ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO Z MATERIĄ
1. WSTĘP
Promieniowanie było, jest i będzie. Cała przestrzeń kosmiczna wypełniona jest różnego rodzaju promieniowaniem, a część tego promieniowania dociera do Ziemi. Źródłem promieniowania jest też sama skorupa ziemska. Jest wiele rodzajów promieniowania, czyli wysyłania i przenoszenia energii. Słońce promieniuje światło i ciepło, jak również promieniowanie ultrafioletowe. Ziemia, jak i kaloryfery czy inne grzejniki wysyłają promieniowanie cieplne, czyli podczerwone. Nadajniki radiowe i telewizyjne wysyłają fale radiowe i promieniowanie elektromagnetyczne. Wszelkie aparaty i urządzenia elektryczne emitują bądź odbierają jakieś promieniowanie. Stąd cała materia poddana jest ciągłemu promieniowaniu, którego szczególnym rodzajem jest promieniowanie jonizujące. Ciało ludzkie również stanowi materię, na którą nieustannie oddziałuje promieniowanie z zewnątrz jak i od wewnątrz, ponieważ we wszystkich żywych organizmach znajdują się niewielkie źródła promieniowania pochodzące ze spożytego przez nie pokarmu oraz materiału budulcowego. Promieniowanie jonizujące od początku istnienia życia na Ziemi służy człowiekowi, ale może stanowić również zagrożenie dla jego zdrowia i życia.
Poruszany przeze mnie temat stanowi niezmiernie rozległe zagadnienie, stąd zmuszona jestem skupić uwagę na najistotniejszych elementach. Po krótkim zdefiniowaniu pojęć podstawowych omówię historię promieniowania jonizującego od czasów jego odkrycia. Następnie zajmę się dość dokładnym omówieniem mechanizmów oddziaływań promieniowania jonizującego z materią, jednak ze względu na rozległość tematu, zmuszona jestem poczynić pewne ograniczenia, w pełni rozwijając jedynie wybrane aspekty. Po opisaniu zjawisk w skali mikro, postaram się odnieść ich funkcjonowanie do makroświata, i opisać pokrótce skutki oddziaływania promieniowania jonizującego na organizmy żywe. Pragnę ogólnie opisać też źródła promieniowania jonizującego w środowisku człowieka, z zaznaczeniam podziału na źródła naturalne oraz antropogenne. Na zakończenie mojej pracy chciałabym zwrócić uwagę na rozpowszechnioną w ostatnich latach propagandę antyatomową i na jej potencjalnie tragiczne skutki.
Temat, którego opracowania się podjęłam, stanowi zagadnienie niezwykłej wagi. Uważam, że człowiek, posiadający odpowiednią wiedzę na temat własności promieniowania, jest w stanie wykorzystać w maksymalnym stopniu pozytywne cechy tego zjawiska unikając jednocześnie negatywnych skutków narażenia na promieniowanie. Dzięki temu możemy nie tylko wspomóc samych siebie, ale również otaczającą nas materię (środowisko), przyczyniając się do korzyści społecznych, ekonomicznych oraz ekologicznych.
2. PODSTAWOWE POJĘCIA FIZYCZNE
W celu dokładnego zrozumienia funkcjonowania zjawisk opisanych w tej pracy, należy zdefiniować podstawowe pojęcia fizyczne zawarte w tytule oraz wyjaśnić pojęcia dodatkowe, również niezbędne do opisu zagadnienia. Pojęciami podstawowymi są przede wszystkim MATERIA, a następnie PROMIENIOWANIE i JONIZACJA oraz PROMIENIOWANIE JONIZUJĄCE.
MATERIA to inaczej ciało o określonych własnościach fizycznych oraz chemicznych. Składa się ona z cząsteczek zbudowanych z atomów pierwiastków, natomiast każdy atom z jądra atomowego i otaczającej go chmury elektronów usytuowanych na odpowiednich poziomach energetycznych. Jądro składa się z protonów i neutronów, tzw. nukleonów, te zaś złożone są z oddziałujących między sobą kwarków.
Rys. 1 Typy promieniowania w widmie elektromagnetycznym. Nad pierwszą linia poziomą przedstawiony jest typ promieniowania, nad drugą linią efekt wywołany danym promieniowaniem, a pod drugą poziomą linią- źródło promieniowania.
Źródło: Environmental Protection Agency, Understanding Radiation, 2002, [2].
jonizacja jest procesem oderwania elektronu od obojętnego atomu lub cząsteczki dzięki dostarczeniu odpowiedniej ilości energii. W wyniku procesu jonizacji z obojętnego elektrycznie atomu lub cząstki powstaje naładowany dodatnio jon i swobodne elektrony. Dla ciał stałych terminem jonizacji określa się zjawisko oddania elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa.
Typowymi sposobami uzyskania jonizacji są zderzenia z elektronami (cząstkami b), jonami, atomami, innymi cząstkami (a, protonami, neutronami, mezonami i innymi) lub kwantami promieniowania gamma (γ) czy roentgenowskimi (X) [3].
promieniowaniE jonizujące najprościej określić można jako promieniowanie niosące energię wystarczającą do bezpośredniej lub pośredniej jonizacji atomów i cząstek ośrodka, przez który przenika. Energia przekazana atomom ośrodka jest na tyle duża, że powoduje zerwanie wiazań chemicznych w dotychczas stabilnych atomach, stąd ich jonizacja.
W odróżnieniu od promieniowania jonizującego, PROMIENIOWANIE NIEJONIZUJĄCE ma na tyle wysoką energię, aby poruszyć atomy w cząsteczce lub wywołać ich wibracje, ale energia ta nie jest na tyle duża, by wywołać zerwanie wiązań chemicznych w obrębie cząsteczki materii. Promieniowanie niejonizujące ma bardzo szeroki zakres od niezmiernie niskich częstotliwości, fale radiowe, poprzez mikrofale, podczerwień, aż do widzialnej części widma w obszarze bliskiego ultrafioletu. Promieniowanie o najniższych częstościach (100 Hz) odznacza się wysoką wartością długości fali (sięga rzędu miliona metrów i więcej). Częstości radiowe (1– 100 MHz) posiadają długości fali pomiędzy 1 a 100 metrów. Mikrofale (około 10 GHz) charakteryzują się długością fali powyżej 100m.
stała Planck’a
Zgodnie ze słynnym wzorem na energię
częstość
oraz
długość fali
prędkość światła
ν=c/λ
wiadomym jest, że im mniejsza długość fali, tym większa częstość oraz wyższa energia promieniowania. Stąd, promieniowanie jonizujące oznaczone na Rys. 1 w obszarze niskich długości fal odznacza się wyższymi częstościami. W zakresie tym początkowo znajduje się pasmo ultrafioletu, a promieniowanie ma wystarczającą energię na rozerwanie wiązań chemicznych. Promieniowanie X oraz Gamma, obydwa z wysokoenergetycznego zakresu fal magnetycznych (o długościach 1-10-4 nm) posiadają ogromne częstości rzędu 108-1013 GHz. Te przeogromne energie wystarczają do wybicia elektronu lub nawet do rozszczepienia jądra atomowego. Jeszcze wyższe energie towarzyszą promieniowaniu kosmicznemu [4]. Rys. 2, podobnie jak Rys. 1, przedstawia typy promieniowania w zależności od ich energetyczności, ponadto przedstawia zastosowania róznych typów promieniowania.
Rys. 2 Widmo energii w zalezności od różnych częstości promieniowania oraz typowe zastosowania poszczególnych typów promieniowania.
Źródło: WHO (World Health Organization), Ionizing Radiation, 2004 [4].
Rodzaj nośnika energii zależny jest od źródła promieniowania oraz przemian, jakim ono podlega. Źródłami promieniowania jonizującego są rozmaite jądra atomowe podlegające przemianom jądrowym. Wyróżniamy 3 główne typy promieniowania jonizującego, w postaci fal oraz cząsteczek, jak pokazuje Rys. 3 [4].
Rys. 3 Emisja energii w postaci promieniowania korpuskularnego i falowego.
PROMIENIOWANIE KORPUSKULARNE BEZPOŚREDNIE zachodzi podczas przemian jądrowych, w rezultacie których następuje emisja cząstek atomowych (przemiana α) oraz subatomowych, jak protony czy elektrony (przemiana β). Przenoszona tutaj energia jest w postaci energii kinetycznej masy będącej w ruchu. Promieniowanie α i β jest uważane za promieniowanie bezpośrednio jonizujące, ponieważ przenoszony jest tu ładunek elektryczny i zachodzą dzięki temu oddziaływania Coulombowskie z elektronami materii.
PROMIENIOWANIE KORPUSKULARNE WTÓRNE jest zjawiskiem związanym z emisją neutronów, cząsteczek pozbawionych ładunku elektrycznego, ale nie pozbawionych masy. Jonizacja odbywa się więc pośrednio poprzez inne cząsteczki naładowane wytwarzane w trakcie zderzeń neutronu z jądrami atomowymi.
PROMIENIOWANIE FALOWE to promieniowanie, w którym energia jest przenoszona poprzez oscylacje pól elektrycznego i magnetycznego fali elektromagnetycznej z prędkością światła. Zawiera ono promieniowanie X oraz γ.
3. MECHANIZMY POWSTAWANIA PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO
Promieniowanie jonizujące uwalniane jest podczas PRZEMIAN JĄDROWYCH, czyli reakcji polegających na przekształceniu jądra atomowego, której towarzyszy emisja nośnika promieniowania w postaci cząstki lub fotonu energii. Nazwa przemiany pochodzi zazwyczaj od nazwy emitowanej cząstki.
3.1. Przemiana Jądrowa α (rozpad α)
Rys. 4 Przemiana jądrowa z emisją cząstki α na przykładzie przemiany jądra U-235 w Th-231.
Źródło: The Health Physics Society, University of Michigan, 2004 [5].
Rozpad α jest procesem, podczas którego cząsteczka zawierająca 2 neutrony i 2 protony jest emitowana z jądra atomu radioaktywnego. Cząsteczka ta jest identyczna z jądrem atomu helu. W rezultacie nowo powstałe jądro ma liczbę masową mniejszą o 4 a liczbę atomową mniejszą o 2:
Promieniowanie α pojawia się jedynie podczas przemian jąder bardzo ciężkich, jak U, Th i Ra. Jądra tych atomów są niezmiernie bogate w neutrony (posiadają dużo więcej neutronów niż protonów). Emitowane podczas tej przemiany czasteczki α posiadają ładunek elektryczny dodatni ze względu na zawarte w nich 2 protony. Są to cząsteczki dużo cięższe niż pozostałe nośniki promieniowania i dużo bardziej energetyczne. Te własności pozwalają cząsteczkom α silnie oddziaływać z napotkaną materią, nawet z powietrzem, wywołując jonizację na bardzo krótkich dystansach. Typowe cząsteczki α przebywają w powietrzu drogę nie dłuższą niż kilka centymetrów, a zatrzymuje je nawet kartka papieru. Stąd określenie promieniowania α jako słabo przenikliwe i silnie jonizujące.
3.2. Przemiana Jądrowa β (rozpad β)
Rys. 5 Przemiana jądrowa z emisją cząstki β- (elektronu) oraz antyneutrina elektronowego na przykładzie przemiany jądra K-40 w Ca-40.
Rozpad β jest procesem, podczas którego z jądra radioaktywnego atomu następuje emisja elektronu lub pozytonu wraz z jednoczesną emisją cząstki zwanej antyneutrinem elektronowym lub neutrinem elektronowym. Neutrino i antyneutrino są cząsteczkami praktycznie nie posiadającymi masy, ale podczas emisji unoszą ze sobą część energii wyzwolonej podczas procesu rozpadu. Ponieważ emitowany elektron powstaje z przemiany jądrowej, nazywamy go cząstką β dla rozróżnienia go od elektronu orbitującego wokół jądra. Ponieważ Rys. 5 obrazuje jedynie przemianę β-, poniższe reakcje przedstawiają wszystkie możliwe przypadki zajścia rozpadu β:
Podczas przemiany β, po wyemitowaniu elektronu lub pozytonu, liczba atomowa zmienia się o 1 (wzrasta lub maleje) a liczba masowa pozostaje bez zmian. Za przemianę β uważa się także wychwyt przez jądro elektronu e-at z głębokiej powłoki atomowej, jak pokazuje reakcja (3).
Podobnie, jak przemiana α, przemiana β zachodzi w izotopach bogatych w neutrony. Atomy podlegające przemianom β są wytwarzane w reaktorach atomowych. W momencie, gdy jądro wyrzuca cząstkę β-, jeden z neutronów znajdujących się w jądrze zostaje przekształcony w proton i odwrotnie w przypadku emisji β+. Cząstki β posiadają ładunek elektryczny ujemny lub dodatni a ich masa jest oczywiście masą elektronu, czyli jest dużo mniejsza od masy cząstki α. Stąd promieniowanie β, mimo, iż nadal dość przenikliwe i słabo jonizujące, posiada mniejszą skłonność do oddziaływania z materią. W zależności od energii cząstki β (zależnej od rodzaju atomu radioaktywnego), cząsteczka taka pokonuje dystans do kilku matrów w powietrzu, a zatrzymywana jest przez warstwę metalu czy plastiku.
Promieniowanie β przechodzące przez wodę czasem wyzwala tzw. Promieniowanie Czerenkowa w postaci niebieskiej łuny, np. wokół paliwa lub reaktorów [5].
Jądra powstające w wyniku przemian α lub β znajdują się zwykle w stanie wzbudzonym. Oznacza to, że posiadają one nadmiar energii, której mogą się pozbywać. Przechodząc do stanu podstawowego emitują kwant promieniowania γ, czyli foton. Ulegają więc przemianie γ [6].
Rys. 6 Przemiana jądrowa z emisją kwantu promieniowania elektromagnetycznego γ na przykładzie przemiany jądra Co-60 w Ni-60.
Podobnie jak wszystkie formy promieniowania elektromagnetycznego, promieniowanie γ nie posiada ani masy, ani ładunku. Oddziałuje ono z materią poprzez zderzenia z elektronami znajdującymi się na zrębach atomowych. Energia promieniowania wytracana jest powoli w materii, dając promieniowaniu możliwość przenikania wgłąb materii do momentu całkowitego zatrzymania się. W zależności od energii wyjściowej, promieniowanie γ pokonuje dystanse od 1 do setek metrów w powietrzu i przenika bez przeszkód przez organizm człowieka.
Równania przedstawione powyżej opisują możliwe przemiany γ. Równanie (1) opisuje emisję kwantu γ ze wzbudzonego energetycznie jądra, natomiast równanie (2) przedstawia inny przykład przemiany γ, kiedy wzbudzone jądro atomowe emituje elektron (konwersja wewnętrzna). Obie liczby, atomowa i masowa, pozostają niezmienione, zmienia się natomiast energia wzbudzenia jądra [6].
Rys. 7 Powstawanie promieniowania X.
W wysokiej próżni po przyłożeniu dużego napięcia między elektrody (drut stanowiący anodę oraz katoda zbudowana z ciężkiego metalu), elektrony przyciągane w kierunku anody posiadają niezmiernie wysoką energię. Kiedy uderzają one w materiał anody, niektóre z nich docierają do jądra atomowego metalu, gdzie zostają odchylone w wyniku działania przeciwnych ładunków. Spada energia elektronów i uwalnia się ona w postaci wysokoenergetycznego promieniowania X. Istnieją dwa mechanizmy odpowiedzialne za emisję promieniowania X. Pierwszym jest emisja promieniowania hamowania, charakterystyczna dla elektronów przyspieszanych. Promieniowanie hamowania posiada ciągły rozkład energii fotonów a jego górną granicę wyznacza energia elektronów wyhamowywanych. Im większa energia elektronów, tym większa energia wyemitowanych fotonów. Wiedząc, że energia cząstek naładowanych w polu elektrycznym jest równa iloczynowi ładunku i różnicy potencjałów pomiędzy początkowym i końcowym punktem ruchu cząstki, wiemy, że maksymalna energia fotonów emitowanych przez lampę roentgenowską zależy od napięcia przyłożonego między katodą i anodą tej lampy. Drugi mechanizm to emisja tzw. promieniowania charakterystycznego w widmie dyskretnym. Mechanizm emisji tego promieniowania wiąże się z procesami wzbudzenia i jonizacji atomów ośrodka absorbującego przez uderzające w anodę elektrony.
Oddziaływanie promieniowania Roentgena z materią opisywane jest tymi samymi zjawiskami, co oddziaływanie wcześniej omawianego promieniowania elektromagnetycznego γ. Różnica między tymi promieniowaniami polega jedynie na różniących je długościach fali, czyli również innych energiach kwantów wypromieniowywanych.
Rys. 8 Zjawisko powstawania promieniowania neutronowego powstałego przez bombardowanie jądra berylu cząstkami α.
Źródło: Atom The Incredible World [8].
Promieniowanie neutronowe polega na uwolnieniu energii atomu w formie neutralnych elektrycznie, choć obarczonych względnie sporą masą, cząsteczek. Neutrony mogą być emitowane podczas reakcji rozszczepienia jąder atomowych oraz w procesie rozpadu pewnych radionuklidów, zazwyczaj powstałych naturalnie. Ogromnym źródłem naturalnego promieniowania neutronowego jest promieniowanie kosmiczne jak i jądra powstałe w procesach rozpadu α. Typowe sztuczne źródło emisji neutronów to akceleratory. Promieniowanie neutronowe może być absorbowane lub rozpraszane przez jądra atomów, z którymi oddziałuje. W przypadku absorpcji neutronów możliwe są reakcje jądrowe z częstą emisją promieniowania wtórnego. W ten sposób neutrony wywołują pośredni efekt emisji podobnej do wyżej omówionych rodzajów promieniowania. Rys. 8 ukazuje emisję protonów wyzwolonych podczas bombardowania warstwy parafiny neutronami.
...
Honakura