ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΙ ΟΡΙΣΜΟΙ ΤΗΣ ΡΑ ΙΟΧΗΜΕΙΑΣ Ατοµικός αριθµός (Ζ): Μαζικός αριθµός (Α) : Ισότοπα : Ισοβαρή: Νοuκλίδιο: Ολικός αριθµός των πρωτονίων ενός πυρήνα. Χαρακτηρίζει το στοιχείο. Άθροισµα του αριθµού των πρωτονίων και νετρονίων ενός πυρήνα. Χαρακτηρίζει το ισότοπο και δίνει κατά προσέγγιση τη µάζα του σε ατοµικές µονάδες µάζας (u). Μία ατοµική µονάδα µάζας ισούται µε το 1/12 της µάζας του ισοτόπου του άνθρακα µε µαζικό αριθµό 12. Πυρηνικά είδη µε τον ίδιο ατοµικό αλλά διαφορετικό µαζικό αριθµό. Ανήκουν στο ίδιο στοιχείο και έχουν τις ίδιες χηµικές ιδιότητες. Πυρηνικά είδη µε τον ίδιο µαζικό αριθµό. εν ανήκουν στο ίδιο στοιχείο. Ατοµικό είδος µε συγκεκριµένο αριθµό πρωτονίων και νετρονίων στον πυρήνα του. Ραδιενέργεια: Ιδιότητα ορισµένων φυσικών και τεχνητών ασταθών νουκλιδίων να µετατρέπονται σε άλλα σταθερότερα µε εκποµπή σωµατιδιακής ή και ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας. Η ραδιενέργεια µπορεί να είναι φυσική ή τεχνητή. Ραδιενεργός διάσπαση: Η µετάπτωση ενός ασταθούς νουκλιδίου µε εκποµπή σωµατιδιακής ή και ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας σε ένα σταθερότερο ή σταθερό νουκλίδιο. Η ραδιενεργός διάσπαση είναι φαινόµενο καθαρά στατιστικό. Οι ραδιενεργοί πυρήνες διασπώνται ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον άλλά η διάσπαση ενός συγκεκριµµένου πυρήνα σε µία δεδοµένη στιγµή δεν µπορεί να προβλεφθεί. Αν υφίσταται ένας µεγάλος αριθµός πυρήνων ο ρυθµός διασπάσεως είναι ανάλογος του συνολικού αριθµού ραδιενεργών πυρήνων = Η ολοκλήρωση της σχέσεως αυτης ως προς τον χρόνο t δίνει τον εκθετικό νόµο της ραδιενεργού διασπάσεως. = 7
Στις παραπάνω σχέσεις η σταθερά, αναλoγίας λ ονοµάζεται σταθερά διασπάσεως = 2 / = 0.69315 / Ο ρυθµός διασπάσεως ενός νουκλιδίου εκφράζεται σε διασπάσεις ανά µονάδα χρόνου. Για το ρυθµό διασπάσεως ισχύει, φυσικά, η αντίστοιχη εκθετική σχέση = Η µονάδα του ρυθµού διασπάσεως ενός ραδιονουκλιδίου στο ιεθνές Σύστηµα Μονάδων (SI) είναι το Becquerel (Bq), που αντιστοιχεί σε µία διάσπαση ανά δευτερόλεπτο (s -1 ). Μία άλλη µονάδα, που παρά την επίσηµη κατάργησή της, χρησιµοποιείται ακόµα πολύ στην πράξη είναι το Curie (Ci). Το Curie ορίζεται από τον αριθµό των α- διασπάσεων ενός γραµµαρίου 226 Ra ανά δευτερόλεπτο (1 Ci = 3.7 10 10 [s 1 ] = 3.7 10 10 Bq). Οι ανιχνευτικές διατάξεις, που χρησιµοποιούνται για την µέτρηση της ακτινοβολίας, καταγράφουν µόνο ένα ποσοστό της ακτινοβολίας, που εκπέµπει ένα ραδιενεργό παρασκεύασµα. Ο καταγραφόµενος αριθµός διασπάσεων Ι ισούται µε το γινόµενο του πραγµατικού ρυθµού διασπάσεων Α επί έναν συντελεστή η, που ονοµάζεται απόδοση του ανιχνευτή. = Χρόνος υποδιπλασιασµού (Τ 1/2 ): Ο χρόνος που απαιτείται για τη διάσπαση του µισού αριθµού των υφισταµένων πυρήνων. Ραδιενεργός ισορροπία: Ο όρος αυτός αναφέρεται στην κατάσταση στην οποία ο αριθµός των πυρήνων δύο γενετικά εξαρτηµένων νουκλιδίων παραµένει σταθερός. Αν υφίσταται µία σειρά γενετικά εξαρτηµένων νουκλιδίων 8
σε µία χρονική στιγµή t ο αριθµός των πυρήνων των επιµέρους νουκλιδίων δίνεται από τις σχέσεις = ( ) +( ) = ( ) [ ( )( ) + ( )( ) + ( )( ) ] Στην περίπτωση ραδιενεργού ισορροπίας µεταξύ δύο γενετικά εξαρτηµένων νουκλιδίων υφίστανται οι σχέσεις: = όταν ο χρόνος υποδιπλασιασµού του µητρικού νουκλιδίου είναι πολύ µεγαλύτερος από το χρόνο υποδιπλασιασµού του θυγατρικού και = = ό όταν ο χρόνος υποδιπλασιασµού του µητρικού νουκλιδίου είναι απλά µεγαλύτερος από τον αντίστοιχο του θυγατρικού. Στην τελευταία περίπτωση η ραδιενεργός ισορροπία υφίσταται µετά από χρόνο >10 ( / ) ( / ) ( / ) ( / ) Όταν ο χρόνος υποδιπλασιασµού του θυγατρικού νουκλιδίου είναι µεγαλύτερος από το χρόνο υποδιπλασιασµού του µητρικού η ύπαρξη ραδιενεργού ισορροπίας είναι αδύνατη. Αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας µε την ύλη: Η διέλευση της ακτινοβολίας µέσα από ένα υλικό προκαλεί φαινόµενα διεγέργεως και ιονισµού αλληλεπιδρώντας µε τα ηλεκτρόνια των συστατικών του. Η σωµατιδιακή ακτινοβολία έχει γενικά µικρή εµβέλεια στην ύλη. Έτσι η απορρόφηση της ακτινοβολίας-β ακολουθεί µία ηµιεµπειρική εκθετική σχέση της µορφής = όπου Ι 0 η αρχική ένταση της ακτινοβολίας, µ ο 9
συντελεστής απορροφήσεως του υλικού και d το πάχος της στοιβάδας του απορροφητικού υλικού. Κατά την αναχαίτηση των ηλεκτρονίων στο πεδίο δυνάµεων του ατοµικού πυρήνα εκπέµπεται επίσης η ακτινοβολία πεδήσεως (Bremsstrahlung), που είναι µια ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία συνεχούς ενεργειακού φάσµατος. Η πιθανότητα απορροφήσεως των ηλεκτρονίων µε εκποµπή ακτινοβολίας πεδήσεως ως προς τη συνολική απορρόφηση δίνεται από τη σχέση ώ έ ή h ή ώ έ = 800+ όπου Ε η µέση ενέργεια εκποµπής των ηλεκτρονίων (περίπου 1/3 της E max ) και Ζ ο ατοµικός αριθµός του απορροφητικού υλικού. Η ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία (φωτόνια: ακτίνες-χ και γ) έχουν, λόγω έλλειψης µάζας, µεγαλύτερη εµβέλεια στην ύλη. Το πάχος της στοιβάδας του υλικού, που είναι απαραίτητο για την απορρόφηση του µισού αριθµού των προσπιπτώντων φωτονίων, ονοµάζεται στοιβάδα ηµιαπορροφήσεως (D 1/2 ) 1/2 = 2 Η απορρόφηση των φωτονίων από την ύλη ακολουθεί κυρίως τρείς µηχανισµούς, που είναι ανεξάρτητοι µεταξύ τους 1. Το φωτοηλεκτρικό φαινόµενο (απόδοση της συνολικής ενέργειας του φωτονίου σε τροχιακό ηλεκτρόνιο του απορροφητικού υλικού, που εγκαταλείπει το άτοµο). 2. Το φαινόµενο Comρtoη (απόδοση µέρους της ενέργειας του φωτονίου σε τροχιακό ηλεκτρόνιο του απορροφητικού υλικού). 3.Τον σχηµατισµό ζεύγους ηλεκτρονίου - ποζιτρονίου. Πυρηνική αντίδραση: Με τον όρο πυρηνική αντίδραση χαρακτηρίζεται η µετατροπή ενός πυρήνα σ' έναν άλλο σταθερό ή ραδιενεργό πυρήνα µετά από βοµβαρδισµό µε σωµατίδια ή ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία. Η πιθανότητα πραγµατοποιήσεως µίας πυρηνικής αντιδράσεως δίνεται από την ενεργό διατοµή σ, που έχει διαστάσεις επιφανείας (1 barn (b) = 10-24 cm 2 ). Η απόδοση µιάς πυρηνικής αντιδράσεως, δηλαδή ο ρυθµός διασπάσεως (Α) του ραδιενεργού προϊόντος µίας πυρηνικής αντιδράσεως στο τέλος µίας ακτινοβολήσεως διάρκειας t δίνεται από την σχέση της ενεργοποιήσεως = (1 ) 10
όπου σ η ενεργός διατοµή της πυρηνικής αντιδράσεως, Φ η ροή των βληµάτων πυρήνων, Ν Α ο αριθµός των στόχων πυρήνων ανά µονάδα όγκου και λ η σταθερά διασπάσεως του προϊόντος της αντιδράσεως. Η πυρηνική αντίδραση, κατά την οποία ο πυρήνας ενός βαρέως στοιχείου βοµβαρδιζόµενος µε ένα σωµατίδιο ή φωτόνιο σπάζει σε δύο συνήθως τµήµατα και απελευθερώνεται µία ποσότητα ενέργειας, ονοµάζεται πυρηνική σχάση. Η πυρηνική σχάση παρουσιάζει µία αναλογία µε την αυθόρµητη σχάση, που εµφανίζεται ως τρόπος διασπάσεως βαρέων ασταθών νουκλιδίων στη φύση. Η απόδοση σχάσεως δίνει το εκατοστιαίο ποσοστό των σχάσεων, που οδηγούν στη δηµιουργία προιόντων ορισµένης µάζας. Η κάτω από ενεργειακές προϋποθέσεις συνένωση ελαφρών πυρήνων για σχηµατισµό βαρύτερων ονοµάζεται πυρηνική σύντηξη. Ο σχηµατισµός αυτός συνοδεύεται από απελευθέρωση µεγάλης ποσότητας ενέργειας. 11
ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΥΓΕΙΟΦΥΣΙΚΗΣ όση ακτινοβολίας: Η ποσότητα ενέργειας, που αποδίδει η ακτινοβολία κατά τη διάρκεια της αλληλεπιδράσεώς της µε την ύλη. Στο ιεθνές Σύστηµα (SI) µονάδων η δόση µετριέται σε J/kg. Η δόση 1 J/kg φέρει το όνοµα Gray (Gy). Η µονάδα Gray είναι 100 φορές µεγαλύτερη από την παλαιότερα χρησιµοποιούµενη µονάδα το rad, που καταργήθηκε επίσηµα στις 31.12.1985. 1 Gy = 100 rad Ο όρος δόση χρησιµοποιείται πολλές φορές συνοδευόµενος από κάποιον άλλον επεξηγηµατικό (π.χ. απορροφούµενη, ολόσωµη, θανάσιµη). Ισοδύναµο δόσεως: Είναι το γινόµενο της δόσεως επί ένα συντελεστή ποιότητος (Q), που λαµβάνει υπόψη τη βιολογική δραστικότητα της ακτινοβολίας. Μονάδα ισοδύναµης δόσης στο ιεθνές Σύστηµα Μονάδων είναι το Sievert (Sv). Μέχρι την 31.12.1985 ίσχυε ως µονάδα ισοδυνάµου δόσεως το rem, που αντιστοιχεί σε 1/100 του Sievert (Sv). Οι συντελεστές ποιότητος (Q) για τα βασικά είδη ακτινοβολιών δίνονται στον παρακάτω πίνακα: Ακτινοβολία Q Ακτίνες Χ και -γ 1 Ακτίνες -β 1 Θερµικά νετρόνια 2 Ταχέα νετρόνια 10 Πρωτόνια 10 Σωµατίδια-α 20 Έκθεση: Το συνολικό ηλεκτρικό φορτίο (φορτίο), που δηµιουργεί η ακτινοβολία κατά τη διέλευσή της µέσα από την ύλη. Η µονάδα έκθεσης στο ιεθνές Σύστηµα (SI) Coulomb/kg (C/kg). Ως µονάδα εκθέσεως µέχρι την 31.12.1985 χρησιµοποιούνταν το Roentgen (R), που ορίσθηκε ως η δηµιουργία από την ακτινοβολία φορτίων ίσων µε µία ηλεκτροστατική µονάδα (1 esu) σε 1.00 cm 3 (0.001293 g) ξηρού αέρα και αντιστοιχεί σε 258 µc/kg. 12
Bιολογικός χρόνος υποδιπλασιασµού (Τ 1/2 ) βιολ : Αποτελεσµατικός χρόνος υποδιπλασιασµού (Τ 1/2 ) αποτ : Ο χρόνος, τον οποίο χρειάζεται ένα βιολογικό σύστηµα (π.χ. άνθρωπος ή ζώο) γιά να αποβάλλει διά της φυσικής οδού τη µισή ποσότητα µίας δεδοµένης ουσίας (ραδιενεργού ή µη ραδιενεργού), που προσέλαβε. Ο χρόνος, που απαιτείται για να µειωθεί στο µισό η ποσότητα ενός ραδιονουκλιδίου σε ένα βιολογικό σύστηµα. Στη µείωση συµβάλλουν τόσο η διάσπαση του νουκλιδίου όσο και η αποβολή του. Έτσι η πραγµατική µείωση της ποσότητας ενός ραδιενεργού είδους στον ανθρώπινο οργανισµό δίνεται από τη σχέση = + ( / ) ( / ) ( / ) Για το συνολικό ρυθµό αποβολής µιάς ραδιενεργού ουσίας από έναν ζώντα οργανισµό ισχύει η σχέση = όπου κ: η σταθερά αποβολής ( = ( / ) ) 13