Nucleaire Geneeskunde heeft tal van mogelijkheden. Niet alleen kunnen er diagnoses mee worden gesteld, maar het heeft ook een toepassing in het genezen van patiënten. Denk maar aan bestraling bij patiënten met tumoren. We beginnen dit hoofdstuk met een patiënt waarbij de Nucleaire Geneeskunde ingezet wordt voor de diagnose.
Mevrouw de Wit heeft een aantal klachten, zij heeft het snel koud, wordt zwaarder, voelt zich vaak sloom en heeft een vertraagde hartslag. Na verschillende onderzoeken stuurt de huisarts haar door naar de specialist voor verder onderzoek. Deze besluit een scintigram van haar schildklier te maken.
Voor het onderzoek krijgt mevrouw de Wit een radioactief isotoop van Jodium ingespoten namelijk Jodium-123.
Dit Jodium-123 verzamelt zich in de schildklier, omdat voor de vorming van het schildklierhormoon Jodium nodig is.
Opdracht 1
Wat is een isotoop?
Atoombouw
Niels Bohr
Veel van de technieken die gebruikt worden bij het kijken in je lichaam maken gebruik van eigenschappen van atomen. Al heel lang denken mensen na over hoe materie eruit ziet . De Grieken hadden al voorstellingen voor het 'inwendige' van alle materie. Empedocles dacht dat alle materie was opgebouwd uit de vier elementen: vuur, water, lucht en aarde. Plato hield het erop dat je materie tot in het oneindige kon delen. Degene die al een notie had van hoe het werkelijk zat was Democritus. Hij ging ervan uit dat je niet verder kon gaan dan het ondeelbare stukje materie: het atoom, afgeleid van het Griekse atomos dat ondeelbaar betekent. Na de Grieken hebben nog meer mensen zich met het atoom bezig gehouden Niels Bohr, maar pas in de negentiende en twintigste eeuw is het huidige model voor atomen ontstaan. Dit model is nog niet helemaal af en wordt nog steeds bijgesteld door de uitkomsten van allerlei nieuw onderzoek.
Voor de werking van apparaten in het ziekenhuis is het atoommodel van de Deen Niels Bohr voldoende. Hoewel het niet de perfecte omschrijving van een atoom geeft is het wel geschikt om verschijnselen als Röntgenstaling en radioactiviteit te verklaren.
Atomen Atomen bestaan uit protonen, neutronen en elektronen. Volgens het model van Bohr zitten de protonen en neutronen in de kern en zweven de elektronen in banen rond de kern.
Het aantal protonen in de kern geeft aan welk element het is. Het aantal neutronen en protonen in de kern vertelt iets over de massa van het atoom. Het aantal protonen en neutronen samen wordt het massagetal genoemd. Er geldt de volgende formule:
\(A = Z + N\)
\(\tiny{ \text{Met:}\\ A\text{ is het massagetal (het aantal kerndeeltjes)}\\ Z \text{ is het atoomnummer (het aantal protonen)}\\ N \text{ is het aantal neutronen} }\)
Kernen met een gelijk aantal protonen maar een verschillend aantal neutronen heten isotopen (isotoop betekent 'dezelfde plaats' in het periodiek systeem). Deze kernen hebben hetzelfde atoomnummer Z, maar een verschillend massagetal A
Opdracht 2
Geef een omschrijving van de volgende begrippen:
Neutron
Proton
Elektron
Opdracht 3
Leg het verband tussen atoomnummer en massagetal uit aan de hand van de formule A = N + Z. Geef aan wat de letters A, N en Z betekenen.
Opdracht 4
Wat bepaalt het atoomsoort: het aantal protonen, elektronen en/of neutronen?
Wat is een isotoop?
Opdracht 5
Geef de opbouw (aantal protonen, neutronen en elektronen) van de volgende atomen:
\(^{28}_{14}\text{Si}\)
\(^{184}_{74}\text{W}\)
\(^{19}_{9}\text{F}\)
\(^{128}_{53}\text{I}\)
\(^{238}_{92}\text{U}\)
Straling
De Frans-Poolse onderzoekster Madame Curie heeft aan het eind van de 19e eeuw onderzoek gedaan naar ondermeer nieuwe elementen . Zij ontdekte dat er van die elementen straling afkwam in de vorm van deeltjes. Om ze een naam te geven heeft ze de eerste drie letters van het Griekse alfabet gebruikt. Deze namen zijn blijven bestaan. De eerst ontdekte vorm heet dus alfa-straling de tweede en de derde respectievelijk beta- en gamma-straling.
Bij verder onderzoek is gebleken dat deze deeltjes uit de kern van het atoom kwamen. Deze straling wordt daarom ook wel kernstraling genoemd. Doordat het atoom deeltjes uit de kern verliest wordt het een ander atoom. Een eigenschap van deze stralingssoorten is dat het door stoffen heen kan gaan. Dit noemen we het doordringend vermogen.
Opdracht 6
Kernstraling kan bestaan uit verschillende deeltjes en heeft dus ook een lading. Protonen hebben een positieve elektrische lading en elektronen een negatieve elektrische lading, terwijl een neutron geen elektrische lading heeft. Voor deze opdracht ga je onderzoeken waar alfa-, beta- en gammastraling uit bestaan, wat hun lading is en hoe groot het doordringend vermogen is.
Neem de onderstaande tabel over, maak hem compleet.
Straling
bestaat uit
elektrische lading
doordringend vermogen
alfa-straling
beta-straling
gamma-straling
geen
Opdracht 7
Rangschik de soorten straling op doordringend vermogen. De meest doordringende het eerst.
Wat valt je op? Leg uit.
Opdracht 8
Straling is niet goed voor je. Mensen die met straling werken op de afdeling Nucleaire Geneeskunde moeten zich beschermen. Zoek op hoe en waarmee je jezelf kan beschermen tegen de verschillende soorten straling. Zet je uitkomsten in een extra kolom in de tabel van opdracht 6.
Halfwaardetijd
Een van de bijzondere verschijnselen bij straling is dat elk element zijn eigen typerende eigenschappen heeft. Deze eigenschappen zijn de soort straling, de halfwaardtijd en de energie.
De een is het soort straling dat een element uitzendt en de andere is de intensiteit of de hoeveelheid van de straling.
Men gaat ervan uit dat een element het meest stabiel is wanneer het aantal protonen en neutronen in de kern ongeveer gelijk aan elkaar is. Je kunt dan uitrekenen dat de energie, die nodig is om de kern bij elkaar te houden het laagst is.
Stralingsdeeltjes
Wanneer de kern veel meer neutronen dan protonen bevat zal het atoom ernaar streven deze aantallen ongeveer gelijk te maken. Dit gebeurt door het uitzenden van bijvoorbeeld alfa-, beta- of gammadeeltjes en heet verval. In de kern verandert dan bijvoorbeeld een proton naar een neutron en wordt er een positron (positieve tegenhanger van een elektron) uitgezonden. Door dit verval verandert het atoom naar een atoom van een ander element. Het atoom heeft immers nu een proton minder en dus ook een ander atoomnummer
Halfwaardetijd
Een stof is radioactief als er een of meerdere instabiele elementen in zitten. Als zo’n radioactief element een alfa-deeltje of een beta-deeltje uitzendt, verandert de kern en wordt het een ander element. Zo verandert de alfa straler radium (een metaal) in radon (een edelgas).
Bij radioactieve elementen verschilt het tempo van uitzenden van straling van soort tot soort. De halveringstijd (t½) is de tijd die nodig is om de helft van alle moederkernen van een stof te laten vervallen tot dochterkernen. Voor radium-226 moet je 16 eeuwen wachten voordat de helft van de kernen is veranderd in radon. De b- straler Helium-6 heeft een halveringstijd van minder dan een seconde.
In de praktische opdracht gaan we kijken wat de halveringstijd is van het element Emenemium.
Praktische opdracht 1 Het verval van Emenemium
Vraag aan je docent het practicumvoorschrift en vul dat in. Laat na afloop per tweetal het practicum laten aftekenen op de lijst
A. Inleiding
Tijdens dit practicum bestuderen we het verval van de radioactieve atoomsoort ‘emenemium’ (M&M’s) die vervalt tot het stabiele ‘boonium’ (bonen).
B. Doel
Je gaat onderzoek doen naar de halfwaardetijd
C. Onderzoeksvraag
Wat is de halfwaardetijd van Emenemium
E. Materiaal
Op tafel
Zelf pakken
- 100 M&M's
- 100 bonen
F. Methode
Bij dit experiment doen we de volgende aannames:
De M&M’s stellen de atoomkernen voor van de stof Emenemium.
Als de ‘M’ naar beneden wijst, is de atoomkern nog niet vervallen
Als de ‘M’ naar boven wijst, is de atoomkern vervallen
Selecteer eerst 100 M&M’s waarop de letter ‘M’ leesbaar is.
Plaats 100 radioactieve atomen (= 100 M&M’s) met de ‘M’ naar beneden in de doos. Dit zijn de moederatomen die nog niet vervallen zijn.
Dek de doos af (bv. met een boek) en schud de doos gedurende 10 seconden op en neer.
Verwijder na het schudden alle stabiele Emenemium atomen: M&M’s die met de ‘M’ naar boven wijzen. De stabiele Emenemium atomen zijn eigenlijk een nieuw element geworden: boonium atomen. Vervang de stabiele emenemium atomen (moederatomen) door een gelijk aantal bonen (dochteratomen). Het totale aantal atomen in jouw doos moet gedurende dit experiment gelijk blijven (100). Radioactieve atomen verdwijnen niet, ze vervallen van Emenemium tot het stabiele Boonium.
Tel het aantal radioactieve, nog niet vervallen, Emenemium atomen in de doos (‘M’ allemaal omlaag) en noteer dit aantal in de tabel. Als geen van de M&M’s met de ‘M’ naar boven wijst na het schudden, noteer dan hetzelfde getal nog een keer.
Herhaal de stappen 2 t/m 4 totdat alle radioactieve emenemium atomen zijn vervallen.
Maak van jullie tabel een grafiek (vervalcurve): het aantal niet vervallen Emenemium atomen tegen de tijd (het aantal keren schudden) van jouw groepje. Zet de tijd (aantal keren schudden) horizontaal.
Teken met een andere kleur (in dezelfde figuur) ook de grafiek van het aantal dochterkernen Boonium tegen de tijd (het aantal keren schudden).
G Resultaten
Aantal keren schudden
Aantal nog niet vervallen Emenemium moederatomen
Aantal Boonium atomen
tabel 1 Aantal niet vervallen Em-atomen en aantal vervallen Em-atomen
0
100
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Grafiek 1 Aantal radioactieve Em-atomen tegen de tijd
H Conclusie
De halfwaardetijd van de Emenemium atomen is:
J Opruimen
Verzamel de bonen en lever die in
Verzamel de M&M's en verdeel ze onder de groepsleden
Voor de volgende opdrachten gebruiken we de halfwaardetijd van Emenemium.
Opdracht 9
We starten met 10.000 radioactieve kernen. Hoeveel halveringstijden zijn er verstreken als er 7.500 kernen zijn vervallen?
Opdracht 10
We starten met 100.000 kernen. Hoeveel kernen zijn er over na 4 halveringstijden?
Opdracht 11
We starten met 1.000 kernen. Na hoeveel halveringstijden is er 12,5% van de kernen over
Vervalvergelijkingen
Als een radioactieve kern vervalt dan verandert hij in een ander atoom, of in een ander isotoop. Als de kern deeltjes uitzendt dan verandert het atoomnummer en wordt het dus een ander atoom. In het geval van elektronencapture verandert het massagetal van het atoom, het blijft wel dezelfde stof.
Wat er precies gebeurt tijdens het verval van de kern kun je in een vervalvergelijking opschrijven. Het aantal deeltjes voor en na de pijl van de vergelijking moet gelijk zijn. Zo vervalt Uranium-238 als het een alfadeeltje uitzendt naar Thorium-234. Je ziet aan het massagetal (238 voor Uranium en 234 voor Thorium) dat er 4 deeltjes uit de kern zijn "verdwenen". De vervalvergelijking kun je opschrijven in twee stappen:
Stap 1: \(^{238}_{92}\text{U}->^{4}_{2}\text{He}+^{238-4}_{92-2}\text{X}\)
De X stelt het nieuwe atoom voor. Het massagetal van dit atoom is 238-4=234 en het atoomnummer is 92-2=90. Je kunt in het periodiek systeem opzoeken welk atoom atoomnummer 90 heeft. Dit is Thorium.
De vergelijiking wordt dan:
Stap 2: \(^{238}_{92}\text{U}->^{4}_{2}\text{He}+^{234}_{90}\text{Th}\)
Ook Thorium is geen stabiel atoom en dat vervalt door het uitzenden van een bèta-deeltje. De vergelijking voor dit verval in twee stappen:
Stap 1: \(^{234}_{90}\text{Th}->^{0}_{-1}\text{e}+^{234}_{90+1}\text{X}\)
Het atoom met atoomnummer 91 is Protactinium (Pa). De vergelijking wordt dan:
Stap 2: \(^{234}_{90}\text{Th}->^{0}_{-1}\text{e}+^{234}_{91}\text{Pa}\)
Je ziet in de laatste vergelijking dat de hoeveelheid lading ook gelijk moet blijven. Er gaat 1 elektron (- lading) weg, dus moet er een + lading (proton) bij komen voor het evenwicht.
Opdracht 12
Geef de vervalvergelijking van de volgende vervallen:
Co-60 met beta--verval
U-235 met alfa-verval
Ra-223 met alfa-verval
Bi-211 met beta--verval
De gammacamera
Gammacamera Twee gammacamera's in de e-cam Duet.
Een gammacamera is een detectieapparaat voor gammastralen waarbij ook de plaats, waar het gammafoton de detector raakt, wordt geregistreerd. Gammacamera's worden gebruikt in de nucleaire geneeskunde.
Een gammacamera bestaat uit een groot plat scintillatiekristal van b.v. natriumjodide, dat zichtbaar licht-fotonen uitzendt wanneer het door een gammafoton wordt getroffen. Deze worden door PMT's (photo multiplier tubes) achter het kristal gedetecteerd en versterkt; uit de rangschikking van de waarnemende PMT's wordt de positie van het treffende gammafoton afgeleid.
Omdat gammastralen niet optisch kunnen worden afgebogen moet er een andere manier worden gebruikt om te zorgen dat alleen gammastralen, die het detectoroppervlak loodrecht treffen, worden gedetecteerd. Dit gebeurt door een collimator van lood, een fijnmazig rooster van loodfolie lijkend op een honingraat, bestaande uit rechte kanaaltjes omgeven door een dunne laag lood, dat voor het kristal is bevestigd. Stralen die de collimator onder een schuine hoek treffen worden tegengehouden door het lood; stralen die onder een bijna loodrechte hoek treffen kunnen erdoorheen en worden gedetecteerd. Door de waargenomen events te plotten krijgt men een 2-dimensionale afbeelding van de voor de camera geplaatste bron.
Door de camera om de bron heen te laten draaien is het ook mogelijk een 3-dimensionaal beeld van de bron te berekenen. Door de gebruikte techniek en de plaatsonnauwkeurigheid van de detectiemethode hebben dergelijke beelden slechts een beperkt oplossend vermogen, circa 1 cm.
Een gammacamera is groot en zwaar: vele tientallen kilo's. Het lood en het uit een stuk bestaande natriumjodidekristal beperken de maximale grootte.
Overgenomen van "http://nl.wikipedia.org/w/index.php?title=Gammacamera&oldid=27382740"
Opdracht 13
Lees de bovenstaande tekst door.
Schrijf in je schrift de volgende begrippen op en zoek de betekenis daarvan op:
Om een beeld te maken met een gammacamera moet er in je lichaam een stof zitten die gammastraling uitzendt. Deze stoffen worden in heel kleine hoeveelheden ingespoten. Deze stoffen worden tracers genoemd. Een tracers moet niet alleen gammastraling uitzenden, maar ook op de plaats terecht komen waar de arts het onderzoek voor doet. Dit heet dat een tracer specifiek moet zijn. Hij moet niet door je hele lichaam verspreiden, maar liefst alleen op de plaats waar je ziek bent.
Opdracht 14
Schrijf drie eigenschappen op waaraan een tracer moet voldoen.
Opdracht 15
Een veel gebruikte tracer is Technetium-99m. De m achter het massagetal betekent dat het metastabiel is en kan vervallen. Dit betekent dat de protonen en neutronen in de kern zich nog kunnen herschikken tot een toestand met minder energie. Bij terugval naar deze 'grondtoestand' zendt de kern van dit atoom de voor medisch onderzoek bruikbare gammastraling uit. Waarom is Tc-99m een goede tracer?
Opdracht 16
Tc-99m is een product van het verval van Mo-99. Schrijf de vervalvergelijking van Mo-99 naar Tc-99m op en ook de vergelijking van Tc-99m naar Tc-99.
Opdracht 17
Hoe komt het dat het massagetal van Mo en Tc gelijk is? Wat is er veranderd in de kern?
Het arrangement Ziekenhuis-3 Nucleaire geneeskunde is gemaakt met
Wikiwijs van
Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt,
maakt en deelt.
Auteur
Nathalie van der Weiden
Je moet eerst inloggen om feedback aan de auteur te kunnen geven.
Laatst gewijzigd
2017-05-18 11:34:48
Licentie
Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding 3.0 Nederlands licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding vrij bent om:
het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.
Leeromgevingen die gebruik maken van LTI kunnen Wikiwijs arrangementen en toetsen afspelen en resultaten
terugkoppelen. Hiervoor moet de leeromgeving wel bij Wikiwijs aangemeld zijn. Wil je gebruik maken van de LTI
koppeling? Meld je aan via info@wikiwijs.nl met het verzoek om een LTI
koppeling aan te gaan.
Maak je al gebruik van LTI? Gebruik dan de onderstaande Launch URL’s.
Arrangement
IMSCC package
Wil je de Launch URL’s niet los kopiëren, maar in één keer downloaden? Download dan de IMSCC package.
Wikiwijs lesmateriaal kan worden gebruikt in een externe leeromgeving. Er kunnen koppelingen worden gemaakt en
het lesmateriaal kan op verschillende manieren worden geëxporteerd. Meer informatie hierover kun je vinden op
onze Developers Wiki.
Atomen bestaan uit protonen, neutronen en elektronen. Volgens het model van Bohr zitten de protonen en neutronen in de kern en zweven de elektronen in banen rond de kern.
