Jaki wpływ wywiera promieniowanie jonizujące na organizmy żywe?
Promieniowanie jonizujące jest szczególnym przykładem promieniowania. Jak sama nazwa wskazuje, jest to promieniowanie, które powoduje jonizację, czyli wyrwanie elektronów z atomów. Proces jonizacji prowadzi do zmiany stanu ładunkowego układu. Promieniowaniem jonizującym, może być praktycznie każdy typ promieniowania, jeśli tylko ma odpowiednią energię. Może to być zarówno promieniowanie elektromagnetyczne (np. rentgenowskie), jak i promieniowanie korpuskularne (np. promieniowanie alfa).
Przykładowy proces jonizacji
W przypadku promieniowania elektromagnetycznego mamy do czynienia ze strumieniem fotonów. Każdy taki foton może przekazać atomowi swoją energię - zostać przez niego zaabsorbowany. Energia ta tak naprawdę jest przekazywana jednemu z elektronów atomu i jeśli będzie większa od energii wiązania elektronu, to elektron uwolni się z atomu, wskutek czego atom przerodzi się w jon.
Typy promieniowania jonizującego
Spośród rodzajów promieniowania elektromagnetycznego promieniowaniem jonizującym może być promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma. Aby się ochronić przed wpływem takiego promieniowania należy stosować grube tarcze ołowiane, ponieważ promieniowanie to charakteryzuje się bardzo dużą przenikliwością i bez problemu przechodzi przez nasze ciało.
Spośród promieniowania tzw. korpuskularnego najbardziej znane jest promieniowanie alfa i beta. W przypadku promieniowania alfa mamy do czynienia ze strumieniem ciężkich cząstek alfa, czyli jąder helu. Charakteryzuje się ono bardzo niską przenikliwością i już zwykła kartka papieru może je powstrzymać. Natomiast w przypadku promieniowania beta mamy do czynienia ze strumieniem elektronów. Promieniowanie to charakteryzuje się trochę większą przenikalnością niż w przypadku promieniowania alfa, ale nadal jest ona na tyle mała, że może wniknąć tylko na 1 - 2 cm w głąb naszego ciała. Promieniowanie to można zatrzymać kilkumilimetrową tarczą aluminiową.
Promieniowanie korpuskularne to praktycznie każdy strumień cząstek. Na uwagę jeszcze zasługuje promieniowanie neutronowe, które jak sama nazwa wskazuje jest strumieniem neutronów - cząstek neutralnych. Jest emitowane przez reaktory jądrowe, a do ochrony przed nim stosuje się wodę, tarcze ołowiane, lub ciężki beton.
Wpływ promieniowania w życiu codziennym człowieka.
Od momentu kiedy człowiek zdał sobie sprawę z tego, czym naprawdę jest promieniowanie, nieustannie się mów o jego szkodliwości na zdrowie człowieka. Powstają zastępy ekologów, którzy walczą z każdą próbą wybudowania elektrowni jądrowej, czy innego urządzenia wykorzystującego i emitującego promieniowanie. W ogólnej świadomości istnieje tylko obraz promieniowania szkodliwego, takie jakie jest emitowane w przypadku wybuchu bomby atomowej, lub awarii elektrownii jądrowej.
W przypadku bomby atomowej wydzielane są ogromne ilości energii powstającej na skutek rozszczepienia ciężkich jąder ( np. uranu neptunu, czy plutonu). W czasie wybuchu powstaje potężna fala uderzeniowa, która niesie ze sobą ogromne zniszczenia. Niesie ze sobą także olbrzymie ilości promieniowania jonizującego i materiału promieniotwórczego, co prowadzi do wieloletniego skażenia terenu. Niektóre kraje od czasu do czasu przeprowadzają tzw. próby jądrowe w czasie których testują bomby atomowe. Po wybuchu teren na którym odbywały się takie próby, całkowicie nie nadaje się do użytkowania. Cała fauna i flora żyjąca na nim dotychczas praktycznie w całości wymiera. Źródłem zniszczeń mogą być także awarie elektrowni jądrowych, jak to miało w przypadku elektrowni jądrowej w Czernobylu na Ukrainie, gdzie w 1986 roku doszło do wybuchu reaktora jądrowego. Do atmosfery wówczas zostały uwolnione olbrzymie ilości szkodliwych pierwiastków promieniotwórczych w wyniku czego skażeniu uległa oprócz samej Ukrainy, także Białoruś, Polska, a także inne kraje Europy. Doprowadziło to do powstania wielu chorób u ludności.
Obawę także budzą inne urządzenia wykorzystujące w tak dużym stopniu energię jądrową. Są to np. okręty podwodne napędzane napędem atomowym, czy rakiety wyposażone w głowice jądrowe, które ponoć składowane są na dnie oceanu.
To że promieniowanie jest tak negatywnie obecnie postrzegane wynika bezpośrednio z tego, iż człowiek od początku głównie wykorzystywał je jako narzędzie zagłady.
Jednak promieniowanie nie zawsze musi być wykorzystywane do czynienia zniszczeń. Obecnie istnieje mnóstwo innych zastosowań promieniowania, dzięki którym życie człowieka uległo poprawie.
Weźmy tu jako pierwszy przykład promieniowanie rentgenowskie, które obecnie jest bardzo szeroko stosowane w medycynie do diagnozowania stanu układu kostnego pacjenta. Przede wszystkim dzięki niemu można dokładnie określić rodzaj złamania, ale także opisać dużo innych narządów.
Promieniowanie także stosuje się obecnie do walki z nowotworami, poprzez ich "atakowanie" strumieniem ciężkich jonów, elektronów, czy fotonów.
Także w życiu codziennym promieniowanie jest bardzo szeroko wykorzystywane, czego najlepszym przykładem jest kuchenka mikrofalowa, czy telefon komórkowy.
Paliwo jądrowe jest najbardziej kontrowersyjnym z tych wynalazków, ponieważ może przysłużyć się człowiekowi, jako źródło taniej czystej energii. Jednak energia ta też może zostać wykorzystana do siania zniszczenia. Ale to tylko wina samego człowieka. W przypadku promieniowania rentgenowskiego, stanowi ono bardzo ważne usprawnienie diagnostyki, przez co medycyna tylko na tym zyskała. Natomiast urządzenia takie jak telefony komórkowe, czy kuchenki mikrofalowe pozwoliły na podniesienie standardu naszego życia.
Oddziaływanie promieniowania jonizującego na organizmy żywe jest ściśle związane z jego bezpośrednim wpływem na komórki. W przypadku gdy promieniowanie jonizujące będzie oddziaływać na komórki zawierające materiał genetyczny, może dojść do fatalnych skutków. Najbardziej narażone na działanie promieniowania są komórki szybko rozmnażające się, ponieważ jeśli jedna komórka zostanie poważnie uszkodzona to komórki powstałe z niej także mogą narodzić się jako uszkodzone. Na szczęście komórki posiadają zdolność regeneracji, dzięki czemu zanim powstaną nowe komórki z komórki uszkodzonej ona sama może się naprawić.
Tak więc w przypadku kontaktu promieniowania jonizującego z materiałem komórkowym mamy do czynienia z następującymi skutkami i efektami:
- może dojść do całkowitego zniszczenia komórki, wskutek którego nie będzie ona mogła spełniać już swoich dotychczasowych funkcji
- komórka można stracić swoje zdolności do reprodukcji, jednak ona sama nadal będzie działać
- zostanie uszkodzony materiał genetyczny znajdujący się w komórce
Promieniowanie jonizujące może spowodować praktycznie te same skutki w organizmie człowieka, niezależnie od tego jaki jest rodzaj tego promieniowania. Może się poddawać jego działaniu dobrowolnie, czego przykładem może być opalanie się na Słońcu, kiedy na człowieka działa promieniowanie ultrafioletowe, a także w przypadku prześwietlenia rentgenowskiego. Ale może też nie wiedzieć o tym, że jest narażony na działanie promieniowania jonizującego. Jednak aby dokładnie określić jaki wpływ ma promieniowanie jonizujące na człowieka, należy znać jego rodzaj i energię, a także jak wrażliwy jest materiał na który ono działa. Dlatego też stosuje się odpowiednie wielkości ilustrujące dawkę promieniowania jaka jest przekazana organizmowi. Przykładem tutaj może być jednostka 1 Grej (Gy), która określa ilość energii zaabsorbowanej przez 1 kg materii organicznej. Inną jednostką, trochę starszą jest 1 Siwert (Sv), który to określa ilość promieniowania zaabsorbowanego przez organizm żywy, uwzględniając przy tym także rodzaj tego promieniowania, oraz to jaka tkanka absorbuje to promieniowanie.
Jak już wspomniano w wyniku przejścia promieniowania jonizującego przez materię, atomy tej materii są zamieniane w jony. Promieniowaniem jonizującym może być promieniowanie elektromagnetyczne, takie jak promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma, ale także promieniowanie korpuskularne, takie jak promieniowanie alfa, czy beta. Urządzenia emitujące promieniowanie jonizujące to mogą być lampy rentgenowskie, reaktory jądrowe. Promieniowanie jonizujące także może dochodzić do nas z przestrzeni kosmicznej pod postacią promieniowania kosmicznego. Jednak to promieniowanie wraz z promieniowaniem pochodzącym od naturalnych pierwiastków promieniotwórczych znajdujących się we wnętrzu naszej planety stanowi tzw. tło promieniowania, także znane jako naturalne promieniowanie. W przypadku tego promieniowania, nie można mówić o żadnej szkodliwości co do jego działania, ponieważ istnieje ono od zarania dziejów. Dlatego też każdy organizm żywy żyjący na naszej planecie przystosował się na drodze ewolucji do jego działania. Także człowiek jest odporny na jego działanie.
Promieniowanie jednak niesie ze sobą pewne zagrożenia. W obecnych czasach, człowiek na tyle opanował technologię związaną z promieniowaniem, że wykorzystuje w różnych celach ok. 9000 rodzajów sztucznie wytworzonych nuklidów promieniotwórczych - izotopów promieniotwórczych. To że są one obecnie tak szeroko wykorzystywane niesie ze sobą pewne niebezpieczeństwa dla środowiska naturalnego, a także dla nas samych.
Promieniowanie jest produkowane min. za pomocą:
- reaktorów jądrowych
- akceleratorów
- czujników alarmowych które zawierają w sobie wbudowane radioizotopy
- urządzeń militarnych, a także kosmicznych
- w wyniku nieprawidłowo zabezpieczonego transportu odpadów promieniotwórczych
- zakładów wykorzystujących w produkcji radioaktywne izotopy
- punktów składowania odpadów promieniotwórczych
- także niektóre materiały budowlane mogą emitować pewne ilości promieniowania
Można także dokonać podziału źródeł promieniowania. Dzieli się je na:
- zamknięte - są to źródła obudowane, dzięki czemu jest zminimalizowane rozprzestrzenianie się materiału promieniotwórczego
- otwarte - czyli pozostała klasa źródeł nie zawierająca żadnych środków zapobiegających rozprzestrzenianie się materiału promieniotwórczego
Ten drugi rodzaj źródeł promieniowania jest szczególnie niebezpieczny, ze względu na możliwość roznoszenia po otoczeniu substancji radioaktywnych. Ludzkość przekonała się o tym, w czasie wybuchu bomby atomowej w Hiroszimie, czy Nagasaki. Wtedy to ludzkość użyła po raz pierwszy energii atomowej w celach militarnych i związanych z niszczeniem życia. Głównym konstruktorem bomby atomowej był J. R. Oppenheimer. Kiedy zobaczył skutki jakie wywołał jej wybuch, silnie przeciwstawił się takiemu wykorzystaniu energii atomowej i sam zaproponował stworzenie specjalnej organizacji międzynarodowej mającej na celu monitorowanie wykorzystania energii atomowej na świecie. Także stanowczo sprzeciwił się konstruowaniu bomby wodorowej, która mogłaby nieść jeszcze większe zniszczenia niż w przypadku bomby atomowej. Z tego powodu został odwołany ze stanowiska przewodniczącego Komisji Energii Atomowej USA.
Ze wszystkich radioaktywnych izotopów najbardziej dla człowieka niebezpieczne są izotopy 90Sr, oraz 137Cs, które mogą dokonać podmienienia wapnia Ca, które jest podstawowym składnikiem budulcowym kości.
Większość istot zamieszkujących Ziemie, jest zbudowane z komórek. To dzięki nim także człowiek normalnie funkcjonuje i żyje. Nasze procesy biologiczne zachodzą, ponieważ komórki żyją i się rozmnażają. A tak jak już wspomniano promieniowanie jonizujące może stać się czynnikiem zakłócającym pracę tychże komórek. Promieniowanie to może doprowadzić do pewnych zmian chemicznych w budowie komórki, przez co może to spowodować i wadliwe działanie. To z kolei może prowadzić do zmian w pracy organów, które są złożone z tkanek, a te z kolei z komórek.
Jednak komórki wykazują zdolność do regeneracji, dzięki czemu mogą przeprowadzać taką samonaprawę po odniesieniu uszkodzeń. Jest to podstawowy mechanizm w biologii, ponieważ gdyby go nie było, życie na Ziemi byłoby praktycznie niemożliwe. To jakie zniszczenia spowoduje promieniowanie zależy przede wszystkim od rodzaju tego promieniowania, od jego energii, a także od wrażliwości tkanki na jaką ono działa. Wielkość działającego promieniowania podaje się korzystając z pojęcia dawki promieniowania. Używa się tu kilka jednostek, min. siwestrów i grejów.
Każdy człowiek w obecnych czasach jest narażony na działanie nie tylko promieniowania naturalnego, ale także na wpływ promieniowania wytworzonego w sposób sztuczny. Promieniowanie naturalne to promieniowanie kosmiczne, promieniowanie pierwiastków znajdujących się we wnętrzu naszej planety, a także w wielu skałach i innych materiałach znajdujących się na jej powierzchni. Także źródła promieniowania są obecne w nas samych. Dostają się tam wraz z wdychanym powietrzem, pitą wodą czy zjedzonym pokarmem. Pewne niewielkie ilości pierwiastków promieniotwórczych znajdują się także w naszym układzie krwionośnym i naszych kościach. Promieniowanie wytworzone w sposób sztuczny to promieniowanie dochodzące do nas ze stworzonych przez człowieka izotopów promieniotwórczych, które nie występują w środowisku naturalnym. To także promieniowanie jakie obecne jest w szpitalach gdzie źródłem jego są aparaty rentgenowskie, a także w skrajnych przypadkach awarie elektrowni jądrowych, czy wybuch bomby atomowej.
Jakie skutki powoduje promieniowanie?
Skutki jakie spowoduje działanie promieniowania na organizm żywy, zależy od tego jaka jest dawka promieniowania, oraz od tego jaki rodzaj promieniowania to był. Prowadzi się szerokie badania mające na celu dokładne zbadanie wpływu działania promieniowania na organizmy. Stosuje się tutaj dwa podejścia: epidemiologiczne, oraz bezpośrednie badania na żywych komórkach.
Wykaz skutków promieniowania w zależności od dawki promieniowania, podanej w Gy.
- 0-250 - nie obserwuje się żadnych biologicznych skutków, nie zależnie od wieku badanego, oraz od czasu po którym prowadzi się obserwacje
- 250-1000 - pojawiają się wtedy, a także zostaje zmniejszona ilość krwinek, jednak leczenie nie jest trudne i przynosi szybki powrót do zdrowia
- 2500-5000 - pojawiają już się poważne zaburzenia w funkcjonowaniu organizmu, niezbędna jest wtedy hospitalizacji, połowa populacji po otrzymaniu dawki równej 5000 Gy umiera w sposób natychmiastowy.
- więcej niż 5000 - praktycznie 100% ryzyko śmierci
Wykaz skutków jednorazowego napromieniowania człowieka w zależności od dawki promieniowania, podanej w Sv:
- 0,25 - nie obserwuje się żadnych objawów klinicznych, jednak czasami można zauważyć zmiany we krwi.
- 0,5 - nie obserwuje się żadnych objawów klinicznych, jednak obserwuje się niewielkie zmiany we krwi, istnieje niewielkie prawdopodobieństwo wystąpienia skutków w późniejszym terminie
- 1-2 - pojawiają się nieznaczne objawy kliniczne, w przypadku mniej niż 10% populacji występują wymioty po kilku godzinach od samego faktu napromieniowania, całkiem duże szanse na to, że wystąpią skutki późniejsze, jednak wszelkie powstałe objawy ustępują już po kilku tygodniach
- 2-3 - pojawiają się dosyć poważne objawy kliniczne, każdy człowiek który przyjął taką dawkę w ciągu 2 godzin od napromieniowania zaczyna wymiotować, natomiast w ok. 2 tygodnie po fakcie zaczynają wypadać włosy, obserwuje się także poważne zmiany w obrazie krwi, bardzo często pojawiają się inne skutki w późniejszym terminie, w przypadku ¼ populacji może to być już dawka śmiertelna
- 3-5 - w przypadku połowy populacji jest to dawka śmiertelna, pojawiają się ciężkie objawy kliniczne charakterystyczne dla choroby popromiennej, występują problemy z krwiotwórczymi czynnikami szpiku kostnego
- 5-7 - w przypadku takie zaabsorbowanej dawki prawie cała populacja ginie, jeśli osobniki przeżywają to mają poważnie uszkodzony szpik kostny, w ciągu kilku - kilkunastu dni od następuje śmierć.
- 10-30 - taka dawka powoduje śmierć w ciągu kilku - kilkunastu dni.
- do 50 - w wyniku takiej dawki śmierć następuje w ciągu od kilkunastu godzin do 3 dni, poważne zaburzenia mózgu.
W przypadku dużych dawek dokładnie wiemy co się stanie z organizmem człowieka, ponieważ zostało to już dobrze udokumentowane, jednak w przypadku niewielkich dawek trudno to określić. Ogólnie uważa się jednak, że w przypadku niewielkich dawek promieniowania, organizm całkiem dobrze sobie z nimi radzi, a komórki uszkodzone szybko ulegają regeneracji.
Spośród wszystkich pierwiastków i izotopów promieniotwórczych, największy udział w globalnym promieniowaniu ma radon, który obecny jest praktycznie wszędzie, od skał poprzez gleby, aż do materiałów budowlanych. Jego duże ilości mogą się zbierać w zamkniętych pomieszczeniach, których ściany zbudowane są z kamienia, a samo pomieszczenie charakteryzuje się niskim poziomie przepływu powietrza. Wpływ tego promieniowania oczywiście możemy zmniejszyć, częściej wietrząc nasze mieszkania.
Naturalne promieniowanie było obecne w życiu człowieka praktycznie od zawsze. Jednak jego stan został w ostatnich czasach poważnie zakłócony. Wiąże się to z coraz większym rozwojem przemysłu i szkodliwą działalnością człowieka. Coraz większe ilości spalanego węgla, a także coraz częstsze i szersze stosowanie nawozów sztucznych, powodują uwolnienie do środowiska śladowych substancji promieniotwórczych, które znajdują się w węglach czy fostatach. Sama ilość substancji promieniotwórczych w tych substancjach jest niewielka, jednak w wyniku ich spalania i innego wykorzystywania zostają one uwolnione, przez co stają się niebezpieczne dla zdrowia człowieka. Tym większe jest to zagrożenie, ponieważ spala się coraz więcej węgla kamiennego i rzadko używa się innych rodzajów nawozów, np. nawozów fosforowych.
Uwolnione w czasie spalania pyły dostają się do atmosfery i są przenoszone wraz z powietrzem. Dostają się one do gleby wody i roślin, przez co zwiększają ich naturalne stężenie substancji promieniotwórczych. A substancje te krążą w przyrodzie tak samo jak pozostałe pierwiastki.
Ochrona przed promieniowaniem.
Nie jest praktycznie możliwym uchronienie się przed całkowitym wpływem promieniowania, jednak nasze organizmy od wieków nauczyły się żyć będąc pod wpływem jego działania. Promieniowanie jonizujące może powodować drastyczne skutki i być szkodliwym dla naszego zdrowia, jednak może też przynosić ogromne korzyści. Jeśli przyjrzymy się każdej innej dziedzinie techniki to zauważymy, że podobnie jest także z innymi dziedzinami (np. energia elektryczna). Dlatego to tylko od nas zależy czy promieniowanie jonizujące przekształcimy w zagrożenie dla naszego życia, czy też zaprzęgniemy je do jego ratowania i ulepszania.
Zasady ochrony przed promieniowaniem mówią że dawki jakie organizmy otrzymują powinny być możliwie jak najmniejsze, a w idealnym przypadku powinny być równe zeru.
Zasady ochrony przed promieniowaniem:
- należy unikać przebywania w pobliżu które emitują promieniowanie jonizujące
- powinno się unikać kontaktów z przedmiotami promieniotwórczymi, przede wszystkim ich nie dotykając, ani nie otwierać zamkniętych pojemników ochronnych w których się one znajdują
- zabroniony jest ukryty handel materiałami promieniotwórczymi i nie można ich przechowywać ani transportować bez odpowiedniego zezwolenia i zabezpieczenia
Podsumowanie.
Promieniowanie jonizujące może stanowić zagrożenie dla człowieka, ale także być przez niego pozytywnie wykorzystane. Poza tym istnieją obecnie przesłanki naukowe mówiące o dobroczynnym wpływie niewielkich dawek promieniowania na organizmy żywe. W chwili obecnej technologia wykorzystania promieniowania jest na tyle zaawansowana, że bilans korzyści przeważa nad negatywnymi skutkami ubocznymi. Promieniowanie może stać się bardzo pomocne człowiekowi, pod warunkiem oczywiście, że zostanie wykorzystane tylko i wyłącznie w celach pokojowych.
