Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc. Ústav biofyziky UK 2.F

Proč? Ionizující záření široce používáno v medicíně jak pro diagnostické, tak pro terapeutické účely

CO? Historie Jeden z modelů atomu Základní typy IZ Radioaktivita (typy radioaktivních přeměn, zákon radioaktivních přeměn) Interakce IZ s látkou Základní veličiny a jednotky radiační fyziky v medicíně, detekce IZ Biologické účinky IZ

Historie 1895 - německý fyzik Wilhelm Conrad Röntgen objevil (náhodou) záření způsobující zčernání fotografické desky. Tyto paprsky nazval paprsky X. 1896 - francouzský fyzik Henri Becquerel zjistil (rovněž náhodou), že uran emituje neviditelné záření se stejnými účinky jako paprsky X

Přirozená radioaktivita Schopnost některých materiálů samovolně emitovat záření nazvali M. Curie -Sklodowská a P. Curie přirozenou radioaktivitou Podle chování v elektrickém a magnetickém poli byly historicky jednotlivé typy záření nazvány , , 

Co je to ionizující záření? Záření schopné vyvolat při průchodu látkou ionizaci, tj. vytvořit z elektricky neutrální atomů elektrony a kladně nabité ionty, popř. vyvolat excitaci, tj. vyzdvihnout elektron z nižší hladiny na hladinu vyšší

Model atomu - I 3 částice protony (+) neutrony (0) elektrony (-) protony + neutrony = nukleony

Model atomu - II Nukleony tvoří atomové jádro a jsou drženy pohromadě jadernými silami 10-14 m Elektrony tvoří atomový obal  10-10 m, elektrony obíhají kolem jádra podle zákonů kvantové mechaniky

Atomové jádro Mnoho modelů vysvětlujících jevy kvantové mechaniky. Nám však postačí model slupkový Nukleony jsou uspořádány ve slupkách, zvlášť protony zvlášť neutrony Počet protonů p … Z (protonové číslo) počet neutronů n… N (neutronové číslo) Z +A = atomové (nukleonové číslo) A X z

Atomový obal Dánský fyzik Niels Bohr 1913 K L M N

Vazbová energie Elektrony na jedné slupce - přibližně stejná energie charakterizovaná vazbovou energií Wb = energie potřebná k odtržení elektronu z atomu Wb roste s rostoucím Z atomu Wb klesá s rostoucím číslem slupky (se vzdáleností od jádra

Příklady Wb pro elektrony na K-slupce Nuklid Z Wb [keV] C 6 0.28 Br 35 13.50 I 53 33.16 Pb 82 88.00

Wb pro elektrony na K a L slupce 35Br Wb na K - slupce = 13.50 keV Wb na L - slupce = 1.80 keV

Vlastnosti atomů Vlastnosti jádra (stabilita, typ radiaoaktivní přeměny) - určeny počtem a vzájemným uspořádáním nukleonů Uspořádání elektronů určuje chemické vlastnosti prvku

Charakteristiky IZ Klidová hmotnost Energie Spektrum (energetická distribuce)

Základní typy IZ - I Elektron - : 9.31x10-31 kg proton p cca 1840x těžší než elektron neutron n dtto pozitron + : antičástice k elektronu, 1 kladný náboj, stejná klidová hmotnost, nestabilní částice  : jádro atomu He, 2p+2n, cca 7400x těžší než elektron

Základní typy IZ - II  neutrino  , antineutrino : speciální částice - vztah k ZZE při radioaktivních přeměnách, zanedbatelná hmotnost elektromagnetické záření (, X, brzdné) - nulová klidová hmotnost

Energie - eV e A B Potenciálový rozdíl 1 V Práce vykonaná při přechodu z bodu A do bodu B W = e  V = 1.602  10-19 C  1V = 1 .602  10-19 J = 1 eV

Klidová hmotnost elektronu Klidová hmotnost 9.31x10-31 kg E = m0c2 = 9.31x10-31 x (3.108)2  83.7 x 10-15 kg m2 s-2 = 83.7 x10-15 J = 83.7 x 6.24 x 1012 eV = 0.511 MeV

Radioaktivita Důsledek složitých přeměn v atomových jádrech Méně stabilní mateřský nuklid  stabilní nebo stabilnější dceřiný nuklid s optimálnější konfigurací p a n v jádře Známe  2000 nuklidů, z toho  270 stabilních

Typy radioaktivních přeměn 140 Přebytek p & n 120 Z+1 N-1 N-2 Z-2 -  100 N=Z 80 Přebytek n Počet neutronů N 60 Stabilní jádra 40 N+1 Z-1 + Přebytek p 20 0 20 40 60 80 100 Počet protonů Z

Jádra s přebytkem neutronů - I n  p + e elektron: historicky - typ přeměny -

Jádra s přebytkem neutronů - II Spektrum spojité - Počet částic E  1/3Emax Emax E

Jádra s přebytkem neutronů - III Energie uvolněná z jádra při přeměně: kinetická energie - kinetická energie    A X A Y + - +  Z Z+1

Jádra s přebytkem neutronů - IV Dceřiné jádro: stabilní stav excitovaný stav  do stabilního stavu emisí záření  nebo elektronu vnitřní konverze Příklad přeměny -

Co je to elektron vnitřní konverze Energie předána elektronu na vnější slupce  ten emitován

Jádra s přebytkem neutronů Příklad přeměny -  14 C + - +  14 N 6 7

Typy radioaktivních přeměn 140 Přebytek p & n 120 Z+1 N-1 N-2 Z-2 -  100 N=Z 80 Přebytek n Počet neutronů N 60 Stabilní jádra 40 N+1 Z-1 + Přebytek p 20 0 20 40 60 80 100 Počet protonů Z

Jádra s přebytkem protonů - I První možnost p  n + + pozitron: + typ přeměny + spektrum: spojité

Jádra s přebytkem protonů - II Energie uvolněná z jádra při přeměně kinetická energie + kinetická energie  AX A Y + + +  Z Z-1

Jádra s přebytkem protonů - III Dceřiné jádro: stabilní stav excitovaný stav  do stabilního stavu emisí záření  nebo elektronu vnitřní konverze

Jádra s přebytkem protonů - IV Druhá možnost: K - záchyt záchyt elektronu z vnitřní slupky atomového obalu AX + - A Y +  Z Z-1

Jádra s přebytkem protonů - V Oba procesy mohou nastat současně + + +  58Co 58 Fe 27 26 15 % , Emax = 0.49 MeV 58Co + - 58 Fe +  27 26

Typy radioaktivních přeměn 140 Přebytek p & n 120 Z+1 N-1 N-2 Z-2 -  100 N=Z 80 Přebytek n Počet neutronů N 60 Stabilní jádra 40 N+1 Z-1 + Přebytek p 20 0 20 40 60 80 100 Počet protonů Z

Jádra s přebytkem p & n - I První možnost: přeměna  částice  - jádro atomu He AX A-4 Y + 4He Z Z-2 2

Jádra s přebytkem p & n - II Spektrum čarové Určeno energií čar a jejich zastoupením Počet částic E

Jádra s přebytkem p & n - III Dceřiné jádro: stabilní stav excitovaný stav  do stabilního stavu emisí záření  nebo elektronu vnitřní konverze Příklad přeměny  226Ra 222Rn +  88 86

Jádra s přebytkem p & n - IV Druhá možnost: spontánní štěpení Velmi těžká jádra  štěpení na dva zhruba stejně těžké fragmenty ve střední části Mendělejevovy tabulky Doprovázeno emisí neutronů a složitého spektra záření gama

Radioaktivní přeměna - I Řídí se zákony matematické statistiky: každý atom daného radionuklidu má stejnou pravděpodobnost, že se v určitém časovém intervalu přemění Přeměna nezávisí na fyzikálních a chemických podmínkách, je dána výhradně stavem jádra

Radioaktivní přeměna - II Pravděpodobnost přeměny za jednotku času: přeměnová konstanta  [s-1] N atomů s   počet atomů přeměněných za 1 s : N.  počet přeměn (úbytek počtu atomů) za čas dt: dN = -  . N. dt  N = N0 . e- t

Radioaktivní přeměna - III Množství radionuklidu v každém časovém okamžiku charakterizováno aktivitou Aktivita: střední počet samovolných přeměn za jednotku času A = dN/dt  A = A0. e-t Jednotka A: s-1 s názvem becquerel [Bq]

Radioaktivní přeměna - IV V praxi: poločas přeměny T = doba, za kterou se přemění polovina počátečního množství látky A0/2 = A0.e-T  T = ln(2)/

Radioaktivní přeměna - V 2 A0 8 T 3T t

Efektivní poločas Radionuklid aplikovaný biologickému objektu je vylučován exponenciálně : Tb, b Tb = ln(2) / b Celková eliminace: ef =  + b  1/Tef = 1/T + 1/Tb