1. Promieniotwórczość naturalna i sztuczna.

Przez promieniowanie jonizujące rozumiemy każde promieniowanie zdolne do jonizowania atomów i cząsteczek substancji, na którą oddziałuje. Rozróżniamy promieniowanie bezpośrednio jonizujące, które tworzą strumienie cząstek naładowanych (elektronów, protonów, deuterów, alfa i innych), oraz pośrednio jonizujące - fotonowe (promieniowanie rentgenowskie i gamma), neutronowe.

Promieniotwórczość naturalna (inaczej promieniowanie naturalne) - promieniowanie jonizujące pochodzące wyłącznie ze źródeł naturalnych:

Z naturalnych pierwiastków radioaktywnych obecnych w glebie, skałach, powietrzu i wodzie:

• obecnych w minerałach, przyswajanych przez rośliny i zwierzęta, a także używanych jako materiały konstrukcyjne,

• syntezowanych w atmosferze (i przenikających do hydrosfery) wskutek reakcji składników atmosfery z promieniowaniem kosmicznym,

• promieniowanie przenikłe do środowiska wskutek działalności przemysłowej człowieka (wydobycie rud uranu, spalanie węgla zawierającego pierwiastki promieniotwórcze).

Źródeł tego promieniowania nie da się uniknąć - są obecne m.in. w ścianach domów, w których mieszkamy, w pokarmie, który spożywamy, wodzie, którą pijemy i w powietrzu, którym oddychamy.

Pierwiastkiem powodującym największą naturalną promieniotwórczość jest radon. Uwalnia się on wskutek rozpadu promieniotwórczego radu znajdującego się w minerałach skalnych, glebie oraz w materiałach konstrukcyjnych budynków.

SZTUCZNE ŹRÓDŁA PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO
• aparatura rentgenowska - diagnostyczna i terapeutyczna oraz przemysłowa, a także kineskopy telewizyjne, prostowniki próżniowe średnich i wielkich mocy

, betatrony, akceleratory
• izotopy promieniotwórcze - "bomby" kobaltowe lub cezowe, igły radowe, mierniki lub czujniki stosowane w przemyśle

(gęstościomierze, pojemnościomierze, wagi

izotopowe, czujniki dymu itp.), znakowanie radioizotopowe

2. Prawo rozpadu naturalnego, aktywność, stała rozpadu, okres połowicznego zaniku.

Prawo rozpadu naturalnego - to zależność określająca szybkość ubywania pierwotnej masy substancji zbudowanej z jednego rodzaju cząstek, która ulega naturalnemu, spontanicznemu rozpadowi.

Szybkość rozpadu
Przy czym λ - stała rozpadu charakterystyczna dla danego izotopu.

Prawo rozpadu
lub
, e=2,72(podstawa log naturalnego), N- liczba jąder, które po czasie t nie uległy rozpadowi,
- liczba jąder w chwili początkowej t=0

stała rozpadu

okres połowicznego rozpadu (czas po którego upływie pozostaje w próbce połowa początkowej liczby jąder), odwrotność tego to średni czas życia

Aktywność równa się szybkości rozpadu

Aktywność próbki początkowej

Aktywność po czasie t
,

Jednostki aktywności:

1Bq= 1
(1 rozpad na sekundę) 1 bekerel

3. Oddziaływania promieniowania jonizującego z materią - podstawowe procesy występujące w tkankach (zjawisko fotoelektryczne, efekt tworzenia par elektron-pozyton, zjawisko Comptona).

Zjawisko fotoelektryczne. W tym zjawisku foton o energii hν wytrąca z atomu elektron i nadaje mu energię kinetyczną
. Energia fotonu zostaje zużyta do wykonania pracy potrzebnej do przezwyciężenia energii wiązania elektronu W (praca wyjścia) oraz na udzielenie mu energii kinetycznej. Ze zjawiskiem fotoelektrycznym wiąże się więc całkowita absorpcja fotonu

Zjawisko Comptona (rozproszenie komptonowskie). Można traktować to jako wynik sprężystego zderzenia fotonu z elektronem. Ponieważ zjawisko to zachodzi przy większych niż w zjawisku fotoelektrycznym energiach fotonu, energię wiązania elektronów w atomie, jako małą w stosunku do energii fotonu, można zaniedbać i traktować te elektrony jako swobodne o początkowej energii równej 0. Ponieważ zderzenie fotonu z elektronem uważamy za sprężyste musi ono podlegać zasadzie zachowania energii i zachowania pędu. Po zderzeniu foton zostaje pod kątem ϑ (kąt rozproszenia), elektron zaś uzyskuje pęd mv, tworząc kąt α z kierunkiem padania fotonu.

Odrzucone elektrony komptonowskie zabierają tylko część energii padającego fotonu. Energia ta jest tym większa, im większy jest kąt rozproszenia fotonu ϑ, a ten z kolei zależy od długości fali fotonu padającego.

Elektron komptonowski jonizuje środowisko podobnie jak fotoelektron. Foton rozproszony, zależnie od posiadanej energii, zapoczątkowuje kolejne zjawiska Comptona, bądź ulega absorpcji w zjawisku fotoelektrycznym.

Tworzenie par elektron-pozyton. Masa i energia są ze sobą związane zależnością:

, masa spoczynkowa elektronu
, prędkość światła
. Podstawiając te wartości otrzymujemy E=0,511 MeV

Mając energię większą od 1,022 MeV, foton może wyzwolić dwa elektrony o przeciwnych ładunkach elektrycznych, tzn. negaton i pozyton, sam ulegając unicestwieniu. Elektrony otrzymane w ten sposób jonizują atomy kosztem swojej energii kinetycznej. Pozyton natomiast, po utracie swojej energii kinetycznej, łączy się z negatonem, po czym obie te cząstki ulegają unicestwieniu, na ich miejsce powstają dwa fotony, które następnie biorą udział w zjawisku fotoelektrycznym lub Comptona.

4. Źródła promieniowania jonizującego (źródła medyczne, radionuklidy naturalne, obiekty jądrowe).

Źródła medyczne: aparaty rentgenowskie, rentgenowskie tomografy komputerowe, akceleratory liniowe, urządzenia izotopowe (bomby kobaltowe, cezowe), igły radowe

Radionuklidy naturalne(radioizotopy naturalne): syntezowane są w gwiazdach, szczególnie podczas wybuchów supernowych. Niektóre z nich (np. uran) posiadają wystarczająco długi okres półtrwania, aby nie ulegały one samorzutnemu rozpadowi w ciągu miliardów lat. Niektóre izotopy (np. 14C) są tworzone podczas zderzeń wysokoenergetycznych cząstek pochodzących z kosmosu (promieniowania kosmicznego) z cząsteczkami atmosfery ziemskiej.

Obiekty jądrowe: bomby jądrowe, elektrownie jądrowe

5. Wielkości stosowane w dozymetrii promieniowania jonizującego (dawka pochłonięta, dawka ekspozycyjna, równoważnik dawki, aktywność źródła promieniotwórczego)

Dawka pochłonięta (D) to iloraz energii ΔE przekazanej przez promieniowanie jonizujące elementowi masy Δm substancji przez masę Δm, czyli

Jednostką jest 1Gy (grej)=1J/kg, to dawka przy której substancja o masie 1kg pochłania energię 1J. Inna jednostką jest 1rad=0,01Gy

Dawka ekspozycyjna (X)
, gdzie ΔQ to suma ładunków elektrycznych wszystkich jonów jednego znaku wytworzonych przez promieniowanie w masie powietrza Δm (przy zachowaniu równowagi elektronowej).

Jednostką jest 1kulomb/kilogram (
). Inna jednostką jest 1rentgen

(1R=
)

Równoważnik dawki pochłoniętej (H) ma określić skutki biologiczne spowodowane ekspozycją na promieniowanie przy małych wartościach dawek pochłoniętych. H=DQN, przy czym N oznacza bezwymiarowy iloczyn tak zwanych współczynników modyfikujących (można przyjąć że jest równy 1), a Q - współczynnik jakości promieniowania (bezwymiarowy)

Aktywność źródła promieniotwórczego oznacza całkowitą liczbę rozpadów jąder promieniotwórczych źródła w jednostce czasu. Jednostka to 1Bq=1rozpad/s

6. Detekcja promieniowania jonizującego (licznik Geigera-Müllera, liczniki scyntylacyjne, detektory półprzewodnikowe).

Licznik Geigera-Müllera Elektrody muszą być spolaryzowane napięciem rzędu kilkuset woltów. Jeśli do wnętrza licznika trafi np. cząstka alfa, to wywoła jonizację atomów gazu wzdłuż swojego toru ruchu. Powstałe w wyniku jonizacji elektrony i jony gazu przyspieszane są w polu elektrycznym, a następnie zderzają się z innymi atomami powodując dalsze jonizacje i w efekcie wyładowanie lawinowe. Wyładowanie to objawia się w zewnętrznym obwodzie elektrycznym zamkniętym rezystorem R powstaniem impulsu napięcia, będącym skutkiem wychwytywania przez cylindryczną katodę jonów gazu. Impuls ten przez wzmacniacz kierowany jest do układu pomiarowego. Czas trwania impulsu, wywołanego pojedynczą cząstką, tzn. czas upływający od chwili rozpoczęcia wyładowania lawinowego do jego wygaśnięcia, nazywany jest czasem martwym licznika. Istotne jest, aby był on jak najkrótszy. Wówczas możliwe jest odróżnienie od siebie kolejnych, szybko po sobie nadlatujących cząstek.

Liczniki scyntylacyjne str.52 jaroszyk

Detektory półprzewodnikowe str.53 jaroszyk

7. Działanie biologiczne promieniowania jonizującego: efekty radiobiologiczne (efekty na poziomie molekularnym, komórkowym, uszkodzenia popromienne ludzi), dawki graniczne promieniowania jonizującego.

Na poziomie molekularnym:

• uszkodzenie DNA: przez rozerwanie jednej nici, rozerwanie obu nici, zszywanie boczne, uszkodzenie szczebli spirali

• uszkodzenie makromolekuły: przez cięcie łańcucha głównego, zszywanie boczne lub rozcinanie, uszkodzenie punktowe

• uszkodzenie chromosomu: przez odcięcie fragmentu, uformowanie niecentryczne, tworzenie pierścienia

Na poziomie komórkowym:

Największa promienioczułość występuje podczas etapów S i mitozy

• czasowe zahamowanie zdolności proliferacyjnej

• efekt sterylizacji z zachowaniem zdolności do wymiany substancji z otoczeniem

• śmierć po jednokrotnym lub kilki podziałach

• śmierć natychmiastowa

• mutacje, ze zmianami nowotworowymi włącznie

• upośledzenie (czasowe lub trwałe) niektórych funkcji komórek

Uszkodzenia popromienne u ludzi:

• skutki somatyczne - zmiany w tkankach i narządach organizmu stwierdzane po napromieniowaniu, w przypadku których daje się ustalić związek przyczynowy między napromieniowaniem i odczynem organizmu: zespół mózgowy, jelitowy, skórny, szpikowy i inne

• skutki somatyczno-stochastyczne - późne skutki napromienienia, których związek przyczynowy z napromienieniem daje się wykazać dopiero po badaniach statystycznych: białaczka, nowotworowy narządów wewnętrznych, skrócenie czasu życia, poronienia, wady rozwojowe

• skutki genetyczne - zwiększenie częstości mutacji zachodzących w komórkach, czyli zmiany popromienne w cząsteczkach DNA i zmiany w chromosomach.

Dawki graniczne promieniowania jonizującego:

, gdzie I oznacza liczbę przypadków, C-liczba przypadków dla dawki zerowej, a i b-współczynniki epimeryczne

Dawka graniczna wyrażona jako efektywny równoważnik dawki dla osób narażonych zawodowo na promieniowanie jonizujące (w ciągu kolejnych 12 miesięcy) wynosi 50mSv (5remów) Natomiast dawka graniczna dla osób zamieszkałych lub przebywających w ogólnie dostępnym otoczeniu źródeł promieniowania w ciągu 12 miesięcy nie może przekroczyć 1mSv (0,1rema)

8. Medyczne zastosowania promieniowania jonizującego i izotopów promieniotwórczych (radioterapia, autoradiografia, metoda rozcieńczania izotopowego, scyntygrafia).

Radioterapia- metoda leczenia za pomocą promieniowania jonizującego. Stosowana w onkologii do leczenia chorób nowotworowych oraz łagodzenia bólu związanego z rozsianym procesem nowotworowym, np. w przerzutach nowotworowych do kości.

Autoradiografia - metoda obrazowania rozkładu substancji promieniotwórczych, najczęściej w płaskim przedmiocie.

Autoradiografię wykonuje się pozostawiając na pewien czas kliszę rentgenowską przyłożoną ściśle do przedmiotu lub pokrywając próbkę emulsją światłoczułą. Wywołana emulsja ujawnia rozkład substancji promieniotwórczych w przedmiocie (autoradiogram).

Wprowadzony do organizmu wskaźnik izotopowy krąży z jego płynami ustrojowymi i jest wbudowywany do związków chemicznych organizmu. Na przykład, aby śledzić przemiany RNA w komórkach, można inkubować komórki z radioaktywnym prekursorem tego związku. Po inkubacji materiał poddaje się rutynowej technice histologicznej: sporządza się skrawki, umieszcza na szkiełkach podstawowych, preparaty pokrywa się emulsją fotograficzną i pozostawia w ciemności (nawet na kilka miesięcy). W tym czasie promieniowanie emitowane przez izotop promieniotwórczy naświetla materiał światłoczuły. Po wywołaniu emulsji można określić rozmieszczenie pobranej substancji radioaktywnej, przykładowo przemiany RNA w komórce albo rozpoznać określone sekwencje DNA.

Metoda rozcieńczeń izotopowych to technika chemicznej analizy jakościowej polegająca na dodawaniu do próbki wskaźnika izotopowego, który ułatwia wydzielenie poszukiwanego składnika w stanie czystym. Warunkiem zastosowania tej techniki jest dostatecznie długi okres połowicznego rozpadu radionuklidu, tak by całkowita aktywność preparatu praktycznie nie ulegała zmianie w czasie oznaczenia

Scyntygrafia - obrazowa metoda diagnostyczna medycyny nuklearnej, polegająca na wprowadzeniu do organizmu środków chemicznych (najczęściej farmaceutyków) znakowanych radioizotopami, cyfrowej rejestracji ich rozpadu i graficznym przedstawieniu ich rozmieszczenia.

Podstawą tej techniki jest znajomość zachowania się niektórych farmaceutyków w organizmie. Stosowane w śladowych koncentracjach pełnią one rolę środka transportowego dla użytego radioizotopu. Znakowany farmaceutyk dobierany jest tak, aby gromadził się w narządzie, który ma zostać zbadany. Radioizotop emituje promieniowanie jonizujące (najczęściej gamma), które dzięki wysokiej energii (optimum 100 - 450 keV) przenika z organizmu pacjenta na zewnątrz jego ciała, gdzie zostaje rejestrowane przez gammakamerę.

Komputer połączony z gammakamerą rejestruje informację w postaci cyfrowej i (obecnie najczęściej dopiero po zakończeniu ujęcia lub badania) generuje obraz przedstawiający rozkład kumulacji izotopu w organizmie. Scyntygrafia umożliwia ocenę morfologiczną (położenie, wielkość, kształt, strukturę) i funkcjonalną (klirens, przepływ, zdolność gromadzenia - np. w przypadku jodu w tarczycy) narządu.

9. Prawo absorpcji

1. osłabianie promieniowania γ oraz rentgenowskiego (prawo Lamberta) - masowy i liniowy współczynnik osłabiania

Natężenie
wiązki promieniowania rentgenowskiego maleje w miarę wnikania w głąb środowiska (tkanki) zgodnie z prawem Lamberta:
, gdzie
-natężenie monoenergetyczne wiązki promieniowania padającego, I - natężenie wiązki promieniowania po przejściu przez absorbent, d - grubość warstwy absorbentu, μ - liniowy współczynnik osłabienia, e - podstawa logarytmu naturalnego,
, gdzie
- masowy współczynnik osłabienia, ρd=R - gęstość powierzchniowa

masowy i liniowy współczynnik osłabienia jest sumą skutków wywołanych przez foton w zjawisku fotoelektrycznym τ, Comptona σ oraz tworzenia par elektron-pozyton π:

μ= τ+ σ+ π

b) zależność energii promieniowania jonizującego absorbowanej przez tkanki od

energii fotonów.

, gdzie E-energia, x - droga, Ze- ładunek cząstki jonizującej, v - prędkość cząstki jonizującej

Oznacza to że im większy ładunek cząstki jonizującej oraz im mniejsza jej prędkość, tym większa jest energia przekazywana ośrodkowi na jednostkowej długości toru cząstki.

---