Eksperimentalne metode moderne fizike

Eksperimentalne metode moderne fizike Predavanje 9 Radioaktivnost i primjena Dr. sc. Nikola Godinovic (Nikola.Godinovic@fesb.hr)

Sadržaj • Struktura jezgre • Energija veze jezgre • Radioaktivnost • Dozimetrija • Primjena radioaktivnosti: • datiranje • analiza sastava uzorka • medicinska dijagnostika

Kako je otkrivena atomska jezgra • 1896 Becquerel otkrio radioaktivnost • Elektron otkriven 1897 od strane Thomsona, koji zamišlja da atom čini pozitivno nabijena kugla a da su elektroni uniformno razasuti po toj pozitivno nabijenoj kugli i da titraju oko svojih fiksnih položja, model: “pudnig s grožđicma” • 1912 Rutherford, Geiger i Marsden otkriili jezgru u eksperimentima raspršenja alfa zraka na zlatu. Iz kutne razdiobe raspršenih alfa čestica zaključuju da je radijus jezgre znatno manji od radijusa atoma i to za faktor 104,atom je većinom prazan prostor. • 1932 Chadwik otkrio neutron • 1938 Hahn i Strassmann otkrili nuklearnu fisiju • 1942Fermi sa suradnicima izgradio prvi kontrolirani fisijski reaktor

Svojstva i struktura jezgre (1) • Jezgra se sastoji od protona i neutrona (nukleoni): • naboj protona je pozotivan i jednak naboju elektron e=1,6x10-19 As, • spin protona je s=1/2, mp= 1,672 62 x10-27 kg • neutron je električni neutralan, spin s=1/2, mn= 1,674 93 x10-27 kg A - Maseni broj, A=Z+N, broj nukleona Z – Redni broj – broj protona N - broj neutrona, N=A-Z • Izotopi – nuklidi (jezgre) koje imaju jednaki broj protona(isti Z), ali različit broj neutrona: • Izobari su nuklidi jednakog broja nukleona (isti A):

Svojstva i struktura jezgre (2) • Masa nuklida je praktički jednaka masi atoma jer je masa elektronskog omotača zanemariva. U tablicama su uvijek navedene mase atoma a ne nuklida. • Atomske mase iskazuju se u atomskim jedinicama mase u • Energijski ekvivalent E=mc2atomske masene konstante (u) je:

Veličina jezgre • Još od Rutherfordova (1912) vremena brojnim eksperimentima je potvrđeno: • većina jezgri je sfernog oblika • srednji radijus jezgre je r=roA1/3, ro=1,2x10-15 m • kako je volumen jezgre V~r3,a r3~A, slijedi da je volumen jezgre proporcionalan broju nukleona u jezgri, pa je gustoća svih jezgri približno ista. • srednja gustoća jezgre oko 2x1017 kg/m3 • uobičajeno je u nuklearnoj fizici koristiti jedinicu 1 fermi 1fm =10-15 m • Ima oko 400 stabilnih jezgri, stotine drugih je otkriveno ali su nestabilne. • Lagane jezgre su stabilne ako imaju jednak broj protona i neutrona N=Z, a teške jezgre su stabilne ako je broj neutrona veći od broja protona (N>Z) kad je Z>20.

Nuklearna sila (1) • U jezgri djeluje vrlo jaka odbojna električna sila između protona, i zbog njenog djelovanja jezgra bi se razletjela, ne bi bila stabilna. • Jezgra je stabilna jer uz električnu silu između protona djeluje još jedna sila, koju zovemo nuklearna sila ili jaka sila • Svojstva nuklearne sile: • privlačna sila koja djeluje između nukleona (protona i neutrona) • vrlo kratkog dosega, reda veličine promjera jezgre oko 2 fm • znatno je snažnija od elektromagnetske sile (otprilike 100 puta) • Nuklearna sila (jaka sila) je najača sila u prirodi, 1038 puta jače od gravitacijske sile

Nuklearna sila (2) • Iz raspršenja neutrona i protona na meti vodika može se dobiti potencijalna energija sistema neutron-proton, proton-proton. • Dubina potencijalne jame zbog nuklearne sile između nukleona je 40-50 MeV i postoji snažna odbojna komponenta nuklearne sile kad je udaljenost između nukleona manja od 0,4 fm • Eksperimenti također pokazuju da nuklearna sila ne ovisi o električnom naboju nukleona koje su u interakciji: nuklearna sila ista je između: n-n, p-p i n-p

Karta nuklida U prirodi nema elemenata sa Z>92 U eksperimentima u laboratoriju su proizvedeni nuklidi do Z=116 i A=292 Stabilne teže jezgre imaju više neutrona nego protona. Kako broj protona raste, povećava se Coulombova odbojna sila te je potreban veći broj neutrona da bi jezgra bila stabilna. Broj protona Z Stabilne jezgre (zeleno osjenčene) Broj neutrona N

Defekt mase • Razlika ukupne mase protona i neutrona Zmp i Nmn i mase jezgre mA zove se defekt mase m. • Pri spajanju nukleona u jezgri oslobodila bi se energija mc2, a da bi smo jezgru rastavili na nukleone moramo upravo utrošiti tu energiju pa je energija veze jezgre: • Ukupna mase jezgre je uvijek manja od pojedinačnog zbroja masa protona i neutrona od kojih je jezgra izgrađena. • Energija veze po nukleonu je Eb/A – energija koju treba dati jednom nukleonu da ga se izvuče iz jezgre. Eb=mc2

Energija vezanja jezgre • Energija vezanja je energija potrebna da se nukleon vezani u jezgri razdvoje. • Iz zakon očuvanja energije i Einsteinove relacije o ekvivalenciji mase i energije slijedi izraz za energiju veze jezgre mase mA: Energija se oslobađa kad se teška jezgra cijepa u dvije lakše jezgre - fisija Energija vezanja po nukleonu Eb/A(MeV) Energija se oslobađa kad dvije lakše jezgre formiraju težu jezgru-fuzija područje najveće stabilnosti Maseni broj A

Energijske razine jezgre • Energija nukleona u jezgri je kvantizirana slično kao i energija elektrona u atomu. • Slika lijevo prikazuje energijske razine u jezgri 28Al. • Uočite da su energijske razine reda veličine milijun eV dok su energijske razine elektrona u atomu reda veličine eV. • Slično kao i kod atoma kad jedan nukleon prijeđe i stanje više energijske razine u nižu emitira se foton energije h, tj. kvant elektromagnetskog vala u gama području-gama zraka.

Radioaktivnost • U prirodi postoji samo 92 kemijska elementa + (još 12 umjetno proizvedenih) a poznato je oko 1500 različitih nuklida od kojih je 350 prirodnih a 1100 umjetnih. Većina nuklida je nestabilna (oko 1200) - radioaktivna • Pogodna kombinacija protona i neutrona čini jezgru stabilnom, čim je drugačije jezgra se nastoji izbacivanjem nukleona približiti stabilnoj konfiguraciji. • 1896 Becquerel je slučajno otkrio radioaktivnost u spojevima koji sadrže uran. Nakon niza eksperimenata zaključio je da se to zračenje spontano emitira, da je prodorno, da zacrnjuje fotografsku emulziju i da ionizira plin. Takva spontana emisija zračenja nazvana je radioaktivnost. • Marie i Pierre Curie sustavno izučavali radioaktivnosti, te otkrili dva do tada nepoznata elementa, oba radioaktivna, nazvana polonij i radij. • Sustavna eksperimentalna istraživanja radioaktivnosti zajedno s Rutherfordovim raspršenjem alfa čestica ukazala su da je radioaktivnost rezultat raspada nestabilne jezgre • Utvrđeno je da postoje tri tipa radioaktivnosti: • alfa raspad – jezgra spontano emitira jezgru helija • beta raspad –jezgra spontano emitira elektron ili pozitron (antielektron) • gama raspad – jezgra spontano emitira gama zraku – foton visoke nergije

Zakon radioaktivnog raspada • Radioaktivni raspad je statističke prirode, ne možemo predvidjeti kad će se određena jezgra raspasti, ali možemo izračunati vjerojatnost da se proces dogodi. • Brzina kojom se radioaktivni uzorak raspada (-dN/dt) proporcionalan je broju radioaktivnih jezgri u uzorku dN/dt~-N, - konstanta raspada koja određuje brzinu raspada radioaktivne jezgre i ovisi o tipu nuklida. • Broj neraspadnutih jezgri u nekom radioaktivnom uzorku nakon t vremena ako je početni broj jezgri bio Noje: • Vrijeme poluživota T1/2 je vremenski interval unutar kojeg se raspadne polovina jezgri. • Aktivnost – broj raspada u jedinici vremena, jedinica za aktivnost je 1Ci=3,7x1010 raspada/s, odnosno 1 Bq= 1 raspad/s

Radioaktivnost • Alfa raspad • Beta raspadi • Gama raspad

Karta nuklida i radioaktivnost • Slika lijevo prikazuje defekt mase u ovisnosti o broju protona i neutrona u jezgri za lagane jezgre. • Dolina u slici lijevo je područje stabilnih jezgri. • Jezgre bogate protonima emisijom -čestica “spuštaju se u dolinu“ • Jezgre s viškom neutrona “spuštaju se u dolinu” emisijom elektrona – beta raspad Defekt mase m

Radioaktivni elementi u prirodi • Neki radioaktivni elementi koje nalazimo u prirodi

Radioaktivni nizovi • Većina radionuklida koju nalazimo u prirodi su članovi jednog od 4 radioaktivna niza. A=4n A=4n+3

Radioaktivni nizovi A=4n+2 A=4n+1

Dozimetrija • Alfa čestice – jezgre helija jedva prolaze kroz list papira • Beta čestice – elektroni (pozitroni) prolaz kroz nekoliko milimetra aluminija • Gama čestice – fotoni prolaze kroz nekoliko centimetara olova • Utjecaj zračenja na ljude se iskazuje preko: • Apsorbirana doza – apsorbirana energija po jedinici mase (Gy-gray), stara jedinica je rad, 1Gy=1 J/kg=100 rad. Uobičajneo je izjava: “ Doza gama zračenja od 3 Gy koju primi čitavo tijelo u kratkom vremenskom intervalu uzrokovat će smrt u 50 % slučajeva”. Srednja doza koju primi čovjek u godini dana od prirodnih i umjetnih radioaktivnih izvora je oko 2 mGy. • Ekvivaletnna doza – različiti tipovi zračenja mogu isporučiti istu dozu ( energiju po jedinici mase) ali ne uzrokuju iste biološke efekte. Ekvivalentna doza zračenja izražava biološki utjecaj apsorbirane doze tako da apsorbiranu dozu množi s numeričkim faktorom RBE-relativni biološki utjecaj. RBE=1 za X-zrake i elektrone, RBE=5 za spore neutrone, RBE=10 za alfa zrake. • SI jedinica ekvivalentne doze je 1 sivert (Sv). Preporuka je da neprofesionalna osoba ne primi ekvivalentnu dozu zračenju veći od 5 mSv u godini dana. • Prilikom leta avionom ljudi su izloženiji kozmičkom zračenju. U 900 sati leta u godini dana ekvivalentna doza iznosi oko 5,4 mSv, što prelazi dopuštenu granicu od 5 mSv u godini dana.

Relativni biološki efekt (RBE) • Studije pokazuje da biološka oštećenja izazvana zračenjem jako ovise o tipu zračenja. • Ista doza alfa zračenja uzrokuje više oštećenja nego jednak doza protona, a a više nego ista doza elektrona ili gama zraka. • Ekvivalentna doza se dobije množenjem apsorbirane doze (rad ili Gray) s kvalitativnim faktorom relativne biološke efikasnosti. • Rem=kvalitativni faktor RBE x rad • Sievert (Sv)= kvalitativni faktor RBE x Gray

Efektivna ekvivalentna doza • Uz kvalitativni faktor kojim se iskazuje relativna biološka efikasnost pojedinih tipova zračenja, potrebno je uzeti u račun i faktor rizika kojim se iskazuje da su neki organi osjetljivi na zračenje. • Tako su najosjetljiviji organi, jajnici i testisi. • Kad se ekvivalentna doza pomnoži s faktorom rizika za pojedine organe dobije se efektivna ekvivalentna doza. Preuzeto iz: Radiation-Doses, Effects Risk, United nations Enviroment Programe. Prevod, Nolit, Beograd

Primjer - radioaktivnost • Gama doza od 3 Gy je letalna doza – 50% ljudi koji prime ovu dozu umre. Ako se ekvivalentna doza primi u obliku topline, koliki je porast temperature. Za specifični toplinski kapacitet ljudskog tijela uzmite vrijednost specifičnog toplinskog kapaciteta vode c=4180 J/kgK. • Očito oštećenja izazvana zračenjem nemaju nikakve veze s zagrijavanjem tijela. Oštećenja nastaju na razini DNA i tako utječu na promjene u biološkim i kemijskim procesima. Alfa zrake zaustavlja list papira i jedva prodire kroz vanjske slojeve epitela na koži. 1-2 cm živog tkiva

Prirodni izvori radioaktivnosti • Prirodni izvori: Kozmičko zračenje, radioaktivni izotopi koje nalazimo u prirodi. • Uz ove izvore postoje još i izvori zračenja uzrokovani nuklearnim eksplozijama, izvorima koji se koriste u medicini i industriji. • Nešto manje od polovice čovjekove izloženosti prirodnom zračenju potječe od kozmičkog zračenja. • Kozmičko zračenje dolazi iz dubine međuzvjezdanog prostora i sa Sunca. • Čovjek na morskoj razini primi godišnje oko 300 mikroSv, a na 2000 m primi nekoliko puta veću dozu.

Prirodni izvori radioaktivnosti • Najzastupljeniji radioaktivni izotopi koje nalazimo u prirodi su: 40K i 87Rb. • U prosjeku dvije trećine doze zračenja koju ljudi primaju iz prirodnih izvora potječe od radioaktivnih tvari u zraku koje udišemo ili unosimo prehranom. Jedan dio potječe od kalija, koji tijelo apsorbira, skupa s neradioaktivnim izotopom (kalij je bitan za organizam). A veći dio potječe od elemenata koji nastaju raspadanjem 238U i 232Th. U ovim radioaktivnim nizovima nastaju olovo-210 i polonij-210 i uglavnom ulaze u tijelo prehranom, i jedan i drugi su skoncentrirani u ribi i rakovima (škampi & jastozi nisu baš najbolji za prehranu  !)

Prirodni izvori radioaktivnosti -Radon • Tek nedavno je postalo jasno da je od svih prirodnih izvora zračenja, nevidljivi plin, bez okusa i mirisa, sedam i po puta teži od zraka, a koji se zove radon, najvažniji. 86Rn –radon (plemeniti plin), najstabilniji izotop radon-222 ima vrijeme poluživota od 3,8 dana. Radno se alfa raspadom raspada na polonij-218. • Procjenjuje se da na radon zajedno sa svojim radioaktivnim jezgrama kćerkama otpada 3/4 godišnje doze zračenja koju osoba primi iz zemaljskih prirodnih izvora i oko polovine doze iz svih prirodnih izvora. Većina ove doze se prima udisanjem u zatvorenim prostorima. • Postoje dva izotopa radona: radon-222 ( nastaje u radioaktivnom nizu urana-238) i radon 220 (nastaje u radioaktivnom nizu torija-232. • Radon-222 ima oko 20 puta jače djelovanje od radona 220. Mada u biti najveći dio zračenja potječe od radionuklida koji nastaju raspadanjem radona, a ne od samog plina radona. Radon najvećim dijelom izbija iz tla. • Ljudi su najviše izloženi radonu u zatvorenim prostorima,

Prirodni izvori radioaktivnosti -Radon • Građevinski materijalu sadrže torij i radij iz kojih nastaje radon. • U Švedskoj se nekoliko desetljeća koristio stipsni škriljac za proizvodnju betona, koji je uzidan u oko 500 000 kuća. A naknadno se pokazalo da je ovaj škriljac radioaktivan. • Radioaktivni građevinski materijali: fosforni gips, cigle od blata koji je nuspordukt u proizvodnji aluminija, šljaka iz visokih peći i lebdeći pepel od sagorijevanja ugljena. 222Rn+218Po

Radijacijska oštećenja-dozvoljene doze • Zakonska regulativa definira maksimalnu dopuštenu dozu od 2-5 mSv/godina, za profesionalce dozvoljena maksimalna godišnja doza je 50 mSv/godina. • Vrlo je teško definirati koja je maksimalna dozvoljena doza sigurna pogotovo kad su u pitanju male doze zračenja. • Prilikom korištenja rendgenskog snimanja svakako treba vrlo promišljen odvagnuti o štetnim i lošim učincima. • Termoelektrane na ugljen zbog ispušnih plinova su do 100 puta opasnije za zdravlje nego nuklearna elektrana istog kapaciteta koja pouzdano radi. • Naravno usporedba nije jednostavna, jer ozbiljan nuklearni akcident može uzrokovati znatno veća radioaktivna zagađenja. Radijacija poslije Černobil (1986) je uzrokovala smrt desetke tisuća ljudi i brojne genetske bolesti. Fallout iz Černobila sadržavao je 131I T1/2=8 dana, ali i dugoživuće izotope 137Cs (T1/2=29 godina), 90Sr (T1/2=29 godina), 93Zr(T1/2=1,1 milijun godina), 106Ru(T1/2=1 godina) i 60Co(T1/2=5,6 godina)

Primjena radioaktivnosti • Slabi radioaktivni izvor 241Am ionizira zrak u komori detektora. • Pri određenom naponu na detektoru teče stalna struja zbog ionizacije zraka u komori. • Kad se pojavi dim u zraku i uđe u komoru, ioni se vežu uz molekule dima, struja se smanji i detektor aktivira. • Radioaktivni alfa emiteri se koriste za napajanje srčanih pacemaker-a. i svemirskih letjelica.

Ispitivanje starosti materijala – datiranje uglikom Raspad bilo koje radioaktivne jezgre ne ovisi o okolini. Omjer broja stabilnih jezgri kćerki i jezgri majki ovisi o vremenu, što je broj jezgri kćerki veći to je uzorak stariji. Radionuklid 14C ima vrijeme poluživota T1/2=5730 godina. Stalna je proizvodnja izotopa 14C u višim slojevima atmosfere, 1 atom 14C na 1013 atoma 12C. Formira se molekula ugljičnog dioksida CO2, jedna na 1013 sadrži 14C umjesto 12C. Kroz biološke procese, fotosinteza, disanje, CO2 ulazi u tkivo, uspostavi se dinamička ravnoteža tako da svako živo biće sadrži fiksnu količinu 14C u formi CO2. Kad prestanu biološki procesi, nema više izmjene radiougljika s atmosferom i količina 14C se smanjuje. Mjereći količinu 14C po gramu organskog tkiva može se odrediti koliko je vremena prošlo od trenutka smrti organizma. Datiranje pouzdano do 50 000 godina.

Primjer • Komad drveta na arheološkom nalazištu ima aktivnost 14C od 13 raspada u minuti po gramu. Aktivnost živog drveta je 16 raspada u minuti po gramu. Kad je drvo uginulo?

Geološko datiranje • Datiranje radioaktivnim ugljikom je ograničeno na 50 000 godina. Za starija, geološka datiranja nužno je koristiti radionuklide čija je vrijeme poluraspada znatno veće, reda nekoliko milijardi godina. • Najstarija stijena čija je starost oko 3,8 milijarde godina je nađena na Grenlandu. Metoda Jezgra majka Stabilna jezgra kćerka Vrije poluživota (milijarde godina) Kalij - Argon 40K 40Ar 1,3 Rubidij - Stroncij 87Rb 87Sr 45 Torij - Olovo 232Th 208Pb 13,9 Uran - Olovo 235U 207Pb 0,7 Uran - Olovo 238U206Pb 4,5

Radiofarmaceutici • Nuklearna medicina: nuklearna dijagnostika & nuklearna terapija • Snimanje fiziloških i morfoloških karakteristika tkiva i organa, pomoću radioaktivnih obilježivača (radioactive traces), NMR, CT • Lokalizirano zračenje radi ubijanja malignih stanica. • Radiofarmaceutici su radioaktivni nuklidi koji se ili nalaze u prirodi ili su umjetno proizvedeni. • Kontrolirano se unose u organizama u malim količinama neopasnim za zdravlje i imaju kratko vrijeme poluraspada.

Proizvodnja radionuklida • Umjetni radioizotopi se proizvode u nuklearnim reakcijama. Stabilna jezgra se bombardira: protonima, alfa česticama, neutronima. • Nuklearna reakcija se bilježi: A(a,b)B, A-jezgra meta, a-projektil, B-jezgra produkt reakcije, b-produkt reakcije. Vjerojatnost da se dogodi reakcija je dana udarnim presjekom. • Nuklearni reaktori i ciklotroni se najčešće koriste za proizvodnju radionuklida koji se koriste u medicinske svrhe. Često se u blizini ili unutar same bolnice nalazi ciklotron, jer su proizvedeni radionuklidi u načelu kratko živuću. • 23Na(n,)24Na – problem izdvojiti 24Na od 23Na jer su kemijski istovjetni. • 23Al(n,)24Na –lako se izdvaja jer se kemijski razlikuju. • Nuklidi proizvedeni u reaktorima imaju višak neutrona pa su beta emiteri (elektroni) ili emitiraju n ili gama zraku. • U ciklotronima su projektili, p, d, 3He, 4He, te su najčešći produkti raspada alfa, i pozitroni (beta+ raspad). Proizvodnja nuklida u ciklotronu je vrlo skupa ali se neki nuklidi jedino tako mogu proizvesti. Posebno su u zadnje vrijeme zanimljivi radionuklidi koji su + emiteri jer se koriste u sklopu PET (22Na) (Positron emission tomography). • U nuklearnoj medicini se jako često koristi tehnicij 99Tc. Izotop molibdena 99Mo se • - emisijom raspada na tehnicij koji je metastabilan te s vremenom poluživota od 6 sati prelazi u dugoživući tehnicij, pri čemu se emitira gama zraka energije 0,14 MeV. Vrijeme poluživota 99Mo je 67 sati, pa se može transportirati u razumnom roku a kratko vrijeme života 99Tc omogućuje mjerenje ventilacije pluća i aktivnosti srca.

Radioobilježivačka metoda • U organizam se unosi mala količina radionuklida koja ne izaziva fiziološke, biokemijske ili farmakološke učinke. • Radioaktivno obilježena tvar slijedi iste metaboličke putove kao i istovrsna neobilježena tvari. • Primjer: Injektiranjem radioizitopa u pojedine točke krvotoka može se mjeriti kretanje radioaktivne tavri i tako zaključiti na protočnost, brzinu izmjene kisika, itd. • Snimka radioaktivnosti nekog organa na filmu ukazuje na koncentraciju radioaktivnog obilježivača u nekom organu što odražava fiziološki svojstva, dok rendgenska snimaka odražava apsorptivna svojstva organa. • Neki organi nisu vidljivi radiografijom ali su vidljivi nuklearnim tehnikama.

Gama Kamera • Gama kamera je uređaj koji se često koristi u nuklearnoj medicini a daje sliku raspodijele gama zračenja radionuklida. • Gama kamera se sastoji od scintilatora, matrice fotodetektora i sofisticiranog sistema za sakupljanje podataka kontroliranog računalom. Sistem broji gama fotone apsorbirane u scintilatoru. Kad gama foton pogodi scintilator nastaje svjetlosni bljesak koji se detektira fotodetektorom (PM, silicijski fotodetektor). Scintilator je prekrivne slojem olova s otvorima – sustavom kolimatora koji osigurava da fotoni pogađaju točno određeni fotodetektor. Tako se dobije dvodimenzionalna slika raspodijele gama emitera u danom organu. Primjer: U srčani mišić se intrarvenozno ubacuje talij-201 ili tehnicij-99 Najbolje gama kamere mogu razlučiti dva točkasta izvora gama fotona na udaljenosti 1,8 cm i 5 cm od kamere.

Mehanizmi za nakupljanje radioobilježivača • Za ispravnu primjenu radioobilježivača potrebno je znati procese koji određenu biokemijsku tvar nakupljaju u određenom tkivu ili organu. Brojni su takvi procesi: • Aktivni transport – radioobilježivač aktivno sudjeluje u metabolizmu. Tako jod putuje kroz organizam dok se ne nakupi u štitnoj žlijezdi, pa se postiže koncentracija joda i 1000 puta veća od koncentracije u okolnom tkivu. • Antigen-antitijelo reakcije – antitijela se nagomilavaju na mjestima upale odnosno antigeni u području zahvaćenom tumorom. Te ako se uspije radioaktivno obilježiti antitijela odnosno antigene može se locirati područje oboljenja • Fagocitoza – kako se fagociti se nakupljaju u jetri, slezeni, koštanoj srži to se njihovim obilježavanjem mogu snimiti ovi organi.

Primjena zračenja (1) • Pacijent popije radioaktivni natrijev jodid 131I (umjetno proizveden) da se provjeri funkcioniranje tiroidne žlijezde (štitnjače). • Dva sata kasnije se izmjeri se aktivnost u području vrata iz čega se zaključuje koliko još ima joda u žlijezdi i tako provjeri njena funkcionalnost. • Radioaktivni natrij se ubrizga u nogu. • Vrijeme u kojem radioizotop stigne do drugih dijelova tijela se mjeri pomoću radioaktivnog izbroja i tako zaključuje na moguću prisutnost zakrčenja u krvožilnom sustavu.

Primjena zračenja (2) • Analiza sastava tvari pomoći aktivacije neutronima • kad se tvar ozrači neutronima, jezgre u tvari apsorbiraju neutron i transformiraju se u izotope od kojih su većina radioaktivni • mjerenjem radioaktivnog zračenja mogu se detektirati vrlo niske koncentracije različitih elemenata u tvari • primjena u arheologiji, povijesti umjetnosti, detekcija ekspolziva, forenzika • Primjena zračenja u liječenju za ubijanje stanica tumora (60Co, 151I) • Zaštita hrane – izlaganjem zračenju uništavaju se bakterije i gljivice.

Rudinci i nafta • Geolozi i naftni inženjeri rutinski koriste radioaktivne izvore u potrazi sa zemnim plinom i naftom.Izvor i detektor se spuštaju u bušotinu da se ispita sastav tvari na različitim dubinama. Izvori neutrona su najčešće d PuBe (plutonij berilij) iliAmBe (americij berilij) Neutroni aktiviraju jezgre u tvari koja okružuje bušotinu i tako se emitiraju gama zrake karakteristične za pojedini element.

Nuklearnamagnetska rezonancija (NMR) • Proton zbog svog spina (s=1/2) ima kao i elektrom magnetski dipolni moment , koji je zbog pozitivnog naboja protona paralelan sa spinom protona. • Kad se proton nađe u vanjskom polju duž z-osi, magnetski dioplni moment  ima dvije moguće orijentacije: +z – paralelan s vanjskim poljem ili -z– antiparelelan s vanjskim poljem. • Potencijalna energija magnetskog dipola u vanjskom polju je . Postoje dvije energijske razine , a razlika između ta dva stanja je: • Proton može skočiti iz stanja niže energije u stanje više energije apsorpcijom fotona: • Takvu apsorpciju zovemo nuklearna magnetska rezonancija. • Rezonantna frekvencija ovisi o ukupnom magnetskom polju u kojem se nalazi proton, a ukupno magnetsko polje čini vanjsko magnetsko polje i lokalno polje okolnih elektrona i jezgri. Tako da proton u molekulama OH, CH2 i CH3 ima različite NMR frekvencije.

Medicina -NMR • MRI (Magnetic Resonance Imaging) se temelji na pojavi NMR- nuklearne magnetske rezonancije • Gotovo 2/3 atoma u ljudskom tijelu čine atomi vodika tj. protoni. Protoni u različitim tkivima ljudskog tijela se nalaze u različitim lokalnim magnetskim poljima. Kad se tijelo ili dio tijela nađe u snažnom vanjskom magnetskom polju, ova razlika u okolnom tkivu se očituje u različitim nuklearnim rezonantnim frekvencijama. • Nuklearna rezonantna frekvencija protona je vrlo osjetljiva na lokalno magnetsko polje, koja se relativno lako može izmjeriti i uz pomoć računala definirati položaj protona odgovarajuće rezonantne frekvencije te tako rekonstruirati oblik tkiva koje proizvode isto/različito lokalno magnetsko polje.

Eksperimentalne metode moderne fizike