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Strahlenschutzkursfür Zahnmediziner
1. Grundlagen der Atomphysik, Radioaktivität und Röntgenstrahlung
2
Die Arten der ionisierenden Strahlen. Strahlenquellen
RöntgenstrahlungKernstrrahlungen
3
Ionisation heisst jeder Vorgang, bei dem aus einem Atom oder Molekül ein oder mehrere Elektronen entfernt werden, so dass das Atom oder Molekül als positiv geladenes Ion zurückbleibt.
Ionisierende Strahlung die Strahlung, die über ausreichend Energie verfügt, um Elektronen aus einem Atom oderMolekül
Ionisierende Strahlungen
• Korpuskularstrahlungen(α-, β- und Neutronenstrahlung)
• Röntgenstrahlung
• γ-Strahlung. 4
KernstrahlungDie Energie stammt aus dem Atomkern.
α, β, γ, p, n, …
Teilchenstrahlungpositive ruhige Masse
α, β, p, n, …
direkte Ionisationgeladene Teilchen
α, β, p, …
RöntgenstrahlungDie Energie stammt aus der Elektronenhülle.
Rtg
Elektromagnetische Strahlungkeine ruhige Masse
Rtg, γ
indirekte Ionisationohne elektrische Ladung
Rtg, γ, n
Klassifizierungsmöglichkeiten
Isotope, Radioaktive Zerfälle und Strahlungen
L. Smeller
Aufbau des Atoms
e-
e-
e-e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
Elektronenschale=>chemische
Eigenschaften
Atomkern:=> Radioaktivität
∼10-10m
∼10-15m
Aufbau des Atomkernes
pn
Ladung Masse
Proton +1 e 1 a.u.
Neutron 0 1 a.u.
A (Massenzahl) = Protonenzahl + NeutronenzahlZ (Ordnungszahl) = Protonenzahl Tc99
4399 Nukleon: 43 Proton és 56 Neutron
Stabilität des Atomkernes
Coulomb-Kraft → Abstoßung zw. Protonen → destabilisiertKernkraft → Ladungsunabhängig → stabilisiert
kurze Reichweite
Diskrete Energieniveaus
Typische Übergangsenergie-verte: einige MeV
pn
E
IsotopeAtomkerne mit gleicher Ordnungszahl aber unterschiedlicher Massenzahl=> gleiche Protonenzahl unterschiedliche NeutronenzahlVarianten des gleichen Elementes => Chemische Eigenschaften sind identisch!
Pl: F18
Isotop <-> radioaktives Isotop
9
stabil
F199
F209
instabil(radioaktiv)
instabil(radioaktiv)
Isotoptabelle
Isotoptabelle (Abschnitt) Zerfalle und radioaktive Strahlungen
α - Zerfall α - Teilchen = Atomkern He42
β -Zerfall: β- β- Teilchen = Elektronβ+ β+ Teilchen = Positron
K-Einfang charakteristischeRöntgenstrahlung
Isomere Kernumwandlung γ-Strahlung
α - ZerfallHierbei treten 4He Atomkerne aus dem Atomkern aus. Damit erhöht sich die Stabilität des Kernes
Massenzahl ↓4 Ordnungszahl ↓2
αRnRazB. 42
22286
22688 +⎯→⎯:
Enenergiespektrum: LinienspektrumEα ~ MeV
Eα
Nα
α42
42 +⎯→⎯ −
− YX AZ
AZ
β− - Zerfall
νβ ++→ −01
11
10 pn
bleibt im Atomkern treten ausNeutronenüberschuss
zB:
P3215
I13153
Fe5926
F209p
n
e-
ν
β−-Strahlungp
n
νβ ++⎯→⎯ −+011YX A
ZAZ
−−
− == eββ 01
Eβ
Nβ
Emax
νβSP:zB 01
3216
3215 ++⎯→⎯ −
KontinuierlichesEnergiespektrum
β+ - Zerfall
νβ ++→ +01
10
11 np
bleibt im Atomkern treten aus
e+
ν
β+ Strahlung
pn
pn
Protonenüberschuss
pl:
O158
C116
Fe5226
F189
KontinuierlichesEnergiespektrum
νβ ++⎯→⎯ +−011YX A
ZAZ
νβSiP:zB 01
3014
3015 ++⎯→⎯ +
Promte γ-Strahlung
pn
Nach dem Zerfall kann die Anordnung der Nukleonenenergetisch ungünstig sein
pn
Umordnen der Nukleonen: ein niedrigeres Energieniveau wird erreicht, (z.B. weniger coulombsche Abstoßung) =>die überflüssige Energie wird in Form von γ-Strahlung ausgestrahlt.
Protonenzahl u. Neutronenzahl sind unverändert!
Eα or β
γ
Isomere KernumwandlungWenn die Umordnen nicht einfach vor sich gehen kann, entsteht γ-Strahlung nicht sofort , sondern erst nach einer gut messbaren Zeit.Die zwei Prozesse (α−oder β−Zerfall, γ-Strahlungsemission) können separiert werden.Man kann ein reines γ-strahlen Isotop herstellen!
=> Isotopendiagnostik
zB: 99mTcTcTcMo m 99
4399
439942 ⎯→⎯⎯→⎯
− γβ
66 h 6 h
K-Einfang
Rtge-
e-
e-e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
pn e-
e-
e-e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
pn
Beispiele Aktivität
tNA
ΔΔ
=
ΔN die Anzahl der während Δt Zeit zerfallenen Atomkerne
N = Anzahl der Zerfallsfähigen Atomkernet = Zeit
Einheit: Becquerel Bq1 Bq= 1 Zerfall/sec
Bq, kBq, MBq, GBq, TBq
Zerfallsgesetz
ΔN ~ N
NdtdN λ−=
λ: ZerfallskonstanteZerfallswahrscheinlichkeit[1/s]
1/λ=τ Zeit! durchschinittlicher Lebensdauer
Differentialgleichung
Lösung: teNtN λ−= 0)( Exponentialfunktion!
N Anzahl der zerfallsfächigen Kerne
N0 Anzahl der zerfallsfächigen Kerne am Anfang (t=0)
Zerfallsgesetz
Tt
t NeNtN−− == 2)( 00
λ
Theoretisch erreicht es nie 0 !
λ Zerfallskonstante T Halbwertszeitλλ
693,02ln==TN0
N
tT τ 2T
20N
eN0
40N
Beispiel• Sei N0=10000 λ=0,1 1/S
• nach 1 sec: 9000 (10000x0,1=1000 sind zerfallen)• nach 2 sec: 8100 (9000x0,1=900 sind zerfallen)• nach 3 sec: 7290 (8100x0,1=810 sind zerfallen)• nach 4 sec: 6561 (7290x0,1=729 sind zerfallen)• ….
Beispiel• Sei N0=10000 λ=0,1 1/S
• 1 sec 9000• 2 sec 8100 • 3 sec 7290 • 4 sec 6561 • ….
Zeit [s]
Anz
.d.z
erfa
llsf.
Ker
ne
Zeitliche Änderung der Aktivität
Tt
t AeAtA−− == 2)( 00
λ
Änderung wie bei N!
ca. 10 T => zerfällt auf 1/1000 Teil!
Theoretisch erreicht es nie 0!2
0Λ
eΛ0
40Λ
ΛΛ0
tT τ 2T
Einige Beispiele für Halbwertszeit
232Th 1,4·1010 J238U 4,5 ·109 J40K 1,3 ·109 J14C 5736 J137Cs 30 J3H 12,3 J
60Co 5,3 J59Fe 1,5 M 56Cr 1 M (28 T)131I 8 T99mTc 6 h18F 110 min11C 20 min15O 2 min222Th 2,8 ms
Nicht auswending lernen!
Teilchenenergie
Gemessen in Elektronenvolt (eV).
eV = Ladung eines Elektrons X 1 Volt = 1,6 10-19 J
Typische Teilchenenergiewerte (die bei Kernumwandlungen freigesetzte Enerie) bewegen sich in MeV Grössenordnungen.
α und β: E = Ekinje höher ist die Teichenenergie desto größer Reichweite
Charakterisierung der Röntgenstrahlung
• elektromagnetische Strahlung• Photonenergie:
– Diagnostik: 30-200 keV– Therapie: 5-20 MeV
• Wellenlänge: ~ pm
Photonenenergie: meV eV keV MeV GeV
• Wirkungen: – Ionisation– Lumineszenz (Fluoroskopie, Bildverstärker)– chemische (z.B. Photo)– biologische (Strahlenschädigung)
• Entstehung: in der Elektronenhülle • Typen
– Bremsstrahlung– charakteristische Strahlung
Historie• 1895 Wilhelm Conrad Röntgen
X-Strahlung (X-ray)• 1896 erste
medizinische Anwendung
• 1901 Nobel Preis(erste Nobel Preis in Physik)
… heute: 3D Röntgen-CT
Röntgenstrahlung Entsteht wennhochenergetische (beschleunigte)geladene Teilchen ihre Energie abgeben.
Entstehung der Röntgenstrahlung
Röntgenröhre (Diagnostik)Teilchenbeschleuniger (Therapie)
Geräte zur Erzeugung der Röntgenstrahlung
Röntgenröhre TeilchenbeschleunigerDie Röntgneröhre
Die Röntgenröhre (1)
Heizung (T Erhöhung) Erhöhte thermische Energie Elektronen treten aus der Kathode aus.(Glühelektrischer Effekt)
Vakuum
Anode
Isolator
UHeiz
Heizkathode:
Die Röntgenröhre (2)
Anodenspannung(U) (typisch 30-200 kV): beschleunigt die Elektronen
Elementarladunge=1,6·10-19 C
kinetische Energie des beschleunigten Elektrons
U
U·e = Ekin
UHeiz
I
Die Röntgenröhre (3)
Röntgenstrahlung entsteht wenn die beschleunigtenElektronen auf die Anode prallen.1. Abbremsung (Bremsstrahlung)2. Elektronenausstoß+Elektronenübergang
(Charakteristische Str.)
U
UHeiz
I
Grenzwellenlänge, Duane-Hunt Gesetz
Konst.
nicht SIaber praktischeEinheit
Rechenaufgaben 21 u. 22
minλUehcλ =≥
Uλ pmkV 1230
min⋅
=
39
Emissionsspektrum der Bremsstrahlung
λλmin
U1
U2
Anodenspannung ↑λmin ↓λmax ↓ Ephoton ↑härtere StrahlungNphoton ↑Leistung ↑↑
λmax
harte weiche Strahlung
P ~ U2
ΔPΔλ
40
Emissionsspektrum der Bremsstrahlung
λλmin
U1
U2
Anodenstrom ↑λmin -λmax -Ephoton -härte d. Strahlung -Nphoton ↑Leistung ↑
harte weiche Strahlung
I1
I2
Ohmλmax
P ~ I
ΔPΔλ
Regulierung der Anodenstromstärke
mehr Heizungmehr Elektronen treten ausgrößerer Anodenstrom (I=ΔQ/Δt)
U
UHeiz
I
P = cRtg·U2·I·Z
Anodenspannung Anodenstromstärke Ordnungszahl des Anodenmaterials
Leistung der Röntgenstrahlung
λ
ΔPΔλ
λmin
P (λ1,λ2)
P (gesamte Röntgenleistung)
Konst. (1,1·10-9 V-1)
Wirkungsgrad der Röntgenröhre
LeistungeinvestiertLeistungnützlicheadWirkungsgr =
UZcUI
IZUcRtg
Rtg ==2
η
Anodenmaterial mit hoher Ordnungszahl !Praktisch: Wolfram (Z=74) typisches η : 1% 99% Wärme!
Aber: TSchm,W ≈ 3400°C TSchm,Pb ≈ 330°CZblei=82 !
Entstehung der charakteristischen Röntgenstrahlung
Atom des Anodenmaterials
Ekin
beschleunigtesElektron ausder Kathode
Entstehung der charakteristischen Röntgenstrahlung
Atom des Anodenmaterials
Entstehung der charakteristischen Röntgenstrahlung
Atom des Anodenmaterials
leere Stelle
Entstehung der charakteristischen Röntgenstrahlung
Atom des Anodenmaterials
leere Stellegefüllt
charakteristischesRöntgenphotonhf =ΔE
Entstehung der charakteristischen Röntgenstrahlung
Atom des Anodenmaterials
E
K
ML
L
K
Linien
keV
eV
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