - rodzaj promieniowania jonizującego wysyłanego przez promieniotwórcze jądra atomowe podczas przemiany jądrowej. Promieniowanie beta powstaje podczas rozpadu beta, jest strumieniem elektronów lub pozytonów poruszających się z prędkością zbliżoną do prędkości światła, jest ono silnie pochłaniane przez materię. Promieniowanie to jest zatrzymywane już przez miedzianą blachę. Ładunek elektryczny cząstki jest równy -1, masa spoczynkowa jest równa masie elektronu, czyli 1/1840u.

Promieniowanie γ - wytwarzane jest w wyniku przemian jądrowych albo zderzeń jąder lub cząsteczek subjądrowych (protony, neutrony i elektrony). Jest promieniowaniem jonizującym i przenikliwym. Do emisji gamma dochodzi jeżeli energia wzbudzenia jądra atomowego jest mniejsza od energii wiązania ostatniego nukleonu. Promieniowanie gamma towarzyszy prawie każdej przemianie jądrowej, ale przemiany te nie są określane jako przemiany gamma. Powstałe po przemianie β jądro jest wzbudzone, czyli ma energię większą od energii takiego jądra w stanie podstawowym. Po pewnym czasie jądro przechodzi do stanu podstawowego emitując dwa fotony o dużej energii (1,17 i 1,33 MeV), będące kwantami promieniowania gamma, np. ⁶⁰Ni* -> ⁶⁰Ni + γ₁ + γ₂

Rozpad promieniotwórczy - zachodząca samorzutnie przemiana jądrowa, w wyniku której następuje emisja odpowiednio cząstki alfa, elektronu, pozytonu lub promieniowania elektromagnetycznego (fotonu). Podstawową własnością rozpadu promieniotwórczego jest brak wpływu fizykochemicznych czynników zewnętrznych na proces, nie zależy on również od jego wcześniejszych losów. To, czy w danym momencie czasu nastąpi rozpad danego jądra możemy opisać jedynie z pomocą pojęć statystycznych określając prawdopodobieństwo takiego rozpadu.

Rozpad alfa - reakcja jądrowa rozpadu, w której emitowana jest cząstka α (jądro helu 
).

W wyniku rozpadu alfa powstające jądro ma mniejszą o 2 liczbę atomową a liczbę masową mniejszą o 4 w porównaniu z rozpadającym się jądrem.

Rozpad beta minus, przemiana β^- - reakcja jądrowa, w której emitowany jest elektron e^- (promieniowanie beta) oraz antyneutrino elektronowe. Rozpady β^- i β+ zachodzą w wyniku oddziaływań słabych.

W wyniku tej przemiany liczba masowa pozostaje bez zmian a liczba atomowa wzrasta o .

Rozpad beta plus- reakcja jądrowa, w której emitowana jest .cząstka β⁺ oraz neutrino elektronowe.

Gdzie X i Y są jądrami - początkowym i końcowym, A oznacza liczbę nukleonów w jądrze a Z - liczbę protonów w jądrze początkowym.

Prawo rozpadu promieniotwórczego - prawo określające zmianę w czasie ilości jąder substancji promieniotwórczej na skutek rozpadu promieniotwórczego. Prawdopodobieństwo rozpadu cząstek tworzących substancję jest dla każdej z nich jednakowe i niezależne oraz nie zmienia się w czasie trwania procesu rozpadu.

Stała rozpadu (λ) - jest to parametr charakteryzujący substancję radioaktywną. Jest on równy prawdopodobieństwu zajścia rozpadu jednego jądra atomowego w jednostce czasu. Stała rozpadu jest związana z czasem życia τ i czasem połowicznego rozpadu T_½ związkiem:

Czas połowicznego rozpadu (zaniku)- czas, w ciągu którego liczba nietrwałych jąder atomowych (promieniotwórczych), a zatem i aktywność promieniotwórcza, zmniejsza się o połowę. Wyrażany wzorem:

Gdzie: N(t) - liczba obiektów pozostałych po czasie t, N₀ - początkowa liczba obiektów

Okres połowicznego zaniku jest wielkością stałą dla danego pierwiastka promieniotwórczego. Dla różnych pierwiastków jest on różny, w granicach od wielu lat do ułamków sekund.

Zmiana natężenia promieniowania po przejściu przez substancję.

Promieniowanie gamma przechodząc przez materię ulega pochłanianiu (wielkość pochłaniania zależy od energii promieniowania). W miarę zagłębiania się wiązki w materiał liczba cząstek będzie się zmniejszać i nie będzie już równa liczbie cząstek padających na materiał z zewnątrz. Następuje:

Osłabienie wiązki promieniowania γ , które spowodowane jest głównie występowaniem trzech niezależnych procesów:

• efekt fotoelektryczny- w wyniku którego promieniowanie gamma oddaje energię elektronom odrywając je od atomów lub przenosząc na wyższe poziomy energetyczne

• efekt Comptona- słabo związane lub swobodne elektrony doznają przyspieszenia w kierunku rozchodzenia się promieniowania. W pojedynczym akcie oddziaływania następuje niewielka zmiana energii kwantu gamma. W wyniku oddziaływania z wieloma elektronami kwant gamma wytraca swą energię. Jest to najważniejszy sposób oddawania energii przez promieniowanie gamma.

• zjawiska tworzenia par elektron-pozyton- gamma uderzając o jądro atomowe powoduje powstanie par cząstka-antycząstka a prościej- polega na zamianie (konwersji) fotonu w parę: pozyton i elektron.

Prawo absorpcji promieniowania:

I=I₀e^{- d}

opisuje zmianę natężenia promieniowania po przejściu materiału o grubości d i liniowym współczynniku absorpcji μ, którego początkowe natężenie (I₀) wynosiło I0.

e=2,7 - podstawa logarytmu naturalnego

Ilościowo, dla danego materiału osłony, zjawisko opisuje współczynnik osłabienia µ, zależny ponadto od rodzaju promieniowania i jego energii.

Współczynniki osłabienia:

Dla x=0 mamy N₀=C, co pozwala nam zapisać wzór na osłabienie wiązki przy przechodzeniu przez warstwę materiału o grubości x:

Wprowadzając oznaczenie
możemy zapisać wzór w postaci:

gdzie
nazywamy liniowym współczynnikiem osłabienia wiązki, którego wymiar wyrażany jest np. w cm^-1.

Jednostki promieniowania jonizującego:

Aktywność promieniotwórcza (A) jest to szybkość rozpadu jąder danego rodzaju. Jednostką jest bekerel [Bq] =(s^-1). Jest to ilość rozpadów promieniotwórczych następujących w jednostce czasu.

A= ΔN/Δt

ΔN - ilość rozpadów promieniotwórczych

Δt - czas.

Do ilościowej oceny promieniowania używa się pojęć dawki ekspozycyjnej, dawki pochłoniętej i równoważnika dawki.

Dawka ekspozycyjna jest to dawka stanowiąca określoną sumę ładunków elektrycznych jonów jednego znaku, które są wytworzone w określonej jednostce masy powietrza.

D_e=ΔQ/Δm [C*kg^-1]

ΔQ - ilość wytworzonych ładunków elektrycznych

Δm - masa powietrza.

Dawka pochłonięta jest to ilość energii pochłoniętej przez jednostkę masy materii pochłaniającej promieniowanie. Jednostką dawki pochłoniętej jest grej.

D_a=ΔE/Δm [1 Gy = 1 J/kg]

ΔE - pochłonięta energia

Δm - masa materii.

Dawka równoważna (H) jest to dawka pochłonięta z uwzględnieniem rodzaju i jakości promieniowania. Jednostką dawki równoważnej jest siwert [1 Sv = 1 J/kg]. Wartości współczynnika jakości promieniowania zależą zarówno od rodzaju jak i od jakości promieniowania.

H = Q*D_a

Q - współczynnik jakości promieniowania

D_a - dawka pochłonięta.

Dawka skuteczna (E): dawka pochłonięta z uwzględnieniem zarówno rodzaju i jakości promieniowania jak również biologicznych skutków wywoływanych przez dane promieniowanie w narządach (tkankach). Jednostką dawki skutecznej jest również Sv.

E = BQD

B - współczynnikiem skuteczności biologicznej.

---