Budowa atomu, wytwarzanie promieniowania ... Budowa atomu Modele atomu: •Thomsona –„ciasto z...

OCHRONA RADIOLOGICZNA PACJENTA

Budowa atomu, wytwarzanie promieniowania

rentgenowskiego, oddziaływanie promieniowania z

materią.

2

3

• Protony i neutrony (nukleony) wchodzą w skład jądra atomowego

• Chmura elektronowa jest to obszar w zasięgu oddziaływania jądra atomowego, w którym istnieje prawdopodobieństwo znalezienia elektronów

• Powłoka elektronowa jest to część chmury elektronowej, w której prawdopodobieństwo znalezienia elektronu jest największe

• Protony mają ładunek elektryczny +1 i masę = 1,007u (ok. 1836 masy elektronu)

• Neutrony nie mają ładunku a ich masa = 1,008u (ok. 1838,5 masy elektronu)

• Elektrony mają ładunek elektryczny –1 i masę spoczynkowa 9,1 * 10^-28g

Budowa atomu

4

• Jądro atomowe jest bardzo małe w porównaniu z atomem (10^4-10^5 razy mniejsze), znajduje się w jego centrum i w nim skupiona jest prawie cała masa atomu

• Liczba protonów w jądrze atomu jest równa liczbie elektronów w chmurze elektronowej - liczba atomowa Z (określa główne właściwości chemiczne)

• Liczba nukleonów to liczba masowa A, N – liczba neutronów w jądrze

• Każdy atom można opisać za pomocą liczby atomowej i masowej: A

ZX

Budowa atomu

5

Budowa atomu

• masa jądra:

• nie jest liczbą całkowitą (< sumy mas nukleonów w jądrze), odstępstwo mas (zmierzonej od liczby A): deficyt masy (= M-A), czynnik upakowania (f=(M-A)/A)

• energia wiązania jądra: różnica sumy mas składników jądra (nukleonów) i jego rzeczywistej masy

• ładunek elektryczny: ładunek elektronu (e=1,6*10^-19C) [ładunek kwarków: 1/3 lub 2/3, u(2/3), d(-1/3), s(-1/3), c(2/3), b(-1/3), t(2/3)]

• siły jądrowe: mały zasięg, silne oddziaływanie (natężenie < od sił kulombowskich), wysycenie (nukleon oddziałuje tylko z sąsiednimi nukleonami – niewielki zasięg), niezależność ładunku (podobna siła n-p, p-p), potencjał

6

Budowa atomu

•izotopy: atomy tego samego pierwiastka różniące się tylko liczbą neutronów w jądrze (Z=const., A zmienne), np. prot (1

1H), deuter (2

1H), tryt (31H), izotopy węgla: 11

6C, 126C, 13

6C, 146C

• izotony: atomy różnych pierwiastków, te same liczby neutronów w jądrze (N=const., Z zmienne), np. 13

6C, 125B, 15

8O (A-Z=N=7)

• izobary: atomy różnych pierwiastków mające identyczne liczby masowe (A=const, Z zmienne), np. 12

5B, 126C, 12

4N

• izomery jądrowe: identyczne liczby A i Z, różny stan energetyczny (stany metastabilne, po średnim czasie życia w stanie izomerycznym (10^-13s) tracą energię – emisja gamma), np. 99m

43Tc i 9943Tc

7

Budowa atomu

Cząstka Symbol Masa Ładunek Inne cechy

Foton 0 0 c=3*10^10 cm/s

Elektron e, β- 9.1*10^-28 g -e

Pozyton β+ 9.1*10^-28 g +e

Proton p 1836,1 me +e

Neutron n 1838,5 me 0

Neutrino ν 0 0 Spiny przeciwnie skierowane

Antyneutrino 0 0

8

Budowa atomu

Modele atomu:

• Thomsona – „ciasto z rodzynkami”, atom – kula dodatnio naładowana z wtopionymi elektronami, całość elektrycznie obojętna

• Rutheforda – układ planetarny, w środku maleńkie jądro (ładunek dodatni), elektrony krążące wokół niego po orbitach (przyciągane zgodnie z prawem Coulomba, siła odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości)

• Bohra - układ planetarny, w środku maleńkie jądro (ładunek dodatni), elektrony krążące wokół niego po orbitach, opis ruchów elektronów (tylko pewne orbity są dozwolone, pobyt elektronu na konkretnej orbicie związany jest z posiadaniem przezeń ściśle określonej energii: tym większej im orbita wyższa (dalej od jądra), możliwe są przejścia elektronu z orbity wyższej na niższą – emisja promieniowania, z orbity niższej na wyższą – absorpcja, powłoki zamknięte (max.liczba elektronów), elektron walencyjny – elektron na nie zamkniętej powłoce, model nie uwzględnia spinu elektronu i jego własnego momentu magnetycznego, dobrze opisuje wodór, podwójnie zjonizowany hel, dwukrotnie zjonizowany lit

9

Promieniowanie

http://www.if.pw.edu.pl/~pluta/pl/dyd/mfj/zal03/bilski/referat.html

10

Wytwarzanie promieniowania

Promieniowanie X powstaje w czasie bombardowania tarczyprzez wiązkę rozpędzonych elektronów. Lampa zbudowana jestz bańki szklanej opróżnionej z powietrza, pośrednio żarzonejkatody (elektrody ujemnej) oraz anody (elektrody dodatniej).Elektrody podłączone są ze źródłem wysokiego napięcia rzędukilkudziesięciu tysięcy wolt lub nawet większych. Katodęstanowi zwykle włókno wolframowe, które w czasie pracylampy rozżarzone jest wskutek przepływu prądu z dodatkowegoźródła żarzenia.Emitowane wskutek ruchów termicznych z rozżarzonej katodyelektrony przyspieszane są w polu elektrycznym panującymw przestrzeni pomiędzy anodą i katodą. Elektrony sąwyhamowywane w polu elektrycznym jąder atomów materiałuanody. Większość energii elektronów (99%) ulega zamianie naciepło, 1% energii zamieniany jest na promieniowanierentgenowskie.

11

Wytwarzanie promieniowania

Schemat budowy lampy rtg

12

Wytwarzanie promieniowania

Widmo promieniowania

Promieniowanie hamowania (bremsstrahlung) emitowane przez elektrony hamowane w polu elektrostatycznym jarda i

elektronów atomu; zmianie ulega kierunek lotu elektronu, następuje emisja fotonu i zmniejszenie energii elektronu, kwanty tego promieniowania mają różne energie, od bliskich zera aż do

odpowiadających największej energii elektronu, dlatego promieniowanie hamowania ma widmo ciągłe.

13

Wytwarzanie promieniowania

Widmo promieniowania

Promieniowanie charakterystyczne tarczy powstaje gdy elektrony bombardujące materiał anody wybijają elektrony z wewnętrznych

powłok jej atomów. Przejścia elektronów z wyższych powłok na wolne miejsca związane jest z emisją kwantów promieniowania

elektromagnetycznego. Ponieważ energie na poszczególnych orbitach są skwantowane emitowane są fale o ściśle określonych częstotliwościach

(długościach fali) charakteryzujących rodzaj bombardowanego materiału. Widmo promieniowania charakterystycznego jest widmem

dyskretnym.

14

Wytwarzanie promieniowania

Widmo promieniowania – cechy charakterystyczne:

ściśle określoną wartość najmniejszej długości fali, czyli największej energii emitowanych fotonów - krótkofalowa granica widma – największa energia jaką może oddać elektron w procesie pojedynczego hamowania co najwyżej może być równa jego początkowej energii kinetycznej.

Widmo energetyczne promieniowania X lampy jest praktycznie widmem promieniowania hamowania (widmo ciągłe) z nałożonymi liniami charakterystycznymi tarczy - widmo promieniowania charakterystyczne – dyskretne wartości energii fotonów odpowiadają przejściom na różne powłoki elektronów

15

Maksymalna energia kwantów X w widmie odpowiada wartościmaksymalnejstosowanego napicia znanej jako kVp (kilovoltage peak).

Całkowite natężenie I [kwanty/s] emitowanego promieniowaniajest zależne od wielu czynników, co można w przybliżeniu opisaćwzorem:

I =A×Z×i×U2

gdzie: A - stała zależna od konstrukcjilampy,

Z - liczba atomowa materiału anody,i - prąd anodowy płynący przez lampę,U - napięcie na lampie.

Wytwarzanie promieniowania

16

Oddziaływanie promieniowania z materią

Promieniowanie alfa, beta, X, gamma, neutronowe

Źródło: The Health Physics Society, University of Michigan, 2004

jonizacja, rozproszenie, absorpcja

17

Oddziaływanie promieniowania z materią

Jonizacja: zjawisko polegające na powstaniu jonów dodatnich oraz jonów ujemnych w wyniku oderwania elektronów od elektrycznie obojętnego atomu

Jonizacja

Bezpośrednia Pośrednia

http://www.laradioactivite.com/fr/site/pages/lephenomenedionisation.htm

18

Oddziaływanie promieniowania z materią

Promieniowanie alfa

• jonizacja (niemal cała tracona energia cząstek alfa, jonizacja bezpośrednia) – jonizacja właściwa (liczba par jonów wytworzonych przez ciężką cząstkę naładowaną na jednostkę drogi), bardzo silnie jonizujące, duże LET (zdolność hamowania ośrodka – liczbowo równa stracie energii cząstki na jednostkowej drodze, proporcjonalna do jonizacji właściwej, określa gęstość jonizacji wzdłuż torów cząstek), zdolność jonizacyjna ciężkich cząstek naładowanych tym większa, im większy jest ich ładunek i masa oraz im mniejsza jest ich szybkość – zdnolność jonizacji takiej cząstki zwiększa się przy końcu jej toru, protony podobnie jonizują, ale mają mniejszy LET – większy zasięg w materii)

19

Oddziaływanie promieniowania z materią

Promieniowanie alfa

• rozpraszanie cząstek (oddziaływanie z jądrami atomowymi, małe straty energii w porównaniu z jonizacją – bardzo małe znaczenie z punktu widzenia ochrony radiologicznej)

20

Oddziaływanie promieniowania z materią

Promieniowanie beta

• jonizacja bezpośrednia – oddziaływanie cząstki β z powłokami elektronowymi

• promieniowanie hamowania – oddziaływanie cząstki β z jądrem atomu (przy dużej energii cz. β, czas jej oddziaływania z elektronami jest zbyt mały,by zdążyła ona zjonizować atom, dzięki dużej energii może znaleźć się w polu jądra, wskutek przyciągania jądra elektron jest wyhamowywany i traci energię emitując ją w postaci promieniowania e-m, straty energii na prom.hamowania proporcjonalne do Z^2)

• rozpraszanie (na elektronach atomowych, na jądrach), wzbudzanie atomów, anihilacja (β+)

21

Oddziaływanie promieniowania z materią

Promieniowanie beta

• dErad / dEjon.= Z*E / 820

22

Oddziaływanie promieniowania z materią

Promieniowanie gamma

jonizacja wtórna (pośrednia)!

• efekt fotoelektryczny (fotoefekt)

• rozproszenie Comptona

• tworzenie par negaton – pozyton

Promieniowanie X – zmiany stanu energetycznego elektronów orbitalnych w atomach

Promieniowanie gamma – jądro wzbudzone wskutek przemian alfa, beta, procesy rozszczepienia jąder ciężkich

23

Oddziaływanie promieniowania z materią

Promieniowanie gamma Efekt fotoelektryczny (absorpcja promieniowania)

• największe prawdopodobieństwo zajścia efektu:

• hν0 < 30keV

• Z ośrodka pochłaniającego duża

http://atomistyka.pl/promien/oddzialywanie.html

24

Oddziaływanie promieniowania z materią

Promieniowanie gamma Efekt fotoelektryczny (absorpcja promieniowania)

• warunek zajścia procesu: energia kwantu większa od energii wiązania elektronu, energia fotoelektronu zależy od energii kwantu padającego

• hν0=Ei+Efe+Eod

• przekrój czynny na zjawisko fotoelektryczne σf -prawdopodobieństwo zajścia zjawiska fotoelektrycznego dla pojedynczego atomu na elektronie z powłoki n-tej jest wielokrotnie większe niż na elektronie z powłoki wyższej np. hν0>EK (σf (hν0>EK )= σK + σL + σM +..., gdzie σL, σM można zaniedbać)

25

Oddziaływanie promieniowania z materią

Promieniowanie gamma Efekt fotoelektryczny (absorpcja promieniowania)

• zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne:

• całkowite przekazanie energii fotonu elektronowi

• zachodzi w metalach, naświetlenie płytki metalowej prom.gamma (również św.fioletowe i prom. nadfioletowe) spowoduje wysyłanie przez nią elektronów, gdy energia fotonu < pracy wyjścia elektrony nie są emitowane na zewn. (np. półprzewodniki)

• zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne:

• elektron na orbicie atomu

26

Oddziaływanie promieniowania z materią

Promieniowanie gamma

Efekt Comptona (rozproszenie promieniowania)

http://atomistyka.pl/promien/oddzialywanie.html

największe prawdopodobieństwo:

• hν0: 30keV – 30 MeV

27

Oddziaływanie promieniowania z materią

Promieniowanie gamma

Efekt Comptona (rozproszenie promieniowania)

• oddziaływanie kwantów gamma (E= hν0) z elektronem swobodnym lub słabo związanym (hν0 >>Ei), w wyniku którego elektron zabiera część pędu i energii fotonu padającego oraz powstaje kwant gamma rozproszony o energii mniejszej hν (hν << hν0)

• hν0=Ei+Ee+Eod +hν (zmniejszenie energii fotonu, zmniejszenie częstotliwości fali e-m, zwiększenie długości fali)

28

Oddziaływanie promieniowania z materią

Promieniowanie gamma

Efekt Comptona (rozproszenie promieniowania)

Nave R., Georgia State University, Department of Physics and Astronomy, Hyper Physics, Compton Scattering

• dla zderzenia centralnego (ϴ = 180st., φ=0st.) energia kinetyczna elektronu osiąga wartość maksymalną, dla ϴ = 180st. energia rozproszonego fotonu przyjmuje wartość minimalną (0,255MeV)

• elektrony odrzutu mogą ulegać rozproszeniu pod kątem od 0st. do 90st.

• promieniowanie rtg (przejście elektronów orbitalnych między powłokami)

29

Oddziaływanie promieniowania z materią

Promieniowanie gamma

Tworzenie par pozyton – elektron

http://atomistyka.pl/promien/oddzialywanie.html

30

Oddziaływanie promieniowania z materią

Promieniowanie gamma

Tworzenie par pozyton – elektron

Keenan A., Gamma-Ray Spectroscopy, Pair production, 2000

31

Oddziaływanie promieniowania z materią

Promieniowanie gamma

Tworzenie par pozyton – elektron

• warunek - energia fotonów większa od 1,02MeV (zjawisko progowe)

• w pobliżu jądra atomowego – powstanie negatonu i pozytonu

• anihilacja pozytonu – dwa fotony gamma, rozbiegające się w dwóch przeciwnych kierunkach (każdy o E=0,51 MeV)

• efekt finalny: elektrony (możliwa dalej jonizacja bezpośrednia), kwanty prom.gamma o energiach niższych od energii fotonów padających (jonizacja pośrednia)

32

Oddziaływanie promieniowania z materią

Promieniowanie gamma

33

Oddziaływanie promieniowania z materią

Promieniowanie gamma

34

Oddziaływanie promieniowania z materią

Promieniowanie gamma

efekt fotoelektrycznyabsorpcja oddziaływanie

z atomem

efekt Comptonarozpraszanie

niekoherentneoddziaływanie ze swobodnym

elektronem

tworzenie par pozyton – elektron absorpcja oddziaływanie

z jądrem atomu

35

Oddziaływanie promieniowania z materią

Neutrony

Promieniowanie neutronowe powstaje w reakcjach jądrowych, również w reakcjach jądrowych jest pochłaniane

Neutrony są bardzo przenikliwe i mają małą zdolność jonizacji – wywołują jonizację pośrednią (brak ładunku elektrycznego) za pośrednictwem innych cząstek wytworzonych w reakcjach jądrowych (jonizujące bezpośrednio) [np.reakcja (n, α) – cząstka α może na swojej drodze wywołać jonizację, za którą w ostatecznym rozrachunku odpowiedzialny jest neutron]

36