Vznik a v

1
Vznik a vývoj vesmíru
Ve vesmíru prevažuje temná hmota, která rozhodne
o jeho osudu. Nejcastejší skupenství je
plazma. Slunecní soustava 4,6 miliard let
2
Radiobiologie potravin

• Teze prednášky 2
• prof. MVDr. Petr Dvorák, CSc.
• FVHE VFU Brno

3
Vznik prvku

• slucováním kvarku vznikly nukleony a jádra
  izotopu lehkých prvku vodíku a helia
• jadernou syntézou na povrchu a v jádre hvezd
  vznikají prvky až po Fe
• další prvky Mendelejevovy soustavy vznikly
  bombardováním rychlými neutrony po explozi
  supernov

4
Základní cástice hmoty a jejich interakce
5
Elementární cástice

• Svet presných kopií !
• S výjimkou doby života a hmotnosti jsou všechny
  vlastnosti kvantovány.
• symbióza cástic a interacních sil
• Volný prostor mnohonásobne prevažuje nad
  cásticemi !
• Antihmota je stejne reálná jako hmota, zrcadlová
  symetrie cástic s opacnými znaménky nenulových
  kvantových císel.

6
Elementární cástice

• SPIN pocet možných os rotace
• celistvý bosony, polocelistvý fermiony
• NÁBOJ 1 2/3 0 1/3 -1 náboje elektronu
• SPECIFICKÉ VLASTNOSTI KVARKU
• vune d, u, s, c, b, t
• barva cervená, zelená, modrá
• Fermiony se rídí Pauliho principem výlucnosti
• Leptony jsou nedelitelné
• Hadrony kvarky - preony

7
Stabilita cástic

• stabilní jsou
• proton, elektron, neutrino a jejich
  anticástice
• volný neutron (polocas premeny 15 min.)
• ? proton elektron antineutrino

8
Složení hmoty

• Fotony
• Fermiony
• leptony (elektron, mion, tauon,
  neutrina
• a jejich anticástice)
• kvarky (u 2/3e- d -1/3e- )
• hadrony mezony
• baryony (3 kvarky)
• nukleony
• proton
  uud
• neutron
  ddu

9
Interakce cástic

• Gravitacní
• univerzální, dalekého dosahu, pritažlivá
• Elektromagnetická
• výberová, dalekého dosahu, pritažlivá i
  odpudivá
• Silná jaderná
• jen v jádre atomu, pritažlivá i odpudivá,
  konstruktivní
• Slabá jaderná
• jen v jádre atomu, nejkratšího dosahu,
  destruktivní

10
Radioaktivita

• Ionizující zárení

11
Základní symboly, izotopy
A
X
Z
Príklad
U
236
92
pocet neutronu N A Z Z protonové císlo A
hmotnostní císlo
relativní atomová hmotnost u jedna 12tina
hmotnosti 12C 1 u 1,66 . 10-27 kg
12
Prícina nestability jader

• Z 2000 známých nuklidu pouze 266 stabilních
• Stabilita pomer protonu neutronum
• Z lt 20 1 1, 25
• výjimka 11H a 32He
• Z gt 20 1 1, 52
• poslední stabilní 20983Bi
• 209 nukleonu 83 protonu 126 neutronu
  126 83 1,52

13
Dusledky velikosti vazebné energie nukleonu

• Železo má nejvyšší vazebnou energie nukleonu.
• Jedná se o nejstabilnejší prvek v prírode
  (vyžaduje nejvíce energie na oddelení nukleonu od
  sebe jadernou premenu)Jaderná fúze - energie
  pochází ze slucování lehkých prvku na težší
  (zvýšení vazebné energie na nukleon pro prvky
  lehcí než železo).Štepení jádra - energie
  pochází z rozdelení težkých prvku na lehcí
  (zvýšení vazebné energie na nukleon u prvku
  težších než železo).

14
Energie radioaktivní premeny

• Exergonický dej MeV
• Q Eexcit.jádra Ekin.cástic Efotonu

15
Zákon radioaktivní premeny

• Premena konkrétního jádra má
• stochastický charakter
• N No . e ? t
• ? desintegracní (premenová) konstanta
• t cas za který se sníží No pocet jader v
• case t 0 na pocet jader N

16
Graf závislosti poctu premenených jader na case
má exponenciální tvar
N0
N0/2
N0/4
oo
0
T 2T
cas
No pocet jader v case T 0
17
Polocasy

• Fyzikální polocas premeny
• Biologický polocas
• Efektivní polocas
• 1/ Tef 1/Tfyz 1/Tbiol
• Ekologický polocas

18
Jaderná geochronologie

• 1 Ny
• t --- -------- 1
• ? Nx
• Ny stabilní nuklid
• Nx nuklid s dlouhým polocasem premeny
• Metoda draslík argonová 40K T 1,27 . 1010 let
• Uhlíková 14C 12C

19
Druhy zárení

• Korpuskulární x elektromagnetické
• Podle ionizace
• Ionizující prímo
• Ionizující neprímo
• Neionizující

20
1.Korpuskulární zárení

• Ionizující prímo
• Alfa
• Elektronové
• Pozitronové
• Protonové
• Ionizující neprímo
• Neutronové

21
2. Elektromagnetické zárení

• Ionizující neprímo
• Gama
• Röntgenovo
• UV C nad 10 eV nebo ? lt 100 nm
• Neionizující
• Mikrovlnné
• Radarové
• Infracervené
• Viditelné
• UV A, B, (C)

22
(No Transcript)
23
Vlastnosti ionizujícího zárení

• Biologická úcinnost
• Podle schopnosti ionizovat
• Podle pronikavosti
• Pronikavost
• Podle velikosti náboje
• Podle velikosti cástice

24
Röntgenovo záreníX rey

• Pusobením vysokého napetí dojde k urychlení
  elektronu emitovaných ze žhavené katody. Nárazem
  do kovového terce anody vzniká emisní zárení
• Brzdné spojité energetické spektrum
• Charakteristické carové spektrum

25
CT císlo   Hounsfieldova jednotka (HU)

• µT  -  µv
• denzita (HU)   ---------------- . 1000
• µv
• µT  absorpcní koeficient  pro tkán  (cm-1)
• µv   absorpcní koeficient  pro vodu (cm-1)
• voda HU 0 vzduch HU - 1000
• maximální hodnota 3000
• V praxi se používá rozpetí od -120 po 1000 HU

26
Zárení alfa

• Energeticky nestabilní atomové jádro X se premení
  emisí cástice ? (jádro helia) na jádro Y.
• PRÍKLADY VŠEOBECNE
• AZX ? A-4Z-2Y 42He
• SPECIÁLNÍ
• 22688Ra ? 22286Rn ?
• Energetické spektrum je carové.
• Nejvyšší ionizacní schopnost.
• Nízká pronikavost.
• Vysoká radiotoxicita pri vnitrní kontaminaci.

27
Zárení betaPri premenách ? se pretvárí protony
(p) a neutrony (n) navzájem. Rozeznáváme 3
procesy

• 1. elektronové zárení ß-
• pri prebytku neutronu v jádre n ? p e- ?
• AZX? AZ1Y ?- ?
• 3215P? 3216S ?- ?

28
Zárení beta

• 2. pozitronové zárení ß
• pri prebytku protonu v jádru 11p?10n ? ?
• AZX? AZ-1Y ? ?
• 189F? 188O ? ?
• 3. zachycení elektronu sféry K
• pri prebytku protonu v jádre p e- ? n ?
• Emise elmg. zárení zpetným preskokem e- do
  mezer vzniklých záchytem (K- dráha)
• AZX e- ? AZ-1Y ? (kvark u ? d ?)
• 5425Mn e- ? 5424Cr ? (2/3 1 -1/3
  náboje e-)

29
Zárení beta

• Energetické spektrum spojité
• Druhá nejvyšší ionizace
• Tretí nejpronikavejší
• Proniká do podkoží (beta popáleniny)
• Vysoká radiotoxicita pri vnitrní kontaminaci.

30
Zárení gama

• ? vzniká preskokem kvant z úrovne excitace
  jádra Y do níže ležící energetické hladiny.
  Nastupuje ve spojení s ?- rozpadem nebo ?-
  premenou.
• X ? Y ?, ?
• Y? Y ?
• 6027Co ? 6028Ni ?-
• 6028Ni? 6028 Ni ?
• Nižší ionizacní schopnost. Nejvyšší pronikavost.
• Energetické spektrum carové.
• Jak vnejší ozárení, tak i vnitrní kontaminace.

31
Neutronové zárení

• Vzniká pri jaderných reakcích, napr. štepení
  jádra, využívá se alfazáricu (neutronový
  generátor).
• A (x,y) B, 94Be ? ? n 126C
• 235U(x,y 2-5 n),
• Energetické spektrum spojité.
• Druhé nejpronikavejší.
• Stupen ionizace je dán energií neutronu.
• Významné zejména pri vnejším ozárení.
• Schopnost indukované radioaktivity (predevším
  nízkoenergetické-pomalé rezonancní neutrony).
• Prumyslové využití (výroba radionuklidu, jaderný
  reaktor, neutronová bomba).

32
INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁRENÍ S HMOTOU I.
CÁSTICOVÁ ZÁRENÍ NESOUCÍ NÁBOJ

• Excitace
• Ionizace
• Zmeny v jádre atomu u a zárení
• Brzdné zárení u ß zárení
• Anihilace hmoty (pozitron, elektron)
• Braggova krivka
• Cerenkovo zárení

33
INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁRENÍ S HMOTOU II.
FOTONOVÁ ZÁRENÍ

• Fotoelektrický jev fotoefekt
• Comptonuv rozptyl
• Tvorba elektron-pozitronového páru
• Zmeny v jádre atomu

34
FOTONOVÁ ZÁRENÍ pravdepodobnost interakce v
závislosti na energii

• 10-200 keV do 2 MeV do 20 MeV nad
  20MeV
• P až 99 až 99 asi 50
  asi 1

35
INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁRENÍ S HMOTOU III.
NEUTRONOVÉ ZÁRENÍ

1. Pružný rozptyl
2. Nepružný rozptyl
3. Absorpce jádrem atomu

36
Radiofarmaka a využití otevrených záricu v
medicíne

• 1. Pozitronová 11C, 13N, 15O, 18F
• ? 2-fluoro-2- deoxy-D-glukóza v nádorových a
  zánetlivých bunkách
• Pozitronová emisní tomografie PET
• 2. gama zárice 99mTc,
• Jednofotonová emisní tomografie SPECT
• 3. Scintigrafie 123I, 131I (nefrografie) 81Rb,
  32P, 59Fe
• 4. Radioterapie 131I štítná žláza
• 5. Radioimunoanalýza RIA 125I, 3H

37
Veliciny a jednotky v radiobiologii

• Mezinárodní komise pro radiologické jednotky ICRU
  založená 1925
• Mezinárodní komise pro radiologickou ochranu ICRP
  založená 1928
• Mezinárodní agentura pro atomovou energii IAEA a
  její doporucení
• normy ISO

38
A) Veliciny a jednotky charakterizující zdroje IZ

• ? premenová konstanta podíl pravdepodobnosti
  dP a casu dt , za který se jádro pravdepodobne
  rozpadne s-1
• A aktivita A ? . N pocet rozpadu za sekundu
  Bq becquerel
  starší jednotka Ci curie
• 1 Ci 3,7 . 1010 Bq

39
A) Veliciny a jednotky charakterizující zdroje IZ

• am hmotnostní aktivita Bq kg-1
• av objemová aktivita Bq l-1
• aS plošná aktivita Bq m-2
• f frekvence (vlnová délka)
• E energie zárení eV keV, MeV energie
  elektronu ve spádu 1 V

40
B) Veliciny a jednotky IZ charakterizující pole v
prostoru

• ? hustota (fluence) cástic m-2
• fluencní príkon m-2 s-1
• zárivá energie J
• tok energie J m-2
• hustota toku energie J m-2 s-1 W m-2
  

41
C) Veliciny a jednotky popisující interakci IZ s
hmotou

• Míry interakcí jsou dány
• úcinnými prurezy s míra pravdepodobnosti, že
  dojde k interakci (totální úhlový
  spektrální makroskopický)
• pravdepodobností srážky
• I Io B e µx
• µ S s . ? . Na / M  
• µ lineární soucinitel zeslabení
• Na Avogadrova konstanta
• M molekulová hmotnost
• B rustový faktor pro nové fotony komptonova
  rozptylu
• x síla vrstvy

42
C) Veliciny a jednotky popisující interakci IZ s
hmotou

• Kerma (K) popis prenosu energie u zárení
  ionizujícího neprímo energie predaná na
  cástice nesoucí náboj m2 s-2 Gy grey
• K ? µ / ?
• Dávka (D) popisuje predávání strední energie
  nabitých cástic absorpcí v hmote J kg -1
  Gy grey
• D dE / dm
• U vnitrní kontaminace není mezi K a D rozdíl
• U zevního ozárení jde o kombinaci obou, nebot na
  povrchu kuže se cást fotonu odráží a cást
  elektronu uniká ven
• J kg -1 N m kg -1 kg m s-2 m kg -1
  m2 s-2

43
C) Veliciny a jednotky popisující interakci IZ s
hmotou

• L lineární prenos energie (LET) eV
• L dE / dx
• vyjadruje energii která je pri zpomalování nabité
  cástice predávána elektronum hmoty
• X expozice pouze pro fotonová zárení ve vzduchu
  C kg -1 , starší R rentgen
• X dQ / dm
• Q náboj v coulombech C

44
C) Veliciny a jednotky popisující interakci IZ s
hmotou

• Okamžitou situaci vyjadrují
• Kermová rychlost - príkon Gy s-1
• Dávková rychlost - príkon Gy s-1
• Expozicní rychlost - príkon A kg -1
• A ampér A C . s-1

45
D) Veliciny a jednotky popisující interakce IZ s
živou hmotou

• EKVIVALENTNÍ DÁVKA VE TKÁNI (ORGÁNU) HT
  Sv
• HT wR . DT,R
• wR radiacní vahový faktor
• DT, R Gy prumerná absorbovaná dávka ve
  tkáni T ionizujícím zárením R

46
D) Veliciny a jednotky popisující interakce IZ s
živou hmotou

• EFEKTIVNÍ DÁVKA CELÉHO NEBO CÁSTI TELA E Sv
  
• E wT . HT
• wT tkánový vahový faktor (závisí
• na radiosenzitivite príslušné tkáne)