Promieniowanie w środowisku człowieka

Transkrypt

1 Promieniowanie w środowisku człowieka Jeżeli przyjrzymy się szczegółom mapy nuklidów zauważymy istniejące w przyrodzie w stosunkowo dużych ilościach nuklidy nietrwałe. Ich czasy zaniku są duże, większe od prawdopodobnego czasu utworzenia układu słonecznego. Jednocześnie na przestrzeni ostatnich lat człowiek wpływał na stan środowiska naturalnego zwiększając zagrożenie promieniowaniem poprzez próby z bronią jądrową i awarie elektrowni jądrowych. Promieniowanie dochodzi do nas też z kosmosu warstwa atmosfery niezbyt dobrze odcina nas od promieniowania kosmicznego 1

2 2

3 Ilość poszczególnych izotopów potasu w przyrodzie: 40 K 39 K 93% 40 K 0.01% 41 K 7% Ilość wszystkich izotopów wapnia w skorupie ziemskiej wynosi 2x10 4 mg/kg czyli około 2 mg/kg 40 K Ten izotop rozpada się na drodze rozpadu beta β - 89%, bez emisji promieniowania gamma Do stanu podstawowego 40 Ca i β + / EC - 11%, praktycznie w całości do stanu wzbudzonego 40 Ar który to stan deekscytuje z emisją kwantu gamma o energii 1461 kev. Oznacza to że około 10-4 jąder potasu znajdujących się w naszym środowisku jest promieniotwórcza. Jest to olbrzymia ilość! Część tego znajduje się w człowieku! 3

4 Ogółem w skorupie ziemi znajduje się 18 pojedynczo występujących pierwiastków promieniotwórczych o okresach połowicznego zaniku od 10 9 do lat. Przedział liczb masowych tych pierwiastków jest szeroki od 40 K do 190 Pt. Lekkie rozpadają się poprzez emisję promieniowania beta, cięższe na ogół poprzez emisję promieniowania alfa. Dodatkowo istnieje 7 nuklidów które są prawdopodobnie nietrwałe ale jak dotychczas udało się wyznaczyć tylko dolne granice ich czasów połowicznego zaniku. Z tych pierwiastków największe zagrożenie powoduje 40 K. Oprócz tego istnieje w przyrodzie kilka ciężkich pierwiastków tworzących łańcuchy promieniotwórczych rozpadów. 4

5 5

6 Kolejnymi nuklidami radioaktywnymi istniejącymi w przyrodzie są izotopy toru i uranu (odpowiednio 9.6 mg/kg i 2.7 mg/kg). 232 Th 100% -tylko jeden izotop Izotopy te tworzą długie łańcuchy promieniotwórcze kończące się na stabilnych izotopach ołowiu. Poszczególne nuklidy rozpadają się na drodze przemian α, i β, towarzyszy temu emisja kwantów γ. 6

7 7

8 234 U 5x10-5, 2x10 5 lat 235 U 0.7%, 7x10 8 lat 238 U 99%, 4.5x10 9 lat 8

9 Najbardziej niebezpieczny jest 222 Rn wydostający się z wnętrza Ziemi i gromadzący się np.w naszych piwnicach 9

10 Widmo promieniowania gamma w przeciętnym laboratorium fizycznym (bardzo podobnie wygląda w naszych mieszkaniach). Dominują przejścia gamma związane z 40 K i łańcuchami rozpadu ciężkich pierwiastków. Prawie niewidoczne na tym rysunku przejście o energii 662 kev pochodzi z rozpadu 137 Cs, głównie pozostałości po wybuchach jądrowych. 10

11 40 K 11

12 W tabeli czerwonymi strzałkami zaznaczone są intensywności przejść gamma z 40 K i 137 Cs. Pozostałe przejścia pochodzą z łańcuchów rozpadów ciężkich nuklidów 12

13 39 K 93.26% 40 K 0.01% 41 K 6.73% 232 Th 100% 234 U % 235 U 0.72% 238 U 99.27% 13

14 14

15 15

16 16

17 Radon i jego pochodne w budynkach Radon to jeden z izotopów pierwiastka promieniotwórczego radon powstaje w naturalnym szeregu 238 U. Własności fizyczne i chemiczne radonu - najcięższy z gazów szlachetnych, gęstość 9.96 g/cm 3 ; w porównaniu do 1.29 g/cm 3 dla powietrza w normalnych warunkach przenikając z gleby do powietrza może, przy braku przewiewu, utrzymywać się blisko podłoża; na wyższe poziomy dostaje się wtedy poprzez dyfuzję - promieniotwórczy, żyje stosunkowo długo co ułatwia rozprzestrzenianie się - nie wchodzi w oddziaływania chemiczne w organizmie (gaz szlachetny) jest praktycznie w całości usuwany z organizmu z wydychanym powietrzem to nie sam radon stanowi zagrożenie radiologiczne ale pochodne przemiany promieniotwórczej (rozpadu) radonu radionuklidy: (polon-218, polon-214), (ołów-214), (bizmut-214) 17

18 radioizotopy pierwiastków stałych, osadzających się na aerozolach zawieszonych w powietrzu, aerozole mogą osadzać sie w płucach, a ponieważ są stosunkowo krótko żyjące są głównym źródłem dawki od promieniowania naturalnego środowiska, przede wszystkim za przyczyną promieniotwórczych rozpadów : Badania przeprowadzone w 1996 r. przez Centralne Laboratorium Ochrony Radiologicznej pokazały, że średnie stężenie radonu w budynkach mieszkalnych w Polsce wynosi ok. 50 (rozrzut danych od 13 do 99 ). Normy stężenia radonu: 200 w budynkach oddanych do użytku po 1.I.1998 r. 400 w budynkach starszych pokazują że radon nie stanowi w Polsce istotnego zagrożenia radiologicznego. 18

19 Kumulacja i wydalanie radionuklidów z organizmu człowieka - efektywny półokres rozpadu (przebywania) radionuklidu organizmie: T ef ) T ( f ) ( b ) Jak można się było spodziewać, jest on mniejszy od najkrótszego z półokresów składowych. Przykład: 1 / 2 ( 1 / 2 T1 / 2 W wybuchach atomowych (lata 60.) i w katastrofie czarnobylskiej wyemitowane zostały m.in. 131 i 137 I Cs które po wniknięciu do organizmu człowieka zanikały z efektywnymi półokresami rozpadu, jak w tabelce: 19

20 T 1/2 (fiz) T 1/2 (biol) T 1/2 (efekt) 131 I 8.04 dnia 120 dni [1] 7.5 dnia 137 Cs 30.2 lat 110 dni 109 dni [1] Dotyczy gruczołu tarczycy Wnioski: ulega w całości przemianie promieniotwórczej zanim zostanie w istotnym stopniu wydalony, odwrotnie jest skutecznie usuwany z organizmu, szybciej niż poprzez sam jego rozpad promieniotwórczy 20

21 Tabela. Charakterystyczne aktywności promieniowania jonizującego różnych obiektów. Materiał/obiekt /skażenie Aktywność [Bq] Uwagi woda pitna l żywność ciało człowieka ~ C, 1 kg suchej masy, kg; K, (węgiel-14) powietrze w pomieszczeniach mieszkalnych, Polska, 1997 ~ m ; 222 Rn gleba ~ kg nawozy fosforowe (superfosfat) ~ kg; U 21

22 238 U ~ kg 239 Pu (pluton-239) ~ kg 60 Co ~ kg tzw. gorąca cząstka po wybuchu w Czarnobylu; 1986, teren Polski zegarek z luminoforem źródło promieniotwórcz e laboratoryjne Ra Cs 22

23 zniszczenie reaktora, Three Mile Island, USA, 1979 wybuch reaktora, Czarnobyl, Ukraina, 1986 reaktor atomowy bomba wodorowa ~ ( ~ 50 Ci) ~ (~ 300 MCi) ~ ( ~ 2000 MCi) ~ ( ~ 2000 GCi) na dzień wybuchu, 26. IV GW e (moc elektryczna) 1 Mt TNT (trotyl) 23

24 Promieniowanie kosmiczne Głównym źródłem zagrożenia jest promieniowanie pochodzące z dalekiego kosmosu. Promieniowanie słoneczne nie przenika przez pole magnetyczne Ziemi. Należy tu wyróżnić bezpośrednie działanie promieniowania kosmicznego oraz wytwarzanie przez to promieniowanie nuklidów promieniotwórczych. Działanie bezpośrednie - składowa jonizująca - roczna dawka efektywna 0.24 msv - składowa neutronowa - 30µSv rejestrowane na poziomie morza i rośnie znacząco z wysokością. Wysokoenergetyczne promieniowanie kosmiczne wytwarza w atmosferze około 30 nuklidów promieniotwórczych z czego cztery: 3 H, 3 Be, 14 C i 22 Na odgrywają znaczącą rolę w napromieniowaniu żywych organizmów. 24

25 25

26 26

27 27

28 Promieniotwórczość w świadomości społecznej 1945 Hiroshima i Nagasaki Eksperymentalne wybuchy jądrowe: USA, Francja, Rosja, Chiny, 1979 Three Mile Island (TMI), U.S.A., awaria w elektrowni atomowej 1986 Czarnobyl (Ukraina), awaria w elektrowni atomowej katastrofa o skutkach ekologicznych (regionalnych, globalnych). Nie jest to bynajmniej promieniotwórczość naturalna i efekty tych wydarzeń stanowią znikomą część promieniowania naturalnego! 28

29

30

31

32 Rozpad beta e A Z A Z e A Z A Z e A Z A Z Y e X e Y X e Y X Rozpad β - Rozpad β + M(Z,A) > M(Z+1,A) M(Z,A) > M(Z-1,A) M(Z,A) > M(Z-1,A) + 2m e Warunki energetyczne - M w tym wypadku oznacza masę atomu! masa elektronu i pozytonu MeV