Nejběžnější elmg. záření je viditelné světlo, ale to tvoří jen nepatrnou část celkového spektra. Každou část spektra se naučil člověk nějak využívat. Od radiového vlnění, přes mikrovlnné, infračervené až po RTG a gama. •RTG záření je nepostradatelné v dnešní medicíně. •Jak ovšem vzniká? •Jak je detekujeme? •Jak interaguje s látkou? •Jaké veličiny jsou s ionizujícím zářením spjaté? •O všem bude řeč… •Ze zákona elektromagnetické indukce vyplývá, že při pohybu el. náboje se indukuje magnetické pole. •Pokud je náboj prudce zpomalen, přebytečná energie se přemění v elektromagnetické záření. •Možné hodnoty intenzity a energetické spektrum záření je obvykle značně široké, ale má své fyzikální limity. Katoda je žhavena elektrickým proudem, což vede k termoemisi elektronů. Ty jsou urychlovány elektrickým napětím (v tomto případě 100kV (100000 V-0 V)) a dopadají na anodu, která může z důvodu rozložení tepelné zátěže rotovat. Zde dojde k prudkému zabrzdění. Přebytečná energie se nemůže ztratit, proto je vyzářena formou elmag. záření. Z větší části se ovšem přemění v teplo. Závislost intenzity rtg záření na vlnové délce při dopadu elektronů s kinetickou energii Ek,0=35 keV na molybdenový terč (urychlovací napětí 35 kV). Na x ose vlnová délka (lambda min = energie max) https://miac.unibas.ch/PMI/01-BasicsOfXray-media/figs/xray_spectrum.png existují horní hranice (E max). V čem je rozdíl mezi brzdným (spojitým) a charakteristickým (diskrétním) zářením? Na x ose je energie. keV x 10 Brzdné záření má spojité spektrum. Je to dáno různými směry dopadů, při kterých dochází k různým ohybům dráhy dopadajícího elektronu. Čím větší je ohyb, tím větší je změna E a p elektronu a tím větší E a p má emitovaný foton. Vše plyne ze ZZE a ZZH. Charakteristické záření nemá spojité spektrum, protože jeho vznik je odlišný od brzdného záření. Char. RTG vzniká při deexcitaci elektronů u těžších atomů ve vrstvách blízkých jádru (n= 1-3), kdy se emituje foton o energiích RTG. Pro přeskoky mezi danými dvěma hladinami el. obalu je energie vždy stejná a proto i frekvence vyzářeného fotonu je stejná a výsledné spektrum je diskrétní. E [keV] 2823,9 2505,7 1332,5 0 γ γ γ γ J P 5 + 4 + 2 + 0 + 99,88% 0,12% > 99,9% < 0,1% Protony a neutrony jsou fermiony, takže mohou být pouze na přesně daných energetických hladinách (jako elektrony v el. obalu), proto i energie jádra může mít jen diskrétní hodnoty. Při štěpení se e. jádra zmenšuje a přebytek je buď předáván vnikajícím částicím nebo je vyzářen jako fotony. Při přechodech elektronů v obalu může být vyzářeno RTG záření nebo světlo, při deexcitaci jader hlavně vysokoenergetické γ-fotony. Zde Co přechází b-rozpadem na excitovaný Ni (2 cesty), jehož jádro pak deexcituje) a vyzáří se fotony. Protože jsou protony a neutrony fermiony, mohou se nacházet pouze na přesně daných energetických hladinách (obdobně jako elektrony v el. obalu - viz Pauliho vylučovací princip), proto i energie jádra může nabývat pouze daných hladin. Při štěpení se energie jádra zmenšuje a přebytek je buď předáván nově vnikajícím částicím nebo je vyzářen formou fotonů. Při přechodech elektronů v obalu může být vyzářeno RTG záření nebo světlo, při deexcitaci jader hlavně vysokoenergeitcké γ-fotony. Zde Co přechází beta-rozpadem na excitovaný Ni (existují 2 různé cesty), který posléze deexcituje (jeho jádro deexcituje) a vyzáří se fotony. E [keV] 1357,2 920,6 509,1 0 γ γ γ J P 1/2 + 9/2 + 142,7 1/2 + 3/2 – 1/2 – 82,5% 16,5% 1,0% Zde dochází opět k beta-rozpadu tentokrát Mo (vidíme 3 různé cesty). E [keV] J P 1/2 – 1/2 – 2754,0 0 1655,5 J P 1 + 0 + Pro srovnání: Při b+rozpadu dochází ke vzniku pozitronového záření. To nemá diskrétní spektrum, přestože vzniká při přechodu z přesně daných energetických hladin. Důvodem je to, že energii, uvolněnou při přeměně si mezi sebe téměř náhodně rozdělí pozitron a neutrino. Proto energii pozitronů popisujeme spíše střední hodnotou. Čím víc energie se při štěpení uvolní, tím rychleji proces probíhá (poločas rozpadu je kratší). Spectrum of Beta Radiation Energy Histogram energie b částic. Je patrno, že neutrina mohou odnášet značnou část energie. (viz též předchozí schéma, kdy střední E pozitronu je 700 keV, kdežto rozdíl energie hladin je 2700 keV. Poměr rozdělení energií mezi b částice a neutrina je pro každou přeměnu jiný. Δx x x + Δx I I - ΔI D1/2 je polotloušťka a m je lineární koeficient útlumu. Zavádí se hmotnostní koeficient útlumu, nezávislý na hustotě látky, a atomový koeficient útlumu, nezávislý jak na hustotě tak i na látkovém množství. •Foton předává energii částicím látky. •Energie částic je buď absorbována nebo opětovně vyzářena. •Zavádí se koeficient energiového útlumu a koeficient energiové absorpce. Pokud lineární koeficient útlumu vynásobíme poměrem střední hodnoty prošlé energie a energie původního záření (ħw) dostáváme koeficient energiového útlumu. Pokud lineární koeficient útlumu vynásobíme poměrem střední hodnoty absorbované energie a energie původního záření (ħw) dostáváme koeficient energiové absorbce. •Fotoelektrický jev Ø Lin. koeficient útlumu - τ •Rayleighův rozptyl Ø Lin. koeficient útlumu - σR •Comptonův jev Ø Lin. koeficient útlumu - σC •Tvorba elektron-pozitronový pár Ø Lin. koeficient útlumu - κ Každý z těchto jevů má svůj vlastní lineární koeficient útlumu, který se podílí na celkovém útlumu záření!!! •Energie fotonu je absorbována elektronem a následně je využita k ionizaci. Zbytek se přemění na kinetickou energii elektronu. •Energie fotonu musí být dostatečná k ionizaci. Ø Vnitřní: Ø Elektron je vytržen z elektronového obalu. Ø Neopouští ovšem látku, ale není vázán na konkrétní atom. Ø Stává se z něj vodivostní elektron a podílí se spolu se vzniklými „děrami“ na lepším vedení elektrického proudu látkou, např. polovodičem. Ø Vnější: ØElektron je vytržen z el. obalu. Ø Opouští látku a je zcela volným. Ø Vzniklou „díru“ může zaplnit elektron z vyšší vrstvy a vyzářit foton. Ø Vyzářený foton může okamžitě způsobit vnější fotoelektrický jev a vyrazit další (tzv. Augerův) elektron. Fluorescenční výtěžek ωK(L) udává podíl pravděpodobností emise fotonu a Augerova elektronu při zaplnění dané volné hladiny (K nebo L). Vidíme, že A. elektrony mají větší pravděpodobnost emise u lehčích atomů. U těžších atomů převažuje fotoemise (pro vrstvu K velmi výrazně). Pro hladinu L je poměr výrazně nižší tzn., že při absorpci fotonu elektronem z hladiny L je větší pravděpodobnost emise A. elektronu než při absorpci na K hladině i pro těžší atomy. Ø •Foton interaguje s elektronem z obalu. •Dojde pouze k rozptylu fotonu, což nemá za následek ztrátu jeho energie. Rayleigův rozptyl je úměrný 4. mocnině vlnové délky záření. Na malých molekulách plynu se dá pozorovat v přírodě a je zodpovědný za modrou barvu oblohy. Modrá barva se rozptyluje víc než ostatní vlnové délky. Podobný jev je Ramanův rozptyl. Není elastický a dochází při něm ke změně vlnové délky fotonu, což je výhodné pro spektroskopická měření (Ramanova spektroskopie). •Foton interaguje s elektronem z vyšší vrstvy obalu. •Dojde k rozptylu fotonu i vyražení elektronu z obalu. Maximální a průměrný podíl energie předané fotonem Comptonovu elektronu. •V blízkosti silného jádra se může foton přeměnit na elektron a pozitron. •Důkaz, že hmota a energie jedno jest. Z energie „nehmotného“ fotonu se stane hmota páru a z přebytku kinetická energie obou částic. Mají opačné náboje, takže když bude Ek moc malá, opět se mohou přitáhnout a anihilovat. Obecně ovšem e+ anihiluje o chvilku později s libovolným elektronem. Graf je rozdělen na 3 oblasti podle dominance daného jevu. Tato dominance je ovlivněna energií dopadajícího fotonu a atomovým číslem atomu na který foton dopadá. •Je tok částic, které mohou ionizovat atomy či excitovat jádra. •Rozlišujeme dva typy: Ø Přímo ionizující záření. Ø Nepřímo ionizující záření. •Je tvořeno elektricky nabitými částicemi (α, β+, β-, protony…). •Mohou mít dostatečnou energii k ionizaci atomů. •Při průchodu absorbujícím prostředím dochází k ionizačním ztrátám (záření předává energii okolním částicím), čímž dochází k narušení rovnováhy. •Čím větší hmotnost nebo náboj tím větší je ionizační ztráta. •Větší ionizační ztráta znamená předání víc energie na malé dráze letu. •Tudíž záření má malou pronikavost, ale v malém objemu dochází k velkému počtu ionizací. •Tento stav popisuje veličina „lineární přenos energie“ (L). •Je tvořeno elektricky neutrálními částicemi jako jsou fotony a neutrony. •Jejich průchod látkou sám o sobě neionizuje prostředí. •Ovšem po interakci s látkou se mohou uvolnit sekundární, přímo ionizující částice, které již mohou prostředí ionizovat (pokud mají dostatečnou energii). •Z logiky věci se dělí na čtyři skupiny. Ø Popisující zdroj ionizujícího záření. Ø Popisující ionizující záření v prostoru. Ø Popisující interakci s hmotou. Ø Popisující interakci s živou hmotou. Dříve byla používána jednotka aktivity 1 curie. 1 Ci = 3,7 ×1010 s-1 Fluence částic udává podíl počtu částic dN, které dopadly na plochu da. Příkon fluence částic již uvažuje i časovou složku a dá se mluvit o „rychlosti fluence částic“ Zbylé dvě veličiny jsou obdobné, jen se nezabývají počtem částic, ale celkovou energií dR, která dopadla na plochu da. (plocha a je hlavním řezem myšlené koule, kterým záření prochází ze všech stran) •Pravděpodobnost interakce ionizujícího záření je charakterizována účinným průřezem σ. (více v letním semestru) •Pokud již k interakci dojde, tak nás zajímá, kolik energie látka absorbuje, což můžeme popsat veličinami dávka (D) a kerma (K). • Kerma je zejména při vyšších energiích částic větší než absorbovaná dávka. Proč? Stará jednotka rad (1 Gy = 100 rad) Proč? Protože všechny nabité částice nemusely v daném objemu předat prostředí svou energii – odletěly pryč, nebo ji předaly fotonům brzdného záření. Umělé zdroje např. rentgenka, urychlovače atp… •Při interakci ionizujícího záření s živou hmotou závisí efekt nejen na dávce, ale také na druhu záření a na tkáni, kterou ionizující záření prochází. •Existuje několik veličin vystihujících biologické účinky. •Dávkový ekvivalent vyjadřuje biologický účinek záření na člověka, Zohledňuje veličinu L (lineární přenos energie). • Suma (sčítání) přes R. To znamená, že se sečtou dávky všech typů záření (R), které byly absorbovány v orgánu/tkáni T. (předpokládáme tedy současné působení více druhů záření!!!) •Radiační váhový faktor a typ záření. Sčítáme tentokrát před všechny druhy zasažených tkání. •Tkáňový váhový faktor. Tkáň wT [%] suma wT [%] Kostní dřeň, tlusté střevo, plíce, žaludek, mléčná žláza, ostatní 12 72 Gonády 8 8 Močový měchýř, jícen, játra, štítná žláza 4 16 Povrch kostí, mozek, slinné žlázy, kůže 1 4 Celkem 100 Pokud je ozářeno celé tělo (všechny tkáně), pak je váhový faktor wT = 100 %