JONIZUJUĆA ZRAČENJA I

RADIOAKTIVNOST

Najopštije rečeno, pod zračenjem se

podrazumeva zračenje

prirodnog i veštačkog porekla.

Zračenje se klasifikuje u dve glavne

kategorije: nejonizujuće i jonizujuće, u

zavisnosti od sposobnosti da jonizuje

materiju. Jonizacioni potencijal atoma, tj.

minimalna energija koja može da izvrši

jonizaciju atoma, je u opsegu nekoliko eV

za alkalne elemente do 24.5 eV za helijum.

Nejonizujuće zračenje ne može da jonizuje

materiju, dok jonizujuće zračenje vrši

jonizaciju materije direktno ili indirektno

Prirodno zračenje Prirodno zračenje se prema poreklu može grupisati u

tri grupe, prema poreklu i to :

· kosmičko zračenje, koje potiče od Sunca i iz kosmičkog prostora i sastoji se od vrlo brzih naelektrisanih elementarnih i drugih čestica;

· kosmogeni radionuklidi koji se stvaraju dejstvom kosmičkog zračenja i atoma u atmosferi, na primer 14C i

· primordijalni praiskonski radionuklidi koji su stvoreni u trenutku stvaranja kosmosa, ali je njihovo vreme poluraspada toliko veliko da se nisu raspali do sada. To su radionuklidi koji pripadaju prirodnim radioaktivnim serijama i 40K.

Jedna od komponenti zračenja iz prirode je

RADON (radionuklid, plemeniti gas).

Radioaktivni niz 238U je izvor radona 222Rn,

koji nastaje raspadom radijumovih jezgara, 226Ra.

Za ljudsku populaciju, merenja radona imaju ključnu

ulogu u monitoringu ljudskog zdravlja i

bezbednosti u zatvorenim prostorijama, (222Rn).

Sva tri prirodna radioaktivna niza sadrže po jedan izotop radona;

u nizu 232Th je 220Rn (Toron),

dok je u nizu 235U izotop 219Rn (Aktinon).

234 U

7,73 . 10 12 s

(2,45 . 10 5 god)

238 U

1,41 . 10 17 s

(4,47 . 10 9 god)

234 Pa

70,8 s

(1,18 min)

234 Th

2,08 . 10 6 s

(24,1 dan)

230 Th

2,43 . 10 12 s

(7,70 . 10 4 god)

226 Ra

5,05 . 10 10 s

(1,60 . 10 3 god)

222 Rn

3,30 . 10 5 s

(3,82 dana)

218 Po

183,00 s

(3,05 min)

214 Pb

1608,0 s

(26,8 min)

214 Bi

1182,0 s

(19,7 min)

214 Po

1,64 . 10 -4 s

210 Pb

7,03 . 10 8 s

(22,3 god)

oSlika 1.1 Uranov niz

232 Th

4,42 . 10 17 s

(1,40 . 10 10 god)

228 Th

6,02 . 10 7 s

(1,91 god)

228 Ac

2,21 . 10 4 s

(6,13 h)

228 Ra

1,81 . 10 8 s

(5,75 god)

224 Ra

3,16 . 10 5 s

(3,66 dana)

220 Rn

55,6 s

216 Po

0,15 s

212 Pb

3,82 . 10 4 s

(10,6 h)

208 Tl

184,2 s

(3,07 min)

212 Bi

3,64 . 10 3 s

(60,6 min)

212 Po

0,305 s

208 Pb

(stabilan)

oSlika 1.2 Torijumov niz

235 U

2,22 . 10 16 s

(7,04 . 10 8 god)

227 Th

1,62 . 10 6 s

(18,7 dana)

231 Pa

1,03 . 10 12 s

(3,28 . 10 4 god)

231 Th

9,18 . 10 4 s

(25,5 h)

223 Ra

9,85 . 10 5 s

(11,4 dana)

219 Rn

3,96 s

215 Po

1,78 . 10 -3 s

211 Pb 2166 s

(36,1 min)

207 Tl

286,2 s

(4,77 min)

211 Bi

128,4 s

(2,14 min)

207 Pb

(stabilan)

227 Ac

6,88 . 10 8 s

(21,8 god)

oSlika 2.3 Aktinijumov niz

Uz te, docnije je veštački formirana

neptunska familija. Nizovi koje se javljaju u

prirodi nastaju od jezgara čiji je život dug u

poredjenju sa starošću Zemlje. Neptun ima

relativno kratak život, ali je najduže živeći

član toga niza. Svaki se niz završava

stabilnim izotopom, koji je u stvari krajnji

član; polazni i krajnji članovi nizova su dati

u tabeli 1. Prirodni radioaktivni nizovi se

završavaju izotopima olova.

Ime niza Maseni broj Polazno

jezgro

Poluživot Krajnji član

Torijumski 4n 232 Th 1.4×1010 208Pb

Uransko-

radijumski 4n + 2 238U 4.5×109 206Pb

Uransko-

aktinijumski 4n + 3 235U 7.2×108 207Pb

Neptunski 4n + 1 237Np 2.2×106 209Bi

oTabela 1. Polazni i krajnji članovi radioaktivnih nizova

земаљски извори су одговорни за највећи

део човекове изложености природном

зрачењу (Слика 1.1).

1.26

0.390.48

0.29

0.600.01

Радон Космичко

зрачење

Спољашње,

из земљишта

Унесено

у организам

Медицинско Остало

oСлика 1. Дозе зрачења које прима становништво из различитих извора UNSCEAR[1] 2008

o

mSv

o[1] Научни комитет Уједињених нација о ефектима атомског зрачења

o(United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation)

Na osnovu izveštaja međunarodnih

organizacija za radijaciju, ukupna godišnja

efektivna ekvivalentna doza stanovništva je

procenjena na 2.4 mSv

Može se videti da izrazito najveću dozu (40

% ukupne doze) opšta populacija primi od

radona i njegovih potomaka, i to putem

inhalacije, što ima direktno dejstvo na

respiratorni sistem.

Rn

33 . 10 4 s

Po

183 s

Pb

1608 s

Bi

1182 s

Po

164 . 10 -6 s

Pb

7 . 10 8 s

Atomskibroj

222

218

214

210

oSlika 2.5 Pojednostavljena šema raspada 222Rn

Raspadom jezgara 222Rn nastaju

kratkoživeći radonovi potomci: 218Po

(RaA), 214Pb (RaB), 214Bi (RaC) i 214Po

(RaC'). Dugoživeći 210Pb se ne uzima u

obzir. Najveći deo doze koju čovek,

odnosno njegov respiratorni trakt, primi od

udahnutog radona (222Rn), ne potiče od

samog gasa radona, već od njegovih

kratkoživećih potomaka.

• Slika 2. Karta doza za opštu populaciju

Veštačko zračenje

Veštačko zračenje je zračenje čija se

proizvodnja zasniva na nuklearnim

reakcijama . Pod ovim imenom

podrazumevaju se sve pojave u kojima

jedno jezgro reaguje sa drugim jezgrom,

elementarnom česticom ili gama fotonom

Jonizujuće zračenje

Neposredno jonizujuće zračenje su naelektrisane čestice (elektroni, protoni , alfa čestice ... ) koje mogu da proizvedu jonizaciju sudarom.

Posredno jonizujuće čestice su nenaelektrisane čestice (neutroni, x i gama zraci) koje mogu da oslobode neposredno jonizujuće čestice ili da izazovu nuklearnu transformaciju.

Jonizujuće zračenje je zračenje koje se sastoji od posredno ili neposredno jonizujućih čestica ili njihove smeše.

Spoljašnje, unutrašnje i ukupno

ozračivanje Spoljašnje ozračivanje, predstavlja ozračivanje od

izvora zračenja koji se nalaze izvan objekta

ozračivanja.

Unutrašnje ozračivanje, predstavlja ozračivanje od

izvora zračenja koji se nalaze unutar objekta

ozračivanja.

Ukupno ozračivanje, predstavlja ozračivanje

objekta pod dejstvom zračenja koje potiče od

spoljašnjih i unutrašnjih izvora

Ravnoteža naelektrisanih čestica

Akt deponovanja energije je predavanje energije u

posmatranoj masi od strane jonizujućih čestica koje se

nalaze u međusobnoj korelaciji.

Ravnoteža naelektrisanih čestica, predstavlja stanje pri

kome je svaka naelektrisana čestica određene energije, koja

napusti neku posmatranu zapreminu V, zamenjena drugom

identičnom naelektrisanom česticom iste energije. Uslovi

koji treba da budu zadovoljeni da bi se to stanje postiglo

diskutovani su opširno u odgovarajućoj literaturi.

Nuklid, predstavlja vrstu atoma koji ima zadat broj

neutrona i zadat broj protona u svom jezgru.

Radioaktivnost

Radioaktivnost je svojstvo izvesnih vrsta jezgara da sama od sebe prelaze u druga jezgra.

Za ova jezgra se kaže da su radioaktivna

Jezgra koja nemaju ovo svojstvo su stabilna.

Proces prelaska radioaktivnog jezgra u drugo naziva se radioaktivni raspad.

Radioaktivnost se pojavljuje kod onih jezgara gde je nepovoljan odnos broja protona prema neutronima ili jezgro ima dinamičku nestabilnost

o Otkriće radioaktivnosti i izdvajanje radijuma 1896. Becquerel je proučavao luminiscenciju uranovih soli

njihovim ekscitovanjem prirodnom svetlošću.

Primetio je da luminiscentno zračenje stvara senku neprovidnih

predmeta koja se mogla zabeležiti na fotografskoj ploči

uvijenoj u crnu hartiju.

Spontana emisija zračenja ili radioaktivnost je

osobina samog uranovog atoma u njegovom normalnom stanju.

Po objavljivanju Becquerelovog rada, Pierre i Marie Curie

su ispitali mnoge druge elemente

Dobijen prvi novi radioaktivni element kome je po Poljskoj,

zavičaju Marije Curie, dato ime polonijum.

Cirrievi su nastavili svoj rad na izdvajanju i našli jedan drugi vrlo aktivan

element, koji se hemijski ponašao vrlo slično barijumu i dali mu ime

radijum.

Za radijum je nadjeno da je nekoliko miliona puta aktivniji od urana (iste težinske količine).

Atomska težina polonijuma je odredjena i iznosila je 225,

dok su docnija merenja pokazala da je maseni broj radijuma 226, a poluživot 1622 godine.

Oko 1897 godine zračenje urana je privuklo pažnju Rutherforda, koji je bio profesor na univerzitetu u Montrealu (1898-1907) i bavio se izučavanjem

rasioaktivnosti.

Cuirie i Rutherford su svojim prvim eksperimentima pokazali da zračenje

iz radioaktivnih elemenata sadrži komponente raznih moći prodiranja na osnovu

apsorpcije zračenja u materijalu.

Zakon radioaktivnog raspada

Ako u trenutku t=0 u radioaktivnom izvoru postoji N0 atoma datog radioizotopa

sa vremenom poluraspada T1/2

postavlja se pitanje kojim će se tempom ovaj broj smanjivati kako vreme protiče.

-Vreme poluraspada je vreme za koje količina nekog radioaktivnog materijala opadne na polovinu.

Zakon radioaktivnog raspada pokazuje koliki će broj atoma početnog

radioizotopa ostati neraspadnut u izvoru po isteku vremena t od početka

posmatranja.

teNtN 0

konstanta raspada-,

Kao karakteristika brzine raspada uvodi se

21

2ln

T

Konstanta raspada govori o tome kolika je verovatnoća raspada jezgra u jedinici vremena.

Jedinica konstante raspada je s-1.

Grafički prikaz ovog zakona dat je na slici.

Aktivnost radioaktivnog izvora

Broj raspada koji se u radioaktivnom izvoru desi u jedinici vremena naziva se

aktivnost izvora.

Aktivnost izvora zavisi od dve veličine:

-što je veći broj još neraspadnutih jezgara , biće veći i broj raspada u jedinici vremena;

-što je vreme poluraspada izotopa manje, tempo raspada biće brži i

broj raspada u jedinici vremena biće veći.

Aktivnost izvora u funkciji vremena jednaka je:

tt eAeNtNT

tNtA 00

21

2ln

00 NA je početna aktivnost izvora

Jedinica za aktivnost radioaktivnih izvora u medjunarodnom sistemu jedinica (SI)

je bekerel Bq.

Aktivnost od 1 Bq ima onaj izvor u kome se u jednoj sekundi dešava jedan raspad.

Medjutim u praksi se sreće i vansistemska jedinica za aktivnost, kiri Ci.

Aktivnost od 1Ci ima onaj izvor u kome se u jednoj sekundi dešava 3.7 ×1010 raspada:

1 Ci = 3.7 ×1010 Bq ili

1 mCi = 37 MBq

Vrste radioaktivnog zračenja

Radioaktivna zračenja možemo podeliti u dve

osnovne grupe:

Čestice i

Elektromagnetska zračenja

Pod česticama se ovde podrazumevaju

mikrosistemi karakterisani masom. To

mogu da budu ili elementarene čestice kao

čto su nukleoni i elektroni ili sistemi

složeni iz iz više takvih čestica.

Elektromagnetsko zračenje se razlikuje od

čestica po tome što nema masu. U sebi

ujedinjuje dva aspekta talasni i čestični.

Osnovne čestice, njihove interakcije i zakoni očuvanja

Pod osnovnim česticama fizike smatraju se one čestice koje nemaju očiglednu podstrukturu.

Elektron e, e-

Elektroni su medju sobom apsolutno identični. To su stabilne elementarne čestice.

Masa elektrona u miru iznosi me=9.1 ×10-31 kg, i to su najlakše čestice

od svih onih koje poseduju masu kao svoju primarnu karakteristiku.

Naelektrisanje elektrona naziva se elementarno naelektrisanje:

e=1.6 ×10-19 C

Naelektrisanje koje poseduje elektron uslovno se naziva negativnim.

Proton p

Protoni su takodje stabilni. Masa protona u miru iznosi mp=1.6724 ×10-27 kg,

te su oni oko 2000 puta veće mase od elektrona.

Oni spadaju u grupu tzv. teških elementarnih čestica

Naelektrisanje protona je takodje elememntarno, ali je pozitivno.

Neutron n

Masa neutrona u miru veoma je bliska masi protona, ali je nešto veća i

iznosi mn=1.6748 ×10-27 kg. Naelektrisanje neutrona jednako je nuli,

to su neutralne čestice. Zajedničkim imenom protoni i neutroni se nazivaju nukleoni.

Slobodni neutroni su nestabilni; usamljeni neutron se spontano raspada u

proton, elektron i neutrino. Vreme poluraspada slobodnog neutrona iznosi oko 10 minuta,

pa slobodnih neutrona u prirodi nema.

Pozitron e+

Masa pozitrona jednaka je masi elektrona.

Naelektrisanje je jednako elementarnom, ali je pozitivno.

U procesu anihilacije sporog pozitrona i elektrona emituju se

dva fotona energije po 511 keV (anihilaciono zračenje).

Pozitroni se inače emituju i iz procesa + raspada.

Neutrino

Masa mirovanja neutrina jednaka je nuli i on nema naelektrisanje.

Neutrino je stabilan i jednom stvoren,

više praktično ne interaguje sa materijom.

On se emituje u svim tipovima procesa raspada nestabilnih jezgara

i pri tom odnosi znatan deo energije.

-mezon i mion

To su čestice masa izmedju elektrona i protona koje su važne za teoriju sila jezgra i

za tumačenje fenomena kosmičkog zračenja, respektivno

Foton γ

Foton je kvant elektromagnetnog zračenja.

Po klasičnoj teoriji elektromagnetno zračenje (EM)

se opisuje učestanošću ν koja predstavlja broj promena

električnog i magnetnog polja u

jedinici vremena u oblasti prostora kroz koju se zračenje prostire.

Zračenje se istovremeno opisuje i talasnom dužinom koja predstavlja

najmanje prostorno rastojanje izmedju tačaka u kojima se električno

i magnetno polje

menjaju u fazi, tj. u kojima iste vrednosti dostižu u istim trenucima vremena.

Učestanost i talasna dužina su povezani jednostavnom relacijom

obrnute propšorcionalnosti:

s

mc

c

8103

Po kvantnoj teoriji, zračenje date učestanosti se smatra sastavljenim

od identičnih čestica-fotona, pri čemu je energija fotona:

Jsh

hE

3410626.6

gde je h Planck-ova konstanta.

oLos Alamos National Laboratory, an affirmative action/equal opportunity employer, is operated by the Los Alamos National Security, LLC for the

National Nuclear Security Administration of the U.S. Department of Energy under contract DE-AC52-06NA25396. By acceptance of this article, the

publisher recognizes that the U.S. Government retains a nonexclusive, royalty-free license to publish or reproduce the published form of this

contribution, or to allow others to do so, for U.S. Government purposes. Los Alamos National Laboratory requests that the publisher identify this article

as work performed under the auspices of the U.S. Department of Energy. Los Alamos National Laboratory strongly supports academic freedom and a

researcher’s right to publish; as an institution, however, the Laboratory does not endorse the viewpoint of a publication or guarantee its technical

correctness.

oForm 836 (7/06)

oTitle

:

oAuthor(s)

:

oIntended

for:

oLA-UR-07-2777 oApproved for public release;

distribution is unlimited.

oMCNP Medical Physics Database

oTim Goorley

oX-3 MCC, Los Alamos National Laboratory

oAmerican Nuclear Society

Summer Meeting

oBoston, MA, June 24-28, 2007

MCNP Medical

Physics

Geometry

Database oAbstract:

oWith the growing interest in using MCNP for medical physics calculations,

demand has been increasing for geometric models which represent various

portions of the human body. This database of analytical and voxelized

(possibly based on CT data) geometries, in mcnp input deck form, would help

to meet that need. They could be used for organ-specific dose calculations,

code comparisons, or geometric representation studies. Contributions to this

database are welcome. For more information, contact jgoorley@lanl.gov.

oLA-UR-04-8518, LA-UR-05-6921, LA-UR-06-8172, LA-UR-

07-2777

Cub

es • Tissue or Water cubes

• Same total size,

different voxel sizes

• Uses lattice geometry

Snyder HP -

Analytical • Snyder head phantom

w/ scalp

• Analytical geometry

• 3 materials

• Tallies along z-axis

Snyder HP -

Voxel • Snyder head phantom w/

scalp

• Voxel/Lattice geometry

• 4, 8, or 16 mm cubes

• Homogenized Materials

MIRD12

(ORNL) • ORNL 1996

• 35 discrete cells

• 3 mats (soft, bone, lung)

MIRD

(Yanch) • MIRD Like

• MCAT Phantom + 5

organs

• 60 discrete cells

• 3 mats (soft, bone, lung)

• Prof. Yanch, MIT

MIRD

Human

s • Male, Female

• Children: 1, 5, 10, 15

• 40+ discrete cells

• 3 Materials

• D. Krstic and D. Nikezic,

oU. of Kragujevac, Serbia

Bottle

Phanto

m • Markus Schlagbauer

• Austrian Research Centers

Seibersdorf

• Analytical Geometry

• Useful to compare to direct

measurements (if you have

the phantom)

Zubal

Phantom • Voxel Phantom of Head

• 85 x 109 x 120 voxels

• 2.2 x 2.2 x 1.4 mm3

• 25 Brain structure tallies

• 15 materials

• Jeff Evans, Ohio State

Male Pelvis

Phantom • Voxel Phantom of male

pelvis

• 128 x 128 x 75 voxels

• 3.9 x 3.9 x 3.0 mm3

• 5 materials

• By Mark Wyatt (wyattms@chartertn.net)

• Converted using MCNPTV

VIP-

Man • Voxel Phantom of VIP-

Man head and upper

torso

• 147 x 86 x 105 voxels

• 2 x 2 x 2 mm

• 41 materials / organs

• By George Xu, RPI

(xug2@rpi.edu)

VIP Man • Whole Body Phantom

• Based on NIH VIP-Man Project

• 6, 100, 300 Million Voxel Models

• 1 or 4 mm3

• Available from Prof. Xu of RPI – not in

this database

o http://www.rpi.edu/dept/radsafe/public_html/home.htm

QUADO

S • 5 Input decks submitted to the European MP code intercomparison (QUADOS) by MCNP team summer student Alex Redd. http://www.nea.fr/download/quados/quados.html

//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e9/Kosovo_uranium_NATO_bombing1999.png