Promieniotwórczość w życiu człowieka promieniowanie kosmiczne naturalne źródła promieniowania w skorupie ziemskiej biologiczne skutki promieniowania jonizującego

Promieniotwórczość naturalna i przemiany jądrowe Jądra atomowe (nuklidy) zbudowane są z protonów i neutronów. Proton – cząstka elementarna o ładunku elektrycznym dodatnim, 1.6·10-19 C, masie 1.67·10-27 kg. Neutron – cząstka elementarna obojętna, masa 1.68·10-27 kg. Atom – jako całość – jest elektrycznie obojętny liczba protonów = liczbie elektronów Atomy różniące się liczbą neutronów – izotopy.

Energia wiązania jądra nukleony nuklid

Masa jest równoważna energii Energia wiązania jądra jest różnicą energii spoczynkowej jądra i tworzących je nukleonów. Energia wiązania przypadająca na jeden nukleon

Energia powstała z 1 kg materii Rodzaj materii proces Ilość powstałej energii [J] Czas świecenia żarówki 100 W woda spadek z wysokości 50 m 500 5 s węgiel spalanie 2.9·106 8 h rozszczepienie 8.3·1013 2.6·104 lat p+n synteza helu 6.8·1014 2·105 lat

Rozpad promieniotwórczy Nuklidy promieniotwórcze – radionuklidy- ulegają rozpadowi emitując cząstki i promieniowanie. Liczba jąder, które pozostaną po czasie t N0 – liczba jąder w chwili t = 0, T – czas połowicznego zaniku

T= 4,5109 lat Wiek Wszechświata ≈ 1010 lat

T= 1.41010 lat

T= 7108 lat

Izotop T 6 ms 65 ms 0,96 s 170 s 28,5 min 3,8 dni 20,8 s 65 s możliwość migracji i gromadzenia się. Oprócz występujących naturalnie izotopów, znanych jest około 30 innych wytworzonych sztucznie w laboratorium. Izotop T 6 ms 65 ms 0,96 s 170 s 28,5 min 3,8 dni 20,8 s 65 s

Neutrony natychmiastowe - ponad 90% całkowitej liczby neutronów, są emitowane w ciągu bardzo krótkiego czasu (rzędu 10-17s) trwania procesu rozszczepienia, ok. 1% jest emitowana w dłuższym okresie, aż do kilku minut po rozszczepieniu, ze stopniowo zanikającym natężeniem. Są to tzw. neutrony opóźnione. Emitowane są one nie z jądra złożonego, lecz w wyniku rozpadu promieniotwórczego fragmentów rozszczepienia.

Neutrony emitowane w procesie rozszczepienia są obdarzone wysokimi energiami (~0,7 MeV), a najbardziej skutecznie "rozbija" jądro U - 235 neutron o bardzo niskiej energii. Należy więc maksymalnie obniżyć energię neutronów rozszczepieniowych, żeby uzyskać dużą wydajność reakcji. Celem spowolnienia neutronów miesza się materiał rozszczepialny z materiałem spowalniającym tzw. moderatorem. W materiale moderatora neutron zmniejsza swoją energię ponad 20 mln. razy. Dokonuje się to poprzez zderzenia sprężyste z jądrami moderatora, w których neutron oddaje im część swojej energii, np. beryl, grafit, D2O, H2O.

zależność przekroju czynnego na rozproszenie od energii neutronów

Podczas rozpadu promieniotwórczego emitowane są cząstki i promieniowanie

Dlaczego jądra zbudowane z protonów i neutronów emitują elektrony, pozytony i neutrina? rozpad protonu rozpad neutronu Neutrino – cząstka obojętna elektrycznie o prawie zerowej masie spoczynkowej. Neutrony i protony nie są cząstkami prawdziwie elementarnymi – ulegają rozpadowi.

Cząstka  Energia rozpadu – różnica energii spoczynkowych jądra i produktów rozpadu E  4.25 MeV (energia ruchu termicznego w temperaturze pokojowej  0.025 eV) MeV = 106 eV - różnica 108 rzędów wielkości

Cząstka : krótki zasięg w materii – zwykle kilkadziesiąt mikronów – 1 m = 10-6 m duża gęstość jonizacji Cząstka : zasięg dłuższy, rzędu kilku milimetrów – 1 mm = 10-3 m, znacznie mniejsza gęstość jonizacji Promieniowanie  promieniowanie elektromagnetyczne o dużej częstości – energii – od keV do wielu MeV bardzo przenikliwe – trudno ocenić zasięg Oddziaływanie z materią – efekt fotoelektryczny, efekt Comptona, tworzenie par elektron – pozyton.

Działanie promieniowania jonizującego na człowieka Promieniowanie jądrowe powoduje jonizację i wzbudzenia atomów żywych komórek. Powstają wówczas aktywne chemicznie rodniki, jony lub zjonizowane grupy atomów, które wpływają w istotny sposób na przebieg procesów zachodzących w żywej komórce. Pewne składniki komórek ulegają zmianie lub uszkodzeniu, np. rozerwanie chromosomów, pęcznienie jądra komórkowego lub całej komórki, zmiany w przepuszczalności błon komórkowych.

Małe dawki promieniowania pochłonięte przez organizmy żywe nie powodują skutków specyficznych dla promieniowania jądrowego. Żywa komórka jest układem dynamicznym – uszkodzenia komórek zachodzą w sposób ciągły równolegle z procesem naprawczym. Dawka pochłonięta promieniowania jonizującego jest energią przekazaną przez to promieniowanie jednostce masy materii. Jednostką dawki pochłoniętej jest 1 Gy (grej). 1 kg materii pochłonął dawkę 1 Gy jeżeli wydzielona w nim energia wyniosła 1 J.

Skutki dużych dawek promieniowania dawka [Gy] objawy 500 natychmiastowa śmierć molekularna 10 śmierć w wyniku zaprzestania pracy głównego układu nerwowego (100 % śmiertelność w ciągu 2 dni) 1 - 10 żołądkowo-jelitowy typ uszkodzeń (100 % śmiertelność w ciągu 2 tygodni) 0.5 – 1 ciężka białaczka, śmiertelność 80 – 100 % w ciągu 2 miesięcy, możliwość przeszczepu szpiku 0.1 – 0.5 umiarkowana białaczka, rokowania dobre, duże prawdopodobieństwo wystąpienia objawów późnych 0.1 Nudności i wymioty u 5 – 10 % osób, brak zgonów < 0.1 Brak objawów klinicznych

Dawka powodująca śmierć 50 % napromieniowanych organizmów dawka [Gy] wirusy 5 000 kura domowa 10 ameba 1 000 żaba 7 osa ryba 8.5 wąż 800 szczur 8 ślimak 200 człowiek 5 nietoperz 150 pies 2.6

Jednostką stosowaną do oceny zagrożenia promieniowaniem jonizującym jest siwert. Mierzy się tzw. biologiczny równoważnik dawki, który jest liczbowo równy pochłoniętej dawce promieniowania [Gy] pomnożonej przez współczynnik zależny od rodzaju promieniowania. 1 Sv = 1 Gy · q q = 1 – dla promieniowania  q = 1 1.7 – dla promieniowania  q = 10 – dla protonów i neutronów termicznych q = 20 dla promieniowania  Wprowadza się również tzw. efektywny równoważnik dawki Aktywność – 1 Bq – aktywność preparatu, w którym w ciągu 1 s następuje 1 rozpad.

Promieniowanie jonizujące jest nieodłącznym składnikiem naszego środowiska naturalnego. Naturalne źródła promieniowania jonizującego: promieniowanie kosmiczne pierwiastki promieniotwórcze znajdujące się w skorupie ziemskiej

Promieniowanie kosmiczne pierwotne Głównie protony i cząstki  rozpędzone do bardzo wysokich energii (źródłem energii cząstek są pola obszarów międzygalaktycznych) oraz wysokoenergetyczne promieniowanie elektromagnetyczne i neutrina wytwarzane w procesach wewnątrz gwiazd. Natężenie neutrin jest znaczne ale ich oddziaływanie z materią jest słabe. W wyniku oddziaływania tego promieniowania z jądrami atomów atmosfery powstają wtórne cząstki – protony, deuterony, trytony, cząstki , neutrony, elektrony i kwanty  o niższej energii – dalej jest to promieniowanie jonizujące.

Pole magnetyczne Ziemi Skąd się bierze magnetyzm ziemski? jest wynikiem namagnesowana głębokich warstw Ziemi - temperatura wnętrza Ziemi jest znacznie wyższa od temperatury Curie znanych substancji (granicznej temperatury, powyżej której substancje przestają być ferromagnetykami) hipoteza zaproponowana przez Edwarda Bullarda, mówiąca, że pole magnetyczne Ziemi wywołują wirowe prądy elektryczne płynące w płynnym jądrze Ziemi. W prądach tych, ruch obrotowy Ziemi poprzez efekt Coriolisa, wywołuje wiry działające jak jednobiegunowy generator Faradaya, wytwarzając prąd elektryczny, który wytwarza pole magnetyczne pole magnetyczne Ziemi odpowiada w przybliżeniu polu dipola magnetycznego

Wpływ pola magnetycznego Ziemi na promieniowanie kosmiczne

Promieniowanie łatwiej dociera do Ziemi w obszarach okołobiegunowych niż w okolicy równika – zjawisko zorzy polarnej. Zorza składa się ze smug o jasnobłękitnych, zielonych, fioletowych lub czerwonawych barwach. Kolor jest uzależniony od warstwy w atmosferze, w której ona powstaje

Pasy van Allena (radiacyjne) – cząstki promieniowania kosmicznego uwięzione przez pole magnetyczne, poruszają się po torach zbliżonych do spiralnych. (1958 r. James Alfred Van Allen, detektor promieniowania na pokładzie sztucznego satelity Ziemi Explorer 1. Wewnętrzny pas rozciąga się od wysokości 1 000 do 5 000 km, pas zewnętrzny: 15 000 - 25 000 km nad równikiem. Obszar ten jest niebezpieczny dla kosmonautów.

Atmosfera ziemska stanowi warstwę ochronną dla organizmów żywych na Ziemi, jednak w każdej sekundzie przez ciało człowieka przenika około 30 cząstek promieniowania kosmicznego Natężenie promieniowania kosmicznego zależy od: aktywności Słońca szerokości geograficznej wysokości nad poziomem morza. Dawka promieniowania kosmicznego staje się dwa razy większa przy każdym wzroście wysokości o ok. 1800 m.

Wskutek oddziaływania promieniowania kosmicznego z cząstkami atmosfery ziemskiej wytwarzane są izotopy promieniotwórcze, z których najważniejszym jest . Wytworzone izotopy promieniotwórcze stają się składnikami różnych form materii na powierzchni Ziemi, również organizmów żywych. Mierząc zawartość izotopu w materii nieożywionej możemy oszacować jej wiek. Zawartość izotopu węgla w materii żywej jest stała. W momencie „śmierci” materii jej zawartość maleje.

T = 5730 lat

Pierwiastki promieniotwórcze znajdujące się w skorupie ziemskiej Pierwotnym ich źródłem było kilka pierwiastków o długim okresie półtrwania, które powstały w wyniku syntezy jąder przed ukształtowaniem się Ziemi. Wiek kosmosu ocenia się na ok. 15 miliardów lat, wiek Ziemi – ok 4.5 miliarda lat. Podczas Wielkiego Wybuchu zsyntetyzowanych zostało wiele pierwiastków – prawie wszystkie rozpadły się, pozostały te których czas rozpadu wynosi co najmniej kilka miliardów lat. Temperatura Ziemi jest za niska aby zachodziła na niej synteza pierwiastków – synteza tych najlżejszych zachodzi we wnętrzu gwiazd.

Pierwiastki promieniotwórcze w skorupie ziemskiej izotop T1/2 (lata) E (MeV) 1.3·109 , 1.32 1.3·1011 , 2.2 5.0·1015 , 1.19 -2.39 4.5·1010 , 0.43 5.0·1010 , 0.273 7.0·1010 , 0.043 6.0·1014 , 0.60 7.2·108 1.0·1011 , 0.21 4.5·109 3.0·1015 , 1.8 1.4·1010

Potas Jest stałym składnikiem gleby, skąd przenika do roślin i organizmów zwierzęcych - jest składnikiem naszego pokarmu. Jego typowa aktywność w glebie wynosi 35 – 1100 Bq/kg. W minerałach aktywność może być znacznie większa np. w złożach fosfatów, które były stosowane do produkcji nawozów sztucznych a produkt uboczny – gips – jest materiałem budowlanym. Obecnie zawartość potasu w gipsie jest kontrolowana.

Średnio w ciele człowieka znajduje się taka ilość radioaktywnego potasu, że w ciągu każdej sekundy w ciele człowieka następuje około 4000 rozpadów pochodzącego z zasobów naturalnych Ziemi Promieniowania jonizującego pochodzącego od radioaktywnego potasu nie można zmniejszyć. Potas znajduje się w każdym pożywieniu i jego ilość jest stale uzupełniana.

Uran i tor Uran i tor stanowią również stały składnik wszystkich gleb i większości minerałów. Typowe ich stężenie wynosi 1 – 2 milionową część pozostałych składników gleby. Granit może zawierać ich znacznie więcej. W wyniku rozpadu jąder promieniotwórczych uranu i toru (3 szeregi promieniotwórcze) powstają takie izotopy jak np. radon 222 lub radon 220 (zw. toronem) – są to gazy szlachetne. Gazy te migrują z gleby do powierzchni Ziemi i dostają się do atmosfery.

Przy powierzchni Ziemi stężenie tych gazów w powietrzu jest znaczne Przy powierzchni Ziemi stężenie tych gazów w powietrzu jest znaczne. Mogą być kumulowane w pomieszczeniach budynków, np. piwnicach. Ich źródłem mogą być również materiały budowlane. W wyniku rozpadu radonu powstają pierwiastki promieniotwórcze, które nie są już gazami szlachetnymi. Łączą się z drobinkami pyłów w powietrzu tworząc aerozole. Wdychanie powietrza z radonem i aerozolami powoduje napromieniowanie tkanki płucnej promieniowaniem jonizującym.

Przeciętnie w ciągu sekundy w każdym metrze sześciennym powietrza następuje około 10 rozpadów jąder radonu pochodzącego z naturalnych zasobów Ziemi. W pomieszczeniach zamkniętych stężenie radonu jest średnio 10 razy większe niż na zewnątrz. Źródłem zwiększonych promieniotwórczych skażeń powietrza w mieszkaniach może być: gaz ziemny z niektórych złóż, materiały budowlane, skały granitowe, woda.

Dawki promieniowania jonizującego od źródeł naturalnych Na zewnątrz budynku, przy założeniu, że tam spędzamy 20 % czasu Źródło promieniowania Średnie dawki mSv/osobę/rok Promieniowanie kosmiczne 0.07 Ziemskie promieniowania gamma 0.04 Radon-222 i pochodne 0.06 Radon-220 i pochodne 0.02 Opad promieniotwórczy od wybuchów jądrowych 0.002

Wewnątrz budynku, przy założeniu, że tam spędzamy 80 % czasu Źródło promieniowania Średnie dawki mSv/osobę/rok Promieniowanie gamma 0.60 Radon-222 i pochodne 1.40 Radon-220 i pochodne 0.15 Radon-222 w gazie ziemnym i wodzie 0.03 Radionuklidy wewnątrz organizmu (potas, węgiel i in.) 0.01

Stężenie radonu w pomieszczeniach mieszkalnych (Finlandia) Pomieszczenie Stężenie radonu Bq/m3 Łazienka 8 500 Kuchnia 3 000 Pokój 200

Mapa przedstawia średnie stężenia radonu w budynkach Mapa przedstawia średnie stężenia radonu w budynkach. Najmniejsze kółko odpowiada ilości 12,7 Bq/m3, a największe 99 Bq/m3.

Średnie stężenie radonu w wodzie pitnej Kraj Stężenie radonu Bq/m3 Finlandia 40 000 Szwecja 7 000 Niemcy 4 000 Polska (Karpacz) - zakres obserwowanych stężeń wynosił od 87,5 Bq/l do 818,1 Bq/l.

  Skumulowana umieralność na raka płuc u palaczy tytoniu i osób nigdy nie palących w zależności od stężenia radonu w mieszkaniu (do 800 Bq/m3)  Radon w mieszkaniach jest przyczyną 9% przypadków raka płuc,  2% wszystkich przypadków raka w Europie. Dla osób przebywających w mieszkaniach, w których stężenie radonu przekracza 100 Bq/m3 palenie tytoniu i/lub przebywanie w dymie tytoniowym stwarza poważne ryzyko zachorowania na raka płuc. Ryzyko palących  15 - 25 papierosów dziennie jest 25.8 (21,3 do 31,2) razy wyższe w porównaniu z nigdy nie palącymi.

Stężenie radonu w różnych okresach doby i pory roku w typowych mieszkaniach w Szwecji

Uśrednione wartości dawek efektywnych otrzymywanych przez przeciętnego dorosłego pacjenta podczas konwencjonalnych badań rentgenowskich w Polsce Rodzaj badania Dawka efektywna [mSv] Badania głowy 0,03 Zdjęcie kręgosłupa 3,0 Zdjęcie miednicy 0,5 Urografia 3,5 Zdjęcie jamy brzusznej 0,8 Zdjęcie klatki piersiowej (duży format) 0,11 Małoobrazkowe zdjęcie płuc 1,0 Badanie żołądka i przewodu pokarmowego 5,6 Wlew doodbytniczy 8,0

Uśrednione wartości dawek wewnętrznych Rodzaj badania Dawka [mGy] Radiografia klatka piersiowa czaszka kręgosłup lędźwiowy miednica i układ moczowy zęby 0.3 – 1.5 3.0 – 5.0 10.0 – 30.0 7.0 – 20.0 10 Mammografia bez kratki rozproszeniowej z kratką 1.0 3.0 Tomografia komputerowa głowy kręgosłupa lędźwiowo-krzyżowego jamy brzusznej 50 35 25 Fluoroskopia podczas normalnej pracy lampy podczas pracy przy dużym obciążeniu 15 mGy/min 100 mGy/min

Dawki pochodzące od produktów konsumpcyjnych Średnia roczna dawka [mSv/rok] Telewizor Aparat do prześwietl. bagażu na lotniskach Tarcze zegarków Urządzenia antystatyczne Lampy elektronowe Detektory dymu Palenie tytoniu Materiały budowlane Nawozy sztuczne Węgiel Grzejniki na gaz naturalny 0.01 0.00002 0.001 0.003 0.00004 0.00008 13 0.07 0.005-0.05 0.0003-0.003 0.4

Zawartość radu w materiałach budowlanych Kraj Zawartość radu-226 Bq/kq beton Norwegia USA Węgry 28 9 – 32 13 cegła Polska b. ZSRR 63 45 18 50 fosfogipsy Floryda Idaho 1222 850 437 Popioły lotne z elektrowni 19 96

Dawki dopuszczalne w warunkach normalnych Zmiany dopuszczalnej dawki dla osób zawodowo stykających się z promieniowaniem

Średnia dawka promieniowania jonizującego pochłaniana przez człowieka, pochodząca ze źródeł pozanaturalnych nie powinna przekraczać 1 mSv rocznie. Wyjątki: kobiety w ciąży – badania z zastosowaniem źródeł promieniotwórczych mogą zwiększyć ryzyko uszkodzenia płodu dla osób zawodowo narażonych na promieniowanie jonizujące dawki dopuszczalne są większe (50 mSv/rok)

Narażenie zawodowe dotyczy głównie 3 grup pracowników: górników, obsługi pijalni wód mineralnych zawierających radon (np. Świeradów Zdrój) personelu obsługującego aparaturę rentgenowską i izotopową. Pracownicy po pochłonięciu dopuszczalnej dawki promieniowania powinni być przeniesieni na takie stanowisko pracy, gdzie nie ma styczności z promieniowaniem. Powinna obowiązywać zasada ALARA (As Low As Reasonably Achieved – tak mało jak to jest rozsądnie osiągalne).

Zachorowanie na nowotwory złośliwe zależy od czynnika: genetycznego, środowiskowego, przypadku. Promieniowanie jonizujące jest jednym z czynników rakotwórczych podobnie jak sposób odżywiania się, palenie papierosów, itp.

Czy bać się energetyki jądrowej?

Nie wiem, jaka broń zostanie użyta w III wojnie światowej, ale wiem, że IV wojna będzie na kije i kamienie Albert Einstein