R1E0nihpzZelh1

Zdjęcie przedstawia krytyczne w stosunku do energetyki atomowej graffiti na stalowym kontenerze. Na białym tle namalowany jest czerwoną farbą wiatraczek, symbol ostrzegawczy przed promieniowaniem radioaktywnym. Na tle tego znaku znajdują się czarnobiałe postacie kobiety z dwójką dzieci trzymanych za ręce. Cała trójka ma na twarzach maski przeciwgazowe.

1. Czym jest promieniowanie jonizujące?

Promieniowanie jonizującepromieniowanie jonizującePromieniowanie jonizujące towarzyszy człowiekowi od zawsze. Codziennie pochłaniamy promieniowanie, które dociera do nas z Kosmosu oraz pochodzi ze skał lub gleby. Promieniowanie jonizujące jest promieniowaniem korpuskularnym lub elektromagnetycznym, powodującym jonizację ośrodka, przez który przechodzi. Dzięki odpowiednio dużej energii jest zdolne oderwać elektron od obojętnych atomów lub cząsteczek. Promieniowaniem jonizującym jest promieniowanie jądrowe ($\mathrm{\alpha }$, $\mathrm{\beta }$ i $\mathrm{\gamma }$), neutronowe, X i kosmiczne.

Źródłem naturalnego promieniowania jonizującego jest m.in. przestrzeń kosmiczna. Promienie kosmiczne, które składają się głównie z jąder atomów o wielkich energiach (są to głównie protony), zostało odkryte na początku XX w. Przed promieniowaniem kosmicznym częściowo chroni nas atmosfera ziemska, która pochłania energię padających cząstek. W wyniku zderzeń cząsteczek z jądrami gazów (azot, tlen) w atmosferze emitowane jestpromieniowanie wtórnepromieniowanie wtórnepromieniowanie wtórne. Szacuje się, że do wysokości 20 km nad powierzchnią Ziemi jest ono dominującą składową promieniowania kosmicznego. Im grubszą warstwę atmosfery musi pokonać promieniowanie, tym słabsze się ono staje. W związku z tym ludzie przyjmują dużo mniejszą dawkę promieniowania na poziomie morza niż osoby wspinające się w wysokich górach. Osoby latające samolotami na trasach transkontynentalnych otrzymają dawkę promieniowania równą mniej więcej dawce towarzyszącej prześwietleniu rentgenowskiemu płuc.

Źródłem promieniowania jonizującego są również powierzchnia i wnętrze Ziemi, które zawierają bogate zasoby pierwiastków radioaktywnych. Na terenie Polski po zakończeniu drugiej wojny światowej wydobywano rudy uranu m.in. w Kletnie i Kowarach (Sudety). Z kopalni w Kletnie uzyskano łącznie 20 ton uranu.

Oprócz źródeł naturalnych promieniowania jonizującego istnieją także jego źródła sztuczne. Promieniowanie jonizacyjne wytworzone przez człowieka powstaje jako rezultat przemian zachodzących we wnętrzach jąder atomowych. Tym zmianom towarzyszy zmiana energii jąder, a często także liczby nukleonów. Podatne na to są zwłaszcza izotopy pierwiastków, w których znajduje się nieodpowiednia liczba neutronów.

Do źródeł sztucznych promieniowania jonizującego zaliczamy aparaturę medyczną (aparaty rentgenowskie, bomby kobaltowe), elektrownie jądrowe (reaktory) i urządzenia badawcze, np. akceleratory cząstek. W medycynie, przemyśle i nauce powszechnie stosuje się sztuczne izotopy promieniotwórcze, będące źródłem promieniowania $\mathrm{\alpha }$, $\mathrm{\beta }$ i $\mathrm{\gamma }$.

R1LTsmQKgrJS31

Promieniowanie jonizujące

Wspomnieć należy również o jeszcze innych źródłach promieniowania jonizującego – testach bomb nuklearnych i awariach elektrowni jądrowych.

Zastanówmy się nad wpływem, jaki wywiera promieniowanie jonizujące na organizmy żywe, zwłaszcza na organizm ludzki.

Efekt ten zależy głównie od kilku czynników:

• wielkości i natężenie przyjętej dawki;

• rodzaju promieniowania;

• wielkości i rodzaju obszaru poddanego działaniu czynnika jonizującego;

• wieku oraz płci osoby napromieniowanej;

• wrażliwości osobniczej;

• masy ciała;

• pory roku (temperatury otoczenia);

Promieniowanie jonizujące powoduje określone skutki biologiczne, które ze względu na podstawowe mechanizmy ich powstawania możemy podzielić na deterministyczne i stochastyczne.

Skutki deterministyczne są konsekwencją pochłonięcia przez organizm ludzki na tyle dużej dawki promieniowania jonizującego, że powoduje ona zniszczenie lub bezpowrotne uszkodzenie pewnej liczby komórek. Przejawem skutków deterministycznych jestchoroba popromiennachoroba popromiennachoroba popromienna.

RR1MVdp4xqyw21

Biologiczne skutki promieniowania jonizującego

Skutki stochastyczne (losowe) są rezultatem uszkodzenia materiału genetycznego pojedynczej komórki i przejawiają się w postaci nowotworów lub chorób dziedzicznych. Dawka, która wywołuje te schorzenia, może być dowolnie mała, a o ich początku decyduje przypadek.

RPLzYbvzlhccD1

Biologiczne skutki promieniowania jonizującego

Jeśli promieniowanie jonizujące oddziałuje na żywą tkankę, może wywołać uszkodzenia na poziomie:

• molekularnym – uszkodzenialipidówlipidylipidów(wytwarzanie wolnych rodników), pękanie niciDNADNADNA;

• komórkowym – uszkodzenia struktur błonowych, jądra i organelli komórkowych (zaburzenie metabolizmu komórki, degradacja składników komórki i uszkodzenie jej materiału genetycznego).

Promieniowaniepromieniowanie alfaPromieniowanie $\mathrm{\alpha }$ stanowią duże cząstki, które mimo swojego krótkiego zasięgu mają silne własności jonizacyjne (nawet 20‑krotnie większe niż promieniowanie $\mathrm{\beta }$ lub $\mathrm{\gamma }$). Kiedy cząstka $\mathrm{\alpha }$ o energii $4 \mathrm{MeV}$ porusza się w powietrzu, może wytworzyć nawet 120 000 par jonów. Prawie cała energia cząstek alfa zużywana jest na jonizację ośrodka.

Źródłem promieniowania $\mathrm{\alpha }$ są przemiany promieniotwórcze niektórych jąder tzw. pierwiastków ciężkich (uranu, toru, radu).

RwMcVmsxzhzPY1

Promieniowanie jonizujące

Szkło, kilkucentymetrowa warstwa powietrza (4,37 cm dla energii cząstek 6 MeV), skóra ludzka lub zwykły papier stanowią dla tego promieniowania zaporę nie do przebycia. Gdyby jednak cząstki $\mathrm{\alpha }$ dostały się w jakiś sposób do organizmu, np. drogą pokarmową, to ich jonizujące działanie mogłoby się okazać tragiczne dla zdrowia (choroba popromienna, białaczka) i zakończyć nawet śmiercią. Promieniowanie $\mathrm{\alpha }$ nie wymaga stosowania specjalnych osłon.

Promieniowaniepromieniowanie betaPromieniowanieβ (strumień elektronów) w porównaniu z promieniowaniem $\mathrm{\alpha }$ ma znacznie większy zasięg (zależny od energii cząstek; w powietrzu rozchodzi się ono na odległość kilku metrów)oraz większą przenikliwość. Źródłem promieniowania $\mathrm{\beta }$ są procesy zachodzące wewnątrz jąder pierwiastków promieniotwórczych, gdzie następuje przemiana neutronu w proton (${\mathrm{\beta }}^{-}$) lub protonu w neutron (${\mathrm{\beta }}^{+}$). Cząstki $\mathrm{\beta }$, których zarówno ładunek, jak i masa są mniejsze w porównaniu z cząstkami $\mathrm{\alpha }$, wywołują znacznie mniejszą jonizację ośrodka. W powietrzu mogą mieć zasięg nawet kilku metrów (2,3 m dla 6,0 MeV).
Biologiczne skutki oddziaływania promieniowania $\mathrm{\beta }$ na żywą tkankę są jednak znacznie mniejsze w porównaniu z promieniowaniem $\mathrm{\alpha }$. Przed promieniowaniem $\mathrm{\beta }$ chroni cienka warstwa aluminium lub tworzywa sztucznego a także szklana płyta o grubości 1 cm. Aby zabezpieczyć się przed promieniowaniem $\mathrm{\beta }$, musimy korzystać z osłony. Wykorzystanie tarcz ołowianych (lub wykonanych z innych metali ciężkich) nie jest wskazane, ponieważ wychwycenie elektronu przez jądra osłony może stać się źródłem promieniowania wtórnego.

Niebezpieczne dla zdrowia jest przyjęcie dawki promieniowania $\mathrm{\beta }$ znajdującej się w skażonej żywności..

Promieniowanie $\mathbf{\gamma }$promieniowanie gammaPromieniowanie $\mathbf{\gamma }$ orazpromieniowanie neutronowepromieniowanie neutronowepromieniowanie neutronowestanowią pośredni czynnik jonizujący. Nie zawierają ładunku elektrycznego, ale są odpowiedzialne za powstawanie cząstek naładowanych, które z kolei wywołują jonizację.

Promieniowaniepromieniowanie gammaPromieniowanie$\mathbf{\gamma }$promieniowanie gamma$\mathbf{\gamma }$promieniowanie gammapromieniowanie gammajest najbardziej przenikliwą formą promieniowania jonizującego. Są to fale elektromagnetyczne krótsze od promieni rentgenowskich.

Źródłem promieniowania $\mathrm{\gamma }$ są wzbudzone jądra, które podczas powrotu do stanu podstawowego, emitują nadmiar energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie $\mathrm{\gamma }$ nigdy nie występuje samo – zawsze towarzyszy emisji cząstek $\mathrm{\alpha }$ lub $\mathrm{\beta }$. Liczba masowa jądra pozostaje niezmieniona.

Gwiazdka w powyższym zapisie oznacza, że dane jądro jest wzbudzone. Częściową (najczęściej jednak w pełniwystarczającą) ochronę przed tym promieniowaniem stanowią płyty ołowiane (które mogą być także wykonane z innych metali ciężkich, np. stali albo zubożonego uranu) lub wielometrowa warstwa betonu. Promieniowanie $\mathrm{\gamma }$ nie ma zasięgu maksymalnego i po napotkaniu odpowiedniej przeszkody ulega pochłanianiu, którego stopień zależy od tego, jak gruba jest ta przeszkoda i z jakiego materiału została ona wykonana. Energia promieniowania $\mathrm{\gamma }$ może zmieniać się liniowo w bardzo szerokim zakresie – od kilkuset $\mathrm{keV}$ do kilku $\mathrm{MeV}$.

Promieniowanie neutronowepromieniowanie neutronowePromieniowanie neutronoweto kolejny rodzaj promieniowania jonizującego, który nie przenosi ładunku elektrycznego. Powstaje w wyniku rozszczepienia jąder atomowych lub rozpadu niektórych izotopów promieniotwórczych. Ze względu na prędkość (a tym samym energię), którą osiągają neutrony, dzielimy je na termiczne i szybkie.

Neutrony termiczne (o ich znaczeniu przeczytacie w następnych podrozdziałach) osiągają prędkość ok. 2 km/s oraz energię poniżej 1 eV. Neutrony termiczne pochłaniane są przez tarcze wykonane z materiałów takich jak kadm lub bor.

Z kolei proces pochłaniania neutronów szybkich przebiega dwustopniowo. Przed wychwyceniem muszą zostać spowolnione do prędkości charakterystycznej dla neutronów termicznych. Moderatorami (spowalniaczami) w tym wypadku mogą być materiały zbudowane z jąder o niskich liczbach atomowych (zawierające wodór), np. ciężka woda, parafina bądź grafit.

RFlxUUP6iU0B51

Promieniowanie jonizujące

Promieniowanie jonizujące

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Promieniowanie jonizujące

Ciekawostka

Licznik Geigera‑Müllera.
Licznik Geigera‑Müllera to przyrząd skonstruowany w celu rejestrowania obecności cząstek jonizujących w powietrzu.

R12uPBwISLRxC1

Licznik Geigera–Müllera

Licznik Geigera–Müllera

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Licznik Geigera–Müllera

Mimo upływu czasu i wprowadzenia licznych usprawnień zasada działania miernika nie zmieniła się w zasadzie od momentu jego wynalezienia, czyli od 1928 r. Licznik Geigera‑Müllera jest wykorzystywany nie tylko przez naukowców, lecz także przez służby, których zadaniem jest wykrywanie skażeń i informowanie o nich.

Ciekawostka

Pasy Van Allena to obszary wzmożonego promieniowania cząsteczkowego, które otaczają Ziemię. To właśnie w nich cząsteczki promieniowania kosmicznego cząsteczki promieniowania kosmicznego zatrzymywane są w „pułapkach” wytworzonych przez pole magnetyczne Ziemi. W obszarze pasów Van Allena cząsteczki (głównie protony i elektrony) poruszają się po torach zbliżonych do spirali. Pasy pełnią funkcję ekranu magnetycznego, chroniącego mieszkańców Ziemi przed niekorzystnym wpływem promieniowania jonizującego, którego głównym źródłem jest Słońce.

RWKh7vCKHud8W1

Ilustracja przedstawia pasy Van Allena. Tło granatowe. Na ilustracji widoczna Ziemia. Od biegunów Ziemi odchodzą coraz większe łuki. Najmniejszy to pas wewnętrzny, a największy to pas zewnętrzny. Obszary pomiędzy poszczególnymi łukami mają różne kolory: od niebieskiego, poprzez żółte, czerwone, zielone, aż do jasno- i ciemnoniebieskiego. Wzdłuż osi pionowej Ziemi poprowadzono białą linię, którą podpisano „oś magnetyczna Ziemi”.

2. Dawki promieniowania

Dawkę pochłoniętego promieniowania ($D$) przez różne materiały obliczamy w następujący sposób: energię ($E$), którą pochłonął ośrodek (a tym samym utraciło promieniowanie), dzielimy przez wartość jego masy ($m$).

Jednostką dawki promieniowania jonizującego w układzie SI jest grejgreygrej(Gy) – energia pochłoniętego promieniowania równa $\mathrm{1\; J}$ i przypadająca na jednostkę masy równą $1\mathrm{ kg}$:

Starszą jednostką dawki promieniowania, używaną jeszcze do dzisiaj, jest rad ($1 \mathrm{rad} = \mathrm{0,01} \mathrm{Gy}=1\mathrm{ cGy}$).

To, jaki wpływ będzie miało promieniowanie na organizm, zależy od kilku czynników:

• wielkości dawki promieniowania pochłoniętej przez organizm;

• rozkładu dawki w czasie (czy była to dawka jednorazowa, czy dawka rozłożona w pewnym przedziale czasowym);

• rodzaju promieniowania;

• wielkości napromienionej powierzchni (czy zostało napromienione całe ciało, czy tylko jego część);

• który z narządów został napromieniony (czy jest to napromienienie wewnętrzne, czy zewnętrzne, jaki rodzaj tkanki został poddany działaniu promieniowania);

• wieku, stanu zdrowia i płci;

• wrażliwości osobniczej i gatunkowej.

Zdolności jonizacyjne promieniowania alfa, beta, gamma i neutronowego zdecydowanie się od siebie różnią. Najbardziej szkodliwe, biorąc pod uwagę wywierane skutki, są promieniowanie $\mathrm{\alpha }$ i neutronowe. Jeden grej promieniowania gamma (wysoka przenikliwość) wpływa na organizm ludzki zupełnie inaczej niż jeden grej promieniowania alfa. Skutki promieniowania mogą być różne, dlatego wprowadzono wielkość zwaną równoważnikiem dawkirównoważnik dawkirównoważnikiem dawki. Wyraża się go wzorem:

gdzie:
$Q$ – współczynnik jakości promieniowania (liczba z przedziału od 1 do 25);
$D$ – dawka promieniowania.

Bezwymiarowa liczba $Q$ przyjmuje wartość równą jeden dla promieniowania $\mathrm{\gamma }$ i dwadzieścia pięć – dla promieniowania $\mathrm{\alpha }$ i neutronowego. Uwzględnia różne skutki promieniowania jonizującego wywierane na organizm ludzki (inna zdolność jonizacyjna, przenikliwość, odporność biologiczna). W układzie SI jednostką pochodną równoważnika dawki promieniowania jest jedensiwertsiwertsiwert(Sv).

Źródłami promieniowania (poza promieniowaniem kosmicznym oraz pierwiastkami promieniotwórczymi obecnymi w powietrzu i skorupie ziemskiej) mogą być przeróżne źródła sztuczne, np. wielka płyta, którą często się wykorzystuje podczas stawiania budynków mieszkalnych). Promieniowanie może pochodzić nawet z samego organizmu człowieka (${}^{40}\mathrm{K},{}^{14}\mathrm{C}$).

Jednorazowe przyjęcie 2‑3 Sv równoważnika dawki promieniowania jonizującego kończy się śmiercią w $25\mathrm{\%}$ przypadków, przyjęcie 3–5 Sv kończy się zgonem w $50\mathrm{\%}$ przypadków, a dawka 5–7 Sv prowadzi do uszkodzenia szpiku kostnego i organów wewnętrznych i powoduje śmierć w $100\mathrm{\%}$ przypadków.

Podsumowanie

• Promieniowanie jonizujące to każdy rodzaj promieniowania, który może doprowadzić do pośredniej lub bezpośredniej jonizacji ośrodka materialnego. Promieniowaniem jonizującym są m.in. promieniowanie gamma oraz strumienie cząstek alfa i beta.

• Źródła promieniowania jonizującego mogą być sztuczne i naturalne. Źródła naturalne to przede wszystkim pierwiastki promieniotwórcze obecne w skorupie ziemskiej i atmosferze, a także promieniowanie kosmiczne. Źródła sztuczne to pierwiastki radioaktywne wytworzone w reaktorach jądrowych (np. pluton) lub urządzenia wytwarzające promieniowanie jonizujące (aparaty rentgenowskie, bomby kobaltowe).

• Promieniowanie jonizujące niekorzystnie wpływa na organizm ludzki. Napromieniowanie dużymi dawkami promieniowania może prowadzić do śmierci lub choroby popromiennej. Małe dawki promieniowania mogą skutkować chorobami nowotworowymi, a jeśli został uszkodzony materiał genetyczny, mogą się one ujawnić dopiero w następnym pokoleniu. Przez dawkę pochłoniętego promieniowania jonizującego rozumiemy ilość energii pochłoniętej w wyniku napromienienia ośrodka w odniesieniu do jednostki masy tego ośrodka:

• W układzie SI jednostką dawki pochłoniętego promieniowania jest grej (Gy), zdefiniowany jako iloraz energii promieniowania równoważnej 1 J oraz masy wynoszącej 1 kg (1 Gy = 1 J / 1 kg).

• Uszkodzenia organizmu zależą głównie od energii i rodzaju padającego promieniowania (w przypadku cząstek – od masy i ich ładunku elektrycznego). Najbardziej przenikliwe są promieniowanie gamma oraz promieniowanie beta (strumień elektronów) – powodują one największe uszkodzenia organizmu. W związku z tym, że różne rodzaje promieniowania jonizującego różnie wpływają na zmiany w organizmie, wprowadzono pojęcie równoważnika dawki tego promieniowania ($H$):

gdzie:
$Q$ – współczynnik jakości promieniowania (liczba z przedziału od 1 do 25);
$D$ – dawka pochłoniętego promieniowania.

• W układzie SI jednostką równoważnika dawki promieniowania jest sivert ($\mathrm{Sv}$).

• Jednorazowe przyjęcie 2–3 $\mathrm{Sv}$ równoważnika dawki promieniowania jonizującego kończy się śmiercią w $25\mathrm{\%}$ przypadków, przyjęcie 3–5 $\mathrm{Sv}$ kończy się zgonem w $50\mathrm{\%}$ przypadków, a dawka 5–7 $\mathrm{Sv}$ prowadzi do uszkodzenia szpiku kostnego i organów wewnętrznych i jest śmiertelna w $100\mathrm{\%}$ przpadków.

Zadanie podsumowujące moduł

Praca domowa

Słowniczek