Prof. Janina Gabrielska Czy należy się bać naturalnej promieniotwórczości w środowisku naturalnym człowieka? Prof. Janina Gabrielska Dr Teresa Kral, Dr Hanna Pruchnik, Mgr Paulina Strugała, Dr Anna Dudra

Pierwiastki promieniotwórcze, co to takiego? Pierwiastki, których jądra atomowe samorzutnie rozpadają się emitując przy tym cząstki (, ) lub promienie (), nazywamy pierwiastkami promieniotwórczymi.

Promieniowanie jonizujące to... wszystkie rodzaje promieniowania (w tym ,  oraz ) które wywołują jonizację ośrodka materialnego, tj. oderwanie przynajmniej jednego elektronu od atomu lub cząsteczki albo wybicie go ze struktury krystalicznej. Za promieniowanie elektromagnetyczne jonizujące uznaje się promieniowanie, którego fotony mają energię większą od energii fotonów światła widzialnego.

Promieniowanie jonizujące... Pyt.: Czy się go bać? Odp.: TAK! Promieniwanie jonizujące jest przyczyną różnych, nietypowych zjawisk fizyko-chemicznych na poziomie komórkowym, tkankowym oraz w skali całego organizmu prowadzących do zaburzeń, dezintegracji oraz wyniszczenia.

Jak mierzymy szkodliwość promieniowania jonizującego...   Stężenie radioizotopu to aktywność radioizotopu w jednostce masy lub objętości. Jednostkami stężenia są Bq/kg lub Bq/m3 Jednostki charakteryzujące stopień napromieniowania 1 Gy (grej) – jednostka dawki pochłoniętej. Dawka pochłonięta wynosi 1 Gy gdy 1kg materii pochłania energię 1 J 1 Sv (siwert) – miara (uśredniona) uwzględniająca rodzaj promieniowania oraz rodzaj tkanki – dawka skuteczna

Oddziaływanie promieniowania na organizm człowieka Wrażliwość poszczególnych organów człowieka na promieniowanie Skutki działania promieniowania jonizującego - równoważniki dawek progowych dla niektórych objawów klinicznych związanych z ostrym zespołem popromiennym Równoważnik dawki (Sv) Skutek kliniczny < 0,25 Brak 0,25 ‐ 0,50 Możliwe zmiany hematologiczne 0,50 ‐ 1,00 zmiany hematologiczne, lekkie uszkodzenia 1,00 ‐ 2,00 Silne uszkodzenia, możliwa niewydolność, nudności/wymioty w ciągu 24 h 2,00 ‐ 4,00 Silne uszkodzenia, pewna niewydolność, możliwa śmierć > 4,00 50% prawdopodobieństwa śmierci Najbardziej wrażliwe na promieniowanie jonizujące są komórki szybko namnażające się, np. komórki gonad, dla których czynnik wagowy wynosi 0,20.

Średnie śmiertelne dawki dla różnych grup taksonomicznych Przyjmuje się, że szkodliwy wpływ napromieniowania na zdrowie człowieka w postaci skutków deterministycznych można zaobserwować po przekroczeniu dawki progowej 200 mSv, pochłoniętej jednorazowo (w krótkim okresie czasu). Następuje wtedy zniszczenie na tyle dużej liczby komórek, że funkcjonowanie niektórych organów człowieka może ulec wyraźnemu zaburzeniu. Jednorazowa dawka śmiertelna LD3050, powodująca chorobę popromienną i po 30 dniach zgon 50% napromieniowanej populacji, oceniana jest na 4-6 Sv. Średnia dawka śmiertelna dla człowieka to ~3 Sv w czasie 1-2 godzin

Biologiczne skutki promieniowania somatyczne genetyczne WCZESNE Choroba popromienna - ostra - przewlekła Miejscowe uszkodzenia skóry ODLEGŁE Zmętnienie soczewek Aberracje chromosomowe w komórkach somatycznych Niepłodność MUTACJE GENOWE Dominujące Recesywne Aberracje chromosomowe w komórkach Hormeza radiacyjna Co jest trucizną? Wszystko jest trucizną i nic nie jest trucizną. Paracelsus Żywe komórki mają naturalną zdolność regeneracji niewielkich uszkodzeń radiacyjnych, którą nabyły, zapewne, obcując z promieniowaniem naturalnym przez tysiące lat. Uważa się nawet, że małe dawki mogą być pożyteczne dla organizmu człowieka. Wody lecznicze w uzdrowiskach Lądka Zdroju zawierają Rn-222 o aktywności sięgającej 2500 Bq/l.

PROMIENIOWANIE JONIZUJĄCE WOKÓŁ NAS 9

Co to takiego promieniotwórczość naturalna? Promieniotwórczość naturalna powstaje na drodze rozpadów jąder atomowych naturalnych pierwiastków radioaktywnych obecnych w glebie, skałach, powietrzu i wodzie. Naturalne pierwiastki radioaktywne : Obecne są w minerałach, przyswajanych przez rośliny i zwierzęta, a także używanych jako materiały konstrukcyjne, Syntetyzowane są w atmosferze i przenikają do hydrosfery wskutek reakcji składników atmosfery z promieniowaniem kosmicznym, To także skutek promieniowania przenikającego do środowiska wskutek działalności przemysłowej człowieka (wydobycie rud uranu, spalanie węgla zawierającego pierwiastki promieniotwórcze). Źródeł tego promieniowania nie da się uniknąć. W niewielkich dawkach nie są groźne dla organizmu, ponieważ organizm się uodparnia na te pierwiastki.

Przeciętne typowe aktywności radioizotopów w glebach Polski uranu, toru i fosforu: U-238 - zawierają się w przedziale 4,8 - 118 Bq/kg (średnio 26 Bq/kg), Th-228 - w przedziale 3,6 - 77 Bq/kg (średnio 21 Bq/kg), K-40 - w przedziale 111 - 967 Bq/kg (średnio 413 Bq/kg). Średnia aktywność radonu w powietrzu przy ziemi: Rn-222 - wynosi ok. 4,4 Bq/m3, w parterowych zabudowaniach może przekraczać: Rn-222 - 200 Bq/m3.

Redystrybucja radioizotopów... Działalność człowieka związana z wydobyciem i przeróbką kopalin, spalaniem węgla, energetyką jądrową, wybuchami jądrowymi itp. powoduje redystrybucję naturalnych radionuklidów i podwyższenie poziomu tła naturalnego, zwłaszcza w wymiarze lokalnym. W następstwie spalania w Polsce ok. 150 mln ton węgla kamiennego rocznie do środowiska trafia ok. 150 ton promieniotwórczego uranu i 300 ton promieniotwórczego toru. Gromadzą się one głównie w popiołach, skąd przedostają się do wód gruntowych i do gleby. Są również uwalniane bezpośrednio do atmosfery wraz z dymem i kurzem. Aktywność takich popiołów może przekraczać nawet 2000 Bq/kg.

Radon – skąd się bierze? Szereg promieniotwórczy uranowo-radowy 206Pb 5 dni 22 lata 138,4 dni Polon 210Po Bizmut 210Bi Ołów 210Pb 19,8 min. 26,8 min. 162 μs Polon 214Po Bizmut 214Bi Ołów 214Pb 3,05 min. Polon 218Po 3,82 dni Radon 222Rn 1,6 tys. lat Rad 226Ra 80 tys. lat Tor 230Th 24,5 dni 68 s 247 tys. lat Tor 234Th Protaktyn 234Pa Uran 234U 4,47 mld lat Uran 238U Szereg promieniotwórczy uranowo-radowy

Śladowe ilości radioizotopów występujące w człowieku: Przeciętna całkowita aktywność ciała człowieka przeliczona na jednostkę masy wynosi ok. 100 Bq/kg. C-14 i K-40, we wszystkich tkankach, Pu-239 i Sr-90 - w kościach, U-238(235) - w nerkach, J-131 - w tarczycy. Trafiają tam z otaczającego środowiska głównie drogą oddechową i pokarmową.

Średnia roczna dawka skuteczna od promieniowania jonizującego, przypadająca na statystycznego mieszkańca Polski, wynosi ok. 3,5 mSv. Około 75% tej dawki pochodzi od promieniowania radionuklidów naturalnych, głównie Rn-222, a tylko ok. 25% od źródeł wytworzonych sztucznie, przede wszystkim dla diagnostyki i terapii medycznej. Źródło: Paweł Moskal, Dawki promieniowania jądrowego, Foton112, wiosna 2011

Średnia roczna dawka skuteczna od promieniowania jonizującego, przypadająca na statystycznego mieszkańca Polski, wynosi ok. 3,5 mSv. Około 75% tej dawki pochodzi od promieniowania radionuklidów naturalnych, głównie Rn-222, a tylko ok. 25% od źródeł wytworzonych sztucznie, przede wszystkim dla diagnostyki i terapii medycznej.

PROMIENIOWANIE W MEDYCYNIE 17

Promieniowanie w terapii medycznej Radioterapia (terapia nowotworów): Radiologia zabiegowa-mało inwazyjna metoda przeprowadzania zabiegów chirurgicznych wspomaganych techniką rentgenowską, np. angioplastyka – poszerzenie naczyń krwionośnych , embolizacja –zamierzone zamknięcie światła naczynia krwionośnego. Teleradioterapia, np. terapia hadronowa Brachyterapia-terapia kontaktowa, np. 131Cs, 60Co, 192Ir, 125I, 226Ra

znakowanie izotopowe (scyntygrafia) Promieniowanie w diagnostyce medycznej Badania radiologiczne Badania radioizotopowe znakowanie izotopowe (scyntygrafia) rentgenodiagnostyka „prześwietlenie” mammografia Przykładowe radioizotopy: 99mTc, 131I, 201Ta arteriografia Tomografia komputerowa Tomografia komputerowa (TC) Emisyjna tomografia pozytonowa (PET) 11C, 13N, 15O, 18F

Przeciętne narażenie pacjenta w rutynowych badaniach medycznych

Datowanie izotopowe – wstęp teoretyczny Prawo rozpadu naturalnego: dm=l·m·dt              

Datowanie izotopowe – obieg C-14 w przyrodzie Powstaje w górnych warstwach troposfery i w stratosferze w wyniku pochłonięcia neutonu przez jądro atomu azotu. n +147 N →  146 C  + 11 H Powstały węgiel pierwiastkowy jest utleniany do dwutlenku węgla, który wchodzi poprzez fotosyntezę do organicznego obiegu węgla w przyrodzie. Jego adioaktywność sprawia, że jego udział w tkankach w momencie ich powstawania jest największy, a z czasem maleje. 17100 lat 12,5% 14C 14 C + O2 →  14 CO2 11400 lat 25% 14C 147 N 5700 lat 50% 14C 100 lat 100% 14C śmierć drzewa KOLEJNE OKRESY POŁOWICZNEGO ROZPADU 146 C → 147 N + e− + νe Węgiel-14 ulega rozpadowi beta minus tworząc niepromieniotwórczy azot 14N, antyneutrino oraz elektron.

Niektóre izotopy promieniotwórcze o szerokim zastosowaniu w geologii Izotopy macierzyste Izotopy potomne Okres połowicznego rozpadu Zakres użyteczności Rubit-87 Stront-87 49 mld lat powyżej 100 mln lat Tor-232 Ołów-208 14 mld lat powyżej 200 mln lat Uran-238 Ołów-206 4,5 mld lat Potas-40 Argon-40 1,3 mld lat powyżej 0,1 mln lat Uran-235 Ołów-207 0,7 mld lat Węgiel-14 Azot-14 5370 lat poniżej 40 000 lat Spektrometr mas służący do określania stosunku 14C/12C w badanej, kilku miligramowej próbce

Datowanie oparte jest także na innych izotopach promieniotwórczych Dzięki prehistorycznym skamieniałościom krów morskich okazało się, że klimat na Ziemi 50 mln lat temu był ciepły i wilgotny. Naukowcy badali zęby krów morskich pod kątem zawartości izotopów tlenu.

Dlaczego tlen? W trakcie swojego życia zwierzęta morskie wchłaniają izotopy tlenu 16 i 18, obecne w wodzie morskiej. W badanych zębach było dwa razy więcej izotopu 16, niż się spodziewano. Jest on lżejszy od tlenu 18, dlatego łatwiej paruje. Z tego wniosek, że może pochodzić z wody deszczowej. Z kolei duża ilość opadów, i to w chłodniejszych szerokościach geograficznych, oznacza, że na Ziemi panował cieplejszy klimat.

Promieniowanie jonizujące w badaniach dzieł sztuki Znając skład chemiczny farb w różnych epokach, możemy określić, kiedy dzieło powstało i czy jest oryginalne. Możemy również określić, w jaki sposób należy konserwować dane dzieło sztuki. We wszystkich tych wypadkach metody jądrowe okazują się bardzo użyteczne. Metody te dzielimy na trzy rodzaje: radiografię techniki analityczne analizę izotopową zawartości nuklidów stabilnych  

Radiografia gamma rzeźby Afrodyty w Luwrze w celu uzyskania informacji o strukturze marmuru

w której skład wchodzi biel ołowiowa Pałac Dożów w Wenecji, olej na płótnie, oraz rentgenogram obrazu; jego słaba czytelność jest wynikiem silnej absorpcji promieni rentgenowskich przez warstwę białej zaprawy, w której skład wchodzi biel ołowiowa

Dziękuję za uwagę Katedra Fizyki i Biofizyki Autorzy prezentacji: Prof. Janina Gabrielska Dr Teresa Kral Dr Hanna Pruchnik Mgr Paulina Strugała Dr Anna Dudra Dziękuję za uwagę

Dawka pochłonięta

Równoważnik dawki: Siwert Sv= J/kg Jest wielkością określającą działanie biologiczne promieniowania D – dawka pochłonięta [Gy] Q – współczynnik jakości promieniowania (Quality Factor), bezwymiarowy, zależny od liniowej zdolności hamowania cząstek jonizujących w substancji; 0,6- 1 dla promieniowania X i gamma 1 dla promieni β 2-10 dla neutronów i protonów (w zależności od ich energii) 10-20 dla cząstek α o różnej energii

Klatka piersiowa 0,02 1 3 dni Kręgosłup 1-2,4 50-120 6-14 miesięcy OTRZYMYWANE DAWKI PODCZAS PRZEŚWIETLEŃ RTG i BADAŃ IZOTOPOWYCH ( za A.A. Czerwiński: „Energia jądrowa i promieniotwórczość” str.79) Narząd poddany badaniu Dawka efektywna mSv Równoważnik zdjęć RTG klp. Równoważnik okresu promieniowania tła naturalnego Klatka piersiowa 0,02 1 3 dni Kręgosłup 1-2,4 50-120 6-14 miesięcy Jelita grubego 9 450 4,5 roku Urografia 4,6 230 2,5 roku CT głowy 2 100 1 rok CT brzucha 8 400 4 lata Scyntygrafia kośćca 5 250 Scyntygrafia tarczycy 50 6 miesięcy

Dawki pochłaniane w badaniach medycznych Rodzaj badania Dawka (mSv) Prześwietlenia: klatka piersiowa czaszka przewód pokarmowy Badanie izotopowe: tarczyca serce nerki   0,06 0,20 2,45 5,9 7,1 3,1

Wrażliwość na promieniowanie... podsumowanie Ustalenie szkodliwości małych dawek (podprogowych), porównywalnych z dawką od tła naturalnego, na tle wielu innych przyczyn wywołujących podobne skutki jest praktycznie niemożliwe. Można jednak przypuszczać, że jest ona znikoma, gdyż żywe komórki mają naturalną zdolność regeneracji niewielkich uszkodzeń radiacyjnych, którą nabyły, zapewne, obcując z promieniowaniem naturalnym przez tysiące lat. Uważa się nawet, że małe dawki mogą być pożyteczne dla organizmu człowieka (hormeza radiacyjna). Np. wody lecznicze w uzdrowiskach Lądka Zdroju zawierają Rn-222 o aktywności sięgającej 2500 Bq/l. Wg obowiązujących w Polsce przepisów (1) dopuszczalna dawka skuteczna, na całe ciało od promieniowania z innych źródeł niż naturalne, wynosi 1mSv/rok dla ogółu ludności i 20mSv/rok dla osób narażonych na promieniowanie jonizujące zawodowo. Systematyczne badanie radioaktywności w środowisku i monitorowanie skażeń promieniotwórczych należy do zadań specjalnych służb ochrony radiologicznej, których stacje pomiarowe rozmieszczone są w wielu miejscach naszego kraju. (1) Rozporządzenie Rady Ministrów w sprawie dawek granicznych promieniowania jonizującego (Dz. U, Nr 20, poz. 168 z 2005 r.)