Atomfizika. Radioaktív sugárzások kölcsönhatásai. 2010. 10. 18. Biofizika, Nyitrai Miklós
Emlékeztető Radioaktív sugárzások keletkezése, típusai
A Z A Z α-bomlás» α-sugárzás A Z 4 X X + 2 X A Z 4 2 X 4 2 +α He 226 222 88 Ra 86Rn+ 4 α 2 Kilépési sebességük elérheti a 15 000 000 m/s-ot (0,05 c) Vonalas spektrum (karakterisztikus) 241 226 222 92 U, 95Am, 88Ra, 86Rn, 238 210 84 Po
β-bomlás» β-sugárzás Negatív β-bomlás Kísérlet: Curie 1911 Elmélet: Enrico Fermi, 1934 0 + n p + e + ν e A Z X A Z +1 X + e + ν e 137 55 137 Cs Ba + e + 56 ν e Kilépési sebességük elérheti a 180 000 000 m/s-ot (0,6 c) Folytonos spektrum (antineutrino)
β-bomlás» β-sugárzás Pozitív β-bomlás + 0 + p n + e + ν e A Z X A Z 1 X + e + + ν e 22 11 22 + Na Ne + e + 10 ν e β - izotópok β + izotópok 3 14 137 132 1 H, 6C, 55Cs, 53I, C 22 Na 11 6, 11 40 19 K
γ-sugárzás Kísérőjelenség! Elektromágneses sugárzás (γ-foton) f>10 19 Hz, illetve E>100 kev a gerjesztett atommagok alacsonyabb energiaállapotba történő átmenetekor keletkezik Fénysebességgel terjednek Vonalas spektrum (karakterisztikus) Ba Ba + γ 137m 137 56 56 m: metastabil állapot 22 40 137 11 Na, 19K, 55Cs, 132 53 I
A sugárzások jellemzése, összehasonlítása
Aktivitás (A) A radioaktív bomlás véletlenszerűen bekövetkező esemény! Az 1 másodperc alatt bekövetkező magátalakulások száma. magátalakulás = bomlás Mértékegysége: Becquerel 1 Bq = 1 bomlás/másodperc. Figyelem! A radioaktív bomlás nem jelenti az atomok eltűnését! Stabil izotóp Radioaktív izotóp Leánymag Régebben használt mértékegysége a Curie. (1 Ci = 3,7 10 10 Bq)
A bomlástörvény
Bomlástörvény N (0) : kezdeti bomlatlan atommagok száma N (t) :a t időpillanatban jelenlévő bomlatlan atommagok száma Bomlási állandó (λ): Jellemzi a bomlási sebességet. Megadja 1 atommag átalakulási valószínűségét. A = λ N (t) Átlagos élettartam (τ): A bomlási állandó reciproka. τ = 1 λ Bomlatlan magok száma N (0) N (0) /2 N (0) /e T 1/2 N N( t) = N(0) τ ( t) = N (0) 2 e t T idő 1 2 t τ
Felezési idő átlagos élettartam (matek: áttérés különböző logaritmus alapok között) τ t t e N N = ) (0 ) ( 2 1 2 1 1,443 ln 2 1 T T = = τ 2 1 2 (0) ) ( T t N t N = τ t T t e = 2 1 2 Biológiai, fizikai és effektív felezési idő
Sugárzások - összehasonlítás külső hatás nélkül keletkezik fizikai és kémiai változások nem befolyásolják ionizáló hatása van (fizika) kémiai, biológiai hatása van Fizikai jellemzők: Aktivitás Élettartam Spektrum Áthatolóképesség és LET (lineáris energia transzfer)
α β γ - + Összehasonlítás Átlagos élettartam 226 210 86 Rn, 88Ra, 84Po, 222 3 14 53 I, 1H, 6C, 132 C 22 Na 11 6, 11 40 19 K 238 92 U 4 s; 11 nap; 138 nap; 4,5 10 9 év 8 nap; 12 év; 5568 év; 1,2 10 9 év; 7,6 10-22 s 20 m; 15 h 22 40 137 11 Na, 19K, 55Cs, 132 53 2,6 év; 1,2 10 9 év; 26 év; 8 nap I
Összehasonlítás α Spektrum Vonalas (karakterisztikus) LET (ionizáció/mm) magas 8-10 000 β Folytonos (neutrino miatt) közepes 6-8 γ Vonalas (karakterisztikus) alacsony 0,1-1
Összehasonlítás Áthatolóképesség, hatótávolság α β γ Kicsi Levegő: cm Plexi: mm Közepes Levegő: m Plexi: cm Ólom: mm Nagy Ólom: cm
Sugárzás anyag kölcsönhatás
Sugárzás anyag kölcsönhatás I 0 (kezdeti intenzitás) anyag I Reflexió Transzmisszió Abszorpció I ~ n n: fotonszám Szórás Compton-féle
LET és áthatolóképesség β,γ N (0) I N( t) = N(0) 2 x x 1 2 I α N (0) /2 x 1/2 abszorbens vastagság (megtett út) abszorbens vastagság (megtett út)
γ-sugárzás és anyag kölcsönhatásai Fotoeffektus Compton-szórás Párkeltés E > 1,2 MeV Energia-, töltés- és lendületmegmaradás törvényei érvényesek! http://oktatas.ch.bme.hu/oktatas/konyvek/fizkem/gamma/kolcson/compton.html
Dozimetria
Elnyelt dózis, besugárzási dózis Dózis egyenérték
Miért kell erre külön elmélet? A biológiai hatás és az átadott energia között szembetűnő aránytalanság van; Ha 0,25C/kg dózisú sugárzás az egész testet éri, idővel halálhoz vezet; Ekkor az elnyelt energia kb. 8,5J/kg; 75kg-os embernél az egész testre ez mindössze: 640J Ez egy pohár vizet 1 o C-al melegítene fel!
Dozimetria Fizikai dózisok 1.Elnyelt dózis Tömegegységre vonatkoztatott elnyelt energia Jele:D Mértékegysége: J/kg, Gy (gray) D = E m 2.Elnyelt dózisteljesítmény Az elnyelt dózis és az idő hányadosa: Mértékegysége: μ Gy h Δ D Δ t
Dozimetria 3. Besugárzási dózis Jele: X C Mértékegysége: kg ΔQ X = Δ m 1Gy=29,4mC/kg ΔQ: a Δm tömegű levegőben keltett ionok töltésösszege 4. Besugárzási dózisteljesítmény A besugárzási dózis és az idő hányadosa: Mértékegysége: C kg s Δ X Δ t
Dozimetria Biológiai dózisok 1.Dózisegyenérték Jele: H Mértékegysége: Sv (sievert) 1Sv=1J/kg H=DQN D: elnyelt dózis Q: sugárzás típusára jellemző faktor N: sugárzás körülményeire jellemző állandó
Dozimetria H (msv) 200 750-1000 1000-2000 4000 6000 Sugárterhelés hatásai Hatások Küszöbdózis orvosilag kimutatható, tünetmentes Kritikus dózis rosszullét Vérképző szervek zavarai Félhalálos dózis Az 50%-a orvosi kezelés hiányában meghal Halálos dózis A sugárdózis átlagértéke msv/év-ben Az átlagos természetes radioaktív háttérsugárzás kb. 1,8 msv/év, ebből: a levegőben jelenlévő radon (kb. 0,5 msv/év), az épületek sugárzása (kb. 0,4 msv/év), kozmikus sugárzás (0,3 msv/év), a bennünk lévő 40 K izotóp sugárzása (kb. 0,2 msv/év) Emberi tevékenység - orvosi röntgen átvilágítás és terápia, - átlagosan 0,4 msv/év. Összesen kb. 2,5 msv/év.
A sugárzások biológiai hatásai
Direkt és indirekt sugárhatások - találatelmélet, túlélési görbék; - víz aktiválási elmélet, higítási effektus; -idő frakcionálás. 1.0 0.8 0.6 N / N 0 0.4 n = 1 0.2 n = 2 n = 4 n = 3 0.1 0.0 0.5 1.0 1.5 D / D 1/2
A dózis hatásának függése a fajtól Különböző fajok D50 értékei Faj Kutya Majom Egér Ember E. coli Denevér Élesztő Amőba B. mesentericus Paramecium D50 (Gy) 3-4,3 5 4-6,5 5-8 5,6 150 300 1000 1500 3000
A dózis hatásának függése a szövet típusától A legfontosabb szövetféleségek csökkenő sugárérzékenység alapján felállított sorrendje 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Nyirokszövet Fehérvérsejtek, csontvelői éretlen vörösvérsejtek Gyomor-, béltraktus nyálkhártya Ivarsejtek Bőr proliferáló sejtrétege Erek Mirígyszövetek, máj Kötőszövet Izomszövet Idegszövet Mit figyelhetünk meg?
A dózis hatásának függése a szövet típusától Milyen esetekben fokozódik a sugárzás hatása? (Bergonie és Tribondeau megfigyelései) - nagyobb fokú szaporodási képesség; - hosszabb sejtmag osztódási periódus; - kevésbé rögzített a sejtek morfológiája.
A radioaktív sugárzások detektálása
A radioaktív sugárzás elleni védekezés 3 pontja Minimalizált kitettségi idő Maximalizált távolság Védőanyagok használata
γ-sugárzás detektálása Szcintillációs detektor Nagy energiájú sugárzás, vagy részecskék hatására fényvillanás következik be. NaI-kristály Tl-mal szennyezve. Más γ-detektorok: Félvezető detektor Sugárzás hatására a kristály vezetőképessége rövid időre megnő. Szilárdtest-nyomdetektor Sugárzás hatására a kristályszerkezet torzul.
β-sugárzás detektálása Geiger Müller számláló Hans Geiger 1882-1945 anód: W-szál katód:cu-henger Anód-katód közötti nagyfeszültség: 500-2000V Töltőanyag: szerves oldószer gőze, nemesgáz; kioltógáz http://hu.wikipedia.org/wiki/geiger%e2%80%93m%c3%bcller-cs%c5%91
Összefoglalás - a magok összetétele, modellek és kölcsönhatások; - a radioaktivitás oka, jellemzése; - sugárzások típusai, jellemzői, összehasonlítása; - aktivitás, felezési idők; - a sugárzások kölcsönhatásai anyaggal, biológiai hatásuk; - találatelmélet, indirekt hatás, dózisok; - a sugárzások hatásai és a befolyásoló tényezők.