null
Ydinfysiikkaa Ydin ja isotoopit • • • • A Z XN Ytimet koostuvat protoneista (+) ja neutroneista (0): nukleonit (Huom! nuklidi= tietty ”ydinlaji”) Ydin pysyy kasassa, koska vahvan vuorovaikutuksen aiheuttama vetävä voima on suurempi kuin protonien välinen sähköinen hylkivä voima. Isotoopit ovat saman alkuaineen erimassaisia ytimiä; i.e. protonien lukumäärä vakio, neutroneja vaihteleva määrä. Isotoopit ovat kemiallisilta ominaisuuksiltaan vastaavia, mutta ne voidaan erottaa toisistaan massan erojen avulla. Massavaje... Eli suppean suhteellisuusteorian lopputulema Atomin osien summa on suurempi kuin atomin havaittu massa. ”Ylimääräinen” massa muuttuu atomin muodostuessa sidosenergiaksi. Massalla ja energialla on vastaavuus: E mc m Zmp Nmn Zme m MeV c 931,5 u 2 EB mc 2 EB Lisäksi voidaan määritellä sidososuus: b A 2 Massavajeen sovelluksia • Fissio – Ydinvoimalat • Fuusio Radioaktiivisuus Epästabiilia ydintä kutsutaan radioaktiiviseksi. Huom! Rad.aktiiviset ytimet käyttäytyvät ennustettavasti vain joukossa: i.e. yksittäisten atomien hajoamista ei voida ennustaa. Ytimen hajotessa vapautuu energiaa hajoamisenergian verran. Jos alkuperäinen ydin on ydin A ja muodostuu kaksi uutta hiukkasta B ja C niin hajoamisenergia on: 2 A B C Q (m m m )c Lääketieteessä sovelletaan radioaktiivisia aineita mm. kuvantamisessa ja syöpähoidoissa. Säteilyn biologisten vaikutusten arvioimiseksi voidaan määritellä absorboitunut, ekvivalentti ja efektiivinen annos... Mahdollisia reaktioita Reaktioyhtälöt: α: ZA X ZA42Y 24He β-: β+: A Z X N Z A1YN 1 10e A Z XN Y A Z 1 N 1 e 0 1 0 A X e EC: N 1 Z 1YN 1 Huomaa varausten säilyminen!!! A Z Positroniemissiotomografia Gammasäteily Syntyy atomiytimen viritystilan purkautuessa Esim. Alfahajoaminen yms. tekijä voi jättää ytimen virittyneeseen tilaan. Sähkömagneettisena säteilynä, jolla on korkea energia, gammasäteily voi vuorovaikuttaa aineen kanssa joko valosähköisen ilmiön, Comptonin sironnan tai parinmuodostuksen kautta. Gammasäteily • Syntyy ydinten viritystilojen purkautuessa. • Joskus ydin jää hajoamisen jälkeen virittyneeseen tilaan. Ytimen palatessa perustilaan syntyy gammasäteilykvantti • Esim. gammakuvaus teknetium-99m-isotoopilla • Sähkömagneettisena säteilynä, jolla on korkea energia, gammasäteily voi vuorovaikuttaa aineen kanssa joko valosähköisen ilmiön, Comptonin sironnan tai parinmuodostuksen kautta. Parinmuodostus • Gammakvantti voi muodostaa positronin ja elektronin • Elektronin ja positronin muodostumis-energia: 2 E 2me c • Fotonin ylimääräinen energia liike-energiaksi Hajoamislaki • Ydin hajoaa todennäköisyydellä λ aikayksikössä t • Hajoamislaki: N N 0e jossa N on hajoamiskelpoisten ydinten lukumäärä hetkellä t • Aktiivisuus, A: ”Kuinka monta hajoamista tapahtuu sekunnissa” – Yksikkö Bq A N Hajoamislaki • Ydinten määrä kappaleessa, jossa on ajanhetkellä t=0 N0 ydintä, saadaan hajoamislaista ydinten määrä ajanhetkellä t hajoamisvakio: Todennäköisyys, että tietty ydin hajoaa aikayksikössä (yks. 1/s) • Ydinten määrä vähenee eksponentiaalisesti ajan funktiona • hajoamisvakion määrittämisessä tarvitaan logaritmisiä kuvaajia! Aktiivisuus • Radioaktiivisen kappaleen aktiivisuus kertoo, kuinka monta ydintä keskimäärin hajoaa aikayksikössä – Yksikkö 1/s = Bq (Becquerel) Aktiivisuus • Aktiivisuus saadaan hajoamisvakion ja ydinten lukumäärän tulona • Ydinten lukumäärän avulla kirjoitettuna saadaan Puoliintumisaika • Aika jossa ytimien lukumäärä on laskenut puoleen: 1 / 2 N 0 N 0 e T1 / 2 1 ln T1/ 2 2 ln 1 ln 2 T1/ 2 T12 ln 2 Esim. • Avaruusluotaimessa oleva radioaktiivinen paristo toimii Pu-238 isotoopin avulla, jota on paristossa 1,0 kg. Pu-238:n puoliintumisaika on 87,7 vuotta ja Pu-238 hajoaa lähettämällä 5,5 MeV:n α-hiukkasia. Paljonko sähkötehoa paristosta voi saada, kun se pystyy muuttamaan 8,0 % radioaktiivisen hajoamisen luovuttamasta energiasta sähköenergiaksi? Vaimentuminen • Alpha – Vaimenee hyvin nopeasti, muutamassa sentissä ilmaa • Beta – Kulkee ilmassa noin pari metriä • Gamma – Ilmassa satoja metrejä.. Säteilyn intensiteetin vaimeneminen väliaineessa • Sähkömagneettisen säteilyn intensiteetti vaimenee väliaineessa vaimenemislain mukaisesti Puoliintumispaksuus • Paksuus, jonka jälkeen säteilyn intensiteetti on puolet alkuperäisestä Esim. • SPA-tekniikassa luun ominaisuuksia tutkitaan matalaenergisen gammasäteilyn avulla. Mittaamalla amerikiumin (241-Am) gammaspektrin n. 60 keV:n säteilyn vaimenemista pehmytkudoksessa ja luussa saatiin seuraavat intensiteetin arvot Ik = 86,2 1/s ja Il = 11,2 1/s (katso kuva). Tämän jälkeen mittausympäristön taustasäteily mitattiin kaksi kertaa, jolloin saatiin seuraavat tulokset: 1,4 1/s ja 1,6 1/s. Aiemmin mitattujen vaimennuskertoimien arvot ovat μk = 0,205 1/cm (59,5 keV) pehmytkudokselle ja μl = 1,282 1/cm (59,5 keV) luulle. Mikä on luun paksuus? (Pääsykoetehtävä vuodelta 2011) Kuva . Poikkileikkaus pehmytkudoksen ympäröimästä luusta. Koejärjestelyssä säteilyn kulkema kokonaismatka (dk) on kaikissa mittauksissa sama. Kuvassa I0 = säteilylähteen intensiteetti, Ik = pehmytkudoksen läpi kulkeneen säteilyn intensiteetti, Il = pehmytkudoksen ja luun läpi kulkeneen säteilyn intensiteetti ja dl = luun paksuus. Esimerkki • Radioaktiivista suolaliuosta säilytetään alumiinisessa suljetussa astiassa, jonka seinämän paksuus on 3,0 cm. Radioaktiivinen isotooppi on natrium-22, joka hajoaa beeta+-hajoamisella. Syntynyt tytärydin on hajoamisen jälkeen virittyneessä tilassa, ja se lähettää perustilaan siirtyessään gammafotonin, ja se lähettää perustilaan siirtyessään gammafotonin, jonka energia on 1,28 MeV. Säteilyilmaisimella mitataan astian ulkopuolella hajoamisprosessista 22 x 10^6 havaintoa sekunnissa. Kuinka kauan suolaliuosta on säilytettävä, ennen kuin se voidaan kerralla kaataa viemäriverkkoon, jos viemäriverkkoon kerralla kaadettavan nesteen suurin sallittu aktiivisuus on 15 MBq. Oleta, että säteily kulkee kohtisuorasti astian seinämän läpi. Vain viritystilan purkautumisessa syntyneet gammafotonit huomioidaan. Na-22:n puoliintumisaika on 2,6 a ja alumiinin puoliintumispaksuus 22,8 1/m.(TKK:n pääsykoe -04) Mikä on vaarallisinta? Ja miksi?? • Kehon sisällä? • Kehon ulkopuolella? • Entä mihin elimiin kohdistuva säteily on vaarallisinta? Absorboitunut annos • Absorboitunut annos määritellään elimeen T absorboituneena energiamääränä massayksikköä kohti • Yksikkö: [DT] = J/kg = Gy (Gray) Ekvivalenttiannos • Säteilyn biologinen (haitta)vaikutus riippuu absorboituneen energiamäärän lisäksi säteilyn laadusta • Ekvivalenttiannos kuvaa biologista vaikutusta, ja se määritellään absorboitunut annos säteilylajista riippuva painokerroin • Yksikkö: [HT] = J/kg = Sv (Sievert): [HT] = [DT] ! o esim. alfasäteilylle wR=20 o β- röntgen- ja gammasäteilylle wR=1 Efektiivinen annos • Edellä mainittujen tekijöiden lisäksi säteilyn aiheuttama terveydellinen haitta riippuu vielä siitä, mihin kudokseen säteilyä absorboituu o esim. sukupuolirauhaset, punainen luuydin, paksusuoli, keuhkot sekä mahalaukku vaurioituvat helposti • Tämä huomioidaan vielä toisen painokertoimen avulla: efektiivinen annos määritellään Kokonaisannoksen laskeminen • Koko kehon efektiivinen annos E on kunkin kudoksen saamien efektiivisten annosten summa, eli • Lisäksi painokertoimet wT on määritelty siten, että Esimerkki Potilaan follikulaarista kilpirauhaskarsinoomaa hoidetaan jodi-131-radioisotooppihoidolla (jodi-131:tä ruiskutetaan verenkiertoon ja se kertyy kilpirauhaseen). Kilpirauhasen absorboitunut annos on 50 mGy ja virtsarakon 10 mGy. Muun kehon absorboitunut annos on 2 mGy. Kuinka suuri on kehon saama efektiivinen annos (kudospainokertoimet ovat 0,04 sekä kilpirauhaselle että virtsarakolle)? Jodi-131 on beeta-aktiivinen Hajoamis- ja vaimennuslaki... Hajoamislaille voidaan johtaa aktiivisuuden ja hiukkasmäärän riippuvuus: A A e t 0 A N T12 Vaimentumiselle vastaavasti: ln 2 I I 0e d1 2 x ln 2
© Copyright 2024