Az ionizáló sugárzások fajtái, forrásai magsugárzás Magsugárzások Röntgensugárzás Függelék. Intenzitás 2. Spektrum 3. Atom Repetitio est mater studiorum. Röntgen Ionizációnak nevezzük azt a folyamatot, amikor egy atomból vagy molekulából elektromos töltéssel rendelkező ion keletkezik. Ionizáló sugárzás lehet bármelyik típusú sugárzás, ha részecskeenergiája elegendő ahhoz, hogy a vele kölcsönhatásba lépő atomok és molekulák ionizációjához vezessen. Az ionizáció abból áll, hogy egy atomból (vagy molekulából) teljesen eltávolítunk egy elektront. Lényeges tény, hogy a kisebb részecskeenergiájú sugárzás még nagyobb fluxus mellett sem képes az ionizációra. Csoportosítási lehetőségek magsugárzás az energia az atommagból származik α, β, γ, p, n, részecskesugárzás van nyugalmi tömeg α, β, p, n, direkt ionizáló töltött részecskék α, β, p, Röntgensugárzás az energia az elektronhéjból származik Rtg elektromágneses sugárzás nincs nyugalmi tömeg Rtg, γ indirekt ionizáló töltsé nélküli részecskék Rtg, γ, n Wilhelm Conrad Röntgen 845-923 Antoine Henri Becquerel 852-908 895 896
. Az atom szerkezete; ionizáció, gerjesztés Atommag: d = 0-5 -0-4 m benne protonok (számuk rendszám-z) neutronok (protonok + neutronok [nukleonok] száma együtt tömegszám-a) Magsugárzások: α, β, γ Elektronburok: d 0-0 m elektronok száma = protonok száma elhelyezkedés meghatározott sugarú és energiájú pályákon (kvantáltan) Gerjesztés: ΔE = hν = h c / λ Ionizáció: hν ΔE Elektronburokból származó sugárzás: röntgen 2. Röntgensugárzás keletkezése Előállítás leggyakrabban röntgencsőben Típusai: fékezési sugárzás - folytonos spektrum, rövidhullámú határral - U növekedésével a sugárzás keményedik, az összteljesítmény nő (U 2 -tel arányosan) P = c U 2 IZ η = c U Z Alkalmazása: röntgen képalkotás
karakterisztikus sugárzás - nagy gyorsító feszültség esetén - vonalas, az anódra jellemző spektrum Alkalmazása: csontdenzitometria, anyagazonosítás, molekulaszerkezet vizsgálata 3. Magerők, az atommag stabilitása A protonok és neutronok között vonzó- és taszítóerők hatnak Az egy nukleonra jutó kötési energia közepes méretű magok esetén a legnagyobb (legstabilabb magok)
Ezen állapot elérhető: - nehéz magok hasadásával (atomreaktor, atombomba) - könnyű magok fúziójával (fúziós reaktor, H-bomba) Izotópok: azonos rendszám, de eltérő tömegszám (lehet stabilis vagy radioaktív) természetes mesterséges 4. Radioaktív bomlás, aktivitás Bomlási sebesség: dn dn = -λ N = Λ dt dt (aktivitás) [bomlás/s = /s = Bq (becquerel)] ( Ci (curie) = 3,7 0 0 Bq) λt 0,693 N = N 0 e λ = T λ = τ Λ = Λ0e λt Kapcsolat a felezési idők között: T eff = T fiz + T biol
5. Bomlási típusok Alfa bomlás Z 2-vel, A 4-gyel csökken Béta bomlás - negatív β-bomlás: Z -gyel nő pl. 226 222 88 Ra 86Rn+ 2 4 α pl: 32 32 5 P 6S+ 0 β - meghatározott energiájúak (vonalas spektrum) - hatótávolságuk rövid (vízben, szövetben néhányszor 0 μm) Alkalmazás: csak terápia - pozitív β-bomlás: Z -gyel csökken pl: 30 30 5 P 4Si+ + 0 β A mag energiavesztesége adott értékű, a spektrum mégis folytonos. Oka: neutrinó. Alkalmazás: β - : terápia és in vitro β + : PET
Gamma sugárzás Az α- vagy β-bomlást követően a mag energiafölöslegétől elektromágneses sugárzás formájában szabadul meg. - prompt γ-sugárzás: 0-3 -0-8 s-on belül követi a részecskesugárzást - izomer magátalakulás: hosszabb, mérhető felezési idővel követi a részecskesugárzást Előny: a kettő szeparálható, tisztán γ-sugárzó izotóp nyerhető pl: 99 99m 99 43 γ 43 42 Mo Tc β Alkalmazás: in vivo diagnosztika (igen jól használható) Tc Héjelektron befogás (K-befogás) A mag a belső elektronhéjról befog egy elektront Z -gyel csökken pl: 5 0 5 24 Cr+ e V + ν 23 Ezt karakterisztikus rtg. sugárzás követi. Alkalmazás: in vivo diagnosztika Függelék. Intenzitás Sugárzás: energia szállítása (energiasugárzás) energia, E energiaáram = teljesítmény P = ΔE Δt ΔE: a Δt idő alatt szállított energia [E] = J (Joule) [P] = W (Watt) energiaáram-sűrűség =teljesítménysűrűség = intenzitás [J] = W/m 2 J = P A = A ΔE Δt A: felület (az energiaterjedés irányára merőleges)
Függelék 2. Spektrum Eloszlás sűrűségfüggvény ΔN h: testmagasság Δh 0cm ΔH Δh H: kollektív magasság H h Spektrum mint speciális eloszlás sűrűségfüggvény ΔN Δh Eloszlás sűrűségfüggvény 0cm 0 2 3 4 5 görbe alatti terület: n ΔH Δh 60 70 80 90 200 20 60 70 80 90 200 20 h (cm) 0 20 40 60 80 00 Spektrum görbe alatti terület: H h (cm) Függelék 3. Atom Emissiós spektrum: hogyan oszlik meg a teljes energia az energiaadagok között az energiaáramlás jellemző mennyisége: intenzitás (néha a teljesítmény) a hullámhossz használata kényelmesebb a fotonenergiánál ΔE Δε ΔE /Δε ΔJ Δλ 0 50 00 50 60 70 80 90 200 20 Photonenenergie, ε E λ neutronok semleges protonok pozitív töltés atommag Bohr féle atommodell K-héj elektron negatív töltés elektronhéj L-héj M-héj
minden héjon csak meghatározott számú elektorn lehet atommag elektronhéj név jelölés töltés a héj neve megjegyzés proton neutron nukleonok pozitív seml. gyakorlatilag az atom teljes tömegét kiteszik elektron negatív K-héj max. 2 elektron negatív L-héj max. 8 elektron negatív M-héj max. 8 az elektronok max. száma = 2 * (héj sorszáma) 2 héj neve a héj sorszáma szabály az elektronok. max. száma K. héj = 2 * 2 = 2 L 2. héj = 2 * 2 2 = 8 M 3. héj = 2 * 3 2 = 8 N 4. héj = 2 * 4 2 = 32 O 5. héj = 2 * 5 2 = 50 P 6. héj = 2 * 6 2 = 72 Q 7. héj = 2 * 7 2 = 98 Különböző atomok, elemek, izotópok Pl. alumínium - tömegszám 27 ( + ) 3 = 4 rendszám 27 3 Al az alumínium vegyjele - 27 27 db nukleon 3Al ebből 3 proton, mindegyik elektront köt meg 4 további nukleon, amelyek neutronok 3 4 K-héj max. 2 e - L-héj max. 8 e - M-héj itt még 3 e - a betöltetlen héj neve vegyértékhéj (valenciasáv)
Az atom szerkezete; ionizáció, gerjesztés Atommag: d = 0-5 -0-4 m benne protonok (számuk rendszám) neutronok (protonok + neutronok [nukleonok] száma együtt tömegszám) Magsugárzások: α, β, γ Elektronburok: d 0-0 m elektronok száma = protonok száma elhelyezkedés meghatározott sugarú és energiájú pályákon (kvantáltan) Gerjesztés: ΔE = hν = h c / λ Ionizáció: hν ΔE Elektronburokból származó sugárzás: röntgen Magerők, az atommag stabilitása A protonok és neutronok között vonzó- és taszítóerők hatnak Az egy nukleonra jutó kötési energia közepes méretű magok esetén a legnagyobb (legstabilabb magok) Ezen állapot elérhető: - nehéz magok hasadásával (atomreaktor, atombomba) - könnyű magok fúziójával (fúziós reaktor, H-bomba) Izotópok: azonos rendszám, de eltérő tömegszám (lehet stabilis vagy radioaktív) természetes mesterséges Bomlási sebesség: dn dt Radioaktív bomlás, aktivitás = -λ N λ N = N e t 0 Λ = Λ0e λt Kapcsolat a felezési idők között: dn dt = + Teff Tfiz Tbiol = Λ (aktivitás) [bomlás/s = =/s = Bq (becquerel)] ( Ci (curie) = 3,7 0 0 Bq) λ = 0, 693 T λ = τ Alfa bomlás Z 2-vel, A 4-gyel csökken 226 pl. 88 Ra 222 86 Bomlási típusok 4 2 Rn+ α - meghatározott energiájúak (vonalas spektrum) - hatótávolságuk rövid (vízben, szövetben néhányszor 0 μm) Alkalmazás: csak terápia Béta bomlás - negatív β-bomlás: Z -gyel nő 32 pl: 5 P 32 6 0 S+ β - pozitív β-bomlás: Z -gyel csökken 30 pl: 5 P 30 4 0 Si+ + β
A mag energiavesztesége adott értékű, a spektrum mégis folytonos. Oka: neutrinó. Alkalmazás: β - : terápia és in vitro β + : PET Gamma sugárzás Az α- vagy β-bomlást követően a mag energiafölöslegétől elektromágneses sugárzás formájában szabadul meg. - prompt γ-sugárzás: 0-3 -0-8 s-on belül követi a részecskesugárzást - izomer magátalakulás: hosszabb, mérhető felezési idővel követi a részecskesugárzást Előny: a kettő szeparálható, tisztán γ-sugárzó izotóp nyerhető 99 99m pl: 42 Mo 43Tc 43Tc β Alkalmazás: in vivo diagnosztika (igen jól használható) γ 99 A 238 234 α bomlás Urán sorozat 4.5x0 9 év 230 β bomlás 226 222 28 24 20 206 80 8 82 83 84 85 86 87 88 89 90 9 92 Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th Pa U Z