Párhuzamok: legerjedés Párhuzamok: energia átadása

Átírás

1 Az atom felépítése AZ IONIZÁLÓ SUGÁRZÁS FAJTÁI ÉS KELETKEZÉSE. elektron TÖLTÖTT RÉSZSKÉK KÖLCSÖNHATÁSA KÖZEGGEL proton Varga József Debreceni Egyetem Nukleáris Medicina Intézet Fogorvos-képzés, 26 atommag Atomi részecskék 2 Atomi részecskék mérete Jelmagyarázat: elektron proton neutron kvark kvarkok gluonok AMU: mag 3 A részecskék tömege 4 Tömegveszteség = kötési energia Ha a mag Z protonból és N neutronból áll, akkor a mag Em kötési energiája: atomi tömegegység ( atomic mass unit ): a C-2 atom tömegének /2 e; Pl. az oxigén-8 esetén: 5 6 Párhuzamok: legerjedés Párhuzamok: energia átadása Az elektronhéjnak: Az elektronhéjban: Augerelektron Energia karakterisztikus röntgen-sugárzás Az atommagnak: Energia, részecske fotonok Az atommagban: alfa-részecske béta- részecske gamma-sugár 8

2 Röntgen-sugárzás (895) Az atommag energiaszintjei ENERGIA Gerjesztés Legerjedés MeV Fizikai Nobel-díj, 9 a később róla elnevezett sugárzás felfedezéséért" Részecske-kibocsátás ~8 MeV Gamma-sugár Foglalt szintek The nucleons can occupy different energy levels and the nucleus can be present in a ground state or in an excited state. An excited state can be reached by adding energy to the nucleus. At deexcitation the nucleus will emit the excess of energy by particle emission or by electromagnetic radiation. In this case the electromagnetic radiation is called a gamma ray. The energy of the gamma ray will be the difference in energies between the different energy levels in the nucleus. Wilhelm Conrad Röntgen ( ) 9 924: A radioaktív nyomjelzés alkalmazásának elve: Radioaktivitás (896) Ha egy molekulában valamelyik atomot annak radioaktív izotópjára cseréljük, ez nem változtatja meg lényegesen a kémiai és biológiai tulajdonságait. ANTOINE HENRI BQUEREL (852-98) MARIE CURIE (86-934) PIERRE CURIE (859-96) 93: Fizikai Nobel-díj a spontán radioaktivitás felfedezésével nyújtott rendkívüli teljesítményének elismeréseként 93: Fizikai Nobel-díjasok a Henri Becquerel professzor által felfedezett sugárzási jelenségek kutatása terén nyújtott rendkívüli közös teljesítményükért Következmény: a molekula mozgása, eloszlása, felhalmozódása sugárzásméréssel kimutatható. Mesterséges radioaktív anyag előállítása HEVESY György ( ) 943: Kémiai Nobel-dij az izotópok, mint nyomjelzők alkalmazásáért a kémiai folyamatok tanulmányozására 2 Az atomi részecskék felfedezése atomreaktorban (magas neutron-fluxus) gyorsítók felhasználásával (kör-körös: ciklotron) drága! Ernest Lawrence (Berkeley) 93: a ciklotron feltalálója 939: fizikai Nobel-díj 3 Atommagok (nuklidok) jelölése vagy -A : vegyjel Z: rendszám A: tömegszám (pl. 4 Egy nukleonra jutó kötési energia C vagy C- ) 6 Kötési energia (MeV) A Z (protonok száma) (protonok és neutronok együttes száma) Tömegszám 5 6

3 Maghasadás neutronkibocsátással n váltja ki Magátalakulások leírása. Tömegszám-megmaradás (A) 2 n távozik A protonok + neutronok száma az átalakulás előtt és után ugyanaz: U + n 55 Cs + 3 Rb + 2 n = x 2. Töltésmegmaradás A töltésszám az átalakulás előtt és után megegyezik: U Alfa-bomlás Cs Rb 92 + = x + 2 n 8 2 Stabilitási görbe 2 p n A Z + n AZ 42Y 24He 9 Kis rendszámú magok bomlási módja Z=N Gamma Béta Neutronszám Stabil Béta-bomlás típusai Pozitron (Negatív) béta-bomlás (-): Pozitív béta-bomlás (+): Elektron-befogás () (K-befogás): n p e p n e p e n H-3 n-gazdag Be- p-gazdag Az elektron és antineutrinó ill. pozitron és neutrinó osztozik az energián folytonos energia-eloszlás, Emax jellemző 5 5 Protonszám 2 előtte Varga J. 26 Példa: oxigén neutron Gamma-sugárzás Stabil, proton- és neutrontöbbletű magok proton utána Ionizáló sugárzások keletkezése Izomer (=rendszám- és tömegszám-változás nélküli) energia-kibocsátás a magból. 3 Mindig valamilyen más magátalakulást (pl. alfa-, bétabomlást) kísér. = Nitrogén Pl.: diszprózium (elektron-befogás után) 8 = Oxigén 9 = Fluor előtte 23 utána 24

4 Példa: Co-6 bomlását kísérő -kibocsátás Az orvosi-biológiai gyakorlat számára legfontosabb magátalakulások jellemzői Bomlási mód: Változás: Neve Jele Távozik Rendszám Tömegszám alfa 2p+2n ( 4 2 He++ ) -2-4 béta - e- + pozitív béta + e+ - elektronbefogás (kar. rtg.) - izomer magátalakulás Sugárzások: mi honnan jön? A radioaktív bomlás jellemzői röntgen-sugár Radioaktív atom gamma-sugár Ionizáló sugárzás alfa-részecske béta-részecske Egy sugárzó anyag jellemzésekor elsősorban azt kell megadni: milyen fajtájú a sugárzás (alfa, béta, gamma) milyen a keletkezett részecskék energiája mekkora a minta radioaktivitása, azaz átlagosan hány bomlás történik időegységenként (egysége: bomlás/s = Bq) milyen gyorsan csökken a minta radioaktivitása ( felezési idő ) 2 28 A radioaktivitás egysége SI előtagok becquerel = Bq = bomlás/sec korábbi egység: curie = Ci = 3 GBq Nagyságrendek: in vitro méréseknél kémcsőben: ~ kbq I-25 pajzsmirigy jódfelvétel mérése: 2 kbq I-3 vese-clearance méréséhez beadva: 3 MBq Cr-5 nyelőcső szcintigráfia: 2 MBq Tc-99m csontszcintigráfia: 6 MBq Tc-99m pajzsmirigy rák terápia ~ GBq I-3 Faktor Név Jel - deci d -2 centi c -3 milli m -6 micro µ -9 nano n -2 pico p -5 femto f -8 atto a -2 zepto z -24 yocto y Faktor Név Jel 24 yotta Y 2 zetta Z 8 exa E 5 peta P 2 tera T 9 giga G 6 mega M 3 kilo k 2 hecto h deka da 29 3 A Mo-99 bomlási sémája A Ga-6 bomlási adatai táblázatban töltés csökken ( +) töltés nő ( -) energia csökken Nuklid Felezési idő Bomlási mód Energia Ga h P (%) 3 32

5 Ni-6 keletkezési útjai Kutató laborok leggyakoribb radionuklidjai Rad. nukl Boml. mód 33 Emax Eátl 2.33 év C-4 53 év P S Ca I I-3, 8.2 H-3 Tfél E E rtg A Fe-5 bomlási sémája Az atomon belüli energia-átadás 4.4 kev-es gerjesztett állapotból -sugárzás karakterisztikus röntgen-sugárzás A konverziós elektronokat a magból érkező gamma-sugárzás konverziós elektron 99Mo- 99m Tc míg az Auger-elektronokat karakterisztikus röntgensugárzás váltja ki. 35 generátor 36 Anyaelem-leányelem egyensúly Vákuumos edény Tartós egyensúly TB<<TA Oldószeres edény Átmeneti egyensúly TA TB Szűrő Légszűrő Nincs egyensúly TA / TB Ólom árnyékolás Alumínium-oxid oszlop 3 Tc-generátor: atomok relatív száma 38 Csak elektromágneses sugárzás? A gamma-sugárzás nem önmagában lép fel, hanem mindig egy más magátalakulás kísérő jelensége. Időben elkülönül: metastabil mag Térben elkülönül: K-befogás e- 39 rtg. 4 4

6 Radionuklid kiválasztása leképezéshez A héjelektronok átmenete alacsonyabb energiaszintre meghatározott (a két nívó különbségével egyenlő) energiájú elektromágneses hullácsomag (karakterisztikus röntgen ) kibocsátásával jár. Elektromágneses sugárzást detektálunk! Gamma-sugárzás Karakterisztikus röntgen Pozitron-bomlás megsemmisülési sugárzás: 2 5 kev (K-befogás után) alacsony-közepes energiájú Felezési idő: ~ óra (v. ) Megfelelő vegyület jelezhető legyen vele Ezt is használjuk a röntgen-diagnosztikában! 4 8. h mód Se- 5 9 Kr-8m Tc- 99m I -23 I Tl-2 3. h sec h h IM IM BB Pozitron-emissziós leképezés legfontosabb radionuklidjai A leképező diagnosztika legfontosabb radionuklidjai Nuklid Felezési idő Bomlási Energia P (%) Ga- 6 C- N-3 O-5 F Nuklid Felezési idő min B+ a.r. 9 min B+ 2.3 min O-5 24 sec F Energia C - N Bomlási mód B+ B+ P (%) 98 a.r. a.r. 94 Az in vitro diagnosztika legfontosabb radionuklidja 44 A bomlás törvénye Instabil (még bomlásra képes) magok számának változása: Nuklid Felezési idő I Bomlási Energia mód P (%) dn N dt N N e t N. 5 t / T Időegységenként elbomló magok száma: 2 35 A : bomlási állandó (/s) T ln 2 felezési idő dn N dt A N e t A e t 45 ln( 2 ).693 ln(2)/ min (valódi, Tc-99m: 36 min) y = 36.96e -.8x 6 log(beütésszám) Idő (min) 46 A radioaktív anyag mennyisége két okból csökkenhet egy szervben: N N.5 t / T N e t 8 Effektív felezési idő Felezési idő értelmezése T fizikailag bomlik fizikai felezési idő, Tfiz biológiailag ürül (függetlenül a radioaktivitásától) - biológiai felezési idő, Tbiol A kettő együttes hatása effektív felezési idő, Teff Teff Tfiz Tbiol Példa: I-3: Tfiz=8 felgyorsult jódforgalom hyperthyreosisban: Tbiol=24 együttesen: 5 Idő (min) Teff=6 4 =/6 48

7 A radioaktivitás statisztikus jelenség Átlagos érték: Töltött részecskék kölcsönhatása a közeggel IONIZÁCIÓ: Amikor a részecske a közegben levő molekulákkal ütközik, ionpárokat kelthet. Az ionizációs képesség mértéke a fajlagos ionizáció (az egységnyi úthosszon keltett ionpárok száma), amely a részecske és a közeg jellemzőitől egyaránt függ. Poisson-eloszlás: A A pontosabb mérés: nagyobb aktivitás hosszabb mérési idő MAGREAKCIÓK KIVÁLTÁSA: GERJESZTÉS: Az ütközés eredményeként az atom vagy molekula átmenetileg magasabb (gerjesztett) energia-állapotba kerülhet. Ennek megszűnése fénykibocsátással is járhat; ezt a lumineszcenciát használjuk, pl. a kristályos detektorokban a sugárzás érzékelésére. Nagy energiájú részecske becsapódása magreakciót is okozhat. Egy töltött részecske nagy valószínűséggel már az elektronhéjjal kölcsönhatásba lép (a béta-részecske pedig a kis tömeg miatt sem vált ki magreakciót) a semleges részecskéknek (pl. neutron) nagyobb esélye van magával a maggal ütközni. Az orvosi-biológiai gyakorlatban használatos, béta- és gammasugárzást kibocsátó radioaktív készítmények nem váltanak ki magátalakulást, vagyis miattuk nem keletkezik radioaktív anyag MEGSEMMISÜLÉS Megsemmisülési sugárzás A (pozitív béta-sugárzásnál keletkezett) pozitronok a közeg egy elektronjával ütközve kölcsönösen megsemmisülhetnek Ilyenkor kettőjük teljes (nyugalmi + mozgási) energiáját két, ellentétes irányban elszálló gamma-fotonnak adják át. (Pozitron) Gerjesztés és ionizálás Ezt használjuk pozitron-emissziós tomográfiás (PET) leképezéshez! Mivel a két részecske együttes nyugalmi energiája 22 kev, a gamma-fotonok energiája kb. 5 kev lesz. Megsemmisülési sugárzás ELEKTROMÁGNESES SUGÁRZÁS KELTÉSE: The Nobel Prize in Physics 958 "for the discovery and the interpretation of the Cherenkov effect" (a) Cserenkov-sugárzás: Ha a töltött részecske sebessége egy adott közegben nagyobb, mint ugyanott a fény sebessége, akkor fénysugárzás jön létre. (Pl. atomreaktorok hűtővizében, stb.) Ezt használhatjuk nagy energiájú -sugárzás méréséhez kémcsőben! Pavel Alekseyevich Cherenkov Il ja Mikhailovich Frank Igor Yevgenyevich Tamm 55 56

8 ELEKTROMÁGNESES SUGÁRZÁS KELTÉSE (b) Fékezési röntgensugárzás: A röntgen-sugár kétféle keletkezése - folyt.: Fékezési röntgen: A mozgási energia átadása következtében folytonos spektrumú röntgensugárzás jön létre. Karakterisztikus röntgen: Főként ezt használjuk a röntgen-diagnosztikában! Ezt figyelembe kell venni pl. béta-sugárzás elleni árnyékolás készítésekor, amikor ólomlemezt használva a lemez mögött álló személy nagyobb sugárdózist kaphat az ólomlemezben keletkező fékezési röntgensugárzás miatt, mint amennyit árnyékolás nélkül kapna. (Béta-sugárzás árnyékolására pl. plexi-lapot használhatunk.) 5 Az elektromágneses spektrum Ultraibolya Röntgen Planck-állandó (h= J s): Gamma Tömeg-energia ekvivalencia: AM rádió.e+9.e+2 E m c2 Röntgen (): az elektronhéjból TV, FM rádió.e+6 E h f Gamma-sugárzás: az atommagból jön (vagy e+-e- megsemmisülési sugárzás) Infravörös Rövidhullámú rádió.e+3 58 Elektromágneses hullám Látható fény mm hullámhossz, távmérés Mikrohullám, radar.e+5.e+8.e+2 Frekvencia (Hz) 59 Elektromágneses hullámok: frekvencia, energia, hullámhossz karakterisztikus röntgen: ha egy elektron alacsonyabb energiaszintre kerül (meghatározott energiák) fékezési röntgen: töltött részecske lassulásakor elektromos térben (folytonos energia-spektrum) 6 Fékezési röntgen-sugárzás keltése Elektron Röntgen-sugár Cél mag (wolfram) Anód Katód Röntgen-sugarak 6 A röntgennyaláb alakítása Röntgen-spektrumok: Fékezési Karakterisztikus Kollimátor: ólomgyűrű a nyaláb méretének korlátozására Szűrő: alumínium korong a kis energiájú röntgensugár kiszűrésére (elnyelésére) 63 62

9 A szűréssel a bőrdózis csökkenthető A kollimátorral a nyaláb a hasznos (film-) méretre korlátozható Effect of collimation on primary beam. Lead collimators control the shape and size of the primary beam. The beam is limited to the approximate size of the image receptor. Effect of filtration on skin exposure. Aluminum filters selectively absorb the long wavelength x-rays. Evelyn M. Thomson Orlen N. Johnson Példa kollimátorra Evelyn M. Thomson Orlen N. Johnson PID (position indicating device): olyan eszköz fogászati röntgenhez (pl. kollimátor, kúp, nyílás, maszk), amely a vizsgálandó területre irányítja és korlátozza a röntgennyalábot. The collimator restricts the size of the primary beam to 2.5 in. ( cm) at the end of the PID. External collimator attaches to the PID to reduce the area of radiation exposure. Evelyn M. Thomson Orlen N. Johnson Példák PID-re A szögletes PID a téglalap alakú filmre irányítja a nyalábot (2.5, 3, 4 cm) Evelyn M. Thomson Orlen N. Johnson A nyaláb korlátozása Kerek PID-ek (4, 3, and 2.5 cm) Jó Kúpos PID-et már nem használnak Evelyn M. Thomson Orlen N. Johnson Távolabbi forrással a besugárzott térfogat csökkenthető Rossz Evelyn M. Thomson Orlen N. Johnson Rossz Fogászati röntgen felépítése 2