Univerzitet u Novom Sadu Fakultet tehničkih nauka

Odsek inženjerstvo zaštite životne sredine _______________________________________________________________________

ZRAČENJE Skripta iz predmeta

Merenje i kontrola zagañenja

_______________________________________________________________________

Novi Sad, 2009.

2

SADRŽAJ: 1. UVOD ...........................................................................................................................3 2. JONIZUJUĆE ZRAČENJE...........................................................................................4

2.1 Radioaktivnost............................................................................................................4 2.2 Radioaktivni raspad....................................................................................................6 2.3 Ureñaji za detekciju radioaktivnog zračenja ...............................................................9

2.3.1 Jonizaciona komora.............................................................................................9 2.3.2 Gajger-Milerov brojač ........................................................................................10 2.3.3 Vilsonova komora ..............................................................................................10 2.3.4 Scintilacioni brojač .............................................................................................11

3. NEJONIZUJUĆE ZRAČENJE....................................................................................12

3.1 Ultraljubičasto zračenje ............................................................................................13 3.2 Infracrveno zračenje.................................................................................................13 3.3 Lasersko zračenje ....................................................................................................14 3.4 Radiofrekventno zračenje.........................................................................................14 3.5 Električna i magnetska polja niskih frekvencija ........................................................15 3.6 Statička i naizmenična magnetska polja...................................................................16

4. UTICAJ ZRAČENJA NA ČOVEKA.............................................. ..............................16

4.1 Uticaj jonizujućeg zračenja na čoveka......................................................................16 4.2 Uticaj nejonizujućeg zračenja na čoveka..................................................................17

3

1. UVOD Zračenje – radijaciju , predstavlja energija koju čestice materije ili elektromagnetni

talasi usmereno nose kroz prostor, a prodiru kroz čvrstu materiju. Atom se sastoji od pozitivnog atomskog jezgra, u kome se nalaze pozitivno

naelektrisani protoni i neutralni neutroni koji čine gotovo celokupnu masu atoma, i elektronskog omotača u kojem je u neutralnom stanju onoliko neutrona koliko u jezgru ima protona. Unutar jezgra vladaju najsnažnije sile koje su poznate kao nuklearne sile. Pri odreñenim uslovima atomi mogu primiti ili otpustiti jedan ili više elektrona, pa postaju pozitivno, odnosno negativno naelektrisani tj. postaju joni.

Ekscitacija je pojava kod koje, usled dejstva spoljnih faktora, atom prima odreñenu energiju usled čega jedan ili više elektrona prelaze u višekvantno stanje. Vraćajući se u osnovno kvantno stanje, atom emituje energiju u vidu fotona tj. emituje elektromagnetsko zračenje odreñene talasne dužine. Ili, drugačije rečeno, ekscitacija je pojava kada jonizujući zrak pogodi elektron, ali ga samo pomakne iz orbitale niže energetske vrednosti u orbitalu više energetske vrednosti. Atom nije stabilan u pobuñenom (ekscitovanom) stanju pa dolazi do dezekscitacije. Prilikom dezekscitacije elektron se ponovno vraća u ljusku niže energetske vrednost. Pri tome se višak energije emituje, najčešće u obliku svetlosti. Ekscitacija se obično dešava na udaljenim orbitalama, pa je i potencijalna energija pri tome mala, te se izražava u obliku manje prodorne svetlosne energije

Izvori zračenja mogu biti: • prirodni (kosmičko zračenje; elektromagnetno zračenje; radionukleidi zemaljskog

porekla; geomagnetsko itd) • antropološki (radionukleidi nastali pri probnim nuklearnim eksperimentima, rad

nuklearnih objekata, mašine, ureñaji i tehnologije u medicini; mašine, ureñaji i tehnologije u mašinstvu, domaćinstvu itd.)

Spomenuta zračenja, kako prirodnih tako i antropogenih izvora, mogu se podeliti na:

• jonizujuća zračenja • nejonizujuća zračenja

Na slici 1 prikazan je spektar elektromagnetnog zračenja. Izmeñu pojedinih

spektralnih oblasti ne postoje oštre granice.

Slika 1: Spektar elektromagnetnog zračenja

4

2. JONIZUJUĆE ZRAČENJE Jonizujuće zračenje obično se definiše kao ono zračenje koje može izazvati jonizaciju

materije kroz koju prolazi, bilo primarnim dejstvom na samu materiju bilo dejstvom nastale sekundarne radijacije.

Jonizacija je proces prilikom kojeg elektron iz omotača atoma napušta atom usled čega nastane jedan jonski par. Nastaju dva jona, od kojih je jedan pozitivno nabijen, a drugi negativno nabijen. Pozitivan je atom, a negativan je elektron koji je napustio atom. Jonizujuće zračenje prilikom prolaska kroz živu ili mrtvu materiju izaziva jonizaciju ili ekscitaciju atoma ili molekula materije kroz koju zrak prolazi. Elektron koji je dobio energiju od jonizujućeg zračenja, deo energije utroši na raskidanje veze s atomskim jezgrom, a ostatak energije mu služi za kretanje. Prilikom kretanja elektron se sudara sa drugim molekulima izazivajući dalju jonizaciju.

Najčešća podela jonizujućeg zračenja je na: • Korpuskalarno (čestično)

• beta zračenja - β • monohromatsko elektronsko zračenje • alfa zračenje – α • jonsko zračenje • neutronsko zračenje

• Elektromagnetno (fotonsko) • gama zračenje - γ • rengensko (x-zračenje)

Svako jonizujuće zračenje ima svoju energiju koja se izražava u J (džul) ili, stara

jedinica je elektron volt (eV). 2.1 Radioaktivnost Radioaktivnost je spontani proces u kojem se atomsko jezgro, emitujući jednu ili više

čestica ili kvanata elektromagnetnog zračenja, preobražava u drugo jezgro. Prvobitno nije bila poznata priroda zračenja nego se zbirno govorilo o radijaciji pa je ova pojava "raspada" jezgra nazvana radioaktivnost, a jezgra, koja emituju čestice ili zračenje, radioaktivna jezgra ili ispravnije radioaktivni izotopi. Raspadom početnog jezgra, koje se naziva i jezgro roditelj, nastaje novo jezgro, potomak, koje može da ima redni broj Z i/ili maseni broj A različit od jezgra roditelja.

Slika 2: Simbol radioaktivnosti

Atomi s istim brojem protona, a različitim brojem neutrona zovu se izotopi. Izotopi

imaju ista hemijska svojstva, a različitu masu. Izotopi mogu biti: • stabilni • nestabilni (radionuklidi ili radioizotopi)

5

Stabilnost, odnosno nestabilnost jezgra je uslovljena odnosom protona i neutrona. Ukoliko je odnos optimalan, jezgro je stabilno. Npr. jezgro sa 2 protona i 2 neutrona je stabilno jezgro. Pošto se protoni meñusobno odbijaju, prisutnost neutrona uspostavlja ravnotežu u jezgru.

Nestabilni izotopi, odnosno radioaktivni izotopi ili radionuklidi su atomi koji imaju odnos protona i neutrona veći ili manji od odnosa potrebnog za stabilnost. Nestabilni izotopi teže da budu stabilni, a to se postiže radioaktivnim raspadom. Posledica radioaktivnog raspada je menjanje mase i/ili hemijskih svojstava radionuklida uz istovremeno emitovanje jonizujućeg zračenja.

Slika 3: Raspad nestabilnih elemenata

Svi elementi iznad rednog broje 82 (olovo) su nestabilni jer odbojnim silama protona

više nisu dovoljni neutroni kao ravnoteža. Naime, prevelika je koncentracija protona na jednom mestu.

Život svakog radionuklida je ograničen. Vreme poluraspada ili vreme poluživota radioaktivne čestice je vreme potrebno da se 50% prvobitnih čestica raspadne čineći 'stabilne' čestice. Vreme poluraspada je jedinstveno za svaki radionuklid. Kreće se u rasponu od jedne sekunde (helijum, He6, T1/2 = 0.82 s), pa do milijardu godina (U235).

Proces radioaktivnog raspada je egzoterman, dakle praćen oslobañanjem energije. Energijski bilans radioaktivnog raspada najlakše je odrediti pomoću Ajnštajnove relacije za odnos mase i energije.

E = mc2 gde je E energija ekvivalentna masi m, a c brzina svetlosti u vakuumu. U skladu sa

time energija E koja se oslobaña pri radioaktivnom raspadu jednaka je: E = Mrc

2 – ( Mpc2 + Σ Mec

2 )

gde su: Mr masa roditelja, Mp masa potomka i Me mase mirovanja emitovanih čestica.

6

Dakle, osloboñena energija (kinetička i elektromagnetna) jednaka je razlici u masi izmeñu jezgra roditelja i svih proizvoda njegovog raspada. Jedinica za radioaktivnost u SI sistemu je Bekerel (Bq).

2.2 Radioaktivni raspad Radioaktivni raspad je spontana transformacija jezgra nestabilnog izotopa jednog

hemijskog elementa u izotope drugog elementa uz emisiju radioaktivnog zračenja, odnosno α-čestica, β-čestica ili γ-kvanata.

Alfa i beta zraci različito skreću u magnetnom polju (slika 4.), na osnovu čega je zaključeno da je reč o česticama suprotnog naeletrisanja i različite mase. Gama-zračenje ne skreće u magnetnom polju i se odlikuje izuzetnom prodornošću.

Slika 4: Prolazak snopa radioaktivnog zračenja kroz magnetno polje

Slika 5: Vrste zračenja i njihova prodorna moć

Alfa čestice (alfa čestica - jezgro helijuma koje se sastoji iz dva protona i dva

neutrona) imaju pozitivan električni naboj i emituju se iz teških elemenata prisutnih u prirodi kao što su uranijum i radijum, kao i iz nekih veštački proizvedenih elemenata. Zbog njihove relativno velike veličine te čestice se lako sudaraju s materijom i brzo gube svoju energiju. One zbog toga imaju malu sposobnost prodiranja te ih je moguće zaustaviti s prvim slojem kože ili listom papira..

Unutar tela, zbog sposobnosti predavanja celokupne svoje energije na relativno malu udaljenost, alfa čestice mogu uzrokovati veće biološke štete od drugih vrsta zračenja. Jonizujuća gustina alfa čestica je 105 jona/cm. Domet u vazduhu im je 2-8 cm, a u tkivu zavisi od energije jonizujućeg zračenja, do nekoliko mikrometara.

7

Slika 6: Alfa raspad Slika 7: Beta raspad

Beta čestice su brzi elektroni izbačeni iz jezgra atoma. Ove čestice su mnogo manje

od alfa čestica i mogu prodirati u vodu ili ljudsko tkivo do dubine od 1 do 2 centimetra. Beta čestice emituju mnogi radioaktivni elementi. Moguće ih je zaustaviti slojem aluminijuma debljine nekoliko milimetara.

Beta minus čestice su zapravo elektroni koji ne potiču iz elektronskog omotača već iz jezgra i imaju negativan naboj. Masa ovih elektrona je 1836 puta manja od mase protona. Domet beta minus zraka u vazduhu, zavisi od energije koju zraci poseduju,. maksimalno je 10 m. Domet u tkivu takoñe zavisi od energije. Obično je to 0.3-0.7, a maksimalno 1 cm. Dakle, domet beta zraka je vrlo mali. Prodornost im je mala, ali znatno veća od alfa zraka. Jonizujuća gustina (JG) beta minus čestica je 100 jona/cm.

Beta plus čestice se stvaraju u jezgru. To su pozitroni, isto kao elektroni, samo s pozitivnim nabojem. Masa im je ista kao i masa elektrona. Domet, u vazduhu, im je 10 m, a specifična jonizacija (IG) 100 jona/cm. Prodornost im je ista kao i kod beta minus čestica.

X zraci su elektromagnetni talasi kratke talasne dužine. Od gama zraka se razlikuju samo po poreklu jer potiču iz orbite. Domet im zavisi od energije koju poseduju. U načelu može biti do 100 m. X zrake emituje elektron kada iz orbitale većeg potencijala prelazi u nižu orbitalu manjeg potencijala.

Gama zraci su elektromagnetni talasi kratke talasne dužine, odnosno fotoni. Gama zraci nemaju masu, a poreklom su iz pobuñenog jezgra. Prema Ajnštajnovoj formuli mogu postati masa (ali onda nemaju brzinu svetlosti). Gama zraci nemaju naboj. Domet im je oko 100 m. Jonizujuća gustina (JG) gama zraka je 1 jon/cm (mala), a prodornost je velika.

Zbog razlike u jonizujućoj gustini (JG) ista količina zračenja alfa zraka dovešće do 20 puta teže posledice od iste količine gama zraka. Drugom rečima, po cm preñenog puta stvoriće se 105 puta više jona i potrošiti 105 puta više energije, ali će se pre zaustaviti.

Fuzija je nuklearni proces u kome se dva lakša jezgra kombiniju da bi se stvorilo jedno, teže jezgro. Primer fuzije, koji je veoma važan za termonuklearno oružje i u budućnosti za nuklearne reaktore, je reakcija izmeñu dva različita vodonikova izotopa da bi se stvorio izotop helijuma:

Slika 8: Primer fuzije vodonikovog atoma

Ova reakcija oslobaña količinu energije koja je više od milion puta veća od one koja

se dobija običnom hemijskom reakcijom. Takva velika količina energije se u procesu fuzije oslobaña kada se dva laka jezgra spoje. Pri tom spajanju nastaje jezgro čija je masa manja od zbira masa početnih jezgara. Iako je fuzija energetski pogodna reakcija za lakša jezgra, ne može se dogoditi pod normalnim uslovima na Zemlji jer je potrebno utrošiti veliku količinu energije. Zbog toga što su oba jezgra, koja ulaze u reakciju, pozitivno

8

nabijena, dolazi do jakog elektrostatičkog odbijanja kada se spajaju. Samo kada se veoma jako stisnu jedno blizu drugog, oseti se uticaj jakih nuklearnih sila, koje mogu nadjačati ove elektrostatičke sile i izazvati sjedinjavanje jezgara.

Reakcije fuzije se odvijaju već milijardama godina u svemiru. Fuzija je proces koji se dogaña na zvezdama, kao što je Sunce. Kad god osetimo toplotu Sunca ili vidimo njegovu svetlost, mi ustvari posmatramo proizvod fuzije. Svi znamo da sav život na Zemlji postoji upravo zato što se pomoću Sunčeve svetlosti proizvodi hrana i greje Zemlja. Prema tome, može se reći da je fuzija osnova našeg života.

Slika 9: Proces fuzije

Danas se istražuje proces fuzije sa nadom da ćemo uskoro biti u prilici da

kontrolišemo proces fuzije sa ciljem da se proizvede tzv. čista, jeftina energija. Da bi došlo do fuzije moraju postojati:

• atomi lakih elemenata; deuterijum, tricijum, helijum..., • ekstremno visok pritisak, • ekstremno visoke temperature.

Fisija je nuklearni proces u kojem se teška jezgra razdvajaju na dva manja jezgra.

Primer fisije, koji je iskorišten u izradi atomske bombe i koji se još uvek koristi u nuklearnim reaktorima je:

Slika 10: Proces fisije

Produkt koji nastaje ovom reakcijom je samo jedan od mogućih oblika. Fisijom može

nastati bilo koja kombinacija lakših jezgara, sve dok zbir protona i neutrona u novonastalim jezgrima ne prelazi broj u početnom jezgru. Kao kod fuzije, velika količina energije se može osloboditi u procesu fisije zato što zbir masa lakših jezgara (produkata) iznosi manje od mase jezgra koje je nastalo u procesu fisije. Fisija nastaje zbog toga što se u teškim jezgrima nalazi elektorstatičko odbijanje izmeñu velikog broja pozitivno nabijenih protona.

Dva manja jezgra imaju manje unutrašnje odbijanje od jednog većeg jezgra. Tako da, jednom kada veće jezgro bude u stanju da savlada jaku nuklearnu silu, koja ga drži u jednom komadu, može stupiti u proces fisije. Fisija se može razumeti i kao borba izmeñu jake privlačne nuklearne sile i odbojne elektrostatičke sile. U reakciji fisije, pobeñuje elektrostatičko odbijanje.

9

2.3 Ureñaji za detekciju radioaktivnog zra čenja Radioaktivno zračenje može se indirektno registrovati pomoću posebnih ureñaja -

detektora. Postoji više vrsta detektora od kojih su najpoznatiji jonizaciona komora, Gajger-Milerov brojač, Vilsonova komora i scintilacioni brojač.

2.3.1 Jonizaciona komora

Jonizaciona komora (slika 11) sastoji se iz posebnog suda u kojem se nalaze dve

elektrode uključene na visok napon. U sudu se nalazi neki, obično, plemeniti gas. Radioaktivno zračenje koje dospeva u aktivnu zapreminu komore, jonizuje gas, pri čemu se obrazuju joni oba znaka (teški pozitivni joni i laki negativni joni, odnosno elektroni).

Slika 11: Primer jonizacione komore

Pod uticajem jakog električnog polja joni se skupljaju na elektrodama. To uslovljava

pojavu električne struje kroz gasnu sredinu koja se posle pojačavanja registruje mernim instrumentom.

Pomoću jonizacione komore mogu se registrovati alfa i beta čestice

Slika 12: Prinicp rada jonizacione komore

10

2.3.2 Gajger-Milerov broja č Rad Gajger-Milerovog brojača (slika 13) je zasnovan na jonizacionim efektima. On je

veoma pogodan za upotrebu i relativno je jeftin.

Slika 13: Izgled Gajger-Milerovog brojača

Staklen, iznutra posrebren, ili metalni sud cilindričnog oblika ispunjen je nekim

plemenitim gasom pod sniženim pritiskom. Katoda je cilindričnog oblika, a anoda je tanka žica postavljena duž cilindra. Elektrode su priključene na izvor jednosmerne struje, visokog napona, koji obrazuje jako električno polje.

Pri prolasku radioaktivnog zračenja, gas u brojaču se jonizuje. Joni dolaze do elektroda (elektroni na anodu, a pozitivni joni na katodu). Time se strujno kolo u brojaču zatvara i pojavljuje se naponski impuls. Ureñajem za brojanje impulsa ( skaler ) se broje naponski impulsi nastali u odreñenom intervalu vremena. Na osnovu toga dobija se informacija o intenzitetu zračenja. U zavisnosti od vrste Gajger-Milerovog brojača, mogu se detektovati λ, β i γ-čestice.

2.3.3 Vilsonova komora

Engleski fizičar Vilson (Wilson) prvi je 1912. godine konstruisao ovaj ureñaj (slika 14).

Aktivna sredina komore je zasićena para, najčešće vode, helijuma, azota ili argona. Izvor radioaktivnog zračenja postavlja se unutar aktivne sredine. Naglim povećanjem pritiska para se prvo sabije, a zatim smanjivanjem pritiska dolazi do širenja pare, pri čemu se temperatura pare snižava i ona prelazi u prezasićeno stanje. Takva para se lako kondenzuje u tečnost.

Prilikom prolaska samo jedne alfa-čestice, obrazuju se hiljade pari jona, koji postaju centri kondenzovanja pare. Na taj način se formiraju kapljice tečnosti, koje obrazuju tragove koji su vidljivi golim okom. Na isti način nastaje i vidljivi trag pare iza aviona na velikim visinama, samo što, u tom slučaju, čestice prašine dovode do stvaranja pare.

11

Slika 14: Originali izgled Vilsonove komore iz 1912. godine

2.3.4 Scintilacioni broja č

Rad ovog detektora (slika 15) je zasnovan na svojstvu supstance da pod uticajem

radioaktivnog zračenja emituje sintilaciju (svetlucanje) malog intenziteta.

Slika 15: Izgled scintilacionog brojača

Pri prolasku kroz supstancu, naelektrisane čestice uzrokuju jonizaciju i prelazak

atoma u normalno (osnovno) stanje, pri čemu atomi ispuštaju vidljivu svetlost u obliku svetlucanja. Svetlosni signali se zatim pretvaraju u električne impulse. Na osnovu broja i amplitude tih impulsa odreñuju se intenzitet i energija radiaktivnih čestica. Pomoću scintilacionog brojača registruju se brzi elektroni i gama-fotoni.

12

3. NEJONIZUJUĆE ZRAČENJE U priručniku "Environmental Health Criteria 137" (WHO, Geneva, 1993) nejonizujuće

elektromagnetsko zračenje se definiše kao pojava koja objedinjava zračenja i elektromagnetska polja koja nemaju dovoljno energije da prouzrokuju jonizaciju materije (raspadanje molekula na jone). Ova zračenja imaju energiju fotona manju od 12 eV, talasnu dužinu veću od 100 nm i učestalost nižu od 300 THz.

Pri relativno niskim frekvencijama uobičajeno je da se elektromagnetski talasi označavaju prema frekvencijama, a pri visokim frekvencijama, prema talasnim dužinama. Odnos izmeñu talasne dužine i frekvencije može se predstaviti jednačinom:

f

c=λ

gde λ predstavlja talasnu dužinu izraženu u metrima, c - brzinu prostiranja svih

elektromagnetskih talasa izraženu u metrima u sekundi (3xl08 m/s), a f - frekvenciju izraženu u hercima (Hz).

Celokupan spektar svih fotona, odnosno, sveukupnog elektromagnetskog zračenja prikazan je u tabeli 1.

Vrsta zračenja Frekvencija Talasna dužina Energija fotona Jonizujuće zrač. >300 THz <100 nm > 12,40 eV UV zračenje 3000-750 THz 100-400 nm > 12,40-3,10 eV Vidljiva svetlost 750-385 THz 400-780 nm 3,10-1,59 eV IC zračenje 385-0,3 THz 0,78-1000 µ m 1590-1,24 meV Radiofrekv. zrač. 300 GHz-3 kHz 1 mm-100 km 1,24 meV-12,4 peV ELF freknvencije <0,3 kHZ >1000 km <1,24 peV

Tabela 1: Frekvencije talasnih dužina i energije pojedinih vrsta elektromagnih zračenja Primer: ako je fekvencija talasa 300 Hz, talasna dužina biće:

kmmHz

sm000 1000 000 1

300

/ 000 000 300 ===λ

Koristeći istu jednačinu nalazimo da, na primer, frekvencija od 60 Hz ima talasnu

dužinu od 5000 km, a frekvencija talasa od 300 gigaherca (GHz), talasnu dužinu od 1 mm. S druge strane, bitno je istaći korelaciju izmeñu energije E fotona i frekvencije f, odnosno, talasne dužine:

λc

hfhE =⋅=

gde je h vrednost Plankove konstante. U zavisnosti od talasnih dužina, odnosno frekvencija, nejonizujućim zračenjima su

obuhvaćeni: • ultraljubičasto zračenje, • vidljiva svetlost, • infracrveno zračenje, • radiofrekventno zračenje i • elektromagnetska polja krajnje niskih frekvencija.

13

Jedan deo spektra nejonizujućih zračenja (ultraljubičasto zračenje, vidljiva svetlost i infracrveno zračenje) može da se manifestuje i u obliku koherentnih snopova zračenja (kvantni generatori - laseri), i u tom slučaju oni predstavljaju nosioce energije čija koncentracija može da bude vrlo značajna.

U okviru zaštite od zračenja, iz čisto pragmatičkih razloga, u nejonizujuća zračenja uključena su i elektrostatička i magnetostatička polja.

Iako ne pripadaju elektromagnetskom zračenju ovde su, u okviru nejonizujućih zračenja, razmatrani i mehanički ultrazvučni talasi, zbog svojih bioloških efekata i problema zaštite, koji su vrlo slični onima kod elektromagnetskog zračenja.

3.1 Ultraljubi často zra čenje Ultraljubičasto zračenje čini deo elektromagnetskog spektra koji se nalazi izmeñu

vidljive svetlosti i X – zračenja, najvećih talasnih dužina od 400 nm do 100 nm. Ovo zračenje kao i ostali elektromagnetni talasi, prostire se u homogenoj sredini i u vakumu pravolinijski, brzinom svetlosti.

Jedini prirodni izvor je Sunce. Od celokupne sunčave energije UV – zračenju pripada 9%. Veštački izvori UV – Zračenja mogu se podeliti u tri grupe: 1) električni luk, 2) usijana tele i 3) kvantni generatori ili laseri.

Ultraljubičasti zraci našli su svoju mnogostruku primenu u mnogim oblastima industrijske proizvodnje, nauke, tehnike, medicinske kozmetike. Njihova najvažnija primena je u proizvodnji svetlosti pomoću fluroscentnih lampi.

U mašinstvu UV zraci se koriste za razne vidove elektrozavarivanja, za elektrofizičku obradu metala prilikom korišćenja luminiscentnih metoda defektoskopiji, u prehrambenoj, hemijskoj, farmaceutskoj industriji. Njihovo baktericidno i germicidno dejstvo koristi se u sterilizaciji hrane, vazduha i vode. Korištenjem Voltinog luka u atmosferi živine pare (kvarc lampa), emituju se ultraljubičasti zraci koji predstavljaju moćan instrument za dezinfekciju vazduha, vode i čvrstih površina.

U medicini se koriste za lečenje nekih kožnih oboljenja, kao što su psorijaza, akne, reumatizam itd. Danas se UV zračenje primenjuje i u kozmetici.

Veoma važan biološki aspekt UV-zraka je sposobnost da proizvede vitamin D. U poslednje vreme se UV-zraci primenjuju sve više kod kvantnih generatora – lasera

koji su svoju mnogostruku primenu našli u industriji, tehnici, telekomunikacijama, medicini itd.

3.2 Infracrveno zra čenje U spektru elektromagnetnog zračenja infracrveni (IC) zraci nadovezuju se na crvene

zrake vidljive svetlosti i obuhvataju oblast talasnih dužina od 780 nm do 1.000.000 nm (1mm). Glavni efekat ovih zraka je termički zbog čega se i nazivaju toplotnim zracima, a zbog mesta na kome se nalaze u spektru još se nazivaju i IC zracima.

Izvori IC zraka su prirodni i veštački. Najveći prirodni izvori prestavlja Sunce. Gotovo polovina solarne svetlosti pripada IC zračenju, druga polovina vidljivoj svetlosti, dok se mali deo emituje u obliku ultraljubičastog zračenja. Veštački izvori mogu da budu sva zagrejana i usijana tela u čvrstom, tečnom i gasovitom stanju. Najveći veštački izvori su visoke peći, svi izvori u stanju usijanja ili topljenja, električni luk, usijana električna vlakna, otvorena ložišta vatre, vreli gasovi i para, kao i laserski ureñaji i ureñaji koji emituju IC zračenje.

Primena IC zračenja je mnogostruka. Mnogi kompleksni molekuli apstrahuju energiju ovog zračenja odreñenih talasnih dužina i ta njihova odlika omogućuje brzu identifikaciju raznih materija na principu IC-spektrofometra bez upotrebe hemijskih sredstava ili se pirometrom sakuplja i meri zračenje odreñenog objekta da bi se odredila njegova

14

temperatura. Toplotna energija IC-zračenja koristi se u industriji za sušenje i pečenje boja, lakova, grnčarije za dehidraciju tekstila, kože i slično.

U medicini se koristi tehnika tzv. termografije za zagrevanje ograničenih delova tela (infracrvene lampe).

3.3 Lasersko zra čenje Laserko zračenje je intezivno monohromatsko, koherentno i strogo usmereno

elektromagnetno zračenje u delu spektra MT, IC, vidljive svetlosti i UV dela spektra. Realizuje se u ureñaju koji se naziva laser. Emisija lasera može biti u kontunualnim talasima ili impulsnim talasima.

Snaga može da bude reda veličine milivata do veličine gigavata po jedinici površine za kontinualne lasere, odnosno milidžula do gigadžula po jedinici površine za implusne lasere.

Veliki intezitet energije i koherentnost laserskog snopa omogućili su njegovu primenu kako u medicini, stomotologiji, biologiji, industriji, tehnici, telekomunikacijama i u mnogim drugim oblastima.

U mašinskoj industriji laseri se koriste za sečenje i zavarivanje metala čija svojstva ne smeju da se menjaju u zoni obrade; u elektronskoj industriji za spajanje minijaturnih delova. Pomoću laserskog snopa moguće je napraviti otvor prečnika 10-30 nm. Zbog visoke usmerenosti snopa laseri se upotrebljavaju za održavanje pravca i visine sa velikom preciznošću, što se naročito koristi u grañevinarstvu, mostogradnji, brodogradnji itd.

3.4 Radiofrekventno zra čenje Radiofrekventno zračenje (RF) čini deo elektromagnetnog spektra čije se talasne

dužine kreću od oko 100 km (vrlo dugi talasi) do jednog milimetra (granica IC-zračenja). Obuhvataju opseg frekvencija od 300 GHz. Prema jednoj drugoj, široko prihvaćenoj koncepciji, frekvencija RF obuhvata vrednosti od 100 KHz do 300 GHz. U tabeli 2 je prikazana njihova podela i primena.

Životna sredina izložena je radiofrekventnom zračenju iz prirodnih i veštačkih izvora. Radioaktivno zračenje iz prirodnih izvora obuhvata veliku oblast frekvencija, pri čemu značajan deo toga zračenja čini zračenje koje emituje Sunce i galaksija. Radiofrekventna zračenja mogu da stvaraju i prirodni električni fenomeni, kao što su električna pražnjenja u atmosferi. Veštački izvori su mnogobrojni i u neprestanom su razvoju. U zavisnosti od gustine odgovarajućih frekvencija dele se na : izvore velike i izvore male snage. Izvorima velike snage smatraju se : radio i TV-odišiljači; radari; radarski teleskopi itd. Izvorima male snage smatraju se npr.: policijski radari ili relejni mikrotalasi; radari koji se koriste u kablovskoj televiziji; mikrotalasne peći koje se koriste u domaćinstvu.

15

Naziv opsega

Oznaka opsega

Opseg učestalosti

Talasna dužina

Područje primene

Vrko niske frekvencije VLF 3 do 30

kHz 100 km do 10 km

U radionavigacionim sistemima, pomo-rskim komandnim sistemima i u meñuko-ntinentalnim radio-telegrafskim službama.

Niske frekvencije LF

30 do 300 kHz

10 km do 1 km

U radionavigacionim sistemima, radio-emisijama i radiokomunikacijama. U elektrotermiji (zagrevanju, topljenju, kaljenju i lepovanju metala) koristi se indukciono zagrevanje u vrlo širokom frekventnom opsegu, ali se najčešće koriste frekvencije do oko 10 Hz.

Srednje frekvencije MF 300 do

3000 kHz 1 km do 100 m U pomorskoj radiotelefoniji i nekim radioemisijama.

Visoke frekvencije HF

3 do 30 MHz

100 m do 10 m

Ima vrlo veliku primenu u industriji, u ureñajima za dielektrično zavarivanje. Ti ureñaji se koriste za zagrevanje i sušenje: drveta, tekstila, životnih namirnica, za zagrevanje i lepljenje plastičnih masa, za vulkanizaciju gume i sl. Takoñe se koristi i za polimerizaciju, kratkotalasnu dijatermiju, kao i u radioemisijama i radioastronomiji.

Vrlo visoke frekvencije VHF 30 do 300

MHz 10 km do 1 km

U mnogim industrijskim granama, zatim u televiziji VHF, radionavigaciji, vazdušnoj kontroli saobraćaja i korišćenju radara. U medicinskoj dijagnostici koristi se u ureñajima za magnetnu rezonancu.

Ultravisoke frekvencije UHF 300 do

3000 MHz 1 km do 10 cm

U UHF televiziji, komunikacionim sistemima u radionavigaciji, tele-komunikacijama, meteorološkim radarima, mikrotalasnoj dijatermiji, mikrotalasnim pećima, telemetriji i prehrambenoj industriji.

Supervisoke frekvencije SHF 3 do 30

GHz 10 cm do 1 cm

U satelitskim komunikacijama, altimetrima, transmisiji TV-slika sa kosmičkih brodova, brodskim i vazduhoplovnim navigacionim radarima.

Ekstravisoke frekvencije EHF

30 do 300 GHz

1 cm do 1 mm

U radiometeorologiji, istraživanju kosmosa, nuklearnoj fizici i tehnologiji i satelitskim komunikacijama. U budućnosti se očekuje ekspanzija brojnih sistema koji će funkcionisati u ovom opsegu frekvencija.

Tabela 2: Radiofrekventno zračenje – podela i primena 3.5 Elektri čna i magnetska polja niskih frekvencija Elektromagnetno polje je jedinstveno, ipak, u slučaju polja nižih frekvencija,

električno i magnetno polje se mogu posmatrati odvojeno. Nešto više pažnje se poklanja magnetnim poljima jer je prodornost magnetnog polja veća a zaštita od magnetnih polja komplikovanja od električnih.

ELF polja (ELF - skraćenica od Extremly Low Freguency) emituju zračenja čije su frekvencije izmeñu 30 i 300 Hz. Talasne dužine tih polja su reda više hiljada kilometara.

Izvori električnih i magnetnih polja ELF frekvencija dele se na prirodne i veštačke. Prirodna električna polja sačinjavaju stacionarno polje i alternirajuća polja. Stacionarno polje se nalazi u blizini Zemljine površine i nastaje od električnog naboja koji postoji izmeñu аtmosfere i tla. Njegova vrednost se smanjuje sa povećanjem visine. Alternirajuća električna polja su u vezi sa olujnim pražnjenjem i magnetskim pulzacijama koje stvaraju struju iz Zemljine unutrašnjosti (telurske struje). Jačina Zemljinog električnog polja zavisi od dnevnih i godišnjih promena i prostire se u opsegu frekvencije od 0,001 Hz do 5 Hz. Lokalne varijacije zavisiće od atmosferskih uslova i varijacija u magnetnom polju.

Polja niskih frekvencija nastaju pri proticanju električne energije kroz provodne (mrežne) sisteme kao što su: transformatorska postrojenja, dalekovodi, sistemi i postrojenja vrlo visokog napona, električni vodovi, električni aparati i rasvetna postrojenja,

16

industrijske električne mašine. Moderne železnice (elektrifiricirane železnice i železnice na magnetnom jastuku – MAGLEV) generišu u svojoj blizini zavisno od opterećenja i vrste voza, magnetska polja najvećim delom (80%) frekvencije 2 do 45 Hz. Polja koja potiču od elektrificirane železnice imaju intezitet sličnog reda veličine kao polje mrežnih frekvencija, ali je spektar frekvencija znatno izmenjen.

3.6 Stati čka i naizmeni čna magnetska polja Magnetska polja postoje svuda gde postoji proticanje električne struje. Statičko

magnetsko polje se stvara oko permanentnog magneta ili nastaje pri proticanju jednosmerne struje. Neizmenično polje proizvode izvori neizmenične struje do 300 Hz, a mogu se odnositi i na krajnje niske frekvencije ili ELF magnetska polja.

Izvori magnetskih polja mogu da budu prirodni i veštački. Prirodne izvore čine magnetska polja Zemlje: unutrašnja i spoljašnja. Zemlja predstavlja ogromni magnet sa dva suprotna pola. Ovo polje je slabo, ali obuhvata veliku zapreminu. Spoljašnja polja ciklički se manjaju svakih jedanest godina, a uzrokovana su prvenstveno pojavom Sunčanih pega. Ostale uzroke predstavljaju olujna pražnjenja i promene u gornjem slojevima atmosfere. Veštački izvori statičkih i neizmeničnih magnetnih polja, najčešće imaju znatno veće intenizitete polja. U industrijskoj primeni dejstvo jakih magnetnih polja ispoljava se pri indukcionom zagrevanju metala (indukacione peći u livnici), u operacijama lemljenja (kalaja, srebra, bakra, bronze), kod zavarivanja metalnih cevi; kaljenja, topljenja (zlato, platina, uranijum) u procesima elektrolize itd. Primenjene frekvencije idu od 50 Hz do više MHz. Slabo dejstvo magnetnih polja ispoljava se u radu pojedinih električnih aparata koji se koriste u domaćinstvu, kao što su: aparat za brijanje, fen za kosu, usisivač za prašinu, mikseri, tosteri i sl. Naizmenična magnetna polja našla su svoju primenu i u medicini, prvenstveno u stimulaciji za lečenje rana, rasta i zarastanja kostiju.

Postoji više načina interreagovanja statičkih i naizmeničnih polja sa živom materijom. Najvažniji su magnetska indukcija (elektromagnetska interakcija sa pokretnim elektrolitama i Faradejeva struja) i magnetomehanički efekti. Statička polja izazivaju dva tipa magnetnomehaničkih efekata na biološkim sistemima: magnetoorjentacija i magnetomehanička translacija. Metoda magnetnomehaničke translacije, našla je svoju primenu za ekstrakciju stranih tela koja u svom sastavu sadrže feromagnete.

4. UTICAJ ZRAČENJA NA ČOVEKA

4.1 Uticaj jonizuju ćeg zračenja na čoveka

Jonizujuća zračenja u životnoj sredini deluju na živu materiju tako što izazivaju

promene na ćelijama, koje mogu biti prolazne, stalne ili takve da dovedu do smrti ćelije. Svi ovi efekti, koji se odigravaju na ćelijskom nivou, mogu se manifestovati na nivou tkiva, organa ili organizma. Postoje različiti efekti koje izaziva jonizirajuće zračenje kod ljudi i makroskopski posmatrano može se napraviti podela na: trenutne, odložene i genetske efekte.

S obzirom na sve gore nabrojane neželjene efekte koje jonizirajuće zračenje može izazvati, ono predstavlja jedan po zdravlje ljudi opasan agens, tako da se u radu sa izvorima jonizirajućeg zračenja mora voditi računa o zaštiti (radiološka zaštita).

Osnovni principi zaštite od jonizirajućeg zračenja su: • fizički principi zaštite (rastojanje od izvora i merne tačke, upotreba paravana izmeñu

izvora zračenja i merne tačke, vreme provedeno u zoni zračenja, • pridruživanje odreñenih tehnoloških mera.

17

Radiološka zaštita i sigurnost kod mašinskih sistema, mašina, ureñaja i aparata, naročito izotopskih, je veoma značajna. U svrhu kontrole parametara na njima se danas koriste monitorski sistemi pomoću koji se kontroliše nivo njihove radijacije u životnoj sredini.

Dejstvo elektromagnetnih polja sa aspekta zaštite životne sredine može se posmatrati sa dva aspekta:

• Dejstvo elektromagnetnih izvora na električne ureñaje ili elektromagnetne smetnje koje generišu pojedini izvori (ureñaji).

• Uticaj elektromagnetnih polja na žive organizme – biološki efekti.

4.2 Uticaj nejonizuju ćeg zračenja na čoveka Situacija je manje složena kada je u pitanju dejstvo elektromagnetnih zračenja na

električne ureñaje tj. analiza elektromagnetnih zračenja koje generišu pojedini ureñaji, ali je izuzetno komplikovana kada se radi o biološkim efektima.

Najizraženi biološki efekati javljaju se na koži i organima vida, jer je prodorna moć UV zraka mala. Neki autori smatraju da je sunčevo zračenje jedini faktor koji izaziva rak kože. Bitno je napomenuti da meñu licima koja su bila profesionalno izložena veštačkim izvorima UV – zračenja, nije registrovan ni jedan slučaj raka kože (Matelsky, 1979). Akutna ekspanzija oka ovim zracima dovodi do pojave fotokeratokonjuktivitisa, poznatog kao ''snežno slepilo''. Od ove bolesti koja traje dva - tri dana, obično bez posledica, najčešće oboljevaju radnici zaposleni na zavarivanju, radeći sa veštačkim izvorima UV zraka, ako rade bez zaštitne opreme.

U radu sa veštačkim izvorima, zaštita od štetnog dejstva UV-zračenja se postiže i postavljenjem odgovarajućih ekrana ispred izvora zračenja i nošenjem naočara sa odgovarajućim filterom, povećanjem rastojanja od izvora zračenja i obezbeñenje dobre ventilacije kada UV zraci kratkih talasnih dužina (UV-C dela spektra) mogu da izazovu stvaranje štetnih gasova.

Lasersko zračenje u intrakciji sa živom matrijom ima više efekata: termički, termo-akustički, foto hemijski i električki.

Najugroženiji organi i tkiva na kojima lasersko zračenje ispoljava svoje štetno dejstvo su oko i koža, a zatim krvni sudovi, nervno i mišićno tkivo.

Štetni biološki efekti koje izaziva rad sa izvorima laserskog značenja mogu biti primarni i sekundarni. Tokom rada sa laserskim ureñajima preduzimaju se odgovarajuće mere zaštite kojima treba da se onemogući direktna ekspozicija laserskog snopa.

Regionalne standarde u ovoj oblasti za Evropu izrañuje CENELEC (CEC) podkomitet SC 111. Prema ovom standardu efekti električnog ili magnetnog polja se definišu kao:

• Direktni (pokreti kose, nadražaj nervnog i mišićnog tkiva) • Indirektni (nedovoljna koncetracija mišića, teškoće sa disanjem, fibrilacija srca)

Utisak je da standardi uvažavaju navedene efekte dok dugoročni biološki efekti nisu

uzeti u obzir. Biološki efekti ne moraju nužno rezultovati zdravstvenim efektima, ali su svakako njihova osnova. Opasnost po zdravlje, prema mišljenju najvećih stručnjaka, bi, čini se, trebalo definisati kao promenu u funkcionisanju ćelija-organa-organizma. Takva promena može da bude:

• ireverzibilna - nepovratna (letalna npr. karcinom; neletalna sa hronicnom posledicom npr. katarakta, sterilitet)

• reverzibilna (glavobolja, vrtoglavica, razdražljivost, pospanost, koštane izrasline, aberacija hromozoma).

18

U ovom trenutku se još vode polemike koje od parametara je potrebno pratiti kada se posmatra uticaj elektromagnetnih polja na biološke sisteme i čoveka. Savremena nauka nije dala definitivan odgovor na pitanja da li biološki efekat zavisi od jednog ili više faktora, kao što su intenzitet polja; - snaga, kumulativni iznos produkta polja - vreme; da li je značajna polarizacija polja; kritični opsezi u intenizitetu itd.

Nauka to za sada ne može da potvrdi egzatnim metodama i zato izbegava da potvrdi postojanje sprege izmeñu štetnog elektromagnetnog zračenja i našeg zdravlja (rak, nesanica i mnoga druga oboljenja).

Mere zaštite obuhvataju: tehničke, medicinske, administrativne. Tehničke mere: sniženjem intenziteta zračenja; primenom specijalnih ekrana oko izvora zračenja; smanjenje rastojanja od izvora zračenja upravljanjem tele-komandom; skraćenje vremena ekspozicije; korišćenje specijalnih odeća, naočara itd.

Što se tiče bioloških efekata ELF polja kao i mera zaštite situacija je ista kao i kod radiofrekventnih zračenja

Biološki efekti statičkih i naizmeničnih magnetnih polja privlače pažnju mnogih istraživača. Kada su u pitanju neki konkretni rezultati i zaključci, situacija je slična kao i kod radiofrekventnih zračenja i zračenja električnih i magnetnih polja krajnje niskih frekvencija.

Profesionalna ekspozicija najčešće je u industriji u pogonima u kojima radnici rade u blizini intezivnog toplotnog zračenja (livnice, visoke peći, valjaonice, topionice, kotlarnice). Intezivnom IC-zračenju izloženi su radnici u industriji stakla, u industrijama u kojima se vrši sušenje boja i lakova, dehidraciji kože, tekstilne hartije itd. Po prirodi svog posla, štetnom dejstvu IC zračenja mogu biti izloženi vatrogasci, operatori kvantnim generatorima velike snage itd.

Biološki efekti IC zračenja su isključivo termičkog karaktera. Oni mogu biti lokalni i opšti. Lokalni se ispoljavaju prvenstveno na koži (opekotine i hronična oštećenja) i na organima vida (katarakta), dok opšti efekti nastaju kao posledica dejstva IC zračenja Sunca i ispoljavaju se u obliku sunčanice.

Prevencije oštećenja IC-zračenja može se postići: rastojanjem od izvora zračenja; smanjenjem temperatura izvora zračenja; postavljanjem zaštitnih ekrana; ličnim zaštitnim sredstvima i skraćenjem vremena ekspozicije