Környezetfizika 2013. Dr. Varga Klára Nyíregyházi Főiskola MMK Fizika Tanszék

1. Környezetfizika 2013. Dr. Varga Klára Nyíregyházi Főiskola MMK Fizika Tanszék

2. rtg Elektromágneses sugárzások Látható tartomány Ultra ibolya Elektromos hullámok Kozmikus sugárzás Infra-vörös g 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 l [cm]

3. Röntgensugárzás keletkezése Wilhelm Konrad Röntgen (1845-1923) X-sugárzás 1895 1901-ben elsőként megkapta a fizikai Nobel díjat Lenard katódsugár csövével kísérletezve 1895-ben észrevette, hogy a csövön kívül egy másik sugárzás is megjelenik, mely azon kívül, hogy mutat hasonló tulajdonságokat az elektronsugárral (foszforeszkálás, fotóhatás), a tárgyakon is áthatol. Röntgen a felfedezett sugárzást X-sugárnak nevezte, de ma már röntgensugárnak nevezzük.

4. Röntgensugárzás keletkezése • A Röntgen-sugárzás keletkezésében két különböző fizikai folyamat játszik szerepet: 1. gyors elektronok az anyagban történő lefékeződéskor bocsátják ki: ez a fékezési sugárzás,  2. az atomok belső elektronhéjára történő elektronátmenetkor sugárzódik ki. Ez utóbbi a karakterisztikus röntgensugárzás. 

5. Röntgensugárzás keletkezése Röntgencső működésének elve

6. Fékezési röntgensugárzás keletkezése • Aröntgencsövekben az elektronágyúból jövő elektronokat nagy feszültséggel nagy sebességre gyorsítják, s ezek az elektronok egy nagy rendszámú anyagba (pl. wolfram) csapódva hirtelen lefékeződnek, és fékezési sugárzást bocsátanak ki. Egyes esetekben az anódot forgatják is, hogy az elektronok más és más helyen érjék. Ezáltal  a becsapódáskor keletkező hő nagyobb felületen oszlik el, és az anód anyaga nem hevül fel annyira.

7. Fékezési röntgensugárzás keletkezése Energetikailag: Elektronon végzett munkakinetikus energia majd a fékezés során fékezési sugárzás Ha az e- teljes energiáját sugárzás formájában veszti el, akkor keletkezik a legnagyobb energiájú foton.

8. Fékezési röntgensugárzás keletkezése Nagyobb feszültséghez rövidebb hullámhosszú alsó határ tartozik:

9. Karakterisztikus röntgensugárzás keletkezése Elektromágneses sugárzás kibocsátása az atomban

10. Karakterisztikus röntgensugárzás keletkezése • A karakterisztikus röntgensugárzás keletkezése hasonlít az atomok, molekulák fénykibocsátásához. Itt is az atomok elektronhéjainak átrendeződése következik be: Az alacsonyabb energiájú állapotból az eredetileg ott lévő elektront a katódsugárzás nagyenergiájú elektronjai ütik ki, s így ott egy betöltetlen "lyuk" keletkezik. • Egy magasabb energiájú elektron egy alacsonyabb energiájú, üresen álló állapotba ugrik, miközben a két állapot közötti energiakülönbséget elektromágneses sugárzás (foton) formájában kisugározza.

11. Karakterisztikus röntgensugárzás keletkezése A felgyorsított e- valamely belső héjról üt ki egy e- -t, majd ennek helye betöltődik egy magasabb energiájú héjról. A magasabb energia röntgen foton formájában sugárzódik ki. Kiütött e- K héjról származik K - sorozat Kαvonal a megürült héj az L – héjról töltődik be

12. Karakterisztikus röntgensugárzás alkalmazása • Mivel az egyes atomi állapotok energiája jól meghatározott és az illető atomra jellemző, a karakterisztikus röntgensugárzás is csak jól meghatározott hullámhosszúságú összetevőket tartalmaz: a spektruma vonalas. Ezek a hullámhosszak jellemzőek a sugárzást kibocsátó anyagra. Ezt a tulajdonságot használja ki a Röntgen-fluoreszcencia-analízis, amely egy fontos roncsolásmentes anyagvizsgálati módszer.

13. Karakterisztikus röntgensugárzás alkalmazása Z Moseley egyenes

14. Karakterisztikus röntgensugárzás alkalmazása Kαsugárzás elemazonosítás: az azonosítandó anyagot vagy szétszedhető rtg. cső anódjára viszik fel, és elektronokkal bombázzák, vagy valami más módon gerjesztik. Pl. protonokkal (PIXE), rtg., vagy gammasugarakkal (röntgen-fluoreszcencia),stb. A keletkezett karakterisztikus vonalakból az alkotó elemek (az előbbi ábra alapján) meghatározhatók, sőt a mennyiségük is.

15. Röntgensugarak abszorpciója • A sugárzás útjába tett közeg vastagságával nő az elnyelődés, exponenciálisan: Ijelenti az átengedett sugárzás intenzitását, I0 a beérkező sugárzás intenzitását, μ’ az abszorbens anyagra jellemző állandót (neve: lineáris abszorpciós tényező), x az anyag vastagságát.

16. Röntgensugarak abszorpciója A fenti egyenletnél gyakrabban használt a következő összefüggés: itt μ neve tömegabszorpciós tényező, a d felületi rétegsűrűség, mértékegysége kg/m2. Ez jobban kifejezi, hogy az abszorpció inkább a sugárzás útjába helyezett tömeg mennyiségétől függ, nem a vastagságtól! Egy vékony ólomlemez sokkal jobban elnyeli a röntgensugárzást mint egy közepesen vastag alumínium lemez.

17. Röntgensugarak abszorpciója • A különböző elemek sugárzás elnyelő képessége (atomi abszorpció) igen különböző, ennek speciális esetekben különös jelentősége van, most csak egy általánosan használható közelítő formulát írunk fel: A képletből látszik, hogy az abszorpció erőteljesen (harmadik hatvány szerint) függ a hullámhossztól!

18. Röntgensugarak abszorpciója • Lágy röntgensugárzás: nagy hullámhosszúságú, azaz kis energiájú röntgensugarak, melyek jobban elnyelődnek,orvosi alkalmazásuk gyakoribb. Kemény röntgensugárzás: rövidebb hullámhosszú, nagy áthatoló képességű, ezért elsősorban az ipar használja pl. hegesztési varratok vizsgálatára.

19. Orvosi alkalmazások • Tüdőröntgen:az emberi szervezet nagy százaléka víz, amin a röntgensugarak könnyen áthatolnak, árnyékot nem adnak. • Csontok röntgenezése: a kalcium nagyobb rendszáma miatt jól elnyeli a sugárzást és éles árnyékot ad az ernyőn. Ezért jól látszanak a csontok, foggyökér, stb., vagy a tüdőbe betokozott baktériumok, melyeket a szervezet védekezésképpen kalciummal vesz körül („meszesedés”).

20. Orvosi alkalmazások • Kontrasztanyag használata:Ha lágy részt pl nyelőcsövet, gyomrot vizsgálnak, akkor előbb nagy elnyelő képességű kontraszt-anyagot, pl. báriumszulfátot itatnak a beteggel (népiesen: „gipszkását”). Ilyen módon követhető a katéteres mintavétel, vagy vizsgálat útján a vese- vagy a szívkatéter útja is. A szív vagy agy vizsgálata csak úgy lehetséges, ha az erekbe igen nagy elnyelő képességű kontrasztanyagot juttatnak un. „érfestést” alkalmaznak.

21. Orvosi alkalmazások • A röntgensugárzás káros a szervezetre, ezért a vizsgálat idejét a lehető legrövidebbre választják, pl. fényképfelvételt készítenek és azután értékelik ki. A modern vizsgáló készülékek sugárterhelése kicsi, ezt azáltal érik el, hogy kis intenzitású sugárzást használnak, és a képet elektronikus képerősítővel teszik láthatóvá.

22. Orvosi alkalmazások • Modernebb eszközökbenfilm helyett félvezető detektorok észlelik a sugárzást, aminek következtében a sugárterhelés jelentősen csökken. • Ilyen vizsgálati eszköz a Computer Tomográfia, azaz a CT.

23. Részecske sugárzások, radioaktivitás • Az atomok magjai protonokból, neutronokból állnak. A protonok száma határozza meg az atom milyenségét, helyét a periódusos rendszerben, megadja az atom rendszámát. Ennyi elektron veszi körül a magot.

24. Részecske sugárzások, radioaktivitás • Izotópok:A protonok mellett a neutronok különböző számban fordulhatnak elő, a kémiai tulajdonságot ez nem befolyásolja, ezért a periódusos rendszerben ugyanazon a helyen (izo= azonos, tóp=hely) szerepelnek. • A protonok és a neutronok együttes számát –nukleonszám vagy atomszám - az elem vegyjele mellett bal felső indexként jelöljük. Ez az izotópok azonosítása miatt nem maradhat el! • Pl.: vagy egyszerűen 12C

25. Részecske sugárzások, radioaktivitás • Az atommagok stabilitása szempontjából nagyon fontos a neutronok száma. A periódusos rendszer kisebb rendszámainál a neutronok száma alig több mint a protonoké, később ez rohamosan nő, az utolsó - még nem mesterségesen előállított elemnél-, az uránnál már 92 proton mellett 146 neutron található: . Ha valamely izotóp a stabil izotópokhoz képest jóval több, - vagy kevesebb- neutront tartalmaz, akkor az elem magától bomlik, azaz radioaktív.

26. Részecske sugárzások, radioaktivitás • A bennünket körülvevő sugárzások egy része nem elektromágneses hullámok – fotonok - , hanem részecskék, melyek atommagok bomlásából származnak és a környezetünkből, vagy a kozmoszból származnak.

27. Mesterséges sugárterhelésünk

28. Természetes sugárterhelésünk

29. Természetes sugárterhelésünk • Állandó „sugárözönben” élünk, csak nem vesszük észre észlelő eszköz híján. Ezt a sugárzást mint „háttérsugárzást” a méréseink során mindig korrekcióba kell venni. A háttérsugárzás oka többféle: a talajban, a falakban mindig található urán, rádium, thórium nyomokban, ezek sugárforrások. A talajból radon (radioaktív nemesgáz) áramlik fel, és a kozmikus térből is állandóan érkeznek részecskék. Sőt saját szervezetünk is tartalmaz radioaktív elemeket, ezek nagy része a szervezet kálium tartalmával kapcsolatos.

30. Radioaktivitás • A radioaktivitást Antoine Henri Becquerel (1852-1908)fedezte fel 1896 – ban. • Alfa-, béta-, gamma sugárzás létezik.

31. Radioaktivitás • Alfa - sugárzás mechanizmusa: • Az alfa-sugárzás igen rövid hatótávolságú, akár egy vékony papírlap, vagy az emberi bőr is könnyen elnyeli. Levegőben a hatótávolsága 2 – 10 cm. Bomlás során a rendszám kettővel, a tömegszám néggyel csökken. Példa: általános képlet:

32. Radioaktivitás, alfa - sugárzás • Nagy az ionizáló képességük részecskénként kb. 105 ion-párt keltenek teljes lefékeződésükig. • Energiájuk néhány megaelektronvolt E=4 – 8 MeV • Anyagban hamar elnyelődnek, vékony papírlap már elnyeli, a szervezetünket akár a bőr felső szaruhártyája is képes megvédeni, ha csak nem lélegezzük be, vagy esszük meg a táplálékkal. • Nagy ionizáló képessége miatt igen veszélyes, de csak akkor, ha a szervezetbe bekerül.

33. Radioaktivitás Béta - sugárzás Nagy sebességű - majdnem fénysebességű- elektronok. Hatótávolságuk levegőben néhány deciméter, de nem rendelkeznek olyan éles hatótávolsággal mint az alfa sugarak.

34. Radioaktivitás, béta - sugárzás • Példa: általános képlet: a bomlás során még egy töltés és nyugalmi tömeg nélküli részecske, a neutrínó (jelen esetben anti- neutrínó) is keletkezik.

35. Radioaktivitás, béta - sugárzás • Pályájuk végén - amikor már sebességük kicsi - a levegőben ide-oda lökődnek. • Ionizáló képességük egy nagyságrenddel kisebb mint az α sugaraké, 103-104 ion-párt keltenek teljes lefékeződésükig és befogódásukig. • A bomlás során egy neutron protonná alakul át, így a rendszám eggyel nő, a tömegszám viszont változatlan marad.

36. Radioaktivitás, béta - sugárzás • Papírban, alumíniumban fokozatosan nyelődnek el, elnyelődésüket exponenciális görbe írja le, hasonlóan a rtg. sugarakhoz. • Fontos mennyiség a „felezési rétegvastagság” az a felületi sűrűség, ami a beérkező sugárzás intenzitását felére csökkenti. Ez a d1/2 alkalmas a μ tömegabszorpció tényező meghatározására: μ = ln2/ d1/2 , ami gyors béta-energia meghatározást tesz lehetővé.

37. Radioaktivitás Gamma - sugárzás Elektromágneses hullámok, melyek a gerjesztett magok alacsonyabb energiájú átmenete során keletkeznek.

38. Radioaktivitás, gamma - sugárzás • Áthatoló képessége igen nagy, néhány cm-es vastagságú ólomlemez is csak alig csökkenti a sugárzás intenzitását. A gamma sugarak abszorpciója a rtg. sugarakéhoz hasonlóan írható le, itt is nagy jelentősége van a mérés során az un. felezési rétegvastagságnak és a tömegabszorpciós tényezőnek. • A gamma sugárzás általában „kísérő” sugárzás, az alfa- vagy a béta-sugárzás után lép fel, ha a mag még gerjesztett állapotban maradt.

39. Radioaktivitás, gamma - sugárzás • Példa: általában:

40. A radioaktív bomlás általános törvényszerűségei • A radioaktív anyagok atomjai gyakorlatilag mindentől függetlenül teljesen véletlenszerűen bomlanak. Az elbomló atomok száma csak a meglévő atomok számától függ (több atomból több bomlás várható), az időtartamtól (több idő alatt több atom bomlik), valamint az atom fajtájától (van atom, amely könnyen bomlik, mások igen lassan). • Képletben: ΔN = - λ N Δt

41. A radioaktív bomlás általános törvényszerűségei N a bomlatlan atomok száma, ΔN a Δt idő alatt elbomló atomok száma, λ az atomfajtára jellemző állandó, neve: bomlási állandó. A negatív előjel azt fejezi ki, hogy az idő múlásával az atomok N száma csökken. Aktivitás:ΔN / Δt hányados, az időegység alatt elbomló atomok száma. Mértékegysége: 1bomlás/sec = 1 Bq

42. A radioaktív bomlás általános törvényszerűségei • A fenti (differenciál-egyenletet) megoldva: Ahol N a bomlatlan atomok száma, N0 a megfigyelés kezdetén lévő atomok száma, t pedig a megfigyelés kezdete óta eltelt idő. Ha mindkét oldalt λ-val szorozzuk, akkor:

43. N N0 N0/2 N0/4 N0/8 t T1/2 T1/2 T1/2 A radioaktív bomlás általános törvényszerűségei A bomlási állandó és a felezési idő közötti összefüggés:

44. A radioaktív bomlás általános törvényszerűségei • Grafikonon ábrázolva és bejelölve a felezési időket látszik, hogy mindig ugyanannyi idő alatt feleződik meg a meglévő atomok száma. • Ennek az időnek a neve: felezési idő, jele: T1/2

45. A radioaktív bomlás általános törvényszerűségei • A felezési idők között igen nagy különbségek vannak. Pl. az 238 U felezési ideje 4.5 milliárd év, a polóniumé 130 nap, stb. • Gyakorlati szempontból nagyon fontos a 14 C izotópja, mely radioaktív, felezési ideje T1/2 = 5730 év, ami kiválóan alkalmas szerves anyagok segítségével történelmi kormeghatározásra.

46. Dozimetriai alapfogalmak • Elnyelt dózis D: a besugárzott energiának és az őt elnyelő anyag tömegének hányadosa. • Mértékegysége: 1J/kg = 1 Gy • Biológiai dózisegyenértékB: B= a·D a = minőségi tényező, dimenzió nélküli szorzószám. A biológiai dózisegyenértékmértékegysége: 1 Sv = joule/kg.

47. Dozimetriai alapfogalmak • Dózisteljesítmény H: Mértékegysége: 1 Sv/sec Egy átlagos európai embert ért dózisteljesítmény 2.4 mSv/év, azaz egy év alatt 2.4 milliSievert biológiai dózisegyenértéknek van kitéve.

48. Sugárzások hatása az élő szervezetre • A sokféle sugárzás már az egyszerű atomokban is sokféle hatást válthat ki, még bonyolultabb az élőszervezetre gyakorolt hatása. Az élő sejtek atomjaira gyakorolt hatás ugyanaz mint más atomok esetében: gerjesztés, ionizálás, másodlagos sugárzás, radioaktivitás előidézése, stb.. • A sejtek kromoszómáiban a DNS molekulák, a nukleinsavak, a különböző fermentumok, hormonok, immunanyagok alkotó részei súlyosan sérülnek, működésképtelenek lesznek, vagy hibás működést váltanak ki, máskor a molekulák széttöredezésével a sejtek működésére káros, pl. oxidáló hatású vegyületek (sejtmérgek) képződnek.

49. Sugárzások hatása az élő szervezetre • Ezek az elsődleges ún. fizikai vagy fizikai-kémiai hatások nem észlelhetők azonnal, a károsodás mértékétől függően azonban rövidebb-hosszabb idő után megjelennek a biológiai tünetek is –néha csak évek múltán-. Legérzékenyebbek a növekedésben lévő szervek, az osztódásban lévő sejtek, így pl. a gonádok, vérképző szervek, stb. Ez az alapja a sugárterápiának is, hiszen a kórosan osztódó ráksejtek is igen érzékenyek a sugárzásra, s megfelelően választott dózis mellett ezek elpusztulnak, a többi sejt pedig nem, vagy csak alig károsodik. Minél magasabb rendű az élőlény, annál inkább érzékeny a sugárzások károsító hatására.

50. Sugárzások hatása az élő szervezetre • Küszöb alattidózis:kis sugáradag nem okoz látható elváltozást, a sérült sejtek idővel regenerálódnak vagy kicserélődnek, nem marad vissza károsodás. • Küszöb feletti dózis: átmeneti rosszullétet, hányingert, szédülést okozhat. Nagyobb sugáradag elsősorban a vérképző szervek károsodását okozza, növekszik a limfociták száma, de egyéb visszafordíthatatlan károsodás is előfordulhat, - ekkor súlyos sugárkárosodásról beszélünk- .