Ta objava na blogu preučuje načela in aplikacije, ki so jedrsko fiziko – preučevanje atomskih jeder – pripeljale do sodobnih medicinskih tehnologij, kot sta radioterapija in PET skeniranje, prek ciklotronov in radioaktivnih izotopov.
Zakaj je jedrska fizika vodila do medicine in eksperimentalne znanosti?
Jedrska fizika je veda o atomskih jedrih. Vendar pa mnogi ljudje jedrsko fiziko dojemajo zgolj kot področje, ki se ukvarja s pojavi jedrske fisije, ki se dogajajo v jedrskih elektrarnah. V nasprotju s tem dojemanjem so različni stranski produkti, ki so nastali med raziskavami jedrske fizike, omogočili poskuse, ki so bili prej nemogoči na drugih področjih kemije ali fizike, in imajo tudi praktično vrednost na področju medicine.
Ciklotron: Le preprost pospeševalnik delcev?
Na primer, razmislite o ciklotronu, pospeševalniku, razvitem za poskuse jedrske fizike. Ciklotron je pospeševalec delcev, ki delce spravi v krožno gibanje. Strukturno je relativno preprosta naprava, sestavljena iz dveh vakuumskih komor v obliki črke D, izdelanih iz bakrenih plošč. Ta naprava uporablja visokofrekvenčno izmenično napetost za pospeševanje pretoka nabitih delcev.
Strukturne značilnosti ciklotrona lahko na splošno razdelimo na dve glavni značilnosti. Prva značilnost je, da je ciklotron za razliko od običajnih linearnih pospeševalnikov delcev krožni pospeševalec delcev z dvema polkrožnima ploščama v obliki črke D, ki sta razmaknjeni. Druga značilnost je, da se znotraj ciklotrona smer frekvence izmenične napetosti spremeni vsakič, ko delci prehajajo skozi eno od polkrožnih plošč. Za pospešitev pretoka delcev izmenična napetost teče med dvema polkrožnima kovinskima elektrodama znotraj vakuumske komore. Ti polkrožni plošči sta razmaknjeni v fiksnem razmiku, da se delci, vbrizgani v središče tega prostora, lahko prosto gibljejo. Polkrožne plošče so nameščene med poloma elektromagneta, ki ustvarja elektromagnetno polje, pravokotno na elektrodne plošče. Nastalo magnetno polje povzroči, da se poti delcev ukrivijo v krožno obliko zaradi Lorentzove sile, ki deluje pravokotno na njihovo smer gibanja. Poleg tega se vsakič, ko delci prehajajo skozi režo med polkrožnima ploščama, spremeni smer frekvence električnega polja. Ta sprememba zagotavlja, da je električno polje ustrezno usmerjeno, da pospeši hitrost delcev. Posledično so delci pod vplivom električne sile vodeni tako, da sledijo krožnim orbitam s postopno večjimi polmeri.
Delce, pospešene na ta način, je mogoče uporabiti v poskusih po zapustitvi ciklotrona, na primer za trčenje z različnimi materiali ali za indukcijo jedrskih reakcij za opazovanje nastajanja novih delcev. Vendar pa delci, ustvarjeni v ciklotronu, ne služijo le za preprosto eksperimentiranje, temveč igrajo ključno vlogo tudi na področju medicine. Z drugimi besedami, ionski žarek, ki ga izpušča ciklotron, se lahko uporabi za zdravljenje raka, kar je v skladu z osrednjim načelom medicinske tehnologije, splošno znane kot radioterapija. Metoda obsevanja bolnikovega tumorskega mesta s protoni, pospešenimi na približno 60 odstotkov hitrosti svetlobe v ciklotronu, za uničenje DNK rakavih celic, ponuja prednost, da med prehodom skozi telo zmanjša vpliv na zdravo tkivo v primerjavi s konvencionalno radioterapijo. Poleg tega je postopek zdravljenja relativno hiter in bolniku povzroča manj nelagodja, kar je še ena pomembna značilnost. Tako uporaba jedrske fizike dokazuje, da ni omejena na omejeno področje proizvodnje električne energije, temveč se lahko razširi na različna področja.
Jedrska fizika v medicinski tehnologiji
Radioaktivni izotopi, s katerimi se pogosto ukvarjamo v poskusih jedrske fizike, se aktivno uporabljajo tudi v medicinski tehnologiji. Razviti so bili inovativni medicinski pripomočki, ki uporabljajo radioaktivne izotope za pridobitev podrobnejših informacij o notranjem delovanju človeškega telesa. Poleg običajnega rentgenskega slikanja, računalniške tomografije (CT) in magnetne resonance (MRI) se je pojavila tehnologija, imenovana pozitronska emisijska tomografija (PET), ki lahko vizualizira samo funkcionalno aktivnost možganov. PET je naprava, ki uporablja snovi, označene z radioaktivnimi izotopi, za pridobivanje slik različnih možganskih predelov. Načelo zbiranja PET slik uporablja fiziološki pojav, da se presnova glukoze poveča v aktiviranih možganskih predelih, kar vodi do ustreznega povečanja pretoka krvi. Pri tem postopku se za merjenje sprememb v pretoku krvi uporabljajo molekule vode, ki vsebujejo izotop z izjemno kratkim razpolovnim časom približno dve minuti. Preiskava primerja odziv možganov v stanju brez specifične stimulacije z njihovim aktivacijskim stanjem, ko se stimulacija uporabi, pri čemer se uporabi tomografska slikovna metoda. Takšni primeri jasno kažejo, kako lahko jedrska fizika pozitivno vpliva na napredek drugih akademskih področij.
Uporabnost jedrske fizike
Tako tehnologija za proizvodnjo električne energije z uporabo jedrskih fisijskih reakcij kot medicinska uporaba pospeševalnikov delcev, imenovanih ciklotroni, sta rezultat uporabe znanstvenih načel, odkritih med raziskovanjem atomskih jeder. V tem smislu jedrska fizika ni zgolj disciplina, osredotočena na pojasnjevanje lastnosti delcev; je področje, ki spodbuja napredek drugih akademskih disciplin na podlagi znanja, pridobljenega med raziskavami. Skratka, jedrsko fiziko lahko povzamemo kot vsestransko disciplino, ki ne le raziskuje atomska jedra, temveč tudi prispeva k napredku znanosti in tehnologije kot celote z uporabo načel, razkritih v tem procesu, na različnih področjih.
