In dit blogbericht worden de principes en toepassingen onderzocht die de kernfysica – de studie van atoomkernen – hebben geleid tot moderne medische technologieën zoals bestralingstherapie en PET-scans, via cyclotrons en radioactieve isotopen.

Waarom heeft de kernfysica geleid tot de geneeskunde en de experimentele wetenschap?

Kernfysica is de studie van atoomkernen. Veel mensen beschouwen kernfysica echter uitsluitend als het vakgebied dat zich bezighoudt met kernsplijtingsverschijnselen in kerncentrales. In tegenstelling tot deze opvatting hebben diverse bijproducten die tijdens kernfysisch onderzoek ontstaan, experimenten mogelijk gemaakt die voorheen ondenkbaar waren in andere gebieden van de chemie of natuurkunde, en ze hebben ook praktische waarde in de medische sector.

Cyclotron: gewoon een simpele deeltjesversneller?

Neem bijvoorbeeld de cyclotron, een deeltjesversneller die is ontwikkeld voor experimenten in de kernfysica. Een cyclotron is een deeltjesversneller die deeltjes in een cirkelvormige beweging brengt. Structureel gezien is het een relatief eenvoudig apparaat dat bestaat uit twee D-vormige vacuümkamers van koperen platen. Dit apparaat gebruikt een hoogfrequente wisselstroomspanning om de stroom geladen deeltjes te versnellen.
De structurele kenmerken van de cyclotron kunnen grofweg in twee hoofdcategorieën worden verdeeld. Ten eerste is de cyclotron, in tegenstelling tot conventionele lineaire deeltjesversnellers, een cirkelvormige deeltjesversneller met twee D-vormige halfronde platen die van elkaar gescheiden zijn. Ten tweede verandert de richting van de frequentie van de wisselspanning in de cyclotron telkens wanneer deeltjes door een van de halfronde platen gaan. Om de deeltjesstroom te versnellen, loopt de wisselspanning tussen twee halfronde metalen elektroden in de vacuümkamer. Deze halfronde platen zijn op een vaste afstand van elkaar geplaatst om ervoor te zorgen dat de deeltjes, die in het midden van deze ruimte worden geïnjecteerd, voldoende bewegingsruimte hebben. De halfronde platen bevinden zich tussen de polen van een elektromagneet die een elektromagnetisch veld genereert loodrecht op de elektroden. Het resulterende magnetische veld zorgt ervoor dat de banen van de deeltjes een cirkelvorm aannemen als gevolg van de Lorentz-kracht die loodrecht op hun bewegingsrichting werkt. Bovendien verandert de richting van de frequentie van het elektrische veld telkens wanneer deeltjes door de opening tussen de halfronde platen gaan. Deze aanpassing zorgt ervoor dat het elektrische veld op de juiste manier georiënteerd is om de snelheid van de deeltjes te versnellen. Daardoor worden de deeltjes onder invloed van de elektrische kracht geleid naar cirkelvormige banen met steeds grotere stralen.
Deeltjes die op deze manier versneld worden, kunnen na het verlaten van de cyclotron gebruikt worden in experimenten, bijvoorbeeld door ze te laten botsen met verschillende materialen of door kernreacties op te wekken om de creatie van nieuwe deeltjes te observeren. Deeltjes die in een cyclotron worden gegenereerd, dienen echter niet alleen voor eenvoudige experimenten, maar spelen ook een cruciale rol in de medische wereld. Met andere woorden, de ionenbundel die uit een cyclotron komt, kan gebruikt worden voor de behandeling van kanker, wat aansluit bij het kernprincipe van een medische technologie die algemeen bekend staat als radiotherapie. De methode om de tumor van een patiënt te bestralen met protonen die in een cyclotron versneld zijn tot ongeveer 60 procent van de lichtsnelheid om het DNA van kankercellen te vernietigen, biedt het voordeel dat de impact op gezond weefsel tijdens de passage door het lichaam minimaal is, in vergelijking met conventionele radiotherapie. Bovendien is het behandelingsproces relatief snel en veroorzaakt het minder ongemak voor de patiënt, wat een ander belangrijk kenmerk is. De toepassing van kernfysica laat dus zien dat het niet beperkt is tot het gebied van elektriciteitsopwekking, maar zich kan uitstrekken tot diverse andere gebieden.

Kernfysica in de medische technologie

Radioactieve isotopen, die veelvuldig worden gebruikt bij experimenten in de kernfysica, worden ook actief ingezet in de medische technologie. Er zijn innovatieve medische apparaten ontwikkeld die radioactieve isotopen gebruiken om gedetailleerdere informatie te verkrijgen over de interne werking van het menselijk lichaam. Naast conventionele röntgenfoto's, computertomografie (CT) en magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) is er een technologie genaamd positronemissietomografie (PET) ontstaan ​​die de functionele activiteit van de hersenen zelf in beeld kan brengen. PET is een apparaat dat stoffen gebruikt die gelabeld zijn met radioactieve isotopen om beelden te verkrijgen van verschillende hersengebieden. Het principe achter het maken van PET-beelden is gebaseerd op het fysiologische fenomeen dat de glucosemetabolisme toeneemt in geactiveerde hersengebieden, wat leidt tot een overeenkomstige toename van de bloedtoevoer. Bij dit proces worden watermoleculen die een isotoop bevatten met een extreem korte halfwaardetijd van ongeveer twee minuten gebruikt om veranderingen in de bloedtoevoer te meten. Het onderzoek vergelijkt de reactie van de hersenen in een toestand zonder specifieke stimulatie met de geactiveerde toestand wanneer stimulatie wordt toegepast, met behulp van een tomografische beeldvormingsmethode. Dergelijke voorbeelden laten duidelijk zien hoe kernfysica een positieve invloed kan hebben op de vooruitgang van andere academische vakgebieden.

De toepasbaarheid van kernfysica

Zowel de technologie voor het opwekken van elektriciteit met behulp van kernsplijtingsreacties als de medische toepassing van deeltjesversnellers, cyclotrons genaamd, zijn het resultaat van de toepassing van wetenschappelijke principes die zijn ontdekt tijdens het onderzoek naar atoomkernen. In die zin is kernfysica niet louter een discipline die zich richt op het ophelderen van de eigenschappen van deeltjes; het is een vakgebied dat de vooruitgang van andere academische disciplines stimuleert op basis van de kennis die tijdens het onderzoek is vergaard. Kortom, kernfysica kan worden samengevat als een veelzijdige discipline die niet alleen atoomkernen onderzoekt, maar ook bijdraagt ​​aan de vooruitgang van wetenschap en technologie in het algemeen door de daarbij ontdekte principes toe te passen op diverse gebieden.