Radioaktivnost je

2. Sevanje okrog nas Andrej Godec Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerza v Ljubljani andrej.godec@fkkt.uni-lj.si

3. Sevanje Neionizirajoce (ni�je energije) Ionizirajoce (vi�je energije)

5. Neionizirajoce sevanje bli�nje UV, vidno in IR elektromagnetno valovanje, mikrovalovi in radijski valovi � to valovanje lahko spro�i naprimer nekatere fotokemijske reakcije in pospe�i radikalske reakcije; povzroci lahko opekline ko�e; vecino ga zadr�i �e zemeljska atmosfera; energija praviloma ni zadostna za ionizacijo atomov in molekul.

6. Ionizirajoce sevanje Ionizirajoce sevanje recemo vsem delcem, ki imajo zadosti energije, da ionizirajo atome in molekule. Tak�ni delci izbijejo elektrone iz zunanje lupine v atomih. V vecjih kolicinah lahko ionizirajoce sevanje v �ivih tkivih povzroci mutacije celic ali pa celo smrt. Ionizirajoce sevanje je lahko sestavljeno iz protonov, nevtronov, elektronov, helijevih jeder, in �e nekaterih drugih delcev.

7. Dejstva Radioaktivno (ionizirajoce) sevanje je na na�em planetu stalno prisotno. Recemo mu naravno ozadje. Vir sevanja naravnega ozadja so kozmicni �arki iz oddaljenega vesolja in od na�ega sonca, in radioaktivne snovi v globinah na�ega planeta. Radioaktivni izotopi, ki so prisotni v vecjih kolicinah v na�em telesu: 17 mg/70 kg 90 �g/ 70 kg 30 �g/ 70 kg Vsi navedeni so primarni radioizotopi, ki so navzoci �e od nastanka Zemlje. Vsega skupaj je v naravi vec kot 60 radioaktivnih elementov.

8. Toplota na�ega planeta prihaja tudi od radioaktivnega razpada v njegovi notranjosti � uranova serija. Oklo (Gabon): naravni fizijski jedrski reaktor v podrocjih z nahajali�ci uranove rude, ki je deloval skoraj milijon let. Nevtronski moderator je bila voda iz podtalnice. Moc reaktorja: 100 kW. Reaktor je ugasnil pred 1,5 milijarde let.

9. Odkod sevanje? Nekateri atomi niso stabilni, zato razpadejo. V naravi so tak�ni predvsem izotopi te�jih elementov, ki imajo dodatne nevtrone v jedru. Temu razpadu recemo radioaktivni razpad. Nestabilni izotopi so radioaktivni, zato jim recemo tudi radioizotopi. Pri radioaktivnem razpadu se del energije atoma sprosti v obliki delcev, ki jih obicajno spremlja tudi elektromagnetno valovanje z visoko energijo. Temu pojavu recemo s skupnim imenom radioaktivno sevanje. Sevanja radioaktivnih snovi ne moremo prekiniti.

10. Pionirja na podrocju radioaktivnosti sta bila pred dobrimi sto leti H. Becquerrel in Marie Curie. Nestabilne izotope pa znajo znanstveniki narediti tudi v laboratoriju. Prvi (?) uspe�en alkimist na svetu: Ernest Rutherford.

11. Cern 2008 LHC (Large Hadron Collider): 100 m pod zemljo, 27 km v premeru; Dva curka subatomskih delcev hadronov (protonov ali pa svincevih ionov) z veliko energijo celno trcita; Pricakovanja: veliko novih subatomskih delcev, supersimetrija, Higgsov bozon � ultimativni delec, ki je bil �e teoreticno napovedan v Standardnem modelu

12. Higgsov bozon: je delec ali delci, ki dajejo drugim maso. Ti delci so verjeten odgovor na vpra�anje, odkod delcem masa. Peter Higgs (1960): vesolje je napolnjeno z neko vrsto mre�e (Higgsovo polje), ki vpliva na delce, ki se premikajo po njem; tak delec ustvari v polju majhno popacenje, kar mu da maso. http://www.exploratorium.edu/origins/cern/ideas/higgs.html http://www.phy.uct.ac.za/courses/phy400w/particle/higgs.htm

13. Vrste radioaktivnega sevanja Glede na vrsto emitiranih delcev locimo alfa (a) in beta (b) radioaktivno sevanje. Spremljajoce valovanje pa imenujemo gama (g) sevanje ali g � �arki.

14. a sevanje Izotop emitira a delce: Uran v naravi: a sevalec star�evski izotop hcerinski izotop Uporaba: detektorji dima

15. Nevarnosti To sevanje je nevarno predvsem v primeru zau�itja snovi, ki seva. 320 ton osiroma�enega urana je bilo �izgubljenih� samo v prvi zalivski vojni (tudi U - 238 je alfa sevalec). �rtev tega sevanja je bil zaradi zastrupitve s polonijem leta 2006 tudi Rus A. Litvinenko: Polonij je mocan a sevalec; na sekundo odda 4000 krat vec a delcev kot ista masa na primer izotopa radija, ki je tudi sam zelo radioaktiven, in razpade do plina radona.

16. b 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 pomocjo izotopa ogljika: Merjenje z AMS (Accelerator Mass Spectrometry); do 80 000 let nazaj (14 razpolovnih casov), ko je navzocih le �e 0,006% zacetne kolicine izotopa ogljika.

17. Uporaba b sevalcev V medicini za zdravljenje ocesnih bolezni in kostnega raka: Zdravljenje bolezni �citnice: Tricij pri proucevanju telesnega metabolizma in varnosti novih zdravil. Testiranje pu�canja cevi:

18. Nevarnosti Najnevarnej�a je izpostavljenost z vdihavanjem, ali zau�itje sevalca; b sevanje je prodornej�e od a. Direktna izpostavljenost je tudi nevarna (pordecenje ko�e, opekline). Jod � 131 se akumulira v �citnici. Stroncij � 90 se akumulira v kosteh in zobeh.

19. g sevanje g sevanje je elektromagnetno valovanje z valovno dol�ino pod 124 pm, ki spremlja a in � radioaktivni razpad nekaterih izotopov; primer: je vzbujeni izotop. g sevanje je najprodornej�e; zadr�ijo ga le debele plasti svinca, betona (6 krat debelej�a plast) ali vode. Ti fotoni imajo 10 000 krat vi�jo energijo kot fotoni iz vidnega dela elektromagnetnega spektra.

20. Uporaba g sevalcev Najpogosteje se uporabljajo , in . Kobalt � 60: sterilizacija medicinske opreme v bolni�nicah, hrane v �ivilski industriji in po�te; zdravljenje raka, kontrola materialov v industriji (npr. debeline, defektov). Tehnecij � 99: najpogostej�i izotop za diagnostiko v jedrski medicini (kontrastno sredstvo pri tomografiji).

21. Nevarnosti Najpogostej�a 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 �arki zelo nevarni (radiacijska bolezen: izpostavljenost velikim dozam v kratkem casu, pri cemer povzroci gama sevanje najvec �kode).

22. Prodornost sevanja list papirja aluminijasta folija beton

23. Doza sevanja je kolicina ionizirajocega 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. Obicajno: mGy ali mGy. Vcasih enota rad: 1Gy = 100 rad.

24. Efektivna doza sevanja Enota sievert (Sv): en sievert sevanja povzroci enak biolo�ki efekt na telo, ne glede na vrsto sevanja. Obicajno uporabljamo enoto milisievert mSv. Naravno ozadje kjerkoli na na�em 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. Pribli�no velja: doza sevanja 1 mGy ustreza biolo�kemu vplivu na telo 1,14 mSv.

25. Let z letalom, Paris � Los Angeles: okrog 48 mGy (vi�ina 11 km, 11 ur) oziroma cca. 55 mSv. Vsakodnevno gledanje TV ali delo z racunalnikom: 0,01 mSv/leto. Tipicna 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.

26. Izpostavljenost

27. Letna efektivna doza za prebivalce Slovenije /mSv (vir: ARAO, 2006)

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

29. Kje je meja? 20 mSv/leto: zgornja dovoljena meja za delavce v jedrski industriji, medicini in v rudnikih. 50 mSv/leto je najni�ja 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.

30. Aktivnost radioaktivnih snovi Aktivnost radioaktivne snovi: enota je 1 becquerel (Bq), ki zna�a 1 razpad na sekundo. 1 Bq = 1 s -1. Vcasih je bila enota Curie: 1 Bq = 27 x 10 -12 Ci. Merjenje: Geiger - Millerjev �tevec.

31. Odrasel clovek (70 kg): 7000 Bq 1 kg kave: 1000 Bq. Borovnicev sok: 30 Bq/dm3 (doza 0,35 mSv) Oceani: 4,0x1019 Bq (uran); 1,4x1022 (kalij); 1,33x1021 Bq (rubidij � 87); 6,7x1018 (ogljik � 14); 7,4x1017 (tricij).

32. Zrak v povprecni evropski hi�i (radon): 30 000 Bq. Radioizotopi za diagnostiko v medicini: 600 MBq oziroma 3 mSv (npr. scintigram kosti, izotop je tehnecijev � 99 difosfonat; poka�ejo se �vroce tocke�, 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.

33. Specificna aktivnost nuklidov v mleku v okolici Ljubljane; vir: ARAO

34. Zakonodaja Hrana: v EU je bila po Cernobilu dolocena nova najvi�ja dovoljena aktivnost izotopa Cs � 137, in sicer 12,5 kBq / kg suhe te�e. Doze: 20 mSv letno za izpostavljene delavce; - 1 mSv letno za posameznike iz prebivalstva in- 1 mSv za nerojenega otroka nosece �enske v casu do konca nosecnosti. Pri zdravni�kih pregledih in zdravljenju se uporabljata naceli upravicenosti in optimizacije.

35. Radon v Sloveniji (leto 2000) Ljubljana, Velenje 18 Bq/m3 zraka; Kocevje do 40 Bq/m3 (povi�ano naravno ozadje, biv�i rudnik premoga); najvec: 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). Skladi�ce za nizko in srednje radioaktivne odpadke v Brinju (zdravstvo, industrija, �olstvo, znanost): 6300 Bq/m3.

36. Razpolovni cas t1/2 Radioaktivni razpadi so vsi prvega reda. Razpolovni cas t1/2 : je cas, v katerem se koncentracija zmanj�a na polovico zacetne.

38. Koliko casa do polovice? Uran � 238: razpolovni cas je 4,5 x 109 let. Mesecna placa: razpolovni cas 15 dni (ce se le da!). Umetni viri: - cezij � 137 (jedrske eksplozije, Cernobil): 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.

39. Cepitev jeder v reaktorju - mocno eksotermna reakcija; 1941: prva nadzorovana veri�na reakcija (Enrico Fermi); 1954: prva jedrska elektrarna (Obninsk, SSSR); Jedrska energija

40. Veri�ne reakcije nadzorovana jedrska veri�na reakcija (razne mo�nosti):

41. NEK (700 MW) Jedrsko gorivo: 95% uran � 238 in 5% uran � 235 (jedrsko oro�je: 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.

42. Absorpcija nevtronov: bor (H3BO3) v hladilni vodi ali regulacijske palice iz srebra, indija in kadmija. Moderator nevtronov: hladilna voda (jih upocasni). Jedrska energija (toplota) ? uparevanje vode ? parne turbine ? elektricni generatorji. Toplotni izkoristek: 35%

43. Cepitveni produkti so prav tako radioaktivni; predstavljajo del radioaktivnih odpadkov iz jedrskih elektrarn, zato jih je treba pravilno skladi�citi. Z njimi je povezanih vecina ekolo�kih 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 vec radioaktivni), skupna aktivnost 19 TBq.

44. Nesmotrna uporaba jedrske energije Atomska bomba: nekontrolirana jedrska veri�na reakcija. Americani so avgusta 1945 na japonski mesti Hiro�imo in Nagasaki odvrgli atomski bombi moci 13 kiloton TNT (60 kg urana � 235, Hiro�ima) in 21 kiloton TNT (6,4 kg plutonija � 239, Nagasaki). Posledice bombardiranja: okrog 200 000 ubitih civilistov in �e vecje �tevilo obolelih.

45. TNT je okraj�ava za klasicno eksplozivo 2,4,6 - trinitrotoluen. Moc jedrske eksplozije je izra�ena s pomocjo mase v kilotonah TNT, ki bi morala eksplodirati za podoben ucinek. Energija pri eksploziji 1 kilotone TNT zna�a 4,184�1012 J. Toliko energije nastane na primer pri zgorevanju okrog 143 ton premoga. Danes: atomske bombe z mocjo 500 kiloton.

46. Fuzija Sonce: fuzijski reaktor (zlivanje protonov). Fuzija zaenkrat: �al le kot oro�je (vodikova bomba: 50 megaton).

47. Prihodnost? Obetajoca fuzijska reakcija:

48. 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 ...

49. HVALA ZA POTRPE�LJIVOST!

50. Geiger-Millerjev �tevec