Promieniowanie jonizujące -Ionizing radiation

Promieniowanie jonizujące (lub promieniowanie jonizujące ), w tym promieniowanie jądrowe , składa się z cząstek subatomowych lub fal elektromagnetycznych, które mają wystarczającą energię do jonizacji atomów lub cząsteczek poprzez oderwanie od nich elektronów . Cząstki zazwyczaj poruszają się z prędkością 99% prędkości światła , a fale elektromagnetyczne znajdują się w wysokoenergetycznej części widma elektromagnetycznego .

Promienie gamma , promienie rentgenowskie i część ultrafioletowa o wyższej energii z widma elektromagnetycznego to promieniowanie jonizujące, podczas gdy ultrafiolet o niższej energii, światło widzialne , prawie wszystkie rodzaje światła laserowego , podczerwień , mikrofale i fale radiowepromieniowaniem niejonizującym . Granica między promieniowaniem jonizującym i niejonizującym w obszarze ultrafioletowym nie jest wyraźnie określona, ​​ponieważ różne cząsteczki i atomy jonizują z różnymi energiami . Energia promieniowania jonizującego zaczyna się od 10  elektronowoltów (eV) do 33 eV i rozciąga się dalej w górę.

Typowe jonizujące cząstki subatomowe obejmują cząstki alfa , cząstki beta i neutrony . Są one zazwyczaj tworzone przez rozpad radioaktywny i prawie wszystkie są wystarczająco energetyczne, aby zjonizować. Wtórne cząstki kosmiczne powstające w wyniku oddziaływania promieni kosmicznych wchodzą w interakcję z atmosferą Ziemi, w tym miony , mezony i pozytony . Promienie kosmiczne mogą również wytwarzać na Ziemi radioizotopy (na przykład węgiel-14 ), które z kolei rozpadają się i emitują promieniowanie jonizujące. Promieniowanie kosmiczne i rozpad izotopów promieniotwórczych to główne źródła naturalnego promieniowania jonizującego na Ziemi, przyczyniające się do promieniowania tła . Promieniowanie jonizujące jest również generowane sztucznie przez lampy rentgenowskie , akceleratory cząstek i rozszczepienie jądrowe .

Promieniowanie jonizujące nie jest wykrywalne ludzkimi zmysłami, dlatego do jego wykrycia i pomiaru należy użyć przyrządów, takich jak licznik Geigera . Jednak cząstki o bardzo wysokiej energii mogą wytwarzać światło widzialne, takie jak promieniowanie Czerenkowa .

Promieniowanie jonizujące jest stosowane w wielu różnych dziedzinach, takich jak medycyna , energia jądrowa , badania i produkcja przemysłowa, ale stanowi zagrożenie dla zdrowia, jeśli nie zostaną podjęte odpowiednie środki zapobiegające nadmiernemu narażeniu. Narażenie na promieniowanie jonizujące powoduje uszkodzenie komórek żywej tkanki i uszkodzenie narządów . W wysokich ostrych dawkach spowoduje oparzenia popromienne i chorobę popromienną , a niższe dawki przez dłuższy czas mogą powodować raka . Międzynarodowa Komisja Ochrony Radiologicznej (ICRP) wydaje wytyczne dotyczące ochrony przed promieniowaniem jonizującym oraz wpływu przyjmowania dawki na zdrowie ludzi.

Promieniowanie bezpośrednio jonizujące

Promieniowanie alfa ( α ) składa się z szybko poruszającego się helu-4 (4
On
) jądra i jest zatrzymany przez kartkę papieru. Promieniowanie beta ( β ) składające się z elektronów jest zatrzymywane przez płytkę aluminiową. Promieniowanie gamma ( γ ), składające się z energetycznych fotonów , jest ostatecznie pochłaniane, gdy przenika przez gęsty materiał. Promieniowanie neutronowe ( n ) składa się z wolnych neutronów, które są blokowane przez lekkie pierwiastki, takie jak wodór, które spowalniają je i/lub wychwytują. Nie pokazano: promienie kosmiczne galaktyczne , które składają się z naładowanych energetycznie jąder, takich jak protony , jądra helu i wysokonaładowane jądra zwane jonami HZE .
Komory chmurowe służą do wizualizacji promieniowania jonizującego. Na tym zdjęciu widać ślady cząstek, które jonizują nasycone powietrze i pozostawiają ślad pary wodnej.

Promieniowanie jonizujące można podzielić na bezpośrednio lub pośrednio jonizujące.

Każda naładowana cząstka o masie może jonizować atomy bezpośrednio poprzez fundamentalne oddziaływanie poprzez siłę Coulomba, jeśli ma wystarczającą energię kinetyczną. Do takich cząstek należą jądra atomowe , elektrony , miony , naładowane piony , protony i energetyczne naładowane jądra pozbawione swoich elektronów. Podczas poruszania się z prędkością relatywistyczną (zbliżoną do prędkości światła , c) cząstki te mają wystarczającą energię kinetyczną do jonizacji, ale występują znaczne wahania prędkości. Na przykład, typowa cząstka alfa porusza się z prędkością około 5% c, ale elektron o energii 33 eV (wystarczająco na jonizację) porusza się z prędkością około 1% c.

Dwa pierwsze odkryte typy bezpośrednio jonizującego promieniowania to cząstki alfa, które są jądrami helu wyrzucanymi z jądra atomu podczas rozpadu radioaktywnego, oraz energetyczne elektrony, zwane cząstkami beta .

Naturalne promienie kosmiczne składają się głównie z relatywistycznych protonów, ale zawierają także cięższe jądra atomowe, takie jak jony helu i jony HZE . W atmosferze takie cząsteczki są często zatrzymywane przez cząsteczki powietrza, co powoduje powstawanie krótkożyciowych naładowanych pionów, które wkrótce rozpadają się na miony, podstawowy rodzaj promieniowania kosmicznego docierającego do powierzchni Ziemi. Piony mogą być również wytwarzane w dużych ilościach w akceleratorach cząstek .

Cząstki alfa

Cząstki alfa składają się z dwóch protonów i dwóch neutronów połączonych razem w cząsteczkę identyczną z jądrem helu . Emisje cząstek alfa są zazwyczaj wytwarzane w procesie rozpadu alfa .

Cząsteczki alfa są silnie jonizującą formą promieniowania, ale emitowane w wyniku rozpadu radioaktywnego mają niską zdolność penetracji i mogą być pochłaniane przez kilka centymetrów powietrza lub przez wierzchnią warstwę ludzkiej skóry. Silniejsze cząstki alfa z rozszczepienia trójskładnikowego są trzy razy bardziej energetyczne i penetrują proporcjonalnie dalej w powietrzu. Jądra helu, które tworzą 10–12% promieni kosmicznych, mają również zwykle znacznie wyższą energię niż te wytwarzane przez rozpad radioaktywny i stwarzają problemy z ekranowaniem w kosmosie. Jednak ten rodzaj promieniowania jest w znacznym stopniu pochłaniany przez ziemską atmosferę, która stanowi tarczę radiacyjną równoważną około 10 metrom wody.

Cząsteczki alfa są nazwane od pierwszej litery alfabetu greckiego α . Symbolem cząstki alfa jest α lub α 2+ . Ponieważ są one identyczne z jądrami helu, czasami zapisuje się je również jako He2+
lub4
2
On2+
wskazując jon helu z ładunkiem +2 (brak dwóch elektronów). Jeśli jon otrzymuje elektrony ze swojego otoczenia, cząsteczkę alfa można zapisać jako normalny (elektrycznie obojętny) atom helu4
2
On

Cząstki beta

Cząstki beta to wysokoenergetyczne, szybkie elektrony lub pozytony emitowane przez niektóre typy jąder radioaktywnych , takie jak potas-40 . Produkcja cząstek beta nazywana jest rozpadem beta . Są one oznaczone grecką literą beta (β). Istnieją dwie formy rozpadu beta, β i β + , które powodują powstanie odpowiednio elektronu i pozytonu. Cząstki beta są mniej przenikliwe niż promieniowanie gamma, ale bardziej przenikliwe niż cząstki alfa.

Wysokoenergetyczne cząstki beta mogą wytwarzać promieniowanie rentgenowskie znane jako bremsstrahlung ("promieniowanie hamowania") lub elektrony wtórne ( promień delta ), gdy przechodzą przez materię. Oba mogą powodować pośredni efekt jonizacji. Bremsstrahlung jest problemem w przypadku ekranowania emiterów beta, ponieważ interakcja cząstek beta z materiałem ekranującym powoduje Bremsstrahlung. Efekt ten jest większy w przypadku materiału o wysokiej liczbie atomowej, dlatego materiał o niskiej liczbie atomowej jest używany do ekranowania źródła beta.

Pozytrony i inne rodzaje antymaterii

Pozytron lub antyelektron jest antycząstką lub antymaterii odpowiednikiem elektronu . Kiedy pozyton o niskiej energii zderza się z elektronem o niskiej energii, następuje anihilacja , w wyniku której następuje ich przekształcenie w energię dwóch lub więcej fotonów promieniowania gamma (patrz anihilacja elektron-pozyton ). Ponieważ pozytony są dodatnio naładowanymi cząstkami, mogą bezpośrednio jonizować atom poprzez oddziaływania kulombowskie.

Pozytrony mogą być generowane przez rozpad jądrowy emisji pozytonów (przez słabe oddziaływania ) lub przez produkcję par z wystarczająco energetycznego fotonu . Pozytrony są powszechnymi sztucznymi źródłami promieniowania jonizującego stosowanymi w medycznych skanach pozytonowej tomografii emisyjnej (PET).

naładowane jądra

Naładowane jądra są charakterystyczne dla galaktycznych promieni kosmicznych i cząstek słonecznych i poza cząstkami alfa (jądra naładowanego helu) nie mają naturalnych źródeł na Ziemi. Jednak w kosmosie protony o bardzo wysokiej energii, jądra helu i jony HZE mogą być początkowo zatrzymane przez stosunkowo cienkie warstwy osłony, ubrania lub skóry. Jednak wynikowa interakcja będzie generować promieniowanie wtórne i powodować kaskadowe efekty biologiczne. Jeśli na przykład jeden atom tkanki zostanie przemieszczony przez energetyczny proton, zderzenie spowoduje dalsze interakcje w ciele. Nazywa się to „ liniowym transferem energii ” (LET), który wykorzystuje rozpraszanie elastyczne .

LET można zobrazować jako kulę bilardową uderzającą w drugą w sposób zgodny z zasadą zachowania pędu , odrzucając obie z energią pierwszej kuli podzieloną między dwie nierówno. Kiedy naładowane jądro uderza w stosunkowo wolno poruszające się jądro obiektu w przestrzeni, pojawia się LET i neutrony, cząstki alfa, protony o niskiej energii i inne jądra zostaną uwolnione w wyniku zderzeń i przyczynią się do całkowitej pochłoniętej dawki tkanki.

Pośrednio promieniowanie jonizujące

Promieniowanie jonizujące pośrednio jest elektrycznie obojętne i nie oddziałuje silnie z materią, dlatego większość efektów jonizacji wynika z jonizacji wtórnej.

Promieniowanie fotonowe

Całkowity współczynnik absorpcji ołowiu (liczba atomowa 82) dla promieni gamma, wykreślony w funkcji energii gamma oraz udział trzech efektów. Efekt fotoelektryczny dominuje przy niskiej energii, ale powyżej 5 MeV zaczyna dominować produkcja par.

Mimo że fotony są elektrycznie obojętne, mogą jonizować atomy pośrednio poprzez efekt fotoelektryczny i efekt Comptona . Każda z tych interakcji spowoduje wyrzucenie elektronu z atomu z prędkością relatywistyczną, zamieniając ten elektron w cząstkę beta (drugorzędową cząstkę beta), która zjonizuje inne atomy. Ponieważ większość zjonizowanych atomów pochodzi z wtórnych cząstek beta, fotony są pośrednio promieniowaniem jonizującym.

Wypromieniowane fotony nazywane są promieniami gamma, jeśli są wytwarzane w wyniku reakcji jądrowej , rozpadu cząstek subatomowych lub rozpadu radioaktywnego w jądrze. Nazywane są promieniami rentgenowskimi , jeśli są wytwarzane poza jądrem. Ogólny termin „foton” jest używany do opisania obu.

Promienie rentgenowskie mają zwykle niższą energię niż promienie gamma, a starsza konwencja polegała na definiowaniu granicy jako długości fali 10-11 m (lub energii fotonu 100 keV). Ten próg był napędzany historycznymi ograniczeniami starszych lamp rentgenowskich i niską świadomością przejść izomerycznych . Nowoczesne technologie i odkrycia wykazały nakładanie się energii promieniowania rentgenowskiego i gamma. W wielu dziedzinach są one funkcjonalnie identyczne, różniąc się w badaniach naziemnych jedynie pochodzeniem promieniowania. Jednak w astronomii, gdzie często nie można wiarygodnie określić pochodzenia promieniowania, zachowano stary podział energii, przy czym promieniowanie rentgenowskie definiuje się jako mające od około 120 eV do 120 keV, a promieniowanie gamma jako mające dowolną energię powyżej 100 do 120 keV. , niezależnie od źródła. Wiadomo , że większość astronomicznych „astronomii promieniowania gamma ” nie pochodzi z jądrowych procesów radioaktywnych, ale raczej jest wynikiem procesów takich jak te, które wytwarzają astronomiczne promienie rentgenowskie, z wyjątkiem tego, że są napędzane znacznie bardziej energetycznymi elektronami.

Absorpcja fotoelektryczna jest dominującym mechanizmem w materiałach organicznych dla energii fotonów poniżej 100 keV, typowej dla klasycznego promieniowania rentgenowskiego pochodzącego z lampy rentgenowskiej . Przy energiach powyżej 100 keV fotony coraz bardziej jonizują materię poprzez efekt Comptona , a następnie pośrednio poprzez produkcję par przy energiach powyżej 5 MeV. Towarzyszący diagram interakcji pokazuje dwa rozproszenia Comptona zachodzące kolejno. W każdym przypadku rozpraszania promień gamma przekazuje energię elektronowi i kontynuuje swoją drogę w innym kierunku i ze zmniejszoną energią.

Granica definicji dla fotonów o niższej energii

Najniższa energia jonizacji dowolnego pierwiastka wynosi 3,89 eV dla cezu . Jednak materiał amerykańskiej Federalnej Komisji Łączności definiuje promieniowanie jonizujące jako promieniowanie o energii fotonów większej niż 10 eV (równoważne długości fali dalekiego ultrafioletu wynoszącej 124 nanometry ). W przybliżeniu odpowiada to zarówno pierwszej energii jonizacji tlenu, jak i energii jonizacji wodoru, obu około 14 eV. W niektórych odniesieniach Agencji Ochrony Środowiska jonizacja typowej cząsteczki wody przy energii 33 eV jest określana jako odpowiedni próg biologiczny dla promieniowania jonizującego: wartość ta reprezentuje tak zwaną wartość W , potoczną nazwę ICRU oznacza energię zużytą w gazie na utworzoną parę jonów , która łączy energię jonizacji oraz energię traconą na inne procesy, takie jak wzbudzanie . Przy 38 nanometrach długości fali dla promieniowania elektromagnetycznego , 33 eV jest zbliżone do energii przy konwencjonalnym przejściu długości fali 10 nm między ekstremalnym promieniowaniem ultrafioletowym i rentgenowskim, które występuje przy około 125 eV. Tak więc promieniowanie rentgenowskie jest zawsze jonizujące, ale tylko promieniowanie skrajnie ultrafioletowe można uznać za jonizujące pod wszystkimi definicjami.

Oddziaływanie promieniowania: promienie gamma są reprezentowane przez linie faliste, naładowane cząstki i neutrony przez linie proste. Małe kółka pokazują, gdzie zachodzi jonizacja.

Neutrony

Neutrony mają neutralny ładunek elektryczny, często błędnie rozumiany jako zerowy ładunek elektryczny, a zatem często nie powodują bezpośrednio jonizacji w pojedynczym kroku lub interakcji z materią. Jednak szybkie neutrony będą oddziaływać z protonami w wodorze poprzez liniowy transfer energii, energię, którą cząsteczka przenosi do materiału, przez który się porusza. Mechanizm ten rozprasza jądra materiałów w obszarze docelowym, powodując bezpośrednią jonizację atomów wodoru. Kiedy neutrony uderzają w jądra wodoru, powstaje promieniowanie protonowe (szybkie protony). Te protony same się jonizują, ponieważ mają wysoką energię, są naładowane i oddziałują z elektronami w materii.

Neutrony, które uderzają w inne jądra oprócz wodoru, przekażą mniej energii drugiej cząstce, jeśli nastąpi liniowy transfer energii. Jednak w przypadku wielu jąder uderzonych przez neutrony występuje rozpraszanie nieelastyczne . To, czy wystąpi rozproszenie sprężyste, czy nieelastyczne, zależy od prędkości neutronu, czy to szybkiego , czy termicznego , czy też gdzieś pomiędzy. Zależy również od jąder, w które uderza, i przekroju neutronowego .

W rozpraszaniu nieelastycznym neutrony są łatwo absorbowane w reakcji jądrowej zwanej wychwytywaniem neutronów i przypisują ją aktywacji neutronowej jądra. Oddziaływania neutronowe z większością rodzajów materii w ten sposób zwykle wytwarzają radioaktywne jądra. Obfite jądro tlenu-16 , na przykład, ulega aktywacji neutronowej, szybko rozpada się przez emisję protonów, tworząc azot-16 , który rozpada się na tlen-16. Krótkotrwały rozpad azotu-16 emituje silne promieniowanie beta. Proces ten można zapisać jako:

16 O (n,p) 16 N (możliwe szybkie wychwytywanie neutronów przy neutronach >11 MeV)

16 N → 16 O + β (Rozpad t 1/2 = 7,13 s)

Ten wysokoenergetyczny β dalej szybko oddziałuje z innymi jądrami, emitując wysokoenergetyczną γ przez Bremsstrahlung

Chociaż reakcja nie jest korzystna, reakcja 16 O (n, p) 16 N jest głównym źródłem promieniowania rentgenowskiego emitowanego z wody chłodzącej ciśnieniowy reaktor wodny i ma ogromny wpływ na promieniowanie generowane przez chłodzony wodą reaktor jądrowy, podczas gdy operacyjny.

W celu najlepszego ekranowania neutronów stosuje się węglowodory o dużej zawartości wodoru .

W materiałach rozszczepialnych neutrony wtórne mogą wywoływać reakcje łańcuchów jądrowych , powodując większą ilość jonizacji z produktów potomnych rozszczepienia.

Poza jądrem wolne neutrony są niestabilne i mają średni czas życia 14 minut i 42 sekundy. Swobodne neutrony rozpadają się poprzez emisję elektronu i antyneutrina elektronowego, aby stać się protonem, proces znany jako rozpad beta :

Na sąsiednim diagramie neutron zderza się z protonem materiału tarczy, a następnie staje się protonem szybko odrzutu, który z kolei ulega jonizacji. Na końcu swojej drogi neutron jest wychwytywany przez jądro w reakcji (n,γ), która prowadzi do emisji fotonu wychwytującego neutron . Takie fotony zawsze mają wystarczająco dużo energii, aby zakwalifikować się jako promieniowanie jonizujące.

Efekty fizyczne

Zjonizowane powietrze świeci na niebiesko wokół wiązki cząstek promieniowania jonizującego z cyklotronu

Skutki jądrowe

Promieniowanie neutronowe, promieniowanie alfa i ekstremalnie energetyczna gamma (> ~20 MeV) mogą powodować transmutację jądrową i indukowaną radioaktywność . Istotne mechanizmy to aktywacja neutronów , absorpcja alfa i fotodezintegracja . Wystarczająco duża liczba transmutacji może zmienić właściwości makroskopowe i spowodować, że cele same staną się radioaktywne, nawet po usunięciu pierwotnego źródła.

Efekty chemiczne

Jonizacja molekuł może prowadzić do radiolizy (zerwania wiązań chemicznych) i tworzenia wysoce reaktywnych wolnych rodników . Te wolne rodniki mogą następnie reagować chemicznie z sąsiednimi materiałami, nawet po ustaniu pierwotnego promieniowania. (np. kraking ozonowy polimerów przez ozon powstały w wyniku jonizacji powietrza). Promieniowanie jonizujące może również przyspieszyć istniejące reakcje chemiczne, takie jak polimeryzacja i korozja, przyczyniając się do energii aktywacji wymaganej do reakcji. Materiały optyczne ulegają degradacji pod wpływem promieniowania jonizującego.

Promieniowanie jonizujące o wysokiej intensywności w powietrzu może wytwarzać widzialną zjonizowaną poświatę powietrza o charakterystycznym niebiesko-fioletowym kolorze. Świecenie można zaobserwować np. podczas wypadków krytycznych , wokół grzybowych chmur tuż po wybuchu jądrowym , czy też we wnętrzu uszkodzonego reaktora jądrowego jak podczas katastrofy w Czarnobylu .

Płyny jednoatomowe, np. stopiony sód , nie mają wiązań chemicznych, które mogłyby zerwać ani nie zakłócają sieci krystalicznej, dzięki czemu są odporne na chemiczne skutki promieniowania jonizującego. Proste związki dwuatomowe o bardzo ujemnej entalpii tworzenia , takie jak fluorowodór , po jonizacji ulegają szybkiej i spontanicznej reformie.

Efekty elektryczne

Jonizacja materiałów tymczasowo zwiększa ich przewodność, potencjalnie pozwalając na niszczenie poziomów prądu. Stanowi to szczególne zagrożenie w mikroelektronice półprzewodnikowej stosowanej w sprzęcie elektronicznym, gdzie kolejne prądy wprowadzają błędy w działaniu lub nawet trwale uszkadzają urządzenia. Urządzenia przeznaczone do środowisk o wysokim poziomie promieniowania, takich jak przemysł jądrowy i zastosowania poza atmosferą (przestrzeń kosmiczna), mogą być trudne do oparcia się promieniowaniu poprzez projektowanie, dobór materiałów i metody wytwarzania.

Promieniowanie protonowe występujące w kosmosie może również powodować pojedyncze zakłócenia w obwodach cyfrowych. Efekty elektryczne promieniowania jonizującego są wykorzystywane w gazowych detektorach promieniowania, np. liczniku Geigera-Mullera czy komorze jonowej .

Efekty zdrowotne

Większość niekorzystnych skutków zdrowotnych ekspozycji na promieniowanie jonizujące można podzielić na dwie ogólne kategorie:

  • efekty deterministyczne (szkodliwe reakcje tkankowe) spowodowane w dużej mierze zabijaniem lub nieprawidłowym działaniem komórek po wysokich dawkach spowodowanych oparzeniami popromiennymi .
  • efekty stochastyczne, tj. rak i efekty dziedziczne obejmujące albo rozwój raka u osobników narażonych w wyniku mutacji komórek somatycznych, albo chorobę dziedziczną u ich potomstwa z powodu mutacji komórek rozrodczych (zarodkowych).

Najczęstszym skutkiem jest stochastyczna indukcja raka z utajonym okresem lat lub dziesięcioleci po ekspozycji. Na przykład promieniowanie jonizujące jest jedną z przyczyn przewlekłej białaczki szpikowej , chociaż większość osób z CML nie była narażona na promieniowanie. Mechanizm, dzięki któremu to zachodzi jest dobrze poznany, ale modele ilościowe przewidujące poziom ryzyka pozostają kontrowersyjne.

Najszerzej akceptowany model, liniowy model bezprogowy (LNT), utrzymuje, że częstość występowania nowotworów spowodowanych promieniowaniem jonizującym wzrasta liniowo wraz ze skuteczną dawką promieniowania na poziomie 5,5% na siwert . Jeśli to prawda, naturalne promieniowanie tła jest najbardziej niebezpiecznym źródłem promieniowania dla ogólnego zdrowia publicznego, tuż za nim plasuje się obrazowanie medyczne. Inne stochastyczne skutki promieniowania jonizującego to teratogeneza , pogorszenie funkcji poznawczych i choroby serca .

Chociaż DNA jest zawsze podatne na uszkodzenia przez promieniowanie jonizujące, cząsteczka DNA może również zostać uszkodzona przez promieniowanie o energii wystarczającej do wzbudzenia pewnych wiązań molekularnych w celu wytworzenia dimerów pirymidynowych . Ta energia może być mniej niż jonizująca, ale blisko niej. Dobrym przykładem jest energia z widma ultrafioletowego, która zaczyna się od około 3,1 eV (400 nm) przy prawie tym samym poziomie energii, który może powodować oparzenia słoneczne niezabezpieczonej skóry, w wyniku fotoreakcji w kolagenie i (w zakresie UV-B ) również uszkodzenia w DNA (na przykład dimery pirymidyny). Tak więc widmo elektromagnetyczne średniego i dolnego ultrafioletu jest szkodliwe dla tkanek biologicznych w wyniku wzbudzenia elektronowego w molekułach, które nie daje się zjonizować, ale daje podobne efekty nietermiczne. Udowodniono, że do pewnego stopnia światło widzialne, a także ultrafiolet A (UVA), który jest najbliższy energii widzialnej, powoduje powstawanie reaktywnych form tlenu w skórze, które powodują pośrednie uszkodzenia, ponieważ są to elektronowo wzbudzone cząsteczki, które mogą powodować uszkodzenia reaktywne. chociaż nie powodują oparzeń słonecznych (rumienia). Podobnie jak uszkodzenia jonizacyjne, wszystkie te efekty w skórze wykraczają poza te wywoływane przez proste efekty termiczne.

Pomiar promieniowania

Poniższa tabela przedstawia wielkości promieniowania i dawki w jednostkach SI i innych niż SI.

Związek radioaktywności z wykrytym promieniowaniem jonizującym. Kluczowymi czynnikami są; siła źródła promieniotwórczego, efekty transmisji i czułość przyrządu
Metody pomiaru promieniowania
Ilość Detektor Jednostki CGS Jednostki SI Inne jednostki
Szybkość rozpadu curie becquerel
Strumień cząstek Licznik Geigera , licznik proporcjonalny , scyntylator liczy się/cm2 · sekunda liczy się/metr 2 · sekunda liczba na minutę , cząstki na cm2 na sekundę
Płynność energii dozymetr termoluminescencyjny , dozymetr foliowy , MeV/cm 2 dżul/metr 2
Energia wiązki licznik proporcjonalny elektronowolt dżul
Liniowy transfer energii ilość pochodna MeV/cm Dżul/metr keV/μm
Kerma komora jonizacyjna , detektor półprzewodnikowy , dozymetr włókna kwarcowego , miernik opadu Kearny'ego esu/cm3 _ szary (dżul/kg) rentgen
Dawka pochłonięta kalorymetr rad szary reprezentant
Dawka równoważna ilość pochodna Rem siwert (dżul/kg× WR ) _
Skuteczna dawka ilość pochodna Rem siwert (dżul/kg× Szer . × Szer . T ) BRET
Przyjęta dawka ilość pochodna Rem siwert równoważna dawka bananów

Zastosowania promieniowania

Promieniowanie jonizujące ma wiele zastosowań przemysłowych, wojskowych i medycznych. Jego użyteczność musi być zrównoważona zagrożeniami, kompromisem, który zmienił się w czasie. Na przykład kiedyś asystenci w sklepach obuwniczych używali promieni rentgenowskich, aby sprawdzić rozmiar buta dziecka , ale praktyka ta została przerwana, gdy lepiej zrozumieno ryzyko związane z promieniowaniem jonizującym.

Promieniowanie neutronowe jest niezbędne do działania reaktorów jądrowych i broni jądrowej . Przenikliwa moc promieniowania rentgenowskiego, gamma, beta i pozytonów jest wykorzystywana w obrazowaniu medycznym , badaniach nieniszczących i różnych miernikach przemysłowych. Znaczniki radioaktywne są wykorzystywane w zastosowaniach medycznych i przemysłowych, a także w chemii biologicznej i radiacyjnej . Promieniowanie alfa jest stosowane w eliminatorach statycznych i detektorach dymu . Sterylizujące efekty promieniowania jonizującego są przydatne do czyszczenia instrumentów medycznych, napromieniania żywności oraz techniki sterylnych owadów . Pomiary węgla-14 mogą służyć do datowania szczątków dawno martwych organizmów (takich jak drewno, które ma tysiące lat).

Źródła promieniowania

Promieniowanie jonizujące powstaje w wyniku reakcji jądrowych, rozpadu jądrowego, bardzo wysokiej temperatury lub przyspieszania naładowanych cząstek w polach elektromagnetycznych. Źródła naturalne obejmują wybuchy słońca, błyskawic i supernowych. Sztuczne źródła obejmują reaktory jądrowe, akceleratory cząstek i lampy rentgenowskie .

Komitet Naukowy ONZ ds. Skutków Promieniowania Atomowego (UNSCEAR) wyszczególnił rodzaje narażenia ludzi.

Rodzaj ekspozycji na promieniowanie
Ekspozycja publiczna
Naturalne źródła Zwykłe zdarzenia Promieniowanie kosmiczne
Promieniowanie ziemskie
Ulepszone źródła Górnictwo i hutnictwo metali
Przemysł fosforanowy
Wydobycie węgla i produkcja energii z węgla
Wiercenie ropy i gazu
Przemysł ziem rzadkich i dwutlenku tytanu
Przemysł cyrkonowy i ceramiczny
Zastosowanie radu i toru
Inne sytuacje narażenia
Źródła stworzone przez człowieka pokojowe cele Produkcja energii jądrowej
Transport materiałów jądrowych i radioaktywnych
Zastosowanie inne niż energia jądrowa
cele wojskowe Testy jądrowe
Pozostałości w środowisku. Opad jądrowy
Sytuacje historyczne
Narażenie na wypadek wypadków
Narażenie na promieniowanie w miejscu pracy
Naturalne źródła Promieniowanie kosmiczne załogi lotniczej i załogi kosmicznej
Ekspozycje w przemyśle wydobywczym i przetwórczym
Przemysł wydobywczy gazu i ropy naftowej
Narażenie na radon w miejscach pracy innych niż kopalnie
Źródła stworzone przez człowieka pokojowe cele Energetyka jądrowa
Medyczne zastosowania promieniowania
Przemysłowe zastosowania promieniowania
Różne zastosowania
cele wojskowe Inni narażeni pracownicy
Źródło UNSCEAR 2008 Aneks B pobrany 2011-7-4

Międzynarodowa Komisja Ochrony Radiologicznej zarządza Międzynarodowym Systemem Ochrony Radiologicznej, który określa zalecane limity wychwytu dawki.

Promieniowanie tła

Promieniowanie tła pochodzi zarówno ze źródeł naturalnych, jak i sztucznych.

Średnia globalna ekspozycja ludzi na promieniowanie jonizujące wynosi około 3 mSv (0,3 rem) rocznie, z czego 80% pochodzi z natury. Pozostałe 20% wynika z narażenia na sztuczne źródła promieniowania, głównie z obrazowania medycznego . Średnia ekspozycja spowodowana przez człowieka jest znacznie wyższa w krajach rozwiniętych, głównie ze względu na tomografię komputerową i medycynę nuklearną .

Naturalne promieniowanie tła pochodzi z pięciu podstawowych źródeł: promieniowania kosmicznego, promieniowania słonecznego, zewnętrznych źródeł naziemnych, promieniowania ludzkiego ciała i radonu .

Współczynnik tła dla naturalnego promieniowania różni się znacznie w zależności od lokalizacji i wynosi zaledwie 1,5 mSv/a (1,5 mSv rocznie) na niektórych obszarach i ponad 100 mSv/a na innych. Najwyższy poziom czysto naturalnego promieniowania odnotowany na powierzchni Ziemi wynosi 90 µGy/h (0,8 Gy/a) na brazylijskiej czarnej plaży złożonej z monazytu . Najwyższe promieniowanie tła na zamieszkałym obszarze występuje w Ramsarze , głównie z powodu naturalnie radioaktywnego wapienia używanego jako materiał budowlany. Około 2000 najbardziej narażonych mieszkańców otrzymuje średnią dawkę promieniowania 10  mGy rocznie (1  rad /rok) dziesięciokrotnie większą niż zalecany przez ICRP limit narażenia ludności ze sztucznych źródeł. Rekordowe poziomy stwierdzono w domu, w którym efektywna dawka promieniowania z powodu promieniowania zewnętrznego wynosiła 135 mSv/rok (13,5 rem/rok), a gwarantowana dawka radonu wynosiła 640 mSv/a (64,0 rem/rok). Ten wyjątkowy przypadek jest ponad 200 razy wyższy niż średnie promieniowanie tła na świecie. Pomimo wysokiego poziomu promieniowania tła, jakie otrzymują mieszkańcy Ramsar, nie ma przekonujących dowodów na to, że doświadczają większego zagrożenia dla zdrowia. Zalecenia ICRP są konserwatywnymi limitami i mogą stanowić nadmierną reprezentację rzeczywistego zagrożenia dla zdrowia. Ogólnie rzecz biorąc, organizacja zajmująca się bezpieczeństwem radiologicznym zaleca najbardziej konserwatywne limity, zakładając, że najlepiej jest zachować ostrożność. Ten poziom ostrożności jest odpowiedni, ale nie powinien być używany do wzbudzania strachu przed zagrożeniem promieniowaniem tła. Zagrożenie promieniowaniem z promieniowania tła może być poważnym zagrożeniem, ale jest bardziej prawdopodobne, że jest małym ogólnym ryzykiem w porównaniu do wszystkich innych czynników w środowisku.

Promieniowanie kosmiczne

Ziemia i wszystkie żyjące na niej istoty są nieustannie bombardowane promieniowaniem spoza naszego Układu Słonecznego. To promieniowanie kosmiczne składa się z relatywistycznych cząstek: dodatnio naładowanych jąder (jonów) od 1 amu protonów (około 85% z nich) do 26 amu jąder żelaza , a nawet więcej. (Cząstki o wysokiej liczbie atomowej nazywane są jonami HZE .) Energia tego promieniowania może znacznie przewyższyć tę, którą mogą wytworzyć ludzie, nawet w największych akceleratorach cząstek (patrz ultra wysokoenergetyczny promień kosmiczny ). Promieniowanie to oddziałuje w atmosferze, tworząc wtórne promieniowanie, które pada w dół, w tym promieniowanie rentgenowskie , miony , protony , antyprotony , cząstki alfa , piony , elektrony , pozytony i neutrony .

Dawka promieniowania kosmicznego pochodzi głównie z mionów, neutronów i elektronów, przy czym moc dawki zmienia się w różnych częściach świata i jest oparta głównie na polu geomagnetycznym, wysokości i cyklu słonecznym. Moc dawki promieniowania kosmicznego w samolotach jest tak wysoka, że ​​zgodnie z raportem ONZ UNSCEAR 2000 (patrz linki na dole), pracownicy załóg lotniczych otrzymują średnio większą dawkę niż jakikolwiek inny pracownik, w tym pracownicy elektrowni jądrowych. Załogi linii lotniczych otrzymują więcej promieni kosmicznych, jeśli rutynowo pracują na trasach lotu, które prowadzą je blisko bieguna północnego lub południowego na dużych wysokościach, gdzie ten rodzaj promieniowania jest maksymalny.

Promieniowanie kosmiczne obejmuje również wysokoenergetyczne promienie gamma, które znacznie przewyższają energię wytwarzaną przez źródła słoneczne lub ludzkie.

Zewnętrzne źródła naziemne

Większość materiałów na Ziemi zawiera pewne radioaktywne atomy , nawet w niewielkich ilościach. Większość dawki otrzymywanej z tych źródeł pochodzi z emiterów promieniowania gamma w materiałach budowlanych lub skał i gleby na zewnątrz. Główne radionuklidy związane z promieniowaniem ziemskim to izotopy potasu , uranu i toru . Każde z tych źródeł zmniejszało swoją aktywność od czasu powstania Ziemi.

Wewnętrzne źródła promieniowania

Wszystkie ziemskie materiały, które są budulcem życia, zawierają składnik radioaktywny. Gdy ludzie, rośliny i zwierzęta spożywają żywność, powietrze i wodę, w organizmie gromadzi się zapas radioizotopów (patrz równoważna dawka bananów ). Niektóre radionuklidy, takie jak potas-40 , emitują promieniowanie gamma o wysokiej energii, które można zmierzyć za pomocą czułych elektronicznych systemów pomiaru promieniowania. Te wewnętrzne źródła promieniowania przyczyniają się do całkowitej dawki promieniowania danej osoby pochodzącej z naturalnego promieniowania tła .

Radon

Ważnym źródłem naturalnego promieniowania jest radon , który w sposób ciągły wycieka ze skały macierzystej, ale może, ze względu na swoją dużą gęstość, gromadzić się w słabo wentylowanych domach.

Radon-222 jest gazem powstałym w wyniku rozpadu α ​​radu -226. Oba są częścią naturalnego łańcucha rozpadu uranu . Uran występuje w glebie na całym świecie w różnych stężeniach. Radon jest największą przyczyną raka płuc wśród niepalących i drugą w kolejności przyczyną ogólnie.

Narażenie na promieniowanie

Poziom promieniowania w różnych sytuacjach, od normalnej działalności po awarię reaktora w Czarnobylu. Każdy wzrost na skali wskazuje na dziesięciokrotny wzrost poziomu promieniowania.
Różne dawki promieniowania w siwertach, od trywialnych do śmiertelnych.

Istnieją trzy standardowe sposoby ograniczania narażenia:

  1. Czas : W przypadku osób narażonych na promieniowanie oprócz naturalnego promieniowania tła ograniczenie lub zminimalizowanie czasu narażenia zmniejszy dawkę ze źródła promieniowania.
  2. Odległość : intensywność promieniowania gwałtownie spada wraz z odległością, zgodnie z prawem odwrotności kwadratu (w absolutnej próżni).
  3. Ekranowanie : Powietrze lub skóra mogą wystarczyć do znacznego osłabienia promieniowania alfa i beta. Bariery z ołowiu , betonu lub wody są często stosowane w celu zapewnienia skutecznej ochrony przed bardziej penetrującymi cząsteczkami , takimi jak promieniowanie gamma i neutrony . Niektóre materiały radioaktywne są przechowywane lub obsługiwane pod wodą lub zdalnie w pomieszczeniach zbudowanych z grubego betonu lub wyłożonych ołowiem. Istnieją specjalne plastikowe osłony, które zatrzymują cząstki beta, a powietrze zatrzyma większość cząstek alfa. Skuteczność materiału w ekranowaniu promieniowania jest określona przez jego połowę grubości , czyli grubość materiału, która redukuje promieniowanie o połowę. Wartość ta jest funkcją samego materiału oraz rodzaju i energii promieniowania jonizującego. Niektóre ogólnie przyjęte grubości materiału tłumiącego to 5 mm aluminium dla większości cząstek beta i 3 cale ołowiu dla promieniowania gamma.

Wszystko to można zastosować do źródeł naturalnych i sztucznych. W przypadku źródeł stworzonych przez człowieka stosowanie hermetyczności jest głównym narzędziem zmniejszania absorpcji dawki i jest skutecznym połączeniem ekranowania i izolacji od otwartego środowiska. Materiały radioaktywne są zamknięte w najmniejszej możliwej przestrzeni i trzymane z dala od środowiska, na przykład w gorącej komorze (w przypadku promieniowania) lub schowku na rękawiczki (w przypadku zanieczyszczenia). Na przykład izotopy radioaktywne do użytku medycznego są dozowane w zamkniętych obiektach do obsługi, zwykle w schowkach, podczas gdy reaktory jądrowe działają w zamkniętych systemach z wieloma barierami, które zatrzymują zawarte w nich materiały radioaktywne. Pomieszczenia robocze, komory gorące i komory rękawicowe mają nieznacznie obniżone ciśnienie powietrza, aby zapobiec ucieczce materiału unoszącego się w powietrzu do otwartego środowiska.

W konfliktach nuklearnych lub cywilnych uwolnieniach nuklearnych środki obrony cywilnej mogą pomóc w zmniejszeniu narażenia populacji poprzez zmniejszenie spożycia izotopów i narażenia zawodowego. Jednym z nich jest kwestia tabletek jodku potasu (KI), które blokują wychwyt radioaktywnego jodu (jednego z głównych radioizotopowych produktów rozszczepienia jądra ) do tarczycy człowieka .

Narażenie zawodowe

Osoby narażone zawodowo są kontrolowane w ramach prawnych kraju, w którym pracują, oraz zgodnie z wszelkimi lokalnymi ograniczeniami licencji jądrowej. Są one zazwyczaj oparte na zaleceniach Międzynarodowej Komisji Ochrony Radiologicznej . ICRP zaleca ograniczenie sztucznego napromieniania. W przypadku narażenia zawodowego limit wynosi 50 mSv w ciągu jednego roku i maksymalnie 100 mSv w ciągu kolejnych pięciu lat.

Narażenie tych osób na promieniowanie jest dokładnie monitorowane za pomocą dozymetrów i innych instrumentów ochrony radiologicznej, które mierzą stężenia cząstek radioaktywnych, odczyty dawek promieniowania gamma na danym obszarze oraz skażenie radioaktywne . Przechowywany jest rejestr prawny dawki.

Przykłady czynności, w których narażenie zawodowe jest problemem, obejmują:

Niektóre źródła promieniowania wytworzone przez człowieka wpływają na organizm poprzez bezpośrednie promieniowanie, znane jako dawka skuteczna (promieniowanie) , podczas gdy inne przybierają formę skażenia radioaktywnego i napromieniają ciało od wewnątrz. Ta ostatnia znana jest jako dawka popełniona .

Ekspozycja publiczna

Procedury medyczne, takie jak diagnostyczne prześwietlenia rentgenowskie , medycyna nuklearna i radioterapia, są zdecydowanie najważniejszym źródłem narażenia społeczeństwa na promieniowanie wywołane przez człowieka. Niektóre z głównych stosowanych radionuklidów to I-131 , Tc-99m , Co-60 , Ir-192 i Cs-137 . Opinia publiczna jest również narażona na promieniowanie pochodzące z produktów konsumenckich, takich jak tytoń ( polon -210), paliwa palne (gaz, węgiel itp.), telewizory , zegarki świetlne i tarcze ( tryt ), systemy rentgenowskie na lotniskach , czujniki dymu ( ameryk ), lampy elektronowe i płaszcze latarni gazowych ( tor ).

W mniejszym stopniu członkowie społeczeństwa są narażeni na promieniowanie z jądrowego cyklu paliwowego , który obejmuje całą sekwencję od przetwarzania uranu do utylizacji zużytego paliwa. Skutki takiego narażenia nie zostały wiarygodnie zmierzone ze względu na wyjątkowo niskie dawki. Przeciwnicy stosują model raka na dawkę, aby stwierdzić, że takie działania powodują kilkaset przypadków raka rocznie, stosując szeroko akceptowany liniowy model bezprogowy (LNT).

Międzynarodowa Komisja Ochrony Radiologicznej zaleca ograniczenie sztucznego napromieniania ludności do średnio 1 mSv (0,001 Sv) skutecznej dawki rocznie, nie uwzględniając narażenia medycznego i zawodowego.

W wojnie nuklearnej promienie gamma pochodzące zarówno z początkowej eksplozji broni, jak i opadu byłyby źródłem narażenia na promieniowanie.

Lot w kosmos

Masywne cząstki są problemem dla astronautów spoza ziemskiego pola magnetycznego, którzy otrzymaliby cząstki słoneczne ze słonecznych zdarzeń protonowych (SPE) i galaktyczne promieniowanie kosmiczne ze źródeł kosmicznych. Te wysokoenergetyczne naładowane jądra są blokowane przez pole magnetyczne Ziemi, ale stanowią poważny problem zdrowotny dla astronautów podróżujących na Księżyc i w dowolne odległe miejsca poza orbitą ziemską. Wiadomo, że szczególnie wysoko naładowane jony HZE są niezwykle szkodliwe, chociaż protony stanowią zdecydowaną większość promieni kosmicznych. Dowody wskazują na wcześniejsze poziomy promieniowania SPE, które byłyby śmiertelne dla niechronionych astronautów.

Podróże powietrzne

Podróże lotnicze narażają ludzi w samolocie na zwiększone promieniowanie z kosmosu w porównaniu z poziomem morza, w tym promieniowanie kosmiczne i rozbłyski słoneczne . Programy takie jak Epcard , CARI, SIEVERT, PCAIRE są próbami symulacji narażenia załóg samolotów i pasażerów. Przykładem zmierzonej dawki (niesymulowanej dawki) jest 6 μSv na godzinę z Londynu Heathrow do Tokio Narita na trasie polarnej o dużej szerokości geograficznej. Jednak dawki mogą się różnić, na przykład w okresach wysokiej aktywności słonecznej. FAA Stanów Zjednoczonych wymaga od linii lotniczych dostarczania załodze lotniczej informacji o promieniowaniu kosmicznym, a rekomendacja Międzynarodowej Komisji Ochrony Radiologicznej dla ogółu społeczeństwa wynosi nie więcej niż 1 mSv rocznie. Ponadto wiele linii lotniczych nie zezwala członkom załogi w ciąży na przestrzeganie dyrektywy europejskiej. FAA ma zalecany limit 1 mSv dla ciąży i nie więcej niż 0,5 mSv na miesiąc. Informacje pierwotnie oparte na Fundamentals of Aerospace Medicine opublikowane w 2008 roku.

Znaki ostrzegawcze o zagrożeniu promieniowaniem

Niebezpieczne poziomy promieniowania jonizującego są oznaczone znakiem koniczyny na żółtym tle. Są one zwykle umieszczane na granicy obszaru kontrolowanego promieniowaniem lub w dowolnym miejscu, w którym poziom promieniowania znacznie przekracza tło z powodu interwencji człowieka.

Czerwony symbol ostrzegawczy przed promieniowaniem jonizującym (ISO 21482) został wprowadzony w 2007 roku i jest przeznaczony dla źródeł IAEA kategorii 1, 2 i 3 określanych jako niebezpieczne źródła mogące spowodować śmierć lub poważne obrażenia, w tym promienniki żywności, urządzenia do teleterapii do leczenia raka i radiografia przemysłowa jednostki. Symbol należy umieścić na urządzeniu, w którym znajduje się źródło, jako ostrzeżenie przed demontowaniem urządzenia lub zbliżaniem się. Nie będzie to widoczne przy normalnym użytkowaniu, tylko jeśli ktoś spróbuje rozebrać urządzenie. Symbol nie będzie umieszczany na drzwiach dostępu do budynków, opakowaniach transportowych ani kontenerach.

Zobacz też

Bibliografia

Literatura

Zewnętrzne linki