College 1
Biofysica
26-4-2024
Inleiding (ioniserende) straling
Straling = elke overdracht van energie vanuit een bron naar de omgeving zonder dat hiervoor een
medium nodig is.
Straling gaat dus over energie overdragen. Straling vertegenwoordigd een hoeveelheid energie,
dat gaat vanuit een bron en die bron kan van alles zijn, zoals een radioactieve stof zijn of een
toestel. Hier vandaan gaat het dus naar de omgeving. Dit kan een levend wezen zijn, lucht of
beton. Dit kan zonder dat hiervoor een medium nodig is.
Voorbeeld wel/geen medium:
Vacuüm: geen geluid
- Geluid heeft een medium nodig om doorheen te gaan. Bij vacuüm zal geluid zich niet kunnen
verplaatsen. Straling heeft geen medium nodig en kan dus wel door vacuüm. Zonlicht is ook
een vorm van staling en kan dus ook door een vacuüm ruimte.
Inleiding (ioniserende) straling (2)
Straling voor gebruik bij medische toepassingen:
• Kijken “in” de patiënt
- Radiodiagnostiek (dit gebruiken wij in de tandheelkunde)
X-foto
Meneer röntgen heeft dat meer dan 100 jaar geleden uitgevonden in 1895 met toeval.
Hij wist niet wat het was dus daarom heet het ook X-straling. Dus het is een vorm van
straling en de X is iets wat bij het onbekende hoorde, dus hij noemde dat zo. Dat zie je
nog steeds terug. Daarna kwamen ze er achter dat straling ook wat met het mensenlijk
lichaam doet. Het kan wijzigingen maken in het DNA en kan cellen doden. Dit laatste
wordt nu positief gebuikt om mensen mee te behandelen.
CT (scan)
- Nucleaire Geneeskunde
Hier worden radioactieve stoffen gebruikt, deze wordt gekoppeld (bv technetium) aan een
zoetstof en wordt vaak bij iemand ingespoten en door die zoetstof gaat de radioactieve
stof bv naar de botten toe of het wordt opgenomen en uitgescheiden door de nieren en op
dat moment straalt de patiënt eigenlijk straling uit en bij nucleaire geneeskunde vang je dat
op met een gamma camera. Dan ga je kijken hoe de verdeling van radioactieve stoffen. Je
hebt bepaalde zoetstoffen die ook door tumoren kunnen worden opgenomen en daarmee
kan je eventueel zien of iemand een bepaalde tumor heeft. Bij nucleaire geneeskunde kijk
je dus veel meer naar de fysiologie, van hoe werken organen en cellen, terwijl je bij
radiodiagnostiek veel meer kijken naar hoe het er uit ziet.
• Doden van cellen
- Radiotherapie (meer hoe het er uit ziet)
Vaak voor kanker patiënten met bepaalde tumoren die bestraalt worden en je een
bepaalde dosis geeft om uiteindelijk die tumorcellen te vernietigen. Het idee is dat het
gezonde weefsel daar zo min mogelijk last van heeft.
- Nucleaire Geneeskunde
Dit is voor 95% diagnostiek en voor 5% therapie en jodium therapie is daar het bekendste
van. Dat iemand een jodium slok krijgt en dat jodium wordt opgenomen in de schildklieren
en daarmee word de schildklier behandelt/ worden de tumor cellen afgeremd.
Straling wordt dus gebruik voor diagnostiek, kijken in de patiënt en therapie: het doden van cellen
en met name kwaadaardige cellen.
Ioniserende straling
Ioniserende straling zie, ruik, proef, hoor en voel (tenzij het heel veel wordt) je niet, maar de
straling is wel instaat om biologische effecten te veroorzaken. De dosis bij een BW of OPT is laag
en hoef je je niet heel veel zorgen over te maken. Je moet er wel voor zorgen dat je voor de
patiënt, jezelf en de omgeving een veilige situatie gecreëerd.
,Atoombouw
Kern/nucleus:
- Protonen (+)
- Neutronen (neutraal)
Elektronenwolk:
- Elektronen (-)
Protonen (Z = ook het atoomnummer, waardoor je weet welk element/stof je hebt) en neutronen
(N) worden ook wel nucleonen (A = massagetal) genoemd. Bv 1 proton is altijd waterstof. 2
protonen is helium enz. Z en de lettercombinatie hebben een directe relatie en daarom wordt Z
soms voor het gemak weg gelaten. Wanneer het atoom niet geladen is, is het aantal protonen
gelijk aan het aantal elektronen. De kern is bevat eigenlijk de massa van het geheel de elektronen
wegen niet zo veel.
De kern staat bij stabiele elementen vast en daar gebeurde onder invloed van straling niet zo veel,
maar straling an zich en met name röntgenstraling gaat ook heel erg in interactie met de
elektronen in de schillen, daarom is het zowel aan de kant van het opwekken van de straling als
de wisselwerking, is het van belang om dit te weten van het atoom.
Ionisatie/excitatie
Om de kern zit in het midden en daaromheen zitten schillen met elektronen.
De elektronen kunnen daar uiteindelijk ook weggeschoten worden. Dus als je
energie toevoegt, als daar iets tegen aan “botst”, kan een elektron uit het
atoom verwijdert worden. Als er bijvoorbeeld een energie pakketje aankomt
die dat elektron er uit schiet noemen we dat ionisatie. Dan hou je een ion
over en dat is eigenlijk een geladen deeltje. In principe zitten er altijd net
zoveel protonen in de kern, als elektronen in de schil als het hele atoom
ongeladen is. Een elektron kan ook onder invloed van energie verplaatst
worden naar een hoger gelegen schil, dat noemen we een excitatie.
Er is maar plek voor een bepaald aantal elektronen in de schillen. In de binnenste schil, ook wel
de K-schil genoemd, kunnen 2 elektronen zitten. In de tweede schil, de L-schil, kunnen 8. In de
M-schil zijn dat er 18 en er is maar plek voor een maximaal aantal elektronen. De elektronen willen
graag zo dicht mogelijk bij de kern zitten, dus als er een gat ontstaat in de K-schil, dan zal dat
opgevuld worden door een elektron uit een hoger gelegen schil.
Ionisatie = als een elektron uit het atoom verwijdert wordt
Excitatie = als een elektron naar een hoger gelegen schil wordt verplaatst
Radioactiviteit (valt niet binnen deze cursus). De kern is van belang als het
gaat over radioactiviteit/radioactieve stoffen
Kern kan stabiel of instabiel zijn.
De kerin is instabiel door:
- Of verhoudingen in nucleonen (protonen en neutronen) ‘onjuist’
- Of overschot aan energie
Als een kern instabiel is, dan vervalt hij. Dat verval kan op verschillende wijze. Bijvoorbeeld alfa
verval, beta verval of gamma verval. Op dat moment zend de kern een staling soort uit.
Soorten straling
Alfa beta of gamma zijn kernstralingen, dat is altijd ten gevolgen van een radioactieve stof. Die
stralingen worden uitgezonden door de kern van de radioactieve stof. In de media zeggen ze vaak
“radioactieve straling”, de straling is niet radioactief maar de stof is radioactief en het gevolg is
dat er ioniserende straling uitgezonden wordt. Stralingen kan je
verdelen in twee hoofdgroepen: deeltjes straling, die hebben
altijd een massa (alfa, beta, elektronen protonen straling). Ook
heb je elektromagnetische straling (= fotonen), dat zijn
massaloze energie pakketjes (radiogolven, microgolven, IR,
zichtbaar licht, UV-A, UV-B, UV-C, röntgen en gamma straling).
, Röntgenstraling en gamma straling zijn fysisch gezien dezelfde deeltjes. Het zijn beide energie
pakketjes en het verschil zit hem in de plaats van herkomst.
Gammastraling: wordt altijd uitgezonden door de kern van een radioactieve stof
Röntgenstraling: komt door energie verlies van elektronen, door de wisselwerking van elektronen
of beta- straling met materie komt er röntgenstraling.
Dus de plaatst van herkomst bepaald de naamgeving.
Ook zie je nog twee verschillen, namelijk ioniserend en niet-ioniserend. Niet-ioniserende straling is
niet instaat om ionisaties te veroorzaken. Op een gegeven moment komen de fotonen over een
bepaalde grens heen dat ze voldoende energie hebben om elektronen uit hun schil te schieten.
Als hij elektronen uit de schil schiet dan noemen we dat ioniserende straling en dat betekend dus
ook dat er een bepaalde wisselwerking is en als dat in het lichaam gebeurd dat er ook bepaalde
schade kan ontstaan.
Kenmerken EM-straling /fotonen
• Massaloze energiepakketjes (geen rustmassa)
• Eigenschappen van een golfbeweging (golflengte, frequentie, snelheid)
• Lichtsnelheid (de fotonen bewegen altijd met de lichtsnelheid, het\licht staat nooit stil)
• Energie (eV (elektrovolt) of J (joule)) heeft relatie met golflengte/frequentie
Golflengte is een dal en een berg. Frequentie is een hoeveelheid hertz en
trillingen per seconde. Dus in 1 seconde passen er een hoeveelheid golflengtes.
Radiogolven hebben relatief een hele lange golflengte en röntgenstraling en
gammastraling hebben een kleine golflengte.Daar
zie je bij dat als de golflengte kleiner wordt, de
frequentie hoger wordt en dat het energie pakketje
ook meer energie vertegenwoordigd. Dus de
energie die een foton heeft, heeft een directe relatie
met de golflengte of frequentie en of het wel of niet
ioniserend is.
• Ioniserend vermogen (drempel = 12,4 eV, dit is in het spectrum van UV (UV-C)
Zichtbaar licht (ongeveer 2 eV)
Röntgenstraling (ongeveer tot 150 keV)
De buisspanning (kV) heeft een directe relatie met de energie, de maximale energie, van
je röntgenstraling. Bij een BW stellen we ongeveer 60/70 kV buisspanning in.
Deeltjes versus EM-straling/fotonen verschillen
• Massa
• (Elektrische) lading (protonen zijn positief geladen, beta- starling heeft een negatieve
lading)
• Eigenschappen (verschillen (bv wisselwerking))
• Doordringbaarheid
Bij alfa (gevaarlijk als je het binnen krijgt) en beta is de afscherming makkelijker. Bij
gamma en röntgenstraling, bij energiepakketjes/fotonen is de afscherming lastiger
en eigenlijk is het zo dat je bij röntgenstraling en gamma straling eigenlijk je nooit in
z’n geheel kan afschermen. Alfa straling wel met papier of een paar cm lucht, bij beta enkele
cm plastic en bij gamma en röntgenstraling gaat altijd ergens doorheen, dat deel is op een
gegeven moment heel erg laag dat je het niet meer kan meten, maar theoretisch komt er
altijd iets doorheen, dat maakt het ook lastig om het af te schermen)
Wisselwerking - interactie
Hier zijn met name twee effecten van belang:
1. Het foto-elektrisch effect
- Komt met name voor bij een relatief lange foton energie
en een hoog Z getal.
2. Het compton effect
- Zul je met name zien als je energie wat hoger wordt of je
Z getal lager