Natuurkunde Klas 5 Utrecht Stedelijk Gymnasium H10

Transcriptie

1 Natuurkunde Klas 5 Utrecht Stedelijk Gymnasium H10

2 Medische beeldvorming Waar gaan we het over hebben? Ioniserende straling Röntgenfotografie Nucleaire diagnostiek Overige technieken (CT-scan, MRI) Beeldbewerking

3 Medische beeldvorming Les Ioniserende straling EM-spectrum c = λ f Fotonenergie

4 Ontdekking van straling Negatief Gefixeerd zilver Foto Afbeelding van een hand met ring, een van de eerste röntgenfotos gemaakt door Wilhelm Röntgen in Röntgenstraling of X-rays worden opgewekt met een apparaat

5 3 soorten straling

6

7 Ioniserend vermogen bij doordringen van straling in een stof wordt energie afgegeven aan elektronen in de buitenste schillen van de atomen stralingsdeeltje (α,β) of foton (röntgen, γ) stoot bij botsing een elektron uit het atoom: ionisatie

8 Doordringend vermogen α- en β-straling: dracht dracht R: afstand waarover het stralingsdeeltje al zijn energie heeft afgegeven aan het materiaal hangt af van de soort straling, de energie van het stralings-deeltje en de dichtheid van het materiaal

9 Ioniserend, doordringend vermogen soort straling ioniserend vermogen doordringend vermogen α-straling groot klein β-straling matig matig röntgenstraling klein groot γ-straling klein groot

10 Video dracht en bescherming

11 Afbuiging

12 Aantal neutronen Verval wijze Aantal protonen

13

14 H2: Nucleaire diagnostiek Atoomkern (volgens Bohr) / nucleus

15 Atoombouw en isotopen A X Z Nucleonen p + n A massagetal Protonen p Z atoomnummer, Neutronen n N = A Z Wat is het verschil tussen 57 Co en 60 Co? Isotopen zijn atomen van hetzelfde chemische element, en dus met hetzelfde aantal protonen, waarin het aantal neutronen verschilt. De term is een samentrekking van twee Griekse woorden: isos (gelijk) en topos (plaats). Hiermee wordt benadrukt dat verschillende isotopen van hetzelfde element dezelfde plaats innemen in het periodiek systeem.

16 Atoombouw: Na-23 * Electronenschillen vullen van binnen naar buiten. * Resp. 2,8,18,32 plekken in de schillen Natrium; Z = protonen A=23 N=A-Z 23-11= 12 neutronen Elektrisch neutraal? aantal electronen = aantal protonen 11 electronen Vullen; in de buitenste schil Wanneer een binding gevormd wordt (2 electronen), raakt Na 1 electron kwijt. Het Ion is +1 positief geladen. Een Na+ ion.

17 α-verval

18 β-verval

19 β-verval

20 Vervalwijzen en γ-straling

21 γ straling Elektromagnetische (licht)golven A λ s = v. T λ = v T met f = 1 / T c = λ f λ de golflengte in meter c de lichtsnelheid: 2, m/s f de frequentie in Hz

22 Elektromagnetische (licht)golven A Bekijk de amplitude die bij A begint

23 Licht als deeltje: foton Energie Foton: E f = h f Constante van Planck h = 6, Js

24

25 Dosis

26 Klokhuis

27 Video dracht en bescherming

28 Afbuiging in een magneetveld

29 Afbuiging

30

31 Vervalreeks

32 Koolstof-14 meting

33

34 Absorptie en dikte (d½)

35 Absorptie en weefseltypen

36

37 Rekenen met logaritmen Vraag: bij welke dikte is de intensiteit 12,5%? Gegeven d ½ is 4,0 cm. Formule opzoeken die de gegevens linkt Toegepast op vraagstuk:

38 Vervolg rekenen met logaritmen Logaritme aan beide kanten nemen. Rekenregel toepassen Dus x = 3 d ½

39

40 Bij opgave 18

41 Halveringsdikte x/ d 1/2 1 1 I( x) I(0) of I( x) I(0) met n 2 2 n x d 1/2

42 Intensiteitsafname I( x) x I( x) Het oplossen van deze differentiaalvergelijking van de functie I(x) geeft;

43

44 Applet halveringstijd

45 Activiteit en halveringstijd Zoals je gezien hebt is radioactiviteit een kansproces. Het aantal kernen dat in t vervalt is dus evenredig met N(t). λ is de vervalconstante die afhangt van de atoomsoort. Deze differentiaal vergelijking heeft de onderstaande oplossing (2), wat je kunt controleren door invullen in (1).

46 Activiteit Het quotient in vergelijking (1) is het aantal kernen dat in t vervalt. Nemen we voor t één seconde dan is het quotient gelijk aan de activiteit A(t). De activiteit op een bepaald tijdstip hangt dus af van het aantal kernen N en de vervalconstante (λ). Combineren van (1), (2) en (3) levert A(t) als functie van t.

47 Halveringstijd Het aantal kernen en de activiteit als functie van de tijd kan je ook noteren met behulp van de halveringstijd t ½.

48 Halveringstijd

49 Applet halveringstijd

50 Radioactief verval

51 Halveringstijd Combineren van (2) en (5) levert het verband tussen de vervalconstante (λ) en de halveringstijd (t ½ ). Met behulp van de natuurlijke logaritme (ln), de inverse van de e-macht kan dit opgelost worden.

52 Halveringstijd of

53 Video halveringstijd

54 Activiteit in Bq Controle omrekenen λ en t ½ y = 42,772e -0,0042x λ = 0,0042 s 1 check 21 invullen t ½ = 165 sec Tijd in sec 10 2

55

56 Fosforscherm Het fosforscherm. De Röntgenstraling zorgt ervoor dat in het fosforscherm atomen licht geven. Dat licht geeft belichting van de filmemulsie.

57 Angiografie Angiogram van het hart. De naam komt van de Griekse woorden angeion en graphein. Angiografie betekent letterlijk "afbeelding van bloedvaten". Bron:

58 DSA Een DSA-opname van het hoofd. Links het maskerbeeld, midden het contrastbeeld, rechts het verschil tussen contrast- en maskerbeeld. De bloedvaten zijn nu zeer duidelijk te zien

59 Nucleaire diagnostiek Beeld van lichamelijke stofwisseling. Patient krijg lage dosis radiactieve stof toegediend.

60 Detectie Geiger-Müller telbuis gasgevulde metalen cilinder (kathode) met op de cilinderas een metalen draad (anode) spanning van 1 kv vooral gevoelig voor β-deeltjes deeltje veroorzaakt ionisatie van één of meer gasatomen vrijgemaakte elektronen versnellen naar anode en ioniseren daarbij meer gasatomen: er ontstaat een lawine van elektronen die een spanningspuls levert elektronische teller telt het aantal pulsen

61 Detectie Bellenvat vat met doorzichtige vloeistof temperatuur vloeistof vlak onder kookpunt invallende straling zorgt voor ionisaties door drukverlaging gaat de vloeistof spontaan koken: rond de ionen vormen zich dampbellen banen van de deeltjes zijn zichtbaar als bellenspoor gekromde banen onder invloed van magnetisch veld meestal wordt een foto van het bellenspoor gemaakt

62 Detectie Dradenkamer een rij dicht op elkaar liggende anode-draden is gespannen tussen twee kathode-platen invallende straling zorgt voor ionisaties de draden detecteren de door ionisatie vrijgekomen elektronen deeltje een computerprogramma berekent het ionisatiespoor kathode-platen anode-draden

63 Detectie Dosismeter bevat materiaal dat de energie van de invallende straling absorbeert vroeger een fotografische film na ontwikkelen bepaalt de zwarting de dosis tegenwoordig thermoluminescentie straling brengt atomen in aangeslagen toestand, na verhitting komt energie vrij in de vorm van licht: de lichtintensiteit bepaalt de dosis. uitvoering als badge

64

65 Nucleaire diagnostiek Leg na het maken van de oriëntatie opgave uit wat voor soort straling er gebruikt wordt in medisch onderzoek. Waarom wordt niet alle straling gebruikt?

66 Schaarste medische isotopen 17 feb 2010 (Bron: nos.nl) Voor het eerst in tientallen jaren is een nieuwe reactor toegevoegd aan de wereldwijde keten voor medische isotopen. Daarmee is een oplossing gevonden voor een dreigend tekort. De reactor in Petten, sluit eind deze week een halfjaar wegens onderhoud en reparatie. Reactor in Petten. Foto: ANP. Ook de reactor in Canada is al enige tijd niet beschikbaar. Deze reactor, nu gesloten vanwege reparatiewerkzaamheden, gaat in april weer open. De reactors in Canada en Petten zorgden voor ongeveer 65 procent van de wereldwijde aanvoer van medische isotopen.

67 Technetium-99m 1. Verbindingen van technetium-99m worden gebruikt in de nucleaire geneeskunde als radioactieve tracer in het lichaam. 2. Het is hiervoor geschikt omdat het voldoende energetische gammastraling (141 kev) uitzendt. 3. De korte fysische halfwaardetijd van ongeveer 6 uur maakt dat de patiënt slechts aan een beperkte hoeveelheid straling wordt blootgesteld. 4. De halveringstijd is lang genoeg om het tijdverschil tussen transport, toedienen en het maken van de foto te overbruggen.

68 Gammacamera

69 Formules

70

71 Ioniserende straling

72 Dosis & Equivalent dosis

73 Dosis en dosisequivalent de dosis D is de geabsorbeerde stralingsenergie per kilogram van het absorberende materiaal: E D = m str eenheid: gray (Gy) (1 Gy = 1J/kg) het dosisequivalent H is de dosis, gecorrigeerd voor het biologisch effect (of de aangerichte schade) van de verschillende soorten straling: H = QgD eenheid: sievert (Sv) weegfactor: Q α = 20 en Q β = Q γ = Q rö = 1

74 Equivalent dosis Bron Kosmische straling H (msv/jaar) 0,25 Bodem 0,05 Water en voedsel 0,35 Lucht 0,8 Bouwmaterialen 0,35 Bron Totaal 1,8 Bron: RIVM (2006) W R (weegfactor) α 20 β 1 γ 1

75 Stralingsniveau s rond de reactor

76 Stralingsniveau s rond de reactor Plaats van meting Buiten het gebouw Naast het gebouw In de reactor ruimte Boven het reactorbassin Stralingsbelasting 85,4 nsv/h 230 nsv/h 1,6 μsv/h 60 μsv/h Vraag 1: Controleer of de waarde van de stralingsbelasting gemeten buiten het gebouw overeenkomt met de jaarlijkse stralingsdosis van 1,8 msv/jaar. Vraag 2: Hoeveel uur mag een medewerker werken boven het bassin werken voor hij zijn jaarlijkse dosislimiet (50 msv) heeft bereikt.

77

78 Beschermingsmaatregelen het jaarlijkse dosisequivalent van zo n 2 msv als gevolg van de natuurlijke achtergrondstraling is onontkoombaar de ontvangen extra dosis moet zo laag mogelijk zijn en onder de dosislimiet blijven er zijn drie mogelijkheden om het stralingsrisico voor stralingswerkers te beperken: verkorten van de tijd dat de stralingswerker met de bron bezig is afscherming van de bron vergroten van de afstand tot de bron

79 Afwegen van risico s toepassingen moeten gerechtvaardigd zijn de ontvangen stralingsdosis moet zo laag mogelijk zijn en onder de dosislimiet blijven bij medisch diagnostische stralingstoepassingen steeds nagaan of er alternatieven zijn (zoals MRI of echoscopie) voor medisch therapeutische stralingstoepassingen (bestraling) geldt een andere afweging: het risico van niet behandelen tegenover het risico van de stralingsdosis deze stralingsdosis valt niet onder de dosislimiet

80 Achtergrondstraling

81 Bron, straling en ontvanger Bestraling versus besmetting

82 Stralingsbelasting

83

84 Echografie Ultrageluid zeer hoge frequentie Ultrageluid kaatst gedeeltelijk terug tussen weefsels met verschillende dichtheden (en dus verschillende snelheden)

85 Echografie

86 Doppler

87 Breking van geluid (extra) Schets voor situatie met licht

88 Opgave

89 Doppler effect De waarnemer hoort een hogere of lagere frequentie

90 Doppler formule (extra) Voor dopplerecho werk je met een factor twee voor de snelheid: 2 v bron i.p.v. v bron

91 Doppler effect Applet

92 Doppler

93 Echografie

94 Baby van 16 weken (4D echo)

95 Moderne 3D echo-foto (16 weken)

96 Echografie (Baby Baukje)

97 Echografie (Baby Baukje)

98

99 MRI-scan van de hersenen

100 MRI: Hoe klinkt dat?

101 MRI magneetveld

102 MRI magneetveld

103 Ct-scan/Cat-scan

104 Opengewerkte ct-scanner

105

106 Nina Communicatie 2010 Binair tellen Getal Binair getal Afspraken 1 byte = 8 bits 1 MB is één megabyte = byte 1 Mb is één megabit = bit, vroeger werd hier de factor 2 16 voor gebruikt =

107 Nina Communicatie 2010 Binair tellen (6-bits) Binair 2 (positie van de 1) - 1 Decimaal Binair 2 (positie van de 1) - 1 Decimaal

108 Nina Communicatie 2010 Binair/decimaal omzetten 9-bits getallen omzetten 2 (n 1) In Uit

109 Nina Communicatie 2010 Binair/decimaal omzetten 9-bits getallen omzetten 2 (n 1) In Uit

110 Nina Communicatie 2010 Binair/decimaal omzetten 9-bits getallen omzetten 2 (n 1) In Uit

111 Nina Communicatie 2010 Binair/decimaal omzetten 9-bits getallen omzetten 2 (n 1) In Uit

112 Nina Communicatie 2010 Binair/decimaal omzetten 9-bits getallen omzetten 2 (n 1) In Uit

113 Nina Communicatie 2010 Binair/decimaal omzetten 9-bits getallen omzetten 2 (n 1) In Uit

114 Nina Communicatie 2010 Binair/decimaal omzetten 9-bits getallen omzetten 2 (n 1) In Uit =106

115 Nina Communicatie 2010 Binair/decimaal omzetten 9-bits getallen omzetten 2 (n 1) In Uit

116 Nina Communicatie 2010 Binair/decimaal omzetten 9-bits getallen omzetten 2 (n 1) In Uit

117 Nina Communicatie 2010 Binair/decimaal omzetten 9-bits getallen omzetten 2 (n 1) In Uit =272

118 Nina Communicatie 2010 Binair/decimaal omzetten 9-bits getallen omzetten 2 (n 1) In Uit 57 niet niet niet

119 Nina Communicatie 2010 Binair/decimaal omzetten 9-bits getallen omzetten 2 (n 1) In Uit 57 32

120 Nina Communicatie 2010 Binair/decimaal omzetten 9-bits getallen omzetten 2 (n 1) In Uit

121 Nina Communicatie 2010 Binair/decimaal omzetten 9-bits getallen omzetten 2 (n 1) In Uit Nog 57-32

122 Nina Communicatie 2010 Binair/decimaal omzetten 9-bits getallen omzetten 2 (n 1) In Uit Nog 25

123 Nina Communicatie 2010 Binair/decimaal omzetten 9-bits getallen omzetten 2 (n 1) In Uit 57 Nog

124 Nina Communicatie 2010 Binair/decimaal omzetten 9-bits getallen omzetten 2 (n 1) In Uit 57 Nog

125 Nina Communicatie 2010 Binair/decimaal omzetten 9-bits getallen omzetten 2 (n 1) In Uit Nog 9

126 Nina Communicatie 2010 Binair/decimaal omzetten 9-bits getallen omzetten 2 (n 1) In Uit 57 Nog

127 Nina Communicatie 2010 Binair/decimaal omzetten 9-bits getallen omzetten 2 (n 1) In Uit 57 Nog

128 Nina Communicatie 2010 Binair/decimaal omzetten 9-bits getallen omzetten 2 (n 1) In Uit Nog 1

129 Nina Communicatie 2010 Binair/decimaal omzetten 9-bits getallen omzetten 2 (n 1) In Uit 57 Nog

130 Nina Communicatie 2010 Binair/decimaal omzetten 9-bits getallen omzetten 2 (n 1) In Uit 57 Nog

131 Nina Communicatie 2010 Binair/decimaal omzetten 9-bits getallen omzetten 2 (n 1) In Uit 57 Nog

132 Nina Communicatie 2010 Binair/decimaal omzetten 9-bits getallen omzetten 2 (n 1) In Uit 57 Nog

133 Wikipedia_logo_pixels.png ( pixels 1 pixel Medische beeldvorming

134 Pixels beeldscherm Usb-microscoop Vergroting 200x 1 pixel groen Medische beeldvorming

135 Afbeelding uit het boek blz. 72 Medische beeldvorming

136 This is not yellow Medische beeldvorming

137

138 Kernsplijting bij beschieting met neutronen kan een zware atoomkern splijten een voorbeeld is de splijting van de uraniumisotoop U-235: U+ n Ba + Kr + 3 n U+ n Xe + Sr + 2 n bij deze splijtingsreactie is sprake van een massa-defect: er komt energie vrij in de vorm van kinetische energie van de splijtingsproducten de splijtingsproducten zijn instabiel en vervallen onder uitzenden van α-, β- en/of γ-straling ISP Examenprogramma VWO

139 Kettingreactie bij de splijting van U-235 ontstaan twee of drie vrije neutronen deze vrije neutronen kunnen op hun beurt weer nieuwe uraniumkernen splijten: zo ontstaat een kettingreactie. ISP Examenprogramma VWO

140 Kernreactor in een kernreactor is sprake van een gecontroleerde kettingreactie van kernsplijtingen om energie vrij te maken: elke kernsplijting veroorzaakt één volgende kernsplijting de energie wordt gebruikt om stoom te maken de stoom drijft een turbine/ generator-combinatie aan de kerncentrale levert elektrische energie ISP Examenprogramma VWO