Ovaj blog post ispituje principe i primjene koji su doveli nuklearnu fiziku - proučavanje atomskih jezgri - do modernih medicinskih tehnologija poput radioterapije i PET skeniranja, putem ciklotrona i radioaktivnih izotopa.
Zašto je nuklearna fizika dovela do medicine i eksperimentalne znanosti?
Nuklearna fizika je proučavanje atomskih jezgri. Međutim, mnogi ljudi imaju tendenciju da nuklearnu fiziku percipiraju isključivo kao područje koje se bavi fenomenima nuklearne fisije koji se događaju u nuklearnim elektranama. Suprotno toj percepciji, razni nusprodukti nastali tijekom istraživanja nuklearne fizike omogućili su eksperimente koji su prije bili nemogući u drugim područjima kemije ili fizike, a imaju i praktičnu vrijednost u području medicine.
Ciklotron: Samo jednostavan akcelerator čestica?
Na primjer, razmotrimo ciklotron, akcelerator razvijen za eksperimente nuklearne fizike. Ciklotron je akcelerator čestica koji potiče čestice u kružno gibanje. Strukturno je to relativno jednostavan uređaj koji se sastoji od dvije vakuumske komore u obliku slova D izrađene od bakrenih ploča. Ovaj uređaj koristi visokofrekventni izmjenični napon za ubrzavanje protoka nabijenih čestica.
Strukturne karakteristike ciklotrona mogu se grubo podijeliti na dvije glavne značajke. Prva značajka je da je, za razliku od konvencionalnih linearnih akceleratora čestica, ciklotron kružni akcelerator čestica s dvije polukružne ploče u obliku slova D razmaknute. Druga karakteristika je da se unutar ciklotrona smjer frekvencije izmjeničnog napona mijenja svaki put kada čestice prolaze kroz jednu od polukružnih ploča. Kako bi se ubrzao protok čestica, izmjenični napon teče između dvije polukružne metalne elektrode unutar vakuumske komore. Ove polukružne ploče su razmaknute u fiksnom razmaku kako bi se osiguralo da čestice, ubrizgane u središte ovog prostora, imaju prostora za slobodno kretanje. Polukružne ploče su postavljene između polova elektromagneta koji generira elektromagnetsko polje okomito na ploče elektroda. Rezultirajuće magnetsko polje uzrokuje da se putanje čestica zakrive u kružni oblik zbog Lorentzove sile koja djeluje okomito na njihov smjer gibanja. Nadalje, svaki put kada čestice prolaze kroz razmak između polukružnih ploča, smjer frekvencije električnog polja se mijenja. Ova promjena osigurava da je električno polje orijentirano na odgovarajući način kako bi se ubrzala brzina čestica. Posljedično, čestice su pod utjecajem električne sile usmjerene da slijede kružne orbite progresivno većih radijusa.
Čestice ubrzane na ovaj način mogu se koristiti u eksperimentima nakon napuštanja ciklotrona, poput sudaranja s raznim materijalima ili poticanja nuklearnih reakcija kako bi se promatralo stvaranje novih čestica. Međutim, čestice generirane u ciklotronu ne služe samo za jednostavno eksperimentiranje, već igraju i ključnu ulogu u medicinskom području. Drugim riječima, ionski snop izbačen iz ciklotrona može se koristiti za liječenje raka, što je u skladu s temeljnim principom medicinske tehnologije poznate kao radioterapija. Metoda ozračivanja mjesta tumora pacijenta protonima ubrzanim na približno 60 posto brzine svjetlosti u ciklotronu radi uništavanja DNK stanica raka nudi prednost minimiziranja utjecaja na zdravo tkivo tijekom prolaska kroz tijelo, u usporedbi s konvencionalnom radioterapijom. Nadalje, proces liječenja je relativno brz i uzrokuje manje nelagode pacijentu, što je još jedna značajna karakteristika. Dakle, primjena nuklearne fizike pokazuje da nije ograničena na ograničeno područje proizvodnje električne energije, već se može proširiti na različita područja.
Nuklearna fizika u medicinskoj tehnologiji
Radioaktivni izotopi, koji se obično koriste u eksperimentima nuklearne fizike, također se aktivno koriste u medicinskoj tehnologiji. Razvijeni su inovativni medicinski uređaji koji koriste radioaktivne izotope kako bi dobili detaljnije informacije o unutarnjem radu ljudskog tijela. Osim konvencionalnog rendgenskog snimanja, računalne tomografije (CT) i magnetske rezonancije (MRI), pojavila se tehnologija nazvana pozitronska emisijska tomografija (PET) koja može vizualizirati samu funkcionalnu aktivnost mozga. PET je uređaj koji koristi tvari označene radioaktivnim izotopima za dobivanje slika različitih područja mozga. Princip prikupljanja PET slika koristi fiziološki fenomen da se metabolizam glukoze povećava u aktiviranim područjima mozga, što dovodi do odgovarajućeg povećanja protoka krvi. U tom procesu, molekule vode koje sadrže izotop s izuzetno kratkim vremenom poluraspada od približno dvije minute koriste se za mjerenje promjena u protoku krvi. Ispitivanje uspoređuje odgovor mozga u stanju bez specifične stimulacije s njegovim aktivacijskim stanjem kada se primijeni stimulacija, provedeno tomografskom metodom snimanja. Takvi primjeri jasno pokazuju kako nuklearna fizika može pozitivno utjecati na napredak drugih akademskih područja.
Primjenjivost nuklearne fizike
I tehnologija za proizvodnju električne energije korištenjem reakcija nuklearne fisije i medicinska primjena akceleratora čestica zvanih ciklotroni rezultati su primjene znanstvenih principa otkrivenih tijekom istraživanja atomskih jezgri. U tom smislu, nuklearna fizika nije samo disciplina usmjerena na razjašnjavanje svojstava čestica; to je područje koje potiče napredak drugih akademskih disciplina na temelju znanja akumuliranog tijekom istraživanja. Zaključno, nuklearna fizika može se sažeti kao svestrana disciplina koja ne samo da istražuje atomske jezgre, već i doprinosi napretku znanosti i tehnologije u cjelini primjenom principa otkrivenih u tom procesu na različita područja.
