Upload
trinhkhanh
View
239
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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