INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ CZ.1.07/1.1.00/08.0010 RADIOAKTIVITA A VLIV IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ ING. JAROSLAV BENEDIKT TENTO DOKUMENT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Radioaktivita a vliv ionizujícího záření Ing. Jaroslav Benedikt Ionizující záření, Radioaktivita, Účinky ionizujícího záření, Biologické účinky ionizujícího záření Ionizující záření, radionuklid či radioaktivita jsou obecně známe pojmy spojené především s jadernou energií [1], [2]. Všechna tělesa vyzařují energii (elektromagnetické záření) odpovídající jejich teplotě [5]. Ale za jistých podmínek může vyzařovat energii mnohem větší. Pokud je vyzářená energie tak vysoká (>25 ev), že je schopna při průchodu prostředím atomy a molekuly v tomto prostředí ionizovat a excitovat (to znamená, že tato energie způsobí změny v elektronovém obalu atomu nebo dokonce změny v jádře atomu) potom se toto záření nazývá ionizující záření. Seznam opakujících se veličin a zkratek Symbol veličiny veličina [značka jednotky] ------------------------------------------------------------ A nukleonové číslo [-] A aktivita [1/s;Bq] D dávka záření [J/kg] D dávkový příkon [W/kg] m hmotnost [kg] N označení pro množství [-] t čas [s] Z protonové číslo [-] ε energie sdělená látce (ve formě ionizujícícho záření)[j] λ přeměnová konstanta [1/s] Zkratky a indexy ------------------------------------------------------------ α alfa záření β - elektronové záření β + pozitornové záření γ gamma záření (foton) ν e neutrino antineutrino ν - e
Ionizující záření Pro ionizující záření se vžily i názvy jaderné nebo radioaktivní záření. Jaderné je věcně správný avšak zahrnuje pouze ionizující záření vzniklé v jádrech atomu. Radioaktivní je ale chybný, protože ionizující záření samo o sobě není radioaktivní (je už produkt radioaktivity). Výjimkou je záření neutronové, protože volné neutrony jsou nestabilní vůči přeměně β - viz. níže. Mezi ionizující záření patří např. záření elektromagnetické (γ produkt radioaktivní přeměny viz. níže, rtg), záření elektronové (elektron β - produkt radioaktivní přeměny, urychlovače elektronů), záření pozitronové (β + produkt radioaktivní přeměny), záření těžkých kladných částic (tzv. α záření produkt radioaktivní přeměny, urychlovače), záření neutronové (neutron produkt radioaktivní přeměny, samovolné štěpení, neutronový generátor, jaderný reaktor). Prostředí jenž pohltí ionizující záření získá energii ε, což je energie sdělená látce. Dávka záření rov. 1 je veličinou vyjadřující velikost sdělené energie na 1 kg látky. Rozměr jednotky dávky záření je označovaný Gy (Gray), přičemž 1 Gy znamená energii 1 joulu absorbovanou 1 kg látky. Rov. 1. Dávka záření. D [J/kg] dávka záření, ε [J] energie sdělená látce, m [kg] hmotnost látky. Rychlost s jakou je energie látce sdělována vyjadřuje dávkový příkon rov. 2. Radioaktivita Rov. 2. Dávkový příkon. D [Gy/s; W/kg] dávkový příkon, t [s] čas. Je to vlastnost některých jader atomů samovolně se rozpadat (přeměňovat) na jádra menší nebo při deexitaci jádra vyzařovat energii. Při tomto procesu se uvolní část vazebné energie jádra ve formě elektromagnetického záření a kinetické energie produktů rozpadu uvolňuje ionizujicí záření. Citace z [3] "Z více než dvou tisíc známých nuklidů je jen 266 stálých, ostatní, ať se nacházejí v přírodě nebo vznikají jadernými reakcemi, se více nebo méně rychle samovolně přeměňují na jiný nuklid tj. jsou radioaktivní." Jsou rozeznávány tři skupiny radioaktivních přeměn sez. 1. (1) Přeměny, při nichž se mění Z při konstantním A (například přeměna β -, β + )... (2) Přeměny, při nichž se současně mění Z i A (například přeměna α...). (3) Přeměny způsobené deexcitací jádra, při nichž se mění pouze energetický obsah jádra (například přeměna γ).
Sez. 1. Základní skupiny radioaktivních přeměn [3]. Základní zákon radioaktivních přeměn říká, že za dostatečně krátký časový interval se přemění vždy stálá část z přítomného počtu N atomů radioaktivního nuklidu. Tato stálá část se označuje přeměnová konstanta rov. 3. Rov. 3 Přeměnová konstanta. λ [1/s] přeměnová konstanta (například l=1 10-3 s -1 znamená, že ve velkém souboru atomů daného radioaktivního nuklidu se každou sekundu přemění jedna tisícina z přítomného počtu radioaktivních atomů), A [1/s;Bq] aktivita (časová změna (úbytek) počtu radioaktivních atomů za časovou jednotku), N [1] počet přítomných radioaktivních nuklidů. Rov. 4. Aktivita. Z přeměnové konstanty a molové hmotnosti lze určit poločas rozpadu daného radioaktivního nuklidu. Což je doba, za kterou se přemění polovina množství atomů daného radioaktivního nuklidu ve velkém souboru atomů. Přeměna β - vzniká při přeměně neutronu v jádře radionuklidu na proton např. rov. 5. Rov. 5 Příklad přeměny β - *. ν - e antineutrino. Poznámka* Této přeměny se využívá při stanovování stáří odumřelých organismů. Radionuklid 14 C vzniká v horních vrstvách atmosféry reakcí kosmického záření s dusíkem. Tento radionuklid se prostřednictvím molekuly CO 2 dostává do živých organismů. Díky metabolismu organismu se neustále uhlík v organismu vyměšuje a zase přijímá. Po odumření organismu se tato výměna zastaví a radionuklid 14 C se rozpadá s poločasem rozpadu 5730 let na izotop dusíku 14 N podle rov. 5. Podle poměru obsahu izotopů 14 C a 14 N v odumřelém organismu lze tedy určit dobu, kdy organismus zemřel. Tuto metodu lze spolehlivě uplatnit pro stáří zkoumaného organismu 5 000 až 20 000 let. Přeměna β + (pozitronová přeměna) vyskytuje se u radioaktivních nuklidů připravených jadernými reakcemi. Vzniká při přeměně nadbytečných protonů v jádře na neutron, elektron a neutrino např. rov. 6. Rov. 6. Příklad přeměny β +. ν e neutrino.
Přeměna α se vyskytuje převážně u přirozených i umělých radioaktivních nuklidů těžkých prvků, kde se v jádru projevuje silné odpuzování protonů. Při této přeměně jádro emituje shluk dvou protonů a neutronů (jádro helia) např. rov. 7. Rov. 7 Příklad přeměny α. Přeměna γ jádra, která vzniknou radioaktivní přeměnou se velmi často vyskytují v exitovaném stavu (například jádra izotopu 236 U, která vznikla z izotopu 235 U absorbováním jádra a přesto nedošlo ke štěpení [1]). Což je způsobeno tím, že po změnách v počtu nebo typu nukleonů v jádře se nemusí vyskytovat v nejnižších možných energetických stavech. Následuje proto reorganizace nukleonů do energeticky výhodnějšího stavu- deexcitace jádra. Přitom dojde k emisi γ záření. Protože emise γ může být velice opožděná za předchozí radioaktivní přeměnou má vlastní poločas přeměny nezávislý na poločasu předchozí přeměny. Nuklid v excitovaném stavu s delším poločasem přeměny γ se nazývá jaderný izomer. Účinky ionizujícího záření Nejsou dány pouze aktivitou zdroje záření, ale závisí také na tom, jakou energii záření nese a jak účinně ji předává prostředí, jimž prochází. Biologické účinky ionizujícího záření Pozorovatelné účinky ionizujícího záření mají svůj počátek vždy v dějích, které ionizující záření vyvolává v buňkách (rozklad molekul, vznik radikálů HO 2 a O -2 ). Zpravidla platí, že buňky, které se nedělí (nerozmnožují) nebo se dělí pomalu jsou odolnější než buňky, které se dělí rychleji (vlasy). Nejzávažnější jsou změny na struktuře a biosyntéze DNA. Jakýkoliv zásah do biochemického cyklu DNA má za následek buď selhání buněk, která přestane vytvářet potřebnou bílkovinu nebo dokonce může tvořit bílkoviny, které jsou pro tělo cizí nebo dokonce toxické. Při extrémně vysokých dávkách (<= 10 3 Gy) hynou buňky již během ozařování v důsledku štěpení vnitro buněčných bílkovin (atomární smrt). Biologické účinky ionizujícího záření závisí na dávce záření a době za jakou je tělu sděleno. Buňky však mají jistou schopnost poškození enzymaticky opravit. Prakticky to znamená, že při určité dávce je poškození organismu menší, je-li tkáň nebo organismus touto dávkou ozářen nikoliv najednou, ale jeli dávka buď rozprostřena rovnoměrně na delší dobu, nebo rozdělena na několik menších dávek s časovými prodlevami mezi nimi (frakcionance dávky). Účinek na tkáň podstatně závisí i na druhu ionizujícího záření. Např. neutrony způsobí v živé tkání větší škodu než elektrony a částice α zase větší škodu než neutrony. Biologická účinnost jednotlivých druhů záření se vyjadřuje pomocí tzv. jakostního faktoru. Dávka záření (rov. 1) vynásobená jakostním faktorem se nazývá dávkový ekvivalent a jeho jednotkou je Sievert [Sv; J/kg] [4, str 144]. Dávkový ekvivalent tedy zahrnuje fyzikální veličinu dávka záření, druh záření a míru vlivu na danou tkáň v porovnání s fotonovým zářením. Každý orgán v těle je však jinak citlivý na ionizující záření, proto se dávkový ekvivalent ještě násobí faktorem, který tuto skutečnost zohledňuje. Například pro žaludek je tento faktor 0,12 a pro kůži 0,01 [3]. Součin dávkového ekvivalentu a tohoto faktoru se nazývá
ekvivalentní dávka. Def. 1 Definice ekvivalentní dávky. Ionizující záření má převážně na organismus (lidský) negativní vliv, jsou ale známy případy, kdy ionizující záření vyvolává v živých organismech změny pozitivní. Při nízké úrovni nelze zjistit žádné škodlivé účinky ionizujícího záření na lidský organismus. Ty se projevují až při dávkových ekvivalentech, převyšujících 500 msv. V České republice je zákonem stanoven nejvyšší přípustný limit ozáření běžného obyvatele během jednoho roku ve výši 5 msv. Dávkový ekvivalent záření z přírodních zdrojů je kolem 2,5-3 msv za rok, umělé zdroje (včetně jaderných zařízení) přispívají ročně jen zcela minimálně, kolem 0,01 msv. Velice ovšem závisí do jakého období je dávka rozložena, jestli mezi jednotlivými dávkami je dostatečná doba pro regeneraci tkání atd. Obr. 1 ukazuje pravděpodobnost poškození organismu (nevratného) v závislosti na obdržené dávce. Podrobnější popis například v [3, str. 145]. Obr. 1 Odezva organismu na ozáření. Zde je prahová ekvivalentní dávkou myšlena dávka, při které poškození organismu vlivem ionizujícího záření způsobí smrt. Zdroj dat pro nakreslení křivky [3]. Výběr některých reakcí lidského těla na ionizující záření z [3]. Akutní nemoc z ozáření nastává po dávce 1 až 2 Sv (závisí na individuální odolnosti). Následuje několik fázi onemocnění (nevolnost, skleslost, bolesti hlavy, zvracení a různé závažné změny v krevním obrazu podle stupně ozáření). Poté následuje latence a poté padání vlasů, silná vnímavost vůči infekcím. Při ozáření dávkou 6 Sv převládá hematologická (krvetvorba) forma nemoci pravděpodobnost přežití 20 %, při 10 Sv pravděpodobnost přežití se blíží k 0 %. O záření ekvivalentní dávkou 50 Sv způsobuje nervovou formu nemoci projevující se psychickou dezorientací a zmateností, křečemi a bezvědomí. Během několika hodin až dnů nastává smrt v důsledku oběhového kolapsu, zástavy dýchání a poruch mozku.