Promieniowanie i

ludzki organizm

Jerzy W. Mietelski

Zakład Fizykochemii Jądrowej Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego PAN

30-147 Kraków, Radzikowskiego 152

Mitologizacja radioaktywności

Lęk przed promieniowaniem (po 1945!)

Niewykrywalność zmysłami – podstępny

morderca

Spektakularność wybuchu bomby A –

bezwzględny, brutalny morderca

Lecz również

70 lat pokoju (globalnie)

Rodzaje rozpadów

272 jądra stabilne, > 3000 niestabilne (radioaktywne)!

Radioaktywność=przemiana jądra z emisją promieniowania

Typy rozpadu:

Alfa (emitowane jądra helu) – rozpad klastrowy

Rozszczepienie (rozpad jądra na dwa mniejsze,

emitowane neutrony)

Beta (emitowane elektrony i neutrina)

Przejście izomeryczne (emitowane kwanty

promieniowania gamma)

Powstałe po rozpadzie nowe jądro często emituje

promieniowanie gamma

Mapa jąder atomowych

Prawo rozpadu

NT

Nt

NA

2/1

2ln

A – AKTYWNOŚĆ; [Bq] – bekerel

Stała rozpadu, czas połowicznego zaniku

)()( tNdt

dNtA

Prawo rozpadu

Obejmuje wszystkie rodzaje rozpadów

Ma charakter statystyczny

Każde jadro danej substancji radioaktywnej ma stałe w

czasie prawdopodobieństwo rozpadu

Zdarzenia te (rozpady jąder) są całkowicie niezależne

Stąd wprost wynika, że:

Liczba zachodzących rozpadów jest proporcjonalna do

liczby istniejących jąder

Prawo rozpadu – rozwiązanie najprościej

)/( 2/12)(Tt

oNtN

0 2 4 6 8 100

1

2

3

nT1/2

A

Rozpad alfa 1. Mechanizm (efekt tunelowy):

Rozpad beta Zachodzi na poziomie kwarkowym

A. Rozpad beta minus

1

Rozpad beta B. Rozpad beta plus

1

Rozpad beta C. Wychwyt elektronu (EC)

1

Rozpad sekwencyjny - równowaga promieniotwórcza lub jej brak

Jeśli pochodne jądro (Y) też jest radioaktywne

Ogólne rozwiązanie (2 nuklidy)

yyxx

yNN

dt

tdN

)(

A t A e e A ey xy

y x

xt yt

yyt( ) ( ) ( ) ( )

0 0

Rozpad sekwencyjny - równowaga promieniotwórcza lub jej brak

Jeśli pochodne jądro (Y) też jest radioaktywne

Ogólne rozwiązanie (2 nuklidy) przy Ay(0)=0

yyxx

yNN

dt

tdN

)(

A t A e e A ey xy

y x

xt yt

yyt( ) ( ) ( ) ( )

0 0

Szczególne przypadki (I)

1. Układ długożyciowy – krótkożyciowy

Ostatecznie:

Krótkożyciowy narasta zgodnie ze swoim T1/2 a

potem rozpada się z T1/2 długożyciowego

Równowaga promieniotwórcza

x y

y

y x

1

)1()0()(t

xyyeAtA

0 50 100 150 200 250 3000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

238U,

234U

230Th

rela

tive

act

ivity

(n

ot to

sca

le)

time after separation [ky]

Szczególne przypadki (II)

Zbliżone stałe rozpadu

Powstaje tzw. równowaga przejściowa

x y

y

y x

1

A t

A te

y

x

y

y x

tx y( )

( )( )

( )

1

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

228Th

228Ra

rela

tive a

ctiv

ity (

not to

sca

le)

time after separation [y]

Ogólny przypadek – równania Batemana (uproszczony - zerowe aktywności pochodnych w t=0)

CNN N N

M

M N

1

1

2

2

3

3

CN

M

M1

1

1

2

2 1

3

3 1 1

CMM M M

M

N M

1

1

2

2

3

3

N t N C e C e C e C eNt t

Mt

NtM N( ) ( .... ),

1 0 1 2

1 2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

232Th

228Th

228Ra

rela

tive a

ctiv

ity (

not

to s

cale

)

time after separation [y]

Rodzaje promieniowania jądrowego - widma

(jonizujące)

ALFA = jądra helu (2p+2n) - widmo liniowe

BETA = elektrony (e-) lub pozytony (e+) – widmo

ciągłe

GAMMA = fotony – widmo liniowe

+INNE CZ. NAŁADOWANE

(niejonizujące)

NEUTRONY , NEUTRINA

Widma gamma – typowa gleba

Oddziaływanie promieniowania z materią

1. Fotony – wzbudzenie (np. scytnylacje) lub

jonizacja:

Zjawisko (efekt) fotoelektryczny

Zjawisko (efekt) Comptona

Zjawisko (efekt) tworzenia (kreacji, produkcji) par

Opis ilościowy oddziaływania fotonów z materią

Nie ma określonego zasięgu, strumień maleje

wykładniczo z odległością

x-odległość (głębokość w materiale), - calkowity

liniowy współczynnik pochłoniania, I(x) – strumień

promieniowania gamma na głębokosci x, Io –

strumień bez pochłaniania (inicjalny).

)exp()( xIxI o

Opis ilościowy oddziaływania fotonów z materią (III) Całkowite osłabienie strumienia jest addytywną funkcją trzech

procesów:

Związki wartości współczynników pomiedzy różnymi

materiałami:

pcf

4

2

1

12

21

2

1

Z

Z

A

A

f

f

2

1

12

21

2

1

Z

Z

A

A

c

c

2

2

1

12

21

2

1

Z

Z

A

A

p

p

Opis ilościowy oddziaływania fotonów z materią (II) Wartosci całkowitego współczynnika liniowego pochłaniania fotonów

dla różnych materiałow i różnych energii fotonów [1/cm]

E [keV] H2O Al Fe Pb

100 0.167 0.435 2.704 59.99

400 0.106 0.2489 0.7223 2.359

1000 0.0706 0.1658 0.4677 0.7757

2000 0.0493 0.1166 0.3333 0.5182

8000 0.0240 0.0651 0.2319 0.5205

Oddziaływanie promieniowania z materią – cząstki naładowane

Ciężkie: cząstki alfa, protony itp.

Niesprężyste zderzenia (jonizacja, wzbudzanie)

Prawie stała utrata energii na jednostce drogi, na końcu pik

Bragga

Określony, ograniczony zasięg (w powietrzu dla 5 MeV

czastki alfa ~5 cm, w ciele stałym rzędu 100

mikrometrów),

Oddziaływanie promieniowania z materią – cząstki naładowane lekkie

Elektrony: niesprężyste zderzenia (jonizacja, wzbudzanie),

emisja promieniowania hamowania (bremsstrahlung –

dominuje pzy energii kilku MeV), promieniowania

Czerenkowa (od v=1/n)…

Szerokie widmo inicjalne – jest zasięg maksymalny ale nie

tak ostro określony jak dla cząstek alfa

Dawki (fizyczna, d. pochłonięta) Dawka=E/m

1Gy (grej) = 1J/ 1kg

Skutek bilogiczny ~ równoważnik dawki

1Sv (siwert) = 1 Gy, dla i

1Sv (siwert) = 1/20 Gy, dla

Drogi narażenia Zewnętrzne (gamma, inne tylko skóra)

Inhalacja (gazy, aerozole – ich średnice AMAD!)

Spożycie (formy chemiczne?)

Naturalne substancje radioaktywne (ok. 60)

T1/2 > 500 mln lat (238U, 235U, 232Th, 40K, 147Sm, 87Rb....)

W przeszłości - reaktor w Oklo (Gabon)!

Pochodne ich rozpadów (234U,226Ra, 228Ra, 234Th, 230Th, 222Rn, 220Rn, 210Po, 210Pb....)

{Szeregi U, Th, Ac, (Np)}

Kosmogeniczne (3H,7Be,10Be, 14C, 22Na, 24Na, 26Al, 35S, 36Cl, 129I, ...)

Naturalne typowe poziomy aktywności przykłady:

Izotop Materiał Aktywność [Bq]

14C Człowiek ~2500

40K Człowiek ~2500

40K Mleko, litr 40

40K Gleba, 1 kg 100-1000

238U Gleba, 1 kg 30-100

226Ra Gleba, 1 kg 30-100

7Be Powietrze, m3 ~10-3

222Rn Powietrze, m3 Od

Działalność człowieka zaburzająca poziomy radionuklidów kosmogenicznych – wybuchy jądrowe, przeróbka paliwa itp.

Przykład: udział różnych źródeł w globalnej aktywności 3H, 14C i 85Kr (rok 2000)

Nuklid T1/2

[lat]

Naturalna

zawartość

PBq

Opad

światowy

PBq

Energetyka

jądrowa

PBq

Przeróbka

paliwa

PBq

3H 12.33 1275 22 000 150 150

14C 5730 12 750 213 - -

85Kr 10.76 0.09 ~17 10 4800

Kosmogeniczne radionuklidy (wybrane)

Zmiany tempa produkcji

Zmiany zależne od aktywności Słońca

ODWROTNA PROPORCJONALNOŚĆ !

Zmiany zależne od POLA

MAGNETYCZNEGO Ziemi

ODWROTNA PROPORCJONALNOŚĆ !

Zmiany zależne od natężenia strumienia

promieniowania kosmicznego

Prosta proporcjonalność

Historyczna aktywność Słońca

Dawki od tła (średnie) 3.5 (do niedawna 2.4) mSv/rok (w Polsce)

Radon + pochodne 2.3 mSv (1.2 mSv)

Inne z szeregu U (ponad Rn) 0.02 mSv

Szereg Th 0.34 mSv 40K 0.33 mSv

Prom. kosmiczne +

+kosmogeniczne nuklidy 0.36 mSv

....

+1 mSv/rok średnio od medycyny

Poziomy dawek od skażeń

Wybuchy jądrowe 4.5 mSv (średnia) na 70 lat

(głównie 14C)

Czarnobyl w Polsce (średnia- CLOR) 0.92 mSv

na 70 lat

Ale dodatkowo do 2 mSv/kg suszonych grzybów!

Od tła 3.5 (do niedawna 2.4) mSv/rok

Dawka otrzymana w czasie jednego lotu z Tajwanu do NY

2019-09-20 jerzy.mietelski@ifj.edu.pl 37

2019-09-20 jerzy.mietelski@ifj.edu.pl 38

Dawka - ryzyko