Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

FIZYKA i BIOFIZYKA Prezentacja do wykładu 5. Elementy fizyki jądrowej. Magnetyczny rezonans jądrowy. Dr Dorota Wierzuchowska.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "FIZYKA i BIOFIZYKA Prezentacja do wykładu 5. Elementy fizyki jądrowej. Magnetyczny rezonans jądrowy. Dr Dorota Wierzuchowska."— Zapis prezentacji:

1 FIZYKA i BIOFIZYKA Prezentacja do wykładu 5. Elementy fizyki jądrowej. Magnetyczny rezonans jądrowy. Dr Dorota Wierzuchowska

2 Fizyka i chemia są ze sobą ściśle powiązane i stanowią podstawę wszystkich innych nauk przyrodniczych. Fizyka i chemia są ze sobą ściśle powiązane i stanowią podstawę wszystkich innych nauk przyrodniczych. Chemia bada substancje i ich przemiany jakościowe, reakcje chemiczne na drodze których jedne związki chemiczne przechodzą w inne. Chemia bada substancje i ich przemiany jakościowe, reakcje chemiczne na drodze których jedne związki chemiczne przechodzą w inne.

3 Pierwiastek chemiczny-atom atom Podstawowym pojęciem w chemii jest pierwiastek chemiczny. Jest to substancja prosta, której nie da się metodami chemicznymi rozdzielić na składniki. Pierwiastek często jest definiowany jako zbiór atomów. Podstawowym pojęciem w chemii jest pierwiastek chemiczny. Jest to substancja prosta, której nie da się metodami chemicznymi rozdzielić na składniki. Pierwiastek często jest definiowany jako zbiór atomów. Atomy składają się z jądra i otaczających to jądro elektronów. Atomy składają się z jądra i otaczających to jądro elektronów.

4 Układ okresowy pierwiastków Układ okresowy pierwiastków

5 Tablica Mendelejewa w wersji anglojęzycznej, wykonana ściśle na wzór 5. edycji przygotowanej przez samego Mendelejewa w 1891 r Tablica Mendelejewa w wersji anglojęzycznej, wykonana ściśle na wzór 5. edycji przygotowanej przez samego Mendelejewa w 1891 r

6 Fizyka atomowa - dział fizyki zajmujący się stanami elektronowymi w atomie, a więc wszystkim co określa własności chemiczne ciał. Fizyka atomowa - dział fizyki zajmujący się stanami elektronowymi w atomie, a więc wszystkim co określa własności chemiczne ciał. Fizyka jądrowa - dział fizyki zajmujący się jądrami atomów, bada budowę i stabilność jąder. Fizyka jądrowa - dział fizyki zajmujący się jądrami atomów, bada budowę i stabilność jąder. jąder

7 Odkrycie jądra atomowego W roku 1911 Rutherford, angielski fizyk i chemik wykonał eksperyment potwierdzający istnienie jadra atomowego. Cząstki alfa przepuścił przez bardzo cienką złotą folię. Rozkład kątowy rozproszonych cząstek skłonił Rutherforda do wysnucia wniosku, że cała masa oraz dodatni ładunek atomu skupiony jest w bardzo niewielkiej objętości. W ten sposób potwierdził on eksperymentalnie istnienie jądra atomowego. W roku 1911 Rutherford, angielski fizyk i chemik wykonał eksperyment potwierdzający istnienie jadra atomowego. Cząstki alfa przepuścił przez bardzo cienką złotą folię. Rozkład kątowy rozproszonych cząstek skłonił Rutherforda do wysnucia wniosku, że cała masa oraz dodatni ładunek atomu skupiony jest w bardzo niewielkiej objętości. W ten sposób potwierdził on eksperymentalnie istnienie jądra atomowego.atomu

8 Eksperyment Rutherforda

9 Jądro atomowe to centralna część atomu zbudowana z jednego lub więcej protonów i neutronów, zwanych nukleonami. Jądra mają rozmiary rzędu – Jądro atomowe to centralna część atomu zbudowana z jednego lub więcej protonów i neutronów, zwanych nukleonami. Jądra mają rozmiary rzędu – m, co stanowi około 1/ rozmiaru i ponad 99,9% masy atomu. 1cm 3 materii jądrowej ma masę około 10 8 ton m, co stanowi około 1/ rozmiaru i ponad 99,9% masy atomu. 1cm 3 materii jądrowej ma masę około 10 8 ton

10 Jądro atomowe z X A –liczba nukleonów w jądrze Z –liczba protonów w jądrze

11 Jądro atomowe Jest układem nukleonów- protonów i neutronów. Liczba protonów określa ładunek elektryczny jądra, decyduje o tym jakiego pierwiastka chemicznego jest to atom i o przebiegu reakcji chemicznych. Jest układem nukleonów- protonów i neutronów. Liczba protonów określa ładunek elektryczny jądra, decyduje o tym jakiego pierwiastka chemicznego jest to atom i o przebiegu reakcji chemicznych.pierwiastka chemicznegoreakcji chemicznychpierwiastka chemicznegoreakcji chemicznych Liczba neutronów ma pewien wpływ na przebieg reakcji chemicznych poprzez tzw. efekt izotopowy, różne izotopy tego samego pierwiastka mają nieco inne własności chemiczne i fizyczne. Liczba neutronów ma pewien wpływ na przebieg reakcji chemicznych poprzez tzw. efekt izotopowy, różne izotopy tego samego pierwiastka mają nieco inne własności chemiczne i fizyczne.efekt izotopowyefekt izotopowy

12 Tabela nuklidów Tabela nuklidów przedstawia graficznie wszystkie znane nuklidy (jądra atomowe) o określonej liczbie protonów i neutronów. przedstawia graficznie wszystkie znane nuklidy (jądra atomowe) o określonej liczbie protonów i neutronów.znane nuklidyznane nuklidy Izotopy-atomy danego pierwiastka różniące się liczbami masowymi. Izotopy-atomy danego pierwiastka różniące się liczbami masowymi. Izotopy Izobary-atomy o tej samej liczbie masowej Izobary-atomy o tej samej liczbie masowej Izotony-atomy o tej samej liczbie neutronów Izotony-atomy o tej samej liczbie neutronów Izomery-o identycznej liczbie protonów i neutronów, jednakże różniące się stanem kwantowym Izomery-o identycznej liczbie protonów i neutronów, jednakże różniące się stanem kwantowymstanem kwantowymstanem kwantowym

13

14 Jednostki Jednostka masy atomowej u została zdefiniowana jako 1/12 masy atomu węgla 12 C Jednostka masy atomowej u została zdefiniowana jako 1/12 masy atomu węgla 12 C u=1, x kg wyrażona w elektronowoltach wyrażona w elektronowoltach u=931,48 MeV Ładunek elementarny e (ładunek elektronu) Ładunek elementarny e (ładunek elektronu) e=1, (14)x C

15 Elektronowolt Elektronowolt (eV) – jednostka energii stosowana w fizyce. Elektronowolt (eV) – jednostka energii stosowana w fizyce. Jeden elektronowolt jest to energia, jaką uzyskuje elektron będąc przyspieszonym różnicą potencjałów równą 1 woltowi: Jeden elektronowolt jest to energia, jaką uzyskuje elektron będąc przyspieszonym różnicą potencjałów równą 1 woltowi: 1eV=1e · 1V 1, × J 1 J 6, (53) ×10 18 eV

16 Proton Przyjmuje się, że proton posiada elementarny, dodatni ładunek elektryczny i masę atomową równą 1, zapisywany jako +p1 lub H +. Przyjmuje się, że proton posiada elementarny, dodatni ładunek elektryczny i masę atomową równą 1, zapisywany jako +p1 lub H +.ładunek elektrycznyładunek elektryczny Masa spoczynkowa: Masa spoczynkowa: m p = 1, (29) x kg = 938,272029(80) MeV/c² = 1, u m p = 1, (29) x kg = 938,272029(80) MeV/c² = 1, uMeVcuMeVcu Spin: 1/2 Spin: 1/2 Spin Samotny proton to jądro 1 H, proton związany z neutronem to jądro deuteru - ²H (deuteron). Liczba protonów w jądrze danego atomu to jego liczba atomowa, Samotny proton to jądro 1 H, proton związany z neutronem to jądro deuteru - ²H (deuteron). Liczba protonów w jądrze danego atomu to jego liczba atomowa, 1 Hneutronemdeuteruliczba atomowa 1 Hneutronemdeuteruliczba atomowa

17 Neutron Neutron (z łac neuter "obojętny" ) jest obojętny elektrycznie. Neutron (z łac neuter "obojętny" ) jest obojętny elektrycznie. masa spoczynkowa wynosi ok. 1, u, czyli 1, x kg (jest nieco większa od masy protonu). masa spoczynkowa wynosi ok. 1, u, czyli 1, x kg (jest nieco większa od masy protonu). Spin: 1/2 Spin: 1/2 Spin Neutrony występujące poza jądrem nie są stabilne, ale rozpadają się bardzo wolno (jak na cząstkę subatomową), jego średni czas życia to 885,7 s (ok. 15 min.): Neutrony występujące poza jądrem nie są stabilne, ale rozpadają się bardzo wolno (jak na cząstkę subatomową), jego średni czas życia to 885,7 s (ok. 15 min.):średni czas życiaśredni czas życia Według tego schematu zachodzi rozpad promieniotwórczy "beta". Według tego schematu zachodzi rozpad promieniotwórczy "beta".

18 Siły jądrowe Oddziaływania silne wiążą nukleony w jądrze Oddziaływania silne wiążą nukleony w jądrze Mają krótki zasięg, do 2x m, dla odległości mniejszych niż m są siłami odpychającymi, powyżej-przyciągającymi. Mają krótki zasięg, do 2x m, dla odległości mniejszych niż m są siłami odpychającymi, powyżej-przyciągającymi. Nie są centralne, zależą również od orientacji spinów Nie są centralne, zależą również od orientacji spinów Mają właściwość wysycania Mają właściwość wysycania Wielkość tych sił prawie nie zależy od ładunku Wielkość tych sił prawie nie zależy od ładunku

19 Modele jądrowe Kroplowy-jądra są kuliste jak krople cieczy, nukleony w jądrze zachowują się jak cząsteczki w cieczy. Kroplowy-jądra są kuliste jak krople cieczy, nukleony w jądrze zachowują się jak cząsteczki w cieczy. Powłokowy-nukleony wewnątrz jądra mogą przyjmować tylko stany energetyczne zgodne z energiami kolejnych powłok. Powłokowy-nukleony wewnątrz jądra mogą przyjmować tylko stany energetyczne zgodne z energiami kolejnych powłok. Kolektywny-nukleony łączą się w grupy tworząc nowe cząstki wewnątrz jądra Kolektywny-nukleony łączą się w grupy tworząc nowe cząstki wewnątrz jądra

20 Deficyt masy Deficyt masy ) - różnica Δm między sumą mas nukleonów wchodzących w skład jądra atomowego, a masą jądra. Iloczyn niedoboru masy i kwadratu prędkości światła w próżni jest równy energii wiązania jądra Deficyt masy (niedobór masy, defekt masy) - różnica Δm między sumą mas nukleonów wchodzących w skład jądra atomowego, a masą jądra. Iloczyn niedoboru masy i kwadratu prędkości światła w próżni jest równy energii wiązania jądraenergii wiązania jądraenergii wiązania jądra ΔE= Δm c 2 = {[Zm p + (A-Z)m n ]-m j }c 2 ΔE= Δm c 2 = {[Zm p + (A-Z)m n ]-m j }c 2 gdzie: gdzie: nuklid zawierający N neutronów i Z protonów (N+Z = A) nuklid zawierający N neutronów i Z protonów (N+Z = A) nuklid m p =1, masa protonu w jednostkach masy atomowej m p =1, masa protonu w jednostkach masy atomowejprotonujednostkach masy atomowejprotonujednostkach masy atomowej m n =1, masa neutronu m n =1, masa neutronuneutronu m j - masa jądra nuklidu m j - masa jądra nuklidu c = 3·108 m/s - prędkość światła w próżni c = 3·108 m/s - prędkość światła w próżni

21 Energia wiązania Energia wiązania

22 Reakcje jądrowe Reakcje jądrowe Reakcja fuzji termojądrowej, jądra deuteru i trytu łączą się, powstaje jądro helu, neutron i wydzielana jest energia. Reakcja fuzji termojądrowej, jądra deuteru i trytu łączą się, powstaje jądro helu, neutron i wydzielana jest energia.

23 Promieniotwórczość Reakcje jądrowe spontaniczne- promieniotwórczość naturalna Reakcje jądrowe spontaniczne- promieniotwórczość naturalna Reakcje jądrowe wymuszone- promieniotwórczość sztuczna Reakcje jądrowe wymuszone- promieniotwórczość sztuczna

24 Prawo rozpadu promieniotwórczego Dla każdego jądra promieniotwórczego istnieje określone prawdopodobieństwo, że ulegnie ono przemianie promieniotwórczej w danym czasie. Dla każdego jądra promieniotwórczego istnieje określone prawdopodobieństwo, że ulegnie ono przemianie promieniotwórczej w danym czasie. Liczba atomów dN, które rozpadną się w ciągu krótkiego czasu dt wynosi: Liczba atomów dN, które rozpadną się w ciągu krótkiego czasu dt wynosi: dN=- N dt Jeżeli N o to liczba atomów w chwili t=0, to po czasie t pozostanie N atomów jakie się nie rozpadły Jeżeli N o to liczba atomów w chwili t=0, to po czasie t pozostanie N atomów jakie się nie rozpadły N(t)= N o e - t

25 Okres połowicznego rozpadu Jest to czas T po jakim rozpadnie się połowa jąder istniejących w chwili czasu t=0. Jest to czas T po jakim rozpadnie się połowa jąder istniejących w chwili czasu t=0. N o /2= N o e - T T=ln2/ T=ln2/ T zawiera się w granicach od 3x10 -7 s do 1,4x10 27 lat T zawiera się w granicach od 3x10 -7 s do 1,4x10 27 lat

26 Aktywność A Aktywność jest to liczba przemian jądrowych N zachodzących w czasie t Aktywność jest to liczba przemian jądrowych N zachodzących w czasie t A= N/ t Jednostką aktywności w układzie SI jest jeden bekerel -Bq. Aktywność 1Bq ma preparat w którym zachodzi w czasie 1 sekundy jeden rozpad promieniotwórczy Jednostką aktywności w układzie SI jest jeden bekerel -Bq. Aktywność 1Bq ma preparat w którym zachodzi w czasie 1 sekundy jeden rozpad promieniotwórczy

27 Rozpad alfa Rozpad alfa Rozpad alfa (przemiana α) - przemiana jądrowa, w której emitowana jest cząstka α (jądro helu 4 2 He 2+ ). Strumień emitowanych cząstek alfa przez rozpadające się jądra to promieniowanie alfa. W wyniku tej reakcji powstające jądro ma liczbę atomową mniejszą o 2, a liczbę masową o 4 od rozpadającego się jądra. Rozpad alfa (przemiana α) - przemiana jądrowa, w której emitowana jest cząstka α (jądro helu 4 2 He 2+ ). Strumień emitowanych cząstek alfa przez rozpadające się jądra to promieniowanie alfa. W wyniku tej reakcji powstające jądro ma liczbę atomową mniejszą o 2, a liczbę masową o 4 od rozpadającego się jądra.przemiana jądrowacząstka αhelupromieniowanie alfaliczbę atomową liczbę masowąprzemiana jądrowacząstka αhelupromieniowanie alfaliczbę atomową liczbę masową

28 Rozpad beta Rozpad beta to przemiana nukleonu w inny nukleon, zachodząca pod wpływem oddziaływania słabego. Wyróżniamy nastepujące rodzaje tego rozpadu: Rozpad beta to przemiana nukleonu w inny nukleon, zachodząca pod wpływem oddziaływania słabego. Wyróżniamy nastepujące rodzaje tego rozpadu: rozpad β (beta minus) rozpad β (beta minus) rozpad β + (beta plus) rozpad β + (beta plus) wychwyt K. wychwyt K.

29 Rozpad beta minus Rozpad β - polega na przemianie neutronu w proton z emisją elektronu i antyneutrina elektronowego według schematu: Rozpad β - polega na przemianie neutronu w proton z emisją elektronu i antyneutrina elektronowego według schematu:

30 Rozpad beta plus Rozpad beta plus Rozpad β polega na przemianie protonu w neutron z emisją pozytonu i neutrina elektronowego według schematu: Rozpad β polega na przemianie protonu w neutron z emisją pozytonu i neutrina elektronowego według schematu:

31 Wychwyt K Wychwyt elektronu - przemiana jądrowa, w której jeden z elektronów atomu jest przechwytywany przez proton z jądra atomowego, w wyniku czego powstaje neutron (pozostający w jądrze) i neutrino elektronowe, które jest emitowane. Wychwyt elektronu - przemiana jądrowa, w której jeden z elektronów atomu jest przechwytywany przez proton z jądra atomowego, w wyniku czego powstaje neutron (pozostający w jądrze) i neutrino elektronowe, które jest emitowane.

32 Promieniowanie gamma Promieniowanie gamma to wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego powstające w wyniku przemian jądrowych, o energii kwantu większej od 10 keV, co odpowiada częstotliwości większej od 2,42EHz (eksaherc herca), a długości fali mniejszej od Promieniowanie gamma to wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego powstające w wyniku przemian jądrowych, o energii kwantu większej od 10 keV, co odpowiada częstotliwości większej od 2,42EHz (eksaherc herca), a długości fali mniejszej od 124 pm, jonizujące i przenikliwe. Zakres ten częściowo pokrywa się z zakresem promieniowania rentgenowskiego. 124 pm, jonizujące i przenikliwe. Zakres ten częściowo pokrywa się z zakresem promieniowania rentgenowskiego.

33 Przenikliwość promieniowania

34 Promieniowanie jonizujące wszystkie rodzaje promieniowania, które wywołują jonizację ośrodka materialnego, tj. oderwanie przynajmniej jednego elektronu od atomu lub cząsteczki albo wybicie go ze struktury krystalicznej. Promieniowania alfa, beta, gamma oraz promieniowanie elektromagnetyczne o energii większej od energii światła widzialnego. wszystkie rodzaje promieniowania, które wywołują jonizację ośrodka materialnego, tj. oderwanie przynajmniej jednego elektronu od atomu lub cząsteczki albo wybicie go ze struktury krystalicznej. Promieniowania alfa, beta, gamma oraz promieniowanie elektromagnetyczne o energii większej od energii światła widzialnego.

35 Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z materia Jonizacja Jonizacja Wzbudzenie optyczne (fluorescencja i fosforescencja) Wzbudzenie optyczne (fluorescencja i fosforescencja) wtórne rentgenowskie promieniowanie charakterystyczne wtórne rentgenowskie promieniowanie charakterystyczne Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne i wewnętrzne Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne i wewnętrzne Zjawisko Comptona Zjawisko Comptona Rozpraszanie Rozpraszanie Tworzenie par Tworzenie par

36 Oddziaływanie promieniowania korpuskularnego z materią Cząstki naładowane: Jonizacja bezpośrednia poprzez oddziaływania kulombowskie Jonizacja bezpośrednia poprzez oddziaływania kulombowskie Wzbudzenie optyczne i rentgenowskie Wzbudzenie optyczne i rentgenowskie Cząstki nienaładowane: Jonizacja wtórna Jonizacja wtórna Powstawanie jonizujących jąder odrzutu Powstawanie jonizujących jąder odrzutu Zapoczątkowanie reakcji rozszczepienia, rozpraszanie niesprężyste, wychwyt Zapoczątkowanie reakcji rozszczepienia, rozpraszanie niesprężyste, wychwyt

37 Radiobiologia Badanie skutków działania promieniowania na organizmy żywe Badanie skutków działania promieniowania na organizmy żywe Skutki mogą być Skutki mogą być genetyczne- uszkodzenie DNA genetyczne- uszkodzenie DNA somatyczne- bezpośrednie uszkodzenie komórek somatyczne- bezpośrednie uszkodzenie komórek

38 Napromieniowanie może nastąpić poprzez źródła: może nastąpić poprzez źródła: zewnętrzne- aparatura rentgenowska i izotopy wykorzystywane w medycynie, technice i przemyśle, zwiększona zawartość izotopów na niektórych terenach zewnętrzne- aparatura rentgenowska i izotopy wykorzystywane w medycynie, technice i przemyśle, zwiększona zawartość izotopów na niektórych terenach wewnętrzne- nuklidy które zostały wprowadzone do organizmu przypadkowo lub celowo przy wykonywaniu badań medycznych wewnętrzne- nuklidy które zostały wprowadzone do organizmu przypadkowo lub celowo przy wykonywaniu badań medycznych

39 Działanie promieniowania na organizmy żywe Bezpośrednie- uszkodzenie cząsteczek i struktur np. zmiana kodu DNA, rozerwanie łańcucha polimerów. Bezpośrednie- uszkodzenie cząsteczek i struktur np. zmiana kodu DNA, rozerwanie łańcucha polimerów. Pośrednie- radioliza wody, produkcja wolnych rodników i wody utlenionej, utlenianie nienasyconych kwasów tłuszczowych, reakcje prowadzące do rozpadu białek, zakłócenie czynności życiowych, śmierć. Pośrednie- radioliza wody, produkcja wolnych rodników i wody utlenionej, utlenianie nienasyconych kwasów tłuszczowych, reakcje prowadzące do rozpadu białek, zakłócenie czynności życiowych, śmierć.

40 Wrażliwość narządów na promieniowania jonizujące Grupa I Gonady i szpik czerwony Grupa II Mięśnie, tkanka tłuszczowa, wątroba, śledziona, nerki, przewód pokarmowy, płuca Grupa III Kości, tarczyca, skóra Grupa IV Ręce, przedramiona, stopy

41 Zastosowania w medycynie, biologii i ochronie środowiska W terapii nowotworów napromieniowanie zewnętrzne (bomba kobaltowa) i wewnętrzne (igły radowe) W terapii nowotworów napromieniowanie zewnętrzne (bomba kobaltowa) i wewnętrzne (igły radowe) Badanie struktury i funkcji narządów za pomocą substancji znakowanych Badanie struktury i funkcji narządów za pomocą substancji znakowanych Metody badawcze: metoda rozcieńczeniowa i analiza aktywacyjna Metody badawcze: metoda rozcieńczeniowa i analiza aktywacyjna

42 Ochrona przed skutkami działania promieniowania Stosowanie osłon Stosowanie osłon Zachowanie bezpiecznej odległości od źródeł Zachowanie bezpiecznej odległości od źródeł Skrócenie czasu pracy ze źródłami promieniowania Skrócenie czasu pracy ze źródłami promieniowania Dozymetria Dozymetria Badania okresowe Badania okresowe

43 SPIN Spin jest to własny, nie wynikający z ruchu danej cząstki względem innych cząstek, lecz tylko z samej natury tej cząstki, moment pędu w układzie, w którym ona spoczywa. Spin jest to własny, nie wynikający z ruchu danej cząstki względem innych cząstek, lecz tylko z samej natury tej cząstki, moment pędu w układzie, w którym ona spoczywa. Dla elektronu, protonu czy neutronu liczba ta jest oznaczana symbolem "s" i może przyjmować wartość ułamkową ½. Dla elektronu, protonu czy neutronu liczba ta jest oznaczana symbolem "s" i może przyjmować wartość ułamkową ½.

44 Spin jądrowy Niezerowy spin jądrowy posiadają atomy o nieparzystej liczbie nukleonów (np. wodór 1-H, węgiel 13-C, azot 15-N, tlen 17-O, fluor 19-F, sód 23-Na i fosfor 31-P). W uproszczeniu spin jądrowy zawiązany jest z rotowaniem jądra wokół własnej osi i z wewnętrznym momentem pędu jądra. Każde jądro jest obdarzone dodatnim ładunkiem elektrycznym, stąd jego spin generuje bardzo słabe pole magnetyczne i jest źródłem momentu magnetycznego μ. Niezerowy spin jądrowy posiadają atomy o nieparzystej liczbie nukleonów (np. wodór 1-H, węgiel 13-C, azot 15-N, tlen 17-O, fluor 19-F, sód 23-Na i fosfor 31-P). W uproszczeniu spin jądrowy zawiązany jest z rotowaniem jądra wokół własnej osi i z wewnętrznym momentem pędu jądra. Każde jądro jest obdarzone dodatnim ładunkiem elektrycznym, stąd jego spin generuje bardzo słabe pole magnetyczne i jest źródłem momentu magnetycznego μ.

45 Magnetyczny rezonans jądrowy Podstawą zjawiska MRJ jest oddziaływanie spinów jądrowych z polami magnetycznymi: Podstawą zjawiska MRJ jest oddziaływanie spinów jądrowych z polami magnetycznymi: stałym polem magnetycznym B z, które jest wytwarzane magnesami, stałym polem magnetycznym B z, które jest wytwarzane magnesami, zmiennym polem magnetycznym B xy, skierowanym prostopadle do osi z zmiennym polem magnetycznym B xy, skierowanym prostopadle do osi z zmiennymi polami lokalnymi generowanymi przez sąsiednie jądra atomów oraz znajdujące się na nich chmury elektronowe. zmiennymi polami lokalnymi generowanymi przez sąsiednie jądra atomów oraz znajdujące się na nich chmury elektronowe.

46 Precesja momentów magnetycznych W polu magnetycznym orientacja wektora momentu magnetycznego jądra podlega kwantyzacji przestrzennej, dozwolone są tylko pewne ustawienia względem kierunku pola. Związane są z tym dozwolone poziomy energetyczne W polu magnetycznym orientacja wektora momentu magnetycznego jądra podlega kwantyzacji przestrzennej, dozwolone są tylko pewne ustawienia względem kierunku pola. Związane są z tym dozwolone poziomy energetyczne Momenty magnetyczne wykonują precesję względem kierunku tego pola z częstością: Momenty magnetyczne wykonują precesję względem kierunku tego pola z częstością: = B z = B z

47 Magnetyzacja Wypadkowy wektor magnetyzacji próbki jest złożeniem poszczególnych momentów magnetycznych jąder. Ma on kierunek osi z (zewnętrznego pola magnetycznego B z ). Wypadkowy wektor magnetyzacji próbki jest złożeniem poszczególnych momentów magnetycznych jąder. Ma on kierunek osi z (zewnętrznego pola magnetycznego B z ).

48 Warunki rezonansu Po zadziałaniu impulsu prostopadłego do B z zmiennego pola magnetycznego o częstości następuje rezonansowe pochłanianie energii pola magnetycznego i przejścia jąder pomiędzy dozwolonymi stanami energetycznymi. Wektor magnetyzacji obraca się, maleje magnetyzacja wzdłuż osi z, pojawia się magnetyzacja prostopadła w płaszczyźnie xy Po zadziałaniu impulsu prostopadłego do B z zmiennego pola magnetycznego o częstości następuje rezonansowe pochłanianie energii pola magnetycznego i przejścia jąder pomiędzy dozwolonymi stanami energetycznymi. Wektor magnetyzacji obraca się, maleje magnetyzacja wzdłuż osi z, pojawia się magnetyzacja prostopadła w płaszczyźnie xy

49 Relaksacja Następnie w wyniku tzw. procesów relaksacji następuje odnowienie magnetyzacji podłużnej (relaksacja podlużna) i zanik magnetyzacji poprzecznej (relaksacja poprzeczna). Następnie w wyniku tzw. procesów relaksacji następuje odnowienie magnetyzacji podłużnej (relaksacja podlużna) i zanik magnetyzacji poprzecznej (relaksacja poprzeczna).

50 Sygnał zaniku swobodnej precesji Rejestrowany jest tzw. sygnału zaniku swobodnej precesji (ang. Free Induction Decay, FID), który niesie w sobie informację m.in. o oddziaływaniach spinowych oraz o procesach relaksacji (pośrednio o dynamice molekularnej). Oddziaływania spinowe to przede wszystkim oddziaływania spinów jądrowych z dodatkowym polem magnetycznym, zmieniającym warunki rezonansowe w poszczególnych obszarach próbki. Dodatkowe pole, tzw. pole lokalne, wytworzone jest przez obsadzone orbitale elektronowe Rejestrowany jest tzw. sygnału zaniku swobodnej precesji (ang. Free Induction Decay, FID), który niesie w sobie informację m.in. o oddziaływaniach spinowych oraz o procesach relaksacji (pośrednio o dynamice molekularnej). Oddziaływania spinowe to przede wszystkim oddziaływania spinów jądrowych z dodatkowym polem magnetycznym, zmieniającym warunki rezonansowe w poszczególnych obszarach próbki. Dodatkowe pole, tzw. pole lokalne, wytworzone jest przez obsadzone orbitale elektronoweorbitale

51 Obrazowanie MRJ Podstawą obrazowania jest wykorzystanie tzw. gradientów pola magnetycznego, które różnicują pole wewnątrz obrazowanego obiektu. Pozwala to na spełnienie selektywnych warunków rezonansowych i rejestrację sygnału z wybranych fragmentów obiektu. MRI jest dzisiaj podstawową metodą diagnostyczną. Podstawą obrazowania jest wykorzystanie tzw. gradientów pola magnetycznego, które różnicują pole wewnątrz obrazowanego obiektu. Pozwala to na spełnienie selektywnych warunków rezonansowych i rejestrację sygnału z wybranych fragmentów obiektu. MRI jest dzisiaj podstawową metodą diagnostyczną.

52 Aparatura do wykonywania rezonansu magnetycznego

53 Obrazowanie MRJ Animowana sekwencja przekrojów strzałkowych ludzkiego mózgu Animowana sekwencja przekrojów strzałkowych ludzkiego mózgu

54 Obrazowanie MRJ Angiografia MR. Angiografia MR.Angiografia Skan fMRI mózgu Skan fMRI mózgu

55 Serce myszy – projekcja czterojamowa


Pobierz ppt "FIZYKA i BIOFIZYKA Prezentacja do wykładu 5. Elementy fizyki jądrowej. Magnetyczny rezonans jądrowy. Dr Dorota Wierzuchowska."

Podobne prezentacje


Reklamy Google