asp net pdf viewer control c# : A pdf page cut Library software API .net winforms windows sharepoint PHYS101_OpenStaxCollege_College-Physics115-part1745

32
MEDICAL APPLICATIONS OF NUCLEAR
PHYSICS
Figure 32.1Tori Randall, Ph.D., curator for the Department of Physical Anthropology at the San Diego Museum of Man, prepares a 550-year-old Peruvian child mummy for a
CT scan at Naval Medical Center San Diego. (credit: U.S. Navy photo by Mass Communication Specialist 3rd Class Samantha A. Lewis)
Learning Objectives
32.1.Medical Imaging and Diagnostics
• Explain the working principle behind an anger camera.
• Describe the SPECT and PET imaging techniques.
32.2.Biological Effects of Ionizing Radiation
• Define various units of radiation.
• Describe RBE.
32.3.Therapeutic Uses of Ionizing Radiation
• Explain the concept of radiotherapy and list typical doses for cancer therapy.
32.4.Food Irradiation
• Define food irradiation low dose, and free radicals.
32.5.Fusion
• Define nuclear fusion.
• Discuss processes to achieve practical fusion energy generation.
32.6.Fission
• Define nuclear fission.
• Discuss how fission fuel reacts and describe what it produces.
• Describe controlled and uncontrolled chain reactions.
32.7.Nuclear Weapons
• Discuss different types of fission and thermonuclear bombs.
• Explain the ill effects of nuclear explosion.
CHAPTER 32 | MEDICAL APPLICATIONS OF NUCLEAR PHYSICS S 1149
A pdf page cut - Split, seperate PDF into multiple files in C#.net, ASP.NET, MVC, Ajax, WinForms, WPF
Explain How to Split PDF Document in Visual C#.NET Application
cannot select text in pdf; c# split pdf
A pdf page cut - VB.NET PDF File Split Library: Split, seperate PDF into multiple files in vb.net, ASP.NET, MVC, Ajax, WinForms, WPF
VB.NET PDF Document Splitter Control to Disassemble PDF Document
can't select text in pdf file; split pdf into multiple files
Introduction to Applications of Nuclear Physics
Applications of nuclear physics have become an integral part of modern life. From the bone scan that detects a cancer to the radioiodine treatment
that cures another, nuclear radiation has diagnostic and therapeutic effects on medicine. From the fission power reactor to the hope of controlled
fusion, nuclear energy is now commonplace and is a part of our plans for the future. Yet, the destructive potential of nuclear weapons haunts us, as
does the possibility of nuclear reactor accidents. Certainly, several applications of nuclear physics escape our view, as seen inFigure 32.2. Not only
has nuclear physics revealed secrets of nature, it has an inevitable impact based on its applications, as they are intertwined with human values.
Because of its potential for alleviation of suffering, and its power as an ultimate destructor of life, nuclear physics is often viewed with ambivalence.
But it provides perhaps the best example that applications can be good or evil, while knowledge itself is neither.
Figure 32.2Customs officers inspect vehicles using neutron irradiation. Cars and trucks pass through portable x-ray machines that reveal their contents. (credit: Gerald L.
Nino, CBP, U.S. Dept. of Homeland Security)
Figure 32.3This image shows two stowaways caught illegally entering the United States from Canada. (credit: U.S. Customs and Border Protection)
32.1Medical Imaging and Diagnostics
A host of medical imaging techniques employ nuclear radiation. What makes nuclear radiation so useful? First,
γ
radiation can easily penetrate
tissue; hence, it is a useful probe to monitor conditions inside the body. Second, nuclear radiation depends on the nuclide and not on the chemical
compound it is in, so that a radioactive nuclide can be put into a compound designed for specific purposes. The compound is said to betagged. A
tagged compound used for medical purposes is called aradiopharmaceutical. Radiation detectors external to the body can determine the location
and concentration of a radiopharmaceutical to yield medically useful information. For example, certain drugs are concentrated in inflamed regions of
the body, and this information can aid diagnosis and treatment as seen inFigure 32.4. Another application utilizes a radiopharmaceutical which the
body sends to bone cells, particularly those that are most active, to detect cancerous tumors or healing points. Images can then be produced of such
bone scans. Radioisotopes are also used to determine the functioning of body organs, such as blood flow, heart muscle activity, and iodine uptake in
the thyroid gland.
Figure 32.4A radiopharmaceutical is used to produce this brain image of a patient with Alzheimer’s disease. Certain features are computer enhanced. (credit: National
Institutes of Health)
1150 CHAPTER 32 | MEDICAL APPLICATIONS OF NUCLEAR PHYSICS
This content is available for free at http://cnx.org/content/col11406/1.7
VB.NET PDF copy, paste image library: copy, paste, cut PDF images
VB.NET DLLs: Copy, Paste, Cut Image in PDF Page. In order to run the sample code, the following steps would be necessary. VB.NET: Cut Image in PDF Page.
pdf format specification; break a pdf
C# PDF Page Extract Library: copy, paste, cut PDF pages in C#.net
If using x86, the platform target should be x86. C#.NET Sample Code: Clone a PDF Page Using C#.NET. Load the PDF file that provides the page object.
can't cut and paste from pdf; pdf separate pages
Medical Application
Table 32.1lists certain medical diagnostic uses of radiopharmaceuticals, including isotopes and activities that are typically administered. Many
organs can be imaged with a variety of nuclear isotopes replacing a stable element by a radioactive isotope. One common diagnostic employs iodine
to image the thyroid, since iodine is concentrated in that organ. The most active thyroid cells, including cancerous cells, concentrate the most iodine
and, therefore, emit the most radiation. Conversely, hypothyroidism is indicated by lack of iodine uptake. Note that there is more than one isotope that
can be used for several types of scans. Another common nuclear diagnostic is the thallium scan for the cardiovascular system, particularly used to
evaluate blockages in the coronary arteries and examine heart activity. The salt TlCl can be used, because it acts like NaCl and follows the blood.
Gallium-67 accumulates where there is rapid cell growth, such as in tumors and sites of infection. Hence, it is useful in cancer imaging. Usually, the
patient receives the injection one day and has a whole body scan 3 or 4 days later because it can take several days for the gallium to build up.
Table 32.1Diagnostic Uses of Radiopharmaceuticals
Procedure, isotope
Typical activity (mCi), where
1 mCi=3.7×10
7
Bq
Brain scan
99m
Tc
7.5
113m
In
7.5
11
C (PET)
20
13
N (PET)
20
15
O (PET)
50
18
F (PET)
10
Lung scan
99m
Tc
2
133
Xe
7.5
Cardiovascular blood pool
131
I
0.2
99m
Tc
2
Cardiovascular arterial flow
201
Tl
3
24
Na
7.5
Thyroid scan
131
I
0.05
123
I
0.07
Liver scan
198
Au
(colloid)
0.1
99m
Tc
(colloid)
2
Bone scan
85
Sr
0.1
99m
Tc
10
Kidney scan
197
Hg
0.1
99m
Tc
1.5
CHAPTER 32 | MEDICAL APPLICATIONS OF NUCLEAR PHYSICS S 1151
C# PDF copy, paste image Library: copy, paste, cut PDF images in
C#.NET Project DLLs: Copy, Paste, Cut Image in PDF Page. C#.NET Demo Code: Cut Image in PDF Page in C#.NET. PDF image cutting is similar to image deleting.
break password pdf; break pdf
VB.NET PDF Page Extract Library: copy, paste, cut PDF pages in vb.
Pages. |. Home ›› XDoc.PDF ›› VB.NET PDF: Copy and Paste PDF Page. Please refer to below listed demo codes. VB.NET DLLs: Extract, Copy and Paste PDF Page.
break pdf into multiple pages; pdf will no pages selected
Note thatTable 32.1lists many diagnostic uses for
99m
Tc
, where “m” stands for a metastable state of the technetium nucleus. Perhaps 80 percent
of all radiopharmaceutical procedures employ
99m
Tc
because of its many advantages. One is that the decay of its metastable state produces a
single, easily identified 0.142-MeV
γ
ray. Additionally, the radiation dose to the patient is limited by the short 6.0-h half-life of
99m
Tc
. And, although
its half-life is short, it is easily and continuously produced on site. The basic process for production is neutron activation of molybdenum, which
quickly
β
decays into
99m
Tc
. Technetium-99m can be attached to many compounds to allow the imaging of the skeleton, heart, lungs, kidneys,
etc.
Figure 32.5shows one of the simpler methods of imaging the concentration of nuclear activity, employing a device called anAnger cameraor
gamma camera. A piece of lead with holes bored through it collimates
γ
rays emerging from the patient, allowing detectors to receive
γ
rays from
specific directions only. The computer analysis of detector signals produces an image. One of the disadvantages of this detection method is that there
is no depth information (i.e., it provides a two-dimensional view of the tumor as opposed to a three-dimensional view), because radiation from any
location under that detector produces a signal.
Figure 32.5An Anger or gamma camera consists of a lead collimator and an array of detectors. Gamma rays produce light flashes in the scintillators. The light output is
converted to an electrical signal by the photomultipliers. A computer constructs an image from the detector output.
Imaging techniques much like those in x-ray computed tomography (CT) scans use nuclear activity in patients to form three-dimensional images.
Figure 32.6shows a patient in a circular array of detectors that may be stationary or rotated, with detector output used by a computer to construct a
detailed image. This technique is calledsingle-photon-emission computed tomography(SPECT)or sometimes simply SPET. The spatial
resolution of this technique is poor, about 1 cm, but the contrast (i.e. the difference in visual properties that makes an object distinguishable from
other objects and the background) is good.
Figure 32.6SPECT uses a geometry similar to a CT scanner to form an image of the concentration of a radiopharmaceutical compound. (credit: Woldo, Wikimedia Commons)
Images produced by
β
+
emitters have become important in recent years. When the emitted positron (
β
+
) encounters an electron, mutual
annihilation occurs, producing two
γ
rays. These
γ
rays have identical 0.511-MeV energies (the energy comes from the destruction of an electron
or positron mass) and they move directly away from one another, allowing detectors to determine their point of origin accurately, as shown inFigure
32.7. The system is calledpositron emission tomography (PET). It requires detectors on opposite sides to simultaneously (i.e., at the same time)
detect photons of 0.511-MeV energy and utilizes computer imaging techniques similar to those in SPECT and CT scans. Examples of
β
+
-emitting
isotopes used in PET are
11
C
,
13
N
,
15
O
, and
18
F
, as seen inTable 32.1. This list includes C, N, and O, and so they have the advantage of
being able to function as tags for natural body compounds. Its resolution of 0.5 cm is better than that of SPECT; the accuracy and sensitivity of PET
scans make them useful for examining the brain’s anatomy and function. The brain’s use of oxygen and water can be monitored with
15
O
. PET is
used extensively for diagnosing brain disorders. It can note decreased metabolism in certain regions prior to a confirmation of Alzheimer’s disease.
PET can locate regions in the brain that become active when a person carries out specific activities, such as speaking, closing their eyes, and so on.
1152 CHAPTER 32 | MEDICAL APPLICATIONS OF NUCLEAR PHYSICS
This content is available for free at http://cnx.org/content/col11406/1.7
C# PDF remove image library: remove, delete images from PDF in C#.
page. Define position to remove a specific image from PDF document page. Able to cut and paste image into another PDF file. Export
cannot select text in pdf file; break pdf password online
How to C#: Basic SDK Concept of XDoc.PDF for .NET
you may easily create, load, combine, and split PDF file(s), and add, create, insert, delete, re-order, copy, paste, cut, rotate, and save PDF page(s), etc.
break a pdf apart; pdf split file
Figure 32.7A PET system takes advantage of the two identical
γ
-ray photons produced by positron-electron annihilation. These
γ
rays are emitted in opposite directions,
so that the line along which each pair is emitted is determined. Various events detected by several pairs of detectors are then analyzed by the computer to form an accurate
image.
PhET Explorations: Simplified MRI
Is it a tumor? Magnetic Resonance Imaging (MRI) can tell. Your head is full of tiny radio transmitters (the nuclear spins of the hydrogen nuclei of
your water molecules). In an MRI unit, these little radios can be made to broadcast their positions, giving a detailed picture of the inside of your
head.
Figure 32.8Simplified MRI (http://cnx.org/content/m42649/1.5/mri_en.jar)
32.2Biological Effects of Ionizing Radiation
We hear many seemingly contradictory things about the biological effects of ionizing radiation. It can cause cancer, burns, and hair loss, yet it is used
to treat and even cure cancer. How do we understand these effects? Once again, there is an underlying simplicity in nature, even in complicated
biological organisms. All the effects of ionizing radiation on biological tissue can be understood by knowing thationizing radiation affects
molecules within cells, particularly DNA molecules.
Let us take a brief look at molecules within cells and how cells operate. Cells have long, double-helical DNA molecules containing chemical codes
called genetic codes that govern the function and processes undertaken by the cell. It is for unraveling the double-helical structure of DNA that James
Watson, Francis Crick, and Maurice Wilkins received the Nobel Prize. Damage to DNA consists of breaks in chemical bonds or other changes in the
structural features of the DNA chain, leading to changes in the genetic code. In human cells, we can have as many as a million individual instances of
damage to DNA per cell per day. It is remarkable that DNA contains codes that check whether the DNA is damaged or can repair itself. It is like an
auto check and repair mechanism. This repair ability of DNA is vital for maintaining the integrity of the genetic code and for the normal functioning of
the entire organism. It should be constantly active and needs to respond rapidly. The rate of DNA repair depends on various factors such as the cell
type and age of the cell. A cell with a damaged ability to repair DNA, which could have been induced by ionizing radiation, can do one of the
following:
• The cell can go into an irreversible state of dormancy, known as senescence.
• The cell can commit suicide, known as programmed cell death.
• The cell can go into unregulated cell division leading to tumors and cancers.
Since ionizing radiation damages the DNA, which is critical in cell reproduction, it has its greatest effect on cells that rapidly reproduce, including most
types of cancer. Thus, cancer cells are more sensitive to radiation than normal cells and can be killed by it easily. Cancer is characterized by a
malfunction of cell reproduction, and can also be caused by ionizing radiation. Without contradiction, ionizing radiation can be both a cure and a
cause.
To discuss quantitatively the biological effects of ionizing radiation, we need a radiation dose unit that is directly related to those effects. All effects of
radiation are assumed to be directly proportional to the amount of ionization produced in the biological organism. The amount of ionization is in turn
proportional to the amount of deposited energy. Therefore, we define aradiation dose unitcalled therad, as
1/100
of a joule of ionizing energy
deposited per kilogram of tissue, which is
(32.1)
1 rad=0.01 J/kg.
For example, if a 50.0-kg person is exposed to ionizing radiation over her entire body and she absorbs 1.00 J, then her whole-body radiation dose is
(32.2)
(1.00 J)
/
(50.0 kg)=0.0200 J/kg=2.00 rad.
If the same 1.00 J of ionizing energy were absorbed in her 2.00-kg forearm alone, then the dose to the forearm would be
CHAPTER 32 | MEDICAL APPLICATIONS OF NUCLEAR PHYSICS S 1153
VB.NET PDF: Basic SDK Concept of XDoc.PDF
you may easily create, load, combine, and split PDF file(s), and add, create, insert, delete, re-order, copy, paste, cut, rotate, and save PDF page(s), etc.
pdf no pages selected; add page break to pdf
VB.NET PDF Page Delete Library: remove PDF pages in vb.net, ASP.
XDoc.PDF ›› VB.NET PDF: Delete PDF Page. using RasterEdge.Imaging.Basic; using RasterEdge.XDoc.PDF; How to VB.NET: Delete a Single PDF Page from PDF File.
pdf rotate single page; break apart a pdf file
(32.3)
(1.00 J)
/
(2.00 kg)=0.500 J/kg=50.0 rad,
and the unaffected tissue would have a zero rad dose. While calculating radiation doses, you divide the energy absorbed by the mass of affected
tissue. You must specify the affected region, such as the whole body or forearm in addition to giving the numerical dose in rads. The SI unit for
radiation dose is thegray (Gy), which is defined to be
(32.4)
1 Gy=1 J/kg=100 rad.
However, the rad is still commonly used. Although the energy per kilogram in 1 rad is small, it has significant effects since the energy causes
ionization. The energy needed for a single ionization is a few eV, or less than
10
−18
J
. Thus, 0.01 J of ionizing energy can create a huge number of
ion pairs and have an effect at the cellular level.
The effects of ionizing radiation may be directly proportional to the dose in rads, but they also depend on the type of radiation and the type of tissue.
That is, for a given dose in rads, the effects depend on whether the radiation is
α,β,γ,
x-ray, or some other type of ionizing radiation. In the earlier
discussion of the range of ionizing radiation, it was noted that energy is deposited in a series of ionizations and not in a single interaction. Each ion
pair or ionization requires a certain amount of energy, so that the number of ion pairs is directly proportional to the amount of the deposited ionizing
energy. But, if the range of the radiation is small, as it is for
α
s, then the ionization and the damage created is more concentrated and harder for the
organism to repair, as seen inFigure 32.9. Concentrated damage is more difficult for biological organisms to repair than damage that is spread out,
so short-range particles have greater biological effects. Therelative biological effectiveness(RBE) orquality factor(QF) is given inTable 32.2for
several types of ionizing radiation—the effect of the radiation is directly proportional to the RBE. A dose unit more closely related to effects in
biological tissue is called theroentgen equivalent manor rem and is defined to be the dose in rads multiplied by the relative biological
effectiveness.
(32.5)
rem=rad×RBE
Figure 32.9The image shows ionization created in cells by
α
and
γ
radiation. Because of its shorter range, the ionization and damage created by
α
is more concentrated
and harder for the organism to repair. Thus, the RBE for
α
s is greater than the RBE for
γ
s, even though they create the same amount of ionization at the same energy.
So, if a person had a whole-body dose of 2.00 rad of
γ
radiation, the dose in rem would be
(2.00 rad)(1) = 2.00 rem whole body
. If the person
had a whole-body dose of 2.00 rad of
α
radiation, then the dose in rem would be
(2.00 rad)(20) = 40.0 rem whole body
. The
α
s would have
20 times the effect on the person than the
γ
s for the same deposited energy. The SI equivalent of the rem is thesievert(Sv), defined to be
Sv=Gy×RBE
, so that
(32.6)
1 Sv=1 Gy×RBE=100 rem.
The RBEs given inTable 32.2are approximate, but they yield certain insights. For example, the eyes are more sensitive to radiation, because the
cells of the lens do not repair themselves. Neutrons cause more damage than
γ
rays, although both are neutral and have large ranges, because
neutrons often cause secondary radiation when they are captured. Note that the RBEs are 1 for higher-energy
β
s,
γ
s, and x-rays, three of the
most common types of radiation. For those types of radiation, the numerical values of the dose in rem and rad are identical. For example, 1 rad of
γ
radiation is also 1 rem. For that reason, rads are still widely quoted rather than rem.Table 32.3summarizes the units that are used for radiation.
Misconception Alert: Activity vs. Dose
“Activity” refers to the radioactive source while “dose” refers to the amount of energy from the radiation that is deposited in a person or object.
A high level of activity doesn’t mean much if a person is far away from the source. The activity
R
of a source depends upon the quantity of material
(kg) as well as the half-life. A short half-life will produce many more disintegrations per second. Recall that
R=
0.693N
t
1/2
. Also, the activity
decreases exponentially, which is seen in the equation
R=R
0
e
λt
.
1154 CHAPTER 32 | MEDICAL APPLICATIONS OF NUCLEAR PHYSICS
This content is available for free at http://cnx.org/content/col11406/1.7
VB.NET PDF Page Insert Library: insert pages into PDF file in vb.
PDF Pages. |. Home ›› XDoc.PDF ›› VB.NET PDF: Insert PDF Page. Professional .NET PDF control for inserting PDF page in Visual Basic .NET class application.
break a pdf; a pdf page cut
C# PDF Page Insert Library: insert pages into PDF file in C#.net
PDF ›› C# PDF: Insert PDF Page. C# PDF - Insert Blank PDF Page in C#.NET. Guide C# Users to Insert (Empty) PDF Page or Pages from a Supported File Format.
pdf split and merge; split pdf into multiple files
Table 32.2Relative Biological Effectiveness
Type and energy of radiation
RBE
[1]
X-rays
1
γ
rays
1
β
rays greater than 32 keV
1
β
rays less than 32 keV
1.7
Neutrons, thermal to slow (<20 keV) ) 2–5
Neutrons, fast (1–10 MeV)
10 (body), 32 (eyes)
Protons (1–10 MeV)
10 (body), 32 (eyes)
α
rays from radioactive decay
10–20
Heavy ions from accelerators
10–20
Table 32.3Units for Radiation
Quantity
SI unit name
Definition
Former unit
Conversion
Activity
Becquerel (bq)
decay/sec
Curie (Ci)
1 Bq = 2.7×10
−11
Ci
Absorbed dose e Gray (Gy)
1 J/kg
rad
Gy = 100 rad
Dose Equivalent t Sievert (Sv)
1 J/kg × RBE E rem
Sv = 100 rem
The large-scale effects of radiation on humans can be divided into two categories: immediate effects and long-term effects.Table 32.4gives the
immediate effects of whole-body exposures received in less than one day. If the radiation exposure is spread out over more time, greater doses are
needed to cause the effects listed. This is due to the body’s ability to partially repair the damage. Any dose less than 100 mSv (10 rem) is called a
low dose, 0.1 Sv to 1 Sv (10 to 100 rem) is called amoderate dose, and anything greater than 1 Sv (100 rem) is called ahigh dose. There is no
known way to determine after the fact if a person has been exposed to less than 10 mSv.
Table 32.4Immediate Effects of Radiation (Adults, Whole Body, Single Exposure)
Dose in Sv
[2]
Effect
0–0.10
No observable effect.
0.1 – 1
Slight to moderate decrease in white blood cell counts.
0.5
Temporary sterility; 0.35 for women, 0.50 for men.
1 – 2
Significant reduction in blood cell counts, brief nausea and vomiting. Rarely fatal.
2 – 5
Nausea, vomiting, hair loss, severe blood damage, hemorrhage, fatalities.
4.5
LD50/32. Lethal to 50% of the population within 32 days after exposure if not treated.
5 – 20
Worst effects due to malfunction of small intestine and blood systems. Limited survival.
>20
Fatal within hours due to collapse of central nervous system.
Immediate effects are explained by the effects of radiation on cells and the sensitivity of rapidly reproducing cells to radiation. The first clue that a
person has been exposed to radiation is a change in blood count, which is not surprising since blood cells are the most rapidly reproducing cells in
the body. At higher doses, nausea and hair loss are observed, which may be due to interference with cell reproduction. Cells in the lining of the
digestive system also rapidly reproduce, and their destruction causes nausea. When the growth of hair cells slows, the hair follicles become thin and
break off. High doses cause significant cell death in all systems, but the lowest doses that cause fatalities do so by weakening the immune system
through the loss of white blood cells.
The two known long-term effects of radiation are cancer and genetic defects. Both are directly attributable to the interference of radiation with cell
reproduction. For high doses of radiation, the risk of cancer is reasonably well known from studies of exposed groups. Hiroshima and Nagasaki
survivors and a smaller number of people exposed by their occupation, such as radium dial painters, have been fully documented. Chernobyl victims
will be studied for many decades, with some data already available. For example, a significant increase in childhood thyroid cancer has been
observed. The risk of a radiation-induced cancer for low and moderate doses is generallyassumedto be proportional to the risk known for high
doses. Under this assumption, any dose of radiation, no matter how small, involves a risk to human health. This is called thelinear hypothesisand it
may be prudent, but itiscontroversial. There is some evidence that, unlike the immediate effects of radiation, the long-term effects are cumulative
and there is little self-repair. This is analogous to the risk of skin cancer from UV exposure, which is known to be cumulative.
There is a latency period for the onset of radiation-induced cancer of about 2 years for leukemia and 15 years for most other forms. The person is at
risk for at least 30 years after the latency period. Omitting many details, the overall risk of a radiation-induced cancer death per year per rem of
exposure is about 10 in a million, which can be written as
10/10
6
rem·y
.
1. Values approximate, difficult to determine.
2. Multiply by 100 to obtain dose in rem.
CHAPTER 32 | MEDICAL APPLICATIONS OF NUCLEAR PHYSICS S 1155
If a person receives a dose of 1 rem, his risk each year of dying from radiation-induced cancer is 10 in a million and that risk continues for about 30
years. The lifetime risk is thus 300 in a million, or 0.03 percent. Since about 20 percent of all worldwide deaths are from cancer, the increase due to a
1 rem exposure is impossible to detect demographically. But 100 rem (1 Sv), which was the dose received by the average Hiroshima and Nagasaki
survivor, causes a 3 percent risk, which can be observed in the presence of a 20 percent normal or natural incidence rate.
The incidence of genetic defects induced by radiation is about one-third that of cancer deaths, but is much more poorly known. The lifetime risk of a
genetic defect due to a 1 rem exposure is about 100 in a million or
3.3/10
6
rem⋅y
, but the normal incidence is 60,000 in a million. Evidence of
such a small increase, tragic as it is, is nearly impossible to obtain. For example, there is no evidence of increased genetic defects among the
offspring of Hiroshima and Nagasaki survivors. Animal studies do not seem to correlate well with effects on humans and are not very helpful. For both
cancer and genetic defects, the approach to safety has been to use the linear hypothesis, which is likely to be an overestimate of the risks of low
doses. Certain researchers even claim that low doses arebeneficial.Hormesisis a term used to describe generally favorable biological responses to
low exposures of toxins or radiation. Such low levels may help certain repair mechanisms to develop or enable cells to adapt to the effects of the low
exposures. Positive effects may occur at low doses that could be a problem at high doses.
Even the linear hypothesis estimates of the risks are relatively small, and the average person is not exposed to large amounts of radiation.Table 32.5
lists average annual background radiation doses from natural and artificial sources for Australia, the United States, Germany, and world-wide
averages. Cosmic rays are partially shielded by the atmosphere, and the dose depends upon altitude and latitude, but the average is about 0.40
mSv/y. A good example of the variation of cosmic radiation dose with altitude comes from the airline industry. Monitored personnel show an average
of 2 mSv/y. A 12-hour flight might give you an exposure of 0.02 to 0.03 mSv.
Doses from the Earth itself are mainly due to the isotopes of uranium, thorium, and potassium, and vary greatly by location. Some places have great
natural concentrations of uranium and thorium, yielding doses ten times as high as the average value. Internal doses come from foods and liquids
that we ingest. Fertilizers containing phosphates have potassium and uranium. So we are all a little radioactive. Carbon-14 has about 66 Bq/kg
radioactivity whereas fertilizers may have more than 3000 Bq/kg radioactivity. Medical and dental diagnostic exposures are mostly from x-rays. It
should be noted that x-ray doses tend to be localized and are becoming much smaller with improved techniques.Table 32.6shows typical doses
received during various diagnostic x-ray examinations. Note the large dose from a CT scan. While CT scans only account for less than 20 percent of
the x-ray procedures done today, they account for about 50 percent of the annual dose received.
Radon is usually more pronounced underground and in buildings with low air exchange with the outside world. Almost all soil contains some
226
Ra
and
222
Rn
, but radon is lower in mainly sedimentary soils and higher in granite soils. Thus, the exposure to the public can vary greatly, even within
short distances. Radon can diffuse from the soil into homes, especially basements. The estimated exposure for
222
Rn
is controversial. Recent
studies indicate there is more radon in homes than had been realized, and it is speculated that radon may be responsible for 20 percent of lung
cancers, being particularly hazardous to those who also smoke. Many countries have introduced limits on allowable radon concentrations in indoor
air, often requiring the measurement of radon concentrations in a house prior to its sale. Ironically, it could be argued that the higher levels of radon
exposure and their geographic variability, taken with the lack of demographic evidence of any effects, means that low-level radiation isless
dangerous than previously thought.
Radiation Protection
Laws regulate radiation doses to which people can be exposed. The greatest occupational whole-body dose that is allowed depends upon the
country and is about 20 to 50 mSv/y and is rarely reached by medical and nuclear power workers. Higher doses are allowed for the hands. Much
lower doses are permitted for the reproductive organs and the fetuses of pregnant women. Inadvertent doses to the public are limited to
1/10
of
occupational doses, except for those caused by nuclear power, which cannot legally expose the public to more than
1/1000
of the occupational
limit or 0.05 mSv/y (5 mrem/y). This has been exceeded in the United States only at the time of the Three Mile Island (TMI) accident in 1979.
Chernobyl is another story. Extensive monitoring with a variety of radiation detectors is performed to assure radiation safety. Increased ventilation in
uranium mines has lowered the dose there to about 1 mSv/y.
Table 32.5Background Radiation Sources and Average Doses
Source
Dose (mSv/y)
[3]
Source
Australia Germany y United States s World
Natural Radiation - external
Cosmic Rays
0.30
0.28
0.30
0.39
Soil, building materials
0.40
0.40
0.30
0.48
Radon gas
0.90
1.1
2.0
1.2
Natural Radiation - internal
40
K,
14
C,
226
Ra
0.24
0.28
0.40
0.29
Medical & Dental
0.80
0.90
0.53
0.40
TOTAL
2.6
3.0
3.5
2.8
To physically limit radiation doses, we useshielding, increase thedistancefrom a source, and limit thetime of exposure.
Figure 32.10illustrates how these are used to protect both the patient and the dental technician when an x-ray is taken. Shielding absorbs radiation
and can be provided by any material, including sufficient air. The greater the distance from the source, the more the radiation spreads out. The less
3. Multiply by 100 to obtain dose in mrem/y.
1156 CHAPTER 32 | MEDICAL APPLICATIONS OF NUCLEAR PHYSICS
This content is available for free at http://cnx.org/content/col11406/1.7
time a person is exposed to a given source, the smaller is the dose received by the person. Doses from most medical diagnostics have decreased in
recent years due to faster films that require less exposure time.
Figure 32.10A lead apron is placed over the dental patient and shielding surrounds the x-ray tube to limit exposure to tissue other than the tissue that is being imaged. Fast
films limit the time needed to obtain images, reducing exposure to the imaged tissue. The technician stands a few meters away behind a lead-lined door with a lead glass
window, reducing her occupational exposure.
Table 32.6Typical Doses Received
During Diagnostic X-ray Exams
Procedure
Effective dose (mSv)
Chest
0.02
Dental
0.01
Skull
0.07
Leg
0.02
Mammogram
0.40
Barium enema a 7.0
Upper GI
3.0
CT head
2.0
CT abdomen
10.0
Problem-Solving Strategy
You need to follow certain steps for dose calculations, which are
Step 1.Examine the situation to determine that a person is exposed to ionizing radiation.
Step 2.Identify exactly what needs to be determined in the problem (identify the unknowns).The most straightforward problems ask for a dose
calculation.
Step 3.Make a list of what is given or can be inferred from the problem as stated (identify the knowns).Look for information on the type of radiation,
the energy per event, the activity, and the mass of tissue affected.
Step 4.For dose calculations, you need to determine the energy deposited.This may take one or more steps, depending on the given information.
Step 5.Divide the deposited energy by the mass of the affected tissue.Use units of joules for energy and kilograms for mass. If a dose in Sv is
involved, use the definition that
1 Sv = 1 J/kg
.
Step 6.If a dose in mSv is involved, determine the RBE (QF) of the radiation.Recall that
1 mSv=1 mGy×RBE(or1 rem=1 rad×RBE)
.
Step 7.Check the answer to see if it is reasonable: Does it make sense?The dose should be consistent with the numbers given in the text for
diagnostic, occupational, and therapeutic exposures.
Example 32.1Dose from Inhaled Plutonium
Calculate the dose in rem/y for the lungs of a weapons plant employee who inhales and retains an activity of
1.00 μCi of
239
Pu
in an
accident. The mass of affected lung tissue is 2.00 kg, the plutonium decays by emission of a 5.23-MeV
α
particle, and you may assume the
higher value of the RBE for
α
s fromTable 32.2.
Strategy
Dose in rem is defined by
1 rad=0.01 J/kg
and
rem=rad×RBE
. The energy deposited is divided by the mass of tissue affected and then
multiplied by the RBE. The latter two quantities are given, and so the main task in this example will be to find the energy deposited in one year.
CHAPTER 32 | MEDICAL APPLICATIONS OF NUCLEAR PHYSICS S 1157
Since the activity of the source is given, we can calculate the number of decays, multiply by the energy per decay, and convert MeV to joules to
get the total energy.
Solution
The activity
R=1.00μCi=3.70×10
4
Bq=3.70×10
4
decays/s. So, the number of decays per year is obtained by multiplying by the
number of seconds in a year:
(32.7)
3.70×10
4
decays/s
3.16×10
7
s
=1.17×10
12
decays.
Thus, the ionizing energy deposited per year is
(32.8)
E=
1.17×10
12
decays
5.23MeV/decay
×
1.60×10
−13
J
MeV
=0.978J.
Dividing by the mass of the affected tissue gives
(32.9)
E
mass
=
0.978J
2.00kg
=0.489 J/kg.
One Gray is 1.00 J/kg, and so the dose in Gy is
(32.10)
dose in Gy=
0.489J/kg
1.00(J/kg)/Gy
=0.489 Gy.
Now, the dose in Sv is
(32.11)
dose in Sv=Gy×RBE
(32.12)
=
0.489 Gy
(20)=9.8 Sv.
Discussion
First note that the dose is given to two digits, because the RBE is (at best) known only to two digits. By any standard, this yearly radiation dose is
high and will have a devastating effect on the health of the worker. Worse yet, plutonium has a long radioactive half-life and is not readily
eliminated by the body, and so it will remain in the lungs. Being an
α
emitter makes the effects 10 to 20 times worse than the same ionization
produced by
β
s,
γ
rays, or x-rays. An activity of
1.00μCi
is created by only
16μg
of
239
Pu
(left as an end-of-chapter problem to verify),
partly justifying claims that plutonium is the most toxic substance known. Its actual hazard depends on how likely it is to be spread out among a
large population and then ingested. The Chernobyl disaster’s deadly legacy, for example, has nothing to do with the plutonium it put into the
environment.
Risk versus Benefit
Medical doses of radiation are also limited. Diagnostic doses are generally low and have further lowered with improved techniques and faster films.
With the possible exception of routine dental x-rays, radiation is used diagnostically only when needed so that the low risk is justified by the benefit of
the diagnosis. Chest x-rays give the lowest doses—about 0.1 mSv to the tissue affected, with less than 5 percent scattering into tissues that are not
directly imaged. Other x-ray procedures range upward to about 10 mSv in a CT scan, and about 5 mSv (0.5 rem) per dental x-ray, again both only
affecting the tissue imaged. Medical images with radiopharmaceuticals give doses ranging from 1 to 5 mSv, usually localized. One exception is the
thyroid scan using
131
I
. Because of its relatively long half-life, it exposes the thyroid to about 0.75 Sv. The isotope
123
I
is more difficult to produce,
but its short half-life limits thyroid exposure to about 15 mSv.
PhET Explorations: Alpha Decay
Watch alpha particles escape from a polonium nucleus, causing radioactive alpha decay. See how random decay times relate to the half life.
Figure 32.11Alpha Decay (http://cnx.org/content/m42652/1.4/alpha-decay_en.jar)
32.3Therapeutic Uses of Ionizing Radiation
Therapeutic applications of ionizing radiation, called radiation therapy orradiotherapy, have existed since the discovery of x-rays and nuclear
radioactivity. Today, radiotherapy is used almost exclusively for cancer therapy, where it saves thousands of lives and improves the quality of life and
longevity of many it cannot save. Radiotherapy may be used alone or in combination with surgery and chemotherapy (drug treatment) depending on
the type of cancer and the response of the patient. A careful examination of all available data has established that radiotherapy’s beneficial effects far
outweigh its long-term risks.
1158 CHAPTER 32 | MEDICAL APPLICATIONS OF NUCLEAR PHYSICS
This content is available for free at http://cnx.org/content/col11406/1.7
Documents you may be interested
Documents you may be interested