Fény és elektromágneses hullámok PDF

1. -6) A fény sebessége vákuumban: c: 3 × 108 m/s más anyagokban: v: n: az anyag törésmutatója...

1. -6) A fény sebessége vákuumban: c: 3 × 108 m/s más anyagokban: v: n: az anyag törésmutatója hullámhossz f: frekvencia bizonyítja. Fényinterferencia: Az interferencia a hullámok olyan szuperpozíciója, mely új hullámmintázatot alakít ki. Azon jelenségek összessége, amelyek akkor lépnek föl, ha két vagy több hullám találkozik egymással. Interferenciára, csak a hullámok képesek. 1801-ben Young-nak sikerült fénnyel interferenciajelenséget létrehoznia, ezzel bizonyítva annak hullámtermészetét. tott felületen mindenhol összeadódik ( részecske elmélet),ez általában nem teljesül, ehelyett ahova biztosan érkezik fény mindkét fényforrásból, de mégis sötét foltok láthatóak. Fényinterferenciát csak koherens fényhullámokk fény hullámok fáziskülönbsége azonos, vagy állandó). Ha a két hullám azonos fázisban érkezik, akkor beszélünk (konstruktív interferencia). Ebben az esetben a két hullám hullámvölgyei és hegyei azonos fázisban v amplitúdója nagyobb, mint az interferáló egyedi hullámoké. Viszont, ha ezzel ellentétben, az egyik hullám hullámhegye a másik hullám hullámvölgyével van fázisban, akkor kioltásról (destruktív interferencia) beszélünk. Ebben az esetbe amplitúdója kisebb, mint az egyedi interferáló hullámoké. A fény elektromágneses hullámként terjed(=olyan transzverzális hullám, mely fénysebesség-gel (c) terjed és két komponense van (elektromos és mágneses). Diffrakció (Fényelhajlás): A fényinterferencia egyik megnyilvánulási formája, melynek lényege, hogy a fénynyaláb irányát az útjába tett részleges akadályok módosítják,így ott is észlelünk megvilágítást, ahol a fény egyenes vonalú egyenletes terjedése alapján nem várnánk. Young kísérletében, két valósított meg, monokromatikus fényt használt. frekvencia azonos volt és az amplitúdó is, fényinterferenciát tapasztalt) A koherens - elv alapján is, már zisokban találkoznak össze. Fényelektromos jelenség (Fotoeffektus) A fény részecske természetének bizonyítéka. A jelenség lényege, hogy amennyiben egy fém felületét látható(400-750 nm) vagy ultraibolya fénnyel (10nm 400nm) negatív elektromos töltéshordozók szabadulnak ki. De a kilépés csak akkor jön létre, ha a fény frekvenciája meghalad egy kritikus küszöbértéket (határfrekvencia illetve határhullámhossz). Fotoeffektus tulajdonságai: 1. a távozó töltéshordozók elektronok 2. küszöbfrekvencia alatt nem jön létre, hiába növelem a fényintenzitást 3. elektronok sebessége nem a megvilágító fény intenzitásától függ, hanem annak frekvenciájától 4. jelenség már bekövetkezik!!!) Elektromágneses hullámok elmélete alapján ezek nem magyarázhatók (A hullámelmélet szerint a fotoelektronok kinetikus energiája arányos a fény intenzitásával). A fény, mint elektromágneses hullám nem folytonosan, hanem kis energia adagokban (kvantumokban) hordozza az energiát. Egy kvantum energiája: Efoton= hf=hc/ (ahol h: Planck-állandó; f: a fény frekvenciája). Ezek egyenes vonalban fénysebességgel mozognak, mint kis részecskék. Így a fény intenzitását két paraméter, a fotonok energiája (hf) és a fotonok száma szabja meg (N). Ha a foton energiája nagyobb, mint az elektron kiszakításához szükséges energia, akkor a többlet energia az elektron mozgási energiájára fordítódik, azaz: hf=A+Eel,kin, ahol A a kilépési munka, vagyis az egy elektron kiléptetéséhez szükséges minimális energia, míg Eel,kin tér segítségével lehet meghatározni. ez. A két elektróda közötti potenciálkülönbség (U) növelésével érik már el a 1/2mvmax2=eU, ahol. Elektronkilépés csak akkor van, ha b az energiája, mint A, nem lesz elektron kilépés. A A pozitívabb potenciálkülönbség esetén a fotoelektronok száma (azaz a fotoelektromos áram) a megvilágítás ahol, hf: Eel,kin: A: kilépési munka, vagyis az egy elektron kiléptetéséhez szükséges minimális energia m: v: Hőmérsékleti sugárzás - Az izzított testek először hősugárzást, majd magasabb hőmérsékleten látható fényt emittálnak. -Az emittált elektromágneses sugárzás minősége és mennyisége, vagyis spektruma csak a hőmérséklettől függ, ezért ezt a sugárzást hőmérsékleti sugárzásnak nevezzük. - Hőmérsékleti sugárzást a testek minden hőmérsékleten kibocsájtanak, a hideg testek nyilván sokkal kevesebbet. - Gustav Robert Kirchhoff német fizikus 1859-ben elméleti úton levezetett s u g á r z á s i törvénye szerint anyagi minőségtől függetlenül minden anyagra igaz, hogy egy adott hullámhosszon és hőmérsékleten a kibocsájtás (emisszió) és az elnyelés (abszorpció) intenzitásának hányadosa állandó. Az alfa arányossági tényezőt a test abszorpciós tényezőjének nevezzük. Amennyiben alfa=1, vagyis a test az összes ráeső sugárzást elnyeli, a testet abszolút fekete testnek nevezzük. - Ha egy test adott hullámhosszon erősebben sugároz, akkor az abszorpciója is nagyobb. - Az abszolút fekete test képes a legnagyobb mértékű kisugárzásra. Ezért az abszolút fekete test sugárzási törvényének ismeretében a hőmérsékleti sugárzás spektruma tetszőleges testre meghatározható az abszorpciós tényező ismeretében. -A Stefan-Boltzmann törvény értelmében az abszolút fekete test teljes, vagyis az összes hullámhosszra összegzett sugárzása, pontosabban sugárzásának energiája, ezzel a teljesítménye arányos a test abszolút (Kelvinben mért) hőmérsékletének negyedik hatványával és a test felszínével. - Egységnyi felület esetén a szigma a Stefan-Boltzmann állandó. - A Wien-féle (eltolódási) törvény kimondja, hogy az abszolút fekete test maximális emisszió- képességéhez tartozó hullámhossz (λmax), azaz a görbék csúcsaihoz, vagyis a sugárzás maximális intenzitásához tartozó hullámhossz az abszolút hőmérséklettel fordítva arányos, vagyis szorzatuk állandó. - A Wien-féle konstans értéke 2,9×10-3 mK, vagyis pl. egy 1000 K hőmérsékletű test 2,9 µm hullámhosszú fényből sugároz ki a legtöbbet. Elektromágneses spektrum - Az elektromágneses hullámok mindegyikénél elektromos és mágneses mezők terjednek egymásra és a terjedési irányra merőlegesen 3×108 m/s sebességgel. - Az elektromágneses hullámok frekvenciája igen széles határok között (0 – 10^24 Hz) változhat. - A különböző frekvenciájú elektromágneses hullámok alaptulajdonságaik azonosak, azonban lényeges eltéréseket is mutatnak például az anyaggal való kölcsönhatásuk és gyakorlati felhasználásuk tekintetében. - Az egyes tartományokhoz tartozó elektromágneses hullámok ennek megfelelően más-más elnevezést kaptak. - Az elnevezések a kis frekvenciától (kis energiától) kezdve a következők: - rádióhullámok, - mikrohullámok, - infravörös, - látható fény, - ultraibolya, - röntgen-sugárzás - gamma sugárzás. - Földi körülmények között létrejövő legnagyobb energiájú elektromágneses hullámok a gamma sugarak. Ezek a csillagokban lejátszódó folyamatok során keletkeznek. - A látható fény az elektromágneses sugárzás emberi szem által érzékelhető tartománya, amely a spektrum 400-750 nm hullámhossz-tartományába esik. A látható tartományba eső, de különböző hullámhosszúságú fény a szembe jutva különböző színérzetet kelt.  2. Anyaghullámok (I/1.1.3), elektronmikroszkópia (X/5) Anyaghullámok Az elektromágneses sugárzásnak egyaránt vannak hullám és részecske tulajdonságai. A klasszikusan elektronnak hullámtermészete is van. Minden elemi részecske bizonyos tulajdonságait csak hullámként való modellezésével lehet értelmezni,. Ha egy elektron hullám tulajdonságú, akkor kell lennie hullámhosszának és frekvenciájának. Az elemi részecskékhez hozzá ahol, az elektronhoz tartozó ún. anyaghullám hullámhossza nm-ben h:Planck-állandó p: impulzus (mely a tömeg és sebesség ismeretében határozható meg) m:az elektron tömege v: a gyorsított elektron sebessége Az elektron de Broglie hullámhossza: A feltételezett elektronhullám terjedési törvénye, a Schrödingen- Elektronmikroszkópia Egy elektronnak nem csak energiája és töltése van, de hullámhossza is, ezért tudunk elektronmikroszkóppal gyorsítófeszültségek alkalmazásával ( 10- javítható az elektron hullámhosszán keresztül. Abbe- - legrövidebb látható fény hullámhosszának fele, ~ 200 nm erre a paraméterre az elektronnyalábra ugyanezzel az apertúra értékkel számolva d- elektronmikroszkópban azonban az elektronoptika tulajdonsága az NA ~ 10-3 értéket adják, és így a felbontható legkisebb távolság ~ 0,5 nm lesz. a nagy sebessé tömegnövekedést is figyelembe véve: A mozgó elektron hullámhossza: az elektron a gyorsító feszültség (V) határozza meg. (de Broglie, 1924) Így nagy gyorsító feszültségen rövid hullámhosszat kapunk Az elektronmikroszkóp fajtái: Transzmissziós Elektronmikroszkópia (TEM) Pásztázó (Scanning) Elektronmikroszkópia (SEM) Az elektronmikroszkóp felépítése: 1. optikai mikroszkóppal analóg módon tervezték meg a felépítését 2. az elektronnyaláb létrehozásához vákuu rendszert kialakítani 3. az optikai lencséket elektromos és mágneses tereket kialakító helyettesítve a nyalábbal a leképezést a fénysugarakhoz hasonló módon lehet elvégezni, a kép létrejötte is a tárgyon elhajlott résznyalábok interferenciája révén történik, mint a fény esetében 4. Transzmissziós elektron mikroszkóp: (TEM) Az elektronmikroszkóp transzmissziós üzemmódban a fénymikroszkóppal analóg -100 nm tárgyra párhuzamos kilépnek a tárgy képet alkotnak, amely a minta elektronszóróképességét jellemzi. Egy elektronmi Az elektronmikroszkóp feloldóképessége mintegy 500,000-szer nagyobb, mint az emberi szem feloldóképessége.. Metszeti, szigorúan kétdimenziós (szummációs) kép. Pásztázó (Scanning) elektronmikroszkóp (SEM) Nincs köze a fénymikroszkópiához. Egy elektronnyaláb pásztázza a minta felszínét másodlagos elektronok, minta felszínét nagy rendszámú anyaggal (pl. Os) kell bevonni. Ezek alapján kb. 10nm vastagságban és plasztikus,. (Némelyik SEM a visszaszórt elektronokból alkot képet.)  biológiában és biomedicinában (VI/1.1) analitikai ultracentrifugálás: molekulák méretük szerinti szétválasztása preparitív ultracentrifugálás: szedimentációs módszerek: közben Miért van erre szükség ? E(t), ami nagyon kicsi. Et=k T=4*10-21 J Eg= m g h=1,6*10-22 J tulajdonságai határozhatók meg. 1.Szedimentációs sebességi módszer: A szedimentációs állandó határozható meg ezzel a módszerrel. Fs= fv 0: a részecske/oldott anyag, illetve a f: alakfaktor 2 v: a részecske sebessége Fc =ma Fc a: forgásból származó gyorsulás Ff c= Ff + Fs m: oldott anyag/részecskék tömege a részecske nem gyorsul, hanem állandó Az egyensúly feltétele tehát: Fc= Ff + Fs Átrendezve megkapjuk a szedimentációs állandót (S), ami a gyorsulás esetén tapasztalt ülepedési sebesség. A szedimentációs állandó egysége 1 S (Svedberg) = 10-13 s. Ezzel az egyenlettel meg lehet határozni egy molekula tömegét (M): R= 6*1023 k és függ. Általában minél nagyobb egy részecske, annál nagyobb a szedimentációs állandója is. Alkalmas például antitest monomerek és oligomerek elválasztására. 2. Szedimentációs egyensúlyi módszer: A molekulatömeg határozható meg ezzel a módszerrel. Általában alacsonyabb fordulatszámon és/vagy hosszú ideig (több óráig, vagy több mint egy napig) csinálják, mivel ezzel a módszerrel meg kell várni, amíg egyensúly, vagyis amíg a molekulák átlagos ülepedési sebessége nulla lesz. Ha a molekulákra csak a A molekulák általában ún. szolvatált állapotban ülepednek, molekulasugár. Az alak és a szolvátburok miatt megváltozott részecskesugár ellenben befolyásolják az ülepedés sebességét, de az egyensúlyra nincsenek hatással. Mivel az 1-essel jelzett molekula könnyebb, mint a 2- aljától. lehet meghatározni, ugyanis a meredekség arányos a molekulatömeggel. A módszernek nagy a diffúziós mérésekkel nem kombinált sebességi módszerrel szemben, hogy az eredmények nem függnek az f alakfaktortól. szeparálása. koncentrációja a betöltött té A centrifugálás során minden komponens csak addig a térrészig ülepedik,. Ekkor az adott kompo , azaz a részecskék a Ezen az elven tehát az egyes komponensek elválaszthatók a ül, kizárólag a. Ha a részecske az egyensúlyi helyzete egyensúlyi helyzet felé gyorsítja. Az egyensúly feltétele: Fc=Ff ha 0 Ff Fc k > > mono > 4. Az elektroforézis és biomedicinában (VI/1.2). Az elektroforézis fizikai alapjai: Az elektroforézis töltött, oldott vagy szuszpendált részecskék vándorlása egy elektrolitban, amin áramot elektroforézisnek nevezzük. Egy ze ra egy E F=zeE nagyságú Coulomb- a részecske sebessége addig növekszik, amíg a mozgási sebességével arányos közegellenállás, vagyis a súrlódási - yba nem kerül. Egyensúlyban ( amikor a részecske fv=EQ azonos sebességgel mozog): fv=Eze Fq+Fs =0 Fq: Fs: f: alakfaktor v: sebesség Nagyságrendileg közel azonosak. E: Fs= Fq e: elemi töltés z: töltésszám u elektroforetikus mobilitás:. Mivel az elektroforetikus mobilitás függ a (Q) és az Szabad elektroforézis: elektroforézis mátrix (szilárd hordozóanyag) mentes közegben, amikor a molekulák egy oldatban mozognak a környezet (vizes oldat) alacsony viszkozitása miatt a diffúzió nem elhanyagolható igen érzékeny, segítségével molekulánként egy elektrontöltésnyi töltéskülönbség már kimutatható. A diffúzió megnehezíti a molekulák méret és töltés szerint szétválasztását Ezért manapság ritkán használják preparatív célokra nem alkalmas Gélelektroforézis: segítségével DNS, RNS vagy fehérje molekulák választhatók szét egymástól oly módon, hogy elektromos feszültséget kapcsolnak egy porózus, de szilárd gél mátrixra a gél eliminálja / lassítja a diffúziót az elválasztást nem zavarja a diffúzió a gél anti-diffúziós és nukleinsavak a gélt általában agarózból készítik, fehérjék a gélt általában poliakrilamidból készítik molekulatömeg szerinti elválasztására analitikai célokra használják, de a módszer preparatív módszerként is alkalmazható Az elválasztott frakciók Agaróz gélelektroforézis Az agar egy algákból izolált poliszacharid. agaróz: lineáris poliszacharid agaropektin: oligoszacharidok heterogén keveréke.  Az agaróz gélelektroforézis során egymástól. k, ezért az elektroforetikus kádba, melyek így áram hatására a pozitív elektród felé fognak vándorolni. A nukleinsavak a foszfát csoportok jelenléte miatt a pozitív elektród felé vándorolnak. nagyobb alacsonyabb az elektroforetikus mobilitása, így lassabban vándorolnak, pozitív elektródától távolabb halmozódnak fel. Magyarázat: a hosszú nukleinsavaknak a hosszúságukkal arányosan egyre nehezebb a gél pórusain Biológiai alkalmazás: Az agaróz gélelektroforézis DNS-fragmentumok frakcionálásának rutinmódszere, amellyel mind egyszálú, mind pedig kétszálú DNS és RNS molekulák is szétválaszthatók a méretük alapján. A molekulatömeg meghatározása: Ismert hosszúságú DNS molekulák keverékét tartalmazó kalibrációs mintát -bromiddal vagy más fluoreszkálnak. A ismert hosszúságú DNS- éhez hasonlítják. Minden sáv egy ado (bp) adják meg. Fehérjék elektroforézise: SDS-PAGE Míg a nukleinsavaknak fiziológiás pH-n egyenletes negatív töltése van, addig a fehérjék töltése aminosav- hagyományos gélelektroforézis nem alkalmas fehérje molekulatömeg meghatározásra. A fehérjemintát SDS (nátrium-dodecyl-szulfát) anionos detergenssel és diszulfid hidakat bontani képes redukálószerrel (pl. merkapto-etanollal) kezeljük zével felbomlik, a fehérjék denaturálódnak (elvesztik másodlagos és harmadlagos szerkezetüket), ezáltal minden fehérjének hasonló alakja lesz. És mivel az SDS anionos detergens, a fehérjéket negatív töltésekkel látja el. lesz. Az SDS által beborított fehérjéket poliakrilamidból készített gélben elektroforetizálják. Az eljárást SDS- poliakrilamid gélelektroforézisnek (SDS-PAGE) nevezik. Az SDS által denaturált fehérjék mobilitása A fehérjék molekulatömegük szerint szeparálódnak. A molekulatömeg meghatározásához, hasonlóan a nukleinsavak elektroforéziséhez, markert használnak. A fehérjék molekulasúly szerinti szétválasztásra, de el mennyiségi autoradiográfiával illetve kemilumineszcencia- mérésekkel történhet. Izoelektromos fókuszálás: A fehérjék amfoter makromolekulák, amelyek savas, ill. bázikus tulajdonságú csoportokat tartalmaznak, így a közeg pH-ja változásának hatására nettó töltésüket megváltoztathatják. Magas pH mellett negatív, alacsony pH mellett pozitív nettó töltéssel rendelkeznek. Azt a pH értéket, amelyen az adott fehérje nettó töltésének értéke nulla, izoelektromos pontnak nevezzük. Az izoelektromos fókuszálás elektroforetikus elválasztási módszer, melynek célja megtalálni egy fehérje izoelektromos pontját. Módszer: Egy olyan poliakrilamid gélt készítenek, amiben stabil pH gradiens van. A natív fehérjék (SDS NÉLKÜLI) elektroforetizálását ebben a pH gradiensben végzik. Az izoelektromos pontjuk feletti pH-n a fehérjék negatívan töltöttek. Az izoelektromos pontjuk alatti pH-n a fehérjék pozitívan töltöttek. Ha a negatív elektród a gél lúgos oldalán van, akkor a fehérjék a saját izoelektromos pontjuknak Az izoelektromos pontjuknak -n megállnak, mert nincs töltésük. A rendszer a folyamat eredményeképpen egy olyan állapotba ér, amelyben az elektroforézis és a diffúzió között egyensúly van. M Analitikai és preparatív célokra alkalmazzák. Biológiai alkalmazás: T. A hagyományos, egy irányban végzett elektroforetikus módszerek feloldóképessége korlátozott: optimális esetben 80 100 protein választható szét. A kétdimenziós poliakrilamid gélelektroforézis feloldása nagyságrenddel jobb ennél. A módszer lényege, hogy a fehérjekeveréket két, egymásra futtatással frakcionálják. Az 1. dimenzióban a szétválasztás izoelektromos fókuszálással, töltés szerint történik. A gélcsíkot ezután SDS-tartalmú géllemezbe építik be, és a 2. dimenzióban SDS- poliakrilamid gélelektroforézissel molekulasúly szerinti szeparálást végeznek. A fehérjék vizualizálás (festés, autoradiográfia) után foltokként jelennek meg a gél képén. Specifikus fehérjéket immunológiai módszerekkel tesznek láthatóvá.  biológiában és biomedicinában (X/7). Célja: hogy milyen aminosavak vannak jelen egy fehérjében, a tömeg/töltés (m/q vagy m/z) arány segítségével. : ionforrásból, (1-2.lépés) amely a vizsgálni kívánt minta molekuláit gáz fázisba viszi ÉS ionizálja, analizátorból, (3.lépés)amely az ionokat gyorsítja majd (4.lépés) detektorból, amely az ionokat érzékeli. ionforráséhoz és az analizátoréhoz képest, de a becsapódó ionokat elektronsokszorozóval vagy szcintillációs számlálóval detektálják. 1-2. A molekulák gáz fázisba vitele és ionizálása A tömegspektrométerekben vákuumot kell létrehozni, hogy a vizsgált ionok a forrástól a detektor felé haladva ne ütközzenek gázatomokkal. MALDI (mátrixközvetített lézeres (ESI) Az elektrospray ionizáció módszer során, deszorpció/ionizáció Matrix Assisted Laser vákuumba apró töltött ahogy a Desorption/Ionization) egy rövid lézerimpulzust mintát befecskendezik. Az oldószer a vákuumban használ a minta(fehérje) gyorsan párolog, és ahogy a cseppek egyre adalékanyagba mátrix gáz fázisba vitelére. A mátrix szerepe: jól elnyeli a használt lézerfényt/ égül kisebb cseppekre szakítja szét a cseppet. Ez a folyamat mindaddig fragmentációt/ széttöredezést. A lézerimpulzus hatására , amely csak a töltött makromolekulák maradnak ionizálja a minta(fehérje) molekuláit. A (elektromos térben ionizálódnak) makromolekula ionjai a mátrix elpárolgása után maradnak vissza. A módszer a minta ionjait rövid 3-4.lépés Ionok gyorsítása és analízise Hagyományos tömegspetrométernél: Az analizátor választja el az ionforrásból nagy sebességgel m/q hányados) szerint. Az ionok mágneses térbe kerülve körpályára kényszerülnek, a körpálya sugarát, így a részecskék helyzetét a tömeg/töltés arány határozza meg. A mágneses eltérítés lényege: 1. egyenlet: hogy az ionforrásból qU: elektrom 2.egyenlet: v: sebességgel egy B: mágneses indukciójú térbe kerülve, a Lorenz- hatására r: sugarú körpályára kényszerülnek, Azaz, a két egyenlet felhasználásával a tömeg/töltés hányados a követk : vagyis, (m) (v) ionok nagyobb sugarú (r) körpályán mozognak. Az ion (U) függ. A körpálya sugara a mágneses térrel (B) fordított arányban változik. Adott B vagy U m/q a mágneses tér nagyságának függvényében detektálhatók. -of- Az azonos kinetikus energiájú ionok sebessége és mágneses teret nem tartalmazó közegben tömegük négyzetgyökével fordítva arányos. U gyorsító feszültség bekapcsolásával indítja az analizátorba. Azonos kinetikus energiára szert tett, -külön érik el a detektort. A so m/q hányados meghatározható. MALDI ionforrással használják.  6. Az atommag alkotórészei, felépítése, kötési energiája. Izotópok, magmodellek, az atommag stabilitása. (I/1.5) -19 Közösen ezek neve a nukleon atom tömegszámát (A) a neutronok és a protonok összege adja meg. A protonok tömege mp=1,6726*10-27 kg, a neutroné kicsit nagyobb mn=1,6749*10-27 ATE. (ATE= atomi tömeg egység; relatív egység; a 12C izotóp tömegének 1/12-ed része.) Az atomtömeg és a magtömeg közel azonos (mert a proton tömege 2000-szerese az elektron tömegének.). Izotópeffektusok: Eltérések a fizikai és kémiai tulajdonságokban egy elem izotópjai, vagy azok vegyületei között Atom- mechanikai tulajdonság) Molekulán belüli tömegeloszlás különbsége miatt (színképeltolódás, intermolekuláris kölcsönhatások, reakcióképesség, reakciósebesség) Az atom alkotórészeinek felfedezése: 1897: elektron J.J. Thomson 1919 : proton Ernest Rutherford 1932 : neutron James Chadwick nuklid. izotópok. izobár atommagok. Azonos neutronszámú atommagokat izotón atommagoknak nevezzük. A protonok el biztosításához.A neutronok hozzáadásával vonzó kölcsönhatást adunk a maghoz (neutron-neutron, neutron- proton) taszító kölcsönhatást viszont nem. kisebb hatótávolságú kb. egy nukleonnyi távolságúak, amelyek nagysága sokszorosan meghaladja az elektroszta kölcsönható részecskék k miatt a nukleonok potenciális energiája az atommagba való belépéssel nagymértékben csökken. Ez magyarázza azt, hogy az atommag e energiáinak összege. Ennek a két energiának a különbségét a mag kötési energiájának nevezzük. Egy 2. Ez az energia a mag keletkezésekor nagy energiájú f -5) egyesülése, Magmodellek Két legismertebb a héjmodell és folyadékcsepp- makroszkópikus analógiákon alapul. Héjmodell + atommagból származó sugárzások energiája diszkrét v), ezért feltételezték,hogy az atommag energiaszintjei szintén kvantáltak a neutronok és a protonok két párhuzamos( , köztük nincs azon elemek, melyekre az N, a Z vagy az A értéke valamely mágikus szám (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126...lezárt héjak) sok stabil izotóppal rendelkeznek és nagyon stabilak. Folyadékcsepp-modell al vannak kifejezéseit használva a kötési energiát ( Eköt. Ezek közül a legfontosabbak: Coulomb-energia: veszi figyelembe, a neutronok az aszimmetrikus protonok Az atommag stabilitása: Számos elemnek több természetes izotópja van, amelyek közül nem mind stabil. Ha egy atommagban a tömegszám -utóbb elbomlik. Ezeket az atomféleségeket hívjuk radioaktív izotópoknak. Alacsonyabb rendszámú elemeknél általános szabály az, hogy azok a nuklidok a legstabilabbak, amelyekben a protonok és neutronok N/Z 1 száma megegyezik, míg a nehéz - magokra ez az arány, ha magasabb mint 1, akkor stabilabb a m bomló lehet az atommag). -as tömegszám felett az elemek nem stabilak, valamennyi izotóp radioaktív. Megfigyelés Proton szám Neutron szám Stabil izotópok száma Páros Páros 141 Páratlan Páros 45 Páros Páratlan 51 Páratlan Páratlan 5 Következtetés, Az atommag stabilitási szabályok: 7. Stabil izotópok - A stabil izotópok felhasználásának alapja a természetben túlsúlyban lévő izotóptól eltérő tömegük. - Amennyiben egy molekulában a természetben előforduló alakot lecseréljük egy másik stabil izotópra (izotóphelyettesítés), az a molekula (fiziko)kémiai, spektrális és fizikai tulajdonságait egyaránt befolyásolhatja, amelyet megfelelő módon (pl. spektroszkópia, tömegspektrometria, sűrűséggradiens centrifugálás, stb.) detektálhatunk. - A hatás annál jelentősebb, minél könnyebb elem izotópjairól van szó, hiszen az egyes izotópok relatív tömegeltérése a könnyű elemek esetében lehet számottevő. Így pl. a hidrogén két stabil izotópja, az 1H és a 2H (deutérium) esetében a tömegkülönbség 100%. Nehéz elemek esetében az 1-2 neutronnyi különbség hatása elhanyagolható. - Leggyakrabban használtak: 2H; 13C; 15N; 18O - Izotóp effektus: a molekulán belül más lesz a tömegeloszlás, mivel eltérő a kémiai kötések erőssége, a kémiai reakciók sebessége és/vagy egyensúlyi állandója megváltozhat, megjelenik a spektrális eltolódás - Az izotóp helyettesítést az adott molekula vizsgálatára használják (tulajdonságok, mint pl: szerkezet, kémiai kötések, intermolekuláris kölcsönhatások, reaktivitás), használják különböző folyamatok indikátoraként is - A Meselson - Stahl kísérlet a klasszikus példája a stabil iztotópok felhasználásának - A DNS replikáció szemikonzervatív mechanizmusát igazolták a kísérlettel 1958-ban - E. coli baktériumot hosszú ideig olyan táptalajon tenyésztettek, mely nitrogénforrásként 15N-izotóp tartalmú NH4Cl volt jelen (természetben az 14N jellemző) - Bizonyos idő után az 14N lecserélődik a nehezebb 15N-re, így a DNS sűrűsége is nagyobb lesz, ez centrifugálással egymástól elkülöníthető normál és nehéz DNS-re -Az 1. osztódás után vett mintában csak közepes sűrűségű (a „normál” és a „nehéz” DNS-re jellemző érték közé eső) DNS-t találtak, ez kizárta a replikáció konzervatív modelljét, amely szerint 50-50%-ban „nehéz” és „normál” DNS-t kellett volna kapniuk. - A 2. sejtosztódást követően 50-50%-ban volt jelen közepes sűrűségű, és „normál” DNS, ami a szemikonzervatív modellel összhangban volt, ez a mozaik modellt zárta ki (mozaikos modell alapján mindig homogén sűrűségű DNS-t kellett volna kapniuk, amelynek sűrűsége egyre jobban közelítette volna a „normál” DNS sűrűségét.) - Másik példa az urea kilégzési teszt - gyors diagnosztikai eljárás, amellyel a gyomorfekély kialakulásáért felelős Helicobacter pylori baktériumfertőzés vizsgálható. - A baktérium egy ureáz aktivitással bíró enzimet termel, ami az ureát széndioxidra és ammóniára bontja, ezáltal lokálisan semlegesíti a gyomor erősen savas pH-ját, így elősegíti a baktérium túlélését. - A folyamat során keletkező széndioxid a vérkeringés révén a tüdőbe jut, majd kilélegzésre kerül. - Ha a páciensnek tesztanyagként olyan ureát adnak, amely a természetben leggyakrabban előforduló 12C helyett 13C izotópot tartalmaz, akkor a kilélegzett levegő 13CO2 tartalma alapján következtetni lehet a baktérium jelenlétére. - A kilélegzett levegő 13C- tartalmát tömegspektrometria vagy infravörös spektroszkópia segítségével határozzák meg. - A meghatározás alapja jelen esetben az, hogy a C-O kötés vibrációs energiaszintjei eltérőek lesznek attól függően, hogy a „normál” 12C vagy a „nehéz” 13C van jelen a molekulában. - A 13CO2 alkalmazásának előnye, hogy nem radioaktív. (a módszer radioaktív változatát is használják: itt 14C izotóppal jelzet ureát alkalmaznak és a 14CO2 tartalmat a kilélegzett levegő aktivitásának mérésével határozzák meg.) 7. 8. Magsugárzások típusai és jellemzésük, radioaktív izotópok (II/3.2.1), részecskegyorsítók (II/3.2.6) Magsugárzások, radioaktív izotópok: a magsugárzások során valamennyi részecske az atommagból lép ki radioaktív sugárzásból ólomblendékkel kiválasztott vékony sugárnyalábot mágneses vagy elektromos téren átvezetve a sugárzás három komponensre bomlik -sugarak 2+ ionok energiája diszkrét azaz az energia spektruma vonalas részecskesugárzás - sugarak - sség mellett nagyobb mértékben) - részecskesugárzás - sugarak elektromos és mágneses terekben irányváltoztatás nélkül halad át -sugárzásét, -sugárzásénál nagyobb diszkrét energiával, vonalas energia spektrummal rendelkeznek elektromágneses sugárzás - - A radioaktív bomlás módjai (radioaktív sugárzás típusai): - a radioaktív sugárzás kibocsátása az atommag átalakulásának következménye - oka az atommag instabilitása - az instabil mag az átalakulás során stabilabb állapotba kerül = radioaktív bomlás - mivel az atommag energiaállapotai éppúgy kvantáltak, mint az elektronburokban az elektron lehetséges energiái, megváltozása is csak diszkrét értékeket vehet fel - -sugárzás - - állapotba - nagy rendszámú elemekr - -gyel alacsonyabb, mint a - az energia és az impulzus általában csa -részecske, visszalökött nuklid) között oszlik meg - a két testre felírt energia-és impulzus- - meghatározzák - -sugárzás spektruma vonalas, azaz a részecskék kinetikus energiája jól meghatározható érték - -sugárzás - az atommag nem -sugárzás egy, az atommagot alkotó részecske átalakulása -sugárzással - további eltérés a spektrumában: vonalas spektrumot várnánk, de a mérések szerint a spektrum folytonos - - -részecskével mindig ugyanazt a konstans bomlási energiát osztja meg  - az antineutrínónak ( ) nevezett részecske tömege sokkal kisebb, mint az elektron tömege, és elektromosan semleges - -bomlás során az energia és az impulzus három részecske (a visszalökött nuklid, az elektron és az antineutrínó) között oszlik meg - - részecske energiájának eloszlása folytonos - -részecske, ha minden energiát magával vihet, és minimális, ha a magreakció során felszabaduló kinetikus energián csak az atommag és az antineutrínó osztozik - az eseteknek csak egy részében vezet a -bomlás a leánymag állapotába, az átmenetek egy másik része a leánymag egy gerjesztett állapotára (vagy állapotaira) vezet - - - - -bomlás sémája: - a neutron tömege egy kicsivel nagyobb, mint a protoné, ezért a folyamat spontán módon végbemehet - + - - -bomlás egy speciális változata, melynek során elektronok helyett pozitronok lépnek ki az aktív magokból - ezt a folyamatot neutrínó (v) kilépése kíséri - a pozitronok tulajdonságai az elektronok tulajdonságaival megegyeznek, csak negatív töltés helyett pozitív töltéssel rendelkeznek - a magban éppúgy nincsenek pozitronok, mint elektronok - a pozitron keletkezésénél egy proton átalakulása jelenti a mag stabilizálódását - mivel a proton tömege kisebb, mint a neutroné, ezért a folyamat csak energiatöbblet esetében zajlik le - az orvosi gyakorlatban használatos pozitront emittáló preparátumokat mesterségesen, magreakciók keltése révén hozzák létre: - - + - - - + felhasználása az izotópeloszlás meghatározására a pozitronemissziós tomográfiában (PET) - K-befogás: ugárzás és/vagy Auger-elektron kibocsátása kíséri. - képlet: a K- - (azono - - - E = EK-EL-EM - a folyamat eredményeképp elektronhiány jön létre mind az L, mind pedig az M-héjon - K-befogás révén kiváltott Auger-elektron-kibocsátást alacsony rendszámú nuklidok esetén figyelhetünk meg  - a jelenség azonban ennél általánosabb, minden esetben fellép, mint a karakterisztikus röntgenfoton -sugárzás - bomlás során keletkezett leánymag gerjesztett állapotban marad - ez az állapot instabil, és a mag foton emittálása útján szabadul meg a fölösleges energiától - magizoméria - az átalakulásban sem a tömegszám, sem a rendszám nem változik - a mag nukleonjainak energianívóit elválasztó energiakülönbségek jóval nagyobbak az elektronállapotokhoz tartozó energiaértékeknél, a kibocsátott foton energiája is nagyságrendekkel -sugárzás: az ilyen, jellegzetesen néhány száz keV, illetve MeV energiájú elektromágneses sugárzás - csak a foton hagyja el a magot, ezért a spektrum vonalas - - - -sugárzást is az eredeti magnak tulajdonítjuk Részecskegyorsítók: Orvosi alkalmazások nagy energiájú protonok és részecske sugárterápiához és nagy energiájú elektronok - terápiához és nagy energiájú röntgensugárzás generálásához (lineáris gyorsítók, ciklotronok) radioaktív izotópok (pl. + radiofarmakonokhoz (csak ciklotron) A lineáris gyorsítók esetén a részecske pályája egyenes vonalú, cirkuláris gyorsítóknál köralakú. Elektromos tér határozza meg. Lineáris gyorsítók: 1. A proton az elektromos tér hatására gyorsul. 2. Az elektródon belül a proton nem gyorsul. Amíg a proton az elektród belsejében tartózkodik, az elektródok polaritása megváltozik. 3. A megváltozott polaritás miatt a proton újra gyorsul a második és a harmadik elektród között. 4. Amíg a proton a második elektródban van, az elektródok polaritása visszaváltozik az eredetire. 6. A gyorsítás során nyert mozgási energiát a gyorsítási ciklusok száma (n) határozza meg: Az elektródák belsejében nincs elektromos tér. Az elektródák üreges hengerek. A gyorsulás az elektródák között történik. Az egész egyre nagyobb távolságokat tesz meg a váltakozó feszültség egy fél periódusa alatt, egyre nagyobb sebességgel rendelkezik, ezért az elektródok hosszát növelni kell ahhoz, hogy a részecske az elektromos tér polaritás váltásával szinkronban hagyja el az aktuális elektródot. sugárterápiában lineáris gyorsítókat alkal hasonlóan, a fékezési sugárzás mechanizmusával röntgenfotonokat váltanak ki, mely fotonok nagy energiával -fotonjait) Ciklotron: 1. Egy proton lép a ciklotronban a közepén és a negatív elektród felé gyorsul. 2. Az elektród belsejében körpályán mozog. Amíg a proton az elektród belsejében van, az elektródok polaritása megváltozik. 3. Az elektromos tér megváltozott polaritása miatt az elektródok között a proton újra gyorsul. 4. Körpálya a mágneses tér miatt. Az elektromos tér hiánya miatt nincs sebességnövekedés. Az elektromos tér polaritása megváltozik. 5. Gyorsulás az elektródok között. 6. Körpálya a mágneses tér miatt. Az elektromos tér hiánya miatt nincs sebességnövekedés. Az elektromos tér polaritása megváltozik. 7. Gyorsulás az elektródok között. 8. A gyorsítás során nyert mozgási energiát gyorsítási ciklusok száma (n) határozza meg: A ci -nek is nevezik). Elektromos tér csak a duánsok között van jelen, belsejükben kizárólag mágneses teret alkalmaznak. Az elektródok belsejében nincs elektromos tér, így itt a részecske sebessége nem növekszik. Az elektromos tér hatására a részecske mozgási energiára tesz szert, majd belép a mágneses térbe, ahol körpályán halad tovább. Mire a részecske újra az elektródok közé ér, az elektródok polaritása mindig megváltozik, így a gyorsulás pályájának sugara már nagyobb lesz. Mivel a körmozgás periódusideje független a kör sugarától: így a gyorsítási ciklustól függetlenül ugyanannyi ideig kering az elektródban. Emiatt az elektromos generátor keringése közötti szinkron, a gyorsítás nem folytatható tovább -ciklotronokban, utóbbi a szinkrotronokban történik.  9 exponenciálisan csökken - N -nel =- - - az egyenlet bal oldalán álló mennyiség, amit bomlási sebességnek is neveznek, negatív, mivel az elbomlatlan magok száma csökken - - bomlási állandó - - egész szám, de N- - az N jó közelítéssel folytonosan változik N = N0 · e- ahol, N0: bomlási állandó, a radioaktív anyag átlagos élettartamát atommagok száma a kezdeti érték e-ed részére (37%) csökken T: (fizikai) - magok száma felére csökken - - mint a negatív bomlási sebesség száma: =- - egysége a becquerel (Bq)1 Bq- annak a radioaktív preparátumnak az aktivitása, amelyben a szekundomonkénti bomlások száma egy - lakú, mint az N(t) függvény - 0·e 0- kezdeti aktivitás - bomlási állandó - radioaktív anyagokat ritkán lehet teljesen tisztán, inaktív anyagtól mentes (hordozómentes) formában - ezért radioaktív készítmények jellemzésére nem mindig elege adni a fajlagos vagy specifikus aktivitást is, ami nem más, mint a tömegegységre vonatkoztatott aktivitás (Bq/g)  - alkalmazzák a térfogategységre vonatkoztatott aktivitást is, ez az ún. aktivitáskoncentráció (Bq/ml) Bomlási sorok: tömeg- és töltésmegmaradás törvényei teljesülnek, az anya- és leányizotópok paraméterei egymással összefüggnek. A hosszú keletkezhet. Ezen izotópok összességét radioaktív bomlási sornak nevezik. A sorokon belül bármely két izotóp tömegszámának különbsége a 4-nek egész számú többszöröse. (A tömeg -bomlás során változik meg.) 1. Urán-rádium bomlási sor 238 U bomlási termékei alkotják (238 206 Pb) tömegszám formula 4n+2, ahol n=59 T1/2=4.5x109 év 2. Tórium bomlási sor: 232 Th (232 208 Pb) tömegszám formula 4n, ahol n egy egész szám T1/2= 1.41x1010 év 3. Urán -aktínium bomlási sor 235 U (235 207 Pb) tömegszám formula 4n+3, ahol n=58 T1/2=0.71x109 év Neptúnium bomlási sor ( A TERMÉSZETBEN NEM FORDU 237 Np (237 209 Bi) tömegszám formula: 4n+1, ahol n=59 T1/2=2.14x106 év egyensúlynak. Radioaktív bomlási állandó fizikai jelentése: A bomlási állandó a radioaktív atommagok közepes élettartamának reciproka. T= ln2: 2 természetes alapú logaritmusa Biológiai másképpen fogalmazva a bomlatlan radioaktív magok száma) fizikai bomlás vagy anyagcsere révén a felére csökken. (Tfiz), biológiai (Tbiol) és az effektív (Teff = + radioaktív izotópok aktivitásának csökkenésekor milyen összefüggés van a fizikai fiz biol eff) bomlási állandók között? eff fiz biol 10. A radioaktív sugárzások detektálása: gázionizáción alapuló eszközök és a szcintillációs számláló (és fotoelektron-sokszorozó) (II/4.2.1, VIII/3.2 keretes rész) Gázionizáción alapuló eszközök detektorok, melyeket radioaktív sugárzás ér, a becsapódó részecske ionizációt hoz létre és töltéseket választ szét a detektor anyagában a felépítés: ionizációs kamra a az elektród (katód) keveréke) - wolfram szál van kifeszítve, ez alkotja a másik elektródot (anód) Geiger- száz V-tól 1500 V-ig terjedhet, úgy, hogy a szál pozitív, a ház negatív legyen. Alacsony feszültség tartományban (A) a keletkezett töltött részecskék alacsony sebességgel távolodnak el detektálódik. A feszültség növelésével a detektálás hatékonysága javul. A (B) feszültség tartományban a detektálás hatékonysága közel 100%. Ebben a tartományban a nagy ionizációs részecsk A C (proporcionális) feszültség tartományban a radioaktív sugárzásokkal kiváltott primer ionizációk során keletkezett töltéshordozók annyira felgyorsulnak, hogy ütközések révén szekunder ionizációkat hoznak létre, így a tartományban is meg tudjuk különböztetni.  A Geiger- detekt megkülönböztetni, mindegyik részecske ugyanakkor áramimpulzust produkál. Az E feszültség tartomány, az önfenntartó kisülési tartomány, itt , ami teljes kisülést vált ki, ezért ezt a tartományt megpróbáljuk elkerülni. özelében pozitív tértöltést hoznak létre, amely egész a GM csövekben. Az alkohol molekulák a fotonokat elnyelik (hatásukra gyökökre bomlanak), és így a kisülést kioltják. Az így önkioltó csöveknek nev Manapság alkohol helyett gyakrabban halogén kioltó gázt használnak, mert így sokkal hosszabbá válik a részecske után (minden kisülés beindulása után) GM csöveknél kb. 100 mikroszekundum. A szcintillációs detektor fotoelektron-soksztorozóból (PMT) áll Szcintillációs kristály: Erre alkalmas például a talliummal szennyezett NaI kristály. A szcintillációs kristályban fotoeffektus és Compton effektus révén nagy kinetikus energiájú elektronokat szabadít fel. Pályája mentén ez az elektron részben újabb, pedig elektronokat gerjeszt és így csökken az energiája. Minél kisebb az szcintillációs kristályban a gerjesztett elektronok lumineszcencia révén, nagy hatásfokkal adják le fölös energiájukat. Végeredményben egy nagy llanást, (szcintillációt) érzékelünk. A létrejött fényfotonok száma arányos a Fotoelektron-sokszorozó: A keletkezett látható fényfotonokat az fotolektron- tér van, hogy gázmolekulákkal ki a fotoelektromos jelenség segítségével. Az anód és a katód közé nagy pozitív feszültséget kapcsolunk úgy, hogy a közöttük elhelyezett nagy ahhoz (100 V esetén 100 eV), hogy újabb elektronokat képesek szabaddá tenni. Így egy elektron több új elektront képes mazik, hiszen ezek az ási ól áram impulzus nagysága arányos a kiváltott fotoelektronok számával. 11. (II/3.2.3) radioaktivitás: energia kibocsátása az atommagból részecskék vagy elektromágneses sugárzás formájában a radioaktív sugárzás kibocsátása az atommag átalakulásának következménye, az instabil mag az átalakulás során stabilabb állapotba kerül (ez a folyamat a radioaktív bomlás) mivel az atommag energiaállapotai éppúgy kvantáltak, mint az elektronburokban az elektron lehetséges energiái, megváltozása is csak diszkrét értékeket vehet fel típus töltés energia hordozó E spektrum - sugárzás 2 pozitív töltés vonalas (He2+ ionok) - -sugárzás egységnyi negatív töltés nagy energiájú elektron folytonos + -sugárzás egységnyi pozitív töltés nagy energiájú pozitron folytonos a tömegszámváltozás rendszámváltozás -bomlás -4 -2 + -bomlás 0 - bomlásban és K-befogásban) - bomlásban) -sugárzás -bomlás esetén az atommag - volt az energia és -részecske és a visszalökött nuklid) között oszlik meg a két testre felírt energia-és impulzus- - vonalas, azaz a részecskék kinetikus energiája jól meghatározható érték energiája csökken az abszorbensen való áthaladás közben oka, hogy a részecskék kölcsönhatásba lépnek a pályájuk menté kal, azokat ionizálják, illetve gerjesztik ionizáló képesség mértékét mutatják: 1. a pályája mentén létrehozott lineáris : ha a részecske l hosszúságú úton n ionpárt hoz létre, a lineáris n/l mennyiség adja 2. lineáris energiaátadás vagy (s): a leadott energia és az úthossz hányadosa s = számától függ ionizáló-képesség változása: telen nullára csökken hatótávolság - részecske mozgásának irányát gyakorlatilag nem módosítja, ezért - - -sugárzás és az anyag kölcsönhatása: - -részecskék kis tömegük miatt elektronokon is szóródnak ezért - energiavesztés és a mozgásirány megváltozása lép fel (zegzugos pálya) - - -részecskéket - -részecske sebessége -részecskék sebességét (mert tömegük kb. 8000-szer kisebb) - - -szer kisebb - -részecske sokkal hosszabb utat tesz meg, ezért a - fékezési röntgensugárzást is kelthetnek - -bomlásból származó elektronok energiaspektruma folytonos, oka: az elektron (vagy pozitrion) kibocsátással egy a két részecske között - a folytonos energiaspektrum miatt az emittált elektronoknak nincs jól meghatározott hatótávolságuk - - - részecskék sebessége sokkal nagyobb 8000-szer kisebb) - - kétszerese - - részecskék áthatoló képessége sokkal nagyobb  12. Ionizáló sugárzások kölcsönhatása atomi rendszerekkel: és röntgensugárzás. (II/3.2.3) radioaktivitás: energia kibocsátása az atommagból részecskék vagy elektromágneses sugárzás formájában a radioaktív sugárzás kibocsátása az atommag átalakulásának következménye, az instabil mag az átalakulás során stabilabb állapotba kerül (ez a folyamat a radioaktív bomlás) mivel az atommag energiaállapotai éppúgy kvantáltak, mint az elektronburokban az elektron lehetséges energiái, megváltozása is csak diszkrét értékeket vehet fel -sugárzás elektromágne - - típus töltés energiahordozó E spektrum -sugárzás töltés nélküli nagy energiájú foton vonalas tömegszámváltozás rendszámváltozás -bomlás 0 0 - emittálódik (10 13 s-on belül, kivéve a metastabil magokat pl 99Tc) -sugárzás kölcsönhatása az anyaggal: Fotoeffektus Compton effektus Párkeltés A károsítás mechanizmusa: - 95%- gy energiájú elektronok okoznak, EZÉRT a és röntgen sugárzásokat indirekten ionizáló sugárzásoknak hívjuk, töltött részecskéket kell mozgásba hozniuk. Elnyelési törvény: a röntgen elnyeléséhez hasonló (exponenciális sugárgyengítési törvény): ahol, J0: J: : x: az abszorbeáló anyag vastagsága I. Fotoeffektus: A a röntgen foton abszorbeálódik, teljes kinetikus energiáját átadja a közeg atomi kötelékéhez tartozó és a egyikén található elektronnak. l (K és L héjakról). ahol, A: az elektron kiszakításához szükséges ionizációs energia, az ún. kilépési munka, f: a foton frekvenciája, me: az elektron tömege, mv: az elektron sebessége, Ekinetikus: az elektron kinetikus energiája. energiáját fedezi, mint ezt az alábbi egyenlet kifejezi: ahol, - Eköt - a kiszakított elektron kötési energiája A mozgási energiával távozó elektron a közegben másodlagos (fékezési és karakterisztikus) röntgensugárzást is kelthet. Végül a kinetikai energiáját elvesztett elektron befogódhat valamilyen atomi kötelékébe, például vízmolekulákkal léphet kölcsönhatásba, és hidratált elektron formájában okozhat további ionizációkat. A jelölést szokás használni. kísérleti eredmények alapján a jellegzetesen függ a röntgensugárzás foton energiájától és a rend esetekben a A C állandó értéke 5,5-6,5 cm2/g nm3. II. Compton effektus: A valamely közegen áthatoló röntgen foton gyakran az atomi kötelékhez tartozó elektronok közül a kölcsönhatása. Ez a folyamat úgy zajlik, hogy a röntgen foton nem a teljes h*f energiáját adja át az elektronnak, amellyel ilyen kölcsönhatásba kerül, hanem csak egy részét. Az átadott energiahányad fedezi az elektron kiszakításához szükséges munkát (Eköt) és a mozgásához szükséges (kinetikai) energiát (Emozgási) energiájú szórt foton lép.) hf=Eköt + hf'+Emozgási A compton-szórásnak elnyelési együtthatóval jellemezzük. A fotoeffektussal és a Compton- eseményekként tekintve a kétféle jelenség gyengítési együtthatói összeadódnak: A a rendszámtól igen gyengén függ. III. Párkeltés elektron-pozitron pár megjelenést takarja. Nagy energiájú fotonok képviselt energia pozitron-elektron pár formájában lesz "megtalálható". Az elektron és a pozitron nyugalmi tömege az mérlege: párképzés inverz folyamata (szétsugárzás, annhilláció) játszódik le, a poztitron-elektron párból két kb. 0,511 MeV energiájú foton keletkezik. yada s részecskéket kell mozgásba hozniuk elnyelési törvény: az rtg. elnyeléséhez hasonló: I=I0e- általános, sugárintenzitás-  -6) Fotoeffektus Compton effektus a hozniuk. Elnyelési törvény: A röntgen és gamma sugárzás abszorpciójának modellje, sugárgyengítési törvény: ahol, J0: J: a röntgen sugárzás intenzitása x rétegvastagságon történt áthaladás után. intenzitása e-1 szeresére csökken.) x: az abszorbeáló anyag vastagsága rendszámmal (Zeff). I. Fotoeffektus: A röntgen foton abszorbeálódik, teljes kinetikus energiáját átadja a közeg atomi kötelékéhez egyikén található elektronnak elektron. Ennek hatására az utó elek ahol, A: az elektron kiszakításához szükséges ionizációs energia, az ún. kilépési munka, f: a foton frekvenciája, me: az elektron tömege, mv: az elektron sebessége, Ekinetikus: az elektron kinetikus energiája. energiáját részben az így felszabadult elektron mozgási energiáját fedezi, mint ezt az alábbi egyenlet kifejezi: ahol, Eköt: a kiszakított elektron kötési energiája A mozgási energiával távozó elektron a közegben másodlagos (fékezési és karakterisztikus) röntgensugárzást is kelthet. Végül a kinetikai energiáját elvesztett elektron befogódhat valamilyen atomi kötelékébe, például vízmolekulákkal léphet kölcsönhatásba, és hidratált elektron formájában okozhat további ionizációkat. ahol, A fotoeffektus gyengítési együtthatója m: a fotoeffektus tömeggyengítési együttható, cm2 /g 3 3 Z eff: effektív rendszám II. Compton effektus: A foton egy átadja energiája egy részét. , a foton kisebb frekvenciával, irányváltozást szenvedve halad tovább. Szórt röntgen foton keletkezik amelynek effektusban vagy fotoeffektusban vehetnek részt. Az átadott energiahányad fedezi az elektron kiszakításához szükséges munkát (Eköt) és a mozgásához szükséges (kinetikai) energiát (Emozgási) on halad szórt foton lép.) hf=Eköt + hf'+Emozgási ahol, : Compton szórás gyengítési együtthatója 2 m: Compton szórás tömeggyengítési együttható, cm /g Zeff, Aeff: effetív rendszám és tömegszám Nagy energiájú foton nehéz atommaggal elektron- alakul. A pozitron és elektron pár nem a nehéz atommagból lép ki!! Az atommag meg foton lendületének egy részét tömege nem változik. Az atommag jelenlétét a lendület megmaradási törvény teljesedése követeli meg. Az elektron és a pozitron nyugalmi tömege az ezért a fölött jön létre (gamma sugárzás, KEMÉNY röntgensugárzás) energia mérlege: Annihilláció(megsemmisülés): lép, két gamma fotonná alakul, amelyek egymással ellentétes (180 fokot bezáró) irányba távoznak. Nem a nehéz atommag közvetlen közelében történik, hanem távolabb, hiszen a pozitron kinetikus energiájának elves.  13. Izotópok kísérletes és diagnosztikai alkalmazása. Stabil és radioaktív izotópok felhasználása (II/3.2.4) Izotóp: Egy adott kémiai elem variánsai. Olyan atomok, melyeknek megegyezik a rendszáma (proton Izotópok fajtái: - stabil - radioaktív - Nem minden izotóp radioaktív! Nuklid: Azonos Izobár Izotón Stabil izotópok felhasználása 2 H; 13C; 15 N; 18 2 H); szedimentációs módszer ultracentrifugában; tömegspektrometria. Izotópeffektus: 2 H és 1 izotópok kémiai tulajdonságai kis mértékben eltérnek egymástól (bár ugyanannyi elektront tartalmaznak) Meelson - Stahl kísérlet-> ugyanannak az összekeverjük, azok relatív aránya változatlan marad Radioaktív izotópok: - radioaktív sugárzás kibocsátása közben bomlanak - stabil izotóppal összekeverjük, azok relatív aránya változatlan marad (Meselson- - Radioaktív izotópok felhasználása 1. koncentrációjának meghatározása/ in vitro laboratóriumi vizsgálatok in vitro laboratóriumi vizsgálatok: -  - termékek szétválasztása és az egyes komponensek radioaktivitását mérjük - meghatározását 14 2. C radiokarbon kor meghatározás- régészet - a 14C/12C arány állandó, míg az anyagcsere folyik, az egyed elpusztulása után a 14C bomlása miatt csökken - radioaktív bomlástörvény: N = N0e- 3. Radioaktív nyomjelzéses technika-sejtbiológia, biokémia anyagcsere-folyamatok vizsgálata: egy radioaktív elemet vagy radioaktívan jelölt molekulát (aminosav, cukor, bázis) sejtkultúrához adjuk vagy egy szervezetbe juttatjuk a radioaktív elem vagy molekula ugyanúgy fog viselkedni, mint a nem radioaktív változat vagy a szervezetben ezeket a radioaktívan jelölt biológiai/farmakológiai molekulákat (farmakon) radiofarmakonnak nevezzük. 3 o H timidin beépülés, újonnan szintetizált DNS- proliferáció/ szaporodás mértékét o 14C enzimaktivitás, anyagcsere (autoradiográfia elektroforézist o 24Na sejtek Na+ anyagcseréje (pl. Na+/K+ ATPáz) 32 o P ATP felhasználás, DNS és foszforilált fehérjék detektálása autoradiográfiával o 35S fehérjék nyomjelzése o 45Ca sejtek Ca2+ anyagcseréje (pl. stimuláció, Ca2+-ATPáz) o 86Rb sejtek K+ anyagcseréje (pl. NA+/K+ ATPáz) Radioaktív nyomjelzés: autoradiográfia A radioaktív nyom részére helyezett film vagy detektor érzékeli. In vivo módszerek: 4. Testkompartmentumok térfogatának meghatározása Ismert aktivitású radioaktív izotóp bejuttatása a szervezetbe. Az izotóp aktivitásának mérése egyes mintákból. Statikus mérések : teljes víztérfogat (3H2O) extracelluláris térfogat (22Na) vérplazma térfogata (125I-albumin) VVT élettartam (59Fe) a vas és kalcium felvétel kinetikája (59Fe, 45 Ca) A radioaktív izotóp élettartamát figyelembe kell venni. A jobb oldali képlet csak akkor érvényes, ha az izotóp élettartama sokkal hosszabb, mint a vizsgálat Vmegoszlási: a teskompartmentum térfogata, amiben a radioaktív izotóp megoszlik Vvér: a vérvételkor vett vér térfogata Ainjektált: a beadott aktivitás Aminta: a vérvételi minta aktivitása b) Képalkotás radioaktív izotópok felhasználásával 4. Izotópeloszlás meghatározása szervek alakjának, méretének és metabolikus aktivitásának jellemzésére (2D képalkotás gamma-kamerával) - radiofarmakon: radioaktív izotóppal jelzett anyag Az orvosi képalkotáshoz használt radioaktív izotópok kiválasztásának szempontjai: sugárzás jellege - -sugárzás jut ki (csak ez ad információt az izotópok szervezetbeli eloszlásáról) - -sugárzó (magizomériával jutunk hozzá) - elektronbefogás- tisztán elektromágneses sugárzás keletkezik Olyan izotópokat kell használni, amelyek felezési ideje néhány óra: a ne legyen se túl rövid se túl hosszú. (optimálisan pár óra) a páciens szervezetében bomlik e bomlás) bekövetkezni(sugárzásvédelem miatt fontos) A0: kezdeti aktivitás, mértékegység: Bq (bomlás/s) N0: radioaktív izotóp kezdeti mennyisége : bomlási állandó kinetikai mérések esetén vizsgálat ideje alatt -sugárzás fotonenergiája - - - - Gamma kamera: a szervezetbe bejuttatott, az egyes szervekben, sejtüregben, kompartmentekben specifikusan felhalmozódó izotóp eloszlásának kétdimenziós vetületét határozzák meg gamma-kamera segítségével  -sugárzó izotóp használata, leggyakrabban a Tc-izotóp nem nagy a sugárterhelés) a 99Mo- -nak nevezett készülékben hosszabb ideig tárolható Kollimátor: így csak az izotóp feletti PMT-k detektálnak jelet hátrány: az emittált fotonoknak csak töredékét használjuk a képalkotásra Kollimátor nélkül: az egész szcintillációs kristályban felvillanások keletkeznének minden PMT jelet detektálna Sugárterápia Cél: daganatok primer vagy adjuváns kezelése 5. Sugárterápia - kóros szövetek elpusztítása ionizáló sugárzással - - - - gamma-kés: - mb középpontjára irányítják - besugárzandó góc behelyezése ebbe a centrumba (páciens rögzítése sztereotaxiás keretbe) - - agytumorok kezelése 1. Sugárforrás a test belsejében a. a nagyon rövid behatol - alkalmazni. Az -sugárzó izotópokat olyan hordozómolekulákhoz (pl. antitest) kötve alkalmazzák, amelyek az izotópot a daganathoz szállítják (targeting, célzás). "Targeting": az antitest megtalálja a daganatos akárhol a szerezetben (primer tumort és a metasztázist is) b. - sugárzás: - brachyterápia: A - -bomló izotópokat kapszulába zárva helyezik a daganatra vagy a daganat belsejébe (cervix, prosztata, 2. Sugárforrás a testen kívül: a. elektronsugárzás: - az elnyelés elve ugyanaz mint a sugárzásnál , de az elektronsugárzást daganatig. Az elektronterápia felületközeli tumorok kezelésére alkalmas. b. protonsugárzás az elnyelés elve ugyanaz, mint az , de a protonsugárzást energiája, így a behatolási mélység az elektronsugárzáshoz hasonlóan változtatható. tumor kapja. Nagyon drága, hiszen nagy energiákra kell a protont gyorsítani. - és röntgensugárzás Kobalt ágyú: A -sugárzást az ún. Co- -60 negatív -bomlással 60mNi izotóppá bomlik, amely egy vagy két lépésben -fotonok kibocsátásával szabadul meg a fölös energiától. A -fotonok energiája kvantált, a bomlás által meghatározott. A - sugárforrással nem lehetséges a daganat szelektív besugárzása. Nagy energiájú röntgensugárzás: A nagyenergiájú röntgensugárzást röntgencsövekben vagy gyorsítókban állítják el Mélydózisa a behatolási mélységgel szintén közel exponenciálisan csökken, maximuma nem közvetlenül a test felszínén, hanem annál mélyebben találhat illetve az az alatti szövetek számára. 1. Forgó besugárzás: A sugárforrást egy olyan tengely körül forgatják, amely átmegy a besugárzandó gócon (izocentrum). Bármely irányból történik is a besugárzás, a gócot mindenképp éri sugárzás, viszont az ép szöveteket csak rövidebb ideg sugározzuk be, addig, amíg azok a sugárzás útjába esnek. 2. l több sugárforrással: A gamma-kés esetén egy sugárforrás forgatása helyett sok radioaktív forrást (általában 60Co-izotópot) helyeznek el. A források sugárnyalábjait egy közös pontra, a gömb középpontjára irányítják. Agytumorok kezelésére alkalmas.. Az egyes sugarak gyengék, ezért nem roncsolják az ózis éri ahhoz, hogy a daganatsejtek elpusztuljanak.  18-19. Találatelmélet. Dózis- görbéi. A sugárhatás molekuláris elmélete (II/4.4-5, a keretes rész is) Dózishatás görbe: A függvényében. Gyakran túlélési görbének nevezik, mert a besugárzás A görbe alakjának értelmezésére két modell születet találatelmélet: molekuláris elmélet: a sugárkárosodás kialakulása statisztikus a sugárkárosodás kialakulása statisztikus a sugárzás és a biológiai objektum közötti a sugárkárosodást molekuláris szinten kölcsönhatást nem értelmezi molekulárisan ennek ellenére a biomolekulák (enzimek, DNS, lánctörésére vezeti vissza RNS stb.) károsodásának értelmezésére dások értelmezésére használható használható Találatelmélet hibái: Nem veszi figyelembe, hogy milyen biomolekulák játszanak kiemelt szerepet sugársérülés kialakulásában, és azt Molekulák inaktiválódása a találatelmélet szerint egy céltábla esetén: - A molekulán egy céltábla van, melynek térfogata V - az inaktivációhoz (sugárkárosodáshoz) n találat szükséges - A V térfogatban a találatok száma Poisson eloszlást mutat, melynek várható értéke Vi (i egységnyi térfogatban létrejött találatok száma) Az arányos a dózissal (D), ezért, térfogatot pontosan n számú találat ér: céltábla teljes inaktiválásához, csak azok az objektumok maradnak aktívak, amelyeket k-1 vagy kevesebb találat ér. A túlélési hányadot (N/N0) k >> 1) hányada: Ha VD=1 (a sugárérzékeny térfogatban a találatok várható száma egy), akkor Ha k értéke 1, a D37 értékét meg lehet határozni. Ez az a dózis, ahol a molekulák 37%- a, azaz 1/e része túlél. azaz minden molekulát inaktiválni lehetne, ha az ionizációkat egyenletesen tudnánk elosztani, minden molekulát csak egy fordul, hogy egy már inaktivált molekulát ér új ionizáció (második találat) és ennek következtében ennél a dózisnál a molekulák 37%-át nem éri találat, azaz túlél. Egy céltáblás, egy találatos modellnél a D37 a sugárérzékeny térfogat reciproka, és a sugárérzékeny térfogat ismeretében a biomolekulák molekulasúlyát is meg lehet becsülni. - típusú görbéket kapunk - egy az állat szervezetében - a dózist figyelve eleinte egyetlen állat sem pusztul el, de azt tovább növelve egyes állatok elpusztulnak, mások nem - a hatás (elhullás) jelentkezéséhez igen sok találat kell - a hatás az egyedek (biológiai tulajdonítható  sejtek túlélési görbéit mutatja a grafikon [(A)HeLa - emberi tumor sejtvonal, (B)CHO kínai hörcsög ovárium sejtvonal, (C)T1 egér leukémia sejtvonal]. Ezekben az esetekben még a legbonyolultabb találatelméleti modellek (p. több céltábla több találat) kok miatt. A besugárzás során a lipidek és a fehérjék is sérülnek, de ameddig a DNS molekulák épen maradnak a sérült lipid és fehérje molekulákat ki lehet javítani. Tumorterápia esetén nagy sugárdózissal azonnal meg lehet ölni a tumor sejteket. Ilyen nagy dózisnál azonban a szomszédos normál sejtek is megsérülnek. Tumorterápia esetén nem szükséges, a tumorsejtek azonnali elpusztítása, elég, ha a sejtosztódást gátoljuk a DNS sérülés a legfontosabb immunrendszere fokozatosan eltávolítja. Bizonyítékok a DNS sugárkárosodásban betöltött kulcsszerepére: DNS károsodás és a biológiai funkció elvesztése között eukarióta sejteknél a biológiai funkció elvesztése korrelál az egy- és kétszálú DNS törésekkel DNS repair kapcsolatban van a sejtek sugárérzékenységével: - -t (javítást) gátló anyagok növelik a sugárérzékenységet A kulcsfontosságú sérülés, ami sugárkárosodáshoz vezet. Az ionizáló sugárzások hatására irreverzibilisen sérülhetnek a DNS-ben a purin és pirimidin bázisok, kémiai kötések szakadhatnak fel a dezoxiribóz foszfát észter láncban egyszálú lánctörést okozva. Ezeket a hibákat a DNS javító mechanizmus korrigálni tudja, felhasználva a DNS ép láncát, mint templátot. A molekuláris elmélet szerint a sugársérülés során a kritikus molekula a DNS és a. Speciális körülmények esetén, bizonyos mértékig a egy lépésben, egy sugárzási esemény következtében, vagy létrejöhet két egyszálú lánctörés kombinációjaként ha a két egyszálú lánctörés közelebb Molekuláris vagy lineáris-négyzetes modell: e- : övetkeztében jön létre. e- : (SSB) együttes bekövetkezésének a következménye. és : empirikus állandók (az ellemzi. D2 magyarázata:  19. Indirekt sugárhatás, vízaktiválási elmélet, hígítási effektus (181. oldal, 182. oldal keretes rész, 196-197. oldal keretes rész) Az ionizáló sugárzások olyan mértékben fejtenek ki biológiai hatást, amilyen mértékben energiájuk a testszövetekben ionizációs energiává alakul át. Az és sugárzás közvetlenül, a röntgen-és -fotonok, illetve a neutronok közvetve ionizálnak a sugárzásnak csak az elnyelt része vált ki fizikai, kémiai vagy biológiai hatást. 1. direkt sugárhatás a sugárzás közvetlenül a biológiai molekulát találja el és inaktiválja száraz állapotú anyagok besugárzása esetén csak ez játszódik le találja el 2. indirekt sugárhatás híg vizes oldatban a sugárzás sokkal nagyobb céltáblát (pl. enzim molekulát) céltáblát és inaktiválják azt A víz radiolízise/ vízaktiválási elmélet Vizes oldatokat besugarazva a víz (oldószer) molekulái ionizálódnak gyökök, radikálok okozzák. Ezáltal Radikál (gyök): Folyamat: + a sugárzás abszorpciója vízmolekulák ionizációjához vezet H2 2O + e- H2O+ + e- + H2 - a víz gerjesztésével is létrehozhatóak radikálok: H2 2 - víz Hatásuk: semleges diffúziója során képes ezen molekulák kémiai kötéseit elszakítani, illetve biomolekulákat keresztbe kötni. rekombináció Hígítási effektus Vizes oldatban sokkal kisebb dózis szükséges ahhoz, hogy a molekulák ugyanakkora hányadát inaktiváljuk, mint száraz állapotban. Száraz állapot: csak akkor inaktiválódik a molekula, ha a céltáblát direkt találat éri. Vizes oldat: lekulákból származó (a kéken jelzett kör) azaz vizes oldatban nem kell pontosan eltalálni az enzim molekula sugárérzékeny térfogatát, elég, ha az enzim molekula közelében ionizálunk egy vízmolekulát és a A kék kör sugarát a radikálok élettartama és diffúziós sebessége szabja meg. Adott hígítás után a sugárhatás határon túllépve az enzimmolekulák ugyanakkora hányada inaktiválódik, a látszólagos sugárérzékeny térfogat 20 O2, sejtciklus, szövetek sugárérzékenysége) (II/4.6). Az ionizáló sugárzások A A. A sugárzás kvalitása: - sugárzási R ) mellett az relatív biológiai hatékonyság (RBE) jellemzi. áthatolóképesség: szervezeten belül vannak. Relatív biológia hatékonyság (relative biological effectiveness, RBE) egy adott ionizáló sugárzás biológiai hatékonyságát viszonyítja egy másik ionizáló sugárzás biológiai hatékonyságához, ugyanakkora abszorbeált dózis esetén. Kiszámításánál referenciaként a 250 keV energiájú röntgensugárzást használják, melynek dózisa (DR) osztva a vizsgált sugárzás ugyanolyan biológiai hatást kiváltó dózisával (DX): wR ), de nem teljesen azonos vele. hatékonysággal rendelkeznek, mert az energia átadásuk a (röntgen) fotonok és a részecskék , ezért pályájuk mentén a szövetekben több száz nanométerenként ionizálnak csak egy-egy atomot legalább két foton kell a. Ezzel szemben a nehezebb részecskék és protonok jóval nyomvonalat hagynak, a keletkezett ionok nanométeres távolságra vannak egymástól, ami kevesebb, mint három- ionok közötti távolságnak. A DNS-ben a két szál 2 nm, azaz 20 Angström (Å) távolságra van. Így ha az részecske nyomvonala keresztezi és ionizálja a DNS egyik szálát, nagy esély van arra, hogy a másik szálat is ionizálni fogja, -ként ionizál, maximális RBE értéket kapunk. Ha a -enként ionizál (lásd a jobboldali nyomvonalat az ábrán). Azonban a nem jelent kétszeres biológiai hatást, hiszen az ionizáció a két szál között már nem okoz plusz sugárkárosodást, feleslegesen befektetett számláló nem változik, és így az RBE értéke a maximumhoz képest csökkeni fog. Áthatolási képesség: hatótávolsága szövetekben rövid (10-100 µm) izotópot olyan hordozóhoz kötjük (rendszerint - sugárzás: -terápiában korlátozott, mert az energia spektrum folytonos és a behatolási mélység is csak néhány centiméter. Gyorsítókkal a hatótávolságuk is azonos. a 20 MeV energiájú elektronoknak csak 7 cm a hatótávolsága csak felszíni tumorokat lehet így kezelni másik lehetséges mód az izot használják) Proton sugárzás: részecske gyorsítót (ciklotront) használnak a protonok gyorsítására és mágneseket a proton sugár tumorra való fókuszálására. Miután a protonok tömege relatíve nagy, laterális szóródásuk kicsi a minimális dózis kerül ki. azonos energiával és azonos és 10-20 cm-es hatótávolsággal rendelkeznek. Ideális mély tumorok esetén.A protonok energia átadása a pályájuk végén a legnagyobb (ez az ún. Bragg csúcs).Drága. fontos a tumorok közelében A módszer hátránya, hogy a protonok gyorsítására használt ciklotronok költséges készülékek, ezért az egész világon a rendelkezésre álló proton terápiás centrumok száma korlátozott. Gamma sugárzás: fotonok energiája diszkrét, vonalas. A röntgensugárzás folytonos energia spektrummal rendelkezik. A kétfajta sugárzásnak a szövetekben való energia leadása (relatív meredeken veszíti el energiáját, a nagyobb energiájú gamma sugárzás (60Co) és a gyorsított elektronok által e. A , (a kiszórás csökkenti a felszíni dózist) de egy bizonyos mélység után az elektronok energiája már teljes egészében a szövetben -kést alkalmaznak. Biológiai variabilitás: Szövetek sugárérzékenysége: A sugárérzékenység nemcsak az ionizáló sugárzás fajtájától, de a besugárzott szövetek típusától is függ. A daganatos sejtek nagyobb hányada van M fázisban, mint a nem daganat