W tym wpisie na blogu przyjrzymy się zasadom i zastosowaniom, które doprowadziły fizykę jądrową (naukę o jądrach atomowych) do nowoczesnych technologii medycznych, takich jak radioterapia i tomografia pozytonowa (PET), z wykorzystaniem cyklotronów i izotopów radioaktywnych.
Dlaczego fizyka jądrowa doprowadziła do rozwoju medycyny i nauk eksperymentalnych?
Fizyka jądrowa to nauka o jądrach atomowych. Jednak wiele osób postrzega fizykę jądrową wyłącznie jako dziedzinę zajmującą się zjawiskami rozszczepienia jądrowego zachodzącymi w elektrowniach jądrowych. Wbrew temu przekonaniu, różne produkty uboczne powstające podczas badań fizyki jądrowej umożliwiły przeprowadzenie eksperymentów, które wcześniej były niemożliwe w innych dziedzinach chemii czy fizyki, a także mają praktyczne znaczenie w medycynie.
Cyklotron: po prostu prosty akcelerator cząstek?
Rozważmy na przykład cyklotron, akcelerator opracowany do eksperymentów fizyki jądrowej. Cyklotron to akcelerator cząstek, który wprawia cząstki w ruch okrężny. Pod względem konstrukcyjnym jest to stosunkowo proste urządzenie składające się z dwóch komór próżniowych w kształcie litery D, wykonanych z miedzianych płyt. Urządzenie to wykorzystuje napięcie prądu przemiennego o wysokiej częstotliwości do przyspieszania przepływu naładowanych cząstek.
Charakterystykę strukturalną cyklotronu można ogólnie podzielić na dwie główne cechy. Pierwszą cechą jest to, że w przeciwieństwie do konwencjonalnych liniowych akceleratorów cząstek, cyklotron jest kołowym akceleratorem cząstek z dwiema półkolistymi płytami w kształcie litery D, rozmieszczonymi w pewnej odległości od siebie. Drugą cechą jest to, że wewnątrz cyklotronu kierunek częstotliwości napięcia przemiennego zmienia się za każdym razem, gdy cząstki przechodzą przez jedną z półkolistych płyt. Aby przyspieszyć przepływ cząstek, napięcie przemienne przepływa między dwiema półkolistymi metalowymi elektrodami wewnątrz komory próżniowej. Te półkoliste płyty są rozmieszczone w stałych odstępach, aby zapewnić cząstkom wstrzykniętym do środka tej przestrzeni swobodę ruchu. Półkoliste płyty są umieszczone między biegunami elektromagnesu generującego pole elektromagnetyczne prostopadłe do płyt elektrod. Powstałe pole magnetyczne powoduje, że tory cząstek zakrzywiają się w kształt okręgu dzięki sile Lorentza działającej prostopadle do kierunku ich ruchu. Ponadto, za każdym razem, gdy cząstki przechodzą przez szczelinę między półkolistymi płytami, zmienia się kierunek częstotliwości pola elektrycznego. Ta zmiana zapewnia odpowiednią orientację pola elektrycznego, umożliwiającą przyspieszenie prędkości cząstek. W rezultacie cząstki są kierowane na orbity kołowe o coraz większych promieniach pod wpływem siły elektrycznej.
Przyspieszone w ten sposób cząstki mogą być wykorzystywane w eksperymentach po opuszczeniu cyklotronu, na przykład poprzez zderzanie ich z różnymi materiałami lub indukowanie reakcji jądrowych w celu obserwacji powstawania nowych cząstek. Cząstki generowane w cyklotronie służą jednak nie tylko do prostych eksperymentów, ale odgrywają również kluczową rolę w medycynie. Innymi słowy, wiązka jonów emitowana z cyklotronu może być wykorzystana w leczeniu raka, co jest zgodne z podstawową zasadą technologii medycznej powszechnie znanej jako radioterapia. Metoda napromieniowania guza pacjenta protonami przyspieszonymi do około 60% prędkości światła w cyklotronie w celu zniszczenia DNA komórek nowotworowych oferuje zaletę minimalizacji wpływu na zdrową tkankę podczas jej przechodzenia przez organizm, w porównaniu z konwencjonalną radioterapią. Co więcej, proces leczenia jest stosunkowo szybki i powoduje mniejszy dyskomfort u pacjenta, co jest kolejną istotną cechą. Zatem zastosowanie fizyki jądrowej dowodzi, że nie ogranicza się ona do ograniczonej dziedziny wytwarzania energii elektrycznej, ale może rozszerzyć się na różne obszary.
Fizyka jądrowa w technologii medycznej
Izotopy promieniotwórcze, powszechnie stosowane w eksperymentach fizyki jądrowej, są również aktywnie wykorzystywane w technologii medycznej. Opracowano innowacyjne urządzenia medyczne, które wykorzystują izotopy promieniotwórcze do uzyskiwania bardziej szczegółowych informacji o wewnętrznym funkcjonowaniu organizmu człowieka. Poza konwencjonalnym obrazowaniem rentgenowskim, tomografią komputerową (TK) i obrazowaniem metodą rezonansu magnetycznego (MRI), pojawiła się technologia zwana pozytonową tomografią emisyjną (PET), która pozwala na wizualizację samej czynności mózgu. PET to urządzenie, które wykorzystuje substancje znakowane izotopami promieniotwórczymi do uzyskiwania obrazów różnych obszarów mózgu. Zasada pozyskiwania obrazów PET wykorzystuje fizjologiczne zjawisko wzrostu metabolizmu glukozy w aktywowanych obszarach mózgu, co prowadzi do odpowiedniego wzrostu przepływu krwi. W tym procesie cząsteczki wody zawierające izotop o niezwykle krótkim okresie półtrwania, wynoszącym około dwóch minut, są używane do pomiaru zmian przepływu krwi. Badanie porównuje reakcję mózgu w stanie bez specyficznej stymulacji ze stanem aktywacji po zastosowaniu stymulacji, przeprowadzane metodą obrazowania tomograficznego. Takie przykłady wyraźnie pokazują, jak fizyka jądrowa może pozytywnie wpływać na rozwój innych dziedzin nauki.
Zastosowanie fizyki jądrowej
Zarówno technologia wytwarzania energii elektrycznej z wykorzystaniem reakcji rozszczepienia jądrowego, jak i medyczne zastosowanie akceleratorów cząstek zwanych cyklotronami są rezultatem zastosowania zasad naukowych odkrytych podczas badań jąder atomowych. W tym sensie fizyka jądrowa to nie tylko dyscyplina skupiona na wyjaśnianiu właściwości cząstek; to dziedzina, która napędza rozwój innych dyscyplin akademickich w oparciu o wiedzę zgromadzoną w trakcie badań. Podsumowując, fizykę jądrową można podsumować jako wszechstronną dyscyplinę, która nie tylko bada jądra atomowe, ale także przyczynia się do postępu nauki i technologii jako całości, stosując zasady ujawnione w tym procesie w różnych dziedzinach.
