1 Promieniowanie Jonizujące :

Promieniowanie jonizujące - wszystkie rodzaje promieniowania, 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 może jonizować materię dwojako:

bezpośrednio

pośrednio

Promieniowanie jonizujące bezpośrednio to strumień cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym jonizujących głównie przez oddziaływanie kulombowskie.
(Oddziaływanie kulombowskie to inaczej oddziaływanie elektrostatyczne – wzajemne oddziaływanie ciał (np. cząsteczek) posiadających ładunek elektryczny, np. 2 jonów lub jonu.

Oddziaływanie elektrostatyczne jest szczególnym przypadkiem oddziaływania elektromagnetycznego, w którym ładunki nie poruszają się lub efekty, poza przemieszczaniem ładunków, wynikające z tego ruchu pomija się.)

Może jonizujące bezpośrednio to m. In.

promieniowanie alfa
promieniowanie beta
-Promieniowanie alfa – promieniowanie jonizujące emitowane przez rozpadające się jądra atomowe, będące strumieniem cząstek alfa, które są jądrami helu.

Cząstka alfa składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Ma ładunek dodatni i jest identyczna z jądrem atomu izotopu ⁴He, więc często oznacza się ją jako He²⁺. Nazwa pochodzi od greckiej litery α.

Cząstki alfa są wytwarzane przez jądra pierwiastków promieniotwórczych, jak uran i rad. Proces ten określa się jako rozpad alfa. Przykładowa reakcja rozpadu alfa:

Promieniowanie alfa jest bardzo silnie pochłaniane przez materię. Nawet kilka centymetrów powietrza stanowi całkowitą osłonę przed tym promieniowaniem. Podobnie kartka papieru, albo naskórek pochłania całkowicie promienie alfa. Jednak spożywanie pokarmów lub wdychanie powietrza zawierającego substancje wytwarzające promieniowanie alfa może być szkodliwe a nawet zabójcze. Kiedy już radioaktywny materiał znajdzie się w ciele człowieka, wytwarzane przez niego cząstki alfa bardzo silnie jonizują tkanki.

2.Prowadzi to do poważnych uszkodzeń i choroby popromiennej. Bardzo silnym źródłem promieniowania alfa jest izotop polonu-210. Został on użyty do zabójstwa w 2006 roku rosyjskiego dysydenta i byłego oficera FSB/KGB, Aleksandra Litwinienki.

Zastosowania promieniowania alfa

Większość detektorów dymu zawiera niewielkie ilości wytwarzającego promieniowanie alfa izotopu promieniotwórczego ²⁴¹Am. Jest to bardzo toksyczny materiał, jeżeli zostanie wchłonięty z powietrzem. Jednak w zamknięciu nie stanowi żadnego zagrożenia. Osoba, która zetknęła się z materiałem wytwarzającym promieniowanie alfa, powinna poddać się dekontaminacji.

Rozpad alfa izotopu plutonu-238 może być źródłem energii dla radioizotopowych generatorów termoelektrycznych, które stosowane są m.in. w satelitach.

Cząstka anty-alfa

W 2011 roku w czasopiśmie Nature ukazało się doniesienie o otrzymaniu cząstki anty-alfa, czyli jądra antyhelu, składającego się z dwóch antyprotonów oraz dwóch antyneutronów^[1].. Do eksperymentu użyto wiązki jąder złota rozpędzonej niemal do prędkości światła i zderzającej się z taką samą wiązką przeciwbieżną w Relatywistycznym Zderzaczu Ciężkich Jonów znajdującym się w Brookhaven National Laboratory.

Promieniowanie beta (promieniowanie β) - rodzaj promieniowania jonizującego wysyłanego przez promieniotwórcze jądra atomowe podczas przemiany jądrowej.

Promieniowanie beta powstaje podczas rozpadu beta, jest strumieniem elektronów lub pozytonów poruszających się z prędkością zbliżoną do prędkości światła, jest ono silnie pochłaniane przez materię. Promieniowanie to jest zatrzymywane już przez miedzianą blachę.

Promieniowanie jonizujące pośrednio to promieniowanie składające się z obiektów nieposiadających ładunku elektrycznego. Jonizuje ono materię poprzez oddziaływania inne niż kulombowskie, np.

Zjawisko Comptona, rozpraszanie komptonowskie – zjawisko rozpraszania promieniowania X (rentgenowskiego) i promieniowania gamma, czyli promieniowania elektromagnetycznego o dużej częstotliwości, na swobodnych lub słabo związanych elektronach, w wyniku którego następuje zwiększenie długości fali promieniowania

Efekt fotoelektryczny (zjawisko fotoelektryczne, fotoefekt) – zjawisko fizyczne polegające na

emisji elektronów z powierzchni przedmiotu (zjawisko fotoelektryczne zwane również zjawiskiem fotoelektrycznym zewnętrznym dla odróżnienia od wewnętrznego);

przeniesieniu nośników ładunku elektrycznego pomiędzy pasmami energetycznymi (tzw. zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne), w wyniku naświetlania promieniowaniem elektromagnetycznym (na przykład światłem widzialnym) o odpowiedniej częstotliwości, zależnej od rodzaju przedmiotu.

Kreacja par (tworzenie par) – proces powstania pary cząstka-antycząstka z energii fotonu (lub innego neutralnego bozonu).

Najważniejsze przykłady promieniowania

Promieniowanie neutronowe (n) - część składowa promieniowania przenikliwego powstającego podczas wybuchu jądrowego
Promieniowanie rentgenowskie (w wielu krajach nazywane promieniowaniem X lub promieniami X) – rodzaj promieniowania elektromagnetycznego, które jest generowane podczas wyhamowywania elektronów), promieniowanie gamma (γ); o energiach wyższych od energii promieniowania ultrafioletowego).
Promieniowanie gamma – wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego. Za promieniowanie gamma uznaje się promieniowanie o energii kwantu większej od 50 keV. Zakres ten częściowo pokrywa się z zakresem promieniowania rentgenowskiego. W wielu publikacjach rozróżnienie promieniowania gamma oraz promieniowania X opiera się na ich źródłach, a nie na długości fali^[1]. Promieniowanie gamma wytwarzane jest w wyniku przemian jądrowych albo zderzeń jąder lub cząstek subatomowych, a promieniowanie rentgenowskie – w wyniku zderzeń elektronów z elektronami powłok wewnętrznych lub ich rozpraszaniu w polu jąder atomu. Promieniowanie gamma jest promieniowaniem jonizującym i przenikliwym. Nazwa promieniowania gamma pochodzi od greckiej litery γ.

Promieniowanie jonizujące w radiologii

Promieniowanie jonizujące, ze względu na jego destrukcyjne oddziaływanie z żywą materią, jest przedmiotem zainteresowania radiologii – w celach

ochrony przed nim (ochrona radiologiczna)
leczniczych i diagnostycznych (radioterapia, medycyna nuklearna)

Substancje emitujące promieniowanie jonizujące nazywamy promieniotwórczymi.

4. Szkodliwość biologiczna[edytuj]

Względną szkodliwość biologiczną danego rodzaju promieniowania jonizującego opisuje bezwymiarowa wielkość zwana współczynnikiem wagowym promieniowania w_R, przeliczająca dawkę pochłoniętą w grejach (J/kg) na dawkę równoważną w siwertach (ICRP 60). Dawniej do tego celu stosowany był współczynnik jakości promieniowania Q (ang. Quality Factor, QF, ICRP 26), przy czym różnice między tymi wielkościami (w_R i Q) nie polegają wyłącznie na różnych wartościach przypisanych różnym rodzajom promieniowania.

Promieniowanie jonizujące można wykrywać jedynie metodami pośrednimi. Detektory promieniowania jonizującego rejestrują zmianę energii promieniowania na formę mierzalną (reakcje chemiczne, światło, prąd elektryczny, ciepło).

Naturalne tło promieniowania jonizującego

Promieniowanie jonizujące jest stale obecne w środowisku człowieka, zawsze i wszędzie. Jest to spowodowane głównie wszechobecnością radioizotopów różnych pierwiastków w przyrodzie oraz promieniowaniem kosmicznym. Naturalne promieniowanie jonizujące środowiska jest jednym z czynników powodujących mutacje w genach organizmów żywych, czyli jednym z czynników ewolucyjnych, którym zawdzięczamy różnorodność fauny i flory.

Statystyczna roczna dawka promieniowania naturalnego wynosi 2,4 mSv (wg. UNSCEAR, 1988).

Podstawowe pojęcia związane z Radiologią :

Dawka pochłonięta

Dawka pochłonięta – podstawowa wielkość dozymetryczna D, zdefiniowana jako

gdzie:

dE – energia przekazana przez promieniowanie jonizujące materii w elemencie objętości,
dm – masa materii zawarta w elemencie objętości.

Średnią dawką pochłoniętą D przez daną substancję nazywamy energię E przekazaną jednostce masy m tej substancji:

Jednostką dawki pochłoniętej w układzie SI jest grej (Gy);

1 Gy = 1 J/kg.

Jednostką poprzednio używaną (spotykaną jeszcze w literaturze) jest:

1 rad = 100 erg/g = 0,01 Gy

1 Gy = 100 rad

Dawka skuteczna, dawka efektywna E_H – suma wszystkich równoważników dawki zarówno od narażenia zewnętrznego jak i wewnętrznego, we wszystkich narządach i tkankach z uwzględnieniem współczynników wagowych poszczególnych narządów i tkanek. Dawka skuteczna określa stopień narażenia całego ciała na promieniowanie nawet przy napromieniowaniu tylko niektórych partii ciała. Określa się ją wzorem:

gdzie:

H_T – równoważnik dawki pochłoniętej dla tkanki T,

w_T – współczynnik wagowy tkanki T,

w_R – współczynnik wagowy promieniowania R,

D_T_,R – średnia dawka pochłonięta promieniowania R przez tkankę T.

Jednostką dawki skutecznej w układzie SI jest siwert (Sv).

Dawka graniczna - podstawowa wielkość dozymetryczna, wartość dawki promieniowania jonizującego, wyrażona jako dawka skuteczna lub równoważna, dla określonych osób, pochodzącą od kontrolowanej działalności zawodowej, której nie wolno przekroczyć^[1].

Dawka jest określana jako suma narażeń wewnętrznych i zewnętrznych w okresie 1 roku. Stanowi maksymalną graniczną dawkę określoną dla danego źródła promieniowania, danej grupy osób i dla określonej tkanki, narządu.

Wartości dawek granicznych określa rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 28 maja 2003 r. w sprawie dawek granicznych promieniowania jonizującego^[2].

Dawka graniczna dla ogółu ludności (wyłączając osoby zawodowo narażone na działanie promieniowania jonizującego) wynosi 1 mSv/rok ponad promieniowanie tła. Jeśli wartość tła naturalnego nie jest ustalona, przyjmuje się pewną wartość odniesienia. W Polsce wynosi ona 2,4 mSv/rok.

Dawka graniczna (wartość graniczna dawki skutecznej) dla osób zawodowo narażonych na działanie promieniowania jonizującego zakwalifikowanych do kategorii A wynosi 20 mSv/rok, przy czym dawka skuteczna może zostać przekroczona w ciągu roku do 50 mSv pod warunkiem, że w ciągu dowolnych, kolejnych pięciu latach dawka skuteczna wynosić będzie łącznie nie więcej niż 100 mSv. Dawka graniczna dla osób zawodowo narażonych zakwalifikowanych do kategorii B wynosi 6 mSv/rok

Równoważnik dawki pochłoniętej,. Jest to ilość energii, którą deponuje cząstka w materii żywej (tkance, organie), przez którą przechodzi, z uwzględnieniem skutków biologicznych wywołanych przez różne rodzaje promieniowania. Jednostką równoważnika dawki pochłoniętej jest siwert (Sv)^[2]. Równoważnik dawki pochłoniętej otrzymuje się w wyniku przemnożenia dawki pochłoniętej przez współczynnik wagowy promieniowania ^[3]:

gdzie:

– równoważnik dawki dla promieniowania R i tkanki T;

– współczynnik wagowy promieniowania R;

– średnia dawka pochłonięta promieniowania R przez tkankę T.

Powyższy wzór dotyczy promieniowania jednorodnego R. Dla promieniowania mieszanego ma postać:

gdzie:

H_T – całkowity równoważnik dawki.

Współczynnik jakości promieniowania Q to dawniej przyjmowany bezwymiarowy przelicznik między dawką pochłoniętą a równoważnikiem dawki, uwzględniający względną szkodliwość biologiczną różnych rodzajów promieniowania. Jego formalną jednostką jest Sv/Gy (dawniej rem/Gy).

Izotopy promieniotwórcze, radioizotopy – pierwiastki lub odmiany pierwiastków (izotopy), których jądra atomów są niestabilne i samorzutnie ulegają przemianie promieniotwórczej. W wyniku tej przemiany powstają inne atomy, cząstki elementarne, a także uwalniana jest energia w postaci promieniowania gamma i energii kinetycznej produktów przemiany.

Izotopy promieniotwórcze charakteryzuje czas połowicznego rozpadu, tj. średni czas, po którym połowa jąder danego pierwiastka (izotopu) ulegnie przemianie. Czas połowicznego rozpadu nie zależy od otoczenia chemicznego atomu izotopu.

ZASTOSOWANIE IZOTOPÓW RADIACYJNYCH

Izotopy promieniotwórcze znalazły wielorakie zastosowanie w wielu dziedzinach nauki i gospodarki.

Przemysł i fizyka

Stosowane są w wielu dziedzinach badań technicznych. Przy ich pomocy można z zewnątrz śledzić przemieszczanie się płynów w układzie. Implementując izotopy w elementy konstrukcyjne, np. silnika można badać stopień zużycia poszczególnych elementów poprzez rejestrowanie zmiany aktywności tego izotopu w oleju silnikowym. W przemyśle zastosowanie znalazły izotopowe czujniki poziomu oraz wagi izotopowe. Badaniach dyfuzji oraz badaniach struktury materiałów z użyciem izotopów są na porządku dziennym.

W oparciu o właściwości promieniotwórcze powstała defektoskopia zajmująca się wykrywaniem ukrytych wad wyrobów (do tego celu używa się głównie kobaltu ⁶⁰Co) oraz szczelności urządzeń i grubości spawów (głównie izotop kryptonu ⁸⁵Kr). Górnictwo wykorzystuje radionuklidy do badania położenia i koncentracji rozległych złóż rud metali i paliw kopalnych. Radioizotopy są stosowane w różnego rodzaju czujnikach, detektorach substancji. Ameryk ²⁴¹Am produkowany w reaktorach jądrowych ma zastosowanie - od będących w powszechnym użyciu przeciwpożarowych czujników dymu po specjalistyczne czujniki chemiczne wykrywające śladowe ilości metali ciężkich w wodzie.

Źródło energii

Izotopy promieniotwórcze stosowane jako paliwo w reaktorach są źródłem ciepła potrzebnego do wytwarzania pary zasilającej turbiny elektrowni atomowych.

Oprócz elektrowni atomowych, energia rozpadu radioizotopów wykorzystywana jest również w zasilaczach izotopowych. Mała przenikliwość produkowanego promieniowania alfa i beta powoduje, że na ogół nawet w pobliżu samego zasilacza nie otrzymuje się jego znaczących dawek. Zasilacze izotopowe stosuje się wszędzie tam, gdzie konieczna jest najwyższa niezawodność zasilania, przy jednoczesnych małych wymaganiach, co do mocy, np. w rozrusznikach serca, w automatach działających w reżimie długotrwałej autonomiczności, np. w sondach kosmicznych, automatycznych stacjach meteorologicznych znajdujących się w trudno dostępnym terenie (np. stacje arktyczne).

8. Datowanie

Promieniotwórczy izotop węgla ¹⁴C stosowany jest przy oznaczaniu wieku próbek geologicznych oraz wykopalisk archeologicznych i paleontologicznych. Metoda ta zwana jest datowaniem radiowęglowym wykorzystuje zachodzącą w czasie zmianę ilości izotopów promieniotwórczych lub produktów przemian izotopowych w badanym materiale. Pod wpływem promieniowania kosmicznego w atmosferze Ziemi powstaje izotop węgla ¹⁴C, który może być wbudowywany w ciało organizmów tylko w czasie ich życia. Po śmierci ilość węgla promieniotwórczego może już tylko spadać. Na podstawie ilości zachowanego izotopu określa się wiek znaleziska.

Chemia

Izotopy promieniotwórcze stosuje się do modyfikacji cech przedmiotów naświetlanych: np. do wywoływania zmian w strukturze polimerów. W przemyśle chemicznym niektóre reakcje są możliwe tylko pod wpływem promieniowania. Do najważniejszych należą produkcja różnych żeli, folii oraz synteza niektórych związków organicznych. Znaczniki promieniotwórcze pozwalają śledzić etapy pośrednie zachodzących reakcji.

Przechowywanie żywności

Napromieniowanie żywności stosowane jest w celach dezynfekcyjnych, przedłużających jej trwałość. Na podstawie przeprowadzonych badań okazało się, że żywność utrwalana radiacyjnie nie jest toksyczna ani też radioaktywna, jednak podobnie jak inne procesy konserwujące radiacja powoduje pewne zmiany chemiczne w konserwowanej żywności. Pod wpływem promieniowania tworzą się między innymi wolne rodniki i zmniejsza się o 20–60% zawartość witamin A, B1, C i E. Radionuklidy zabezpieczają świeże zbiory przed kiełkowaniem, a także umożliwiają kontrolę procesu dojrzewania przechowywanych warzyw i owoców.

Biologia

W biochemii stosuje się często izotopy jako znaczniki. Wprowadza się je celowo do cząsteczek chemicznych, a następnie tak "oznakowane" cząsteczki wprowadza się do organizmu po czym dzięki detekcji emitowanego przez nie promieniowania gamma śledzi się ich rozmieszczenie oraz obecność w różnych związkach pośrednich. Umożliwia to badanie mechanizmów reakcji chemicznych oraz szlaków metabolicznych w organizmie. Najczęściej stosowanymi do tych celów izotopami są: węgla ¹⁴C i ¹⁵N. Ta sama metoda pozwala śledzić rolę i obieg mikroelementów w organizmach. W badaniach środowiska naturalnego wykorzystują izotopy promieniotwórcze poprzez dodawanie ich śladowych ilości do emitowanych zanieczyszczeń. Dzięki temu można określić zasięg, rozprzestrzenianie i koncentrację odpadów od danego punktu emisyjnego. Jest możliwe także określanie kierunków przepływu powierzchniowych prądów wodnych, pomiary wód pochodzących z opadów deszczu i śniegu oraz prędkości i szlaki przepływ np. podziemnych rzek i innych ciągów wodnych.

Izotopy znajdują także zastosowanie w badaniu wpływu pestycydów i nawozów na organizmy żywe. Poddając eksperymentalne zwierzęta napromieniowaniu można znacznie zwiększyć ilość mutacji tym samym przyspieszając powstawanie nowych odmian o bardziej korzystnych cechach uprawnych i hodowlanych.

Medycyna

Medycyna nuklearna zajmuje się zastosowaniem izotopów promieniotwórczych w rozpoznawaniu i leczeniu chorób (radioterapia)oraz w badaniach naukowych (np. zastosowanie znaczników radioizotopowych w testach ELISA)

Zastosowanie diagnostyczne izotopów promieniotwórczych polega na wprowadzeniu substancji promieniotwórczej do tkanek i narządów organizmu, a następnie na rejestrowaniu promieniowania za pomocą detektorów umieszczonych poza badanym obiektem^]. Zgromadzenie substancji promieniotwórczej w tkance lub narządzie oraz jej rozmieszczenie pozwalają na wysnucie konkretnych wniosków diagnostycznych.

Obecnie stosuje się około 200 różnych związków znakowanymi izotopami promieniotwórczymi, dobieranych w zależności od tego jaki narząd będzie badany i pod jakim kątem. Wynik badania izotopowego wprawdzie nie może być podstawą do rozpoznania określonej choroby może jednak znacznie proces ten ułatwić dając obraz: stanu nerek lub rozdziału krwi w łożysku naczyniowym.

Szerokie zastosowanie mają izotopy promieniotwórcze w badaniu układu krążenia. Dzięki doskonaleniu metod pomiarowych i wprowadzaniu systemów komputerowych do analizy otrzymanych wyników znaczenie rozszerzyły się wskazania diagnostyczne. Współczesne metody izotopowe pozwalają na badanie ukrwienia mięśnia sercowego oraz ocenę parametrów krążenia.

W badaniu układu kostnego stosuje się związki fosforanowe. Przeprowadzane badania mają na celu wykrycie ognisk nowotworowych w przypadku pierwotnych nowotworów kości oraz przerzutów nowotworowych w celu określenia miejsc ewentualnej resekcji chirurgicznej. Jako źródło promieniowania gamma radioizotopy są stosowane w medycynie do niszczenia komórek rakowych. Stosuje się je jako tak zwane bomby naświetleniowe – czyli duże porcje promieniowania skierowane w opanowane przez raka miejsca lub w formie chemioterapii radiacyjnej. Podaje się wtedy pacjentowi promieniotwórcze związki mające naturalne powinowactwo do tkanek rakowych.

Izotopowe znaczniki pozwalają śledzić nietypowe, patologiczne szlaki metaboliczne związane ze specyficznymi wadami genetycznymi. Izotopy służą też do szybkiej i pewnej sterylizacji aparatury, rękawiczek, strzykawek, igieł, zestawów opatrunkowych eliminując, zwłaszcza w przypadku tych jednorazowego użytku, konieczność użycia wysokich temperatur. Silne promieniowanie gamma, dla większości bakterii i grzybów chorobotwórczych i gnilnych jest nawet bardziej zabójcze niż wysoka temperatura.

10. Zastosowania wg pierwiastk

Przykłady zastosowań izotopów promieniotwórczych:

Fosfor izotop ³²P - stosowany w nauce i technice jako wskaźnik promieniotwórczy i źródło promieni β, w medycynie do diagnostyki nowotworów i znakowania czerwonych ciałek krwi.
Kobalt - stosowany w medycynie do leczenia nowotworów, do sterylizacji żywności, narzędzi chirurgicznych i lekarstw (bomba kobaltowa).
Pluton - stosowany w głowicach bomb jądrowych, bywa też używany jako materiał rozszczepialny w energetyce jądrowej, a także jako źródło ciepła.
Polon - stosuje się w chemii radiacyjnej jako źródło cząstek, zmieszany z berylem jako źródło neutronów.
Rad - wykorzystuje się go do celów leczniczych i do celów naukowych.
Uran - uran wzbogacony o izotop 235 znajduje zastosowanie w reaktorach jądrowych jako paliwo jądrowe.