Radioaktivnost i uvod u radiokemijske metode

1. Radioaktivnost i uvod u radiokemijske metode Prof. dr. sc. Dario Faj Predavanje za studente BLT Osijek, 2012

2. Sadržaj: • Struktura atoma • Radioaktivni raspad. Vrste zračenja. • Nastanak radionuklida • Međudjelovanje ionizirajućeg zračenja s materijom • Detekcija i mjerenje. Veličine i jedinice. • Primjena radionuklida u dijagnostici i terapiji. • Radioimmunoassay - RIA

3. Fizika zračenja Struktura atoma

4. ATOM • Građa jezgre • protonii neutroni = nukleoni • Zbroj pozitivno nabijenih protona (1.6 10-19 C) • N broj neutronabez naboja (neutralni) • A broj nukleaona = maseni broj • Izvan jezgre • Z electrona (lagane negativno nabijene čestice) • Jednaki naboj kao i protoni ali suprotan Čestica Simbol Masa EnergijaNaboj (kg) (MeV) ---------------------------------------------------------- Proton p 1.672*10-27 938.2 + Neutron n 1.675*10 -27 939.2 0 Elektron e 0.911*10 -30 0.511 -

5. Identifikacija izotopa

6. Ernest Rutherford (1871-1937)

7. ATOMatomoV - nedjeljiv • grčki atomisti- Demokriti Leukip300 a.d. • R. Bošković - prihvaća koncept atoma i definira silu • J. Dalton - prihvaća koncept atoma i definira kemijski element 1800.g • R. Brown - eksperimentalno dokazuje postojanje atoma 1827 g. • D. Mendeleev - periodički sustav elemenata 1866 g. Struktura atoma • J.J.Thomson - otkriće elektrona 1897g., prvi model atoma • E. Rutherford - otkriće atomske jezgre (planetarni model atoma) • N. Bohr - model vodikovog atoma - postulati • A.Sommerfeld - uvođenje dodatnih kvantnih brojeva (ℓ, m)

8. Valna priroda elektronaL. de Broglie • Atomske čestice ponašaju se i kao valovi • Valna duljina čestice određena je količinom gibanja: • eksperimentalno opažena difrakcija elektrona je bila dokaz njegove valne prirode

9. Kvantna mehanika • E. Schrödinger - valna mehanika • gibanje elektrona u atomu opisano jevalnom funkcijom(r) • postulirao jevremenski neovisnu jednadžbu gibanjazavodikov atom • rješenja suvalne funkcijei energije stacionarnih stanjakojeovise o 3 kvantna broja: n, ℓ, m; u svakom stanjuiman2 funkcijajednake energije • 2(r)predstavlja raspodjelu gustoće vjerojatnosti elektronskogoblaka oko jezgre (određuje područje unutar kojeg se može naći elektron)

10. Rani modeli atoma Bohr + Sommerfeld

11. Današnji izgled atoma elektronski oblaci 1. i 2. ljuske atomske orbitale

12. Ionizacija – pobuđivanje elektrona Energija

13. Radioaktivni raspad

14. STABILNE JEZGRE Elektrostatska sila dugog dometa p Linija stabilnosti p n Nuklearna sila kratkog dometa

15. Energijski nivoi jezgre ENERGIJA Pobuđivanje Relaksacija Emisija čestice 0 MeV ~8 MeV Gamma zračenje Zauzeti energijski nivoi Nukleoni mogu zauzeti različite energijske nivoe. Pobuda se događa zbog viška energije nukleona.Relaksacija se događa emisijom viška energije ili izračivanjem čestice ili elektromagnetskim zračenjem. Tada se to elektrmagnetsko zračenje naziva Gamma zračenjem.

16. Radioaktivni raspad Fizija Jezgra se dijeli na dva dijela (produkte fizije) i 3-4 neutrona. Primjeri: Cf-252 (spontano), U-235 (inducirano) a-raspad Jezgra emitira a-česticu (He-4). Primjer: Ra-226, Rn-222 b-raspad Previše neutrona uzrokujeb- -raspad. n=>p++e-+n. Primjer:H-3, C-14, I-131. Previše protona uzrokujeb+ - raspad p+=>n+ e++nPrimjer: O-16, F-18 Ili uhvat elektrona (electron capture, EC). p+ + e-=>n+n Primjer: I-125, Tl-201

17. Spektar elektromagnetskog vala energija EM vala E = h n = hc/l

18. Što je ionizirajućezračenje? Definicija Svaka vrsta zračenja sastavljena od čestica ili fotona koje imaju dovoljno energijeza izbacivanje elektrona iz njegove orbite u atomu čime se proizvode ioni.

19. Radioaktivni raspad Nemoguće je znati kada će se pojedina jezgra raspasti, ali je moguće odrediti vjerojatnost raspada u određenom vremenu. I uzorku od N jezgri, broj raspada u vremenu je razmjeran broju jezgri s konstantom proporcionalnosti koja ovisi o vrsti jezgre, λ:

20. Aktivnost Broj raspada u sekundi 1 Bq (becquerel)=1 raspad u sekundi

21. 1 Bq je mala aktivnost • 3000 Bq u tijelu od prirodnih radioizotopa • 20 000 000-1000 000 000 Bq u pregledima nuklearne medicine

22. Prefiksi (Aktivnost) Prefiks Kratica 1 - Bq 1 000 000 Mega (M) MBq 1 000 000 000 Giga (G) GBq 1 000 000 000 000 Tera (T) TBq

23. Henri Becquerel 1852-1908

24. Maria Curie 1867-1934

25. Višestruki raspadi A B C λ2 λ1

26. ISOMERNIPRIJELAZ Uobičajeno će do relaksacije doći u pikosekundama. U nekim slučajevima vrijeme će biti dulje. Takav način relaksacije naziva se izomernim prijelazom, a jezgra je do relaksacije u metastabilnom stanju. Ovakve jezgre označavamo dodavanjem slova m na neki od ovih načina: technetium-99m, Tc-99m or 99mTc

27. 99Mo-99mTc 87.6% 99mTc 99Mo  140 keV T½ = 6.02 h 12.4% ß- 442 keV  739 keV T½ = 2.75 d 99Tc ß- 292 keV T½ = 2*105 y 99Ru stabilan

30. Irene Curie (1897-1956)&Frederic Joliot (1900-1958)

31. Međudjelovanje ionizirajućeg zračenja s tvari

32. Ionizirajuće zračenje • Nabijene čestice • alfa čestice • beta • protoni • Nenabijene čestice • fotoni (gamma i X) • neutroni • Svaka čestica može uzrokovati ionizaciju

33. Nabijene čestice (međudjelovanje s materijom) teške lake

34. Domet nabijenih čestica Alfa Beta

35. Međudjelovanje EM valova (fotona) s tvari Četirisunačina interakcije fotona s tvari Koherentnoraspršenje (Rayleigh raspršenje) Nekoherentnoraspršenje (Compton raspršenje) Fotoelektričniefekt Tvorba para

36. Koherentno raspršenje (Rayleigh raspršenje) + + +

37. Nekoherentno raspršenje (Compton raspršenje) + + + Parcijalni prijenos energije ‘slobodnom’ elektronu

38. Fotoelektrični efekt (Nastanak karakterističnih X-zraka) + + + Sveukupna energija fotona prenešena je na jedan atomski elektron X-foton

39. Tvorba para elektron-pozitron Pozitron (+) naboj Energija fotona = 1.022 MeV 511 keV 511 keV Elektron (-) naboj

40. 100 80 Foto-električni efekt Tvorba para 60 Atomskibrojr Z prevladava prevladava 40 Compton efekt prevladava C = 20 0 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 Foton energija (MeV) Interakcija fotona s tvari- ovisnost o energiji i atomskom broju = C

41. Atenuacija i apsorpcija Geometrija uskog snopa

42. Prolaz fotona kroz materiju d: debljina tvari m: atenuacijski koeficijent HVL: half value layer – poludebljina apsorpcije TVL: tenth value layer – deset debljina apsorpcije

43. HVL

44. Veličine i jedinice u fizici zračenja

45. Dozimetrijske veličine i jedinice • U čovjeka ne postoji osjet kojim bi otkrili izloženost ionizirajućim zračenjima • Prva jedinica – biološka (SED – skin erythm doze) • 1928 – ICRU –fizikalne jedinice bazirane na ionizaciji tvari

46. Apsorpcija energije Apsorbirana energija po jedinici mase Koliko ionizacija po jedinici mase? Rizik biološkog oštećenja?

47. APSORBIRANA DOZA Apsorbirana energija po jedinici mase 1 Gy (gray)=1 J/kg

48. Harold Gray 1905-1965

49. 1 Gy relativno velika jedinica • Radioterapijske doze > 1Gy • Doze bolesniku od pregleda nuklearne medicine tipično 0.05-0.001Gy • Godišnje prirodno zračenje (zemaljsko, kozmičko, radon,…) oko 0.002-0.004 Gy

50. Prefiksi (Doza) PrefiksSkraćenica 1 - Sv 1/1000 milli (m) mSv 1/1,000,000 micro () Sv