Temel Kavramlar ve Radyasyon Birimleri · Kozmik ışınlardan 1 saatte alınan radyasyon dozunun...

Temel Kavramlar ve

Radyasyon Birimleri

Uzm.Fiz.Bağnu UysalDEÜ Nükleer Tıp AD

UNTK 04 Nisan 2015Teknisyen Kursu

MADDENİN TEMEL YAPISI VE ATOM

• Moleküller maddenin fiziksel ve kimyasal özelliklerini kaybetmedenbölünebilecek en küçük parçacıklarıdır.

• Molekülleri oluşturan temel yapı taşları atomlardır.

• Radyoaktif parçalanmalar dışında atomlar başka bir maddeyedönüştürülemez.

• Aynı cins atomların bir araya gelerek oluşturdukları maddeye ise elementdenir.

04/04/2015UNTK 2015 Teknisyen Kursu

Bohr Atomu

1. Atomda elektronlar daireselyörüngeler üzerinde hareket edebilirler.

2. Elektronlar hareket ettikleriyörüngeye belli bir enerji ile bağlı olup,yörünge değiştirmedikçe hiçbir ışımadabulunmazlar.

3. Bir elektron aldığı enerji ile dahaüst yörüngelere geçebilir veya enerjivererek alt yörüngelere inebilir. Busırada elektronun ayrıldığı ve geldiğiyörüngelerdeki enerjilerin farkına eşit birfoton yayınlanır.


Summerfield Atom Modeli

Summerfield, elektron yörüngelerinineliptik şekilde olduğunu, yörüngelerin kendi içinde alt tabakalarının olduğunu İspatlamış.


ATOMİK YAPI 2n2

n=1.2.3…

p ppn n

n

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

E1 E2 E3


ELEMENTLERİN GÖSTERİLİŞİ

xA

Z

X:Kimyasal Simge

A:Kütle numarası (proton sayısı+nötron sayısı)

Z:Atom numarası (proton sayısı)

Tc99


Yörünge Enerji Seviyeleri

• Bir atomun yapısı en basit şekilde güneş sistemininyapısına benzer.

• Güneş etrafında dönen uydular da atomunelektronlarına benzetilebilir.

• Gezegenler güneş etrafında dönerken, birbirleriyleyapısal mesafelerini aynen muhafaza ederler.

• Elektronlar da aynı şekilde çekirdek etrafındadönerken yapısal olarak konumlarını muhafazaederler.

• Güneş etrafındaki yörüngelerin eliptik olmasınabenzer şekilde, elektron yörüngeleri de eliptiktir.


Yörünge Enerji Seviyeleri

• Elektronların uzaysal konumlarıherhangi bir enerji etkisi ile bozulursa,çekirdeğe doğru ya da dış yörüngeleredoğru elektron geçişleri olur.

• Elektronların yörüngeler arasındageçişleri, bağlanma enerjileri veelektronların kendi konum enerjileri ileaçıklanır.


Elektron Bağlanma Enerjileri

• Elektronlar çekirdek etrafındayörünge olarak adlandırılan enerjikatmanlarında dolanırlar.

• Her elektronun hızındankaynaklanan bir kinetik enerjisi,çekirdekten uzaklığına bağlı olarakda sahip olduğu bir potansiyelenerjisi vardır.


Elektron Bağlanma Enerjileri

• Elektronların sahip oldukları enerji dış tabakalara doğrugidildikçe artar.

• Bu sayede çekirdek çevresindeki elektronlar yüksek hızlarladönmelerine rağmen konumlarını muhafaza ederler.

• Elektronları bulundukları yörüngeden bir üst yörüngeyeçıkarmak için gerekli enerjiye bağlanma enerjisi denilir.

• Tabakaların bağlanma enerjileri içten dışa doğru gidildikçeazalır (KB> LB>, MB...).


İzotop:Bir elementin aynı sayıda proton farklı sayıda nötron içeren iki yada daha fazla sayıda bulunan formudur.Stabil veya radyoaktif olabilirler. Aynı element oldukları için kimyasal davranışlarıaynıdır.

Hidrojenin 3 izotopu vardır

H HH11

1

2

13

En çok bulunan formu

Tabiatta bulunan toplam iztopların binde 8 i

İnsan yapımı izotop


İzoton:Nötron sayıları aynı kütle ve atom numaraları farklı nüklidlerdir.

Tc RuMo42

98

43

99

44

100

İzobar:Kütle numarası aynı, atom numarası farklı nüklidlerdir.

TcRu Mo42

99

43

99

44

99

İzomer:Kütle numarası, atom numarası ve kimyasal davranışları aynı olan nüklidlerden birveya bir kaçının bir süre için uyarılmış yüksek enerji düzeyinden daha düşük enerjidüzeyine geçmesidir.

Tc99m Tc99γ


Uyarılma-İyonizasyon

• Elektronlardan biri dışarıdan aldığı enerji ile dış yörüngelerden birineçıkabilir ki, bu olaya uyarılma (eksitasyon) denilir.

• Şayet elektronun aldığı enerji tüm tabakaların bağlanma enerjisini aşarsa,o zaman elektron atomdan dışarı fırlar ki, bu olaya da iyonizasyon denir.

• Bir elektronunu kaybeden atom artık nötr olmayıp, pozitif yüklü iyonhaline dönüşmüş olur.


Çekirdeğin Uyarılması

Çekirdeğe dışarıdan herhangi bir şekilde enerji verilmesi halinde, çekirdektekinükleonların temel durumlarına göre daha fazla titreşim hareketi yapmasına oçekirdeğin uyarılması denir.


Metastabl Hal

• Nükleonların dışarıdan aldıkları enerji ile hareket kabiliyetleriartabilir ve temel enerji seviyesinin üzerine çıkabilirler. Buolaya uyarılma (eksitasyon) denir.

• Burada çok kısa süre kalıp, tekrar temel seviyeye dönerler.Bazı nüklidlere ait olmak üzere, temel hal ile uyarılmış halarasında bir geçiş hali olan metastabl hal daha vardır.

• Bu duruma bazen izomerik hal de denir.• Uyarılmış hal ile metastabl hal arası ~ 10-12 sn.• Bazı metastabl hallerin süresi birkaç saat sürebilir.• Metastabl durumdaki nüklid kütle numarasının yanına "m"

harfi konularak gösterilir (AmX veya X-Am).

• Nükleer tıpta sıklıkla kullanılan 99mTc metastabl hale bir örnektir.

99mTc ile 99Tc ise birbirinin izomeridir.

Metastabl hal


Elementlerde N/P oranı 1 - 1.5arasında iken kararlılık görülür.

n/p oranı 1.5 - 2.5 arasındakielementler doğal radyoaktif ,

n/p oranı 2.5'tan büyük olanelementlerde ise suniradyoaktiflik ortaya çıkar.

Radyoaktiflik


RADYASYON

• Radyasyonun nükleer tıptaki anlamı enerji geçişidir. Temel olarak iki özel tipi vardır.

• 1 .Partiküler radyasyon: Alfa (α) ve beta (β+, β-) radyasyonları partiküler (tanecik) tipte radyasyondur. Partiküler radyasyon, taneciklerin yüksek hızla kazandıkları kinetik enerji olarak tanımlanır.

• 2. Elektromagnetik radyasyon: Gama (γ) ve X-ışınları elektromagnetik radyasyon sınıfına girerler. Elektromagnetik radyasyon, enerjinin uzayda ışık hızıyla titreşerek taşınması anlamına gelir.


RADYOAKTİVİTE

Doğal Radyoakvite Yapay RadyoakviteA> 82

İnsan YapımıKozmik ışınlar

Fosil yakıtlar

Vücudumuzda bulunan radyoaktif element Radon Gazı


Kozmik ışınlardan 1 saatte alınan radyasyon dozunun yüksekliğe göre değişimi.


RADYOAKTİF BOZUNMA

Enerji fazlalığı olan atom çekirdeklerinin bir parçacık veya ışın salarak daha kararlı başka bir çekirdeğe dönüşmesi olayıdır.

Alfa ışınlarıBeta ışınlarıGama ışınları


RADYOAKTİF BOZUNMA

• Her radyoaktif bozunmadan sonra yeni bir çekirdek oluşur.• Yeni çekirdek bozunmaya hazır ya da stabildir.• Bozunan çekirdek sayısı zamanla azalır.• Azalma zamana göre eksponansiyel olarak değişir.• Her bozunmadan sonra kalan çekirdek zaman ilerledikçe lineer değişim

göstermez.• Hangi çekirdeğin ne zaman bozunmaya uğrayacağı önceden

bilinmez.İhtimal hesapları ile ne sürede ne kadar çekirdeğin bozunmayauğrayacağı hesap edilebilir.

• Sıcaklık,basınç,kimyasal olaylardan etkilenmez.


Alfa Bozunumu

Pu240 U94

236

92+ α + QE

42


Radyoaktif parçalanma çekirdeksel bir dönüşümdür.

Radium

R226

88 proton138 nötron

Radon

Rn222

86 proton136 nötron

+ nnp

p

α (4He)2 proton2 nötron

Ra226 Rn88

222

86+ α


Alfa Parçacığı

Helyum Atomunun Çekirdeğidir.

Ağır Çekirdeklerden Fırlatılır.

Çekirdeğin Atom Nosu 2 Kütle Nosu 4 azalır.

Çıkış hızları v= 1.5 - 2 10 9 cm/s dir.

Havadaki yolları 5 -7 cm dir.


Beta Bozunumu β-

Beta taneciği çekirdekten fırlatılan hızlı elektronlardır.

Nötron Sayısı fazla olan çekirdeklerde

14C → 14N + β- + ν

C14

6 protons8 neutrons

N14

7 protons7 neutrons

+ e-

electron(beta-particle)

n → p + β- + ν


Beta Bozunumu β+

Proton sayısı fazla olan çekirdeklerde

12N → 12C + β+ + ν

C12

7 proton5 nötron

N12

6 proton6 nötron

+ e+

pozitron(beta-parçacığı)

p → n + β+ + ν


Beta Parçacığı

Rölativistik hızla hareket ederler.

Çekirdeklerden fırlatılan hızlı elektronlardır.

Havada ki yolları 3 m kadardır.

Çekirdeğin Atom Nosu değişir Kütle Nosu değişmez.

İyonizasyon yetenekleri alfalara göre düşüktür.

Penetrasyon yetenekleri alfalara göre yüksektir.


Gama Parçalanması

Çekirdekten yayınlanan yüksek enerjili elektromanyetik dalgalardır.

γ+→ XX AZ

AZ *


Gama Parçalanması

α yayınlanmasında çıkan γ lar

Ra226 Rn88

22286

+ He 42

+ Qα

Ra226

884.795 Mev

Rn22286

Rn22286

*0.189 Mev

0 Mev

α2= 4.795 Mev α1=4.611 Mev

0.189 Mev

(uyarılmış)

(taban)04/04/2015UNTK 2015 Teknisyen Kursu

Gama Parçalanması

γ X X AZ

AZ +→

γC C 126

*126 +→

ν e C B -*126

125 ++→

β yayınlanmasında çıkan γ lar


Gama Parçalanması

Işık hızıyla hareket ederler.

Yüksek enerjili EMD dir.

Havadaki menzilleri sonsuzdur.

Yüksüzdürler

İyonizasyon yetenekleri alfa ve betalara göre düşüktür.

Penetrasyon yetenekleri yüksektir.


Elektromagnetik Dalgaların Genel Özellikleri

• Elektromagnetik dalgalar uzayda enine dalga şeklinde, ışık hızıyla hareket ederler.

• Elektromagnetik dalgalar bir sinüs eğrisi şeklinde yayılırlar.

• Elektromagnetik radyasyonların dalga boyu kısaldıkça veya frekansı arttıkça enerjisi artar, fakat hızı değişmez.

Uzun dalga boylu Kısa dalga boylu Çok kısa dalga boylu

X ve γ ışınları her ikisi de elektromagnetik radyasyondur.Farkları: Orijinleri (meydana geliş yerleri) farklıdır.


Elektromanyetik Spektrum


X ışını ve gamma ışını arasındaki fark


−γ ışınları

Fotoelektrik

(Hv>Eb)

Compton Çift oluşumu

Gama Işınlarının Madde İle Etkileşmesi


Fotoelektrik Compton Çift oluşumu

Fotoelektron Compton elektronu Pozitron-elektron çifti

X-ışınları Compton saçılan fotonu Yok olmafotonları


Düşük enerjili (100 Kev altı) gama ışınları

Orta enerjili (100 Kev üstü) gama ışınları

Yüksek enerjili (1.02 Mev üstü) gama ışınları

Fotoelektrik soğurulma

Compton saçılması

Çift oluşum olayı


FOTOELEKTRİK OLAY


COMPTON OLAYI

θ


Çift oluşum

• Enerji yüklü bir foton yüklü partiküllerin elektrik alanınagirdiği zaman çift oluşum olayı meydana gelir.

• Bu olay fotonun çekirdeğinin yakınından geçerken meydanagelmekle birlikte bazen de foton elektronun yakınındangeçerken de meydana gelebilir.

• Foton enerjisini kaybedip tamamen kaybolur ve biri pozitifdiğeri negatif iki elektron salınır.


YOKOLMA OLAYI


Fotoelektrik olay Compton olayı

Çift Oluşum Yokolma olayı


Frenleme Işınımı

• Bir beta partikülü bir atomun nukleusu yanından geçerken, hızı (enerjisi) azalır veyönü değişir. Azalan kinetik enerji x ışını salınımına neden olur. X ray tüplerindeX ışını oluşum mekanizması budur.


Elektron Yakalama

• Çekirdek, içindeki protonlardan dolayı kuvvetli bir pozitif çekim gücüne sahiptir.

• Elektronlar çekirdeğe en yakın olan K tabakasında dolanırken çekirdeğin çekim gücü etkisi ile çekirdek içine düşerler. Bu olaya Elektron Yakalama (EC) denir.

• Bu durum her element için geçerli olmayıp sadece EC ile bozunan çekirdeklerde görülür.

• Örneğin: Co-57, Cr-51, Ga-67, Ge-68, I-125, In-111, Tl-201

p+ + e- n + υ

AZXN A

Z-1 YN+1 + υ

12553I72 125

52 Te73+υ

UNTK 2015 Teknisyen Kursu 04/04/2015

Elektron Yakalama (EC)

e-

e-

e-

e-

e-e-

e-

e-

e-

e-

e-

E1 E2 E3

X- ışını(1)

(2)(3)


İç Dönüşüm

Çekirdek K veya L tabakasından 1 e- çekerek alır ve eksite hale geçer.Eksitasyonenerjisi bir gama fotonu olarak salınır. Bu gama fotonu bir orbital elektronunaçarparak onu dışarı fırlatabilir, bu elektron konversiyon elektronu adını alır. 1 e- vebir foton salınımı olur.


İnternal Konversiyon (İç Dönüşüm)

e-

e-

e-

e-

e-e-

e-

e-

e-

e-

e-

E1 E2 E3

X- ışını

(1)

(3)

(2)(4)


İç yörüngelerden uyarılan bir atomda meydana gelen birboşluk üst tabakalardan elektron geçişi gözlenir.Ortaya çıkan enerji bir dış yörüngedeki elektronu sökmekiçin kullanılırsa, ışımasız bir geçiş yapar ve fazla enerjisinidışarı atar. Olayı Auger olayı, sökülen elektrona da Augerelektronu denilir

Auger Olayı

04/04/2015UNTK 2015 Teknisyen Kursu 49

Auger Elektronu

e-

e-

e-

e-

e-e-

e-

e-

e-

e-

e-

E1 E2 E3

γ fotonu

(1)

(3)

(2)

(4)


RADYOAKTİF BOZUNMA KANUNU

dN = - λNdtdN= dt zaman aralığında parçalanan atomların sayısıN = t anında parçalanmamış atomların sayısıλ = -dN/N / dt = birim zamanda parçalanma ihtimali.dN/N = - λ dtN = C e - λ t

t = 0 N= No C = No

N = No e - λ t


Parçalanma formülü

Nt = No e - λ t

Nt = Belli bir t anında atom sayısıN0= Zaman başlangıcındaki atomların sayısı

λ = Parçalanma sabitit = Süre- = Azalmayı gösterir.


Aktivite

Bir radyoaktif çekirdek başka bir radyoaktif çekirdeğe dönüştüğüzaman bu değişim bozunma( decay ) ya da parçalanma (desintegrasyon ) olarak adlandırılır.

A = -λN = dN / dt= - λ N0 e- λ t

A = A0 e- λ t

A= Aktiflik = parçalanma hızı


Fiziksel Yarı ÖmürT1/2

Belli bir başlangıçtaki radyoaktif atomların sayısının yarıya inmesiiçin geçen süredir.

N = No / 2 t = T1/2

N = No e- λ t

No/2 = No e- λ t

2 = e λ t

λ t = Log2 = 0.693T1/2 = 0.693 / λ


Biyolojik Yarı Ömür (Tb )

Vücuda alınan radyoaktif maddelerin biyolojik yollardan (idrar,terleme, solunum vb. ) vücut dışına atılarak başlangıçtaki miktarınınyarıya inmesi için geçen süreye denir.

Efektif Yarı Ömür ( Te )

Fizik yarılanma ve biyolojik eliminasyon ile radyonüklidlerinbaşlangıçtaki miktarlarının yarıya düşmesi için geçen süredir.

Te = Tf x Tb / Tf +Tb


RADYOAKTİVİTE BİRİMLERİ


Aktivite Birimi

• Özel birim: Curie (Ci)• SI birimi : Becquerel (Bq)

• "Curie (Ci): Bir saniyede 3.7x1010 parçalanma yapan radyoaktif madde miktarı

• 1 Becquerel, saniyede bir parçalanma yapan aktivite miktarı

• 1 Ci = 1000 mCi 1 mCi = 37 MBq• 1 mCi = 1000 µCi 1 µCi = 37 KBq• 1 Ci = 3.7 x 1010 Bq


Işınlama Birimi

• Özel birim : Röntgen (R)• SI birimi : Coulomb/kg (C/kg)

• Işınlama, X ve gama ışınlarının havayı ışınlama kabiliyetinin bir ölçüsüdür.

• Işınlama birimi Röntgen, normal hava şartlarında (0o ve 760 mmHg basıncı) havanın 1 kg'ında 2.58 x 10-4 Coulom'luk elektrik yükü değerinde (+) ve (-) iyonlar oluşturan X ve gama radyasyon miktarıdır.

• 1 Coulomb/kg : Normal hava şartlarında havanın 1 kg'ında 1 Coulom'luk elektrik yükü değerinde (+) ve ( - ) iyonlar oluşturan X ve γ radyasyon miktarıdır.

• 1 C/kg = 3.876 x 103 R• 1 R = 2.58 x 10-4 C / kg şeklinde verilir.


Absorblanmış Doz,D

Absorblanmış doz, birim kütlede absorblanmış enerjidir.Bu nicelik herhangi bir malzeme için (ışınlama dozundaki gibi yalnızcaelektromanyetik radyasyon için değil) bütün iyonizan radyasyon içintanımlanmıştır.

D = dE / dm


Absorblanmış Doz Birimi

• Özel birim : rad• SI birimi : Gray (Gy)

• rad, “ışınlanan maddenin 1 kg’ına 10-2 joule’lik enerji veren radyasyon miktarı

• Gray (Gy): “Işınlanan maddenin 1 kg’ına 1 joule’lik enerji veren radyasyon miktarıdır.”

• 1 Gy = 100 rad• 1 rad = 10-2 Gy


Farklı iyonlayıcı radyasyonların meydana getirdiği biyolojik etkilerfarklıdır.Etkileştiği maddede aynı miktar enerji absorbsiyonu bırakan farklıkarakterdeki radyasyonlar aynı biyolojik etkiyi oluşturmaz.

Stokastik etkilerin ihtimali, yalnızca absorblanmış doza bağlı olmamakta,doza neden olan radyasyonun enerjisine ve tipine de bağlıdır.

Eşdeğer Doz , H


Radyasyon Ağırlık Faktörü, WR

Tıp alanında kullanılan hemen hemen bütün radyasyon için, WR 1’ eeşittir.Absorblanmış doz ve eşdeğer doz sayısal olarak eşittir.

Farklı radyasyon tiplerinin biyolojik etkilerini karşılaştırmak amacı ileradyasyon ağırlık faktörleri belirlenmiştir.


Radyasyon Ağırlık Faktörü, WR

Ener ji Tipi ve Düzeyi WR

Fotonlar , Bütün Ener jiler i 1

Elek tronlar , Bütün Ener jiler i 1

Nöronlar , Ener jis i< 10 keV 5

10 keV - 100 keV 10

< 100 keV - 2 MeV 20

< 20 MeV 5

Protonlar , Ener ji > 2 MeV 5

Alfa, Fisyon Ür ., Ağır Çek irdek ler 20


Eşdeğer doz, absorblanmış doz ile boyutsuz olan radyasyon ağırlık faktörününçarpımına eşittir.

Eşdeğer Doz , H

H = D . WR

H = Eşdeğer doz

D = Absorblanmış doz

WR= Radyasyon ağırlık faktörü


Doz Eşdeğeri Birimi (Biyolojik Doz)

• Özel birim : rem• SI birimi : Sievert (Sv)

• rem :1 röntgenlik x veya gama ışınlarının meydana getirdiği aynı biyolojik etkiyi meydana getiren herhangi bir radyasyon miktarıdır

• Doz Eşdeğeri (rem) : Apsorblanmış doz (rad) x KF olarak tanımlanabilir.

• Sievert (Sv)’dir. 1 Sv: “1 Gy’lik X ve gama ışınları ile aynı biyolojik etkiyi meydana getiren herhangi bir radyasyon miktarı

• 1 Sv = 100 rem


Vücudun tüm doku ve organlarındaki eşdeğer dozun neden olduğu stokastiketkilerin sonucunda oluşan hasarı göstermek amacıyla, her bir organ vedokudaki eşdeğer doz, doku ağırlık faktörü ile çarpılır ve bu veriler tüm vücutüzerinde toplanarak elde edilir.

Efektif Doz, E


Vücuttaki farklı organ ve dokuların radyasyona maruz kalması, farklışiddetlerde ve farklı olasılıklarda hasara neden olmaktadır.

Efektif Doz, E

E = Σ T W T . H T

E = Efektif doz

WT = T doku veya organ için ağırlık faktörü

HT = T doku veya organdaki eşdeğer doz


Doku Ağırlık Faktörü, WT

ORGAN / DOKU WT ORGAN / DOKU WT

Kem ik İliği 0,12 Akciğer 0,12Mesane 0,05 Yem ek Borusu 0,05Kem ik Yüzeyi 0,01 Der i 0,01Mem e 0,05 Mide 0,12Kalın Bağırsak 0,12 Tiroid 0,05Gonatlar 0,20 Karaciğer 0,05


Radyoaktif Doz Birimleri Özeti

Büyüklük Sembol SI birimi Mks birimi Çevirim Faktörü

Aktivite A Bq Ci 1 Ci = 3.7x1010 Bq

Işınlama Dozu X C/kg R 1 C/kg = 3876 R

Absorlanan Doz D Gy (J/kg) rad 1 Gy = 100 rad

Biyolojik Doz H Sv rem 1 Sv = 100 rem


Temel Kavramlar ve Radyasyon Birimleri · Kozmik ışınlardan 1 saatte alınan radyasyon dozunun...

Documents

Transcript of Temel Kavramlar ve Radyasyon Birimleri · Kozmik ışınlardan 1 saatte alınan radyasyon dozunun...