Szkodliwość Promieniowania Rentgenowskiego: Jonizacja Ciała i Jej Skutki
- Szczegóły
Organizm człowieka narażony jest na skutki wywołane promieniowaniem jonizującym, które może pochodzić zarówno ze źródeł sztucznych, jak i naturalnych.
Czym jest Promieniowanie Jonizujące?
Promieniowanie jonizujące towarzyszy człowiekowi od zawsze. Codziennie pochłaniamy promieniowanie, które dociera do nas z Kosmosu oraz pochodzi ze skał lub gleby. Promieniowanie jonizujące jest promieniowaniem korpuskularnym lub elektromagnetycznym, powodującym jonizację ośrodka, przez który przechodzi.
Dzięki odpowiednio dużej energii jest zdolne oderwać elektron od obojętnych atomów lub cząsteczek. Promieniowaniem jonizującym jest promieniowanie jądrowe (α, β i γ), neutronowe, X i kosmiczne.
Źródła Promieniowania Jonizującego
Źródłem naturalnego promieniowania jonizującego jest m.in. przestrzeń kosmiczna. Promienie kosmiczne, które składają się głównie z jąder atomów o wielkich energiach (są to głównie protony), zostało odkryte na początku XX w. Przed promieniowaniem kosmicznym częściowo chroni nas atmosfera ziemska, która pochłania energię padających cząstek.
W wyniku zderzeń cząsteczek z jądrami gazów (azot, tlen) w atmosferze emitowane jest promieniowanie wtórne. Szacuje się, że do wysokości 20 km nad powierzchnią Ziemi jest ono dominującą składową promieniowania kosmicznego. Im grubszą warstwę atmosfery musi pokonać promieniowanie, tym słabsze się ono staje.
Przeczytaj także: Profesjonalna stylizacja włosów w domu
W związku z tym ludzie przyjmują dużo mniejszą dawkę promieniowania na poziomie morza niż osoby wspinające się w wysokich górach. Osoby latające samolotami na trasach transkontynentalnych otrzymają dawkę promieniowania równą mniej więcej dawce towarzyszącej prześwietleniu rentgenowskiemu płuc.
Źródłem promieniowania jonizującego są również powierzchnia i wnętrze Ziemi, które zawierają bogate zasoby pierwiastków radioaktywnych. Na terenie Polski po zakończeniu drugiej wojny światowej wydobywano rudy uranu m.in. w Kletnie i Kowarach (Sudety). Z kopalni w Kletnie uzyskano łącznie 20 ton uranu.
Oprócz źródeł naturalnych promieniowania jonizującego istnieją także jego źródła sztuczne. Promieniowanie jonizacyjne wytworzone przez człowieka powstaje jako rezultat przemian zachodzących we wnętrzach jąder atomowych. Tym zmianom towarzyszy zmiana energii jąder, a często także liczby nukleonów. Podatne na to są zwłaszcza izotopy pierwiastków, w których znajduje się nieodpowiednia liczba neutronów.
Do źródeł sztucznych promieniowania jonizującego zaliczamy aparaturę medyczną (aparaty rentgenowskie, bomby kobaltowe), elektrownie jądrowe (reaktory) i urządzenia badawcze, np. akceleratory cząstek.
Skutki Biologiczne Promieniowania Jonizującego
Promieniowanie jonizujące powoduje określone skutki biologiczne, które ze względu na podstawowe mechanizmy ich powstawania możemy podzielić na deterministyczne i stochastyczne.
Przeczytaj także: Wszystko o prostownicy z laserową jonizacją
Skutki Deterministyczne
Skutki deterministyczne są konsekwencją pochłonięcia przez organizm ludzki na tyle dużej dawki promieniowania jonizującego, że powoduje ona zniszczenie lub bezpowrotne uszkodzenie pewnej liczby komórek. Przejawem skutków deterministycznych jest choroba popromienna.
Przekroczenie dawki progowej promieniowania wywołuje pierwsze dostrzegalne zmiany w organizmie.
Skutki Stochastyczne
Skutki stochastyczne (losowe) są rezultatem uszkodzenia materiału genetycznego pojedynczej komórki i przejawiają się w postaci nowotworów lub chorób dziedzicznych.
Rodzaje Promieniowania Jonizującego
Promieniowanie Alfa (α)
Promieniowanie α stanowią duże cząstki, które mimo swojego krótkiego zasięgu mają silne własności jonizacyjne (nawet 20‑krotnie większe niż promieniowanie β lub γ). Kiedy cząstka α o energii 4 MeV porusza się w powietrzu, może wytworzyć nawet 120 000 par jonów. Prawie cała energia cząstek alfa zużywana jest na jonizację ośrodka.
Źródłem promieniowania α są przemiany promieniotwórcze niektórych jąder tzw. pierwiastków ciężkich (uranu, toru, radu).
Przeczytaj także: Pyły zawieszone, filtry i jonizacja w oczyszczaczach powietrza
Szkło, kilkucentymetrowa warstwa powietrza (4,37 cm dla energii cząstek 6 MeV), skóra ludzka lub zwykły papier stanowią dla tego promieniowania zaporę nie do przebycia. Gdyby jednak cząstki α dostały się w jakiś sposób do organizmu, np. drogą pokarmową, to ich jonizujące działanie mogłoby się okazać tragiczne dla zdrowia (choroba popromienna, białaczka) i zakończyć nawet śmiercią. Promieniowanie α nie wymaga stosowania specjalnych osłon.
Promieniowanie Beta (β)
Promieniowanie β (strumień elektronów) w porównaniu z promieniowaniem α ma znacznie większy zasięg (zależny od energii cząstek; w powietrzu rozchodzi się ono na odległość kilku metrów) oraz większą przenikliwość. Źródłem promieniowania β są procesy zachodzące wewnątrz jąder pierwiastków promieniotwórczych, gdzie następuje przemiana neutronu w proton (β-) lub protonu w neutron (β+).
Cząstki β, których zarówno ładunek, jak i masa są mniejsze w porównaniu z cząstkami α, wywołują znacznie mniejszą jonizację ośrodka. W powietrzu mogą mieć zasięg nawet kilku metrów (2,3 m dla 6,0 MeV).
Biologiczne skutki oddziaływania promieniowania β na żywą tkankę są jednak znacznie mniejsze w porównaniu z promieniowaniem α. Przed promieniowaniem β chroni cienka warstwa aluminium lub tworzywa sztucznego a także szklana płyta o grubości 1 cm. Aby zabezpieczyć się przed promieniowaniem β, musimy korzystać z osłony. Wykorzystanie tarcz ołowianych (lub wykonanych z innych metali ciężkich) nie jest wskazane, ponieważ wychwycenie elektronu przez jądra osłony może stać się źródłem promieniowania wtórnego.
Niebezpieczne dla zdrowia jest przyjęcie dawki promieniowania β znajdującej się w skażonej żywności.
Promieniowanie Gamma (γ)
Promieniowanie γ jest najbardziej przenikliwą formą promieniowania jonizującego. Są to fale elektromagnetyczne krótsze od promieni rentgenowskich.
Źródłem promieniowania γ są wzbudzone jądra, które podczas powrotu do stanu podstawowego, emitują nadmiar energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie γ nigdy nie występuje samo - zawsze towarzyszy emisji cząstek α lub β. Liczba masowa jądra pozostaje niezmieniona.
Częściową (najczęściej jednak w pełni wystarczającą) ochronę przed tym promieniowaniem stanowią płyty ołowiane (które mogą być także wykonane z innych metali ciężkich, np. stali albo zubożonego uranu) lub wielometrowa warstwa betonu. Promieniowanie γ nie ma zasięgu maksymalnego i po napotkaniu odpowiedniej przeszkody ulega pochłanianiu, którego stopień zależy od tego, jak gruba jest ta przeszkoda i z jakiego materiału została ona wykonana. Energia promieniowania γ może zmieniać się liniowo w bardzo szerokim zakresie - od kilkuset keV do kilku MeV.
Promieniowanie Neutronowe
Promieniowanie neutronowe to kolejny rodzaj promieniowania jonizującego, który nie przenosi ładunku elektrycznego. Powstaje w wyniku rozszczepienia jąder atomowych lub rozpadu niektórych izotopów promieniotwórczych. Ze względu na prędkość (a tym samym energię), którą osiągają neutrony, dzielimy je na termiczne i szybkie.
Neutrony termiczne (o ich znaczeniu przeczytacie w następnych podrozdziałach) osiągają prędkość ok. 2 km/s oraz energię poniżej 1 eV. Neutrony termiczne pochłaniane są przez tarcze wykonane z materiałów takich jak kadm lub bor.
Z kolei proces pochłaniania neutronów szybkich przebiega dwustopniowo. Przed wychwyceniem muszą zostać spowolnione do prędkości charakterystycznej dla neutronów termicznych. Moderatorami (spowalniaczami) w tym wypadku mogą być materiały zbudowane z jąder o niskich liczbach atomowych (zawierające wodór), np. ciężka woda, parafina bądź grafit.
Równoważnik Dawki Promieniowania
Zdolności jonizacyjne promieniowania alfa, beta, gamma i neutronowego zdecydowanie się od siebie różnią. Najbardziej szkodliwe, biorąc pod uwagę wywierane skutki, są promieniowanie α i neutronowe. Jeden grej promieniowania gamma (wysoka przenikliwość) wpływa na organizm ludzki zupełnie inaczej niż jeden grej promieniowania alfa. Skutki promieniowania mogą być różne, dlatego wprowadzono wielkość zwaną równoważnikiem dawki.
Wyraża się go wzorem: H=Q·D
gdzie:
- Q - współczynnik jakości promieniowania (liczba z przedziału od 1 do 25);
- D - dawka promieniowania.
| Promieniowanie | Q |
|---|---|
| α i γ powyżej 30 keV | 1 |
| β powyżej 30 keV | 1 |
| β trytu | 2 |
| α, neutrony, protony, ciężkie jony | 25 |
| neutrony termiczne | 4,5 |
Bezwymiarowa liczba Q przyjmuje wartość równą jeden dla promieniowania γ i dwadzieścia pięć - dla promieniowania α i neutronowego. Uwzględnia różne skutki promieniowania jonizującego wywierane na organizm ludzki (inna zdolność jonizacyjna, przenikliwość, odporność biologiczna). W układzie SI jednostką pochodną równoważnika dawki promieniowania jest jeden siwert (Sv).
Przykład Obliczeniowy
Aby określić różnicę między dawką pochłoniętego promieniowania a równoważnikiem tej dawki, przeprowadzono eksperyment. Odpowiednio spreparowaną tkankę zwierzęcą poddano działaniu dwóch różnych rodzajów promieniowania jonizującego - α i β. Masa tkanki wynosiła 10 g i pochłonęła 1010 cząstek o energii 10 MeV.
Rozwiązanie:
Dawka pochłoniętego promieniowania w obu przypadkach jest taka sama i wynosi:
D = (1010 * 10 MeV) / 10-2 kg = 109 MeV/kg
Wiadomo jednak, że: 1 MeV ≈ 1,6 * 10-13 J
Dawka pochłoniętego promieniowania wyrażona w grejach wynosi zatem:
D = 1,6 * 109 * 10-13 J/kg = 1,6 * 10-4 Gy = 0,016 cGy
Jeśli skorzystamy z tabeli wartości współczynnika jakości, otrzymamy:
- dla promieniowania α: H = D * Q = 0,016 cGy * 25 = 4 mSv
- dla promieniowania β: H = D * Q = 0,016 cGy * 1 = 0,16 mSv
Wniosek: Mimo że dawki pochłoniętego promieniowania alfa i beta były takie same, to wartości równoważników tych dawek bardzo się różnią. Negatywny wpływ, który jest wywierany przez promieniowanie α na żywą tkankę, jest znacznie większy niż wpływ cząstek β.
| Państwo (obszar) | Równoważnik dawki [mSv] |
|---|---|
| Stany Zjednoczone | ok. 1,0 |
| Wielka Brytania | ok. 1,9 |
| Polska | ok. 2,8 |
| Francja - Masyw Centralny | 3,5 |
| Iran - Ramsar | ok. 240 |
| Indie - Kerala, Madras | 8-80 |
| Brazylia - Minas Gerais | 17-120 |
| Rio de Janeiro - plaże | 5,5-12,5 |
Źródła Promieniowania i Ich Wpływ
Źródłami promieniowania (poza promieniowaniem kosmicznym oraz pierwiastkami promieniotwórczymi obecnymi w powietrzu i skorupie ziemskiej) mogą być przeróżne źródła sztuczne, np. wielka płyta, którą często się wykorzystuje podczas stawiania budynków mieszkalnych). Promieniowanie jonizujące to każdy rodzaj promieniowania, który może doprowadzić do pośredniej lub bezpośredniej jonizacji ośrodka materialnego.
Źródła promieniowania jonizującego mogą być sztuczne i naturalne. Źródła naturalne to przede wszystkim pierwiastki promieniotwórcze obecne w skorupie ziemskiej i atmosferze, a także promieniowanie kosmiczne. Źródła sztuczne to pierwiastki radioaktywne wytworzone w reaktorach jądrowych.
Napromieniowanie dużymi dawkami promieniowania może prowadzić do śmierci lub choroby popromiennej. Małe dawki promieniowania mogą skutkować chorobami nowotworowymi, a jeśli został uszkodzony materiał genetyczny, mogą się one ujawnić dopiero w następnym pokoleniu. Uszkodzenia organizmu zależą głównie od energii i rodzaju padającego promieniowania (w przypadku cząstek - od masy i ich ładunku elektrycznego). Najbardziej przenikliwe są promieniowanie gamma oraz promieniowanie beta (strumień elektronów) - powodują one największe uszkodzenia organizmu.
tags: #jonizacja #ciała #roentgen #szkodliwość
