Radyasyon Biyofiziği 2023-2024 Ders Notları PDF

RADYASYON BİYOFİZİĞİ 2023-2024 EĞİTİM ÖĞRETİM DÖNEMİ BŞEÜ TIP Fakültesi – DÖNEM 1, 3. KURUL BİYOFİZİK DERSİ 1. HAFTA Dr. Öğr. Üyesi Ramazan Çınar Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Tıp Fakültesi Biyofizik Anabilm Dalı 2023-2024 1. Temel Bilgiler 1.1. Atom 1.2. İzotop 1.3. İyonizasyon 1.4. Radyoaktivi...

RADYASYON BİYOFİZİĞİ 2023-2024 EĞİTİM ÖĞRETİM DÖNEMİ BŞEÜ TIP Fakültesi – DÖNEM 1, 3. KURUL BİYOFİZİK DERSİ 1. HAFTA Dr. Öğr. Üyesi Ramazan Çınar Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Tıp Fakültesi Biyofizik Anabilm Dalı 2023-2024 1. Temel Bilgiler 1.1. Atom 1.2. İzotop 1.3. İyonizasyon 1.4. Radyoaktivite 1.1. Atom ve Yapısı Bir elementin atomu: ZXA şeklinde veya elementin işareti X onun atom numarasını da belirttiği için çoğunlukla XA veya X-A şeklinde sembolle gösterilir A = N + Z dir ve kütle sayısı adı verilir. N = Nötron sayısıdır. Z = Proton sayısıdır Protonlar (+), elektronlar (-), nötronlar (nötr). Nötronlar (nötr) - 1e → Protonlar Protonlar +1e → Nötronlar 1.2. İzotop-Radyoizotop Stabil olmayan (unstable) çekirdeği olan izotopa radyoaktif izotop veya radyoizotop denir. Diğer bir ifade ile, proton sayıları aynı, ancak nötron sayıları farklı olan atom çekirdeklerine izotop denir. Radyoizotopların da kimyasal özellikleri aynıdır. Radyoaktif özellikleri farklıdır. İzotop-Radyoizotop Hidrojenin üç izotopu vardır. 1 H 1 Hidrojen (Protiyum) 2 H 1 Döteryum (Ağır hidrojen) 3 H 1 Trityum Radyonüklid Çekirdeği kararsız yapıda olan nüklide radyoaktif nüklid veya kısaca radyonüklid denilmektedir. Çoğu atom kararlıdır. Fakat bir kısmı enerji yayabilir. Buna radyasyon denir. 1.3. İyonizasyon veya İyonlaşma Bir dış etki ile atomun elektronlarından bir veya birkaç tanesinin koparılması ile meydana gelen olaya iyonlaşma denir. 1.3. İyonizasyon veya İyonlaşma 1.4. Radyoaktivite Radyoaktivite olarak isimlendirilen bu olayda ışın saçan kararsız elementlere radyoaktif element, ortaya çıkan radyasyonlarda alfa (α), beta (β) ve gama (γ) olarak isimlendirilmiştir. Daha sonraları alfanın iki elektronunu kaybetmiş helyum atomu (2He4), betanın elektron (-1e0) ve gammanın yüksek enerjili elektromanyetik dalga olduğu anlaşılmıştır. 1.4. Radyoaktivite  Çekirdekte bulunan nötronların protonlara oranı (N/Z=1.5), periyodik cetvelin sonunda bulunan atomlarda artar. Bu oranın artması çekirdeklerin karasızlığı hakkında bilgi verir.  Kararlı çekirdeklerde, dışarıdan başka parçacıklarla uyarılarak yapay radyoaktif çekirdekler meydana getirebilir. Radyoaktif bozunmada madde bir bütün olarak değişim göstermez, yalnız maddenin atom çekirdekleri başka çekirdeklere dönüşmektedir. Radyoaktivite  Atom numarası 82’den büyük olan nükleidlerin çoğu tabiatta radyoaktif halde bulunur.  Atom numarası 40 olan potasyum ve 14 numaralı karbon da doğal radyoaktiftir. RADYASYON BİYOFİZİĞİ Radyoloji diğer tıp dallarına göre oldukça yeni bir bilim dalıdır. Radyoloji biliminin doğmasına X ışınlarının keşfi yol açmıştır. X ışınları ilk kez 1895 yılında Alman Fizik Profesörü Wilhelm Konrad Röntgen tarafından keşfedilmiştir. Bundan kısa bir süre sonra ise Fransız fizikçisi Henry Becquerel Radyoaktiviteyi keşfetmiştir. Bu keşifler kısa sürede tıp teknolojisine dönüşmüş ve X ışınları ve Radyoaktivite hastalıkların tanı ve tedavisinde kullanılmaya başlanmıştır. X IŞINLARI-RÖNTGEN-KEŞFİ  Wilhelm Röntgen’in eşi Anna-Bertha’nın elinin X-ray görüntüsü (1896) RADYASYONUN TANIMI Noktasal bir enerji kaynağından çevreye her türlü kütleli, yüklü, enerjetik tanecik veya dalgasal enerji yayılmasına ışıma (radyasyon) denir. RADYASYONUN SINIFLANDIRMASI 1- Maddeler Üzerindeki Etkine Göre İyonize Edici İyonize Etmeyen 2- Radyasyonun Türüne Göre Parçacık Tipi Dalga Tipi 3- Kaynağına Göre Doğal Suni İyonize –Non iyonize Radyasyon İyonize edici radyasyon:  Bir atomun yörüngesinden elektron uzaklaştıran radyasyon tipidir. İyonize etmeyen radyasyon:  Elektronu uzaklaştıramayacak kadar yetersiz enerji yayan radyasyon yayar  Ancak eksitasyon, moleküler vibrasyon ve ısı oluşturabilir (UV ve mikrodalgalar vb) Elektromanyetik radyasyon Baz istasyonları, cep telefonları, radyodalgaları, mikrodalgalar, yüksek gerilim hatları, düşük enerjili ve non-iyonizan radyasyon oluşturur. RADYASYON BİYOFİZİĞİ-Parçacık-Dalga 1- Parçacık:belli bir kütle ve enerjiye sahip 2- Dalga: Kütlesiz fakat enerjiye sahip Dalga tipindekilerin hepsinin yayılma hızı ışık hızı (3x108 m/sn) Ultraviyole  RADYASYON-Işıma ve elektromanyetik alan nedir? Noktasal bir enerji kaynağından çevreye her türlü kütleli, yüklü, enerjetik tanecik veya dalgasal enerji yayılmasına ışıma (radyasyon) denir.  Elektrik alanın manyetik alan ile birlikte hareket etmesiyle elektromanyetik dalgalar oluşur.  Bunlara elektromanyetik radyasyon da denir  Elektromanyetik dalgaların manyetik ve elektrik alanları birbirine dik açılıdır. Dalga    T c: dalgaların yayılma hızı, 3.108 m/s (300.000 km/s) T: Dalgaların bir tam titreşim süresine periyot denir, f: birim zamandaki titreşim sayısına frekans denir, : bir periyotta aldıkları yola ise dalga boyu denir. Basınç değişimleri     Elektromanyetik dalgalar hem dalgasal, hem foton adı verilen tanecik (partikül) tabiatlı bir enerji yayılmasıdır. Dalga: maddesel ortamlarda madde aktarımı olmaksızın enerji yayılmasıdır Dalganın yayılma hızı: c  . f   Dalga boyu () Genlik 1 peryod/siklus Zaman Elektromagnetik Dalgalar     Elektromanyetik dalgalar farklı dalga boylarına sahiptir. Bir radyo dinlediğimiz, TV izlediğimiz ya da bir mikrodalga fırınında akşam yemeği yaptığımız zaman elektromanyetik dalgayı kullanmışız demektir.  Radyo dalgaları, TV dalgaları ve mikrodalgalar elektromanyetik dalgaların tipleridir. Onlar birbirlerinden sadece dalga boyları ile farklıdırlar. Elektromanyetik spektrum, en uzun dalga boyundan en kısa dalga boyuna şu grupları kapsar: Radyo dalgaları Mikro dalgalar İnfrared dalgalar Görünür ışık dalgaları Ultraviole dalgaları X-ışını dalgaları Gama ışını dalgaları IŞIK: Dalga mı ? Tanecik mi ? CEVAP : Her ikisi ! 1. Newton – ışık tanecik gibi davranır. Yansıma 2. Kırınım (diffraction) ve girişim (interference) ışığın dalga özelliği ile açıklanır.  Elektromanyetik dalgalar seyahat etmek için moleküllere ihtiyaçları yoktur.  Yani hem havada hem de vakumlu ortamda (uzay boşluğu) içinde ilerler  Bu nedenle uzayda yürüyüş yapan astronotlar haberleşmek için radyo dalgaları kullanılır.  Radyo dalgaları bir elektromanyetik dalga tipidir.  Oysa ses dalgaları, hava gibi maddesel ortam gerektirir Elektromanyetik Spektrum Lamba flamanı Sıcaklık arttıkça yayılan EM dalgaların dalgaboyu () azalır/ kısalır EM dalga tipleri çakışır Radyo dalgaları: en uzun   ışınları: en kısa  Sıcak Çok sıcak Çok çok sıcak Görülebilir spektrum UV IR 700 düşük enerji 17 m - 0.017 m 60 0 500 400 yüksek enerji  Işığın kuantlaşması (Quantization of Light) Planck Yasası (Planck-Einstein yasası) Max Planck (1858 - 1947) Planck yasası elektromanyetik dalgalarının frekansı ile foton enerjisi arasındaki ilişkiyi açıklar (Kuantum Kuramı'nın temel taşı): E=h.f – E :J veya eV cinsinden enerji miktarı – h: Planck sabiti ( 6.63x10-34 J.sn (= 4.14x10-15 eV sn) – f :elektromanyetik dalganın frekansı Hz = 1/sec Albert Einstein (1879 – 1955) Planck’tan kısa bir süre sonra, Einstein'in 1905'te " Fotoelektrik Etki" adındaki teorisiyle ışığın da (dolayısıyla elektromanyetik dalga tiplerinin tümünün) kuantum teorisine (E = hf ) uyduğunu göstermiş: – Bu nedenle 1921’de Nobel ödülü aldı. Işığın kuantlaşması -Planck Yasası Örnek problem: 500 nm dalgaboyundaki fotonun enerjisi nedir? Cevap E=h.f – E :J veya eV cinsinden enerji miktarı – h: Planck sabiti ( 6.63x10-34 J.sn (= 4.14x10-15 eV sn) – f :elektromanyetik dalganın frekansı Hz = 1/sec Önce EM dalgasının frekansını bulalım: f= c/ = (3x108 m/s)/(5.0 x 10-7 m) f= 6 x 1014 1/s c  . f   T Fotonun enerjisi: E = h x f =(6.63 x 10-34 J.sn)(6 x 1014 1/s) = 4 x 10-19 J Antenler tarafından elektromanyetik (EM) dalgalar nasıl oluşturulur?      Bir devreden AC (alternatif akım) geçirilirse bir kısım enerji EM dalgaları şeklinde kaybolur Çoğu elektronların AC ile oluşturulan osilasyonu, antenin yakınında zamanla değişen dairesel elektrik ve manyetik alan oluşturur.  Bu elektrik ve manyetik alanlar antenden ışık hızında (3.0 x 108 m/s) yayılır. Anten kablosundan geçen AC akımı sürekli yönünü değiştirdiğinden oluşan elektrik ve manyetik alanlar da sürekli yönünü değiştirir. Manyetik alan ise anten etrafında horizantal olarak anten etrafında dairesel yönlenirler Elektrik alanı vertikal olarak yönlenmişlerdir. AC akımı Elektriksel alan yayılımı Manyetik alan yayılımı Elektronvolt (eV)  Elektronvolt (eV):  Bir elektronun 1 voltluk potansiyel farkını aşmakla kazanacağı enerji miktarıdır.  1 eV=1.6x10-19 J   Fotonların ve elementer taneciklerin enerjilerini anlatmak için kullanılır Bir foton soğurarak uyarılmış duruma geçen moleküler sistem, soğurduğu enerjinin bir kısmını başka bir biçime dönüştürdükten sonra, daha büyük dalga boylu ışınlar salabilir.  Bu ışımaya luminesans denir  Eğer bu ışıma uyarılmadan çok kısa bir süre içinde oluşuyorsa fluoresans denir  Eğer bu ışıma uzun süreler alıyorsa fosforesans denir.    Işıma ve Canlılar Elektronlar belli bir yörüngede iken belirli miktarda bir enerjisi bulunur Yörünge çekirdekten ne kadar uzakta yerleşmişse daha büyük enerjiye sahip olur Elektronlar, yeterli miktarda enerji absorbe edilmesine veya yayılmasına bağlı olarak yörünge değiştirebilirler   Yani bir enerji seviyesinden diğerine atlayabilir Eğer bir foton enerji absorbe edilirse elektron daha yüksek enerji seviyesine atlar  Işığın absorpsiyonu ile eksitasyon  Eğer bir foton enerji yayılırsa elektron daha düşük enerji seviyesine atlar  Işık yayılmasıyla de-eksitasyon Atomik eksitasyon Atomik de-eksitasyon Elektromagnetik Dalgaları: Lambert-Beer yasası  Şiddeti Io olan elektromagnetik enerji bir ortam içinde ilerlerken soğrulma (absorpsiyon) ve saçılmalar nedeni ile, şiddet kat edilen x yolu ile üstel olarak azalır. ( bir çözeltinin ışık soğurganlığı ve çözeltinin özellikleri arasındaki ilişkiyi açıklar)  I=Io.e-µ.x  Buna Lambert-Beer yasası denir  I = geçen elektromanyetik ışının şiddeti  I0= gelen elektromanyetik ışının şiddeti  µ: soğurma katsayısı  x: tabakanın kalınlığı Elektromagnetik Dalgalar   Biyolojik sisteme herhangi bir tür enerji uygulandığında, hem biyolojik sistem özelikleri, hem de enerji parametreleri değişir.  Biyolojik sistemi olumlu yönde etkiliyorsa, tedavi edici maksatla kullanılır. Enerji parametreleri değişirse, sistemin yapısı ve işlevi hakkında bilgi çıkarılabilir.  Bu nedenle tanısal amaçla kullanılır.  Bu amaçla uygulanan enerjinin canlıya etkisi minimal düzeyde olmalı. Işımanın biyolojik etkileri nelere bağlıdır?  Işıma tipi (X / /lazer ışını…),  Şiddetine ve dozuna  Biyolojik materyalin cinsine Elektromagnetik Dalgalar Dalga tipi Bazı kaynakları Radyo dalgaları-AM Elektrik devresi/anten Radyo dalgaları-FM Elektrik devresi/anten TV dalgaları Elektrik devresi/anten Mikro dalgaları Özel vakum tüpleri IR-radyasyon Sıcak ve sıcak vücutlar ve yıldızlar Görünür ışık dalgaları Güneş ve diğer yıldızlar ve lambalar UV-radyasyon Çok sıcak canlı vücudu, yıldızlar, özel lambalar X-ışın dalgaları Yüksek hızda elektron çarpışması Gama ışın dalgaları Nüklear tepkimeler ve nükleer yarılanma süreci Elektromanyetik radyasyonun etki mekanizmaları  ve x-ışınları ve bazı UV ışınlarının enerjileri iyonizasyona neden olabilecek kadar yüksektir  ve x-ışınları X-ışını saçılma sı Elektron seviyesinin değişimine Moleküllerin vibrasyonun a Moleküllerin rotasyonun a Radyo Dalgaları      Radyo dalgaları elektromanyetik spektrumda en uzun dalga boyuna sahiptir. Dalga boyları 30 cm dolaylarından kilometrelere ulaşır Bu dalgalar özel elektronik devrelerle elde edilir ve detekte edilirler. Önemli biyolojik etkileri yoktur. Her türlü sinyal iletiminde (radyo, TV, telsiz, vb.) taşıyıcı dalga olarak kullanılırlar.  Fizyolojik sinyallerin aynı yöntemle iletilmesine biyotelemetri adı verilir Mikrodalgalar     Dalga boyları: 50 mm - 30 cm Özel elektronik lambalar aracılığı ile elde edilirler Kullanım alanı:    Radar sistemlerinde kullanıldıkları için radar dalgaları da denir Mikrodalga fırınlarda da kullanılır 2,45 GHz’li mikrodalgalar, ısıtma amacı ile (diathermi) fizik tedavide kullanılır. Zararları:    Sinir sisteminde ve dolayısı ile EEG desenlerinde değişmelere neden olabilir. Çevrede 10 mW/cm2 den şiddetli mikrodalga ışımaları canlılar için uygun değil Göz merceğinde saydamlığın bozulmasına, Mikrodalga fırınlarda dönen fan bıçakları mikrodalgaları fırının tüm kısımlarına yansıtırlar X - ışınlarının zararları     X-ray cihazının ve duyarlı kapıların zararları nelerdir? X-ışınıyla çalışan duyarlı kapılar X-ışını fotonları yayar. Bu cihazlarından çıkan ışınların yol açacağı radyasyon dozu, gözün kornea tabakası gibi duyarlı bölgelere düşmedikçe, zararsızdır. X-Ray cihazları fotoğraf filmlerini bozuyor. Kalp pili olan hastalar, X-Ray cihazından geçmemelidir. Kızılötesi (Isı ışınları, Infrared, IR) Işınlar   Dalga boyları: 0,8 -125 µm Güneş ışığı spektrumunda bulunurlar ve sıcak cisimlerin yüzeylerinden salınırlar;  Sıcak olan her cisim infrared formda ısı yayar.  Hatta sıcak olmadığını düşündüğümüz buz dahi IR yayar  Eğer cisim yeterince sıcak ise enerjisinin çoğunu görünür ışık şeklinde yayar.  Eğer cisim görünür ışık şeklinde enerji yayacak kadar sıcak değilse enerjisinin çoğunu IR formda yayar. Biz bunu ısı şeklinde hissederiz.   Saptanması: fotoğraf kağıtlarına etkileri ve IR fotonlarına duyarlı cihazlarla Soğurulduğu ortamda sıcaklık yükselmelerine neden olur.  Kullanımı:    Kızılötesi soğurma spektrumları, özellikle moleküler madde analizinde çok kullanılır. Termografi (infrared imaging): tanı amaçlı vücudun sıcaklık dağılım haritası çıkarılır  Vücuttan yayılan IR ışınların deteksiyonuna dayalıdır. IR lambaları tedavi amaçla kullanılabilir (örn. kas ağrılarını dindirmek için) Görünür Işık    Görme duyusu ışığa dayalıdır.  Görünür ışık gözdeki reseptörleri uyarabilen bir elektromanyetik enerji formudur Görülebilir ışıkların dalga boyu aralığı: 360 - 800 nm (10-9 m) Güneş spektrumunda bulunurlar ve atomların ısı etkisinde uyarılmaları sonucu da salınırlar.  Atomlardaki elektronik enerji düzeylerinin değişmesi ile salınırlar veya soğrulurlar. Görülebilir spektrum Higher energy Lower energy  Morötesi (Ultraviole, UV) Işınları        Dalga boyları: 2-400 nm Kaynağı:  Güneş önemli bir UV ışın kaynağıdır  Gaz boşalma (deşarj) tüpleri ile, metallere orta hızda elektron çarpması ile elde edilirler. Atomlarda elektronların enerji düzeyleri arasındaki geçişlerle ilgili Saptanması: fotoğraf plakları ile ve elektronik devrelerle Ozon tabakası, güneşten gelen UV ışınları büyük oranda soğurarak, canlıları korur  Çevre kirliliği sonucu ozon tabakasının delindiğinden UV ışınlar, bir tehdit eder Kullanımı:  Civa ark lambalarından elde edilen UV ışınları kliniklerde, gıda endüstrisinde virüs ve bakterileri iyonizasyona neden olarak öldürmede kullanılır.  Az miktarlarda morötesi ışınları D vitamin sentezi ve kemik gelişimi için gerekli Zararları:  Ancak fazla şiddetleri zararlıdır.  Şiddetli morötesi ışıma cilt yanıklarına neden olur.  Bazı deri kanserlerine neden olur  Çünkü protein ve nükleik asitler, UV ışınları karateristik bir şekilde soğururlar. Morötesi (Ultraviole, UV) Işınları Morötesi (Ultraviole, UV) Işınları Morötesi (Ultraviole, UV) Işınları  Kilinik TEDAVİDE KULLANIMI-SEDEF HASTALIĞI  Psoralen Ultra-Violet A ifadesinin kısaltılmasıyla oluşturulmuş, Sedef        Hastalığı'nın tedavi yöntemlerinden birine verilen addır. Sedef, bilindiği üzere bir deri hastalığıdır. Etki alanı ise tüm vucuttur, saçlı deride, elde, ayakta, tırnakta….Kısacası tüm vucutta etkisine gösterir. Bu hastalığın tedavi yöntemlerinden bir tanesinin adı PUVA Tedavisi'dir. PUVA, çok yaygın olarak gerçekleştirilmeyen bir tedavi olsa da sedef hastalığı için idealdir. Güneş enerjisinde bulunan A ve B ultraviyole ışınlarının kullanıldığı bu tedavi özel kabinlerde yapılır. Kabinlerde ışın tedavisi sadece birkaç dakika sürmektedir. İlk anlarda haftada 3-4 olan seans sayısı, tedavi süreciyle birlikte azalma gösterir. Tedavinin avantajları arasında, hastaya zarar vermemesi, uzun süre alması ve kolay uygulanılıp uzun süreli iyilik dönemleri sağlayabilmesi sayılabilir. RADYASYON BİYOFİZİĞİ 2023-2024 EĞİTİM ÖĞRETİM DÖNEMİ BŞEÜ TIP Fakültesi – DÖNEM 1, 3. KURUL BİYOFİZİK DERSİ 2. HAFTA Dr. Öğr. Üyesi Ramazan Çınar Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Tıp Fakültesi Biyofizik Anabilm Dalı 2023-2024 X Işınları X Işınları    1895’te William Roentgen tarafından keşfedilmiştir.  William Roentgen deney yaptığı makinanın önüne elini koymuş ve duvarda el kemiklerinin görüntüsünü görmüş Bu nedenle X-ışınlarına Roentgen-ışınları denmiştir. (Keşfeden bilim insanınınsoyadı) Dalga boyları: 10-12-10-8 m arasında   10-10-10-8 m arasında daha az etkili 10-12-10-10 m arasında çok etkili X Işınları  Katotta ısıyla serbestlenen elektronların, katot-anot arasında yüksek gerilim altında hızlandırılarak metal bir hedef yüzeye çarpmaları sonucu elde edilir. X – ışını cihazlarının temel kısımları 1. X-ışını tüpü – – TV tüpleri gibi, elektron iletimini sağlayan bir vakum tüpüdür. Çevreye x-ışını yayılımını önlemek için tüp kurşun koruyucu içine yerleştirilmiştir. Hızlı hareketi sağlanan elektronların kinetik enerjisinin bir kısmı x-ışınına dönüşür. 2. Yüksek voltaj jeneratörü – Anod (+) ve katod elektrodları (-) arasında çok yüksek voltaj uygulanır Yüksek voltaj altında elektrik atlaması (ark) oluşmaması için vakum tüpü içerisine alınır – Hızlı hareketi sağlanan elektronların kinetik enerjisinin bir kısmı x-ışınına dönüşür. 3. Kontrol konsolü – Uygulanacak X-ışınlarının parametrelerinin ve uygulama yerinin ayarlandığı paneldir  X Işınları: oluşumu: Frenleme (Bremss) Işınları Hızla gelen bir elektron, rastladığı atomun en iç K yörüngesindeki bir elektronu yörüngesinden fırlatır  Böylece kararsız durumdaki boş kalan yörüngeye daha üst yörüngelerden (L veya M yörüngesinden) bir elektron gelerek yerleşir.  Bu arada iki yörünge enerjilerinin farkı kadar bir enerjiye sahip foton yayınlanır  Çünkü yörünge çekirdekten ne kadar uzakta yerleşmişse enerjisi o kadar Oluşan bir x-ışını fotonu enerjisi frenlenen elektronun kinetik enerjisindeki azalma kadardır: hf = (1/2) mv12 - (1/2) mv22).  Bu ışımaya Frenlenme (Bremss) ışıması denir. V2 çekirdek V1 X-ışını Bağıl şiddet  büyüktür Frenleme ışıması (sürekli ışıma= Bremss ışıma) Foton Enerjisi  X-ışınları, fotoğraf kağıtlarına ve iyonlaşma odasındaki etkileri ile detekte edilirler. X- ışınlarında Üstel Zayıflama Yasası   Maddesel ortamlarda X-ışınları ilerlerken, şiddeti kaynaktan uzaklaşıldıkça mesafeyle üstsel olarak (exponenlial) azalır.   Enerjinin bir kısmı saçılarak ana demet doğrultusundan ayrılarak Enerjinin bir kısmı da ortam tarafından soğrulur. Şiddet zayıflaması: I = I0 e-µ.x   µ: zayıflama katsayısı, maddenin cinsine ve x-ışını dalga boyuna (foton enerjisine) bağlı x: mesafe X - ışınlarının özellikleri  X-ışınları kalsiyum tungstat, çinko kadmiyum sülfıt ve sezyum iyodid gibi maddeler üzerine düştüğünde fluoresans ışımaya neden olur.  X-ışını fluoroskopisinde x-ışınlarının bu özelliğinden yararlanılır.   Fotoğraf filmleri üzerine gecikmiş etkileri vardır. Görünür ışığın giremediği birçok ortama girer ve ortamda soğrulurlar.  Soğrulma miktarı aşağıdakilere bağlıdır:  i) Maddenin atom numarasına,  ii) Maddenin yoğunluğuna,  iii) x-ışınları foton enerjilerine X - ışınlarının özellikleri  X-ışınları elektriksel yük taşımadıklarından manyetik alanda  saptırılamazlar. X-ışınları geçtiği maddeyi ve havayı iyonlaştırır.  Bu nedenle havadaki oksijeni iyonize edip ozona dönüştürürler.  X-ışınları, içinden geçtiği ortamlarda kimyasal değişmelere neden olabilir.  Örneğin çözeltideki ferrik sülfatı (F2(SO4)3) oksitleyerek ferrous sulfata (FeSO4) çevirir. X - ışınlarının kullanımı 1. Astronomide 2. Güvenlik amaçlı 3. Tanısal radyolojide  Farklı vücut kesimleri X-ışınlarına karşı farklı soğuruculuğa sahip   Daha yoğun ortamlar (kemik gibi) X-ışınlarını daha çok absorbe ederler. Amaç hastaya olabildiğince az radyasyon uygulayarak en iyi görüntüyü elde etmektir. – Röntgen (Radyografi) – Mamografi – Floroskopi – Bilgisayarlı tomografi 4. Tedavi: Yüksek dozda x-ışınları kullanılarak malign tümörlerin yok edilmesinde 5. Sterilizasyon: Yüksek dozda x-ışınları kullanılarak hastane araçlarının (enjektör, ameliyat giysisi vb.) sterilizasyonu gibi işlemlerde. X - ışınlarının zararları  Ultraviyole ve X ışınları çok yüksek frekanslarda olduğundan, kimyasal bağları kırabilecek kadar enerjiye sahiptir. – Bu bağların kırılmasına iyonlaşma denir.  X-ışınları, biyomoleküllerde iyonlaşma ve uyarılmalar oluşturabilir  Bu nedenle hücre bozulabilir veya ölebilir.  Deri yanıkları gibi etkiler oluşturabilir  Gen mutasyonlarından kaynaklanan kalıtsal bir değişiklik olabilir.  Kanser, neden olabilir X-ışınlarından Korunma    X-ışınlarının dalga boyu çok küçük olduğu için enerjisi UV ışınlardan daha çoktur. X-ışınını kullanırken yüksek enerjisinden dolayı koruyucu tedbirler alınmalı. Kurşun gibi ağır atomları olan malzemeler gama ve x-ışını radyasyonu için en etkin zırhlamayı sağlar. Neden sadece kurşun radyoaktif ışınları geçirmez?   Bir maddenin x veya gama ışınlarını durdurabilme yeteneği, atomlarının sahip olduğu elektron ve dolayısıyla proton sayısıyla ilişkili;  Atom ağırlığı (kütle numarası)= proton sayısı + nötron sayısı Kurşun gibi yüksek atom numarasına (proton sayısı) sahip çekirdekler, x ve gama ışınlarını durdurmakta daha etkindir Kütle numarası 207 Pb 82 Atom numarası (Proton sayısı) Radyoaktivite: Atomun Yapısı  Kabul gören Bohr atom modeline göre  Atomun çekirdeği proton ve nötronlardan oluşur     Elektronlar çekirdek etrafındaki yörüngelerde dolanır. Çekirdekteki nötron sayısı ya proton sayısına eşit veya daha fazladır.  Nötronu olmayan tek element hidrojendir Atom numarası aynı, kütle numarası farklı (nötron sayısı değişik) olan, aynı sembolle gösterilen ve benzer kimyasal-fiziksel özelliklere sahip elementlere izotop elementler denir. Pozitif (+) ya da negatif (-) elektrik yüklü atomlara iyon denir:   Pozitif iyon: Nötr atomdan elektron uzaklaştırılması sonucu oluşmuştur Negatif iyon: Nötr atoma elektron ilavesi sonucu oluşur. Kütle numarası Atom numarası (Proton sayısı) Radyoaktivite  Kararsız bazı elementlerin kendiliğinden parçalanmaları sonucu çevrelerine partiküller yada elektromanyetik radyasyon vererek daha kararlı hale geçerler.  Radyoaktiflik ilk defa 1896 yılında Henri Becquerel tarafından keşfedilmiştir.   1898 de ise Pierre ve Marie Curie deneylerle kanıtlamışlar. Uranyumun  ve  ışıması yaparak başka elementlere dönüştüğü keşfedildi.  Sonraları  radyasyonun 42He atomuna, ‘nın ise ise elektrona benzediği anlaşıldı  Nobel ödülü alan ilk kadın ve iki defa nobel alan ilk bilim insanı  Nobel aldığı iki çalışma:  Fizik (1903): polonium ve radium’un keşfi  Bu ışınlar artık uranyumun özelliği olmadığı için, radyoaktivity tabirini kullandı.  Kimya (1911): radyumun izolasyonu – Radyasyona bağlı olarak gelişen lösemiden öldü Marie Curie (1867-1934) Radyoaktivite    Nötron/proton oranı < 1,5ise kararlı / az kararlı – n/p > 1,5 olan çekirdekler kararsızdır. Kararsız elementler kararlı çekirdeğe dönüşürken çeşitli ışımalar yapar  Buna radyoaktif bozunma denir – Bu elementlere de radyoaktif atomlar denir. Çekirdek kararsizligi arttikça radyoaktiflik artar. – Kütle numaraları (nötron + proton) 200 ‘ün üzerindeki ağır çekirdekler oldukça radyoaktiftirler Radyoaktivite    Doğal ve yapay radyasyon kaynaklarıyla iç içe yaşamaktayız. Dünyanın yapısında radyoaktif elementler (milyarlarca yıl ömürlü) bulunurlar Bu doğal düzey, nükleer bomba ve bazı teknolojik ürünlerin kullanımı ile artmıştır. Maruz kaldığımız radyoaktivitenin kaynakları:        Dış uzay ve güneşten gelen kozmik ışınlar, Yer kabuğunda doğal olarak radyoizotoplar (U-238, Rn-222, toryum-232, K40) bulunur – Dolayısıyla toprak ve yapı malzemeleri, su ve gıdalar gibi doğal kaynaklar Vücudumuzda bulunan radyoaktif elementleri (özelikle Potasyum-40) Evlerimizde ısınmak için kullandığımız fosil yakıtlar, Nükleer enerji tesislerden yayılmalar Endüstriyel Uygulamalar Sterilizasyon vb. Teşhis ve tedavide kullanılan radyasyon üreten ve radyoaktif madde içeren cihazlar, Tanısal Radyoloji Nükleer Tıp Radyoterapi Radyoaktivite  Doğal radyasyonun bir kısmını uzaydan gelen kozmik ışınlar oluşturur.    Bu ışınların çoğu dünya atmosferinden geçemez.  Sadece küçük bir miktarı yerküreye ulaşır. Kutup yakınlarına ekvatora oranla daha fazla kozmik ışın gelir. Yükseklik arttıkça doz miktarı da artar.  Bir dağın tepesinde/ uçak yolculuğunda, 20 kat daha fazla kozmik ışına maruz kalırız Dünya Genelinde Doğal ve Yapay Radyasyon Kaynaklarından Alınan Dozların Oranları Radyoaktivite  Bu ışınları saymak için iyonlaşma odaları bulunan Geiger-Müller sayacı kullanılır.    Sayaçtaki basınçlı gaz karışımı içine iyonlayıcı bir foton veya tanecik girince rastladığı bir atomu iyonlaştırır. Çıkan elektron yüksek gerilim altında hızlanarak çarptığı nötr atomu da iyonlaştırır. Elektron ve iyonların sayıları çığ gibi artarak devreden bir akım geçmesi sağlanır ve potansiyel değişikliği kaydedilir. Geiger-Müller sayacı ilke şeması Radyoaktivite   Radyoaktiflik, doğrudan çekirdeklerin bir özelliğidir ve  bu özellikteki nüklidlere (izotoplara) radyonüklid (radyoizotop) denir. Radyonuklidler, doğal olarak bulundukları gibi, yapay yollarla da elde edilebilir.  Doğal olarak var olan üç farklı radyoaktif zincir veya serisi bulunur.     238 ile başlar, Pb206 ile sonlanır, 92U 92 Actinyum serisi 92U235 ile başlar 92Pb2()7 ile sonlanır, Thoryum serisi 92U232 ile başlar 92Pb208 ile sonlanır. Neptünyum serisi 93Np237 ile başlar 92Bizmut209 ile sonlanır. Uranyum serisi  Bu serilerin her biri uranyumun bir radyonüklidi ile başlar, bir dizi bozunumdan sonra kararlı bir çekirdekle son bulur. Fission-Fusion Fisyon (Fission): Çekirdeğin iki veya daha küçük çekirdeklere bölünmesi – Kitlenin bir kısmı da çok büyük miktarlarda enerjiye dönüşür Atom bombası Nükleer enerji santrallerinde kullanılır. Füzyon (Fusion): İki çekirdeğin birleşmesiyle daha büyük kütleli çekirdek oluşur Bu yıldızlarda doğal olarak oluşur Nüklear güç: Fizyon (Fission) Reaktörleri Soğutma ünitesi Fusion: Füuşın---Fission:fişın Uranyum serisinin 206Pb’ya kadar ki bozunum zinciri  Radyonüklidler radyoaktif bozunum sırasında üç tipte ışınım yapar: – Alfa () bozunumu (partiküler radyasyon) – Beta () bozunumu (partiküller radyasyon) – Gama () bozunumu (ışınlar veya foton tabiatında radyasyon)  Bu ışınımlar;   ışınları He atomu çekirdekleri   ışınları hızlı elektronlar veya pozitronlar   ışınları ile x ışınları ise enerjetik fotonlardır Uranyum serisinin 206Pb’ya kadar ki bozunum zinciri   Her bir alfa bozunması için  kütle numarası “4” eksilir  atom numarası “2” eksilir, Her bir beta bozunması için  atom numarası “1” artar, Alfa (α) Işınları  Radyonüklidler radyoaktif bozunum sırasında helyum çekirdeği olarak da bilinen, 2 proton ve 2 nötrondan oluşan bir partikül (α) fırlatılır.   4 2 He Kararsız bir çekirdekten α ışıması olduğunda, yani 2 proton ve 2 nötron atıldığında: – Atom sayısı 2 azalır – Kütle numarası 4 azalır 222 Ra 88 4 He 2  Kütle numarası 218 Rn 86 Ra: Radium He: helium Rn: radon 222 Ra 88 Atom numarası Proton sayısı 4 α 2 4 2 He Alfa (α) Işınları     Alfa partikülleri helium atomu olduğundan kütlesi büyüktür  İki adet pozitif (+) yükü bulunur. Kütlesinden dolayı hızlı hareket edemez ve çok sayıda atomla çarpışırlar   Bu nedenle de çok sayıda iyonizasyona/ iyonlaşmaya neden olur İyonizan etkisi en fazla olan alfa particülleridir Çok sayıda çarpışma yapacağından enerjilerini çabucak kaybederler   Bu nedenle enerjilerini kısa mesafeye aktarabilir (havada 10 cm) Alfa tanecikleri bir iki tabaka kağıt ile kolaylıkla tutulabilirler. Dokularda ancak birkaç hücre kalınlığında bir derinliklere enerjilerini bırakıp büyük hücresel zararlara neden olduklarından tıpta pek kullanılmazlar. – Alfa yayan maddeler dokularda birikerek lokal hasara neden olabilir – α yayan maddelerin sadece solunum, sindirim veya yaralardan girerse hasara  neden olur Penetrasyon gücü düşük olsa da vücut içerisinde en hasar verici radyasyon tipidir  NİÇİN?  Çünkü iyonizan etkisi en fazladır Beta (β) Işınları: Elektron emisyonu (-)  Protonlara göre çok fazla nötron (nötron sayısı: fazla, proton sayısı: az) içeren bir atom çekirdeğinde, bir nötron bir protona dönüşürken (np+ + -), - ışını, yani bir elektron salınır ve  Yani bir nötron, bir proton ve bir elektrona dönüşür,  Elektron ise beta partikülleri olarak yayılır 234 90   Th 0 1 e  234 91 Pa Th: Thorium Pa: Protactinium Bir atom partikülü kaybettiğinde: – Atom sayısı “1” artar – Kütle sayısı aynı kalır Beta partikülü negative yüklüdür Kütle numarası 234 Th 90 Atom numarası Proton sayısı Beta (β) Işınları: Elektron emisyonu (-)  Kütleleri küçüktür. Bu nedenle   partiküllerinin hızı ışık hızına yakındır  alfa partiküllerinden 7000 kat daha hızlı)  Daha az sayıda çarpışma olur  Bu nedenle de iyonizasyon gücü de α partiküllerininkine göre daha zayıftır   Fakat α partiküllerine göre daha penetre edicidir  ışınları ortam elektronları ile etkileşerek, dokuda enerjilerini 1-2 mm de tüketirler.  Kağıt, ince aliminyum ve çelikten geçebilir  Zararlı etkileri nedeni ile tanısal amaçlarla tıpta pek kullanılmazlar. – Deri yanıkları’na neden olabilir – Yutulması halinde iç hasara neden olur Ancak bu hasar α radyasyonu kadar büyük değildir Beta (β) Işınları: Pozitron emisyonu ( ) +   Proton sayısını düşürmesi gereken kararsız çekirdekler  Çekirdeği nötronlara göre çok fazla sayıda proton içerir  nötron sayısı: az, proton sayısı: fazla bir protonun bir nötrona dönüşerek, p+  n + + şeklinde (+) ışını yani pozitron salınır  Bu sırada atom numarası 1 azalır  Kütle numarası 22 Kütle değişmemiştir. Atom numarası Proton sayısı Na 11 22 0 1 e  22 Ne 10 Na 11 Na: Sodyum Ne: Neon Beta (β) Işınları: Pozitron emisyonu ( ) +  Bu ışınlar da - ışınları gibi kısa mesafede enerjilerini tüketirler,  Ancak kinetik enerjilerini kaybettikten sonra yakınlarındaki bir elektronla etkileşerek ikisi de yok olup kütleleri zıt doğrultularda giden iki foton enerjisine dönüşür  Pozitron maddesel olmayan bir partiküldür (pozitif elektron)  PET scan’da (Positron Emission Tomography) kullanılır.  PET scan’da radioactif tracer’ler glukoz ile karıştırılarak intra venus olarak verilir  Glukoz vücutta aktif alanlar tarafından alınır Beta (β) Işınları: Pozitron emisyonu ( ) +    Kanserde, – Kötü huylu tümörleri iyi huyludan ayırabilir – Metaztazları gösterebilir – Tedavinin etkili olup olmadığını gösterebilir Beyinde – Beynin görüntülenmesi ve fonksiyonun izlenmesi – Alzheimer hastalığını erken aşamada teşhisinde – Epilepsi odaklarını belirleyebilir Kalpte enfarktüslerde hasarın boyutunun belirlenmesinde Gama Işınları  Bir radyoaktif kaynaktan  veya  ışınları salınıyorsa, bunlara  salınması da eşlik eder.  Radyoaktif bozunum sırasında oluşan -ışınlarının dalga boyları 3.10-13-10-11 m, Radyoaktif atomların çekirdeklerinden spontan olarak yayılır     ve  bozunumlarının çoğunda, ürün çekirdek enerji açısından uyarılmış durumda kalır. Ürün çekirdek bu uyarılmış durumdan kurtulması için gamma fotonu yayınlar 3  Nukleustan partikül kaybı olmaz  He 2 Nukleusun atom sayısı ve kütle sayısı aynı kalır Gama Gama 3 2 He γ Gama Işınları Gama Gama Gama Işınları    Gama ışınlarının özellikleri ve etkileri x-ışınları ile hemen hemen aynıdır.  X-ışınları ile γ-ışınları arasındaki sınır kesin olarak belirlenmemiştir. Soğruldukları ortamlarda iyonlaşmaya neden olurlar. İyonlaşma odaları ve fotoğraf kağıtlarına etkileri ile detekte edilirler. Gama Işınları    Dalga boyu çok kısa (atomların çapından daha küçük) olmasından dolayı absorbe edilmeden ya da yön değiştirmeden atomların arasından ilerleyebir. Bu nedenlede çoğu materyalden şiddeti fazla azalmadan geçerler.  Gama çelikten birkaç inç, havadan ise yüzlerce metre ilerleyebilir Oldukça derinliklere penetre olabilirler Penetrasyon gücü en fazla olan radyasyon tipidir – Bu nedenle de haricen uygulandığında en tehlikeli olan radyasyon tipidir Gama ışınlarının kullanım alanları Bu ışın iyonizasyona neden olabilir       Gama ışınları canlı hücreleri öldürebilir,  bu özelliğinden dolayı kanserli hücreleri öldürmek için Dansitometre: X veya  ışınlarının kemik ve yumuşak dokuda farklı soğurulmasından faydalanarak kemik mineral içeriğini ve mineral yoğunluğunu ölçer Sterilizasyonda  Örn. tek kullanımlık tıbbi malzeme ve cihazlar ile sağlık bakım ürünleri Gıda ışınlama işlemi Sanayide gama ışınları yardımı ile kalınlık ölçme.  Plastik, kauçuk, tekstil, Nükleer tıpta vücüdun görüntülenmesi için gama kameraları kullanılır. Gıda ışınlama ünitesi Alfa, Beta ve Gama’nın karşılaştırılırsa 1. İyonize radyasyon etkisi : Alpha > Beta > Gamma Enerjisi daha fazla olan radyasyonun etkisi daha fazla olur 2. Alfa ve beta ışınları, elektrik ve magnetik alanda saparlar, 3. İyonize radyasyon ne kadar fazla penetre olabilirse o kadar fazla derinlerde etkisi gözlenir. – Gamma >> Beta > Alpha Radyasyon Su ortamda Enerji tipi penetrasyon mesafesi Alfa (α) Işınları  Alfa radyasyonun penetrasyon gücü düşük olsa da vücut içerisinde en hasar verici radyasyon tipidir NİÇİN?    Çünkü iyonizan etkisi en fazla olan radyasyon tipidir Hangi radyasyon tipinin penetrasyon gücü en fazladır? Hangi radyaston tipi vücut dışından uygulandığında en tehlikeli olanıdır?  Penetrasyon gücü en fazla olan radyasyon tipi: Gama radyasyon – Bu nedenle de haricen uygulandığında gama radyasyon en tehlikeli olanıdır Radyasyonların penetrasyon gücü   m İnce aliminyum beta dalgalarını durdurur ce n İ a ik Deri / kağıt alfa dalgalarını durdurur Deri Deri altı dokular Kemik Organlar Kurşun tabaka -ışınlarını durdurur/azaltır X  Kalın beton blok -ışınlarını durdurur / azaltır Aktiflik ve Yarı Ömür  Yarı Ömür: Herhangi bir radyoaktif izotopun, başlangıçtaki miktarının ve dolayısıyla ışıma gücünün yarıya inmesi için gereken süreye (t1/2) denir.  Radyoaktif bozunmalarda aktif atom sayısı zamanla, N=N0e-t şeklinde, üstel olarak azalır. Birim zamanda dönüşüme uğrayan atom sayısına aktiflik denir ve  Aktifliğin veya radyoaktif atom  Aktiflik de zamanla üstel olarak azalır. sayısının logaritmasının zamanla değişimi doğrusaldır  Bu doğrunun eğimi, radyoaktif madde için karakteristik olan  parçalanma sabitini verir. LogAktiflik (atom sayısı)   Radyoaktif atom sayısının veya aktifliğin herhangi bir andaki değerinden yarıya inmesi için geçen süreye yarı ömür denir ve parçalanma sabiti cinsinden, T1/2=0.693/ Kütle numarası 32 16 Atom numarası Proton sayısı S Aktiflik ve Yarı Ömür  Fosfor-32 radyoaktif olarak bozunarak sulfir-32 oluşur  32P’nin yarı ömrü: 14 gün Niçin yarılanırlar?  Nötron ile proton arasında kararlı oran elde etmek için Aktiflik ve Yarı Ömür: Yarılanma ömür sayısı      Soru: Yarılanma ömrü 15 saat olan 20 gr (Na-24) 30 saat sonra ne kadar kalır? Yanıt: 30/15=2 yarılanma ömür  İki yarılanma ömrü sonunda ne kadar kütlesi kaldığı soruluyor. 15. saatte 20 gramdan 10 grama yarılanır.  30. saate 10 gram 5 grama iner 1.8 mol olan Th-228’in 0.225 mola inmesi için kaç yıl geçmesi gerekir  Yarılanma ömrü: 1.9 yıl Th-238 miktarı Yarılanma ömür sayısı 1.80 mol Zaman (yıl) 1.80 mol 0 0 0.900 mol 1 1.9 0.450 mol 2 3.8 0.225 mol 3 5.7 0.90 mol 0.45 mol 0.225 mol Kullanılan bazı radyoizotoplar ve yarı ömürleri Izotop Yarı ömür Uygulamaları Uranium-235 Milyar yıl Zenginleştirilirse nüklear enerji ve nüklear silahlarda kullanılır Carbon-14 5730 y Tümörün tanısında Cesium-137 30.2 y Kan ışınlamada, external uygulamayla tümör tedavisinde Hydrogen-3 12.3 y Biyolojik tracer olarak Irridium-192 74 d Kanser tedavisi için çekirdek implantasyonunda. Iodine-125,131 13.27 hrs Karaciğer,böbrek,kalp,akciğer, beyin görüntüleme-teşhis ve tedavi Laser (Light Amplificalion by the Stimulated Emission of Radiation) (Uyarılmış ışınım salınması ile ışığın yükseltilmesi)     Laser doğada kendiliğinden var olmayan yapay bir ışıktır Katı, sıvı ve gaz ortamlar kullanılarak laser kaynakları geliştirilmiştir. Görünür ışık gibi, laser de kırılma, yansıma ve girişime uğrar ve odaklanabilir Morötesi, Görünür veya kızılötesi bölgelerdeki dalga boylarda olabilir Yaygın kullanılan lazerlerin dalga boyları Lazer uyarıcı işareti Laser Nasıl Elde Edilir? Laser   Lazer cihazları hangi parçalardan oluşur? Aktif medium: katı kristal (örn. neodymium-doped ytrium aluminium garnet, Nd:YAG), sıvı boyalar, gazlar (örn. O2 veya Helyum/Neon) veya yarı iletken (örn. GaAs) olabilir.  Aktif mediumlar, elektronları uyarılabilir (eksitasyon) olan atomları içerir. Eksitasyon mekanizması: aktif medium’a enerji pompalar Güç kaynağı: 10.000V ve 100 A kapasiteli Yüksek yansıtıcılı (High Reflectance) ayna: lazer ışığının tamamını yansıtır Kısmen yansıtıcılı (Partially reflective) ayna: lazerin bir kısmını yansıtır ve geri kalanı aktarır Lazer ışının oluşumu 1. Elektronları kararsız enerji seviyesine çıkarmak için lazer medium’una enerji uygulanır 2. Uyarılan (üst enerji düzeyine çıkmış) atomlar, bu kararsız durumda uzun süre kalamaz, kendiliğinden ışımayla (spontaneous emission) alt enerji (metastasible) düzeyine döner 3. Çoğu atomlar bu duruma ulaştığında, elektronlar spontan olarak sıfırlanmış duruma (ground state) geçer ve bu sırada foton yaymaya başlarlar. 4. Bu fotonlar aynı dalga boyuna sahip daha fazla foton yayılmasını tetikler.  Çubuğa paralel olmayan ışınlar çeperlerde soğrulur, Enerji uygulaması 5. Yüksek yansıtıcılı ayna ve Kısmen yansıtıcılı ayna oluşan fotonları medium’a gerisini geri yönlendirerek foton oluşumunu sürdürür 6. Kısmen yansıtıcılı ayna ışınların küçük bir kısmını lazer ışını olarak dışarı verir. Eksitasyon durumu Spontan enerji yayılımı Metastasible durumu Ground durumu Lazer ışını oluşumu Ruby Laser Laser ışığının özellikleri a) Laseri oluşturan fotonlar koherenttir, yani zamansal olarak eş fazlıdırlar  Görünür ışık ise dalga boyları farklı çok sayıda dalganın karışımından oluşur b) Laser ışığı bir doğrultuda, paralel demet şeklinde ilerler.  Görünür ışık ise (örn. Lamba ışığı) kaynaktan çok yöne yayılma gösterir c) Laser ışığı tek renklidir (monokromatik) (çünkü tek bir dalga boyuna sahiptir)  Görünür ışık ise (örn. Lamba ışığı) çok renkten (dalga boylu ışıktan) oluşur. d) Laser güç yoğunluğu (power density) oldukça yüksektir.  Toplam gücü bir ampulünkinden düşük iken güç yoğunluğu 25 MW/cm2 ye çıkabilir. e) Dalga boyları aynı olduğundan foton enerjileri de Planck yasasına göre birbirinin aynıdır E=h.f E : enerji miktarı (J) h :Planck sabiti (h = 6.63x10-34 J.saniye) f :frekansı Hz = 1/sec Laser ışığının biyolojik etkileri  Laserin etkileri neye bağlıdır?  Güç yoğunluğu ve  Dalga boyuna  Morötesi (UV) bölgedeki laser ışığı hücre ve dokular tarafından şiddetle soğrulur  Moleküllerin ayrışmasına neden olabilir,  Deride hücrelerin genetik yapısını değiştirerek kanser olasılığını artırır.  Laser etkisinde kalan ortamlarda sıcaklık yükselmeleri olur.  Göz: lazerin göze tutulması kornea veya retina yanıklarına neden olabilir.  Deri: yüksek dozda deri yanıklarına,  UV dalga boylarında (290-320 nm) karsinogenesis Laser ışığının biyolojik etkileri  Cerrahide kullanılan kızılötesi (İR) laser, genellikle doku suyu tarafından soğrulur.    Bu özelliğe sahip CO2 laseri doku ve kemikleri kesmede, damarları kapamada tercih edilir. Su soğuruculuğu daha düşük olan Nd:YAG kızılötesi laseri ise koagülasyon için kullanılır Laserin ısısal olmayan biyolojik etkileri:  laserin lökositlerin fagositik aktivitelerini artırdığı,  yaraların iyileşmesini stimüle ettiği,  ağrı gideriminde akupunktur benzeri etki. RADYASYON BİYOFİZİĞİ 2023-2024 EĞİTİM ÖĞRETİM DÖNEMİ BŞEÜ TIP Fakültesi – DÖNEM 1, 3. KURUL BİYOFİZİK DERSİ 3. HAFTA Dr. Öğr. Üyesi Ramazan Çınar Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Tıp Fakültesi Biyofizik Anabilm Dalı 2023-2024 Radyasyon Maruziyet ve Doz Işın üretim tesislerinde ve radyasyonun tıbbi uygulamalarında ilgili personelin (Hekim, Hemşire, Teknisyen) ve Hastaların ve çevredekilerin korunmasının taşıdığı önem nedeniyle Radyasyon ölçümlerinde Radyasyon Maruziyet ve doz kavramlarını daha önemli hale getirmiştir. Radyasyonun maddeyle (doku, hücre…) etkileşimi sonucunda aktardığı enerjinin sebep olduğu etkiyi açıklamak için RADYASYON DOZU kavramı kullanılır. 1- IŞINLAMA DOZU Yeni Birim: Coulomb/kg (SI sisteminde). Işınlama dozu eski Birimi RÖNTGENDİR (R). 1 kg kuru havada oluşturduğu iyon yükünün coulomb cinsinden miktarıdır. 1C/kg= 3,88x 10 R 1R = 2.58 x I0-4 C/kg 3 Birim zamanda uygulanan ışıma dozuna doz hızı denir. SI: 1 C/(kg.s) Doz hızı Eski birim: roentgen/sn, gün vb 2- AKTİVİTE DOZU Yeni Birim: Becquerel (Bq), Parçalanma/sn (SI) Aktivite Dozu, radyoaktif maddenin belirli bir zaman aralığındaki bozunma miktarıdır. Eski birim Curie 1 curie: saniyede 3,7.1010 Bq Radyoterapide radyoaktif kaynakların aktivitesi: > 100 000 000 Bq 3- SOĞRULMUŞ DOZ Yeni Birim: Gray (Gy) (SI sisteminde) 1 gray = 1 J/kg Herhangi bir maddenin 1 kilogramı başına 1 Joule’lük enerji soğrulmasıyla meydana gelen herhangi bir radyasyon miktarıdır. Eski birim: RAD (Radiation Absorbed Dose) 1 gray = 100 RAD Radyoterapide tedavi dozları:~ 50-60 Gy 4- DOZ EŞDEĞERİ ve Lineer Enerji Transferi Belirli bir maddedeki radyasyon etkileri, pozlanma miktarından ziyade soğurma dozuna ve enerjisine bağlıdır. Radyasyonun canlı organizmadaki etkisi ve buna bağlı olarak enerji yoğunluğuna bağlıdır. Ağır yüklü parçacıklar bir organizmadan geçerken, çok küçük hacimde çok sayıda iyonlaştırma meydana getirebilir. Kimyasal değişimin şiddetine bağlı olarak maddedeki değişim Lineer enerji Transferi ile ifade edilir. Doz eşdeğeri, Yüksek LET’li radyasyonların zarar verici etkilerini sayısallaştırmak üzere geliştirilmiştir. 4- DOZ EŞDEĞERİ ve Kalite Faktörü Doz eşdeğeri, yüksek LET’li radyasyonların zarar verici etkilerini sayısallaştırmak üzere geliştirilmiştir. Kalite Faktörü: Birim mesafede aktarılan enerjiye göre belirli bir radyasyon türü ve enerjisi için kullanılan kavramdır. Doz Eşdeğeri, soğrulan dozun kalite faktörüyle çarpılmasıyla elde edilir. Doz Eşdeğeri = Soğrulmuş Doz (D) X Kalite Faktörü (Q) 4- DOZ EŞDEĞERİ Radyasyona maruz kalan bir insanda meydana gelebilecek zararlı biyolojik etkileri ölçmek için kullanılan bir birimdir. Bazı organlar diğer organlara göre radyasyona olan duyarlılığı farklıdır. Dolayısıyla aynı doza karşı oluşan biyolojik etki de farklıdır. Doz Eşdeğeri: 1 Röntgenlik X veya  ışını ile aynı biyolojik etkiyi oluşturan herhangi bir radyasyon miktarıdır. Yeni Birim: Sievert (Sv) (SI sisteminde) Eski birim: rem, ( Rontgen Equivalent man) 1 Sv = 100 rem Soğurulmış ışıma dozu Işıma dozu (radiation exposure),  Birimi: C/kg (SI sisteminde). 1 kg kuru  havada oluşturduğu iyon yükünün coulomb cinsinden miktarı   Eski birim : r (roentgen)  r = 2.58 x I0~4 C/kg dır.  Birim zamanda uygulanan ışıma dozuna  doz hızı denir.  SI: 1 C/(kg.s)  Eski birim: roentgen/sn, gün vb. Activite    Aktivite, radyoaktif maddenin belirli bir zaman aralığındaki bozunma miktarıdır. Birim: becquerel (Bq), Parçalanma/sn (Sİ)  Eski birim: curie  1 curie: saniyede 3,7.1010 Bq Radyoterapide radyoaktif kaynakların aktivitesi: > 100 000 000 Bq Henry Becquerel Birim kütle başına depolanan enerji miktarıdır Birimi: gray (Gy)(SI sisteminde)  1 gray = 1 J/kg,  Eski birim: rad,  1 Gy = 100 rad Radyoterapide tedavi dozları:~ 50-60 Gy Eşdeğer doz (Normalized Doz)  1 Röntgenlik X veya  ışını ile aynı biyolojik etkiyi oluşturan herhangi bir radyasyon miktarıdır Vücutta toplanan enerjinin ifadesidir Birimi: sievert (Sv) (SI sisteminde)  . Madam Curie  Sievert (Sv) = 1 Joule/kg  Eski birim: rem,  rem = 0.01 Sv  1 Sv = 100 rem Radyasyon Doz Birimleri ve Dönüşümleri İyonize edici ışınların kullanımı  Kanser hücreleri radyasyona normal hücrelere göre daha duyarlı 100% İyonlayıcı ışıma radyolojide ve nükleer tıpta görüntüleme amaçlar için de kullanılır Ölüm olasılığı  İyonlayıcı ışıma radyoterapide kanser tedavisinde hala en önemli bir seçenektir.  Tümöre maksimum, normal dokuya ise minimum zarar verecek doz hesaplanır 50% Tüm ör Sağ lıklı dok u  0% Do  Doz Parçalı Doz Uygulamaları Radyoterapinin uygun geniş bir zamana yayılmasında (6-7 hafta), akut reaksiyonlar azaltılırken (veya yok edilirken), kronik reaksiyonlar etkilenmez Kanser radyoterapisi  Radyoterapide kanserin türüne göre 60.000 mSv'e kadar çıkılabilir.  Hastaya verilebilecek maksimum doz, beklenen fayda ile radyasyonun hastaya vereceği zarar kıyaslanarak belirlenir. 1. Brakiterapi (Brachytherapi): Radyoizotop çekirdekleri direkt kanserli bölgeye implante edilir  Prostat, göğüs, akciğer, özefagus serviks, uterus, anüs, …gibi kanser olgularında  Bu şekilde uzun süreli (haftalar, aylar) düşük dozda ışın uygulamasına olanak sağlanır 2. Tele terapi  Co-60 ile gama radyasyon dışarıdan vücut derinliklerine penetre edilir 3. Radyofarma (Radiopharmaceutical) terapi Vücudun belli bölgelerine konsantre olabilen radyoizotoplar kullanılır Kanser/ tümör türü Tedavi Dozu, Gy (teleterapi), Tedavi Dozu, Gy (Brakiterapi) Lenfoma 39 - Meme 54 16 Akciğer 49 Beyin 53 - Prostat 59 35 Jinekolojik 50 45 Nükleer Tıp   Gama kamera vücuda enjekte edilen radyoaktif maddeden salınan gama ışınlarını algılayarak incelenen dokunun görüntüsünü oluşturur.  Bu görüntünün incelenmesi sonucunda doku hakkında bilgi edinilir. Bu tür teşhislerde maruz kalınan doz, radyoizotopun cinsine ve miktarına göre değişir. Technetium-99 ile kemik scan’ı İyonize edici ışınların kullanımı    Gıda sterilizasyon: Gama Steril olmayan ışınları gıdalardaki bakteri, mantar ve böcekleri öldürmek için kullanılır. Paketleme sonrası da bu işlem yapılabilir Gama ışını Sterilize edilmiş Tıbbi sterilizasyon: Gama ışınları hastane alet ve cihazlarında sterilizasyon için kullanılır GM e t ub  Borularda sızıntı belirleme Radyoaktif izotop boru içerisine enjekte edilir ve daha sonra borunun dışından Geiger-Muller detektörü ile yüksek radyoaktivitenin olduğu yer kontrol Radyasyona Maruz Kalma Tipleri Radyasyondan Korunma  Radyoaktif materyalin bulunduğu birime uyarı işareti konur.  Korumada üç parametre dikkate alınır: 1. Radyoaktif ortamda daha az süre geçirme 2. Radyoaktif ortamdan daha uzakta bulunma 3. Radyoaktif ortamı bariyer koyma Radyasyondan Korunma  Yapı malzemelerinin radyoaktivite analizleri yapılarak, radyoaktivite düzeyleri yüksek olan malzemeler bina yapımında kullanılmamalıdır.  Binaların, özellikle bodrum katlarının toprakla izolasyonu iyi yapılmalıdır.  Yerden ve duvarlardan bina içine sızan radon gazı havalandırılarak atılmalı  Sigara radonun kanser riskini arttırdığından, kapalı ortamlarda sigara içilmemelidir.  Gereksiz radyolojik ve nükleer tıp tetkiklerinden kaçınılmalı  Antioksidan diyet desteği alınmalı  Çünkü radyasyonu oxidatif stresi artırdığından, antioxidanları kullanarak indirek zararı azaltılabilir Günlük hayattan alınan dozlar Radyasyon kaynağı Doz (rem) Doz (Sievert) 3 saatlik uçak seyahati 3 mrem 0.03 mSv Dental radyografi 10 mrem 0.04–0.15 mSv Akciğer grafisi 10 mrem 0.1 mSv Mammografi Çernobil nedeniyle Türk Halkının aldığı kişisel doz 70 mrem 0.7 mSv 0.5 mSv 50 mrem Yıllık doğal radyasyon dozu (toprak, kozmik ışınlar vb) 300 mrem Hastane radyasyon görevlilerinin aldığı yıllık dozu: 100-500 mrem 3 mSv 1 - 5 mSv. Maksimum müsaade edilebilir radyasyon dozu  Radyasyonun maksimum izin verilen dozlar için uluslararası standartlar geliştirilmiş  Dozun alınış hızı da dikkate alınmıştır. Radyasyon Risk Kıyaslamaları Radyasyondan Yaşam Kaybı İyonlaştırıcı radyasyonun yıkıcı etkileri  Primer iyonize radyasyon tipleri: – – – – Alfa partiküller Beta partiküller Gamma ışınları (veya fotonlar) X-ışınları (veya fotonlar)  İyonlaştırıcı radyasyon, hücre moleküllerinin atomlarından, elektronlar koparacak enerjiye sahiptir.  Etkinin büyüklüğü radyasyon hangi özelliklerine bağlıdır?     Dozu, Tipi (x, α, , ) Maruziyet süresi, Yolu (vücut içerisinden veya dışından), İyonlaştırıcı radyasyonun yıkıcı etkileri  Radyasyon ile koparılan bu elektron, iki atom tarafından ortaklaşa kullanılıyorsa, bağ kırılarak moleküller ayrılır  Bu durum genetik materyalde de oluşabilir.  Kromozomal değişiklik normalde de çok sayıda oluşur  Ancak hücrelerin, etkin bir onarım mekanizması vardır.  Eğer zarar görmüş hücre, kendini onarmadan önce bir işlev yaparsa veya da onarım yapılamaz ise işlevini yapamaz veya ölür  Eğer hasar gören genetik materyal ise bazen da kontrolsüz bir şekilde çoğalmaya başlar Dokuların iyonize edici ışınlara duyarlılığı   Işımanın etkisi farklı hücrelerde farklıdır. Hemopoetik sistem gibi bölünme hızı yüksek olan hücreler, bölünme hızı düşük olan hücrelere göre radyasyondan daha fazla etkilenirler.  Epitel hücreleri MSS hücrelerine göre kat kat fazla etkilenir. Duyarlılık Doku/organ hücreleri Çok yüksek Beyaz kan hücresi (kemik iliği) İntestinal epitel Üreme hücreleri Yüksek Optik lens epiteli Özefageal epiteli Mukoz membranı Orta Beyin- Glial hücreleri Akciğer, böbrek, karaciğer, tiroid, pankreas epiteli Düşük Olgun kırmızı kan hücresi Kas hücresi Olgun kemik ve kıkırdak İyonlaştırıcı radyasyonun yıkıcı etkileri Radyasyonun direct etkileri   Hücre ve organellerinin eksitasyon ve iyonizasyona neden olarak hasar verir Hücre organellerinin direk hasarı – Hücre zarı permiabilitesinin değişmesi gibi – Diğer organellerde yapısal ve işlevsel bozukluklar DNA molekülünün direkt olarak iyonizasyonu – Baz çiftinin silinmesi – Çarpraz bağlanma (Cross-linking) hasarları – Tek sarmal kırılması – Her iki DNA sarmalının kırılması – Multiple (kompleks) lezyonlar İyonlaştırıcı radyasyonun yıkıcı etkileri Radyasyonun direct etkileri – Hücre zarı permiabilitesinin değişmesi Hücre tamamen radyasyona maruz bırakıldığında Hücre kısmen radyasyona maruz bırakıldığında İyonlaştırıcı radyasyonun yıkıcı etkileri Radyasyonun İndirect etkileri  DNA çevresinde serbest radikaller oluşumu ile indirect hasara neden olur Hücrenin çoğunu oluşturan suyun radyolizi ile H+, 0H-, H202- gibi serbest radikaller oluşur – Serbest radikaller çok toksiktir. İyonlaştırıcı radyasyonun yıkıcı etkilerinin Antioksidanlar ile ortadan kaldırılması SOD: Superoxide Dismutase H2O2 : Hydrogen Peroxide CAT : Catalase GPx : Glutathione Peroxidase GSH: Glutathione O2. : Superoksit radikali Vitamin C Vitamin E Elektromanyetik radyasyonun etki mekanizmaları α, ,  ve x-ışınları ve bazı UV ışınlarının enerjileri iyonizasyona neden olabilecek kadar yüksektir α, ,  ve x-ışınları X-ışını saçılma sı Elektron seviyesinin değişimine Moleküllerin vibrasyonun a Moleküllerin rotasyonun a İyonlaştırıcı radyasyonun yıkıcı etkileri Basit organizmaların (virüs) öldürülme mekanizması  Basit organizmaların, örneğin virüsün etkisizleştirilmesi değişik yollarla olabilir.  doğrudan öldürebilir ya da  yaşayabilir çoğalma yetisini yok edebilir  hücreler üzerine tutunabilmelerine engel olabilir  metabolik süreçlerine etkiyebililir  genetik bozulmaya neden olabilir.  virüslerin üzerinde yaşadıkları hücreleri öldürme yetisini ortadan kaldırabilir, İyonlaştırıcı radyasyonun yıkıcı etkileri    Radyasyonun etkisi: akut ve kronik Akut radyasyon etkileri Tüm vücudun 10 Rad üzeri dozlarda tek bir şok dalgası şeklinde radyasyona maruz kalmasıyla gelişir. 1 Gy = 100 rad Bu şekilde ortaya çıkan sendroma, 1984 Chernobil Akut Radyasyon Sendromu denir. – Spesifik dokularda immatür kök hücreleri ölür Düşük dozda lokal etki İyonlaştırıcı radyasyonun yıkıcı etkileri Akut radyasyon etkileri – İlk kez Hiroşima, Nagazaki ve Çernobil’de Atom bombası Nagasaki-hiroşima-1945 İyonlaştırıcı radyasyonun yıkıcı etkileri Akut radyasyon etkileri – İlk kez Hiroşima, Nagazaki ve Çernobil’de Radyasyon sendromu Akut radyasyonun genel etkiler Doz: 1 Sv = 100 rem Olası sonuç 20-100 rem Hiç/çok az semptom, kanser riskinde artış 100-400 rem orta-şiddetli hastalık; kanser riskinde artış 400-800 rem Şiddetli hastalık- Ölüm 500+ rem Ölüm Sistemler üzerine akut etkiye neden olan dozlar MSS/kardiyovasküler Semptom Doz Şok, şiddetli baş dönmesi, epilepsi, koma 10, 000 rem Gastrointestinal Sistem Bulantı, baş dönmesi, isal, dehidrasyon 1,000 rem Hematopoietik Sistem Yorgunluk, hemoraji, ülserasyon, anemi 300-800 rem Cilt Yanma, enfeksiyon saç kaybı 1,000 rem Ovaryum ve testis Üreme yetisinin kaybı 600 rem İyonlaştırıcı radyasyonun yıkıcı etkileri       Kronik radyasyon etkileri Uzun süren düşük düzeylerde radyasyona maruz kalma sonucu gelişir. Kronik olarak alınan radyasyon dozu, daha iyi tolere edilebilir.  Embriyo ve fötus radyasyona çok duyarlı (özellikle hamileliğin ilk 20 haftası). Düşük dozlarda bazı somatik ve genetik etkiye neden olduğu bilinmektedir Erken ortaya çıkan somatik etkiye örnek, 400 rad’a maruz kalan kişide saç dökülmesi  Radyasyona maruz kaldıktan iki ay sonra yeni saçlar çıkar (saç rengi değişebilir) Geç ortaya çıkan somatik etkiye örnek:     kanser oluşumundaki artış, katarak, cilt reaksiyonları, immünosupresyon Genetik (kalıtımsal) etkileri. radyasyona maruz kalan kişinin kendinde değil de, daha sonraki nesillerinde ortaya çıkar. Soğurulmış ışıma dozu Işıma dozu (radiation exposure),  1 kg kuru havada oluşturduğu iyon  yükünün coulomb cinsinden miktarı  Birimi: C/kg (SI sisteminde).  Eski birim : r (roentgen)  r = 2.58 x I0~4 C/kg dır.  Birim zamanda uygulanan ışıma dozuna  doz hızı denir.  SI: 1 C/(kg.s)  Eski birim: roentgen/sn, gün vb.  Activite    Aktivite, radyoaktif maddenin belirli bir zaman aralığındaki bozunma miktarıdır. Birim: becquerel (Bq), Parçalanma/sn (Sİ)  Eski birim: curie  1 curie: saniyede 3,7.1010 Bq Radyoterapide radyoaktif kaynakların aktivitesi: > 100 000 000 Bq Henry Becquerel Birim kütle başına depolanan enerji miktarıdır Birimi: gray (Gy)(SI sisteminde)  1 gray = 1 J/kg,  Eski birim: rad,  1 Gy = 100 rad Radyoterapide tedavi dozları:~ 50-60 Gy Eşdeğer doz (Normalized Doz)  1 Röntgenlik X veya  ışını ile aynı biyolojik etkiyi oluşturan herhangi bir radyasyon miktarıdır Vücutta toplanan enerjinin ifadesidir Birimi: sievert (Sv) (SI sisteminde)  . Madam Curie  Sievert (Sv) = 1 Joule/kg  Eski birim: rem,  rem = 0.01 Sv  1 Sv = 100 rem RADYASYON ÖLÇÜM SİSTEMLERİ - Radyasyonun varlığının anlaşılması duyu organları ile mümkün olmadığından, algılanması ve ölçümleri radyasyona hassas cihazlar ile yapılır. -Radyasyonun ölçülmesinin temeli, radyasyon ile maddenin etkileşmesi esasına dayanır. -Radyoaktif olarak bilinen atomların çekirdeği kararsız olduklarından radyoaktivite özelliği gösterirler. -Yani kararsız çekirdekler parçalanır ve parçalanma sonucu yeni bir çekirdek ve parçalanma ürünleri meydana gelir. -Atom çekirdeklerindeki bu değişiklikler sonucu radyasyon yayınlanır. RADYASYON BİYOFİZİĞİ 2023-2024 EĞİTİM ÖĞRETİM DÖNEMİ BŞEÜ TIP Fakültesi – DÖNEM 1, 3. KURUL BİYOFİZİK DERSİ 4. HAFTA Dr. Öğr. Üyesi Ramazan Çınar Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Tıp Fakültesi Biyofizik Anabilm Dalı 2023-2024 RADYASYONUN SAPTANMASI - Detektör Çeşitleri 1- Gazlı detektörler a. İyon Odası Sayacı b. Orantılı Sayıcı c. Gieger-Müller 2. Sintilasyon Detektör a. Solid Sintilasyon Sayacı b. Likid Sintilasyon Sayacı 3. Diğer detektörler a. Solit-State (yarı iletken) detektör b. Fotografik Emülsiyon c. Nötron Detektörü İyon Odası Dedektörü İyon odaları x, gama ışınları ve b parçacıklarından ölçümünde kullanılırlar. Düşük radyasyon şiddetine duyarlı olmamakla beraber yüksek doz şiddetlerini ölçmede son derece yararlıdır. Çeşitli radyasyonları ayırt etme özelliği yoktur. 60-300 volt’luk çalışma aralığında etkindir. Gaz olarak genellikle atmosfer basıncında hava kullanılır. Göstergeleri, genellikle C/kg.sn , (x)R/h veya (x)Sv/h