Az atom felépítése RADIOAKTIVITÁS, SUGÁRZÁSMÉRÉS elektron proton Varga József Debreceni Egyetem Nukleáris Medicina Intézet atommag Atomi részecskék 2 Atomi részecskék mérete Jelmagyarázat: elektron proton neutron kvark kvarkok gluonok mag 3 atomi tömegegység ( atomic mass unit ): a C-12 atom tömegének 1/12 -e Fizikai Nobel-díj, 191 a később róla elnevezett sugárzás felfedezéséért" Neutron: 1.8665 AMU Proton: 1.7276 AMU Elektron:.5486 AMU 4 Röntgen-sugárzás (1895) A részecskék tömege AMU : Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) 5 Radioaktivitás 6 NUKLEÁRIS MEDICINA 1924: A radioaktív nyomjelzés alkalmazásának elve: ANTOINE HENRI BECQUEREL (1852-198) MARIE CURIE (1867-1934) PIERRE CURIE (1859-196) 193: Fizikai Nobel-díj a spontán radioaktivitás felfedezésével nyújtott rendkívüli teljesítményének elismeréseként 193: Fizikai Nobel-díjasok a Henri Becquerel professzor által felfedezett sugárzási jelenségek kutatása terén nyújtott rendkívüli közös teljesítményükért 7 Ha egy molekulában valamelyik atomot annak radioaktív izotópjára cseréljük, ez nem változtatja meg lényegesen a kémiai és biológiai tulajdonságait. HEVESY György Következmény: a molekula mozgása, (1885-1966) eloszlása, felhalmozódása 1943: Kémiai Nobel-dij sugárzásméréssel kimutatható. az izotópok, mint nyomjelzők alkalmazásáért a kémiai folyamatok tanulmányozására 8
Mesterséges radioaktív anyag előállítása Stabilitási görbe atomerőműben (magas neutron-fluxus) gyorsítók felhasználásával (kör-körös: ciklotron) drága! Fizikai Nobel-díj, 1939 A ciklotron feltalálásáért és fejlesztéséért, és a vele nyert eredményekért, különös tekintettel a mesterséges radioaktív elemekre Ernest Lawrence 191-1958 (Berkeley) 1931: a ciklotron feltalálója 9 1 Kis rendszámú magok bomlási módja Alfa-bomlás 1 Stabil EC Z=N Pozitron A Z X A 4 4 Z 2Y + 2 He + + Neutronszám 5 5 1 Protonszám előtte utána 11 12 (Negatív) béta-bomlás (β - ): -bomlás típusai n p + e +ν H-3 n-gazdag Az elektromágneses spektrum Pozitív béta-bomlás (β + ): Elektron-befogás (K-befogás): p n + e + +ν p + e n +ν Be-7 p-gazdag Ultraibolya Látható fény Infravörös mm hullámhossz, távmérés Mikrohullám, radar Röntgen TV, FM rádió Rövidhullámú rádió AM rádió 1.E+3 1.E+6 1.E+9 1.E+12 1.E+15 1.E+18 1.E+21 Frekvencia (Hz) előtte utána 13 14 Elektromágneses hullám Az orvosi-biológiai gyakorlat számára legfontosabb magátalakulások jellemzői Planck-állandó (h=6.626 1-34 J s): E = h f Tömeg-energia ekvivalencia: -sugárzás: az atommagból jön (vagy e + -e - megsemmisülési sugárzás) Röntgen (X): az elektronhéjból E = m c karakterisztikus röntgen: ha egy elektron alacsonyabb energiaszintre kerül fékezési röntgen: töltött részecske lassulásakor elektromos térben 2 Bomlási mód: Neve Jele Távozik Rendszám Tömegszám alfa α 2p+2n ( 4 2He ++ ) Változás: -2-4 béta β- e- +1 pozitív béta β+ e+ -1 elektronbefogás EC (kar. rtg.) -1 izomer magátalakulás γ γ 15 16
Atommagok (nuklidok) jelölése A radioaktív bomlás jellemzői A Z X X: vegyjel vagy X-Z (pl. vagy C-11 ) Z: rendszám (protonok száma) A: tömegszám (protonok és neutronok együttes száma) 11 6 C 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: 1 bomlás/s = 1Bq) milyen gyorsan csökken a minta radioaktivitása ( felezési idő ) 17 18 A radioaktivitás egysége 1 becquerel = 1 Bq = 1 bomlás/sec korábbi egység: 1 curie = 1 Ci = 37 GBq Nagyságrendek: in vitro méréseknél 1 kémcsőben: ~ kbq I-125 pajzsmirigy jódfelvétel mérése: 2 kbq I-131 vese-clearance méréséhez beadva: 3 MBq Cr-51 nyelőcső szcintigráfia: 2 MBq Tc-99m csontszcintigráfia: 6 MBq Tc-99m pajzsmirigy rák terápia ~ GBq I-131 19 A Ga-67 bomlási adatai táblázatban Nuklid Felezési idő Bomlási mód Energia (kev) Ga- 67 78.1 h EC 91.3 3 93.3 38 185 24 29 2 3 16 394 4 P (%) 2 8 7 6 5 4 3 2 1 N = N ln(2) T = λ t.5 / T = N 5 1 Bomlási törvény e λt Idő (min) 1 log(beütésszám) ln(2)/.19 365 min (valódi, Tc-99m: 361 min) y = 736.96e -.18x 1 5 1 Idő (min) 21 Kutató laborok leggyakoribb radionuklidjai Radionuklid Bomlási mód Tfél Mentességi akt. Alapmennyiség H-3 béta 12.3 év 1 GBq 1.2 GBq C-14 béta 573 év 1 MBq 36 MBq P-32 béta 14.2 nap 1 kbq 8 MBq S-35 béta 87.5 nap 1 MBq 16 MBq Ca-45 béta 162.6 nap 1 MBq 24 MBq I-125 EC 59.4 nap 1 MBq 4 kbq I-131 béta, gamma 8. nap 1 MBq 4 kbq 22 A leképező diagnosztika legfontosabb radionuklidjai Nuklid Felezési idő Bomlási Energia P (%) mód (kev) Ga- 67 78.1 h EC 93.3 38 185 24 3 16 Se- 75 119 nap EC 121 16 136 54 265 57 28 19 41 12 Kr-81m 13.6 sec IM 19 Tc- 99m 6.3 h IM 141 88 I -123 13 h EC 159 84 I -131 8.6 nap B- 96 7 B- 192 9 g 364 82 Tl-21 73.1 h EC 135 2 g 167 8 X 65-82 Pozitron-emissziós leképezés legfontosabb radionuklidjai 23 24 Nuklid Felezési idő Bomlási mód Energia (kev) P (%) C - 11 2.3 min B+ 98 1 N-13 1 min B+ a.r. 1 O-15 124 sec B+ a.r. 1 F - 18 19 min B+ a.r. 194
Az in vitro diagnosztika legfontosabb radionuklidja Sugárzás elnyelődése anyagban Papírlap Nuklid Felezési idő Bomlási mód Energia (kev) I -125 6.2 nap EC 35 7 X 27.2 39 X 27.4 76 X 3.9 21 γ 35 7 P (%) Alumíniumlemez 25 26 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. 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. 27 28 ELEKTROMÁGNESES SUGÁRZÁS KELTÉSE: Fékezési röntgensugárzás keletkezése (a) Fékezési röntgensugárzás: A mozgási energia átadása következtében folytonos spektrumú röntgensugárzás jön létre. 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. Coulomb-vonzás Fékezési röntgen (-sugárzás árnyékolására pl. plexi-lapot használhatunk.) Atommag 29 3 MAGREAKCIÓK KIVÁLTÁSA: Megsemmisülési sugárzás 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) (Pozitron) Gerjesztés és ionizálás 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. Megsemmisülési sugárzás 31 32
Fotoelektromos kölcsönhatás (I-131) és karakterisztikus röntgensugárzás keltése Compton-szórás beeső foton Vegyértékelektronok kötési energia (kev) 66 kev fotoelektron 1 kev beeső foton Comptonelektron Beeső foton Törési szög Karakterisztikus röntgen: Szórt foton 33 beeső foton Párkeltés A fotoelektromos kölcsönhatás tömegabszorpciós együtthatójának energiafüggése jódban, báriumban és testszövetben Gerjesztés és ionizálás 34 Tömegabszorpciós együttható és összetevői ólomra Beeső foton 1 ( Negatron ) 1 cm2/g Teljes 1 1 Gerjesztés és ionizálás.1 Compton Fotoel..1 (Pozitron) Párkeltés.1.1 35 Részecske: levegőben vízben (testszövetben) alfa ~ cm <.1 mm béta ~m 1-1 mm 1-2 MeV-os elektron ~ 1 m ~ cm 4 2α 1 β Papír ++ γ 1 n 36 Árnyékolás 1/ 2 Részecske-sugárzás maximális hatótávolsága 1 1 1 -energia, MeV Elektromágneses sugárzás elnyelődése közegben N = N e µd = N.5 d / d.1 Műanyag Ólom Beton Alfa és röntgen Neutron 37 38 Sugárzások hatótávolsága α, β- és γ-sugárzás 39 Radioizotóp Sugárzás Energia (MeV) Hatótávolság v. átlagos szabad úthossz vízben és testszövetben (mm) Urán-238 Alfa 4.2 Hatótávolság:.27 Polónium-21 Alfa 5.3 Hatótávolság:.37 Szén-14.154 max. Max. úthossz:.29 Foszfor-32 1.71 max. Max. úthossz: 8 Jód-125.35 Átlagos táv ütközésig: 33 Kobalt-6 1.33 Átlagos táv ütközésig: 164 4
Elektromágneses hullám élettani hatásai Az élettani hatáshoz a sugárzási energiának el kell nyelődnie a testben. Ehhez olyan energiaszint-párnak kell jelen lennie, amelyek különbsége a foton energiájának megfelelő. A test átlátszó Csaknem átlátszó. Molekularotáció, hı Molekulavibráció, hıérzet Infravörös mm hullámhossz, távmérés Mikrohullám, radar TV, FM rádió Erıs elnyelıdés. Elektrongerjesztés Rövidhullámú rádió AM rádió ionizálás nélkül Ultraibolya Látható fény A bırben elnyelıdik. Elektrongerjesztés, fent ionizálás Csaknem átlátszó. Ionizálás Röntgen 1.E+3 1.E+6 1.E+9 1.E+12 1.E+15 1.E+18 1.E+21 Frekvencia (Hz) 41 Szcintillációs detektor Szcintillátor q, i fényérzékelő e-h fénykvantum dióda fotoelektron-sokszorozó cső A szcintilláció mechanizmusa vezetési sáv lumineszcens központ vegyérték-sáv CsI:Tl a-si rendszer Gd 2 O 2 S:Tb röntgen-ernyő NaI:Tl gamma-kamera 42 γ Szcintillációs számláló részei Fény Fotoelektron-sokszorozó cső Jelfeldolgozó Spektrum az impulzusok gyakorisága a jelnagyság függvényében Diszkriminátor Számláló kiszökési csúcs Na-jodid kristály Anód fofocsúcs Fotokatód Optikai ablak A szcintilláció mechanizmusa vezetési sáv beütésszám visszaszórási csúcs Compton-él lumineszcens központ 2 4 6 8 energia vegyérték-sáv 43 44 A gázionizációs detektor elve Elektród Töltött részecskék Elektromos erősítő Ionpárok Elektród Normál atomok 45 46 GM-csövek típusai GM-cső energia-függése Kompenzáló árnyékolás szerepe R Kompenzálatlan 2 Fánk Kompenzált 1.2 1..8 Végablakos Kompenzált 1 1 1 E, kev Széles gamma-energia tartományban 2%-on belüli relatív érzékenység 47 48
Félvezető detektorok Termolumineszcens dózismérő Vezetési sáv Elektron-csapda TL foton Vegyértéksáv Ionizáló sugárzásnak kitéve Lyuk-csapda 1 2 Fűtés hatására a csapda kiürül, egy TL fotont kibocsátva. A példában az elektron-csapda a kibocsátás központja. 49 5 Filmdoziméter Tipikus filmdoziméter Filmdoziméter: β, és γ-sugárzás dózisának mérésére használják. A kiértékelés alapja, hogy a besugárzott filmen áthaladó fény intenzitása más, mint a besugárzatlan filmen áthaladóé. S = I lg o I I o : Besugárzatlan, de előhívott filmen áthaladó fényintenzitás S : feketedés I : besugárzott filmen áthaladó fényintenzitás Röntgen Kadmium Réz Alumínium -ablak Feketedési mintázatok 51 52 Detektor-típusok Detektor-típusok 2. Detektálás elve Levegő (vagy más gáz) ionizálása, elektronsokszorozással a detektorban Berendezés típusa Ionizációs kamra (IC) Geiger-Müller (GM) Proporcionális számláló (PC) Alkalmazások Dózis és dózisintenzitás közvetlen mérése, minimális energiafüggéssel Egyedi becsapódások érzékelése (alfa, béta, másodlagos elektron) aktivitásmérés céljából (mintákban és felületen) Alacsony intenzitású röntgen- és gammasugárzás detektálása Félvezető ionizálása Félvezető-dióda Fotonok és részecskék detektálása és energiájának mérése, főleg laboratóriumban. 53 Detektálás elve Ionizálást és gerjesztést követő fénykibocsátás Berendezés típusa Szcintillátorok Alkalmazások Egyedi becsapódások érzékelése - ZnS (Ag) alfa-részecskék; csak detektálás - folyadék - Alacsony energiájú béta-sugárzók mérése, szcintillátor-folyadékkal összekeverve AgBr ionizálása Fotó-film Személyi dozimetria. Kristály gerjesztése; fénykibocsátás felmelegítés hatására - szilárd - NaI (Tl) - fotonok; energiaspektrometria Termolumineszcens detektor (TLD) Autoradiográfia Személyi és környezeti dózismérés. 54