Prístroje na detekciu žiarenia NUKLEÁRNA MEDICÍNA Prístroje na detekciu žiarenia Základné fyzikálne princípy 01

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

Základné fyzikálne princípy Atóm Živá a neživá hmota sa skladá z atómov. Atóm každého prvku sa skladá z jadra a elektrónového obalu. 03

Základné fyzikálne princípy 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). 04

Základné fyzikálne princípy Atóm / Atómové jadro 05

X Základné fyzikálne princípy Atóm / Atómové jadro 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 X Z= počet protónov 06

X Základné fyzikálne princípy Atóm / Atómové jadro A= protóny+neutróny Z= počet protónov Vodík (H) Z=1 A=1 Hélium (He) Z=2 A=4 Lítium (Li) Z=3 A=6 Sodík (Na) Z=11 A=22 07

Základné fyzikálne princípy Atóm / Atómové jadro Látka, ktorej atómy majú rovnaké protónové a nukleónové číslo, je nuklid. Pri rôznych počtoch neutrónov vznikajú izotopy. 08

Základné fyzikálne princípy Atóm / Atómové jadro Protóny a neutróny sú v jadre atómu viazané jadrovými silami. Jadrové sily sú veľmi účinné, majú však dosah iba na malé vzdialenosti. 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.). 09

Základné fyzikálne princípy 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) 10

Základné fyzikálne princípy Atóm / Elektrónový obal Valenčná vrstva  je najvyššia vrstva el. obalu a elektróny ktoré sa zúčastňujú chemických  reakcií sú práve z tejto vrstvy (valenčné elektróny). Je to spôsobené tým že ak valenčný elektrón dostane určitú energiu 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. 11

Základné fyzikálne princípy 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 procesov odohrávajúcich sa v elektrónovom obale. Pri týchto procesoch sa jadro alebo obal dostávajú do vzbudeného (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. 12

Základné fyzikálne princípy Atóm / Ionizujúce žiarenie 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) 13

Základné fyzikálne princípy Atóm / Ionizujúce žiarenie 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 ! 14

Základné fyzikálne princípy Atóm / Ionizujúce žiarenie Obr. : Schéma spektra elektromagnetického žiarenia 15

Základné fyzikálne princípy Rádioaktivita ako zdroj IŽ Rádioaktivita (RA) je vlastnosť jadier niektorých prvkov, ktorá sa prejavuje samovoľným rozpadom jadier. Pri rozpade a premene emituje (vyžaruje) takéto jadro energiu-rádioaktívne žiarenie (α, β, γ, prípadne neutróny a žiarenie X ). Vyžiarením určitého množstva energie (pre rôzne prvky je to rôzne množstvo) sa prvok premieňa/rozpadá na iný prvok. Izotopy, ktorých jadrá sú nestále nazývame rádioizotopy. 16

Základné fyzikálne princípy Rádioaktivita ako zdroj IŽ 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. 17

Základné fyzikálne princípy Rádioaktivita ako zdroj IŽ Rádioaktivitu rozlišujeme prirodzenú a umelú. Umelá rádioaktivita sa vyskytuje v  prípade umelo vyrobených nestabilných prvkov. Umelé rádioizotopy sa vyrábajú zo stabilných nuklidov v 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. 18

Základné fyzikálne princípy 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 19

Základné fyzikálne princípy Rádioaktivita / Typy RA premien Rozpady s uvoľňovaním ťažkých častíc (Premena α ) Zaraďujeme sem α rozpad a uvoľňovanie neutrónov. K týmto typom rozpadov dochádza predovšetkým u ťažkých rádionuklidov. α rozpad sa prejavuje tým, že z jadra ťažkého prvku sa uvoľňujú tzv. α častice, ktoré sa skladajú z dvoch protónov a dvoch neutrónov (sú to letiace jadrá hélia). Uvoľňovanie neutrónov je v prírode pomerne vzácne. Príkladom uvoľňovania neutrónov je jadrový reaktor (235U, 239Pu). emisia α častíc 20

Základné fyzikálne princípy Rádioaktivita / Typy RA premien 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. 21

Základné fyzikálne princípy Rádioaktivita / Typy RA premien Izobarické prechody (Premena β) 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. 22

Základné fyzikálne princípy Rádioaktivita / Typy RA premien Izobarické prechody (Premena β) 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. 23

Základné fyzikálne princípy Rádioaktivita / Typy RA premien 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). 24

Základné fyzikálne princípy Rádioaktivita / Typy RA premien 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. 25

Základné fyzikálne princípy Rádioaktivita / Typy RA premien Obr.: Prenikavosť rádioaktívneho žiarenia 26

Základné fyzikálne princípy 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. 27

Základné fyzikálne princípy Rádioaktivita / Zákon RA rozpadu 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) 28

Základné fyzikálne princípy 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 29

Základné fyzikálne princípy Rádioaktivita / Zákon RA rozpadu 30 30

Základné fyzikálne princípy Interakcia IŽ s hmotou Fyzikálne vlastnosti ionizujúceho žiarenia Kvantitatívne charakterizujeme ionizujúce žiarenie jeho hmotnosťou m /u fotónov m=0/, vlnovou dĺžkou λ a  energiou E. V medicínskej praxi sa používa charakteristika pomocou 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 31

Základné fyzikálne princípy Interakcia IŽ s hmotou Fotoefekt / Fotoelektrický jav Pri fotoefekte dopadajúci fotón zasiahne obalový elektrón, Odovzdá mu kinetickú energiu. Elektrón sa uvoľní z atómu a vyletí von s energiou, ktorá sa rovná energii pôvodného fotónu mínus väzbová energia elektrónu v atóme. K fotoefektu Najčastejšie dochádza na dráhach, blízkych k jadru a pomerne pri malých energiách, ktoré len málo prevyšujú väzbovú Energiu elektrónu /10 keV/. Fotoefekt silne narastá s atómovým číslom Z a hrá významnú úlohu pri vzniku kontrastu RTG snímky v rádiodiagnostike. 32

Základné fyzikálne princípy Interakcia IŽ s hmotou Comptonov rozptyl Comptonov rozptyl je pružná zrážka fotónu s elektrónom. Pri tejto zrážke sa časť energie fotónu prenáša na elektrón. Vzniká tak fotón s nižšou energiou a odchýlenou dráhou a urýchlený elektrón /Comptonov elektrón/. Comptonov efekt sa odohráva predovšetkým na periférnych orbitálnych elektrónoch, kde väzbová energia elektrónu je v porovnaní s energiou fotónov veľmi malá (elektrón možno pokladať za „voľný“). Všeobecne platí, že s narastajúcou energiou fotónov bude ubúdať fotoefekt a pribúda Comptonov efekt. 33

Základné fyzikálne princípy Interakcia IŽ s hmotou Tvorba elektrón-pozitrónových párov Nastáva pri energiách vyšších ako 1,02 MeV /dvojnásobok pokojovej energie elektrónu/. Vznik elektrón-pozitrónového páru nastáva pri prelete fotónu v dosahu coulombovskej sily jadra. Energia fotónu je využitá na vznik páru elektrón-pozitrón. Na vznik týchto častíc je potrebné 1,02 MeV, (čo je energetický ekvivalent dvoch kľudových hmotností elektrónu), zvyšná energia sa 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. 34

Základné fyzikálne princípy Interakcia IŽ s hmotou Vzhľadom na energiu fotónov (70 – 511 keV) používaných na zobrazovanie v nukleárnej medicíneprichádzajú do úvahy len interakcie fotoefektom a Comptonovým rozptylom. Pri nízkych energiách RTG a gama žiarenia v oblasti desiatok keV a v ťažkých látkach (s vysokým Z) ako napríklad olovo, prevláda fotoefekt. Copmptonov rozptyl prevláda u fotónov s energiou rádovo stoviek keV, pri ich prechode ľahkými látkami (napr. voda, mäkké tkanivo). Pri zobrazovaní v nukleárnej medicíne prevláda interakcia Ionizujúceho žiarenia a zobrazovaných tkanív vo forme Comptonovho rozptylu. 35

Základné fyzikálne princípy Interakcia IŽ s hmotou Pri zobrazovaní v nukleárnej medicíne sú interakcie IŽ s hmotou vo forme fotofektu i Comptonovho rozptylu nežiadúcimi javmi, pretože kým fotoefekt spôsobuje stratu informácie, Comptonov rozptyl spôsobuje degradáciu obrazu jeho rozmazaním. 36

Základné fyzikálne princípy Ďakujem za pozornosť! 37