Ionizirajuće zračenje

Međunarodni simbol za tipove i nivoe zračenja koji nisu sigurni za neoklopljene ljude.
Zračenje općenito postoji u cijeloj prirodi, naprimjer u svjetlu i zvuku

Ionizujuće zračenje sastoji se od emitiranja subatomskih čestica ili elektromagnetnog talasa koji imaju dovoljno energije da ionizuju atome ili molekule, odvajanjem elektrona. Čestice uglavnom putuju preko 1% brzine svetlosti, a elektromagnetni talasi su na visokoenergetskom dijelu elektromagnetnog spektra.

Gama i rendgenske zrake, kao i viši vakuum ultraljubičastog dijela elektromagnetnog spektra emitiraju ionizujuće zračenje, dok je niža energija ultraljubičasta, vidljiva svjetlost, gotovo sve vrste laserskog svjetla, infracrvenog, mikrotalasnog i radijskog imaju neionizirajuće zračenje. Granica između ionizujućeg i neionizujućeg zračenja u ultraljubičastom području nije oštro definirana, jer se različite molekule i atomi ioniziraju na različitim energijijama, između 10 elektronvolti (eV) i 33 eV.

Tipske ionizujuće subatomske čestice zbog radioaktivnog raspada uključuju alfa čestice, beta čestice i neutrone, a gotovo sve su dovoljno energične da mogu ionizirati. Sekundarne kosmičke čestice proizvedene nakon interakcije kosmičkih zraka sa Zemljinom atmosferom uključuju muone, mezone i pozitrone. Kosmičke zrake mogu također proizvesti radioizotop na Zemlji (naprimer, ugljik-14), koji se pak raspadaju i emitiraju ionizujuće zračenje. Kosmički zraci i raspad radioaktivnih izotopa primarni su izvori prirodnog ionizujućeg zračenja na Zemlji, koji doprinose pozadinskom zračenju. Ionizujuće zračenje se također vještački generira, kao što su rendgenska cijev, akceleratori čestica i nuklearna fisija.

Ionizujuće zračenje nije moguće detektirati ljudskim čulima, pa se za njegovo otkrivanje i mjerenje moraju koristiti instrumenti poput Geigerovog brojača. Međutim, vrlo visoki intenziteti mogu proizvesti vidljivu svetlost kao što je Cherenkovovo zračenje. Ionizujuće zračenje koristi se u širokom spektru područja kao što su medicina, nuklearna energija, istraživanje i industrijska proizvodnja, ali predstavlja opasnost po zdravlje, ako se ne preduzmu odgovarajuće mjere protiv prekomjerne izloženosti. Izloženost ionizujućem zračenju uzrokuje oštećenje ćelija živog tkiva i u visokim akutnim dozama može rezultirati opekotinama zračenja i zračenjem i nižim dozama tokom dužeg vremena uzrok rak. .

Tipovi

Glavni članak: Radijacijske čestice

Alfa (α) zračenje sastoji se od jezgra koje se brzopokretnog helija-4 (Helij-4), a jezgro zaustavlja list papira.
Beta (β) zračenje, koje se sastoji od elektrona, zaustavlja se aluminijskom pločom.
Gama (γ) zračenje, koje se sastoji od energetskih fotona, na kraju se apsorbuje dok prodire kroz gusti materijal.
Neutronsko zračenje (n) sastoji se od slobodnih neutrona koji su blokirani lahkim elementima, poput vodika, koji ih usporavaju i / ili hvataju.
Nije prikazano: galaktičke kosmičke zrake koje se sastoje od energetski nabijenih jezgara, kao što su protoni, helijeva jezgra i visoko nabijena jezgra zvana HZE oni.

Oblačna komora jedan je od nekoliko načina vizualizacije ionizujućeg zračenja.
Bile su u upotrebi uglavnom u istraživanju u ranom periodu razvoja fizike čestica, ali i danas ostaju važan obrazovni alat.

Ionizujuće zračenje može se grupirati kao direktno ili indirektno ionizujuće.

Direktno ionizujuće

Svaka nabijena čestica s masom može ionizirati atome direktno pomoću temeljne interakcije putem Kulonove sile, ako nosi dovoljnu kinetičku energiju. To uključuje atomsko jezgro, elektrone, muone, nabijene pione, protone i energetski nabijena jezgra lišena svojih elektrona. Kada se kreću relativnim brzinama, ove čestice imaju dovoljno kinetičke energije da se ioniziraju, ali relativne brzine i nisu potrebne. Naprimjer, tipska alfa čestica je ionizujuća, ali se kreće na oko 5% c, a elektron sa 33 eV (dovoljno za ionizaciju) kreće se na oko 1% c.

Prva dva prepoznata ionizirajuća dobila su posebna imena koja se danas koriste: jezgra helija izbačena iz atomskih jezgara nazivaju se alfa čestice, a elektroni izbačeni obično (ali ne uvijek) relativističkom brzinom, beta čestice.

Prirodni kosmički zraci sastoje se prvenstveno od relativističkih protona, ali uključuju i teža atomska jezgra poput helijevih i HZE iona. U atmosferi takve čestice često zaustavljaju molekule zraka, a to stvara kratkotrajne nabijene pione, koji se ubrzo raspadaju do miona, primarne vrste zračenja kosmičkih zraka koja dopire do tla (i donekle ga prodire). Pioni se također mogu proizvoditi u velikim količinama u akceleratorima čestica.

Alfa čestice

Glavni članak: Alfa-zraci

Alfa čestice sastoje se od dva protona i dva neutrona, povezana zajedno u česticu identičnu helijevom jezgru. Emisije alfa čestica uglavnom se proizvode u procesu alfa raspada, ali se mogu i na druge načine. Alfa čestice su nazvane po prvom slovu u grčkog alfabeta, α. Simbol alfa čestice je α ili α²⁺. Budući da su identične jezgrima helija, ponekad se zapisuju i kao He ₂₊ ili 4
2He²⁺, što ukazuje na helijev ion sa +2 naboja (nedostaju njegova dva elektrona). Ako ion dobije elektrone iz svog okruženja, alfa čestica se može zapisati kao normalan (električno neutralni) atom helija 4
2He.

Alfa čestice imaju izuzetno ionizujući oblik zračenja. Kada su rezultat radioaktivnog alfa raspada, imaju malu dubinu prodiranja. U ovom slučaju mogu biti apsorbirane pomoću nekoliko centimetara zraka ili kože. Moćnije alfa čestice velikog dometa iz trostruke fisije trostruko su energičnije i prodiru proporcionalno dalje u zrak. Jezgra helija koja čine 10–12% kosmičkih zraka, također su obično mnogo veće energije od onih proizvedenih procesima nuklearnog raspada, a kada se nađu u svemiru, tako mogu prelaziti u ljudsko tijelo i gustu zaštitu. Međutim, ovu vrstu zračenja značajno umanjuje Zemljina atmosfera, što je zaštitni štit ekvivalentan sloju od oko 10 metara vode.

Beta čestice

Glavni članak: Beta čestice

Beta čestice su elektroni ili pozitroni visoke energije, koje emituju određene vrste radioaktivnih jezgara, kao što je kalij-40. Proizvodnja beta čestica naziva se beta raspad. Označeni su beta verzijom grčkog alfabeta (β). Postoje dva oblika beta raspada, β⁻ and β⁺, koji dovode do porasta broja elektrona i pozitrona. Beta čestice manje prodiru od gama zračenja, ali prodiru više od alfa čestica.

Visokoenergetske beta čestice mogu stvarati rendgenske zrake, poznate kao „zračenje kočenja“) ili sekundarni elektroni (delta zrake) dok prolaze kroz materiju. I jedno i drugo može izazvati indirektni efekat ionizacije. Zabrinjavajuće je kada se štite beta emiteri, jer nastaje interakcijom beta čestica sa zaštitnim materijalom. Ovaj učinak je veći kod materijala s visokim atomskim brojevima, pa se materijal sa niskim atomskim brojevima koristi za zaštitu beta izvora.

Pozitroni i drugi tipovi antimaterije

Glavni članci: Pozitron i Antimaterija

Pozitron ili antielektron je antičestica ili antimaterija pandan elektrona. Kada se niskoenergetski pozitron sudari sa elektronom niske energije, dolazi do anihilacija, što rezultira njihovom konverzijom u energiju dva ili više gama zraka fotona (vidi elektron – uništavanje pozitrona).

Pozitroni se mogu generirati nuklearnim raspadom emisije pozitrona (putem slabe interakcije ili proizvodnje para iz dovoljno energičnog fotona. Pozitroni su uobičajeni vještački izvori ionizujućeg zračenja koji se koriste u medicinskim pozitronskim emisionim tomografijama (PET).

Kako su pozitroni pozitivno nabijene čestice, takođe mogu direktno ionizirati atom putem Coulombove interakcije.

Naelektrisana jezgra

Nabijena jezgra karakteristična su za galaktičke kosmičke zrake i događaje solarnih čestica, a osim alfa čestica (nabijena jezgra helija) nemaju prirodnih izvora na Zemlji. Međutim, u svemiru se protoni vrlo visoke energije, jezgra helija i HZE ioni mogu u početku zaustaviti relativno tankim slojevima zaštite, odjeće ili kože. Međutim, rezultirajuća interakcija generira sekundarno zračenje i izazva kaskadne biološke efekte. Naprimjer, ako samo jedan atom tkiva istisne energetski proton, sudar će uzrokovati daljnje interakcije u tijelu. To se naziva "linearni prijenos energije" (LET), koji koristi elastično rasipanje.

LET se može vizualizirati kao bilijarska loptica koja udara drugu očuvanjem zamaha, potiskujući obje energijom prve lopte podijeljene između njih nejednako. Kada nabijeno jezgro udari u relativno sporo krećeće jezgro objekta u svemiru, nastaje LET i sudari će osloboditi neutrone, alfa čestice, niskoenergijske protone i druga jezgra i doprinijeti ukupnoj apsorbiranoj dozi tkiva.

Indirektna ionizacija

Indirektno ionizirajuće zračenje je električno neutralno i zbog toga nema jaku interakciju s materijom. Glavnina efekata ionizacije posljedica je sekundarnih ionizacija.

Fotonsko zračenje

Različiti tipovi elektromagnetskog zračenja

Ukupni koeficijent apsorpcije olova (atomski broj 82) za gama zrake, u odnosu na gama energiju i doprinos tri efekta.
Ovdje, pri niskoj energiji, dominira fotoelektrični efekt.
Iznad 5 MeV, počinje dominirati proizvodnja parova.

Iako su fotoni električno neutralni, mogu ionizirati atome direktno kroz fotoelektrični efekt i Comptonov efekt. Bilo koja od tih interakcija uzrokovat će izbacivanje elektrona iz atoma pri relativističkim brzinama, pretvarajući taj elektron u (sekundarnu) beta česticu, koja će ionizirati mnoge druge atome. Budući da se većina [pogođenih atoma] jonizuju direktno pomoću sekundarne beta čestice, fotoni se nazivaju indirektno ionizujućim zračenjem]]
Ukupni koeficijent apsorpcije olova (atomski broj 82) za gama zrake, u odnosu na gama energiju doprinosi tri efekta.

Ostala zračenja se nazivaju prema česticama od kojih se sastoje: protonsko, deuterijsko, tricijsko, teškoionsko, i drugo. Takva zračenja mogu nastati u nuklearnim procesima, dio su kosmičkog zračenja, a nastaju i u nuklearnim reaktorima ili nuklearnim eksplozijama.

Uticaj na žive organizme

Tipovi ionizirajućeg zračenja – gama-zračenje je prikazano talasastimtim linijama, a alfa-čestica, beta-čestica i neutron ravnim linijama.
Mali krugovi prikazuju gdje se pojavljuje ionizirajuće zračenje.

Životno okruženje je radioaktivno je od svog postanka. Postoji oko 60 radionuklida (radioaktivnih elemenata), u tlu, zraku, vodi, hrani, a time i u svim živim bićima. Po tome kako su nastali, dijele se na one koji su oduvijek prisutni na Zemlji, koji nastaju kao posljedica djelovanja kosmičkih zraka, te one koji su posljedica ljudske tehnologije. U prvoj grupi su radioaktivni elementi, kao štosu uran-235, uran-238, torij-232, radij-226, radon-222 ili kalij-40. Oni potiču još iz vremena stvaranja Zemlje, a karakterizira ih vrlo dugo vrijeme poluraspada, čak i do milijardu godina (iznimka je plin radon, čiji je poluživot 3,8 dana). Kosmičko zračenje neprestano pogađa Zemljinu koru. Izvor mu je uglavnom izvan Sunčevog sistema, a sastoji se od raznih oblika zračenja: od vrlo brzih teških čestica, do visokoenergetskih fotona i miona. Ono međudjeluje s atomima u gornjim slojevima atmosfere i tako proizvodi radionuklide, koji su najčešće kraćih vremena poluraspada. To su, naprimjer, ugljik-14, tricij, berilij-7 i drugi.

Antropogenim djelovanjem, osobito razvojem nuklearnih reaktora i testiranjem nuklearnog oružja, nastali su još neki radioaktivni elementi, poput stroncija-90, joda-129, joda-131, cezija-137, plutonija-239 itd.

Mjerne jedinice ionizirajućeg zračenja

Glavni članak: Mjerne jedinice ionizirajućeg zračenja

Aktivnost radioaktivnog uzorka mjeri se u bekerelima (Bq). Aktivnost od 1 Bq znači jedan raspad atomskog jezgra u sekundi. Kako su aktivnosti uzoraka često vrlo velike u upotrebi je i veća jedinica, kiri (Ci); 1 Ci iznosi 3,7 x 10¹⁰Bq.

Da bi se mjerila energija, koju putem zračenja apsorbira određena materija, koristi se jedinica grej (Gy). Omjer te energije i mase apsorbirajućeg tijela zove se apsorbirana doza. Ako se energija od 1 J apsorbira u 1 kg tvari, riječ je apsorbiranoj dozi od 1 Gy. Tako definirana doza ne govori ništa o biološkim učincima apsorbiranog zračenja. Svaki tip zračenja (α, β, γ) ima drugačiji uticaj na žive ćelije, koji se opisuje kao faktor Q. Zato se definira ekvivalentna doza, koja se dobije tako da apsorbirana dozu pomnoži faktorom Q. Jedinica za ekvivalentnu dozu je sivert (Sv).

Aktivnost radionuklida

Pod aktivnosti radionuklida, obično se misli na ukupnu radioaktivnost. Ukupna radioaktivnost je aktivnost radionuklida izražena brojem raspada u jedinici vremena; Bq (raspad/a) ili Ci (3,7x 10¹⁰ raspad/a). Specifična radioaktivnost je radioaktivnost specifične mase (zapremine) tvari. Specifična radioaktivnost se izražava u Bq po jedinici mase (Bq/kg = raspad/i ⁻¹kg⁻¹) ili jedinici zapremine (Bq/m³ = raspad/i⁻¹m⁻³). Radioaktivna ispravnost životnih namirnica, procjrnjuje se na temelju specifične radioaktivnosti, u skladu s postojećim pravilnicima.

Doze ionizirajućeg zračenja

Doze ionizirajućeg zračenja označavaju količinu predate energije ionizirajućeg zračenja određenoj masi date tvari. Naime, ionizirajuća zraka prolazeći kroz tvar sudara se s atomima i predaje im svoju energiju, što izaziva ionizaciju atoma, odnosno molekula.

Apsorbirana doza

Apsorbirana doza (skraćeno doza; D) je količina energije ionizirajućeg zračenja koju apsorbira tvar na koju zračenje djeluje. Apsorbirana doza se označava u Gy (grej; Gy = J/kg). Jedan grej (Gy) predstavlja 1 J (džul) energije koju je ionizirajuće zračenje predalo 1 kilogramu (kg) tvari. Učinci ovise ponajviše o apsorbiranoj energiji i osobinama tvari koja je energiju apsorbirala. Radi poznavanja historije proučavanja radioaktivnosti, treba pomenuti da je prije uvođenja SI jedinica, jedinica za apsorbiranu dozu bila rad (engl. Radiation Absorbed Dose). Pri tome 1 Gy = 100 rada. Dakle, rad je 100 puta manja jedinica od Gy. Apsorbirana doza se može mjeriti na više načina, ali u praksi se ne mjeri, nego se podatak o apsorbiranoj dozi dobija poznavanjem ili određivanjem ekspozicije.

Brzina apsorbirane doze

Brzina apsorbirane doze je količina energije ionizirajućeg zračenja koja je akumulira jedinica materije u jedinici vremena. Izražava se u Gy/s. Veličina brzine apsorbirane doze je bitna jer o njoj ovise učinci ionizirajućeg zračenja na živu tvar. Ukoliko dvije jedinke apsorbiraju istu dozu zračenja, ali u različitom vremenu, tj. s različitom brzinom apsorbirane doze, posljedice će biti različite. Radi ilustracije, brzinu apsorbirane doze može se usporediti s intoksikacijom alkoholom. Dakle, veće količine alkohola raspoređene tokom dugog vremena će jetra bez većih šteta detoksicirati naprotiv, ista količina alkohola u kratkom vremenu (npr. 2,5 litre votke) će biti jako štetna.

Ekspozicija

Ekspozicija je zbroj električnih naboja svih iona istog naboja stvorenih u jedinici mase tvari pri prolasku rendgenskih ili gama zraka. Kratica za ekspoziciju je X, a jedinica za ekspoziciju je C/kg (kulon po kilogramu). C/kg je ona količina rendgenskih ili gama zračenja koja će u kg tvari (zraku) stvoriti ione ukupnog naboja od 1 kulon. Jedinica ekspozicije izvan SI sistema je rentgen (R); 1C/kg = 3867 R.

Brzina ekspozije je ekspozicija po jedinici vremena i izražava se kao (C/kg)/s = C/(kgs).

Ekvivalentna doza ili dozni ekvivalent

Pošto apsorbirana doza, u različitim uvjetima, ne izražava dovoljno precizno težinu štetnih učinaka zračenja na organizam, uveden je pojam ekvivalentne doze. Ekvivalentna doza ili dozni ekvivalent (H, eng. RBE – Relative Biological Effectiveness) je jednaka umnošku apsorbirane doze (D), faktora kvaliteta (Q), i proizvoda ostalih faktora (N). Jedinica za ekvivalentnu dozu je Sv (sivert, Sv = J/kg).

Dakle:

$H$ = $DxQxN$

gdje je H = ekvivalentna doza ili dozni ekvivalent u Sv (sivert; Sv = J/kg), D = apsorbirana doza Gy (grej; Gy = J/kg), Q = faktor kvaliteta, kojim se množi apsorbirana doza (D), kako bi se procijenila šteta nanesena ozračenim jedinkama bilo kojom vrstom ionizirajućeg zračenja. Q ovisi o linearnom prijenosu energije (LPE) pojedinih vrsta zraka, N = proizvod svih ostalih modifikacijskih faktoraa, obično se uzima N = 1.

Rnije uootrebljavana je stara jedinica doznog ekvivalenta: rem (engl. Rentgen Equivalent for Men). 1Sv = 100 rem, odnosno rem je sto puta manja jedinica od Sv.

Okvirno, male doze zračenja su do 0,2 Gy gama zračenja. Kada se radi o učincima malih doza ionizacijskog zračenja, nije dovoljno poznavati samo D, nego i tip ionizacijskog zračenja. Naime, učinci neće biti isti ukoliko je D ista, a različito je ionizacijsko zračenje, jer je različit linearni prijenos energije, pa je različit i pokazatelj Q.

Faktor kvaliteta Q

Ako neka čestica preda 3,5 MeV pri 1 mikrometar prijeđenog puta, onda će njen faktor kvaliteta biti 1. Ukoliko predaje više energije, Q će biti veći i obrnuto.

$Q=1(LPE=5,6x10-7J/m)$

Efektivni faktor kvaliteta (G) za pojedine vrste zračenje iznosi:

• rendgensko zračenje, gama-zračenje, beta-čestice, elektroni, pozitroni: $G=1$
• termalni neutron: $G=3$
• neutroni nepoznate energije: $G=10$
• protoni: $<G=10$
• alfa čestice: $G=10$

Ako se u prvi organizam unese radionuklid, gama-čestice doze 1 Gy, a u drugi radionuklid alfa-čestice iste doze (1 Gy), učinci će biti veći (oko 10 puta!) kod životinje koja je apsorbirala 1 Gy alfa-čestice.

Efektivna ekvivalentna doza

Efektivna ekvivalentna doza – EED (H = Σ W_t H_t) se odnosi za pojedina tkiva. H_t je srednja ekvivalentna doza u tkivu t. Svako tkivo ima svoju ekvivalentnu dozu. W_t je težinski faktor, odnosno faktor rizika za tkivo t. W_t predstavlja udio štetnosti stohastičkih efekata u tkivu t, a u odnosu na cijeli organizam.

Zračenje uz neposrednu vidljive učinke, izaziva i kasne posljedice, koja se mogu ispoljavati i više godina nakon prestanka zračenja. To su stohastički učinci (eng. stochastic = predvidivo) – kasne promjene nastale kao posljedica zračenja; karcinomi, leukemija, genetičke promjene. Pri tome se ne radi o velikim dozama zračenja koje mogu izazvati vidljiva oštećenja, već o malim dozama.

Kada je ozračeno cijeli organizam, rizik (štetnost) od stohastičkih učinaka je 1 (100%). Faktor rizika – težinski faktor za pojedine dijelove tijela (ICRP 1977.):

• Cijelo tijelo: Wt =1
• Jajnici, Sjemenici: W_t = 0,25 (25%)
• Koštana srž: W_t = 0,12 (12%)
• Površina kostiju: W_t = 0,03 (3%)
• Štitasata žlijezda: W_t = 0,03 (3%)
• Dojke: Wt = 0,15 (15%)
• Pluća: Wt = 0,12 (12%)
• Ostala tkiva: Wt = 0,30 (30%)

Naprimjer ako cijelo tijelo (sva tkiva) budu kontaminirana zračenjem intenziteta 1 Sv, rizik od stohastičkih učinaka će biti 1 (100%). Ali, ako se osoba pijući mlijeko kontaminirana jodom-131 i ako je samo štitna žlijezda primila dozu od i 1 Sv, šteta/rizik će biti takva kao da je cijeli organizam primio dozu od 0,03 Sv. Ta doza dobije se tako da dozu kontaminacije štitaste žlijezde pomnoži s težinskim faktorom.

Za svaki organizam je potrebno izračunati ekvivalentnu dozu. Ona potpunije pokazuje kolika je stvarna opasnost od šteta koje zračenje izaziva (ekvivalentna doza = doza zračenja x faktor kvaliteta zračenja).

Ekvivalentna doza se odnosi samo na vanjsko zračenje. ICRP (engl. International Commission for Radioactivity Protection) preporuke za granice ekvivalentnih doza na godinu:

• profesionalno ozračenje: 50 mSv
• individualno ouračenje: 5 mSv
• ozračenje stanovništva: 1 mSv

Efektivna ekvivalentna doza je veća jer se radionuklidi unose u organizam hranom, vodom, zrakom i ugrađuju se u tkiva. Neki radionuklidi se ugrade u kosti, drugi u pluća; svaki dio tijela je ozračen, ali ne jednako. Postoji pravilnik o zaštiti od ionizacijskog zračenja koji je donijela ICRP.

Doza opravdanog rizika

U slučaju većih nuklearnih nezgoda kontaminira u poluprečnok od barem 30 km. Doza opravdanog rizika (DOR) ona koju može primiti osoba koja odlazi na kontaminirano područje s određenim zadatkom, a da pri tome posljedice ozračivanja ne budu previše štetne. Oni koji prime DOR ne smije se ozračivati naredna 2-3 mjeseca. DOR za jednokratno označivanje je 13 mC/kg ili 50 R. Za višekratno ozračivanje, DOR je 26 mC/kg ili 150 R (150 R = 39 mC/kg). Svaka pojedinačna dnevna doza ne smije biti veća od 2,58 mC/kg (=2,58 C/g = 10 R).

Ozračenost

Budući a je zračenje sveprisutno i prije nastanka Zemlje, ni danas ga nije moguće izbjeći. Stoga svaki čovjek prima godišnju ekvivalentnu dozu zračenja od približno 3,5 mSv. To je prosječna doza, koja obuhvata:

• Udisanje radona – 2 mSv
• Ostali radionuklidi uneseni u tijelo – 0,39 mSv
• Zemljino zračenje – 0,28 mSv
• Kosmičko zračenje – 0,28 mSv

Tako ispada da ukupna doza iz prirodnih izvora iznosi 3 mSv, a od vještačkih izvora 0,5 mSv. Ukupna doza od vještačkih izvora proračunata je prema prosječnoj izloženosti medicinskom zračenju, korištenju raznih aparata, te doprinosu od testiranja nuklearnog oružja i rada nuklearnih elektrana. Najveći doprinos iz tih izvora ima medicinsko zračenje.

Moguće opasnosti

Kad se govori o opasnostima od zračenja, uglavnom se podrazumijeva ionizirajuće zračenje. To je zračenje koje ima dovoljnu energiju da ionizira neke atome u tijelu. Tako nastali ioni narušavaju biohemijske procese u ćelijama, što može dovesti do raznih poremećaja u njihovom funkcioniranju i dijeljenju, te konačno do nastanka ozbiljnih bolesti, poput karcinoma.

• Alfa zračenje se širi brzinom od oko 1/20 brzine svjetlosti, što je dovoljno sporo da mogu relativno dugo međudjelovati s materijom. Zato imaju jako ionizirajuće djelovanje. Zbog svoje veličine brzo se sudaraju s nekim od atoma i gube energiju, pa im je doseg mali (nekoliko cm), a zaustavlja ih već koža ili komad papira. Međutim, ako se unesu u tijelo hranom ili udisanjem, mogu biti opasne zbog jakog ionizirajućeg djelovanja.
• Beta-zračenje čine elektroni, negativno nabijene čestice, koje putuju velikim brzinama. Njihovo ionizirajuće djelovanje puno je slabije od djelovanja alfa-zračenja, ali mu je domet u zraku puno veći (nekoliko metara). Zaustavlja ga već metalna ploča debljine nekoliko mm. U ljudsko tijelo prodire do nekoliko centimetara. Opasno je za zdravlje ako se izvor unese u organizam.
• Gama-zračenje je elektromagnetsko zračenje velike energije, koje potiče iz atomskog jezgra, a širi se brzinom svjetlosti. Njegovo ionizirajuće djelovanje je još slabije od djelovanja beta-čestica, ali mu je domet još veći. Prolazi kroz ljudsko tijelo, a može se reducirati pomoću debelog sloja olova, betona ili vode.
• Rendgensko zračenje ima ista svojstva kao i gama-zračenje, ali nešto veću talasnu dužinu. Razlikuje se od gama zračenja po tome što potiče od elektrona, a ne iz atomskog jezgra.
• Kosmičko zračenje čine razne visokoenergijske čestice. Intenzivnije je na većim nadmorskim visinama.
• Neutroni se u zračenju javljaju uglavnom u nuklearnim reaktorima, a kao zaštita od njih koristi se voda i beton.

Glavni prirodni izvor zračenja na kojeg se može donekle uticati je radon. Radon-222 je plemeniti plin, koji nastaje raspadom uranija-238. Uranij je normalan sastojak tla, kao i raznih građevnih materijala, od kojih se prave kuće i veće zgrade. Difundira iz tla i zidova i nakuplja se u prostorijama, a njegovi se radioaktivni izotopi (polonij, bizmut, olovo) lijepe za čestice prašine u zraku. Kada se udahnu, lijepe se za pluća i oštećuju ih alfa-zračenjem, što može dovesti do pojave raka pluća. Koncentracija radona ovisi o sastavu tla, katu (najveća je u podrumu i prizemlju) i o ventilaciji prostorija. Dobro prozračivanje prostorija može upola smanjiti dozu zračenja primljenu od radona!

Efekti raznih doza zračenja

• više od 10 Sv izaziva tešku bolest i smrt u nekoliko sedmica;
• 2-10 Sv primljenih u kratkom roku izaziva smrt s vjerojatnošću od 50%;
• 1 Sv primljen u kratkom roku izazva radijacijsku bolest (mučninu, gubitak kose), ali najvjerojatnije ne i smrt;
• 50 mSv godišnje je najmanja doza za koju postoje dokazi da izaziva rak.

Učinci velikih doza poznati su iz sudbina preživjelih ljudi iz Hirošime i Nagasakija, za koje je naknadno procijenjena doza zračenja koju su primili. O efektima malih doza procjene su na temelju ekstrapolacije učinaka velikih doza i pretpostavke njihove linearnosti, jer je učinke malih doza teško direktno pratiti i razlučiti od brojnih drugih faktora koji utiču na zdravlje. Na taj je način izračunato da će od milion ljudi koji prime dodatnu dozu zračenja od 1 mSv njih 50 zbog toga umrijeti od raka.

Mjerni instrumenti

Geigerov brojač

Proporcionalni brojač.

Maglena komora s vidljivim tragovima ionizirajućeg zračenja (kratke debele linije su alfa-čestice, a duge i tanke su beta-čestice).

Komora na mjehuriće.

Scintilatorski kristal okružen s raznim scincilatorskim uređajima.

Povlačna komora (Muzej umjetnosti u Parizu) – jedan od oblika višeanodnog proporcionalnog brojača

Ionizacijska komora

Ionizacijska komora je dozimetar u kojemu se mjere posljedice ionizacije zračenjem plina. Sastoji se od dvije elektrode u cijevi ispunjenoj nekim plinom koji služi kao mjerna tvar. Prolazeći kroz plin, ionizirajuće zračenje ha izravno ili posredno ionizira taj. Tako u plinu nastaju parovi elektron-ion. Elektrode komore su pod električnim naponom, pa se elektroni i ioni kreću prema elektrodama.

Geigerov brojač

Geigerov brojač je detektor koji je najupotrebljavaniji u javnosti, a naziva se i Geiger-Müllerov brojač. Sastoji se od plinom punjene komore sa žicom u sredini koja je postavljena na visoki napon. Na taj se način na njoj prikupljaju ioni koji su stvoreni pri radioaktivnom zračenju. Ovakvi detektori mogu registrirati alfa, beta i gama zračenje, iako ih ne mogu razlikovati. Zbog tih i nekih drugih ograničenja, najbolji je za upotrebu kad se samo dokazuje postojanje i gruba procjena radioaktivnosti. Efikasnost ovog brojača je gotovo stopostotna za alfa i beta zračenja, dok je puno manja za gama zrake.

Proporcionalni brojač

Proporcionalni brojač je mjerni instrument koji se koristi za brojanje čestica ionizirajućeg zračenja i za mjerenje njihove energije. To je uređaj vrlo sličan Geigerovom brojaču, koji također spada u grupu plinsko‐ionizirajućih detektora, ali su elektrode u manjem naponu od napona okidanja, pa se izbjegava zasićenje i ne dolazi do prostiranja lavina duž cijele žice. Snaga signala je srazmjerna energiji upadnog zračenja, pa se može odrediti upadna energija (ako je cjelokupno zračenje apsorbirano).

Maglena komora

Maglena komora ili Wilsonova komora je mjerni instrument kojim se prate tragovi ionizirajućeg zračenja (alfa-čestice, beta-čestice, gama zrake, rendgenske zrake itd.), a sastoji se od komore u kojoj je je prezasićena vodena para, kojoj da bi se kondenzirala nedostaju centri kondenzacije, pa je za oko i kameru nevidljiva. Ioni koje stvori prolaz ionizirajuće čestice, postaju centri kondenzacije i prolaz čestice postaje vidljiv u obliku gustog niza sitnih kapljica. Maglenu komoru je 1911. konstruirao britanski fizičar i meteorolog Charles Wilson, koji je za to otkriće dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1927.

Komora sa mjehurićima

Komora na mjehuriće je mjerni instrument kojim se prate tragovi ionizirajućeg zračenja (alfa-čestice, beta-čestice, gama zrake, rendgenske zrake itd.), a sastoji se od komore u kojoj je je prozirna pregrijana tekućina u kojoj ioni stvoreni prolaskom ionizirajuće čestice omogućuju stvaranje mjehurića, sklanjajući se na stazu čestice. Komoru na mjehuriće je konstruirao Donald Glaser 1952., za što je dobio Nobelovu nagradu za fiziku, 1960. Komora na mjehuriće radi vrlo slično kao maglena komora, ali se njen rad zasniva na superzasićenoj tekućini, dok kod maglene komore se rad zasniva na superzasićenoj pari.

Višeanodni proporcionalni brojač

Višeanodni proporcionalni brojač (engl multi-wire proporcional counter – MWPC) je mjerni instrument za otkrivanje i mjerenje elementarnih čestica ionizirajućeg zračenja, a prestavlja usavršeni oblik Geigerovog brojača i proporcionalnog brojača. Proporcionalni brojači obično su uređaji koaksijalnog geometrijskog rasporeda: tanka žica (anoda), postavljena je uzduž osi valjkaste katode. Sistem je nepropustan za zrak i puni se inertnim plinom (obično smjesa argona i ugljik-dioksida, metana i sl.).

Komora na iskre

Komora na iskre sastoji se od niza paralelnih vrlo tankih elektroda između kojih je visoki napon, ali ne dovoljno visok da bi se dogodio električni izboj među njima. Ioni, koje stvori prolaz nabijene čestice, omogućuju lokalni izboj u obliku niza iskri te na taj način kamera može registrirati stazu čestice.

Poluvodički detektor

Poluvodički detektor je uređaj koji radi na osnovu promjene električne vodljivosti poluvodičkog kristala zbog ionizacije zračenjem. Masena čestica ili foton koji prođu kroz zaporni sloj uzrokuju strujni impuls. |Zračenje uzrokuje mnogo veću ionizaciju u poluvodičkom kristalu nego u plinu zbog toga što je gustoća mnogo veća, a energija potrebna za proizvodnju parova mnogo je manja. Jedna od glavnim svojstava poluvodičkih brojača je visoka moć energijskog razlučivanja čestica, a nedostaci su relativno dugo vrijeme regeneracije.

Scintilacijski detektori

Scintilatori su obično čvrsta tijela (iako mogu biti i tekućine i plinovi) koja u interakciji sa zračenjem proizvode svjetlost. Svjetlost se pretvara u električni signal koji se dalje obrađuje elektronikom i računarom. Koriste se u istraživačkim centrima, medicini, kao zračenja u životnom okruženju.

Detektori rendgenskog i gama-zračenja

Silikonski detektori, pri niskim temperaturama (oko 77 K) prikladni su za rendgensko zračenje energije do oko 20 keV. Germanijevi detektori mogu se koristiti za mjerenja energija preko 10 keV pa sve do nekoliko MeV. Takvi imaju primjenu u mjerenju zračenja u okolišu i traženju radioaktivnih elemenata u prirodi.

Detektori nisko-energijskih nabijenih čestica

Silikonski detektori, pri sobnim temperaturama, imaju najvažniju ulogu u registriranju niskoenergijskih električkih nabijenih čestica. Pojedinačno mogu odrediti energiju upadnog zračenja. Kombinacija više njih mogu odrediti naboj (Z) i masu (A) upadne čestice (zračenja). Ovakav tip detektora koristi se u otkriču alfa-čestica kod zračenja u okolišu (npr. kod radija).

Neutronski detektori

Neutrone je izuzetno teško otkriti jer nemaju električni naboj. Oni otkrivaju radijciju pomoću nuklearnih reakcija, kojima se stvaraju sekundarne nabijene čestice. Za usporavaenje neutrona, ponekad se koristi parafin, kako bi se povećala efikasnost detekcije neutrona. Ovakvi detektori koriste se za promatranje neutronskih zračenja u blizini nuklearnih elektrana i akceleratora čestica. Tekući scintilatori mogu mjeriti i neutrone i gama zračenja, a pažljivim analizama može se prepoznati razlika ovih zračenja.

Neutrino detektori

Interakcuja neutrina s materijom vrlo je slabe, pa ih je stoga teško registrirati. Neutrino detektori moraju biti izuzetno velikog obima. Naprimjer, za otkriće Sunčevih neutrina često se koriste kiljade tona deuterijevog oksida (teška voda). Ako se dogodi međudjelovanje neutrina s materijom, stvara se elektron koji se u toj materiji kreće brže od svjetlosti. Takav elektron prizvodi stnop svjetlosti koja se koristi za određivanje energije i smjera neutrina.

Grafički prikaz odnosa između radioaktivnosti i otkrivenog ionizujućeg zračenja

Metodi mjerenja radijacije

Kvantitativni	Detektor	CGS jedinice	SI jedinice	Ostale jedinice
Stopa raspadanja		Kiri	Bekerel
Čestični fluks	Geigerov brojač, proporcionalni brojač, scintilator	cm2/sekunda	metar2/sekunda	broj u minuti, čestice po cm2 u sekundi
Energijska fluenca	Termoluminescentni dozimetar, dozimetar filmske značke	MeV/cm2	džul/metar2
Energija snopa	Proporcionalni brojač	elektronvolt	džul
Transfer linearne energije	Izvedena količina	MeV/cm	džul/metar	keV/μm
Kerma	Ionizacijska komora, semionduktorski detektor, dozimetar od kvarcnih vlakana, Kearnyjeve padavine, Kearnyjev kvarcni vlaknasti dozimetar, Kearnyjev padajući dozimetar	esu/cm3	grej	rentgen
Apsorbirana doza	Kalorimetar	rad	grej	rep
Ekvivalentna doza	Izvedena količina	rem	sievert
Efektivna doza	Izvedena količina	rem	sivert	BRET
Obavezna doza	Izvedena količina	rem	sivert	ekvivalentna doza banane

Detektori visokoenergijskih nabijenih čestica

Kako se energija čestica povećava, tako se grade sve složeniji detektori koji uključuju praćenje putanje mnoštva čestica dok prolaze kroz detektor. Izuzetno brzi računarski sistemi obrađuju i spremaju podatke koji su dobiveni tim detektorima.

Primjena

Detektor dima

Najčešći detektori dima sadrže male količine radioaktivnog izotopa americija-241, koji se proizvede nuklearnim reakcijama. Alfa-čestica, koja se emitira u raspadu americija-241, ionizira zrak i stvori malu struju naboja koja se mjeri osjetljivim uređajem. Kada dim uđe u detektor, ioni se uhvate česticama dima što umanji struju naboja u detektoru. Ako se to dogodi, alarm se uključi. Kako je prevaljena udaljenost alfa-čestica izuzetno mala u zraku, ne postoji rizik zračenja od ovakvih detektora. Nakon svoje uporabe, ovi se detektori moraju prikladno odlagati, kao radioaktivni otpad.

Kosmičko zračenje

Postojanje kosmičkog zračenja je poznato od 31. decembra 1958., kada je prvi svemirski brod upućen sa Zemlje. Uočeno je ogromno zračenje. Poslije toga, mnogi sateliti oštećeni su tim zračenjem. Međutim, učinci kosmičkih zračenja vidljivi su i na površini Zemlje. Iako atmosfera apsorbira gotovu svu količinu kosmičkog zračenja, pojedina sekundarna čestica (nastala u reakcijama s molekulama zraka) može doseći površinu Zemlje te uzrokovati oštećenja na poluvodičima i elektroničkim čipovima. Memorijski čipovi kompjutera su podložni oštećenjima.

Istraživanje materijala

Ako se određene vrste plastike izlože nuklearnim zračenjima, na njoj će se stvoriti mikro tragovi (30 nm do 8000 nm). Primjena ove vrste plastike koristi se za određivanje prisutnosti radona. Primjenjuje se u nauci o Zemlji, okeanografij, biologiji, medicini, arheologiji i astrofizici.

Nuklearnomedicinska dijagnostika

Jedna od glavnih primjena radioizotopa je u nuklearnoj medicini. Gotovo jedna trećina bolesnika podvrgava se nuklearnoj medicini. Postoji gotovo stotinu različitih radioizotopa čije se beta i/ili gama zračenje koristi u dijagnostici, terapiji ili istraživanjima nuklearne medicine. Najkorišteniji izotopi su jod-131 (otkriven 1938.), kobalt-60 (otkriven 1937.), tehnecij-99 (1938.), cezij-137 (1941.). Danas je tehnecij-99, s vremenom poluraspada od oko 6 sati, najkorišteniji.

Vrlo djelotvorni je i korištenje kratkoživućih pozitronskih emitera, kao što su ugljik-11, dušik-13, kisik-15 ili fluor-18, u procesu koji je nazvan pozitronska emisiona tomografija ili PET (engl. Positron Emission Tomography). Ako se ugrade u hemijske sastojke koji odlaze u specifične organe u tijelu, dijagnoza se uspostavljadetekcijom dviju gama-zraka identičnih energija, kada se elektron i pozitron ponište i pretvore u energiju. Detekcijom obiju gama-zraka (koje imaju točno suprotnu orijentaciju) može se odrediti mjesto gdje se dogodila reakcija. Ako se pozitronski emiter ugradi u glukozu, i tijelo ga apsorbira, mogu se istraživati funkcije vitalnih organa, kao što je ljudski mozak (komjuterska tomografija).

Nuklearnomedicinska terapija

Radiaktivni izotop kobalt-60 emitira gama-zrake koje se koriste za razbijanje ćelija raka, a slično tome i cezij-137. U posljednjih desetak godina terapija uništenja ćelija raka obavlja se pod izravnim snopom masivnih iona iz akceleratora. Za razliku od gama-zraka, koje dijele svoju energiju podjednako na zdravo i nezdravo tkivo, masivne čestice poput protona i alfa-čestica ostavljaju svoju energiju neposredno tamo gdje se zaustave. Ako se energija prikladno odabere, najveći dio energije može se ostaviti u nezdravom tkivu, a ne u zdravom tkivu.

Određivanje starosti

Tehnika određivanja omjera radioaktivnih izotopa u odnosu na referentni izotop, procjenjuje starost datog materijala. U datiranju tragova proteklih događaja, istraćivani su mnogi izotopi. Ugljik-14 se proizvodi u gornjim slojevima atmosfere. To se događa kad neutron udari u dušik-14 i izbaci proton. Izotop ugljik-14 se prenosi kao CO₂ kroz biljke i životinje. Ako se utvrdi današnji omjer ugljika-14 u odnosu na ugljik-12, to bi odgovaralo starosti od oko jedan bilion godina. Omjer je isti za sva živa bića. Jednom kad živi organizam umre, isključuje se iz biociklusa i više nije u stanju izmjenjivati ugljik s okolinom. Izotop ugljik-14 je radioaktivan s vremenom poluraspada od 5.730 godina. To znači da će nakon 5.730 godina ostati polovina početne količine izotopa, a nakon 11.460 godina samo četvrtina. Ako se pouzdano odredi omjer dvaju izotopa, može se odrediti starost organskog materijala datiranjem ugljikom-14.

Za nežive materijale druge se metode koriste. Izotop kalij-40 se raspada, s vremenom poluraspada od 1,3 x 10⁹ godina, u argon-40 koji se hvata u stijenama. Iz omjera broja izotopa argona-40 koji izlaze iz kalija-40 i broja izotopa kalija-40 koji su ostali u stijeni može se odrediti starost stijene. I starost galaksije i Zemlje mogu se odrediti na sličan način. Pronađeno je da je starost Zemljine galaksije između 10 i 20 milijardi godina, a Zemlje oko 4,6 milijardi godina. Za Svemir se vjeruje da je star oko 15 milijardi godina.

Primjena u industriji

Primjene radioizotopa u industriji su mnogobrojne. Kako s debljinom nekog materijala opada količina gama-zračenja, to je moguće odrediti debljinu materijala određivanjem opadanja gama zračenja. To se koristi u industriji kao što je:

• automobilska industrija, za testiranje kvalitete čelika i prikladne debljine aluminija i drugih materijala
• zrakoplovstvo, za testiranje mlaznih motora
• konstrukciji, za određivanje gustoće materijala cesta na površini i ispod površine
• industriji nafte, plina i rudarstva
• dizala i žičara, testiranje kablova.

Izotop kalifornija-252 (neutronski emiter) koristi se za aktiviranje drugih izotopa neutronima, kojima se provjerava prtljaga putnika u zrakoplovima na eventualne eksplozive.

Zanimljiva primjena radioizotopa je u umjetnosti. Vrlo su korisne u identificiranju hemijskih elemenata u kovanicama i drugim eksponatima. Neutronska raspršenja su se dokazala kao dobar alat za istraživanje molekulske strukture i gibanja molekula. Akceleratori i reaktori proizvode spore neutrone prikladnih talssih dužina za prepoznavanje strukture molekuka DNK.

Deminiranje

Ratovi se vode po cijeloj Zemlji, a minska polja se koriste redovito za razdvajanje neprijatelja u ratu. Slično kod traženja eksploziva kod avio prtljag radi se i s minskim poljima. Pomoći takvih detektora razminirfane su velike površine Bosne i Hercegovine, uklanjanjem eksplozivnih sredstava zaostalih iz perioda 1992-1995, pa i iz Drugog svjetskog rata

Radioaktivni izvori energije

Dugoživući izvori energije su potrebni za uređaje koji su na duže vrijeme daleko i nedostupni (npr. vještački sateliti). Birajući radioaktivne elemente koji imaju veća vremena poluraspada, mogu se napraviti dugoživući izvori energije. Između mnogih, dobri primjeri su plutonij-238 (87,7 godina) i kurij-244 (18,1 godina). Već nekoliko grama takvih izotopa daje intenzivan izvor topline sve do nekoliko stotina vati.

Naučni odbor Ujedinjenih nacija za efekte atomskog zračenja (UNSCEAR) precizirao je tipove izloženosti ljudi.

Tip izloženosti radijaciji

Javna izloženost
Prirodni izvori	Uobičajene pojave	Kosmičko zračenje
		Radijacija tla
	Poboljšani izvori	Vađenje metala i topljenje
		Industrija fosfata
		Rudarstvo uglja i proizvodnja električne energije iz uglja
		Bušotine nafte i plina
		Rijetki zemni i industrija titan-dioksida
		Industrija cirkonija i keramike
		Primjena radija i torija
		Ostale situacije izloženosti
Antropogeni izvori	Miroljubive svrhe	Proizvodnje nuklearne energije
		Transport nuklearnog i radioaktivnog materijala
		Primjena koja nije nuklearna energija
	Vojne svrhe	Nuklearne probe
		Ostaci u životnoj sredini. Nuklearni otpad
Historijske situacije
Izloženost nesrećama
Radno izlaganje zračenju
Prirodni izvori		Izlaganje kosmičkim zracima vazduhoplovne posade i svemirske posade
		Izloženost u ekstrakcijskoj i prerađivačkoj industriji
		Industrije za vađenje plina i nafte
		Izloženost radonu na radnim mjestima, osim u rudnicima
Antropogeni izvori	Miroljubive svrhe	Industrija nuklearne energije
		Medicinska upotreba radijacije
		Industrijska upotreba radijacije
		Razne upotrebe
	Vojne svrhe	Ostali izloženi radnici
Izvor: UNSCEAR 2008 Annex B retrieved 2011-7-4

Također pogledajte

• Radioaktivnost
• Neionizirajuće zračenje

Vanjski linkovi

• The Nuclear Regulatory Commission regulates most commercial radiation sources and non-medical exposures in the US:
• NLM Hazardous Substances Databank – Ionizing Radiation
• United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation 2000 Report Volume 1: Sources, Volume 2: Effects
• Beginners Guide to Ionising Radiation Measurement
• Mike Hanley. "XrayRisk.com : Radiation Risk Calculator. Calculate Radiation Dose and Cancer Risk". (from CT scans and xrays).
• Free Radiation Safety Course Arhivirano 16. 4. 2018. na Wayback Machine
• Health Physics Society Public Education Website
• Oak Ridge Reservation Basic Radiation Facts