Samenvatting Methoden:
Prof. Goffin
Prof. Verbeke
Hoe moet ik dit kennen voor de examens?
• Overzicht van de verschillende methodes
• Inzicht in methodes (principes)
• Afweging van verschillende methodes (mogelijkheden, beperkingen)
• Toepassing van methodes en combinaties van methodes om concrete vraagstelling te
beantwoorden
Deel 1: Straling
• Modaliteiten radioactief verval
• Interactie van straling met materie
• Bronnen van radionucliden
Modaliteiten radioactief verval
Om het principe van radioactief verval goed te begrijpen is het noodzakelijk om even terug te
vallen naar de basis nl. het atoommodel met de fenomenen excitatie en ionisatie:
• Excitatie:
o Elektronen verschuiven naar hogere schillen
• Ionisatie:
o Vereist energie voor een elektron
o Deeltje of foton
o Bindingsenergie:
▪ Grootste voor de elektronen dichtst bij de kern gelegen
• Bij het terugvallen van een elektron naar een lagere schil zijn er twee mogelijkheden:
o Karakteristieke X-stralen:
▪ De eerste mogelijkheid is dat bij het terugvallen van een elektron naar
een lagere schil de energie vrijkomt in de vorm van een X-straal
o Auger-elektronen:
▪ De tweede mogelijkheid is dat bij het terugvallen van een elektron de
energie niet vrijkomt in de vorm van een X-straal, maar dat de energie
van het betreffende elektron wordt overgedragen op een ander elektron
waardoor deze op die manier naar een hogere schil verschuift
1
,De nucliden worden typisch voorgesteld aan de hand van het atoommodel. Dit model wordt
typisch neergeschreven als zijn AZXN met A = het massagetal (het aantal nucleonen)
=Z+N
Z = het atoomnummer (het aantal protonen)
N = het neutronengetal (het aantal neutronen)
=A-Z
Een nuclide is dus steeds opgebouwd uit een bepaalde combinatie van A en Z. Zo zijn er een
aantal nucleaire families van nucliden waarin er een onderscheid wordt gemaakt tussen:
• Isotopen:
o Nucliden met gelijke Z (protonen)
• Isotonen:
o Nucliden met gelijke N
• Isobaren:
o Nucliden met gelijke A
• Isomeren:
o Nucliden met gelijke A, N en Z, maar met verschillende energietoestand
o Isomere transitie is de overgang van het ene naar het andere isomeer bv. van
99m
Tc naar 99Tc waarbij m staat voor metastabiel (meetbaar voor bepaalde tijd)
Wat is nu juist radioactiviteit? Radioactiviteit is het gevolg van instabiele kernen die energie
kunnen vrijgeven om hun grondtoestand te bereiken (tijdsverloop typisch < psec). Radioactief
verval is dan de transformatie van een instabiele kern tot een meer stabiele kern via emissie van
deeltjes (o.a. α- en β-deeltjes) of fotonen of een combinatie van beide. In het (bio)medisch
onderzoek is een een duidelijk verband tussen de types van radioactief verval en de methoden
die gehanteerd worden met behulp van deze radio-istopen. De verschillende nucliden kunnen
neutronen
worden weergegeven aan de hand van een stabiliteitslijn die de verhouding weergeeft:
protonen
• Aantal neutronen vs. aantal protonen geeft de stabiliteitslijn:
o Bij kernen met een laag aantal protonen komt de stabiliteitslijn overeen met de
identiteitslijn van N = Z:
▪ De nucliden die gebruikt worden in het (bio)medisch onderzoek zoals
11
C, 13N, 15O en 18F liggen boven de stabiliteitslijn en gaan typisch
positronen uitsturen bij het radioactief verval (zie PET!)
o Bij kernen met een groot aantal protonen wijkt de stabiliteitslijn af van de
identiteitslijn van N = Z door de onderlinge afstoting van de aanwezige positieve
ladingen in de kern (bij Z = 90 zijn er helemaal geen stabiele nucliden meer)
2
, N
• De verhouding voor stabiliteit neemt toe wanneer Z toeneemt:
Z
N
o Met andere woorden de verhouding voor stabiliteit neemt toe wanneer de
Z
elementen zwaarder worden
• Alle elementen met A > 209 zijn instabiel bv. 235U en 238U
De nucliden kunnen ook worden gevisualiseerd aan de hand van een nuclidenkaart. Uit de
nuclidenkaart kunnen de verschillende mechanismen van radioactief verval gehaald worden:
• Vormen van radioactief verval zijn afhankelijk van de orginele toestand van instabiliteit
Neutron deficiënt
DUS te veel N
DUS verval door
afgave negatieve
lading:
DUS te veel P β− -verval
DUS verval door
afgave positieve
lading:
α-verval
β+ (positron) verval Proton deficiënt
Elektronenvangst (EC)
• Modaliteiten van radioactief verval:
o α-verval:
▪ AZX → A−4 238 234
Z−2Y bv. 92U → 90Th
▪ In zeer zware elementen (meestal Z > 82)
▪ Uitzenden van α-deeltje bestaande uit twee neutronen en protonen
▪ Niet gebruikt in diagnostische nucleaire geneeskunde:
– Hoge ionisatiegraad
– Zeer korte dracht in weefsel nl. minder dan 50 μm
▪ Wel gebruikt in radionuclidentherapie
▪ Toepassingen van α-straling:
– Geen stralingsbelasting (bij externe blootstelling) rekening
houdend met de dikte van de opperste huidlaag
– Echter inwendige besmetting geeft grote stralingsbelasting op
van stralingsgevoelige weefsel en het bot (metabool botzoekers)
– Hematopoëse en osteogenese (leukemie, osteosarcoomvorming)
– Therapeutische doeleinden bij inwendige toediening bv. 223Ra-
therapie voor botmetastasen van prostaatkanker
+
o β (positron) verval:
▪ Bij te veel aan protonen (dit wil zeggen neutron deficiëntie) wordt een
proton omgezet in een neutron met uitzending van een β+ -deeltje:
3
, – Exces van minimaal 1.022 MeV
– Continu energiespectrum (0 → Emax)
– Emax hangt van het radionuclide af
▪ Annihilatiestraling:
– Een positron gaat op zichzelf niet lang bestaan, maar gaat
samenkomen met een elektron in een proces genaamd annihilatie
– De annihilatiestraling is dus afkomstig van de annihilatie van het
positron met een elektron ter vorming van een annihilatiekern
met een typische energiewaarde van 511 keV
– Twee γ-stralen worden uitgezonden in hoek van ongeveer 180°
▪ Gedetecteerd met PET-camera in coïndicentie:
– p → n + e+ + υ
– AZX → Z−1 A
Y
o Elektronenvangst:
▪ Nucliden / (instabiele) kernen kunnen in theorie aan positronemissie
doen, maar in de praktijk is het vaak zo dat er te weinig energie
voorhanden is om het te veel aan protonen om te zetten in positronen
▪ Bij onvoldoende energie van de kern, kan het te veel aan protonen toch
nog worden omgezet door vangst van een orbitaal elektronen:
– ‘Electron capture’ (EC)
– Proton gaat hierbij een elektron opvangen en een neutron vormen
(p + e+ → n + υ) wat resulteert in AZX → Z−1
A
Y
▪ Vacante plaats (vaak de K-schil):
– Karakteristieke X-stralen
– Soms ook γ-stralen
▪ Komt vaak gecombineerd voor met de positronemissie (β+ -verval)
4
Prof. Goffin
Prof. Verbeke
Hoe moet ik dit kennen voor de examens?
• Overzicht van de verschillende methodes
• Inzicht in methodes (principes)
• Afweging van verschillende methodes (mogelijkheden, beperkingen)
• Toepassing van methodes en combinaties van methodes om concrete vraagstelling te
beantwoorden
Deel 1: Straling
• Modaliteiten radioactief verval
• Interactie van straling met materie
• Bronnen van radionucliden
Modaliteiten radioactief verval
Om het principe van radioactief verval goed te begrijpen is het noodzakelijk om even terug te
vallen naar de basis nl. het atoommodel met de fenomenen excitatie en ionisatie:
• Excitatie:
o Elektronen verschuiven naar hogere schillen
• Ionisatie:
o Vereist energie voor een elektron
o Deeltje of foton
o Bindingsenergie:
▪ Grootste voor de elektronen dichtst bij de kern gelegen
• Bij het terugvallen van een elektron naar een lagere schil zijn er twee mogelijkheden:
o Karakteristieke X-stralen:
▪ De eerste mogelijkheid is dat bij het terugvallen van een elektron naar
een lagere schil de energie vrijkomt in de vorm van een X-straal
o Auger-elektronen:
▪ De tweede mogelijkheid is dat bij het terugvallen van een elektron de
energie niet vrijkomt in de vorm van een X-straal, maar dat de energie
van het betreffende elektron wordt overgedragen op een ander elektron
waardoor deze op die manier naar een hogere schil verschuift
1
,De nucliden worden typisch voorgesteld aan de hand van het atoommodel. Dit model wordt
typisch neergeschreven als zijn AZXN met A = het massagetal (het aantal nucleonen)
=Z+N
Z = het atoomnummer (het aantal protonen)
N = het neutronengetal (het aantal neutronen)
=A-Z
Een nuclide is dus steeds opgebouwd uit een bepaalde combinatie van A en Z. Zo zijn er een
aantal nucleaire families van nucliden waarin er een onderscheid wordt gemaakt tussen:
• Isotopen:
o Nucliden met gelijke Z (protonen)
• Isotonen:
o Nucliden met gelijke N
• Isobaren:
o Nucliden met gelijke A
• Isomeren:
o Nucliden met gelijke A, N en Z, maar met verschillende energietoestand
o Isomere transitie is de overgang van het ene naar het andere isomeer bv. van
99m
Tc naar 99Tc waarbij m staat voor metastabiel (meetbaar voor bepaalde tijd)
Wat is nu juist radioactiviteit? Radioactiviteit is het gevolg van instabiele kernen die energie
kunnen vrijgeven om hun grondtoestand te bereiken (tijdsverloop typisch < psec). Radioactief
verval is dan de transformatie van een instabiele kern tot een meer stabiele kern via emissie van
deeltjes (o.a. α- en β-deeltjes) of fotonen of een combinatie van beide. In het (bio)medisch
onderzoek is een een duidelijk verband tussen de types van radioactief verval en de methoden
die gehanteerd worden met behulp van deze radio-istopen. De verschillende nucliden kunnen
neutronen
worden weergegeven aan de hand van een stabiliteitslijn die de verhouding weergeeft:
protonen
• Aantal neutronen vs. aantal protonen geeft de stabiliteitslijn:
o Bij kernen met een laag aantal protonen komt de stabiliteitslijn overeen met de
identiteitslijn van N = Z:
▪ De nucliden die gebruikt worden in het (bio)medisch onderzoek zoals
11
C, 13N, 15O en 18F liggen boven de stabiliteitslijn en gaan typisch
positronen uitsturen bij het radioactief verval (zie PET!)
o Bij kernen met een groot aantal protonen wijkt de stabiliteitslijn af van de
identiteitslijn van N = Z door de onderlinge afstoting van de aanwezige positieve
ladingen in de kern (bij Z = 90 zijn er helemaal geen stabiele nucliden meer)
2
, N
• De verhouding voor stabiliteit neemt toe wanneer Z toeneemt:
Z
N
o Met andere woorden de verhouding voor stabiliteit neemt toe wanneer de
Z
elementen zwaarder worden
• Alle elementen met A > 209 zijn instabiel bv. 235U en 238U
De nucliden kunnen ook worden gevisualiseerd aan de hand van een nuclidenkaart. Uit de
nuclidenkaart kunnen de verschillende mechanismen van radioactief verval gehaald worden:
• Vormen van radioactief verval zijn afhankelijk van de orginele toestand van instabiliteit
Neutron deficiënt
DUS te veel N
DUS verval door
afgave negatieve
lading:
DUS te veel P β− -verval
DUS verval door
afgave positieve
lading:
α-verval
β+ (positron) verval Proton deficiënt
Elektronenvangst (EC)
• Modaliteiten van radioactief verval:
o α-verval:
▪ AZX → A−4 238 234
Z−2Y bv. 92U → 90Th
▪ In zeer zware elementen (meestal Z > 82)
▪ Uitzenden van α-deeltje bestaande uit twee neutronen en protonen
▪ Niet gebruikt in diagnostische nucleaire geneeskunde:
– Hoge ionisatiegraad
– Zeer korte dracht in weefsel nl. minder dan 50 μm
▪ Wel gebruikt in radionuclidentherapie
▪ Toepassingen van α-straling:
– Geen stralingsbelasting (bij externe blootstelling) rekening
houdend met de dikte van de opperste huidlaag
– Echter inwendige besmetting geeft grote stralingsbelasting op
van stralingsgevoelige weefsel en het bot (metabool botzoekers)
– Hematopoëse en osteogenese (leukemie, osteosarcoomvorming)
– Therapeutische doeleinden bij inwendige toediening bv. 223Ra-
therapie voor botmetastasen van prostaatkanker
+
o β (positron) verval:
▪ Bij te veel aan protonen (dit wil zeggen neutron deficiëntie) wordt een
proton omgezet in een neutron met uitzending van een β+ -deeltje:
3
, – Exces van minimaal 1.022 MeV
– Continu energiespectrum (0 → Emax)
– Emax hangt van het radionuclide af
▪ Annihilatiestraling:
– Een positron gaat op zichzelf niet lang bestaan, maar gaat
samenkomen met een elektron in een proces genaamd annihilatie
– De annihilatiestraling is dus afkomstig van de annihilatie van het
positron met een elektron ter vorming van een annihilatiekern
met een typische energiewaarde van 511 keV
– Twee γ-stralen worden uitgezonden in hoek van ongeveer 180°
▪ Gedetecteerd met PET-camera in coïndicentie:
– p → n + e+ + υ
– AZX → Z−1 A
Y
o Elektronenvangst:
▪ Nucliden / (instabiele) kernen kunnen in theorie aan positronemissie
doen, maar in de praktijk is het vaak zo dat er te weinig energie
voorhanden is om het te veel aan protonen om te zetten in positronen
▪ Bij onvoldoende energie van de kern, kan het te veel aan protonen toch
nog worden omgezet door vangst van een orbitaal elektronen:
– ‘Electron capture’ (EC)
– Proton gaat hierbij een elektron opvangen en een neutron vormen
(p + e+ → n + υ) wat resulteert in AZX → Z−1
A
Y
▪ Vacante plaats (vaak de K-schil):
– Karakteristieke X-stralen
– Soms ook γ-stralen
▪ Komt vaak gecombineerd voor met de positronemissie (β+ -verval)
4
