RADIOAKTIVITA A IONIZUJÍCÍ ZÁŘENÍ

Ionizující záření

Prostředí

Ionizace

Excitace

Viditelné (sluneční) paprsky

Wilhelm Röntgen

Neviditelné

γ-záření

Foton

β-záření

α-záření

Neutronové záření

Záření, které má tak vysokou energii, že je schopno při průchodu prostředím elektronové obaly atomů ionizovat nebo jejich jádra excitovat se nazývá ionizující záření. Přirozeným ionizujícím zářením je sluneční světlo. Sluneční světlo mění například barvu bílého papíru, fotochemická tvorba fotografie je založena na ionizačních vlastnostech viditelného světla, sluneční světlo dokáže rozkládat slabé chemické vazby některých léků – proto jsou baleny do tmavých lahviček – apod. Proto až do roku 1895 bylo záření spojováno s viditelností. Toho roku přišel velký zlom ve vnímání záření objevem německého fyzika Wilhelma Conrada Röntgena (1845-1923), který objevil "neviditelné" záření. Přesněji při experimentech se skleněnou výbojkou objevil záření, které dnes označujeme jako γ-záření, která má ovšem stejnou podstatu jako sluneční záření neboť se jedná o proud fotonů^22., ale s mnohem větší energii. Později, v souvislosti s radioaktivitou a jadernými reakcemi, viz další kapitola, bylo objeveno záření elektronové (proud elektronů) označované jako β-záření, záření označované jako α-záření, což je proud jader Helia a jako poslední bylo objeveno záření neutronové.

Ionizace

Radioaktivita

Neutronové záření

Každé prostředí je jinak odolné, takže jistý druh záření v jednom prostředí, nemusí být bráno jako ionizující, ale v jiném méně odolném prostředí už za ionizující být považováno může. Pro ionizující záření se vžily i názvy jaderné nebo radioaktivní záření. Jaderné je věcně správný avšak zahrnuje pouze ionizující záření vzniklé v jádrech atomu. Radioaktivní je ale chybný, protože ionizující záření samo o sobě není radioaktivní (je už produkt radioaktivity). Výjimkou je záření neutronové, protože volné neutrony se po několika minutách rozpadají za vzniku ionizujícího záření.

Přírodní zdroje

Umělé zdroje

Kosmické záření

Ionizace atmosféry

Sluneční záření

Nejčastějším zdrojem ionizujícího záření bývají radioaktivní přeměny na Zemi (přírodní i umělé) a kosmické záření přicházející z okolního vesmíru, které vyzařují hvězdy a jiné aktivní útvary po zhroucení hvězd a naše Slunce. Mezi kosmické záření patří i slabé reliktní záření pocházející z období vzniku vesmíru. Kosmické záření je z drtivé většiny zachyceno elektromagnetickým polem Země a molekulami atmosféry Země, proto je ve vyšších vrstvách atmosféry tolik iontů [Atkins, 2005, s. 25]. Kosmické záření nemá energii dostatečnou k tomu, aby proniklo až k jádrům atomů a viditelné světlo pro většinu látek ionizujícím zářením není, poněvadž má malou energii.

Aktivita

Becquerel

Přeměnová konstanta

Poločas přeměny

Ve vyšetřovaném vzorku radionuklidů můžeme sledovat jejich radioaktivní přeměny, přitom počet radioaktivních přeměn za vteřinu označujeme veličinou aktivita, jejíž značkou je Becquerel. Protože pravděpodobnost radioaktivní přeměny jednotlivých nuklidů je stejná, tak podíl aktivity a počtu radionuklidů ve vzorku bude konstantní – tento poměr se nazývá přeměnová konstanta radionuklidu. Například je-li přeměnová konstanta vzorku rovna 1·10^-2 s^-1, pak to znamená, že vzorku každou vteřinu proběhne radioaktivní přeměna u 1 % z přítomného počtu radionuklidů. Doba, za kterou ve vyšetřovaném vzorku proběhne radioaktivní přeměna přesně u poloviny atomů se nazývá poločas přeměny, která je definována Vzorcem 1.

1: Aktivita, přeměnová konstanta a výpočet úbytku radioaktivních jader

λ [s^-1] přeměnová konstanta; A⁺ [1·s^-1; Bq] aktivita (počet radioaktivních přeměn za vteřinu); R [-] počet přítomných atomů radionuklidu – dR tedy znamená úbytek počtu přítomných radionuklidů v důsledku radioaktivních přeměn jeho jader; T_1/2 [s] poločas přeměny; n [mol] látkové množství atomů radionuklidu; N_A [mol^-1] Avogadrova konstanta; ΔR [-] úbytek počtu radioaktivních jader ve vyšetřované množině; R₀ [-] počet radioaktivních jader na počátku sledování; τ [s] doba, která uplynula od počátku sledování. Vzorec pro výpočet úbytku radioaktivních jader ve vyšetřovaném souboru je odvozen v Příloze 2.

Poločas přeměny

Poločas přeměny je statistickou veličinou odvozenou pro velký soubor atomů radionuklidu, takže v případě dvou atomů radionuklidu automaticky neplatí, že u jednoho z nich dojde po uplynutí poločasu přeměny k radioaktivní přeměně se 100% pravděpodobností, ale 50% pravděpodobností atd.

Tritium

Poločas přeměny

Poločasy přeměny některých radionuklidů jsou tak krátké, že je v přírodě nenajdeme, protože jejich jádra se rozpadla. Například izotop vodíku tritium má poločas přeměny přibližně 12,32 let. Velmi krátký poločas přeměny je hlavní problém při výrobě těžších prvků. Ty se obvykle vyrábí tak, že se do jádra těžkého radioaktivního izotopu přidávají protony a neutrony, přitom tento proces musí být výrazně rychlejší než poločas přeměny.

Neutron

Proton

Elektron

Přeměnám podléhá i volný neutron, jeho střední délka života mimo jádro je 877,75 +/- 0,34 s [Gonzalez, 2021]. U volných protonů a volných elektronů zatím nebyl zaznamenán samovolný rozpad.

3: Příklad β_--přeměny

ν^-_e-antineutrino.

β₊-přeměna

Sodík Na

Neon Ne

Pozitron

Neutrino

Mimo přeměny-β_-, kdy se uvolňuje z jádra elektron se vyskytuje i přeměna přeměna-β₊, kdy se uvolňuje z jádra kladně nabitý elektron, zvaný pozitron. Tento typ přeměny se vyskytuje u radioaktivních nuklidů připravených jadernými reakcemi. Vzniká při přeměně nadbytečných protonů v jádře na neutron, elektron a neutrino, například podle Vzorce 4.

4: Příklad β₊-přeměny

e⁺-pozitron – opačně nabitý elektron (částice β₊-záření); ν_e-neutrino.

γ-přeměna

Deexcitace jádra

γ-záření

Jaderný izomer

Při γ-přeměnách jsou vyzářeny z jádra fotony. γ-přeměna je spojena s nějakou předchozí jadernou událostí (například jiným typem jaderné přeměny). Taková jádra se velmi často vyskytují v excitovaném stavu, protože po změnách v počtu nebo typu nukleonů v jádře se nemusí nukleony vyskytovat v nejnižších možných energetických stavech. Následuje proto reorganizace nukleonů do energeticky výhodnějšího stavu – deexcitace jádra. Přitom dojde k emisi fotonů s energiemi v řádech vyšších jak 10⁴ eV (γ-záření). Emise γ může být velice opožděná za předchozí radioaktivní přeměnou, respektive má vlastní poločas přeměny nezávislý na poločasu předchozí přeměny. Nuklid v excitovaném stavu s delším poločasem přeměny-γ se nazývá jaderný izomer.

Kinetická energie částic

Použité jaderné palivo

Radioizotopový generátor

Produkty radioaktivních přeměn mají kinetickou energii. Zatím co při chemických reakcí se uvolňuje maximálně několik desítek eV na atom, tak při jaderných přeměnách se může uvolnit až několik miliónů eV na jeden atom. Energie uvolněná při radioaktivních přeměnách je problém například při skladování radioaktivních látek a především použitého jaderného paliva z jaderných elektráren [Škorpík, 2022], které je radioaktivní – musí se chladit, protože část kinetické energie částic se nárazy transformuje na teplo). Naopak teplo z radioaktivních přeměn je využíváno v radioizotopových generátorech, ve kterých se toto teplo využívá pro výrobu tepla či elektřiny například u strojů určené pro práci mimo Zemi.

Biologické účinky ionizujícího záření

Buňka

Mutace DNA

Dávka záření

Atomární smrt

Pozorovatelné účinky ionizujícího záření mají svůj počátek vždy v dějích, které ionizující záření vyvolává v buňkách (rozklad sloučenin). Zpravidla platí, že buňky, které se nedělí (nerozmnožují) nebo se dělí pomalu jsou odolnější, než buňky, které se dělí rychleji (vlasy) – přesněji pravděpodobnost, že se mutace rozšíří je u buněk s nižší frekvencí dělení menší. Nejzávažnější jsou změny v DNA. Jakýkoliv zásah do biochemického cyklu DNA má za následek selhání buněk, které přestanou vytvářet potřebnou bílkovinu nebo mohou vytvářet bílkoviny, které jsou pro tělo cizí nebo dokonce toxické. Biologické účinky ionizujícího záření závisí na dávce záření a době za jakou je tělu sděleno, ovšem při dávkách >10³ Gy hynou buňky již během ozařování v důsledku rozkladu molekul (atomární smrt).

Kmenové buňky

Regenerace

Frakcionace dávky

Buňky však mají jistou schopnost poškození opravit. Náhradu za odumřené buňky zajišťují v lidském těle tzv. kmenové buňky. Procesu náhrady buňky za novou pomocí kmenových buněk se nazývá regenerace tkáně. Problém nastane, pokud obdržená dávka v nějaké části lidského těla je tak vysoká, že kompletně zlikviduje i kmenové buňky v dané oblasti, respektive jejich schopnost se množit (ztráta DNA) – kmenové buňky jsou totiž specializované pro tu část těla, ve které se nalézají a daná část těla schopnost regenerace tedy ztratí a pouze umírá. Nicméně v lidském těle se během jeho vývoje nalezájí univerzální kmenové buňky, ale pro jejich přenos (trnasplantaci do jiné části těla) a uchování je nutný lékařský zákrok. Prakticky to znamená, že při určité dávce je poškození organismu menší, je-li dávka buď rozprostřena rovnoměrně na delší dobu, nebo rozdělena na několik menších dávek s časovými prodlevami mezi nimi (frakcionace dávky), tak aby zasažená tkáň regenerovala rychleji než odumírala.

Jakostního faktoru

Foton

Dávkový ekvivalent

Sievert

Účinek na tkáň podstatně závisí také na druhu ionizujícího záření. Např. neutrony způsobí v živé tkání větší „škodu“ než elektrony a částice-α zase větší škodu než neutrony. Biologická účinnost jednotlivých druhů záření na tkáň se vyjadřuje pomocí tzv. jakostního faktoru, přičemž jakostní faktor rovný jedné odpovídá účinkům fotonového záření. Dávka záření vynásobená jakostním faktorem se nazývá dávkový ekvivalent a jeho jednotkou je 1 Sievert [Sv; J·kg^-1]. Dávkový ekvivalent tedy zahrnuje fyzikální veličinu dávka záření, druh záření a míru vlivu na danou tkáň v porovnání s fotonovým zářením.

PED do 500 mSv

Zákonné limity

Z Obrázku 9 je patrné, že při nízké úrovni nelze zjistit žádné přímé škodlivé účinky ionizujícího záření na lidský organismus. Ty se projevují až při ekvivalentních dávkách převyšujících 500 mSv. V České republice je zákonem stanoven nejvyšší přípustný limit ozáření běžného obyvatele během jednoho roku ve výši 5 mSv. Ekvivalentní dávka záření z přírodních zdrojů je kolem 2,5...3 mSv za rok, umělé zdroje (včetně jaderných zařízení) přispívají ročně jen zcela minimálně asi 0,01 mSv.

Akutní nemoc z ozáření

Při ekvivalentní dávce 1 až 2 Sv nastává akutní nemoc z ozáření (závisí na individuální odolnosti). Následuje několik fází onemocnění (nevolnost, skleslost, bolesti hlavy, zvracení a různé závažné změny v krevním obrazu podle stupně ozáření). Poté následuje latence a poté padání vlasů, silná vnímavost vůči infekcím. Při ozáření ekvivalentní dávkou 6 Sv převládá hematologická (hematologické změny tj. změny v krvetvorbě jsou popsány v [Garlík, 2012, s. 691]) forma nemoci pravděpodobnost přežití 20 %, při 10 Sv pravděpodobnost přežití se blíží k 0 %. Ozáření ekvivalentní dávkou 50 Sv způsobuje nervovou formu nemoci projevující se psychickou dezorientací a zmateností, křečemi a bezvědomím. Během několika hodin až dnů nastává smrt v důsledku oběhového kolapsu, zástavy dýchání a poruch mozku.

Radiační onkologie

I když má ionizující záření na organismus (lidský) negativní vliv, tak ho lze využít k ničení nádorových buněk, čímž se zabývá obor zvaný radiační onkologie.

Úlohy