Комп'ютерна томографія

Великим досягненням сучасної медицини є впровадження в практику методу комп'ютерної томографії. Томографія (від грецького іотоз - шар і графія) - методика дослідження, під час якої можна робити пошарові знімки певної частини досліджуваного об'єкта (зокрема, певної частини тіла людини).

До найрозповсюдженіших методів комп'ютерної томографії слід віднести:

1. Рентгенівську томографію.

2. ЯМР-томографію, що спирається на явище ядерного магнітного резонансу.

3. Позитронну емісійну томографію (ПЕТ).

Лекція 9

Тема: Радіоактивність. Дозиметрія іонізуючого випромінювання.

Вступ

Радіація називається іонізуючою, якщо вона здатна розривати хімічні зв'язки молекул, що входять до складу біооб'єктів, зумовлюючи негативні зміни.

Природний радіоактивний фон створюється випроміню­ванням природних та штучних радіоактивних ізотопів, а також космічним випромінюванням. Цей фон діє на живі організми і відіграє певну роль у стимулюванні мутацій в ДНК клітин та пришвидшенні процесів еволюції живих організмів.

Елементи фізики атомного ядра

Існування атомного ядра виявив Е. Резерфорд, який досліджував проходження а-частинок з великою енергією через тонкі плівки золота. Ядро — це центральна частина атома, у якій зосереджена майже вся його маса. Заряд ядра — додатний.

Атомне ядро складається з протонів (р) і нейтронів ( n ), що вважаються двома зарядовими станами однієї частинки — нуклона. Заряд протона дорівнює заряду електрона (1,6x10^-19 Кл), а його маса m_р= 1,6726 x10^-27Кл.

Загальна кількість нуклонів у ядрі називається його масовим числом (А).

Ядро позначають символом ^A_ZХ , де Х – символ хімічного елемента, Z — зарядове число ядра, яке дорівнює кількості протонів у ньому і порядковому номеру елемента в періодичній системі елементів Менделєєва.

Ядра, що мають однакову кількість протонів Z , але різне масове число A (різна кількість нейтронів), називають ізотопами. Наприклад, водень має три ізотопи: ¹₁Н — протій, ²₁H - дейтерій, ³₁H — тритій. З'ясовано, що ізотопи одного і того ж хімічного елемента мають однакові хімічні та фізичні властивості (винятком є ізотопи водню). Вони визначаються переважно структурою електронних оболонок, яка в усіх ізотопів одного елемента є однаковою.

Величина ядра характеризується його радіусом і визначається за емпіричною формулою R = R₀A^1/3, де R₀ = (1,3÷1,7)10^-15м. Густина речовини ядра становить приблизно 10²⁷кг/м³, що істотно більше від густини будь-якої твердої речовини.

Не всі ізотопи хімічних елементів стабільні. Деякі з них з часом розпадаються. їх називають радіоактивними. Ядра радіоактивних ізотопів називаються радіонуклідами.

Ядро атома має власний момент імпульсу – спін, який дорівнює: L_яд. = , де l— внутрішнє спінове квантове число, яке може набувати цілих або півцілих значень: 0, 1/2, 1, 3/2, 2, ... . Ядра з парним масовим числом А мають цілий спін, а з непарним — півцілий.

Ядерні частинки мають власні магнітні моменти, які визначають магнітний момент ядра (р_{m ядра}). Одиницею його вимірювання є ядерний магнетон µ_я, аналогічний до магнетона Бора: µ_я = eђ/2m_p, де ђ = h/2π

Ядерний магнетон m_р/m_е =1836,5 разу менший від магнетона Бора, тому магнітні власти­вості атомів визначаються переважно магнітними властивостями їх електронів.

Між магнітним моментом ядра і його спіном існує таке співвідношення:

Р_{m ядра} = g_ядра L_ядра де g_ядра =-е/2m — ядерне гіромагнітне відношення.

Нуклони у ядрі розміщені на дуже малій відстані одні від одних (~ 10^-15м). Сили зв'язку, які діють між нуклонами всередині ядра, назива­ються ядерними.

Енергія зв'язку ядра визначається роботою, яку потрібно виконати, щоб розщепити ядро на нуклони без надання їм кінетичної енергії. Така сама енергія має виділитись у результаті утворення ядра. Енергія зв'язку дорівнює різниці між енергією всіх вільних нуклонів і їхньою енергією в ядрі.

Утворення ядра супроводжується зменшенням його маси: маса ядра менша від суми мас нуклонів у ньому. Енергія зв'язку дорівнює: Е = ∆mс², де ∆m — різниця між сумарною масою окремих нуклонів ( Zm_р + Nm_n ) та масою утвореного з них ядра ( m_я):

∆m=Zm_p+Nm_n-m_я і називається дефектом маси. Якщо N=А-Z, то: ∆m=Zm_p+(A-Z)m_n- m_я.

Дефект маси є мірою енергії зв'язку ядра: ∆W_зв =∆mс² =(Zm_р + (А-Z)m_n-m_ядра)с².

Енергія, яка припадає на один нуклон, назива­ється питомою енергією зв'язку:

ε=U/A (міра стійкості ядер).

Стійкість атомних ядер визначається співвідношенням між кількістю протонів і нейтронів у стійкому ядрі. Критерієм стійкості є Z_СТ.

Умова мінімуму енергії ядра визначає спів­відношення між Z_СТ і А:

Z_CT=A/1,98+0,015^2/3

За малих і середніх значень А кількість нейтронів і протонів у стійких ядрах приблизно однакова: А = 2Z

Із зростанням зарядового числа ядра 2 сили кулонівського відштовхування протонів збільшу­ються пропорційно до Z(Z -1) ≈ Z².

Ядерні сили дуже короткодіючі, залежать від орієнтації спінів взаємодіючих нуклонів і не є центральними силами.