SEMINARSKA NALOGA PRI PREDMETU

FIZIKA II

 

 

 

 

 

 

RADIACIJA -

KAJ JE TO, NJEN VPLIV NA ČLOVEKA TER NJENA UPORABA V MEDICINSKE NAMENE

 

 

 

 

 

 

JURE KLOPČIČ,

2. LETNIK GRADBENIŠTVO - UNI

 

 

RADIACIJA -

KAJ JE TO, NJEN VPLIV NA ČLOVEKA TER NJENA UPORABA V MEDICINSKE NAMENE

 

 

" Življenje na Zemlji se je razvilo s pomočjo radiacije. Radiacija ni od včeraj

ali danes, ni je iznašel človek, tu je od vekomaj. "

By Eric J. Hall, Profesor na Columbia University, New York

 

 

RADIACIJA - KAJ JE TO ?

Radiacijo definiramo kot energijo, ki potuje po prostoru. Ena najbolj znanih oblik je sončna svetloba, ki omogoča življenje na Zemlji. Sončna radiacija sestoji iz spektra od kratkovalovne ultravioletne do dolgovalovne infra rdeče svetlobe.

Onkraj meja spektra infra rdeče svetlobe se nahajajo visokoenergijske vrste radiacije, ki jih z eno besedo imenujemo ionizirajoča RADIACIJA.

Obstaja še ena velika skupina radiacij, ki jih povzroča okolje, v katerem živimo. To so z eno besedo RADIACIJE OKOLJA.


Radiacija prihaja od atomov, osnovnih gradnikov materije.

 

 

IONIZIRAJOČA RADIACIJA

Večina osnovnih gradnikov materije - atomov je stabilnih ( njihovo atomsko število se ne spreminja ), nekateri pa so nestabilni in razpadajo, zato jih imenujemo nestabilni ali radioaktivni atomi. V nestabilnih atomih je presežek notranje energije, zaradi česar jedro spontano razpade. Nastane popolnoma nov atom. Pojavu pravimo RADIOAKTIVNI RAZPAD. Razpolovna doba je čas, v katerem razpade pol atomov radioaktivne substance. Razpolovna doba variira od nekaj milijonink sekunde do nekaj milijard let, odvisno od elementa. Tako, naprimer, razpolovna doba urana-238 do stabilnega, neradioaktivnega svinca-208 traja natančno 4.470.254.622 let, 280 dni, 20 ur, 50 minut ter 14,400164 sekunde. Po času ene razpolovne dobe se radioaktivnost razpolovi, po dveh, pa je radioakivnost zmanjšana na četrtino.

Posamezne različice atomov enakega elementa se imenujejo izotopi, izotopi radioaktivnih atomov pa radioizotopi. Nekateri elementi, kot npr. uran, nimajo stabilnih izotopov. Ko radioizotopi razpadajo, se presežek notranje energije sprošča v obliki gama žarkov in hitrogibajočih se alfa in beta delcev, pri čemer nastane nov element. Srčika tega procesa je torej prehod atoma iz nestabilnega, radioaktivnega v stabilno, nereaktivno stanje. Mejo med stabilnim in nestabilnim atomom predstavlja atomsko število 83 - svinec. Vsi atomi, ki imajo atomsko število večje kot svinec, so nestabilni.

Drug izvor jedrske radioaktivnosti je prehod ene oblike radioizotopa v drugo, pri čemer se sproščajo gama žarki, ne nastane pa nov element.

Ionizirajoča radiacija se torej pojavlja v dveh oblikah: v obliki visokofrekvenčnih in visokoenergijskih žarkov ter delcev. Ime je dobila zaradi povzročanja pojava ionizacije, t.j., v materialih, skozi katere prehaja, povzroča nastanek ionov.

Vrste ionizirajoče radiacije:

 

GAMA IN X - ŽARKI

Podobno kot vidna svetloba so del elektromagnetnega valovanja - fotoni, le da imajo večjo energijo kot fotoni vidne svetlobe. Razlika med gamma in X - žarki je v tem, da X - žarki niso posledica radioaktivnega razpada jedra, pač pa nastanejo pri obsevanju atomov z visokoenergijskimi delci. Za razliko od svetlobe imajo oboji veliko prodorno moč ( lahko prodrejo skozi človeško telo ). Oviro za te žarke predstavlja tanka plast betona, svinca ali vode.

 

ALFA DELCI

So helijeva jedra, torej dva protona in dva nevtrona ( brez elektronov ), zato nosijo pozitivni električni naboj. Oddajajo naravni radioaktivni elementi, kot sta uran in radij, oddajajo pa jih tudi v pospeševalnikih " narejeni " elementi. Zaradi svoje velikosti ( so relativno veliki ) se hitro združijo s snovjo in temu primerno hitro izgubijo energijo, zato je njihova prodorna moč majhna in jih zaustavi že prva plast kože ali pa list papirja.

Če pa pridejo z dihanjem ali s prehrano v telo, lahko alfa delci prav zaradi hitrega oddajanja energije povzročijo na biološkem materialu večjo škodo kot ostale vrste radiacije.

 

BETA DELCI

So hitro gibajoči se elektroni, izstreljeni iz elektronskega oblaka atoma. So veliko manjši in lažji kot alfa delci in lahko prodrejo kak centimeter ali dva globoko v človeško telo ali vodo. Ustavi jih nekaj milimetrov debela plast aluminija.

 

KOZMIČNA RADIACIJA

Sestavljena je iz cele vrste visokoenergijskih delcev, vključno s protoni, s katerimi vesolje " bombardira " Zemljo. Njihov vpliv je dosti večji v višjih sferah kot pa pri tleh, kjer je zemljina atmosfera najgostejša in nudi največjo zaščito pred to vrsto radiacije.

 

NEVTRONI

So delci z ogromno prodorno močjo. Nastajajo predvsem pri fiziji atomov nekaterih elementov v jedrskih reaktorjih. Zaustavi jih dovolj debela plast betona ali vode.


Kaj predstavlja oviro za različne vrste sevanja?

 

Pomembno je vedeti, da ionizirajoča radiacija ne povzroča radioaktivnosti teles!

VPLIV RADIACIJE NA ČLOVEKA

 

MERJENJE IONIZIRAJOČE RADIACIJE:

Človeški čuti ne morejo zaznati radiacije ter določiti, ali je material radioaktiven ali ne. Zato je človek razvil celo vrsto instrumentov, ki to nalogo zanesljivo opravljajo.

Poleg običajnih meritev mas in volumna, se količina sproščene radioaktivnosti meri v Bequerel-ih ( Bq ), ki nam pove število radioaktivnih razpadov v snovi v časovnem intervalu ene sekunde. Zato je sorazmeren količini izbrane snovi. Omogoča primerjavo tipične radioaktivnosti posameznih naravnih ali umetnih materialov.

Preglednica: Radioaktivnost nekaterih naravnih in umetnih materialov ali objektov

1 odrasel človek

7000 Bq

1 kg kave

1000 Bq

Zrak v 100 m2 velikem stanovanju ( radon )

3000 Bq

1 detektor dima

30 000 Bq

Radioizotopi v medicinski diagnostiki

70 x 106 Bq

Vir radioizotopov za medicinske terapije

10 x 1013 Bq

1 kg 50 let starega visokoradioaktivnega jedrskega odpadka

10 x 1012 Bq

1 svetleč napis Izhod v sili

25 x 106 Bq

1 kg uranove rude

25 x 106 Bq

1 kg nizkoradioaktivnih odpadkov

1 x 106 Bq

1 kg mrzlega pepela

2000 Bq

 

Ionizirajočo radiacijo merimo v Gray-in in Sievert-ih.

GRAY ( Gy )

Je količina radiacije, ki jo prejme človek. Meri se količina energije, ki se absorbira v tkivo.

SIEVERT ( Sv )

Če biološki material enak časovni interval izpostavljamo različnim tipom radiacije, še ne pomeni, da so posledice enake. En Gray alfa radiacije, na primer, povzroči dosti več škode kot en Gray beta radiacije. Ko govorimo o vplivu radiacije na človeka, tako uporabljamo Sievert-e. En Sievert radiacije povzroči vedno enake poškodbe, neglede na vrsto radiacije. Največkrat se za vsakdanjo uporabo uporablja enota milisievert ( mSv ).

Sedaj pa si poglejmo, kakšne količine ionizirajoče radiacije so za človeka nevarne:

Naravna radiacija predstavlja 88% vse radiacije, ostalih 12% pa je " sproducira " človek s svojimi dejavnostmi.

 

UPORABA RADIACIJE V MEDICINSKE NAMENE

Zgodba o uporabi radiacije v medicinske namene se je pričela pred več kot 100 leti, natančneje 8. novembra 1895. leta, ko je Wilhelm Conrad Rö ntgen med proučevanjem katodnih žarkov odkril novo vrsto sevanja. Fizik je hotel spoznati skrivnostne nevidne žarke, ki so prihajali iz Crookes-ove brezzračne cevi in zaradi katerih so stene postale ponoči svetleče. Rö ntgen je cev ovil s črnim papirjem in usmeril žarke na ekran, prevlečen s fluorescenčno maso: ekran je postal svetleč. Med cev in ekran je dal svojo roko - na svetlem ozadju se je v temnih obrisih pojavila slika njegovih kosti. Tako je Rö ntgen naredil prvo radiografijo s pomočjo X žarkov, kot jih je poimenoval. Kasneje so jih njemu na čast poimenovali rentgenski žarki.

Le trije meseci so minili od odkritja, ko so jih prvič uporabili v medicinske namene - v neki bolnišnici v ZDA so naredili prvi klinični posnetek. Za svoje odkritje je W.C.Rö ntgen dobil prvo Nobelovo nagrado za fiziko v zgodovini.

Kdorkoli si je kdaj zlomil kakšno kost ali zvil gleženj, pozna najpreprostejši način rentgenskega slikanja. Pod del telesa, ki ga želimo pregledati, položimo film, nato pa z rentgensko svetlobo presvetlimo pacienta. Rentgenski žarki so precej prodorni, zato preidejo skozi tkivo, zadenejo film in ga počrnijo na mestu zadetka. Ker pa so različna tkiva različno prepustna za sevanje, bo tudi film bolj počrnel na mestu, kjer je tkivo dobro prepustno ( mišica ) kot na mestu, kjer je bolj slabo prepustno ( kost ).

Slabost tega načina rentgenskega slikanja je v tem, da dobimo projekcijo le v eni smeri. Včasih pa je koristno pacienta pregledati z več strani, zato je človek razvil metodo računalniške tomografije ( CT - computed tomography po angleško ), pri katerem izvor rentgenskih žarkov potuje okrog in okrog telesa, istočasno pa merimo prepustnost telesa za rentgenske žarke. Nato pa računalnik izračuna, kakšna je notranjost telesa (postopek so omogočili šele visoko zmogljivi računalniki ). Slike, ki jih dobimo, najbolj spominjajo na tanke rezine narezano človeško telo. CT je metoda, ki daje mnogo ostrejši posnetek notranjosti telesa kot pa druge metode.

Ker je pacienta potrebno presvetliti z rentgensko svetlobo z vseh strani, je doza prejetega sevanja ogromna. Pri preiskavi glave prejme pacient dozo, ki ustreza 10 mesecem naravnega sevanja, pri preiskavi trupa pa dozo, primerljivo 4(!) letom naravnega sevanja. Za tako preiskavo se odločamo le v primerih, ko je to neobhodno potrebno ( diagnosticiranje raka ).

Namesto rentgenskih žarkov lahko za gledanje v notranjost telesa uporabimo tudi drugačne vrste sevanja. Pri pozitronski emisijski tomografiji ( PET - Positron Emission Tomography ) vnesemo v pacienta radioaktivni izvor, ki razpada z beta pozitivnim razpadom. To pomeni da radioaktivno jedro izseva pozitron - to je antidelec elektrona, ki nato reagira z elektronom - dobimo dva visokoenergijska fotona - žarka gama. Pri PET-u izkoriščamo dejstvo, da morata zaradi ohranitve energije in gibalne količine imeti oba protona enako energijo ( ki je enaka mirovni masi elektrona - 0,5 MeV ) in se gibati v nasprotno smer. Ko v detektorju zaznamo dva 0,5 MeV fotona, lahko potegnemo premico in z veliko gotovostjo trdimo, da sta fotona nastala nekje vzdolž te premice. Pacienta preiščemo z vseh strani in iz meritev izračunamo porazdelitev radioaktivnega izvora.

Radioaktivni atom sorazmerno lahko vgradimo v biološke molekule ( pogosto uporabljena snov je sladkor, kjer enega od ogljikovih atomov nadomestimo z radioaktivnim fluorom ). Zato lahko s primerno izbiro molekule dosežemo, da se bo radioaktivna snov zbrala v tkivu, ki ga želimo preiskati. Pri PET metodi torej lahko aktivno izbiramo, katero tkivo si želimo ogledati. Prav tako lahko opazujemo časovni potek zbiranja radioaktivne snovi v tkivu in se iz tega naučimo kaj novega o metabolizmu ali fnkciji kakega organa.

Kot zanimivost: S primerjavo PET slike možganov človeka, ki ima najprej zaprte oči, nato pa jih odpre, so ugotovili, da se je potem, ko je odprl oči, koncentracija sladkorja povečala v predelu zatilja, kjer se v možganih nahaja center za vid.

rentgen2a.jpg (12703 bytes)rentgen2b.jpg (24911 bytes)rentgen2c.jpg (12030 bytes)

Fotografija razrezanega telesa. Rentgenski CT.Jedrska magnetna resonanca

 

Za konec pa velja še omeniti:

Doze, ki jih prejme pacient pri preiskavah z ionizirajočim sevanjem, so majhne. Pri slikanju zlomljene noge prejme dozo, primerljivo enemu dnevu naravnega sevanja, pri slikanju zob pa dozo, ki ustreza trem dnevom naravnega sevanja. Izjema je le CT. Zavedati pa se moramo, da se taka preiskava dela le pri težkih bolnikih, pri kateri koristnost preiskave močno presega škodljivost.

 

Viri:

Kako pogledati v človeško telo, ne da bi ga razrezali?

Radiation and life

Radioactivity, Compton's Interactive Encyclopedia '94, Compton's NewMedia, Inc.