Az ionizáló sugárzások fajtái, forrásai magsugárzás
Röntgen
Magsugárzások Röntgensugárzás Függelék 1. Intenzitás 2. Spektrum 3. Atom Repetitio est mater studiorum.
Ionizációnak nevezzük azt a folyamatot, amikor egy atomból vagy molekulából elektromos töltéssel rendelkező ion keletkezik. Ionizáló sugárzás lehet bármelyik típusú sugárzás, ha részecskeenergiája elegendő ahhoz, hogy a vele kölcsönhatásba lépő atomok és molekulák ionizációjához vezessen. Az ionizáció abból áll, hogy egy atomból (vagy molekulából) teljesen eltávolítunk egy elektront. Lényeges tény, hogy a kisebb részecskeenergiájú sugárzás még nagyobb fluxus mellett sem képes az ionizációra.
Csoportosítási lehetőségek magsugárzás az energia az atommagból származik α, β, γ, p, n, …
Röntgensugárzás az energia az elektronhéjból származik Rtg
részecskesugárzás van nyugalmi tömeg α, β, p, n, …
elektromágneses sugárzás nincs nyugalmi tömeg Rtg, γ
direkt ionizáló töltött részecskék α, β, p, …
indirekt ionizáló töltsé nélküli részecskék Rtg, γ, n
Wilhelm Conrad Röntgen 1845-1923
1895
Antoine Henri Becquerel 1852-1908
1896
1. Az atom szerkezete; ionizáció, gerjesztés Atommag: d = 10-15-10-14 m benne protonok (számuk → rendszám-Z) neutronok (protonok + neutronok [nukleonok] száma együtt→ tömegszám-A) Magsugárzások: α, β, γ Elektronburok: d ≈ 10-10 m elektronok száma = protonok száma elhelyezkedés meghatározott sugarú és energiájú pályákon (kvantáltan)
2. Röntgensugárzás keletkezése Előállítás leggyakrabban röntgencsőben
Gerjesztés: ΔE = hν = h c / λ Ionizáció: hν ≥ ΔE Elektronburokból származó sugárzás: röntgen
Típusai: fékezési sugárzás - folytonos spektrum, rövidhullámú határral - U növekedésével a sugárzás keményedik, az összteljesítmény nő (U2-tel arányosan) P = c U2IZ η=cUZ Alkalmazása: röntgen képalkotás
karakterisztikus sugárzás - nagy gyorsító feszültség esetén - vonalas, az anódra jellemző spektrum Alkalmazása: csontdenzitometria, anyagazonosítás, molekulaszerkezet vizsgálata
3. Magerők, az atommag stabilitása A protonok és neutronok között vonzó- és taszítóerők hatnak
Az egy nukleonra jutó kötési energia közepes méretű magok esetén a legnagyobb (legstabilabb magok)
- könnyű magok fúziójával (fúziós reaktor, H-bomba)
Ezen állapot elérhető: - nehéz magok hasadásával (atomreaktor, atombomba)
4. Radioaktív bomlás, aktivitás
Izotópok: azonos rendszám, de eltérő tömegszám (lehet stabilis vagy radioaktív) Ë Ì természetes mesterséges
Bomlási sebesség:
dN dt
= -λ N
dN dt
=Λ
(aktivitás) [bomlás/s = 1/s = Bq (becquerel)] (1 Ci (curie) = 3,7 × 1010 Bq) N = N 0e −λt
λ=
1
τ
λ=
0,693 T
Λ = Λ 0e −λt
Kapcsolat a felezési idők között: 1 1 1 = + Teff T fiz Tbiol
5. Bomlási típusok Alfa bomlás Z 2-vel, A 4-gyel csökken pl.
226 222 4 88 Ra → 86 Rn + 2 α
Béta bomlás - negatív β-bomlás: Z 1-gyel nő pl:
32 32 0 15 P →16 S + −1β
- meghatározott energiájúak (vonalas spektrum) - hatótávolságuk rövid (vízben, szövetben néhányszor 10 μm) Alkalmazás: csak terápia
- pozitív β-bomlás: Z 1-gyel csökken pl:
30 30 0 15 P →14 Si + +1β
A mag energiavesztesége adott értékű, a spektrum mégis folytonos. Oka: neutrinó.
Alkalmazás: β-: terápia és in vitro β+: PET
Gamma sugárzás Az α- vagy β-bomlást követően a mag energiafölöslegétől elektromágneses sugárzás formájában szabadul meg. - prompt γ-sugárzás: 10-13-10-18 s-on belül követi a részecskesugárzást
pl:
99 99 m 99 ⎯→ ⎯→ 42 Mo ⎯ 43Tc ⎯ 43Tc β γ
Alkalmazás: in vivo diagnosztika (igen jól használható)
- izomer magátalakulás: hosszabb, mérhető felezési idővel követi a részecskesugárzást Előny: a kettő szeparálható, tisztán γ-sugárzó izotóp nyerhető
Függelék 1. Intenzitás
Héjelektron befogás (K-befogás) A mag a belső elektronhéjról befog egy elektront → Z 1-gyel csökken 51 pl: Cr + 0e→ 51V + ν 24
−1
23
Ezt karakterisztikus rtg. sugárzás követi. Alkalmazás: in vivo diagnosztika
Sugárzás: energia szállítása (energiasugárzás) energia, E energiaáram = teljesítmény
[E] = J (Joule)
P=
ΔE Δt
[P] = W (Watt)
ΔE: a Δt idő alatt szállított energia energiaáram-sűrűség =teljesítménysűrűség = intenzitás
J=
P 1 ΔE = A A Δt
A: felület (az energiaterjedés irányára merőleges)
[J] = W/m2
Függelék 2. Spektrum
Eloszlás sűrűségfüggvény ΔN Δh
H: kollektív magasság
⎛ 1 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ 10 cm ⎠
ΔH Δh
Spektrum
3
görbe alatti terület: n
20
2 1 0
h
görbe alatti terület: H
40
H
160 170 180 190 200 210
0
ΔH Δh
60
4
80
100
Eloszlás sűrűségfüggvény h: testmagasság
⎛ 1 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ 10 cm ⎠
5
ΔN Δh
160 170 180 190 200 210
h (cm)
Spektrum mint speciális eloszlás sűrűségfüggvény
h (cm)
Bohr féle atommodell
50
E
neutronok semleges
0
hogyan oszlik meg a teljes energia az energiaadagok között
ΔE Δε
Δ E /Δ ε
Emissiós spektrum:
100
Függelék 3. Atom
150
160
170
180
190
200
210
K-héj elektron negatív töltés
Photonenenergie , ε
az energiaáramlás jellemző mennyisége: intenzitás (néha a teljesítmény) a hullámhossz használata kényelmesebb a fotonenergiánál
ΔJ Δλ
protonok
L-héj
pozitív töltés
λ atommag
M-héj
elektronhéj
• minden héjon csak meghatározott számú elektorn lehet jelölés
proton neutron
elektronhéj
töltés
nukleonok
atommag
név
pozitív seml.
a héj neve
megjegyzés
az elektronok max. száma = 2 * (héj sorszáma) 2
gyakorlatilag az atom teljes tömegét kiteszik
elektron
negatív
K-héj
max. 2
elektron
negatív
L-héj
max. 8
elektron
negatív
M-héj
max. 18
héj neve
a héj sorszáma
K L M N O P Q
1. héj 2. héj 3. héj 4. héj 5. héj 6. héj 7. héj
-
-
27 ( 13
=
14 rendszám
+
)
27 13 Al
2 2 2 2 2 2 2
* * * * * * *
az elektronok. max. száma
12 22 32 42 52 62 72
= 2 = 8 = 18 = 32 = 50 = 72 = 98
Pl. alumínium
Különböző atomok, elemek, izotópok
tömegszám
szabály
= = = = = = =
27 13 Al
27 db nukleon
ebből 13 proton, mindegyik 1 elektront köt meg 14 további nukleon, amelyek neutronok
az alumínium vegyjele
K-héj max. 2 e13 14
L-héj max. 8 eM-héj itt még 3 e a betöltetlen héj neve vegyértékhéj (valenciasáv)
Az atom szerkezete; ionizáció, gerjesztés
Magerők, az atommag stabilitása
Atommag: d = 10-15-10-14 m benne protonok (számuk → rendszám) neutronok (protonok + neutronok [nukleonok] száma együtt→ tömegszám) Magsugárzások: α, β, γ Elektronburok: d ≈ 10-10 m elektronok száma = protonok száma elhelyezkedés meghatározott sugarú és energiájú pályákon (kvantáltan) Gerjesztés: ΔE = hν = h c / λ Ionizáció: hν ≥ ΔE Elektronburokból származó sugárzás: röntgen
A protonok és neutronok között vonzó- és taszítóerők hatnak Az egy nukleonra jutó kötési energia közepes méretű magok esetén a legnagyobb (legstabilabb magok) Ezen állapot elérhető: - nehéz magok hasadásával (atomreaktor, atombomba) - könnyű magok fúziójával (fúziós reaktor, H-bomba) Izotópok: azonos rendszám, de eltérő tömegszám (lehet stabilis vagy radioaktív) Ë Ì természetes mesterséges
Bomlási típusok
Radioaktív bomlás, aktivitás Bomlási sebesség:
dN = -λ N dt
dN = Λ (aktivitás) [bomlás/s = dt =1/s = Bq (becquerel)]
(1 Ci (curie) = 3,7 × 1010 Bq)
N = N 0 e − λt Λ = Λ 0 e − λt Kapcsolat a felezési idők között:
1 1 1 = + Teff Tfiz Tbiol
λ=
0,693 T
λ=
1
τ
Alfa bomlás Z 2-vel, A 4-gyel csökken pl.
226 222 4 88 Ra → 86 Rn + 2 α
- meghatározott energiájúak (vonalas spektrum) - hatótávolságuk rövid (vízben, szövetben néhányszor 10 μm) Alkalmazás: csak terápia Béta bomlás - negatív β-bomlás: Z 1-gyel nő pl:
32 32 0 15 P→ 16 S + −1 β
- pozitív β-bomlás: Z 1-gyel csökken pl:
30 30 0 15 P→ 14 Si + +1 β
A mag energiavesztesége adott értékű, a spektrum mégis folytonos. Oka: neutrinó. Alkalmazás: β-: terápia és in vitro β+: PET Gamma sugárzás Az α- vagy β-bomlást követően a mag energiafölöslegétől elektromágneses sugárzás formájában szabadul meg. - prompt γ-sugárzás: 10-13-10-18 s-on belül követi a részecskesugárzást - izomer magátalakulás: hosszabb, mérhető felezési idővel követi a részecskesugárzást Előny: a kettő szeparálható, tisztán γ-sugárzó izotóp nyerhető pl:
m 99 ⎯ → 9943 Tc ⎯ ⎯ → 99 42 Mo ⎯ 43Tc β γ
Alkalmazás: in vivo diagnosztika (igen jól használható)
Urán sorozat A
4.5x109 év
238
α−bomlás 234
−
230
β −bomlás
226
222
218
214
210
206 80
Hg
81
Tl
82
Pb
83
Bi
84
Po
85
At
86
Rn
87
Fr
88
Ra
89
Ac
90
Th
91
Pa
92
U
Z
