vznik a vývoj vesmíru

Vznik a vývoj vesmíru

Ve vesmíru převažuje temná

hmota, která rozhodne o jeho

osudu.

Nejčastější skupenství je

plazma.

Sluneční soustava 4,6 miliard let

Radiobiologie potravin

Teze přednášky 2

prof. MVDr. Petr Dvořák, CSc.

FVHE VFU Brno

Vznik prvků

• slučováním kvarků vznikly nukleony a jádra izotopů lehkých prvků vodíku a helia

• jadernou syntézou na povrchu a v jádře hvězd vznikají prvky až po Fe

• další prvky Mendělejevovy soustavy vznikly bombardováním rychlými neutrony po explozi supernov

Základní částice hmoty a jejich interakce

Elementární částice• Svět přesných kopií !• S výjimkou doby života a hmotnosti jsou

všechny vlastnosti kvantovány.• symbióza částic a interačních sil• Volný prostor mnohonásobně převažuje nad

částicemi !• Antihmota je stejně reálná jako hmota,

zrcadlová symetrie částic s opačnými znaménky nenulových kvantových čísel.

Elementární částice

• SPIN – počet možných os rotace celistvý – bosony, polocelistvý – fermiony• NÁBOJ +1; 2/3; 0; 1/3; -1 náboje elektronu• SPECIFICKÉ VLASTNOSTI KVARKŮ „vůně“ d, u, s, c, b, t „barva“ červená, zelená, modrá• Fermiony se řídí Pauliho principem výlučnosti• Leptony jsou nedělitelné• Hadrony – kvarky - preony

Stabilita částic

• stabilní jsou: proton, elektron, neutrino a jejich

antičástice

• volný neutron (poločas přeměny 15 min.) → proton + elektron + antineutrino

Složení hmoty

1. Fotony2. Fermiony leptony (elektron, mion, tauon, neutrina a jejich antičástice) kvarky (u +2/3e- d -1/3e- ) hadrony – mezony baryony (3 kvarky) nukleony proton uud neutron ddu

Interakce částic• Gravitační univerzální, dalekého dosahu, přitažlivá• Elektromagnetická výběrová, dalekého dosahu, přitažlivá i odpudivá• Silná jaderná jen v jádře atomu, přitažlivá i odpudivá, konstruktivní• Slabá jaderná jen v jádře atomu, nejkratšího dosahu, destruktivní

Radioaktivita

Ionizující záření

relativní atomová hmotnost u = jedna 12tina hmotnosti 12C

1 u = 1,66 . 10-27 kg

Základní symboly, izotopy

XZ

A

U92

236

Příklad

počet neutronů N = A – Z

Z protonové číslo A hmotnostní číslo

Příčina nestability jader

• Z 2000 známých nuklidů pouze 266 stabilních• Stabilita = poměr protonů : neutronům• Z < 20 1 : 1, 25 výjimka 1

1H a 32He

• Z > 20 1 : 1, 52 poslední stabilní 209

83Bi

209 nukleonů – 83 protonů = 126 neutronů 126 : 83 = 1,52

Důsledky velikosti vazebné energie nukleonů :

• Železo má nejvyšší vazebnou energie nukleonů. Jedná se o nejstabilnější prvek v přírodě (vyžaduje nejvíce

energie na oddělení nukleonů od sebe – jadernou přeměnu)

Jaderná fúze - energie pochází ze slučování lehkých prvků na těžší (zvýšení vazebné energie na nukleon pro prvky lehčí než železo).

Štěpení jádra - energie pochází z rozdělení těžkých prvků na lehčí (zvýšení vazebné energie na nukleon u prvků těžších než železo).

Energie radioaktivní přeměny

• Exergonický děj [MeV]

Q = Eexcit.jádra + Ekin.částic + Efotonů

Zákon radioaktivní přeměny

• Přeměna konkrétního jádra mástochastický charakter

• N = No . e –λ t

• λ desintegrační (přeměnová) konstanta• t čas za který se sníží No počet jader v

čase t = 0 na počet jader N

Graf závislosti počtu přeměněných jader na čase má exponenciální tvar

0 T 2T čas

N0

N0/2

N0/4

No – počet jader v čase T = 0

oo

Poločasy

• Fyzikální poločas přeměny• Biologický poločas• Efektivní poločas

1/ Tef = 1/Tfyz + 1/Tbiol

• Ekologický poločas

Jaderná geochronologie

1 Ny

t = --- -------- + 1 λ Nx

Ny stabilní nuklidNx nuklid s dlouhým poločasem přeměnyMetoda draslík argonová 40K T = 1,27 . 1010 letUhlíková 14C 12C

Druhy záření

• Korpuskulární x elektromagnetické• Podle ionizace:1. Ionizující přímo2. Ionizující nepřímo3. Neionizující

1.Korpuskulární záření

Ionizující přímo1. Alfa2. Elektronové3. Pozitronové4. ProtonovéIonizující nepřímo1. Neutronové

2. Elektromagnetické záření

Ionizující nepřímo1. Gama2. Röntgenovo3. UV C nad 10 eV nebo λ < 100 nmNeionizující 1. Mikrovlnné2. Radarové3. Infračervené4. Viditelné5. UV A, B, (C)

Vlastnosti ionizujícího záření

• Biologická účinnost1. Podle schopnosti ionizovat2. Podle pronikavosti• Pronikavost1. Podle velikosti náboje2. Podle velikosti částice

Röntgenovo zářeníX rey

• Působením vysokého napětí dojde k urychlení elektronů emitovaných ze žhavené katody. Nárazem do kovového terče anody vzniká emisní záření:

1. Brzdné – spojité energetické spektrum2. Charakteristické – čarové spektrum

CT číslo Hounsfieldova jednotka (HU)

μT - μv denzita (HU) = ---------------- . 1000 μv

μT absorpční koeficient pro tkáň (cm-1) μv absorpční koeficient pro vodu (cm-1) voda HU = 0 vzduch HU = - 1000 maximální hodnota +3000V praxi se používá rozpětí od -120 po + 1000 HU

Záření alfa• Energeticky nestabilní atomové jádro X se

přemění emisí částice (jádro helia) na jádro Y.• PŘÍKLADY VŠEOBECNĚ

• AZX A-4

Z-2Y + 42He

• SPECIÁLNÍ

• 22688Ra 222

86Rn +

Energetické spektrum je čarové.Nejvyšší ionizační schopnost.Nízká pronikavost.Vysoká radiotoxicita při vnitřní kontaminaci.

Záření betaPři přeměnách se přetváří protony (p) a neutrony (n) navzájem. Rozeznáváme 3 procesy:

• 1. elektronové záření β-

při přebytku neutronů v jádře n p + e- + ~

• AZX A

Z+1Y + - + ~

• 3215P 32

16S + - + ~

Záření beta• 2. pozitronové záření β+

při přebytku protonů v jádru 11p1

0n + + + • A

ZX AZ-1Y + + +

• 189F 18

8O + + + • 3. zachycení elektronů sféry K při přebytku protonů v jádře p + e- n + Emise elmg. záření zpětným přeskokem e- do mezer

vzniklých záchytem (K- dráha)• A

ZX + e- AZ-1Y + (kvark u → d + )

• 5425Mn + e- 54

24Cr + (+2/3 – 1 = -1/3 náboje e-)

189

Záření beta

• Energetické spektrum spojité• Druhá nejvyšší ionizace• Třetí nejpronikavější• Proniká do podkoží (beta popáleniny)• Vysoká radiotoxicita při vnitřní

kontaminaci.

Záření gama – vzniká přeskokem kvant z úrovně excitace

jádra Y* do níže ležící energetické hladiny. Nastupuje ve spojení s - rozpadem nebo - přeměnou.

• X Y* + , Y* Y + • 60

27Co 6028Ni* + -

6028Ni* 60

28 Ni + Nižší ionizační schopnost. Nejvyšší pronikavost. Energetické spektrum čarové.Jak vnější ozáření, tak i vnitřní kontaminace.

Neutronové záření

• Vzniká při jaderných reakcích, např. štěpení jádra, využívá se alfazářičů (neutronový generátor).

A (x,y) B, 94Be + → n + 12

6C 235U(x,y 2-5 n), • Energetické spektrum spojité.• Druhé nejpronikavější.• Stupeň ionizace je dán energií neutronů.• Významné zejména při vnějším ozáření.• Schopnost indukované radioaktivity (především

nízkoenergetické-pomalé rezonanční neutrony).• Průmyslové využití (výroba radionuklidů, jaderný

reaktor, neutronová bomba).

INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S HMOTOU

I. ČÁSTICOVÁ ZÁŘENÍ NESOUCÍ NÁBOJ

Excitace Ionizace

Změny v jádře atomu u α záření Brzdné záření u β záření

Anihilace hmoty (pozitron, elektron) Braggova křivka Čerenkovo záření

INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S HMOTOU II. FOTONOVÁ ZÁŘENÍ

– Fotoelektrický jev – fotoefekt– Comptonův rozptyl– Tvorba elektron-pozitronového páru– Změny v jádře atomu

FOTONOVÁ ZÁŘENÍ pravděpodobnost interakce v závislosti na energii

10-200 keV do 2 MeV do 20 MeV nad 20MeVP až 99 % až 99 % asi 50 % asi 1 %

INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S HMOTOU III. NEUTRONOVÉ ZÁŘENÍ

1. Pružný rozptyl2. Nepružný rozptyl3. Absorpce jádrem atomu

Radiofarmaka a využití otevřených zářičů v medicíně

1. Pozitronová 11C, 13N, 15O, 18F ↑ 2-fluoro-2- deoxy-D-glukóza v nádorových a

zánětlivých buňkách• Pozitronová emisní tomografie PET2. gama zářiče 99mTc, • Jednofotonová emisní tomografie SPECT3. Scintigrafie 123I, 131I (nefrografie) 81Rb, 32P, 59Fe4. Radioterapie 131I – štítná žláza 5. Radioimunoanalýza RIA 125I, 3H

Veličiny 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 doporučení

• normy ISO

A) Veličiny a jednotky charakterizující zdroje IZ

• λ přeměnová konstanta – podíl pravděpodobnosti dP a času dt , za který se jádro pravděpodobně rozpadne [ s-1 ]

• A aktivita A = λ . N počet rozpadů za sekundu [ Bq ] becquerel starší jednotka [ Ci ] curie

1 Ci = 3,7 . 1010 Bq

A) Veličiny 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 záření [ eV ] [ keV, MeV ]

energie elektronu ve spádu 1 V

B) Veličiny a jednotky IZ charakterizující pole v prostoru

• Ψ hustota (fluence) částic [ m-2 ] • fluenční příkon [ m-2 s-1]• zářivá energie [ J ] • tok energie [ J m-2 ] • hustota toku energie [J m-2 s-1] = [ W m-2 ]

C) Veličiny a jednotky popisující interakci IZ s hmotou

Míry interakcí jsou dány:• účinnými průřezy σ – míra pravděpodobnosti, že dojde k

interakci (totální; úhlový; spektrální; makroskopický)• pravděpodobností srážky

I = Io B e –μx

μ = Σ σ . ρ . Na / M μ lineární součinitel zeslabeníNa Avogadrova konstantaM molekulová hmotnostB růstový faktor pro nové fotony komptonova rozptylux síla vrstvy


• Kerma (K) – popis přenosu energie u záření ionizujícího nepřímo = energie předaná na částice nesoucí náboj [ m2 s-2 ] = [Gy] grey

K = Ψ μ / ρ • Dávka (D) popisuje předávání střední energie nabitých

částic absorpcí v hmotě [ J kg -1 ] = [Gy] greyD = dE / dm

• U vnitřní kontaminace není mezi K a D rozdíl• U zevního ozáření jde o kombinaci obou, neboť na

povrchu kůže se část fotonů odráží a část elektronů uniká ven

• J kg -1 = N m kg -1 = kg m s-2 m kg -1 = m2 s-2


• L lineární přenos energie (LET) [ eV ] L = dE / dx

vyjadřuje energii která je při zpomalování nabité částice předávána elektronům hmoty

• X expozice pouze pro fotonová záření ve vzduchu [ C kg -1 ] , starší [R] rentgen

X = dQ / dm Q náboj v coulombech [C]


Okamžitou situaci vyjadřují• Kermová rychlost - příkon [ Gy s-1]• Dávková rychlost - příkon [ Gy s-1]• Expoziční rychlost - příkon [ A kg -1 ] A ampér A = C . s-1

D) Veličiny a jednotky popisující interakce IZ s živou hmotou

EKVIVALENTNÍ DÁVKA VE TKÁNI (ORGÁNU) HT [ Sv ]

HT = wR . DT,R

• wR radiační vahový faktor• DT, R [Gy] průměrná absorbovaná dávka

ve tkáni T ionizujícím zářením R

D) Veličiny a jednotky popisující interakce IZ s živou hmotou

• EFEKTIVNÍ DÁVKA CELÉHO NEBO ČÁSTI TĚLA E [ Sv ]

E = wT . HT

• wT tkáňový vahový faktor (závisí na radiosenzitivitě příslušné tkáně)

vznik a vývoj vesmíru

Documents