bol Z Elementsym - Institut für Medizinische Physik an der FAU

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Radiologischer Kurs: Radionuklide
Autor: Theo Fuchs
Institut für Medizinische Physik
–10
Nuklid
Neutrale Atome, die durch eine bestimmte Neutronenzahl
und eine bestimmte Protonenzahl des Kerns charakterisiert
sind → es gibt mindestens 250 stabile Nuklide.
Radionuklid
Instabiles Nuklid (das sog. Mutternuklid), das unter
Aussendung von Strahlung direkt oder über
Zwischenstufen schließlich in ein stabiles Nuklid zerfällt
→ es gibt mehr als 1400 instabile Nuklide, oberhalb von
Z = 83 (Bi) sind alle instabil, also radioaktiv.
Isotope
Atome desselben Elements aber mit unterschiedlicher
Massenzahl, Z = const. → gleiche Anzahl Protonen,
Elektronen (e)
m
Atomkern ∼ 10–15 m = 1 fm
Protonen (p)
Neutronen (n)
Ein Atom wird charakterisiert durch:
•
Kernladungszahl
Z: Anzahl der Protonen → Ordnungszahl bestimmt die
Art des Elements
•
Neutronenzahl
N: Anzahl der Neutronen
•
Massenzahl
A: Anzahl der Nukleonen (Protonen und Neutronen);
weil die Elektronenmasse sehr viel kleiner als die Masse
eines Nukleons ist*, quantifiziert A auch die Atommasse,
die praktisch vollständig im Kern enthalten ist; die
Hüllenmasse ist vernachlässigbar.
unterschiedliche Anzahl an Neutronen; z.B.
A = Z + N
Notation:
A
Z
Autor: Theo Fuchs
(2) Begriffe
(1) Atomaufbau
Atomhülle ∼ 10
14
6
12
6
C 6 und
C8 .
Isomere
Nuklide mit gleicher Protonen- und Neutronenzahl aber
unterschiedlichem Energiezustand, Z, N = const.
Isobare
Nuklide gleicher Masse (A = const.); z.B. 18F und 18O.
Tochternuklid
bei einem Zerfall entstehendes stabiles oder instabiles
Nuklid.
Elementsymbol N , z.B. Kohlenstoff: 126 C 6
Für Verbindungen, Gemische und Gewebe werden effektive Kernladungszahlen
berechnet, z.B.
Wasser
7
Luft
7,64
Weichteile
7,42
Knochen
9 – 12.
*
mn = 1839 me
mp = 1836 me
me = 511 keV.
16.07.2002 Handout_Demonstrationspraktikum_Radionuklide.doc
1/6
2/6
Autor: Theo Fuchs
(3) Radioaktiver Zerfall
87
37
Weitere Beispiele:
Atomkerne sind nur dann stabil, wenn das Verhältnis von Kernladungszahl und
Neutronenzahl stimmt. Ist dieses Verhältnis verschoben, so versucht der Kern das
Mißverhältnis auszugleichen, es kommt zum Kernzerfall. Kernzerfälle sind
quantenmechanische Prozesse: sie finden spontan statt; ihre Häufigkeit wird nicht
durch die Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur, usw.) beeinflußt.
β
•
β − -Zerfall →
•
β + -Zerfall → „positive β
•
α -Zerfall → „ α -Strahlung“ = Heliumkerne 42 He 2+
•
(spontane Kernspaltung → Neutronen n)
„negative
-Strahlung“ = Elektronen e
(Emax = 0,3 MeV, HWZ: 4,8 × 1010 a)
60
27
-Strahlung“ = Positronen e
β
−
A
Z
Leptonenzahlerhaltung auftauchen.
Achtung: Das freie Proton wird als stabil angenommen (HWZ > 1030 a)! Im Kern
gebundene Protonen können sich dagegen umwandeln. Das resultierende Positron
ist nicht stabil und vernichtet sich selbst durch Einfang eines Elektrons; dabei
entstehen zwei γ -Quanten mit je 511 keV, der Ruheenergie des Elektrons
(Annihilationsstrahlung): e + e → 2γ (s. PET).
+
(6) Zuviele Nukleonen:
−
β
−
A
X N →
Z +1YN −1 + e + ν e ,
νe
ist elektronisches
Antineutrino, also ein neutrales Lepton mit extrem kleiner Masse. Beispiel: Zerfall
1
0
−
β
−
1
n1 →
1 p0 + e + ν e
3/6
−
α -Zerfall
α -Teilchens:
A
Z
dabei A = const: kein Massenverlust, da me << mp ≈ mn;
+
β
+
A
X N →
Z −1YN +1 + e + ν e ,
A = const.; ν e heißt „elektronisches Neutrino“ und muß wegen der
-Zerfall
des freien Neutrons (HWZ: 10,6 min):
β + -Zerfall
+
Emission eines
A
Z
−
β
−
60
Co 33 →
28 Ni 32 + e + ν e
(Emax = 0,3 MeV, HWZ: 5,272 a)
(5) Zuviele Protonen:
−
-Übergang → Übergang vom energiereicheren zum energieärmeren
Zustand
des
Kerns;
„ γ -Strahlung“
=
elektromagnetische Strahlung mit hoher Energie;
kann bei oder kurz nach α - oder β -Zerfällen
entstehen; ein rein energetischer Prozeß.
(4) Zuviele Neutronen:
−
β
−
87
Rb 50 →
38 Sr49 + e + ν e
Die Energiedifferenz zwischen beiden Atomkernzuständen verteilt sich zufällig auf
das Elektron und Antineutrino; daher ergibt sich eine statistische Verteilung der
Elektronenenergien, Vorhersagen für einen einzelnen Zerfall sind nicht möglich.
Zerfallsarten:
γ
Autor: Theo Fuchs
α
4
2+
A− 4
X N →
.
Z −2YN − 2 + 2 He
Das α -Teilchen hat soviel kinetische Energie wie die Energiedifferenz zwischen
dem Ausgangskern und dem entstehenden Kern beträgt. Alle α -Teilchen
desselben Nuklids haben die gleiche Energie, sie sind monoenergetisch
→ Linienspektrum.
4/6
(7)
γ
Autor: Theo Fuchs
-Strahlung
γ
-Strahlung ist immer eine Folge von Kernzerfällen, bei denen die Tochterkerne
energetisch angeregt sind. Angeregte Zustände sind i.d.R. sehr kurzlebig; sie gehen
nach kurzer Zeit unter Aussendung von Strahlung, d.h. durch Energieabgabe in den
Grundzustand über.
Ausnahmen: Einige Nuklide können längere Zeit im angeregten Zustand verharren:
→ metastabiler Zustand oder Isomere; z.B. der γ -Übergang von 99mTc hat eine
HWZ von 6 h ( Eγ = 141 keV), so daß dieses Nuklid scheinbar ein reiner
γ
Autor: Theo Fuchs
-Strahler ist.
Exponentielles Zerfallsgesetz
N (t ) = N 0 ⋅ e − λ ⋅t
N 0 = N (t = 0 )
Anfangszahl der Kerne des Mutternuklids zum
Zeitpunkt t = 0 .
T1/ 2 =
ln 2
λ
Halbwertszeit (HWZ)
γ -Strahlung hat kein kontinuierliches Energiespektrum, sondern diskrete
Energieniveaus, die für jedes Radionuklid charakteristisch sind; die Elektronen aus
dem Betazerfall 99Mo → 99mTc (Emax = 1,2 MeV, HWZ: 66,0 h) werden nicht
genutzt, sondern abgeschirmt → Aluminiumbehälter wegen Bremsstrahlung!
(9) Anwendungen in der Medizin
(8) Radioaktives Zerfallsgesetz
α -Strahlung:
Kernumwandlungen sind zufällige Prozesse (Quantenphysik) → man kann nur die
Wahrscheinlichkeit, daß ein Kern in einem bestimmten Zeitraum zerfällt, angeben;
die Umwandlungsrate ist proportional zur Anzahl der umwandlungsfähigen Kerne:
β -Strahlung:
* externe Therapie (z.B. 90Sr-Kontakt-Therapie)
* intrakorporäre Therapie (z.B. 131J-Schilddrüsen-Therapie)
* intrakavitäre Therapie (z.B. 198Au)
* in vitro (z.B. 3H, 14C in der Molekularbiologie)
* Funktionsdiagnostik (z.B. 18F für PET)
γ -Strahlung:
* externe Therapie (z.B. 60Co für tiefergelegene Tumore)
* interstitielle Therapie (Seeds)
* Funktionsdiagnostik (z.B. 99mTc für Szintigraphie
und SPECT)
Aktivität
A(t ) ≡ −
λ
N (t )
dN (t )
= λ ⋅ N (t )
dt
Zerfallskonstante (Einheit 1/s)
Zahl der zum Zeitpunkt t vorhandenen Kerne des Mutternuklids.
„-“ Zeichen: Änderung immer negativ (dN < 0), Aktivität
iti !
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* Keine diagnostische oder therapeutische Anwendung;
* zukünftig evtl. gentechnisch gesteuerter Einbau direkt in
Tumorzellen.
Abkürzungen:
PET = Positronen-Emissions-Tomographie
SPECT = Einzel-Photonen-Emissions-Computer-Tomographie.
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