ZÁŘENÍ A RADIOAKTIVITA

Helena Uhrová

ZÁŘENÍ

( )0 cosE E t k xω= −

( )0 cosB B t k xω= −

Elektromagnetické

0

0

1E vB µε

= =

foton

nositel světelného kvanta (hf) h = 6,63.10-34 J.s klidová hmotnost fotonu m0 = 0 setrvačná hmotnost fotonu dána úměrou

mezi energií a hmotností E = mc2 = hf

Korpuskulárnípc hf

hpλ

=

=

záření λ, β, neutronové paprsky katodové a anodové

RADIOAKTIVITA

Přirozená – spontánní přeměna jádra- lehké přirozeně radioaktivní izotopy- těžké přirozeně radioaktivní izotopy

- řada urano-radiová- řada thoriová- řada aktiniová

Umělá – jádra vyrobena pomocí jaderné reakce v urychlovačích

Radioizotopy biogenních prvků a jejich poločasy rozpadu

3H 12,262 let 14C 5730 roků 24Na 15 hodin 32P 14,3 dní 33P 25 dní 35S 87 dní 131J 8 dní

Zákon radioaktivního rozpadu

dN Ndt

λ= −

0tN N e λ−=

fln 2 0,693Tλ λ

= =

f b feλ λ λ= +

b ff

b fe

T TTT T

=+

Radioaktivní rovnováha

Stav, kdy se za jednotku času přeměňuje v řadě radioaktivních izotopů stejný počet atomů

A – rovnováha nenastává

B – přechodná rovnováha

C – trvalá rovnováha

1 2T T⟨

1 2T T⟩

1 2T T⟩⟩

Aktivita radioaktivní látky

Počet atomů, které se přemění za jednotku času (1 s)

Jednotka radioaktivity 1 Ci = 3,7 . 1010 Bq

Měrná aktivita – aktivita hmotnostní jednotky radionuklidu Bq.kg-1

Zákony platné při radioaktivním rozpadu

Zachování elektrického náboje(algebraický součet nábojů jádra a emitovaných částic = konst.)

Zachování počtu nukleonů(počet nukleonů mateřského jádra = počtu nukleonů dceřinného jádra + počtu emitovaných nukleonů)

Zachování hybnosti (součet hybností dceřinného jádra a emitované částice = 0)

Zachování energie

Rozpad jader

- záření

monoenergetické částice Ek – MeV v = 107 m/s čárové spektrum

α4 A-4 ´2 Z-2X He + XA

Z →

β - záření

Emise elektronu

Emise pozitronu

Záchyt elektronu

eA

ZAZ eXX ν~´ 11 ++→ −+

eA

ZAZ eXX ν++→ − 11 ´

eA

ZAZ XXe ν+→+− − ´11

Charakteristika beta rozpadu

spektrum spojité (1,2) emise charakteristického rtg záření (3) dceřinné jádro v excitovaném stavu –

emise gama záření pozitronický rozpad - anihilační záření

0,51 MeV v = 99 % c

Absorpční zákon

ionizace rozptyl pokles intenzity při průchodu hmotným

prostředím absorpční zákon

0xI I e µ−=

ln 2

2xµ =

Gama záření krátkovlnné elmg. záření 10-14 – 10-12 m

vznik: přechod jádra z vyššího na nižší energetický stav (10-14 s)

spektrum diskrétní čárové

E = hf

Fotoelektrický jev

foton absorbován ve slupce K,L jev převládá u měkkého,

tj.nízkenergetického gama záření (méně než 0,8 MeV)

2k v v

12

hv E E mv E= + = +

Comptonův jev

Rozptyl hf na volných elektronech

γ kh E Eν ′= +

( )´ 1 cose

hm c

λ λ λ ϑ∆ = − = −

Tvorba elektron -pozitronových párů

Vznik: při energii hf větší než 1 MeV

anihilace – vznik 2 gama kvant s E = 0,51 MeV

Absorpce gama paprsků v olovu

1 - Comptonův jev2 - Fotoelektrický jev3 - Celkový průběh absorpce4 - Vznik nabitých párů

Rentgenové záření Vznik: při dopadu rychlých e- na pevnou látku část nebo všechna energie vyzářena jako hf rozdíl Ek před a po kolizi – vysokofrekvenční záření

- impulzové (spojité)- charakteristické

Vlastnosti rtg záření ionizace vzduchu viditelná fluorescence řady látek, na které

dopadá působí na fotografickou desku bez lomu prochází i neprůhlednými látkami čím kratší lambda, tím pronikavější Tvrdost záření – rozdílem U mezi K a A Intenzita záření – žhavením K

Neutrony

poločas rozpadu 12 min rozpadem vzniká proton a beta částice s

nízkou energií neutrony - rychlé

- tepelné procházejí na velkou vzdálenost zpomalovače – voda, grafit, uhlovodíky

Ionizující záření

Záření o dostatečné energii, způsobující excitaci a ionizaci molekul a atomů látky, na kterou dopadají Energie 5 keV – energetická hranice pro

- fotonové záření (X, γ)- elektronové záření (β−)- záření α

Ionizující záření

Přímo ionizující- protony, elektrony, pozitrony

Nepřímo ionizující- neutrony, fotony

Zdroje ionizujícího záření Přírodní

- kosmické záření- sluneční záření

Umělé- cyklotron - radiofarmaka a tracery- synchrotron - jaderný reaktor- zařízení pro scintilační a stopovací diagnostické metody- rentgen a zařízení s rentgenkami (CT, mamograf)- terapeutická zařízení (Cs, rtg a γ ozařovače, Leksellův γ nůž)- zařízení pracující s rtg nebo brzdným zářením(CRT zobrazovače)

Jednotky ionizujícího záření Absorbovaná dávka D

Dávkový příkon D´

Expozice X (ozáření) pro vzduchJednotka: C.kg-1 (dříve i R)

Expoziční příkonJednotka: C.kg-1.s-1

EDM

∆=

∆Jednotka: Gy 1 Gy = 1 J.kg-1

´ DDt

∆=

∆Jednotka: Gy.s-1 nebo W.kg-1

Jednotky ionizujícího záření Dávkový ekvivalent H

H = Q . DQ = 1 (gama, beta, X)Q – 2 – 10 (pomalé – rychlé neutrony)Q - 10 (protony)Q – 20 (alfa)

Jednotka: 1 Sv = J.kg -1 (rem = 0,01 Sv)

Q = radiační váhový faktorjakostní faktor udávající, kolikrát je daný druh záření biologicky účinnější než X nebo gama. Základem rentgenové záření o energii 200 keV.

Jednotky ionizujícího záření Efektivní dávka HE

Jednotka: SvwT je tkáňový váhový faktor a HT je ekvivalentní dávka v tkáni T Kerma

Jednotka :Gy Kermový příkon

Jednotka: Gy.s-1

.E T TH w H= ∑

kEKM

∆=

∆

Interakce ionizujícího záření s hmotou

Ztráta energie záření při průchodu hmotou- excitací- rozptylem- jadernou interakcí- buzením brzdného záření- ionizací

- primární- sekundární

Interakce α − částic

vysoká specifická lineární ionizace dolet závisí na EK a vlastnostech

prostředí - pevná látka (E = 3 MeV, Al: x = 0,015 mm)- vzduch (E = 3 MeV x =16 mm)- vzduch (34 eV na 1 iontový pár)

Absorpce - z vnějšku - epidermis (výjimka oko)- vnitřní kontaminace (x = 10-6 m)

Interakce β − částic Ztráta energie při průchodu kolem

elektronů, nakonec záchyt atomem Největší ztráty energie ionizací a excitací Specifická lineární ionizace menší než u

alfa, má proto větší dolet Největší ionizace při E = 146 eV

pevná látka (E = 3 MeV, Al: x = 6,5 mm)

Pružný rozptyl – skutečná dráha 4x delší než dolet

Absorpce beta záření v různých materiálech

Brzdné záření- důsledek Coulombovské interakce- vzniká v materiálech s vysokým

atomovým číslem- spektrum je spojité- vzniká až při větších energiích

elektronů- dolet závisí na materiálu (v měkké

tkáni je v mm)- vznik i v tkáni při distribuci beta

zářiče do tkáně- skladování v kontejnerech s nízkým

atomovým číslem

Interakce γ − částic

Nízké energie - fotoefekt Střední energie – Comptonův rozptyl Vysoké energie – tvorba e-p párů Nepřímá ionizace (sekundární elektrony) Pronikavost – velká – stínit materiály s

velkou hmotností a vysokým at. číslem

Interakce neutronů Energie reaktorových neutronů 10-2 – 108 eV Interakce s elektrony – zanedbatelná Interakce s jádrem Nepřímá ionizace - neutron uvádí pružnými

srážkami s lehkými prvky (H) do pohybu jádra atomů

Potenciálový rozptyl –neutron jadernými silami vychýlen z původní dráhy

Interakce neutronů rozptyl – v materiálech z lehkých atomů – pružné

srážky neutronů a jaderna jádrech H2 se přenese 50 % energie, na Pb jen 1 %

absorpcejádro zachytí neutron a vznikne krátkodobě excitované složené jádro – přechod do stabilního stavu:

- vyzáření gama kvanta u lehkých jader- vyzáření protonu nebo alfa částice u ostatních

S rostoucí energií pravděpodobnost absorpce klesá Většina poškození způsobena odraženými jádry

Interakce nabitých částic

Interakce molekuly s nabitou částicí

působení pomalé částice je větší než rychlé

přenos energie vzrůstá s nábojem částice

hmotnost částice nemá vliv na množství předané energie

Ztráta energie na délkové jednotce dráhy

Bethe-Blochova rovnice

dE/dx – LET (lineární přenos energie) m – klidová hmotnost elektronu ze - náboj částice Z – atomové číslo v – rychlost částice n – počet atomů v cm3

I – střední ionizační potenciál β = v/c (c – rychlost světla)

( ) ( )22 2

2 22

4ln ln 1ee zdE ZmvnZ

dx mv Iπ

β β

− = − − −

Hodnoty nZ pro různé biologické materiály

materiál elektrony /g Vzduch 3,03.1023

Voda 3,34.1023

Sval 3,36.1023

Kost 3,00.1023

Istř.

= Z . 13,5 (ev)