Wstęp do fizyki jądra atomowego/Promieniowanie i szeregi promieniotwórcze

Aktywność źródła promieniotwórczego

Aktywność promieniowania

Aktywność źródła promieniotwórczego jest to iloraz ilości rozpadów w pewnym ściśle określonym czasie wyraża się: Szablon:CentrujWzór Jeden Bekerel jest to jeden rozpad na sekundę Szablon:Formuła. Jeden Kiur jest równy Szablon:Formuła, wtedy Szablon:Formuła.

Dawka promieniowania (DOZA) D pochłonięta

Dawkę promieniowania nazywamy ilość energii pochłoniętej przez daną masę wyrażoną przez:

• 1 GREJ, tj. Szablon:Formuła,
• 1 RAD, tj. Szablon:Formuła,
• 1 RENTGEN, tj. Szablon:Formuła - jest to dawka promieniowania, w którym 1 cmSzablon:Sup suchego powietrza wytwarza się ładunek elektryczny równej Szablon:Formuła, wiadomo jednak: Szablon:Formuła.

Dawka równoważna i skuteczna (dawki biologiczne)

Dawki równoważne skuteczne zależą od następujących czynników:

• wielkości dawki pochłoniętej (D)
• typu promieniowania wSzablon:Sub
• rodzajów narządów lub tkanek wSzablon:Sub

a) Dawkę równoważną HSzablon:Sub dla ściśle określonego promieniowania nazywamy iloczyn współczynnika skuteczności promieniowania wSzablon:Sub i dawki promieniowania R pochłoniętego przez dany narząd (tkankę). Szablon:CentrujWzór

• gdzie:

Szablon:Formuła to dawka promieniowania R (pochłonięta przez dany narząd (tkankę) T).

Szablon:Formuła współczynnik skuteczności.

Jednostką HSzablon:Sub jest 1 SIWERT=1Sv≡(wSzablon:Sub=1)⋅1Gy. dla promieniowania γ D=1Gy, HSzablon:Sub=1Sv, a dla promieniowania α przy tym samym dozie D, tzn. HSzablon:Sub=20Sv.

b) Dawkę skuteczną ESzablon:Sub dla określonego narządu (tkanki) nazywamy iloczyn dawki równoważnej HSzablon:Sub i współczynnika określajacego rodzaj narządu: Szablon:CentrujWzór

• gdzie wSzablon:Sub to wspóółczynnik wagowy poszczególnych tkanek.

Szablon:Center Dla całego człowieka mamy normowanie dawki skutecznej równej wSzablon:SubSzablon:Sup≡1.

c) Skuteczna dawka obiążająca E jest to dawka sumaryczna otrzymawana przez człowieka w ciagu pewnego czasu (maksymalnie 50 lat dla osób dorosłych i 70 lat dla dzieci)

Źródła napromieniowania

Przedstawimy tutaj źródła promieniowania, które dzielimy na promieniotwórczość naturalną, promieniowanie kosmiczne, ze względu na awarie reaktorów jądrowych i prześwietlenia kosmiczne.

Promieniotwórczość naturalna

Dawka napromieniowania wyniku promieniotwórczości naturalnej jest E=2,5mSv/rok. W skorupie ziemskiej jest 60 zródeł naturalnych radioaktywnych nuklidów plus produkowanych przez promieniowanie kosmiczne. Największy udział wkładowy wnosi Szablon:Formuła, dla którego czas połowicznego zaniku jest TSzablon:Sub=3,8d. Jego rozpad jest: Szablon:Formuła. Eksploatuje się go z Ziemi, gdzie powstaje z rozpadu Szablon:Formuła. W Stanach Zjednoczonych Ameryki (USA) aktywność średnia promieniowania w domach jest ok. 50 Bq/mSzablon:Sup, a w powietrzu wynosi 1÷10BBq/mSzablon:Sup, a w ciele człowieka znajduje się ok. 4kBq.

Promieniowanie kosmiczne

Dawka tego promieniowania rośnie wraz z wysokością, a wzrost wysokości o ok. 100m zwiększa dawkę na rok o ok. 11μSv. Dawka tego promieniowania jest Szablon:Formuła.

Wybuchy jądrowe

W okresie 1945-1980 udało się wykonać 423 próby wybuchów w atmosferze, które spowodowały wytworzenie dużych ilości radioaktywnych nuklidów. Jego skuteczna dawka do roku 2000 jest ok. 4mSv. W wyniku wybuchów jądrowych główny udział mają z podanymi w nawiasie stałymi połówkowymi czasu rozpadu w latach: Szablon:Formuła (Szablon:Formuła) - 69%, Szablon:Formuła (30,2at) - 14% i Szablon:Formuła (28,5lat) - 3.2%.

Energetyka jądrowa

Przedstawimy tabelkę dotyczące paliwa w energetyce jądrowej: Szablon:Tabelka Wszystkie elektrownie jądrowe na świecie produkują rocznie 400GW mocy na ok. 6mld miekszkańców, stąd skuteczna dawka na jednego człowieka na Ziemi jest równa ok. 0,4μSv/rok.

Awarie reaktorów jądrowych

Zostały udokumentowane i udowodnione 3 awarie reaktorów jądrowych, tzn.: pożar reaktora w Windscale w 1957 roku, częściowe stopienie rdzenia reaktora w Three Mile Island w 1979 roku oraz pożar i stopienie rdzenia reaktora w Czarnobylu w 1986 roku. Szablon:Tabelka W Polsce wywołane katastrofą w Czarnobylu skażenie spowodowaną dawką obciążającą (przez 50lat) wynosi ok. 0,4÷2,2 mSv, a średnio 0,93 mSv, a w ciągu 1 roku ok. 0,31m Sv.

Ekspozycje medyczne

Diagnostyka medyczna jest przeprowadzana przy pomocy promieniowania X i radionuklidów wprowadzanych do organizmu oraz radioterapii. Największy wkład w prześwietleniach wnosi ok. 1mSv/rok dawki napromieniowania, a w Polsce jest 1,8 mSv/rok. Dla mieszkańca Europy dawka promieniowania jonizującego ze względu na naturalne promieniowanie jest 2,3 mSv/rok, a cywilizacyjne 1,22 mSv/rok, co daje razem 3,6mSv/rok. Główny udział napromieniowania mają naturalne źródła promieniowania i diagnostyka medyczna, tzn. ok. 90%.

Oddziaływanie procesów jądrowych z materią (e,α,γ) - działania biologiczne promieniowania jonizującego

a) skutki stochastyczne

W wyniku oddziaływania promieniowania z pojedynczymi komórkami z promieniowaniem jonizacyjnym lub przez wzbudzenie molekuł i atomów, w wyniku czego może to spowodować uszkodzenie DNA, które mogą doprowadzić do śmierci komórki, lub nawet jej mutacje, które mogą prowadzić do nowotworów złośliwych lub do zmian dziedzicznych. Pod pływem promieniowania jonizacyjnego 14Sv w populacji mieszkańców 10000 ocenia się, że jest 500 przypadków są to nowotwory, a na 50 przypadków zmiany genetyczne. Rozwój nowotworów rozwija się znacznie później niż napromieniowanie ciała. Najszybciej rozwija się białaczka ok. 2-5 lat. Skuteczna dawka obciążająca powstała w wyniku katastrofy Czarnobylu na 50 lat wynosi 0,9 mSv. Liczba zgonów (w Polsce mieszkańców jest ok. 40mln ludzi) jest równa ok. Szablon:Formuła osób. Rocznie na nowotwory umiera ok. 70000 osób, a więc w ciągu 50 lat ok. 3,5 mln. osób.

b) skutki deterministyczne

Polega na przejściowym lub trwałym uszkodzeniu tkanek (śmierci organu), które następuje po przekroczeniu dawki progowej. Nie obserwuje się poważnych uszkodzeń organów poniżej 0,5 Sv.

• Tabela dla dawki promieniowania równoważna na jeden rok dla poszczególnych części organizmu:

Przestawimy teraz schemat Szablon:Formuła dla przykładu Szablon:Formuła, który oznacza śmierć 50% osób w ciągu 30 dni. Wysokie dawki promieniowania oznaczają śmierć danego osobnika lub w nim zmiany nowotworowe.

• Tabela dla dawki promieniowania równoważna na jeden rok dla poszczególnych organizmów:

Szablon:Center Duże dawki napromieniowania na żywy organizmów może spowodować, że nastąpi śmierć lub niekorzystne zmiany nowotworowe w ciele tego osobnika.

Szeregi promieniotwórcze

Ciężkie nuklidy mogą być powiązane ze sobą genetycznie w tzw. szeregi lub rodziny promieniotwórcze. Warunkiem koniecznym, aby pierwiastek występował w szeregu jest, aby jego czas połowicznego zaniku TSzablon:Sub lub czas połowicznego zaniku nuklidów poprzedzających go był większy lub równy wiekowi Ziemi TSzablon:Sub≥5⋅10Szablon:Suplat. Ciężkie nuklidy mogą być powiązane ze sobą genetycznie w tzw. szeregi lub rodziny. Kolejno nuklidy występujące w danej rodzinie mają liczby masowe o różnicy cztery lub zero (w rozpadzie β liczba masowa A się nie zmienia, w rozpadzie α liczba masowa A zmienia się o cztery), jest ona wyrażona wzorem A=4n+s, gdzie s=0,1,2,3 jest to liczba charakteryzująca daną rodzinę.

Rodzina torowa s=0

Szereg rozpoczyna się izotopem toru Szablon:SupTh o okresie połowicznego zaniku 14 miliardów lat, a kończy się izotopem stabilnym Szablon:SupPb. Szereg jest opisany 4n+0 i należy do niego czternaście izotopów nuklidów. Szablon:CentrujWzór Szablon:Tabelka

Rodzina neptunowa s=1

Szereg rozpoczyna się Szablon:SupNp o czasie połowicznego zaniku 2,1 miliarda lat, a kończy sie na stabilnym izotopie Szablon:SupBi. Szereg jest opisywany przez 4n+1 i należy do niego 13 nuklidów. Szablon:CentrujWzór Szablon:Tabelka

Rodzina uranowo-radowa s=2

Szereg rozpoczyna się nuklidem niestabilnym Szablon:SupU o czasie połowicznego zaniku 4,5 miliadra lat, a kończy się na stabilnym ołowiu Szablon:SupPb. Szereg jest opisywany 4n+2 i należy do niego 16 nuklidów. Szablon:CentrujWzór Szablon:Tabelka

Rodzina uranowo-aktynowa s=3

Szereg rozpoczyna się na niestabilnym Szablon:SupU o czasie połowicznego zaniku o czasie połowicznego zaniku 700 milionów lat, a kończy się na stabilnym Szablon:SupPb. Szereg jest opisywany przez 4n+3 i należy do niego 14 nuklidów. Szablon:CentrujWzór Szablon:Tabelka