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Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 1 Physik für Mediziner und Zahnmediziner Vorlesung 18.

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1 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 1 Physik für Mediziner und Zahnmediziner Vorlesung 18

2 Antwort auf eine Zuschauerfrage: –http://www.x-ray- optics.de/index.php?option=com_content&view=articl e&id=55&Itemid=61&lang=de Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 2

3 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 3 Zerfall von 14 C Zerfall unter Emission von Elektronen wird β - -Zerfall genannt Erhaltungssätze gelten! ( für Nukleonen UND auch für leichte Teilchen) Nettoreaktion: oder Elektron-Antineutrino Eigenschaften: –negative elektrische Ladung (q=-1e) –kleine Masse (m e u/1840) –ablenkbar in elektrischen und magnetischen Feldern

4 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 4 Zerfall von 14 C

5 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 5 β - -Zerfall

6 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 6 β + -Zerfall Nettoreaktion: oder Positron Eigenschaften: –positive elektrische Ladung (q=+1e) –kleine Masse (m e u/1840) –ablenkbar in elektrischen und magnetischen Feldern Elektron-Neutrino

7 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 7 Bsp.: Z=84, Polonium ( 210 Po) IsotopHäufigkeitT 1/2 210 Po99,998 %138,376 d 212 Po2· ns 214 Po1 · μs 216 Po1 · ,15 s 218 Po1,6 · ,05 min eine Auswahl möglicher Isotope (es gibt 11) A. Litwinenko Radioaktive Substanz im Körper (Stern vom ) Der frühere KGB-Agent Alexander Litwinenko ist an dem radioaktiven Stoff Polonium 210 gestorben.

8 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 8 α-Zerfall

9 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 9 Bsp.: Z=84, Polonium ( 210 Po) Ladungs- und Nukleonenerhaltung liefert:

10 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 10 Bsp.: Z=84, Polonium ( 210 Po) entstehende Strahlung besteht aus 2-fach positiv geladenen Heliumkernen α-Strahlung

11 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 11 α-Zerfall formal Eigenschaften: – zweifach positive geladen (q=+2e) – große Masse (m α 4u) – ablenkbar in elektrischen und magnetischen Feldern (wegen höherer Masse jedoch schwächer als beim -Zerfall)

12 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 12 γ-Zerfall Produkt eines Kernzerfalls häufig metastabiler Kern Abgabe der Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung …γ-Strahlung Übergang des Kerns in stabilen Zustand Medizinisch wichtiges Beispiel: γ 1 (1.17MeV) γ 2 (1.33MeV) Eigenschaften: – Ladung q=0 – masselos – nicht ablenkbar in elektrischen und magnetischen Feldern β - (0.31MeV)

13 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 13 Gamma-Strahlen

14 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 14 Zerfallsreihe

15 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 15 Nebelkammer Übersättigter Dampf kondensiert zu Nebel an Kondensationskeimen. Beim radioaktiven Zerfall sind diese Kondensations- keime die entstandenen Ionen - daher sollte eine Nebelkammer möglichst staubfrei sein.

16 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 16 Nachweis in der Nebelkammer α-Zerfall β-Zerfall Sekundärelektronen durch γ- Strahlung

17 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 17 Radioaktiver Zerfall: Zeitgesetz Anzahl zerfallender Teilchen N hängt ab von 1)Gesamtzahl Teilchen am Anfang: N 2)Zeitintervall t heißt mittlere Lebensdauer und ist die Zeit die vergehen muss, damit N 0 auf 1/e N N 0 abgefallen ist. T ½ heißt Halbwertszeit und ist die Zeit die vergehen muss, damit N 0 auf ½ N 0 abgefallen ist. Die Zeitkonstanten sind substanzabhängig ! Abnahme (minus!): Dividieren und Grenzübergang T 0 Damit hat man:

18 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 18 Radioaktiver Zerfall: Zeitgesetz N(t): Zahl der radioaktiven Kerne zur Zeit t N 0 : Zahl d. radioakt. Kerne zur Zeit t=0 mittlere Lebensdauer, T 1/2 : Halbwertzeit : Zerfallskonstante

19 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 19 Radioaktiver Zerfall: Zeitgesetz T 1/2 50% 37%

20 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 20 Radioaktiver Zerfall: Zeitgesetz T 1/2 50% 37%

21 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 21 Radioaktiver Zerfall: Aktivität wichtige Größe: Aktivität A Einheit: s -1 = Bq, Becquerel Absorption von Strahlung (analog zu Lichtabsorption!) Für Licht: Für Strahlung: ist eine Konstante, die vom absorbierenden Material abhängt.

22 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 22 Effektive Halbwertzeit als Maß biologischer Aktivität Szintigramm Vorgehen: Inkorporation einer radioaktiv markierten Substanz Aufzeichnung der emittierten Strahlung Abnahme der Aktivität durch radioaktiven Zerfall (T 1/2 ) Stoffwechsel und Ausscheidung (T bio ) effektive Halbwertzeit T eff mehr Details zur Szintigraphie später

23 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 23 wrap up: Atomaufbau K L M Atomkern: Z positive Ladungen (Protonen) typische Größe d. Atomkerns: fm ( m) Atomhülle: Z negative Ladungen (Elektronen) typische Atomgröße: 0.1nm ( m) Bsp.: Na

24 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 24 Bohrsches Atommodell (Schalenmodell) K L M Elektronen angeordnet auf Schalen: K-, L-, M-...Schale (auch: Zustand) Besetzung der Schalen beginnend vom Grundzustand (K-Schale) äußerstes Elektron: Valenzelektron chemische Bindung, Emission von Licht n=1 n=2 n=3 1s 2s,2p 3s Bsp.: Na 0 E[eV] K L M Freies Elektron (Energie = 0)

25 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 25 Ionisation im Bohrschen Atommodell 0 E[eV] K L M K L M Ablösen eines (oder mehrerer) Elektronen notwendig: Aufbringen der Ionisationsenergie (hier: etwa 5eV) übrig bleibt: (mehrfach) positiv geladenes Ion (hier: Na + ) n=1 n=2 n=3 1s 2s,2p 3s Bsp.: Na

26 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 26 typische Ionisationsenergien 4eV UV-Strahlung Ionisierende Strahlung ist kurzwelliger (energiereicher) als UV-Strahlung c= f Wir hatten:

27 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 27 ionisierende Strahlung Ionisierende Strahlung

28 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 28 Ionisation: Grundlage der Dosimetrie Prinzip der Dosimetrie (Messung der Strahlenbelastung): Ausnutzung der Eigenschaft energiereicher Strahlung, Atome und Moleküle zu ionisieren. D t Definition: Dosis D Einheit: Die Dosis ist eine stets steigende Größe (kumulativ). Sie bleibt ohne Bestrahlung konstant.

29 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 29 Kondensatorentladung durch Ionisation Beobachtung: Deutung: Experimente

30 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 30 Messung des Ionenstroms Messung der Dosis durch einen Kondensator jedoch über Umwege: messe Ionendosis eines Probekörpers (Luft) rechne auf Dosis des Körpers (bestimmter Masse) um Anordnung: messe Strom I K im (luftgefüllten) Kondensatorkreis A

31 Demonstration: Dosimeter Beweglich gelagerte Platten eines Kondensators ziehen sich an. Ionen, die zwischen die Platten geraten, schwächen das Feld ab. Man misst die sich verändernde Anziehung/Abstoßung wenn Strahlung auftritt. Die Platten des Kondensators sind sehr leicht. In der Regel nimmt man im Dosimeter einen Draht als Platte.

32 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 32 Ionisation: Grundlage der Dosimetrie Prinzip der Dosimetrie (Messung der Strahlenbelastung): Ausnutzung der Eigenschaft energiereicher Strahlung, Atome und Moleküle zu ionisieren. D t Definition: Dosis D Einheit: Problem: Enerie kann nicht direkt gemessen werden.

33 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 33 Messung des Ionenstroms Messung der Dosis über Umwege: Anordnung: messe Strom I K im Kondensatorkreis Q: im Kondensator erzeugte Ladung einer Ionensorte (=I K t bei konstantem Ionenstrom) Ionendosis (Anzahl der elektrischen Ladungen, die pro Masse m L in Luft entsteht): J = Q/m L (m L = L V = Dichte von Luft mal Volumen im Kondensator) Energie pro erzeugtem Ionenpaar E ion /e (E ion von Luft 33eV) in Luft erzeugte Dosis D L : umrechnen auf menschliches Gewebe: D=fD L A t IK,QIK,Q

34 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 34 Gewichtungsfaktor f und biologische Qualität q biologische Wirkung unterschiedlicher Strahlung: Qualitätsfaktor q Äquivalentdosis D q gemessen in: q=1: Röntgen-, - und -Strahlung q=20: -Strahlung Umrechnung von Luft auf Körperbestandteile: Gewichtungsfaktor f ist energieabhängig! also

35 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 35 Auswirkungen auf den menschlichen Körper Hiroshima Strahlenopfer

36 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 36 Auswirkungen auf den menschlichen Körper I Genetische und somatische Strahlenschäden Schädigung der Träger des Erbgutes Somatische Strahlenschäden betreffen die Körperzellen von Individuen Auswirkungen unterschiedlichen Schweregrades Unterscheidung zwischen Früh- und Spätschäden Schaden erlischt mit dem Tod der Zelle oder des Individuums nachfolgende Generationen nicht betroffen

37 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 37 Auswirkungen auf den menschlichen Körper II Frühschäden nach hohen Teilkörper- oder Ganzkörperbestrahlungsdosen einmalige Dosen > 1 Sv typischer Krankheitsverlauf: Auftreten der Krankheit Krise Tod bzw. Besserung Heilung Spätschäden nach Belastung mit Strahlendosen ab etwa Sv (auch nach scheinbarer Heilung) Bildung von bösartigen Tumoren nach Ganzkörperbestrahlung Abschätzung der Zeitspanne zur Ausbildung der verschiedenen Krebsarten äußerst schwierig (individuell verschieden); Jahre für Leukämie und Jahre für Hautkrebs

38 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 38 Auswirkungen auf den menschlichen Körper III Dosis (in Sv)wahrscheinlicher Effekt / Frühschäden 0.25 Schwellenwert ohne klinisch nachweisbare Manifestation keine deutlichen Effekte; geringe vorübergehende Veränderungen des Blutes (bei Gruppenvergleichen nachweisbar) Übelkeit und Erbrechen (bei etwa 10%), Müdigkeit, sonst keine ernsthaften Krankheitserscheinungen Übelkeit und Erbrechen innerhalb eines Tages (25%), meist leicht Strahlenkrankheit (Strahlenkater) Übelkeit und Erbrechen innerhalb eines Tages (50%), allgemeine Mattigkeit, Kreislaufschwäche (mittlerer Strahlenkater), deutliche Blutbildveränderung

39 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 39 Auswirkungen auf den menschlichen Körper IV (Fortsetzung) Zusammenhang zwischen Einmal-Ganzkörperdosis und nichtstochastischen (Früh-)Strahlenschäden Dosis (in Sv)wahrscheinlicher Effekt / Frühschäden 10 Übelkeit und Erbrechen innerhalb von 1-2 Stunden; keine Überlebenschance ohne Spezialbehandlung; auch mit Spezialbehandlung (Knochenmarktransplantation und völlig sterile Versorgung in Spezialkliniken …) überlebt nur ein Teil der Bestrahlten zerebrales Erbrechen, schockartige Bewegungs- einschränkung und Kreislaufversagen; Tod nach Stunden 1000 zerebrale Lähmung und sofortige Zerstörung des zentralen Nervensystems, Tod bereits während der Bestrahlung

40 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 40 Auswirkungen auf den menschlichen Körper V Dosisrate [mSv/a] Röntgen- aufnahme von D q [mSv] natürliche Exposition 2.4Lunge zivilisatorische Exposition 1.5Dickdarm4-20 Tschernobyl0.025 (?)Mammographie30 LD504000

41 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 41 Auswirkungen auf den menschlichen Körper VI Die Grafik gibt einen guten visuellen Überblick über verschiedene Strahlen- dosen. Sie ist jedoch mit Vorsicht zu genießen, da die Daten wissenschaftlich nicht noch- mal überprüft, sondern nur zusammengesucht wurden: If youre basing radiation safety procedures on an internet png image and things go wrong, you have no one to blame but yourself. D.h. alle Angaben hier und auf der vorherigen Folie ohne Gewähr


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