PROMIENIOWANIE RTG
PROMIENIOWANIE RTG
Wilhelm Conrad Roentgen – 1895r.
Wilhelm Conrad Roentgen – 1895r.
powstawanie
powstawanie
widmo
widmo
zjawiska falowe
zjawiska falowe
oddziaływanie z
oddziaływanie z
materią
materią
PROMIENIOWANIE RTG
PROMIENIOWANIE RTG
Wilhelm Conrad Roentgen – 1895r.
Wilhelm Conrad Roentgen – 1895r.
powstawanie
powstawanie
widmo
widmo
zjawiska falowe
zjawiska falowe
oddziaływanie z
oddziaływanie z
materią
materią
Promienie X
Promienie X
- fale elektromagnetyczne
- fale elektromagnetyczne
dł. od ok. 6pm do ok. 100pm
dł. od ok. 6pm do ok. 100pm
(p=piko=10
(p=piko=10
ˉ¹²
ˉ¹²
)
)
Długość fali:
Długość fali:
λ
λ
=
=
v
v
T
T
(
(
v
v
– prędkość fali, T – okres fali)
– prędkość fali, T – okres fali)
Częstotliwość fali:
Częstotliwość fali:
f =
f =
1/T (jednostka 1/s=Hz)
1/T (jednostka 1/s=Hz)
Promieniowanie elektromagnetyczne, choć jest falą,
Promieniowanie elektromagnetyczne, choć jest falą,
jest
jest
wysyłane, rozchodzi się i jest pochłaniane w
wysyłane, rozchodzi się i jest pochłaniane w
kwantach.
kwantach.
Energia kwantu:
Energia kwantu:
E = hc / λ (h – stała Plancka, energia kwantu
E = hc / λ (h – stała Plancka, energia kwantu
zależy od długości fali)
zależy od długości fali)
Promienie X powstają w wyniku hamowania
Promienie X powstają w wyniku hamowania
elektronów
elektronów
swobodnych przyspieszonych w polu elektrycznym,
swobodnych przyspieszonych w polu elektrycznym,
czyli
czyli
na skutek gwałtownego oddawania energii
na skutek gwałtownego oddawania energii
kinetycznej
kinetycznej
przez silnie rozpędzone elektrony.
przez silnie rozpędzone elektrony.
Lampa rentgenowska
Lampa rentgenowska
– urządzenie
– urządzenie
stosowane w diagnostyce lekarskiej do
stosowane w diagnostyce lekarskiej do
wytwarzania promieniowania X
wytwarzania promieniowania X
Lampa próżniowa z dwiema elektrodami
Lampa próżniowa z dwiema elektrodami
Katoda
Katoda
– elektroda ujemna – skręcony spiralnie drut
– elektroda ujemna – skręcony spiralnie drut
wolframowy, tzw.: włókno żarzenia
wolframowy, tzw.: włókno żarzenia
Anoda
Anoda
– elektroda dodatnia – blok miedziany, w który
– elektroda dodatnia – blok miedziany, w który
wtopiony jest krążek z wolframu
wtopiony jest krążek z wolframu
Wolfram – pierwiastek o wysokiej l. atomowej (Z=74), posiadający
Wolfram – pierwiastek o wysokiej l. atomowej (Z=74), posiadający
wysoką temp. topnienia (3370°C), małą skłonność do parowania,
wysoką temp. topnienia (3370°C), małą skłonność do parowania,
bardzo dobry przewodnik ciepła
bardzo dobry przewodnik ciepła
Podgrzana katoda jest źródłem elektronów, które
Podgrzana katoda jest źródłem elektronów, które
następnie
następnie
są przyspieszane napięciem przyspieszającym, osiągając
są przyspieszane napięciem przyspieszającym, osiągając
duże energie.
duże energie.
W bańce jest próżnia, by elektrony nie rozpraszały się na
W bańce jest próżnia, by elektrony nie rozpraszały się na
cząsteczkach powietrza. Rozpędzone elektrony padają na
cząsteczkach powietrza. Rozpędzone elektrony padają na
anodę i zostają w niej wyhamowane - jeśli elektrony
anodę i zostają w niej wyhamowane - jeśli elektrony
miały
miały
duże prędkości (co uzyskuje się przez przyłożenie różnicy
duże prędkości (co uzyskuje się przez przyłożenie różnicy
potencjałów rzędu kilku tysięcy woltów), a proces
potencjałów rzędu kilku tysięcy woltów), a proces
hamowania był szybki, to uzyskuje się silne
hamowania był szybki, to uzyskuje się silne
promieniowanie elektromagnetyczne.
promieniowanie elektromagnetyczne.
Budowa lampy rentgenowskiej (schemat)
Budowa lampy rentgenowskiej (schemat)
Jest to najprostsza lampa rentgenowska i nie
Jest to najprostsza lampa rentgenowska i nie
uwzględniono
uwzględniono
tu chłodzenia anody, co w warunkach doświadczalnych
tu chłodzenia anody, co w warunkach doświadczalnych
jest konieczne.
jest konieczne.
Najczęściej chłodzi się przepływającą wodą, ale także
Najczęściej chłodzi się przepływającą wodą, ale także
robi
robi
się tzw. wirujące anody: anoda jest w kształcie tarczy,
się tzw. wirujące anody: anoda jest w kształcie tarczy,
która
która
wiruje po to, by elektrony uderzały za każdym razem w
wiruje po to, by elektrony uderzały za każdym razem w
inne miejsce.
inne miejsce.
Zgodnie z prawami fizyki klasycznej
Zgodnie z prawami fizyki klasycznej
w wyniku
w wyniku
hamowania
hamowania
elektronów w materiale tarczy, aż do ich
elektronów w materiale tarczy, aż do ich
całkowitego zatrzymania, następuje emisja
całkowitego zatrzymania, następuje emisja
promieniowania elektromagnetycznego o
promieniowania elektromagnetycznego o
widmie
widmie
ciągłym
ciągłym
.
.
Jednak może się zdarzyć, że elektron uderzając w anodę
Jednak może się zdarzyć, że elektron uderzając w anodę
nie tylko zostanie wyhamowany, ale może
nie tylko zostanie wyhamowany, ale może
wybić
wybić
elektron
elektron
z atomu anody. Zostanie dziura, którą wypełni elektron
z atomu anody. Zostanie dziura, którą wypełni elektron
spadający z wyższych powłok, z czym związane jest
spadający z wyższych powłok, z czym związane jest
promieniowanie charakterystyczne dla danego
promieniowanie charakterystyczne dla danego
pierwiastka. Dlatego ostatecznie wykres przedstawia
pierwiastka. Dlatego ostatecznie wykres przedstawia
widmo ciągłe promieniowania X z ostrymi pikami
widmo ciągłe promieniowania X z ostrymi pikami
promieniowania charakterystycznego (widmo liniowe).
promieniowania charakterystycznego (widmo liniowe).
Wzrost napięcia przyspieszającego powoduje wzrost
Wzrost napięcia przyspieszającego powoduje wzrost
energii elektronów, które następnie hamowane są
energii elektronów, które następnie hamowane są
na powierzchni anody.
na powierzchni anody.
Powstaje promieniowanie rentgenowskie, składające
Powstaje promieniowanie rentgenowskie, składające
się z:
się z:
1. promieniowania hamowania
1. promieniowania hamowania
2. promieniowania charakterystycznego
2. promieniowania charakterystycznego
1. Promieniowanie hamowania
1. Promieniowanie hamowania
(promieniowanie
(promieniowanie
ciągłe)
ciągłe)
Powstaje gdy elektrony są wyhamowywane na
Powstaje gdy elektrony są wyhamowywane na
anodzie
anodzie
w pobliżu jąder atomowych. Ponieważ w procesie
w pobliżu jąder atomowych. Ponieważ w procesie
hamowania oddawane mogą być różne ilości energii
hamowania oddawane mogą być różne ilości energii
więc
więc
promieniowanie hamowania ma
promieniowanie hamowania ma
widmo ciągłe
widmo ciągłe
(różne
(różne
długości fal).
długości fal).
2. Promieniowanie charakterystyczne
2. Promieniowanie charakterystyczne
Jest związane ze wzbudzeniem atomu pierwiastka
Jest związane ze wzbudzeniem atomu pierwiastka
elektrody hamującej - elektrony bombardujące
elektrody hamującej - elektrony bombardujące
dany materiał wybijają elektrony z wewnętrznych
dany materiał wybijają elektrony z wewnętrznych
powłok
powłok
atomów tego materiału.
atomów tego materiału.
Promieniowanie charakterystyczne stanowi niewielki
Promieniowanie charakterystyczne stanowi niewielki
odsetek całości promieniowania rtg.
odsetek całości promieniowania rtg.
Tylko 1% energii kinetycznej elektronów jest
Tylko 1% energii kinetycznej elektronów jest
zamieniany
zamieniany
na energię promieniowania
na energię promieniowania
Aż 99% ich energii jest zamieniane na ciepło!
Aż 99% ich energii jest zamieniane na ciepło!
Przykładowe widmo promieniowania
Przykładowe widmo promieniowania
rentgenowskiego:
rentgenowskiego:
Złożony kształt widma jest
Złożony kształt widma jest
rezultatem nałożenia się
rezultatem nałożenia się
dwóch efektów:
dwóch efektów:
1. emisji promieniowania
1. emisji promieniowania
hamowania (widmo ciągłe)
hamowania (widmo ciągłe)
2. emisji promieniowania
2. emisji promieniowania
charakterystycznego (linie
charakterystycznego (linie
odpowiadające emisji
odpowiadające emisji
fotonów o energiach
fotonów o energiach
dyskretnych).
dyskretnych).
Przykładowe widmo promieniowania
Przykładowe widmo promieniowania
rentgenowskiego:
rentgenowskiego:
1. widmo promieniowania
1. widmo promieniowania
hamowania ma ściśle
hamowania ma ściśle
określoną wartość najmniejszej
określoną wartość najmniejszej
długości fali (czyli największej
długości fali (czyli największej
energii emitowanych fotonów).
energii emitowanych fotonów).
2. dyskretne wartości energii
2. dyskretne wartości energii
fotonów odpowiadają
fotonów odpowiadają
przejściom
przejściom
na różne powłoki atomowe
na różne powłoki atomowe
oznaczone na rysunku
oznaczone na rysunku
symbolami: K, L, M.
symbolami: K, L, M.
Promieniowanie elektromagnetyczne rozchodząc się
Promieniowanie elektromagnetyczne rozchodząc się
objawia swe własności falowe zachowując się jak
objawia swe własności falowe zachowując się jak
każda
każda
fala:
fala:
1. ulega interferencji, dyfrakcji,
1. ulega interferencji, dyfrakcji,
2. spełnia prawo odbicia i załamania.
2. spełnia prawo odbicia i załamania.
Interferencja
Interferencja
to zjawisko nakładania się fal
to zjawisko nakładania się fal
prowadzące
prowadzące
do zwiększania lub zmniejszania amplitudy fali
do zwiększania lub zmniejszania amplitudy fali
wypadkowej. Interferencja zachodzi dla wszystkich
wypadkowej. Interferencja zachodzi dla wszystkich
rodzajów fal, we wszystkich ośrodkach, w których
rodzajów fal, we wszystkich ośrodkach, w których
mogą
mogą
rozchodzić się dane fale.
rozchodzić się dane fale.
Dyfrakcja
Dyfrakcja
to zjawisko fizyczne zmiany kierunku
to zjawisko fizyczne zmiany kierunku
rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz
rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz
w ich
w ich
pobliżu. Zjawisko zachodzi dla wszystkich wielkości
pobliżu. Zjawisko zachodzi dla wszystkich wielkości
przeszkód, ale wyraźnie jest obserwowane dla
przeszkód, ale wyraźnie jest obserwowane dla
przeszkód o
przeszkód o
rozmiarach porównywalnych z długością fali.
rozmiarach porównywalnych z długością fali.
W wyniku dyfrakcji następuje zmiana kierunku
W wyniku dyfrakcji następuje zmiana kierunku
rozchodzenia się fal i zmiana natężenia wiązki
rozchodzenia się fal i zmiana natężenia wiązki
(wzmocnienie lub osłabienie)
(wzmocnienie lub osłabienie)
Odbicie
Odbicie
to nagła zmiana kierunku rozchodzenia się fali
to nagła zmiana kierunku rozchodzenia się fali
na granicy dwóch ośrodków powodująca, że pozostaje
na granicy dwóch ośrodków powodująca, że pozostaje
ona
ona
w ośrodku, w którym się rozchodzi.
w ośrodku, w którym się rozchodzi.
Załamanie
Załamanie
w fizyce to zmiana kierunku rozchodzenia
w fizyce to zmiana kierunku rozchodzenia
się fali (refrakcja fali) związana ze zmianą jej prędkości,
się fali (refrakcja fali) związana ze zmianą jej prędkości,
gdy przechodzi do innego ośrodka. Inna prędkość
gdy przechodzi do innego ośrodka. Inna prędkość
powoduje zmianę długości fali, a częstotliwość pozostaje
powoduje zmianę długości fali, a częstotliwość pozostaje
stała.
stała.
Wzajemne oddziaływanie
Wzajemne oddziaływanie
promieniowania rentgenowskiego i
promieniowania rentgenowskiego i
materii
materii
Trzy podstawowe procesy:
Trzy podstawowe procesy:
1. rozpraszanie spójne
1. rozpraszanie spójne
2. zjawisko fotoelektryczne
2. zjawisko fotoelektryczne
3. rozpraszanie Comptona
3. rozpraszanie Comptona
Przy wyższych energiach promieniowania rtg (nie stosowanych
Przy wyższych energiach promieniowania rtg (nie stosowanych
w
w
diagnostyce medycznej) występuje jeszcze:
diagnostyce medycznej) występuje jeszcze:
4. zjawisko tworzenia par
4. zjawisko tworzenia par
5. zjawisko rozpadu atomu
5. zjawisko rozpadu atomu
1.rozpraszanie spójne
1.rozpraszanie spójne
Występuje, gdy foton promieniowania trafi na atom
Występuje, gdy foton promieniowania trafi na atom
(jeśli elektron jest silnie związany w atomie tarczy lub gdy energia
(jeśli elektron jest silnie związany w atomie tarczy lub gdy energia
padającego fotonu jest bardzo mała, elektron może nie zostać od
padającego fotonu jest bardzo mała, elektron może nie zostać od
atomu oderwany - w takim przypadku zderzenie może być
atomu oderwany - w takim przypadku zderzenie może być
traktowane
traktowane
jako zderzenie fotonu z całym atomem).
jako zderzenie fotonu z całym atomem).
Może to spowodować wysłanie innego fotonu
Może to spowodować wysłanie innego fotonu
(o zmienionym kierunku, ale tej samej długości fali).
(o zmienionym kierunku, ale tej samej długości fali).
Rozpraszanie spójne jako jedyne przebiega bez
Rozpraszanie spójne jako jedyne przebiega bez
jonizacji
jonizacji
atomu.
atomu.
2. zjawisko fotoelektryczne
2. zjawisko fotoelektryczne
Zjawisko uwalniania przez światło elektronów z
Zjawisko uwalniania przez światło elektronów z
powierzchni rozmaitych substancji nazwane jest
powierzchni rozmaitych substancji nazwane jest
zjawiskiem
zjawiskiem
fotoelektrycznym.
fotoelektrycznym.
Foton promieniowania rtg o energii większej niż energia
Foton promieniowania rtg o energii większej niż energia
wiązania powłoki elektronu atomu na który trafia, oddaje
wiązania powłoki elektronu atomu na który trafia, oddaje
całą swoją energię wytrącając ten elektron poza atom (ten
całą swoją energię wytrącając ten elektron poza atom (ten
elektron nazywa się wówczas fotoelektronem).
elektron nazywa się wówczas fotoelektronem).
Zjawisko fotoelektryczne jest zjawiskiem
Zjawisko fotoelektryczne jest zjawiskiem
pochłaniania
pochłaniania
promieniowania.
promieniowania.
Zjawisko powstawania promieniowania hamowania
Zjawisko powstawania promieniowania hamowania
można uważać za proces odwrotny do zjawiska
można uważać za proces odwrotny do zjawiska
fotoelektrycznego.
fotoelektrycznego.
W zjawisku fotoelektrycznym foton jest absorbowany i
W zjawisku fotoelektrycznym foton jest absorbowany i
jego energia i pęd przekazywane są elektronowi i
jego energia i pęd przekazywane są elektronowi i
jądru
jądru
odrzutu.
odrzutu.
W procesie wytwarzania promieniowania hamowania
W procesie wytwarzania promieniowania hamowania
powstaje foton, którego pęd i energia pochodzi od
powstaje foton, którego pęd i energia pochodzi od
zderzających się ze sobą elektronu i jądra - mamy do
zderzających się ze sobą elektronu i jądra - mamy do
czynienia z kreacją fotonów, a nie z ich absorpcją
czynienia z kreacją fotonów, a nie z ich absorpcją
lub rozpraszaniem przez materię.
lub rozpraszaniem przez materię.
3. rozpraszanie Comptona
3. rozpraszanie Comptona
Występuje wtedy, gdy foton uderza w elektron
Występuje wtedy, gdy foton uderza w elektron
powłoki
powłoki
zewnętrznej atomu, która ma niską energię
zewnętrznej atomu, która ma niską energię
wiązania.
wiązania.
Elektron zostaje wyrzucony poza atom, a pozostała
Elektron zostaje wyrzucony poza atom, a pozostała
energia
energia
fotonu tworzy nowy foton o zmienionej długości fali
fotonu tworzy nowy foton o zmienionej długości fali
(dłuższej) i zmienionym kierunku (nawet o 180
(dłuższej) i zmienionym kierunku (nawet o 180
°
°
).
).
Atom pozbawiony elektronu staje się jonem.
Atom pozbawiony elektronu staje się jonem.
W odróżnieniu od zjawiska fotoelektrycznego fotony w
W odróżnieniu od zjawiska fotoelektrycznego fotony w
zjawisku Comptona są raczej rozpraszane a nie
zjawisku Comptona są raczej rozpraszane a nie
absorbowane.
absorbowane.
Ponieważ padające fotony podczas zderzeń
Ponieważ padające fotony podczas zderzeń
przekazują
przekazują
część swojej energii elektronom, więc rozproszony
część swojej energii elektronom, więc rozproszony
foton
foton
musi mieć energię E2 mniejszą od E1, a zatem i
musi mieć energię E2 mniejszą od E1, a zatem i
niższą
niższą
częstotliwość, co z kolei daje większą długość fali.
częstotliwość, co z kolei daje większą długość fali.
Właściwości promieniowania rentgenowskiego:
Właściwości promieniowania rentgenowskiego:
1. zmniejsza swoje natężenie z kwadratem
1. zmniejsza swoje natężenie z kwadratem
odległości
odległości
2. ulega osłabieniu przenikając przez materię
2. ulega osłabieniu przenikając przez materię
3. wywołuje jonizację materii
3. wywołuje jonizację materii
4. wywołuje zjawisko luminescencji
4. wywołuje zjawisko luminescencji
5. działa na emulsję fotograficzną
5. działa na emulsję fotograficzną
6. ma działanie biologiczne
6. ma działanie biologiczne
1. zmiana natężenia z kwadratem odległości –
1. zmiana natężenia z kwadratem odległości –
najlepszą
najlepszą
ochroną przed promieniowaniem jest odległość!
ochroną przed promieniowaniem jest odległość!
2. osłabienie promieniowania – udział rozpraszania i
2. osłabienie promieniowania – udział rozpraszania i
pochłaniania (zjawisko fotoelektryczne).
pochłaniania (zjawisko fotoelektryczne).
Im wyższa zawartość pierwiastków o dużych liczbach
Im wyższa zawartość pierwiastków o dużych liczbach
atomowych, tym większe pochłanianie – tkanki miękkie
atomowych, tym większe pochłanianie – tkanki miękkie
zbudowane głównie z pierwiastków lekkich (H, C, O)
zbudowane głównie z pierwiastków lekkich (H, C, O)
wytwarzają mało fotoelektronów, natomiast kości
wytwarzają mało fotoelektronów, natomiast kości
zawierające Ca dużo – stąd różnica zaczernienia między
zawierające Ca dużo – stąd różnica zaczernienia między
gazem, tkankami miękkimi i tkanką kostną.
gazem, tkankami miękkimi i tkanką kostną.
Im wyższa energia promieniowania tym większe
Im wyższa energia promieniowania tym większe
rozpraszanie.
rozpraszanie.
3. jonizacja – powstaje w wyniku oddziaływania
3. jonizacja – powstaje w wyniku oddziaływania
promieni
promieni
rtg z materią
rtg z materią
4. luminescencja – zjawisko emitowania światła
4. luminescencja – zjawisko emitowania światła
widzialnego przez niektóre związki chemiczne pod
widzialnego przez niektóre związki chemiczne pod
wpływem promieniowania rentgenowskiego (folie
wpływem promieniowania rentgenowskiego (folie
wzmacniające, ekrany wzmacniacza obrazu)
wzmacniające, ekrany wzmacniacza obrazu)
5. działanie na emulsję fotograficzną – razem ze
5. działanie na emulsję fotograficzną – razem ze
zjawiskiem luminescencji umożliwia wykonanie
zjawiskiem luminescencji umożliwia wykonanie
zdjęć
zdjęć
rentgenowskich na kliszach fotograficznych
rentgenowskich na kliszach fotograficznych
6. działanie biologiczne – wynika z jonizacji tkanek
6. działanie biologiczne – wynika z jonizacji tkanek
poddanych napromieniowaniu.
poddanych napromieniowaniu.
Dochodzi do zmian na poziomie molekularnym –
Dochodzi do zmian na poziomie molekularnym –
łańcuchy
łańcuchy
przemian fizyko- i biochemicznych, może doprowadzić do
przemian fizyko- i biochemicznych, może doprowadzić do
uszkodzenia DNA.
uszkodzenia DNA.
Podstawowa reguła określająca promienioczułość
Podstawowa reguła określająca promienioczułość
komórek,
komórek,
a więc ich podatność na uszkodzenie:
a więc ich podatność na uszkodzenie:
„
„
Wrażliwość komórek na promieniowanie jest wprost
Wrażliwość komórek na promieniowanie jest wprost
proporcjonalna do ich aktywności proliferacyjnej i
proporcjonalna do ich aktywności proliferacyjnej i
odwrotnie
odwrotnie
proporcjonalna do stopnia ich zróżnicowania”
proporcjonalna do stopnia ich zróżnicowania”
Jakie właściwości promieniowania
Jakie właściwości promieniowania
wykorzystywane są w medycynie?
wykorzystywane są w medycynie?
-
-
rozproszenie
rozproszenie
-
-
jonizacja
jonizacja
przenikanej materii (odpowiada za efekty
przenikanej materii (odpowiada za efekty
biologiczne, wykorzystywana w radioterapii
biologiczne, wykorzystywana w radioterapii
nowotworów)
nowotworów)
-luminescencja, fluorescencja (zjawisko
-luminescencja, fluorescencja (zjawisko
wykorzystywane w
wykorzystywane w
prześwietleniach)
prześwietleniach)
-
-
działanie na błony fotograficzne
działanie na błony fotograficzne
(zdolność
(zdolność
redukowania
redukowania
emulsji światłoczułej)
emulsji światłoczułej)
Jakie właściwości promieniowania
Jakie właściwości promieniowania
wykorzystywane są w medycynie?
wykorzystywane są w medycynie?
-
-
przenikliwość
przenikliwość
(w różnym stopniu przez różne tkanki)
(w różnym stopniu przez różne tkanki)
-
-
prostolinijny przebieg wiązki promieni
prostolinijny przebieg wiązki promieni
(obrazowany
(obrazowany
narząd powinien znajdować się jak najbliżej kasety, zanim
narząd powinien znajdować się jak najbliżej kasety, zanim
dojdzie do rozbieżnego rozchodzenia się wiązki)
dojdzie do rozbieżnego rozchodzenia się wiązki)
-
-
pochłanianie
pochłanianie
(różne dla różnych tkanek- najmniejsze w
(różne dla różnych tkanek- najmniejsze w
tkankach zawierających powietrze- płuca, gaz w
tkankach zawierających powietrze- płuca, gaz w
przewodzie pokarmowym, największe dla tkanki kostnej,
przewodzie pokarmowym, największe dla tkanki kostnej,
zębów, zwapnień)
zębów, zwapnień)