ΡΑΔΙΟΧΗΜΕΙΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΙΣΟΤΟΠΩΝ Τμήμα Χημικών Μηχανικών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ 1. ΦΥΣΙΚΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑ Ιωάννα Δ. Αναστασοπούλου Βασιλική Δρίτσα
ΑΔΕΙΑ ΧΡΗΣΗΣ Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.
3 Το φαινόμενο της φυσικής ραδιενέργειας χρησιμοποιήθηκε από τον Bequerel και αμέσως μετά εφαρμόσθηκε στις βασικές επιστήμες, στην τεχνολογία και την ιατρική. Πολύ γρήγορα έγινε αντιληπτό ότι η φυσική ραδιενέργεια αποτελεί βασική πηγή για την μελέτη της δομής της ύλης και των ιδιοτήτων της σε μικρο- και μακροσκοπική κλίμακα. Για παράδειγμα η φυσική ραδιενέργεια χρησιμοποιήθηκε για την μελέτη της δομής του ατόμου, αλλά και για τον υπολογισμό της ηλικίας της Γης ή τον υπολογισμό του χρόνου που απαιτείται να κατακαθίσουν ως ιζήματα στον πυθμένα των ωκεανών και θαλασσών διάφορες ουσίες. Στη συνέχεια βέβαια διαπιστώθηκε ότι ήταν επιτακτική η ανάγκη να γίνει έρευνα στον τομέα της ραδιενέργειας, φυσικής και τεχνητής, ώστε να γίνουν αντιληπτές οι επιδράσεις στην ατμόσφαιρα και το βιοσύστημα από την χρήση των ραδιενεργών στοιχείων στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ή στα πυρηνικά όπλα. Μόνον η γνώση σχετικά με την κατανομή και την συγκέντρωση των φυσικών ραδιοϊσοτόπων στο έδαφος της Γης μπορεί να μας βοηθήσει ώστε να υπολογίσουμε τα φυσιολογικά επίπεδα της συγκέντρωσή τους στην ατμόσφαιρα και ακόμη και στους ανθρώπινους ιστούς.
4 Φυσικά ραδιενεργά ιχνοστοιχεία μπορούν να βρεθούν σε ζώντες και μη ζώντες οργανισμούς. Από τα 340 νουκλίδια τα 70 περίπου είναι ραδιενεργά. Γενικά κάθε νουκλίδιο με ατομικό αριθμό μεγαλύτερο του 80 έχει και ραδιενεργά ισότοπα, ενώ τα στοιχεία με ατομικό αριθμό μεγαλύτερο του 83 είναι ραδιενεργά. Τα ραδιενεργά στοιχεία ανήκουν στην κατηγορία των βαρέων μετάλλων και επομένως εμφανίζουν όλες εκείνες τις χημικές ιδιότητες οι οποίες συμβάλλουν στην τοξικότητα του οργανισμού. Μπορούν εύκολα να αντικαταστήσουν τα μεταλλικά ιόντα των βιολογικών συστημάτων και να σχηματίσουν άλατα ή χημικούς δεσμούς με τα βιολογικά σουδαία μόρια, όπως οι πρωτεΐνες και τα νουκλεϊνικά οξέα (DNA, RNA), κ.ά. Πέραν των χημικών ιδιοτήτων του η τοξικότητά τους οφείλεται και στο είδος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας, λόγω της σωματιδιακής ή ηλεκτρομαγνητικής φύσης. Όμως η έναρξη των αντιδράσεων δεν εξαρτάται μόνον από τον αριθμό των σχηματιζόμενων ηλεκτρονίων, αλλά και από την πυκνότητά τους κατά μήκος της τροχιάς της θεωρούμενης ακτινοβολίας, καθώς επίσης και από την ενέργεια που αποδίδεται στο σύστημα. Για την περιγραφή των αλληλεπιδράσεων των βαριά φορτισμένων σωματίων με την ύλη χρησιμοποιούμε τον ειδικό ιοντισμό (specific ionization).
5 Ο ειδικός ιοντισμός εκφράζει τον αριθμό των ιόντων που παράγονται στη μονάδα μήκους της τροχιάς ενός σωματίου η φωτονίου της ακτινοβολίας. Επίσης χρησιμοποιείται ο όρος της γραμμικής μεταφοράς ενέργειας, LET (Linear Energy Transfer, γνωστή από την φυσική ως ενέργεια πέδησης, -de/dx), o οποίος εκφράζει την μεταβολή της ενέργειας της ιοντίζουσας ακτινοβολίας ανά μονάδα μήκους διαδρομής. Στον Πίνακα 5.1 δίνονται οι διαφορές μεταξύ των ακτινοβολιών και η μεταφορά ενέργειας στο σύστημα με το οποίο προσκρούουν. Έχει υπολογισθεί ότι η LET μιας ακτίνας α είναι 16 φορές μεγαλύτερη συγκρινόμενη με αυτή του πρωτονίου, επειδή η μάζα της ακτίνας α είναι τέσσερις φορές μεγαλύτερη της μάζας του πρωτονίου και το φορτίο της δύο φορές μεγαλύτερο φορτίο από το πρωτόνιο.
6 Πίνακας 5. 1. Διαφορές μεταξύ των ακτινών α, β, γ και Χ
7 Όλες οι ακτινοβολίες α,β,γ και X όταν προσπίπτουν στο βιοσύστημα δεν μεταφέρουν την ενέργειά τους με συνεχή μορφή, αλλά σαν σωρούς (spurs) διαφόρων μεγεθών με μέσο όρο της τάξης των 10 2 ev. Έτσι κατά μήκος της διαδρομής των ακτινοβολιών σχηματίζονται σωροί από διεγερμένα ή ιοντισμένα άτομα. Ως σωρός ορίζεται ένα σύνολο δραστικών ενδιαμέσων σωματιδίων, που σχηματίζονται από την πρόσπτωση της ακτινοβολίας, όπου υπάρχει μεγάλη πιθανότητα μερικά από τα ενδιάμεσα αυτά σωματίδια να αντιδράσουν μεταξύ τους πριν διαχυθούν στην κύρια μάζα του υλικού. Οι σωροί έχουν διαφορετικά μεγέθη. Μπορούν να αποτελούνται από ένα μόνο ιοντισμένο μόριο, αλλά και από πολλά κατιόντα και ηλεκτρόνια καθώς και έναν αριθμό διεγερμένων μορίων. Αν τα παραγόμενα ηλεκτρόνια έχουν αρκετή ενέργεια θα απομακρυνθούν από την κύρια κατεύθυνση διάδοσης της ακτινοβολίας και θα σχηματίσουν μεγαλύτερους σωρούς (blobs). Στο Σχ. 5.1 φαίνεται ο τρόπος σχηματισμού των σωρών.
8 Σχήμα 5.1. Σχηματισμός σωρών Κατά μήκος δηλαδή της διαδρομής σχηματίζεται μία ενεργός ζώνη από σωρούς με μέση απόσταση 10 2 ev/let. Από το Σχήμα 5.1 και τον Πίνακα 5.2 μπορεί κανείς να αντιληφθεί γιατί οι σωματιδιακής φύσης ακτινοβολίες (α,β) σχηματίζουν τοπικά μεγαλύτερο αριθμό ιόντων.
9 Πίνακας 5. 2. Μέσος ειδικός ιοντισμός-μέση LET κατά την ακτινοβόληση υδατικών συστημάτων με διάφορες ακτινοβολίες. Αν υποθέσουμε ότι έχουμε σωμάτια με ενέργεια 10 MeV, τότε στην ενεργό ζώνη τα ηλεκτρόνια διασχίζουν μία διαδρομή η οποία ανέρχεται περίπου σε 500 nm. Για τα πρωτόνια η απόσταση γίνεται 12 nm και για τις ακτίνες α περίπου 1 nm. Αν η ενέργεια των ακτίνων λάβει την τιμή 1 MeV τότε οι αποστάσεις γίνονται αντίστοιχα 400 nm, 2 nm και 0,5 nm.
10 Σχήμα 5.2. (1) Ελάττωση της ενέργειας με την απόσταση διαδρομής (LET) και (2) Εξάρτηση του μέσου ειδικού ιοντισμού από την απόσταση για σωματίδια α αρχικής ενέργειας 7MeVσε αέρα. Η διαδρομή των ακτινοβολιών μέσα στην ύλη είναι βραχεία, ευθύγραμμη και χαρακτηρίζεται από υψηλές τιμές ειδικού ιοντισμού και LET. Όμως τόσο ο ειδικός ιοντισμός όσο και η LET έχουν τιμές που δεν είναι σταθερές σε όλη τη διαδρομή των σωματιδίων. Προς το τέλος της διαδρομής, οπότε τα σωμάτια έχουν χάσει μεγάλο μέρος της κινητικής τους ενέργειας, αυξάνει η πιθανότητα αλληλεπίδρασης με την ύλη με αποτέλεσμα να αυξάνει ο ειδικός ιοντισμός και η LET (Σχ. 5. 2). Η διαφορά στην LET απορρέει από το ότι οι ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες X και γ είναι αρκετά διεισδυτικές και διέρχονται το ανθρώπινο σώμα, ενώ απορροφούνται εξ ολοκλήρου από τσιμέντο πάχους ενός μέτρου.
11 Αντίθετα οι ακτίνες α και β μπορούν να παρεμποδισθούν από ένα φύλλο χαρτί ή ένα μία πλάκα από κόντρα πλακέ, αντίστοιχα. Πολλές φορές δημιουργείται σύγχιση μεταξύ της συμπεριφοράς της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας από το ραδιοϊσότοπο και τις χημικές ιδιότητες του ραδιοϊσοτόπου. Τα ραδιοϊσότοπα θα αντιδράσουν με το υλικό που έρχονται σε επαφή ως χημικά στοιχεία. Στο Σχήμα 5.3 φαίνεται το πάχος της διαδρομής των ακτινοβολιών α, β και γ ή X. Πάντως ανεξάρτητα από τον τύπο της ιοντίζουσας ακτινοβολίας το τελικό αποτέλεσμα είναι ο σχηματισμός διεγερμένων και ιοντισμένων ατόμων ή μορίων κατά μήκος της τροχιάς της ακτινοβολίας. Στην πράξη διαπιστώθηκε ότι διαφορετικού τύπου ακτινοβολίες προκαλούν διαφορετικά χημικά αποτελέσματα. Η συσχέτιση μεταξύ ιοντισμού και χημικού αποτελέσματος τοποθετήθηκε σε διαφορετική βάση από τον Lind (1912), όταν μελέτησε το σχηματισμό όζοντος, με την επίδραση ακτίνων α σε οξυγόνο. Κατάφερε δε για πρώτη φορά να μελετήσει τον αριθμό των σχηματιζόμενων ιόντων και την χημική απόδοση στο ίδιο μέσο.
12 Επίσης, ανεξάρτητα από το είδος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας η μεταφορά της ενέργειας στο βιολογικό σύστημα, ή στα υδατικά διαλύματα ευρύτερα, αρχίζει με το φυσικό στάδιο που διαρκεί 10-16 s, η δε ακτινοβολία προκαλεί άμεσα ή έμμεσα ιοντισμό των μορίων του νερού του βιολογικού συστήματος. (5.1) Σχήμα 5. 3. Διαφορά πάχους διαδρομής μεταξύ των ακτινών α, β και γ ή Χ
13 Ακολουθεί το φυσικοχημικό στάδιο διαρκεί περίπου 10-11 sec ή και λιγότερο. Στο διάστημα αυτό το σύστημα οδηγείται σε θερμική ισορροπία και η μετατροπή των ηλεκτρονίων σε θερμικά ηλεκτρόνια και παράγονται τα πρωτογενή προϊόντα της σχάσης του νερού που είναι οι ελεύθερες ρίζες υδροξυλίου και υδρογόνου. Οι παραγόμενες κατά το φυσικοχημικό στάδιο ελεύθερες ρίζες υδροξυλίου, υδρογόνου και τα ηλεκτρόνια διαχέονται στο σύστημα σχηματίζοντας είτε διμερή προϊόντα είτε αντιδρούν με τα μόρια του συστήματος. Το στάδιο αυτό είναι το χημικό και διαρκεί περί τα 10-8 sec. Τέλος επικρατεί το βιολογικό στάδιο το οποίο επηρεάζει τις διεργασίες ανάπτυξης του κυττάρου ζώντων οργανισμών. Έτσι για τη διαίρεση των κυττάρων των μικροοργανισμών απαιτούνται μόνο μερικές ώρες. Η καταστροφή του νευρικού συστήματος γίνεται σε μερικές ημέρες, ενώ για την καταστροφή του αιμοποιητικού συστήματος απαιτείται περίπου ένας μήνας. Τέλος η γενετική καταστροφή και η καρκινογένεση μπορεί να εμφανισθούν και μετά από παρέλευση αρκετών ετών.
14 Ανεξάρτητα από το είδος της ακτινοβολίας τα τελικά δραστικά σωματίδια που σχηματίζονται δίνοται από την αντίδραση: (5.2) Η αντίδραση (5.2) ερμηνεύει και την απαίτηση της χρήσης λιμναίου (γλυκού) νερού ως ψυκτικό μέσον των αντιδραστήρων. Όταν οι ελεύθερες ρίζες και τα ηλεκτρόνια δεν έχουν να αντιδράσουν με άλλα μόρια τότε αντιδρούν μεταξύ τους παρέχοντας ως σταθερά προϊόντα υπεροξείδιο του υδρογόνου, αέριο υδρογόνο και νερό. Στην πράξη βέβαια αυτό δεν ισχύει και γι αυτό προκαλείται η διάβρωση των συστημάτων των αντιδραστήρων.
ΧΡΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.