Тази публикация в блога разглежда принципите и приложенията, които са довели ядрената физика – изучаването на атомните ядра – до съвременни медицински технологии като лъчетерапия и PET сканиране, чрез циклотрони и радиоактивни изотопи.
Защо ядрената физика доведе до медицината и експерименталната наука?
Ядрената физика е наука, изучаваща атомните ядра. Много хора обаче са склонни да възприемат ядрената физика единствено като област, занимаваща се с явленията на ядрено делене, протичащи в атомни електроцентрали. Противно на това схващане, различни странични продукти, генерирани по време на изследвания в областта на ядрената физика, са позволили провеждането на експерименти, които преди това са били невъзможни в други области на химията или физиката, а също така имат практическа стойност в областта на медицината.
Циклотрон: Просто обикновен ускорител на частици?
Например, разгледайте циклотрона, ускорител, разработен за експерименти по ядрена физика. Циклотронът е ускорител на частици, който привежда частиците в кръгово движение. Структурно това е сравнително просто устройство, състоящо се от две D-образни вакуумни камери, изработени от медни плочи. Това устройство използва високочестотно променливо напрежение, за да ускори потока от заредени частици.
Структурните характеристики на циклотрона могат да бъдат разделени на две основни характеристики. Първата характеристика е, че за разлика от конвенционалните линейни ускорители на частици, циклотронът е кръгъл ускорител на частици с две полукръгли пластини с форма на буквата D, разположени на разстояние една от друга. Втората характеристика е, че в циклотрона посоката на честотата на променливото напрежение се променя всеки път, когато частиците преминават през една от полукръглите пластини. За да се ускори потокът от частици, променливото напрежение протича между два полукръгли метални електрода във вакуумната камера. Тези полукръгли пластини са разположени на фиксирано разстояние една от друга, за да се гарантира, че частиците, инжектирани в центъра на това пространство, имат място за свободно движение. Полукръглите пластини са разположени между полюсите на електромагнит, генериращ електромагнитно поле, перпендикулярно на електродните пластини. Полученото магнитно поле кара пътищата на частиците да се извиват в кръгла форма поради силата на Лоренц, действаща перпендикулярно на посоката им на движение. Освен това, всеки път, когато частиците преминават през процепа между полукръглите пластини, посоката на честотата на електрическото поле се променя. Тази промяна гарантира, че електрическото поле е ориентирано по подходящ начин, за да ускори скоростта на частиците. Следователно, под въздействието на електрическата сила, частиците се насочват да следват кръгови орбити с прогресивно по-големи радиуси.
Частици, ускорени по този начин, могат да бъдат използвани в експерименти след напускане на циклотрона, като например сблъсък с различни материали или индуциране на ядрени реакции за наблюдение на създаването на нови частици. Частиците, генерирани в циклотрон, обаче служат не само за прости експерименти, но и играят ключова роля в медицинската област. С други думи, йонният лъч, изхвърлен от циклотрон, може да се използва за лечение на рак, в съответствие с основния принцип на медицинска технология, известна като лъчетерапия. Методът за облъчване на туморния участък на пациента с протони, ускорени до приблизително 60 процента от скоростта на светлината в циклотрон, за да се унищожи ДНК-то на раковите клетки, предлага предимството да се минимизира въздействието върху здравата тъкан по време на преминаването ѝ през тялото, в сравнение с конвенционалната лъчетерапия. Освен това, процесът на лечение е сравнително бърз и причинява по-малко дискомфорт на пациента, което е друга важна характеристика. По този начин приложението на ядрената физика показва, че то не е ограничено до ограничената област на производството на електроенергия, а може да се разпростре в различни области.
Ядрена физика в медицинските технологии
Радиоактивните изотопи, често използвани в експерименти по ядрена физика, се използват активно и в медицинските технологии. Разработени са иновативни медицински устройства, които използват радиоактивни изотопи, за да получат по-подробна информация за вътрешните механизми на човешкото тяло. Отвъд конвенционалната рентгенова томография, компютърната томография (КТ) и магнитно-резонансната томография (MRI), се появи технология, наречена позитронно-емисионна томография (PET), която може да визуализира самата функционална активност на мозъка. PET е устройство, което използва вещества, маркирани с радиоактивни изотопи, за да получи изображения на различни области на мозъка. Принципът на събиране на PET изображения използва физиологичния феномен, че метаболизмът на глюкозата се увеличава в активираните области на мозъка, което води до съответно увеличение на кръвния поток. В този процес водни молекули, съдържащи изотоп с изключително кратък полуживот от приблизително две минути, се използват за измерване на промените в кръвния поток. Изследването сравнява реакцията на мозъка в състояние без специфична стимулация с неговото активирано състояние, когато се прилага стимулация, проведено с помощта на томографски метод за изобразяване. Такива примери ясно показват как ядрената физика може да повлияе положително на развитието на други академични области.
Приложимостта на ядрената физика
Както технологията за генериране на електричество чрез реакции на ядрено делене, така и медицинското приложение на ускорителите на частици, наречени циклотрони, са резултат от прилагането на научни принципи, открити по време на изследването на атомните ядра. В този смисъл ядрената физика не е просто дисциплина, фокусирана върху изясняване на свойствата на частиците; тя е област, която движи развитието на други академични дисциплини въз основа на знанията, натрупани по време на нейните изследвания. В заключение, ядрената физика може да се обобщи като многостранна дисциплина, която не само изследва атомните ядра, но и допринася за напредъка на науката и технологиите като цяло, като прилага принципите, разкрити в процеса, в различни области.
