Promieniowanie jonizujące

Transkrypt

1 Promieniowanie jonizujące Wykład VI Krzysztof Golec-Biernat Skutki biologiczne promieniowania jonizującego Uniwersytet Rzeszowski, 20 grudnia 2017 Wykład VI Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 1 / 18

2 Źródła promieniowania jonizującego na Ziemi naturalne ziemskie źródła promieniowania promieniowanie kosmiczne źródła cywilizacyjne - energetyka, medycyna, przemysł, wojsko biologiczne skutki promieniowania efekty statystyczne i stochastyczne normy dawek, dawka śmiertelna Wykład VI Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 2 / 18

3 Naturalne źródła ziemskie Trzy szeregi promieniotwórcze - zaczynające się od 238 U, 235 U, 232 Th Szeregi zawierają 12 ciężkich pierwiastków reprezentowanych przez 43 izotopy promieniotwórcze - Tl, Pb, Bi, Po, At, Rn, Fr, Ra, Ac, Th, Pa, U Wszystkie pochodne nuklidy mają T 1/2 T Ziemia = 4.5 mld lat. W związku z tym występuje równowaga promieniotwórcza - aktywności wszystkich nuklidów danego szeregu są takie same A(t) = λ N(t) = liczba rozpadów na sekundę Dodatkowo 16 lżejszych pierwiastków reprezentowanych przez 18 izotopów promieniotwórczych o T 1/2 T Ziemia w skorupie ziemskiej. Większość z nich ma niską aktywność ze względu na małą koncentrację lub duży czas połowicznego rozpadu. Wykład VI Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 3 / 18

4 Nuklidy o najwyższej aktywności w skorupie ziemskiej Nuklid Aktywność właściwa Zawartość w skorupie Aktywność w skorupie [Bq/g] [% wagowy] [Bq/t] 232 Th U U K Rb Dane o zawartości są uśrednione. Lokalne zawartości nuklidów w skorupie mogą się znacznie różnić. Produkty rozpadu szeregów mają taka samą aktywność właściwą. Aktywność w skorupie może się różnić ze względu na różną zawartość nuklidów w skorupie: N nuklid T 1/2 Wykład VI Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 4 / 18

5 Promieniowanie kosmiczne Pierwotne promieniowanie kosmiczne to cząstki o energii w zakresie E = ev docierające do górnych warstw atmosfery o składzie: protony - 87 %, cząstki α - 11 %, ciężkie jony od Be do Fe - 1 % i elektrony - 1 %. Oddziaływania z z atmosferą tworzą promieniowanie wtórne w postaci: elektronów (80 %), mionów (20 %), fotonów γ, mezonów i neutronów. Pierwotne protony to tylko 0.05%. W oddziaływaniu z atomami N, O, Ar atmosfery tworzą się pierwiastki promieniotwórcze. Najważniejsze to Nuklid Okres połowicznego rozpadu Typ rozpadu 3 H 12.3 y β 7 Be 53,3 d wychwyt e 14 C 5700 y β 22 Na 2.6 y β + Wykład VI Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 5 / 18

6 Źródła cywilizacyjne promieniowania jonizacyjnego Energetyka - węgiel, torf, ropa naftowa i gaz ziemny zawierają domieszki pierwiastków promieniotwórczych. Średnia aktywność w węglu: 40 K to 50 Bq/kg, 238 U to 36 Bq/kg oraz 232 Th to 30 Bq/kg. Promieniotwórczy popiół ze spalania węgla jest używany do produkcji cementu i betonu oraz do utwardzania dróg. Minerały fosforanowe - nawozy fosforowe (P 2O 5) zawierają duże domieszki 238 U o aktywności 4000 Bq/kg oraz 226 Ra o aktywności 1500 Bq/kg. Medycyna - diagnostyka przy pomocy promieniowania X oraz radiofarmaceutyków: 99m Tc, 201 Tl, 67 Ga, 131 I oraz terapia: Teleradioterapia - naświetlanie promieniowaniem γ z rozpadów 60 Co, protonów lub neutronów z akceleratorów lub promieniowania X. Brachyterapia - wprowadzanie do organizmów zamkniętych źródeł promieniowania lub implantacja do guzów nowotworowych radionuklidów w formie drucików lub ziaren, np. 192 Ir. Radiofarmakologia - radiofarmaceutyki, które gromadzą się wybiórczo w chorym organie lub tkance w celu diagnostycznym lub terapeutycznym. Wykład VI Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 6 / 18

7 Energetyka jądrowa i przemysł zbrojeniowy Cykl paliwowy w energetyce jądrowej - wydobycie rudy uranowej, kruszenie i przerób rudy, wzbogacanie uranu, produkcja paliwa, praca reaktora energetycznego, przerób paliwa. Średnia roczna dawka napromieniowania pracowników cyklu nie przekracza 4.5 msv (wydobycie rudy). Dopuszczalna dawka to 20 msv/rok. Skażenie środowiska wywołane przez przemysł zbrojeniowy Źródło skażenia Rozproszona aktywność Udział w kolektywnej substancji prom. [Bq] dawce efektywnej [%] Próbne wybuchy bomb atomowych w atmosferze Produkcja militarnego plutonu i broni jądrowej Skażenie środowiska przez urządzenia wojskowe Katastrofa w Czernobylu Wykład VI Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 7 / 18

8 Biologiczne skutki napromieniowania Jonizacja lub wzbudzanie atomów i molekuł prowadzi do do zakłócenie ich roli w funkcjonowaniu komórek organizmu. Niebezpieczne jest uszkodzenie DNA, powodujące śmierć komórki lub jej modyfikację Przy reprodukcji komórki może pojawić klon prowadzący do nowotworu lub mutacji genów dziedziczonych przez potomstwo. Wykład VI Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 8 / 18

9 DNA DNA (kwas deoksrybonukleinowy) to podwójna helisa z sekwencją par zasad: Adenina-Tymina Cytozyna-Gaunina (Watson i Crick 1953) DNA określa kod genetyczny - kodowanie białek przy pomocy 3 kolejnych nukleotydów kodujących kolejne aminokwasy w białkach (np. AAA). Genom ludzki - 23 pary chromosomów, par bazowych, tys. genów kodujących białka (1.5% genomu) Wykład VI Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 9 / 18

10 Powstawanie mutacji W czasie syntezy DNA występuje błędne parowanie zasad (mutacje) z częstością Większość mutacji jest nieszkodliwa, gdyż nie zmienia kodu genetycznego. Najniebezpieczniejsze są mutacje w komórkach macierzystych (nowotwory krwi) mutacje proto-onkogenów prowadzące do rozwój nowotworów. Działanie promieniowania jonizującego - działanie pośrednie poprzez radiolizę wody i działanie bezpośrednie. Wykład VI Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 10 / 18

11 Uszkodzenia DNA Częstość występowania spontanicznych i popromiennych uszkodzeń DNA Rodzaj Liczba powstających Liczba uszkodzeń uszkodzenie spontanicznie uszkodzeń wywołana w komórce na komórkę na godzinę przez 1 Gy promieniowania X Uszkodzenie zasad Utrata zasady Pęknięcie 1 nici Pęknięcie 2 nici < 1 40 Dwa rodzaje efektów wywołanych przez promieniowanie jonizujące - stochastyczne (przypadkowe) - deterministyczne, zależne od dawki promieniowania. Wykład VI Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 11 / 18

12 Efekty stochastyczne Efekty stochastyczne dotyczą przypadkowych zmian w pojedynczych komórkach opisywanych rozkładem prawdopodobieństwa. Liniowa zależność skutku od dawki. Skutkiem może być choroba nowotworowa lub zmiany dziedziczne u potomstwa. Wieloletnie opóźnienie w pojawieniu się choroby: białaczka - 4 lata, inne nowotwory - powyżej 10 lat. Wykład VI Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 12 / 18

13 Efekty deterministyczne Efekty deterministyczne występują przy przekroczeniu dawki progowej, gdy następuje masowe zniszczenie komórek. Skutkiem jest przejściowe lub trwało zniszczenie tkanek lub choroba popromienna prowadząca do śmierci organizmu. Śmiertelna dawka promieniowania LD 50 - śmierć 50 % osobników danego gatunku w ciągu 30 dni. Wykład VI Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 13 / 18

14 Dawki śmiertelne Porównanie LD 50 dla różnych grup taksonomicznych Grupa taksonomiczna LD 50 [Gy=J/kg] ssaki i ptaki 10 ryby, płazy i gady 30 wyższe rośliny 400 owady 2000 pierwotniaki do 5000 mchy, porosty, algi, bakterie, wirusy do Porównanie LD 50 dla ssaków poddanych napromieniowaniu na całe ciało Ssak masa ciała [kg] LD 50 [Gy=J/kg] mysz szczur małpa (rezus) pies człowiek 70 4 Człowiek - 50 Gy śmierć w ciągu h, > 10 Gy w ciągu kilku dni Wykład VI Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 14 / 18

15 Dopuszczalne dawki graniczne Roczny limit dawki, uśredniony w ciągu 5 lat, to 20 msv dla osób narażonych zawodowo na promieniowanie. Dawka nie może przekroczyć 50 msv w żadnym roku. Dla ogółu ludności roczny limita dawki to 1 msv. Napromieniowanie zewnętrzne: promieniowanie nuklidów z otoczenia msv promieniowanie kosmiczne msv na poziomie morza na wysokości 1 km dawka o 45 % większa, a na 2 km 2.6 raza większa są miejsca na świecie o anomalnie wysokim promieniowaniu - do 10 razy większym niż średnia (np. w Iranie, źródła wody bogate w 226 Ra). Napromieniowanie wewnętrzne - nuklidy wchłaniane drogą pokarmową lub oddechową. Sa wydalane lub gromadzone w tkankach. 222 Ra (T 1/2 = 3.83 d) i produkty jego rozpadu z najwyższą dawką 1.2 msv Eskimosi żywiący się mięsem reniferów odżywiających się porostami kumulującymi 210 Pb i 210 Po - dodatkowa dawka 0.3 msv inne obszary - zwiększona zawartość uranu czy toru w glebie razy Wykład VI Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 15 / 18

16 Zestawienie pochłanianych dawek Roczne dawki efektywne [msv] Źródło napromienienia Naprom. Naprom. Naprom. zewnętrzne wewnętrzne całkowite Prom. kosmiczne: - składowa jonizująca składowa neutronowa Radionuklidy kosmiczne Szereg uranowo radowy Szereg torowy Radon i prod. rozpadu K Rb SUMA bez radonu 222 Rn; bez radonu 220 Rn Wykład VI Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 16 / 18

17 Podsumowanie Trzy źródła promieniowania jonizującego i neutronowego - naturalne ziemskie, kosmiczne i cywilizacyjne. Uszkodzenia radiacyjne DNA głównym zagrożeniem. Efekty stochastyczne i deterministyczne promieniowania prowadzące do zmian w tkankach lub organach organizmu lub jego śmierci. Norma dla uśrednionych efektywnych dawek pochłoniętych na rok to do 20 msv, nie więcej niż 50 msv w każdym roku. Napromieniowanie zewnętrzne i wewnętrzne - możliwe duże anomalie w napromieniowaniu na skutek lokalnych warunków geograficznych. Wykład VI Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 17 / 18

18 Problemy do rozwiązania 1. Udowodnić, że jeżeli nuklidy pochodne w szeregu promieniotwórczym mają okres połowicznego rozpadu dużo mniejszy od analogicznego rozpadu protoplasta szeregu to aktywności nuklidów w szeregu są takie same po czasie dużo większym niż ich okresy rozpadu, a ilość danego nuklidu jest proporcjonalna do tego okresu. 2. Potwierdzić wartość aktywności w skorupie ziemskiej nuklidów z tabelki na podstawie podanych w niej danych ze strony 4. Wykład VI Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 18 / 18