Ioniserende stråling. 10. November 2006

Transkript

1 Ioniserende stråling 10. November 2006

2 Tema: Hva mener vi med ioniserende stråling? Hvordan produseres den? Hvordan kan ioniserende stråling stoppes? Virkning av ioniserende stråling på levende vesener strålingsdoser. Eksempler på bruk av ioniserende stråling i teknologi og medisin.

3 Hva er ioniserende stråling? Partikler (elektroner, protoner/ioner, nøytroner) eller elektromagnetisk stråling (fotoner) som har nok energi til å kunne ionisere et nøytralt atom. En praktisk energienhet: Elektronvolt, ev 1 ev = 1, J Grønt lys: E 2 ev, hydrogenatomets ionisasjonspotensial = 13,6 ev Elektronets hvilemasseenergi: E = m c e 2 = ev = 511 kev

4 Radioaktiv stråling α-stråling: En atomkjerne sender ut en heliumkjerne. Eksempel: β-stråling: Et av nøytronene i kjernen desintegrerer til et proton og et elektron; elektronet skytes ut av kjernen. Eksempel: C N + e + γ-stråling: En eksitert kjerne sender ut et foton (elektromagnetisk stråling) etter å ha sendt ut en α- eller β-stråle. Eksempel: 92 U 90Th+ 2 He 6 7 νe Cs Ba * Ba * Ba + e + γ + ν e

5 Spesialtilfeller av β-stråling: β + -stråling: Et proton omformes til et elektron og et nøytron. Eksempel: 18 9 F 18 8O + + e +ν Elektroninnfanging: Et elektron (oftest fra K-skallet) fanges inn av et proton i kjernen og danner et nøytron (og et nøytrino) Eksempel: Co + e Fe ν

6 Gammastrålingen har veldefinert energi 137 Cs β - 8% 60 Co β - β - 92% 0,662 MeV 2,506 MeV 1,173 MeV 1,333 MeV 137 Ba 0 60 Ni 1,333 MeV 0 Tabell med all informasjon om radioaktive isotoper:

7 Hvordan beregnes energien? Den kinetiske energien til en partikkel med mye mindre fart enn lyshastigheten: 1 mv 2 Ek = 2 Energien til et foton: E = hν der h = 6, J s = 4, ev s Et foton må ha energi over ca. 6 ev for å kunne ionisere et atom/molekyl i grunntilstanden, d.v.s. ultrafiolett lys.

8

9 Hvordan produseres ioniserende stråling? Ioniserende partikler produseres naturlig ved desintegrasjon av radioaktive atomkjerner. Fragmenter fra tunge atomkjerner som spaltes for eksempel i en atomreaktor. Ladete partikler kan akselereres til høye energier i en akselerator. Ioniserende elektromagnetisk stråling: UV-stråling: Overganger i elektronstrukturen til atomer eller molekyler. Røntgenstråling: Elektronoverganger i atomer/molekyler (linjer karakteristiske for stoffet), eller røntgenbremsestråling. Gammastråling: Energioverganger i atomkjerner, etter utsending av en α- eller β-stråle.

10 Produksjon av røntgenstråling Karakteristiske linjer Bremsestråling Energispekteret

11 Hvordan kan ioniserende stråling stoppes? α- og β-stråling: Lett å stoppe ladete partikler med enkle midler, for eksempel en trevegg! Røntgen- og gammastråling: Best effekt med en absorbator med høyt atomnummer, for eksempel bly. Energirike gammastråler kan trenge tykke blyskjermer. Intensiteten avtar eksponentielt med skjermtykkelsen: I( x) = I 0 e μx Raske nøytroner: Best effekt med en absorbator med lavt atomnummer, helst stoffer som inneholder mye hydrogen (vann, grafitt, paraffin, ) Langsomme (termiske) nøytroner: Cadmium brukes i kontrollstaver i kjernereaktorer.

12 Biologiske virkninger av ioniserende stråling Fysiske og kjemiske endringer (ionisering, frie radikaler) skjer de første sekundene etter eksponering. Biologiske skader: A) Direkte, for eksempel brudd i DNA molekyl p.g.a. ionisering i selve molekylet. B) Indirekte, for eksempel kjemiske reaksjoner der frie radikaler er innblandet De fleste skadene blir reparert når strålingsnivået er lavt.

13 Enheter for aktivitet og strålingsdoser Det trenges i gjennomsnitt ca. 35 ev for å produsere et ioneelektronpar i luft. 1 Bq (becquerel) = 1 desintegrasjon per sekund Gammel enhet: 1Ci (curie) = 3, Bq Absorbert dose D: 1 Gy (gray) = 1 J/kg Den biologiske virkningen er avhengig av strålingstypen; den biologisk virksomme dosen (doseekvivalenten) H er: og måles i Sv (sievert) H = W D Den effektive dosen er avhengig av vevstypen som bestråles. R Strålingstype Fotoner, elektroner Nøytroner Nøytroner Nøytroner Nøytroner Nøytroner Protoner Tyngre ioner Energi Alle energier <10 kev kev 0,1-2 MeV 2-20 MeV >20 MeV <20 MeV W R

14 Typiske årsdoser, μsv Virkningen av store doser over hele kroppen på noen timer Kosmisk stråling Mat og drikke ,01 Sv 0,1 Sv Ingen merkbar Merkbare blodendringer Radon Sv Noe skader, ikke invaliditet Fra jorden Sv Skader og invaliditet Medisinske undersøkelser Utslipp 370 <1 4 Sv 6 Sv 50% dødelighet innen 30 dager 100% dødelighet innen 30 dager Radioaktivt nedfall Sv 50% dødelighet innen 4 dager Forbruksvarer 0, Sv Nesten umiddelbar død Sum 2600 μsv

15 Eksempler på bruk av ioniserende stråling i medisin Avbilding med ytre eller indre kilder: Ytre kilder brukes til å ta røntgenbilder av tenner, skjelett, lunger, ved mammografi osv. I noen tilfeller brukes gammastråler.

16 Avbilding med indre kilder Injiserer en glukoseløsning merket med en isotop som sender ut en gammastråle, kartlegger strålingsintensiteten fra forskjellige organer/kroppsdeler. Fra forskningsfronten: Positron Emission Tomograpy PETscanning: Injiserer en glukoseløsning merket med en isotop som sender ut en β + -stråle (positron): Positronet treffer umiddelbart et vanlig elektron, de utsletter hverandre og sender ut to gammastråler i motsatt retning, hver med energi ca. 511 kev. PET-scanning: Direkte anvendelse av antimaterie! Ulempe med bruk av indre kilder: Pasienten er en strålingskilde en stund. Bruker kortlivete isotoper de må produseres lokalt.

17 99 Tc m -injeksjon PET-scanning

18 Stråleterapi Mest vanlig å bruke gammastråling, β-emittere eller elektronstråle. I senere tid: Utvikling av metoder som benytter nøytroner, protoner eller tunge ioner. Utfordring: Å få energien i strålen avsatt i riktig område og med minst mulig skade på frisk vev.

19 Eksempler på annen bruk av ioniserende stråling Tracing i biologiske forsøk, studier av bevegelse av væsker og gasser. Måling av materialtykkelse. Sterilisering av medisinsk utstyr. Konservering av krydder og andre matvarer. Røykvarslere. Datering av biologisk materiale ( 14 C), arkeologiske gjenstander, berg,. Particle Induced X-ray Emission (PIXE) for studier av kjemisk sammensetning. Overflatebehandling.