Adobe Systems Základy fyziky v nukleární medicíně Ondřej Stanický Diagnostické zobrazovací metody (VLDI7X1c) Adobe Systems Diagnostické zobrazovací metody (VLDI7X1c) Výstupy z učení ̶Student se seznámí se základními fyzikálními principy. ̶ ̶Student se seznámí s druhy radioaktivity. ̶ ̶Student se seznámí s druhy interakcí záření s látkou. ̶ Adobe Systems Diagnostické zobrazovací metody (VLDI7X1c) Stavba atomů •Jádro, obal • •Protony, neutrony, elektrony • •Protonové číslo – Z • •Nukleonové číslo – A • •Nuklid (Z,A), Izotopy (Z), izobary (A), izomery (E) protonové (atomové) číslo Z → počet protonů nukleonové (hmotnostní) číslo A → protony + neutrony Adobe Systems Diagnostické zobrazovací metody (VLDI7X1c) Radioaktivita a radionuklidy •Radioaktivita je jev, kdy se jádra atomů určitého prvku samovolně přeměňují na jádra jiného prvku, přičemž je emitováno vysokoenergetické záření. •Jádra vykazující tuto vlastnost se nazývají radionuklidy. •Látky a předměty obsahující radionuklidy se nazývají radioaktivní zářiče • přeměna nestabilních jader je provázena: •emisí částice •emisí kvanta elektromagnetického záření •zachycením elektronu z elektronového obalu ̶ Adobe Systems Diagnostické zobrazovací metody (VLDI7X1c) •nejtěžším stabilním izotopem je Bismut •všechna těžší jádra jsou nestabilní a samovolně se rozpadají na jádra lehčí, která jsou stabilní nebo ke stabilní konfiguraci vedou → přirozená radioaktivita. [3] Adobe Systems Diagnostické zobrazovací metody (VLDI7X1c) Radioaktivní přeměna •mění chemickou podstatu látky, přeměnou se mění složení atomového jádra •je nezávislá na vnějších podmínkách → rychlost radioaktivní přeměny daného radionuklidu nelze nijak ovlivnit, zpomalit nebo zastavit •je doprovázena emisí až čtyř druhů záření α (jádra helia) β (elektrony, pozitrony) γ (fotony) •pro charakteristiku rychlosti radioaktivní přeměny jádra se používá pojem poločas přeměny → T1/2 ̶ Adobe Systems Diagnostické zobrazovací metody (VLDI7X1c) Poločas přeměny → T1/2 •je doba, za kterou se přemění polovina z celkového počtu atomových jader ve vzorku • •je charakteristický a konstantní pro konkrétní radionuklid • •čím je poločas přeměny T1/2 kratší, tím rychleji se radionuklid přeměňuje • •nabývá hodnot od zlomku sekundy až po milióny let ̶ Adobe Systems Diagnostické zobrazovací metody (VLDI7X1c) [4] Adobe Systems Diagnostické zobrazovací metody (VLDI7X1c) Druhy radioaktivních přeměn – přeměna α •radioaktivita α se vyskytuje pouze u nejtěžších jader •mateřské jádro emituje částici alfa (jádro hélia) •po přeměně α vzniká dceřiné jádro, které se v periodické tabulce prvků nachází o dvě místa vlevo od původního mateřského jádra •dvojnásobný kladný náboj → silný ionizační účinek na látku → dosah částic α je velmi krátký (cca 0,03 mm) •interakce s prostředím: ionizace, excitace atomů •Využití jen pro terapii → 226Ra ̶ Př.: radioaktivitaAlfa.gif [1] Adobe Systems Diagnostické zobrazovací metody (VLDI7X1c) Druhy radioaktivních přeměn – přeměna β– •elektron + antineutrino •při přeměně β– se hmotnostní číslo prvku nemění, protonové číslo se zvětší o 1, prvek se posune o jedno místo vpravo v periodické tabulce prvků •má spojité energetické spektrum → obsahuje částice s energiemi od nuly až po určitou maximální energii, která je pro daný radionuklid charakteristická •interakce s prostředím: ionizace, excitace atomů, tvorba brzdného záření •e- jsou lehké částice, které jsou při průchodu látkou rozptylovány a jejich dráha může být značně klikatá → dosah e- v látce má velký rozptyl •menší ionizační účinky než záření α ̶ Př.: ,131I – dosah 2,4mm, 99Mo [1] Adobe Systems Diagnostické zobrazovací metody (VLDI7X1c) Druhy radioaktivních přeměn – přeměna β+ Přeměna β+ •pozitron + neutrino •při přeměně β+ se hmotnostní číslo prvku nezmění, protonové číslo se zmenší o 1, prvek se posune o jedno místo vlevo v periodické soustavě prvků. •má spojité energetické spektrum → obsahuje částice s energiemi od nuly až po určitou maximální energii, která je pro daný radionuklid charakteristická •interakce s prostředím: ionizace, excitace atomů, po zabrzdění anihilační záření •e+ jsou lehké částice, které jsou při průchodu látkou rozptylovány a jejich dráha může být značně klikatá → dosah e+ v látce má velký rozptyl •menší ionizační účinky než záření α ̶ Př.: [1] Adobe Systems Diagnostické zobrazovací metody (VLDI7X1c) Anihilační záření •e+ se zpomaluje ve srážkách s elektrony atomových obalů, na konci své dráhy se spojí s elektronem, dochází k anihilaci a vznikají dva anihilační fotony s energií 511 keV •dráha e+ ve tkáni je velmi klikatá, dosahem této částice, který je kratší než dráha, se rozumí vyznačená přímka ̶ [2] Adobe Systems Diagnostické zobrazovací metody (VLDI7X1c) Druhy radioaktivních přeměn – přeměna elektronovým záchytem •je alternativním procesem k rozpadu β+ u jader s přebytkem protonů •neutrino + foton charakteristického záření X, nebo emise Auger elektronů •hmotnostní číslo prvku nezměněno, protonové číslo se zmenší o 1, prvek se posune o jedno místo vlevo •jedná se o záchyt elektronu z elektronového obalu (nejčastěji elektronu ze sféry K) do jádra •uprázdněné místo v K-orbitu se doplní elektronem z vyššího orbitu a přebytek energie se vyzáří ve formě fotonu •má čárové spektrum → daný radionuklid emituje pouze fotony s určitými energiemi, které jsou pro jeho přeměnu charakteristické ̶ Př.: [1] Adobe Systems Diagnostické zobrazovací metody (VLDI7X1c) Druhy radioaktivních přeměn – přeměna γ •po jaderné přeměně (α,β) zpravidla není dceřiné jádro ve svém základním stavu, ale nachází se ve stavu excitovaném (na vyšší energetické hladině) → vrácením do základního stavu se přebytek energie vyzáří ve formě fotonu •protonové ani hmotnostní číslo prvku se nemění •Čisté gama zářiče v přírodě neexistují – příprava 99mTc z 99Mo, čárové spektrum ̶ •má čárové spektrum → daný radionuklid emituje pouze fotony s určitými energiemi, které jsou pro jeho přeměnu charakteristické •interakce s prostředím: fotoelektrický jev, Comptonův rozptyl, tvorba elektron-pozitronových párů. • Radioaktivita.gif [1] Adobe Systems Diagnostické zobrazovací metody (VLDI7X1c) Interakce záření s látkou – přímo ionizující záření •elektricky nabité částice interagující prostřednictvím Coulombovských sil → elektron, proton, pozitron, částice alfa . . . • •ionizací (vyražením elektronu z atomového obalu) a excitací (vybuzení e- na vyšší energetickou hladinu) částic •Částice alfa – silná ionizace •Částice beta → Vznik brzdného záření – zejména u beta- částic, závislost na protonovém čísle •Anihilace u beta+ ̶ Adobe Systems Diagnostické zobrazovací metody (VLDI7X1c) Interakce záření s látkou – nepřímo ionizující záření •nenabité částice způsobí emisi jiných částic, které teprve ionizují a excitují další částice – fotony gama a RTG záření, neutrony •interakce s prostředím: Fotoefekt, Comptonův rozptyl, tvorba elektron-pozitr. párů, jaderný fotoefekt •rozmezí energií (70 – 511keV) používaných v nukleární medicíně přichází v úvahu především interakce fotoefektem a Comptonovým rozptylem ̶ Adobe Systems Diagnostické zobrazovací metody (VLDI7X1c) Interakce záření s látkou – nepřímo ionizující záření Fotoefekt •foton X nebo γ interaguje s elektronem vázaným v atomovém obalu, na některé z vnitřních slupek atomu - nejčastěji K, L nebo M, předá mu veškerou svou energii a zaniká •na místo uprázdněné přeskočí elektron z vyšší slupky v atomovém obalu a energetický rozdíl se vyzáří ve formě charakteristického rentgenového záření •projevuje se hlavně u fotonů nižších energií a látek s vysokým atomovým číslem. [2] Adobe Systems Diagnostické zobrazovací metody (VLDI7X1c) Interakce záření s látkou – nepřímo ionizující záření Comptonův rozptyl •vzniká pokud se foton X nebo γ srazí s volným nebo slabě vázaným elektronem, kterému předá část své energie a bude pokračovat ve svém pohybu ve změněném směru s nižší energií •může se několikrát opakovat, až foton opustí látku, nebo ztratí tolik energie že zaniká fotoefektem •odražený elektron se dále pohybuje prostředím → ionizace a excitace •převládajícím typem interakce gama záření středních energií s látkami s nízkým atomovým číslem [2] Adobe Systems Diagnostické zobrazovací metody (VLDI7X1c) Interakce záření s látkou – nepřímo ionizující záření •Comptonův rozptyl •je v radiodiagnostice a nukleární medicíně nežádoucím jevem → způsobuje degradaci obrazu rozmazáním a snížením kontrastu • •Fotoelektrický jev •je nežádoucí v nukleární medicíně dochází ke ztrátu obrazové informace •v radiodiagnostice nám umožňuje zobrazení rozdílného zeslabení fotonů tkáněmi s rozdílnou hustotou, čímž je vytvořen obraz ̶ Adobe Systems Take home message ̶Poločas přeměny je doba ze kterou přemění polovina atomových jader ve vzorku. ̶Pokles aktivity se řídí exponenciálním zákonem radioaktivního rozpadu. ̶Alfa, beta, gama jsou základní druhy radioaktivních přeměn. ̶Nepřímo ionizující záření interaguje s látkou fotoelektrickým jevem, nebo Comptonovým rozptylem. ̶ Diagnostické zobrazovací metody (VLDI7X1c) Adobe Systems Diagnostické zobrazovací metody (VLDI7X1c) Seznam citací ̶[1] Ullmann V. http://www.astronuklfyzika.cz/ ̶[2] PTÁČEK, Jaroslav a kol. old.lf.upol.cz/ [online]. [cit. 21.10.2021]. Dostupný na WWW: http://old.lf.upol.cz/ ̶[3] Autor neznámý: http://webfyzika.fsv.cvut.cz [cit. 21.10.2021]. Dostupný na WWW: http://webfyzika.fsv.cvut.cz/1tab.htm ̶[4] REICHL, Jaroslav; VŠETIČKA, Martin. http://fyzika.jreichl.com/ [online]. [cit. 21.10.2021]. Dostupný na WWW: http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/807-aktivita-zarice-a-rozpadovy-zakon Lékařská fakulta Masarykovy univerzity 2021 Adobe Systems