Transcript Základné fyzikálne princípy
NUKLEÁRNA MEDICÍNA
Prístroje na detekciu žiarenia
Základné fyzikálne princípy
01
Základné fyzikálne princípy Téma:
•
Atóm - popis a stavba. Druhy a rozdelenie prvkov
•
Rádioaktivita- princíp, veličiny, jednotky.
•
Ionizujúce žiarenie (IŽ)- druhy IŽ, interakcia IŽ s hmotou.
02
Základné fyzikálne princípy
Atóm
Živá a neživá hmota sa skladá z atómov .
Atóm každého prvku sa skladá z a elektrónového obalu .
jadra
03
Základné fyzikálne princípy
Atóm / Atómové jadro
Prakticky celá hmotnosť atómu je sústredená v atómovom jadre .
•
Atómové jadro pozostáva z dvoch druhov častíc protónov p + (nositeľ kladného elektrického náboja)
•
m p + = 1,672 648 . 10 -27 kg neutrónov n 0 (bez náboja - elektricky neutrálny) m n 0 = 1,674 954 . 10 -27 kg Počet protónov v jadre sa označuje ako protónové číslo (Z) .
Podľa protónového čísla sú prvky zoradené do periodickej tabuľky prvkov .
V prírode sa vyskytujú atómy s protónovým číslom od Z = 1 (vodík) po Z = 92 (urán).
04
Základné fyzikálne princípy
Atóm / Atómové jadro
05
Základné fyzikálne princípy
Atóm / Atómové jadro
Počet protónov v jadre sa označuje ako protónové číslo (Z) .
Počet neutrónov v jadrách toho istého prvku môže byť odlišný. Súhrnný počet protónov a neutrónov vyjadruje nukleónové číslo (A) .
Rozdiel A-Z zodpovedá počtu neutrónov . Vyjadruje ho neutrónové číslo (N). A = protóny+neutróny X Z = počet protónov
06
Základné fyzikálne princípy
Atóm / Atómové jadro
A = protóny+neutróny X Z = počet protónov Vodík (H) Z=1 A=1 Hélium (He) Z=2 A=4 Lítium (Li) Z=3 A=6 Sodík (Na) Z=11 A=22
07
Základné fyzikálne princípy
Atóm / Atómové jadro
Látka, ktorej atómy majú rovnaké protónové a nukleónové číslo, je
nuklid
. Pri rôznych počtoch neutrónov vznikajú
izotopy
.
08
Základné fyzikálne princípy
Atóm / Atómové jadro
Protóny a neutróny sú v jadre atómu viazané jadrovými silami . Jadrové sily sú veľmi účinné, majú však dosah iba na malé vzdialenosti. Polomer účinnosti jadrových síl nepresahuje 4.10
-15 m. Polomer atómového jadra (r) je približne 1,2.10
-15 m. Protón je stabilná častica, neutrón je stabilný, pokiaľ sa nachádza vo zväzku jadra. Inak je nestabilný a rozpadáva sa na protón, elektrón a neutríno (životnosť neutrína je asi 13 min.).
09
Základné fyzikálne princípy
Atóm / Elektrónový obal
Elektrónový obal atómu tvoria elektricky nabité elektróny e . záporne Hmotnosť elektrónu: m e = 9,1093826 ×10 −31 kg
.
Počet elektrónov v normálnom atóme sa rovná počtu protónov v jeho jadre , t.j. protónovému číslu (Z).
V tomto prípade je atóm ako celok elektricky neutrálny . Každý elektrón v obale atómu sa nachádza v určitom energetickom stave, ktorý je určený štyrmi kvantovými číslami : n – hlavné kvantové číslo (určuje energetickú vrstvu alebo orbitál ) l – vedľajšie kvantové číslo (určujúce tvar orbitálu) m – magnetické kvantové číslo (určujúce priestorové usporiadanie orbitálu) s – spinové kvantové číslo (určuje spin elektrónu t.j. orientáciu)
10
Základné fyzikálne princípy
Atóm / Elektrónový obal
Valenčná vrstva je najvyššia vrstva el. obalu a elektróny ktoré sa zúčastňujú chemických reakcií sú práve z tejto vrstvy ( valenčné elektróny ). Je to spôsobené tým že ak valenčný elektrón dostane určitú energiu z vonku (podnet), odtrhne sa od atómu a stáva sa tzv.
voľným elektrónom . Tieto elektróny sa potom zúčastňujú alebo podieľajú na tvorbe chemických väzieb. Rovnako môže aj valenčná vrstva prijímať elektróny z iných atómov.
11
Základné fyzikálne princípy
Atóm / Ionizujúce žiarenie
Ionizujúce žiarenie IŽ je tok hmotných častíc alebo fotónov , ktoré majú schopnosť ionizovať atómy prostredia. Vzniká ako sprievodný jav jadrových procesov a procesov odohrávajúcich sa v elektrónovom obale.
Pri týchto procesoch sa jadro alebo obal dostávajú do vzbudeného (excitovaného) stavu (príjmu nejakým spôsobom energiu z okolia) a sú energeticky nestabilné (potrebujú sa získanej energie nejakým spôsobom zbaviť).
Pôvodný stav nadobudnú po vyžiarení energie vo forme častíc (elektrónov, protónov, pozitrónov) alebo fotónov .
12
Základné fyzikálne princípy
Atóm / Ionizujúce žiarenie
Ionizujúce žiarenie a vlnové.
delíme na
korpuskulárne
(časticové)
•
Korpuskulárne žiarenie
je tok častíc s nenulovou hmotnosťou, charakterizovaným elektrickým nábojom a pohybom (energiou). Podľa hmotnosti ich delíme na častice: ťažké (α častice, protóny, neutróny a hyperóny ) stredne ťažké (mezóny) ľahké (elektróny, pozitróny a ľahké mezóny)
13
Základné fyzikálne princípy
Atóm / Ionizujúce žiarenie
Ionizujúce žiarenie a
vlnové
.
delíme na korpuskulárne (časticové)
•
Vlnové žiarenie
má charakter elektromagnetického vlnenia, kde patrí tepelné (mikrovlny), infračervené, viditeľné, ultrafialové žiarenie, žiarenie X a γ žiarenie. ! Iba žiarenie X a γ (gama) žiarenie má schopnosť ionizovať atómy !
14
Základné fyzikálne princípy
Atóm / Ionizujúce žiarenie
Obr. : Schéma spektra elektromagnetického žiarenia
15
Základné fyzikálne princípy
Rádioaktivita ako zdroj IŽ
Rádioaktivita (RA) je vlastnosť jadier niektorých prvkov, ktorá sa prejavuje samovoľným rozpadom jadier . Pri rozpade a premene emituje (vyžaruje) takéto jadro energiu rádioaktívne žiarenie (α, β, γ, prípadne neutróny a žiarenie X ).
Vyžiarením určitého množstva energie (pre rôzne prvky je to rôzne množstvo) sa prvok premieňa/rozpadá na iný prvok. Izotopy, ktorých jadrá sú nestále nazývame rádioizotopy .
16
Základné fyzikálne princípy
Rádioaktivita ako zdroj IŽ
Rádioaktivitu rozlišujeme
prirodzenú
a umelú.
Prirodzená rádioaktivita
sa vyskytuje u jadier ťažkých prvkov od atómového čísla 84 až po posledný prvok periodickej tabuľky urán s atómovým číslom 92. Prvky, ktoré sa v periodickej tabuľke nachádzajú za uránom, tzv. transurány sú umelo vyrobené a v prírode sa nevyskytujú.
Stopové množstvá rádioaktivity sa vyskytujú aj u ľahších prvkov ako je 40 K a 14 C. V prírode sa nachádza približne 50 rádioaktívnych nuklidov-rádionuklidov.
17
Základné fyzikálne princípy
Rádioaktivita ako zdroj IŽ
Rádioaktivitu rozlišujeme prirodzenú a
umelú
.
Umelá rádioaktivita
sa vyskytuje v prípade umelo vyrobených nestabilných prvkov. Umelé rádioizotopy sa vyrábajú zo stabilných nuklidov v atómových reaktoroch a cyklotrónoch (nestability) atómového jadra.
Pre vyvolanie nerovnováhy sa používa elementárnych častíc, ktoré sa musia . Pri ich výrobe ide cielene o dosiahnutie nerovnováhy tzv. „ostreľovanie“ jadier vhodným typom v jadre pohltiť.
18
Základné fyzikálne princípy
Rádioaktivita / Typy RA premien
Rádioaktívne premeny možno vo všeobecnosti rozdeliť na tri typy:
1.) Rozpady s uvoľňovaním ťažkých častíc 2.) Izobarické prechody 3.) Izomérne prechody
19
Základné fyzikálne princípy
Rádioaktivita / Typy RA premien Rozpady s uvoľňovaním ťažkých častíc (Premena α )
Zaraďujeme sem α rozpad a uvoľňovanie neutrónov . K týmto typom rozpadov dochádza predovšetkým u ťažkých rádionuklidov.
α rozpad
sa prejavuje tým, že z jadra ťažkého prvku sa uvoľňujú tzv. α častice, ktoré sa skladajú z dvoch protónov a dvoch neutrónov (sú to letiace jadrá hélia).
emisia α častíc
Uvoľňovanie neutrónov
je v prírode pomerne vzácne. Príkladom uvoľňovania neutrónov je jadrový reaktor (235U, 239Pu).
20
Základné fyzikálne princípy
Rádioaktivita / Typy RA premien Izobarické prechody (Premena β)
•
Premena β -
Pri β β rozpade sa β častice (elektróny) neutrónu v jadre rozpadajúceho sa prvku. Neutrón v jadre sa mení na elektrón, ktorý emituje z jadra (nemá tam čo hľadať) a protón, ktorý v jadre ostáva. Mení sa protónové číslo Z (keďže v jadre pribudol nový protón). Vzniká nový prvok, ktorý je v periodickej tabuľke prvkov posunutý o jedno miesto vpravo.
premena je charakteristická pre prvky s nadbytkom neutrónov a môže byť sprevádzaná aj emisiou γ.
uvoľňujú z
21
Základné fyzikálne princípy
Rádioaktivita / Typy RA premien Izobarické prechody (Premena β)
•
Premena β +
Rozpad β + je charakteristický pre jadrá s nadbytkom protónov . Pri tejto premene sa protón v jadre mení na pozitrón e + , ktorý sa z jadra vyžiari a neutrón. V dôsledku toho sa mení počet protónov a teda protónové číslo Z sa zmenší o jednotku. Vzniká nový prvok, ktorý je v periodickej tabuľke prvkov posunutý o jedno miesto prvkov vľavo.
22
Základné fyzikálne princípy
Rádioaktivita / Typy RA premien Izobarické prechody (Premena β)
•
Elektrónový záchyt
Ak nie je energetický rozdiel medzi nestabilným jadrom a perspektívnym dcérskym prvkom dostatočný pre emisiu pozitrónu e + zachytí jadro pre dosiahnutie stabilného stavu orbitálny elektrón (najčastejšie z vrstiev K, L - najbližšie k jadru).
Tým sa neutralizuje náboj protónu, zmení sa na neutrón a protónové číslo sa zmenší o 1. Vzniká nový prvok, ktorý je v periodickej tabuľke prvkov posunutý o jedno miesto vľavo, rovnako ako pri β + rozpade. Pri elektrón. záchyte uvoľnené miesto po elektróne obsadí elektrón z vyššej dráhy, pričom dochádza k vyžiareniu charakteristického žiarenia X.
23
Základné fyzikálne princípy
Rádioaktivita / Typy RA premien Izomérne prechody (Premena γ)
Vzbudený stav jadra po izobarickom prechode trvá asi tak 10 -13 s, potom sa stav vyrovná emisiou kvanta žiarenia γ. Pokiaľ je časový interval premeny dlhší, hovoríme o izomérnom prechode. Izoméry sú dva druhy jadier toho istého nuklidu, ktoré majú merateľne dlhú dobu rozdielnu energiu. Izomérny prechod je spojený s emisiou γ kvanta (fotóny o určitej energii) nedochádza však k zmene Z ani A. Izomérne rádionuklidy majú veľký praktický význam v nukleár. medicíne ( 99m Tc, 87m Sr, 113m In).
24
Základné fyzikálne princípy
Rádioaktivita / Typy RA premien
• • •
Z hľadiska rádioaktívnych premien rozdeľujeme RA žiarenie :
Žiarenie α
je prúdom rýchlo letiacich atómových jadier hélia
2 4
He, ktoré sa pohybujú rýchlosťou 20 000 km.s
-1 . Preniká vzduchom aj tenkými kovovými fóliami, neprenikne však cez kožu človeka.
Žiarenie β
je prúdom elektrónov (pozitrónov) letiacich takmer rýchlosťou svetla (280 000 km.s
-1 )
a je asi 100 krát prenikavejšie
ako žiarenie α.
Žiarenie γ
je elektromagnetickým vlnením, podobne ako viditeľné svetlo, ale s kratšou vlnovou dĺžkou (10 -11 až10 -13 m).
Je najprenikavejšou časťou
jadrového žiarenia. Tvorí ho prúd fotónov (častíc bez náboja), ktoré sa pohybujú približne rýchlosťou svetla (300 000 km.s
-1 ). Zvyčajne sprevádza žiarenie β a niekedy aj α.
25
Základné fyzikálne princípy
Rádioaktivita / Typy RA premien Obr.:
Prenikavosť rádioaktívneho žiarenia
26
Základné fyzikálne princípy
Rádioaktivita / Zákon RA rozpadu
V určitom časovom úseku s v danom rádionuklide rozpadne vždy len určitý podiel jadier , ostatné ostávajú vo vzbudenom stave.
Podiel premenených jadier za sekundu a celkového počtu rádioaktívnych jadier udáva tzv. rozpadová konštanta λ .
Je to miera aktivity daného rádioaktívneho prvku.
27
Základné fyzikálne princípy
Rádioaktivita / Zákon RA rozpadu
Rádioaktívny rozpad prvkov sa znázorňuje pomocou rozpadovej krivky , ktorá má exponenciálny tvar a možno ju vyjadriť rovnicou.
N = N
0
. e
λ.t
• • •
N 0 počet rádioaktívnych jadier v čase t = 0 N stredný počet ešte nerozpadnutých jadier v čase t λ konštanta premeny (rozpadová konštanta)
28
Základné fyzikálne princípy
Rádioaktivita / Fyzikálne charakteristiky
•
Polčas rozpadu (T 1/2 )
je čas, za ktorý sa rozpadne (premení) polovica jadier. Je jednou zo základných charakteristík každého rádionuklidu, môžu to byť sekundy, minúty, dni, roky aj tisícročia.
•
T 1/2 = ln2 .λ -1 λ
rozpadová konštanta
_ Stredná životnosť (T)
rádioaktívnych prvkov je doba, ktorej sa priemerne dožije rádioaktívny atóm od vzniku po rozpad.
_
T = λ -1
29
Základné fyzikálne princípy
Rádioaktivita / Zákon RA rozpadu
30
Základné fyzikálne princípy
Interakcia IŽ s hmotou Fyzikálne vlastnosti ionizujúceho žiarenia
Kvantitatívne charakterizujeme ionizujúce žiarenie jeho hmotnosťou m /u fotónov m=0/, vlnovou dĺžkou λ a energiou E . V medicínskej praxi sa používa charakteristika pomocou energie, s jednotkou elektronvolt eV.
• • •
Interakcie fotónového žiarenia /X a gama/ a látky
Pri prechode ionizujúceho žiarenia látkou/hmotou dochádza k nasledovným mechanizmom:
Fotoefekt / Fotoelektrický jav Comptonov rozptyl Tvorba elektrón-pozitrónových párov
31
Základné fyzikálne princípy
Interakcia IŽ s hmotou
•
Fotoefekt / Fotoelektrický jav
Pri fotoefekte dopadajúci fotón zasiahne obalový elektrón, Odovzdá mu kinetickú energiu. Elektrón sa uvoľní z atómu a vyletí von s energiou, ktorá sa rovná energii pôvodného fotónu mínus väzbová energia elektrónu v atóme. K fotoefektu Najčastejšie dochádza na dráhach, blízkych k jadru a pomerne pri malých energiách, ktoré len málo prevyšujú väzbovú Energiu elektrónu /10 keV/. Fotoefekt silne narastá s atómovým číslom Z a hrá významnú úlohu pri vzniku kontrastu RTG snímky v rádiodiagnostike.
32
Základné fyzikálne princípy
Interakcia IŽ s hmotou
•
Comptonov rozptyl
Comptonov rozptyl je pružná zrážka fotónu s elektrónom. Pri tejto zrážke sa časť energie fotónu prenáša na elektrón. Vzniká tak fotón s nižšou energiou a odchýlenou dráhou a urýchlený elektrón /Comptonov elektrón/. Comptonov efekt sa odohráva predovšetkým na periférnych orbitálnych elektrónoch, kde väzbová energia elektrónu je v porovnaní s energiou fotónov veľmi malá (elektrón možno pokladať za „voľný“). Všeobecne platí, že s narastajúcou energiou fotónov bude ubúdať fotoefekt a pribúda Comptonov efekt.
33
Základné fyzikálne princípy
Interakcia IŽ s hmotou
•
Tvorba elektrón-pozitrónových párov
Nastáva pri energiách vyšších ako 1,02 MeV /dvojnásobok pokojovej energie elektrónu/. Vznik elektrón-pozitrónového páru nastáva pri prelete fotónu v dosahu coulombovskej sily jadra.
Energia fotónu je využitá na vznik páru elektrón-pozitrón. Na vznik týchto častíc je potrebné 1,02 MeV, (čo je energetický ekvivalent dvoch kľudových hmotností elektrónu), zvyšná energia sa zmení na kinetickú energiu vznikajúceho páru a jadra.
Pozitrón má veľmi krátky čas rozpadu. V priebehu asi 10 -8 s anihiluje s voľným elektrónom pri vyžiarení dvoch gama fotónov s energiou po 511 keV.
34
Základné fyzikálne princípy
Interakcia IŽ s hmotou
Vzhľadom na energiu fotónov (70 – 511 keV) používaných na zobrazovanie v nukleárnej medicíneprichádzajú do úvahy len interakcie fotoefektom a Comptonovým rozptylom .
Pri nízkych energiách RTG a gama žiarenia v oblasti desiatok keV a v ťažkých látkach (s vysokým Z) ako napríklad olovo, prevláda fotoefekt .
Copmptonov rozptyl prevláda u fotónov s energiou rádovo stoviek keV, pri ich prechode ľahkými látkami (napr. voda, mäkké tkanivo).
Pri zobrazovaní v nukleárnej medicíne prevláda interakcia Ionizujúceho žiarenia a zobrazovaných tkanív vo forme Comptonovho rozptylu.
35
Základné fyzikálne princípy
Interakcia IŽ s hmotou
Pri zobrazovaní v nukleárnej medicíne sú interakcie IŽ s hmotou vo forme fotofektu i Comptonovho rozptylu nežiadúcimi javmi, pretože kým fotoefekt spôsobuje stratu informácie, Comptonov rozptyl spôsobuje degradáciu obrazu jeho rozmazaním.
36
Základné fyzikálne princípy
Ďakujem za pozornosť!
37