W dzisiejszym artykule omówimy czym jest promieniowanie jonizujące, podamy przykłady oraz wpływ promieniowania jonizującego na ludzki organizm.
Czym jest promieniowanie jonizujące?
Promieniowanie jonizujące to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego (takiego jak promieniowanie gamma i rentgenowskie) oraz cząstkowego (np. alfa i beta), które podczas przechodzenia przez różne materiały ma zdolność do wytwarzania jonów, zarówno bezpośrednio, jak i pośrednio, z wyłączeniem fotonów promieniowania ultrafioletowego.
Termin „promieniowanie” odnosi się do procesu emisji i przekazywania energii. Kiedy mówi się, że obiekt emituje promieniowanie, oznacza to, że przesyła energię. Źródłami promieniowania jonizującego mogą być różne substancje, takie jak pierwiastki lub ich chemiczne związki, określane jako promieniotwórcze lub radioaktywne, przykładowo rad 226Ra, a także urządzenia, takie jak aparaty rentgenowskie.
Rodzaje promieniowania jonizującego
Jedną z kluczowych właściwości promieniowania jonizującego jest jego zdolność do przenikania przez różne materiały, co nazywamy przenikliwością. Ta cecha zależy od rodzaju promieniowania oraz jego energii, a z reguły przenikliwość wzrasta wraz ze wzrostem energii. Zasięg promieniowania jonizującego w danym materiale można określić przez grubość warstwy tego materiału, która jest w stanie całkowicie pochłonąć to promieniowanie.
- Promieniowanie alfa (α), które składa się z szybko poruszających się jąder helu, charakteryzuje się niską przenikliwością. W powietrzu jego maksymalny zasięg wynosi zaledwie kilka centymetrów (do 10 cm), natomiast w tkankach może osiągać tylko ułamki milimetra. Promieniowanie alfa ma trudności z przenikaniem przez jedną kartkę zwykłego papieru.
- Z kolei promieniowanie beta (β), które składa się z szybko poruszających się elektronów lub pozytonów, ma mniejszą masę i ładunek elektryczny niż cząstki alfa, co skutkuje mniejszą jonizacją. W związku z tym jego zasięg jest znacznie większy – w powietrzu może być blisko 60 razy większy niż w przypadku promieniowania alfa o tej samej energii, osiągając nawet kilka metrów. Promieniowanie beta potrafi również przenikać przez osłonę metalową o grubości kilku milimetrów.
- Natomiast promieniowanie gamma (γ) oraz promieniowanie X, które są formami promieniowania elektromagnetycznego, mają bardzo wysoką przenikliwość. Potrafią przechodzić przez grube warstwy betonu czy stali, co sprawia, że trudno jest dokładnie określić ich zasięg w różnych materiałach. Z tego powodu zazwyczaj podaje się grubość warstwy materiału, która jest potrzebna, aby osłabić natężenie tego promieniowania o połowę, co nazywamy warstwą połówkową.
Wpływ promieniowania jonizującego na organizmy
Najbardziej niekorzystne skutki zdrowotne wynikające z narażenia na promieniowanie jonizujące można podzielić na dwie główne kategorie:
- Efekty deterministyczne, które są szkodliwymi reakcjami tkanek. Powstają one głównie w wyniku śmierci lub uszkodzenia komórek po wysokich dawkach promieniowania, co prowadzi do oparzeń radiacyjnych.
- Efekty stochastyczne, które obejmują rozwój nowotworów oraz choroby dziedziczne. Te efekty są związane z mutacjami komórek somatycznych, co może prowadzić do rozwoju nowotworów u osób narażonych, lub mutacjami komórek rozrodczych, co może skutkować chorobami dziedzicznymi u ich potomstwa.
Najczęściej występującym skutkiem stochastycznym jest nowotwór wywołany promieniowaniem, który może ujawnić się po wielu latach lub nawet dekadach od momentu narażenia. Przykładem jest przewlekła białaczka szpikowa, która jest jednym z czynników związanych z promieniowaniem jonizującym, chociaż większość osób cierpiących na tę chorobę nie miała kontaktu z promieniowaniem. Mechanizm tego zjawiska jest dobrze znany, jednak modele ilościowe przewidujące poziom ryzyka są wciąż przedmiotem kontrowersji.
Najbardziej uznawanym modelem jest model liniowy bez progu (LNT), który zakłada, że liczba przypadków nowotworów spowodowanych promieniowaniem jonizującym wzrasta liniowo wraz z dawką promieniowania, w tempie 5,5% na każdy siwert. Jeśli to się potwierdzi, to naturalne promieniowanie tła jest najgroźniejszym źródłem promieniowania dla zdrowia publicznego, a medyczne obrazowanie zajmuje drugie miejsce. Inne stochastyczne skutki promieniowania jonizującego to teratogeneza, spadek zdolności poznawczych oraz choroby serca.
Chociaż DNA jest zawsze narażone na uszkodzenia spowodowane promieniowaniem jonizującym, cząsteczka DNA może również ulec uszkodzeniu przez promieniowanie o wystarczającej energii, aby wzbudzić pewne wiązania molekularne, co prowadzi do powstawania dimeryzacji pirymidyn. Ta energia może być niższa niż energia jonizująca, ale zbliżona do niej.
Dobrym przykładem jest energia z zakresu ultrafioletu, która zaczyna się od około 3,1 eV (400 nm), co odpowiada energii, która może powodować oparzenia słoneczne na nieosłoniętej skórze, w wyniku reakcji fotochemicznych w kolagenie oraz, w przypadku UV-B, także uszkodzeń DNA (na przykład dimeryzacja pirymidyn). Dlatego średnie i niższe zakresy elektromagnetyczne ultrafioletu są szkodliwe dla tkanek biologicznych, ponieważ powodują wzbudzenie elektronowe w cząsteczkach, które nie osiągają jonizacji, ale wywołują podobne efekty nie-termalne.
W pewnym stopniu, światło widzialne oraz promieniowanie UV-A, które jest najbliższe energiom widzialnym, wykazały, że prowadzą do powstawania reaktywnych form tlenu w skórze, co powoduje uszkodzenia pośrednie, ponieważ są to wzbudzone elektrony, które mogą powodować uszkodzenia reaktywne, mimo że nie wywołują oparzeń słonecznych (rumienia). Podobnie jak w przypadku uszkodzeń jonizacyjnych, wszystkie te efekty w skórze są wynikiem oddziaływania wykraczającego poza proste efekty termiczne.
Zastosowanie promieniowania jonizującego
Promieniowanie jonizujące ma wiele zastosowań w przemyśle, wojsku i medycynie. Jego przydatność musi być równoważona z zagrożeniami, co z biegiem czasu uległo zmianie. Na przykład, w przeszłości w USA asystenci w sklepach obuwniczych używali promieni rentgenowskich do sprawdzania rozmiaru butów dziecięcych, ale praktyka ta została zaprzestana, gdy lepiej zrozumiano ryzyko związane z promieniowaniem jonizującym.
Promieniowanie neutronowe jest kluczowe dla działania reaktorów jądrowych oraz broni nuklearnej. Przenikająca moc promieniowania rentgenowskiego, gamma, beta i pozytonowego jest wykorzystywana w obrazowaniu medycznym, badaniach nieniszczących oraz w różnych przyrządach przemysłowych. Radioaktywne znaczniki znajdują zastosowanie w medycynie, przemyśle oraz w chemii biologicznej i radiacyjnej.
Promieniowanie alfa jest stosowane w eliminatorach ładunków statycznych oraz w czujnikach dymu. Sterylizujące działanie promieniowania jonizującego jest przydatne do dezynfekcji narzędzi medycznych, irradacji żywności oraz w metodzie sterylnych owadów. Pomiar węgla-14 jest wykorzystywany w datowaniu radiowęglowym.
Zobacz również: Komora Wilsona czyli jak zobaczyć promieniowanie