Овај блог пост испитује принципе и примене које су довеле нуклеарну физику - проучавање атомских језгара - до модерних медицинских технологија попут радиотерапије и ПЕТ скенирања, путем циклотрона и радиоактивних изотопа.
Зашто је нуклеарна физика довела до медицине и експерименталне науке?
Нуклеарна физика је проучавање атомских језгара. Међутим, многи људи имају тенденцију да нуклеарну физику доживљавају искључиво као област која се бави феноменима нуклеарне фисије који се јављају у нуклеарним електранама. Супротно овој перцепцији, различити нуспроизводи настали током истраживања нуклеарне физике омогућили су експерименте који су раније били немогући у другим областима хемије или физике, а такође имају и практичну вредност у области медицине.
Циклотрон: Само једноставан акцелератор честица?
На пример, размотримо циклотрон, акцелератор развијен за експерименте нуклеарне физике. Циклотрон је акцелератор честица који индукује честице у кружно кретање. Структурно, то је релативно једноставан уређај који се састоји од две вакуумске коморе у облику слова Д направљене од бакарних плоча. Овај уређај користи високофреквентни наизменични напон струје за убрзавање протока наелектрисаних честица.
Структурне карактеристике циклотрона могу се грубо поделити на две главне карактеристике. Прва карактеристика је да је, за разлику од конвенционалних линеарних акцелератора честица, циклотрон кружни акцелератор честица са две полукружне плоче у облику слова D, размакнуте једна од друге. Друга карактеристика је да се унутар циклотрона смер фреквенције наизменичног напона мења сваки пут када честице прођу кроз једну од полукружних плоча. Да би се убрзао проток честица, наизменични напон тече између две полукружне металне електроде унутар вакуумске коморе. Ове полукружне плоче су размакнуте на фиксном интервалу како би се осигурало да честице, убризгане у центар овог простора, имају простора за слободно кретање. Полукружне плоче су постављене између полова електромагнета који генерише електромагнетно поље нормално на плоче електрода. Резултујуће магнетно поље узрокује да се путање честица закриве у кружни облик због Лоренцове силе која делује нормално на њихов смер кретања. Штавише, сваки пут када честице прођу кроз размак између полукружних плоча, смер фреквенције електричног поља се мења. Ова промена осигурава да је електрично поље оријентисано на одговарајући начин како би се убрзала брзина честица. Сходно томе, честице су вођене да прате кружне орбите прогресивно већих радијуса под утицајем електричне силе.
Честице убрзане на овај начин могу се користити у експериментима након напуштања циклотрона, као што је сударање са различитим материјалима или изазивање нуклеарних реакција ради посматрања стварања нових честица. Међутим, честице генерисане у циклотрону не служе само за једноставно експериментисање, већ играју и кључну улогу у медицинској области. Другим речима, јонски сноп избачен из циклотрона може се користити за лечење рака, што је у складу са основним принципом медицинске технологије познате као радиотерапија. Метода зрачења места тумора пацијента протонима убрзаним до приближно 60 процената брзине светлости у циклотрону ради уништавања ДНК ћелија рака нуди предност минимизирања утицаја на здраво ткиво током проласка кроз тело, у поређењу са конвенционалном радиотерапијом. Штавише, процес лечења је релативно брз и узрокује мање нелагодности пацијенту, што је још једна значајна карактеристика. Дакле, примена нуклеарне физике показује да није ограничена на ограничено поље производње електричне енергије, већ се може проширити на различите области.
Нуклеарна физика у медицинској технологији
Радиоактивни изотопи, који се често користе у експериментима нуклеарне физике, такође се активно користе у медицинској технологији. Развијени су иновативни медицински уређаји који користе радиоактивне изотопе како би се добиле детаљније информације о унутрашњем функционисању људског тела. Поред конвенционалног рендгенског снимања, компјутеризоване томографије (ЦТ) и магнетне резонанце (МРИ), појавила се технологија названа позитронска емисиона томографија (ПЕТ) која може да визуализује саму функционалну активност мозга. ПЕТ је уређај који користи супстанце обележене радиоактивним изотопима за добијање слика различитих региона мозга. Принцип иза прикупљања ПЕТ слика користи физиолошки феномен да се метаболизам глукозе повећава у активираним регионима мозга, што доводи до одговарајућег повећања протока крви. У овом процесу, молекули воде који садрже изотоп са изузетно кратким временом полураспада од приближно два минута користе се за мерење промена у протоку крви. Испитивање упоређује одговор мозга у стању без специфичне стимулације са његовим стањем активације када се примени стимулација, спроведено помоћу томографске методе снимања. Такви примери јасно показују како нуклеарна физика може позитивно утицати на напредак других академских области.
Применљивост нуклеарне физике
И технологија за производњу електричне енергије коришћењем реакција нуклеарне фисије и медицинска примена акцелератора честица названих циклотрони резултати су примене научних принципа откривених током истраживања атомских језгара. У том смислу, нуклеарна физика није само дисциплина усмерена на разјашњавање својстава честица; то је област која покреће напредак других академских дисциплина на основу знања акумулираног током свог истраживања. Закључно, нуклеарна физика се може сумирати као свестрана дисциплина која не само да истражује атомска језгра, већ и доприноси напретку науке и технологије у целини применом принципа откривених у том процесу на различите области.
