promieniowanie i ludzki organizm › wp-content › uploads › 2019 › 09 › 7...prawie stała...
TRANSCRIPT
-
Promieniowanie i
ludzki organizm
Jerzy W. Mietelski
Zakład Fizykochemii Jądrowej Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego PAN
30-147 Kraków, Radzikowskiego 152
-
Mitologizacja radioaktywności
Lęk przed promieniowaniem (po 1945!)
Niewykrywalność zmysłami – podstępny
morderca
Spektakularność wybuchu bomby A –
bezwzględny, brutalny morderca
Lecz również
70 lat pokoju (globalnie)
-
Rodzaje rozpadów
272 jądra stabilne, > 3000 niestabilne (radioaktywne)!
Radioaktywność=przemiana jądra z emisją promieniowania
Typy rozpadu:
Alfa (emitowane jądra helu) – rozpad klastrowy
Rozszczepienie (rozpad jądra na dwa mniejsze,
emitowane neutrony)
Beta (emitowane elektrony i neutrina)
Przejście izomeryczne (emitowane kwanty
promieniowania gamma)
Powstałe po rozpadzie nowe jądro często emituje
promieniowanie gamma
-
Mapa jąder atomowych
-
Prawo rozpadu
NT
Nt
NA
2/1
2ln
A – AKTYWNOŚĆ; [Bq] – bekerel
Stała rozpadu, czas połowicznego zaniku
)()( tNdt
dNtA
-
Prawo rozpadu
Obejmuje wszystkie rodzaje rozpadów
Ma charakter statystyczny
Każde jadro danej substancji radioaktywnej ma stałe w
czasie prawdopodobieństwo rozpadu
Zdarzenia te (rozpady jąder) są całkowicie niezależne
Stąd wprost wynika, że:
Liczba zachodzących rozpadów jest proporcjonalna do
liczby istniejących jąder
-
Prawo rozpadu – rozwiązanie najprościej
)/( 2/12)(Tt
oNtN
0 2 4 6 8 100
1
2
3
nT1/2
A
-
Rozpad alfa 1. Mechanizm (efekt tunelowy):
-
Rozpad beta Zachodzi na poziomie kwarkowym
A. Rozpad beta minus
1
-
Rozpad beta B. Rozpad beta plus
1
-
Rozpad beta C. Wychwyt elektronu (EC)
1
-
Rozpad sekwencyjny - równowaga promieniotwórcza lub jej brak
Jeśli pochodne jądro (Y) też jest radioaktywne
Ogólne rozwiązanie (2 nuklidy)
yyxx
yNN
dt
tdN
)(
A t A e e A ey xy
y x
xt yt
yyt( ) ( ) ( ) ( )
0 0
-
Rozpad sekwencyjny - równowaga promieniotwórcza lub jej brak
Jeśli pochodne jądro (Y) też jest radioaktywne
Ogólne rozwiązanie (2 nuklidy) przy Ay(0)=0
yyxx
yNN
dt
tdN
)(
A t A e e A ey xy
y x
xt yt
yyt( ) ( ) ( ) ( )
0 0
-
Szczególne przypadki (I)
1. Układ długożyciowy – krótkożyciowy
Ostatecznie:
Krótkożyciowy narasta zgodnie ze swoim T1/2 a
potem rozpada się z T1/2 długożyciowego
Równowaga promieniotwórcza
x y
y
y x
1
)1()0()(t
xyyeAtA
0 50 100 150 200 250 3000.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
238U,
234U
230Th
rela
tive
act
ivity
(n
ot to
sca
le)
time after separation [ky]
-
Szczególne przypadki (II)
Zbliżone stałe rozpadu
Powstaje tzw. równowaga przejściowa
x y
y
y x
1
A t
A te
y
x
y
y x
tx y( )
( )( )
( )
1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
228Th
228Ra
rela
tive a
ctiv
ity (
not to
sca
le)
time after separation [y]
-
Ogólny przypadek – równania Batemana (uproszczony - zerowe aktywności pochodnych w t=0)
CNN N N
M
M N
1
1
2
2
3
3
CN
M
M1
1
1
2
2 1
3
3 1 1
CMM M M
M
N M
1
1
2
2
3
3
N t N C e C e C e C eNt t
Mt
NtM N( ) ( .... ),
1 0 1 2
1 2
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
232Th
228Th
228Ra
rela
tive a
ctiv
ity (
not
to s
cale
)
time after separation [y]
-
Rodzaje promieniowania jądrowego - widma
(jonizujące)
ALFA = jądra helu (2p+2n) - widmo liniowe
BETA = elektrony (e-) lub pozytony (e+) – widmo
ciągłe
GAMMA = fotony – widmo liniowe
+INNE CZ. NAŁADOWANE
(niejonizujące)
NEUTRONY , NEUTRINA
-
Widma gamma – typowa gleba
-
Oddziaływanie promieniowania z materią
1. Fotony – wzbudzenie (np. scytnylacje) lub
jonizacja:
Zjawisko (efekt) fotoelektryczny
Zjawisko (efekt) Comptona
Zjawisko (efekt) tworzenia (kreacji, produkcji) par
-
Opis ilościowy oddziaływania fotonów z materią
Nie ma określonego zasięgu, strumień maleje
wykładniczo z odległością
x-odległość (głębokość w materiale), - calkowity
liniowy współczynnik pochłoniania, I(x) – strumień
promieniowania gamma na głębokosci x, Io –
strumień bez pochłaniania (inicjalny).
)exp()( xIxI o
-
Opis ilościowy oddziaływania fotonów z materią (III) Całkowite osłabienie strumienia jest addytywną funkcją trzech
procesów:
Związki wartości współczynników pomiedzy różnymi
materiałami:
pcf
4
2
1
12
21
2
1
Z
Z
A
A
f
f
2
1
12
21
2
1
Z
Z
A
A
c
c
2
2
1
12
21
2
1
Z
Z
A
A
p
p
-
Opis ilościowy oddziaływania fotonów z materią (II) Wartosci całkowitego współczynnika liniowego pochłaniania fotonów
dla różnych materiałow i różnych energii fotonów [1/cm]
E [keV] H2O Al Fe Pb
100 0.167 0.435 2.704 59.99
400 0.106 0.2489 0.7223 2.359
1000 0.0706 0.1658 0.4677 0.7757
2000 0.0493 0.1166 0.3333 0.5182
8000 0.0240 0.0651 0.2319 0.5205
-
Oddziaływanie promieniowania z materią – cząstki naładowane
Ciężkie: cząstki alfa, protony itp.
Niesprężyste zderzenia (jonizacja, wzbudzanie)
Prawie stała utrata energii na jednostce drogi, na końcu pik
Bragga
Określony, ograniczony zasięg (w powietrzu dla 5 MeV
czastki alfa ~5 cm, w ciele stałym rzędu 100
mikrometrów),
-
Oddziaływanie promieniowania z materią – cząstki naładowane lekkie
Elektrony: niesprężyste zderzenia (jonizacja, wzbudzanie),
emisja promieniowania hamowania (bremsstrahlung –
dominuje pzy energii kilku MeV), promieniowania
Czerenkowa (od v=1/n)…
Szerokie widmo inicjalne – jest zasięg maksymalny ale nie
tak ostro określony jak dla cząstek alfa
-
Dawki (fizyczna, d. pochłonięta) Dawka=E/m
1Gy (grej) = 1J/ 1kg
Skutek bilogiczny ~ równoważnik dawki
1Sv (siwert) = 1 Gy, dla i
1Sv (siwert) = 1/20 Gy, dla
-
Drogi narażenia Zewnętrzne (gamma, inne tylko skóra)
Inhalacja (gazy, aerozole – ich średnice AMAD!)
Spożycie (formy chemiczne?)
-
Naturalne substancje radioaktywne (ok. 60)
T1/2 > 500 mln lat (238U, 235U, 232Th, 40K, 147Sm, 87Rb....)
W przeszłości - reaktor w Oklo (Gabon)!
Pochodne ich rozpadów (234U,226Ra, 228Ra, 234Th, 230Th, 222Rn, 220Rn, 210Po, 210Pb....)
{Szeregi U, Th, Ac, (Np)}
Kosmogeniczne (3H,7Be,10Be, 14C, 22Na, 24Na, 26Al, 35S, 36Cl, 129I, ...)
-
Naturalne typowe poziomy aktywności przykłady:
Izotop Materiał Aktywność [Bq]
14C Człowiek ~2500
40K Człowiek ~2500
40K Mleko, litr 40
40K Gleba, 1 kg 100-1000
238U Gleba, 1 kg 30-100
226Ra Gleba, 1 kg 30-100
7Be Powietrze, m3 ~10-3
222Rn Powietrze, m3 Od
-
Działalność człowieka zaburzająca poziomy radionuklidów kosmogenicznych – wybuchy jądrowe, przeróbka paliwa itp.
-
Przykład: udział różnych źródeł w globalnej aktywności 3H, 14C i 85Kr (rok 2000)
Nuklid T1/2
[lat]
Naturalna
zawartość
PBq
Opad
światowy
PBq
Energetyka
jądrowa
PBq
Przeróbka
paliwa
PBq
3H 12.33 1275 22 000 150 150
14C 5730 12 750 213 - -
85Kr 10.76 0.09 ~17 10 4800
-
Kosmogeniczne radionuklidy (wybrane)
-
Zmiany tempa produkcji
Zmiany zależne od aktywności Słońca
ODWROTNA PROPORCJONALNOŚĆ !
Zmiany zależne od POLA
MAGNETYCZNEGO Ziemi
ODWROTNA PROPORCJONALNOŚĆ !
Zmiany zależne od natężenia strumienia
promieniowania kosmicznego
Prosta proporcjonalność
-
Historyczna aktywność Słońca
-
Dawki od tła (średnie) 3.5 (do niedawna 2.4) mSv/rok (w Polsce)
Radon + pochodne 2.3 mSv (1.2 mSv)
Inne z szeregu U (ponad Rn) 0.02 mSv
Szereg Th 0.34 mSv 40K 0.33 mSv
Prom. kosmiczne +
+kosmogeniczne nuklidy 0.36 mSv
....
+1 mSv/rok średnio od medycyny
-
Poziomy dawek od skażeń
Wybuchy jądrowe 4.5 mSv (średnia) na 70 lat
(głównie 14C)
Czarnobyl w Polsce (średnia- CLOR) 0.92 mSv
na 70 lat
Ale dodatkowo do 2 mSv/kg suszonych grzybów!
Od tła 3.5 (do niedawna 2.4) mSv/rok
-
Dawka otrzymana w czasie jednego lotu z Tajwanu do NY
2019-09-20 [email protected] 37
-
2019-09-20 [email protected] 38
-
Dawka - ryzyko