Radioactivitatea - concepte si marimi

Radioactivitatea

Concepte si marimi

Materia se compune din elemente, iar elementele se compun din atomi. Atomii contin un nucleu si un numar oarecare de electroni care au sarcina electrica negativa. Nucleul contine protoni, cu sarcina elec­trica pozitiva, si neutroni, fara sarcina electrica. Numarul protonilor este egal cu numarul electronilor si este numit numar atomic (de exemplu oxigenul are numarul atomic 8). Masa atomului este practic concentrata in nucleu, numarul de protoni plus neutroni din acesta se numeste numar de masa. In aceste conditii, speciile de atomi sunt diferentiate dupa numarul atomic si numarul de masa, sau mai simplu, dupa numele ele­mentului si numarul de masa. Astfel caracterizati, atomii se numesc nuclizi. De exemplu, Carbonul-12 este un nuclid cu 6 protoni si 6 neu­troni, Plurnbul-208 este un nuclid cu 82 protoni si 126 neutroni.

Nuclizii unui element care au numere diferite de neutroni se numesc izotopi (deci izotopul nu este un sinonim al nuclidului). Hidrogenul, de exemplu, are 3 izotopi: hidrogen-1, hidrogen-2 numit si deuteriu si hidrogen-3, numit si tritiu. Nuclizii pot fi stabili sau instabili. Din cei circa 1700 nuclizi cunoscuti, aproximativ 280 sunt stabili, restul se transforma in mod spon­tan in nuclizii altui element iar in timpul transformarii emit radiatie. Aceasta proprietate se numeste radioactivitate, transformarea se numeste dezintegrare, iar nuclidul spunem ca este un radionuclid. De exemplu, Carbonul-14 este un radionuclid care se dezintegreaza in Azot-14, care este stabil, iar Bariul-140 se dezintegreaza in radio­nuclidul Lantan-140 iar acesta, la randul sau, in nuclidul stabil Ceriu-140.

Radiatiile emise de radionuclizi sunt: particule a, particule b si fotoni g. Un alt tip de radiatie este si radiatia X, care se produce in urma bombardari cu electroni a unei tinte metalice aflate in vid. Radiatule X au proprietati similare cu radiatiile Y.

Tot in categoria radiatiilor mai pot fi inscrise radiatiile cu neutroni. Neutronii sunt eliberati de nuclizi, de obicei, in urma bombardarii cu par­ticule a sau b

Energia cu care sunt emise radiatiile se masoara in electronivo1ti (eV) si reprezinta energia castigata de un electron cand strabate o diferenta de potential de un volt. Un multiplu al acestei unitati de masura este milion-electron-voltul (MeV); 1 MeV=10⁶ eV.

Activitatea unei cantitati de radionuclid (rata de producere a de­zintegrarilor naturale) se masoara in becquerel (Bq). Un becquerel este egal cu o dezintegrare intr-o secunda. In mod normal se utilizeaza MBq (megabecquerelul), care este egal cu un milion de becquereli. Timpul necesar ca activitatea unui radionuclid sa scada Ia jumatate prin dezintegrare se numeste timp de injumatatire si are simbolul T_1/2. Radiatiile sunt detectate si masurate de: filmele fotografice, substantele termoluminiscente, contorii Geiger si detectoarele cu scintilatii. Masuratorile facute se pot interpreta in termenii dozei de radiatie absorbita de organism sau de o anumita parte a corpului. Doza absorbita se masoara in gray (Gy) si reprezinta energia cedata de radiatie unitati de masa a substantei prin care trece (de exemplu tesutul). Un gray corespunde unui joule pe kilogram. Frecvent, se folosesc submultipli ai grayului, cum este mGy, care reprezinta a milioana parte dintr-un Gy. Dozele absorbite egale au efecte biologice egale. Astfel, un gray de radiatie a intr-un tesut este mai periculos decat un gray de radiatie b, care are o sarcina electrica mai mica si se deplaseaza mai rapid. Din acest motiv s-a introdus o alta unitate de masura, sievert(Sv), care este egala cu doza absorbita inmultita cu un factor care tine seama de modul in care o anumita radiatie isi distribuie energia in tesut. Aceasta marime se numeste echivalentul dozei. Pentru particulele b, fotonii g si radiatiile X, factorul este egal cu unitatea. Pentru particulele a factorul este 20, deci 1 Gy de radiatie a corespunde unui echivalent al dozei de 20 Sv; 1 Sv de radiatie a produce aceleasi efecte asupra organismului uman sau animal ca 1 Sv radiatie b a sau X. Pe de alta parte, in organism, ace1asi tip de radiatie are implicatii diferite in functie de organul atacat. Astfel, o iradiere cu particule a plamanului este mult mai grava decat iradierea cu aceleasi particule a oaselor. Pentru a tine seama de acest atac diferit se utilizeaza pentru organism asa-numitu1 echivalent al dozei efectiv. Echivalentul dozei efectiv se calculeaza ca suma a produselor dintre echivalentul dozei fiecarui organ din corp si un factor de pondere asociat acelui organ. Factorii de pondere pentru om sunt prezentati in tabelul de mai jos.

De exemplu, daca iradierea s-a produs asupra plamanului (echivalentul dozei 9OmSv) ficatul (echivalent doza 80 mSv) suprafetei osoase (200 mSv) si a maduvei osoase (echivalent doza 150 mSv), echiva­lentul dozei efectiv primit de organism se calculeaza astfel:

99x12 + 80x0,06 + 200x0,03 + 150x0,12 = 39,6 mSv.

Deoarece in multe lucrari de specialitate se pot intalni unitati de masura diferite de cele prezentate pana aici, in tabelul urmator se prezinta relatiile de interdependenta

Surse de poluare radioactiva

Sursele de radioactivitate se pot grupa in doua categorii:

a. surse artificiale;

b. surse naturale.

a) Principalele surse artificiale de poluare radioactiva sunt urmatoarele:

a.1⁰.      accidentele si deseurile de la reactoarele nucleare;

a.2⁰      experientele si accidentele cu arme nucleare;

a.3⁰.      tratamentele medicale ce utilizeaza radiatii sau radionuclizi

a.4⁰.      diferite activitati profesionale.

a.1⁰. Reactorii nucleari au fost folositi pentru producerea energiei inca din anii '50. Exista, practic, doua tipuri de reactori : reactori termici si reactori rapizi. In reactorii termici frecvent utilizati - se fo1oseste uraniu, care este alcatuit din nucleele a doi izotopi: uraniu-235 (0,7%) Si uniniu-238 (99,3%). Cand Un neutron termic patrunde intr-un nucleu de uraniu-235 se produce fisiunea acestuia din urma cu o mare eliberare de energie, de alti neutroni ₅i de radiatii 7. Neutronii rezultati din fisiune sunt rapizi Si nu sunt tot atat de capabili de a produce noi fisiuni. Din acest motiv, neutronii emisi in urma fisiunii uraniului-235 sunt incetiniti, facandu-i sa semnat Ia Moscova tratatul de interzicere a experientelor cu arma nucleara, cu exceptia celor subterane, marile puteri an efectuat circa 510 teste nucleare in atmosfera: circa 300 S.U.A., 180 fosta URSS, 25 Marea Britanie si 4 Franta. Pana in anii 1985, Franta si China, singurele nesemnatare ale tratatului, au mai explodat in atmosfera 40 si respectiv 25 bombe nucleare.

Energia eliberata in testele efectuate pana in 1963 a fost de cateva ori mai mare decat a tuturor explozivilor folositi in al doilea razboi mondi­al, sau a 20-a parte din puterea exploziva nucleara acumulata in arsenalele americane si sovietice in 1981 (exprimata in combustibil exploziv conventional aceasta putere a fost de 600 megatone). In acelasi timp, aproximativ 10 t plutoniu ,,neexplodat' s-a vaporizat si dispersat in atmosfera.

Exploziile nucleare sovietice, desi mai putine, au avut o putere dubla fata de cele americane (450 megatone fata de 150), cea mai teribila bomba sovietica fund de aproximativ 4 000 de ori mai puternica decat ,,Little boy', folosita impotriva Japoniei.

Dupa 1963, testele cu arme nucleare an continuat in subteran. Din 1963 pana in 1980, Statele Unite au mai efectuat cam 400 teste subterane cu bombe atomice, iar fosta Uniune Sovietica 300, dar cu o putere explo­ziva mult mai mare.

La nivelul anului 1963 se apreciaza ca radionuclizii, proveniti de la testele cu arme nucleare, au produs o iradiere suplimentara anuala de 430 mSv pe individ, in aproape intreaga emisfera nordica (majoritatea exploziilor au fost efectuate in aceasta emisfera). Dupa acest an, valoarea iradierii suplimentare a scazut substantial, pana la momentul Cernobal.

a.3⁰ In clinici si spitale radiatiile sunt folosite:

- la radiografii;

- in scop terapeutic;

- in scopuri de investigatie.

La radiografii se folosesc, in special, radiatiile X (Rontgen). o radiografie a toracelui va transfera plamanului un echivalent al dozei de 20 mSv

In scop terapeutic se utilizeaza iradierea pentru distrugerea tesuturilor tumorale maligne. Frecvent folosite sunt radiatule X de mare energie sau radiatule gama date de sursele Cobalt-60. In scop terapeutic sunt necesare valori ale dozei absorbite foarte mari, ajungand pana la cativa zeci de gray. Se mai folosesc fascicule de neutroni si radiatiile ionizante.

In scopuri de investigatie se utilizeaza administrarea de radionuclizi cu timpi scurti de injumatatire. Dupa administrare, se realizeaza tomografierea (radiografii ale structurilor dintr-un singur plan de profunzime), in special a plamanilor, oaselor si creierului.

Se estimeaza ca media echivalentului efectiv al dozei primita de organismul uman din proceduri medicale are valori de circa 200 mSv pe an.

a.4⁰. Radiatia artificiala este folosita in multe ramuri ale activitatii omenesti. De exemplu, in industrie este folosita pentru controlul proceselor si a calitatii produselor, iar in scop de studiu, este folosita in institute de cercetare si invatamant superior. Tot aici trebuie inclusa si activitatea medicilor sau a personalului sanitar care lucreaza cu radiatii. La acestea trebuie adaugate dozele pe care le primeste omul Si de la ceasurile luminate cu substante radioactive sau de la televizoare (televizoarele moderne sunt bine ecranate).

Se apreciaza ca din activitati profesionale doza colectiva (produsul dintre echivalentul dozei efectiv ₅i nr. persoanelor care au activitati profe­sionale legate de radiata) in Marea Britanie, de exemplu, este de circa 450 Sv/om si an.

b)         Problema radiatiilor nu este numai o consecinta a progresului tehnic-stiintific al omului modern. Radiatia a existat intotdeauna in natura. Dupa opinia unor oameni de stiinta, radiatia cosmica a avut o mare importanta in evolutia vietii pe Pamant. Astfel, aparitia reptilelor gigantice precum ₅i evolutia ulterioara a speciilor animale Si vegetale este pusa, de multi cercetatori, sub semnul influentei exercitate de radiatia cosmica primita de pamant, din univers.

Practic, exista doua componente ale iradierii naturale: o compo­nenta cosmica ₅i una telurica.

Originea radiatiei cosmice este inca neclara. Unii specialisti sunt de parere ca ar veni din galaxia noastra, a1si ca ar veni din afara ci. Soarele contribuie mai ales in perioadele de eruptii solare.

Radiatia cosmica patrunde in cantitate mai mare pe Ia poli decat pe la ecuator. De asemene, oamenii si animalele care traiesc in munti, la mari altitudini, sunt mai expusi la acest tip de radiatie decat cei aflati Ia nivelul mani.

Radiatia telurica provine din faptul ca toate materialele din scoarta pamantului sunt radioactive. Se crede ca miscarile scoartei sunt cauzate ₅i de radioactivitatea naturala. Cele mai raspandite elemente radioactive din sol si roci sunt: uraniul, toriul si potasiul-40.

Sintetic, iata, in medie, care sunt, calitativ si cantitativ, principalele surse ale dozei de radiatie umana:

din cosmos: circa 100 000 neutroni si 400 000 particule de radiatie cosmica secundara trec prin flecare individ, in fiecare ora;

din aerul respirat: circa 30 000 atomi (de radon, plutoniu, bismut si plumb) se dezintegreaza in fiecare ora in plamani, dand nastere la particule '3, ce si unor fotoni 7;

din sol si materiale de constructie: peste 200 milioane fotoni y trec prin noi in fiecare ora;

din alimente si apa: omul introduce zilnic in organism peste 1 microgram de uraniu; 70% din aceasta cantitate provine din cereale came, lapte s cartofi.

Intr-un om de greutate medie (70 kg) se afla, permanent, urma­toarele cantitati de substante radioactive:

C 14 - 1,9x100 g, care dau 3,1x10^-8 dezintegrari/s;

T - 8,4x10^-15 g, care dau 3 dezintegrari/s;

K 40 - 8,3x10^-12 g, care dau 1,9x10⁴ dezintegrari/s.

Din faptul ca viata pe pamant exista si se dezvolta continuu, deducem ca nivelul radiatiei naturale nu atinge, nici pe departe, limitele de suportabilitate ale organismelor vii.

Actiunea fiziologica a radiatiilor

In general, efectele vatamatoare ale radiatiilor se impart in:

efecte somatice, care pot la randul lor fi: imediate, cronice Si intarziate;

efecte genetice.

Efectele somatice dau asa-numita boala de iradiere care se manifesta prin urmatoarele sindroame imediate:

sindromul sistemului nervos central, care se instaleaza dupa cateva minute sau ore de la o iradiere de 50-60 Sv. Se manifesta prin con­vulsii ₅i lipsa de coordonare;

sindromul gastro-intestinal, manifestat prin greata, vomitari, dia­ree.

Intre efectele somatice cronice se inscriu: depresiuni hematopoetice, sterilitate, tulburarea vederii (cataracte), alopecia (caderea parului). Ca efecte intarziate se releva: scurtarea vietii si aparitia neoplas­melor in diferite forme (frecvent cancer epiteliar si pulmonar).

Gravitatea bolii de iradiere depinde de echivalentul dozei.

Astfe1:

pentru echivalentul dozei sub 2 Sv nu se evidentiaza influente;

pentru echivalente ale dozei intre 2-5 Sv examenul hematologic pune in evidenta reducerea globulelor albe si trombocitelor;

intre 5 si 9 Sv mortalitatea este ridicata;

peste 9 Sv mortalitatea este de 100%, daca nu se face transplant de maduva osoasa.

Efecte genetice. Numeroase cercetari efectuate au evidentiat ca, prin iradiere, se pot produce si mutati genetice, de la cele mai severe, ca de exemplu, intarzierea mintala, pana la cele mai banale, cum sunt pete ale piei.

La plante, prin iradiere, s-au obtinut mutatii genetice benefice, materializate prin cresterea calitatii Si productivitatii. Se pare insa, ca acest lucru se petrece numai pana la anumite doze relativ mici. Depasirea acestora poate produce leziuni biochimice ireversibile.

in ceea ce priveste norma referitoare Ia nivelul admisibil al radioactivitatii, alta decat cea naturala, a fost stabilita in Romania, pentru un individ din populatie, in medie, la un echivalent al dozei efectiv de 1 mSv/an, adica jumatate din valoarea datorata iradierii naturale.

Raportat la activitatea surselor pentru praful atmosferic si depuneri, exista urmatoarele limite:

- de atentionare, cand activitatea are valori de 185 Bq/m² zi;

- de avertizare, cand activitatea atinge valori de 370 Bq/m² zi;

de alarmare, cand activitatea atinge valoarea de 1 851 Bq/m² zi.

Bibliografie

Cojocaru I., "Surse, procese si produse de poluare", Editura Junumea, Iasi, 1995

Ionescu A., "Eseuri despre ecologie si apararea naturii", Editura Ceres, Bucuresti, 1983

Manescu S., "Poluarea mediului si sanatatea", Editura Stiintifica si Enciclopedica, Bucuresti, 1982