Radioactivitatea
Concepte şi mărimi
Materia se compune din elemente, iar elementele se compun din atomi. Atomii conţin un nucleu şi un număr oarecare de electroni care au sarcină electrică negativă. Nucleul conţine protoni, cu sarcina electrică pozitivă, şi neutroni, fără sarcină electrică. Numărul protonilor este egal cu numărul electronilor şi este numit număr atomic (de exemplu oxigenul are numărul atomic 8). Masa atomului este practic concentrată în nucleu, numărul de protoni plus neutroni din acesta se numeşte număr de masă. În aceste condiţii, speciile de atomi sunt diferenţiate după numărul atomic şi numărul de masă, sau mai simplu, după numele elementului şi numărul de masă. Astfel caracterizaţi, atomii se numesc nuclizi. De exemplu, Carbonul-12 este un nuclid cu 6 protoni şi 6 neutroni, Plurnbul-208 este un nuclid cu 82 protoni şi 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 şi deuteriu şi hidrogen-3, numit şi tritiu. Nuclizii pot fi stabili sau instabili. Din cei circa 1700 nuclizi cunoscuţi, aproximativ 280 sunt stabili, restul se transformă în mod spontan in nuclizii altui element iar în timpul transformării emit radiaţie. Aceasta proprietate se numeşte radioactivitate, transformarea se numeşte dezintegrare, iar nuclidul spunem ca este un radionuclid. De exemplu, Carbonul-14 este un radionuclid care se dezintegrează în Azot-14, care este stabil, iar Bariul-140 se dezintegrează in radionuclidul Lantan-140 iar acesta, la rândul sau, în nuclidul stabil Ceriu-140.
Radiaţiile emise de radionuclizi sunt: particule a, particule b şi fotoni g. Un alt tip de radiaţie este şi radiaţia X, care se produce in urma bombardări cu electroni a unei ţinte metalice aflate în vid. Radiatule X au proprietăţi similare cu radiaţiile Y.
Tot în categoria radiaţiilor mai pot fi înscrise radiaţiile cu neutroni. Neutronii sunt eliberaţi de nuclizi, de obicei, în urma bombardării cu particule a sau b.
Energia cu care sunt emise radiaţiile se măsoară in electronivo1ţi (eV) şi reprezintă energia câştigată de un electron când străbate o diferenţă de potenţial de un volt. Un multiplu al acestei unităţi de măsură este milion-electron-voltul (MeV); 1 MeV=106 eV.
Activitatea unei cantităţi de radionuclid (rata de producere a dezintegrărilor naturale) se măsoară in becquerel (Bq). Un becquerel este egal cu o dezintegrare într-o secundă. În mod normal se utilizează MBq (megabecquerelul), care este egal cu un milion de becquereli. Timpul necesar ca activitatea unui radionuclid să scadă Ia jumătate prin dezintegrare se numeşte timp de înjumătăţire şi are simbolul T1/2. Radiaţiile sunt detectate şi măsurate de: filmele fotografice, substanţele termoluminiscente, contorii Geiger şi detectoarele cu scintilaţii. Măsurătorile făcute se pot interpreta in termenii dozei de radiaţie absorbita de organism sau de o anumită parte a corpului. Doza absorbită se măsoară in gray (Gy) şi reprezintă energia cedata de radiaţie unităţi de masă a substanţei prin care trece (de exemplu ţesutul). Un gray corespunde unui joule pe kilogram. Frecvent, se folosesc submultipli ai grayului, cum este mGy, care reprezintă a milioana parte dintr-un Gy. Dozele absorbite egale au efecte biologice egale. Astfel, un gray de radiaţie a intr-un ţesut este mai periculos decât un gray de radiaţie b, care are o sarcină electrică mai mică şi se deplasează mai rapid. Din acest motiv s-a introdus o alta unitate de măsura, sievert(Sv), care este egală cu doza absorbită înmulţită cu un factor care ţine seama de modul în care o anumită radiaţie îşi distribuie energia în ţesut. Această mărime se numeşte echivalentul dozei. Pentru particulele b, fotonii g şi radiaţiile X, factorul este egal cu unitatea. Pentru particulele a factorul este 20, deci 1 Gy de radiaţie a corespunde unui echivalent al dozei de 20 Sv; 1 Sv de radiaţie a produce aceleaşi efecte asupra organismului uman sau animal ca 1 Sv radiaţie b,a sau X. Pe de altă parte, în organism, ace1aşi tip de radiaţie are implicaţii diferite in funcţie de organul atacat. Astfel, o iradiere cu particule a plămânului este mult mai gravă decât iradierea cu aceleaşi particule a oaselor. Pentru a tine seama de acest atac diferit se utilizează pentru organism aşa-numitu1 echivalent al dozei efectiv. Echivalentul dozei efectiv se calculează ca sumă a produselor dintre echivalentul dozei fiecărui organ din corp şi un factor de pondere asociat acelui organ. Factorii de pondere pentru om sunt prezentaţi în tabelul de mai jos.
| Nr. Crt | Ţesutul sau organul | Factor |
| 1 | Plămânii | 0,12 |
| 2 | Sânii | 0,15 |
| 3 | Testiculele şi ovarele | 0,25 |
| 4 | Măduva osoasă | 0,23 |
| 5 | Suprafaţa oaselor | 0,03 |
| 6 | Ficatul | 0,06 |
| 7 | Tiroida | 0,03 |
| 8 | Restul organismului | 0,24 |
De exemplu, dacă iradierea s-a produs asupra plămânului (echivalentul dozei 9OmSv) ficatul (echivalent doza 80 mSv) suprafeţei osoase (200 mSv) şi a măduvei osoase (echivalent doza 150 mSv), echivalentul dozei efectiv primit de organism se calculează astfel:
99x12 + 80x0,06 + 200x0,03 + 150x0,12 = 39,6 mSv.
Deoarece în multe lucrări de specialitate se pot întâlni unităţi de măsură diferite de cele prezentate până aici, în tabelul următor se prezintă relaţiile de interdependenţă
Surse de poluare radioactivă
Sursele de radioactivitate se pot grupa în două categorii:
a. surse artificiale;
b. surse naturale.
a) Principalele surse artificiale de poluare radioactivă sunt următoarele:
a.10. accidentele şi deşeurile de la reactoarele nucleare;
a.20 experienţele şi accidentele cu arme nucleare;
a.30. tratamentele medicale ce utilizează radiaţii sau radionuclizi
a.40. diferite activităţi profesionale.
a.10. Reactorii nucleari au fost folosiţi pentru producerea energiei încă din anii '50. Există, practic, două tipuri de reactori : reactori termici şi reactori rapizi. În reactorii termici frecvent utilizaţi - se fo1oseşte uraniu, care este alcătuit din nucleele a doi izotopi: uraniu-235 (0,7%) Si uniniu-238 (99,3%). Când Un neutron termic pătrunde intr-un nucleu de uraniu-235 se produce fisiunea acestuia din urma cu o mare eliberare de energie, de alţi neutroni 5i de radiaţii 7. Neutronii rezultaţi din fisiune sunt rapizi Si nu sunt tot atât de capabili de a produce noi fisiuni. Din acest motiv, neutronii emişi în urma fisiunii uraniului-235 sunt încetiniţi, făcându-i să semnat Ia Moscova tratatul de interzicere a experienţelor cu arma nucleară, cu excepţia celor subterane, marile puteri an efectuat circa 510 teste nucleare în atmosferă: circa 300 S.U.A., 180 fosta URSS, 25 Marea Britanie şi 4 Franţa. Până în anii 1985, Franţa şi China, singurele nesemnatare ale tratatului, au mai explodat in atmosfera 40 si respectiv 25 bombe nucleare.
Energia eliberată în testele efectuate pana in 1963 a fost de câteva ori mai mare decât a tuturor explozivilor folosiţi în al doilea război mondial, sau a 20-a parte din puterea explozivă nucleară acumulată în arsenalele americane şi sovietice in 1981 (exprimată în combustibil exploziv convenţional aceasta putere a fost de 600 megatone). In acelaşi timp, aproximativ 10 t plutoniu ,,neexplodat" s-a vaporizat si dispersat in atmosfera.
Exploziile nucleare sovietice, deşi mai puţine, au avut o putere dubla fata de cele americane (450 megatone fata de 150), cea mai teribilă bomba sovietică fund de aproximativ 4 000 de ori mai puternică decât ,,Little boy", folosită împotriva Japoniei.
După 1963, testele cu arme nucleare an continuat in subteran. Din 1963 până în 1980, Statele Unite au mai efectuat cam 400 teste subterane cu bombe atomice, iar fosta Uniune Sovietică 300, dar cu o putere explozivă mult mai mare.
La nivelul anului 1963 se apreciază că radionuclizii, proveniţi de la testele cu arme nucleare, au produs o iradiere suplimentară anuală de 430 mSv pe individ, în aproape întreaga emisferă nordica (majoritatea exploziilor au fost efectuate în această emisferă). După acest an, valoarea iradierii suplimentare a scăzut substanţial, până la momentul Cernobâl.
a.30. În clinici şi spitale radiaţiile sunt folosite:
- la radiografii;
- in scop terapeutic;
- în scopuri de investigaţie.
La radiografii se folosesc, în special, radiaţiile X (Rontgen). o radiografie a toracelui va transfera plămânului un echivalent al dozei de 20 mSv
In scop terapeutic se utilizează iradierea pentru distrugerea ţesuturilor 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, ajungând până la câţiva zeci de gray. Se mai folosesc fascicule de neutroni şi radiaţiile ionizante.
În scopuri de investigaţie se utilizează administrarea de radionuclizi cu timpi scurţi de înjumătăţire. După administrare, se realizează tomografierea (radiografii ale structurilor dintr-un singur plan de profunzime), in special a plămânilor, oaselor si creierului.
Se estimează că media echivalentului efectiv al dozei primita de organismul uman din proceduri medicale are valori de circa 200 mSv pe an.
a.40. Radiaţia artificiala este folosita in multe ramuri ale activităţii omeneşti. De exemplu, în industrie este folosita pentru controlul proceselor şi a calităţii produselor, iar in scop de studiu, este folosita in institute de cercetare şi învăţământ superior. Tot aici trebuie inclusa şi activitatea medicilor sau a personalului sanitar care lucrează cu radiaţii. La acestea trebuie adăugate dozele pe care le primeşte omul Si de la ceasurile luminate cu substanţe radioactive sau de la televizoare (televizoarele moderne sunt bine ecranate).
Se apreciază ca din activităţi profesionale doza colectiva (produsul dintre echivalentul dozei efectiv 5i nr. persoanelor care au activităţi profesionale legate de radiata) in Marea Britanie, de exemplu, este de circa 450 Sv/om şi an.
b) Problema radiaţiilor nu este numai o consecinţa a progresului tehnic-ştiinţific al omului modern. Radiaţia a existat întotdeauna in natura. După opinia unor oameni de ştiinţă, radiaţia cosmica a avut o mare importanţă in evoluţia vieţii pe Pământ. Astfel, apariţia reptilelor gigantice precum 5i evoluţia ulterioară a speciilor animale Si vegetale este pusa, de mulţi cercetători, sub semnul influentei exercitate de radiaţia cosmica primita de pământ, din univers.
Practic, exista doua componente ale iradierii naturale: o componenta cosmica 5i una telurica.
Originea radiaţiei cosmice este încă neclara. Unii specialişti sunt de părere ca ar veni din galaxia noastră, a1şi ca ar veni din afara ci. Soarele contribuie mai ales in perioadele de erupţii solare.
Radiaţia cosmica pătrunde in cantitate mai mare pe Ia poli decât pe la ecuator. De asemene, oamenii şi animalele care trăiesc in munţi, la mari altitudini, sunt mai expuşi la acest tip de radiaţie decât cei aflaţi Ia nivelul mani.
Radiaţia telurica provine din faptul ca toate materialele din scoarţa pământului sunt radioactive. Se crede ca mişcările scoarţei sunt cauzate 5i de radioactivitatea naturala. Cele mai răspândite elemente radioactive din sol şi roci sunt: uraniul, toriul şi potasiul-40.
Sintetic, iată, in medie, care sunt, calitativ şi cantitativ, principalele surse ale dozei de radiaţie umana:
- din cosmos: circa 100 000 neutroni şi 400 000 particule de radiaţie cosmica secundara trec prin flecare individ, in fiecare oră;
- din aerul respirat: circa 30 000 atomi (de radon, plutoniu, bismut şi plumb) se dezintegrează in fiecare oră in plămâni, dând naştere la particule '3, ce şi unor fotoni 7;
- din sol şi materiale de construcţie: 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 această cantitate provine din cereale came, lapte ş cartofi.
Intr-un om de greutate medie (70 kg) se afla, permanent, următoarele cantităţi de substanţe 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 dezintegrări/s.
Din faptul ca viata pe pământ există şi se dezvolta continuu, deducem ca nivelul radiaţiei naturale nu atinge, nici pe departe, limitele de suportabilitate ale organismelor vii.
Acţiunea fiziologica a radiaţiilor
In general, efectele vătămătoare ale radiaţiilor se împart in:
10. efecte somatice, care pot la rândul lor fi: imediate, cronice Si întârziate;
20. efecte genetice.
10. Efectele somatice dau aşa-numita boală de iradiere care se manifesta prin următoarele sindroame imediate:
- sindromul sistemului nervos central, care se instalează după câteva minute sau ore de la o iradiere de 50-60 Sv. Se manifesta prin convulsii 5i lipsa de coordonare;
- sindromul gastro-intestinal, manifestat prin greaţa, vomitări, diaree.
Intre efectele somatice cronice se înscriu: depresiuni hematopoetice, sterilitate, tulburarea vederii (cataracte), alopecia (căderea parului). Ca efecte întârziate se relevă: scurtarea vieţii şi apariţia neoplasmelor in diferite forme (frecvent cancer epiteliar şi pulmonar).
Gravitatea bolii de iradiere depinde de echivalentul dozei.
Astfe1:
- pentru echivalentul dozei sub 2 Sv nu se evidenţiază influente;
- pentru echivalente ale dozei intre 2-5 Sv examenul hematologic pune in evidenţă reducerea globulelor albe şi trombocitelor;
- intre 5 şi 9 Sv mortalitatea este ridicata;
- peste 9 Sv mortalitatea este de 100%, daca nu se face transplant de măduva osoasa.
20. Efecte genetice. Numeroase cercetări efectuate au evidenţiat ca, prin iradiere, se pot produce şi mutaţi genetice, de la cele mai severe, ca de exemplu, întârzierea mintala, pana la cele mai banale, cum sunt pete ale piei.
La plante, prin iradiere, s-au obţinut mutaţii genetice benefice, materializate prin creşterea calităţii Si productivităţii. Se pare insa, ca acest lucru se petrece numai pană la anumite doze relativ mici. Depăşirea acestora poate produce leziuni biochimice ireversibile.
in ceea ce priveşte norma referitoare Ia nivelul admisibil al radioactivităţii, alta decât cea naturala, a fost stabilita in România, pentru un individ din populaţie, in medie, la un echivalent al dozei efectiv de 1 mSv/an, adică jumătate din valoarea datorata iradierii naturale.
Raportat la activitatea surselor pentru praful atmosferic şi depuneri, exista următoarele limite:
- de atenţionare, când activitatea are valori de 185 Bq/m2 zi;
- de avertizare, când activitatea atinge valori de 370 Bq/m2 zi;
- de alarmare, când activitatea atinge valoarea de 1 851 Bq/m2 zi.
Bibliografie
Cojocaru I., “Surse, procese şi produse de poluare”, Editura Junumea, Iaşi
Ionescu A., “Eseuri despre ecologie şi apărarea naturii”, Editura Ceres, Bucureşti, 1983
Mănescu S., “Poluarea mediului şi sănătatea”, Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică, Bucureşti, 1982
