Elementi Radijacione biofizike

Elekromagnetsko zračenje

Interesantni dijelovi spektraelektromagnetskog zračenja• Infracrveno zračenje (IC)

750nm<λ<1.0mm• Vidljiva svjetlost 400 nm<λ<750 nm • Ultravioletno zračenje (UV) 100nm<λ<400nm• Roentgensko (X) zračenje 10nm<λ<10-5 nm 124 eV<E< 124 MeV Energija elektromagnetskog zaračenja je kvantizirana.

Energija kvanta EM zračenja:

s/m103c,Js10625.6h,chfhE 834

Manja valna duljina, veća energija

J106.1eV1 19

Roentgensko- X zračenje

Podjela po valnim duljinama ( energijama)

•Valne duljine meko x- zračenje • Valne duljine Dijagnostičke svrhe i laka terapija

• Valne duljine Dubinska terapija

)eV104.12EeV124(nm1.0nm10 3

)KeV10124EKeV4.12(nm01.0nm1.0 3

)MeV244.1EKeV124(nm001.0nm01.0

Podjela po vrsti• Linijsko (karakteristično). Nastaje pri prijelazu elektrona iz viših ljuski u niže K, L, M ljuske u težim elementima. Imaju strogo definirane valne duljine i karakteristične su za svaki element. Za razliku od optičkog spektra, atomi zadržavaju karakteristične x-zrake i onda kada se nalaze u nekom kemijskom spoju.• Zakočno zračenje ( Bremsstrahlung). Nastaje kočenjem elektrona ( nabijenih čestica općenito) i dobija se kontinuirani spektar X- zraka.

i

2VikeZI

Intenzitet X-zračenja

min

eVhccheV min

min

Kontinuirani spektar X- zrakaBremsstrahlung

Linijski spektar X- zraka

• Elektroni sa katode se ubrzavaju u električnom polju unutar katodne cijevi (potrebni visoki naponi)• Naglo se zaustavljaju udarom o anodu• Zbog kočenja dolazi do pojave roentgenskih zraka.• Za tačno određene vrijednosti energije X-zraka dolazi do pobuđivanja ( ekscitiranja) elektrona iz nižih elektronskih ljuski i oni prelaze u viša energetska stanja• Vraćanjem elektrona u niža stanja dolazi do emitiranja X zraka koje imaju valne duljine karakteristične za metal iz kojeg je načinjena anoda.• Linijski spektar određenog elementa ostaje isti čak i ako se element nalazi u nekom kemijskom jedinjenju.

KM:KKL:K

Linijski spektar X-zrakaZa anodu iz molibdena

min

Apsorpcija X- zračenja

•Mikroskopski: Apsorpcija X-zračenja je proces u kojem X- zrake gube energijuInterakcijom sa atomima sredine

• Makroskopski:Apsorpcija je prijelaz energije X-zračenja u toplinu

U biološkom pogledu, posljedica apsorpcije je oštećenje tkiva.

Mehanizmi apsorpcije:- Fotoelektrični efekt- Comptonovo raspršenje- Stvaranje parova

- Koherentno raspršenje

Fotoelektrični efekt

W)E(ch

W)E(fh

maxk

maxk

sredinu zadanu za rad Izlazni W

Einstein:

Izbačeni elektron visoke energije izaziva jonizaciju atoma sredine

Comptonov efekt

)cos1(mch

Produkcija para

Kvant x-zračenjagubi dio energijena jonizaciju atoma.Kao rezultat raspršenjaIma veću valnu duljinu( manju energiju)

Kvant x-zračenja dovoljne energije

U blizini jezgre tvori par elektron-pozitron

2mc2E

ee

Fotoelektr. efekt

Koherentno i nekoherento raspršenje

I0

I

x

Apsorpcija X- zračenja

sredine sloja debljinax

apsorpcije tkoeficijen maseniμ

tvari gustina

kgm

xIIIΔ I

2

00

x1

II

0

Za vrlo male debljine sredine imamo:

Odakle se dobije x

eII

d xIId

0

0

Različite sredine imaju različite vrijednostimasenog koeficijenta apsorpcije, što omogućava upotrebu x-zraka u medicini.Vrijednosti su tabelirane za sve sredine od interesa za primjenu.Maseni koeficijent apsorpije, za zadanuSredinu ovisi o valnoj duljini X-zračenja.

Linearni koeficijent. apsorpcije

lin

Zavisnost linearnog koeficijenta o energiji- valnoj duljini

Iz snopa x-zraka različite valne duljine, moguće je izdvojiti tzv tvrđu komponentu. X-zračenje malih energija (velikih valnih duljina) brzo se absorbira (koeficijent linearne apsorpcije visok- slika)- ostaje x- zračenje viših energija.

Linearni koeficijent apsorpcije ovisi o valnoj duljini ( energiji) zračenja i o rednom broju asorbirajuće sredine.Koeficijent linearne apsorpcije je viši kod elemenata višeg rednog broja.

Uporedite vrijednosti za Sn, Al i C na sliciza istu energiju x-zračenja

Roentgenska dijagnostika se temelji na zakonu apsorpcije RZ jer različita tkiva imaju različite gustine a pojedine anatomske strukture su građene od elemenata različitog rednog broja.

Roentgenska dijagnostika

Roentgenska slika se dobije fluorescencijom nekih supstanci ilidjelovanjem RZ na emulzije sa AgBr.Danas se primjenjuju kompjuteriziranemetode pri čemu se umjesto fotografske emulzije koriste osjetljivi detektori zračenja. Različiti intenziteti zračenja se kompjuterski obrađujui grafički predstavljaju.

Kompjuterizirana tomografija - CT

Jonizirajuće zračenje

Jonizirajuće zračenje je svako zračenje koje u toku interakcije smaterijom kroz koju prolazi posrednim ili neposrednim putem izaziva jonizaciju njenih atoma ili molekula.

Vrste jonizirajućeg zračenja:• Fotonsko zračenje (X-zračenje, gama zračenje) direktno jonizirajuće zračenje• Nabijene ( naelektrizirane čestice) elektroni, pozitroni, alfa čestice i teži joni- direktno jonizirajuće zračenje• Neutralne čestice (najčešće neutroni) izazivaju promjene u jezgrama pri čemu dolazi do emitiranja bilo X zraka bilo gama zraka ili nabijenih čestica koje vrše jonizaciju sredine ( indirektna jonizacija)

Struktura jezgri, nuklearne sile i dimenzije jezgreDefekt mase i energija vezeNestabilne jezgre i radioaktivnostVrste zračenja

Alfa zračenje-jezgre Helija

HeRnRa)(HeYX 42

22286

22688

42

4A2Z

AZ

Beta zračenje

zahvatKnep

eCNeYX

raspadenp

~eXeI~eYX

raspad~epn

126

127

A1Z

AZ

13154

13153

A1Z

AZ

Gama zračenje

XX AZ

*AZ

Specifična jonizacijaSpecifična jonizacija je broj jonskih parova proizvedenih po jedinicidužine puta u nekoj sredini ( np u zraku)

MeV) 2.6E ( 2 energiji) o ovisnosti u ( 7600-40

104 do 4

:::

!!!Ukupan broj jonskih parova duž ukupnog puta približno je isti zasve vrste zračenja!!!

Zakon radioaktivnog raspadanja

raspada konstantaλ

t N

t0 eNN

NtdNdN

Jednadžba preživjelih

Aktivnost radioaktivnog elementa

Bq

s/raspad1)becquerel(Bq1AeAANA t0

10

103.7(Curie) 1Ci

Vrijeme poluraspada

693.02lnTt

2NN 21

0

Biološko vrijeme poluraspada

b21eff

beff

T1

T1

T1

Dozimetrija jonizirajućeg zračenja

Dozimetrija jonizirajućeg zračenja je postupak mjerenja energije koje jonizirajuće zračenje preda ozračenom tijelu

Djelovanje jonizirajućeg zračenja na organizam ovisi prvenstveno o apsorbiranoj energiji i vrsti zračenja.

Apsorbirana energija i djelovanje zračenja na organizam opisuje se dozama radioaktivnog zračenja.

Ekspoziciona doza ( doza izlaganja)

ukupan naboj jona istog znaka nastalih jonizacijom zraka pri standardnim uvjetima

masa zraka

kgC1058.2R1

kgCXQX 4

m

Q

m

Apsorbirana doza

tijela masam energija aapsorbiranE

m E

kgJ)Gray(GyDD

Relativna biološka efektivnost zračenjaRelative Biological effectiveness RBE

RBE= (Doza X- zračenja od 200 KeV) koja izaziva određeno biološko oštećenje) Doza koja izaziva isto zračenje

RBE:Proton =10 10-20

Ekvivalentna doza doza ( Biološki ekvivalentna doza)

man) equivalent (Roentgen emHRBEDHRBE x doza aApsorbiranR

H