Biologiczne skutki promieniowania

Transkrypt

1 Biologiczne skutki promieniowania Promieniowanie padające na żywe organizmy powoduje podczas naświetlania te same efekty co przy oddziaływaniu z nieożywioną materią Skutki promieniowania mogą być jednak różne, ze względu na to, że żywe organizmy potrafią regenerować niewielkie uszkodzenia, gdyż w naturalnych warunkach też są naświetlane (radioaktywne izotopy w skorupie ziemskiej, promieniowanie kosmiczne) Jedna hipoteza, tzw. hipoteza liniowa (bezprogowa) głosi, że zagrożenie chorobami nowotworowymi rośnie proporcjonalnie do dawki promieniowania zaczynając od najmniejszych dawek bliskich zeru (zdeponowanej energii na jednostkę masy) Istnieje także hipoteza, tzw. hormezy radiacyjnej, która polega na tym, że niewielkie dawki promieniowania powodują uodpornienie się organizmów na promieniowanie i w pewien sposób wzmacniają je, np. zmniejszając skłonność do produkcji nowotworów Wykład 7 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 1

2 Źródła promieniowania w otoczeniu Niezależnie od tego, która z powyższych hipotez jest prawdziwa, można stwierdzić, że duże dawki promieniowania są z pewnością szkodliwe, a nawet mogą być śmiertelne Wykład 7 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 2

3 Dawka pochłonięta Dawka pochłonięta w danej tkance to całkowita energia zdeponowana w jednostce masy tkanki: Jednostką dawki jest Gray (Gy): 1 Gy = 1 J/kg Stara jednostka: 1 rad = 100 erg/g = 0.01 Gy Dla biologicznych skutków ważne są: wielkość dawki promieniowania czas w jakim ta dawka została pochłonięta (moc dawki) rodzaj naświetlonej tkanki rodzaj promieniowania Dlatego obok dawki pochłoniętej wprowadza się pojęcia dawki równoważnej (różne rodzaje promieniowania) dawki efektywnej (różne tkanki) Wykład 7 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 3

4 Dawka równoważna Różne rodzaje promieniowania, deponujące tę samą ilość energii w jednostce masy danej tkanki (dawkę pochłoniętą), mogą wywołać różne skutki biologiczne Wprowadza się współczynnik względnej skuteczności biologicznej (RBE Relative Biological Efficiency) oraz definiuje dawkę równoważną, określającą reakcję biologiczną na pochłoniętą dawkę danego promieniowania, jak taka sama dawka promieniowania gamma o energii 250 kev Jednostka: 1 Sievert (Sv) = = 1 J/kg Dawna jednostka 1 rem = 0.01 Sv Wykład 7 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 4

5 Dawka efektywna Dawka efektywna E to dawka równoważna pomnożona przez współczynnik wagowy, określający czułość danej tkanki T na uszkodzenia Wykład 7 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 5

6 o o Typowe roczne dawki efektywne (msv) Promieniowanie kosmiczne na poziomie morza 0.25 w górach 2000 m n.p.m Promieniowanie gamma (gleba, budynki) 0.5 o Radon w powietrzu 1.4 o Jedzenie i napoje 0.3 o Prześwietlenie (prom. X) 0.9 o Przelot samolotem (1600 km) 0.01 o Skutki dawnych wybuchów 0.02 o Telewizja RAZEM 3.4 Roczna dawka promieniowania w Polsce: 3 4 msv Wykład 7 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 6

7 Promieniotwórczość naturalna w Polsce Wykład 7 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 7

8 Różnice w dawkach rocznych Wykład 7 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 8

9 Wybrane wielkości dawek Wykład 7 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 9

10 Wybrane wielkości dawek c.d. Dawka powodującą śmierć w ciągu 30 dni połowy (50%) napromieniowanych organizmów LD Wykład 7 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 10

11 Wybrane wielkości dawek c.d. Naświetlenie dawką 1Sv powoduje długofalowe skutki 2% ludzi naświetlonych zachoruje na choroby nowotworowe (do końca życia) Rekomendowana górna granica dawki dla osób stale stykających się z promieniowaniem wynosi 20 msv/rok (uśredniona po 5 latach z tym, że w żadnym roku nie może przekroczyć 50 msv) Dla osób nie stykających się zawodowo z promieniowaniem zalecana jest dawka efektywna mniejsza niż 5 msv/rok (oprócz promieniowania środowiska naturalnego ) Wykład 7 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 11

12 Reakcje jądrowe Procesy, w których uczestniczą jądra atomowe lub cząstki elementarne nazywane są reakcjami jądrowymi Mogą one zachodzić w wyniku oddziaływań silnych, elektromagnetycznych i słabych Pierwsza zaobserwowana reakcja jądrowa ze zmianą partycji (1919) Wykład 7 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 12

13 Zderzenie Au + Au Wykład 7 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 13

14 Nomenklatura Reakcje, w których wyniku tworzą się dwie cząstki są nazywane reakcjami dwuciałowymi, trzy cząstki trzyciałowymi, itd. Tradycyjnie reakcje badane były przez naświetlanie jąder atomowych próbki zwanej tarczą (target) przez padające cząstki tworzące wiązkę (beam) Współcześnie często stosuje się zderzenie cząstek z dwóch wiązek wiązki przeciwbieżne pocisk wiązki jądro tarczy Wykład 7 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 14

15 Nomenklatura c.d. #1 Tradycyjny zapis reakcji to, gdzie A to jądro tarczy, a cząstka (pocisk) z wiązki (projectile), b rejestrowana cząstka (ejectile), B jądro końcowe (nie rejestrowane, residuum) Gdy cząstki padające są spolaryzowane (kierunek ich spinów uporządkowany w przestrzeni), to stosuje się zapis, a gdy rejestruje się polaryzację produktów, to notacja jest następująca Oczywiście możliwe są inne kombinacje polaryzacji: Wykład 7 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 15

16 Nomenklatura c.d. #2 Partycja (partition) nukleonów, to każdy podział nukleonów na grupy o liczbach (A 1,Z 1 ), (A 2,Z 2 ) Kanał reakcji (reaction channel) to partycja plus informacja o pozostałych liczbach kwantowych charakteryzujących układ (spiny, parzystości, izospiny, itd.); równoważne pojęciu stanu układu W szczególności zderzające się jądra nazywane są kanałem wejściowym (stanem początkowym), a wylatujące po reakcji cząstki kanałem wyjściowym (stanem końcowym) reakcji Reakcje klasyfikowane są ze względu na różne cechy: liczba produktów skutki reakcji sposób (mechanizm) przebiegu rodzaj pomiaru Wykład 7 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 16

17 Podział ze względu na skutki reakcji Reakcje przegrupowania (rearrangement reactions) to reakcje zachodzące ze zmianą partycji: Rozpraszanie (scattering) to reakcje bez zmiany partycji, przy czym Sprężystym rozpraszaniem (elastic scattering) nazywane są te reakcje, w których jądra po reakcji są w stanie podstawowym Niesprężystym rozpraszaniem (inelastic scattering) nazywawy reakcje, w których przynajmniej jeden z produktów jest wzbudzony, zapisywane też jako Wykład 7 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 17

18 Podział ze względu na bilans energii Dla reakcji bilans energetyczny to: Energia Q nazywana jest ciepłem reakcji Reakcje egzoeneregetyczne Q > 0 (wydzielanie energii) Reakcje endoenergetyczne dostarczenie energii) Q < 0 (konieczne Jeżeli uda się wyznaczyć ciepło reakcji (np. znajdując energię progową, czyli minimalną energię, przy której proces endoenergetyczny może zachodzić), to znając masy trzech uczestników reakcji można obliczyć masę czwartego Wykład 7 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 18

19 Całkowity przekrój czynny To podstawowa mierzalna wielkość, interpretowana jako efektywna powierzchnia jądra widziana przez padającą cząstkę Jeżeli na jednostkę powierzchni tarczy pada wiązka o natężeniu I 0 [cząstek/s], a tarcza zawiera I 0 N [jąder/cm 3 ], to w ciągu 1s z wiązki ubędzie ΔI cząstek; w warstwie dx tarczy ubywa di [cząstek/s] ze strumienia I(x ) na nią padającego: I częstość reakcji całkowity przekrój w warstwie dx czynny na reakcję Wykład 7 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 19

20 Całkowity przekrój czynny c.d. #1 Strumień wychodzący z warstwy o grubości x: Ilość reakcji zachodzących w warstwie o grubości x: Wydajność reakcji w warstwie o grubości x: Dla σnx «1 zachodzi: oraz Wykład 7 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 20

21 Całkowity przekrój czynny c.d. #2 Formuła daje przepis na pomiar przekroju z badania osłabienia wiązki Jednostką przekroju czynnego jest barn: 1 b = cm 2 = m 2 = 100 fm 2 Przeliczenie gęstości tarczy: 2R R = 5,64 fm stąd więc masowy współczynnik osłabienia Wykład 7 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 21

22 Podział ze względu na rodzaj pomiaru Pomiar ekskluzywny to taki, w którym uzyskujemy pełną informację kinematyczną o wszystkich cząstkach, tzn. wiemy jakie to cząstki i jakie mają pędy i energie Pomiar inkluzywny to taki, w którym nie mamy pełnej informacji, np. rejestrujemy tylko niektóre produkty Pomiar absorpcyjny gdy wiemy, że padająca cząstka została zaabsorbowana (ubyła z wiązki) Pomiar absorpcyjny i ekskluzywny pozwala zmierzyć liczbę oddziaływań, a inkluzywny tylko liczbę emitowanych cząstek tego rodzaju, które rejestrujemy Wykład 7 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 22

23 Całkowity przekrój pomiaru inkluzywnego Gdy w reakcji A(a,b)X rejestrujemy cząstek b na sekundę, liczba padających cząstek a na 1 s wynosi, koncentracja jąder A tarczy równa jest, a grubość tarczy to, inkluzywny przekrój czynny wynosi UWAGA: w literaturze często nie podkreśla się o jakim przekroju mowa! Związek między przekrojami i : gdzie to średnia krotność emitowanych i rejestrowanych cząstek b Przekrój liczy liczbę oddziaływań a przekrój liczbę rejestrowanych cząstek (np. X = 2b) Wykład 7 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 23

24 Podstawy Fizyki Jądrowej Do zobaczenia za tydzień Wykład 7 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 24