Noţiuni de fizica radiaţiilor

2014

Generalităţi

• Generarea radiaţiei, transportul şi interacţia cu materia sunt procese fizice:

deşi radiaţia nu poate fi văzută sau simţită, ea poate fi foarte bine descrisă şi cuantificată din punct de vedere fizic;

ea poate fi determinată cu precizie folosind mijloace experimentale adecvate.

Cuprins

Structura atomului Radioactivitatea Tipuri de radiaţii ionizanteInteracţia radiaţiei cu materia

Structura atomului

• Atomul este alcătuit din nucleu şi înveliş electronic.

• Nucleul la rândul lui este alcătuit din particule mai mici: protoni şi neutroni.

• Protonii+neutronii (nucleonii) alcătuiesc nucleul.

• Numărul protonilor este egal cu numărul electronilor.

• Nucleul are sarcină pozitivă egală ca mărime cu a electronilor dar de semn contrar, fapt pentru care atomul este neutru din punct de vedere electric.

Atomul

Electroni Nucleoni

Structura atomului

• Numărul de protoni (electroni) din nucleu, notat cu Z, constituie numărul atomic.

• Masa electronului este mult mai mică decât a protonului.

• Masa neutronului egală cu cea a protonului ~1u.a.t.

• Masa atomului, A, este egală cu masa protonilor+neutronilor deci de fapt cu numărul de protoni+neutroni.

Structura atomului

• Electronii gravitează în jurul atomului pe orbitali.• Fiecare orbital corespunde unui anumit nivel de energie.• Pentru a îndepărta un electron din nucleu trebuie cheltuită o

anumită energie numită energie de legătură. • Această energie este mai mare pentru straturile interioare şi scade

rapid spre straturile exterioare.• În schimb energia proprie electronilor este mai mare la electronii de

pe straturile exterioare.

ATOMUL

Energia de legătură a electronului

Tipuri de radiaţii

Radiaţii

Neionizante

Ionizante

Direct ionizante

(particule încărcate)

Indirect ionizante

(particule fără sarcină electrică)

Radiaţia ionizantă

• Energie suficientă pentru a rupe legăturile moleculare şi a ioniza atomul (scoate un electron sau adăugă unul atomului neutru, din punct de vedere electric).

• Va lua astfel naştere un ion (“încărcat”: + sau -).

• Ionul va afecta legăturile chimice.• Dacă ionul afectează (fie direct, fie

indirect) molecule critice, cum ar fi ADN-ul, rezultatul ar putea fi lezarea, mutaţia sau moartea celulei.

Radiaţia ionizantă

• Când pacientul este expus la radiaţii X, milioane de fotoni trec printrupul lui.

• Aceştia pot deteriora prin ionizare orice moleculă.• Deteriorarea ADN-ul din cromozomi are o importanţă deosebită. • De cele mai multe deteriorarea ADN-ului este reparată imediat, dar, uneori o

porţiune dintr-un cromozom poate fi modificată permanent (spunem că apare o mutaţie). Acest lucru poate duce în timp la formarea unei tumori maligne.

• Perioada de latenţă între expunerea la radiaţii X şi diagnosticarea clinicăa tumorei poate fi de mai mulţi ani.

• Riscul de a fi o tumoră produsă de o anumită doză de radiaţii X poate fi estimat, din acest motiv este important să cunoaştem dozele primite de populaţie prin diferitele proceduri de radiodiagnostic.

Tipuri de radiaţii ionizante

• Radiaţia direct ionizantă - energia este depusă de particulă în mod direct în materie (electroni, protoni - toate particulele încărcate electric).

• Radiaţia indirect ionizantă - particula primară transferă energia particulei secundare, care la rândul său va determina ionizarea (radiaţii X,radiaţii gama, neutroni - toate particulele fără sarcină electrică).

Radioactivitatea

• Radiaţile sunt o parte esenţială a vieţii de zi cu zi. • De la naştere, suntem expuşi la radiaţii de razele cosmice, de elementele

radioactive existente în sol, în materiale de construcţii şi chiar în alimentele şi băuturile pe care le consumăm.

• De fapt, chiar şi corpul uman conţine cantităţi mici de substanţe radioactive (în formă de radioizotopi de potasiu, cesiu şi radiu). Un corp de adult tipic emite aproximativ 24.000 radiaţii gamma pe minut, ceea ce reprezintă o cantitate foarte mică de radiaţii.

Radioactivitatea

• Nu numai că radiaţiile sunt o parte esenţială a vieţii noastre dar acestea sunt folosite pentru a o îmbunătăţi.

• Acesta este rolul prestatorilor de servicii medicale de a utiliza radiaţiile ionizante în medicină eficient astfel încât să maximizeze beneficiul şi să minimizeze riscul.

• Cu toate aceste potenţiale beneficii utilizarea radiaţiilor este însoţită de un risc ca multe alte beneficii ale vieţii umane.

• De exemplu, atunci când o persoană merge cu maşina la piaţă pentru a cumpăra alimente, el/ea are un risc mic de a intra în coliziune cu alt autovehicul. Cu toate acestea, beneficiul merge la magazin pentru a cumpăra alimente beneficiul fiind mai mare decât riscul de a intra în coliziune cu o altă maşină. Radiaţiile aduc beneficii există de asemenea, un risc mic asociat cu utilizarea acestora.

• Cel mai important lucru este menţinerea covârşitoare a beneficiilor în defavoarea riscurilor.

• Care este motivul pentru care oamenii de ştiinţă şi profesioniştii din domeniul medical vorbesc despre radiaţiile ionizante în zilele noastre? Şi care este motivul pentru care noi discutăm acest subiect? Numărul de teste medicale care folosesc radiatii ionizante este în creştere în întreaga lume. Organizaţia Naţiunilor Unite Comitetul ştiinţific pentru efectele radiaţiilor Atomice [UNSCEAR 2008] estimează că la nivel mondial se fac anual aproape 3,6 miliarde de examinări cu radiaţii X.

• Există un risc atunci când radiaţiile sunt utilizate pentru diagnostic sau tratamentul unor boli.

• Radiaţiile X generate de maşinile care ne ajută să vedem în interiorul corpului uman oferă o sursă de expunere la radiaţii, care este în plus faţă de la radiaţiile ionizante prezente în jurul nostru.

• Aceste maşini produc fascicule de radiaţii X de energii şi intensităţi diferite. • Riscul variază în funcţie de energia şi intensitatea radiaţiilor X folosite, de

vârsta şi sexul persoanei, de partea corpului expusă şi de alţi factori, cum ar fi istoricul de cancer al familiei persoanei expuse.

• S-a dovedit că radiaţiile ionizante sunt dăunătoare în doze mari. • Nu este sigur dacă nu există prejudicii directe de la doze mult mai mici de

radiaţii ionizante, care sunt utilizate în testele medicale pentru diagnostic în situaţii controlate. Este important să se înţeleagă faptul că riscul ca pote varia în funcţie de doză.

• S-a demonstrat că riscul variază pentru diferite grupuri de oameni. Pentru persoanele în vârstă, riscul este relativ mic. Pentru copiii şi femeile tinere, riscul este probabil mai mare.

• Oamenii de ştiinţă cred, de asemenea, că riscul este cumulativ. Asta înseamnă că există un risc mai mare pentru persoanele expuse de mai multe ori.

• Ar trebui amintit faptul că, atât timp cât persoana va avea un beneficiu în urma expunerii (cu alte cuvinte, testul este justificat), cel mai probabil, beneficiile depăşesc cu mult riscurile.

Radioactivitatea

Tipuri de radioactivitate:• Radioactivitatea naturală Datorită proprietăţilor fizice inerente, un nucleu s-ar putea să nu fie

stabil şi să fie dispus să sufere o transformare nucleară.

• Radioactivitatea artificială

Transformarea are loc în mod artificial datorită intervenţiei omului (activarea unor nuclizi, reacţii de fisiune sau fuziune).

Sursă de radiaţii

• Orice emiţător de radiaţii ionizante, inclusiv orice material radioactiv şi orice dispozitiv generator de radiaţii ionizante.

Sursă închisă

• SURSĂ RADIOACTIVĂ A CĂREI STRUCTURĂ ESTE ASTFEL ÎNCÂT SĂ PREVINĂ, ÎN CONDIŢII NORMALE DE UTILIZARE, ORICE DISPERSIE ÎN MEDIU A MATERIALELOR RADIOACTIVE CONŢINUTE

Sursă deschisă

• O SURSĂ RADIOACTIVĂ CARE NU ÎNDEPLINEŞTE CONDIŢIA DIN DEFINIŢIA DE MAI SUS.

Radiaţia ionizantă

• Radioactivitatea este UNA din sursele pentru producerea radiaţiei ionizante.

• Depune în materie o cantitate de energie care este suficientă pentru a determina ruperea unor legături chimice.

• O particulă de radiaţie deseori depune energie în mai multe locuri - fie în mod direct, fie pe calea formării unor alte particule.

Tipuri de radiaţii ionizante

• fascicule de radiaţii X şi gama = fotoni;• fascicule de radiaţii beta - electronii - sarcina negativă;• fascicule de neutroni; • fascicule de protoni - sarcina pozitivă;• particule alfa şi particule încărcate grele.

Tipuri de dezintegrări:

2 protoni+2 neutroni

particule alfa (nuclee de heliu) - “grea”, sarcină pozitivă

dublă, interacţionează puternic cu materia.

Dezintegrarea alfa:

Tipuri de dezintegrări:

particule beta

particule beta (1electron) - particulă uşoară,

interacţionează lent, parcurs relativ mic.

Dezintegrarea beta:

Tipuri de dezintegrări:

radiaţie gama – fotoni (radiaţie

electromagnetica)

Dezintegrarea gama:

FotoniiMici pachete de energie

Tubul de radiaţii X pentru producerea de radiaţii X joase şi medii

Radiaţia X caracteristică

• Procesul începe cu scoaterea prin ionizare a unui electron, în principal de pe nivelul K (este posibil şi de pe L, M,…).

• Electronii de pe nivelele L sau M coboară pe locul vacant creat pe nivelul K.

• Diferenţa de energie este emisă ca fotoni.• Poate avea loc o succesiune de tranziţii de electroni între nivelele de

energie. • Energia fotonilor emişi este caracteristică atomului respectiv.• Radiaţia X caracteristică reprezintă numai câteva procente din radiaţia X

produsă în tub.

Producerea radiaţiei X de frânare

• Radiaţiile X din fascicul sunt produse în principal prin procesul de frânare a electronilor.

• Cu cât este mai mare numărul atomic al ţintei, cu atât mai mare este randamentul de producere.

• Cu cât este mai mare energia incidentă a electronului, cu atât mai mare este probabilitatea de producere a radiaţiei X.

• De la o anumită energie a electronului, probabilitatea de generare a radiaţiei X scade cu creşterea energiei electronului.

Interacţia radiaţiei X cu materia

• Principalele tipuri de interacţie ale fotonilor cu materia sunt:

împrăştierea coerentă efectul fotoelectric efectul Compton formare de perechi

Împrăştierea coerentă

• Apare când un foton de mică energie excită un atom, fără pierdere netă de energie.

• Nu are nici o contribuţie la doză.• La energia radiaţiei X utilizate în radiodiagnostic contribuţia

împrăştierii coerente la interacţia cu materia este de circa 5%.

Efectul fotoelectric

• Apare când un foton este absorbit total de un electron de pe un nivel interior (puternic legat).

• Ca urmare a energiei primite electronul este scos de pe orbită – emisie de fotoelectroni atomul rămâne cu sarcină pozitivă.

• Locul rămas vacant este ocupat de un electron de pe un nivel exterior iar excesul de energie este emis sub formă de radiaţie caracteristică sau electroni Auger.

• Fotoelectronii au energia egală cu diferenţa dintre energia fotonului absorbit şi energia de legătură a electronului emis.

Efectul Compton

• Împrăştierea Compton apare la interacţia fotonilor cu electronii slab legaţi de pe nivele exterioare.

• Din interacţie rezultă un foton cu energia mai mică decât a fotonului incident emis la un unghi faţă de direcţia de mişcare a fotonului incident, cu atât mai mic cu cât energia fotonului incident este mai mare şi un electron de recul care preia energia pierdută de foton.

• Electronul are energie maximă când fotonul de rezultat din interacţie este retroîmprăştiat (este emis la 1800 faţă de direcţia de mişcare a celui incident).

• Atomul rămâne ionizat pozitiv.• Probabilitatea de apariţie a efectului Compton este proporţională cu Z.

Împrăştierea Compton

Are efecte asupra: • calităţii imaginii;

• dozei absorbite de pacient;

• cantităţii de radiaţii X împrăştiate din încăperea în care se face

expunerea.

Formarea de perechi

• Producerea de perechi apare când fotonul interacţionează cu nucleul atomului.

• Fotonul dispare şi apare o pereche pozitron-electron cu energia de repaus egală cu 0,511MeV.

• Energia de prag a acestei interacţii este de 1,022MeV.• Aceste interacţii contează numai la energiile foarte mari ale fotonilor

produşi în acceleratorii de particule.