5

		ΟΙ ΣΤΟΧΟΙ
Στο τέλος της διδακτικής αυτής ενότητας θα πρέπει να μπορείς: Να αναφέρεις τι είναι ραδιενέργεια. Να διακρίνεις τα είδη ακτινοβολίας α, β, γ. Να αναφέρεις τι είναι χρόνος υποδιπλασιασμού και ποιες είναι οι μονάδες ραδιενέργειας και δόσης ακτινοβολίας. Να αναφέρεις τις επιπτώσεις της ραδιενέργειας στον άνθρωπο. Να διακρίνεις τις κυριότερες πηγές ραδιενέργειας(φυσικές και τεχνικές). Να παραθέτεις παραδείγματα εφαρμογών των ραδιοτόπων π.χ. ιατρική, τεχνολογία.

Εισαγωγή

5.1 Ραδιενεργός διάσπαση - Χρόνος υποδιπλασιασμού
- Συνέπειες ραδιενέργειας για τον άνθρωπο-
Πηγές ραδιενέργειας

Βασικές έννοιες

Η ραδιενέργεια

Η φυσική ραδιενέργεια ανακαλύφθηκε τυχαία το 1895 από τον Henry Becquerel. Αυτός, μελετώντας τα φαινόμενα φθορισμού, παρατήρησε ότι ένα ορυκτό του Ουρανίου (μετάλλου χωρίς ιδιαίτερη αξία την εποχή εκείνη)εκπέμπει μία ακτινοβολία η οποία διαπερνά το περικάλυμμα μιας φωτογραφικής πλάκας. Στη συνέχεια το θεμα μελετήθηκε από το ζεύγος Curie, το οποίο μάλιστα έδωσε και το όνομα στο φαινόμενο. Οι σχετικές έρευνές τους κατέληξαν στην ανακάλυψη δύο ακόμη, πέρα από το ουράνιο, ραδιενεργών στοιχείων. Τα στοιχεία αυτά είναι τα ράδιο και πολώνιο. Για την προσφορά τους αυτή τιμήθηκαν και οι τρεις με βραβείο Nobel το 1903.

• Ραδιενέργεια ονομάζεται η ακτινοβολία η οποία εκπέμπεται κατά τη ραδιενεργό αποσύνθεση (διάσπαση) ασταθών πυρήνων (νουκλιδίων) προς σταθερούς πυρήνες. Η διάσπαση αυτή ακολουθείται από την εκπομπή σωματιδίων και (όχι πάντα) ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Τα σωματίδια και η ακτινοβολία συνιστούν τη ραδιενέργεια.
  

Σε μία τέτοια διαδικασία ο ασταθής μητρικός πυρήνας αποσυντίθεται - διασπάται - στο θυγατρικό πυρήνα, ο οποίος με τη σειρά του είναι είτε σταθερός είτε ραδιενεργός.

ΣΧΗΜΑ 5.1 Ραδιενεργός διάσπαση με εκπομπή: α. πυρήνων ήλιου (σωματίδια α) β. ηλεκτρονίων (σωματίδια β)

Οι πρώτες μελέτες του Rutherford το 1899 στο Πανεπιστήμιο MacGil του Μόντρεαλ στον Καναδά, έδειξαν ότι η ραδιενέργεια η οποία εκπέμπεται από το ουράνιο ή το θόριο διαχωρίζεται σε τρεις διαφορετικούς τύπους ακτινών. Όταν η ακτινοβολία αυτή περάσει μέσα από ισχυρό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, οι δύο πρώτοι τύποι ακτινών αποκλίνουν αντίθετα ο ένας από τον άλλο (λόγω του αντίθετου φορτίου τους), ενώ ο τρίτος δεν αποκλίνει καθόλου, επειδή δεν έχει φορτίο(βλέπε σχήμα 5.2).
Ο Rutherford τις ονόμασε ακτίνες α, β και γ αντίστοιχα. Οι ακτίνες άλφα αποδείχτηκε ότι είναι σωματιδιακής φύσης. Κάθε σωματίδιο έχει μάζα τετραπλάσια από εκείνη του ατόμου του υδρογόνου και φορτίο διπλάσιο εκείνου του ηλεκτρονίου, με αντίθετο όμως απ΄αυτό πρόσημο. Άρα, το σωματίδιο άλφα είναι ένας πυρήνας ηλίου. Οι ακτίνες βήτα αποδείχτηκε ότι είναι ταυτόσημες με τις καθοδικές ακτίνες. Είναι, δηλαδή, ένα ρεύμα ηλεκτρονίων από τα οποία το καθένα έχει μάζα ίση με το 1/1837 της μάζας του ατόμου του υδρογόνου και φορτίο ίσο με -1.
Οι ακτίνες γάμα είναι πράγματι, με την κλασική έννοια, ακτίνες. Πρόκειται για ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, «φως», παρόμοια με εκείνη των ακτινών Χ, αλλά με μικρότερο μήκος κύματος και μεγαλύτερη διεισδυτικότητα από αυτές.

ΣΧΗΜΑ 5.2 Επίδραση ηλεκτρικού πεδίου σε δέσμη α, β και γ.   ΣΧΗΜΑ 5.3 Διαπεραστική ικανότητα ακτινών α, β και γ. Παρτηρήστε ότι τη μεγαλύτερη διαπεραστική ικανότητα έχουν οι ακτίνες γ.

Τα παραπάνω μπορούν να συνοψιστούν στον Πίνακα 5.1.

Παρακάτω δίνεται ένα παράδειγμα μιας πυρηνικής αντίδρασης (ραδιενεργού διάσπασης) κατά την οποία παράγεται ακτινοβολία τύπου άλφα. Σαν μητρικός πυρήνας είναι το ²³⁸U, ενώ το θυγατρικό νουκλίδιο είναι το ²³⁴Th(θόριο 234):

Θα πρέπει εδώ να παρατηρήσουμε ότι στις πυρηνικές αντιδράσεις το άθροισμα των μαζικών και των ατομικών αριθμών παραμένει σταθερό.

Εκτός από τα φυσικά ραδιενεργά ισότοπα υπάρχουν και τα τεχνητά ή ραδιοϊσότοπα. Αυτά παρασκευάζονται με «βομβαρδισμό» σταθερών πυρήνων με βραδέα νετρόνια. Βραδέα, τόσο, όσο να δεσμεύονται από τους πυρήνες χωρίς αυτοί να διασπώνται. Προκύπτουν κατ' αυτό τον τρόπο ισότοπα των αρχικών πυρήνων - στοιχείων. Κλασικό παράδειγμα είναι η παραγωγή του κοβαλτίου 60, το οποίο χρησιμοποιείται στην καταπολέμηση κακοήθων όγκων. Αυτό παράγεται με τη δράση:

Το παραγόμενο ραδιοϊσότοπο του κοβαλτίου διασπάται προς νικέλιο:

Η πρώτη ιστορικά «τεχνητή μεταστοιχείωση» είναι εκείνη του Rutherford (1919), κατά την οποία το άζωτο μετατρέπεται σε οξυγόνο:

Παράδειγμα 5.2

Μία από τις πλέον ενδιαφέρουσες εφαρμογές των πυρηνικών αντιδράσεων στους υψηλής ενέργειας επιταχυντές ήταν και η σύνθεση των νέων υπερουρανίων στοιχείων. Έτσι, το υπ’ αριθμό 99 στοιχείο (Αϊνστάνιον) συντέθηκε από την παρακάτω πυρηνική αντίδραση:

Συμπληρώστε το σωματίδιο που λείπει.

Χρόνος υποδιπλασιασμού (ημιζωή)

Οι ραδιενεργές διασπάσεις και γενικότερα οι πυρηνικές αντιδράσεις, σε αντίθεση με τις συνήθεις χημικές αντιδράσεις, δεν επηρεάζονται από μεταβολές θερμοκρασίας και πίεσης (μέσα σε κάποια όρια βέβαια). Επίσης, με ελάχιστες εξαιρέσεις, δεν επηρεάζονται από τη χημική (χημικός τύπος ένωσης) και φυσική κατάσταση της ουσίας η οποία διασπάται. Η ταχύτητα της πυρηνικής δράσης εξαρτάται μόνο από τη φύση του ραδιενεργού ισοτόπου (υλικού).

Ένας τρόπος για να εκφράσει κανείς την ταχύτητα με την οποία ένα ραδιενεργό ισότοπο διασπάται, άρα έμμεσα και την σχετική σταθερότητά του, είναι ο λεγόμενος χρόνος υποδιπλασιασμού.

➢ Χρόνος υποδιπλασιασμού (ημιζωή), t_1/2, είναι ο χρόνος ο οποίος απαιτείται, ώστε να διασπαστεί η μισή από την αρχική ποσότητα του ραδιενεργού υλικού.

Ο χρόνος υποδιπλασιασμού αποτελεί μέτρο της σταθερότητας της ραδιενεργού ουσίας, δηλαδή, όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του t_1/2, τόσο σταθερότερο είναι το ισότοπο. Είναι φανερό ότι μετά την πάροδο χρόνου ίσου με t_1/2 έχει παραμείνει το μισό της αρχικής ποσότητας. Μετά την πάροδο 2 t_1/2 θα έχει μείνει το 1/4 (ή 1/2)² της αρχικής ποσότητας κλπ, όπως φαίνεται διαγραμματικά στο σχήμα που ακολουθεί. Δηλαδή, γενικώς ισχύει:

όπου,

m: η ποσότητα της ραδιενεργού ουσίας που έχει παραμείνει

m_o: η αρχική ποσότητα της ραδιενεργού ουσίας

ν: ο αριθμός των ημιζωών

Ο σχετικά απλούστερος τρόπος για να εκτιμηθεί η ταχύτητα μιας ραδιενεργού διάσπασης είναι να μετρηθεί ο αριθμός των σωματιδίων α ή β τα οποία παράγονται από ένα δείγμα ορισμένης μάζας της ουσίας και για ορισμένο χρόνο. Τα εκπεμπόμενα σωματίδια μετριούνται με όργανα, όπως ο απαριθμητής Geiger-Muller ή ο απαριθμητής σπινθηρισμών (σπινθηροσκόπιο). Ο αριθμός των κτύπων στο μετρητή Geiger είναι ανάλογος της ποσότητας της ραδιενεργού ουσίας η οποία είναι παρούσα.

ΣΧΗΜΑ 5.5 Αρχή λειτουργίας του μετρητή Geiger - Muller. Η ραδιενεργός ακτινοβολία εισέρχεται στο θάλαμο και ιοντίζει τα άτομα ενός ευγενούς αερίου. Έτσι, παράγεται ηλεκτρικό ρεύμα το οποίο αφού ενισχυθεί καταγράφεται.

Μονάδες ραδιενέργειας

Η ένταση της ραδιενέργειας μπορεί να εκφραστεί με πολλούς τρόπους:

Α. Μονάδες που εκφράζουν το επίπεδο ραδιενέργειας ενός υλικού

1. Η συνηθέστερη μονάδα είναι το Curie (Ci). Ένα Curie είναι ποσότητα ουσίας η οποία υφίσταται 3,7.10¹⁰ ραδιενεργές διασπάσεις ανά δευτερόλεπτο.

2. Στο SI. μονάδα ραδιενέργειας είναι το Becquerel (Bq), που αντιστοιχεί σε μία ραδιενεργό διάσπαση ανά δευτερόλεπτο. Δηλαδή, έχουμε

1 Ci = 3,7.10¹⁰ Bq

Β. Μονάδες που εκφράζουν την απορροφούμενη ακτινοβολία από έναν οργανισμό

1. Για να εκτιμήσουμε ποσοτικά τα αποτελέσματα της επίδρασης της ακτινοβολίας, θεσπίστηκε αρχικά μία μονάδα ακτινοβολίας, η οποία ονομάστηκε rad (radiaton absorbed dose). Αυτή εκφράζει τη δόση ραδιενέργειας η οποία απελευθερώνει 10^-2 J ενέργειας ανά kg βάρους του σώματος που την απορροφά.

2. Στο SI. μονάδα είναι το Gray (Gy), που αντιστοιχεί σε απορρόφηση ακτινοβολίας ενέργειας 1 J ανά kg βάρους του σώματος. Δηλαδή, έχουμε 1 Gy =100 rad.

Γ. Μονάδες που εκφράζουν την απορροφούμενη ακτινοβολία από ένα οργανισμό σε σχέση με τις βιολογικές επιπτώσεις που προκαλούν

1 Gy ακτινοβολίας α προκαλεί 20 φορές μεγαλύτερη καταστροφή στους ανθρώπινους ιστούς από 1 Gy ακτινοβολίας γ. To rem (radiation equivalent man) είναι μία μονάδα ραδιενέργειας που δεν εξαρτάται από το είδος της ακτινοβολίας, και εκφράζει τις βιολογικές καταστροφές που προκαλούνται στον άνθρωπο από την απορρόφηση των διαφόρων ακτινοβολιών. Δηλαδή, 1 rem είναι ποσότητα ακτινοβολίας η οποία επιφέρει ένα συγκεκριμένο βιολογικό αποτέλεσμα. Είναι μάλιστα 1 rem =1 rad ακτίνων X ή γ .

Επιπτώσεις της ραδιενέργειας στον άνθρωπο και κυριότερες πηγές ραδιενέργειας

Τα βιολογικά υλικά υφίστανται γενικά βλάβες από τη λεγόμενη ιονίζουσα ακτινοβολία (ακτινοβολία που προκαλεί σχηματισμό ιόντων). Αυτή μπορεί να είναι ακτίνες γ ή X, νετρόνια, σωματίδια άλφα και ηλεκτρόνια. Σχεδόν όλα αυτά μπορούν να προκύψουν από τη ραδιενέργεια. Ελεγχόμενη έκθεση του ανθρώπου σε τέτοιες ακτινοβολίες μπορεί βέβαια να έχει και ευεργετικά αποτελέσματα, όπως π.χ. καταστροφή ανεπιθύμητων ιστών (ραδιοθεραπεία των καρκινικών κυττάρων). Μικρές δόσεις μαλακών ακτίνων X χρησιμοποιούνται στις ακτινογραφίες (δηλαδή φωτογραφίες με ακτίνες X) ανθρωπίνων ιστών και οστών.

Το γεγονός ότι η ραδιενέργεια προκαλεί σοβαρότατες βλάβες στον άνθρωπο είναι γνωστό ήδη από την εποχή της έκρηξης ατομικών βομβών στη Χιροσίμα και το Ναγκασάκι (1945). Το πυρηνικό ατύχημα του Cernobil το επιβεβαίωσε (1986). Ο ανθρώπινος οργανισμός είναι σταθερά εκτεθειμένος σε μία βασική, φυσική, ιονίζουσα ακτινοβολία, η οποία προέρχεται από ένα σύνολο πηγών. Έτσι, υπάρχει η κοσμική ακτινοβολία, η ακτινοβολία που προέρχεται από ραδιονουκλίδια που υπάρχουν σε βράχους, στο έδαφος, στο νερό, στον αέρα, στις τροφές κλπ. Ραδιενεργά νουκλίδια υπάρχουν επίσης και μέσα στον ανθρώπινο οργανισμό, όπως π.χ. το ⁴⁰Κ. Στη φυσική αυτή ραδιενεργό ακτινοβολία έχουν προστεθεί και τα προϊόντα διάσπασης από πυρηνικές δοκιμές. Αυτές μπορεί να έχουν μπει κάτω από κάποιο γενικό έλεγχο ή και να γίνονται «υπόγεια» (τελευταίες δοκιμές από Ινδία και Πακιστάν το 1998), αλλά τα παράγωγά τους θα βρίσκονται στην ατμόσφαιρα για πολλά χρόνια .

Ανθρωπογενείς επίσης πηγές ραδιενέργειας, πέρα από τα πυρηνικά όπλα και τις σχετικές τους δοκιμές, είναι οι γεννήτριες ακτίνων X, όπως και τα πυρηνικά εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος και το συναφές με αυτά πρόβλημα των πυρηνικών αποβλήτων (βλέπε και σχετικό ένθετο). Τέλος αναφέρουμε τα ραδιενεργά ισότοπα, τα οποία παράγονται για ερευνητική, εργαστηριακή και νοσοκομειακή χρήση.

Οι βλάβες στον οργανισμό από τις ακτινοβολίες αυτές οφείλονται στην ικανότητά τους να προκαλούν ιοντισμό και ηλεκτρονιακή διέγερση. Παράγονται έτσι ιόντα και ελεύθερες ρίζες, τα οποία είναι δραστικά στην όλη βιοχημική διαδικασία. Μ’αυτόν τον τρόπο, προκύπτουν βλάβες στο μεταβολισμό, όπως παρεμπόδιση στη δράση των ενζύμων και αλλαγές στα DNA και RNA.

Οι ακτίνες γ και X είναι οι επιβλαβέστερες, εφόσον εισδύουν βαθιά στον οργανισμό (βλέπε και πίνακα 5.2). Τα νετρόνια προκαλούν επίσης βλάβες σε βάθος μέσω δευτερογενών δράσεων, οι οποίες παράγουν ραδιενεργά προϊόντα. Έτσι π.χ. μία αντίδραση δέσμευσης νετρονίων, όπως η , είναι δυνατόν να αλλάξει τη δομή των αμινοξέων, άρα και των πρωτεϊνών.

Στον πίνακα 5.2 δίνονται τα βιολογικά αποτελέσματα (βλάβες) από έκθεση σε διάφορες δόσεις ακτινοβολιών.

Η ραδιενέργεια δρα στον οργανισμό με δύο τρόπους. Ο ένας είναι καθαρά σωματικός και ο άλλος γενετικός. Στην πρώτη περίπτωση το ίδιο το άτομο υφίσταται τη βλάβη. Στη δεύτερη, οι βλάβες μπορούν να μεταβιβαστούν και στις επόμενες γενιές. Οι σωματικές βλάβες μπορεί να είναι βραχύβιες ή και μακροχρόνιες. Στις πρώτες τα αποτελέσματα εκδηλώνονται σύντομα μετά την έκθεση, ενώ οι δεύτερες εμφανίζονται μετά από μήνες ή και χρόνια. Στον πίνακα 5.3 δίνονται τα βιολογικά αποτελέσματα (βλάβες) από έκθεση σε διάφορες δόσεις ακτινοβολιών.

Ειδικότερα δόσεις μεταξύ 200 και 700 rem επικεντρωμένες όμως σε ορισμένη περιοχή του σώματος προκαλούν μόνο τοπικές βλάβες. Ανάμεσα σ’ αυτές είναι εγκαύματα από ακτίνες X, βλάβες στους οφθαλμούς (π.χ. καταρράχτης) και στείρωση. Τα πλέον ευαίσθητα όργανα στη ραδιενέργεια είναι τα μάτια, η κοιλιακή χώρα, ο μυελός των οστών, η σπλήνα και τα όργανα αναπαραγωγής . Το πλέον σαφές αποτέλεσμα της έκθεσης είναι η λευχαιμία. Όσον αφορά στις γενετικές βλάβες, αυτές, επηρεάζοντας τα DNA και RNA, καταλήγουν σε μετάλλαξη.

Το ανθρώπινο σώμα δέχεται μία φυσική ακτινοβολία της τάξεως των 0,1 rem το χρόνο. Επιπλέον, άτομα εκτεθειμένα σε ιατρικές χρήσεις, στην έγχρωμη TV, σε αεροπορικά ταξίδια δέχονται μία πρόσθετη ακτινοβολία 0,2 rem το χρόνο. Το μέγιστο επιτρεπτό - ανεκτό όριο για όλο το σώμα και το μέσο άνθρωπο είναι τα 0,5 rem το χρόνο. Ειδικότερα το όριο για τα όργανα αναπαραγωγής είναι μικρότερο των 5 rem για διάρκεια 30 χρόνων.