nukleÁrna medicÍna prístroje na detekciu žiarenia

01

NUKLEÁRNA MEDICÍNAPrístroje na detekciu žiarenia

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


Živá a neživá hmota sa skladá z atómov.

Atóm každého prvku sa skladá z jadra a elektrónového obalu.

03


Atóm

04


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)

mp+ = 1,672 648 . 10 -27 kg

• neutrónov n0 (bez náboja - elektricky neutrálny)

mn0 = 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).

05



06



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

XZ= počet protónov

07



Vodík (H) Z=1 A=1 Hélium (He) Z=2 A=4 Lítium (Li) Z=3 A=6 Sodík (Na) Z=11 A=22

A= protóny+neutróny

XZ= počet protónov

08



Látka, ktorej atómy majú rovnaké protónové a nukleónové

číslo, je nuklid.

Pri rôznych počtoch neutrónov vznikajú izotopy.

09



Protóny a neutróny sú v jadre atómu viazané jadrovými silami.

Jadrové sily sú veľmi účinné, majú však dosah iba na malévzdialenosti.

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.).

10


Atóm / Elektrónový obal

Elektrónový obal atómu tvoria elektricky záporne nabité elektróny e-. Hmotnosť elektrónu: me-= 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)

11


Atóm / Elektrónový obal

Valenčná vrstva je najvyššia vrstva el. obalu a elektróny ktorésa zúčastňujú chemických reakcií sú práve z tejto vrstvy(valenčné elektróny).

Je to spôsobené tým že ak valenčný elektrón dostane určitúenergiu 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.

12


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 procesovodohrávajúcich sa v elektrónovom obale.

Pri týchto procesoch sa jadro alebo obal dostávajú dovzbudeného (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.

13



Ionizujúce žiarenie delíme na korpuskulárne(časticové)a vlnové.

• 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)

14



Ionizujúce žiarenie delíme na korpuskulárne (časticové)a vlnové.

• 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 !

15



Obr. : Schéma spektra elektromagnetického žiarenia

16


Rádioaktivita ako zdroj IŽ

Rádioaktivita (RA) je vlastnosť jadier niektorých prvkov,ktorá sa prejavuje samovoľným rozpadom jadier.

Pri rozpade a premene emituje (vyžaruje) takéto jadroenergiu-rádioaktívne žiarenie (α, β, γ, prípadne neutrónya žiarenie X ).

Vyžiarením určitého množstva energie (pre rôzne prvkyje to rôzne množstvo) sa prvok premieňa/rozpadá na iný prvok.

Izotopy, ktorých jadrá sú nestále nazývame rádioizotopy.

17



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 40K a 14C.

V prírode sa nachádza približne 50 rádioaktívnych nuklidov-rádionuklidov.

18



Rádioaktivitu rozlišujeme prirodzenú a umelú.

Umelá rádioaktivita sa vyskytuje v prípade umelovyrobených nestabilných prvkov. Umelé rádioizotopy sa vyrábajú zo stabilných nuklidovv atómových reaktoroch a cyklotrónoch. Pri ich výrobe ide cielene o dosiahnutie nerovnováhy(nestability) atómového jadra.Pre vyvolanie nerovnováhy sa používa tzv. „ostreľovanie“ jadier vhodným typom elementárnych častíc, ktoré sa musia v jadre pohltiť.

19


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

20



Rozpady s uvoľňovaním ťažkých častíc (Premena α )

Zaraďujeme sem α rozpad a uvoľňovanie neutrónov. K týmto typom rozpadov dochádza predovšetkým u ťažkýchrádionuklidov.

α rozpad sa prejavuje tým, že z jadra ťažkého prvku sauvoľňujú tzv. α častice, ktoré sa skladajú z dvoch protónova dvoch neutrónov (sú to letiace jadrá hélia).

Uvoľňovanie neutrónov je v prírode pomernevzácne. Príkladom uvoľňovania neutrónov jejadrový reaktor (235U, 239Pu).

emisia α častíc

21



Izobarické prechody (Premena β)

• Premena β-

Pri β- rozpade sa β- častice (elektróny) uvoľňujú z 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. β- premena je charakteristická pre prvky s nadbytkom neutrónov a môže byť sprevádzaná aj emisiou γ.

22




• 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.

23




• 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.

24



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 (99mTc, 87mSr, 113mIn).

25



Z hľadiska rádioaktívnych premien rozdeľujeme RA žiarenie :

• Žiarenie α je prúdom rýchlo letiacich atómových jadier hélia 24He,

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 (10-11až10-13m). 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.

26



Obr.: Prenikavosť rádioaktívneho žiarenia

27


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.

28



Rádioaktívny rozpad prvkov sa znázorňuje pomocou

rozpadovej krivky, ktorá má exponenciálny tvar a možno ju

vyjadriť rovnicou.

N = N0. e-λ.t

• N0 - počet rádioaktívnych jadier v čase t = 0

• N - stredný počet ešte nerozpadnutých jadier v čase t

• λ - konštanta premeny (rozpadová konštanta)

29


Rádioaktivita / Fyzikálne charakteristiky

• Polčas rozpadu (T1/2 ) 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.

T1/2 = 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

30



31


Interakcia IŽ s hmotou

Fyzikálne vlastnosti ionizujúceho žiarenia

Kvantitatívne charakterizujeme ionizujúce žiarenie jehohmotnosťou m /u fotónov m=0/, vlnovou dĺžkou λ a energiou E. V medicínskej praxi sa používa charakteristikapomocou 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

32



• Fotoefekt / Fotoelektrický jav

Pri fotoefekte dopadajúci fotón zasiahne obalový elektrón,Odovzdá mu kinetickú energiu. Elektrón sa uvoľní z atómua vyletí von s energiou, ktorá sa rovná energii pôvodného fotónu mínus väzbová energia elektrónu v atóme. K fotoefektuNajčastejšie dochádza na dráhach, blízkych k jadru a pomernepri malých energiách, ktoré len málo prevyšujú väzbovú Energiu elektrónu /10 keV/. Fotoefekt silne narastá satómovým číslom Z a hrá významnú úlohu pri vzniku kontrastu RTG snímky v rádiodiagnostike.

33



• Comptonov rozptyl

Comptonov rozptyl je pružná zrážka fotónu s elektrónom. Pri tejtozrážke sa časť energie fotónu prenáša na elektrón. Vzniká takfotón s nižšou energiou a odchýlenou dráhou a urýchlenýelektrón /Comptonov elektrón/. Comptonov efekt sa odohrávapredovšetkým na periférnych orbitálnych elektrónoch, kdeväzbová energia elektrónu je v porovnaní s energiou fotónovveľmi malá (elektrón možno pokladať za „voľný“). Všeobecne platí, že s narastajúcou energiou fotónov bude ubúdať fotoefekt a pribúda Comptonov efekt.

34



• Tvorba elektrón-pozitrónových párov

Nastáva pri energiách vyšších ako 1,02 MeV /dvojnásobokpokojovej energie elektrónu/. Vznik elektrón-pozitrónového párunastáva pri prelete fotónu v dosahu coulombovskej sily jadra.Energia fotónu je využitá na vznik páru elektrón-pozitrón. Navznik týchto častíc je potrebné 1,02 MeV, (čo je energetickýekvivalent dvoch kľudových hmotností elektrónu), zvyšná energiasa 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.

35



Vzhľadom na energiu fotónov (70 – 511 keV) používaných nazobrazovanie v nukleárnej medicíneprichádzajú do úvahy leninterakcie fotoefektom a Comptonovým rozptylom.Pri nízkych energiách RTG a gama žiarenia v oblasti desiatokkeV a v ťažkých látkach (s vysokým Z) ako napríklad olovo,prevláda fotoefekt.Copmptonov rozptyl prevláda u fotónov s energiou rádovo stoviekkeV, pri ich prechode ľahkými látkami (napr. voda, mäkké tkanivo).

Pri zobrazovaní v nukleárnej medicíne prevláda interakcia Ionizujúceho žiarenia a zobrazovanýchtkanív vo forme Comptonovho rozptylu.

36



Pri zobrazovaní v nukleárnej medicíne sú interakcie IŽ s hmotouvo forme fotofektu i Comptonovho rozptylu nežiadúcimi javmi,pretože kým fotoefekt spôsobuje stratu informácie, Comptonovrozptyl spôsobuje degradáciu obrazu jeho rozmazaním.

37

Ďakujem za pozornosť!


nukleÁrna medicÍna prístroje na detekciu žiarenia

Documents