Содержание
Свойства нейтронов
- Главная
- Образование
-
Свойства нейтронов
1.1. История нейтронного рассеяния.
В 1935 году профессор Джеймс Чадвик был удостоен Нобелевской премии за открытие нейтронов. Энрико Ферми в 1942 году показал, что нейтроны, которые образуются в результате деления ядра урана, могут поддерживать контролируемую цепную реакцию. Еще раньше, в 1938 году, он был удостоен нобелевской премии за открытие того, что замедленные нейтроны легко взаимодействуют с окружающим веществом и могут быть использованы для определения положений и колебаний атомов вещества. В конце Второй мировой войны исследователи из США получили доступ к большим потокам нейтронов, которые производились на впервые построенных ядерных реакторах. Первые эксперименты по нейтронной дифракции были выполнены Эрнестом Воланом в 1945 году на Графитовом реакторе в Лаборатории Окридж, США. Совместно с Клиффордом Шуллом они сформировали принципы данного экспериментального метода исследования и успешно применили его к исследованию различных материалов. Клиффорд Шулл и Бертрам Брокхаус показали, что направления, в которых нейтроны «упруго» рассеиваются без изменения энергии, дают информацию о положении и упорядочении атомов вещества. В 1994 году Шулл и Брокхаус были удостоены Нобелевской премии за их новаторские подходы и идеи в развитии методов нейтронного рассеяния.
За прошедшие 50 лет все больше ученых в областях физики, химии, биологии, материаловедения, геологии и многих других обращаются к использованию нейтронного рассеяния в поисках ответов на наиболее сложные проблемы в их областях исследований.
1.2. Источники нейтронов.
В настоящее время рассеяние нейтронов практических уходит от изучения атомной и магнитной структуры и динамики простых кристаллов. Акцент все более делается на изучении наноструктур, разупорядоченных систем, сложных химических реакций, процессов катализа. Расширяется активность в области исследования сложных жидкостей, самоорганизующихся систем, экзотических электронных состояний.
Все эти задачи могут быть поставлены и решены только на современных высокопоточных источниках нейтронов: ядерных реакторах, где используется контролируемая реакция деления ядер урана или плутония, или испарительных источниках на базе протонных ускорителей при бомбардировке тяжелых ядер протонами высоких энергий. Поток нейтронов может быть либо постоянным, либо пульсирующим. При таких процессах производимые нейтроны имеют большие значения энергии, что требует дополнительной установки на источник замедлителей нейтронов. В результате формируется поток нейтронов с длинами волн, сравнимыми с межатомными расстояниями в жидкостях и твердых телах, с кинетическими энергиями, сравнимыми с динамическими процессами в веществе. Как правило, замедлители изготавливаются из алюминия и заполняются жидким водородом, или жидким метаном (в зависимости от необходимых параметров выходящего нейтронного пучка).
Наиболее интенсивные источники нейтронов являются очень дорогими при создании и в обслуживании, и их количество в мире, вообще говоря, мало. В 1950 году был построен первый реактор, предназначенный непосредственно для научных исследований. Его единственной целью было производство как можно большей интенсивности нейтронного излучения. Со временем нейтронные источники превратились в универсальные научно-исследовательские установки, применимые в широком спектре экспериментальных исследований. В настоящее время чуть больше 30 лабораторий в мире оборудованы средне- и высокопоточными нейтронными установками. Научно-исследовательские нейтронные источники являются исключительно источниками нейтронов и неприменимы для каких либо других целей.
1.3. Свойства нейтронов.
Нейтрон является электрически нейтральной элементарной частицей, одной из составных частей ядра атома, с массой почти в 2000 раз тяжелее электрона. Время жизни нейтрона как свободной частицы около 15 минут, несмотря на то, что в связанном состоянии в ядре атома нейтрон является стабильной частицей.
Основные свойства нейтронов, применяемые в нейтронном рассеянии:
- Энергия замедленных нейтронов сравнима с энергией атомных и молекулярных движений, и находится в диапазоне от мэВ до эВ.
- Длина волны замедленных нейтронов сравнима с межатомными расстояниями, что позволяет исследовать структуру вещества в диапазоне 10-5 – 105 Å.
- Поскольку нейтроны являются нейтральными частицами, они взаимодействуют с ядрами атомов, а не с диффузными электронными оболочками. Сечение рассеяния нейтронов на близких по массе ядрах может существенно отличаться, это дает возможность «видеть» легкие ядра на фоне тяжелых, эффективно применять метод изотопного замещения, легко различать соседние элементы. Эта особенность является большим преимуществом перед методом рентгеновского рассеяния, в котором излучение рассеивается на электронной оболочке атомов.
- наличие магнитного момента у нейтронов позволяет изучать микроскопическую магнитную структуру и магнитные флуктуации, которые определяют макроскопические параметры вещества.
- Нейтронное излучение является глубоко проникающим вглубь вещества, что позволяет проводить исследования микроскопических свойств, типа микротрещин, промышленных объектов. Подобные исследования невозможно выполнить с помощью оптических методов, рентгеновского рассеяния или электронной микроскопии.
- Нейтроны являются безвредным, неповреджающим излучением даже в случае исследования живых биологических систем.
Основное отличие нейтронного излучения от рентгеновского в том, что рассеяние нейтронов происходит на ядрах атомов. Следовательно, отсутствует необходимость учитывать атомный форм-фактор для описания формы электронного облака атома, кроме того, рассеивающая способность атома не убывает с увеличением угла рассеяния, что наблюдается для рентгеновского рассеяния. Дифрактограммы в нейтронном рассеянии имеют четкие пики рассеяния даже при больших углах рассеяния.
Следует так же указать на одну важную особенность нейтронного излучения. Рентгеновское рассеяние практически нечувствительно к наличию атомов водорода в структуре, в то время как ядра водорода и дейтерия являются сильными рассеивателями для нейтронного излучения. Это означает, что с помощью нейтронов возможно намного более точно определить положение водорода и его тепловые колебания в кристаллической структуре. Более того, длины нейтронного рассеяния водорода и дейтерия имеют противоположные знаки, что позволяет применять технику «вариации контраста». Изменяя изотопный состав буфера образца (варьируя количество водорода и дейтерия), экспериментатор получает возможность менять вклад в рассеяние различных составных частей исследуемого объекта. На практике, тем не менее, не желательно работать с большими концентрациями водорода в образце, поскольку нейтронное рассеяние имеет большую неупругую компоненту при рассеянии на водороде. Это приводит к образованию большого фона, слабо зависящего от угла рассеяния и пики упругого рассеяния «погружаются» в фоне неупругого рассеяния. Особенно эта проблема возникает при исследовании жидких образцов на основе воды. Варьирование других изотопов помимо водорода и дейтерия возможно, но, как правило, является очень дорогим решением. Водород является относительно недорогим и в то же время интересным элементом, потому что он играет исключительно большую роль в биохимической структуре вещества.
Взято из открытых источников.
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Двумерные спектры
JRES
Позволяет отделить константы спин-спинового взаимодействия от химических сдвигов. Упрощает анализ мультиплетов в случае их сильного перекрывания в одномерном спектре.
selective JRES
Позволяет получить значения констант спин-спинового взаимодействия Х ядер с конкретной группой протонов. В качестве примера рассмотрим углеродный спектр этилбензола без развязки спин-спинового взаимодействия от протонов.
Пусть нас интересуют дальние константы ароматических атомов углерода с протонами метиленовой группы. Получить эту информацию из приведенного выше спектра достаточно непросто, поскольку данные атомы углерода испытывают спин-спиновое взаимодействие с большим количеством протонов. Спектр selective JRES значительно упрощает получение этих значений.
2. COSY, COSYDQF, long-range COSY
Корреляция протонов испытывающих спин-спиновое взаимодействие.
COSY
long-range COSY
Данная импульсная методика позволяет наблюдать спин-спиновое взаимодействие с константами менее 1 Гц.
В данном примере видно взаимодействие альдегидного протона(17) и протонов метиленовой группы (18,19) с протонами бензольного кольца.
3. NOESY
Корреляция протонов, близко расположенных в пространстве.
4. HXCORR, HMQC, HSQC
Корреляция протонов напрямую связанных с ядром X (обычно X=13C).
HXCORR
HMQC
HMQC (Heteronuclear Multiple Quantum Coherence) — корреляция между химическими сдвигами протонов и химическими сдвигами ядер X (как правило, 13C или 15N) через прямое спин-спиновое взаимодействие (1J) между ядрами. Детектируемым ядром в данной методике являются протоны, что позволят существенно сократить время эксперимента, по сравнению с традиционным HXCORR, за счет более высокой чувствительности.
HSQC
HSQC (Heteronuclear Single Quantum Coherence) — корреляция между химическими сдвигами протонов и химическими сдвигами ядер X (как правило, 13C или 15N) через прямое спин-спиновое взаимодействие (1J) между ядрами. Детектируемым ядром в данной методике являются протоны, что позволят существенно сократить время эксперимента, по сравнению с традиционным HXCORR, за счет более высокой чувствительности. В отличии от HMQC позволяет достичь более высокого разрешения по оси ядра X, но гораздо требовательнее к точности настройки оборудования.
5. COLOC, HMBC
Корреляция протонов и ядер X через несколько связей (обычно X=13C).
COLOC
COLOC (COrrelation of LOng range Coupling) — корреляция между протонами и ядрами X (как правило, 13C или 15N), разделенными двумя или тремя связями (в редких случаях большим числом связей). В данной методике детектируемым ядром является ядро X, что ведет к необходимости длительного накопления. По этой причине в настоящее время чаще используется инверсный метод HMBC, позволяющий получить ту же информацию гораздо быстрее.
HMBC
HMBC (Heteronuclear Multiple Bond Correlation) — корреляция между протонами и ядрами X (как правило, 13C или 15N), разделенными двумя или тремя связями (в редких случаях большим числом связей). В данной методике детектируемым ядром являются протоны, что позволяет значительно сократить время эксперимента, по сравнению с COLOC. Различить взаимодействия через две и через три связи невозможно без использования специальных модификаций этого метода.
6. 2D INADEQUATE
Корреляция напрямую связанных ядер 13С. Из-за очень низкой чувствительности требует высокой концентрации образца.
2D INADEQUATE (Incredible Natural Abundance Double Quantum Transfer Experiment) — потенциально наиболее мощная методика определения строения углеродного скелета молекулы на основе информации о напрямую связанных атомах углерода. Однако, очень низкая чувствительность данного метода требует большого количества вещества и чрезвычайно длительного времени эксперимента. По этим причинам 2D NADEQUATE редко используется на практике.
вопросов и ответов — Как найти количество протонов, электронов и нейтронов в атоме элемента?
Предыдущий вопрос
(Не могли бы вы объяснить плотность?)
Вопросы и ответы
Основной указатель
Следующий вопрос
(Сколько протонов, нейтронов и электронов в атоме?)
Предыдущий вопрос
(Не могли бы вы объяснить плотность?)
Вопросы и ответы Основной индекс
Следующий вопрос
(Сколько протонов, нейтронов и электронов в атоме?)
Вопросы и ответы Основной индекс
Сколько протонов, электронов и нейтронов в атоме криптона, углерода, кислорода, неона, серебра, золота и т. д…?
Чтобы найти количество протонов, электронов и нейтронов в атоме, выполните следующие простые шаги:
Шаг 1. Сбор информации
Первое, что вам нужно сделать, это найти некоторую информацию о вашем элементе. Перейдите в периодическую таблицу элементов и нажмите на свой элемент. Если это упрощает задачу, вы можете выбрать элемент из алфавитного списка.
Используйте Таблицу элементов, чтобы найти атомный номер и атомный вес вашего элемента. Атомный номер — это число, расположенное в верхнем левом углу, а атомный вес — это число, расположенное внизу, как в этом примере для криптона:
Шаг 2. Число протонов равно…
атомный номер — это количество протонов в атоме элемента. В нашем примере атомный номер криптона равен 36. Это говорит нам о том, что атом криптона имеет в ядре 36 протонов.
Интересно, что каждый атом криптона содержит 36 протонов. Если в атоме нет 36 протонов, он не может быть атомом криптона. Добавление или удаление протонов из ядра атома создает другой элемент. Например, удаление одного протона из атома криптона создает атом брома.
Шаг 3. Число электронов равно…
По определению атомы не имеют общего электрического заряда. Это означает, что должен существовать баланс между положительно заряженными протонами и отрицательно заряженными электронами. Атомов должно быть одинаковое количество протонов и электронов . В нашем примере атом криптона должен содержать 36 электронов, поскольку он содержит 36 протонов.
Электроны особым образом расположены вокруг атомов. Если вам нужно знать, как электроны расположены вокруг атома, взгляните на статью «Как читать таблицу конфигурации электронов?» страница.
Атом может приобретать или терять электроны, становясь так называемым ионом . Ион — это не что иное, как электрически заряженный атом. Добавление или удаление электронов из атома не меняет того, какой это элемент, а только его суммарный заряд.
Например, удаление электрона из атома криптона образует ион криптона, который обычно записывается как Kr + . Знак плюс означает, что это положительно заряженный ион. Он заряжен положительно, потому что из атома был удален отрицательно заряженный электрон. Оставшихся 35 электронов было меньше, чем 36 положительно заряженных протонов, что привело к заряду +1.
Шаг 4. Число нейтронов равно…
Атомный вес в основном является измерением общее число частиц в ядре атома . На самом деле, это не такой чистый срез. Атомный вес на самом деле представляет собой средневзвешенное значение всех встречающихся в природе изотопов элемента по отношению к массе углерода-12. Не понял? Не имеет значения. Все, что вам действительно нужно найти, это то, что называется массовым числом . К сожалению, массовое число не указано в таблице элементов. К счастью, чтобы найти массовое число, все, что вам нужно сделать, это округлить атомный вес до ближайшего целого числа 9. 0041 . В нашем примере массовое число криптона равно 84, так как его атомный вес 83,80 округляется до 84.
Массовое число — это количество частиц в ядре атома. Помните, что ядро состоит из протонов и нейтронов. Итак, если мы хотим, мы можем написать:
Массовое число = (Количество протонов) + (Количество нейтронов)
Для криптона это уравнение принимает вид:
84 = (Количество протонов) + (Количество нейтронов)
Если бы мы только знали, сколько протонов у криптона, мы могли бы вычислить, сколько у него нейтронов. Подожди… Нам do узнай сколько протонов у криптона! Мы сделали это еще в Шаге 2 ! Атомный номер (36) — это количество протонов в криптоне. Подставив это в уравнение, мы получим:
84 = 36 + (Число нейтронов)
Какое число, прибавленное к 36, дает 84? Надеюсь, вы сказали 48. Это количество нейтронов в атоме криптона.
Интересно, что добавление или удаление нейтронов из атома не создает новый элемент. Скорее, он создает более тяжелую или более легкую версию этого элемента. Эти разные версии называются изотопами, и большинство элементов на самом деле представляют собой смесь разных изотопов.
Если бы вы могли взять атомы криптона и подсчитать количество нейтронов в каждом из них, вы бы обнаружили, что у большинства из них 48, у других 47, у некоторых 50, у некоторых 46, у некоторых 44 и у очень немногих было бы 42. Вы бы посчитали разное количество нейтронов, потому что криптон представляет собой смесь шести изотопов.
Вкратце…
Для любого элемента:
Количество протонов = атомный номер
Количество электронов = количество протонов = атомный номер
Количество нейтронов = массовое число — атомный номер
Для криптона:
Количество протонов = атомный номер = 36
Количество электронов = количество протонов = атомный номер = 36 Номер = 84 — 36 = 48
Связанные страницы:
Информация о цитировании и размещении ссылок
По вопросам, касающимся этой страницы, обращайтесь к Стиву Ганьону.
Протонная терапия | Cancer.Net
Утверждено редакционной коллегией Cancer.Net, 08/2018
Протонная терапия, также называемая протонно-лучевой терапией, является разновидностью лучевой терапии. Он использует протоны, а не рентгеновские лучи для лечения рака.
Протон — положительно заряженная частица. При высокой энергии протоны могут разрушать раковые клетки. Врачи могут использовать только протонную терапию. Они также могут сочетать его с рентгено-лучевой терапией, хирургическим вмешательством, химиотерапией и/или иммунотерапией.
Как и рентгеновское излучение, протонная терапия является разновидностью дистанционной лучевой терапии. Он безболезненно доставляет излучение через кожу из машины вне тела.
Как работает протонная терапия
Устройство, называемое синхротроном или циклотроном, ускоряет протоны. Высокая скорость протонов создает высокую энергию. Эта энергия заставляет протоны перемещаться на желаемую глубину в теле. Затем протоны дают целевую дозу облучения опухоли.
При протонной терапии за пределами опухоли доза облучения меньше. При регулярной лучевой терапии рентгеновские лучи продолжают давать дозы облучения, когда они покидают тело человека. Это означает, что радиация повреждает близлежащие здоровые ткани, что может вызывать побочные эффекты.
Чего ожидать
Люди обычно получают протонную терапию в амбулаторных условиях. Это означает, что им не нужно лечиться в больнице. Количество сеансов лечения зависит от типа и стадии рака.
Иногда врачи проводят протонную терапию в рамках от 1 до 5 сеансов протонной терапии. Как правило, они используют более высокие суточные дозы облучения для меньшего количества процедур. Обычно это называется стереотаксической лучевой терапией тела. Если человек получает одну большую дозу радиации, это часто называют радиохирургией.
Планирование лечения
Протонная терапия требует планирования. Перед лечением вам сделают специализированную компьютерную томографию (КТ) или магнитно-резонансную томографию (МРТ). Во время этого сканирования вы будете находиться в том же положении, что и во время лечения.
Движение должно быть ограничено во время сканирования. Таким образом, вы можете быть снабжены устройством, которое поможет вам оставаться на месте. Тип устройства зависит от того, где опухоль находится в организме. Например, человеку может потребоваться носить изготовленную на заказ маску при опухоли глаза, головного мозга или головы. Ему или ей также нужно будет носить это устройство позже для сканирования планирования радиации.
Во время сканирования для планирования облучения вы ляжете на стол, и врач определит точные места, где будет проходить лучевая терапия на вашем теле или устройстве. Это помогает убедиться, что ваше положение является точным во время каждой протонной терапии.
Устройства плотно прилегают друг к другу, поэтому во время лучевой терапии они не двигаются. Но команда здравоохранения хочет, чтобы каждый человек чувствовал себя максимально комфортно во время лечения. Для вас важно поговорить с командой, чтобы найти удобное положение для лечения.
Некоторые люди, особенно с опухолями в области головы и шеи, испытывают тревогу, когда им нужно лежать неподвижно в одном положении с устройством. Важно поговорить с вашей медицинской бригадой, если это вызывает у вас беспокойство. Ваш врач может дать лекарство, которое поможет вам расслабиться перед сканированием.
Медицинская бригада будет использовать сканирование лучевой терапии, чтобы отметить, где опухоли находятся на теле. Они также отмечают, где находятся нормальные ткани, чтобы избежать этой области. Этот процесс аналогичен процессу планирования облучения с помощью рентгеновских лучей.
Прохождение лечения
Люди получают протонную терапию в специальном лечебном кабинете. Для каждой процедуры член медицинской бригады помещает человека в устройство на процедурный стол в палате. Для некоторых областей вокруг головы и шеи, таких как глаза, человека помещают на специальный стул, а не на стол.
Перед началом лечения лечащая бригада убедится, что пациент находится в правильном положении. Это включает в себя использование лазера для центрирования меток, которые были размещены на теле или устройстве во время сканирования планирования лечения. Команда делает рентген или компьютерную томографию перед каждым лечением. Это помогает им расположить человека в одном и том же положении для каждого сеанса лечения. Это делается для того, чтобы протоны попадали в опухоль, а не в ткани рядом с опухолью.
В некоторых кабинетах протонной терапии есть машина, называемая порталом. Он вращается вокруг человека. Таким образом, лечение доставляется к опухоли с лучших углов. Во время лечения гентри также будет вращаться вокруг человека, чтобы сопло аппарата находилось в правильном положении. Через сопло выходят протоны из аппарата.,
После того, как пациент находится в нужном положении, бригада покидает процедурный кабинет и направляется к контрольно-пропускному пункту за пределами помещения. Они будут использовать эти элементы управления для доставки протонной терапии. Команда сможет видеть и слышать вас через видео, размещенное в процедурном кабинете.
Протоны проходят через аппарат, а затем магниты направляют их к опухоли. Иногда также будет использоваться портал. Во время лечения человек должен оставаться неподвижным, чтобы опухоль не вышла за пределы сфокусированного пучка протонов.
Время, необходимое для каждой процедуры
Обычно протонная лучевая терапия длится от 15 до 30 минут, начиная с того момента, когда вы входите в процедурный кабинет. Время будет зависеть от обрабатываемой части тела и количества процедур. Это также будет зависеть от того, насколько легко команда может увидеть место опухоли с помощью рентгеновских лучей или компьютерной томографии в процессе позиционирования.
Узнайте у лечащего врача, сколько времени займет каждое лечение. Иногда врачу необходимо проводить лечение под разными углами гентри. Спросите свою команду, произойдет ли это во время вашего лечения. Выясните, будут ли они возвращаться в комнату во время лечения, чтобы переместить гентри, или гентри будет вращаться вокруг вас.
Также важно знать, что общее время пребывания в процедурном кабинете может варьироваться в зависимости от дня. Это связано с тем, что врач может воздействовать на разные области, для которых требуются другие «поля» излучения. Для этого может потребоваться использование различных видов сегментов протонного пучка. Например, одна процедура может доставить часть общей дозы облучения в лимфатические узлы и здоровые ткани вокруг пораженного участка. опухоль, которая может содержать небольшое количество опухоли.Другое лечение может доставить дозу облучения к основной опухоли.
Другие факторы также могут влиять на общее необходимое время, например, ожидание перемещения пучка протонов после завершения лечения другого человека. Большинство центров протонной терапии имеют только один протонный аппарат.
В центрах, где имеется более одного процедурного кабинета, протоны перемещаются из одного кабинета в другой с помощью магнита. В некоторые дни 2 комнаты могут быть готовы почти одновременно для доставки протонного лечения человеку в каждой комнате. Это означает, что одному человеку, возможно, придется подождать пару минут, пока не будет оказано лечение другому человеку.
Побочные эффекты
Само лечение безболезненно. После этого вы можете испытывать усталость. У вас также могут быть проблемы с кожей, включая покраснение, раздражение, отек, сухость или образование волдырей и шелушение.
У вас могут быть другие побочные эффекты, особенно если вы одновременно проходите курс химиотерапии. Побочные эффекты протонной терапии зависят от обрабатываемой части тела, размера опухоли и типов здоровых тканей вблизи опухоли. Спросите у своей медицинской бригады, какие побочные эффекты, скорее всего, повлияют на вас.
Рак, леченный протонной терапией
Протонная терапия полезна для лечения опухолей, которые не распространились и находятся вблизи важных частей тела. Например, рак около головного и спинного мозга. Он также используется для лечения детей, поскольку снижает вероятность повреждения здоровых, растущих тканей. Дети могут получать протонную терапию при раке головного и спинного мозга. Он также используется при раке глаза, таком как ретинобластома и орбитальная рабдомиосаркома.
Протонная терапия также может использоваться для лечения следующих видов рака:
-
Рак центральной нервной системы, включая хордому, хондросаркому и злокачественную менингиому
-
Рак глаза, включая увеальную меланому или хориоидальную меланому
-
Рак головы и шеи, включая рак полости носа и околоносовых пазух и некоторые виды рака носоглотки
-
Рак легкого
-
Рак печени
-
Рак предстательной железы
-
Саркомы позвоночника и таза, представляющие собой рак, поражающий мягкие ткани и кости
-
Доброкачественные опухоли головного мозга
Риски и преимущества
По сравнению с рентгеновской лучевой терапией протонная терапия имеет несколько преимуществ:
- Обычно к здоровым тканям вокруг опухоли можно доставить до 60% меньше радиации. Это снижает риск радиационного повреждения этих тканей.
- Это может позволить увеличить дозу облучения опухоли. Это увеличивает вероятность того, что все опухолевые клетки, на которые направлена протонная терапия, будут уничтожены.
- Это может вызвать меньшее количество и менее серьезные побочные эффекты, такие как низкие показатели крови, усталость и тошнота во время и после лечения.
Но у протонной терапии есть и недостатки:
- Поскольку протонная терапия требует узкоспециализированного и дорогостоящего оборудования, она доступна лишь в нескольких медицинских центрах США. Найдите список центров, которые в настоящее время предлагают протонную терапию.
- Это может стоить больше, чем рентгенотерапия. Правила страховых компаний различаются в отношении того, какие виды рака покрываются и сколько человек должен платить. Поговорите со своей страховой компанией, чтобы узнать больше.
- Не все виды рака можно лечить протонной терапией.
Добавить комментарий