Tijekom povijesti života na Zemlji, organizmi su bili stalno izloženi kozmičkim zrakama i radionuklidima koji su od njih nastali u atmosferi, kao i zračenju tvari koje su sveprisutne u prirodi. Suvremeni život prilagodio se svim značajkama i ograničenjima okoliša, uključujući prirodne izvore rendgenskih zraka.
Iako su visoke razine radijacije zasigurno štetne za organizme, određene vrste zračenja neophodne su za život. Na primjer, pozadina zračenja pridonijela je temeljnim procesima kemijske i biološke evolucije. Također je očita činjenica da toplinu Zemljine jezgre osigurava i održava toplina raspada primarnih, prirodnih radionuklida.
Kozmičke zrake
Zračenje izvanzemaljskog porijekla koje neprekidno bombardira Zemlju naziva seprostor.
Činjenica da ovo prodorno zračenje do našeg planeta stiže iz svemira, a ne sa Zemlje, otkriveno je u eksperimentima mjerenja ionizacije na različitim visinama, od razine mora do 9000 m. Utvrđeno je da je intenzitet ionizirajućeg zračenja smanjivao do visine od 700 m, a zatim se brzo povećavao s usponom. Početno smanjenje može se objasniti smanjenjem intenziteta zemaljskih gama zraka, a povećanjem djelovanjem kozmičkih zraka.
Izvori X-zraka u svemiru su sljedeći:
- grupe galaksija;
- Seyfertove galaksije;
- ned;
- zvjezdice;
- kvazari;
- crne rupe;
- ostaci supernove;
- bijeli patuljci;
- tamne zvijezde, itd.
Dokaz takvog zračenja, na primjer, je povećanje intenziteta kozmičkih zraka uočeno na Zemlji nakon sunčevih baklji. Ali naša zvijezda ne daje glavni doprinos ukupnom protoku, budući da su njezine dnevne varijacije vrlo male.
Dvije vrste zraka
Kozmičke zrake dijele se na primarne i sekundarne. Zračenje koje nije u interakciji s materijom u atmosferi, litosferi ili hidrosferi Zemlje naziva se primarnim. Sastoji se od protona (≈ 85%) i alfa čestica (≈ 14%), s mnogo manjim tokovima (< 1%) težih jezgri. Sekundarne kozmičke rendgenske zrake, čiji su izvori zračenja primarno zračenje i atmosfera, sastoje se od subatomskih čestica kao što su pioni, mioni ielektrona. Na razini mora gotovo svo promatrano zračenje sastoji se od sekundarnih kozmičkih zraka, od kojih su 68% mioni, a 30% elektroni. Manje od 1% toka na razini mora čine protoni.
Primarne kozmičke zrake, u pravilu, imaju ogromnu kinetičku energiju. Oni su pozitivno nabijeni i dobivaju energiju ubrzavanjem u magnetskim poljima. U vakuumu svemira, nabijene čestice mogu postojati dugo vremena i putovati milijunima svjetlosnih godina. Tijekom ovog leta stječu visoku kinetičku energiju, reda veličine 2-30 GeV (1 GeV=109 eV). Pojedinačne čestice imaju energiju do 1010 GeV.
Visoke energije primarnih kozmičkih zraka dopuštaju im da doslovno podijele atome u Zemljinoj atmosferi kada se sudare. Uz neutrone, protone i subatomske čestice mogu nastati laki elementi kao što su vodik, helij i berilij. Mioni su uvijek nabijeni i također se brzo raspadaju u elektrone ili pozitrone.
Magnetski štit
Intenzitet kozmičkih zraka naglo raste s usponom sve dok ne dosegne maksimum na visini od oko 20 km. Od 20 km do granice atmosfere (do 50 km) intenzitet se smanjuje.
Ovaj obrazac se objašnjava povećanjem proizvodnje sekundarnog zračenja kao rezultat povećanja gustoće zraka. Na visini od 20 km većina primarnog zračenja već je ušla u interakciju, a smanjenje intenziteta od 20 km do razine mora odražava apsorpciju sekundarnih zraka.atmosfera, što odgovara oko 10 metara vode.
Intenzitet zračenja također je povezan sa zemljopisnom širinom. Na istoj visini kozmički tok raste od ekvatora do geografske širine od 50-60° i ostaje konstantan do polova. To se objašnjava oblikom Zemljinog magnetskog polja i raspodjelom energije primarnog zračenja. Linije magnetskog polja koje se protežu izvan atmosfere obično su paralelne s površinom zemlje na ekvatoru i okomite na polovima. Nabijene čestice se lako kreću duž linija magnetskog polja, ali ga jedva svladavaju u poprečnom smjeru. Od polova do 60°, praktički svo primarno zračenje dopire do Zemljine atmosfere, a na ekvatoru samo čestice čija energija prelazi 15 GeV mogu prodrijeti kroz magnetski štit.
Sekundarni izvori X-zraka
Kao rezultat interakcije kozmičkih zraka s materijom, kontinuirano se stvara značajna količina radionuklida. Većina njih su fragmenti, ali neki od njih nastaju aktivacijom stabilnih atoma neutronima ili mionima. Prirodna proizvodnja radionuklida u atmosferi odgovara intenzitetu kozmičkog zračenja u visini i zemljopisnoj širini. Oko 70% njih potječe iz stratosfere, a 30% iz troposfere.
Uz izuzetak H-3 i C-14, radionuklidi se obično nalaze u vrlo niskim koncentracijama. Tricij se razrijedi i pomiješa s vodom i H-2, a C-14 se kombinira s kisikom da nastane CO2, koji se miješa s atmosferskim ugljičnim dioksidom. Ugljik-14 ulazi u biljke fotosintezom.
Zračenje Zemlje
Od mnogih radionuklida koji su nastali sa Zemljom, samo neki imaju dovoljno duge poluživote da objasne njihovo trenutno postojanje. Da je naš planet nastao prije oko 6 milijardi godina, trebao bi im poluživot od najmanje 100 milijuna godina da ostanu u mjerljivim količinama. Od dosad otkrivenih primarnih radionuklida, tri su od najveće važnosti. Izvor X-zraka je K-40, U-238 i Th-232. Uran i torij svaki tvore lanac produkata raspadanja koji su gotovo uvijek u prisutnosti izvornog izotopa. Iako su mnogi radionuklidi kćeri kratkotrajni, česti su u okolišu jer se neprestano stvaraju od dugovječnih matičnih materijala.
Drugi primordijalni dugovječni izvori X-zraka, ukratko, su u vrlo niskim koncentracijama. To su Rb-87, La-138, Ce-142, Sm-147, Lu-176 itd. Prirodni neutroni tvore mnoge druge radionuklide, ali je njihova koncentracija obično vrlo niska. Kamenolom Oklo u Gabonu u Africi sadrži dokaze o "prirodnom reaktoru" u kojem su se odvijale nuklearne reakcije. Oštećenje U-235 i prisutnost fisijskih produkata unutar bogatog ležišta urana ukazuju na to da se ovdje prije otprilike 2 milijarde godina dogodila spontano izazvana lančana reakcija.
Iako su primordijalni radionuklidi sveprisutni, njihova koncentracija varira ovisno o lokaciji. GlavniRezervoar prirodne radioaktivnosti je litosfera. Osim toga, značajno se mijenja unutar litosfere. Ponekad je povezana s određenim vrstama spojeva i minerala, ponekad je čisto regionalna, s malom korelacijom s vrstama stijena i minerala.
Distribucija primarnih radionuklida i njihovih produkata raspadanja u prirodnim ekosustavima ovisi o mnogim čimbenicima, uključujući kemijska svojstva nuklida, fizičke čimbenike ekosustava te fiziološke i ekološke karakteristike flore i faune. Trošenje stijena, njihovog glavnog rezervoara, opskrbljuje tlo U, Th i K. U tom prijenosu sudjeluju i produkti raspadanja Th i U. Iz tla biljke apsorbiraju K, Ra, malo U i vrlo malo Th. Koriste kalij-40 na isti način kao i stabilni K. Radij, produkt raspadanja U-238, koristi biljka, ne zato što je izotop, već zato što je kemijski blizak kalciju. Upijanje urana i torija od strane biljaka općenito je zanemarivo jer su ti radionuklidi obično netopivi.
Radon
Najvažniji od svih izvora prirodnog zračenja je element bez okusa i mirisa, nevidljivi plin koji je 8 puta teži od zraka, radon. Sastoji se od dva glavna izotopa - radona-222, jednog od proizvoda raspadanja U-238, i radona-220, koji nastaje tijekom raspada Th-232.
Stjene, tlo, biljke, životinje ispuštaju radon u atmosferu. Plin je produkt raspada radija i proizvodi se u bilo kojem materijalukoji ga sadrži. Budući da je radon inertan plin, može se osloboditi s površina koje dolaze u dodir s atmosferom. Količina radona koja izlazi iz određene mase stijena ovisi o količini radija i površini. Što je stijena manja, to više radona može osloboditi. Koncentracija Rn u zraku pored materijala koji sadrže radij također ovisi o brzini zraka. U podrumima, špiljama i rudnicima koji imaju lošu cirkulaciju zraka, koncentracije radona mogu doseći značajne razine.
Rn se prilično brzo raspada i stvara brojne kćeri radionuklide. Nakon što nastanu u atmosferi, proizvodi raspada radona se kombiniraju s finim česticama prašine koje se talože na tlu i biljkama, a udišu ih i životinje. Oborine su osobito učinkovite u čišćenju radioaktivnih elemenata iz zraka, ali utjecaj i taloženje čestica aerosola također doprinose njihovom taloženju.
U umjerenim klimatskim uvjetima unutarnje koncentracije radona u prosjeku su oko 5 do 10 puta veće nego na otvorenom.
Tijekom posljednjih nekoliko desetljeća, čovjek je "umjetno" proizveo nekoliko stotina radionuklida, povezanih rendgenskih zraka, izvora, svojstava koja imaju primjenu u medicini, vojsci, proizvodnji električne energije, instrumentaciji i istraživanju minerala.
Pojedinačni učinci umjetnih izvora zračenja uvelike se razlikuju. Većina ljudi prima relativno malu dozu umjetnog zračenja, ali neki primaju više tisuća puta više zračenja iz prirodnih izvora. Izvori koje je napravio čovjek su boljikontrolirano nego prirodno.
Izvori X-zraka u medicini
U industriji i medicini, u pravilu se koriste samo čisti radionuklidi, što pojednostavljuje identifikaciju puteva curenja iz skladišta i proces odlaganja.
Primjena zračenja u medicini je široko rasprostranjena i može imati značajan utjecaj. Uključuje izvore X-zraka koji se koriste u medicini za:
- dijagnostika;
- terapija;
- analitički postupci;
- pacing.
Za dijagnostiku se koriste i zatvoreni izvori i širok izbor radioaktivnih tragova. Medicinske ustanove općenito razlikuju ove primjene kao radiologiju i nuklearnu medicinu.
Je li rendgenska cijev izvor ionizirajućeg zračenja? Kompjutorizirana tomografija i fluorografija poznati su dijagnostički postupci koji se provode uz njezinu pomoć. Osim toga, postoje mnoge primjene izvora izotopa u medicinskoj radiografiji, uključujući gama i beta izvore, te eksperimentalne izvore neutrona za slučajeve kada su rendgenski uređaji nezgodni, neprikladni ili mogu biti opasni. S ekološkog stajališta, radiografsko zračenje ne predstavlja opasnost sve dok su njegovi izvori odgovorni i pravilno zbrinuti. U tom smislu, povijest elemenata radija, radonskih iglica i luminiscentnih spojeva koji sadrže radij nije ohrabrujuća.
Uobičajeni izvori X-zraka temeljeni na 90Srili 147 Pm. Pojava 252Cf kao prijenosnog generatora neutrona učinila je neutronsku radiografiju široko dostupnom, iako općenito tehnika još uvijek jako ovisi o dostupnosti nuklearnih reaktora.
Nuklearna medicina
Glavne opasnosti za okoliš su oznake radioizotopa u nuklearnoj medicini i rendgenskim izvorima. Primjeri neželjenih utjecaja su sljedeći:
- zračenje pacijenta;
- zračenje bolničkog osoblja;
- izloženost tijekom transporta radioaktivnih lijekova;
- utjecaj tijekom proizvodnje;
- izloženost radioaktivnom otpadu.
Posljednjih godina postoji trend prema smanjenju izloženosti pacijenata uvođenjem izotopa kraćeg trajanja s užim učinkom i korištenjem više lokaliziranih lijekova.
Kraće vrijeme poluraspada smanjuje utjecaj radioaktivnog otpada, jer se većina dugovječnih elemenata izlučuje putem bubrega.
Čini se da utjecaj kanalizacije na okoliš ne ovisi o tome je li pacijent bolnički ili izvanbolnički. Iako je većina ispuštenih radioaktivnih elemenata vjerojatno kratkog vijeka, kumulativni učinak daleko premašuje razine onečišćenja svih nuklearnih elektrana zajedno.
Najčešće korišteni radionuklidi u medicini su izvori rendgenskih zraka:
- 99mTc – skeniranje lubanje i mozga, skeniranje cerebralne krvi, srca, jetre, pluća, štitnjače, lokalizacija placente;
- 131I - krv, skeniranje jetre, lokalizacija placente, skeniranje štitnjače i liječenje;
- 51Cr - određivanje trajanja postojanja crvenih krvnih stanica ili sekvestracije, volumena krvi;
- 57Co - Schilling test;
- 32P – metastaze u kostima.
Široko rasprostranjena uporaba postupaka radioimunotestiranja, analize urina i drugih istraživačkih metoda korištenjem obilježenih organskih spojeva značajno je povećala upotrebu tekućih scintilacijskih pripravaka. Organske otopine fosfora, obično na bazi toluena ili ksilena, čine prilično velik volumen tekućeg organskog otpada koji se mora zbrinuti. Prerada u tekućem obliku potencijalno je opasna i ekološki neprihvatljiva. Zbog toga je poželjno spaljivanje otpada.
Budući da se dugovječni 3H ili 14C lako otapaju u okolišu, njihova izloženost je unutar normalnog raspona. Ali kumulativni učinak može biti značajan.
Druga medicinska upotreba radionuklida je uporaba plutonijskih baterija za napajanje elektrostimulatora srca. Tisuće ljudi danas su žive jer ti uređaji pomažu njihovom radu srca. Zatvoreni izvori 238Pu (150 GBq) kirurški su implantirani pacijentima.
Industrijske X-zrake: izvori, svojstva, primjene
Medicina nije jedino područje u kojem je ovaj dio elektromagnetskog spektra našao primjenu. Radioizotopi i izvori rendgenskih zraka koji se koriste u industriji značajan su dio tehnogenog zračenja. Primjeri primjene:
- industrijska radiografija;
- mjerenje zračenja;
- detektori dima;
- samosvjetleći materijali;
- rentgenska kristalografija;
- skeneri za pregled prtljage i ručne prtljage;
- x-zraka laseri;
- sinkrotroni;
- ciklotroni.
Budući da većina ovih aplikacija uključuje upotrebu inkapsuliranih izotopa, izloženost zračenju događa se tijekom transporta, prijenosa, održavanja i zbrinjavanja.
Je li rendgenska cijev izvor ionizirajućeg zračenja u industriji? Da, koristi se u sustavima za ispitivanje bez razaranja u zračnim lukama, u proučavanju kristala, materijala i struktura te u industrijskoj kontroli. Tijekom proteklih desetljeća, doze izloženosti zračenju u znanosti i industriji dosegle su polovicu vrijednosti ovog pokazatelja u medicini; stoga je doprinos značajan.
Inkapsulirani izvori X-zraka sami po sebi imaju mali učinak. Ali njihov transport i odlaganje zabrinjavaju kada se izgube ili greškom bače na odlagalište otpada. Takvi izvoriX-zrake se obično isporučuju i ugrađuju kao dvostruko zatvoreni diskovi ili cilindri. Kapsule su izrađene od nehrđajućeg čelika i zahtijevaju povremenu provjeru na curenje. Njihovo odlaganje može biti problem. Kratkotrajni izvori mogu se skladištiti i degradirati, ali čak i tada se moraju propisno evidentirati, a zaostali aktivni materijali moraju se zbrinuti u licenciranom objektu. Inače, kapsule treba poslati u specijalizirane ustanove. Njihova snaga određuje materijal i veličinu aktivnog dijela izvora X-zraka.
Mjesta za pohranu izvora rendgenskih zraka
Sve veći problem je sigurno rastavljanje i dekontaminacija industrijskih mjesta gdje su radioaktivni materijali pohranjeni u prošlosti. To su uglavnom starija postrojenja za nuklearnu preradu, ali je potrebno uključiti i druge industrije, kao što su postrojenja za proizvodnju samosvjetlećih tritijevih znakova.
Poseban problem predstavljaju dugovječni izvori niske razine, koji su široko rasprostranjeni. Na primjer, 241Am koristi se u detektorima dima. Osim radona, to su glavni izvori rendgenskog zračenja u svakodnevnom životu. Pojedinačno, ne predstavljaju nikakvu opasnost, ali značajan broj njih može predstavljati problem u budućnosti.
Nuklearne eksplozije
Tijekom posljednjih 50 godina svi su bili izloženi zračenju uslijed padavina uzrokovanih testiranjem nuklearnog oružja. Njihov je vrhunac bio na1954-1958 i 1961-1962.
Godine 1963. tri zemlje (SSSR, SAD i Velika Britanija) potpisale su sporazum o djelomičnoj zabrani nuklearnih proba u atmosferi, oceanu i svemiru. Tijekom sljedeća dva desetljeća, Francuska i Kina provele su niz mnogo manjih testova, koji su prekinuti 1980. Podzemni testovi su još uvijek u tijeku, ali općenito ne proizvode oborine.
Radioaktivna kontaminacija iz atmosferskih testova pada u blizini mjesta eksplozije. Neki od njih ostaju u troposferi i vjetar ih nosi oko svijeta na istoj geografskoj širini. Dok se kreću, padaju na tlo, ostajući oko mjesec dana u zraku. Ali većina je potisnuta u stratosferu, gdje zagađenje ostaje mnogo mjeseci i polako tone diljem planeta.
Radioaktivni ispadi uključuju nekoliko stotina različitih radionuklida, ali samo nekoliko njih može utjecati na ljudsko tijelo, pa je njihova veličina vrlo mala, a raspad je brz. Najznačajniji su C-14, Cs-137, Zr-95 i Sr-90.
Zr-95 ima poluživot od 64 dana, dok Cs-137 i Sr-90 imaju oko 30 godina. Samo će ugljik-14, s poluživotom od 5730, ostati aktivan daleko u budućnosti.
Nuklearna energija
Nuklearna energija je najkontroverzniji od svih antropogenih izvora zračenja, ali vrlo malo doprinosi utjecajima na ljudsko zdravlje. Tijekom normalnog rada nuklearna postrojenja ispuštaju zanemarive količine zračenja u okoliš. veljače 2016Postojala su 442 civilna nuklearna reaktora u 31 zemlji, a još 66 je bilo u izgradnji. Ovo je samo dio ciklusa proizvodnje nuklearnog goriva. Počinje iskopavanjem i mljevenjem uranove rude i nastavlja se proizvodnjom nuklearnog goriva. Nakon što se koriste u elektranama, gorive ćelije se ponekad ponovno obrađuju kako bi se oporavio uran i plutonij. Na kraju, ciklus završava zbrinjavanjem nuklearnog otpada. U svakoj fazi ovog ciklusa mogu se osloboditi radioaktivni materijali.
Otprilike polovica svjetske proizvodnje rude urana dolazi iz otvorenih kopa, a druga polovica iz rudnika. Zatim se drobi u obližnjim drobilicama koje proizvode veliku količinu otpada - stotine milijuna tona. Ovaj otpad ostaje radioaktivan milijunima godina nakon što tvornica prestane s radom, iako je zračenje vrlo mali dio prirodne pozadine.
Nakon toga, uran se daljnjom preradom i pročišćavanjem u postrojenjima za obogaćivanje pretvara u gorivo. Ovi procesi dovode do onečišćenja zraka i vode, ali su oni mnogo manji nego u drugim fazama ciklusa goriva.
