Promieniowanie jądrowe i rentgenowskie. Ich wpływ na organizm i wykorzystanie w medycynie.

1. Promieniowanie Jądrowe

Jest to emisja cząstek lub promieniowania elektromagnetycznego (promieniowanie gamma) przez jądra atomów. Promieniowanie zachodzi podczas przemiany promieniotwórczej lub w wyniku przejścia wzbudzonego jądra do stanu o niższej energii. Rodzaj wysyłanego promieniowania oraz jego energia zależy od rodzaju przemiany jądrowej. Promieniowe jądrowe dzieli się na : promieniowanie alfa, beta, gamma i neutronowe.

Promieniowanie alfa jest to promieniowanie jonizujące emitowane przez rozpadające się jądra atomowe, będące strumieniem cząstek alfa, które są jądrami helu. Cząstka alfa składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Ma ładunek dodatni i jest identyczna z jądrem atomu izotopu 4He, więc często oznacza się ją jako He2+. Cząstki alfa są wytwarzane przez jądra pierwiastków promieniotwórczych, jak uran i rad. Proces ten określa się jako rozpad alfa. Jądro atomowe, które wyemituje cząstkę alfa, po emisji jest zwykle w stanie wzbudzonym, co powoduje emisję kwantu gamma. W rozpadzie alfa udział biorą oddziaływania silne. Prędkość cząstek alfa wynosi około 15 tysięcy km/s (dla cząstki o energii 5,5 MeV), masa spoczynkowa: 4u, a ładunek elektryczny cząstek +2e.

Promieniowanie alfa jest bardzo silnie pochłaniane przez materię. Nawet kilka centymetrów powietrza stanowi całkowitą osłonę przed tym promieniowaniem. Podobnie kartka papieru czy naskórek pochłaniają całkowicie promienie alfa. Jednak spożywanie pokarmów lub wdychanie powietrza zawierającego substancje wytwarzające promieniowanie alfa może być szkodliwe a nawet zabójcze. Kiedy już radioaktywny materiał znajdzie się w ciele człowieka, wytwarzane przez niego cząstki alfa bardzo silnie jonizują tkanki. Prowadzi to do poważnych uszkodzeń i choroby popromiennej. Bardzo silnym źródłem promieniowania alfa jest izotop polonu-210. Został on użyty do zabójstwa w 2006 roku rosyjskiego dysydenta i byłego oficera FSB/KGB, Aleksandra Litwinienki.

Zastosowanie znajduje w generatorach termoelektrycznych i wykrywaczach dymu. Większość detektorów dymu zawiera niewielkie ilości wytwarzającego promieniowanie alfa izotopu promieniotwórczego 241Am. Jest to bardzo toksyczny materiał, jeżeli zostanie wchłonięty z powietrzem. Jednak w zamknięciu nie stanowi żadnego zagrożenia. Osoba, która zetknęła się z materiałem wytwarzającym promieniowanie alfa, powinna poddać się dekontaminacji. Rozpad alfa izotopu plutonu-238 może być źródłem energii dla radioizotopowych generatorów termoelektrycznych, które stosowane są m.in. w satelitach.

Promieniowanie beta jest to rodzaj promieniowania jonizującego wysyłanego przez promieniotwórcze jądra atomowe podczas przemiany jądrowej. Nazwa ma znaczenie historyczne – powstała, by odróżnić to promieniowanie od mniej przenikliwego promieniowania alfa. Promieniowanie beta i alfa zarejestrowane były po raz pierwszy przez Becquerela, który opisał swoje wyniki w serii publikacji w latach 1896–1897. Oba rodzaje promieniowania badał następnie Rutherford i w roku 1899 opisał ich różny charakter. Promieniowanie beta powstaje podczas rozpadu β. W zależności od rodzaju tego rozpadu, jest ono strumieniem elektronów (z rozpadu β−) lub pozytonów (z rozpadu β+) poruszających się z prędkością porównywalną z prędkością światła. Promieniowanie to jest silnie pochłaniane przez materię. Promieniowanie beta jest bardziej przenikliwe niż promieniowanie alfa o porównywalnej energii, natomiast jego absorpcja jest słabsza w porównaniu z promieniowaniem gamma. Zasięg promieniowania beta zależy od energii elektronów i gęstości substancji pochłaniającej. Energia z kolei zależy od rodzaju źródła. Ten typ promieniowanie powoduje znacznie mniej szkód w tkankach niż ma to miejsce w przypadku promieniowanie alfa. W wyniku większej przenikliwości, podczas przechodzenia przez skórę powoduje uszkodzenie narządów, które leżą głębiej. Zagrożenie zewnętrzne w przypadku promieniowania beta jest znacznie większe niż w przypadku promieniowania alfa. Promieniowanie beta możemy zatrzymać blacha aluminiową.

Promieniowanie gamma jest to wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego. Za promieniowanie gamma uznaje się promieniowanie o energii kwantu większej od 50 keV. Zakres ten częściowo pokrywa się z zakresem promieniowania rentgenowskiego. W wielu publikacjach rozróżnienie promieniowania gamma oraz promieniowania X (rentgenowskiego) opiera się na ich źródłach, a nie na długości fali. Promieniowanie gamma wytwarzane jest w wyniku przemian jądrowych albo zderzeń jąder lub cząstek subatomowych, a promieniowanie rentgenowskie – w wyniku zderzeń elektronów z elektronami powłok wewnętrznych lub ich rozpraszaniu w polu jąder atomu. Promieniowanie gamma jest promieniowaniem jonizującym i przenikliwym. Promieniowania gamma oznacza się grecką literą γ, analogicznie do korpuskularnego promieniowania alfa (α) i beta (β). Promieniowanie gamma przechodząc przez materię jest pochłaniane (wielkość pochłaniania zależy od energii promieniowania). Za pochłanianie promieniowania gamma odpowiadają następujące zjawiska:

1. wewnętrzny efekt fotoelektryczny (Photo), w wyniku którego promieniowanie gamma oddaje energię elektronom, odrywając je od atomów lub przenosząc na wyższe poziomy energetyczne;

2. rozpraszanie komptonowskie (Compton) – elektrony słabo związane lub swobodne doznają przyspieszenia w kierunku rozchodzenia się promieniowania. W pojedynczym akcie oddziaływania następuje niewielka zmiana energii kwantu gamma. W wyniku oddziaływania z wieloma elektronami kwant gamma wytraca swą energię. Jest to najważniejszy sposób oddawania energii przez promieniowanie gamma;

3. kreacja par elektron-pozyton (Pair) – kwant gamma, uderzając o jądro atomowe, powoduje powstanie par cząstka-antycząstka (warunkiem zajścia zjawiska jest energia kwantu gamma > 1,02 MeV – dwukrotnej wartości energii spoczynkowej elektronu);

4. reakcje fotojądrowe – w tym oddziaływaniu promieniowanie gamma oddaje energię jądrom atomowym, wzbudzając je i, przy odpowiednio wysokiej energii fotonu, produkując nowe cząstki. Wzbudzone jądro atomowe może wypromieniować kwant gamma, ulec rozpadowi lub rozszczepieniu. Przekrój czynny takiej reakcji jest zazwyczaj niewielki, może być jednak rezonansowo zwiększony jeżeli energia kwantu gamma odpowiada dokładnie energii wzbudzenia jądra.

Podczas wybuchu jądrowego bomby atomowej około 5% energii wybuchu zamienia się na promieniowanie jonizujące, w tym i na promieniowanie gamma. Skutki oddziaływania promieniowania gamma powstałego podczas wybuchu są mniejsze niż efekty wywołane falą uderzeniową i promieniowaniem cieplnym. Większym problemem jest skażenie promieniotwórcze, gdyż powstaje opad radioaktywny, który wprowadza promieniotwórcze substancje do wody i żywności. Promieniowanie gamma, powstające podczas rozpadu pochłoniętych przez istoty żywe izotopów promieniotwórczych, niemalże w całości jest pochłaniane przez organizm powodując wzrost dawki promieniowania. W związku z tym miejsce eksplozji jest skażone i przez długi czas nie nadaje się do życia. Szacuje się, że w Hiroszimie liczba osób, które umarły w wyniku napromieniowania, jest porównywalna z liczbą osób jakie zmarły w wyniku wybuchu.

Promienie gamma mogą służyć do sterylizacji sprzętu medycznego, jak również produktów spożywczych. W medycynie używa się ich w radioterapii do leczenia raka (tzw. bomba kobaltowa, nóż gamma) oraz w diagnostyce, np. pozytonowa emisyjna tomografia komputerowa. Ponadto promieniowanie gamma ma zastosowanie w przemyśle oraz nauce, np. pomiar grubości gorących blach stalowych, pomiar grubości papieru, wysokości ciekłego szkła w wannach hutniczych, w geologii otworowej (poszukiwania ropy i gazu ziemnego), w badaniach procesów przemysłowych (np. przepływu mieszanin wielofazowych, przeróbki rudy miedzi). Promieniowanie γ ma zastosowanie w badaniach z dziedziny chemii radiacyjnej.

Promieniowanie neutronowe jest to promieniowanie jonizujące, które składa się z wolnych neutronów i powstaje w wyniku rozszczepienia jądra, rozpadu i syntezy jądrowej. Neutrony promieniowania w wyniku reakcji z materią oraz rozpadu neutronów wytwarzają zjonizowane cząsteczki, oddziałując z jądrami atomów, wytwarzają nowe izotopy, które z kolei, mogą wytwarzać promieniowanie jonizujące.

Promieniowanie neutronowe jest częścią promieniowania przenikliwego powstającego podczas wybuchu jądrowego. W rozszczepieniu jądra atomowego są neutrony: neutrony natychmiastowe, neutrony opóźnione. Źródłem neutronów natychmiastowych może być reakcja rozszczepienia jąder pierwiastków ciężkich i reakcja syntezy deuteru z trytem lub tylko reakcja rozszczepienia. Neutrony te są emitowane w czasie około 10 μs. Natychmiastowe promieniowanie neutronowe występuje jako czynnik rażący tylko przy wybuchach jądrowych w atmosferze. Źródłem neutronów opóźnionych przy wybuchu jądrowym są produkty rozszczepienia. Przeważająca część neutronów jest emitowana w ciągu pierwszych 10 sekund po wybuchu. Całkowita energia tych neutronów stanowi od kilku do kilkunastu procent całkowitej energii neutronów natychmiastowych emitowanych w czasie reakcji rozszczepienia.

1. Promieniowanie rentgenowskie

Rodzaj promieniowania elektromagnetycznego, które jest generowane podczas wyhamowywania elektronów[1]. Długość fali mieści się w zakresie od 10 pm do 10 nm. Zakres promieniowania rentgenowskiego znajduje się pomiędzy nadfioletem i promieniowaniem gamma.

Zakresy promieniowania rentgenowskiego, ze względu na częściowe pokrywanie się zakresów promieniowania rentgenowskiego i promieniowania gamma, obecnie jako kryterium klasyfikujące przyjmuje się źródło promieniowania: promieniowanie rentgenowskie powstaje podczas hamowania wolnych elektronów, a promieniowanie gamma w wyniku rozpadu promieniotwórczego jąder pierwiastków.

1. twarde promieniowanie rentgenowskie – długość fali od 5 pm do 100 pm

2. miękkie promieniowanie rentgenowskie – długość fali od 0,1 nm do 10 nm

Promieniowanie rentgenowskie uzyskuje się w praktyce (np. w lampie rentgenowskiej) poprzez wyhamowywanie rozpędzonych elektronów na materiale o dużej (powyżej 20) liczbie atomowej (promieniowanie hamowania), efektem czego jest powstanie promieniowania o charakterystyce ciągłej, na którym widoczne są również piki pochodzące od promieniowania charakterystycznego anody (rozpędzone elektrony wybijają elektrony z atomów anody). Luki po wybitych elektronach na dolnych powłokach elektronowych pozostają puste do czasu, aż zapełnią je elektrony z wyższej powłoki. Elektron przechodząc z wyższego stanu emituje kwant promieniowania rentgenowskiego – następuje emisja charakterystycznego promieniowania X. Promieniowanie X powstaje także w wyniku wychwytu elektronu, tj. gdy jądro przechwytuje elektron znajdujący się na powłoce K, w wyniku czego powstaje wolne miejsce, na które spadają elektrony z wyższych powłok i następuje emisja kwantu X. Przykładem źródła promieniowania X działającego w oparciu o wychwyt elektronu jest 55Fe, emitujące 80% kwantów o energii ok. 5,9 keV (linia Kα) oraz 20% o energii 6,2 keV (linia Kβ).

Obecnie są budowane także efektywniejsze źródła promieniowania X, promieniowanie wytwarzane jest przez poruszające się po okręgu elektrony w synchrotronach, stąd promieniowanie to nazywa się promieniowaniem synchrotronowym. Pierwsze źródła promieniowania synchrotronowego należące do tzw. I i II generacji były stosunkowo mało wydajne. Dopiero źródła promieniowania synchrotronowego nowszej konstrukcji, należące do III generacji, pozwoliły na osiąganie większych natężeń promieniowania, a przede wszystkim umożliwiły w miarę ciągłą bezawaryjną pracę. Synchrotrony III generacji zaopatrywano też z reguły w tzw. "urządzenia wstawkowe" (ang. insertion devices) – wigglery i undulatory. W urządzeniach tych elektrony poruszają się w periodycznym polu magnetycznym po trajektorii zbliżonej do sinusoidy, dzięki czemu natężenie emitowanego promieniowania znacznie się zwiększa (nawet o kilka rzędów wielkości) w stosunku do natężenia promieniowania wytwarzanego w polu magnesów zakrzywiających synchrotronu bez urządzeń wstawkowych. Przykładem źródeł synchrotronowych mogą być: BESSY II (Berlin), DORIS III (II generacji, Hasylab, Hamburg), ESRF (III generacji, Grenoble). Obecnie działają już źródła kolejnej, IV. generacji promieniowania synchrotronowego, lasery rentgenowskie (lasery na elektronach swobodnych, FEL – ang. Free Electron Laser). Najsilniejszy z nich, laser FLASH w DESY (Hamburg) wytwarza impulsy monochromatycznego promieniowania w zakresie XUV-SX (skrajnego ultrafioletu próżniowego do miękkiego promieniowania rentgenowskiego), o czasie trwania około 25 femtosekund i mocy szczytowej w impulsie dochodzącej do 1 GW. Lasery FEL są przestrajalne, a emitowane przez nie promieniowanie jest spójne i spolaryzowane liniowo. Szczytowe natężenie w impulsie osiągać może wartości ponad 9 rzędów wielkości większe niż otrzymywane z najpotężniejszych synchrotronów III generacji. W lutym 2007 w tym samym ośrodku w Hamburgu rozpoczęto budowę europejskiego lasera X-FEL działającego w rentgenowskim zakresie długości fali 0,05–6 nm. Osiągnięcie pełnej operacyjnej zdolności działania planuje się na rok 2015.W 2008 r. w czasopiśmie Nature ukazała się publikacja informująca, że źródłem nanosekundowych błysków promieniowania rentgenowskiego jest rozwijana w próżni standardowa taśma klejąca. Promieniowanie z taśmy jest wystarczająco silne do wykonania zdjęcia rentgenowskiego

Promieniowanie rentgenowskie wykorzystywane jest w celu obrazowania wewnętrznej struktury obiektów. Jedną z metod opracowaną przez zespół z University College London jest badanie odchylenia kierunku ruchu promieniowania w wyniku przejścia przez badany obiekt z zastosowaniem kontrastu fazowego. Promieniowanie rentgenowskie jest wykorzystywane do uzyskiwania zdjęć rentgenowskich, które pozwalają m.in. na diagnostykę złamań kości i chorób płuc oraz do rentgenowskiej tomografii komputerowej. Wysokoenergetyczne promieniowanie rentgenowskie (rzędu MeV) stosowane jest jako wygodna alternatywa napromieniowania za pomocą radioizotopów (brak konieczności okresowej wymiany materiału promieniotwórczego) w radioterapii niektórych nowotworów. Promieniowanie takie generowane jest zwykle w wyniku bombardowania tarczy wolframowej (lub z dużym udziałem tego metalu) strumieniem elektronów pochodzących z akceleratorów liniowych. Do naświetleń powierzchownych nowotworów wykorzystuje się także niżej energetyczne promieniowanie rentgenowskie z zakresu 80–250 KeV. Dawki skuteczne będące rezultatem naświetleń diagnostycznych mieszczą się w przedziale od 0,1 (zdjęcie klatki piersiowej) do 5,6 mSv podczas badań żołądka i przewodu pokarmowego (dla porównania, naturalne tło promieniotwórcze w Polsce powoduje przyjęcie 2–3 mSv rocznie). Dawki terapeutyczne są tysiące razy silniejsze. Przyjęcie dużej dawki promieniowania może powodować oparzenia i chorobę popromienną.