Az ionizáló sugárzások fajtái Sugárvédelem kurzus fogorvostanhallgatók számra Magsugárzások Röntgensugárzás 1. Atomfizika, Radioaktivitás és Röntgensugázás Dr. Smeller László Ionizáció: Az atomból vagy molekulából egy elektron eltávozik. Molekuláknál létrejöhet a molekula kettétörésével is. Ionizáció gerjesztés Ionizáló sugárzás: olyan sugárzás, aminek a részeckéi elég energiával rendelkeznek ahhoz, hogy atomokat ill. molekulákat ionizáljanak. Ionizáló szgárzások: részecskesugárzások (α-, β- és neutronsugárzás) Röntgensugárzás γ-sugárzás. Méretek m 10 0 méter ember 10-3 milliméter szabad szemmel látható távolság 10-6 mikrométer sejt méret (pl. emberi vvt) 7μm 10-9 nanométer fehérje 10-10 Angström atom átmérője, kémiai kötéstávolság H atom 1 Angström (Å) pikométer röntgensugárzás hullámhossza femtométer atommag 10-1 10-15 3
Az atommag Az atommag felépítése 10-10 m 10-15 m Elektronburok: =>kémiai folyamatok Atommag: => radioaktivitás p n töltés tömeg proton +1 elemi 1 atomi töltés tömegegys. neutron 0 1 atomi tömegegys A (tömegszám) = protonszám + neutronszám Z (rendszám) = protonszám 99 nukleon, ebből 43 proton és 56 neutron 99 Tc 43 Az atommag stabilitása Coulomb erő destabilizál! (protonok között: taszító hatás) Magerő: rövid hatótáv (~fm) nagyon erős vonzó (töltésfüggetlen) A nukleonok diszkrét energiaszinteken helyezkednek el. A mag energiája is diszkrét (kvantált) Energiaszintek tipikus távolsága MeV ev=1,6 10-19 J E Izotóp Azonos rendszámú de eltérő tömegszámú atomok azonos protonszám eltérő neutronszám Ugyanannak az elemnek a módosulatai, kémiai tulajdonságaik azonosak. Pl: 18 F 9 instabil (radioaktív) 19 F 9 stabil 0 F 9 instabil (radioaktív) izotóp <-> radioaktív izotóp
Izotóptáblázat Izotóptáblázat részlet protonszám protonszám neutronszám neutronszám Izotóptáblázat részlet Bomlások és részecskék α - bomlás 4 α - részecske = He atommag protonszám β -bomlás: β - β + β - részecske = elektron β + részecske = pozitron K-elektron befogás Izomer magátalakulás karakterisztikus az elektron antirészecskéje Röntgen-foton uo. mint az elektron de pozitiv töltése van γ-sugárzás proton! neutronszám
α - bomlás α - bomlás: 4 He atommag válik le a magról nehéz atommagoknál fordul elő Pl : A Z 88 Ra 86 Rn+ 6 Vonalas energiaspektrum E α ~MeV A X Y Z 4 4 + α N α 4 α E α neutrontúlsúly p p jelölések: n n 0 1 ν β = β = e A Z β - bomlás X 1 0 n + β +ν 1 0 1p az atommagban marad β -sugárzás A Z + 1Y + 1 Pl : 0 1 folytonos energiaspektrum β +ν kilép N β pl: 0 9 F 3 15 P 59 6 Fe 131 53 I 3 3 0 15 P 16S+ 1β + ν E max E β protontúlsúly n p n p A Z e + ν β + - bomlás X A 0 Z 1Y + + 1 1 1 0n 1 1 0 p + + β +ν az atommagban marad β + -sugárzás Pl : β +ν kilép pl: 11 6C 15 8O 18 9 F 5 6 Fe 30 30 0 15 P 14Si+ + 1β + ν folytonos energiaspektrum mesterséges előállítás Kis kitérő: elektron - pozitron antirészecskék tömeg ua, töltés ellentétes... annihiláció és párkeltés Einstein: e + γ γ γ tömeg-energia ekvivalencia E=mc m e c =511 kev 0,5 MeV
p n Prompt γ-sugárzás A bomlás után a nukleonok elhelyezkedése energetikailag kedvezőtlen lehet Átrendeződés: alacsonyabb energiaszintre jut, a fölös energiát kisugározza γ foton formájában p n Izomer magátalakulás Ha a bomlás utáni mag elég hosszú ideig stabil, a γ-sugárzás később keletkezik. A két folyamat szeparálható. Tisztán γ-sugárzó izotóp állítható elő! => Izotópdiagnosztika Pl: 99m Tc 99 β 99 γ 4 Mo 43Tc m 99 43 66 óra 6 óra Tc protonszám, neutronszám változatlan! Kísérőjelenség. K-befogás (inverz β-bomlás) Példák bomlási sémákra p n p n v Rtg 1 1 0 1 p+ β n +ν 1 0
Bomlás, hasadás, fúzió Bomlás: kis részecske távozik (α, β, γ...) Hasadás: kb. két azonos részre hasad (nehéz magoknál) Pl: 35 9 U db közepes mag+ +-3 neutron Fúzió könnyű magok egyesülése Hogyan jöttek létre az izotópok? Primordiális izotópok: A Föld keletkezése előtt keletkeztek (Ősrobbanás, Szupernova robbanás ) Hosszú felezési idejűek. Pl.:, 3 Th, 38 U, 40 K, 35 U, Posztprimordiális izotópok: Kozmogenikus izotópok: A kozmikus sugárzás hatására keletk. pl: 3 H 14 C Radiogenikus izotópok: A primordiális izotópok bomlástermékei. pl.: 6 Ra, 8 Ra Rn Nukleogenikus izotópok: magreakcióban keletkeztek (pl. spontán hasadás, v. spontán hasadáskor emittált neutron befogásával) 1 Ne Hogyan állíthatunk elő izotópokat? Mesterséges izotópok: β - bomlók: atomreaktorban. (neutronbombázással) β + bomlók: gyorsítóban (pl. ciklotron) néhány 10 MEV-es protont vagy alfa részecskét lőnek be a magba tisztán γ sugárzók: izotópgenerátor A radioaktív izotópokat jellemző mennyiségek Aktivitás (a sugárforrást jellemzi) Felezési idő (a bomlás sebességét jellemzi) Részecskeenergia (a sugárzást jellemzi)
Λ = dn dt Aktivitás (Λ) = ΔN Δt Aktivitás= az egységnyi idő alatt elbomlott atomok száma mérhetetlenül alacsony mértékegysége: becquerel Bq 1 Bq= 1 bomlás/sec A gyakorlatban: kbq, MBq, GBq, TBq természetes radioaktivitás szintje in vivo diagn. N = a bomlásra képes atomok száma t = idő Régi mértékegys: curie Ci 1 Ci = 3,7 10 10 Bq = 37 GBq óvatosan dolgozhatunk vele! terápiában alkalmazott aktivitás ΔN ~ N dn dt megoldása: = λn Bomlástörvény λ: bomlási állandó, bomlási válószínűség [1/s] 1/λ=τ idő! átlagos élettartam differenciálegyenlet N N a bomlásra képes (=elbomlatlan) atomok száma λt ( t) = N 0 e exponenciális lecsengés! N 0 az elbomlatlan atomok száma kezdetben (t=0) Példa Példa Példa: N 0 =10000 λ=0,1 1 / S 1 sec múlva: 9000 (10000x0,1=1000 elbomlott) sec múlva: 8100 (9000x0,1=900 elbomlott) 3 sec múlva: 790 (8100x0,1=810 elbomlott) 4 sec múlva: 6561 (790x0,1=79 elbomlott). Példa: N 0 =10000 λ=0,1 1 / S 1 sec 9000 sec 8100 3 sec 790 4 sec 6561.
Felezési idő, bomlástörvény Az aktivitás időbeli csökkenése N 0 e N 0 N 0 N 0 4 N T τ N λt ( t) = N0e = N0 λ bomlásállandó (bomlási valószinűség) T felezési idő τ átlagos élettartam T elvileg soha nem bomlik el az összes! t λ = t T ln = T 0,693 T Λ 0 e Λ 0 Λ 0 Λ 0 4 dn dn Λ = = λn N( t) = N0e dt dt Λ T τ Λ=λN t λt T Λ( t) = Λ0e = Λ0 Ugyanúgy csökken mint az N! elvileg soha nem bomlik el teljesen! T t kb. 10 T alatt λt 1/1000 részre bomlik Példa Példa: N 0 =10000 λ=0,1 1 / S 1 sec múlva: 9000 (10000x0,1=1000 elbomlott) sec múlva: 8100 (9000x0,1=900 elbomlott) 3 sec múlva: 790 (8100x0,1=810 elbomlott) 4 sec múlva: 6561 (790x0,1=79 elbomlott). A felezési idő az izotóp típusától függ 3 Th 1,4 10 10 év 38 U 4,5 10 9 év 40 K 1,3 10 9 év 14 C 5736 év 137 Cs 30 év 3 H 1,3 év Ezeket az adatokat tilos megtanulni! 60 Co 5,3 év 59 Fe 1,5 hó 56 Cr 1 hó (8 nap) 131 I 8 nap 99m Tc 6 óra 18 F 110 perc 11 C 0 perc 15 O perc Th,8 ms
Részecskeenergia A radioaktív sugárzás tipikus részecskeenergiája (a magátalakuláskor felszabaduló energia) a MeV nagyságrendben van. ev = elemi töltés X 1 Volt = 1,6 10-19 J = 0,16 aj Tipikus energia-nagyságrendek a mikrovilágban Külső elektronok belső elektronpályák atommaggerjesztése, közti átmenet átalakulás kilökése ev (aj) kev (fj) MeV (pj) fény röntgensugár radioaktív sugárzás pl. γ Röntgensugárzás Elektromágneses sugárzás Fotonenergia: Diagnosztika: 30-00 kev Terápia: 5-0 MeV Hullámhossz: ~ pm hatásai: Ionizáció Lumineszcencia (fluoroszkópia, képerősítő) kémiai (pl. fotográfiai) biológiai (sugársérülés) Keletkezés: az elektronfelhőben Típusai fékezési karakterisztikus sugárzás Photonenenergie: mev ev kev MeV GeV
Történelem 1895 Wilhelm Conrad Röntgen X-sugárzás (X-ray) 1896 első orvosi alkalmazások 1901 Nobel díj (az első fizikai Nobel díj) ma: 3D Röntgen-CT A röntgensugárzás előállítása Röntgensugázás akkor keletkezik, ha nagyenergiájú (gyorsított) töltött részecskék energiájukat leadják. Röntgencső (Diagnosztika) Lineáris gyorsító (Terapia) Röntgensugárzást előállító készülékek Die Röntgneröhre Röntgencső Lineáris gyorsító
Röntgencső(1) anód Röntgencső() U I U fűtő U fűtő izzókatód: Vákuum szigeteló Az anódfeszültség(u) (tipikusan 30-00 kv) gyorsítja az elektronokat: Az izzókatódból elektronok lépnek ki. U e = E kin Elemi töltés e=1,6 10-19 C A gyorsított elektronok kinetikus energiája U fűtő Röntgencső(3) U I Fékezés sugárzás Kinetikus energia fotonenenergia (Rtg) hőenergia Amikor a gyorsított elektronok az anódba csapódnak, röntgensugárzás keletkezik 1. Lefékeződés során fékezési sugárzás. Elektronkilökés és az utána következő elektronátmenetek során karakterisztikus sugárzás E kin h f Ue E hf = = kin c Ue h λ hc λ = λ min Ue c h λ
Határhullámhossz: Duane-Hunt törvény A fékezési röntgensugárzás emissziós spektruma hc λ = Ue λ λ min min Konst. 130 kv pm = U praktikus mértékegység ΔP Δλ λ min kemény λ max U 1 sugárzás U lágy λ Anódfeszültség növelésével: -több -keményebb sugárzás keletkezik P ~ U 46 ΔP Δλ A fékezési röntgensugárzás emissziós spektruma I Anódáram növelésével: -több sugárzás keletkezik U fűtő Az anódáram szabályozása U I λ min kemény I1 U 1 λ max sugárzás U lágy λ P ~ I Ohm 47 Intenzívebb fűtés több elektron lép ki nagyobb anódáram (I=ΔQ/Δt)
ΔP Δλ A röntgencső teljesítménye λ min P (összes teljesítmény) P (λ 1,λ ) P = c Rtg U I Z anódfeszültség anódáram λ konst. (1,1 10-9 V -1 ) az anód rendszáma A röntgencső hatásfoka hatásfok η = c = Rtg hasznos teljesítmény befektetett teljesítmény U UI IZ = c Rtg UZ Nagy rendszámú anód szükséges! A gyakorlatban: Wolfram (Z=74) ill. Mo (4) tipikus η : 1% 99% hő! Z Pb =8! T olvadás,w 3400 C T olvadás,pb 330 C T olvadás,mo 600 C A karakterisztikus röntgensugárzás keletkezése A karakterisztikus röntgensugárzás keletkezése E kin gyorsított elektron (a katódból) Az anód atomja Az anód atomja
A karakterisztikus röntgensugárzás keletkezése üres hely A karakterisztikus röntgensugárzás keletkezése az üres hely betöltődik Az anód atomja Az anód atomja karakterisztikus röntgenfotonok hf =ΔE A karakterisztikus röntgensugárzás keletkezése E A karakterisztikus röntgensugárzás spektruma ΔP Δλ E Az anód atomja ev kev M LL K Spektrumvonalak U 1 U U 0 λ K λ L λ L K vonalak