Strahlenschutzkurs für Zahnmediziner

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1 Die Arte der ioisierede Strahle. Strahlequelle Strahleschutzkurs für Zahmedizier Kerstrrahluge 1. Grudlage der Atomhysik, Radioaktivität ud Ioisatio heisst jeder Vorgag, bei dem aus eiem Atom oder Molekül ei oder mehrere Elektroe etfert werde, so dass das Atom oder Molekül als ositiv geladees Io zurückbleibt. Klassifizierugsmöglichkeite Ioisierede Strahlug die Strahlug, die über ausreiched Eergie verfügt, um Elektroe aus eiem Atom oder Molekül Ioisierede Strahluge Koruskularstrahluge (α-, β- ud Neutroestrahlug) γ-strahlug. 3 Kerstrahlug Die Eergie stammt aus dem Atomker. α, β, γ,,, Teilchestrahlug ositive ruhige Masse α, β,,, direkte Ioisatio geladee Teilche α, β,, Die Eergie stammt aus der Elektroehülle. Rtg Elektromagetische Strahlug keie ruhige Masse Rtg, γ idirekte Ioisatio ohe elektrische Ladug Rtg, γ, 4

2 Isotoe, Radioaktive Zerfälle ud Strahluge L. Smeller m Aufbau des Atoms m Elektroeschale =>chemische Eigeschafte Atomker: => Radioaktivität Aufbau des Atomkeres Stabilität des Atomkeres Ladug Masse Proto +1 e 1 a.u. Neutro 0 1 a.u. Coulomb-Kraft Abstoßug zw. Protoe destabilisiert Kerkraft Ladugsuabhägig stabilisiert kurze Reichweite Diskrete Eergieiveaus E A (Massezahl) = Protoezahl + Neutroezahl Z (Ordugszahl) = Protoezahl 99 Nukleo: 43 Proto és 56 Neutro 99 Tc 43 Tyische Übergagseergieverte: eiige MeV

3 Isotoe Atomkere mit gleicher Ordugszahl aber uterschiedlicher Massezahl => gleiche Protoezahl uterschiedliche Neutroezahl Variate des gleiche Elemetes => Chemische Eigeschafte sid idetisch! Isototabelle Pl: 18 F 9 19 F 9 0 F 9 istabil (radioaktiv) stabil istabil (radioaktiv) Isoto <-> radioaktives Isoto Isototabelle (Abschitt) Zerfalle ud radioaktive Strahluge 4 α - Zerfall α - Teilche = He Atomker β -Zerfall: β - β + β - Teilche = Elektro β + Teilche = Positro K-Eifag charakteristische Isomere Kerumwadlug γ-strahlug

4 α - Zerfall Hierbei trete 4 He Atomkere aus dem Atomker aus. Damit erhöht sich die Stabilität des Keres Massezahl 4 Ordugszahl zb. : A Z X 88 Ra 86 R+ 6 Eeergiesektrum: Liiesektrum E α ~MeV A 4 Y 4 Z + α N α 4 α E α Neutroeüberschuss 0 1 β = β = e ν A Z X β - Zerfall β +ν A Z + bleibt im Atomker β -Strahlug 1Y + 1 zb : 0 1 Kotiuierliches Eergiesektrum β +ν trete aus N β zb: 0 9 F 3 15 P 59 6 Fe I P 16S+ 1β + ν E max E β β + - Zerfall A 0 Z 1Y + 1β +ν β +ν Protoeüberschuss bleibt im Atomker A Z e + ν X zb : β + Strahlug trete aus l: Kotiuierliches Eergiesektrum 11 6C 15 8O 18 9 F 5 6 Fe P 14Si+ 1β + ν + Promte γ-strahlug Nach dem Zerfall ka die Aordug der Nukleoe eergetisch ugüstig sei Umorde der Nukleoe: ei iedrigeres Eergieiveau wird erreicht, (z.b. weiger coulombsche Abstoßug) => die überflüssige Eergie wird i Form vo γ-strahlug ausgestrahlt. E α or β γ Protoezahl u. Neutroezahl sid uverädert!

5 Isomere Kerumwadlug We die Umorde icht eifach vor sich gehe ka, etsteht γ-strahlug icht sofort, soder erst ach eier gut messbare Zeit. Die zwei Prozesse (α oder β Zerfall, γ-strahlugsemissio) köe seariert werde. Ma ka ei reies γ-strahle Isoto herstelle! => Isotoediagostik K-Eifag Rtg zb: 99m Tc 99 β 99 γ 4 Mo 43Tc m h 6 h Tc Beisiele Aktivität A = ΔN Δt N = Azahl der Zerfallsfähige Atomkere t = Zeit ΔN die Azahl der währed Δt Zeit zerfallee Atomkere Eiheit: Becquerel Bq 1 Bq= 1 Zerfall/sec Bq, kbq, MBq, GBq, TBq

6 Zerfallsgesetz Zerfallsgesetz ΔN ~ N dn dt = λn N Azahl der zerfallsfächige Kere λ: Zerfallskostate Zerfallswahrscheilichkeit[1/s] 1/λ=τ Zeit! durchschiittlicher Lebesdauer Differetialgleichug N 0 N N λt ( t) = N0e = N0 l 0,693 T = = λ λ t T λ Zerfallskostate T Halbwertszeit Lösug: N 0 N λt ( t) = N 0 e Exoetialfuktio! Azahl der zerfallsfächige Kere am Afag (t=0) N 0 e N 0 N 0 4 T τ T Theoretisch erreicht es ie 0! t Beisiel Beisiel Sei N 0 =10000 λ=0,1 1 / S ach 1 sec: 9000 (10000x0,1=1000 sid zerfalle) ach sec: 8100 (9000x0,1=900 sid zerfalle) ach 3 sec: 790 (8100x0,1=810 sid zerfalle) ach 4 sec: 6561 (790x0,1=79 sid zerfalle). Sei N 0 =10000 λ=0,1 1 / S 1 sec 9000 sec sec sec Az. d. zerfallsf. Kere Zeit [s]

7 Λ 0 e Zeitliche Äderug der Aktivität Λ 0 Λ 0 Λ 0 4 Λ T τ A λt ( t) = A0e = A0 T Äderug wie bei N! Theoretisch erreicht es ie 0! t t T ca. 10 T => zerfällt auf 1/1000 Teil! Eiige Beisiele für Halbwertszeit 3 Th 1, J 38 U 4, J 40 K 1, J 14 C 5736 J 137 Cs 30 J 3 H 1,3 J Nicht auswedig lere! 60 Co 5,3 J 59 Fe 1,5 M 56 Cr 1 M (8 T) 131 I 8 T 99m Tc 6 h 18 F 110 mi 11 C 0 mi 15 O mi Th,8 ms Teilcheeergie Gemesse i Elektroevolt (ev). ev = Ladug eies Elektros X 1 Volt = 1, J Tyische Teilcheeergiewerte (die bei Kerumwadluge freigesetzte Eerie) bewege sich i MeV Grösseorduge. α ud β: E = E ki je höher ist die Teicheeergie desto größer Reichweite

8 Charakterisierug der elektromagetische Strahlug Photoeergie: Diagostik: kev Theraie: 5-0 MeV Welleläge: ~ m Photoeeergie: mev ev kev MeV GeV Wirkuge: Ioisatio Lumieszez (Fluoroskoie, Bildverstärker) chemische (z.b. Photo) biologische (Strahleschädigug) Etstehug: i der Elektroehülle Tye Bremsstrahlug charakteristische Strahlug Historie 1895 Wilhelm Corad Rötge X-Strahlug (X-ray) 1896 erste mediziische Awedug 1901 Nobel Preis (erste Nobel Preis i Physik) heute: 3D Rötge-CT Etstehug der Etsteht we hocheergetische (beschleuigte) geladee Teilche ihre Eergie abgebe. Rötgeröhre (Diagostik) Teilchebeschleuiger (Theraie)

9 Geräte zur Erzeugug der Rötgeröhre Teilchebeschleuiger Die Rötgeröhre Die Rötgeröhre (1) Aode Die Rötgeröhre () U I U Heiz U Heiz Vakuum Heizkathode: Heizug (T Erhöhug) Erhöhte thermische Eergie Elektroe trete aus der Kathode aus. (Glühelektrischer Effekt) Isolator Aodesaug(U) (tyisch kv): beschleuigt die Elektroe U e = E ki Elemetarladug e=1, C kietische Eergie des beschleuigte Elektros

10 U Heiz Die Rötgeröhre (3) U I Grezwelleläge, Duae-Hut Gesetz hc λ = Ue λ mi Kost. etsteht we die beschleuigte Elektroe auf die Aode ralle. 1. Abbremsug (Bremsstrahlug). Elektroeausstoß+Elektroeübergag (Charakteristische Str.) Recheaufgabe 1 u. λ mi 130 kv m = U icht SI aber raktische Eiheit ΔP Δλ λ mi Emissiossektrum der Bremsstrahlug U 1 U λ max harte weiche Strahlug Aodesaug λ mi λ max E hoto härtere Strahlug N hoto Leistug λ P ~ U 39 ΔP Δλ λ mi Emissiossektrum der Bremsstrahlug λ max I 1 I U 1 U harte weiche Strahlug Aodestrom λ mi - λ max - E hoto - härte d. Strahlug - N hoto Leistug λ P ~ I Ohm 40

11 Regulierug der Aodestromstärke U Heiz U I ΔP Δλ Leistug der P (gesamte Rötgeleistug) P (λ 1,λ ) mehr Heizug mehr Elektroe trete aus größerer Aodestrom (I=ΔQ/Δt) λ mi P = c Rtg U I Z Aodesaug Aodestromstärke Ordugszahl des Aodematerials λ Kost. (1, V -1 ) Wirkugsgrad der Rötgeröhre Wirkugsgr ad = η = c Rtg U UI ützliche Leistug ivestierte Leistug IZ = c Rtg UZ Aodematerial mit hoher Ordugszahl! Praktisch: Wolfram (Z=74) tyisches η : 1% 99% Wärme! Z blei =8! Aber: T Schm,W 3400 C T Schm,Pb 330 C Etstehug der charakteristische E ki beschleuigtes Elektro aus der Kathode Atom des Aodematerials

12 Etstehug der charakteristische Etstehug der charakteristische leere Stelle Atom des Aodematerials Atom des Aodematerials Etstehug der charakteristische leere Stelle gefüllt Etstehug der charakteristische E Atom des Aodematerials charakteristisches Rötgehoto hf =ΔE Atom des Aodematerials ev kev M L L K K Liie

13 ΔP Δλ Sektrum der charakteristische E Awedug der charakteristische fast moochromatische -Diagostik (zb.: Mammograhie) U 1 U U 0 L K Liie -Strukturaalyse der Materie (Rötgebeugug) λ K λ L λ