Wstęp
Promieniowanie jonizujące to pewien sposób przekazywanie i wysyłania energii na pewna odległość. Promieniowanie możemy podzielić na dwa rodzaje:
1. Promieniowanie jonizujące;
2. Promieniowanie niejonizujące.
W skład promieniowania niejonizującego wchodzi promieniowanie:
- podczerwone;
- radiowe;
- mikrofalowe;
- światło widzialne.
Promieniowanie jonizujące może powstać, gdy niestabilne jądro atomowe emituje nukleony i w procesie tym wydzielana jest energia. Takie właściwości posiadają izotopy o odpowiedniej ilości neutronów w jądrze atomowym. Wszystkie te pierwiastki są zdolne ulec takiemu rozpadowi. Ilość neutronów w jądrze atomowym musi być większa od ilości protonów. Tylko w takim wypadku są możliwe silne oddziaływania jądrowe, po to, aby niemożliwe było oderwanie się nuklidu. W przypadku, gdy ilość neutronów jest inna, to atom zmuszony jest do wyemitowania niepotrzebnych cząstek i energii. Taki proces nazywamy promieniowaniem jonizującym.
Typy promieniowania jonizującego
- Promieniowanie alfa
Promieniowanie alfa to cząstki złożone z dwóch protonów oraz dwóch neutronów. Promieniowanie to jest jądrem helu. Wysyłane jest w wyniku przemian, które zachodzą w jądrze danego atomu. W wyniku emitowania cząstki alfa jądro atomowe traci 4 nukleony. Energia kinetyczna cząstek alfa ma wartość 3-10MeV. Energia ta tracona jest w wyniku jonizacji atomów danego ośrodka przenikanego. Zasięg tego promieniowania jest uzależniony od energii cząstek, ale także od danego rodzaju ośrodka. Średni zasięg wynosi do kilkunastu mg/cm2. Promieniowanie alfa możemy zatrzymać cienka kartka papieru.
- Promieniowanie beta
Promieniowanie beta jest strumieniem cząstek (elektrony) dodatnich lub ujemnych, które są emitowane przez jądra atomów radioaktywnych. W przypadku emisji cząstki ze znakiem minus mamy do czynienia z przemiana neutronu w proton. Wraz z ta reakcją ma miejsce emisja antyneutrino. W wyniku tej przemiany powstały pierwiastek ma taką samą liczbę masową, ale inna liczbą atomową. Liczba atomowa jest większa o 1. W przypadku emisji cząstki ze znakiem plus mamy do czynienia z przemiana protonu w neutron. W wyniku tej reakcji emitowany jest neutrino. Powstały w skutek tej reakcji pierwiastek charakteryzuje się taką samą liczbą masową, ale inna liczbą atomową. Liczba atomowa zmniejsza się o 1. Cząstki w wyniku przemiany beta trącą energię kinetyczną z powodu jonizacji oraz na skutek hamowania jąder w polu elektrostatycznym. Promieniowanie beta możemy zatrzymać blacha aluminiową.
- Promieniowanie gamma
Promieniowanie gamma jest rodzajem promieniowania elektromagnetycznego powodującego emitowanie przez jądra wzbudzone atomów radioaktywnych. Promieniowanie gamma nie jest promieniowaniem cząstkowym jak w przypadku promieniowania alfa lub beta, jednakże zasięg tego promieniowania jest znacznie większy. W wyniku promieniowania gamma kwanty, które przenikają badany ośrodek zmniejszają swoja energie w wyniku takich zjawisk jak: Comptona, fotoelektryczne, tworzenia par, a także w wyniku tworzenia par. Promieniowanie gammy możemy zatrzymać tylko bardzo gruba płyta z ołowiu.
- Promieniowanie rentgenowskie
Promieniowanie rentgenowskie jest także promieniowaniem elektrostatycznym i powstaje wskutek hamowania strumienia elektronów przez jądra atomów substancji radioaktywnych. Promieniowanie rentgenowskie nie jest dostrzegalne dla oka, jest prostolinijne, może przenikać ludzkie ciało, powoduje reakcje redukcji związków srebra, działa destrukcyjnie na żywa tkankę, potrafi zjonizować gaz oraz spowodować fluorescencje substancji.
- Promieniowanie neutronowe
Promieniowanie neutronowe jest uzyskiwane w wyniku rozszczepienia jąder atomowych pochodzących od ciężkich pierwiastków radioaktywnych (uran) oraz pierwiastków transuranowych. Dla przypomnienia: ładunek neutronowy wynosi 0, zaś jego masa ma wartość g.
- Inne typy promieniowania: protony, fragmenty powstałe z rozszczepienia jądra atomowego. Te typy promieniowania rzadko są źródłem zagrożenia radiacyjnego. Powstają w skutek bardzo skomplikowanych reakcji zachodzących w jądrach atomowych.
Promieniowanie naturalne
Ludzie już od bardzo dawna byli narażeni na działanie promieniowania pochodzącego ze środowiska naturalnego. Promieniowanie naturalne istnieje już od bardzo dawna na Ziemi i może występować bez wpływu człowieka.
Główne źródła tego typu promieniowania to:
- przestrzeń kosmiczna;
- źródła ziemskie (pierwiastki radioaktywne)
Częstotliwość promieniowania naturalnego na Ziemi w skali rocznej ma wartość od kilku dziesięciu do stu kilkudziesięciu mm. Po odpowiednim przeliczeniu otrzymamy wartość około 7 remów wciągu życia ludzkiego. Stężenie promieniowania naturalnego jest uzależnione od wysokości, szerokości geograficznej oraz składu podłoża.
Źródła naturalne stanowi około 70% promieniowania na Ziemi. Dawka równoważna dla promieniowania naturalnego wynosi 2,4 mSv.
W skład źródła sztucznego wchodzi: promieniowanie kosmiczne, promieniowanie pierwiastków wchodzących w skład gleby (0,4 mSv) oraz pierwiastki promieniotwórcze, które wdychamy oraz wchłaniamy (1,6mSv).
Promieniowanie kosmiczne, które swoje źródło ma w przestrzeni kosmicznej, to promieniowanie emitowane na powierzchni Słonica w wyniku reakcji jądrowych. Wysokość wpływa na dawkę tego promieniowania.
Promieniotwórczość naturalna oraz promieniotwórczość sztuczna
Promieniotwórczość sztuczna ma miejsce w izotopach promieniotwórczych, które nie występują w środowisku naturalnym. Powstają w wyniku bombardowania cząstkami jąder atomowych pierwiastków stabilnych. Wytwarzana może być w aparaturze rentgenowskiej.
Promieniotwórczość naturalna występuje w substancjach promieniotwórczych występujących w środowisku naturalnym. Mamy do czynienia z 60 izotopami radioaktywnymi. Promieniotwórczość naturalną odkrył w 1896 roku H. Becqerel. Odegrała istotne znaczenie w rozwoju fizyki atomowej oraz jądrowej.
Okres połowicznego rozpadu
Okresem półrozpadu nazywamy okres, w którym 0,5 pierwotnej ilości jąder podlega rozpadowi promieniotwórczemu. Okres ten uzależniony jest od masy badanej próbki oraz także od typu badanego nuklidu. Okres półrozpadu jest cecha charakterystyczną każdego izotopu. Dzięki temu pojęciu jesteśmy w stanie oszacować wiek badanej substancji. Okres półrozpadu nie zależy od czynników zewnętrznych. Jego wartość dla pierwiastków promieniotwórczych wynosi 10-17s-1017 lat.
Reakcja łańcuchowa
W wyniku rozszczepienia jądra atomowego mogą powstać dwa różne jądra, a gdy to rozszczepienie jest spowodowane neutronem, to powstają dwa nowe neutrony. Neutrony wtórne są w stanie rozszczepić inne jądra atomowe. W wyniku tego rozpadu promieniotwórczego powstają nowe jądra danego atomu, a także nowe neutrony. Ten typ reakcji nazywamy reakcja łańcuchową. Reakcje łańcuchowe mogą zachodzić w reaktorze jądrowym. Występują tam zarówno substancje ulegające rozszczepieniu, jak i nie ulegają rozszczepieniu. Produktami pośrednimi są wolne rodniki oraz atomy, które ulegają stale regeneracji i wchodzą w następne reakcje elementarne. Powstały łańcuch jest prosty, jeżeli w następujących po sobie reakcjach elementarnych powstają pojedyncze wolne rodniki lub atomy, i są substratami dla następnych reakcji elementarnych. Powstały łańcuch jest rozgałęziony, jeżeli powstają dwa lub więcej tego typu rodzaje chemiczne. Reakcja łańcuchowa skalda się z: inicjacji, rozwinięcia oraz zakończenia łańcucha.
Szeregi promieniotwórcze
Szeregi promieniotwórcze to rodziny promieniotwórczych nuklidów, które ulegają wzajemnemu przekształceniu, w wyniku rozpadów alfa i beta.
Nuklid jest to atom, którego opisuje liczba masowa, liczba atomowa oraz poziom energetyczny.
Każdy z szeregów zaczyna inny izotop promieniotwórczy. Wyróżniamy następujące cztery szeregi promieniotwórcze:
- szereg uranowo-radowy. Rozpoczyna go rozpad alfa izotopu uranu (238U), a kończy się na stabilnym izotopie ołowiu (206Pb). W jego skład wchodzi 18 nuklidów, m.in. 210Pb, 238U, 226Ra, 210Po, 234U, 222Rn.
- szereg torowy. Rozpoczyna go rozpad alfa izotopu toru (232Th), a kończy się na stabilnym izotopie ołowiu (208Pb). W jego skład wchodzi 12 nuklidów, m.in. 232Th, 228Ra, 220Rn,228Th.
- szereg uranowo-aktynowy. Rozpoczyna go rozpad alfa izotopu uranu (235U), a kończy się na stabilnym izotopie ołowiu (207Pb). W jego skład wchodzi 15 nuklidów, m.in. 223Ra;235U, 231Pa.
- szereg neptunowy. Rozpoczyna go rozpad alfa izotopu neptunu (237Np), a kończy się na stabilnym izotopie bizmutu (209Bi). W jego skład wchodzi 13 nuklidów, m.in. 229Th. 237Np, 233U.
Szeregi promieniotwórcze: uranowy, uranowo-aktynowy i torowy spotkamy w naturalnym środowisku. Nuklidy z szeregu uranowo-aktynowego obecne są w ilościach śladowych, ze względu na bardzo krótki czas połowicznego rozpadu 235U, który trwa 713 milionów lat. Czas połowicznego rozpadu dla 238U wynosi 4,49 milionów lat, zaś dla 232Th 13,9 milionów lat. Izotop 237Np rozpoczynający szereg neptunowy i charakteryzuje się czasem połowicznego rozpadu trwającym 2,2 milionów lat. Szereg ten występował we wczesnym okresie formowania Ziemi. Na skutek skażenia promieniotwórczego izotopem 241Pu szereg neptunowy pojawił się ponownie w niewielkich ilościach.
Pierwiastki promieniotwórcze należące do danego szeregu promieniotwórczego, jeżeli znajdują się w układzie izolowanym w określonym długim czasie, to osiągają stan równowagi promieniotwórczej (wiekowej). W przyrodzie nie udaje się uzyskać takiego stanu.
Szkodliwe skutki promieniowania
1. Szkodliwe oddziaływanie promieniowania na organizm ludzki
Niekorzystne biologiczne oddziaływanie promieniowania na organizm ludzki wynika z jonizacji cząstek powstałych w skutek promieniowania. Pod wpływem procesu jonizacji w tkankach człowiek powstają pary jonów, które są bardzo reaktywnymi chemicznie rodnikami. Powoduje to zniszczenie naturalnej struktury cząstek, w wyniku ich rozrywania lub zlepiania. Przemiany biochemiczne, które są odpowiedzialne za funkcjonowanie organizmu ludzkiego, ulega zmianie także struktura komórek. Jeśli zmiany nie są zbyt duże, to organizm ludzki potrafi w odpowiedni sposób się bronić (autoregulacyjne właściwości). Jeśli dawka promieniowania jest duża, to prowadzi do licznych nieodwracalnych zmian oraz niszczy strukturę komórek. Wrażliwość ludzkiej tkanki na promieniowanie jest zmienna w szerokim zakresie. Największa wrażliwość wykazuje układ krwionośny oraz rozrodczy. Najbardziej wrażliwymi tkankami na promieniowanie są: szpik kostny, tkanka limfatyczna nabłonek jąder, nabłonek żołądka. Mniejszą wrażliwość wykazują: tkanka łączna, skóra, narządy rozrodcze kobiet, kości, trzustka, wątroba. Zdecydowanie najmniejsza wrażliwość wykazują układ mięśniowy, układ nerwowy oraz mózg. Zmiany popromienne możemy podzielić na:
- zmiany somatyczne, które wpływają na procesy życiowe organizmu ludzkiego;
- zmiany genetyczne, które powodują niepowracalne zmiany oraz uniemożliwiają prawidłowe przekazywanie cech następnym pokoleniom.
Choroba popromienna powstaje w wyniku bardzo dużych zmian somatycznych. Objawy choroby popromiennej:
- osłabienie;
- bóle głowy;
- biegunka;
- wymioty;
- owrzodzenie jelit;
- zmiany biologiczno-chemiczne we krwi;
- wybroczyny tkankach;
- wypadanie włosów;
- zapalenie gardła;
- niedokrwistość;
- spadek odporności organizmy.
Ostre stany chorobowe choroby popromiennej mogą doprowadzić do śmierci, w sprzyjających warunkach choroba ta może "tylko" doprowadzić do białaczki, ewentualnie anemii plastycznej. W początkowym stadium choroby występuje szansa wyzdrowienia. Pewną nadzieje niesie zabieg przeszczepu szpiku kostnego.
Wraz z upływem lat występują skutki późne choroby popromiennej. Są to:
- rak;
- niedokrwistość;
- zaćma;
- proces przedwczesnego starzenia się;
- białaczka.
Zmiany genetyczne powodują uszkodzenie struktury chromosomów, które wchodzą w skład komórek płciowych. Następstwem tych zmian są mutacje, które powodują nieodwracalne zmiany dziedzicznych cech. Zmiany chromosomów są powielane w następnych pokoleniach. Zmianie ulega kod genetyczny, który wykazuje dużą stabilność. To on jest odpowiedzialny za dziedziczenie wadliwych cech w następnych pokoleniach.
- Szkodliwe oddziaływanie promieniowania na komórki
Promieniowanie jonizujące w znaczny sposób negatywnie wpływa na komórki człowieka. Oddziaływanie to ma charakter statyczny. Ta sama ilość oraz ten sam typ promieniowania może w komórce wywołać inny skutek, ewentualnie brak jakichkolwiek zmian. Oczywiste wydaje się stwierdzenie, że im większe promieniowanie dochodzi do komórki tym możliwość objawienia się skutków promieniowania rośnie. Gdy mamy do czynienia z sytuacja, że promieniowanie dociera do bardzo ważnych cząsteczek, odpowiedzialnych za funkcje życiowe (DNA) zmiany zachodzące w komórce są znacznie większe i niebezpieczniejsze. Promieniowania cząsteczek wody nie jest aż tak niebezpieczne, i nie wywołuje katastrofalnych efektów. Komórki, które wykazują znaczna podatność na rozmnażanie są szczególnie narażone na promieniowanie jonizujące.
Istotną cechą komórek jest ich zdolność regeneracji, którą nabyły w wyniku obcowania naturalnym tłem promieniowania. Gdy komórka ulegnie podziałowi przed procesem całkowitego zregenerowania, nie wykazuje całkowitego podobieństwa z komórkami macierzystymi. Zdolność regeneracji napromieniowanych komórek uniemożliwia wpływu dawki promieniowania z naturalnym tłem w stosunku do jednej osoby. Możemy tylko obliczyć wpływ na całą populację.
Wpływ promieniowania jonizującego na komórki ludzkie:
- żywa komórka nie może ulec reprodukcji;
- zmiana kodu DNA (następne pokolenie komórek nie jest identyczne z komórkami macierzystymi;
- uszkodzenie komórki powoduje jej śmierć. Komórka nie jest w stanie być odpowiedzialna za dotychczasowe funkcje;
- czasami promieniowanie nie oddziałuje na komórkę.
