STRUCTURA NUCLEARA

CUPRINS

  Modelul convenţional al unui atom constă dintr-un nucleu care conţine neutroni şi protoni înconjurat de electroni situate în orbite specifice sau scoici, aşa cum se arată în jos. Nucleul este ilustrat ca o minge sau grup de particule de la centrul atomului. Nucleul este destul de mic în comparaţie cu dimensiunile totale ale atomului. Cu toate acestea, cele mai multe dintre masa atomului este conţinută într-nucleu. Componente ale atomului în figura de mai jos nu sunt trase la scară. De fapt, electronii din coji de K, L, M şi sunt mult mai mici decât protonii şi neutronii, care formează nucleul, şi electronii sunt situate la o distanţă mult mai mare de nucleu decât indicat.

Structura unui atom

  Compoziţie

CUPRINS

   Toate nuclee sunt compuse din două particule de bază, neutroni si protoni. Neutronii şi protonii sunt aproape aceleaşi dimensiuni, dar diferă în sarcina lor electrice. Neutronii nu sunt încărcaţi electric şi contribuie numai la masa nucleului. Fiecare proton are o sarcină pozitivă egală în puterea de sarcina negativa transportate de un electron.   Cele mai multe caracteristici fizice şi chimice ale unei substanţe se referă la nuclee de neutroni-protoni compoziţie. Numărul de protoni intr-un nucleu este numărul atomic (Z) şi stabileşte identitatea chimică a atomului. Fiecare număr atomic corespunde unui element chimic diferit; în prezent există aproximativ 106 elemente chimice cunoscute care să corespundă nuclee care conţin 1 la 106 protoni.   Datorita dimensiunii lor foarte mici, nu este convenabil de a exprima masa de nuclee şi particule atomice în unitate convenţională de kilograme. O unitate mai adecvat este unitatea de masă atomică (amu), de referinţă pentru care este un atom de carbon cu un număr de 12 de masa, care se atribuie o masă de 12.000 amu. Relaţia dintre unitatea de masă atomică şi kilogram este

1 uam = 1.66 x 10 ^-27 kg.

  Diferenţa de masă dintre un neutron şi proton este destul de mic: aproximativ 0,1%. Diferenţa este mai mare dintre masa aceste două particule şi masa unui electron. Mai mult de 1800 de electronii sunt necesare pentru a egala masa unui proton sau neutron.   Numărul total de particule (neutroni şi protoni) într-un nucleu este numarul de masa (A). Din moment ce neutronii şi protonii au aproximativ aceeasi masa, masa totală sau greutatea de un nucleu este, în anumite limite, proportional cu numarul de masa. Cu toate acestea, masa nuclear nu este tocmai proporţională cu numărul de masă, deoarece protonii şi neutronii nu au aceeaşi masă, iar unele dintre masa este transformata in energie atunci când nucleul este format. Relaţia dintre masă şi energie este luată în detaliu mai târziu.   Există o metodă standard pentru etichetarea compoziţii diferite nuclear: numarul de masa este desemnat fie printr-un exponent care precede simbolul chimic, cum ar fi ¹⁴ C sau ¹³¹ I, sau de către un număr de după simbol, cum ar fi C-14, I-131, etc numarul atomic este adăugată ca un indice care precede simbolul chimic. Adăugarea de numărul atomic pentru a simbolului este oarecum redundant, deoarece numai un singur numar atomic este asociat cu fiecare simbol chimic sau element.   Cu excepţia de hidrogen obişnuit, toate conţin nuclee neutroni şi protoni. Elemente mai uşoare (cu numere mici şi masă atomică) conţine un număr aproape egal de protoni şi neutroni. Ca dimensiune a nucleului este crescut, raportul de neutroni pentru a protoni creşte la un maxim de aproximativ 1,3 neutroni pe protoni pentru materiale cu un număr foarte mare atomice. Numărul de neutroni într-un nucleu specific poate fi obţinut prin scăderea numărului atomic de la numarul de masa. Un element chimic poate avea nuclee care conţin numere diferite de neutroni. Această variaţie în compoziţia de neutroni, de obicei, determină dacă un nucleu este radioactiv.

Nuclide

CUPRINS

   După cum sa menţionat anterior, există 106 numere de telefon diferite atomice sau elemente. Deoarece un singur element pot avea mai multe numere diferite de neutroni, exista in mod evident mai mult de 106 compozitii diferite nucleare. De fapt, cel putin 1300 de diferite neutron-proton combinaţiile sunt acum cunoscute. Elementul Termenul se referă la clasificarea unei substanţe în conformitate cu numărul său atomic, iar termenul se referă la clasificarea izotopului sale de către ambele numărul atomic şi numărul de neutroni. Cu alte cuvinte, întrucât există cel puţin 106 elemente diferite, există aproximativ 1.300 de nuclizi diferite cunoscut.    relaţii structurale dintre izotopii diferitelor este adesea indicat pe o grilă, în general, denumite în continuare o diagramă izotopului radioactiv, după cum se arată mai jos. Scară într-o direcţie reprezinta numarul de protoni (număr atomic), şi scara în cealaltă direcţie reprezintă numărul de neutroni. Fiecare pătrat din grila reprezintă o componenţă specifică nucleare sau izotopului. Nu toate zonele din diagramă sunt ocupate. Multe neutron-proton combinaţii reprezintă combinaţii instabile şi nu există ca nuclee. Nuclide care nu există se află într-o bandă relativ îngustă care trece în diagonală în sus prin diagramă.

Grafic de nuclide aranjate în funcţie de compoziţia Neutron-Proton de Nucleus

   Graficele arată în acest text numai primele 16 elemente pentru că interesul nostru imediat este în caracteristicile diagramă, nu şi detaliile tuturor elementelor. Graficele sunt publicate care arată toate nuclizi cunoscute. Anumite relaţii între nuclizi specifice acum trebuie să fie luate în considerare.

Izotopi

CUPRINS

  
   Nuclide unui element poate conţine numere diferite de neutroni. Nuclide care aparţin aceleaşi element chimic (şi au acelaşi număr atomic), dar au un număr diferit de neutroni sunt cunoscute sub numele de izotopi. Ar trebui subliniat faptul că izotopul termen descrie o relaţie între sau printre nuclizi, mai degrabă decât o caracteristică specifică a unui anumit izotopului. O analogie este că persoanele care au bunici fel, dar nu aceiaşi părinţi sunt cunoscute ca veri. Izotopi ai fiecărui element sunt situate în aceeaşi coloană verticală din diagramă izotopului după cum se arată mai jos.

Relatiile dintre Isobars şi Izotopi pe o diagramă izotopului

   Se pare că există o concepţie greşită generală care izotopul radioactiv se înţelege. Acest lucru este în mod evident incorect, deoarece fiecare izotopului este un izotop de alte câteva izotopului. Cele mai multe elemente au izotopi mai multe. În cele mai multe cazuri unele a izotopilor de un element dat sunt stabile (nu radioactivi), iar unele sunt radioactive. De exemplu, iod are 23 izotopi cunoscut cu numere de masa variind de 117 - 139. Două dintre acestea, I-127 şi I-131, sunt prezentate mai jos. Relatia dintre cei doi nuclizi este că acestea sunt izotopi. I-131 este un izotop de I-127, şi I-127 este, de asemenea, un izotop de I-131. Pentru cele mai multe elemente cea mai comuna forma sau este cel mai abundent izotop stabil. Formele radioactive sunt, prin urmare, izotopi de mai multe forme comune, explicând izotopilor puternic asociere s-au dezvoltat cu radioactivitate.

Compararea a doi izotopi

Isobars

CUPRINS

 
   Nuclide având acelaşi număr de masă (numărul total de protoni şi neutroni), dar numere diferite atomice sunt cunoscute ca isobars, aşa cum se arată below.1-131 şi Xe-131 sunt isobars unul de altul. O pereche de isobars nu pot apartine elementului chimic aceeaşi. Relaţia dintre isobars în diagramă izotopului (sub "Izotopi" de mai sus), arătând aluminiu-29, siliciu-29, fosfor-29, şi sulf-29.    Interesul nostru major în isobars este faptul că, în cele mai multe transformări radioactive un izotopului vor fi transformate într-un Isobar de sine. De exemplu, I-131 se arată în figură imediat de mai sus este radioactiv şi este transformată în Xe-131 atunci când suferă de transformare obişnuit radioactive.

Compararea a două Isobars

Izomeri

CUPRINS

  
   Nuclee pot avea aceeaşi compoziţie neutron-proton, dar nu trebuie să fie identice; un nucleu poate să conţină mai multă energie decât celelalte. Două nuclee, care au aceeaşi compoziţie, dar de energie diferite sunt cunoscute sub numele de izomeri. Un exemplu de o pereche de izomeri este prezentat mai jos. Techneţiu-99 poate exista in doua state de energie, cea mai mare dintre cele două este o stare temporară, în general, denumite în continuare o stare metastabil. Simbolul pentru o izotopului în stare metastabil este obţinut prin adăugarea la litera M numarul de masa (Tc-99m). Un nucleu în starea metastabil va da în cele din urmă de pe energie în exces şi pentru a schimba alte izomer. Astfel de tranziţii izomerice au un rol important în medicina nucleară, şi sunt discutate în detaliu mai târziu.

Compararea a doi izomeri 

Isotones

CUPRINS

  
   Nuclide care au acelaşi număr de neutroni sunt cunoscute ca isotones. Această relaţie, a menţionat aici din motive de exhaustivitate, nu este în mod normal, întâlnite în medicina nucleară.

NUCLEARE STABILITATE

CUPRINS

 
   Capacitatea unui nucleu să emită radiaţii de energie este legată de nivelul său de stabilitate. În figura de mai jos ilustrează cele trei niveluri de stabilitate nucleare. Un nucleu stabil nu vor suferi modificări interne pe cont propriu. Aceasta este condiţia de toate material non-radioactiv. Nuclee radioactive sunt suficient de stabil pentru a rămâne neschimbate pentru o perioadă de timp, dar va suferi o transformare spontan în care acestea vor emite o explozie de energie şi să devină mai stabilă, al doilea stat este fie o stare mai stabilă radioactive sau o stare complet stabil. Multe compozitii ipotetice nucleare (neutroni-protoni amestecuri) sunt complet instabile şi nu pot exista ca nuclee intact. După cum sa menţionat anterior, doar aproximativ 1.300 diferite combinatii neutron-proton, gasit printre nuclizi stabili şi radioactivi, se va lipi împreună ca un nucleu.

Trei niveluri de stabilitate nucleare

   Stabilitatea nucleară este determinată de echilibrul de forţe în cadrul nucleului. Există forţe care produc particule nucleare (protoni şi neutroni) să fie atât de atraşi şi îndepărtaţi de la fiecare alte. Deoarece fiecare proton poartă o sarcină electrică pozitivă, protoni se resping reciproc. O forţă cu rază scurtă de atracţie între toate particule este, de asemenea, prezentă în nuclee.    Cel mai important factor care determină echilibrul între forţele interne şi, prin urmare, stabilitatea nucleară este raportul dintre numărul de neutroni la numărul de protoni. Pentru nuclee mai mici, un raport de neutroni-protoni de 1 la 1 produce maximum de stabilitate. Raportul de stabilitate creşte treptat odată cu creşterea numărului atomic până la o valoare de aproximativ 1.3 - 1.0 pentru cel mai mare număr atomic.

  Radioactivitate

CUPRINS

Grafic izotopului Arata Raportul de instabil Structuri radioactive şi nucleare Stabil

Energie Nucleara

CUPRINS

  
   Ori de câte ori un nucleu transformă într-o formă mai stabilă, ea trebuie să emită energie. Mai multe tipuri de modificări nucleare poate duce la eliberarea de energie. În anumite condiţii poate un nucleu, de fisiune, sparge în mai multe componente stabile. Acest proces are loc în reactoare nucleare în cazul în care energia eliberată este adesea utilizat pentru a genera energie electrică. Fuziunea a două nuclee mici, pentru a forma un nucleu mai mare este un proces care creează energie din cadrul soare şi bomba cu hidrogen. În medicina nucleară, energia radiaţiilor este creat atunci când sunt supuse tranziţii spontane nuclee radioactive, pentru a crea mai multe structuri stabile nucleare.    energia emisă în timpul tranziţiilor nucleare este creat prin conversia o mică parte din masa in energie nucleară. Atunci când o asemenea transformare are loc, relaţia dintre cantitatea de energie (E) şi valoarea de masă (m) în cauză este dată de ecuaţia lui Einstein:

E = MC ²

unde c este viteza luminii. Un aspect semnificativ al acestei relaţii este faptul că o cantitate uriaşă de energie poate fi creat de la o masă relativ mic. Masa de 1 g, complet transformată, ar produce 25 milioane de kilowaţi-oră.    În aplicaţiile clinice, suntem interesaţi şi de cantitatea de energie eliberată de către un atom individual. Acest lucru este exprimat în unitatea de volţi kiloelectron (keV), o unitate relativ mic de energie. Relaţia între unele unităţi de energie şi alte keV sunt:

ERG 1 = 6.24 x 10 ⁸ keV 1 j = 10

⁷ erg = 6.24 x 10 ¹⁵ keV.

   Energia eliberată în tranziţiile radioactive utilizate în medicina nucleară, este de obicei în intervalul de la 100 la 500 keV keV. Aceasta corespunde la o schimbare în masă nucleare de 0,0001 uam la 0.0005 amu. Valoarea de masă nucleare utilizate pentru producerea de energie radiaţie este relativ mic.    echivalentă de energie din o masă electron este 511 keV. Această valoare este adesea menţionată ca energia de repaus-masa unui electron. În unele situaţii în procedurile de medicină nucleară, masele de electroni individuale sunt complet transformate în energie. Rezultatul este un foton cu energia caracteristică de 511 keV.

Electroni

CUPRINS

  
   Electronii sunt situate în orbite sau coji în spaţiul din jurul unui nucleu şi au mai multe roluri importante în formarea imaginii. În anumite tipuri de tranziţii radioactive, electronilor orbitali se implice în care emisia efectivă de energie din atom. Atunci când interacţionează cu radiaţii materiale, cum ar fi tesutul uman, interacţiunea este, de obicei cu electronii, mai degrabă decât nuclee de atomi.

   Un Număr Tomic (Z)

CUPRINS

  
   Numărul de electroni conţinută într-un atom obişnuit este egal cu numărul de protoni din nucleu. Acest număr este numărul atomic (Z) a elementului chimic special. Fiecare electron are o sarcină negativă electric echivalent în puterea de a percepe pozitiv al unui proton. În condiţii normale, atunci când numărul de electroni şi protoni într-un atom este aceeaşi, sarcinile pozitive şi cele negative, astfel încât echilibrul atom are nici o taxă net. Cu toate acestea, dacă un electron este scos dintr-un atom, atomul este declarat a fi ionizate si va avea o sarcină pozitivă.

   Nivele de energie

CUPRINS

  
   Electronii se află în coajă discrete incadrand nucleu, identificate prin scrisorile de la începutul alfabetului cu K pentru shell-ul cel mai apropiat de nucleu aşa cum este arătat mai sus, în "structurii nucleare.". Fiecare coajă are o capacitate limitată de electroni. Capacitatea maximă de coajă K, în orice atom este de 2 electroni; shell-L, 8 electroni; coajă M, 18 electroni; etc coji de electroni sunt, în general, umplute începând cu coajă K şi de prelungire până când numărul total de electroni au fost plasate.    Electronii sunt obligate să nucleul pozitiv al unui atom cu sarcina electrica negativa lor. Punctul forte al acestui obligatorii pot fi exprimate în termeni de energie. Această energie de legare a unui electron este egală cu cantitatea de energie care ar fi necesară pentru a elimina electron din atom. Legarea de energie este o formă de energie potenţială de electroni. Ca în orice formă de energie potenţială, un moment dat trebuie să fie desemnat nivelul de energie zero. În caz de electroni, o locaţie în afara atomului electronul este în cazul în care nu se mai află sub influenţa nucleului este desemnat punctul zero. Luaţi în considerare o minge de golf odihnindu-se pe teren. Pentru mingi de golf, la nivelul solului ar fi nivelul de energie zero. Atunci când un electron intră într-un atom, aceasta scade la un nivel mai redus de energie, la fel ca mingea de golf nu atunci când rulouri într-o gaură. Electronii în termen de atomi sunt, în general, considerate a avea energie negativa, deoarece energia de la o sursă trebuie să fie adăugate pentru a le ridica la nivelul zero. De asemenea, mingi de golf in gaura are o energie negativa cu privire la suprafaţa solului. Este nevoie de energie de la o sursă pentru ao ridica din nou la nivelul zero.    conceptul de niveluri de energie electronul poate fi ilustrat prin utilizarea unui diagrama nivel de energie de tipul celor prezentate mai jos. Ar trebui remarcat faptul că această diagramă reprezintă electronii ca fiind stabilite într-o gaură. Electronii în partea de jos sunt cel mai scăzut nivel de energie şi ar fi cea mai mare energie obligatoriu.

Nivelul Diagrama de energie a electronilor din interiorul Atom Tungsten

   Aşa cum sa discutat anterior, electronii sunt aranjate în cadrul atomilor în straturi precise, sau scoici. Fiecare shell-ul este un nivel de energie diferit. Învelişul K, care este cel mai apropiat de nucleu, este la cel mai mic nivel de energie. Diagrama de mai sus este pentru tungsten, care are un număr atomic de 74. Numai K, L, M şi nivelurile de electroni sunt afişate. Electronii suplimentare sunt situate în scoici N şi O. Aceste cochilii vor fi amplasate deasupra coajă M şi uşor sub nivelul zero. Ar trebui remarcat faptul că există o diferenţă de energie semnificative între diferitele scoici. Toate scoici, cu excepţia K, sunt subdivizate în niveluri suplimentare de energie. De exemplu, shell-ul L este împărţit în trei niveluri desemnate LI, LII, şi LIII.    rolurile de electroni de la evenimente radiaţii implică, de obicei, una dintre cele două principii de bază: (1) de energie din unele sursă este necesară pentru a muta un electron într-o mai mare shell (cum ar fi K la L) sau din atom; (2) În cazul în care un electron se mişcă într-o coajă mai mică (de exemplu, pentru K L), energia trebuie să se acorde de către electroni şi apare de obicei ca un anumit tip de radiaţie. Cantitatea de energie în cauză depinde de diferenţa dintre nivelurile de energie care misca electronii.    energetică obligatorii pentru electroni într-o coajă specifice, cum ar fi K, este legat de numărul atomic aşa cum este indicat în figura de mai jos. Ar trebui remarcat faptul că numai electronii K-shell pentru elementele de mai mare numărul atomic au energii obligatoriu în acelaşi interval ca şi energiile de gama de diagnostic şi de x-ray fotoni. Acest lucru este important în mai multe tipuri de interacţiuni discutate mai târziu. Energia de legătură a electronilor L-shell este întotdeauna mult mai puţin decât pentru K, dar este, de asemenea, creşte cu numărul atomic. Pentru majoritatea substanţelor, energia de legătură a electronilor ultraperiferice este în intervalul de 5 EV la 20 EV. Evident, acestea sunt electronii care sunt cel mai uşor de a elimina dintr-un atom.

Raportul dintre K-Shell a Energiei obligatorii şi numărul atomic

   Îndepărtarea unui electron dintr-un atom se numeşte ionizare. Deoarece x-ray si fotonii gamma au suficienta energie pentru a elimina electronii din atomi, ele pot fi considerate radiaţii ionizante. Lumina vizibilă, care are energiile fotonice de mai jos energie minime obligatorii în cele mai multe atomi, nu poate produce ionizare.

   Concentrare

CUPRINS

    Fotonii sunt absorbite atunci când intră în coliziune cu electroni. Ca un foton trece prin materie, şansele sale de a fi absorbită depinde, în general, asupra concentraţiei de electroni disponibile în cadrul materialului. Concentrare, sau numărul de electroni pe centimetru cub, este dat de

Electronii pe cc = r N (Z / A).

   Această relaţie este numărul de atomi de pe centimetru cub, înmulţită cu numărul atomic, care este numărul de electroni pe atom. Mai multe comentarii cu privire la această relaţie sunt în ordine. Numărul lui Avogadro, N, are întotdeauna aceeaşi valoare şi, evident, nu se schimba de la element la element. Z şi A au valori unice pentru fiecare element chimic. Ar trebui să fie remarcat, totuşi, că numărul de electroni pe centimetru cub depinde numai de raportul de la Z la A. elemente cu numere mai mici atomice au aproximativ un neutron pentru fiecare proton in nucleu. Valoarea lui Z / A este de aproximativ 0,5. Pe masura ce numarul atomic şi creştere în greutate atomică, a raportului de neutroni în interiorul nucleului, de asemenea, creşte. Acest lucru produce o scădere în Z / A raportului, dar această schimbare este relativ mic. Plumb, care are un număr atomic de 82 şi o greutate atomică de 207, are o Z / Un raport de 0,4. Pentru majoritatea materialelor întâlnite în x-ray aplicaţii, Z / ​​A raportului variază în funcţie de mai puţin de 20%. Singura excepţie la acest lucru este pe bază de hidrogen. Normal pe bază de hidrogen nu conţine neutroni şi are un nucleu care constă dintr-un proton singur. Z / A raport, prin urmare, are o valoare de l.    Deoarece numărul lui Avogadro este constantă, şi Z / Un raport constant este, în esenţă, singurul factor care poate modifica în mod semnificativ concentraţia de electroni este densitatea materialului. Cele mai multe materiale, în special elemente pure, au mai mult sau mai puţin valori unice densitate. În compuşi şi amestecuri, densitatea depinde de concentraţia relativă a diferitelor elemente.    Faptul că această concentrare electron nu se schimba in mod semnificativ cu numar atomic ar putea sugera că numărul atomic are prea puţin de-a face cu electron-x-ray interacţiuni. Acest lucru este, însă, nu este cazul. Ca x-ray fotoni trece prin materie, sansa de a interacţiune depinde nu numai de concentraţia de electroni, ci, de asemenea, cu privire la modul ferm electronii sunt obligate în cadrul structurii atomice. Anumite tipuri de interacţiuni au loc numai cu electroni strâns legate. Având în vedere că energia de legătură a electronilor creşte cu numărul atomic, concentraţia de electroni puternic legat creşte în mod semnificativ cu numar atomic mare.    număr atomic este în esenţă, o caracteristică a atomului şi are o valoare care este unic pentru fiecare element chimic. Multe materiale, cum ar fi tesutul uman, nu sunt un element chimic singur, ci un conglomerat de compuşi şi amestecuri. În ceea ce priveşte interacţiunile cu raze X, este posibil să se definească un număr efectiv atomic, Z





_FEP, pentru compuşi şi amestecuri. Numărul efectiv atomic este dat de

                  ___________________________
Z _FEP = ^2.94 √ f ₁ Z ₁ ^2.94+ f ₂ Z ₂ ^2.94+ f ₃ Z ₃ ^2.94 + - -.

   În această relaţie, f este fracţiunea din numărul total de electroni asociate cu fiecare element. Exponent, 2.94, este derivat din relaţia dintre x-ray interacţiuni şi numărul atomic, care este discutat mai târziu.

   De apă, care este o componentă majoră a corpului uman, pot fi folosite pentru a demonstra conceptul de număr atomic efectiv. Moleculă de apă conţine doi atomi de hidrogen, care au un electron fiecare, şi un atom de oxigen cu opt electroni. Fracţiunile de electroni, f, sunt, prin urmare, 0,2 pentru hidrogen şi 0.8 pentru oxigen. Substituirea de aceste valori în relaţia de mai sus dă un număr efectiv atomic pentru apă de

             ______________________ Z =
^2.94 √ ( 0.2 x 1) ^2.94+ (0,8 x 8) ^2.94 

= 7.42.                                      

   În multe sisteme de raze X, o varietate de materiale sunt implicaţi în interacţiuni x-ray. Multe dintre aceste materiale sunt enumerate în tabelul următor, împreună cu principalele lor caracteristici fizice şi relaţia cu sistemul de x-ray.

Caracteristicile materialelor

CUPRINS

*. efectivă Z de ţesuturi de la Spiers (1946) Sursa: Spiers FW: numărul atomic şi eficiente de absorbţie de energie în ţesuturi. Br J Radiol  1946; 19:218.