ELEKTROMEDING   proizvodnja, servis i prodaja. Niš, ZONA 3-88, t-f: 018 544-843, 222-094, 239-085

 

1.2.         Interakcija x-zraka i materije

 Sudbina x-zraka pri prolasku kroz materiju može biti različita.  Jedan deo snopa x-zraka biva apsorbovan u tkivu i potpuno nestaje iz snopa. Drugi deo prolazi kroz tkivo ne- promenjen, dok treći deo stupa u interakciju sa atomima materije. Pomenuta interakcija se može odigrati sa elektronima u putanjama atoma ili na nivou njegovog jezgra. U domenu dijagnostičke radiologije, u kojoj se koriste x-zraci čije su energije znatno manje od onih koje se primenjuju u radioterapiji, interakcija fotona x-zraka i materije odigrava se sa elektronima u putanjama atoma. Kada se radi o valentnim elektronima, koji povezuju atome u molekule, pod uticajem fotona x-zraka, ove veze se kidaju i time se menja molekularna struktura prozračene materije. Fotoni velikih energija, kakvi se koriste u radioterapiji, stupaju u interakciju sa jezgrima atoma materije.

Postoji nekoliko vidova gore pomenute interakcije i to:

-         koherentno rasejanje,

-         fotoelektrični efekat,

-         Komptonovo rasejanje,

-         stvaranje elektronskog para i

-         fotodezintegracija.

 1.3.1. Koherentno rasejanje

Osnovna karakteristika koherentnog rasejanja je delimična promena pravca kretanja fotona x-zraka nakon interakcije sa elektronom atoma materije. Obzirom na to da ovom prilikom talasna dužina odnosno energija fotona ostaju nepromenjene, ovakva interakcija se naziva nemodifikovano, nepromenjeno rasejanje. Tomsonovo i Rejlijevo rasejanje su dva osnovna tipa koherentnog rasejanja.

1.3.2. Fotoelektrični efekat

Ulaskom u periferiju atoma, foton x-zraka, čija je energija nešto veća od energije vezivanja elektrona u putanji K, sudara se sa jednim od elektrona iz ove putanje i izbacuje ga. Pri ovom sudaru foton predaje celokupnu energiju elektronu i nestaje, gasi se. Najveći deo energije fotona utroši se na savladavanje energije vezivanja elektrona za jezgro. Ostatak energije koju je foton posedovao, sada predstavlja kinetičku energiju  elektrona. Oslobođeni elektron napušta atom i odlazi u prostor kao fotoelektron. Zahvaljujući sopstvenom naelektrisanju, oslobođeni elektron postaje negativan jon, koji zbog male moći penetracije, ubrzo biva apsorbovan. Nastala praznina u putanji K popunjava se elektronom, najčešće iz prve susedne putanje. Veoma retko, upražnjeno mesto može popuniti elektron sa neke udaljenije putanje ili slobodni elektron istog ili susednih atoma. Prispeli elektron, koji dolazi sa energetski višeg nivoa, višak energije emituje u obliku fotona x-zraka. Energija koja se oslobađa pri pomenutom prelasku, jednaka je razlici energetskih nivoa putanja u okviru kojih je izvršen transfer elektrona. Kako su energetski nivoi strogo definisani, to je i količina oslobođene energije karakteristična za svaki element. Iz tog razloga, zračenje proizvedeno prelaskom elektrona iz jedne putanje u drugu, u okviru istog atoma, ima osobine karakterističnog zračenja.

Popunjavanjem upražnjenog mesta u putanji, atom ostaje bez jednog elektrona. Drugim rečima, postaje pozitivan jon. Ako upražnjeno mesto popuni elektron poreklom iz drugog atoma, efekat je na kraju isti, obzirom da atom-donator postaje postaje pozitivan jon. Prema tome, posledice fotoelektričnog efekta su:

-         nastanak karakterističnog zračenja

-         stvaranje negativnog jona (fotoelektron) i

-         stvaranje pozitivnog jona.

Naravno, treba reći i da će fotoelektrični efekat verovatno nastati ako su energija fotona x-zraka i energija vezivanja elektrona u putanjama jednake, a neminovno kada je energija fotona nešto veća. S druge strane, verovatnije je da će foton sa energijom od 34 [KeV] reagovati sa elektronom putanje K u atomu joda, pre nego foton čija je energija 100 [KeV]. Naime, pojava fotoelektričnog efekta je manje izvesna kada je razlika između energije fotona x-zraka i energije vezivanja elektrona u putanjama oko jezgra veća.

1.3.3. Komptonovo rasejanje

Komptonov efekat nastaje u interakciji fotona x-zraka i elektrona koji se nalaze na udaljenijim putanjama atoma prozračene materije. Za pojavu ove vrste rasejanja, energija upadnih elektrona mora biti višestruko veća od energije kojom se elektroni održavaju u svojim putanjama. Komptonov efekat moguć je kada je raspon ovih energija od 10 do 150 [KeV], a najučestaliji je u opsegu od 60 do 100 [KeV].

Tokom ovog vida interakcije, deo energije koju poseduje foton x-zraka biva utrošen na savladavanje sila kojima se elektron održava u putanji oko jezgra atoma. Preostali deo energije omogućava dalje kretanje fotona. Obzirom na gubitak dela energije, foton će nakon sudara sa elektronom skrenuti sa svog prvobitnog pravca. Koliko će biti odstupanje od inicijalne putanje fotona x-zraka, zavisi od energije koju je foton zadržao. Skretanje će biti manje ukoliko je fotonu preostalo više energije, pri čemu važi i obrnuto (Tabela 1).

Pored ovoga, što je početna energija fotona x-zraka veća, to će nakon susreta sa elektronima, ugao skretanja i gubitak energije biti manji.

Verovatnoća pojave Komtonovog efekta, zavisi od energije ulaznog fotona x-zraka, kao i od ukupnog broja elektrona u atomu materije. Obzirom na to da je broj elektrona po gramu tkiva približno isti za sve elemente koji u najvećoj meri izgrađuju tkivo organizma, bez obzira na njihov atomski broj, to praktično znači da mogućnost pojave gore pomenutog efekta, prvenstveno zavisi od energije upadnih fotona.

Inicijala energija fotona (KeV)

Ostatak energije fotona (KeV)

Ugao skretanja (o)

30

60

90

180

25

24.9

24.4

24.0

23.0

50

49.6

47.8

46.0

42.0

75

74.3

70.0

66.0

58.0

100

98.5

91.0

84.0

72.0

150

146.0

131.0

116.0

95.0

Table 1 Korelacija vrednosti inicijalne energije, ugla skretanja i ostatka energije fotona

Isto tako, mogućnost pojave Komptonovog efekta je manja ukoliko je energija upadnog fotona veća, jer je verovatnije da će foton velike energije proći kroz materiju bez gubitka energije u odnosu na foton čija je energija manja. Budući da se u dijagnostičkoj radiologiji koriste x-zraci energija manjih od 150 [KeV] (10-150 [KeV]), to će svi fotoni čija je energija manja od ove vrednosti biti pogodni za razvijanje Komptonovog efekta.

Osvetljenje fotoemulzije rendgenskog filma u najvećoj meri zavisi od fotona x-zraka koji su pretrpeli minimalan gubitak energije odnosno kod kojih je skretanje snopa pri prolasku kroz materiju bilo neznatno. Zbog znatne energije koju poseduju, nije ih moguće ukloniti filterima, a neznatno rasipanje odnosno pravolinijsko prostiranje čini ih prolaznim i za antirasipna sita i rešetke. Dospevajući direktno do površine rendgenskog filma, fotoni x-zraka procesima fotolize prouzrokuju njegovo zacrnjenje. Zbog svega ovoga, rasuto zračenje nastalo Komptonovim rasejanjem, skoro da odgovara dozi zračenja koju prima organizam iz primarnog zračnog snopa.

1.3.4. Stvaranje elektronskog para

Fotoni velikih energija koji prolaze veoma blizu jezgra atoma materije, pod uticajem jakih nuklearnih sila, celokupnu svoju energiju pretvaraju u masu elektronskog para – elektron (e-) i pozitron (e+) (fotonuklearna interakcija). Pošto je masa elektrona ekvivalentna energiji od 0,511 [MeV], za stvaranje elektronskog para neophodno je da energija upadnog fotona bude najmanje dvostruko veća odnosno da iznosi 1,022 [MeV]. Eventualni višak energije predstavljaće kinetičku energiju formiranog elektronskog para i utrošiće se na jonizaciju i pobuđivanje pogođenih atoma materije.

 1.3.5. Fotodezintegracija

 Dezintegracija materije jeste suprotan procesu stvaranja elekronskog para. Tokom dezintegracije materije, zbog promena unutar jezgra, menja se struktura atoma. Za ovaj vid interakcije elektromagnetnog zračenja i materije, neophodno je da energija fotona x-zraka bude veća od energije nuklearnih sila kojima se nuklearne čestice održavaju u jezgru. Pri sudaru sa česticama jezgra atoma, zahvaljujući energiji koju poseduje, foton odvaja deo mase jezgra (neutron, proton, a-česticu ili grupu čestica). U zavisnosti od vrste čestica koje su izbačene iz jezgra, kao posledica fotodezintegracije mogu nastati nestabilna jezgra, joni ili potpuno novi elementi.

Stvaranje elektronskog para i efekat dezintegracije, kao vidovi interakcije fotona x-zraka i materije, imaju zanemarljiv značaj u toku emisije x-zraka u domenu dijagnostičke radiologije. Energije fotona x-zraka koje se koriste u dijagnostičke svrhe, skoro da ne prelaze 150 [KeV], što je daleko ispod energija neophodnih za stvaranje elektronskog para odnosno za dezintegraciju materije (7-15 [MeV]).

 

vrati se nazad

   Stojan Stanojević, Niš, ul. Branko Krsmanović, br 8/61, m. tel. 063-448561,     ststojan@medianis.net , stojan.stanojevic@gmail.com