Elementy fizyki jądrowej Wykład 4. dr Dorota Wierzuchowska

Literatura M.Siemiński „Środowiskowe zagrożenia zdrowia” A.Hrynkiewicz „Energia, Wyzwanie XXI wieku” Pod redakcją A.Hrynkiewicza „Człowiek i promieniowanie jonizujące” Z.M. Migaszewski, A.Gałuszka „Podstawy geochemii środowiska”

Przenikliwość promieniowania b g gggg

Promieniowanie jonizujące Są to wszystkie rodzaje promieniowania, które wywołują jonizację ośrodka materialnego, tj. oderwanie przynajmniej jednego elektronu od atomu lub cząsteczki albo wybicie go ze struktury krystalicznej. Promieniowania alfa, beta, gamma oraz promieniowanie elektromagnetyczne o energii większej od energii światła widzialnego jest jonizujące

Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z materią zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne i wewnętrzne zjawisko Comptona rozpraszanie Rayleigh’a tworzenie par jonizacja wzbudzenia optyczne cząsteczek ośrodka (fluorescencja i fosforescencja) wtórne rentgenowskie promieniowanie charakterystyczne

Oddziaływanie promieniowania korpuskularnego z materią Cząstki naładowane: Jonizacja bezpośrednia poprzez oddziaływania kulombowskie Wzbudzenia optyczne i rentgenowskie Cząstki nienaładowane: Jonizacja wtórna Powstawanie jonizujących jąder odrzutu Zapoczątkowanie reakcji rozszczepienia, rozpraszanie niesprężyste, wychwyt

Działanie promieniowania na organizmy żywe Bezpośrednie- uszkodzenie cząsteczek i struktur np. zmiana kodu DNA, rozerwanie łańcucha peptydów i polimerów. Pośrednie- poprzez radiolizę wody, produkcję wolnych rodników i ditlenku wodoru, utlenianie nienasyconych kwasów tłuszczowych i reakcje prowadzące do rozpadu białek następuje zakłócenie czynności życiowych lub śmierć komórki.

Radiobiologia Bada skutki działania promieniowania na organizmy żywe. Skutki mogą być genetyczne- uszkodzenie DNA, somatyczne- bezpośrednie uszkodzenie komórek.

Skutki stochastyczne i deterministyczne Prawdopodobieństwo wystąpienia efektów stochastycznych takich jak nowotwory i choroby dziedziczne, rośnie ze wzrostem dawki promieniowania. Stopień nasilenia efektów deterministycznych takich jak zaćma, rumień, wypadanie włosów, choroba popromienna, zależy od dawki promieniowania.

Liniowy model bezprogowy Według tego, obecnie obowiązującego dla efektów stochastycznych modelu, napromieniowanie jest szkodliwe bez względu na wielkość dawki pochłoniętej. Przeciwnym poglądem jest hipoteza hormezy radiacyjnej, wg. której korzystny wpływ małych dawek promieniowania jonizującego na żywe organizmy polega m.in. na zmniejszeniu prawdopodobieństwa zachorowania na nowotwory złośliwe i inne choroby o podłożu genetycznym.

Próg dawki Skutki efektów deterministycznych nie są dziedziczone, objawy mijają z czasem, poniżej pewnej dawki progowej nie występują.

Dawka pochłonięta Dawka pochłonięta, energia promieniowania pochłonięta w jednostce masy danego ciała. Dawkę pochłoniętą wyraża się w grejach (Gy) (dawka 1 greja odpowiada pochłonięciu 1J energii przez ciało o masie 1kg) lub radach (1rad odpowiada pochłonięciu 100 ergów w ciele o masie 1 grama) 1rad=0,01Gy.

Dawka ekspozycyjna Dawka ekspozycyjna jest miarą zdolności promieniowania do jonizacji powietrza. Jednostką dawki ekspozycyjnej jest kulomb na kilogram (C/kg w układzie SI) lub rentgen (R). Dawka 1 R powoduje w 1 cm3 powietrza powstanie jonów o ładunku 1 jednostki elektrostatycznej każdego znaku (2,08·109 par jonów).

Równoważnik dawki Równoważnik dawki (dawka równoważna) H jest to iloczyn dawki pochłoniętej D i współczynnika jakości promieniowania Q. H=Q·D Współczynnik jakości promieniowania zależy od rodzaju promieniowania. Jest on ustalany z uwzględnieniem skutków biologicznych, jakie wywołują różne rodzaje promieniowania.

Współczynnik jakości promieniowania Rodzaj promieniowania Q fotony ( X, γ) 1 Elektrony i miony neutrony, energie < 10 keV 5 neutrony, energie 10–100 keV 10 neutrony, en. 100 keV – 2 MeV 20 neutrony, energie 2–20 MeV neutrony, energie > 20 MeV protony, energie > 2 MeV cząstki α, fragmenty rozszczepień, ciężkie nukleony

E=wT·H Dawka efektywna Dawka efektywna uwzględnia zarówno rodzaj promieniowania jak i wrażliwość tkanki na promieniowanie. E=wT·H

Wrażliwość narządów na promieniowania jonizujące Grupa I Gonady i szpik czerwony Grupa II Mięśnie, tkanka tłuszczowa, wątroba, śledziona, nerki, przewód pokarmowy, płuca Grupa III Kości, tarczyca, skóra Grupa IV Ręce, przedramiona, stopy

Współczynniki wT wrażliwości na promieniowanie Narząd lub tkanka wT Czerwony szpik kostny, jelito grube, płuca, żołądek 0,12 Pęcherz moczowy, gruczoły sutkowe, wątroba, przełyk, tarczyca 0,05 Skóra, powierzchnia kości 0,01 Pozostałe tkanki

Siwert Jednostką równoważnika dawki pochłoniętej i dawki efektywnej w układzie SI jest siwert (Sv). 1 Sv odpowiada takiej dawce pochłoniętej przez organizm, która wywołuje w nim skutek biologiczny taki, jak dawka pochłonięta 1Gy promieniowania dla którego Q=1 (X lub gamma).

Dopuszczalne dawki promieniowania Dawki promieniowania powinny być jak najmniejsze Średnia dawka pochłaniana ze źródeł pozanaturalnych nie powinna przekraczać 1 mSv/rok, Dawka graniczna dla osób zatrudnionych w warunkach narażenia na promieniowanie wynosi 50 mSv/rok. Dawki te nie obejmują promieniowania tła naturalnego ani medycznego narażenia pacjenta

Skutki biologiczne napromieniowania organizmu Równoważnik dawki [Sv] Skutek biologiczny 0-0,25 Brak objawów 0,25-0,50 Zmiany obrazu morfologicznego krwi 0,50-1,0 Słabe objawy, możliwość wystąpienia skutków w późniejszym okresie 1,0-2,0 Objawy chorobowe, bóle głowy, mdłości, osłabienie 2,0-3,0 Ciężkie objawy, 25% śmiertelność 3,0-5,0 Choroba popromienna, 50% śmiertelność 5,0-7,0 Uszkodzenia szpiku i organów, śmierć w ciągu kilku dni

Napromieniowanie może nastąpić poprzez źródła: zewnętrzne- izotopy g promieniotwórcze występujące w środowisku, promieniowanie kosmiczne, aparatura rentgenowska i izotopy wykorzystywane w medycynie, technice i przemyśle, zwiększona zawartość izotopów na niektórych terenach, wewnętrzne- naturalne nuklidy wchłaniane drogą pokarmową lub ooddechową, nuklidy które zostały wprowadzone do organizmu przypadkowo lub celowo przy wykonywaniu badań medycznych

Udział napromieniowania otrzymywanego z różnych źródeł

Promieniowanie kosmiczne Z otaczającej Ziemię przestrzeni kosmicznej dociera do niej promieniowanie elektromagnetyczne, i korpuskularne o energii dochodzącej do 1011 GeV składające się z protonów (90% cząstek), cząstek alfa (9%), elektronów (ok 1%) nielicznych jąder i cząstek obojętnych

Promieniowanie kosmiczne pierwotne i wtórne docierające bezpośrednio z przestrzeni do zewnętrznych warstw atmosfery promieniowanie pierwotne wywołuje, na skutek zderzeń z atomami atmosferycznymi, rozbicie jąder atomów powietrza i tworzenie nowych cząstek promieniowania wtórnego: strumienia wysokoenergetycznych elektronów, protonów, mionów i fotonów.

Promieniowanie słoneczne Do Ziemi od Słońca dociera strumień fal elektromagnetycznych i cząstek elementarnych. Około 30% tego promieniowania jest odbijane przez atmosferę, 20% jest przez nią pochłaniane, a tylko 50% energii dociera do powierzchni Ziemi.

Słońce Słońce jest najjaśniejszym i największym obiektem Układu Słonecznego, skupia ponad 99,8% jego masy. Powstało około 4,5 miliarda lat temu. Składa się w 70% z wodoru i 28% z helu. Produkuje energię poprzez reakcję syntezy helu z wodoru. W każdej sekundzie 4 miliony ton wodoru przemienia się w hel, a z każdego grama wodoru powstaje 1012 J energii wypromieniowanej w postaci kwantów gamma.

Reakcje termojądrowe zachodzące w Słońcu Przypuszcza się, że reakcje jądrowe w Słońcu zachodzą poprzez łańcuch protonowo-protonowy:

Cykl protonowo-protonowy Sumarycznie przemiana ta przedstawia się następująco:

Emisja promieniowania ze Słońca Powstające w reakcjach jądrowych wysokoenergetyczne fotony promieniowania gamma i rentgenowskiego podczas przemieszczania się ku powierzchni oddziałują z materią tracąc energię, w efekcie czego większość energii wyświecana jest jako promieniowanie optyczne i podczerwone. Czas, jaki potrzebują fotony na opuszczenie jądra Słońca i dotarcie na powierzchnię, to od 10 do 170 tysięcy lat. neutrina, poruszające się z prędkością bliską prędkości światła i prawie nie oddziałujące z mijaną materią, pokonują tą drogę w ciągu dwóch sekund.

„Okna atmosferyczne” Większość docierającego do Ziemi promieniowania elektromagnetycznego pochłania atmosfera i do powierzchni dochodzi tylko niewielka jego część. Przechodzenie fal elektromagnetycznych przez atmosferę jest możliwe tylko dla trzech zakresów („okien”) długości fal: radiowe: obejmuje fale o długości ok. 1 mm — 20 m, optyczne: obejmuje fale o długości ok. 300 nm (0,3 μm) — 2000 nm (2 μm), mikrofalowe: obejmuje fale o długości ok. 8 μm — 13μm.

Promieniowanie elektromagnetyczne

Widmo promieniowania słonecznego przypomina rozkład promieniowania ciała doskonale czarnego o temperaturze 5800 K. Na ciągłe widmo emisyjne nakłada się liniowe widmo absorpcyjne (prążki Fraunhofera).

UV światła słonecznego UVA (320-400nm) (około 9,5% promieniowania słonecznego) odpowiada za starzenie się skóry, alergie i w mniejszym stopniu raka skóry. UVA jest mniej energetyczne niż UVB, jednak UVA jest 20 razy więcej niż UVB. UVA dzieli się na UVA1 (400-340nm) i UVA2 (340-320nm). UVB (290-320nm) (0,5% promieniowania słonecznego) powodują oparzenia, sprzyjają opalaniu, ale także powstawaniu raka skóry. UVC (200-290nm) nie dociera do powierzchni Ziemi, ponieważ jest pochłaniane przez warstwę ozonową.

Światło widzialne część promieniowania elektromagnetycznego, na którą reaguje siatkówka oka w procesie widzenia. Dla człowieka promieniowanie to zawiera się w przybliżeniu w zakresie długości fal 380-780 nm (co najmniej) Stanowi 38,2% energii promieniowania słonecznego

Światło widzialne

Podczerwień Pochłaniana jest w atmosferze przez gazy cieplarniane (metan, podtlenek azotu, dwutlenek węgla, parę wodną).

Izotopy promieniotwórcze w środowisku Wszystkie substancje mineralne występujące na Ziemi zawierają naturalne pierwiastki promieniotwórcze. Najbardziej istotnymi z nich są izotopy: uranu, toru oraz potasu. Promieniowanie jonizujące w sytuacji „normalnej” (tzn. w sytuacji, gdy nie występują awarie elektrowni jądrowych lub innych obiektów jądrowych) nie stanowi głównego zagrożenia dla zdrowia, szczególnie w porównaniu z zagrożeniami wynikającymi z innych rodzajów skażeń środowiska (np. substancjami chemicznymi). Jednak z powodu efektu synergicznego (interakcja z innymi rodzajami skażeń) zwiększony poziom promieniowania może mieć istotny wpływ na poziom zdrowotny populacji.

Szeregi promieniotwórcze Szeregi promieniotwórcze, rodziny nuklidów promieniotwórczych kolejno przekształcających się jedne w drugie na drodze sekwencyjnych rozpadów alfa lub beta. Jest to konsekwencją, iż wszystkie nuklidy cięższe od ołowiu (również niektóre lżejsze) są nietrwałe. Tradycyjnie wyróżnia się ich cztery, a każdy zapoczątkowywany jest rozpadem innego bardzo długożyciowego izotopu promieniotwórczego.

Naturalne szeregi promieniotwórcze szereg promieniotwórczy uranowy (uranowo-radowy; rozpoczyna się rozpadem alfa 238U, a kończy na stabilnym 206Pb - łącznie 18 nuklidów, najważniejsze (długożyciowe) to: 238U, 234U, 226Ra, 222Rn, 210Po, 210Pb), szereg promieniotwórczy torowy - rozpoczyna się od rozpadu alfa 232Th, a kończy na stabilnym 208Pb - łącznie 12 nuklidów, najważniejsze to: 232Th, 228Th, 228Ra, 220Rn. szereg promieniotwórczy aktynowy (uranowo-aktynowy) rozpoczyna się rozpadem alfa 235U, a kończy na stabilnym 207Pb - łącznie 15 nuklidów, najważniejsze to: 235U, 231Pa i 227Ac).

Szereg neptunowy „sztuczny” Szereg promieniotwórczy neptunowy (rozpoczyna się rozpadem alfa 237Np, a kończy na stabilnym 209Bi - łącznie 13 nuklidów, najważniejsze to: 237Np, 233U, 229Th). Występował we wczesnym okresie istnienia Ziemi (czas połowicznego zaniku 237Np równy jest 2,2 mln lat) - pojawił się jednak ostatnio ponownie na skutek skażeń promieniotwórczych izotopem 241Pu (rozpada się on na 241Am, a następnie 237Np, co zapoczątkowuje wspomniany szereg).

RADON Izotop radonu z szeregu uranowego jest izotopem alfa promieniotwórczym i z czasem półrozpadu równym 1600 lat przechodzi w radioaktywny izotop radonu (222Rn), który jako gaz jest szczególnie istotny ze względu na swój wysoki udział w dawce inhalacyjnej. Radon jest gazem szlachetnym - nie reaguje z innymi związkami. Jest niewidoczny, bez zapachu i smaku. Rozpada się z czasem półrozpadu T1/2=3,8 dnia, tworząc tzw. „szereg krótkożyciowych pochodnych rozpadu radonu” (Po-218, Pb-214, Bi-214, Po-214).

Źrodła radonu w atmosferze Głównym źródłem radonu w atmosferze jest radon wydostający się z gleby, gdzie jego stężenia sięgają tysięcy bekereli na metr sześcienny (1 Bekerel to 1 rozpad promieniotwórczy w ciągu 1 sekundy; ). Po wydostaniu się z gleby do atmosfery następuje bardzo szybka ekspansja radonu i jego rozrzedzenie, co powoduje znaczny spadek jego stężenia. Średnie stężenie radonu w powietrzu atmosferycznym na terenie Polski utrzymuje się na poziomie do 10Bq/m3, natomiast koncentracje w budynkach mieszkalnych wynoszą od kilku do ponad 100 Bq/m3.

Czynniki warunkujące stężenie radonu w pomieszczeniach Poziom stężenia radonu wewnątrz budynku istotnie zależy od Struktury geologicznej terenu i rodzaju podłoża na jakim budynek jest posadowiony. Konstrukcji budynku- pęknięcia i szczeliny wylewki betonowej, stanowiącej podłoże budynku, luki i szpary konstrukcyjne, pęknięcia w ścianach i nieszczelności wokół rur kanalizacyjnych stanowią drogi wnikania radonu do wnętrza budynku Przewietrzania pomieszczeń, które powoduje dość radykalny spadek stężenia radonu.

RADON A ZDROWIE Radon jako gaz szlachetny nie wpływa bezpośrednio na nasz organizm. Rozpada się, poprzez rozpad alfa, na krótkożyciowe pochodne (izotopy polonu: Po-218 i Po-214, i ołów Pb-210), które następnie łączą się z aerozolami i wnikają do układu oddechowego. Pochodne te, będąc w układzie oddechowym rozpadają się poprzez rozpad alfa oraz beta. Ten proces może stanowić wzrost zagrożenia zdrowotnego przy występowaniu wyższych stężeń radonu w pomieszczeniach, w których spędzamy większość czasu.

Normy stężenia radonu Obecnie w Polsce nie ma przepisów określających dopuszczalne stężenia radonu w budynkach. Do niedawna obowiązywało zarządzenie mówiące, że średnie roczne stężenie radonu w budynku nie powinno przekraczać 400 Bq/m3 (budynki wybudowane przed 1998r.) i 200 Bq/m3 (budynki budowane po 1998r.). W różnych krajach rekomendowane są różne stężenia dopuszczalne radonu i jego pochodnych . Zalecenia europejskiej organizacji ICRP (International Commission on Radiological Protection) proponują konieczność podjęcia działań zaradczych, jeżeli stężenie radonu przekracza 600 Bq/m3. Światowa Organizacja Zdrowia zaleca podjęcie działań obniżających stężenie Rn-222 w budynkach, gdy pomiary kontrolne wykazują stężenie powyżej 100 Bq/m3.

Uran i tor Występują w wielu minerałach, są słabo przyswajane przez organizm ludzki, uran kumuluje się w nerkach powodując zaburzenia ich funkcji i jest czynnikiem kancerogennym w kościach. Uran, tor (i inne pierwiastki radioaktywne) powodują powstawanie wolnych rodników, uszkodzenia chromosomów, są przyczyną raka płuc (u górników pracujących w kopalniach rud uranu)

Zastosowanie radioizotopów W datowaniu minerałów i skał Jako radiomarkery np. 14C do śledzenia obiegu węgla w ekosystemach, 3H jako znacznik w hydrogeologii W terapii nowotworów napromieniowanie zewnętrzne (bomba kobaltowa) i wewnętrzne (igły radowe) Badanie struktury i funkcji narządów za pomocą substancji znakowanych Metody badawcze: metoda rozcieńczeniowa i analiza aktywacyjna.

Ochrona przed skutkami działania promieniowania Stosowanie osłon Zachowanie bezpiecznej odległości od źródeł Skrócenie czasu pracy ze źródłami promieniowania Dozymetria Badania okresowe

NMR Zjawisko Magnetycznego Rezonansu Jądrowego znalazło zastosowanie: do badania struktury i funkcji organizmów (tomografia NMR) do badania zwiazków chemicznych (spektroskopia NMR)

SPIN Spin jest to własny, nie wynikający z ruchu danej cząstki względem innych cząstek, lecz tylko z samej natury tej cząstki, moment pędu w układzie, w którym ona spoczywa. Dla elektronu, protonu czy neutronu liczba ta jest oznaczana symbolem "s" i może przyjmować wartość ułamkową ½.

Spin jądrowy Niezerowy spin jądrowy posiadają atomy o nieparzystej liczbie nukleonów (np. wodór 1-H, węgiel 13-C, azot 15-N, tlen 17-O, fluor 19-F, sód 23-Na i fosfor 31-P). W uproszczeniu spin jądrowy zawiązany jest z rotowaniem jądra wokół własnej osi i z wewnętrznym momentem pędu jądra. Każde jądro jest obdarzone dodatnim ładunkiem elektrycznym, stąd jego spin generuje bardzo słabe pole magnetyczne i jest źródłem momentu magnetycznego μ.

Magnetyczny rezonans jądrowy Podstawą zjawiska MRJ jest oddziaływanie spinów jądrowych z polami magnetycznymi: stałym polem magnetycznym Bz, które jest wytwarzane magnesami, zmiennym polem magnetycznym Bxy, skierowanym prostopadle do osi z zmiennymi polami lokalnymi generowanymi przez sąsiednie jądra atomów oraz znajdujące się wokół nich chmury elektronowe.

Precesja momentów magnetycznych W polu magnetycznym Bz orientacja wektora momentu magnetycznego jądra podlega kwantyzacji przestrzennej, dozwolone są tylko pewne ustawienia względem kierunku pola. Związane są z tym dozwolone poziomy energetyczne Momenty magnetyczne wykonują precesję względem kierunku tego pola z częstością: w= gBz

Magnetyzacja Wypadkowy wektor magnetyzacji próbki jest złożeniem poszczególnych momentów magnetycznych jąder. Ma on kierunek osi z (zewnętrznego pola magnetycznego Bz).

Warunki rezonansu Po zadziałaniu impulsu prostopadłego do Bz zmiennego pola magnetycznego o częstości w= gBz następuje rezonansowe pochłanianie energii pola magnetycznego i przejścia jąder pomiędzy dozwolonymi stanami energetycznymi. Wektor magnetyzacji obraca się, maleje magnetyzacja wzdłuż osi z, pojawia się magnetyzacja prostopadła w płaszczyźnie xy

Relaksacja Następnie w wyniku tzw. procesów relaksacji następuje odnowienie magnetyzacji podłużnej (relaksacja podłużna) i zanik magnetyzacji poprzecznej (relaksacja poprzeczna).

Sygnał zaniku swobodnej precesji Rejestrowany jest tzw. sygnału zaniku swobodnej precesji (ang. Free Induction Decay, FID), który niesie w sobie informację m.in. o oddziaływaniach spinowych oraz o procesach relaksacji (pośrednio o dynamice molekularnej). Oddziaływania spinowe to przede wszystkim oddziaływania spinów jądrowych z dodatkowym polem magnetycznym, zmieniającym warunki rezonansowe w poszczególnych obszarach próbki. Dodatkowe pole, tzw. pole lokalne, wytworzone jest przez obsadzone orbitale elektronowe

Obrazowanie MRJ Podstawą obrazowania jest wykorzystanie gradientów pola magnetycznego, które różnicują pole wewnątrz obrazowanego obiektu. Pozwala to na spełnienie selektywnych warunków rezonansowych i rejestrację sygnału z wybranych fragmentów obiektu. MRI jest dzisiaj podstawową metodą diagnostyczną.

Tomograf MRI

Obrazowanie MRJ Animowana sekwencja przekrojów strzałkowych ludzkiego mózgu

Obrazowanie MRJ Skan fMRI mózgu Angiografia MR.

Serce myszy – projekcja czterojamowa