Radiații ionizante

Semne de avertizare conform ISO 7010 împotriva substanțelor radioactive sau radiațiilor ionizante (de asemenea, pe recipientele de protecție)

Semne de avertizare conform ISO 21482 direct asupra substanțelor radioactive periculoase

Radiația ionizantă (de asemenea, radiația ionizantă ) este un termen pentru orice particulă sau radiație electromagnetică care este capabilă să îndepărteze electronii din atomi sau molecule (mai ales prin procese de coliziune), astfel încât să rămână ioni încărcați pozitiv sau reziduuri moleculare ( ionizare ).

Unele radiații ionizante emană din substanțe radioactive . Termenul prescurtat de radiație radioactivă este uneori folosit colocvial pentru ei . O astfel de radiație se mai numește radiație nucleară .

Denumirea ca radiație ionizantă se întoarce la Joseph John Thomson , care a anunțat pe 27 februarie 1896 că razele X împart moleculele aerului în particule încărcate electric și le-a descris ca „aerul este ionizat”.

Tipuri de radiații ionizante

Radiația ionizantă este orice radiație a cărei energie cinetică (în cazul particulelor) sau a energiei cuantice (în cazul undelor) este suficientă pentru a elibera electroni dintr-un atom sau moleculă - și prin intermediul reacțiilor intermediare. Pentru a genera energia de ionizare necesară pentru aceasta , particula sau energia cuantică trebuie să fie de obicei mai mare de aproximativ 5 electroni volți (eV).

• În spectrul electromagnetic, aceasta corespunde lungimilor de undă mai mici de aproximativ 250 nm; Prin urmare , au doar raze cosmice ( radiații cosmice ), radiații gamma , X-radiație și undă scurtă radiație ultravioletă suficientă energie cuantică a electronilor din cojile atomice pentru a rezolva și deci legături covalente se separe. În schimb, undele radio , undele radar, microundele , radiațiile infraroșii sau lumina vizibilă nu sunt radiații ionizante, deoarece nu pot schimba sau descompune permanent moleculele (în afară de substanțe speciale, sensibile la lumină). Moleculele care ar fi defalcate de astfel de fotoni cu energie scăzută nu ar putea exista în condiții normale .
• Protonii liberi , electronii sau alte particule încărcate sunt numărate ca radiații ionizante dintr-o energie cinetică de aproximativ 5 eV. În consecință, radiația alfa (nuclei de heliu încărcați pozitiv) și radiația beta (electroni încărcați negativ sau pozitroni încărcați pozitiv) sunt întotdeauna radiații ionizante.
• Deoarece sunt neutri din punct de vedere electric, neutronii liberi nu au nicio interacțiune vizibilă cu electronii. Cu toate acestea, ele se ionizează indirect prin reacții nucleare sau prin procese de împrăștiere pe nucleii atomici. Cel mai eficient transfer de impuls al neutronilor rapizi are loc pe nucleii atomilor de hidrogen, care au aproape aceeași masă ( coliziune elastică ). De aceea, pe de o parte, apa este un bun moderator ; pe de altă parte, neutronii rapidi sunt deosebit de periculoși pentru țesutul viu, deoarece conține întotdeauna apă (de exemplu, în citosol ). Fiecare moleculă de apă (H ₂ O) conține doi atomi de hidrogen (H).

Interacțiunea cu materia

Materia protejează radiațiile ionizante prin absorbție .

Mecanismul omonim - ionizarea - este eliberarea electronilor din cochilii atomice. Radiațiile ionizante sunt aproximativ împărțite în radiații ionizante libere și dense : Radiațiile provenite de la particulele masive (protoni și ioni) sunt ionizante dens, deoarece particulele eliberează aproape continuu energie către mediul pătruns pe drum și o ionizează în acest proces. Fotonii (adică razele X sau razele gamma ) sunt ionizante subțire. Dacă există suficientă energie transferată electronului eliberat, se vorbește despre un electron delta , care la rândul său se poate ioniza. Electronii de mare energie generează în materie dincolo de bremsstrahlung , care acționează și ionizant. Radiația electronică este, de asemenea, considerată ca radiație ușor ionizantă. Căile particulelor de radiații încărcate ionizante pot fi observate într-o cameră de nor ca urme de ceață .

Cu cât un tip de particule se ionizează mai dens, cu atât este mai pronunțată creșterea caracteristică a capacității liniare de transfer / frânare a energiei , adică eu. puterea de energie pe distanță, spre sfârșitul căii ( vârful Bragg ).

	particule încărcate (de exemplu, radiații alfa și radiații beta ): ionizante directe
	particule neîncărcate (de exemplu radiații gamma și radiații neutronice ): ionizante indirect
Interacțiunea radiațiilor ionizante cu materia: În cazul neutronului incident, sunt prezentate unele procese intermediare tipice în materialul care conține hidrogen. Cuantele gamma sunt reprezentate de linii ondulate, particule încărcate și neutroni prin linii drepte sau drepte. Cercurile mici reprezintă procese de ionizare.

Fotonii (cuanta gamma) nu se ionizează continuu pe drum, ca particulele alfa sau beta. Interacțiunea unei cuante gamma cu materia are loc printr-unul dintre următoarele trei procese:

1. Efect foto : Cu efectul foto, fotonul scoate un electron din coaja unui atom.
2. Efect Compton : Cu fiecare împrăștiere Compton, fotonul dă energie unui electron lovit și zboară într-o direcție diferită cu energie redusă.
3. Formarea perechilor : în formarea perechilor, fotonul dispare; energia sa duce la formarea unei perechi particule-antiparticule.

Procese de interacțiune pentru radiații gamma în funcție de energie și număr atomic

La energiile mici și numerele atomice mari predomină efectul fotoelectric, la energiile mari și la numerele atomice mari formarea perechii, între 0,1 și 20 MeV pentru elementele ușoare, împrăștierea Compton (vezi diagrama). Dacă energia fotonului este suficient de mare, protoni sau neutroni rapidi pot fi eliberați și prin efectul foto nuclear și se pot forma radionuclizi .

Radiațiile ionizante descompun compușii chimici și se creează radicali foarte reactivi . Aici se află efectul lor dăunător biologic. Radioliza apei are o relevanță deosebită pentru biologia radiațiilor . Speciile reactive de oxigen generate în acest mod sunt responsabile pentru așa-numitul efect de oxigen . Aceștia reacționează cu molecule precum enzimele sau ADN-ul , care le inactivează sau le deteriorează și poate fi reparat . Spre deosebire de radiațiile ionizante subțiri, radiațiile ionizante dense creează daune complexe ale ADN-ului, care sunt mult mai greu de reparat, cu daune individuale multiple în imediata apropiere, ceea ce duce la o eficacitate biologică relativă mai mare , care este luată în considerare în protecția împotriva radiațiilor prin factorii de ponderare a radiațiilor .

Expunerea la radiații a populației

Surse naturale de radiații

Expunerea la radiații la radiații de la surse naturale conduce ionizante pentru locuitorii din Germania, în funcție de situația de viață ( de origine, etc.) , la o doză echivalentă 1 - 10 mSv pe an. Acestea sunt în principal raze cosmice și radiații de la substanțe radioactive care apar în mod natural în scoarța terestră, în materialele de construcție și în atmosferă, de ex. B. izotopii radioactivi ai elementelor vitale carbon și potasiu . Corpul uman în sine conține, de asemenea, o cantitate mică din aceste substanțe radioactive, care este menținută constant de metabolism .

• Radioactivitate naturală:
  • Radon (se poate acumula mai ales în încăperile de la subsol)
  • Potasiu -40 și alți radionuclizi din pietre și materiale de construcție
  • particule radioactive încorporate în alimente
  • conținut natural de carbon 14 în alimente și aer
• Radiația cosmică : în principal particule încărcate rapid, radiația secundară prin interacțiunea cu atmosfera ajunge la suprafața pământului; responsabil z. B. pentru expunerea la radiații în timpul traficului aerian. Sarcina crește odată cu înălțimea deasupra nivelului mării.
• Radiații de la soare : ultraviolete (UV-B este aproape complet absorbit, dar duce la arsuri solare , printre altele ; UV-C este complet absorbit în atmosferă și, prin ruperea oxigenului molecular, duce la stratul de ozon), radiația particulelor ( vântul solar ) duce la aurore.

Surse de radiații civilizatoare

Doza anuală din surse de radiații civilizatoare este în medie în aceeași ordine de mărime ca cea naturală. Ea este din

• aplicații de radiații medicale, cum ar fi raze X sau radioterapie ,
• material radioactiv eliberat în testele anterioare ale armelor nucleare sau accidente nucleare precum Cernobîl ,
• Reactoare nucleare și acceleratoare de particule .

Razele X apar, de asemenea, inevitabil ca „subprodus” în dispozitivele în care electronii sunt accelerați cu tensiune înaltă, cum ar fi ecranele tubulare , microscopii electronici , emițătoarele radar sau sistemele de sudare cu fascicul de electroni . Există o opinie în acest sens din partea Comitetului consultativ medical privind „Bolile profesionale” din cadrul Ministerului Federal German al Muncii și Afacerilor Sociale.

efect

Mărimi și unități de măsură

Doza absorbită

Doza absorbită este aceea a unui obiect iradiat, de ex B. țesut corporal, cantitate de energie absorbită pe unitate de masă pe o perioadă de stres. Depinde de intensitatea iradierii și de capacitatea de absorbție a substanței iradiate pentru tipul dat și energia radiației.

• Unitatea SI : Grey Gy; 1 Gri = 1 J / kg (radiație neponderată de la o sursă)

Doza de ioni

Doza de ioni este o măsură a puterii ionizării, exprimată prin sarcina eliberată pe masă a substanței iradiate.

• Unitate SI : C / kg ( coulomb pe kilogram )

Doza echivalentă

Doza echivalentă este o măsură a puterii efectului biologic al unei anumite doze de radiație; valabilitatea lor este limitată la utilizarea în radioprotecție . Dozele echivalente de aceeași dimensiune sunt, prin urmare, comparabile în ceea ce privește efectul lor asupra oamenilor, indiferent de tipul și energia radiației.

Echivalentul dozei se obține înmulțind doza absorbită în gri cu factorul de ponderare a radiației (denumit anterior factor de calitate), care descrie într-un mod simplificat eficacitatea biologică relativă a radiației în cauză. Depinde de tipul și energia radiației. De exemplu, factorul de ponderare a radiațiilor pentru radiațiile beta și gamma este 1; doza echivalentă în Sv este numerică egală cu doza absorbită în Gy. Pentru alte tipuri de radiații, se aplică factori de până la 20 (a se vedea tabelul cu factorul de ponderare a radiațiilor).

• Unitatea SI : Sievert Sv; 1 Sv = 1 J / kg

A se vedea, de asemenea,: ordinea de mărime (doză echivalentă)

Efect biologic

Radicalii generați de radiațiile ionizante cauzează de obicei daune mai mari prin reacții chimice ulterioare decât distrugerea primei molecule numai prin radiații. Acest efect este de dorit , de exemplu în lupta împotriva cancerului , deoarece favorizează moartea celulelor afectate, în acest caz în mod ideal celulele tumorale. Radonbalneologie seturi de gaz nobil asupra efectului terapeutic al radonului în anumite boli.

Opiniile diferă asupra gradului de nocivitate:

• Boala radiației apare din expunerea pe termen scurt de aproximativ 0,2 la 1,0  Sv . 4  Sv, deoarece iradierea pe termen scurt sunt fatale în 50% din cazuri, 7 Sv sunt cu siguranță fatale. Se manifestă printr-un sistem imunitar slăbit și arde . Fără îndoială, dintr-o doză mare de radiații (mai mare de aproximativ 2  Sv ) se distrug atât de multe molecule cu funcții biologice, încât celulele afectate nu mai sunt viabile. Prea multe substanțe toxice sunt create, de asemenea, din descompunerea moleculelor care ucid celula. La nivel molecular, printre altele, este implicat efectul dăunător al radicalilor cauzat de radioliză . Ca o consecință pe termen lung, sunt de asemenea frecvente modificările materialului genetic , care, cu o anumită probabilitate, pot duce la cancer , dar mai ales la mutații care pot duce la malformații la descendenți sau la dezvoltarea embrionilor / fetușilor, precum și la sterilitate totală (infertilitate) ) (vezi și riscul de radiații ).
• La doze medii de viață de aproximativ 0,1  Sv , care corespund aproximativ dozei pe care o persoană o ingerează în decursul a 76 de ani din cauza radiației naturale constante de (în Germania) până la 1,3 mSv / a, nu există observații izbitoare. se pare că toate ființele vii s-au adaptat la el în cursul evoluției.
• Efectele dozelor foarte mici în jurul valorii de 0,02  Sv sunt controversate:
  1. Unii experți sugerează că nocivitatea radiațiilor ionizante scade liniar cu scăderea dozei. Deoarece riscul de a muri de cancer este crescut doar cu 1 ‰ la 0,02  Sv conform modelului liniar, milioane de persoane testate ar fi necesare pentru dovezi statistice fiabile. O astfel de dovadă nu este posibilă.
  2. În mod semnificativ mai puțini oameni de știință înregistrează indicații că expunerea la radiații mai mică poate provoca, de asemenea, daune mai mari; de exemplu pentru că sistemul imunitar „adoarme” din cauza lipsei de activitate și crește susceptibilitatea la boli. Este controversat dacă o reducere a expunerii la radiații naturale poate promova boala (vezi Hormesis ).

Radiația alfa asupra țesutului viu prin puterea lor ionizante efect nociv deosebit de mare, dar are în aer o serie de doar câțiva centimetri și poate printr - o simplă foaie de hârtie complet ecranat să fie (în același scop , se întâlnesc primii fulgi de moarte ale pielii) , astfel încât emițătorii alfa care sunt localizați în afara corpului uman sunt în mare parte inofensivi. Emitenții alfa sunt periculoși atunci când intră în contact direct cu țesutul viu. O modalitate de a face acest lucru este de a inhala aerosoli care sunt absorbiți prin membranele mucoase ale căilor respiratorii; praful radioactiv este depozitat în plămâni și poate provoca cancer acolo. Datorită proprietăților sale chimice, radonul gazos nobil nu este stocat în organism, ci este pus în pericol prin decăderea radioactivă a plămânilor în timpul inhalării . Dacă un emițător alfa foarte puternic (timpul de înjumătățire de câteva zile sau mai puțin) a fost ingerat prin alimente sau injectat în sânge, chiar și câteva micrograme pot fi fatale pentru oameni.

De asemenea, radiațiile ultraviolete pot acționa ionizând, deoarece componentele cu lungime de undă mai mică, datorită stratului de ozon, ajung doar la o mică proporție a soarelui de pe suprafața pământului, cresc riscul de cancer de piele.

Alte efecte

Radiațiile ionizante pot provoca erori în circuitele microelectronice (cipuri) (erori de biți în RAM etc.). Aceste erori apar cu atât mai frecvent, cu cât taxele pe componentele respective sunt mai mici. Prin urmare, acestea sunt cele mai deranjante în structuri foarte mici. Stabilitatea împotriva unor astfel de erori este un criteriu important de proiectare. Trebuie luate măsuri de protecție adecvate, în special pentru utilizarea în spațiu.

Aplicații biologice și chimice ale radiațiilor ionizante

În biologie se utilizează în principal efectul mutant și sterilizant. În reproducerea plantelor, de exemplu, se generează „mutații induse de radiații” ( mutageneză ), care pot produce specii modificate . Un domeniu de aplicare este „ tehnologia sterilă a insectelor ”, sau SIT pe scurt. Dăunătorii masculi sunt sterilizați prin radiații gamma și apoi sunt eliberați în zona țintă. Absența descendenților duce la scăderea populației. Avantajul este că nu se utilizează substanțe chimice dăunătoare și alte insecte rămân neafectate.

Radiațiile ionizante sunt potrivite și pentru sterilizarea dispozitivelor, a implanturilor, a alimentelor și a apei potabile. Aceasta ucide microorganismele. Cu toate acestea, cerințele stricte se aplică sterilizării prin radiație a alimentelor. Creșterea unui răsad poate fi îmbunătățită prin radiații slabe, în timp ce radiațiile excesive au un efect de inhibare a creșterii.

În producția de polimeri , iradierea permite reticularea fără a genera căldură. Componentele mari pot fi, de asemenea, conectate în rețea cu radiații care pătrund departe. Printre altele, se utilizează radiația beta (materiale izolante reticulate prin radiații) și radiația ultravioletă (întărirea straturilor de lac de rășină sintetică). Când se adaugă activatori, unele reacții polimerice pot fi inițiate și prin iradiere cu lumină vizibilă.

Radiațiile ionizante pot provoca modificări de culoare în pietre prețioase, ochelari și materiale plastice pigmentate. În cristale precum corindonul , acest lucru se realizează prin crearea centrelor de culoare .

Fotolitografie (u o în .. microelectronicii - și circuitul de fabricație bord imprimate ) utilizează reacții de reticulare (pozitive rezista) sau reacții de descompunere (negativ rezista) , care sunt cauzate de ultraviolete, raze X, ion sau radiație beta.

Radiațiile ultraviolete pot folosi fără clor albire a celulozei . Componentele de colorare (murdărie) ale țesăturilor sunt descompuse chimic și transformate în substanțe volatile sau lavabile.

Protecția împotriva radiațiilor

Oamenii nu pot percepe radiațiile ionizante direct, fie din surse radioactive, fie din alte surse. Prin urmare, este necesară o atenție deosebită pentru protecția eficientă împotriva radiațiilor la manipularea materialelor radioactive. Protecția, menținerea unei distanțe mari și restricționarea duratei de timp în câmpul de radiații ( regula 3-A ), dacă este necesar, utilizarea dispozitivelor de măsurare și avertizare ( dozimetre ) sunt utile .

literatură

• Hanno Krieger: Bazele fizicii radiațiilor și ale protecției împotriva radiațiilor . Ediția a IV-a, Springer 2012, ISBN 978-3-8348-1815-7 .

Link-uri web

• „Protecția împotriva radiațiilor Glosar“ al Centrului de Cercetare Jülich a explicat mulți termeni rotunde (unități etc., termeni de doză, alfa, beta, radiații gamma, protecția împotriva radiațiilor) la radiații ionizante.

Dovezi individuale

1. ^ Heinz Otremba: Wilhelm Conrad Röntgen. O viață în slujba științei. O documentație cu apreciere științifică de Walther Gerlach . Tipografia companiei franconiene, Würzburg 1970, p. 55.
2. ^ Manualul Fizicii Oncologiei Radiațiilor AIEA, Divizia Sănătății Umane, Dozimetrie și Fizică Medicală a Radiațiilor. Capitolul 19, p. 487. Adus pe 2 martie 2015.
3. ↑ Riscuri pentru sănătate prin expunerea la niveluri scăzute de radiații ionizante Comitetul pentru evaluarea riscurilor asupra sănătății de la expunerea la niveluri scăzute de radiații ionizante, Consiliul privind efectele radiațiilor, Divizia de cercetare pe Pământ și Studii de viață, Consiliul Național de Cercetare al Academiilor Naționale. ISBN 0-309-09156-X (broșată), ISBN 0-309-53040-7 (pdf). P. 19. Accesat la 2 martie 2015.
4. ↑ Eric J. Hall, Amato J. Garcia: Radiobiology for the Radiologist, Ediția a VII-a, Lippincott Williams & Wilkins 2012, ISBN 978-1-4511-5418-4 .
5. ↑ Aviz științific despre bolile cauzate de radiațiile ionizante
6. ↑ Ray F. Evert, Susan E. Eichhorn: Meristemele anatomiei plantei Esaus, celulele și țesuturile plantelor - structura, funcția și dezvoltarea lor . Walter de Gruyter, 2009, ISBN 978-3-11-020592-3 , p. 108 ( previzualizare limitată în căutarea Google Book). 
7. ↑ Claus Grupen, Tilo Stroh, Ulrich Werthenbach: Curs de bază privind protecția împotriva radiațiilor, cunoștințe practice pentru tratarea substanțelor radioactive . Springer-Verlag, 2008, ISBN 978-3-540-75849-5 , p. 191 ( previzualizare limitată în căutarea Google Book). 
8. ↑ Heinz M. Hiersig : Ingineria producției de lexice , ingineria proceselor . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-57851-9 , p. 85 ( previzualizare limitată în căutarea Google Book). 
9. ↑ Werner Stolz: Noțiuni de bază despre radioactivitate - Măsurare - Aplicații . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-663-01497-3 , pp. 166 ( previzualizare limitată în căutarea Google Book). 
10. ↑ Hans J. Mair: Materialele plastice în dezvoltarea tehnologiei cablurilor, testarea, experiența, tendințele; cu 34 de mese . expert verlag, 1999, ISBN 978-3-8169-1511-9 , p. 279 ( previzualizare limitată în căutarea Google Book). 
11. ↑ Bodo Müller, Johann Georg Leutmann, Ulrich Poth: Formulare de vopsea și rețetă de vopsea, manualul pentru instruire și practică . Vincentz Network GmbH & Co KG, 1978, ISBN 978-3-87870-170-5 , p. 239 ( previzualizare limitată în căutarea Google Book). 
12. ↑ Florian Neukirchen: Pietre prețioase Martori strălucitori pentru explorarea pământului . Springer-Verlag, 2012, ISBN 978-3-8274-2922-3 , pp. 9 ( previzualizare limitată în căutarea Google Book). 
13. ↑ Andreas Risse: Procese de fabricație în mecatronică, inginerie de precizie și tehnologie de dispozitiv de precizie . Springer-Verlag, 2012, ISBN 978-3-8348-8312-4 , p. 524 ( previzualizare limitată în căutarea Google Book).