Prístroje na detekciu žiarenia

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

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

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, kg neutrónov n0 (bez náboja - elektricky neutrálny) mn0 = 1, 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

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

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

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 m. Polomer atómového jadra (r) je približne 1, 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

Atóm / Elektrónový obal Elektrónový obal atómu tvoria elektricky záporne nabité elektróny e-. Hmotnosť elektrónu: me-= 9, ×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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Rádioaktivita / Typy RA premien Izomérne prechody (Premena γ) Vzbudený stav jadra po izobarickom prechode trvá asi tak 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

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 km.s-1. Preniká vzduchom aj tenkými kovovými fóliami, neprenikne však cez kožu človeka. Žiarenie β je prúdom elektrónov (pozitrónov) letiacich takmer rýchlosťou svetla ( 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 ( km.s-1). Zvyčajne sprevádza žiarenie β a niekedy aj α. 25

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

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

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

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 λ - rozpadová konštanta _ Stredná životnosť (T) rádioaktívnych prvkov je doba, ktorej sa priemerne dožije rádioaktívny atóm od vzniku po rozpad. T = λ-1 29

Rádioaktivita / Zákon RA rozpadu 30 30

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

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

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

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

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

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

Ďakujem za pozornosť! 37

Prístroje na detekciu žiarenia

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Παρουσίαση με θέμα: "Prístroje na detekciu žiarenia"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Σχετικά με το έργο

Σχόλια

Είσοδος

Σύνδεση μέσω των κοινωνικών δικτύων:

Prístroje na detekciu žiarenia

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Παρουσίαση με θέμα: "Prístroje na detekciu žiarenia"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Σχετικά με το έργο

Σχόλια