wykład 3

Promieniowanie jonizujące i metody radioizotopowe
dr Marcin Lipowczan
Budowa atomu
1897 – Thomson, 10­10m, kula dodatnio naładowana + ładunki ujemne
1911 – Rutherford, rozpraszanie cząstek alfa na folię metalową, jądrowy model atomu (problem z emisją promieniowania przez elektrony)
1913 – Bohr (postulaty), dobre dla wodoru i helu
1. stany energetyczne elektronu, brak emisji promieniowania
2. ∆E = hν
3. obowiązują prawa mechaniki z wyjątkiem przejść
4. możliwe stany energetyczne J = mvr = nh / (2π)
1924 – Schroedinger, falowa natura elektronu, słynne równanie: Hψ = Εψ, ψ – funkcja falowa
Promieniowanie rentgenowskie ­ promieniowanie X
Powstaje na skutek bombardowania materii elektronami (> 20 keV)
•Wybijanie elektronów (promieniowanie charakterystyczne)
•Jonizacja
•Wzbudzanie i powrót do stanu podstawowego => emisja fali elektromagnetycznej:
•Elektron z powłoki walencyjnej – nadfiolet, widzialne
• Elektron z powłok wewnętrznych­ X
•Hamowanie w pobliżu jąder atomowych – różne spektrum energii promieniowania jonizującego (λ > λgr, krótkofalowa granica widma) −
promieniowanie ciągłe
Promieniowanie rentgenowskie
hc
E k = hυ =
λgr
Oba komponenty prominiowania
Lampy rentgenowskie
termoemisja ­wyrzucanie elektronów poza katodę
>2000 oC
Ek = eU
hc
E k = hυ =
λgr
U = ⇒ λgr =
hc
eU
Natężenie I zależy od:
•Ia ­ prądu płynącego pomiędzy anodą i katodą
•U ­ napięcia
Konstrukcja lampy
•Z ­ liczby atomowej pierwiastka z którego zbudowana jest anoda I = AZI aU 2
Lampy rentgenowskie
Wady:
•Duże straty – nadmierne grzanie się lamp (trzeba stosować specjalne układy chłodzenia)
•Uszkodzenie anody (dla U = 100 keV, prędkość elektronów = ½ c) – wirujące anody
Podział promieniowania
•Promieniowanie miękkie – niższe energie i słabsza przenikliwość (λ od 0,1 nm do 10 nm )
•Promieniowanie twarde – wysokie energie i duża przenikliwość (λ od 5 pm do 100 pm)
Efekty działania
•Jonizacja
•Zaczernianie kliszy fotograficznej
•Luminescencja niektórych substancji
Promieniotwórczość naturalna
Izotop nietrwały  rozpad => emisja kwantu energii
Prawdopodobieństwo rozpadu dowolnego jądra izotopu jest zawsze takie samo => ilość rozpadów w jednostce czasu zależy rodzaju izotopu i ilości jąder (tych przed rozpadem)
dN
= −λN ,
dt
gdzie
λ − stala rozpadu
Rodzaj jąder
N = N 0 e − λt
N=
N0
, t =T
2
⇓
T – czas połowicznego rozpadu
λ=
ln 2
T
Aktywność promieniotwórcza – szybkość rozpadu próbki
A=
dN
dt
1

Bq
=

s 

Promieniowanie α
α − jądro helu A
Z
X → 24He+ ZA−−24X '
Dodatni ładunek => odchylanie w polu elektromagnetycznym
Krótki zasięg – oddziaływanie z materią
Ek = kilka MeV (zdolność do ok. 105 jonizacji)
Zastosowanie – czujniki przeciwpożarowe
Promieniowanie β+ , β−
Zamiana protonu w neutron bądź odwrotnie
p→ n+ e + υ
1
1
0
~
n→ p + e + υ
1
1
1
0
0
1
0
1
−1
A
Z
X →10 e+ Z −A1 X '
A
Z
X → e+
0
−1
X
A
Z +1
Zachowanie jądra atomowego
'
cząstki β są odchylane przez pole elektromagnetyczne Energia zależy od reakcji (rzędu 1 MeV)
Zasięg większy od α
Promieniowanie γ
Jądra powstałe na skutek przemian α lub β są zwykle w stanie wzbudzonym. Przechodząc do stanu podstawowego emitują energię (kwant γ). Jest to promieniowanie elektromagnetyczne
Nie jest odchylane w polu elektromagnetycznym
Duży zasięg
Promieniotwórczość sztuczna
Zderzenia jąder z innymi cząstkami (np. neutronami)
•E < Ea – wzbudzenie i emisja kwantu γ
•E > Ea – rozszczepienie jądra i emisja kwantu γ np.:
94
139
1
U + 0 1n→ 236
U
→
Sr
+
Xe
+
3
92
38
54
0n
235
92
Może dojść do reakcji łańcuchowej
Absorpcja
Synteza jądrowa (zderzenia dwu lekkich jąder) 2
1
H +13H → 24He + 01n + 17,6 MeV
Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią
Etap fizyczny
Elektrony, zjonizowane atomy, promieniowanie γ, ciepło
dE B Z
= 2ρ
Wzór Bethego: −
, B­ zależy od ładunku
dx v
A
Neutrony – zderzenia z jądrami (sprężyste i niesprężyste)  kwant γ + neutrony lub zmiana np
Promieniowanie elektromagnetyczne
zjawisko fotoelektryczne – absorpcja γ (o energii E = hν) przez elektron mvel2 .
= hv − E j
2
Efekt Comptona
[
hν ∈ 105 eV , 107 eV
]
Zmniejszenie częstotliwości promieniowania i zmiana kierunku
hν
hν ' = hν
1
h
(1 − cos θ )
1+
2
m0 c
hν '
Powstawanie par elektron – pozyton
foton o wysokiej energii traci wskutek zderzenia z jądrem całą swą energię hν. Powstaje para cząstek ­ elektron i pozyton.
Proces odwrotny też zachodzi
2mel c 2 = 1.02 MeV
Obszary dominacji różnych efektów oddziaływania fotonów z materią w funkcji energii fotonów i liczby atomowej absorbenta Z. Prawo absorpcji promieniowania
I = I 0 e − µx ,
µ =τ +σ +π
(fotoelektryczny, comptonowski, tworzenie par)
Chemiczne skutki promieniowania Radioliza wody
H 2O → H ⋅ ∨OH ⋅
*
H 2O + γ →
H 2O + + e → H + ∨ OH +
H +OH
+
.
ciepło H2O*
+H2OH2O­H.+OH­
Elektrony uwodnione
Wolne rodniki ulegają rekombinacji i może powstać
H2O2, H2, woda
Biologiczne skutki absorpcji γ
H2O2,  toksyczny
OH. ­ reagują z aminokwasami aromatycznymi, zawierającymi siarkę
Bezpośrednim efektem jest:
• radioliza kwasów nukleinowych
•Dezaminacja aminokwasów •Rozerwanie pierścieni benzenowych
•SH  grupy dwusiarczkowe
Skutki dzielimy na •Trwałe (procesy naprawcze)
•Letalne Ilościowa ocena promieniowania jonizującego
[Gy = J/kg] – dawka promieniowania pochłoniętego
[Gy/s] – moc dawki pochłoniętej
[C/kg] – dawka ekspozycyjna (dawka promieniowania, która w 1 kg suchego powietrza jonizuje 1 C +/­)
[Sv] – równoważnik dawki (zależy od skuteczności biologicznej, dawki pochłoniętej)
Metody radioizotopowe
Zdjęcia rentgenowskie
Tomografia komputerowa (podobnie jak NMR) – pochłanianie w różnych kierunkach
Rozcieńczanie izotopowe – badanie metabolizmu, immunologia (możliwość wykonania analizy związków występujących w zbyt małych ilościach żeby móc wykonać zwykłą analizę chemiczną
Scyntygrafia – dwuwymiarowy rozkład promieniowania emitowanego przez dany obiekt (podaję się izotop „pacjentowi”). Lepsze urządzenia
Gamma kamery – lepsza scyntygrafia
Radioterapia