Oddziaływanie pierwiastków radioaktywnych na żywe organizmy

Ogólne wiadomości o radioaktywności

W wyniku promieniotwórczości, czyli samorzutnego rozpadu jąder mamy do czynienia z emitowaniem cząstek alfa, beta oraz promieniowaniem gamma.

Na radioaktywność pierwiastków nie ma wpływu: pole magnetyczne, temperatura, stan skupienia substancji promieniotwórczej.

Tło promieniowania (promieniotwórczość naturalna) odkrył w środowisku naturalnym H.Becquerel w 1896 roku.

Maria Curie- Skłodowska, Piotr Curie oraz H. Becquerel w 1903r. otrzymali Nagrodę Nobla za odkrycie promieniotwórczości oraz przeprowadzone badania w tym zakresie.

Fryderyk Joliot- Curie oraz jego żona Irena odkryli promieniotwórczość sztuczną w 1934r. Otrzymali oni fosfor w wyniku bombardowania jądrami helu atomów glinu. Otrzymali Nagrodę Nobla w 1935r. za swoje osiągnięcia w tej dziedzinie.

Rozpad promieniotwórczy trwa do momentu utworzenia pierwiastka stabilnego, który nie ulega już rozszczepieniu.

W czasie rozpadu alfa emitowana jest cząstka alfa składająca się z dwóch neutronów i dwóch protonów.

W czasie rozpadu beta emitowany jest elektron.

W przeciwieństwie do promieniowania gamma, promieniowania te mają charakter masowy. Promienie gamma to fale, ale towarzysza rozpadom alfa oraz beta.

Wyróżniamy promieniotwórczość sztuczna oraz naturalną.

Promieniotwórczość sztuczna występuje w izotopach promieniotwórczych, które nie występują w środowisku naturalnym. Powstają w wyniku bombardowania cząstkami jąder atomowych pierwiastków stabilnych.

Promieniotwórczość naturalna występuje w substancjach promieniotwórczych występujących w środowisku naturalnym. Mamy do czynienia z 60 izotopami radioaktywnymi.

Człowiek na szeroka skalę czerpie korzyści płynące z promieniotwórczości. Radioaktywność jest wykorzystywana w: diagnostyce medycznej, radiologii przemysłowej, eliminowaniu nowotworów złośliwych, sterylizacji produktów spożywczych. Ze względu na fakt, że żywność jest sterylizowana oraz konserwowana z zastosowaniem metod radioaktywnych, często się zdarza, że sama wzmianka o tym, że żywność jest napromieniowana sieje strach wśród klientów.

Wykorzystanie pierwiastków radioaktywnych na żywe organizmy

Człowiek na szeroka skalę czerpie korzyści płynące z promieniotwórczości. Radioaktywność jest wykorzystywana w: diagnostyce medycznej, radiologii przemysłowej, eliminowaniu nowotworów złośliwych, sterylizacji produktów spożywczych. Ze względu na fakt, że żywność jest sterylizowana oraz konserwowana z zastosowaniem metod radioaktywnych, często się zdarza, że sama wzmianka o tym, że żywność jest napromieniowana sieje strach wśród klientów.

W elektrowniach jądrowych wytwarzana jest ogromna ilość energii pochodząca z reakcji jądrowych. Reakcje te polegają na rozpadzie promieniotwórczym (239Pu oraz 235U). 34 państwa mogą pochwalić się obecnością na swoim terenie elektrowni jądrowych. Sumarycznie elektrownie te wytwarzają 17% całkowitej ilości energii. W wielu pojazdach stosowana jest energia jądrowa jako napęd (transport wodny). W roku 1954 Stany Zjednoczone zbudowały jako pierwsze zbudowały statek podwodny z napędem atomowym. Elektrownie jądrowe, które są montowane na statkach (lodołamacze) są potencjalnym źródłem ogromnych skażeń środowiska. Ich paliwo stanowią pierwiastki radioaktywne. Ilość emitowanych izotopów promieniotwórczych jest mniejsza niż ilości emitowanych izotopów promieniotwórczych przez elektrownie węglowe. Elektrownie te dostarczają także do atmosfery SO2 oraz metale ciężkie (ołów, kadm, arsen).

Izotopy pierwiastków promieniotwórczych są stosowane w metodach diagnostycznych wielu chorób (m.in. diagnostyka rentgenowska). Są prowadzone badania mające na celu wykazać wpływ lekarstw na organizm ludzki. Izotop 99Tc jest wprowadzany do organizmu człowieka w postaci związku chemicznego. Będąc w organizmie jest nieustannie monitorowany. Dzięki temu możemy zbadać funkcjonowanie określonych narządów. Bomba kobaltowa oraz igły radowe są stosowane w leczeniu chorób nowotworowych. W tym przypadku stosuje się naświetlenie, które jest wysyłane przez izotopy Ra, Co, Cs. Dużą popularność zyskuje balneologia, stosowana w uzdrowiskach. Są to kąpiele lecznicze i inhalacje. Stosowany jest w tych zabiegach Rn.

Radioizotopy są wykorzystywane do śledzenia różnych procesów. Za przykład może posłużyć radiofosfor 15P, który emituje promieniowanie beta. Czas połowicznego rozpadu tego radioizotopu wynosi 14 dni.

Radiofosfor, który jest izotopem fosforu wykazuje chemiczne właściwości jak fosfor, dlatego też może tworzyć identyczne związki chemiczne, jak zwykły fosfor. Dużą popularność zyskuje od niedawna medycyna nuklearna, która wykorzystuje radioaktywne izotopy, wprowadzane do organizmu ludzkiego. Pozwalają one śledzić procesy zachodzące w środku, wykrywać schorzenia oraz znajdować odpowiednie metody leczenia.

Jod 131 jest stosowany w leczeniu tarczycy. Niekorzystny wzrost tkanki tarczycowej może spowodować nadczynność tarczycy. Wydzielana jest nadmierna ilość hormonów. W czasie leczenie wstrzykiwany jest izotop jodu (tarczyca jest w stanie wchłaniać jod) ze znanym okresem połowicznego rozpadu. Zniszczeniu ulega nadmiar tkanki.

Dzięki izotopowi Ca45 jesteśmy w stanie zbadać szybkość tworzenia się substancji kostnej oraz wpływu witaminy D na ten proces. Wykorzystaniu promieniotwórczości wywołało wiele odkryć (metabolizm komórek, funkcjonowanie genotypu, fotosynteza, wysyłania informacji chemicznych- hormony oraz neuromediatory).

Promieniotwórczość jest wykorzystywana w chemii w doświadczeniach mających na celu ustalenie mechanizmu reakcji chemicznych. Oznakowane atomy są monitorowane od stanu substratu do stanu produktu (reakcja H₂O₂, estryfikacji).

Farmaceutyka jądrowa odpowiada za przygotowanie oraz kontrolę radioaktywnych substancji zawartych w lekach. Stosowane są także metody analityczne do kontrolowania innych (nie zawiera składników promieniotwórczych) leków.

Promieniotwórczy izotop węgla ¹⁴C jest stosowany w badaniach archeologicznych. Występuje on w środowisku naturalnym w określonej ilości. Ulega asymilacji przez rośliny wspólnie z węglem promieniotwórczym pod postacią dwutlenku węgla. Znaczne jego ilości występują w organizmach ludzkich oraz zwierzęcych na skutek spożywania żywności pochodzenia roślinnego. Izotop ten jest stosowany do określenia wieku szczątków zawierających węgiel (liczne wykopaliska). Wiek ten jest określany na podstawie okresu półrozpadu oraz ilości węgla ¹⁴C. Stosowany jest także "zegar helowy".

Powszechną stosowaną metodą jest promieniowanie żywności, po to, aby mogła być przechowywana dłużej. Badania wykazały, że produkty żywnościowe, które zostały napromieniowane w celu utrwalenia nie są toksyczne ani promieniotwórcze. Jednakże wywołują procesy chemiczne. Zasięg oraz typ tych zmian jest uzależniony od składu chemicznego badanego produktu, temperatury, dawki napromieniowania, dostępu tlenu oraz światła w czasie napromieniowania. Skutkiem napromieniowania są powstające rodniki i zmniejszająca się zawartość witamin: B1, A, E, C do ilości około 20-60% mniejszej niż w przypadku takiego samego produktu nienapromieniowanego. Nie trzeba się tym aż tak bardzo sugerować, gdyż genetyczne zmiany w żywności zachodzą w wyniku termicznej obróbki oraz w wyniku długiego czasu jej przechowywania.

Utrwalone promieniotwórczo produkty żywnościowe mogą być napromieniowane w stabilnym promieniowaniu, co uniemożliwia wtórne skażenie. Dobrze dobrane opakowanie umożliwia napromieniowanie żywności w odpowiednich warunkach (atmosfera beztlenowa, niska temperatura, próżnia). W ten sposób możemy uniknąć start w zawartości witamin, ale także zmian wartości smakowych (dotyczy to produktów ze znaczna zawartością tłuszczów). W procesie napromieniowania produktów żywnościowych wykorzystujemy: promieniowanie X, promieniowanie g, oraz przyspieszone elektrony. Przy dawce 1kGy jesteśmy w stanie zatrzymać dojrzewanie oraz kiełkowanie w produktach roślinnych, unieszkodliwiać pasożyty, szkodniki.

Przy dawce 10kGy jesteśmy w stanie wyeliminować bakterie, mikroflorę patogenna, dlatego zwiększamy trwałość produktów oraz zmniejszamy ryzyko zatrucia pokarmowego.

Przy dawkach napromieniowania 10-50kGy jesteśmy w stanie wysterylizować produkty żywnościowe.

Pierwiastki radioaktywne mogą być stosowane do produkcji bomby atomowej. Dotychczas stosowane bomby wykorzystywały reakcję rozpadu jądra uranu o liczbie masowej 233, ewentualnie plutonu o liczbie masowej 239. W bombach termojądrowych (wodorowych) ma miejsce synteza jąder helu z izotopów litu oraz wodoru. Jako zapalnik stosowana jest bomba jądrowa. Inicjuje ona reakcje termojądrową. Bomby neutronowe emitują ogromne ilości energii pod postacią promieniowania neutronowego. Zabijają one organizmy żywe oszczędzając obiekty materialne.

Izotopy promieniotwórcze mogą być stosowane w radiografii. Metoda ta polega na wykorzystaniu promieniowania rentgenowskiego lub gamma do badania budowy strukturalnej materiałów oraz wyrobów. Jesteśmy w stanie wykryć nieprawidłowości wewnętrzne przedmiotu. Dzieje się tak, gdyż pęknięcia oraz szczeliny w inny sposób pochłaniają promieniowanie niż materiał, z którego został wykonany badany obiekt.

Defektoskopia odpowiada za wykrywanie pęknięć oraz innych uszkodzeń w określonym metalu. Defektoskopia stosowana jest w przemyśle stoczniowym, maszynowym, lotniczym oraz chemicznym. W fabrykach może być stosowane prześwietlanie rentgenowskie, jednakże lepsza jest metoda izotopowej defektoskopii. Dzięki promieniowaniu kobaltu Co60 jesteśmy w stanie prześwietlić stal na grubość 15 cm.

Termokurczliwe taśmy oraz rurki (stosowane w izolacji elektrycznej) powstają w wyniku napromieniowania. Są wykorzystywane w procesie łączenia elementów.

Technika promieniotwórcza stosowana do napromieniowania substancji oraz już gotowych produktów to nic innego jak wykorzystanie elektronów, ewentualnie promieniowania gamma.

Metody promieniotwórcze znalazły zastosowanie w przemyśle. Są wykorzystywane w procesie sterylizacji sprzętu wykorzystywanego w medycynie, w procesie barwienia tkanin, elektronika (elementy półprzewodnikowe), modyfikacji polimerów lub innych substancji, w procesie zabarwiania szkła oraz sztucznych i naturalnych kamieni.

Liczba produktów, które są wytwarzane i modyfikowane promieniotwórczo wynosi rocznie około 1mln ton, i nieustannie wzrasta.

Inna metodą radiacyjną wykorzystywaną w przemyśle jest analiza radiacyjna (analiza jądrowa składu substancji). Stosując te technikę jesteśmy w stanie określić zanieczyszczenie ilościowe metalami ciężkimi w odpadach oraz azotu w nawozach sztucznych. Możliwa jest analiza jakościowa w tym samym czasie kilku pierwiastków.

Izotopy promieniotwórcze mogą być stosowane w badaniach grubości substancji, znajdowania wad technicznych (kadłuby statków, rurociągi, budynki).

Metody promieniotwórcze są wykorzystywane w procesie oczyszczania gazów wylotowych, powstające z rożnych instalacji spalających (węgiel).

Metody radiacyjne są wykorzystywane w sprzęcie promieniotwórczym (reaktory, mierniki, czujniki oraz regulatory).

Inne zastosowanie promieniotwórczości to: wykrywanie wód gruntowych, czujniki dymu, gęstościomierze, mierniki grubości, wykrywanie skażenia wód oraz zanieczyszczenia, górnictwo.

Oddziaływanie pierwiastków radioaktywnych na żywe organizmy

Pod wlewem impulsu Piotr Curie poddaje promieniowaniu swoje ramię nie licząc się z niebezpieczeństwem. Po jakimś czasie obserwuje zmiany na skórze oraz bada ich rozwój. Zdziwiony mocą nowo odkrytych promieni rozpoczyna eksperymenty mające na celu zbadać wpływ radu na funkcjonowanie organizmu.

Promieniowanie naturalne możemy podzielić na:

1. promieniowanie alfa (charakter masowy);
2. promieniowanie beta (charakter masowy);
3. promieniowanie gamma (charakter falowy).

Szkodliwe skutki promieniowania jonizującego na organizmy żywe są uzależnione od pochłoniętej dawki oraz rodzaju promieniowania.

Promieniowanie gamma jest szczególnie niebezpieczne. Jest w stanie przenikać przez różnego rodzaju substancje. Zatrzymać je może tylko gruba ściana ołowiana. Promieniowanie alfa jest w stanie zatrzymać kartka papieru, zaś promieniowanie beta gruba deska.

Biologiczne konsekwencje promieniowania zależą od:

-rodzaju promieniowania;

- czasu biologicznego półrozpadu;

- ilości dawki (chorobę popromienna powoduje dawka przekraczająca 0,75Sv);

- natężenie dawki;

- sposobu ekspozycji (wewnętrznej lub zewnętrznej);

- typu tkanki napromieniowanej (poszczególne tkanki oraz narządy maja różna wrażliwość na promieniowanie);

- aktualnego stanu organizmu;

- czasu pochłaniania (pojedyncza dawka lub kilka o mniejszym natężeniu).

Skażenie wewnętrzne jest znacznie groźniejsze od skażenie zewnętrznego.

Skażenie wewnętrzne jest znacznie groźniejsze od skażenie zewnętrznego.

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.

Konsekwencje promieniowania możemy podzielić na:

- konsekwencje bezpośrednie, które mają miejsce wówczas, gdy promieniowanie niszczy wiązania cząsteczkowe (kwasy nukleinowe);

- konsekwencje pośrednie, które mogą spowodować radiolizę wody (rozbijanie cząsteczek wody). W wyniku tek reakcji powstają wolne rodniki oraz aktywne jony.

Biologiczne szkodliwe konsekwencje promieniowania możemy podzielić na:

- somatyczne, które są widoczne bezpośrednio u osoby, która uległa napromieniowaniu (choroba popromienna);

- genetyczne, które są dziedziczone w kolejnym pokoleniu.

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.

Skutki promieniowania mogą być różnorakie. W dużej mierze zależą od ilości pochłoniętej dawki przez organizm człowieka, ale także od czasu i odległości przebywania w otoczeniu substancji radioaktywnej.

W tabelce przedstawiono części ciała, które są narażone na szkodliwą działalność pierwiastków radioaktywnych pochodzące ze źródła sztucznego (wybuchy jądrowe, reakcje jądrowe zachodzące w reaktorach, odpady promieniotwórcze, uszkodzenia reaktorów).

Część ciała	Izotop promieniotwórczy
Tarczyca	131I
Wątroba	60Co
Kości	226Ra, 90Sr, 14C, 32P
Mięśnie	40K, 137Cs
Płuca	233U, 222Ra, 85Kr, 239Pu

Rozpad jąder pierwiastków radioaktywnych jest wykorzystywany do produkcji broni masowego rażenia. Podczas wybuchu uwalniana bardzo duża ilość energii. W czasie II wojny światowej nas Nagasaki oraz Hiroszimę została zrzucona bomba atomowa. Wiele osób poniosło śmierć, wiele miało objawy choroby popromiennej. Procesy produkcyjne nad bombami atomowymi oraz otrzymywanie izotopów muszą być kontrolowane przez organizacje międzynarodowe.

Nieustannie rozwijająca się cywilizacja, coraz lepszy sprzęt badawczy, nieograniczony dostęp do informacji, coraz większa wiedza naukowców sprawia, że jesteśmy na dobrej drodze do zlikwidowania szkodliwych skutków promieniowania oraz bardziej wydajniej wykorzystywać energię jądrową do dobrych celów.