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

Spektrum der charakteristischen Röntgenstrahlung

E

L

K

Linien

λ

ΔPΔλ

U1 U2

λK λL

U0

Anwendung der charakteristischen Röntgenstrahlung

fast monochromatische Röntgenstrahlung

-Diagnostik (zB.: Mammographie)

-Strukturanalyse der Materie (Röntgenbeugung)