Radiaţii este creat, iar apoi absorbit în cadrul unor substanţă materială sau materie. Anumite materiale sunt mai potrivite decât altele ca sursele de radiaţii, cât şi amortizoarele. În acest capitol vom lua în considerare unele caracteristici fizice de bază ale materiei, care determina modul în care interacţionează cu materiale de radiaţii. Interacţiuni radiaţii, atât formarea şi de absorbţie, să apară în cadrul atomilor individuali. Vom începe, prin urmare, cu o scurtă trecere în revistă a structurii atomice, cu un accent pe caracteristicile atomice, care afectează interacţiunile. Vom discuta apoi proprietăţi colective de atomi în cadrul unui material.
Atomii constă din două mari regiuni: nucleul şi scoici de electroni. Fiecare regiune are un rol în interacţiunile radiaţii. Nucleul este sursa de energie pentru radiaţiilor utilizate în procedurile de medicină nucleară. Deşi nucleul nu este sursa de raze X de energie, aceasta este implicată în producţia de x-ray fotoni. În cele mai multe cazuri, radiaţie este absorbită de interacţionează cu electronii situat în scoici din jurul nucleului. Treceri în coajă electroni produc, de asemenea, o formă de x-radiaţii.
STRUCTURA NUCLEARA |
|
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 |
|
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 |
|
Grafic de nuclide aranjate în funcţie de compoziţia Neutron-Proton de Nucleus
|
|
|
Izotopi |
|
Relatiile dintre Isobars şi Izotopi pe o diagramă izotopului
|
|
Compararea a doi izotopi |
Isobars |
|
Compararea a două Isobars |
|
Izomeri |
|
![]() |
|
Compararea a doi izomeri
|
Isotones |
|
|
|
|
NUCLEARE STABILITATE |
|
Trei niveluri de stabilitate nucleare
|
|
Radioactivitate |
|
În cazul în care raportul neutron-proton este puţin mai sus sau mai jos a raportului de stabilitate, nucleul va fi, în general, radioactive. Indicatori considerabil diferite de cele necesare pentru stabilitatea nu se găsesc în nuclee, deoarece acestea reprezintă compoziţii complet instabilă. Într-o compoziţie instabilă, forţele de respingere nu ţină seama de forţele de atracţie dintre particule nucleare.
relaţia dintre stabilitatea nucleare şi neutron-proton raportului este ilustrată mai jos. Nuclide stabil, cei cu un raport neutron-proton de aproximativ 1 la 1, se află într-o bandă îngustă de funcţionare în diagonală prin diagramă izotopului. Nuclide radioactive sunt situate pe fiecare parte a benzii de stabil. Toate alte zone de pe diagramă izotopului reprezintă neutron-proton amestecuri care nu poate exista ca un nucleu. |
|
Grafic izotopului Arata Raportul de instabil Structuri radioactive şi nucleare Stabil
|
|
Energie Nucleara |
|
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:
|
|
|
Electroni |
|
|
|
Un Număr Tomic (Z) |
|
|
|
|
Nivele de energie |
|
Nivelul Diagrama de energie a electronilor din interiorul Atom Tungsten
Raportul dintre K-Shell a Energiei obligatorii şi numărul atomic
|
|
Concentrare |
|
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
___________________________
______________________ Z =
|
Caracteristicile materialelor |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
*. 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. |