NUKLEÁRNA MEDICÍNA Prístroje na detekciu žiarenia

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

2. Téma: Atóm - popis a stavba. Druhy a rozdelenie prvkov Rádioaktivita- princíp, veličiny, jednotky. Ionizujúce žiarenie (IŽ)- druhy IŽ, interakcia IŽ s hmotou. Základné fyzikálne princípy 02

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

4. Základné fyzikálne princípy Atóm / Atómové jadro • Prakticky celá hmotnosť atómu je sústredená • v atómovom jadre. • Atómové jadro pozostáva z dvoch druhov častíc • protónovp+(nositeľ kladného elektrického náboja) • mp+ =1,672 648 . 10 -27 kg • neutrónovn0 (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

5. Základné fyzikálne princípy Atóm / Atómové jadro 05

6. 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 protónovaneutrónov • vyjadrujenukleónové číslo (A). • Rozdiel A-Z zodpovedá počtu neutrónov. • Vyjadruje ho neutrónové číslo (N). • A= protóny+neutróny • X • Z= počet protónov 06

7. Základné fyzikálne princípy Atóm / Atómové jadro • A= protóny+neutróny • X • 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

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

9. 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

10. Základné fyzikálne princípy Atóm / Elektrónový obal Elektrónový obal atómu tvoria elektrickyzáporne 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 celokelektricky neutrálny. Každý elektrón v obale atómu sa nachádza v určitom energetickom stave, ktorý je určený štyrmikvantovými 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

11. 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

12. Základné fyzikálne princípy Atóm / Ionizujúce žiarenie Ionizujúce žiarenieIŽ 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

13. 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

14. 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

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

16. 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

17. Základné fyzikálne princípy Rádioaktivita ako zdroj IŽ Rádioaktivitu rozlišujeme prirodzenú a umelú. Prirodzená rádioaktivitasa 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

18. 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

19. 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

20. Základné fyzikálne princípy Rádioaktivita / Typy RA premien Rozpady s uvoľňovaním ťažkých častíc (Premena α ) Zaraďujeme semα rozpad a uvoľňovanie neutrónov. K týmto typom rozpadov dochádza predovšetkým u ťažkých rádionuklidov. α rozpadsa 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 neutrónovje v prírode pomerne vzácne.Príkladom uvoľňovania neutrónov je jadrový reaktor (235U, 239Pu). emisia αčastíc 20

21. 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

22. 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

23. 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

24. 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

25. Základné fyzikálne princípy Rádioaktivita / Typy RA premien • Z hľadiska rádioaktívnych premien rozdeľujeme RA žiarenie : • Žiarenie αje 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 βje prúdom elektrónov (pozitrónov) letiacich takmer rýchlosťou svetla (280 000 km.s-1 ) a je asi 100 krát prenikavejšie ako žiarenie α. • Žiarenie γje 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

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

27. 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

28. 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

29. 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

30. Základné fyzikálne princípy Rádioaktivita / Zákon RA rozpadu 30

31. Základné fyzikálne princípy Interakcia IŽ s hmotou • Fyzikálne vlastnosti ionizujúceho žiarenia • Kvantitatívne charakterizujeme ionizujúce žiarenie jeho • hmotnosťoum /u fotónov m=0/, vlnovou dĺžkouλ 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

32. 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

33. 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

34. 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

35. 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 rozptylprevláda 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

36. 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

37. Ďakujem za pozornosť! Základné fyzikálne princípy 37