AZ ATOMMAG FIZIKÁJA. Az atommag szerkezete. Tömeghiány, kötési energia Magerők Magmodellek Az atommag stabilitása

Átírás

1 AZ ATOMMAG FIZIKÁJA Az atommag szerkezete Az atommag komponensei Tömeghiány, kötési energia Magerők Magmodellek Az atommag stabilitása Radioaktivitás A radioaktív bomlás törvényszerűségei, egysége A radioaktív sugárzások módjai A radioaktív bomlási sorok Az atomenergia hasznosítása

2 Az atommag komponensei Z: rendszám (protonok száma) N: neutronszám A = N+Z: tömegszám A proton tömege 1%-al kisebb mint a neutroné Izotóp atommagok (protonszám) Izobár atommagok (tömegszám) Izotón atommagok (neutronszám) A magerők tulajdonságai Vonzó erők (meghaladja a Coulomb erőket) Töltés-függetlenek Hatótávolságuk kb. egy nukleonnyi

3 Az atommag stabilitása Könnyű magoknál N = Z, majd az N/Z arány növekszik Több páros Z mint páratlan Több páros neutronszám mint páratlan Több páros A mint páratlan Proton szám Neutronszám Stabil izotópok száma Páros Páros 141 Páratlan Páros 45 Páros Páratlan 51 Páratlan Páratlan 5

4 Radioaktivitás Az instabil atommagok radioaktív bomlással alakulnak át stabil atommagokká, miközben más elem keletkezik belőlük (α, β bomlás esetén) N=N 0 e -λt vagy N= N 0 2 -t/t 1/2 (N: radioaktív magok száma adott t időben, N 0 : a magok kezdeti száma, λ: bomlásállandó) Felezési idő: T 1/2 = ln2/λ fizikai bomlás effektív bomlás élő szervezetből történő kiürülés (effektív bomlás): anyagcsere (biológiai bomlás) és (fizikai) bomlás együttes hatására N/N 0 =e -λt vagy N/N 0 = 2 -t/t 1/2 0 0 λ eff = λ f + λ b, 1/T eff = 1/T fiz + 1/T biol

5 Radioaktivitás A radioaktív sugárzások módjai α: (He mag), tömegszámváltozás: -4, rendszámváltozás: -2 vonalas spektrum β: tömegszámváltozás: 0, rendszámváltozás: -1 vagy +1 folytonos spektrum 1. β + (p n, ν) 2 γ foton 2. β - (n p, ν) ) 3. K-befogás (p n, ν, rtg/auger elektron) γ : tömegszámváltozás: 0, rendszámváltozás: 0, γ : tömegszámváltozás: 0, rendszámváltozás: 0, α, β-hoz társulva elektromágneses sugárzás, vonalas spektrum

6 α: (He mag), tömegszámváltozás: -4, rendszámváltozás: -2

7 β: tömegszámváltozás: 0, rendszámváltozás: -1 vagy β + (p n, ν) 2 γ foton 2. β - (n p, ν) 3. K-befogás (p n, ν, rtg/auger elektron)

8 A K befogás kísérő jelenségei

9 Radioaktív sugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásuk az elnyelő közeggel. A sugárzás detektálása.

10 Különböző sugárzások tulajdonságai Típus töltés Energia hordozó E spektrum α-sugárzás 2 pozitív töltés α részecske vonalas (He atommag) γ- sugárzás töltés nélküli nagy energiájú vonalas foton β - sugárzás egységnyi negatív nagy energiájú folytonos töltés elektron β + - sugárzás egységnyi pozitív nagy energiájú folytonos töltés pozitron

11 Töltött részecskék és anyag kölcsönhatása: A nagy energiájú töltött részecskék kinetikai energiájuk jelentős részét az elnyelő közeg elektronjaival történő elektrosztatikus kölcsönhatás révén veszítik el. Átadott energia gerjesztés ionizáció Nehéz töltött részecskék (p.l. α részecske, M>>m 0 ): M, +ze, E=1/2 M v 2 v 2 b z M E 2 F b E F=kze 2 r 2 m 0, -e

12 2 z M b E E 2 A kölcsönhatás során átadott energia fordítottan arányos a részecske kinetikai energiájával (E). Nagy E nagy v rövidebb idő a kölcsönhatásra kisebb energia átadás. A részecske töltésének négyzete szerepel az összefüggésben δ sugár / cm Bragg csúcs ion pár becsapódó részecske pályája ionizáció gerjesztés behatolási mélység

13 β sugárzás: nagy kinetikus energiával bíró e, folytonos energia spektrum magyarázat: e és egy másik elemi részecske, µ (anti-neutrino) osztozik a β bomlás során felszabaduló fölös energián E 1 E 2 E = E β +E µ N (E β ) β max E β [kev]

14 A β sugárzás kölcsönhatása az elnyelő közeggel: az α sugárzás elnyeléséhez hasonló alapelvek DE 1, a nagy energiájú elektron a vele megegyező tömegű atomi elektronnal lép kölcsönhatásba a kölcsönhatás nagy mértékű energia vesztéshez és a mozgás irány jelentős változásához vezethet. 2, az atommagok elektromos erőterével a kölcsönhatás nagymértékű lassulást okozhat bremsstrahlung (fékezési rtg. sugárzás) 1, és 2, következménye a β részecskék pályája zegzugos δ sugár I = I 0 e µ x becsapódó részecske pályája ionizáció gerjesztés fékezési rtg. sugárzás

15 A β és α sugárzás ionizáló képességének összehasonlítása 1, azonos kinetikai energiák mellett (1/2mv 2 ) a β részecskék sebessége sokkal nagyobb mint az α részecskéké (8000 m β ~ m α ) 2, az α részecske töltéses a β kétszerese 3, z 2 M E 2 b E 1, 2 és 3 eredményeképp azonos kinetikai energiák mellett a β részecskék áthatoló képessége sokkal nagyobb mint az α részecskéké. (pl. 2 MeV α részecske vízben ~8 µm, ugyanilyen energiájú β részecske vízben 2 cm behatolási mélységgel jellemezhető).

16 A γ sugárzás jellemzői α és β bomlás kísérő jelensége a γ energia jellemző az adott bomlásra (vonalas spektrum) amikor a leánymag a bomlást követően gerjesztett állapotba kerül, akkor a fölös energia γ sugárzás formájában emittálódik. a γ foton emissziója a bomlást követő igen rövid időn belül a γ foton emissziója a bomlást követő igen rövid időn belül megtörténik (10 13 s-on belül, kivéve a metastabil magokat lásd későbbi előadások)

17 A γ sugárzás kölcsönhatása az anyaggal: az energia átadás mechanizmusa a rtg. sugárzás abszorpciójához vezető folyamatokkal egyezik meg: Fotoeffektus Compton effektus Pár képződés A károsítás mechanizmusa:az ionizációk szinte teljes egészéért az elsődleges interakciók során keletkezett nagy energiájú elektronok a felelősek. EMIATT a γ és rtg. sugárzásokat INDIREKTEN IONIZÁLÓ sugárzásoknak hívjuk, töltött részecskéket kell mozgásba hozniuk. Elnyelési törvény: az rtg. elnyeléséhez hasonló: I=I 0 e µx

18 Az γ sugárzás exponenciális gyengülése anyagi rétegen való áthaladás során átmenő intenzitás rétegvastagság I=I µ 0 e µx

19 A fotoeffektus mechanizmusa kötési energia (kev) 66 kev fotoelektron 100 kev foton hf=a+1/2mv 2

20 Compton szórás Vegyérték elektronok Compton el. E = 1/2m e v 2 p = m e v beérkező foton E = hf p = hf/c szórt foton E = hf p = hf /c

21 Párképződés, annihiláció Beérkező foton elektron pozitron hf = m e c 2 = MeV annihilációs sugárzás hf = m e c 2 = MeV

22 Direkten és indirekten ionizáló sugárzások: a károsítás (ionizáció) hasonlítása β sugárzás BŐR A becsapódó részecske pályája ionizáció gerjesztés γ foton E=hf mozgásba hozott elektronok ionizáció gerjesztés

23 A sugárzás detektálása: gáz töltésű detektorok részecske anód + Ion nizációs ára am α GM β Feszültség (V)

24 Szcintillációs detektorok A szcintillátorok olyan anyagok, melyek az ionizáló sugárzással való kölcsönhatást követően UV vagy látható fotonokat bocsátanak ki.

25 1. Az ionizáló sugárzás kölcsönhat a szcintillátorral (talliummal szennyezett NaI kristály). 2. Ennek során elektronok gerjesztett állapotba kerülnek. 3. Az elektronok visszakerülnek az alapállapotba, miközben UV /vagy látható fotont emittálnak. 4. A fotokatódra beeső fotonok elektron emissziót váltanak ki. 5. Az elektronok gyorsuló mozgást végezve becsapódnak az első dinódába. 6. Kb. 5 elektron lép ki minden egyes becsapódó elektron hatására. 7. A folyamat végigfut az egymást követő dinódákon, miközben az elektronok száma megsokszorozódik (teljes erősítés: ). 8. A beeső részecske energiájával arányos áramjelet előerősítő erősíti és alakítja feszültséggé. 9. A diszkriminátor kiválasztja a foton-energiának megfelelő nagyságú elektromos impulzusokat, kizárva az elektronikus zajt.

26 A sugárzás detektálása: szcintillációs detektor kristály becsapódó részecske photon becsapódó részecske fotoelektron fotokatód NaI(Tl) NaI(Tl) hf fotoelektron számláló kimenet vákuum

27 ISMÉTLŐ KÉRDÉSEK I. Milyen az atomok szerkezete (részecskék, számuk, töltésük)? Milyen részecskékből áll az atommag, és milyen ezek egymáshoz viszonyított száma? Milyen erők lépnek fel e részecskék között?

28 ISMÉTLŐ KÉRDÉSEK II. Mi okozza a magok bomlását (radioaktivitását)? Milyen nagyságrendbe esik a radioaktív magok felezési ideje? Mi a fizikai, biológiai és effektív bomlás? Hogyan viszonyul Mi a fizikai, biológiai és effektív bomlás? Hogyan viszonyul egymáshoz ezek sebessége?

29 ISMÉTLŐ KÉRDÉSEK III. Milyen részecske (részecskék) hagyja el a magot? Milyen a részecskék spektruma (vonalas/folytonos)? α-, β-, illetve γ-bomlás során? Milyen e részecskék ionizációs sűrűsége sége anyagon történő áthaladásuk során? Milyen e részecskék anyagon történő áthatoló képessége egymáshoz viszonyítva?

30 ISMÉTLŐ KÉRDÉSEK IV. Milyen detektorokkal detektálhatók a radioaktív sugárzások? Mi ezek működési elve?

31 IZOTÓPOK ÉS ORVOSBIOLÓGIAI FELHASZNÁLÁSUK IZOTÓP: A PERIÓDUSOS RENDSZER AZONOS HELYÉN VAN (izosz, toposz) Jelölés: 14 N; 14 N; 15 N 7 Lehetnek: STABIL RADIOAKTÍV Felhasználási terület: KUTATÁS DIAGNOSZTIKA TERÁPIA

32 RADIOAKTÍV IZOTÓPOK FELHASZNÁLÁSA 1. Érzékeny koncentráció meghatározás radioaktív izotóppal jelölt antitest alkalmazásával 2. Nyomjelzéses módszerek testbe juttatott izotóp eloszlásának vizsgálata minták aktivitásának mérése alapján 3. 2D és 3D képalkotás (γ-kamera, SPECT, PET) képalkotás a testből kilépő γ sugárzás eloszlása alapján 4. Terápia tumorok roncsolása radioaktív sugárzással

33 1. Érzékeny koncentráció meghatározás (RIA) Testnedvekből, sejttenyészetekből kis koncentrációjú anyagok pl. hormonok, gyógyszerek mennyiségi meghatározása Vagy: 2b. Ismert koncentrációjú teszt anyag kalibr. görbe előállításához Direkt mérés 1. Antitest az edény aljára tapasztva Mérés szcintillációs számlálóval 3. Radioaktívan jelzett antitest

34 2. Nyomjelzéses módszerek 1. Ismert aktivitású izotóp bejuttatása a szervezetbe, sejtbe 2. Az izotóp aktivitásának mérése egyes mintákból Élő szervezetben végezhető mérések Alapvető szempont: rövid felezési idő Statikus mérések Teljes test víztérfogat Vérplazma térfogata Kicserélhető Na + ionok Dinamikus mérések Vasfelvétel kinetikája - 59 Fe Kalciumfelvétel kinetikája - 45 Ca VVT élettartam mérés - 59 Fe Pajzsmirigy jódfelvétele I, 123 I + 14 C radiokarbon alapú kormeghatározás 14 C/ 12 C arány állandó, míg anyagcsere folyik, az egyed elpusztulása után a 14 C bomlása miatt csökken

35 2. Nyomjelzéses módszerek Sejtek, enzimek működésének vizsgálata 3 H : Timidin beépülés - DNS szintézis mérése 14 C: Enzim aktivitás, anyagcsere folyamatok 24 Na: Sejtek Na + háztartása 32 P: ATP beépülés 35 S: Fehérje nyomjelzés 45 Ca: Sejtek Ca ++ háztartása 86 Rb: Sejtek K + háztartása

36 3. 2D és 3D képalkotás (γ-kamera, SPECT, PET) rövid fizikai felezési idő: hogy az aktivitás lehető legnagyobb része a vizsgálat alatt kerüljön felhasználásra biológiai felezési idő: az anyagcsere határozza meg. Kinetikai mérések esetében hasonló nagyságúnak kell lennie mint a mérés időtartama. γ-kamera, SPECT (részletesebben: egy másik előadáson) γ sugárzó izotóp minél rövidebb felezési idő leggyakoribb: 99m Tc Előállítás: technécium-generátorban β -, 67ó γ, 6 ó 99 Mo 99m Tc 99 Tc

37 3. 2D és 3D képalkotás (γ-kamera, SPECT, PET) Csak γ bomló izotópokat használnak, mert az α és β részecskék nem hagyják el a testet, ha annak belsejében emittálódnak. 99m Tc -hoz kötve mikrokolloid - csontvelő makrokolloid - máj, lép, RES szérumalbumin - perfúzió DMSA (dimerkaptoszukcinát) - vese Foszfát - csont, izület EDTA - agy, vese HIDA - epeút 201 Tl - szívizom 113m In - placenta 133m Xe - tüdő 131 I, 123 I - pajzsmirigy, vese

38 3. 2D és 3D képalkotás (γ-kamera, SPECT, PET) PET (Pozitron emissziós tomográfia; részletesebben: későbbi előadáson) β + sugárzó izotóp szükséges A leggyakoribbak: izotóp jelző molekula vizsgált folyamat jelentősége 11 C aminosav anyagcsere tumor diag. 13 N NH 3 véráramlás szívizomzat 15 O O 2, CO 2 légzés anyagcsere 18 F dezoxiglükóz anyagcsere tumor diag. 18 F F - ion csontanyagcsere betegség, áttét Előállításuk: N vagy O bombázása ciklotronban gyorsított proton vagy deuteron részecskékkel

39 4. Terápia Cél: Daganatok elsődleges vagy kiegészítő kezelése 1. Szupervolt terápia a mélyen elhelyezkedő tumor kezelésére a. Ultrafeszültségű Rtg kezelés b. Kobalt ágyú radioaktív Co bomlásából származó γ-sugárzás alkalmazása 60 Co β m Ni γ (1,17MeV) 60m Ni γ (1,33MeV) 60 Ni 2. Testbe helyezett sugárforrás (β - + γ) Intersticiális (a daganatszövetbe tűzdelve) - 60 Co, 192 Ir Üregi - 60 Co, 192 Ir, 137 Cs, 226 Ra, Kontakt applikátor (szem) Ru Keringésbe juttatott 131 I, 32 P, 198 Au EGYRE RITKÁBBAN!

40 Izotópok alkalmazása az orvostudományban kutatás diagnosztika terápia anyagcsere folyamatok sejtosztódás nyomjelzés térfogatmérés koncentráció mérés biokémiai folyamatok anyagcsere folyamatok tumor diagnosztika izotópeloszlás térkép kétdimenziós térkép háromdimenziós térkép funkcionális vizsgálatok sugárterápia radionuklid terápia gamma kés

41 Klinikai rutinban használt radiofarmakonok Pajzsmirígy rák Csont metastasis Lágy szövet metastasis Szívizom életképesség Szívizom életképesség Placenta Tüdő Vese, pajzsmirigy 131 I Sm or 89 Sr-chloride 32 P-króm-phosphate 99m TcMIBI 201 Tl 113m In 133m Xe 131 I, 123 I 99 Mo β 99m Tc γ 99 Tc T 1/2 =66,7h T 1/2 =6h

42 GAMMA KÉS Speciális sugárterápiás eszköz Egy félgömb felületén kb Co sugárforrást helyeznek el A források sugárnyalábját a gömb középpontjára irányítják A gócot ebben a cemtrumban helyezik el AGYTUMOROK KEZELÉSÉRE ALKALMAS

43

44 A legfontosabb pozitron-sugárzó radionuklidok nuklid T1/2 E alkalmazás kev 11 C 20.4 perc 960 Gyors szintézisben a legtöbb szerves vegyületbe beépíthető. Nincs gyógyszertani különbség a jelzett és a jelzetlen molekula között. Az izotóp effektus elhanyagolható.

45 A legfontosabb pozitron-sugárzó radionuklidok nuklid T1/2 E alkalmazás kev 13 N 10 perc 1190 Gyors szintézis szükséges. N-tartalmú vegyületek esetén a jelzett és jelzetlen vegyület biológiai szempontból azonos. Fő alkalmazása ammónium ionként történik, szívizom perfuzió vizsgálatában.

46 A legfontosabb pozitron-sugárzó radionuklidok nuklid T1/2 E alkalmazás kev 15 O 2.05 perc 1720 Igen gyors szintézis szükséges. Alkalmazás oxigén gázként, vízként, széndioxidként és n- butanolként az agy és a szívizom vérellatásának vizsgálatában.

47 A legfontosabb pozitron-sugárzó radionuklidok nuklid T1/2 E alkalmazás kev 18 F 110 perc 635 A legkisebb pozitron energiájú PET izotóp. Igen szép a képalkotás. A fiziológiai folyamatok kvantitatív értékelését is lehetővé teszi. Sokféle molekulába beépíthető.

48 PET vizsgálatok néhány gyakoribb klinikai alkalmazása Központi idegrendszer Intrakraniális tumorok Epilepszia Stroke A dopaminerg rendszer betegségei Demenciák Skizofrénia Depressziós állapotok Diagnosztika, staging, lokalizáció, terápiakijelölés, utánkövetés Epileptogén zóna lokalizációja Aktív zóna meghatározása Diagnosztika, differenciáldiagnosztika, szövetátültetés eredményének felmérése Differenciáldiagnosztika Differenciáldiagnosztika Differenciáldiagnosztika

49 Izotóp vizsgálatok néhány gyakoribb klinikai alkalmazása Kardiológia Szívizom életképességének meghatározása Terápiás beavatkozás (invaziv-noninvaziv) kijelölése

50 Izotóp vizsgálatok néhány gyakoribb klinikai alkalmazása Onkológia Központi idegrendszeri tumorok Kolorektális tumorok Tüdő tumorok Melltumorok Májtumorok Petefészektumorok Hasnyálmirígy tumorok Limfómák Melanómák Lágyrésztumorok Csonttumorok Diagnosztika, staging, differenciáldiagnosztika, metasztáziskeresés, terápiakijelölés, terápiakövetés, reziduális vagy rezidív tumor kimutatása, Ismeretlen eredetű rejtett tumorok felkeresése egész test PET vizsgálattal

51 GYORSÍTÓK Alkalmazásuk célja: atommagok gyorsítása, ütköztetése, s így magreakciókon keresztül új atommagok létrehozása elektronok gyorsítása nagy energiájú RTG sugárzás előállításához Biológiai alkalmazások: PET-hez β + - bomló izotópok előállítása gyors protonok és deuteronok - ciklotron Ultrafeszültségű Rtg kezelés gyors elektronok - lineáris gyorsító

52 LINEÁRIS GYORSÍTÓK Ionforrás Elektródák ~ Rádiófrekvenciás generátor Proton: MeV (max 1000 MeV) Elektron: 1 MeV felett v ~ c! más technikai megoldást igényel Nagyenergiájú Rtg fotonok kiváltása

53 DE OEC lineáris gyorsító

54 CIKLIKUS GYORSÍTÓK ÁLTALÁNOS MEGFONTOLÁSOK A pályán tartó erő: Lorentz erő B qvb qvb=mv 2 /r; ω=qb/m ω=v/r A szögsebesség (így a keringési idő is) független a részecske sebességétől (a részecske energiájától), ezért B állandó értéken tartása mellett az elektródokra kapcsolt állandó frekvenciájú generátor szolgáltatja a gyorsító feszültséget.

55 Ciklotron A ciklotron protonok és nehéz ionok gyorsítására alkalmas ciklikus gyorsító, melyben a részecskéket az alkalmazott mágneses tér körpályára kényszeríti, és minden keringés során kétszer gyorsulnak, miközben a duánsok közti elektromos téren áthaladnak.

56 A ciklotron működési elve A részecskéket a Lorentz erő tartja körpályán B qvb Pályamenti sebesség T = 2πr/v Az egyenletből l a sebesség a qvb = mv 2 /r v = rqb/m összefüggéssel kiküszöbölhető így mivel ω=2 π T ω = qb/m

57 Mit jelent az izotóp? Milyen felhasználási területei vannak a radioaktív izotópoknak? 1. koncentráció meghatározás 2. nyomjelzéses módszerek 3. képalkotó eljárások 4. daganat terápia Milyen célt szolgálnak a részecske gyorsítók az egészségügyben?