Radioaktiver Zerfall. Radioaktiver Zerfall. Atombau. Atombau. Radioaktiver Zerfall. Radioaktiver Zerfall. Begriffe. Ion.

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1 Radioakiver Zerfall Radioakiver Zerfall Aombau Kern: Proon Aombau Schreibweise: Hülle: Neuron Elekron Elekronenschalen: Die Energie wächs mi dem Absand zum Kern = M E Z Beispiel: Massezahl Elemen Ordnungszahl = Anzahl Proonen + Neuronen = Anzahl Proonen Jod mi 53 Proonen und 78 Neuronen Radioakiver Zerfall Radioakiver Zerfall on Anzahl is ungleich der Anzahl Elekronen Begriffe Nuklid: gleiche Proonen und Neuronenzahl Proon < > Elekron Das on besiz andere chemische Eigenschafen als das ensprechende Aom Die Anzahl der Nukleonen is Veranworlich für die physikalischen Eigenschafen B 1- soope: gleiche Proonen ungleiche Neuronenzahl sobare: gleiche Nukleonenzahl soone: gleiche Neuronenzahl N 7 O 8 F H 1 He Li 2 3 1

2 Radioakiver Zerfall Fragen zum Aombau Begriffe somere Umwandlung: Übergang in einen energieärmeren Zusand uner Emission von Gammasrahlung Elemenarladung: 1 ev Einhei für die Energie von Srahlung 99m Tc 43 Welche Teilchen sind in jedem Aom vorhanden? a) Proonen b) Neuronen c) Elekronen d) Posironen e) Nukleonen 1 1. alle sind richig 2. a, c und e sind richig 3. a und b sind richig 4. b, c und d sind richig 5. e is richig. Fragen zum Aombau Fragen zum Aombau Welche Teilchen befinden sich im Aomkern? Welche Teilchen sind geladen? a) Proonen b) Neuronen c) Elekronen d) Posironen e) Neurinos a) Proonen b) Neuronen c) Elekronen d) Aome e) onen 1 1. alle sind richig 2. c und d sind richig 3. a und b sind richig 4. a, b und e sind richig 5. d is richig alle sind richig 2. a und e sind richig 3. b und d sind richig 4. e is richig 5. a, c und e sind richig 2

3 Fragen zum Aombau 1 Was is richig? a) Ordnungszahl = Anzahl Nukleonen b) Kernladungszahl = Ordnungszahl c) Kernladungszahl = Anzahl Proonen d) Massezahl = Anzahl Nukleonen e) Massezahl = Ordnungszahl 1. alle sind richig 2. a is richig 3. b, c und d sind richig 4. c is richig 5. e is richig Radioakiviä Sponane Umwandlung insabiler Aomkerne uner Aussendung ionisierender Srahlung Unerscheidung Teilchensrahlung: Srahlung Srahlung elekromagneische Srahlung: Srahlung Srahlung - 2 Neuronen + 2 Proonen - = He-Kern - OZ -2; MZ -4 - groß und schwer - geringe Reichweie (mm in Luf) - hohe biologische Wirksamkei - Nuklearmedizinisch für herapeuische Anwendungen geeigen. (Xofigo R - ambulane paliaive 223 Ra-Therapie bei forgeschrienem Prosaa CA) - Srahlung - - = Elekron - Masse eines Elekrons - milere Reichweie (cm in Luf) - nuklearmedizinische Bedeuung in der Therapie (z.b. Radio od Therapie mi 131 ) - es ensehen isobare des Muernuklids OZ + 1; MZ = 3

4 Srahlung - + = Posiron - Masse eines Elekrons - kurze Lebensdauer durch schnelle Rekombinaion mi frei beweglichen Elekronen - nuklearmedizinische Bedeuung für die Posironen Emissions - Tomographie - es ensehen isobare des Muernuklids OZ -1; MZ = Srahlung Eigenschafen der Srahlung: - Phoonensrahlung - keine Ruhemasse - hohe Reichweie (m in Luf) - geringe biologische Wirksamkei - Bedeuung für die nuklearmedizinische Diagnosik Ensehung von Srahlung somere Umwandlung: - Energieüberschuss nach Kernumwandlung - Measabil - keine Kernumwandlung, Muer und Tochernuklid sind gleich Ensehung von Srahlung Elekroneneinfang: - Elekron aus innerer Schale wird vom Kern eingefangen - Elekron aus äußerer Schale rück nach - Überschüssige Energie wird als Srahlung abgegeben - es ensehen sobare des Muernuklids OZ < 1; MZ = 4

5 Heliumkern Elekron Phoonensrahlung mm cm m schwach sark nich ablenkbar 5

6 Zerfallsgesez - Lambda - Wahrscheinlichkei des Zerfalls innerhalb einer Sekunde - Einhei [1/s] - Saisischer Prozess Berechnungen gelen nur bei großer Anzahl zerfallender Aome - Halbwerszei - proporional zu (anschaulicher) - Zei nach der die Hälfe vorhandener Aome zerfallen is - gu geeigne für Überschlagsrechnung Einhei [s] bzw. die sind nuklidspezifisch! Zerfallsgesez Zerfallsgesez 6

7 Zerfallsgesez Zerfallsgesez Zerfallsreihen zerfallendes Nuklid = Muernuklid A A e λ oder A A e ensehendes Nuklid = Tochernuklid durch insabile Tochernuklide ensehen Zerfallsreihen = Zeispanne A = Akiviä nach A = Akiviä zum Zeipunk = Halbwerszei ln = naürlicher Logarihmus (ln2 ~,69) e = Eulersche Zahl (Konsane ~ 2,72) 1.3. Zerfallsgesez Aufgabe: Ein Radiopharmakon ha folgende Daen: Nuklid: 99m Tc ( = 6h) Ausgangsakiviä: 5 MBq a) Welche Akiviä is nach 24 Sunden noch vorhanden? A = Akiviä nach 24 Sunden geg.: = 6 h A = 5 MBq = 24 h A A e A 5MBq e,69 24h 6h A 31, 25MBq Nach 24 Sunden sind noch 31,25 MBq vorhanden Zerfallsgesez Aufgabe: Ein Radiopharmakon ha folgende Daen: Nuklid: 99m Tc ( = 6h) Ausgangsakiviä: 5 MBq b) Welche Akiviä is 17:3 Uhr vorhanden, wenn die Ausgangsakiviä 8: Uhr gemessen wurde? = Zeispanne zwischen 8: und 17:3. 9,5h(57 min) 6h(36 min) A 5MBq e A 167MBq,69 57min 36min 17:3 Uhr sind noch 167 MBq vorhanden. 7

8 Zerfallsgesez Aufgabe: Für eine PET Unersuchung in Jena müssen 3 MBq FDG applizier werden. Das Nuklid, 18 F ( = 11 min) wird aus Dresden Rossendorf geliefer. Die Transporzei beräg 2 Sunden. Welche Akiviä muss besell werden? geg.: A = Akiviä zum Zeipunk der Hersellung = 11 min A = 3 MBq = - 2 h (-12 min) 1.3. Zerfallsgesez Aufgabe: Bei einer Konaminaionsmessung wird 1 kbq gemessen. Nach 24 Sunden (ohne Dekonaminaion) wird eine zweie Messung durchgeführ die 796,5 Bq ergib. Um welches der angegebenen Nuklide handel es sich? ( 111 n = 67,2 h, 21 Tl = 71,6 h, 99m Tc = 6 h, 131 = 192 h) geg.: A = 1kBq (1 Bq) A = 796,5 Bq = 24 h A A e A 3MBq e,69 12min 11min A 639MBq 639 MBq müssen besell werden Zerfallsgesez geg.: A = 1kBq (1 Bq) A = 796,5 Bq = 24 h A A e A A e Bq,69 h ,5 e 1Bq 16,56h,7965 e 16,56h ln, ,56h, ,56h, , 9h 1.3. Zerfallsgesez Aufgabe: Für eine Applikaion 12 Uhr werden 185 MBq 9 Yrium ( 64h) benöig. Das Radiopharmakon is auf den Folgeag 13 Uhr mi 25 MBq kalibrier und ha ein Volumen von,88 ml. Eine Messung der Akiviä is nich möglich. Welches Volumen muss für die Applikaion verwende werden? geg.: V a A = Applikaionsvolumen = Akiviä zum Zeipunk der Applikaion = 64 h A = 25 MBq = - 25 h (A lieg vor dem Kalibrierzeipunk) Es handel sich um 21 Tl. 8

9 Zerfallsgesez Aufgabe: Für eine Applikaion 12 Uhr werden 185 MBq 9 Yrium ( 64h) benöig. Das Radiopharmakon is auf den Folgeag 13 Uhr mi 25 MBq kalibrier und ha ein Volumen von,88 ml. Eine Messung der Akiviä is nich möglich. Welches Volumen muss für die Applikaion verwende werden? V a A geg.: = - 25 h A = 25 MBq = 34 h Man benöig die Gesamakiviä zum Applikaionszeipunk. A A e Berache man die 25 MBq als Ausgangsakiviä A so lieg A in der Vergangenhei, folglich is negaiv 1.3. Zerfallsgesez Aufgabe: Für eine Applikaion 12 Uhr werden 185 MBq 9 Yrium ( 64h) benöig. Das Radiopharmakon is auf den Folgeag 13 Uhr mi 25 MBq kalibrier und ha ein Volumen von,88 ml. Eine Messung der Akiviä is nich möglich. Welches Volumen muss für die Applikaion verwende werden? = 34 h geg.: V a A = - 25 h A = 25 MBq Lsg.: A A e A 25MBq e A 269MBq,69 25h 64h 185MBq V a 269MBq,88 V a, 6ml Eigenschafen 1.3. Radioakive Quellen Folgende Größen besimmen die Eigenschafen einer radioakiven Quelle Akiviä Energie Srahlungsar 1.3. Radioakive Quellen ACHTUNG Unerscheidung von Akiviä und Energie einer radioakiven Quelle Akiviä: Anzahl von einer Quelle emmiierer Teilchen Energie: Gegeben durch Masse und Geschwindigkei des Teilchens Nuklidspezifische Größe 9

10 Allgemein 2. Wechselwirkungen von Srahlung mi Maerie Triff ionisierende Srahlung auf Maerie, ri sie mi dieser in WW - Srahlung verlier Energie und änder die Richung - Maerie veränder sich in seinen physikalischen, chemischen oder biologischen Eigenschafen Für die nuklearmedizinische Diagnosik sind vor allem die WW von Phoonen ( - Srahlung) und Maerie von Bedeuung WW von Phoonen mi Maerie a) klassische Sreuung Phoon wird ohne Energieverlus abgelenk. Der Ablenkwinkel is dabei klein. b) (Bremssrahlung (LET)) Dieser Effek is bei Phoonen sehr klein und kann für unsere Berachungen vernachlässig werden 2.2. Wechselwirkungen von Phoonen c) Rayleigh-Sreuung (klassische Sreuung) Das Phoon wird ohne Energieverlus abgelenk Für die Anwendung negaiv Führ zu Fehlinformaionen 2.2. Wechselwirkungen von Phoonen c) Rayleigh-Sreuung (klassische Sreuung) Das Phoon wird ohne Energieverlus abgelenk 2.2. Wechselwirkungen von Phoonen c) Phooeffek Die gesame Energie des Phoons wird auf ein Elekron der Aomhülle überragen vollsändige Absorpion Für die Anwendung - Posiiv: m Deekor, da Energieumwandlung auf kleinsem Raum Negaiv: m Paienen und der Umgebung, da Verlus von nformaion Für die Anwendung negaiv Führ zu Fehlinformaionen 1

11 c) Phooeffek 2.2. Wechselwirkungen von Phoonen Die gesame Energie des Phoons wird auf ein Elekron der Aomhülle überragen vollsändige Absorpion 2.2. Wechselwirkungen von Phoonen d) Componeffek Das Phoon wird durch den Zusammensoß mi einem Elekron abgelenk. Dabei verlier es an Energie. Das Elekron emiier. Für die Anwendung - Posiiv: m Deekor, da Energieumwandlung auf kleinsem Raum Negaiv: m Paienen und der Umgebung, da Verlus von nformaion Für die Anwendung - Posiiv: m Deekor, Meis führen mehrere Prozesse zur vollsändigen Absorpion Negaiv: m Paienen und der Umgebung, da Verlusbzw. Fehlinformaion 2.2. Wechselwirkungen von Phoonen d) Componeffek Das Phoon wird durch den Zusammensoß mi einem Elekron abgelenk. Dabei verlier es an Energie. Das Elekron emiier Wechselwirkungen von Phoonen e) Paarbildungseffek Das Phoon wird in ein Elekron Posironpaar umgewandel. Das Posiron rekombinier nach kurzer Zei mi einem freien Elekron und zerfäll dabei zu 2 Phoonen mi jeweils 511 kev, die 18 zueinander emiier werden. Für die Anwendung - Posiiv: m Deekor, Meis führen mehrere Prozesse zur vollsändigen Absorpion Negaiv: m Paienen und der Umgebung, da Verlusbzw. Fehlinformaion Für nuklearmedizinische Anwendung spiel dieser Effek als WW eine unergeordnee Rolle, da so hohe Energien klinisch nich verwende werden. Aber! Die Anihilaion in Posironensrahlern is das Grundprinzip der Posironen-Emissions- Tomographie 11

12 Wahrscheinlichkei der WW-Prozesse von Phoonen Die Häufigkei wann welche Prozesse aufreen is von der Kernladungszahl des Absorbers und der Energie des Phoons abhängig Schwächungsgesez Wechselwirkung eines Phoonensrahls mi einer Maerialschich µ = p + c + v Schwächungskoeffizien µ Halbwersschichdicken Spezifische Größe abhängig von: - Energie der Phoonen (Nuklid) Energie µ - Kernladungszahl des Absorbers Kernladungszahl µ Energie der Srahlung 2 kev 5 kev 1 kev 2 kev 1 MeV Schwächendes Maerial Wasser Beon Blei 8 mm 2 mm 4 mm 7 mm 12 mm,1 mm 2 mm 7 mm 2 mm 5 mm,5 mm,2 mm,1 mm,4 mm 1 mm Halbwersschichdicke (HWS) Dicke des Absorbermaerials bei dem 5 % der Srahlung absorbier werden! µ Einhei [1/mm] HWS 12

13 Schwächungsgesez Schwächungsgesez e µ oder Der Aneil der durchdringenden Srahlung fäll eponeniell e HWS Aufgabe: a) Wie viel % der Srahlung mi der Energie,75 MeV ( 21 Tl) durchdringen,1 cm Blei? Lsg.: e e geg.: HWS HWS,69, cm,22cm 1 e =,1 cm E =,75 MeV (Besimmung der HWS),4281% 4,28% 4,28 % der Srahlung durchdringen,1 cm Blei. Schwächungsgesez Schwächungsgesez Aufgabe: b) Wie viel % der Srahlung durchdringen 1 mm Wasser? Lsg.: geg.:,69, cm 3,6cm 1 e 98,1% 98,1 % der Srahlung durchdringen 1 mm Wasser. = 1 mm =,1 cm E =,75 MeV (Besimmung der HWS) Aufgabe: c) Welche Schichdicke Blei is Nowendig um die Srahlung auf ¼ zu reduzieren? geg.:, 25 HWS =,22 cm Lsg.: e HWS ln HWS ln HWS,22cm ln,25,69, 44mm,44 mm Blei sind nowendig. 13

14 Schwächungsgesez Fragen zu Grundlagen Aufgabe: d) Welches Maerial von 1 mm Dicke schirm 95 % der Srahlung mi der Energie 364 kev ( 131 ) ab? Lsg.: µ e ln µ µ geg.:,5 ln,5 µ 1mm µ,3,69 HWS µ,3 E = 364 kev = 1 mm HWS 2,3mm, 23cm? Was is aus der schreibweiße eines Nuklids über den aomaren Aufbau erkennbar? 99m 43! M = Massezahl = Nukleonen = Proonen + Neuronen (99)! K = Kernladungszahl = Proonen (43), Elemenname! Ladung = Anzahl Elekronen (44, einfach negaiv), on! Measabil = Energieüberschuss nach Kernumwandlung? Was sind soope?! gleiche Kernladungszahl gleiches Elemen! Unerschiedliche Neuronenzahl! Alpha (kurz), ß, Gamma Tc -? Ordnen Sie die 3 Srahlungsaren nach ihrer Reichweie? Es handel sich um Blei. Fragen zu Grundlagen? Nennen sie die Einheien für Akiviä und Energie?! Akiviä [Bq], Zerfälle pro Sekunde! Energie [ev], Elekron durch 1 Vol? Welche Kernladungs- und Massezahl ha das Tochernuklid bei a) ß- Zerfall und b) Alpha- Zerfall?! a) K + 1, M bleib gleich! b) K - 2, M - 4? Welche Wechselwirkungen reen zwischen Phoonen und Maerie auf?! Phooeffek = vollsändige Absorpion! Componeffek = eilweise Absorpion! Paarbildungseffek = Emission einer Posirons, kev Quanen nach Rekombinaion Dosis Dosimerie - durch Wechselwirkung überragene Energie Wie viel Energie überragen wird is Abhängig von: - Srahlungsar - nensiä (Akiviä) - Dauer der Eposiion - Absorpionseigenschafen 14

15 Dosisgrößen Dosisgrößen Zusammenhang zwischen Dosis und Akiviä Zusammenhang zwischen Dosis und Akiviä? Wie hoch is die Eposiion beim Umgang mi Akiviäen Fakoren: 1. Absand zur Srahlenquelle 2. Energie und der Srahlenquelle Für Punk 2 is als Nuklidspezifische Konsane definier Die Äquivalendosisleiung errechne sich aus: A µs R h H 2 Nuklid Γ µs m² h GBq 51 Cr 5,135 27,6 d 59 Fe d 57 Co 24,3 27 d 75 Se 54,1 125 d 99m Tc 18,9 6 h 111 n 54,1 2,8 d 123 J 21,6 13,1 h 125 J 1,8 6 d 131 J 59 8,2 d 133 Xe 2,7 5,3 d 198 Au 62,2 2,7 d 21 Tl 76 3 d Beispiel:? Ein(e) MTA häl sich 2 min in 1m Absand zu einem Paienen auf, dem 185 MBq 99m Tc applizier wurden. Welche Äquivalendosis erhäl er (sie)? A H 2 R H H 18, 9µS m², 185GBq H. 2min 2 1m 6min GBq H 1, 5µSv Nuklid Γ µs m² h GBq 51 Cr 5, Fe Co 24,3 75 Se 54,1 99m Tc 18,9 111 n 54,1 123 J 21,6 125 J 1,8 131 J Xe 2,7 198 Au 62,2 21 Tl 76 15

16 Dosisgrößen Effekive Dosis Die effekive Dosis is ein Maß für die Srahleneposiion des Menschen. Sie berücksichig die unerschiedliche Empfindlichkei der Organe. D D D D D eff eff eff eff eff w H T 2, 12 2, 12 4, 8µSv 2, 5 2, 5 2µSv T T Organe und Gewebe w T nach CRP 6 (1991) Keimdrüsen,2 Knochenmark (ro),12 Dickdarm,12 2 µsv Lunge,12 Magen,12 2 µsv Blase,5 Brus,5 Leber,5 Speiseröhre,5 2 µsv Schilddrüse,5 2 µsv Hau,1 Knochenoberfläche,1 Res,5 Summe 1, 4 µsv 4 µsv 16