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Book Radioactivity · Radionuclides · Radiation كتب فيزياء طبية pdf

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Book Medical Physics
Author : J. Magill, J. Galy
Publisher: Springer
ISBN : 3-540-21116-0
Contents

 rad i oactivity
1. Origins and Discovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
The Greek Elements and the Indivisible Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Twentieth Century Science and the Multi-Corpuscular Atom . . . . . . . . . . . . 4
Discovery of Radioactivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Structure of the Atom: Kelvin-Thomson “Plum Pudding” Atom . . . . . . . . . . 6
Bohr-Sommerfeld Model of the Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
The Neutron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Wave/Particle Duality: The de Broglie Relation andWave Mechanics . . . . . 12
Classification of the Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Synthesis of the Elements in Nature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2. Nuclear Energetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Nuclear Units – Atomic Mass Unit and the Electron Volt . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Nuclear and Atomic Masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Atomic and MolecularWeights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Avogadro’s Number. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Mass of an Atom and Atomic Number Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Relativistic Mechanics and Einstein’s Mass/Energy Equivalence . . . . . . . . . 23
Binding Energy of the Nucleus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Nucleon Separation Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Q-Value for a Reaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Energy Level Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Nuclear Spin and Parity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Nuclear Isomerism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Nuclide Charts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3. Radioactivity and Nuclear Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Simple Radioactive Decay: Half-life and Decay Constant . . . . . . . . . . . . . . . 44
Average (Mean) Lifetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Branching Ratios and Number of Decay Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Decay Chains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Radioactive Equilibria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Decay Energy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Nuclear Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Cross-sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Neutron Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Burnout Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4. Types of Radioactive Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Decay Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Alpha (α) Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Beta-minus (β
−) Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Gamma Emission and Isomeric Transition (IT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Internal Conversion (IC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Beta-plus (β
+) Decay (Positron Emission) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Electron Capture (ε or ec) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Spontaneous Fission (SF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Proton Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Special Beta-Decay Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Heavy-Ion or Cluster Radioactivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Magic Radioactivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Decay of Bare Nuclei – Bound Beta Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Halo Nuclides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
 rad i onuclides
5. Transmutation Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
How Constant is the Decay Constant? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Natural Transmutation by Radioactive Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Synthesis of Superheavy Elements by Transmutation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Laser Transmutation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6. Archaeology and Dating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Radioactive Dating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
An Astrophysical Clock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Age of the Earth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Prehistoric Cave Art at Altamira, Northern Spain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
The Age of Groundwater – The Oasis Ballad Seet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Nuclear Forensic Science – Age of Plutonium Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7. Radioisotopes in Medicine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
External Beam Radiotherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Brachytherapy
Immunotherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Ion Beam Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Boron Neutron Capture Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Radioactive “Bullets” – Alpha-Immunotherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8. Scientific and Industrial Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Radioisotope Tracers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Radiography and Gauging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Radiation Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Nuclear Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
 rad i ation
9. Radiation and the Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Biological Effects of Ionising Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Radiotoxicity and Annual Limits of Intake . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Radiation Hormesis and the Linear Non-Threshold (LNT) Model . . . . . . . . 144
High Background Radiation Areas Around theWorld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Radon: A Test for the LNT Hypothesis? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Radiation Exposure in High-Flying Aircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Conan the Bacterium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Packaging and Transport of Radioactive Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
NuclearWaste Disposal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Nuclear Tests in the South Pacific . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
The Chernobyl Accident . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
The Goiˆania Radiation Incident – a Benchmark for Radiological
Dispersion Devices (RDDs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Recommended Reading andWeblinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Weblinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
Glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Appendices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Appendix A: Physical Constants, Conversion Factors, Prefixes,
Greek Alphabet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Appendix B: Table of the Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
Appendix C: Properties of the Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
Appendix D: Table of Atomic Masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Appendix E: Universal Nuclide Chart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
Computer System Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
User Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
Radioactive Decay Chain Simulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Neutron Reaction Path Simulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
Appendix F: Periodic Table of the Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Appendix G: Karlsruhe Chart of the Nuclides – Karlsruher Nuklidkarte . . . 243
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
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