Nötronlar kinetik enerjilerine göre aşağıdaki gibi sınıflandırılırlar Termal nötronlar (0.025 ev) Orta enerjili nötronlar (0.5-10 kev) Hızlı nötronlar (10 kev-10 MeV) Çok hızlı nötronlar (10 MeV in üzerinde)
Nötronların Madde İle Etkileşimi Nötronlar nispeten büyük olan kütlelerine karşın yüksüz olduklarından madde içine kolayca nüfuz ederler ve bir atomun elektron yapısından geçebilirler. Nötronlar ancak bir çekirdeğe çarpmayla durdurulurlar. Her türlü madde içindeki erişme uzaklıkları fazladır. Enerjilerine bağlı olarak madde ile 4 farklı yolla etkileşirler.
Nötronların Madde İle Etkileşimi 1- Esnek (elastik) çarpışma 2- Esnek olmayan (inelastik) çarpışma 3- Yakalanma olayı 4- Fisyon olayı
1- Esnek (elastik) çarpışma Hızlı nötronlar için en önemli enerji kaybı esnek çarpışmadır. Nötron, atomun nukleusu ile çarpışır. Nötronlar böyle bir çarpışmada başlangıçtaki kinetik enerjisinin büyük bir kısmını çekirdeğe aktarır. Nötron enerjisinin kaybıyla başka bir yönde hareket eder. Gelen Nötron, E o Nukleus Nötron, E
Çekirdeğin kütlesi ne kadar küçükse kinetik enerjisinin büyük bir kısmını alır. Elastik çarpışmalarda hidrojen gibi hafif çekirdekli atomlar hızlı ve çok hızlı nötronların enerji kaybında en etkili atomlardır. Gelen Nötron, E o Nukleus Nötron, E
2- Esnek olmayan (inelastik) çarpışma Ancak 1 MeV in üstündeki enerjiye sahip olan hızlı nötronlarla olabilir. Nötron anlık olarak nukleus tarafından yakalanır. Burada çarpışmadan sonra saçılan nötron, gelen nötrondan daha az enerji taşır ve yoluna devam eder. Çekirdek uyarılmış duruma geçer ve gama ışınları yayarak veya iyon çiftleri oluşturarak kararlı hale geçmeye çalışır. g-ışını Gelen Nötron Nukleus Saçılan Nötron
3- Yakalanma (nötron soğurulması) olayı Nötron, absorblayıcı materyalin nukleusu tarafından yakalanır. Sadece g-ışını yayınlanır. Yakalanma olasılığı nötronların enerjisi ile ters orantılıdır. Düşük enerjili (termal nötronlar) nötronlar daha yüksek yakalanma olasılığına sahiptir. g-ışını Termal Nötron Nukleus Na 23 Na 24
4-Fisyon olayı Her nötron enerjisinde mümkündür, ancak ısıl enerjilerde (0.025 ev) daha olası bir reaksiyondur. Gelen nötron çekirdekte tutulduğunda nötronun bağlanma enerjisi çekirdeğin fisyon engel yüksekliğini aşıyorsa fisyon gerçekleşir.
Nötronlar nerede kullanılır 1. Kanser tedavisinde 2. Radyoterapi ve görüntüleme amacıyla radyoaktif izotop üretiminde 3. Bilinmeyen elementlerin yapısının ve kompozisyonunun analiz edilmesinde 4. Nükleer enerjide
Nötronların radyoterapide kullanımı Nötronlar iyi bir tümör öldürme yeteneğine sahiptir. Nükleer etkileşimle başlıca olarak doku hasarı oluşturur. Nötronlar yüksek LET li radyasyonlar olup yüksek biyolojk etkiye sahiptir. Avantajları Tümörün onarım şansı daha azdır Genellikle daha düşük doz gerekir Radyasyona karşı dirençli tümörler için oldukça etkindir.
İyonizasyon ve Eksitasyon Yüksek enerjili radyasyonların madde ile etkileşimlerinde, enerji transferi için iki mekanizma vardır. Bunlar; iyonizasyon ve eksitasyondur.
İyonizasyonda yörünge elektronları molekülden fırlar.
Eksitasyonda ise elektronun bir üst yörüngeye geçmesi söz konusu olur.
İyonizasyon, iyonların meydana geliş olayıdır. İyonlaştırıcı olay, bir atomdan koparılmış elektronlarla geriye kalan pozitif iyondan meydana gelen (bir iyon çifti) olay olarak nitelendirilir. Koparılan elektron Pozitif iyon
Yüksek enerjili radyasyonların madde ile etkileşimlerindeki iyonizasyonda oluşan sekonder elektronlar yollarının sonuna doğru iyonizasyondan daha ziyade eksitasyona sebep olurlar. Radyasyonun bir elektronu koparacak enerjiye sahip olmadığı durumlarda eksitasyon primer olaydır. Bir elektronun, molekülün üst enerji düzeyli orbitallerine geçmesi ile o molekül elektronik olarak eksite olmuştur.
Foton ve hafif partiküllü radyasyonlar 1 MeV lik gama fotonlarının compton olayında fırlattığı elektronlar ortalama 400 kev lik enerjiye sahiptir. Compton olayındaki saçılmayla ve fotoelektrik etkiyle oluşan elektronlar daha sonraki iyonizasyon ve eksitasyona sebep olurken beta partikülleri gibi hareket eder.
Bu iyonizasyon işlemlerinin hepsi elektronları üretir ve hedef materyalin (+) yüklü iyonlarını verir. Ayrıca eksite molekülleri de verir. M M + + e - veya (M + )* + e - Radyasyon M M * Radyasyon
Elektronlar, sonunda maddenin başlıca bileşenlerinin en düşük iyonizasyon veya elektronik eksitasyon seviyesinin altına ulaşırlar. Bu sub-eksitasyon elektronları çok daha yavaş enerji kaybederler.
Radyoliz müddetince olayların dizilimi Radyoliz, maddenin iyonlaştırıcı radyasyonla kimyasal bozunmaya uğrayarak iyonlara, yüksek enerjili atom ve moleküllere ayrılması Madde ile radyasyonun etkileşmesi sonucu meydana gelen kimyasal ve fiziksel olayların sürelerini vermek mümkündür. İyonizasyon ve eksitasyon 10-17 -10-16 saniye Eksite durumların gevşemesi 10-15 -10-13 saniye Molekül titreşim periyodu 10-14 saniye
Lineer Enerji Transferi (LET) Radyasyonun birim yol boyunca kaybettiği enerjidir. Her µm başına kev olarak bırakılan enerji miktarıdır. Birimi kev/µm dir. LET partikülün ağırlığı ile artar ancak hızı ile azalır.
LET α X-RAYS
LET, her radyasyon tipinde farklıdır.
Lineer Enerji Transferi Biyolojik hedefin büyüklüğü ile ilgili olarak iyon kümelerin ayırımı Düşük LET Radyasyonu Gama ışınları İleri tedavi X-ışınları yumuşak X-ışını alfa-partikülü Yüksek LET Radyasyonu
Düşük LET li radyasyonların biyolojik dokulardaki hasarları: Dolaylı yolla olmaktadır
Yüksek LET li radyasyonların biyolojik dokulardaki hasarları: Doğrudan olmaktadır
Hücre sağ kalımı ve LET arasındaki ilişki
Düşük & Yüksek LET li radyasyonların Etkileşimi
Doğrudan Etkileşim Dolaylı Etkileşim
DNA üzerine iyonizan radyasyonun direkt ve indirekt etkisi 4 nm Ionizing Radiation on DNA H2O OH. e- p+ of foton İNDİREKT ETKİ foton 2 nm R. e- p+ DİREKT ETKİ