Trochę z Historii
Pod koniec XIX wieku Thomson i Rutherford zajmowali się badaniem zjawiska jonizacji gazów naświetlanych promieniami odkrytymi przez Becquerela. W czasie doświadczenia Rutherford odkrył, że istnieją w zasadzie dwa rodzaje tego promieniowania: jedno, nazwane alfa, było łatwo absorbowane nawet przez kartki papieru; drugie, nazwane beta, mogło przenikać nawet przez grube blachy metalowe (na przykład przez 0,25 centymetrów aluminium). Wkrótce wykryto również trzeci rodzaj promieniowania. Jest ono wyjątkowo przenikliwe - może przenikać nawet przez kilkucentymetrowe warstwy ołowiu. Nadano mu nazwę gamma.
Następne lata upłynęły naukowcom na wyjaśnianiu natury tych trzech rodzajów promieniowania. Mało przenikliwe promienie alfa , jak się okazało składają się z dodatnio naładowanych cząsteczek (odchylają się w polu magnetycznym w tą samą stronę co inne dodatnie cząsteczki). Okazało się że stosunek q/m (ładunku do masy) tych cząsteczek jest dwa razy mniejszy niż stosunek q/m dla jąder wodoru. Naukowcy wysnuli wniosek, iż cząsteczki alfa składają się z jąder helu - mają one masę równą 4*(masa wodoru) i ładunek dodatni 2*e. Jak wiemy jądro helu składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów.
Znacznie bardziej przenikliwe cząsteczki beta, dają się odchylać w polu elektrycznym i magnetycznym, w taki sposób, iż cząstki te muszą mieć ładunek ujemny. Po dalszych badaniach naukowcy doszli do wniosku, iż cząsteczki beta to po prostu elektrony
Trzeci rodzaj promieniowania - promieniowanie gamma - okazały się być promieniowaniem elektromagnetycznym (podobnie jak światło), o długości fali mniejszej od 10-11 metra.
Promieniowanie alfa, beta i gamma można rozdzielić używając pola magnetycznego. Cząstki alfa i beta mają przeciwne ładunki – odchylane są w przeciwne strony. Promieniowanie gamma nie nosi żadnych ładunków i nie jest odchylane.
Promieniowanie jądrowe
Są trzy rodzaje promieniowania jądrowego, którego źródłem są jądra atomowe materiałów promieniotwórczych alfa, beta, gamma. Są one wynikiem przemian zachodzących wewnątrz jądra atomowego. Każde ma określone własności.
Promieniowanie alfa to strumienie jąder atomów helu, które w powietrzu mają zasięg kilku centymetrów. Są one ciężkie i raczej powolne.
Promieniowanie beta to strumienie bardzo szybkich elektronów, mające w powietrzu zasięg do 50 centymetrów.
Promieniowanie gamma to fale elektro magnetyczne mające w powietrzu zasięg kilku metrów.
Promieniowanie alfa
Promieniowanie alfa składa się z cząstek naładowanych dodatnio ładunkiem dwukrotnie większym od ładunku elementarnego. Ich masa jest ponad 7000 razy większa od masy elektronu.
Właściwości
- promieniowanie korpuskularne.
- tego typu promieniowanie jest charakterystyczne dla dodatnio naładowanych atomów helu,
- jest także emitowane przez niektóre radioizotopy, np. Uran, Rad.
- promieniowanie to charakteryzuje się najmniejszą przenikliwością
Znaczenie w środowisku
Jest niebezpieczne, gdy źródło promieniowania dostanie się do organizmu.
Reakcja rozpadu alfa
Rozpad alfa - przemiana jądrowa, w której emitowana jest cząstka α (jądro helu 4He). Strumień emitowanych cząstek alfa przez rozpadające się jądra to promieniowanie alfa.
Promieniowanie beta
Promieniowanie beta składa się z cząstek ujemnie naładowanych. Ustalono, że są to elektrony, ale ich energia jest znacznie większa od energii jonizacji, a więc także energii kinetycznych elektronów krążących w atomie. Cząstki beta są pochłaniane w materii znacznie intensywniej niż promieniowanie gamma, choć ich zasięg jest tym większy, im większa jest ich energia. Nawet dla elektronów o energii rzędu kilku MeV już kilka milimetrów metalu lub szkła stanowi wystarczającą osłonę.
Właściwości
- promieniowanie korpuskularne.
- charakterystyczne dla cząstek naładowanych dodatnio lub ujemnie,
- jest emitowane przez jądra niektórych radioizotopów
Znaczenie w środowisku
Jest niebezpieczne, gdy źródło promieniowania dostanie się do organizmu. Może powodować oparzenia skóry.
Reakcja rozpadu beta
a) Rozpad β − - polega na przemianie neutronu w proton poprzez emisję bozonu pośredniczącego W − przez jeden z kwarków d neutronu. W − rozpada się następnie na elektron i antyneutrino elektronowe według schematu:
b )Rozpad β + - polega na przemianie protonu w neutron, jednak aby reakcja ta mogła zaistnieć konieczne jest dostarczenie energii z zewnątrz. Proton przemienia się w neutron poprzez emisję bozonu W + , który rozpada się na pozyton oraz neutrino elektronowe według równania:
Promieniowanie gamma
Promieniowanie gamma to promieniowanie elektromagnetyczne, którego częstotliwość jest wielokrotnie większe od częstotliwości promieniowania widzianego, ultrafioletowego, a nawet promieniowanie X (rentgenowskiego) wysyłanego przez wzbudzone atomy. Jest ono bardzo przenikliwe: przechodzi nawet przez grube warstwy ołowiu.
Właściwości
- promieniowanie elektromagnetyczne
- posiada dużą energię
- małe długości fali,
- jest najbardziej przenikliwe
- jest emitowane podczas rozszczepiania jądra izotopów
Znaczenie w środowisku
Jest bardzo groźnym czynnikiem rażenia w przypadku skażeń. Powoduje zmiany w strukturze DNA i chromosomów, może wywoływać białaczkę, nowotwory skóry i kości.
Emisja gamma
Emisja gamma - jest to przemiana jądrowa podczas której emitowane jest tylko promieniowanie gamma, a nie są emitowane inne cząstki. Przykładem takiej przemiany jest opisany niżej dwuetapowy rozpad kobaltu.
Do emisji gamma dochodzi jeżeli energia wzbudzenia jądra atomowego jest mniejsza od energii wiązania ostatniego nukleonu. Jeżeli energia wzbudzenia jądra jest znacznie większa od energii wiązania ostatniego nukleonu, to większość rozpadów jądra następuje przez emisję nukleonu.
Skutki promieniowania
Różnice we właściwościach promieniowania α , β i γ wynikają z przemian jądrowych ,w wyniku których zmienia się skład i stan energetyczny jądra kosztem emisji promieniowania jądrowego. Izotopy promieniotwórcze w zetknięciu z organizmem żywym mogą oddziaływać niekorzystnie poprzez:
1. Napromieniowanie żywej tkanki promieniowaniem jądrowym – promieniowanie typu jonizującego lub neutronowego.
2. Skażenia izotopami promieniotwórczymi, które dostały się do wnętrza organizmu lub znalazły się w kontakcie zewnętrznym.
Promieniowanie jądrowe α, β i γ noszą nazwę promieniowania jonizującego, gdyż poprzez oddanie swojej energii wytwarzają jony. Dla organizmów żywych te jony mogą być szkodliwe, gdyż prowadzi to do zakłócenia przemian biochemicznych warunkujących prawidłowe funkcjonowanie organizmu i do zmian strukturalnych komórek. Promieniowanie jonizujące powoduje radiolizę wody, czyli jej rozkład na jony pod wpływem promieniowania. W wyniku tego procesu powstają wolne rodniki, które mogą reagować ze związkami wchodzącymi w skład komórki, powodując zakłócenia w jej funkcjonowaniu. Niektóre zakłócenia mogą zostać skorygowane dzięki autoregulacyjnym właściwościom organizmu, inne zmiany są nieodwracalne i prowadzą do obumarcia komórek. Czułość tkanki ludzkiej na promieniowanie jonizujące zmienia się w szerokich granicach. Najczulsze są organy krwiotwórcze i tkanki rozrodcze, najmniej czułe są mózg i mięśnie. Jeśli ułożyć tkanki według zmniejszającej się czułości, to otrzymamy kolejno następujący szereg: tkanka limfatyczna, nabłonek jąder, szpik kostny, nabłonek żołądkowo - jelitowy, jajniki, skóra, tkanka łączna, kości, wątroba, trzustka, nerki, nerwy, mózg i mięśnie.
Uszkodzenia popromienne ze względu na rodzaj ich następstw dzielimy na uszkodzenia somatyczne tzn. wpływające na procesy odpowiedzialne za utrzymanie organizmu przy życiu oraz genetyczne tzn. naruszające zdolność organizmu do prawidłowego przekazywania cech potomstwu. Typowym skutkiem poważnych uszkodzeń somatycznych jest choroba popromienna. Składają się na nią między innymi mdłości, bóle i zawroty głowy, ogólne osłabienie organizmu, zmiany we krwi, biegunki, niedokrwistość, obniżenie odporności i wypadanie włosów. W zależności od stopnia uszkodzeń choroba popromienna może zakończyć się śmiercią lub przejść w fazę przewlekłą ze stopniowym wyniszczeniem organizmu. Promieniowanie jonizujące może powodować uszkodzenia genetyczne polegające na zmianie struktury chromosomów wchodzących w skład komórek rozrodczych. Ich następstwem są mutacje, w efekcie których wśród napromieniowanych roślin lub zwierząt mogą pojawiać się mutanty, tzn. osobniki różniące się szeregiem cech od organizmów macierzystych. Na szczęście organizmy wykazują w pewnych granicach zdolność do naprawiania niepożądanych zmian.
Innym następstwem ekspozycji żywego organizmu na napromieniowanie jest powstawanie nowotworów. Częstym schorzeniem osób narażonych na duże dawki promieniowania jest białaczka, czyli nowotwór krwi. Bardzo niebezpiecznym izotopem promieniotwórczym jest tutaj stront – 90, który ma możliwości wbudowywania się w tkankę kostną i dlatego może być przyczyną białaczki lub innych nowotworów. Do organizmu ludzkiego może się dostać wraz z mlekiem krów, które wypasały się na pastwiskach skażonych pyłem promieniotwórczym. Podobnie zachowuje się cez – 137, który wbudowuje się w mięśnie zamiast sodu i potasu. Rakotwórczość promieniowania jonizującego nie różni się zasadniczo od rakotwórczości czynników chemicznych, w obu przypadkach podział komórki w wyniku ekspozycji zasadniczo przyczynia się do powstania raka. Jest to szczególnie prawdziwe w odniesieniu do raka tarczycy i raka piersi. U dzieci poniżej 10 roku życia tarczyca jest organem o największej podatności na rakotwórcze działanie promieniowania jonizującego. Można stwierdzić, że czas przebywania izotopu promieniotwórczego w organizmie zależy od okresu jego połowicznego zaniku jak i od sposobu związania go w danym organizmie, oraz od indywidualnych cech skażonego i jego wieku.
Innym skutkiem promieniowania jest choroba oczu – katarakta, która nie leczona powoduje zanik widzenia. Pierwiastki promieniotwórcze, mają także toksyczne działanie na organizm na skutek ich właściwości chemicznych. Bardzo często są to metale ciężkie. U osób stykających się z pyłem związków pochodzących z naturalnych szeregów promieniotwórczych uranu i toru stwierdzono ciężkie schorzenia układu krwionośnego, nowotwory płuc i schorzenia nerek. Innym pierwiastkiem jest pluton, który wchłonięty przez drogi oddechowe, może przedostać się do kości i spowodować powstanie nowotworów.
Badania na zwierzętach i roślinach wskazują, że małe dawki promieniowania skutkują zerowymi lub pozytywnymi ze względu na zdrowie skutkami. Należą do nich np.:
- Zmniejszenie liczby nowotworów,
- Zwiększenie średniego czasu życia,
- Zwiększenie szybkości wzrostu,
- Wzrost wielkości i masy ciała,
- Wzrost płodności i zdolności reprodukcyjnych,
- Zredukowana liczba mutacji.
Wykazano, że reakcje fizjologiczne roślin i zwierząt na małe dawki promieniowania są analogiczne efektom działania wielu naturalnych pierwiastków i związków chemicznych, które stanowią zasadnicze składniki pożywienia, natomiast przy wyższych stężeniach są dla organizmu toksyczne.
Aby ocenić skutki promieniowania jonizującego, należy z jednej strony znać rodzaje promieniowania, ilość substancji promieniotwórczej, energię promieniowania oraz odległość i czas przebywania w pobliżu materiałów promieniotwórczych. Wszystkie te czynniki składają się na wartość pochłoniętej dawki promieniowania. Miarą dawki pochłoniętej przez materię jest energia pochłonięta przez tę materię w procesie promieniowania, w przeliczeniu na jednostkę masy.
Jeśli mówimy o naturalnych źródłach promieniowania, to pozornie można sądzić, że nie mamy na nie żadnego wpływu. Oddziaływanie tych źródeł zostało zakłócone przez działalność człowieka. Przyczyną tych zakłóceń jest np. spalanie węgla i stosowanie nawozów sztucznych, w których zawarte są śladowe ilości uranu i radu. Pyły emitowane do atmosfery w wyniku spalania węgla, zwiększają stężenie naturalnych substancji promieniotwórczych w powietrzu, w glebie i roślinach.
Nie da się całkowicie uniknąć oddziaływania promieniowania, jesteśmy na nie skazani. Promieniowanie jonizujące stwarza zagrożenia, ale też przynosi ogromne korzyści. Nie ma takiej dziedziny ludzkiej działalności, która byłaby wolna od zagrożeń. Nie można ich całkowicie wyeliminować, ale można i trzeba je ograniczać.
Do podstawowych zasad ochrony radiologicznej należą:
1. Nie należy dotykać ani otwierać pojemników, w których znajdują się materiały promieniotwórcze. Nie wolno wyjmować źródeł z pojemników, usuwać osłon, rozmontowywać urządzeń, w których się znajdują.
2. Nie należy zbliżać się do materiałów promieniotwórczych, nie wolno ich kupować lub przechowywać.
Procedurę obchodzenia się z materiałami promieniotwórczymi opisują specjalne instrukcje, do których należy się stosować dla bezpieczeństwa własnego i otoczenia.
Podsumowując, należy stwierdzić, że biologiczna rola promieniowania jonizującego zasługuje na wnikliwą uwagę. Badania nad tym zagadnieniem należy prowadzić w interesie nauk biologicznych i medycznych
