Medische fysica H8:Stralingsfysica §1-6
Belangrijke begrippen Formules Constante waardes
8.1 Inleiding
Röntgenstraling= de elektromagnetische straling (EM-straling) die wordt opgewekt door het
beschieten van materialen van een bundel snelle elektronen. Het onderscheid zich van zichtbaar licht
door een veel hogere energie per foton. Het heeft hierdoor een grote mate van doordringbaarheid
door materialen.
Excitatie/aanslag= het overbrengen van een elektron naar een hoger energieniveau binnen het
atoom, dit noem je dan een aangeslagen atoom. Dit zorgt voor chemische veranderingen.
Ionisatie= het verwijderen van een elektron uit het atoom. Zowel een ion als een aangeslagen atoom
zijn instabiel. Meestal vangt een ion na korte tijd (10^-8 s) weer een elektron n=in, waarbij het
aangeslagen atoom snel terug keert in de grondtoestand. Beide processen kunnen gepaard gaan met
het uitzenden van EM-straling.
8.2 Elektromagnetische straling
EM-straling heeft een golfkarakter. De velden veranderen sinusvormig in de tijd met een frequentie f
(het aantal trillingen per seconde). De voortplantingssnelheid c van dit fenomeen is voor alle
c 1
frequenties gelijk: c= 3*10^8 m/s. Relatie: λ= en T = .
f f
Fotonen
Wanneer een groot aantal fotonen in 1 richting bewegen in de totale werking een golfbeweging. De
energie wordt gegeven door: E =hf . Waarbij h de constante van Planck is
foton
(h=6.6*10^-34 Js).
Foto-elektrisch effect: Hierbij valt EM-straling (licht) met een frequentie f (kleur) op
een metalen plaat. Deze plaat is geplaatst in een vacuümgezogen glazen omhulsel.
Experimenteel blijkt fat wanneer f voldoende groot is, een stroom gaat lopen tussen
E E
deze plaat en een 2e elektrode die ook in het omhulsel is geplaatst. Er geldt: n= =
E foton hf
. Waarbij n het aantal fotonen, E de totale energie en Efoton de energie van 1 foton.
hf E foton
Een foton heeft rustmassa 0, snelheid c en impuls P. Hiervoor geldt: P= = .
c c
Interactie fotonen:
- hoe hoger de energie, hoe kleiner de kans op interactie
- de kans in een arena is klein, want er is veel ruimte. Maar er zijn veel atomen, dus de kans is
groot > moeilijk iets over te zeggen
- patiënt: een deel van de fotonen gaan door de patiënt heen, een ander deel doet ‘iets’
, - Een elektron hoeft niet perse een ander elektron te raken om te interacteren (Door lading
worden elektronen afgebogen (er werkt een kracht), dus verliezen ze energie). Een foton
buigt niet af en moet het elektron precies raken. Na interactie is het foton verdwenen,
daarna gebeurt er niks meer. Bij elektronen kan er een cascade ontstaan.
- Elektronen komen niet door het lichaam heen, dus dit is niet handig bij een foto maken & je
krijgt veel ruis. Fotonen zijn beter om te gebruiken: gaan wel door het lichaam heen, een
geven geen ruis. Je moet hierbij wel kiezen tussen fotonen met een hoge energie (komen
beter door het lichaam heen) en een lage energie (grotere kans op botsing met bv bot).
Het golfgedrag van bewegende deeltjes
EM-straling kan worden beschreven via fotonen (energie pakketjes) als in termen van buiging
(golfverschijnsel). Dit feit wordt de ‘dualiteit’ tussen straling en materie genoemd. De golflengte van
h
deze straling hangt samen met de impuls (p=mv). Dit geeft: λ= .
p
Het kwantificeren van straling
Eenheid van energie is Joule, maar nu wordt er elektronvolt gebruikt. 1eV= 1.6*10^-19 J. Ook wordt
er gebruik gemaakt van keV (10^3) en MeV (10^6).
Intensiteit en spectrum; kwadratenwet
Voor de intensiteit van straling wordt I gebruikt. Dit is de energie in de stralenbundel die per seconde
een eenheid van oppervlakte passeert. Bij deeltjesstraling wordt ook de grootheid flux gebruikt: het
aantal deeltjes dat per seconde een eenheid van oppervlak passeert. De intensiteit (bij een bol)
P
wordt gegeven door: I = . Waarbij R de afstand tot de bron en P het totale vermogen dat door
4 π R2
de bron wordt uitgezonden. Wanneer de afstand R groot is t.o.v. de afmetingen van de bron, mag de
bron als puntbron worden opgevat. Hieruit blijkt dat de intensiteit omgekeerd evenredig is met het
kwadraat van de afstand tot de (punt)bron =kwadratenwet.
Mono-energetisch/ monochromatisch= wanneer een bundel straling samengesteld is uit fotonen met
dezelfde energie (dit is meestal niet het geval).
Spectrum= een uitzetting van de intensiteit van straling (x-as) rond een energiewaarde E, als functie
van die waarde E (y-as). Het oppervlakte onder de spectraal kromme is gelijk aan de totale intensiteit
van de straling in (W/m^3).
8.3 Opbouw van de materie
Atoombouw
Een atoom bestaat uit een kern omgeven door elektronen (-). De kern bestaat uit neutronen
(ongeladen) en protonen (+). Het aantal protonen in de kern is het atoomnummer (Z). De lading per
proton is +e. De massa van de elektronen is veel kleiner dan de massa van de kern. Elk elektron is
gebonden in het atoom met een bepaalde energie. Om het elektron uit het atoom te verwijderen
moet een minimale energie worden toegevoegd (=bindingsenergie). Eigenschappen bindingsenergie:
- De bindingsenergie is het grootst voor een elektron dat zich dicht bij de kern bevindt.
- De bindingsenergie wordt groter naarmate de kernlading groter is en dus wanneer Z groter
is.
Belangrijke begrippen Formules Constante waardes
8.1 Inleiding
Röntgenstraling= de elektromagnetische straling (EM-straling) die wordt opgewekt door het
beschieten van materialen van een bundel snelle elektronen. Het onderscheid zich van zichtbaar licht
door een veel hogere energie per foton. Het heeft hierdoor een grote mate van doordringbaarheid
door materialen.
Excitatie/aanslag= het overbrengen van een elektron naar een hoger energieniveau binnen het
atoom, dit noem je dan een aangeslagen atoom. Dit zorgt voor chemische veranderingen.
Ionisatie= het verwijderen van een elektron uit het atoom. Zowel een ion als een aangeslagen atoom
zijn instabiel. Meestal vangt een ion na korte tijd (10^-8 s) weer een elektron n=in, waarbij het
aangeslagen atoom snel terug keert in de grondtoestand. Beide processen kunnen gepaard gaan met
het uitzenden van EM-straling.
8.2 Elektromagnetische straling
EM-straling heeft een golfkarakter. De velden veranderen sinusvormig in de tijd met een frequentie f
(het aantal trillingen per seconde). De voortplantingssnelheid c van dit fenomeen is voor alle
c 1
frequenties gelijk: c= 3*10^8 m/s. Relatie: λ= en T = .
f f
Fotonen
Wanneer een groot aantal fotonen in 1 richting bewegen in de totale werking een golfbeweging. De
energie wordt gegeven door: E =hf . Waarbij h de constante van Planck is
foton
(h=6.6*10^-34 Js).
Foto-elektrisch effect: Hierbij valt EM-straling (licht) met een frequentie f (kleur) op
een metalen plaat. Deze plaat is geplaatst in een vacuümgezogen glazen omhulsel.
Experimenteel blijkt fat wanneer f voldoende groot is, een stroom gaat lopen tussen
E E
deze plaat en een 2e elektrode die ook in het omhulsel is geplaatst. Er geldt: n= =
E foton hf
. Waarbij n het aantal fotonen, E de totale energie en Efoton de energie van 1 foton.
hf E foton
Een foton heeft rustmassa 0, snelheid c en impuls P. Hiervoor geldt: P= = .
c c
Interactie fotonen:
- hoe hoger de energie, hoe kleiner de kans op interactie
- de kans in een arena is klein, want er is veel ruimte. Maar er zijn veel atomen, dus de kans is
groot > moeilijk iets over te zeggen
- patiënt: een deel van de fotonen gaan door de patiënt heen, een ander deel doet ‘iets’
, - Een elektron hoeft niet perse een ander elektron te raken om te interacteren (Door lading
worden elektronen afgebogen (er werkt een kracht), dus verliezen ze energie). Een foton
buigt niet af en moet het elektron precies raken. Na interactie is het foton verdwenen,
daarna gebeurt er niks meer. Bij elektronen kan er een cascade ontstaan.
- Elektronen komen niet door het lichaam heen, dus dit is niet handig bij een foto maken & je
krijgt veel ruis. Fotonen zijn beter om te gebruiken: gaan wel door het lichaam heen, een
geven geen ruis. Je moet hierbij wel kiezen tussen fotonen met een hoge energie (komen
beter door het lichaam heen) en een lage energie (grotere kans op botsing met bv bot).
Het golfgedrag van bewegende deeltjes
EM-straling kan worden beschreven via fotonen (energie pakketjes) als in termen van buiging
(golfverschijnsel). Dit feit wordt de ‘dualiteit’ tussen straling en materie genoemd. De golflengte van
h
deze straling hangt samen met de impuls (p=mv). Dit geeft: λ= .
p
Het kwantificeren van straling
Eenheid van energie is Joule, maar nu wordt er elektronvolt gebruikt. 1eV= 1.6*10^-19 J. Ook wordt
er gebruik gemaakt van keV (10^3) en MeV (10^6).
Intensiteit en spectrum; kwadratenwet
Voor de intensiteit van straling wordt I gebruikt. Dit is de energie in de stralenbundel die per seconde
een eenheid van oppervlakte passeert. Bij deeltjesstraling wordt ook de grootheid flux gebruikt: het
aantal deeltjes dat per seconde een eenheid van oppervlak passeert. De intensiteit (bij een bol)
P
wordt gegeven door: I = . Waarbij R de afstand tot de bron en P het totale vermogen dat door
4 π R2
de bron wordt uitgezonden. Wanneer de afstand R groot is t.o.v. de afmetingen van de bron, mag de
bron als puntbron worden opgevat. Hieruit blijkt dat de intensiteit omgekeerd evenredig is met het
kwadraat van de afstand tot de (punt)bron =kwadratenwet.
Mono-energetisch/ monochromatisch= wanneer een bundel straling samengesteld is uit fotonen met
dezelfde energie (dit is meestal niet het geval).
Spectrum= een uitzetting van de intensiteit van straling (x-as) rond een energiewaarde E, als functie
van die waarde E (y-as). Het oppervlakte onder de spectraal kromme is gelijk aan de totale intensiteit
van de straling in (W/m^3).
8.3 Opbouw van de materie
Atoombouw
Een atoom bestaat uit een kern omgeven door elektronen (-). De kern bestaat uit neutronen
(ongeladen) en protonen (+). Het aantal protonen in de kern is het atoomnummer (Z). De lading per
proton is +e. De massa van de elektronen is veel kleiner dan de massa van de kern. Elk elektron is
gebonden in het atoom met een bepaalde energie. Om het elektron uit het atoom te verwijderen
moet een minimale energie worden toegevoegd (=bindingsenergie). Eigenschappen bindingsenergie:
- De bindingsenergie is het grootst voor een elektron dat zich dicht bij de kern bevindt.
- De bindingsenergie wordt groter naarmate de kernlading groter is en dus wanneer Z groter
is.
