Vznik a vývoj vesmíru

1. Vznik a vývoj vesmíru Ve vesmíru převažuje temná hmota, která rozhodne o jeho osudu. Nejčastější skupenství je plazma. Sluneční soustava 4,6 miliard let

2. Radiobiologie potravin Teze přednášky 2 prof. MVDr. Petr Dvořák, CSc. FVHE VFU Brno

3. Vznik prvků • slučováním kvarků vznikly nukleony a jádra izotopů lehkých prvků vodíku a helia • jadernou syntézou na povrchu a v jádře hvězd vznikají prvky až po Fe • další prvky Mendělejevovy soustavy vznikly bombardováním rychlými neutrony po explozi supernov

4. Základní částice hmoty a jejich interakce

5. Elementární částice • Svět přesných kopií ! • S výjimkou doby života a hmotnosti jsou všechny vlastnosti kvantovány. • symbióza částic a interačních sil • Volný prostor mnohonásobně převažuje nad částicemi ! • Antihmota je stejně reálná jako hmota, zrcadlová symetrie částic s opačnými znaménky nenulových kvantových čísel.

6. Elementární částice • SPIN – počet možných os rotace celistvý – bosony, polocelistvý – fermiony • NÁBOJ +1; 2/3; 0; 1/3; -1 náboje elektronu • SPECIFICKÉ VLASTNOSTI KVARKŮ „vůně“ d, u, s, c, b, t „barva“ červená, zelená, modrá • Fermiony se řídí Pauliho principem výlučnosti • Leptony jsou nedělitelné • Hadrony – kvarky - preony

7. Stabilita částic • stabilní jsou: proton, elektron, neutrino a jejich antičástice • volný neutron (poločas přeměny 15 min.) → proton + elektron + antineutrino

8. Složení hmoty • Fotony • Fermiony leptony (elektron, mion, tauon, neutrina a jejich antičástice) kvarky (u +2/3e- d -1/3e- ) hadrony – mezony baryony (3 kvarky) nukleony proton uud neutron ddu

9. Interakce částic • Gravitační univerzální, dalekého dosahu, přitažlivá • Elektromagnetická výběrová, dalekého dosahu, přitažlivá i odpudivá • Silná jaderná jen v jádře atomu, přitažlivá i odpudivá, konstruktivní • Slabá jaderná jen v jádře atomu, nejkratšího dosahu, destruktivní

10. Radioaktivita Ionizující záření

11. Základní symboly, izotopy A X Z Příklad 236 U 92 počet neutronů N=A–Z Z protonové číslo A hmotnostní číslo relativní atomová hmotnost u = jedna 12tina hmotnosti12C 1 u=1,66 . 10-27 kg

12. Příčina nestability jader • Z 2000 známých nuklidů pouze 266 stabilních • Stabilita = poměr protonů : neutronům • Z < 20 1 : 1, 25 výjimka 11H a 32He • Z > 20 1 : 1, 52 poslední stabilní 20983Bi 209 nukleonů – 83 protonů = 126 neutronů 126 : 83 = 1,52

13. Důsledky velikosti vazebné energie nukleonů : • Železo má nejvyšší vazebnou energie nukleonů. Jedná se o nejstabilnější prvek v přírodě (vyžaduje nejvíce energie na oddělení nukleonů od sebe – jadernou přeměnu)Jaderná fúze - energie pochází ze slučování lehkých prvků na těžší (zvýšení vazebné energie na nukleon pro prvky lehčí než železo).Štěpení jádra - energie pochází z rozdělení těžkých prvků na lehčí (zvýšení vazebné energie na nukleon u prvků těžších než železo).

14. Energie radioaktivní přeměny • Exergonický děj [MeV] Q = Eexcit.jádra + Ekin.částic + Efotonů

15. Zákon radioaktivní přeměny • Přeměna konkrétního jádra má stochastický charakter • N = No . e –λ t • λ desintegrační (přeměnová) konstanta • t čas za který se sníží No počet jader v čase t = 0 na počet jader N

16. Graf závislosti počtu přeměněných jader na čase má exponenciální tvar N0 N0/2 N0/4 oo 0 T 2T čas No – počet jader v čase T = 0

17. Poločasy • Fyzikální poločas přeměny • Biologický poločas • Efektivní poločas 1/ Tef = 1/Tfyz + 1/Tbiol • Ekologický poločas

18. Jaderná geochronologie 1 Ny t = --- -------- + 1 λ Nx Ny stabilní nuklid Nx nuklid s dlouhým poločasem přeměny Metoda draslík argonová 40K T = 1,27 . 1010 let Uhlíková 14C 12C

19. Druhy záření • Korpuskulární x elektromagnetické • Podle ionizace: • Ionizující přímo • Ionizující nepřímo • Neionizující

20. 1.Korpuskulární záření Ionizující přímo • Alfa • Elektronové • Pozitronové • Protonové Ionizující nepřímo • Neutronové

21. 2. Elektromagnetické záření Ionizující nepřímo • Gama • Röntgenovo • UV C nad 10 eV nebo λ< 100 nm Neionizující • Mikrovlnné • Radarové • Infračervené • Viditelné • UV A, B, (C)

23. Vlastnosti ionizujícího záření • Biologická účinnost • Podle schopnosti ionizovat • Podle pronikavosti • Pronikavost • Podle velikosti náboje • Podle velikosti částice

24. Röntgenovo zářeníX rey • Působením vysokého napětí dojde k urychlení elektronů emitovaných ze žhavené katody. Nárazem do kovového terče anody vzniká emisní záření: • Brzdné – spojité energetické spektrum • Charakteristické – čarové spektrum

25. CT číslo Hounsfieldova jednotka (HU) μT  -  μv denzita (HU) =  ---------------- . 1000 μv μT  absorpční koeficient  pro tkáň  (cm-1) μv   absorpční koeficient  pro vodu (cm-1) voda HU = 0 vzduch HU = - 1000 maximální hodnota +3000 V praxi se používá rozpětí od -120 po + 1000 HU

26. Záření alfa • Energeticky nestabilní atomové jádro X se přemění emisí částice  (jádro helia) na jádro Y. • PŘÍKLADY VŠEOBECNĚ • AZX  A-4Z-2Y + 42He • SPECIÁLNÍ • 22688Ra  22286Rn +  Energetické spektrum je čarové. Nejvyšší ionizační schopnost. Nízká pronikavost. Vysoká radiotoxicita při vnitřní kontaminaci.

27. Záření betaPři přeměnách  se přetváří protony (p) a neutrony (n) navzájem. Rozeznáváme 3 procesy: • 1. elektronové záření β- při přebytku neutronů v jádře n  p + e- + ~ • AZXAZ+1Y + - + ~ • 3215P3216S + - + ~

28. Záření beta • 2. pozitronové záření β+ při přebytku protonů v jádru 11p10n + + +  • AZX AZ-1Y + + +  • 189F 188O + + +  • 3. zachycení elektronů sféry K při přebytku protonů v jádře p + e-  n +  Emise elmg. záření zpětným přeskokem e- do mezer vzniklých záchytem (K- dráha) • AZX + e-  AZ-1Y +  (kvark u → d + ) • 5425Mn + e-  5424Cr +  (+2/3 – 1 = -1/3 náboje e-)

29. Záření beta • Energetické spektrum spojité • Druhá nejvyšší ionizace • Třetí nejpronikavější • Proniká do podkoží (beta popáleniny) • Vysoká radiotoxicita při vnitřní kontaminaci.

30. Záření gama •  – vzniká přeskokem kvant z úrovně excitace jádra Y* do níže ležící energetické hladiny. Nastupuje ve spojení s - rozpadem nebo - přeměnou. • X  Y* + ,  Y* Y +  • 6027Co  6028Ni* + - 6028Ni*6028 Ni +  Nižší ionizační schopnost. Nejvyšší pronikavost. Energetické spektrum čarové. Jak vnější ozáření, tak i vnitřní kontaminace.

31. Neutronové záření • Vzniká při jaderných reakcích, např. štěpení jádra, využívá se alfazářičů (neutronový generátor). A (x,y) B, 94Be +  →n + 126C 235U(x,y 2-5 n), • Energetické spektrum spojité. • Druhé nejpronikavější. • Stupeň ionizace je dán energií neutronů. • Významné zejména při vnějším ozáření. • Schopnost indukované radioaktivity (především nízkoenergetické-pomalé rezonanční neutrony). • Průmyslové využití (výroba radionuklidů, jaderný reaktor, neutronová bomba).

32. INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S HMOTOUI. ČÁSTICOVÁ ZÁŘENÍ NESOUCÍ NÁBOJ Excitace Ionizace Změny v jádře atomu u α záření Brzdné záření u β záření Anihilace hmoty (pozitron, elektron) Braggova křivka Čerenkovo záření

33. INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S HMOTOUII. FOTONOVÁ ZÁŘENÍ • Fotoelektrický jev – fotoefekt • Comptonův rozptyl • Tvorba elektron-pozitronového páru • Změny v jádře atomu

34. FOTONOVÁ ZÁŘENÍ pravděpodobnost interakce v závislosti na energii 10-200 keV do 2 MeV do 20 MeV nad 20MeV P až 99 % až 99 % asi 50 % asi 1 %

35. INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S HMOTOUIII.NEUTRONOVÉ ZÁŘENÍ • Pružný rozptyl • Nepružný rozptyl • Absorpce jádrem atomu

36. Radiofarmaka a využití otevřených zářičů v medicíně 1. Pozitronová 11C, 13N, 15O, 18F ↑ 2-fluoro-2- deoxy-D-glukóza v nádorových a zánětlivých buňkách • Pozitronová emisní tomografie PET 2. gama zářiče 99mTc, • Jednofotonová emisní tomografie SPECT 3. Scintigrafie 123I, 131I (nefrografie) 81Rb, 32P, 59Fe 4. Radioterapie 131I – štítná žláza 5. Radioimunoanalýza RIA 125I, 3H

37. Veličiny a jednotky v radiobiologii • Mezinárodní komise pro radiologické jednotky ICRU založená 1925 • Mezinárodní komise pro radiologickou ochranu ICRP založená 1928 • Mezinárodní agentura pro atomovou energii IAEA a její doporučení • normy ISO

38. A) Veličiny a jednotky charakterizující zdroje IZ • λ přeměnová konstanta – podíl pravděpodobnosti dP a času dt , za který se jádro pravděpodobně rozpadne [ s-1 ] • A aktivita A = λ . N počet rozpadů za sekundu [ Bq] becquerel starší jednotka [ Ci] curie 1 Ci = 3,7 . 1010 Bq

39. A) Veličiny a jednotky charakterizující zdroje IZ • am hmotnostní aktivita [ Bq kg-1 ] • av objemová aktivita [ Bq l-1 ] • aS plošná aktivita [ Bq m-2 ] • f frekvence (vlnová délka) • E energie záření [ eV][ keV, MeV] energie elektronu ve spádu 1 V

40. B) Veličiny a jednotky IZ charakterizující pole v prostoru • Ψ hustota (fluence) částic [ m-2 ] • fluenční příkon [ m-2 s-1] • zářivá energie [ J] • tok energie[ Jm-2 ] • hustota toku energie [J m-2 s-1] = [ W m-2 ]

41. C) Veličiny a jednotky popisující interakci IZ s hmotou Míry interakcí jsou dány: • účinnými průřezy σ – míra pravděpodobnosti, že dojde k interakci (totální; úhlový; spektrální; makroskopický) • pravděpodobností srážky I = Io B e –μx μ = Σ σ . ρ . Na / M μ lineární součinitel zeslabení NaAvogadrova konstanta M molekulová hmotnost B růstový faktor pro nové fotony komptonova rozptylu x síla vrstvy

42. C) Veličiny a jednotky popisující interakci IZ s hmotou • Kerma (K) – popis přenosu energie u záření ionizujícího nepřímo = energie předaná na částice nesoucí náboj [ m2 s-2 ] = [Gy] grey K = Ψ μ /ρ • Dávka (D) popisuje předávání střední energie nabitých částic absorpcí v hmotě [ J kg-1]= [Gy] grey D = dE / dm • U vnitřní kontaminace není mezi K a D rozdíl • U zevního ozáření jde o kombinaci obou, neboť na povrchu kůže se část fotonů odráží a část elektronů uniká ven • J kg-1 = Nm kg-1 = kg m s-2mkg-1=m2 s-2

43. C) Veličiny a jednotky popisující interakci IZ s hmotou • L lineární přenos energie (LET) [ eV] L = dE / dx vyjadřuje energii která je při zpomalování nabité částice předávána elektronům hmoty • X expozice pouze pro fotonová záření ve vzduchu [ C kg-1] , starší [R] rentgen X = dQ / dm Q náboj v coulombech [C]

44. C) Veličiny a jednotky popisující interakci IZ s hmotou Okamžitou situaci vyjadřují • Kermová rychlost - příkon [ Gys-1] • Dávková rychlost - příkon [ Gys-1] • Expoziční rychlost - příkon [ A kg-1] A ampér A = C . s-1

45. D) Veličiny a jednotky popisující interakce IZ s živou hmotou EKVIVALENTNÍ DÁVKA VE TKÁNI (ORGÁNU) HT[ Sv ] HT = wR . DT,R • wR radiační vahový faktor • DT, R [Gy] průměrná absorbovaná dávka ve tkáni T ionizujícím zářením R

46. D) Veličiny a jednotky popisující interakce IZ s živou hmotou • EFEKTIVNÍ DÁVKA CELÉHO NEBO ČÁSTI TĚLA E[ Sv ] E= wT .HT • wT tkáňový vahový faktor (závisí na radiosenzitivitě příslušné tkáně)