andrej godec: sevanje okrog nas, modrijan, november 2008

Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

Sevanje okrog nas

Andrej Godec

Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo

Univerza v Ljubljani

[email protected]


Sevanje

• Neionizirajoče

(nižje energije)

• Ionizirajoče

(višje energije)


Neionizirajoče sevanje

• bližnje UV, vidno in IR elektromagnetno valovanje, mikrovalovi in radijski valovi …

• to valovanje lahko sproži na primer nekatere fotokemijske reakcije in pospeši radikalske reakcije;

• povzroči lahko opekline kože; večino ga zadrži že zemeljska atmosfera;

• energija praviloma ni zadostna za ionizacijo atomov in molekul.


Ionizirajoče sevanje• Ionizirajoče sevanje rečemo vsem delcem, ki

imajo zadosti energije, da ionizirajo atome in molekule.

• Takšni delci izbijejo elektrone iz zunanje lupine v atomih. • V večjih količinah lahko ionizirajoče sevanje v živih tkivih

povzroči mutacije celic ali pa celo smrt.

• Ionizirajoče sevanje je lahko sestavljeno iz protonov, nevtronov, elektronov, helijevih jeder, in še nekaterih drugih delcev.


Dejstva• Radioaktivno (ionizirajoče) sevanje je na našem planetu stalno

prisotno. Rečemo mu naravno ozadje.

• Vir sevanja naravnega ozadja so kozmični žarki iz oddaljenega vesolja in od našega sonca, in radioaktivne snovi v globinah našega planeta.

• Radioaktivni izotopi, ki so prisotni v večjih količinah v našem telesu: 17 mg/70 kg 90 μg/ 70 kg

30 μg/ 70 kg

• Vsi navedeni so primarni radioizotopi, ki so navzoči že od nastanka

Zemlje. Vsega skupaj je v naravi več kot 60 radioaktivnih elementov.

K4019

Th23290

U23892


• Toplota našega planeta prihaja tudi od radioaktivnega razpada v njegovi notranjosti – uranova serija.

• Oklo (Gabon): naravni fizijski jedrski reaktor v področjih z nahajališči uranove rude, ki je deloval skoraj milijon let. Nevtronski moderator je bila voda iz podtalnice. Moč reaktorja: 100 kW. Reaktor je ugasnil pred 1,5 milijarde let.

U23892


Odkod sevanje?• Nekateri atomi niso stabilni, zato razpadejo.

• V naravi so takšni predvsem izotopi težjih elementov, ki imajo dodatne nevtrone v jedru.

• Temu razpadu rečemo radioaktivni razpad. Nestabilni izotopi so radioaktivni, zato jim rečemo tudi radioizotopi.

• Pri radioaktivnem razpadu se del energije atoma sprosti v obliki delcev, ki jih običajno spremlja tudi elektromagnetno valovanje z visoko energijo.

• Temu pojavu rečemo s skupnim imenom radioaktivno sevanje. Sevanja radioaktivnih snovi ne moremo prekiniti.


• Pionirja na področju radioaktivnosti

sta bila pred dobrimi sto leti

H. Becquerrel in Marie Curie.

• Nestabilne izotope pa znajo znanstveniki narediti tudi v laboratoriju.

• Prvi (?) uspešen alkimist na svetu: Ernest Rutherford.

HOHeN 11

178

42

147


Cern 2008

• LHC (Large Hadron Collider): 100 m pod zemljo, 27 km v premeru;

• Dva curka subatomskih delcev hadronov (protonov ali pa svinčevih ionov) z veliko energijo bosta čelno trčila;

• Pričakovanja: veliko novih subatomskih delcev, supersimetrija, Higgsov bozon – ultimativni delec, ki je bil že teoretično napovedan v Standardnem modelu


• Higgsov bozon: je verjeten odgovor na vprašanje, odkod delcem masa

• http://www.exploratorium.edu/origins/cern/ideas/higgs.html• http://www.phy.uct.ac.za/courses/phy400w/particle/higgs.htm

Vrste radioaktivnega sevanja

• Glede na vrsto emitiranih delcev ločimo alfa () in beta () radioaktivno sevanje.

• Spremljajoče valovanje pa imenujemo gama () sevanje ali – žarki.


sevanje

• Izotop emitira delce:• Uran v naravi: sevalec

starševski izotop hčerinski izotop

• Uporaba: detektorji dima

He42

HeThU 42

23490

23892

HeNpAm 42

23793

24195


Nevarnosti• To sevanje je nevarno predvsem v primeru zaužitja snovi, ki seva. • 320 ton osiromašenega urana je bilo “izgubljenih” samo v prvi

zalivski vojni (tudi U - 238 je alfa sevalec).

• Žrtev tega sevanja je bil zaradi zastrupitve s polonijem leta 2006 tudi Rus A. Litvinenko:

• Polonij je močan α sevalec; na sekundo odda 4000 krat več α delcev kot ista masa na primer izotopa radija, ki je tudi sam zelo radioaktiven, in razpade do plina radona.

HePbPo 42

20682

21084


sevanje• Sestavljajo ga elektroni z visoko energijo, ki nastanejo pri

razpadu nevtronov v jedru:

• Nastane pri razpadu nekaterih radioaktivnih snovi v naravi in odpadnih produktov v jedrskih reaktorjih.

• Datiranje s pomočjo izotopa ogljika:

• Merjenje z AMS (Accelerator Mass Spectrometry); do 80 000 let nazaj (14 razpolovnih časov), ko je navzočih le še

0,006% začetne količine izotopa ogljika.

epn 01

11

10

eNC 01

147

146


Uporaba sevalcev

• V medicini za zdravljenje očesnih bolezni in kostnega raka:

• Zdravljenje bolezni ščitnice: • Tricij pri proučevanju telesnega metabolizma in

varnosti novih zdravil.

• Testiranje puščanja cevi:

Sr9038

I13153

H31

Mg2712


Nevarnosti

• Najnevarnejša je izpostavljenost z vdihavanjem, ali zaužitje sevalca; sevanje je prodornejše od .

• Direktna izpostavljenost je tudi nevarna (pordečenje kože, opekline).

• Jod – 131 se akumulira v ščitnici.

• Stroncij – 90 se akumulira v kosteh in zobeh.


sevanje

sevanje je elektromagnetno valovanje z valovno dolžino pod 124 pm, ki spremlja α in β radioaktivni razpad nekaterih izotopov; primer: je vzbujeni izotop.

sevanje je najprodornejše; zadržijo ga le debele plasti svinca, betona (6 krat debelejša plast) ali vode.

Ti fotoni imajo 10 000 krat višjo energijo kot fotoni iz vidnega dela elektromagnetnega spektra.

eNiCo 01

*6028

6027

NiNi 6028

*6028

*6028 Ni


Uporaba sevalcev• Najpogosteje se uporabljajo , in .• Kobalt – 60: sterilizacija medicinske opreme v

bolnišnicah, hrane v živilski industriji in pošte; zdravljenje raka, kontrola materialov v industriji (npr. debeline, defektov).

• Tehnecij – 99: najpogostejši izotop za diagnostiko v jedrski medicini (kontrastno sredstvo pri tomografiji).

Co6027 Cs137

55 Tc9943


Nevarnosti

• Najpogostejša je direktna zunanja izpostavljenost, naprimer naravnim radionuklidom, ki so gama sevalci: kalij – 40 (zemlja, voda, meso, banane ...), radij itd.;

• izpostavljenost sevalcem kot posledica uporabe v medicini in industriji.

• Zaradi svoje prodornosti so gama žarki zelo nevarni (radiacijska bolezen: izpostavljenost velikim dozam v kratkem času, pri čemer povzroči gama sevanje največ škode).


Prodornost sevanja

list papirja

aluminijasta folija

beton


Doza sevanja

• je količina ionizirajočega sevanja, ki ga prejme telo;

• je merilo za energijo, ki se pri sevanju absorbira v telesu.

• Enota za dozo je gray (Gy), ki je en joule na kilogram: 1 Gy = 1 J / kg snovi.

• Običajno: mGy ali Gy. • Včasih enota rad: 1Gy = 100 rad.


Efektivna doza sevanja• Enota sievert (Sv): en sievert sevanja

povzroči enak biološki efekt na telo, ne glede na vrsto sevanja. Običajno

uporabljamo enoto milisievert mSv.

• Naravno ozadje kjerkoli na našem planetu pomeni efektivno dozo okrog 2 do 3 mSv/leto. Rekord: Ramsar (Iran), kjer je efektivna doza tudi do 260 mSv/leto.

• Dovoljena efektivna doza zaradi umetnih virov sevanja je 1 mSv/leto.

• Približno velja: doza sevanja 1 mGy ustreza biološkemu vplivu na telo 1,14 mSv.


• Let z letalom, Paris – Los Angeles:

okrog 48 Gy (višina 11 km, 11 ur)

oziroma cca. 55 Sv.

• Vsakodnevno gledanje TV ali delo

z računalnikom: 0,01 mSv/leto.

• Tipična efektivna doza sevanja iz

umetnih virov v medicini: 0,06 mSv/leto.

• 3 mSv/leto: sevanje naravnega ozadja.

• 5 mSv/leto: rudarji v dnevnih kopih urana.Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

Izpostavljenost

NARAVNO

OZADJE

medicina 14%

jedrska industrija 1%

zgradbe/zemlja 18%

kozmični žarki 14%

radon 42%

hrana/pijača 11%


Letna efektivna doza za prebivalce Slovenije /mSv

(vir: ARAO, 2006)

Vir sevanja Povprečna vrednost

Maksimalna vrednost

Kozmično sevanje 0,380 2,000

Kozmogeni radionuklidi 0,010 0,010

Zemeljsko gama sevanje 0,460 4,300

Radionuklidi v organizmu 0,230 0,600

Inhalacija Rn-222 1,200 10,00

Inhalacija Rn-220 0,100 0,100

Ingestija Rn-222 0,005 0,100

Skupaj (zaokroženo) 2,400


Efektivne doze po svetu (brez radona), mSv/leto


Kje je meja?

• 20 mSv/leto: zgornja dovoljena meja za delavce v jedrski industriji, medicini in v rudnikih.

• 50 mSv/leto je najnižja efektivna doza, pri kateri so opazili nastanek raka pri odraslih.

• 1000 mSv: radiacijska bolezen, vendar ne nujno smrt.

• 10 000 mSv: smrt v nekaj tednih.


Aktivnost radioaktivnih snovi

• Aktivnost radioaktivne snovi: enota je 1 becquerel (Bq), ki znaša 1 razpad na sekundo.

• 1 Bq = 1 s -1.

• Včasih je bila enota Curie: 1 Bq = 27 x 10 -12 Ci.

• Merjenje: Geiger - Millerjev števec.


• Odrasel človek (70 kg): 7000 Bq

• 1 kg kave: 1000 Bq.

• Borovničev sok: 30 Bq/dm3 (doza 0,35 Sv)

• Oceani: 4,0x1019 Bq (uran); 1,4x1022 (kalij); 1,33x1021 Bq (rubidij – 87); 6,7x1018 (ogljik – 14); 7,4x1017 (tricij).


• Zrak v povprečni evropski hiši (radon): 30 000 Bq.

• Radioizotopi za diagnostiko v medicini: 600 MBq oziroma 3 mSv

(npr. scintigram kosti, izotop je tehnecijev – 99 difosfonat; pokažejo se

“vroče točke”, kjer je infekcija ali tumor)

• Uran v naravi: 50 MBq/kg. Sestava: 99,27 % uran – 238 (aktivnost 12 MBq/kg), 0,72 % uran – 235 (aktivnost 78 MBq/kg), in pet stotink promila uran – 234.


Specifična aktivnost nuklidov v mleku v okolici Ljubljane; vir: ARAO

0,001

0,01

0,1

1

10

100

1986

1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

Bq/

kg

Cs-134

Sr-90

Cs-137


Zakonodaja

• Hrana: v EU je bila po Černobilu določena nova najvišja dovoljena aktivnost izotopa Cs – 137, in sicer

12,5 kBq / kg suhe teže.

• Doze: 20 mSv letno za izpostavljene delavce; - 1 mSv letno za posameznike iz prebivalstva in- 1 mSv za nerojenega otroka noseče ženske v času do konca nosečnosti.

• Pri zdravniških pregledih in zdravljenju se uporabljata načeli upravičenosti in optimizacije.


Radon v Sloveniji (leto 2000)

• Ljubljana, Velenje 18 Bq/m3 zraka; Kočevje do 40 Bq/m3 (povišano naravno ozadje, bivši rudnik premoga); največ: Kras

• zaprti prostori do 60 Bq/m3 (dopustno do 200 Bq/m3).

• Rekord: termalna voda, toplice Snovik v Tuhinjski dolini (do 63 000 Bq/m3) in Dolenjske Toplice (51 000 Bq/m3).

• Skladišče za nizko in srednje radioaktivne odpadke v Brinju (zdravstvo, industrija, šolstvo, znanost): 6300 Bq/m3.


Razpolovni čas t1/2

• Radioaktivni razpadi so vsi prvega reda.

• Razpolovni čas t1/2 : je čas, v katerem se koncentracija zmanjša na polovico začetne.

tkc

cln o

k

2lnt 2/1


0

20

40

60

80

100

0,781%1,563%3,125%6,25%

12,5%

25%

50%

7t1/26t

1/25t

1/24t

1/23t1/2

2t1/2

t1/2

Del

ež p

reos

tale

sno

vi /

%

čas


Koliko časa do polovice?

• Uran – 238: razpolovni čas je 4,5 x 109 let.

• Mesečna plača: razpolovni čas 15 dni (če se le da!).

• Umetni viri: - cezij – 137 (jedrske eksplozije, Černobil): 30 let;- tehnecij – 99: 6 ur- jod – 131: 8 dni

• Umetni radioaktivni vir je nenevaren takrat, ko je njegova aktivnost podobna tisti v naravnem ozadju.


• Cepitev jeder v reaktorju - močno eksotermna reakcija;• 1941: prva nadzorovana verižna reakcija (Enrico Fermi);

• 1954: prva jedrska elektrarna (Obninsk, SSSR);

Jedrska energija


Verižne reakcije

• nadzorovana jedrska verižna reakcija (razne možnosti):

n2SrXenU 10

10038

13454

10

23592

n3BaKrnU 10

14156

9236

10

23592


NEK (700 MW)

• Jedrsko gorivo: 95% uran – 238 in 5% uran – 235 (jedrsko orožje: 90% urana – 235).

• Gorivne palice iz cirkonija vsebujejo gorivo v obliki UO2.

• NEK: 121 gorivnih elementov, vsak ima 235 gorivnih palic, skupaj 50 ton urana.


• Absorpcija nevtronov: bor (H3BO3) v hladilni vodi ali regulacijske palice iz srebra, indija in kadmija.

• Moderator nevtronov: hladilna voda (jih upočasni).

• Jedrska energija (toplota) uparevanje vode parne turbine električni generatorji.

• Toplotni izkoristek: 35%


• Cepitveni produkti so prav tako radioaktivni; predstavljajo del radioaktivnih odpadkov iz jedrskih elektrarn, zato jih je treba pravilno skladiščiti. Z njimi je povezanih večina ekoloških problemov v zvezi s pridobivanjem energije iz jedrskih elektrarn.

• Konec leta 2004 v elektrarni: 2289 m3 odpadkov (nizko in srednje radioaktivni, to so taki, ki po 300 letih niso več radioaktivni), skupna aktivnost 19 TBq.


Nesmotrna uporaba jedrske energije

• Atomska bomba: nekontrolirana jedrska verižna reakcija.• Američani so avgusta 1945 na japonski mesti Hirošimo

in Nagasaki odvrgli atomski bombi moči 13 kiloton TNT (60 kg urana – 235, Hirošima) in 21 kiloton TNT (6,4 kg plutonija – 239, Nagasaki). Posledice bombardiranja: okrog 200 000 ubitih civilistov in še večje število obolelih.


• TNT je okrajšava za klasično eksplozivo 2,4,6 - trinitrotoluen. Moč jedrske eksplozije je izražena s pomočjo mase v kilotonah TNT, ki bi morala eksplodirati za podoben učinek. Energija pri eksploziji 1 kilotone TNT znaša 4,184·1012 J. Toliko energije nastane na primer pri zgorevanju okrog 143 ton premoga.

• Danes: atomske bombe z močjo 500 kiloton.


Fuzija

• Sonce: fuzijski reaktor

(zlivanje protonov).

• Fuzija zaenkrat: žal le kot orožje

(vodikova bomba: 50 megaton).


Prihodnost?

• Obetajoča fuzijska reakcija:


Viri• P.W. Atkins: Physical Chemistry, 8th Ed., Oxford Press.• P. Monk: Physical Chemistry - Understanding our Chemical World,

John Wiley and Sons.• Uprava RS za jedrsko varnost (http://www.ursjv.gov.si/)• Agencija za radioaktivne odpadke (http://www.arao.si/)• Wikipedia (slike) (http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page)• Environmental Protection Agency (http://www.epa.gov/)• http://teachers.web.cern.ch/teachers/• http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nuclear/nucnot.html• http://particleadventure.org/frameless/4interactions.html• http://science.uniserve.edu.au/school/curric/stage6/phys/

physapplets.html• http://www.uic.com.au/nip26.htm• http://www.radiation.org/reading/pubs/testimonyNJFeb2005.html• IJS (Matjaž Štuhec – merilniki)• ...


HVALA

ZA

POTRPEŽLJIVOST!Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008

Geiger-Millerjev števec


andrej godec: sevanje okrog nas, modrijan, november 2008

Documents