Poluarea radioactiva
Radiatia nu poate fi eliminata din mediu. Riscul expunerii la radiatie poate fi insa controlat prin evitare zonelor radioactive si controlul expunerii la radiatie. De obicei cand se vorbeste de radiatie se iau in considerare surse cum sunt centralele electrice nucleare, armele atomice sau aparatura medicala care utilizeaza surse de radiatii. Exista insa si alte surse cum sunt cuptoarele cu microunde, telefoanele celulare, radarele, liniile de inalta tensiune si chiar radiatia solara.
Ne vom referi totusi la principalele surse de radiatie si anume la cele reprezentate de centralele nucleare, armele nucleare si sursele utilizate in scopuri medicale, deoarece acestea produc radiatii cu suficient de inalta energie pentru a rupe legaturile chimice ale unor substante, fapt pentru care sunt denumite si radiatii ionizante.
Radioactivitatea reprezinta proprietatea unor atomi de a elibera in mod spontan energie sub forma de particule sau unde. Bilantul energetic al nucleului unui atom determina daca un nucleu este stabil sau instabil. Atomii se gasesc in natura fie in stare stabila fie in stare instabila.
Un atom este stabil daca fortele dintre particulele care caracterizeaza nucleul se afla in echilibru. Atomul devine instabil daca aceste forte se dezechilibreaza ca urmare a unui exces 535h72f energetic intern, fie a unui exces de neutroni, fie de protoni. Un atom radioactiv va avea tendinta de a deveni stabil eliberand o parte din nucleonii specifici (protoni sau neutroni), precum si alte particule, sau eliberand energia in alt mod decat sub forma de particule.
Atomii instabili pot deveni stabili pe masura ce nucleul emite radiatii sau se dezintegreaza. Astfel, atomul radioactiv sau radionuclidul se transforma intr-un nuclid diferit. Acest proces poarta numele de dezintegrare radioactiva si continua pana cand fortele de la nivelul nucleului se echilibrreaza.. De exemplu, prin dezintegrarea nucleului, un atom va deveni un izotop diferit al aceluiasi element chimic daca elibereaza neutroni sau un element diferit daca pierde protoni.
De multe ori, daca un radionuclid se dezintegreaza, produsul acestui proces este de asemenea radioactiv. Acest fapt este valabil pentru cele mai multe materiale radioactive naturale precum si pentru multe produse de fisiune nucleara. Pentru a deveni stabile aceste particule trebuie sa parcurga mai multe etape de transformare in alti nuclizi, eliberand de fiecare data energie sub forma de particule sau unde. Aceasta serie de transformari cu eliberare de energie este caracteristica radionuclizilor si se numeste lant de dezintegrare.
Radionuclizii raman radioactivi o perioada diferita de timp in functie de timpul de material radioactiv, caracterizat de rata dezintegrarii. Aceasta rata se mai numeste si perioada de injumatatire a radionuclizilor radioactivi si reprezinta de fapt timpul necesar pentru dezintegrarea a 50% din numarul de atomi radioactivi initiali.
Diferenta dintre radiatie si radioactivitate consta in faptul ca radiatia reprezinta energia sau particulele eliberate in timpul dezintegrarii radioactive, in timp ce radioactivitatea unui material se refera la rata cu care acesta emite radiatie. Numarul de dezintegrari pe unitate de timp (secunde, minute sau ore) defineste cat de activ este un material si se exprima in curie ( 1 curi reprezinta 37 miliarde dezintegrari pe secunda). Radiatia ionizanta poate fi sub forma de particule sau unde, fapt ce determina un comportament diferit in fiecare caz.
Particulele α sunt un tip de radiatie ionizanta emisa de nucleele unor atomi instabili. Ele sunt fragmente subatomice relativ mari si sunt formate din doi protoni si doi neutroni. Au fost descoperite inca din 1899 de catre fizicianul englez Ernest Rutherford in cadrul unor experimente cu uraniu.
O particula α este identica cu un nucleu de heliu avand 2 protoni si 2 neutroni si este o particula relativ "grea", cu energie inalta. Viteza in aer a unei particule α este de aproximativ 1/20 din viteza luminii depinzand de energia individuala a fiecarei particule.
Emisia de particule α se produce cand raportul dintre neutroni si protoni in nucleu este prea scazut si anumiti atomi se reechilibreaza energetic prin emisie de particule. De exemplu, poloniul 210 are 126 neutroni si 84 protoni, ceea ce reprezinta un raport de 1,5 la 1. In urma emisiei de particule α raportul devine 1,51 la 1 (124 neutroni si 82 protoni). Atomii care emit particule α sunt atomi foarte mari (au un numar atomic ridicat) si, cu foarte putine exceptii, au un numar atomic de cel putin 82. Exista multe elemente radioactive care emit radiatii α, atat naturale cat si realizate de om, cum sunt: americiu-241(numar atomic, A=95), plutoniu-236 (A=94), uraniu-238 (A=92), toriu-232 (A=90), radiu-226 (A=88), radon-222 (A=86) si poloniu-210 (A=84).
Radiatia α este utilizata in cateva procese industriale sau activitati medicale. De exemplu, radiu-226 poate fi utilizat in tratamentul cancerului, prin introducerea unor cantitati infime in masa tumorilor. Poloniul-210 poate fi utilizat eliminarea electricitatii statice in industria hartiei si in alte activitati industriale. Datorita incarcarii electrice pozitive particulele α atrag electronii si deci reduc incarcarea cu electricitate statica. Detectoarele de fum utilizeaza emisia de particule α a americiului-241 pentru a crea curent electric.
Emisia de particule α se produce in mod natural in mediu datorata unor elemente chimice cum sunt uraniu-238, radiu-226 si alti izotopi ai uraniului. Aceste elemente chimice sunt prezente in cantitati variabile in diverse roci, soluri si ape.
Totusi, activitatea umana creeaza materiale cu potential pericol pentru oameni si pentru contaminarea diferitelor medii. De exemplu, exploatarea miniera a uraniului determina aparitia unor reziduuri cu o concentratie ridicata de uraniu si radiu care purtate de vant pot ajunge atat pe sol cat si in mediul acvatic. Un alt exemplu poate fi extractia si prelucrarea fosfatilor care utilizeaza cantitati importante de fosfogips, un material in care in mod natural este concentrat radiu.
In mod normal, particulele α nu au o remanenta foarte mare in mediu, ele pierzandu-si rapid energia si deoarece nu sunt reactive, prin captarea de electroni liberi se transforma in heliu. De asemenea, ele nu au o putere mare de penetrare pentru cele mai multe materiale. De exemplu, o foaie de hartie sau stratul exterior al epidermei umane sunt suficiente pentru a stopa patrunderea acestora. Efectele asupra sanatatii umane depind in mare masura de modul de expunere la aceste radiatii.
Datorita puterii reduse de penetrare, expunerea externa nu este de regula periculoasa. Inhalarea acestor particule insa si intrarea lor in circuitul sanguin poate produce efecte biologice care conduc la riscul aparitiei cancerului, mai ales al cancerului la plamani. Cel mai mare pericol pentru majoritatea oamenilor il reprezinta inhalarea radonului sau a izotopilor acestuia dintre care cei mai multi emit o puternica radiatie α.
Particulele β sunt particule subatomice emise de nucleele unor atomi radioactivi. Ele pot fi considerate ca echivalente ale electronilor, diferenta constand in faptul ca spre deosebire de electroni, care exista in afara nucleului, particulele β au originea in interiorul nucleului. Particulele β au fost descoperite in 1900 de catre Henri Becquerel, care a aratat ca aceste sunt identice cu electronii, particule atomice care erau atunci recent descoperite de catre Joseph John Thompson.
Particulele β au o sarcina electrica de -1 si masa de a 549 milioana parte din unitatea masei atomice (unitate care reprezinta 1/2000 din masa protonului sau neutronului). Viteza particulelor β depinde decat de multa energie au individual si este variabila intr-un interval destul de larg de valori. Desi sunt emise de catre atomi care sunt radioactivi, aceste particule nu sunt radioactive. Ceea ce determina efectul lor nociv asupra celulelor organismelor vii este energia lor sub forma vitezei cu care sunt emise, deoarece aceasta energie este capabila sa rupa diverse legaturi chimice cu formare de ioni.
Emisia de particule β se produce atunci cand raportul dintre neutroni si protoni la nivelul nucleului este prea ridicat. Specialistii considera ca un neutron aflat in exces se transforma intr-un proton si un electron. Protonul astfel format ramane in nucleu in timp ce electronul este emis cu o mare energie. Acest proces conduce la scaderea cu un neutron si cresterea cu un proton a numarului total de nucleoni. Pentru ca numarul de protoni din nucleul atomic determina timpul de element chimic, conversia unui neutron intr-un proton determina transformarea radionuclidului intr-un element diferit.
Adeseori emisia de particule β este insotita de emisia de raze γ deoarece atunci cand emisia de particule β nu elibereaza tot excesul energetic, nucleul elibereaza surplusul de energie sub forma fotonilor γ. Un exemplu, de emisie a radiatiei β il reprezinta tecnetiu-99 care are prea multi neutroni pentru a fi stabil. Se considera ca un neutron se transforma in proton si o particula β pe care nucleul o emite impreuna cu o cantitate de radiatie γ. Noul atom format are acelasi numar atomic, dar numarul de protoni creste la 44, devenind astfel un atom de ruteniu. Alte surse de radiatii β sunt reprezentate de fosfor-31, tritiu (H-3), carbon-14, cobalt-60, strontiu-90, plumb-210, cesiu-137, iod-120 si iod-131.
Emisia de radiatii β are numeroase utilizari, mai ales in domeniul medical, sub forma unor metode de diagnosticare si tratament:
Iodul-131 este util in tratamentul maladiilor endocrine, mai ales provocate de glanda tiroida, cum sunt cancerul tiroidian si ale maladii grave ca hipertiriodismul.
Fosforul-32 este frecvent utilizat in studiile de biologie moleculara si cercetarile genetice.
Strontiul-90 este utilizat ca element de contrast (radioactiv) in medicina sau cercetarile din agricultura.
Tritiul este folosit in diverse cercetari stiintifice si in studiul metabolismului unor medicamente noi, precum si la obtinerea materialelor luminiscente.
Carbonul-14 reprezinta un instrument foarte utilizat in datarea materialelor de natura organica cu o varsta de pana la 30 000 ani.
Alte elemente care produc radiatii β sunt utilizate la constructia unor variate echipamente industriale care pot determina calitatea suprafetei unor materiale, exploatand capacitatea redusa de penetrare a cestui tip de radiatie.
In mediul natural particulele β pot strabate o distanta de ordinul metrilor in atmosfera deschisa dar sunt usor stopate de materialele solide. Atunci cand o particula β isi pierde energia initiala ea se comporta ca oricare electron liber, care este captat de un ion pozitiv.
Exista atat radionuclizi naturali cat si de sinteza capabili de emisie de radiatie β. Potasiu-40 si carbon-14 care emit o radiatie β salba se gasesc in mod natural in corpul organismelor. Cele mai periculoase pentru sanatatea umana sunt materialele sau elementele chimice care au emisii puternice de radiatii β. Utilizarea acestor materiale necesita o atentie deosebita atat in ceea ce priveste beneficiile cit si potentialul lor nociv.
Principalele surse de radiatii β utilizate in domeniul medical pentru diagnostic si tratament sunt P-32 si I-131. Persoanele care au fost tratate cu iod radioactiv, de exemplu, vor deveni surse de emisie a particulelor β, ceea ce necesita un comportament adecvat care sa protejeze persoanele cu care intra in contact de expunere la aceste radiatii.
Iodul radioactiv poate ajunge in mediu datorita accidentelor la reactoarele nucleare si poate patrunde in lantul trofic.
Instrumentele industriale care contin materiale concentrate cu emisie de astfel de radiatii trebuie mentinute in conditii sigure de depozitare si de utilizare.
Unul dintre elementele chimice cu o mare capacitate de emisie a radiatiei β a fost strontiu-90, care, mai ales ca urmare a testelor nucleare din perioada 1950-1970, a avut o larga raspandire in mediu. Unele teste legate de aceasta activitate pot elibera in mediu cesiu-137, care emite particule β dar si mai nocivele radiatii γ.
Expunerea directa la radiatiile β deoarece emisiile puternice pot afecta sau chiar arde pielea. Totusi, pericolul cel mai mare il reprezinta inhalarea sau ingerarea acestor particule, deoarece pot produce efecte nocive la nivelul celulelor organismului. Deoarece particulele β sunt mult mai mici decat particulele α ele patrund mai adanc in tesuturile organismelor vii si au un efect distructiv mai accentuat.
Efectele asupra sanatatii umane pot fi de natura acuta sau cronica. Expunerile acute la astfel de radiatii sunt mai putin frecvente si sunt determinate de regula de accidente sau contactul cu surse puternice cum sunt aparate sau instrumente medicale sau industriale abandonate in spatii improprii. Efectele cronice, mult mai frecvente, sunt un rezultat al expunerii repetate la niveluri joase de radiatii β pe un interval de timp indelungat (5-30 ani).
Principalul efect il reprezinta aparitia cancerului care depinde de doza de iradiere si de sensibilitatea unor organe sau tesuturi. Unele materiale radioactive, cum este carbon-14 afecteaza intreg organismul, altele se acumuleaza la nivelul unor organe specifice si determina expunerea cronica. De exemplu, iodul-131 se concentreaza la nivelul glandei tiroide si poate determina aparitia cancerului tiroidian precum si a altor afectiuni grave, pe cand strontiu-90 se acumuleaza la nivelul dintilor si oaselor.
Exista teste care pot evidentia prezenta in organism a radionuclizilor capabili de radiatie β, dar aceste pot fi efectuate numai in laboratoare specializate, de aceea cea mai simpla si sigura masura de protectie este evitarea contaminarii fie prin echipamente speciale de protectie fie prin evitarea intrarii in contact cu sursele de radiatie.
Radiatiile γ reprezinta un tip de energie electromagnetica datorata emisiei de fotoni. Fotonii γ (razele sau radiatiile γ) sunt cei mai energetici fotoni din spectrul electromagnetic si sunt emisi de nucleele unor atomi radioactivi (instabili). Acest tip de radiatie a fost descoperit de fizicianul francez Henri Bequerel in 1896, cand a observat ca minereurile uranifere pot influenta placile fotografice sensibile chiar daca acestea sunt protejate de un strat gros de hartie. Pentru ca doar cu putin timp inainte Roentgen descoperise razele x, fizicianul francez a tras concluzia ca uraniul emite radiatii invizibile similare razelor x. In realitate el a descoperit radiatia γ emisa de radiu-226, izotop care face parte din lantul de degradare a uraniului, pe care a numit-o atunci "fosforescenta metalica".
Radiatia γ este o radiatie ionizanta cu o foarte mare energie, deoarece fotonii γ au de aproximativ 10 000 de ori mai multa energie decat fotonii din spectrul vizibil al radiatiei electromagnetice. Fotonii γ nu au masa si nici incarcare electrica si sunt de fapt energie electromagnetica pura.
Datorita energiei foarte mari, fotonii γ se deplaseaza cu viteza luminii si pot fi activi pe distante de mii de metri in atmosfera pana cand isi pierd energia. Ei pot penetra prin multe tipuri de materiale, incluzand tesuturile organismelor vii, dar penetreaza mai greu materialele foarte dense cum sunt cele din plumb, fapt ce permite utilizarea acestuia pentru a incetini sau stopa aceste radiatii. Lungimea lor de unda este de ordinul de marime al nanometrilor, fiind cuprinsa intre 3/100 pana la 3/1000 dintr-un nanometru.
Impreuna cu razele x, lumina vizibila, radiatiile infra-rosii si radiatiile ultra-violete, radiatia γ este componenta a spectrului electromagnetic. Desi atat razele x cat si razele γ produc efecte la fel de nocive, ele au origini diferite: originea radiatiei γ se afla la nivelul nucleului, in timp ce razele x sunt datorate campului de electroni care inconjoara nucleul atomului. Emisia de radiatie γ se produce atunci cand nucleul unui atom radioactiv are prea multa energie si adeseori se produce dupa emisia de particule β.
Un exemplu de element chimic capabil de emisie de radiatie γ este cesiu-137, la nivelul caruia se considera ca un neutron se transforma intr-un proton cu emisie de particule β. Protonul astfel rezultat transforma cesiul-137 in bariu-137 al carui nucleu emite de asemenea particule β, dar a carui energie este inca destul de mare si astfel, pentru a deveni mai stabil, emite fotoni γ, adica radiatie γ.
Radionuclizii capabili de radiatie γ sunt utilizati pe scara larga drept surse de radiatie, deoarece, datorita puterii mari de penetrare au o gama extinsa de aplicatii. Desi razele γ penetreaza multe materiale ele nu le transforma in materiale radioactive. Printre cele mai utilizate surse de radiatie γ se numara: cobalt-60, cesiu-137 si tecnetiu-99m.
Cesiu-137 este utilizat pentru:
tratamentul cancerului;
masurarea si controlul fluxurilor de lichid in cadrul a numeroase procese industriale;
investigarea depozitelor subterane de petrol;
masurarea densitatii solului pentru evaluarea locurilor de constructie;
asigurarea unor masuratori exacte activitatile de ambalare a diverselor bunuri de consum (alimente, medicamente etc.)
Cobalt-60 este utilizat la:
sterilizarea unor echipamente in spitale;
pasteurizarea unor produse alimentare;
tratamentul cancerului;
masurarea porozitatii metalelor.
Tecnetiu-99m ( izotopul rezultat dupa injumatatirea Tc-99) este cel mai utilizat izotop radioactiv in studii de diagnostic medical, sub forma unor produse chimice diverse, pentru cercetarea si evidentiere unor organe interne sau a circuitului sanguin.
In industrie, radiatia γ produsa de cobalt-60 sau cesiu-137 poate imbunatati caracteristicile fizice ale unor materiale: creste durabilitatea materialelor compozite din lemn si plastic. Alte procese industriale ca radiografia industriala, utilizeaza radiatia γ pentru controlul calitatii unor materiale, piese sau componente ale unor agregate complexe (de exemplu, turbinele motoarelor cu reactie).
Pentru oameni, sursa primara de expunere la radiatia γ este expunerea la radionuclizii naturali, mai ales potasiu-40, care se gaseste in sol si ape, precum si alimentele de natura vegetala cu un continut marit de potasiu (de exemplu, bananele), dar si radiu. Totusi principale sursa de crestere a iradierii cu raze γ o reprezinta dezvoltarea medicinii nucleare, precum si unii radionuclizi de sinteza care emit raze γ.
Cele mai multe expuneri la actiunea radiatiei γ sunt cele externe. Cele mai multe raze γ ca si razele x pot sa penetreze o distanta de mai multi metri in aer si distante de ordinul centimetrilor la nivelul tesuturilor organismelor vii. Multe dintre ele au suficienta energie sa penetreze intreg organismul, fapt ce favorizeaza, de exemplu, utilizarea pe scara larga a razelor x in obtinerea radiografiilor pentru diverse proceduri medicale. De asemene, radionuclizii responsabili de emisia de radiatii γ sau x, pot fi inhalati sub diverse forme.
Indiferent de modul de contaminare insa, expunerea la aceste tipuri de radiatii este periculoasa deoarece razele γ, de exemplu, pot penetra in mai mare masura organismul, decat particulele α sau particulele β. Razele γ nu ionizeaza in mod direct atomii de la nivelul celulelor organismului, dar ele transfera energie particulelor atomice de la acest nivel, cum sunt electronii, care astfel energizante interactioneaza cu ionii materiei organice in acelasi mod ca particulele α sau β.
Principala modalitate de a evita iradierea cu raze γ sau x este utilizarea unui echipament adecvat in apropierea surselor de radiatie si evitarea radiografiilor medicale repetate.
|
