2014.10.13.
Történet Ivan Puljuj (1845-1918):
Röntgensugárzás, röntgendiffrakció Biofizika szeminárium
Nagyfeszültségű kisülési cső (Crookes cső) sugárzásába helyezett becsomagolt fotolemezek megfeketednek, 1886
Nicola Tesla (SRB-USA, 1856-1943): Fékezési sugárzással működő röntgencső kifejlesztése, 1887„láthatatlan” sugárzó energia Röntgensugárzás biológiai veszélyeinek felismerése Lénárd Fülöp (AUT-HUN-GER, 1862-1947, Nobel-díj, 1905) Alumínium-ablakos kisülési cső, röntgensugárzás elkülönítése, áthatolóképesség vizsgálata, 1888 Thomas Edison (1847-1931, USA) CaWO4 fluoreszkál legintenzívebben az X-sugarak hatására Első működő fluoroszkóp (röntgen-készülék) feltalálása, 1896 Sugárvédelem hiánya – égési sérülések Clarence Madison Dally (Edison aszisztense): a röntgensugárzás első áldozata
Frequency and
W. C. Röntgen Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923, GER, Nobel-prize, 1901) Vastag üvegfalú kisülési cső (Crookes cső), Fekete kartonpapírral borította a csövet – fényt elzárja Ba-platinocianiddal bevont képernyő – halvány derengés az elsötétített szobában Láthatatlan, ismeretlen új sugárzás: „X-sugarak” 1895. november 22. – az első felvétel emberi testről 1895. december 28. – publikálja az eredményeit
► Wavelength: 0.01 - 10 nm (10-11 – 10-8 m) ► Energy: 0.1 – 100 keV ( ~10-17 – 10-14 J)
RTG tulajdonságai
Röntgensugárzás előállítása
► Rövid hullámhosszú (~ the same size as the diameter of an atom). ► Ionizációt okoz (adding or removing electrons in atoms and molecules).
► Alkalmas anyagokból lumineszcenciát (fénykibocsátás) vált ki
1) alacsony nyomású gáztöltésű röntgencső (üvegcső, 10-6 bar = 0,13 Pa) 2) az anód és a katód közti nagy feszültség hatására a katódból
► Csont; fémek abszorbeálják
elektronok lépnek ki
► Az egészséges szöveteken áthalad.
3) amelyek a feszültéség hatására felgyorsulva az antikatódba (anód)
► Nagyon hasznos a diagnosztikában és a terápiában.
X-ray generator - the rotating anode tube
csapódnak be. 5) röntgensugárzást indukálnak
1
2014.10.13.
Röntgensugárzás keletkezése Lágy röntgen Low energy (120 eV-12 keV) Low penetration (in water ~ 1 µm Diagnostic
Kemény röntgen High energy (120 keV-10 MeV) high penetration Therapy and x ray crystallography
Röntgensugárzás keletkezik: I)
Belső héjról egy e- eltávolítása KARAKTERISZTIKUS RÖNTGENSUGÁRZÁS Vonalas spektrum
II)
Lefékeződik az elektron
FÉKEZÉSI RÖNTGENSUGÁRZÁS (BREMSSTRAHLUNG) Folytonos spektrum
Két eltérő mechanizmus → összetett spektrum
Fékezési röntgensugárzás (BREMSSTRAHLUNG)
Karakterisztikus röntgensugárzás electron
electrons
Charles Glover Barkla - Fizikai Nobel díj 1917 a karakterisztikus rtg sugárzás felfedezéséért
Braking radiation or "deceleration radiation“ („Bremsstrahlung”)
Barkla felvetette, hogy a rtg sugárzás elektromágneses hullám
Rtg csőben a felgyorsított elektron lelassul az anódban lévő atomok magjainak elektromos erőterében.
Egy beérkező nagy energiájú elektron az anódban lévő K héjról kiüt egy elektront → üresedés Külső elektron ugrik a helyébe Karakterisztikus rtg sugárzás keletkezik (E=héjak közötti energia különbség)
Az energiaveszteség rtg fotonok kibocsátására fordítódik. Széles, folyamatos spektrumú sugárzás keletkezik
Vonalas spektrum (az anód anyagára jellemző)
Folytonos spektrum
Duane-Hunt szabály (fékezési rtg-sugárzásnál)
A röntgensugárzás Spektruma William Duane (1872-1935, USA)
e- max. energialeadás = azzal a mozgási energiával, amit a gyorsítófeszültség révén szerzett. A folyamathoz mindig tartozik egy maximális fotonenergia vagy minimális hullámhossz.
Breaking: continuous emission radiation Characteristic: line type emission radiation
Emax= e ∙ Vanode =h ∙ fmax= (h ∙ c) / λmin λmin = (h ∙ c) / (e ∙ Vanode ) h = Planck állandó – 6.626 ∙ 10 -34 Js c = fénysebesség vákuumban– 3 ∙ 10 8 m/s e = elemi töltés– 1.602 ∙ 10 -19 C
2
2014.10.13.
Rtg sugárzás elleni védelem: Pb(82) - ólom
Henry Moseley (1887 – 1915) A röntgensugárzás fő karakterisztikus csúcsainak frekvenciája arányos az elem rendszámával. Az első megfigyelés az atomszám és egy mérhető fizikai mennyiség között. Fontos kísérletes támogatást is nyújtott a Bohr-atommodell számára.
Miért jó? • Összetett, és nagy sűrűségű anyag → A beeső fotonok nagy valószínűséggel találkoznak elektronnal. • olcsó (arany, ezüst) • Kevésbé toxikus mint a tallium vagy a bizmut • Nagymennyiségben áll rendelkezésre
A = 2,19∙10-18 J σ= K-shell: 1 L-shell: ~8 n= fő kvantum szám Ez alapján egy ismert röntgensugárzási frekvencia mérésével meg lehetett állapítani az atom rendszámát, és megállapítani az atom helyét a periódusos rendszerben, hiszen ekkor (1913) az atommagról még nem álltak rendelkezésre ismeretek.
Fényelektromos hatás
Rtg sugárzás fontos kölcsönhatásai
Belső héjat érintő ionizáció • A foton energiája teljesen elnyelődik
Fény-elektromos hatás
• Foto-elektron hagyja el az atomot (E = Ebeeső foton – E e- kötési energiája).
• Felelős a kontraszt kialakulásáért a képen
• Üresedés a belső elektron-héjon.
Compton szóródás
• Felsőbb héjról elektron tölti be az üres pozíciót. • Nagyobb valószínűséggel fordul elő magas atomszámú elemek esetében (pl. csont,
• Nincs hasznos információ belőle: a kontrasztot csökkenti.
kontraszt anyag). • Növeli a beteget ért dózist. • Nagymértékben felelős a rtg képen kialakuló kontraszt mértékéért.
Compton szórás
COMPTON SZÓRÁS impulzus- és energia megmaradás
• A rtg foton egy atom külső héjáról elektront lök ki. • A rtg foton irányt változtat miközben energiája csökkent (frekvencia csökken, hullámhossz nő). • Compton e- szabadul ki az atomból. • A Compton effektus bármely szövetben előfordulhat. • A szórt foton nem hordoz hasznos információt. • Csökkenti a rtg képen a kontraszt mértékét.
3
2014.10.13.
Röntgen képalkotás Hogyan lehet a rtg sugársugárnyalábot irányítani: kontrollálás A rtg sugárzás nem fókuszált, így az általa alkotott kép egy árnyékkép. Ha csak egy pontját használják a fényforrásnak élesebb kép kapható. Ha a teljes fényforrást alkalmazzuk az árnyék homályos lesz.
o A terjedési irányban egymás mögött elhelyezkedő elemek abszorpciójának összeadódása révén o 2D szummációs leképezés o Nem tartalmaz mélységi információt o A nagyobb kontrasztú elem kitakar ja a kisebbet o A szóródó röntgensugárzás is exponálja a képet (szürke háttér)
Mi éles képet akarunk. Hogyan? Számos módja van, hogy éles legyen a kép (a fényforrás pontszerűvé tétele): Az anód 17 fokos szögben áll és így keskenyebbé tehető a sugár. Rés behelyezése vagy egy ólomból készült kúp segítségével. A testről szóródó sugarakat egy ólomból készült rács elnyeli.
o A vizsgált testrészt a sugárforrás és a detektor közé helyezik o Az egyes szövetek/anatómiai struktúrák abszorpciója eltéro Ahol jobban áthatol, ott a fotolemez is jobban megfeketedik o Csontokban nagyobb rendszámú elemek: Mg Z=12, P Z=15, K Z=19, Ca Z=20 o Lágy szövetekben túlnyomórészt:
Röntgen diffrakció
H Z=1, C Z=6, O Z=7, N Z=8 o A csont jobban elnyeli a sugárzást, mint pl. az izom (nagyobb elektronsűrűség), ezáltal a fotolemezt kisebb mértékben feketíti meg.
interferencia Különböző forrású koherens hullámok összeadódása, miközben új hullámmintázat keletkezik.
Konstruktív
Destruktív
diffrakció (elhajlás) A fény haladási irányának megváltozása egy megfelelő méretű akadályon. Huygens-elv: A hullámfront pontjai elemi hullámok (kör- illetve gömb-) kiindulópontjainak tekinthetők. A tovahaladó új hullámfront ezen elemi hullámok közös érintője, burkoló görbéje.
Azonos frekvencia,
egyező fázis
ellentétes fázis
4
2014.10.13.
Diffrakció kristályon
Az első lépés a rtg diffrakció leírásában Röntgen sugárzás – elektromágneses hullám vagy részecske? • Ha hullám → diffrakció! • Optikai ráccsal nem sikerült. • A röntgen hullámhossza kisebb mint az alkalmazott rácsállandó!? • Kristályrács alkalmazásának ötlete. Elemi cella: ismétlődő, legkisebb geometriai mintázat
Max von Laue: Nobel-díjas (1914) német fizikus Kristályrács alkalmazásának ötlete.
: atom, ion, molekula
Crystal as 3D diffraction (optical) grating! Kristály: atomok, ionok, vagy molekulák szabályosan ismétlődő elrendeződése az anyag szerkezetében.
Bragg egyenlet William Henry Bragg és fia William Lawrence Bragg kidolgozza a kristályszerkezet rtg-sugárzással való vizsgálatának alapjait. Exploring the structure of the crystal-lattice → Nobel Laureates in Physics 1915 Konstruktív interferencia létrejöttének feltételei a kristályról szóródó rtg-sugárzás esetén. Milyen szögű röntgensugarat térít el legjobban a kristály, ha a röntgensugár hullámhosszát és a kristályatomok távolságát ismerjük?
2d sinΘ = nλ A konstruktív interferencia (erősítés) feltétele: Úthossz különbség d: a rács síkjai közötti távolság Θ : a beeső sugárzás és a szóró felület közötti szög n: egész szám λ : hullámhossz
Laue egyenletek Incident X-ray
Atomok közötti távolság
2d sinΘ = nλ A röntgen sugár elhajlási szögéből (θ) kiszámolható a kristály síkjai közti távolság (d)!
Három dimenzióra
Laue, 1912: a röntgen sugárzás hullámhossza összemérhető az atomok közti távolsággal a kristályon belül. Az interferenciakép értelmezéséhez felhasználjuk, hogy a két szomszédos rácspontról kiinduló elhajlott röntgensugár akkor ad konstruktív interferencia maximumot (sötét pont a fényképlemezen), ha azonos fázisban érkeznek meg, vagyis a teljes úthossz különbségük a sugárzás hullámhosszának egész számú többszöröse.
Diffracted X-ray
Úthossz különbség:
Δs=AB-CD AB=a ·cos αn CD=a ·cos α0
5
2014.10.13.
fehérjék vizsgálata röntgendiffrakcióval
DNs röntgendiffrakciós mintázata 1953 - James D. Watson and Francis Crick
1958: első fehérje (bálna mioglobin) atomi struktúrájának meghatározása 1962: kémiai Nobel díj
6
