Radiatiile si radioprotectia

Informatii » scoala » fizica

biologiebotanicachimieculturadidacticadiversefilm fotografiefizicageografiegradinitainformaticaistoriematematicamuzicapsihicsport

RADIATIILE SI RADIOPROTECTIA

Structura energetica a nucleului

Modele atomice

Din structura atomo-moleculara cunoastem ca orice substanta este formata din molecule, iar acestea la randul lor sunt formate din atomi (athomos = indivizibil).

Atomul avand o structura ceva mai stabila, el a fost considerat multa vreme indivizibil si fara structura interna. La inceputul secolului XX, a fost pus in evidenta caracterul sa complex, pentru a carui studiere au fost construite diferite modele, capabile sa permita intelegerea fenomenelor care se petrec la scara atomica.

[A] Modelul J. J. Thomson (1903)

Ø pleaca de la legea interactiunii dintre sarcinile electrice

Ø concepe modelul sub forma de sfera, care cuprinde o

sarcina electrica pozitiva, uniform distribuita, iar in

interiorul acesteia se gasesc electronii intr-o continua

miscare.

Ø modelul a putut explica anumite fenomene legate de

atom, dar ulterior s-a dovedit a fi nepotrivit pentru

interpretari cu caracter mai general, fiind abandonat,

mai ales ca repartizarea sarcinilor electrice nu avea nici o baza experimentala.

[B] Modelul Rutherford (1906) - modelul planetar

Ø atomul este un sistem electric neutru, format dintr-un numar de sarcini negative si un nucleu central cu sarcina pozitiva.

Ø intreaga sarcina pozitiva si aproape intreaga masa a atomului sunt concentrate in nucleu - care are diametrul de aproximativ 10^-15m.

Ø intre nucleu si electroni exista forte de atractie si respingere coulombiana, ceea ce confera stabilitate atomului.

Ø deficientele modelului: modelul este conceput pe baza legilor clasice ale mecanicii si electromagnetismului; conform legilor electromagnetismului orice sarcina electrica ce se misca accelerat, emite continuu radiatii electromagnetice (unde) pierzand continuu energie si apropiindu-se din ce in ce mai mult de nucleu, in cele din urma cazand pe acesta, lucru care nu se intampla, deoarece stim ca atomul este stabil.

[C] Modelul cuantificat Bohr (1913)

Ø se bazeaza pe modelul Rutherford, dar pe baza urmatoarelor postulate:

a) electronii se misca in jurul nucleului numai pe anumite orbite, de energii bine definite, numite orbite stationare, iar miscarea electronilor pe orbitele stationare se face fara absorbtie sau emisie de energie.

b) la tranzitia unui electron de pe o orbita stationara pe alta, se emite sau absoarbe o cantitate de energie egala cu diferenta energiilor corespunzatoare celor doua orbite:

hn = E_n - E_m; unde h = constanta lui Planck, n = frecventa radiatiei emise.

[D] Modelul lui Sommerfeld (1916)

e^-

 

Ø se admite ca un electron in miscare descrie

pe langa orbite circulare si orbite eliptice;

avand r = raza vectoare, j = unghiul descris

de raza vectoare; F₁ = unul din focarele

elipsei.

Ø modelul pastreaza orbitele indicate de Bohr,

dar adauga fiecareia dintre ele (n - 1) orbite

eliptice.

Izotopii - sunt atomi ai aceluiasi element care ocupa toti acelasi loc in tabelul lui Mendeleev dar au mase atomice diferite (A - acelasi, Z - diferite); nucleele izotopilor au acelasi numar de protoni, dar au numar diferit de neutroni, ei au aceleasi propietati chimice, dar proprietatile lor fizice difera destul de mult.

Orice atom se reprezinta ^A_ZX ^{numarul de masa}_{numarul atomic} (izos = acelasi; topos = loc)

Exemple: carbon: ¹²C, ¹³C, ¹⁶C; oxigen ¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁴O; plumb ²⁰⁴Pb, ²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb, ²⁰⁸Pb;

hidrogen ¹H, ²H = D = deuteriu, ³H = T = tritiu.

A = nr. de masa = nr. intreg cel mai apropiat de masa atomica

Z = nr. atomic = nr. de ordine din sistemul periodic (Mendeleev)

Nucleul atomic

Este constituit din particule care se numesc nucleoni; acestia fiind protonii cu sarcina electrica pozitiva (+e) cu masa m_p = 1,007597u si neutronii care sunt neutrii din punct de vedere electric cu masa m_n = 1,008987u

Pentru nucleu: Z - exprima numarul protonilor din nucleu, iar A - numariul total de nucleoni, adica (A - Z) neutroni.

Masa nucleului este suma maselor protonilor si neutronilor, deci

m = Z.m_p + (A - Z)m_n adica m = m_p + m_n

Prin metoda spectroscopiei de masa, s-au determinat masele diferitelor nuclee M (cu o precizie de pana la 5 zecimale) si cele calculate prin suma maselor protonilor si neutronilor, aparand o diferenta de masa Dm = m - M = Zm_p + (A - Z)m_n - M care se mai numeste si defect de masa.

Energia de legatura:

Fortele nucleare sunt fortele de atractie dintre nucleoni, sunt de natura electromagnetica si sunt forte specifice nucleului. Aceste forte sunt mult mai mari decat fortele de respingere coulombiene dintre protoni.

Interactiunea dintre nucleoni se realizeaza prin intermediul unui camp nuclear, numit camp mezonic. La formarea unui nucleu atomic din nucleoni, fortele nucleare efectueaza un lucru mecanic si de aceea la formarea nucleului se elibereaza energie. O parte din aceasta energie eliberata este preluata de nucleu sub forma de energie cinetica, iar restul este radiat prin fotoni g

Energia de legatura este energia necesara pentru desfacerea nucleului in nucleoni. Energia de legatura a nucleului cu masa de repaus M, are expresia, data de relatia:

W = [Z.m_p + (A - Z)m_n].c² - M.c² si este exprimata in MeV = megaelectron - volt.

Eliberarea energiei nucleare

In toate reactiile nucleare energia totala se conserva, adica, energia totala a particulelor care participa la reactie este egala cu energia totala a particulelor care ies din reactie: E₀₁ + E₁ = E₀₂ + E₂, unde E₀₁, E₁ - este energia de repaus, respectiv energia cinetica care intra in reactie; E₀₂, E₂ - este energia de repaus si cinetica a produselor de reactie (E₁ ¹ E₂).

Energia de reactie Q este diferenta dintre energia cinetica E₂ a produselor de reactie si energia cinetica E₁ a particulelor intrate in reactie: Q = E₂ - E₁, sau Q = E₀₁ - E₀₂ = m₀₁.c² - m₀₂.c²

a)     Daca Q < 0, avem reactii endoenergetice, care se petrec numai cu absorbtia unei parti din energia cinetica a particulelor incidente.

b)     Daca Q > 0, avem reactii exoenergetice, in care se elibereaza energie nucleara sub forma de energie cinetica

Reactiile nucleare sunt transformarile nucleelor ca rezultat al actiunii unor particule din exterior. Un nucleu tinta este supus bombardarii cu o particula proiectil si ca urmare se formeaza un nou nucleu (nucleu produs) si o alta particula.

Radioactivitatea

Fizica nucleara se ocupa cu studiul nucleului atomic, privind structura si transformarile nucleului, interactiunile dintre nucleu si particule.

Nuclidul este o specie de nuclee caracterizata printr-un anumit numar de masa si un anumit numar atomic. Numarul de masa A al unui nuclid este egal cu suma maselor protonilor si neutronilor din nucleu, iar numarul atomic Z egal cu numarul de protoni din nucleu.

Descoperirea radioactivitatii: in 1886 Henry Becquerell a observat ca o sare de uraniu impresioneaza o placa fotografica, chiar daca este invelita in hartie neagra, iar Marie si Pierre Curie (1898); Rutherford si Soddy (1902) au observat acest fenomen pentru saruri de uraniu. Sarea de uraniu emite radiatii care trec usor prin hartie, dar intensitatea radiatiei emise de diversele saruri ale uraniului depinde numai de numarul atomilor de uraniu existenti si nu depinde de felul combinatiei chimice in care se gasesc acesti atomi; radiatiile emise sunt ale atomilor de uraniu.

Radioactivitatea este proprietatea nucleelor unor elemente, de a emite radiatii in mod continuu si spontan. Avem doua tipuri de radioactivitate: naturala - cand are loc emisie de radiatii in mod spontan si artificiala - cand emisia este provocata, prin bombardarea cu particule a sau neutroni.

Radioactivitatea naturala

Radiatiile X sau Röntgen, care au fost descoperite de Wilhwlm Conrad Röntgen (1845 - 1923); folosind tuburi röntgen - care constau dintr-o incinta vidata in interiorul careia avem doi electrozi: anodul A(+) si catodul C(-). Catodul este incalzit si datorita

Radiatii X

Catod Anod

- Zeci de kV +

agitatiei termice a electronilor in jurul lui

se formeaza un strat subtire de electroni.

Prin aplicarea de tensiuni de zeci de kV

intre anod si catod, tensiuni care obliga

deplasarea electronilor catre anod,

catodul avand forma unei oglinzi sferice

pentru ca electronii emisi sa fie focalizati

pe o suprafata mica a anodului A.

Energia electronilor care patrund in

interiorul anodului scade prin franarea lor in interiorul anodului, aceasta energie pierduta prin franare este preluata partial de o noua radiatie numita radiatie X.

Radiatiile X sunt radiatiile emise de atomii unui corp, cand acestia interactioneaza cu electroni rapizi.

Proprietatile radiatiilor X Ø se propaga in vid cu viteza luminii (3.10⁵km/s); Ø impresioneaza placa fotografica; Ø nu sunt deviate in campuri electrice si magnetice;

Ø produc fluorescenta unor substante (ex. sulfura de zinc primeste o culoare galben verzuie); Ø sunt invizibile (nu actioneaza asupra ochiului - nu impresioneaza ochiul);

Ø patrund cu usurinta prin corpuri care sunt opace pentru lumina; Ø sunt absorbite de metale cu densitate mare (ex. plumbul), puterea de penetratie depinde de masa atomilor

substantei si de grosimea stratului de substanta; Ø ionizeaza gazele prin care trec; fiind folosite la detectoare de radiatii; Ø au actiune fiziologica, distrugand celule organice, fiind nocive pentru om; de aceea se folosesc in tratarea tumorilor canceroase, distrugand celulele bolnave.

Aplicatiile radiatiilor X - in radioscopii si in radiografii:

J daca obiectul de studiat se aseaza intre sursa de raze X si un ecran fluorescent

atunci avem radioscopie

J daca obiectul de studiat este asezat intre sursa de raze x si o placa fotografica,

atunci avem radiografie.

Dezintegrare radioactiva

Toate elementele care prezinta fenomenul de radioactivitate se numesc elemente radioactive, ca de exemplu: Ra, U, Po, Th, etc.

Pentru a stabili natura radiatiilor emise, se

actioneaza cu un camp magnetic asupra

fasciculului dirijat de radiatii, capsula de plumb

ce contine proba de uraniu se aseaza intr-un

camp magnetic (in figura alaturata acesta este

perpendicular pe planul figurii).

Radiatiile ⁴₂a º ⁴₂He

sunt nuclee de heliu; au viteza de penetrare

de aproximativ 2.10⁴km/s; sunt puternic

ionizante; sunt obtinute prin expulzarea de

catre nucleu a unei particule formata din doi protoni si doi neutroni; au energii cuprinse intre 3 si 6 MeV; sunt caracteristice nucleelor grele; la trecerea prin substanta sunt imprastiate si pot produce reactii nucleare; in aer strabat distante intre 3 - 10cm, in aluminiu aproximativ 0,02mm si pot fi oprite de straturi de substanta cu grosimea de zecimi de milimetru; procesul prin care un nucleu emite o particula a, se numeste dezintegrare a, ^A_Z X ⁴₂a + ^A-4_Z-2Y, ca de exemplu ²²⁶₈₈Ra ⁴₂a + ²²²₈₆Rn

Radiatiile ⁰_-1b º ⁰_-1e

sunt fascicule de electroni; au viteze mari de propagare, de aproximativ 29.10⁴km/s; au putere mare de patrundere, de aproximativ 100 ori decat radiatiile a au energii de aproximativ 5MeV; consta din emiterea de electroni rapizi de catre nuclee; se explica prin transformarea neutron - proton; procesul prin care un nucleu emite o particula b, se numeste dezintegrare b ^A_ZX ⁰_-1b + ^A_Z+1Y; ²¹⁰₈₂Pb ⁰_-1b + ²¹⁰₈₃Bi.

Radiatiile gama (g

sunt radiatii de natura electromagnetica (lumina); au viteza de propagare de 3.10⁵km/s; au putere mare de patrundere; apar si sunt emise la trecerea dintr-o stare instabila (excitata) intr-o stare stabila: ¹⁹⁸₈₀Hg^* g + ¹⁹⁸₈₀Hg; nu sunt deviate de campuri electrice si magnetice (nu au sarcina electrica); au puterea de ionizare mica; se explica prin existenta unor nivele de energii diferite in nuclee; cand un nucleu emite radiatii a sau b el ramane intr-o stare excitata, iar prin revenire la starea fundamentala, diferenta de energie este redata sub forma radiatiilor gama.

Observatie: Toate radiatiile a b, si g sunt invizibile, fara gust si miros, dar au actiune puternica.

Radioactivitatea artificiala

Irène si Joliot Curie au observat ca unele elemente care sunt bombardate cu particule a sau neutroni emit spontan radiatii nucleare, iar nucleul format prin transformarea nucleara este radioactiv si nu stabil. Acest gen de radioactivitate se numeste radioactivitate indusa sau radioactivitate artificiala.

Exemple:

Ø bombardarea aluminiului cu particule a, prin producerea a doua reactii nucleare:

²⁷₁₃Al + ⁴₂a ³⁰₁₅P^* + ¹₀n iar ³⁰₁₅P^{* 30}₁₄ + ⁰₊₁b unde ³⁰₁₅P^* este un izotop radioactiv artificial al fosforului, iar ⁰₊₁b este pozitronul.

Ø dezintegrarea b , data de formula ^A_ZX ^A_Z-1Y + ⁰₊₁e + n , nucleul rezultat este izobar, avand numarul de ordine mai mic cu o unitate (o casuta) la stanga nucleului parinte in tabelul lui Mendeleev.

Ø captura electronica, data de relatia ^A_ZX + ⁰_-1e ^A_Z-1Y + n, iar ca exemple avem:

³⁰₁₅P ³⁰₁₄Si + b⁺¹ n ¹⁴₇N ¹³₆C + b⁺¹ n

Efectele biologice ale radiatiilor - radioprotectia

"Fara radiatii nu am fi fost si nu am putea fi, dar cu prea multe radiatii nu putem trai"

Activitatea vitala a tuturor sistemelor organizate biologic si in special a omului, se desfasoara intr-un univers supus actiunii unei multiple si variate game de radiatii, de la cele sesizabile direct cu simturile noastre, pana la cele sesizabile doar prin intermediul unei aparaturi, uneori foarte complicate.

Mediul inconjurator contine surse naturale de radiatii, existente de miliarde de ani pe planeta Pamant inca de la formarea acestuia, insotind aparitia si evolutia vietuitoarelor, inclusiv a omului. Prin activitatea sa economica si sociala de-a lungul timpului, omul a modificat si modifica sursele naturale de radiatii, creand astfel o radioactivitate naturala suplimentara.

Radiatiile sunt de origine si natura foarte variate, clasificandu-le astfel:

u radiatii electromagnetice, X sau g de inalta frecventa, avand aceiasi natura ca lumina

v radiatii corpusculare incarcate electric: a b, ioni accelerati

w radiatii corpusculare neutre electric: neutroni.

Radiatiile nucleare pot actiona asupra organismului in trei moduri: actiune directa, actiune indirecta si actiune la distanta.

Prin actiune directa sunt lezate macromoleculele de mare importanta, chiar vitala (proteine, acizi nucleici) care sufera transformari datorita ionizarii sau excitarii directe.

Actiunea indirecta este datorata elementelor care apar in urma proceselor radiochimice. Mediul principal in care se desfasoara procesele biologice fiind apa, efectele apar datorita ionizarii acesteia (apar ioni sau radicali) care actioneaza ca agenti oxidanti si reducatori asupra unor componente esentiale celulare, perturband functionarea normala a acestora.

Efectele biologice care apar in urma iradierii, sunt dependente de: doza de radiatii si debitul dozei. Efectele biologice ale radiatiilor pot fi grupate astfel:

N Efecte somatice - care apar la nivelul celulelor somatice si actioneaza asupra fiziologiei individului expus, provocand distrugeri care duc fie la moartea rapida, fie la reducerea semnificativa a sperantei medii de viata. Leziunile somatice apar in timpul vietii individului iradiat si pot fi imediate sau tardive - efectele somatice imediate sau pe termen scurt, se manifesta la cateva zile , saptamani sau luni de la iradiere. Aceste efecte sunt de regula nestochastice (nealeatorii) adica se produc la toti indivizii expusi la o doza superioara dozei de prag. Efectele somatice tardive sunt cele care apar dupa o perioada mai lunga de timp, de ordinul anilor, numita perioada de latenta si se manifesta in special sub forma de leucemie sau cancer. Aceste efecte sunt de natura stochastica (intamplatoare) in sensul ca este imposibil de evidentiat o relatie cauzala directa - probabilitatea producerii unui efect este proportionala cu doza de iradiere.

N Efecte genetice - care apar in celulele germinale sexuale din testicule sau ovare - aceste mutatii letale sau subletale la descendenti se datoreaza unor efecte imediate ale radiatiilor cum ar fi: alterarea cromozomilor (translocatii, aparitia de extrafragmente) ruperea unor segmente de cromatina, alterarea chimica a codului genetic, fie prin actiunea radicalilor liberi asupra bazelor azotate ale acizilor nucleici, fie prin ruperea lantului acelorasi acizi. Gravitatea efectelor mutagene apare prin transmiterea la descendenti a unor translocatii cromozomiale, efect biologic, care apare si la doze mai mici.

Dozele de radiatii care pot produce aparitia unui minim de mutatii intr-o generatie de indivizi, intr-un ecosistem, daca sunt mentinute in permanenta pot conduce la adevarate catastrofe ecologice in generatiile urmatoare.

Dozimetrie si radioprotectie

Dozimetria - reprezinta totalitatea metodelor de determinare cantitativa a dozelor de radiatii in regiunile in care exista sau se presupune ca exista un camp de radiatii, cu scopul de a lua masuri adecvate pentru protectia personalului ce isi desfasoara activitatea in acea zona.

Radioprotectia = totalitatea metodelor si mijloacelor de reducere a efectelor nocive ale radiatiilor. Sursele de iradiere pot fi: surse externe - aflate in afara organismului si surse interne - aflate in interiorul organismului.

Ø Protectia impotriva efectelor nocive ale radiatiilor, produse de sursele externe, poare fi:

protectie fizica - realizata prin mijloace de reducere a dozei de expunere, ca: distanta, ecranarea, timpul de expunere; protectie chimica - prin folosirea unor substante chimice (cistamina, gamofos, etc.), care se administreaza inainte sau dupa iradierea persoanei; protectie biochimica - realizata prin folosirea unor preparate sau macromolecule biologice (sange, plasma, etc.) care administrate imediat dupa iradiere, ajuta la refacerea celulara; protectie biologica - se realizeaza prin transplantul de celule viabile in maduva (hematoformatoare).

Ø Reducerea gradului de contaminare radioactiva se poate realiza prin: decontaminare - indepartarea izotopilor radioactivi din tubul digestiv (cu alginat de sodiu, fosfat de aluminiu, etc.) si din arborele traheobronsic (prin spalari cu ser fiziologic; decorporare - eliminarea izotopilor radioactivi fixati in diferite organe (cu sare de Zn sau Ca a acidului dietilen - triamino - pentaacetic); dilutie izotopica - administrarea iodurii de potasiu impotriva Iodului - 131, consumarea unor cantitati mari de apa pentru reducerea fixarii tritiului in organism, etc.

Masurile de radioprotectie, pot fi grupate in: J masuri preventive; J masuri de supraveghere; J masuri de limitare si lichidare.

Efectul nociv al radiatiilor asupra materiei vii este datorat proprietatii de a ioniza mediul prin care trec, ionizarea fiind modul dominant de pierdere a energiei de catre radiatii cand traverseaza mediul material. Materia vie este caracterizata prin existenta unor molecule deosebit de mari ale caror proprietati si functionalitate biochimica pot fi ireversibil perturbate. Astfel, un act de ionizare, de trecere a unui electron pe un alt nivel in acest ansamblu, sau de smulgere a lui, provoaca mari schimbari in caracteristicile moleculei respective, schimbari care acumulate la nivelul celulei se pot traduce prin grave dereglari ale metabolismului, culminand cu moartea celulei sau cu erori de structura si functionare a aparatului genetic celular, de tip cancerigen sau mutagen.

Marimi si unitati legate de efectul biologic al radiatiilor

Doza de iradiere - este cantitatea de energie cedata unitatii de masa D = dW/dm;

< D >_SI = 1Grey = 1Gy = 1J/kg; < D >_tot = 1rad (rad-ul) = 10^-2J/kg; (rad = Radiation Absorbed Doze = doza de radiatii absorbita) ; 1 rad = 10^-2Gy

Expunerea (dQ/dm) - sarcina electrica totala a ionilor de un semn produsa in urma iradierii in unitatea de masa. Unitatea de masura este röntgen-ul R

Echivalentul de doza H = Q.D, unde Q este factorul de calitate al radiatiei

< H >_SI 1Sv (Sievert); < H >_tot = 1Rem; (rem = Röntgen Equivalent Man = röntgenu echivalent pentru om); 1 rem = 10^-2Sv

Marimile dozimetrice mentionate se refera la un timp de expunere oarecare. Daca se raporteaza efectul la unitatea de timp se definesc:

Debitul dozei d = dS/dt; < d >_SI = J/kg.s

Debitul echivalentului de doza h = dH/dt   < h >_SI = 1Sv/s

Doza permisa pentru o persoana in functie de varsta, se calculeaza cu formula:

D_max = 5(N - 18)rem, unde N - numarul de ani ai persoanei.

Metodele de protectie contra radiatiilor se impart in:

© Metode active - cand sursa radioactiva este inconjurata cu ecrane absorbante, care reduc mult intensitatea radiatiilor emergente, deci asigura securitatea celor ce se afla la limita exterioara a ecranelor.

Metode pasive - cand se iau masuri de genul:

V persoanelor li se fixeaza durate limitate de lucru in spatiul respectiv

V li se dau alimente, medicamente antidot, mijloace de protectie individuala, etc.

Din cercetari medicale rezulta ca:

Q doza minima de iradiere globala a intregului organism este sub 20 Rem

Q intre 75 - 150 Rem apare boala actinica, cu riscul cazurilor mortale la doza superioara

Q peste 700rem au efect letal.

Datorita efectului cumulativ al iradierii, normele prevad ca o persoana care la o singura iradiere a acumulat toata doza permisa, sa zicem intr-un an, nu mai are voie sa suporte alta iradiere in acel an. Iradierea accidentala cumulata maxima admisa este de 25Rem. Datorita efectelor genetice, pentru femeile gravide, dozele admise sunt mai mici fata d cele aratate mai sus. Deoarece nu toate partile organismului sunt la fel de rezistente la iradiere, s-au stabilit doze maxime pentru diferite organe si parti ale organismului, precum si cazul in care radiatia nu atinge intregul organism, ci doar portiuni din el.