Přelom let 1895-1896 byl pro rozvoj moderní fyziky skutečně výjimečný. V prosinci 1895 objevil německý fyzik W. C. Röntgen zcela nový druh záření, který nazval paprsky X (rentgenové záření). Jeho objev vzbudil obrovský zájem a mnoho vědců se paprsky X začalo důkladně zabývat. Jedním z nich byl francouzský fyzik Henry Becquerel, který se domníval, že by mohlo jít o nějaký nový druh luminiscence.
Už v únoru 1896 pozoroval, že krystalky sluncem ozářené uranové soli způsobí zčernání fotografické desky. Zdálo se, že se jeho domněnka potvrdila a že pronikavé záření uranu je způsobeno jeho osvětlením. Zanedlouho však zjistil, že uranová sůl vydává záření "sama od sebe", i v případě, že nebyla vůbec osvětlena! Následující horečný výzkum potvrdil, že se jedná o zcela nový druh záření, odlišný od luminiscence i od paprsků X - Becquerel objevil radioaktivitu. Marie Curie-Skłodowska vůbec poprvé pojmenovala tuto vlastnost, do této doby známou jako Becquerelovy paprsky, jako radioaktivitu. Po zkoumání a měření dalších hornin manželé Curieovi objevili řadu dalších radioaktivních prvků, mezi něž se řadí polonium (150krát radioaktivnější než uran) a radium (900krát radioaktivnější než uran).
V roce 1899 doplnila Marie Curie-Skłodowska své objevy o hypotézu, že radioaktivita je přirozený děj, při kterém jádra atomů těžkých prvků vyzařují záření a zároveň se přeměňují na jádra lehčích prvků. Tento jev byl označen jako přirozená radioaktivita. V přírodě se vyskytují atomy, jejichž jádra jsou nestabilní a samovolně se přeměňují na jádra jiných prvků za vzniku neviditelného ionizujícího (radioaktivního) záření. Radioaktivními se však mohou stát i původně stabilní jádra ozařováním, například v jaderném reaktoru. V tom případě se jedná o umělou radioaktivitu, kterou popsali Frédéric a Iréne Joliot-Curieovi na základě experimentů s ostřelováním hliníku částicemi alfa, během kterých vznikal nový nuklid fosforu a neutron.
Podstata a druhy ionizujícího záření
Pojmem ionizující záření rozumíme taková záření, která ionizují prostředí, jímž procházejí. Ionizující záření je souborné označení pro záření, jehož kvanta mají energii na to, aby přímo či nepřímo odtrhovaly (tj. ionizovaly) podél své dráhy elektrony z elektronového obalu atomů. Tímto procesem vzniká z daného atomu kladný iont, zatímco uvolněný elektron reaguje s dalším atomem a dává iont záporný - vzniká iontový pár. Ionizující záření způsobuje ionizaci původně neutrálních atomů a molekul. Při ní se od atomu působením záření odtrhne jeden nebo několik elektronů a z neutrálního atomu vznikne kladný iont. Ionizující záření také působí na fotografickou emulzi, která po vyvolání více nebo méně zčerná. Další účinky záření jsou chemické, tepelné nebo biologické.
Ionizující záření se dělí na několik základních typů podle své povahy a interakce s hmotou:
Čtěte také: Prevence poškození PUR pěny na oknech
Alfa (α) záření
- Je tvořeno proudem prudce letících kladných jader helia 4He2+ (heliiony).
- Původní jádro radionuklidu ztratí dva protony a dva neutrony a vznikne jádro nového prvku. V periodické tabulce je posunuté o dvě místa doleva.
- Záření α má silné ionizační účinky, ale velmi malou pronikavost. Rychlost šíření dosahuje až 107 m·s-1 a letící částice proniká jen několikacentimetrovou vrstvou vzduchu.
- Dá se snadno odstínit běžným listem papíru.
- Vnější působení na člověka nemá prakticky žádný účinek, neboť je záření pohlceno buňkami dlaždicového kožního epitelu. Vnitřní působení záření (např. v plicích) však může poškodit genetický materiál a tak vést ke vzniku nádorového onemocnění.
Beta (β) záření
- Je tvořeno proudem záporných elektronů (β-) nebo kladných pozitronů (β+) vznikajících v jádře radioaktivního prvku. Při tomto procesu je navíc emitována ještě další částice, tzv. antineutrino (u β- rozpadu) nebo neutrino (u β+ rozpadu).
- Při vyzáření proudu elektronů (β-) se uvnitř původního jádra přemění neutron na proton. Nové jádro má přibližně stejnou hmotnost jako původní, jeho kladný náboj je však o jednotku větší. V periodické tabulce je posunuté o jedno místo doprava.
- Při vyzáření proudu pozitronů (β+) se uvnitř původního jádra přemění proton na neutron.
- Záření β je asi stokrát pronikavější než záření α, nicméně má menší ionizační účinky. Může proniknout pouze materiály s nízkou hustotou, popř. materiály s malou tloušťkou (zachytí jej i hliníková fólie).
- Odstínění je snazší a méně nákladné než u gama záření, nejčastěji se používá plexisklo, hliníková fólie či plast.
Gama (γ) záření
- Je velmi pronikavé elektromagnetické záření, které nenese žádný elektrický náboj. Má nejkratší vlnové délky (pod 125-200 pm), extrémně vysoké frekvence vlnění (vyšší než 1019 Hz) a nejvyšší energii (nad 100 keV).
- Nevzniká jiný izotop, jádro pouze ztratí část své energie.
- Záření γ má výrazný kvantový ráz, takže se projevuje jako proud částic (fotonů). Energie nukleonů v jádře je kvantována, každý nukleon se vyskytuje jen v určitém kvantovém stavu. Přechod z jednoho stavu do druhého se může dít pouze za současného dodání nebo uvolnění energie.
- Magnetické pole průběh tohoto záření nijak neovlivňuje, poněvadž je nehmotné.
- Toto záření se dá odstínit jen velmi silnými vrstvami kovu nebo betonu. Pro ochranu se používají prvky s vysokou hustotou a vysokým protonovým číslem, nejčastěji olovo (Pb). Typickým příkladem jsou olověné kontejnery pro skladování a transport gama zářičů či olověné cihly. Ze stavebních materiálů je vhodný zejména beton s příměsí barytu (obklopující jaderný reaktor), dále ocel, wolfram či magnetit.
Rentgenové záření
- Je též elektromagnetické záření, podobné gama záření, ale vzniká při přechodech elektronů mezi energetickými hladinami v elektronovém obalu atomu, nebo při brzdění rychlých elektronů.
- Má široké spektrum vlnových délek, od gama záření přes ultrafialové a viditelné světlo až po infračervené záření.
- V medicíně jsou důležité především olověné zástěny odstiňující záření z rentgenového přístroje.
Neutronové záření
Je tvořeno proudem neutronů a vzniká při jaderných reakcích, zejména v jaderných reaktorech. Neutrony nepřímo ionizují, protože nemají elektrický náboj a s hmotou interagují především prostřednictvím jaderných srážek.
Interakce záření s hmotou
Interakce záření s hmotou jsou klíčové pro pochopení penetrace a biologických účinků. Ionizující záření, ať už ve formě částic nebo fotonů, předává svou energii atomům a molekulám látkového prostředí. To vede k ionizaci, excitaci atomů a následnému vzniku sekundárních částic. Výsledek působení záření závisí jednak na tzv. aktivitě zářiče a dalších faktorech.
Účinné průřezy interakce
Pravděpodobnost interakce částice se složkou látky je kvantifikována účinným průřezem (σ). Čím větší je hodnota účinného průřezu, tím pravděpodobnější je interakce. Pro "účinně interagující" částice je σ > σgeom, pro slabě interagující částice je σ < σgeom.
Způsoby interakce fotonů (X a γ záření) s látkou
Interakce fotonů s látkou zahrnují především fotoelektrický jev, Comptonův rozptyl a vznik elektron-pozitronových párů.
- Fotoelektrický jev:
- Foton předá veškerou svou energii vázanému elektronu atomu, který je pak vyražen z atomového obalu (fotoelektron).
- Energie vyraženého fotoelektronu je dána rozdílem energie dopadajícího fotonu a vazebné energie elektronu v atomu.
- Pravděpodobnost fotoefektu klesá s třetí mocninou energie fotonů γ či X a roste s třetí mocninou protonového čísla (Z) terčových atomů.
- Převládá u nízkoenergetického záření (desítky keV) a u látek s vysokým Z.
- Comptonův rozptyl:
- Foton interaguje s volným (nebo slabě vázaným) elektronem, předá mu část své energie a změní směr. Způsobuje rozptyl záření do všech směrů.
- Kinetická energie rozptýleného elektronu a energie rozptýleného fotonu závisí na úhlu rozptylu.
- Převládá u energií fotonů v rozmezí desítek keV až jednotek MeV.
- Vznik elektron-pozitronových párů:
- Foton s energií vyšší než 1,022 MeV (dvě klidové energie elektronu) se v silném elektromagnetickém poli atomového jádra přemění na elektron a pozitron.
- Pozitron se následně anihiluje s elektronem za vzniku dvou gama fotonů s energií 511 keV.
- Převládá u vysokoenergetického záření (nad 5 MeV) a u látek s vysokým Z.
Interakce nabitých částic (α a β záření) s látkou
Nabité částice, jako jsou alfa a beta částice, interagují s látkou především prostřednictvím Coulombových sil, které vedou k ionizaci a excitaci atomů.
Čtěte také: Infračervené záření v povrchových úpravách
- Ionizace a excitace:
- Nabitá částice předává energii obalovým elektronům atomů, což vede k jejich vyražení (ionizaci) nebo přechodu na vyšší energetickou hladinu (excitaci).
- Ztráta energie na jednotku dráhy je popsána tzv. lineárním přenosem energie (LET).
- Protony a alfa částice vytvářejí asi 2000 iontových párů na jeden mikrometr tkáně, zatímco rentgenové paprsky, gama záření a beta částice vytvářejí asi 100 iontových párů. Proto jsou alfa částice a protony asi 20x biologicky účinnější.
- Braggova křivka:
- Tento jev popisuje, že ionizace způsobená těžkými nabitými částicemi (např. alfa částicemi) dosahuje maxima těsně před koncem jejich dráhy v látce.
- Využívá se v protonové terapii k přesnému zacílení dávky do nádoru a minimalizaci poškození okolní zdravé tkáně.
- Brzdné záření (Bremsstrahlung):
- Lehké nabité částice, jako jsou elektrony (beta záření), při průchodu silným elektromagnetickým polem jader atomů mění směr a zpomalují se, přičemž vyzařují fotony rentgenového záření.
- Intenzita brzdného záření roste s energií dopadajících elektronů a s protonovým číslem látky.
- Čerenkovovo záření:
- Vzniká, když nabitá částice prochází dielektrickým prostředím rychleji, než je fázová rychlost světla v tomto prostředí.
- Projevuje se jako modravé světelné záření a využívá se k detekci vysokoenergetických částic.
Dozimetrie a biologické účinky záření
Dozimetrie se zabývá měřením a hodnocením dávek ionizujícího záření a jeho účinků na živé organismy. Nestabilní jádra, která se rozpadají, se nazývají radionuklidy, případně radioizotopy.
Základní dozimetrické veličiny:
- Aktivita (A):
- Udává, kolik radionuklid prodělá radioaktivních přeměn za jednotku času.
- Jednotkou je becquerel (Bq), což odpovídá jedné přeměně za sekundu.
- Rychlost radioaktivních přeměn udává veličina poločas přeměny T1/2. Je to doba, za kterou se rozpadne právě polovina jader sledovaného izotopu. Ze zbývající poloviny se za další poločas přeměny rozpadne opět polovina jader atd.
- Absorbovaná dávka (D):
- Je střední energie přenesená ionizujícím zářením na látku o určité hmotnosti.
- Udává se v joulech na kilogram (J·kg-1), příslušnou jednotkou je gray (Gy).
- Dávkový ekvivalent (H):
- Zohledňuje různou biologickou účinnost různých druhů záření. Je to součin absorbované dávky a jakostního faktoru Q.
- Jakostní faktor Q vyjadřuje různou biologickou účinnost různých druhů záření. Například pro záření alfa je Q=20.
- Jednotkou je sievert (Sv).
- Efektivní dávkový ekvivalent (E):
- Vztahuje se k stochastickým účinkům záření a vyjadřuje se v Sievertech [Sv].
- Zohledňuje citlivost různých orgánů a tkání k záření.
Biologické účinky ionizujícího záření
Škodlivost ionizujícího záření závisí na tom, jaký orgán je ozářen. Podle toho rozlišujeme tkáně radiosenzitivní (tj. vnímavé k poškození zářením) a radiorezistentní. Účinek ionizujícího záření se na buněčné úrovni projeví klinicky jen při poškození makromolekuly DNA. Poškození bílkovin a enzymů může sice alterovat některé buněčné funkce, ale zřídka má závažné účinky pro makroorganismus, neboť buňka při intaktní genetické informaci v DNA většinou rychle obnoví porušenou funkci např. syntézou nových bílkovin.
Biologické účinky se dělí na:
- Stochastické účinky:
- Představují pozdní, náhodný účinek záření. Jsou bezprahové; se stoupající dávkou neroste závažnost poškození, ale pravděpodobnost jeho výskytu.
- Buněčným podkladem stochastických účinků jsou mutace a maligní transformace jedné nebo několika buněk (např. vznik rakoviny).
- Deterministické (nestochastické) účinky:
- Jsou nenáhodné a mají prahovou hodnotu (1-3 Gy); nad prahovou dávkou roste závažnost poškození přibližně lineárně.
- Vyvolávají charakteristický klinický obraz - např. akutní radiační syndrom, popáleniny, neplodnost.
Ochrana před ionizujícím zářením
Vzhledem k možným negativním účinkům ionizujícího záření na lidský organismus se v praxi využívá tří základních principů pro ochranu před tímto zářením: ochrana časem, ochrana vzdáleností a ochrana stíněním.
Principy radiační ochrany:
- Ochrana časem:
- Minimalizace doby expozice záření. Čím kratší je doba, po kterou je člověk vystaven záření, tím menší je absorbovaná dávka.
- Ochrana vzdáleností:
- Intenzita záření klesá s druhou mocninou vzdálenosti od zdroje. Zvýšení vzdálenosti od zdroje záření výrazně snižuje obdrženou dávku.
- Ochrana stíněním:
- Spočívá v použití překážky z určitého materiálu, která se umístí mezi zdroj záření a předpokládané místo výskytu chráněných osob.
- Množství pohlceného (odstíněného) a množství prošlého záření lze popsat exponenciálním vztahem I = Io · e-μ·d (platí pro rovnoběžný svazek záření), kde I je intenzita prošlého záření, Io je výchozí intenzita záření, d je tloušťka překážky a μ je lineární součinitel zeslabení.
- Intenzita prošlého záření I tedy klesá exponenciálně s rostoucí tloušťkou stínící vrstvy d.
- Místo lineárního součinitele zeslabení se používá údaj tzv. polotloušťky d1/2, což je tloušťka materiálu, která sníží intenzitu záření na polovinu.
- Pro gama záření je třeba použít prvků s vysokou hustotou a vysokým protonovým číslem, nejčastěji olovo (Pb), beton s příměsí barytu, ocel, wolfram či magnetit. Olověný obal nemusí být nikterak robustní - pro odstínění záření stačí obvykle několikamilimetrová, maximálně několikacentimetrová vrstva.
- Záření typu beta je v porovnání se zářením gama slabší a méně pronikavé, tudíž je i ochrana před ním snazší a méně nákladná. Nejčastěji je tvořena plexisklem, hliníkovou fólií či plastem.
- Záření alfa má velmi malou pronikavost a lze jej odstínit i běžným listem papíru.
Radiační pozadí a umělé zdroje
Přírodní radiační pozadí (nazývané také jako přírodní radioaktivita) lze charakterizovat jako ionizující záření z vesmíru i naší Země. Hodnota tohoto pozadí je závislá na místních podmínkách, s časem se ale výrazně nemění. Na současnou úroveň přírodního radiačního pozadí je příroda spolu se všemi organismy včetně člověka dobře přizpůsobena. Přírodní zdroje zahrnují rozpady nestabilních jader radioaktivních izotopů v zemské kůře a kosmické záření. Umělé zdroje ionizujícího záření patří zdroje využívané ve zdravotnictví, v průmyslu - včetně jaderných zařízení, ve vědě, výzkumu; a dále radionuklidy nacházející se v životním prostředí po haváriích jaderných elektráren a po zkouškách jaderných zbraní.
Čtěte také: Penetrace betonové podlahy: přehled
Ochrana v případě radiační havárie
Při možných poruchách provozu jaderné elektrárny chrání bezpečnostní systémy. I v případě havárie jsou radioaktivní látky zadrženy v prostoru ochranné obálky. Radioaktivní látky mohou být ve formě plynů nebo aerosolů odnášeny větrem do okolí jaderné elektrárny. Následně se mohou usazovat na budovách, půdě, rostlinách, případně lidské pokožce nebo našich oděvech a v životním prostředí obecně. Radioaktivní látky se do lidského organismu mohou dostat vdechnutím nebo konzumací kontaminovaných tekutin a potravin, a způsobovat tak vnitřní ozáření. Radioaktivní látky usazené na povrchu terénu mohou způsobit vnější ozáření osob (tzv. ozáření z oblaku a depozitu). Vlivem vnitřní kontaminace je osoba ozařována po celou dobu, kdy je daná látka přítomna uvnitř organismu (postupně však dochází k vylučování a rozpadu této látky). Oproti tomu dávka z vnějšího ozáření bude záviset na době, po kterou je člověk tomuto záření vystaven (sám člověk ale není zdrojem záření).
Účinným a nejdůležitějším způsobem ochrany je ukrytí. Již pouhým pobytem v budovách se zavřenými okny a dveřmi se podstatně omezí účinky radioaktivního záření. Nejlepší ochranu před účinky radioaktivních látek poskytují uzavřené zděné prostory. Významným opatřením je jódová profylaxe. Jednou z látek unikajících při radiační havárii jaderných zařízení je radioaktivní jód. Aby se předešlo hromadění radioaktivního jódu ve štítné žláze a následnému poškození zdraví, užívají se tablety s jódem neradioaktivním, ve formě jodidu draselného.
Praktická měření a Poissonovo rozložení
Při práci s radioaktivními zdroji, jako je například školní souprava Gamabeta, se provádějí měření k pochopení vlastností záření a jeho interakce s materiály. Měření zahrnuje stanovení radiačního pozadí, závislosti intenzity záření na vzdálenosti a stínění různými materiály.
Příklad cvičení s Gamabetou:
- Měření radiačního pozadí:
- Provádí se 10x po 100 sekundách, bez použití zdroje záření, který je umístěn co nejdále od detektoru, aby bylo měření přesnější.
- Měření zeslabení záření stíněním:
- Měření se provádí 5x po 10 sekundách pro 3 různé kovové absorpční destičky (Al, Cu, Fe), zářič je umístěn 4 cm od detektoru.
- Provádí se série měření pro záření β a druhá pro záření γ.
- Měření závislosti intenzity na vzdálenosti:
- Měření se provádí 5x po 10 sekundách pro 4 zadané vzdálenosti - jednou pro záření β a podruhé pro záření γ.
- Od získaných hodnot se odečítá hodnota radiačního pozadí, aby došlo k minimalizaci chyby měření.
Statistický charakter radioaktivity způsobuje, že i při opakování měření pro stejný časový interval naměříme různé počty pulzů. Pravděpodobnosti, že za dobu měření naměříme určitý počet pulzů, se liší a lze je popsat pomocí Poissonova rozložení pravděpodobnosti. Když máme k dispozici velký počet měření, můžeme sestavit graf četnosti jednotlivých hodnot, vypočítat průměr naměřených hodnot (střední hodnota) a podle ní vypracovat graf teoretického rozložení hodnot. Získané grafy se poté spojí do jednoho, takže lze zkorigovat chybu způsobenou malým počtem měření. Nastavení korekce se provede tak, aby Poissonova křivka lépe doplňovala experimentálně naměřené hodnoty. Naměřené hodnoty nejvyšší četnosti by měly co nejlépe odpovídat „vrcholu křivky“.
Monitorování pracovního prostředí a samotných pracovníků, využívající radiometrické a dozimetrické postupy, je zásadní pro splnění požadavků na ochranu pracovníků před ionizujícím zářením.
tags: #radiacni #zareni #penetrace #informace