FYS 3710 Biofysikk og Medisinsk Fysikk, 2015 8 Strålingsfysikk stråling del 1 Einar Sagstuen, Fysisk institutt, UiO 13.09.2016 1
13.09.2016 2
William Conrad Röntgen (1845-1923) RØNTGENSTRÅLING oppdages, 8. nov 1895 Nobelpris, fysikk, 1901 in recognition of the extraordinary services he has rendered by the discovery of the remarkable rays subsequently named after him Antoine-Henri Becquerel (1852-1908) RADIOAKTIVITET oppdages 1.mars 1896 Nobelpris, fysikk, 1903 in recognition of the extraordinary services he has rendered by his discovery of spontaneous radioactivity 13.09.2016 3
Nicola Tesla 13.09.2016 4
Marie Sklodowska Curie (1867-1934 Pierre Curie 1859-1906 Radium & Polonium, 1898 Nobelpris, fysikk, 1903 (MSC, PC) "in recognition of the extraordinary services they have rendered by their joint researches on the radiation phenomena discovered by Professor Henri Becquerel". Nobelpris, kjemi, 1911 (MSC) "in recognition of her services to the advancement of chemistry by the discovery of the elements radium and polonium, by the isolation of radium and the study of the nature and compounds of this remarkable element. 13.09.2016 5
IONISERENDE STRÅLING - tilstrekkelig Energy til å ionisere - typisk > 30 ev 1 MeV energi avsatt i materie ca. 5 10 4 lavenergetiske elektroner Elektromagnetisk (fotoner; gamma, røntgen) Partikkel (alfa/heliumkjerne, beta/elektron/positron, nøytron, protoner, karbon, nitrogen, tyngre kjerner) Direkte ioniserende (stråling som fører ladning; alfa, beta, tyngre ioner) Indirekte ioniserende (foton, nøytron) Naturlig (kosmisk, internt i kroppen, bakken, radon + medisinsk) Antropogen ( kunstige isotoper; bombetester, kjernereaktorer) 13.09.2016 6
VÅR STRÅLENDE HVERDAG ÅRLIGE DOSER GJENNOMSNITT 2 msv Radon 0,4 msv Intern 0,6 msv Kosmisk 0,4 msv Jord/stein 1 msv Medisinsk diagnostikk Kosmisk Kroppen Bakken Radon + ekstern kosmisk stråling intern bestråling (bl.a. C-14, og K-40) ekstern bestråling fra naturlige forekomster av radioaktive stoffer intern bestråling fra naturlig forekommende radon gass Medisinsk bruk av stråling ekstern og intern diagnostikk, ikke terapi inkludert Radioaktivt nedfall ekstern og intern bombesprengninger og reaktorutslipp 13.09.2016 7
Desintergrasjon / radioaktivt henfall ustabilt n/p forhold RADIOAKTIVE FAMILIER Neptunium (Np-237 T 1/2 = 2,14. 10 6 ) Uran-actinium (U-235 T 1/2 = 2,038. 10 8 ) Uran-radium (U-238 T 1/2 = 4,47. 10 9 ) Thorium (Th-232 T 1/2 = 1,405. 10 10 ) Halveringstid T 1/2 7. T 1/2 < 1% rest ISOTOP samme grunnstoff samme antall protoner ulikt antall nøytroner 13.09.2016 8
C-14 K-40 C12 / C13 / C14 98.89% / 1.11% / 0.0000000001% K-39 / K-40 / K-41 93,1 % / 0,0118 % / 6,88 % T 1/2 = 5730 år T 1/2 = 1,3. 10 9 år + ν - K-40 Ar-40 + γ 11% elektron innfanging (EC) K-40 Ca-40 + β - 89% beta-decay 13.09.2016 9
A Z A Z M 2 2 M 2n 2p A 4 2 Z 2 M M n p e A Z 1 M M - + ν mer stabilt n/p forhold oppnås ved utsendelse av stråling α β γ A p n e A Z Z 1 + ν 13.09.2016 10
Alpha-stråling α Heliumkjerner He 2+ Karakteristisk energi for gitt isotop (typisk 4-7 MeV) Kort rekkevidde (cm i luft, mikrometer i vev og vann) Høy LET (Linear Energy Transfer) Taper energi ved støtprosesser Energiavsetning i spor (følger Bethe Bloch) de z 2 2 dx v 13.09.2016 11
Beta -stråling Elektron (β - ) eller Positron (β + ) Dannelse i kjernen n p e 1 1 0 0 1 1 p n e 1 1 0 1 0 1 β - + antinøytrino β + + nøytrino β-energien varierer total energien = β+ν = konstant β middel 1/3 β max Rekkvidden lengre for β enn for α (m i luft, millimeter i vev og vann) Lav LET Energiavsetning spor, støtprosesser (Bethe Bloch) Bremsestråling Cs Ba 137 137 0 55 56 1 13.09.2016 12
(Gamma) γ stråling Elektromagnetisk stråling γ-utsending - alltid sammen med alfa eller beta (aldri aleine) - de-eksitasjon av eksitert datterprodukt Karakteristisk energi for gitt isotop (typisk 0,1 1,5 MeV) Rekkevidden er relativt stor (cm-dm i bly og betong, cm-m i vann) Intensiteten avtar eksponentielt i materie 0 I x I e x 13.09.2016 13
Kunstige radioaktive isotoper Al+ He P n 27 4 30 1 13 2 15 0 1934 Fosfor P-30 1937 ca 200 man-made isotoper 1949 ca 650 2000 over 1500 for Medisinskbruk Irridium Ir-192 T 1/2 = 74 d Brachyterapi C-11, N-13, O-15, F-18 PET 20 10 2 110 min T 1/2 Irène Joliot-Curie (1897 1956) Frédéric Joliot-Curie (1900-1958) Fisjonsprodukt Iod I-131 T ½ = 8 dager β, γ Cesium Cs-137 T ½ = 30 år β, γ Stontium Sr-90 T ½ = 30 år β Nobelprisen, kjemi, 1935 "in recognition of their synthesis of new radioactive elements 13.09.2016 14
Kommende viktige begrep og uttrykk Aktivitet (A) A = -dn/dt = λn Bq=1/s (1 desint. /sek) Ci = aktivitetn til 1gram Radium Spesifikk aktivitet A = -dn/dt = λn N=N 0 e -λt Desintegrasjonskonstanten (λ) T ½ λ=ln2 Halveringstid Fysisk Biologisk T ½ t f t b Effektiv t eff 1/ t f + 1/ t b = 1/ t eff Absorbert dose Gy 1J/kg Ekvivalent dose Sv 1J/kg w R (strålingsvektfaktor) Effektiv dose Sv 1J/kg w R, w O (organvektfaktor) 13.09.2016 15
ENERGIAVSETNING i MATERIE Elektroner (β) Fotoner (X-ray, γ) α-partikkel tyngre ladde kjerner 13.09.2016 16
γ-type jmf effektiv dose α-type β-type 13.09.2016 17