7.3 INTERACTIE TUSSEN STRALING EN MATERIE
7.3.1 ELEKTROMAGNETISCHE STRALING
= spectrum van de elektromagnetische
straling
- Elektromagnetische straling
beschrijven met
o Golven: 𝒄 = 𝝀𝝂
o Fotonen: 𝑬 = 𝒉𝝂
- Elektromagnetische straling heeft
veel toepassingen (MRI, X-Ray, …)
7.3.2 RAYLEIGH VERSTROOIING
= coherente verstrooiing
Werking/principe
- Ontstaat bij X-stralen met een lage energie
- Invallend foton (met een bepaalde energie) op atoom
- Foton reageert met het hele atoom: oscillatie van de elektronen
= nieuw elektron wordt uitgezonden/verstrooid
- Zo heb je geen energieverlies: energie van het invallend en verstrooid foton is gelijk, maar
de richting is verschillend
Voordeel:
• Geen ionisatie treedt op
• De elektronenwolk zendt onmiddellijk een foton uit
met dezelfde energie maar met een verschillende
richting
,7.3.3 COMPTON VERSTROOIING
= verstrooiing die het meeste voorkomt in het menselijk lichaam
= niet-elastische verstrooiing
- Botsing tussen een foton en MEESTAL een valentie-elektron
- Invallend foton zal door de botsing afbuigen met hoek 𝜃
- Elektron heeft voldoende energie en verlaat het foton
= compton elektron
- Energie van dat verstrooid foton vs. Energie van invallend foton kan je wiskundig
beschrijven:
𝑬𝟎
𝑬𝒔𝒄 =
𝑬𝟎
𝟏+ (𝟏- 𝐜𝐨𝐬 𝜽)
𝒎𝒆 𝒄𝟐
𝐸0 = energie van het invallend foton
𝑚𝑒 𝑐 2 = 511 keV (waarde is altijd zo)
- Wanneer 𝜃 … is
o 0°: geen verstrooiing en geen energie aan het elektron
o 180°: foton wordt weerkaatst (“backscattering”)
- Strooiing zorgt voor verlies aan beeldkwaliteit bij bepaalde metingen in de mens (omdat
deze soort strooiing veel in de mens voorkomt)
- Energie van het elektron kan je wiskundig beschrijven:
𝑬𝒔𝒄 + 𝑬𝒆 = 𝑬𝟎
7.3.4 FOTO-ELEKTRISCH EFFECT
= komt in mindere mate voor in het lichaam
- Energie van het invallend foton wordt volledig geabsorbeerd door het atoom
= foton is weg
- Orbitaal elektron heeft voldoende van deze energie opgenomen om het atoom te
verlaten → vorming van een foto-elektron
- Energie van het foto-elektron kan je wiskundig beschrijven:
energie invallend foton – de bindingsenergie van het elektron
- Meestal komt het foto-elektron van de binnenste schil
= er ontstaat een lege plaats met een lagere energie
- Elektron van een hogere schil gaat naar die lagere schil met de
lege plaats
- Verschil in bindingsenergie zorgt voor het uitzenden van een ander foton
→ Die fotonen zijn “karakteristieke x-stralen”
𝒉𝒄
𝝀=
𝑬𝒊 − 𝑬𝒋
- 𝐸𝑖 en 𝐸𝑗 bindingsenergie van schil i en j (de plek op de hogere en lagere schil)
,Bijvoorbeeld het foto-elektrisch effect in een Jood atoom:
- Invallend foton (100 keV) wordt geabsorbeeld door een elektron op de K-schil (met een
bindingsenergie van 33 keV)
- Verschil tussen de bindingsenergie en de energie van het invallend foton is de energie
van het foto-elektron (67 keV)
- Ontstaan van een vacante plaats op de K-schil
- Er zal een elektron van de L-schil de vacante plaats op de K-schil invullen
= X-straal/gamma dat vrijkomt heeft een energie van 28 keV
- Plekken op de schillen blijven worden opgevuld
Verschil in energie wordt steeds uitgezonden
Ontstaan van een hele cascade!
Uitzenden van een Auger elektron (i.p.v. een X-straal)
- Foto-elektron is uitgeworpen waardoor er een vacante plaats is
- Vacante plaats wordt opgevuld door een elektron op de L-schil
- Uitzenden van een foton met een bepaalde energie
MAAR: soms wordt die energie gecapteerd door een ander elektron op de L-schil
Heeft zo voldoende energie om het atoom te verlaten
= Auger-elektron
, 7.3.5 PAARPRODCUTIE
= interactie van een foton met een elektrisch veld van een geladen deeltje
- Door die interactie verdwijnt de foton en worden er 2 deeltjes gevormd
o Elektron
o Positron (antideeltje van een elektron)
- Paarproductie: ontstaan van een deeltje en zijn antideeltje
𝜸 → 𝒆− + 𝒆+
- Elektron vliegt uit de kern en ondergaat verschillende interacties
- Positron vliegt uit de kern en ondergaat verschillende interacties waardoor het zijn
kinetische energie verliest
→ Hierdoor vormt het een PAAR met een naburig elektron
- Elektron en positron vormen een paar en verdwijnen daarna VOLLEDIG
= ontstaan van gamma-fotonen die worden uitgezonden in tegengestelde richting
= annihilatie
• Behoud van energie:
rustenergie van elektron en positron = 2 x 511 keV
• Behoud van impuls:
totale impulsmoment moet 0 zijn = 2 gamma’s worden in
tegengestelde richting uitgezonden
LET OP: positronen die je gebruikt bij PET1 zijn niet afkomstig van paarproductie
→ 2ijn afkomstig van radioactief verval van een isotoop
7.3.6 DOMINANTE INTERACTIE
= logaritmische schaal
- Paar-productie kan enkel voorkomen als
de gamma-stralen minimaal 1022 keV
hebben (want de rustenergie van elektron
en positron samen is 1022 keV)
- Compton verstrooiing: komt vooral voor
bij atomen met een lage Z (deze atomen
komen het meeste voor in het menselijk
lichaam)
1
met een radioactieve stof kijken naar hoe organen/weefsels werken
7.3.1 ELEKTROMAGNETISCHE STRALING
= spectrum van de elektromagnetische
straling
- Elektromagnetische straling
beschrijven met
o Golven: 𝒄 = 𝝀𝝂
o Fotonen: 𝑬 = 𝒉𝝂
- Elektromagnetische straling heeft
veel toepassingen (MRI, X-Ray, …)
7.3.2 RAYLEIGH VERSTROOIING
= coherente verstrooiing
Werking/principe
- Ontstaat bij X-stralen met een lage energie
- Invallend foton (met een bepaalde energie) op atoom
- Foton reageert met het hele atoom: oscillatie van de elektronen
= nieuw elektron wordt uitgezonden/verstrooid
- Zo heb je geen energieverlies: energie van het invallend en verstrooid foton is gelijk, maar
de richting is verschillend
Voordeel:
• Geen ionisatie treedt op
• De elektronenwolk zendt onmiddellijk een foton uit
met dezelfde energie maar met een verschillende
richting
,7.3.3 COMPTON VERSTROOIING
= verstrooiing die het meeste voorkomt in het menselijk lichaam
= niet-elastische verstrooiing
- Botsing tussen een foton en MEESTAL een valentie-elektron
- Invallend foton zal door de botsing afbuigen met hoek 𝜃
- Elektron heeft voldoende energie en verlaat het foton
= compton elektron
- Energie van dat verstrooid foton vs. Energie van invallend foton kan je wiskundig
beschrijven:
𝑬𝟎
𝑬𝒔𝒄 =
𝑬𝟎
𝟏+ (𝟏- 𝐜𝐨𝐬 𝜽)
𝒎𝒆 𝒄𝟐
𝐸0 = energie van het invallend foton
𝑚𝑒 𝑐 2 = 511 keV (waarde is altijd zo)
- Wanneer 𝜃 … is
o 0°: geen verstrooiing en geen energie aan het elektron
o 180°: foton wordt weerkaatst (“backscattering”)
- Strooiing zorgt voor verlies aan beeldkwaliteit bij bepaalde metingen in de mens (omdat
deze soort strooiing veel in de mens voorkomt)
- Energie van het elektron kan je wiskundig beschrijven:
𝑬𝒔𝒄 + 𝑬𝒆 = 𝑬𝟎
7.3.4 FOTO-ELEKTRISCH EFFECT
= komt in mindere mate voor in het lichaam
- Energie van het invallend foton wordt volledig geabsorbeerd door het atoom
= foton is weg
- Orbitaal elektron heeft voldoende van deze energie opgenomen om het atoom te
verlaten → vorming van een foto-elektron
- Energie van het foto-elektron kan je wiskundig beschrijven:
energie invallend foton – de bindingsenergie van het elektron
- Meestal komt het foto-elektron van de binnenste schil
= er ontstaat een lege plaats met een lagere energie
- Elektron van een hogere schil gaat naar die lagere schil met de
lege plaats
- Verschil in bindingsenergie zorgt voor het uitzenden van een ander foton
→ Die fotonen zijn “karakteristieke x-stralen”
𝒉𝒄
𝝀=
𝑬𝒊 − 𝑬𝒋
- 𝐸𝑖 en 𝐸𝑗 bindingsenergie van schil i en j (de plek op de hogere en lagere schil)
,Bijvoorbeeld het foto-elektrisch effect in een Jood atoom:
- Invallend foton (100 keV) wordt geabsorbeeld door een elektron op de K-schil (met een
bindingsenergie van 33 keV)
- Verschil tussen de bindingsenergie en de energie van het invallend foton is de energie
van het foto-elektron (67 keV)
- Ontstaan van een vacante plaats op de K-schil
- Er zal een elektron van de L-schil de vacante plaats op de K-schil invullen
= X-straal/gamma dat vrijkomt heeft een energie van 28 keV
- Plekken op de schillen blijven worden opgevuld
Verschil in energie wordt steeds uitgezonden
Ontstaan van een hele cascade!
Uitzenden van een Auger elektron (i.p.v. een X-straal)
- Foto-elektron is uitgeworpen waardoor er een vacante plaats is
- Vacante plaats wordt opgevuld door een elektron op de L-schil
- Uitzenden van een foton met een bepaalde energie
MAAR: soms wordt die energie gecapteerd door een ander elektron op de L-schil
Heeft zo voldoende energie om het atoom te verlaten
= Auger-elektron
, 7.3.5 PAARPRODCUTIE
= interactie van een foton met een elektrisch veld van een geladen deeltje
- Door die interactie verdwijnt de foton en worden er 2 deeltjes gevormd
o Elektron
o Positron (antideeltje van een elektron)
- Paarproductie: ontstaan van een deeltje en zijn antideeltje
𝜸 → 𝒆− + 𝒆+
- Elektron vliegt uit de kern en ondergaat verschillende interacties
- Positron vliegt uit de kern en ondergaat verschillende interacties waardoor het zijn
kinetische energie verliest
→ Hierdoor vormt het een PAAR met een naburig elektron
- Elektron en positron vormen een paar en verdwijnen daarna VOLLEDIG
= ontstaan van gamma-fotonen die worden uitgezonden in tegengestelde richting
= annihilatie
• Behoud van energie:
rustenergie van elektron en positron = 2 x 511 keV
• Behoud van impuls:
totale impulsmoment moet 0 zijn = 2 gamma’s worden in
tegengestelde richting uitgezonden
LET OP: positronen die je gebruikt bij PET1 zijn niet afkomstig van paarproductie
→ 2ijn afkomstig van radioactief verval van een isotoop
7.3.6 DOMINANTE INTERACTIE
= logaritmische schaal
- Paar-productie kan enkel voorkomen als
de gamma-stralen minimaal 1022 keV
hebben (want de rustenergie van elektron
en positron samen is 1022 keV)
- Compton verstrooiing: komt vooral voor
bij atomen met een lage Z (deze atomen
komen het meeste voor in het menselijk
lichaam)
1
met een radioactieve stof kijken naar hoe organen/weefsels werken
