Promieniowanie jonizujące i jego wpływ na organizmy żywe

RlqgTwgicWC7Z

Zdjęcie przedstawia krytyczne w stosunku do energetyki jądrowej 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 trzymającą dwójkę dzieci za dłonie. Cała trójka ma na twarzach maski przeciwgazowe.

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 ($\alpha$, $\mathrm{\beta }$ i $\gamma$), neutronowe, rentgenowskie (zwane promieniowaniem $X$) i kosmiczne.

Źródłem naturalnego promieniowania jonizującego jest m.in. przestrzeń kosmiczna. Promienie kosmiczne, które składa się głównie z jąder atomów o wielkich energiach (są to głównie protony), zostało odkryte na początku $\text{XX}$ 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 jest promieniowanie wtórnepromieniowanie wtórnepromieniowanie wtórne. Szacuje się, że do wysokości $20 \mathrm{km}$ 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 $\alpha$, $\mathrm{\beta }$ i $\gamma$.

R10T7PGWjLF6S

Ilustracja przedstawia wykres kołowy promieniowania jonizującego. Największą część stanowi radon pochodzący z rozpadu uranu (czterdzieści i sześć dziesiątych procenta). Następnie zastosowania medyczne (dwadzieścia pięć i cztery dziesiąte procenta), promieniowanie gamma (trzynaście i osiem dziesiątych procenta), promieniowanie kosmiczne (osiem i pół procenta), radionuklidy naturalne wewnątrz organizmu (osiem i trzy dziesiąte procenta), taron - radon pochodzący z rozpadu toru (trzy procent), awaria czarnobylska (dwie dziesiąte procenta) oraz inne dawne wybuchy jądrowe (dwie dziesiąte procenta).

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 natężenia 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 jest choroba popromiennachoroba popromiennachoroba popromienna.

R1VkycKkOgpCM

Ilustracja przedstawia wykres zależności częstości skutku od dawki. Wykres narysowany jest w pierwszej ćwiartce układu współrzędnych i składa się z trzech części. Na początku jest stały, aż do wartości nazwanej jako dawka progowa; następnie rośnie i gdy osiąga sto procent częstości skutku, znowu ma stałą wartość.

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.

RocRTVhYwTtjn

Ilustracja przedstawia wykres liniowo rosnący zależności częstości skutku od dawki. Pomarańczowa linia wykresu zaczyna się na osi pionowej, trochę powyżej punktu jej przecięcia z osią poziomą.

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

• molekularnym – uszkodzenia lipidówlipidylipidów (wytwarzanie wolnych rodników), pękanie nici DNADNADNA;

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

Promieniowanie $\mathrm{\alpha }$ (promieniowanie alfa)promieniowanie alfaPromieniowanie $\mathrm{\alpha }$ (promieniowanie alfa) stanowią duże cząstki, które, mimo swojego krótkiego zasięgu, mają silne własności jonizacyjne (nawet dwudziestokrotnie większe niż promieniowanie $\mathrm{\beta }$ lub $\mathrm{\gamma }$). Kiedy cząstka $\mathrm{\alpha }$ o energii $4 \mathrm{MeV}$ porusza się w powietrzu, może wytworzyć nawet $120000$ 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).

R1TdranpF11h0

Ilustracja przedstawia emisję alfa. Od ciężkiego jądra (tzn. jądra z dużą liczbą protonów i neutronów) odrywa się nuklid złożony z dwóch protonów i dwóch neutronów, a więc mający konfigurację jądra helu.

Szkło, kilkucentymetrowa warstwa powietrza ($4,37 \mathrm{cm}$ dla cząstek o energii $6 \mathrm{MeV}$), 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.

Promieniowanie $\mathrm{\beta }$ (promieniowanie beta)promieniowanie betaPromieniowanie $\mathrm{\beta }$ (promieniowanie beta) – 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 ($2,3 \mathrm{m}$ dla $6,0 \mathrm{MeV}$).
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 $1 \mathrm{cm}$. 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 $\mathrm{\gamma }$ (promieniowanie gamma)promieniowanie gammaPromieniowanie $\mathrm{\gamma }$ (promieniowanie gamma) oraz promieniowanie neutronowepromieniowanie neutronowepromieniowanie neutronowe stanowią pośredni czynnik jonizujący. Nie zawierają ładunku elektrycznego, ale są odpowiedzialne za powstawanie cząstek naładowanych, które z kolei wywołują jonizację.

Promieniowanie $\mathrm{\gamma }$promieniowanie gammaPromieniowanie $\mathrm{\gamma }$ jest najbardziej przenikliwą formą promieniowania jonizującego. Źródłem promieniowania $\mathrm{\gamma }$ są wzbudzone jądra, które podczas powrotu do stanu podstawowego, emitują nadmiar energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Są to fale elektromagnetyczne krótsze od promieni rentgenowskich. 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 pełni wystarczającą) 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 kiloelektronowoltów do kilku megaelektronowoltów.

Promieniowanie neutronowepromieniowanie neutronowePromieniowanie neutronowe to 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 prędkie.

Neutrony termiczne osiągają prędkość ok. $2\,\mathrm{\large\frac{km}{s}}$ oraz energię poniżej $1\mathrm{eV}$. Pochłaniane są przez tarcze wykonane z materiałów takich jak kadm lub bor.

Proces pochłaniania neutronów prędkich 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.

RSStaZNFJoQww

Animacja o ochronie organizmów żywych przed skutkami promieniowania jonizującego.

Animacja o ochronie organizmów żywych przed skutkami promieniowania jonizującego.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RSStaZNFJoQww

Animacja o ochronie organizmów żywych przed skutkami promieniowania jonizującego.

Ciekawostka

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

R10OlmKHdm9Is

Animacja w której przedstawiono zasadę działania licznika Geigera-

Animacja w której przedstawiono zasadę działania licznika Geigera-

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R10OlmKHdm9Is

Animacja w której przedstawiono zasadę działania licznika Geigera-

Mimo upływu czasu i wprowadzenia licznych usprawnień, zasada działania miernika nie zmieniła się w zasadzie od momentu jego wynalezienia, czyli od $\text{1928}$ 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 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.

Rtku22BixNwGw

Ilustracja przedstawia pasy Van Allena. Tło granatowe. Na ilustracji widoczna Ziemia. Między jej biegunami zaznaczono coraz większe łuki w taki sposób, że tworzą kształt torusa ze środkiem w Ziemi. Najmniejszy łuk 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, symbolizującą oś magnetyczną Ziemi. Znajduje się ona dokładnie po środku torusa.

Dawki promieniowania

Dawkę pochłoniętą $D$ promieniowania 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 grej (Gy)grejgrej (Gy) – energia pochłoniętego promieniowania równa $1 \mathrm{J}$ i przypadająca na jednostkę masy równą $1 \mathrm{kg}$:

Starszą jednostką dawki promieniowania, używaną jeszcze do dzisiaj, jest rad:

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 dawkibiologiczny równoważnik dawki (dawka równoważna)równoważnikiem dawki. Równoważnik dawki przyjętej przez dany organ, danego promieniowania jonizującego, wyraża się wzorem:

gdzie:
$w_R$ – współczynnik wagowy promieniowania $R$;
$D_R$ – dawka promieniowania $R$, przyjęta przez dany organ.

Bezwymiarowy współczynnik $w_R$ uwzględnia różne skutki promieniowania jonizującego wywierane na organizm ludzki (inna zdolność jonizacyjna, przenikliwość, odporność biologiczna). W układzie SI jednostką pochodną równoważnika dawki promieniowania jest jeden siwertsiwertsiwert $\left(\mathrm{Sv}\right)$.

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 $2$–$3\,\mathrm{Sv}$ 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 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 ($\mathrm{Gy}$), zdefiniowany jako iloraz energii promieniowania równoważnej $1 \mathrm{J}$ oraz masy wynoszącej $1 \mathrm{kg}$ ($1\,\mathrm{Gy}={\large\frac{1\,\mathrm{J}}{1\,\mathrm{kg}}}$).

• 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:
$w_R$ – współczynnik wagowy promieniowania $R$;
$D_R$ – dawka promieniowania $R$, przyjęta przez dany organ.

• 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 powoduje śmierć w $100\mathrm{\%}$ przypadków.

Zadanie podsumowujące moduł

Słownik