Atomfizika. Radioaktív sugárzások kölcsönhatásai. 2010. 10. 18. Biofizika, Nyitrai Miklós
Emlékeztető • Radioaktív sugárzások keletkezése, típusai
α-bomlás » α-sugárzás A Z A Z
X⇒ X⇒
A− 4 Z −2
A− 4 Z −2
X + He 4 2
X +α 226 88
Ra⇒ Rn + α 222 86
Kilépési sebességük elérheti a 15 000 000 m/s-ot (0,05 c) Vonalas spektrum (karakterisztikus)
238 92
226 222 210 U , 241 Am , Ra , Rn , 95 88 86 84 Po
4 2
β-bomlás » β-sugárzás Negatív β-bomlás Kísérlet: Curie 1911 Elmélet: Enrico Fermi, 1934
+
−
n ⇒ p + e + νe 0
A Z
X ⇒ Z +1AX + e − + ν e
137 55
− Cs⇒137 Ba + e + νe 56
Kilépési sebességük elérheti a 180 000 000 m/s-ot (0,6 c) Folytonos spektrum (antineutrino)
β-bomlás » β-sugárzás Pozitív β-bomlás +
+
p ⇒ n + e + νe A Z
0
X ⇒ Z −1AX + e + + ν e 22 11
ββ+
izotópok izotópok
3 1
14 6
137 55
132 53
40 19
H , C , Cs, I , K 11 6
+
Na⇒ Ne + e + νe 22 10
22 11
C , Na
γ-sugárzás Kísérőjelenség! Elektromágneses sugárzás (γ-foton) f>1019 Hz, illetve E>100 keV a gerjesztett atommagok alacsonyabb energiaállapotba történő átmenetekor keletkezik Fénysebességgel terjednek Vonalas spektrum (karakterisztikus)
22 11
132 Na,1940K ,137 Cs , 55 53 I
137 m 56
Ba⇒ Ba + γ 137 56
m: metastabil állapot
A sugárzások jellemzése, összehasonlítása
Aktivitás (A) A radioaktív bomlás véletlenszerűen bekövetkező esemény! Az 1 másodperc alatt bekövetkező magátalakulások száma. magátalakulás = bomlás Mértékegysége: Becquerel 1 Bq = 1 bomlás/másodperc. Figyelem! A radioaktív „bomlás” nem jelenti az atomok eltűnését!
Stabil izotóp Radioaktív izotóp Leánymag
Régebben használt mértékegysége a Curie. (1 Ci = 3,7 · 1010 Bq)
A bomlástörvény
Bomlástörvény Bomlatlan magok száma
N(0) : kezdeti bomlatlan atommagok száma N(t) :a t időpillanatban jelenlévő bomlatlan atommagok száma
N(0)
Bomlási állandó (λ): Jellemzi a bomlási sebességet. Megadja 1 atommag átalakulási valószínűségét.
N(t) = N(0) ⋅ 2
2
N(0)/2 N(0)/e T1/2 τ
A = λ ⋅ N (t ) Átlagos élettartam (τ): A bomlási állandó reciproka.
t − T1
τ =
1
λ
idő
N (t ) = N (0) ⋅ e
−
t
τ
Felezési idő – átlagos élettartam (matek: áttérés különböző logaritmus alapok között) t T1
−
N ( t ) = N ( 0) ⋅ 2
N ( t ) = N ( 0) ⋅ e
2
−
−
t
τ
2
τ=
t T1
2
=e
−
t
τ
1 = 1,443 ⋅ T12 ln 2 T1 2
Biológiai, fizikai és effektív felezési idő
Sugárzások - összehasonlítás • külső hatás nélkül keletkezik • fizikai és kémiai változások nem befolyásolják • ionizáló hatása van (fizika) • kémiai, biológiai hatása van
Fizikai jellemzők: • • • • •
Aktivitás Élettartam Spektrum Áthatolóképesség és LET (lineáris energia transzfer)
Összehasonlítás Átlagos élettartam 222 86
α
4 s; 11 nap; 138 nap; 4,5·109 év -
β
210 238 Rn, 226 Ra , Po , 88 84 92 U
132 53
I ,13H ,146C ,1940K
8 nap; 12 év; 5568 év; 1,2·109 év; 7,6·10-22 s +
11 6
22 C ,11 Na
20 m; 15 h 22 11
γ
40 19
137 55
132 53
Na, K , Cs, I
2,6 év; 1,2·109 év; 26 év; 8 nap
Összehasonlítás Spektrum
LET (ionizáció/mm)
α
Vonalas (karakterisztikus)
magas 8-10 000
β
Folytonos (neutrino miatt)
közepes 6-8
γ
Vonalas (karakterisztikus)
alacsony 0,1-1
Összehasonlítás Áthatolóképesség, hatótávolság
α
Kicsi Levegő: cm Plexi: mm
β
Közepes Levegő: m Plexi: cm Ólom: mm
γ
Nagy Ólom: cm
Sugárzás – anyag kölcsönhatás
Sugárzás – anyag kölcsönhatás I0 (kezdeti intenzitás)
anyag
I
I~n n: fotonszám
Reflexió Transzmisszió Abszorpció Szórás – Compton-féle
LET és áthatolóképesség
α
β,γ
I N(0)
−
N(t) = N(0) ⋅ 2
x x1
I
2
N(0)/2 x1/2
abszorbens vastagság (megtett út)
abszorbens vastagság (megtett út)
γ-sugárzás és anyag kölcsönhatásai Fotoeffektus
Compton-szórás
Párkeltés
E > 1,2 MeV
Energia-, töltés- és lendületmegmaradás törvényei érvényesek!
http://oktatas.ch.bme.hu/oktatas/konyvek/fizkem/gamma/kolcson/compton.html
Dozimetria
• Elnyelt dózis, besugárzási dózis • Dózis egyenérték
Miért kell erre külön elmélet? • A biológiai hatás és az átadott energia között szembetűnő aránytalanság van; • Ha 0,25C/kg dózisú sugárzás az egész testet éri, idővel halálhoz vezet; • Ekkor az elnyelt energia kb. 8,5J/kg; • 75kg-os embernél az egész testre ez mindössze: 640J Ez egy pohár vizet 1oC-al melegítene fel!
Dozimetria Fizikai dózisok 1.Elnyelt dózis Tömegegységre vonatkoztatott elnyelt energia Jele:D Mértékegysége: J/kg, Gy (gray)
E D = m
2.Elnyelt dózisteljesítmény Az elnyelt dózis és az idő hányadosa: Mértékegysége:
μ Gy h
Δ D Δ t
Dozimetria 3. Besugárzási dózis Jele: X C Mértékegysége: kg
ΔQ X= Δm 1Gy=29,4mC/kg
ΔQ: a Δm tömegű levegőben keltett ionok töltésösszege 4. Besugárzási dózisteljesítmény A besugárzási dózis és az idő hányadosa: Mértékegysége: C
kg ⋅ s
ΔX Δt
Dozimetria Biológiai dózisok 1.Dózisegyenérték Jele: H Mértékegysége: Sv (sievert) 1Sv=1J/kg H=DQN D: elnyelt dózis Q: sugárzás típusára jellemző faktor N: sugárzás körülményeire jellemző állandó
Dozimetria Sugárterhelés hatásai H (mSv)
Hatások
200
Küszöbdózis orvosilag kimutatható, tünetmentes
750-1000
Kritikus dózis rosszullét
1000-2000
Vérképző szervek zavarai
4000
Félhalálos dózis Az 50%-a orvosi kezelés hiányában meghal
6000
Halálos dózis
A sugárdózis átlagértéke mSv/év-ben
Az átlagos természetes radioaktív háttérsugárzás kb. 1,8 mSv/év, ebből: a levegőben jelenlévő radon (kb. 0,5 mSv/év), az épületek sugárzása (kb. 0,4 mSv/év), kozmikus sugárzás (0,3 mSv/év), a bennünk lévő 40K izotóp sugárzása (kb. 0,2 mSv/év) Emberi tevékenység - orvosi röntgen átvilágítás és terápia, - átlagosan 0,4 mSv/év. Összesen kb. 2,5 mSv/év.
A sugárzások biológiai hatásai
Direkt és indirekt sugárhatások - találatelmélet, túlélési görbék; - víz aktiválási elmélet, higítási effektus; - idő frakcionálás. 1.0 0.8
N / N0
0.6 0.4 n=1 0.2
n=2 n=4
0.1 0.0
0.5
1.0
D / D1/2
1.5
n=3
A dózis hatásának függése a fajtól Különböző fajok D50 értékei Faj
D50 (Gy)
Kutya
3-4,3
Majom
5
Egér
4-6,5
Ember
5-8
E. coli
5,6
Denevér
150
Élesztő
300
Amőba
1000
B. mesentericus
1500
Paramecium
3000
A dózis hatásának függése a szövet típusától A legfontosabb szövetféleségek csökkenő sugárérzékenység alapján felállított sorrendje
1.
Nyirokszövet
2.
Fehérvérsejtek, csontvelői éretlen vörösvérsejtek
3.
Gyomor-, béltraktus nyálkhártya
4.
Ivarsejtek
5.
Bőr proliferáló sejtrétege
6.
Erek
7.
Mirígyszövetek, máj
8.
Kötőszövet
9.
Izomszövet
10.
Idegszövet
Mit figyelhetünk meg?
A dózis hatásának függése a szövet típusától Milyen esetekben fokozódik a sugárzás hatása? (Bergonie és Tribondeau megfigyelései) - nagyobb fokú szaporodási képesség; - hosszabb sejtmag osztódási periódus; - kevésbé rögzített a sejtek morfológiája.
A radioaktív sugárzások detektálása
A radioaktív sugárzás elleni védekezés 3 pontja • Minimalizált kitettségi idő • Maximalizált távolság • Védőanyagok használata
γ-sugárzás detektálása Szcintillációs detektor Nagy energiájú sugárzás, vagy részecskék hatására fényvillanás következik be. NaI-kristály Tl-mal szennyezve.
Más γ-detektorok: Félvezető detektor Sugárzás hatására a kristály vezetőképessége rövid időre megnő. Szilárdtest-nyomdetektor Sugárzás hatására a kristályszerkezet torzul.
β-sugárzás detektálása Geiger Müller számláló
Hans Geiger 1882-1945
anód: W-szál katód:Cu-henger Anód-katód közötti nagyfeszültség: 500-2000V Töltőanyag: szerves oldószer gőze, nemesgáz; kioltógáz http://hu.wikipedia.org/wiki/Geiger%E2%80%93M%C3%BCller-cs%C5%91
Összefoglalás - a magok összetétele, modellek és kölcsönhatások; - a radioaktivitás oka, jellemzése; - sugárzások típusai, jellemzői, összehasonlítása; - aktivitás, felezési idők; - a sugárzások kölcsönhatásai anyaggal, biológiai hatásuk; - találatelmélet, indirekt hatás, dózisok; - a sugárzások hatásai és a befolyásoló tényezők.
