ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΩΝ ΣΤΗΝ ΥΛΗ

Transcript

1 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΩΝ ΣΤΗΝ ΥΛΗ Φορτισμένα σωμάτια: Σωμάτια α, β και πρωτόνια Προκαλούν ιοντισμό των ατόμων και διέγερση, ιοντισμό ή και διάσπαση των μορίων. Ενέργεια σωματίου α ή β 1MeV Ενέργεια ιοντισμού 10eV 1 τέτοιο σωμάτιο μπορεί να προκαλέσει χιλιάδες ιοντισμούς Ουδέτερα σωμάτια: Νετρόνια και νετρίνα Νετρόνια μεταστοιχείωση πυρήνων, καταστροφή μορίου, μετακινήσεις ατόμων στα μέταλλα και αλλαγή των μηχανικών ιδιοτήτων τους Νετρίνα ελάχιστη αλληλεπίδραση με την ύλη Η/Μ ακτινοβολία: Ακτινοβολία Χ και γ Προκαλούν διέγερση και ιοντισμό ατόμων ή μορίων. Μέσω φωτοηλεκτρικού φαινομένου, φαινομένου Compton ή δίδυμης γένεσης παράγουν ελεύθερα ηλεκτρόνια τα οποία προκαλούν παρόμοια αποτελέσματα με αυτά των φορτισμένων σωματιδίων.

2 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΣΤΟΥΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥΣ Ιοντισμός μορίων παράγονται ιόντα και ελεύθερες ρίζες (π.χ Η +, ΟΗ - κ.α.) εξαιρετικά δραστικές που οδηγούν σε χημικές αντιδράσεις διαφορετικές από τις φυσιολογικές. Απελευθέρωση e - μοριακών δεσμών μεταβολή της δομής του μορίου Καταστροφή-μεταβολή πρωτεϊνικού μορίου: Αντικαθιστάται με άλλο που παράγεται από το γονίδιο. Καταστροφή πολλών μη αντιστρέψιμο φαινόμενο. Καταστροφή-μεταβολή μορίου DNA: Μεταβολή γονιδίων μεταβολή δομής παραγομένων πρωτεϊνών μετάλλαξη ή θάνατος κυττάρου. Ο οργανισμός μπορεί εύκολα να αντικαταστήσει ένα κατεστραμμένο κύτταρο ενώ η αντικατάσταση μεγάλου αριθμού κυττάρων είναι προβληματική. Ένα πάλι μεταλλαγμένο κύτταρο μπορεί να παράγει και άλλα ελαττωματικά κύτταρα δημιουργία αποικίας κυττάρων ξένων προς τη λειτουργία του οργανισμού κακοήθης όγκος (ταχύς πολλαπλασιασμός των κυττάρων του χωρίς σεβασμό του περιβάλλοντός του) Σωματικές καταστροφές Δημιουργία καρκινώματος Οξεία ακτινοπληξία Γενετικές καταστροφές Καταστροφή ή μετάλλαξη των κυττάρων αναπαραγωγής Στείρωση

3 Ενεργότητα: ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑ Ο αριθμός των πυρήνων ραδιενεργού πηγής dn που διασπώνται στη μονάδα του χρόνου dt: C dn dt N O αριθμός των διασπάσεων είναι ανάλογος προς τον αριθμό ραδιενεργών πυρήνων που έχουν απομείνει, άρα η ενεργότητα ελαττώνεται με το χρόνο Καμπύλη διάσπασης για ένα δείγμα ραδιενεργού στοιχείου Επίσης, γραφική παράσταση της ενεργότητας συναρτήσει του χρόνου για το συγκεκριμένο δείγμα

4 Ενεργότητα Μονάδες: 1 Curie: διασπάσεις που παρατηρούνται σε 1gr Ra μέσα σε χρονικό διάστημα 1s 1 Curie (Ci) = 3, διασπάσεις / s 1 Becquerel (Bq) [S.I.] = 1 διάσπαση / s 1 Ci = 3, Bq Μέτρηση της ισχύος της πηγής που εκπέμπει την ακτινοβολία Δεν αναφέρεται στο είδος των διασπάσεων. Χρησιμοποιείται ως εξής: Η ραδιενέργεια της χρησιμοποιημένης στον αντιδραστήρα ράβδου-καυσίμου #5658 στις 15 Ιαν ήταν 9, Ci. Στη μέτρηση δεν αναφέρονται ο χρόνος υποδιπλασιασμού ή ο τύπος της ακτινοβολίας

5 ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑ Ειδική Ενεργότητα Πηγής: Η ραδιενέργεια dc ορισμένης μάζας dm της πηγής δια της μάζας αυτής: dc / dm Μονάδες: 1 Ci / gr 1 Bq / Kg = 2, Ci / gr

6 Έκθεση: ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑ Μέτρηση της απελευθέρωσης ενέργειας σε ένα υλικό μέσα από το οποίο διέρχονται, συνήθως ακτίνες Χ ή γ, ή και άλλες ακτινοβολίες. Ορίζεται ως το άθροισμα θετικών και αρνητικών ιόντων dq που παράγονται στη μονάδα μάζας dm κατά τη διέλευση της ακτινοβολίας μέσα από αυτήν: Χ = dq / dm Μονάδες:1 Röntgen = Απελευθέρωση ενέργειας 8,78 mj σε 1Kgr ξηρού αέρα σε κανονικές συνθήκες. 1 Röntgen (1 r) = 2, ζεύγη ιόντων / cm 3 αέρα = 2, Cb / Kgr αέρα

7 Ρυθμός Έκθεσης: ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑ Ορίζεται ως την έκθεση dχ εντός χρονικού διαστήματος dt, δια του χρονικού αυτού διαστήματος: dχ / dt Μονάδες: r/s ή r/h Παράδειγμα: «Ο ρυθμός έκθεσης κάποιων οδοντιατρικών ακτίνων Χ είναι 300 mr/s» Η παραπάνω δήλωση δεν αναφέρεται καθόλου στο αν η ενέργεια που απελευθερώνεται φθάνει στον ασθενή ή αν υπάρχει ασθενής στην οδοντιατρική καρέκλα.

8 ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑ Δόση: Μέτρηση της ακτινοβολίας που απορροφάται από ένα οργανισμό Απορροφούμενη Δόση (D): Ορίζεται ως η ενέργεια E που αποθέτει η προσπίπτουσα ακτινοβολία κατά τη διέλευση της στη μονάδα μάζας m των ιστών. D = E / m Μονάδες: 1 rad (radiation absorbed dose): ορίζεται ως η ποσότητα ακτινοβολίας που αποθέτει 0,01J ενέργειας ανά χιλιόγραμμο μάζας ιστού 1 rad = 0,01 J/kg S.I. 1Gray (1 Gy) = 1 Joule/kg = 10 2 rad Η απορροφηθείσα δόση αναφέρεται σε όλες τις ακτινοβολίες και αποτελεί μέτρηση της ολικής ενέργειας που απορροφά δεδομένο τεμάχιο ύλης ή οργανισμός. Δεν αποτελεί μόνη της μέτρο των βιολογικών επιπτώσεων διότι τα βιολογικά αποτελέσματα δεν εξαρτώνται μόνο από τη δόση αλλά και από το είδος της ακτινοβολίας. Π.χ. Δεδομένη δόση ακτινοβολίας-α προκαλεί 10 φορές περισσότερες βιολογικές βλάβες από ίση δόση ακτίνων Χ

9 ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑ Ισοδύναμη Δόση (H): Μέτρηση της ακτινοβολίας που δέχεται ένας οργανισμός λαμβανομένων υπόψη των βιολογικών επιδράσεων αυτής Ισούται με το γινόμενο της απορροφούμενης δόσης επί ένα συντελεστή ποιότητας που ονομάζεται Σχετική Βιολογική Δραστικότητα (RBE, Relative Biological Effectiveness), ο οποίος εξαρτάται από το είδος της ακτινοβολίας: Μονάδες: H = D x RBE 1 rem (röentgen equivalent in man) = 1 rad RBE S.I. 1 Sievert (1 Sv) = 1 Gy RBE 1 Sv = 10 2 rem Ακτινοβολία Η/Μ ακτινοβολία (Χ ή γ) Σωμάτια β με ενέργεια > 30 kev Βραδέα νετρόνια Ταχέα νετρόνια Σωμάτια α Βαρέα ιόντα Συντελεστής Ποιότητας (RBE)

10 Απορροφηθείσα Δόση Ενεργότητα Έκθεση Ισοδύναμη Δόση

11 Επιτρεπτά όρια ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑ Αβλαβείς δόσεις σημαίνει ότι δεν παρατηρούνται ανιχνεύσιμες βλάβες. Κλινικά αποτελέσματα: Μεταξύ άλλων, καρκίνος, λευχαιμία, στείρωση, καταρράκτης και γενετικές ανωμαλίες. Οι προκαλούμενες βλάβες εξαρτώνται από την ηλικία του ατόμου και από το όργανο που πλήττεται.

12 Επιτρεπτά όρια ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑ

13 ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑ Απορρόφηση ακτινοβολίας από το περιβάλλον Κοσμική ακτινοβολία: Ελάχιστη τιμή στον Ισημερινό και την επιφάνεια της θάλασσας, αυξάνεται κατά 7 mrem για κάθε αύξηση του ύψους κατά 25 m. Βομβαρδίζει τα ανώτερα ατμοσφαιρικά στρώματα παραγωγή ραδιενεργών ισοτόπων (σημαντικότερο 14 C)

14 Χρήσεις της ακτινοβολίας Ιατρική: Διάγνωση - Θεραπεία Διάγνωση Ακτινογραφίες Ιχνηθέτες: 131 Ι για τη λειτουργία του θυρεοειδούς αδένα 32 P εντοπίζεται στα οστά, 59 Fe στην σπλήνα, 210 Pb στα νεφρά Θεραπεία Ακτινοβόληση καρκινικών όγκων: - ακτινοβολία γ ( 60 Co) και Χ αλλά συχνά και πρωτόνια, ηλεκτρόνια ή άλλα φορτισμένα σωματίδια μετά από κατάλληλη επιτάχυνση τους. - Εισαγωγή ραδιοϊσοτόπου μέσω της πεπτικής ή κυκλοφοριακής οδού, π.χ. εισαγωγή μεγαλύτερων ποσοτήτων 131 Ι για τη θεραπεία καρκινικών όγκων ή υπερθυρεοειδισμού

15 Γεωπονία χρησιμοποίηση ραδιοϊσοτόπων ως ιχνηθέτες αυτοραδιογραφία λήψη ακτινογραφήματος στο οποίο αποτυπώνεται η κατανομή των ραδιοϊσοτόπων - Φωσφορούχο λίπασμα στο οποίο ο κοινός φώσφορος έχει αντικατασταθεί με 32 Ρ. Μελέτη της ταχύτητας και του τρόπου απόθεσης του φωσφόρου σε διάφορα σημεία του φυτού C: Βρίσκεται σε πολύ μικρό ποσοστό στο διοξείδιο του άνθρακα της ατμόσφαιρας και προσλαμβάνεται κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης. Είναι ραδιενεργό ισότοπο με χρόνο υποδιπλασιασμού 5760 χρόνια. Μελέτη των τμημάτων του φυτού που μετέχουν στη φωτοσύνθεση Ο ή 19 Ο: Υδατικό διάλυμα εμπλουτισμένο με αυτά τα ραδιοϊσότοπα εισάγεται στο ριζικό σύστημα του φυτού χαρτογράφηση της πορείας του μεταβολισμού.

16 ραδιοχρονολόγηση Γεωλογία: Μέτρηση του λόγου 40 Κ προς 40 Ar (t 1/2 = 1, έτη) ή 235 U προς 207 Pb για τον υπολογισμό της ηλικίας πετρωμάτων από τη γη, το φεγγάρι και μετεωριτών. Αρχαιολογία: Μέτρηση επιπέδου 14 C (t 1/2 = 5730 έτη) και σύγκριση του με εκείνο που θα έπρεπε να υπάρχει αν δεν είχαν σταματήσει οι φυσιολογικές λειτουργίες του φυτικού ή ζωικού οργανισμού για τον υπολογισμό της ηλικίας του ευρήματος

17 ΑΣΚΗΣΗ Για ένα δείγμα πετρώματος από το φεγγάρι βρέθηκε, με τη χρησιμοποίηση φασματογράφου μάζας, ότι ο λόγος του πλήθους των ατόμων του 40 Ar (σταθερό) προς το πλήθος των ατόμων του 40 Κ (ραδιενεργό) είναι 10,3. Αν υποθέσουμε ότι όλα τα άτομα 40 Ar παρήχθησαν από τη μεταστοιχείωση των ατόμων 40 Κ με t 1/2 = 1, έτη, πόση είναι η ηλικία του πετρώματος; Εάν κατά το σχηματισμό του πετρώματος (από μάγμα σε στερεό) υπήρχαν Ν 0 άτομα 40 Κ, το πλήθος των ατόμων που βρίσκουμε κατά τη στιγμή της ανάλυσης θα δίνονται: Ν Κ = Ν 0 e λt όπου t: η ζητούμενη ηλικία του πετρώματος. Επίσης, Ν Ar = Ν 0 - N K 1 1 N N Ar K e t 0 ln 1 N N Ar K t t 1/ 2 1 N t ln 1 N Ar K 1/ 2 NAr t1/ 2 ln 1 N K ln2 ln2 ln2 t t t (1, )[ln(1 10,3)] ln2 4, Μία καλή προσέγγιση της ηλικίας του πλανητικού μας συστήματος

18 ΑΣΚΗΣΗ Το ραδιοϊσότοπο 198 Au, με χρόνο υποδιπλασιασμού 2,7 ημέρες, χρησιμοποιείται για τη θεραπεία του καρκίνου. Υπολογίστε τη μάζα αυτού του ισοτόπου που απαιτείται για να έχουμε πηγή ενεργότητας 250Ci. Δίνονται: 1 u = 1, kg 1 Ci = 3, Bq 2,7 d = s λ = ln2/t 1/2 = 0,693/ s -1 = 2, s -1 C = λν Ν = 250 3, Βq / 2, s -1 N = 3, m 3, , kg = 1,02 mg ΑΣΚΗΣΗ Δεδομένου ότι οι Curie είχαν απομονώσει το 1898 περίπου 200g 226 Ra, με χρόνο υποδιπλασιασμού 1, χρόνια, πόσο από αυτό έχει απομείνει σήμερα; 1 χρόνος = 3, s λ = ln2 / t 1/2 = 0,693 / 1,62 3, s -1 = 1, s -1 m = m 0 e λt = 200g exp [(1, s -1 )(1,05 3, s) 200g 0,958 = 192g

19 ΑΣΚΗΣΗ Ένας από τους κινδύνους της ραδιενεργούς ρύπανσης που προκαλείται από μία πυρηνική βόμβα είναι το ραδιοϊσότοπο 90 Sr το οποίο μεταστοιχειώνεται με εκπομπή β σωματιδίων και χρόνο υποδιπλασιασμού 29 χρόνια. Επειδή οι χημικές ιδιότητες του στροντίου είναι παρόμοιες με αυτές του ασβεστίου, εάν μια αγελάδα καταναλώσει χορτάρι μολυσμένο με στρόντιο, αυτό συγκεντρώνεται στο γάλα της και τελικά καταλήγει στα οστά αυτού που θα πιει το γάλα. Τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από το ραδιενεργό στρόντιο βλάπτουν σοβαρά το νωτιαίο μυελό των οστών και έτσι η παραγωγή ερυθρών αιμοσφαιρίων εξασθενεί σημαντικά. Μία βόμβα 1 Μεγατόνου παράγει περίπου 400g 90 Sr. Εάν υποθέσουμε ότι η ποσότητα αυτή διαχέεται ομοιόμορφα σε περιοχή 2000 km 2, να υπολογίσετε το μέγεθος της περιοχής όπου υπάρχει το μέγιστο επιτρεπόμενο όριο ραδιενεργότητας για τα οστά ενός ανθρώπου που είναι Βq. Δίνεται: 1 u = 1, kg 1 χρόνος = 3, s 29 χρόνια = 9, s λ = ln2 / t 1/2 = 0,693 / 9, s -1 = 7, s -1 Για το 90 Sr τα Bq αντιστοιχούν σε: C = λ N N = 7, / 7, = 0, άτομα m N 90 1, kg = 1, g 1 km 2 = 10 6 m 2 = cm 2 A 1, g 8 g cm 2 7, cm 2 725cm 2