Viri naravne radioaktivnosti - mafija.fmf.uni-lj.simafija.fmf.uni-lj.si/seminar/files/2008_2009/Naravna_radioaktivnost.pdf · Seminar 4 Naravna radioaktivnost 3 Uvod Radioaktivnost

Naravna radioaktivnost

Povzetek: V seminarju so predstavljeni viri naravne radioaktivnosti in načini merjenja radioaktivnih doz. Narejena je primerjava količine sevanja med različnimi sevalci. Prekomerna izpostavljenost sevanju ima lahko za posledico bolezenska obolenja. Predstavljena so tista, ki so lahko posledica izpostavljenosti naravni radioaktivnosti, kot tista, ki jih lahko povzročimo le z umetnimi viri sevanja. Za preprečitev bolezenskih obolenj se pred sevanjem ščitimo. Opisani so najbolj razširjeni primeri ščitenja.

Avtor: Miha Škof Mentor: doc. dr. Andrej Trkov

LJ, 15.4. 2009

Seminar 4

Naravna radioaktivnost 2

Uvod ........................................................................................................................................... 3 Viri naravne radioaktivnosti ....................................................................................................... 3

Kozmično sevanje: ................................................................................................................. 3 Radioaktivnost kozmogenih jeder: ......................................................................................... 4 Samostojna radioaktivna jedra: .............................................................................................. 5 Naravni radioaktivni nizi: ....................................................................................................... 6

Radon: ................................................................................................................................. 6 Radioaktivne rude in njihovi stranski produkti: ..................................................................... 7

Merjenje radiacijske doze ........................................................................................................... 8 Doze v naši okolici ..................................................................................................................... 9 Biološke posledice radioaktivnosti ........................................................................................... 10

Biološki procesi zaradi radioaktivnosti: ............................................................................... 11 Akutni učinki: ....................................................................................................................... 12

Hemopoetični sindrom: .................................................................................................... 13 Gastrointestinalni sindrom: ............................................................................................... 13 Sindrom centralnega živčnega sistema: ............................................................................ 13

Zapoznele posledice: ............................................................................................................ 13 Mentalna zaostalost: ............................................................................................................. 14 Genetske posledice: .............................................................................................................. 14

Ščitenje pred radioaktivnostjo .................................................................................................. 15 Ščitenje pred α delci: ............................................................................................................ 15 Ščitenje pred β delci: ............................................................................................................ 15 Ščitenje pred fotoni: .............................................................................................................. 16 Ščitenje pred nevtroni: .......................................................................................................... 18 Ščitenje pred protoni in lahkimi ioni: ................................................................................... 19

Zaključek .................................................................................................................................. 19 Literatura .................................................................................................................................. 20

Seminar 4


Uvod Radioaktivnost je področje fizike, ki v javnosti že dolgo buri duhove. K slabemu glasu so najbolj prispevala testiranja jedrskega orožja in okvare nekaterih jedrskih elektrarn. Zaradi tega se ljudje izogibajo česar koli povezanega z radioaktivnostjo, a se pri tem ne zavedajo, da je to naravni pojav. Namen tega seminarja je predstaviti naravno radioaktivnost. To je tista radioaktivnost, ki izvira iz okolja in ni posledica človekovega delovanja. Seznanili se bomo z njenimi viri in načini merjenja. Naredili bomo primerjavo velikosti različnih radioaktivnih doz. Te so večinoma premajhne, da bi vplivale na zdravje ljudi, a si bomo vseeno ogledali, kakšne so posledice prekomerne izpostavljenosti in kaj se šteje za prekomerno izpostavljenost. Podobno velja za ščitenje pred naravno radioaktivnostjo, saj to ni v navadi. Predstavili bomo načine ščitenja pred različnimi vrstami sevanja, v kolikor bi to kdaj postalo potrebno.

Viri naravne radioaktivnosti Ločimo dva osnovna vira naravne radioaktivnosti: kozmično sevanje in sevanje zaradi naravnih radionuklidov v zemeljski skorji. Prvega sestavljajo kozmični žarki in kozmogena radioaktivna jedra. V slednjega so všteta samostojna radioaktivna jedra, jedra katerih razpadni produkti so prav tako radioaktivni in stranski produkti rudarjenja. Njihova skupna radioaktivnost predstavlja radioaktivnost ozadja. Ker viri niso enakomerno razporejeni po planetu, je ta močno odvisna od lokacije. Kadar nas obsevajo viri iz oklice, govorimo o eksternem obsevanju. Če se ti viri infiltrirajo v telo, smo podvrženi internemu obsevanju [1].

Kozmično sevanje: Na Zemljo nenehno padajo kozmični žarki. To so delci, ki izvirajo iz vesolja in se zaletavajo v zgornjo plast atmosfere. 87% teh delcev predstavljajo protoni, 11% alfa delci, 1% težji atomi in 1% elektroni. Njihove energije lahko dosežejo celo 1020 eV. Porazdelitev sestave kozmičnih žarkov in njen spekter je prikazan na sliki 2. Opazimo, da je ob sončnem maksimumu fluks delcev manjši, saj jih odbija sončevo magnetno polje [1]. Enako je z Zemeljskim magnetnim poljem, zaradi česar je njihov fluks manjši ob ekvatorju in večji na polih. Glej sliko 1 [2].

Ob trku z atmosfero ustvarijo večje število sekundarnih delcev, predvsem nevtronov, protonov in pionov. Slednji spontano razpadejo na elektrone, fotone, nevtrone in mione. Število teh delcev se z višino spreminja kar prikazuje slika 3. Z višino narašča tudi

Slika 1: Doza, prejeta zaradi kozmičnih žarkov, v odvisnosti od geografske širine [2].

Seminar 4


skupna absorbirana doza, zaradi redčenja atmosfere [1].

Radioaktivnost kozmogenih jeder: Ob trku kozmičnih žarkov z atmosfero nastanejo sekundarni nevtroni. Le ti dalje interegirajo z atmosfero pri čimer nastanejo radioaktivna jedra. To so večinoma 3H, 7Be, 14C in 22Na [1]. Nevtroni so nestabilni delci, zato vemo, da ne izvirajo iz vesolja. Enake reakcije bi lahko potekale na zemeljskem površju, vendar je fluks nevtronov tam zanemarljiv. Porazdelitev teh jeder prikazuje tabela 1. 14C nastaja preko reakcije 14N(n,p)14C in obstaja v atmosferi kot CO2. Zaradi dolgega razpolovnega časa t1/2 = 5730 let se nalaga v globokih oceanih, kjer se z β razpadom pretvarja nazaj v 14N [1]. Tritij nastaja preko reakcij 14N(n,t)12C in 16O(n,t)14N. V naravi obstaja skoraj izključno kot HtO. Lahko se vgradi v organske spojine. Ima razpolovni čas t1/2 = 12,3 leta [1]. Oba zgornja elementa sta v naravi obstajala v ravnovesju. Kolikor jeder je nastalo v reakcijah s kozmičnimi žarki, je tudi radioaktivno razpadlo. To ravnovesje so s pridom

Slika 2: Spekter in sestava kozmičnih žarkov [1].

Tabela 1: Porazdelitev kozmogenih radioaktivnih jeder po površju [1].

Slika 3: Spreminjanje prejete doze z višino. Merjeno pri 55° severne geografske širine [1].

Seminar 4


uporabljali arheologi, za določitev starosti snovi. V preteklem stoletju se je to ravnovesje porušilo, zaradi izgorevanja fosilnih goriv, pri katerem nastane CO2, ki ne vsebuje 14C. K rušenju ravnovesja so pripomogli tudi preizkusi jedrskega orožja, pri katerih so nastale znatne količine tritija in 14C. 7Be se zaradi kratkega razpolovnega časa t1/2 = 53,4 dni nahaja predvsem v ozračju. Na njegovo koncentracijo močno vpliva sprememba letnih časov in sprememba geografske širine. 22Na nastaja z reakcijami na atmosferskem argonu. Z razpolovnim časom t1/2 = 2,6 leta razpada v 22Ne. Veliko ga ostane v stratosferi, večina pa se nahaja v oceanih. Zaradi visokih energij kozmičnih žarkov, lahko le ti reagirajo z argonom na več načinov. Posledično dobimo naslednja jedra: 24Na, 26Al, 35Cl, 38Cl, 39Cl, 31Si, 32Si, 32P, 35S, 38Mg... Pogostost nastanka teh jeder ni velika in niso pomembna z vidika zaščite pred radioaktivnim sevanjem [1].

Samostojna radioaktivna jedra: Najpomembnejša

so našteta v tabeli 2. Vsa imajo dolge razpolovne čase in nizko specifično aktivnost, zaradi česar je težko opazovati njihove razpade. Pri teh je v nekaterih primerih na voljo precej energije, zaradi česar je njihova dolgoživost toliko bolj presenetljiva. V prihod- nosti se jim lahko pridružijo še nekatera jedra, ki zaradi dolgih razpolovnih časov, veljajo za stabilna. Tak primer je 209Bi z t1/2

= 1018 let. Med njimi ni zaznati povezave [1]. Za zaščito pred radioaktivnim sevanjem sta zanimiva predvsem 40K in 87Rb. Prvi je odgovoren za okoli 40% doze, kateri smo ljudje izpostavljeni. Je izotop kalija z 0,0117% deležem. Kalij predstavlja 2% sestave človeškega telesa. Veliko se ga zaužije s hrano. Nas interno obseva pri čemer so najbolj izpostavljene kosti, kostni mozeg in mehko tkivo. t1/2 = 1,28 × 109 let. Z 89,23% verjetnostjo razpade z β razpadom, v nasprotnem primeru pa z zajetjem elektrona [1]. V to skupino spadajo tudi aktinidi 238U, 235U, 232Th in 237Np. Za razliko od zgoraj obravnavanih jeder so pri njih radioaktivni tudi njihovi potomci. Iz tega razloga si zaslužijo posebno obravnavo v naslednjem poglavju.

Tabela 2: Samostojna radioaktivna jedra, njihov delež, razpolovni čas, način razpada in oddana energija razpada [1].

Seminar 4


Naravni radioaktivni nizi: Imamo štiri naravne

radioaktivne nize: uranov (238U), aktinijev (235U), torijev (232Th) in neptunijev (237Np). Z izjemo neptunija, so preostali trije elementi še vedno prisotni v naravi. Vsi štirje nizi so dobro poznani. Zabeleženi so potomci osnovnih jeder, njihovi razpolovni časi, maksimalna energija razpadov... Neptunijev niz je edini, ki se ne konča pri svincu, temveč pri bizmutu in v njem ne nastopa plinast radon.

Zaporedje razpadov vseh nizov prikazuje slika 4. Vsi nizi se začnejo z α razpadom,

kateremu sledi en ali več β razpadov. V nadaljevanju vsakega niza sledi zaporedje treh ali več α razpadov, vsaj enega β in še enega α preden dosežemo stabilno jedro. Nizi so si tako precej podobni [1]. S črtkano črto na sliki 5 je označena teoretična linija stabilnih jeder. Bližje kot so jedra tej črti, bolj so stabilna, kar se odraža na velikosti njihovih razpolovnih časov. Za primer smo vzeli uranov niz [1].

Radon: Je žlahtni plin zaradi česar pronica skozi prst. Po ocenah prispeva več kot polovico k

povprečni letni absorbirani dozi. Njegova obravnava je zanimiva predvsem zato, ker se tej izpostavljenosti lahko izognemo. Je potomec uranove, aktinijeve in torijeve serije. V torijevi seriji nastaja 220Rn in v aktinijevi 219Rn s pripadajočima razpadnima časoma t1/2 = 55,6 s in t1/2 = 3,96 s [1]. Njun prispevek k naravni radioaktivnost je zanemarljiv v primerjavi z 222Rn iz uranove serije. Njegov razpolovni čas je t1/2 = 3,82 dni. V tem času lahko pronica skozi zemeljsko skorjo v nižja nadstropja stavb, kjer se ga lahko nabere večja količina. Če ta radon

Slika 4: Primerjava razpadnih serij [1].

Slika 5: Uranova razpadna serija z zapisanimi razpolovnimi časi [1].

Seminar 4


razpade znotraj stavbe se v njej kopičijo njegovi potomci. Ti so trdni z elektrostatičnim nabojem, zaradi česar se prilepijo na prašne delce, ki jih vdihnemo. Radioaktivni delci se naložijo v pljučih, kjer dalje razpadajo z α razpadi. Za pljuča je to zelo obremenjujoče in lahko vodi v razvoj pljučnega raka. Še pred odkritjem radioaktivnosti je zaradi tega obolevalo

in umiralo veliko rudarjev v uranovih rudnikih. Izpostavljenost zmanjšamo s posebnim načinom gradnje. Občutno pomaga že pogosto zračenje kletnih prostorov [1]. Na sliki 6 so prikazani možni načini vstopa radona v hišo [3].

Radioaktivne rude in njihovi stranski produkti: Veliko rud vsebuje

katerega od radioaktivnih elementov in so zato tudi same radioaktivne. Pri obdelavi teh rud se kopičijo stranski produkti, ki zajemajo te radioaktivne elemente. S tem se koncentrira količina radioaktivnih snovi v naravi. To so tehnološko obogatene naravno radioaktivne snovi. Označujejo jih s kratico TENORM (technologically enhanced naturally occurring radioactive material) ali NARM (naturally occurring and accelerator-produced radioactive material) [1]. Predstavljajo vir nizko radioaktivnega sevanja, ki lahko večkrat presega naravno ozadje. Le to je zelo odvisno od lokacije, zaradi česar jih ne moremo klasificirati po razredih. Večinoma niso zanimivi za nadaljno uporabo za industrijo. Najbolj pereče so uranove in torijeve rude ter ostanki fosfatne industrije, ki vsebujejo veliko urana in torija. Često so bolj radioaktivni od raznih jedrskih objektov, a so nezavarovani, ker javnost ni seznanjena z

Slika 6: Možni vstopi radona v zgradbo [3].

Tabela 3: Vsebnost radioaktivnih elementov v nekaterih mineralih [1].

Seminar 4


njihovo nevarnostjo. Tabela 3 prikazuje vsebnost radioaktivnih elementov v izbranih mineralih.

Merjenje radiacijske doze Ob pojavu radioaktivnega sevanja potekajo mnoge interakcije z okolico, ki v njej

sproščajo energijo. To sproščeno energijo označujemo kot radiacijsko dozo. Definirana je kot količina energije, ki jo radioaktivno sevanje pusti v mediju na enoto mase. Enota zanjo je gray (Gy).

1 Gy = 1 J/kg (1)

Če se doza sprosti v telesu bo prišlo do, večinoma nezaželenih, bioloških sprememb.

Vsa radioaktivna sevanja med seboj niso enako škodljiva. Pri enaki absorbirani dozi je, na primer, α sevanje bolj škodljivo kot β ali γ sevanje. Zato vpeljemo ekvivalentno dozo (HT).

, (2)

kjer je WR, tako imenovan, utežni faktor in DTR absorbirana doza [4]. Indeks R (radiation) teče po različnih vrstah sevanja. Enota zanjo je sievert (Sv). Vpeljana je bila zaradi potreb pri: zaščiti pred radioaktivnimi sevanji, določanju kriterijev, regulaciji in administraciji. V tabeli 4 so podani utežni faktorji. Razberemo, da 1 mGy absorbi- rane doze preko γ sevanja predstavlja 1 mSv ekvivalentne doze, med tem ko 1 mGy doze preko α sevanja predstavlja kar

20 mSv ekvivalentne doze. α sevalci so za telo dvajsetkrat nevarnejši, a le če jih vdihnemo ali zaužijemo. Skozi kožo α sevanje, za razliko od γ sevanja, ne more prodreti [4].

Do sedaj smo imeli v mislih obsevanje celega telesa. Kaj če obsevamo le en organ? Ti niso enako občutljivi na sevanje. Zatečemo se še k utežnim faktorjem za tkiva (WT). Uporabimo efektivno ekvivalentno dozo (HE)

, (3)

kjer indeks T (tissue) teče po različnih tkivih [4]. Enota zanjo je še vedno sievert. Utežni faktorji so podani v tabeli 5. Višji kot so, bolj je tkivo občutljivo na sevanje. Njihova vsota je enaka ena, kar bi se zgodilo v primeru, da je obsevano celo telo. V tem primeru je efektivna ekvivalentna doza enaka ekvivalentni dozi.

Tabela 4: Velikost utežnih faktorjev WR in faktorjev kvalitete Q (uporabljajo se v ZDA) [4].

Seminar 4


Doze v naši okolici

Poznamo vire radioaktivnega sevanja in načine njegovega merjenja. Zanimajo nas še dejanske vrednosti doz. V Sloveniji v povprečju prejmemo 2,4 mSv efektivne ekvivalentne doze na leto, s čimer je točno na sredini svetovnega povprečja [3]. V grafu je prikazano kateri viri prispevajo največji delež k naravni dozi v svetovnem povprečju. Na prvem mestu je radon, kar nas še bolj nagovarja k pogostejšemu zračenju kletnih prostorov. Na sliki 7 vidimo koliko znašajo povprečne letne doze v nekaterih evropskih državah. Prispevek kozmične radiacije z višino narašča. Kolikšno je to naraščanje prikazuje slika 8. V letalu ne preživimo

celega leta, zato si v sliki 9 lahko pogledamo kolikšne so realne doze glede na dolžino

19%

54%

16%

10% 1%

g sevanje izzemeljske skorje

radon

kozmični žarki

interno sevanje

ostalo

Slika 7: Graf prispevkov k naravni radioaktivnosti [3].

Slika 8: Povprečna letna doza v izbranih državah [3].

Tabela 5: Utežni faktorji za tkiva WT. Levi stolpec prikazuje starejšo in desni novejšo verzijo [4].

Seminar 4


naših poletov. Najmanjši prispevek k dozi primakne interna radiacija. Količino radioaktivnih elementov v telesu in njihovo aktivnost si ogledamo v tabeli 7. V tabeli so naštete snovi, ki nas pogosto obkrožajo v vsakdanjem življenju in njihove aktivnosti. Doze v tabeli 6 so mišljene kot zanimivost [3].

Slika 9: Zgled koliko doza narašča z višino (levo) in prejeta doza, zaradi letenja (zgoraj) [3].

Tabela 6: Zanimivosti [3].

Tabela 7: Najpogostejša radioaktivna jedra v našem telesu (zgoraj), in aktivnost okoliških snovi (desno) [3].

Seminar 4


Biološke posledice radioaktivnosti

So eno izmed najbolje raziskanih poglavij povezanih s človeškimi boleznimi. Informacije o teh so znanstveniki pridobivali od znanstvenikov in medicinskega osebja, ki se je ukvarjalo z radioaktivnostjo, uranovih rudarjev, delavcev v jedrski energetiki, preživelih atomskega bombardiranja na Japonskem, oseb izpostavljenim nesrečam v jedrskih reaktorjih in oseb, ki živijo v okolju z visoko naravno radioaktivnostjo [4]. Poznavanje teh učinkov omogoča postavitev standardov, ki nas varujejo pred preveliko izpostavljenostjo radioaktivnemu sevanju.

Biološke posledice radioaktivnosti delimo na dve skupini: • deterministične • stohastične (naključne)

Pri determinističnih posledicah moramo preseči prag izpostavljenosti, preden se le te opazijo, velikost učinka je sorazmerna izpostavljenosti in med vzrokom učinka in učinkom samim obstaja nedvoumna vzročna povezava. Če narišemo graf količine ljudi z opaženimi efekti v odvisnosti od velikosti doze dobimo krivuljo A na sliki 10. Viden je prag, ki ga moramo preseči, za pojav determinističnih posledic. Zaradi tega pragu deterministične posledice imenujemo tudi pragovne posledice [4]. Statistično je najlažje določiti dozo, pri

kateri se določen učinek pojavi pri polovici opazo- vane populacije, zato je to najpogosteje uporabljen parameter pri določanju škodljivosti.

Stohastične posledice se pojavljajo po naključju. Enak učinek lahko opazimo pri

človeku, ki je bil izpostavljen sevanju in pri tistem, ki ni bil. Nedvoumne vzročne povezave med vzrokom in posledico v tem primeru ni. Najpogostejša taka učinka sta razvitje raka in genetske spremembe. Verjetnost, za pojav katerega koli učinka, narašča z velikostjo izpostavljeni dozi. Če narišemo graf pogostosti pojavljanja stohastičnih posledic v odvisnosti od velikosti doze, dobimo linearno odvisnost prikazano s krivuljo B na sliki 10. Za pojav stohastičnih posledic ni potrebno preseči nobenega praga, dovolj je že najmanjša izpostavljenost [4].

Biološki procesi zaradi radioaktivnosti: Ob izpostavljenosti prekomerni dozi se v telesu sprosti energija, zaradi katere lahko

molekule disociirajo, vzbudijo ali ionizirajo. To je direktni proces. Telo je večinoma sestavljeno iz vode, zaradi česar tudi večina direktnih procesov poteka na njej [4]. Pri obsevanju se ta ionizira.

Slika 10: Delež obolelih oseb v odvisnosti od doze. Točka a označuje prag za deterministične efekte. Točka c označuje dozo pri kateri bodo na polovici populacije opazili deterministične efekte. Enako za točko b za stohastične efekte [4].

Seminar 4


Pozitivni ion disociira,

elektron pa reagira z nevtralno molekulo vode.

Nastane negativni ion, ki razpade.

Oksonijevi (H+) in hidroksilni (OH-) ioni ne predstavljajo grožnje, saj so že po naravni poti prisotni v telesu. Nevarnost predstavljata prosta radikala H in OH. Oba lahko napadata in poškodujeta molekule v organizmu. Pri prehodu α delca je največja verjetnost za potek reakcije

,

pri kateri nastane vodikov peroksid. Ta je izjemno močan oksidant in lahko poškoduje molekule ali celice, ki niso bile neposredno poškodovane zaradi radioaktivnega sevanja. To je indirektni proces [4]. Če je v vodi raztopljen kisik, lahko z njim reagira H radikal

,

pri čemer nastane dokaj obstojen hidroperoksijev radikal. Če ta še enkrat reagira z vodikovim radikalom nastanejo nove količine vodikovega peroksida.

Ena izmed možnih reakcij je med H in OH radikaloma s čimer bi nastala voda. V tem primeru okoliške molekule v organizmu ne bi utrpele škode. Kolikšna je verjetnost za to reakcijo? Za primer recimo, da so nas obsevali s smrtno dozo γ žarkov, ki znaša 4 Gy. V našem telesu se je s tem sprostilo 2,5 × 1019 eV/kg energije. Za eno ionizacijo potrebujemo 34 eV enrgije, kar skupno nanese 7,35 × 1017 ionizacij. Ob vsaki ionizaciji se vzbudi še devet bližnjih atomov tako, da je vseh sevanju podvrženih atomov skupaj 7,35 × 1018. V mehkem tkivu je približno 9,5 × 1025 atomov/kg. Delež podvrženih atomov tako znaša 7,7 × 10-8. Pri smrtni dozi je direktnemu procesu podvržen le en atom izmed približno desetih milijonov, zaradi česar je neprimerno večja verjetnost, da bodo v indirektnih procesih poškodovani zdravi atomi oziroma molekule [4].

Za radiobiologijo predstavlja velik izziv raziskati zaporedje dogodkov med zgoraj opisanimi procesi in nastankom bioloških posledic.

Akutni učinki: Naravna radioaktivnost je premajhna, da bi jih povzročila, a si jih bomo vseeno

ogledali, da vidimo najhujše posledice radioaktivnega sevanja. Akutna izpostavljenost radioaktivnemu sevanju prizadene celo telo. Odziv telesa je odvisen od prejete doze, zato akutne učinke delimo na tri dele po naraščajočih posledicah:

Seminar 4


• hemopoetični sindrom • gastrointestinalni sindrom • sindrom centralnega živčnega sistema

Vsi trije sindromi spadajo med deterministične posledice. Pojavijo se slabost, utrujenost, povišanje temperature, spremembe krvi, oseba prične bruhat, čuti bolečino [4]...

Hemopoetični sindrom: Pojavi se pri dozah velikosti 2 Sv. To je že doza pri kateri bi polovica prebivalstva

umrla v naslednjih šestdesetih dneh [4]. Nastopi naglo po izpostavljenosti. V nekaj urah po izpostavljenost osebek začuti slabost in prične bruhat, kasneje začuti utrujenost in bolečino po telesu. Izguba las nastopi dva do tri tedne po izpostavljenosti. V krvi se zmanjša število eritrocitov in limfocitov. Njihova koncentracija doseže minimum več tednov po izpostavljenosti, nakar se kri prične obnavljat [4]. Najhujša posledica je izguba kostnega mozga. Pri izpostavljenosti 4 do 6 Sv ta skoraj v celoti izgine. Njegova regeneracija je možna, če osebek preživi spremljajoče fiziološke učinke. Doza 7 Sv povzroči nepopravljivo škodo na kostnem mozgu in s tem na celotnem organizmu. Večina sesalcev te izpostavljenosti ne preživi [4].

Na telo slabo vplivajo tudi precej manjše doze. Spremembe v sestavi krvi je opaziti že pri izpostavljenosti 140 mSv in bodo gotovo nastopile pri dozah nad 500 mSv.

Gastrointestinalni sindrom: Nastopi ob izpostavljenosti 10 Sv. Je posledica propada črevesja in popolnega

uničenja kostnega mozga. Pokažejo se vsi znaki hemopoetičnega sindroma. Kljub izdatnim medicinskim naporom se najpogosteje konča s smrtjo [4].

Sindrom centralnega živčnega sistema: Izpostavljenost 20 Sv poškoduje centralni živčni sistem in vse ostale organe. V nekaj

minutah osebek izgubi zavest. Smrt nastopi v nekaj urah ali dneh, odvisno od doze. Naveden je primer, kjer je bila oseba izpostavljena toku nevtronov in γ žarkov skupne doze 44 Sv. V pol minute je oseba postala dezorientirana, zavest je izgubila po desetih minutah. Z medicinsko pomočjo so jo obdržali pri življenju 34,5 ur [4].

Zapoznele posledice: So izključno stohastične. Nastopijo z zamikom več let. Lahko so posledica enkratne

prekomerne izpostavljenosti ali ponavljajoče se nizke izpostavljenosti. Najpogostejše so: • kostni rak • pljučni rak • rak ščitnice • levkemija • skrajšanje življenja

Seminar 4


Levkemija se pojavi že po treh letih po prekomernem obsevanju. Slika 11 prikazuje statistiko obolenj za levkemijo na ljudeh, ki so preživeli bombni napad na Japonskem. Rakava obolenja se razvijejo šele 5 – 20 let po izpostavljenosti [4]. Slika 11: Prikazan je porast pojavnosti levkemije na preživelih atomskega bombardiranja na Japonskem. V zgornji krivulji so zajete osebe, ki so bile od epicentra eksplozije oddaljene manj kot 1500m, in v zgornji tiste, ki so bile dlje [4].

Mentalna zaostalost: Nastopi pri dojenčkih, ki so bili dozi izpostavljeni še v maternici. Najbolj občutljivi so

med 8 in 17 tednom nosečnosti, saj takrat nastaja največ nevronov. V tabeli 8 so prikazani podatki za otroke, ki so bombardiranje Japonske preživeli v maternici.

Tabela 8: Pojavljanje mentalne zaostalosti pri otrocih, ki so atomsko bombardiranje Japonske preživeli še v maternici. Za primerjavo 1 rad = 0,01 Gy [4].

Genetske posledice: Radioaktivni delci lahko poškodujejo DNK molekulo. Zaradi poškodbe se naslednje

celice razvijejo narobe. Bolj kot je DNK poškodovan, hujše so napake v razvoju novih celic. Poškodovani DNK se s časom celi. Dolgo živeče celice so zaradi tega manj izpostavljene napakam, saj se večina DNK molekul obnovi preden pride do razvoja novih celic. Najbolj so napakam podvržena tkiva kratko živečih celic kot na primer kostni mozeg ali gonade. Njuno občutljivost potrjujeta pripadajoča utežna faktorja za efektivno ekvivalentno dozo 12 in 20 [4]. Ne glede na velikost prejete doze na človeški populaciji še ni bilo opaženih mutacij.

Seminar 4


Ščitenje pred radioaktivnostjo

Zavarovati se moramo predvsem pred močnimi umetnimi viri radioaktivnosti. Ščitenje pred naravno radioaktivnostjo ni v navadi, zaradi premajhnega zavedanja javnosti o njeni nevarnosti. Še zlasti velja to za ostanke pri predelavi uranove in torijeve rude. Potreba po ščitenju pred umetnimi viri je že močno prisotna pri delu v jedrskih reaktorjih, laboratorijih, medicini... Nižje so predstavljeni načini varovanja pred različnimi vrstami sevanja. Omeniti velja, da se znamo ščititi le pred eksternim obsevanjem. Proti internemu obsevanju se lahko borimo le preventivno. Tako z različnimi predpisi in normami znižujemo število sevalcev v naši okolici. Primer takega ravnanje je uvedba ventilacije v uranovih rudnikih.

Precej materialov zniža raven sevanja, če jih postavimo med izvor in receptor, zato iz njih izdelujemo radioaktivne bariere oziroma ščite. V njih pride do absorpcije radiacije, zaradi česar so bližnje osebe izpostavljene nižji dozi. Ščitenje umetnih virov je zaradi njihove geometrije lahko zelo komplicirano. V navadi je, da se pretirava z nevarnostjo izpostavljanja viru, zato da se ščiti, za vsak slučaj, naredijo boljši, kot jih bomo potrebovali.

Ščitenje pred α α α α delci: Pred njimi se je lahko ščititi, saj imajo veliko maso in naboj, ki omejujeta njihov

doseg. Le tisti z najvišjimi energijami so sposobni predreti mrtvo plast kože [1]. Večina problemov se nanaša na to, kako preprečiti vnos delcev v telo preko dotika ali inhalacije. Zaradi majhnega dosega in prodornosti, z uporabo napačnih detektorjev, zlahka spregledamo, da je neko območje močno kontaminirano.

Ščitenje pred β β β β delci: So nabiti delci, kar omejuje njihov doseg. V

zraku dosežejo le nekaj metrov, kar prikazuje slika 12. Večino energije izgubijo z ionizacijo okolice in preko zavornega sevanja. Njihov tok po zraku ali drugem mediju eksponentno pada

I(x) = I0e-µ(ρx), (4)

kjer je µ [cm2/g] absorpcijski koeficient, I intenziteta β delcev in ρx gostotna debelina [g/cm2] [1]. S to lastnostjo lahko enostavno izračunamo potrebno debelino ščita. Za vsak slučaj jih vedno naredimo nekoliko debelejše. µ je funkcija maksimalne energije β delcev (Eβ,max) in ga za zrak ali tkivo izračunamo po naslednji formuli:

Slika 12: Doseg β β β β delcev v odvisnosti od energije [1].

Seminar 4


µzrak = 16 ( Eβ,max – 0,036 )-1.4 (5)

µtkivo = 18.6 ( Eβ,max – 0,036 )-1.37 (6)

µ je izražen v cm2/g in Eβ,max v MeV [1]. V natančnejših izračunih ni odveč upoštevati slabljenja toka v mrtvi plasti kože.

Ob prehodu skozi medij z visokim vrstnim številom (Z) ustvarijo β delci zavorno sevanje. Vanj se lahko pretvori do 15% začetne energije β delca, kar je neugodno [1]. Tak ščit nas zavaruje pred β delci, a ne pred nastalimi fotoni. Ščite zato sestavimo iz dveh delov. Prvi del je iz materiala z nizkim vrstnim številom, na primer plastike ali aluminija. Njegova funkcije je absorbcija β delcev in zmanjšanje produkcije zavornega sevanja. Drugi del, z visokim vrstnim številom, na primer svinec, absorbira nastalo zavorno sevanje in X žarke. Slika 13 prikazuje kolikšen del začetne energije β delca prepustijo različni materiali. Slika 13: Delež prepuščene začetne energije v obliki zavornega sevanja. Krivulje od zgoraj navzdol veljajo za naslednje absorberje: 82Pb, 50Sn, 29Cu, 13Al, zrak in vodo [1].

Ščitenje pred fotoni: Fotoni nimajo naboja, zaradi česar so njihove interakcije s snovjo razlikujejo od do sedaj opisanih delcev. Pri potovanju skozi snov se jih en del absorbira, drug del siplje in tretji preidejo snov z začetno energijo brez interakcije. Sipanje na snovi poteka na dva možna načina. Prvega označujemo kot fino geometrijo. Prikazan je na sliki 14. V njem se vsi fotoni, ki so podvrženi interakciji, ali absorbirajo ali sipajo tako, da ne dosežejo receptorja. Vsi

fotoni, ki dosežejo receptor, imajo svojo začetno energijo [1]. Drugi primer označujemo kot šibko geometrijo. Glej sliko 15. V njem tudi sipani fotoni dosežejo receptor, a ne več z začetno energijo. Na receptorju zato dobimo pester energijski spekter z energijami tako sipanih fotonov kot nesipanih z začetno energijo. V praksi imamo večinoma opraviti z drugim primerom.

Slika 14: Skica fine geometrije [1].

Seminar 4


V fini geometriji slabljenje toka fotonov v snovi opišemo z eksponentno funkcijo

I(x) = I0e-µx (7)

kjer je µ atenuacijski koeficient [cm-1], ki zavzema absorpcijo in sipanje ter x prepotovana razdalja žarka [1]. µ je odvisen od snovi in začetne energije fotonov. Običajno ga določimo eksperimentalno. Višji je pri snoveh z visokim vrstnim številom. Za zaščito pred X žarki tako najraje uporabljamo svinec. Kadar v ta namen uporabljamo beton vanj vmešamo BaSO4, ki zaradi višjega vrstnega števila Ba poveča njegovo učinkovitost [1]. Fina geometrija je idealiziran primer in v praksi ne obstaja. Kljub Comptonskemu sipanju bo večina teh fotonov še vedno dosegla receptor. Tok fotonov na receptorju postane komplicirana funkcija razsežnosti začetnega žarka, porazdelitve energije fotonov, absorpcijskega materiala in geometrije. Vse to zaznamuje šibko geometrijo. Tok fotonov (I(x)) izračunan na predpostavkah fine geometrije bo podcenil število fotonov, ki dejansko dosežejo receptor [1]. Debeline ščitov izračunane na teh predpostavkah bi bile pretanke. Problem se najlažje reši z vpeljavo faktorja povečanja (B), ki je brezdimenzijska količina. Tok fotonov se sedaj zapiše kot

I(x) = I0Be-µx (8)

Faktor povečanja je vedno večji od ena in lahko doseže vrednosti do 108 [1]. Računanje prejete doze brez njega bi privedlo do večjih napak. V tabeli 9 so prikazani eksperimentalno dobljeni faktorji povečanja za svinec in zrak. Odvisni so od absorpcijskega medija, energije fotonov, atenuacijskega koeficienta in debeline ščita. Določitev primerne debeline ščita ni več tako preprosta. Z debelino ščita tok fotonov eksponentno pada, faktor povečanja pa narašča [1]. Lahko bi postavili izjemno debele ščite, saj tok fotonov hitreje pada kot faktor povečanja narašča, a običajno ne želimo imeti debelejših ščitov kot je potrebno.

Lotimo se naslednjega postopka. Začetni tok fotonov

obravnavajmo kot poznan

Slika 15: Skica šibke geometrije [1].

Tabela 9: Faktorji povečanja za svinec (zgoraj) in zrak za različne debeline ščita in energije fotonov [1].

Seminar 4


podatek, saj običajno vemo pred kako močnim virom se bomo ščitili. Koliko fotonov nam ščit lahko prepusti je določeno, zato prepuščeni tok tudi obravnavamo kot poznan podatek. Faktor povečanja določimo na vsakem koraku z interpolacijo med energijo fotonov in vrednostjo µx. Debelino potrebnega ščita sedaj določimo z matematično iteracijo formule (8). Če je med virom in receptorjem precejšnja razdalja ni zanemarljivo upoštevati padanja toka fotonov na zraku [1]. Kadar imamo opravka z zapleteno geometrijo vira, je priročno faktor povečanja obravnavati kot funkcijsko spremenljivko. V uporabi je več formulacij, med katerimi je najbolj v uporabi Taylorjeva

B ( E,µx ) = Ae - α1µx + ( 1 – A )e - α2µx (9)

A, α1 in α2 so parametri podani v tabeli 10 [1]. V primeru enostavnejših geometrij se je bolj smotrno zateči k tabeliranim vrednostim faktorjev povečanja.

Tabela 10: Parametri za izračun faktorjev povečanja po Taylorjevi formuli [1].

Ščitenje pred nevtroni: Njihov tok pri prehodu skozi medij eksponentno pada. Med prehodom s snovjo ne izmenjajo pomembnejših interakcij, zaradi česar je računanje potrebne debeline ščita preprosto [1]. V praksi nas zanima ščitenje pred umetnimi viri različnih geometrij, za kar so razvili nekatere praktične postopke.

Seminar 4


Ščitenje pred protoni in lahkimi ioni: Protoni energijo izgubljajo z ionizacijo okolice, zaradi česar jih lahko popolnoma

ustavimo in je njihov doseg znan. S poznavanjem energije delcev določimo njihov doseg v ščitu in s tem njegovo debelino. Pojavi se nekaj zavornega sevanja, ki je v večini primerov zanemarljivo [1]. Slika 16 kaže doseg protonov v štirih izbranih snoveh v odvisnosti od energije.

Najpogostejši ioni s katerimi imamo opravka so: devteron, tritij in helijev ion. Njihov doseg v mediju je zvezan z dosegom protonov v istem mediju po naslednjih formulah:

R ( 2H+ ) = 2 × Rp(E/2) (10)

R ( 3H+ ) = 3 × Rp(E/3) (11)

R ( He2+ ) = Rp(E/4) (12)

Rp označuje doseg protona in R doseg izbranega delca [1]. Nadaljni principi ščitenja so enaki kot pri ščitenju pred protoni.

Zaključek Naravna radioaktivnost izvira tako iz vesolja kot iz zemeljskega površja. Imamo kup samostojnih radioaktivnih jeder in štiri razpadne nize, od katerih en ni več prisoten. Med vsemi največjo nevarnost predstavlja potomec uranove serije žlahtni plin radon. Njemu je posvečene največ pozornosti pri ščitenju pred naravno radioaktivnostjo. Pojem radiacijske doze označuje količino, ki pove koliko energije je sevanje pustilo v našem telesu na enoto mase. Zaradi različne škodljivosti posameznih vrst sevanj je bila vpeljana ekvivalentna doza, ki upošteva te razlike. Izkaže se, da tudi vsi organi niso enako odporni. Vpelje se še efektivna ekvivalentna doza, ki upošteva različno občutljivost organov. V kolikor je obsevano celotno telo le ta sovpada z ekvivalentno dozo. Priloženih je več tabel za primerjavo nevarnosti okoliškega sevanja. Biološke posledice za telo, zaradi radiacije, opazujemo vse od odkritja radioaktivnosti. V grobem jih delimo na deterministične, ki nastopijo takoj po

Slika 16: Doseg protonov v odvisnosti od energije v U, Pb, Cu in Al [1].

Seminar 4


izpostavljenosti, in stohastične, ki se naključno pojavljajo več let po izpostavljenosti. Poškodbe na tkivu nastajajo z direktnim in indirektnim procesom. Akutni učinki so posledica enkratne prekomerne izpostavljenosti radioaktivnemu sevanju ter jih zato štejemo med deterministične. Glede na velikost izpostavljenosti jih delimo na: hemopoetični in gastrointestinalni sindrom ter sindrom centralnega živčnega sistema. Zapozneli učinki so izključno stohastične narave. Največkrat gre za razvoj različnih oblik raka ali levkemije. Če je prekomerni dozi izpostavljena nosečnica, se lahko to odraža na mentalni zaostalosti otroka. Vsako prekomerno izpostavljenost spremljajo genetske spremembe, ki zaenkrat še niso povzročile človeških mutacij. Ščitenje pred radioaktivnim sevanjem zaradi različnih lastnosti sevalcev ni enolično. Zaželjeno je poznati doseg delca iz česar ocenimo, ali se je pred njim sploh potrebno ščititi. Glavni način ščitenja je postavljanje barier med izvor in receptor. Tok delcev pri prehodu bariere eksponentno pada in ga lahko poljubno zmanjšamo. Pozorni moramo biti na nastalo zavorno sevanje. To se na ščitu siplje. Govorimo o fini in šibki geometriji, odvisno od oblike sipanega toka. Za obravnavo slednje uporabljamo faktorje povečanja.

Literatura [1] James E. Martin, Physics for Radiation Protection (WILEY-VCH, Weinheim, 2004). [2] UNSCEAR 2000 REPORT Vol. 1, Annex B: Exposures from natural radiation sources [3] Irena Mele, Raopis (ARAO, Ljubljana, 2006). [4] Herman Cember, Introduction to Health Physics: third edition (McGraw-Hill, ZDA, 1996).

Documents

Viri naravne radioaktivnosti - mafija.fmf.uni-lj.simafija.fmf.uni-lj.si/seminar/files/2008_2009/Naravna_radioaktivnost.pdf · Seminar 4 Naravna radioaktivnost 3 Uvod Radioaktivnost