Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .
description
Transcript of Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .
![Page 1: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/1.jpg)
Úvod do fyziky ionizujícího Úvod do fyziky ionizujícího zářenízáření
Doc.Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc Ing. J. Heřmanská,CSc.
Ústav biofyziky UK 2.F
![Page 2: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/2.jpg)
Proč?
• Ionizující záření široce používáno v medicíně jak pro diagnostické, tak pro terapeutické účely
![Page 3: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/3.jpg)
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
![Page 4: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/4.jpg)
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
![Page 5: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/5.jpg)
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 , ,
![Page 6: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/6.jpg)
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
![Page 7: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/7.jpg)
Model atomu - I
• 3 částice
* protony (+)
* neutrony (0)
* elektrony (-)
* protony + neutrony = nukleony
![Page 8: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/8.jpg)
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
![Page 9: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/9.jpg)
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 Xz
![Page 10: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/10.jpg)
Atomový obal
• Dánský fyzik Niels Bohr 1913
LK NM
![Page 11: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/11.jpg)
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
![Page 12: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/12.jpg)
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
![Page 13: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/13.jpg)
Wb pro elektrony na K a L slupce
• 35Br
* Wb na K - slupce = 13.50 keV
* Wb na L - slupce = 1.80 keV
![Page 14: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/14.jpg)
Vlastnosti atomů
• Vlastnosti jádra (stabilita, typ radiaoaktivní přeměny) - určeny počtem a vzájemným uspořádáním nukleonů
• Uspořádání elektronů určuje chemické vlastnosti prvku
![Page 15: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/15.jpg)
Charakteristiky IZ
• Klidová hmotnost
• Energie
• Spektrum (energetická distribuce)
![Page 16: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/16.jpg)
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
![Page 17: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/17.jpg)
Základní typy IZ - II
• neutrino , antineutrino : speciální částice - vztah k ZZE při radioaktivních přeměnách, zanedbatelná hmotnost
• elektromagnetické záření (, X, brzdné) - nulová klidová hmotnost
![Page 18: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/18.jpg)
Energie - eV
e
Potenciálový rozdíl 1 VPotenciálový rozdíl 1 V
A B
W = e V = 1.602 10-19 C 1V = 1 .602 10-19 J = 1 eV
Práce vykonaná při přechodu z bodu Práce vykonaná při přechodu z bodu AA do bodu do bodu BB
![Page 19: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/19.jpg)
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
![Page 20: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/20.jpg)
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
![Page 21: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/21.jpg)
Typy radioaktivních přeměn
Počet protonů Z0 20 40 60 80 100
140
120
100
80
60
40
20
Poč
et n
eutr
onů
N
N=Z
Stabilní jádra
Přebytek n
Přebytek p
Přebytek p & n
N+1Z-1
N-2Z-2
Z+1N-1
+
-
![Page 22: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/22.jpg)
Jádra s přebytkem neutronů - I
• n p + e
• elektron: historicky -
• typ přeměny -
![Page 23: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/23.jpg)
Jádra s přebytkem neutronů - II
• Spektrum spojité -
E
Emax
Poč
et č
ásti
c
E 1/3Emax
![Page 24: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/24.jpg)
Jádra s přebytkem neutronů - III
• Energie uvolněná z jádra při přeměně:
* kinetická energie -
* kinetická energie
A X A YZ Z+1
+ - +
![Page 25: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/25.jpg)
Jádra s přebytkem neutronů - IV
• Dceřiné jádro:
* stabilní stav
* excitovaný stav do stabilního stavu emisí záření nebo elektronu vnitřní konverze
• Příklad přeměny -
![Page 26: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/26.jpg)
Co je to elektron vnitřní konverze
• Energie předána elektronu na vnější slupce ten emitován
![Page 27: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/27.jpg)
Jádra s přebytkem neutronů
Příklad přeměny -
14 C 14 N6 7+ - +
![Page 28: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/28.jpg)
Typy radioaktivních přeměn
Počet protonů Z0 20 40 60 80 100
140
120
100
80
60
40
20
Poč
et n
eutr
onů
N
N=Z
Stabilní jádra
Přebytek n
Přebytek p
Přebytek p & n
N+1Z-1
N-2Z-2
Z+1N-1
+
-
![Page 29: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/29.jpg)
Jádra s přebytkem protonů - I
• První možnost
* p n + +
* pozitron: +
* typ přeměny +
* spektrum: spojité
![Page 30: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/30.jpg)
Jádra s přebytkem protonů - II
• Energie uvolněná z jádra při přeměně
* kinetická energie +
* kinetická energie
AX A YZ Z-1
+ + +
![Page 31: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/31.jpg)
Jádra s přebytkem protonů - III
• Dceřiné jádro:
* stabilní stav
* excitovaný stav do stabilního stavu emisí záření nebo elektronu vnitřní konverze
![Page 32: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/32.jpg)
Jádra s přebytkem protonů - IV
• Druhá možnost: K - záchyt
* záchyt elektronu z vnitřní slupky atomového obalu
AX A YZ Z-1
+ + -
![Page 33: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/33.jpg)
Jádra s přebytkem protonů - V
• Oba procesy mohou nastat současně
58Co 58 Fe27 26+ + -
58Co27 2658 Fe + + +
15 % , Emax = 0.49 MeV
![Page 34: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/34.jpg)
Typy radioaktivních přeměn
Počet protonů Z0 20 40 60 80 100
140
120
100
80
60
40
20
Poč
et n
eutr
onů
N
N=Z
Stabilní jádra
Přebytek n
Přebytek p
Přebytek p & n
N+1Z-1
N-2Z-2
Z+1N-1
+
-
![Page 35: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/35.jpg)
Jádra s přebytkem p & n - I
• První možnost: přeměna * částice - jádro atomu He
AX A-4 YZ Z-2+ 4He
2
![Page 36: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/36.jpg)
Jádra s přebytkem p & n - II
* Spektrum čarové
E
Poč
et č
ásti
c Určeno energií čar a jejich zastoupením
![Page 37: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/37.jpg)
Jádra s přebytkem p & n - III
• Dceřiné jádro:
* stabilní stav
* excitovaný stav do stabilního stavu emisí záření nebo elektronu vnitřní konverze
* Příklad přeměny
226Ra 222Rn88 86+
![Page 38: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/38.jpg)
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
![Page 39: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/39.jpg)
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
![Page 40: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/40.jpg)
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
![Page 41: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/41.jpg)
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]
![Page 42: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/42.jpg)
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)/
![Page 43: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/43.jpg)
Radioaktivní přeměna - V
t
A0
A0
A0
8
2
T 3T
![Page 44: Úvod do fyziky ionizujícího záření Doc. Ing. J. Heřmanská,CSc .](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062315/56814df3550346895dbb5fb7/html5/thumbnails/44.jpg)
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