Tokom istorije života na Zemlji, organizmi su bili stalno izloženi kosmičkim zracima i radionuklidima nastalim od njih u atmosferi, kao i zračenju supstanci koje su sveprisutne u prirodi. Savremeni život se prilagodio svim karakteristikama i ograničenjima životne sredine, uključujući i prirodne izvore rendgenskih zraka.
Iako su visoki nivoi radijacije svakako štetni za organizme, određene vrste zračenja su neophodne za život. Na primjer, pozadina zračenja je doprinijela osnovnim procesima hemijske i biološke evolucije. Takođe je očigledna činjenica da se toplota Zemljinog jezgra obezbeđuje i održava toplotom raspada primarnih, prirodnih radionuklida.
Kosmički zraci
Zračenje vanzemaljskog porijekla koje neprekidno bombardira Zemlju naziva seprostor.
Činjenica da ovo prodorno zračenje do naše planete stiže iz svemira, a ne sa Zemlje, otkriveno je u eksperimentima mjerenja jonizacije na različitim visinama, od nivoa mora do 9000 m. Utvrđeno je da je intenzitet jonizujućeg zračenja smanjivao do visine od 700 m, a zatim se brzo povećavao sa usponom. Početno smanjenje se može objasniti smanjenjem intenziteta zemaljskih gama zraka, a povećanjem djelovanjem kosmičkih zraka.
Izvori rendgenskih zraka u svemiru su sljedeći:
- grupe galaksija;
- Seyfert galaksije;
- ned;
- stars;
- quasars;
- crne rupe;
- ostatci supernove;
- bijeli patuljci;
- tamne zvijezde, itd.
Dokaz takvog zračenja, na primjer, je povećanje intenziteta kosmičkih zraka uočeno na Zemlji nakon sunčevih baklji. Ali naša zvijezda ne daje glavni doprinos ukupnom fluksu, pošto su njene dnevne varijacije vrlo male.
Dvije vrste zraka
Kosmičke zrake dijele se na primarne i sekundarne. Zračenje koje nema interakciju sa materijom u atmosferi, litosferi ili hidrosferi Zemlje naziva se primarnim. Sastoji se od protona (≈ 85%) i alfa čestica (≈ 14%), sa mnogo manjim tokovima (< 1%) težih jezgara. Sekundarne kosmičke rendgenske zrake, čiji su izvori zračenja primarno zračenje i atmosfera, sastoje se od subatomskih čestica kao što su pioni, mioni ielektrona. Na nivou mora, skoro sva posmatrana radijacija se sastoji od sekundarnih kosmičkih zraka, od kojih su 68% mioni, a 30% elektroni. Manje od 1% fluksa na nivou mora čine protoni.
Primarne kosmičke zrake, po pravilu, imaju ogromnu kinetičku energiju. Oni su pozitivno nabijeni i dobijaju energiju ubrzavanjem u magnetnim poljima. U vakuumu svemira, nabijene čestice mogu postojati dugo vremena i putovati milionima svjetlosnih godina. Tokom ovog leta, oni dobijaju visoku kinetičku energiju, reda veličine 2–30 GeV (1 GeV=109 eV). Pojedinačne čestice imaju energiju do 1010 GeV.
Visoke energije primarnih kosmičkih zraka omogućavaju im da bukvalno podijele atome u Zemljinoj atmosferi kada se sudare. Uz neutrone, protone i subatomske čestice mogu se formirati laki elementi kao što su vodonik, helijum i berilij. Mioni su uvijek nabijeni i također se brzo raspadaju u elektrone ili pozitrone.
Magnetski štit
Intenzitet kosmičkih zraka naglo raste sa usponom sve dok ne postigne maksimum na visini od oko 20 km. Od 20 km do granice atmosfere (do 50 km) intenzitet opada.
Ovaj obrazac se objašnjava povećanjem proizvodnje sekundarnog zračenja kao rezultat povećanja gustine vazduha. Na visini od 20 km većina primarnog zračenja je već ušla u interakciju, a smanjenje intenziteta od 20 km do nivoa mora odražava apsorpciju sekundarnih zraka.atmosfera, što odgovara oko 10 metara vode.
Intenzitet zračenja je takođe povezan sa geografskom širinom. Na istoj visini, kosmički tok se povećava od ekvatora do geografske širine od 50-60° i ostaje konstantan do polova. Ovo se objašnjava oblikom Zemljinog magnetnog polja i distribucijom energije primarnog zračenja. Linije magnetnog polja koje se protežu izvan atmosfere obično su paralelne sa zemljinom površinom na ekvatoru i okomite na polovima. Nabijene čestice se lako kreću duž linija magnetskog polja, ali ga jedva savladavaju u poprečnom smjeru. Od polova do 60°, praktično svo primarno zračenje dopire do Zemljine atmosfere, a na ekvatoru samo čestice čija energija prelazi 15 GeV mogu prodrijeti kroz magnetni štit.
Sekundarni izvori X-zraka
Kao rezultat interakcije kosmičkih zraka sa materijom, kontinuirano se proizvodi 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 kosmičkog zračenja po visini i geografskoj širini. Oko 70% njih potiče iz stratosfere, a 30% iz troposfere.
Sa izuzetkom H-3 i C-14, radionuklidi se obično nalaze u vrlo niskim koncentracijama. Tricijum se razblaži i meša sa vodom i H-2, a C-14 se kombinuje sa kiseonikom da formira CO2, koji se meša sa atmosferskim ugljen-dioksidom. Ugljik-14 ulazi u biljke fotosintezom.
Zračenje Zemlje
Od mnogih radionuklida koji su se formirali sa Zemljom, samo neki imaju dovoljno dug period poluraspada da objasne njihovo trenutno postojanje. Da je naša planeta nastala prije oko 6 milijardi godina, trebalo bi im vrijeme poluraspada od najmanje 100 miliona godina da ostanu u mjerljivim količinama. Od do sada otkrivenih primarnih radionuklida, tri su od najveće važnosti. Izvor rendgenskog zračenja je K-40, U-238 i Th-232. Uran i torijum formiraju lanac proizvoda raspadanja koji su skoro uvek u prisustvu originalnog izotopa. Iako su mnogi radionuklidi kćeri kratkog vijeka, oni su uobičajeni u okolišu jer se stalno formiraju od dugovječnih matičnih materijala.
Drugi primordijalni dugovječni izvori rendgenskih zraka, ukratko, su u vrlo niskim koncentracijama. To su Rb-87, La-138, Ce-142, Sm-147, Lu-176, itd. Prirodni neutroni formiraju mnoge druge radionuklide, ali njihova koncentracija je 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 prisustvo fisionih produkata unutar bogatog ležišta uranijuma ukazuju na to da se spontano izazvana lančana reakcija ovdje dogodila prije otprilike 2 milijarde godina.
Iako su primordijalni radionuklidi sveprisutni, njihova koncentracija varira ovisno o lokaciji. MainRezervoar prirodne radioaktivnosti je litosfera. Osim toga, značajno se mijenja unutar litosfere. Ponekad je povezana sa određenim vrstama jedinjenja i minerala, ponekad je čisto regionalna, sa malom korelacijom sa vrstama stena i minerala.
Distribucija primarnih radionuklida i njihovih produkata raspadanja u prirodnim ekosistemima zavisi od mnogih faktora, uključujući hemijska svojstva nuklida, fizičke faktore ekosistema i fiziološke i ekološke karakteristike flore i faune. Istrošenost stijena, njihovog glavnog rezervoara, dovodi u tlo U, Th i K. U tom prijenosu učestvuju i proizvodi raspada Th i U. Iz tla biljke apsorbuju K, Ra, malo U i vrlo malo Th. Koriste kalijum-40 na isti način kao i stabilni K. Radijum, proizvod raspadanja U-238, koristi biljka, ne zato što je izotop, već zato što je hemijski blizak kalcijumu. Upijanje uranijuma i torija od strane biljaka je općenito zanemarivo jer su ovi radionuklidi obično nerastvorljivi.
Radon
Najvažniji od svih izvora prirodnog zračenja je element bez ukusa i mirisa, nevidljivi gas koji je 8 puta teži od vazduha, radon. Sastoji se od dva glavna izotopa - radona-222, jednog od proizvoda raspadanja U-238, i radona-220, nastalog tokom raspadanja Th-232.
Stjene, tlo, biljke, životinje emituju radon u atmosferu. Gas je produkt raspada radijuma i proizvodi se u bilo kojem materijalukoji ga sadrži. Budući da je radon inertan plin, može se osloboditi s površina koje dolaze u kontakt s atmosferom. Količina radona koja izlazi iz određene mase stijena ovisi o količini radijuma i površini. Što je stijena manja, više radona može osloboditi. Koncentracija Rn u vazduhu pored materijala koji sadrže radijum takođe zavisi od brzine vazduha. U podrumima, pećinama i rudnicima koji imaju lošu cirkulaciju zraka, koncentracije radona mogu dostići značajne nivoe.
Rn se prilično brzo raspada i formira brojne kćerke radionuklide. Kada se formiraju u atmosferi, proizvodi raspada radona se kombinuju sa finim česticama prašine koje se talože na tlu i biljkama, a udišu ih i životinje. Padavine su posebno efikasne u čišćenju radioaktivnih elemenata iz vazduha, ali uticaj i taloženje čestica aerosola takođe doprinose njihovom taloženju.
U umjerenim klimatskim uvjetima koncentracije radona u zatvorenom prostoru su u prosjeku oko 5 do 10 puta veće nego na otvorenom.
Tokom proteklih nekoliko decenija, čovjek je "vještački" proizveo nekoliko stotina radionuklida, povezanih rendgenskih zraka, izvora, svojstava koja imaju primjenu u medicini, vojsci, proizvodnji električne energije, instrumentaciji i istraživanju minerala.
Individualni efekti izvora radijacije koje je napravio čovjek veoma se razlikuju. Većina ljudi prima relativno malu dozu umjetnog zračenja, ali neki primaju hiljade puta više zračenja iz prirodnih izvora. Izvori koje je napravio čovjek su boljikontrolisano nego prirodno.
Izvori rendgenskih zraka u medicini
U industriji i medicini, po pravilu se koriste samo čisti radionuklidi, što pojednostavljuje identifikaciju puteva curenja sa skladišta i proces odlaganja.
Upotreba zračenja u medicini je široko rasprostranjena i ima potencijal da ima značajan uticaj. Uključuje izvore rendgenskih zraka koji se koriste u medicini za:
- dijagnostika;
- terapija;
- analitičke procedure;
- pacing.
Za dijagnostiku se koriste i zatvoreni izvori i širok izbor radioaktivnih tragova. Medicinske ustanove općenito razlikuju ove primjene kao radiologiju i nuklearnu medicinu.
Da li je rendgenska cijev izvor jonizujućeg zračenja? Kompjuterska tomografija i fluorografija su poznate dijagnostičke procedure koje se izvode uz njenu pomoć. Osim toga, postoje mnoge primjene izvora izotopa u medicinskoj radiografiji, uključujući gama i beta izvore, i eksperimentalne izvore neutrona za slučajeve kada su rendgenski aparati nezgodni, neprikladni ili mogu biti opasni. Sa stanovišta životne sredine, radiografsko zračenje ne predstavlja opasnost sve dok su njegovi izvori odgovorni i pravilno zbrinuti. U tom smislu, istorija elemenata radijuma, radonskih igala i luminiscentnih jedinjenja koja sadrže radijum nije ohrabrujuća.
Uobičajeni izvori X-zraka zasnovani na 90Srili 147 Pm. Pojava 252Cf kao prenosivog generatora neutrona učinila je neutronsku radiografiju široko dostupnom, iako općenito tehnika još uvijek jako ovisi o dostupnosti nuklearnih reaktora.
Nuklearna medicina
Glavne opasnosti po životnu sredinu su oznake radioizotopa u nuklearnoj medicini i rendgenskim izvorima. Primjeri neželjenih utjecaja su sljedeći:
- zračenje pacijenta;
- zračenje bolničkog osoblja;
- izloženost tokom transporta radioaktivnih lijekova;
- uticaj tokom proizvodnje;
- izloženost radioaktivnom otpadu.
Posljednjih godina postoji trend smanjenja izloženosti pacijenata uvođenjem izotopa kraćeg trajanja sa užim djelovanjem i upotrebom više lokaliziranih lijekova.
Kraći poluživot smanjuje utjecaj radioaktivnog otpada, jer se većina dugovječnih elemenata izlučuje preko bubrega.
Izgleda da uticaj kanalizacije na životnu sredinu ne zavisi od toga da li je pacijent bolnički ili ambulantni. Iako je većina ispuštenih radioaktivnih elemenata vjerovatno kratkog vijeka, kumulativni efekat daleko premašuje nivoe zagađenja svih nuklearnih elektrana zajedno.
Radionuklidi koji se najčešće koriste u medicini su rendgenski izvori:
- 99mTc – skeniranje lobanje 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 zrnaca ili sekvestracije, volumena krvi;
- 57Co - Schilling test;
- 32P – metastaze u kostima.
Široko rasprostranjena upotreba postupaka radioimunih testova, analiza urina i drugih istraživačkih metoda koji koriste označena organska jedinjenja značajno je povećala upotrebu tečnih scintilacionih preparata. Organske otopine fosfora, obično na bazi toluena ili ksilena, predstavljaju prilično veliku količinu tekućeg organskog otpada koji se mora odložiti. Prerada u tečnom obliku je potencijalno opasna i ekološki neprihvatljiva. Iz tog razloga se preferira spaljivanje otpada.
Budući da se dugovječni 3H ili 14C lako rastvaraju u okolini, njihova izloženost je unutar normalnog raspona. Ali kumulativni efekat može biti značajan.
Još jedna medicinska upotreba radionuklida je upotreba plutonijumskih baterija za napajanje pejsmejkera. Hiljade ljudi danas su žive jer ovi uređaji pomažu njihovom radu srca. Zatvoreni izvori 238Pu (150 GBq) su hirurški implantirani pacijentima.
Industrijski rendgenski zraci: izvori, svojstva, primjene
Medicina nije jedina oblast u kojoj je ovaj deo elektromagnetnog spektra našao primenu. Radioizotopi i izvori rendgenskog zračenja koji se koriste u industriji predstavljaju značajan dio tehnogenog zračenja. Primjeri primjene:
- industrijska radiografija;
- mjerenje zračenja;
- detektori dima;
- samosvetleći materijali;
- Rentgenska kristalografija;
- skeneri za pregled prtljage i ručne prtljage;
- x-ray laseri;
- synchrotrons;
- ciklotroni.
Budući da većina ovih aplikacija uključuje upotrebu inkapsuliranih izotopa, izloženost radijaciji se javlja tokom transporta, prijenosa, održavanja i odlaganja.
Da li je rendgenska cijev izvor jonizujućeg zračenja u industriji? Da, koristi se u aerodromskim sistemima za ispitivanje bez razaranja, u proučavanju kristala, materijala i struktura i u industrijskoj kontroli. Tokom proteklih decenija, doze izlaganja radijaciji u nauci i industriji dostigle su polovinu vrednosti ovog pokazatelja u medicini; stoga je doprinos značajan.
Inkapsulirani izvori X-zraka sami po sebi imaju mali efekat. Ali njihov transport i odlaganje su zabrinjavajući kada se izgube ili greškom bace na deponiju. Takvi izvoriX-zrake se obično isporučuju i ugrađuju kao dvostruko zatvoreni diskovi ili cilindri. Kapsule su napravljene od nerđajućeg čelika i zahtevaju periodičnu proveru na curenje. Njihovo odlaganje može biti problem. Kratkotrajni izvori se mogu skladištiti i degradirati, ali čak i tada moraju biti propisno evidentirani, a zaostali aktivni materijali moraju biti odloženi u licenciranom objektu. U suprotnom, kapsule treba poslati u specijalizovane ustanove. Njihova snaga određuje materijal i veličinu aktivnog dijela rendgenskog izvora.
Lokacije izvora rendgenskih zraka
Sve veći problem je bezbedna dekomisijacija i dekontaminacija industrijskih lokacija na kojima su radioaktivni materijali skladišteni u prošlosti. To su uglavnom starija postrojenja za nuklearnu preradu, ali je potrebno uključiti i druge industrije, kao što su postrojenja za proizvodnju samosvjetlećih tricijumskih znakova.
Dugovječni izvori niskog nivoa, koji su široko rasprostranjeni, predstavljaju poseban problem. Na primjer, 241Am se koristi u detektorima dima. Osim radona, ovo su glavni izvori rendgenskog zračenja u svakodnevnom životu. Pojedinačno, ne predstavljaju nikakvu opasnost, ali značajan broj njih može predstavljati problem u budućnosti.
Nuklearne eksplozije
Tokom posljednjih 50 godina, svi su bili izloženi zračenju od padavina uzrokovanih testiranjem nuklearnog oružja. Njihov vrhunac je bio na1954-1958 i 1961-1962.
1963. godine, tri zemlje (SSSR, SAD i Velika Britanija) potpisale su sporazum o djelomičnoj zabrani nuklearnih proba u atmosferi, okeanu i svemiru. Tokom naredne dve decenije, Francuska i Kina su sprovele niz mnogo manjih testova, koji su prekinuti 1980. Podzemni testovi su još uvek u toku, ali uglavnom ne proizvode padavine.
Radioaktivna kontaminacija iz atmosferskih testova pada u blizini mjesta eksplozije. Neki od njih ostaju u troposferi i vetar ih prenosi širom sveta 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 širom planete.
Radioaktivne padavine uključuju nekoliko stotina različitih radionuklida, ali samo nekoliko njih može utjecati na ljudsko tijelo, tako da 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 ugljen-14, sa poluživotom od 5730, ostati aktivan daleko u budućnosti.
Nuklearna energija
Nuklearna energija je najkontroverzniji od svih antropogenih izvora zračenja, ali vrlo malo doprinosi uticaju na zdravlje ljudi. Tokom normalnog rada nuklearna postrojenja ispuštaju zanemarljive količine radijacije u okoliš. februar 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 uranijumske rude i nastavlja se proizvodnjom nuklearnog goriva. Nakon upotrebe u elektranama, gorivne ćelije se ponekad ponovo obrađuju kako bi se povratio uranijum i plutonijum. Na kraju, ciklus se završava odlaganjem nuklearnog otpada. U svakoj fazi ovog ciklusa, radioaktivni materijali mogu biti oslobođeni.
Otprilike polovina svjetske proizvodnje rude uranijuma dolazi iz otvorenih kopa, a druga polovina iz rudnika. Zatim se drobi u obližnjim drobilicama koje proizvode veliku količinu otpada - stotine miliona tona. Ovaj otpad ostaje radioaktivan milionima godina nakon što postrojenje prestane sa radom, iako je radijacija vrlo mali dio prirodne pozadine.
Nakon toga, uranijum se daljem preradom i prečišćavanjem u postrojenjima za obogaćivanje pretvara u gorivo. Ovi procesi dovode do zagađenja vazduha i vode, ali su oni mnogo manji nego u drugim fazama ciklusa goriva.
