Fysik. Laboration 4. Radioaktiv strålning

Transkript

1 Tekniskt basår, Laboration 4: Radioaktiv strålning , 7.04 em Fysik Laboration 4 Radioaktiv strålning Laborationens syfte är att ge dig grundläggande kunskap om: Radioaktiva strålningens ursprung Olika typer av radioaktiv strålning Olika strålningstypers egenskaper Detektion av radioaktiv strålning Skydd mot radioaktiv strålning Inverkan av radioaktiv strålning på biologisk vävnad Utförande: laborationen utföres gemensamt Före laborationen: Läs igenom denna handledning Namn Utfört Godkänd av Inst. för Teknisk Fysik 1(8)

2 Tekniskt basår, Laboration 4: Radioaktiv strålning , 7.04 em Radioaktiva strålningens ursprung Radioaktiv strålning finns överallt i vår omgivning. Människan har alltid varit utsatt för radioaktiv strålning. Strålningen kommer från rymden, marken, på senare tid från människans verksamhet (gruvor, kärnkraftverk, kärnvapen, sjukvård, etc.) och från radioaktiva ämne i kroppen. Fenomenet radioaktivitet upptäcktes av Henri Bequerel år Radioaktivitet är beteckning för processer i vilka atomkärnor sönderfaller under utsändande av olika typer av joniserande strålning, radioaktiv strålning. Alfa-strålning består av heliumkärnor, beta-strålning består av elektroner eller positroner, och gammastrålning är kortvågig elektromagnetisk strålning. Radioaktivt sönderfall är en spontan process, genom vilken instabila eller radioaktiva atomkärnor av ett grundämne omvandlas, söderfaller, på ett bestämt sätt till atomkärnor av ett annat grundämne och radioaktiv strålning. Den sönderfallande atomkärnan brukar kallas moderkärna och de atomkärnor som bildas genom moderkärnas sönderfall kallas för döttrar. En atomkärna är uppbyggd av protoner och neutroner. Dessa partiklar betecknas med ett gemensamt namn nukleoner. Protonens laddning är positiv och till beloppet lika stor som elektronens laddning. Neutronen är elektriskt neutral. Protoners och neutroners massa är nästan 2000 gånger större än elektronens och därför en atoms massa är praktiskt taget lika med massan av atomens nukleoner. Ett grundämne klassificeras entydigt av sitt kärnladdningstal eller atomnummer Z, vilket är lika med antalet protoner i kärnan. Antalet neutroner i en kärna betecknas med N. Antalet nukleoner (Z+N) kallar kärnans masstal. En kärna med ett visst värde på Z och N kallas nuklid. Nuklider med samma värde på Z men med olika värde på N utgör samma grundämne och kallas ämnets isotoper. Isotoper kan vara stabila eller instabila, radioaktiva. De observerade atomkärnor kan delas in i två grupper: a) Stabila kärnor som inte tenderar att spontant sönderfalla b) Instabila eller radioaktiva kärnor som spontant undergår någon typ av kärnsönderfall och övergår i andra kärnor Atomkärnan och atomkärnans stabilitet Atomkärnor har normalt formen av en sfär, vissa kärnor kan ha en avlång form. En atomkärnas radie sträcker sig från ~10-15 m för väte till sex gånger större för uran. Kärnan är tätpackad med nukleoner. I figuren bredvid visas en bild av en atomkärna med många protoner och ännu fler neutroner. Nukleonerna befinner sig mycket nära varandra i en atomkärna. Från ellära vet du att två positivt laddade partiklar (t.ex. protoner), som ligger mycket nära varandra, repellerar varandra med en kraft som brukar kallas Coulombkraft. Hur kan då en atomkärna hålla ihop? Varför flyger protonerna inte ifrån varandra när en så stor kraft verkar mellan dem? Att en atomkärna håller ihop beror på att en ännu starkare attraktiv kraft verkar mellan nukleonerna. Denna kraft kallas stark växelverkan och den verkar mellan två neutroner, två protoner eller mellan en proton och en neutron. En schematisk bild av en atomkärna bestående av positivt laddade protoner och elektriskt neutrala neutroner. Proton A både attraherar och repellerar proton B, men huvudsakligen repellerar proton C. Ju större avstånd mellan A och C desto instabilare är kärnan. Stark växelverkan är mer komplex och annorlunda i sin verkan än Coulombkraften. Denna kraft är starkare än Coulombkraft när nukleoner befinner sig mycket nära varandra. Den är som starkast när Inst. för Teknisk Fysik 2(8)

3 Tekniskt basår, Laboration 4: Radioaktiv strålning , 7.04 em nukleonerna befinner sig på kortare avstånd från varandra än m, medan den är praktiskt taget noll vid ett större avstånd. Coulombkraften däremot avtar långsamt med växande avståndet mellan protonerna. För att en atomkärna skall vara stabil måste effekten av Coulombkrafterna vara mindre än av stark växelverkan. Så länge protonerna befinner sig nära varandra, så som är fallet i små atomkärnor, dominerar alltså den starka växelverkan. I stora atomkärnor kan protonerna å andra sidan befinna sig på längre avstånd från varandra, och därmed blir Coulombkrafterna dominerande. Detta medför att stora atomkärnor inte är lika stabila som små. Neutronerna spelar en viktig roll för en atomkärnas stabilitet. Eftersom neutronerna är elektriskt neutrala, är kraften mellan dem och andra nukleoner attraktiv (endast stark växelverkan). Därför spelar neutronerna rollen av något slags cement i atomkärnan. Ungefär de 20 lättaste atomkärnorna har lika stort antal protoner och neutroner. För att större atomkärnor skall förbli stabila måste antalet neutroner vara större än antalet protoner för att kompensera den repulsiva Coulombkraften. Så, ju tyngre en kärna är desto fler neutroner har den. Till exempel har metallen vismut (Bi), har 83 protoner och 126 neutroner. När fler och fler protoner finnes i en kärna, nås så småningom en punkt där balansen mellan den attraktiva starka växelverkan och den repulsiva Coulombkraften inte längre kan upprätthållas genom ökande antal neutroner atomkärnan blir instabil och omvandlas spontant till en annan atomkärna, genom att möblera om sin interna struktur. Detta spontana sönderfall eller omvandling kallas radioaktivitet. Den största stabila kärna med det största antal protoner, 83 stycken, är just vismut. Alla kärnor med flera protoner än 83 är instabila och sönderfaller. Halveringstid T 1/2 och radioaktivt sönderfall Radioaktivt sönderfall är en spontan process som inte kan påverkas av yttre parametrar såsom temperatur, tryck, magnetiskt fält, kemiska reaktioner, etc. En radioaktiv nuklids sönderfallshastighet karakteriseras av halveringstiden T 1/2, den tid som krävs för att hälften av de aktiva nukliderna i ett preparat har sönderfallit. Radioaktiva nuklider har mycket olika halveringstider, det finns isotoper som har halveringstid på några miljondels sekund, medan isotopen uran 238 (U-238) har halveringstiden 4.5 miljarder år. Bilden till höger visar ett diagram för isotopen radium 226 (Ra-226) som har halveringstid 1620 år och i figuren nedan visas sönderfallsserien för uran. Radioaktiva kärnor karaktäriseras av att de så småningom sönderfaller, omkommer, varvid nya kärnor bildas. Experimentellt har man funnit att sönderfallshastigheten dn/dt är alltid proportionell mot antalet radioaktiva kärnor N i ett preparat, dvs.: -dn/dt = λn (1) där λ är sönderfallskonstanten för radioaktiv kärna i frågan. Sönderfallskonstanten är relaterad till halveringstiden genom: T 1/2 = ln2/λ Det spelar ingen roll vid vilken tidpunkt efter kärnornas skapande observationen utförs. Sannolikheten för en kärna att omkomma inom nästkommande intervall är alltid konstant vilket tolkas som att åldrandets fenomen saknas i mikrokosmos. Om antalet kärnor vid tiden t = 0 är N 0 fås efter integrering av (1): "! t N N # e = 0 Inst. för Teknisk Fysik 3(8)

4 Tekniskt basår, Laboration 4: Radioaktiv strålning , 7.04 em där N är antalet kvarvarande kärnor vid godtycklig tid t. Detta är den s.k. sönderfallslagen. Olika typer av radioaktiv strålning Radioaktiva kärnor sänder ut tre typer av strålning: alfa (α), beta (β) och gamma (γ). Dessa har olika egenskaper som man upptäckte genom att man lät en kollimerad stråle från ett radioaktivt preparat passera genom ett magnetfält. Denna effekt kan användas för att dela upp strålningen från en radioaktiv kärna i dess olika beståndsdelar vilket visas schematiskt i figuren bredvid. Figuren nedan visar α-sönderfallskedjan för uran, en av de tre i naturen förekommande α- sönderfallskedjorna. Sönderfallskedjan avslutas med stabil isotop 206 Pb. Inst. för Teknisk Fysik 4(8)

5 Tekniskt basår, Laboration 4: Radioaktiv strålning , 7.04 em Uppgift1: Egenskaper av olika strålningstyper Beskriv noggrant de olika strålningstyper och hur man kan stoppa eller dämpa dessa: α-strålning: β-strålning: γ-strålning:.. Radon Radon är en ädelgas som bildas när det radioaktiva grundämnet radium sönderfaller. Radium bildas när uran 238 sönderfaller. I figuren ovan visas uran 238 sönderfallsserie. Radongasen sönderfaller i sin tur till andra radioaktiva grundämne, Po, etc., som kallas för radondöttrar. Det är radondöttrarna som fastnar i dina luftvägar om du andas in radonhaltig luft. Det är alfastrålningen som avges vid sönderfallet av radondöttrarna som är skadlig och kan orsaka lungcancer. Även andra organ i kroppen får en stråldos från radon men risken för skada är mindre. Radon är näst efter tobaksrökning den vanligaste orsaken till lungcancer. Från det att någon utsatts för radon till dess att lungcancer kan påvisas tar det år. SSI bedömer att omkring 500 lungcancerfall per år orsakas av radon i bostäder. Bedömningen grundas främst på resultat från epidemiologiska undersökningar i bostäder, i första hand på de svenska studier som presenterats av Institutet för Miljömedicin vid Karolinska Institutet. Radon i inomhusluft står för den största andelen av den totala stråldosen till befolkningen i Sverige. Det luktar inte, syns inte och smakar ingenting. Radon kan komma från marken, byggnadsmaterialet eller hushållsvattnet. För att upptäcka radon måste mätningar göras. I början av juni 2002 antog riksdagen propositionen Vissa inomhusmiljöfrågor (2001/02:128). För radon finns två mål angivna. Radonhalten i skolor och förskolor ska vara lägre än 200 Bq/m 3 senast år 2010 Radonhalten i bostäder ska vara lägre än 200 Bq/m 3 senast 2020 Gå gärna till SSI:s hemsida Där finner du utförlig information om radon i bostäder, rapporter, förordningar och föreskrifter för gränsvärden i olika sammanhang. På denna sida finns också kunskap om radioaktiv strålning, mätning och dos. Här nedan finns en tabell från SSI:s hemsida med gränsvärden för radon i luft. Inst. för Teknisk Fysik 5(8)

6 Tekniskt basår, Laboration 4: Radioaktiv strålning , 7.04 em Gränsvärden och riktvärden radon i luft 200 Bq/m 3 Högsta radonhalt i befintliga bostäder och lokaler som används för allmänna ändamål; Socialstyrelsens allmänna råd SOSFS 2004:6 (M) samt SOSFS 1999:22 (M). 200 Bq/m 3 Högsta radonhalt i nya byggnader; föreskrifter BFS 1993:57 Med ändringar t.o.m. BFS 2002:19, BBR Bq/m 3 Högsta radonhalt på arbetsplatser; Arbetsmiljöverkets föreskrifter AFS 2005:17 pdf 380Kb 2,5 MBqh/m 3 och år Högsta exponering för radon i gruvor och underjordsanläggningar under utförande; Arbetsmiljöverkets föreskrifter AFS 2005:17 pdf 380Kb. Motsvarar ca 1500 Bq/m 3 i radongas vid en arbetstid av 1600 timmar per år. Detektion av radioaktiv strålning Det finns ett antal anordningar som kan användas för att detektera partiklar (α- och β-strålning) och fotoner (γ-strålning). Detektionen av radioaktiv strålning är grundad på jonisation som strålningen ger upphov till när den träffar materia. Gemensamt för alla typerna av strålning är att dessa när de tränger in i materia åstadkommer de jonisation och/eller excitation av materiens atomer samtidigt som de förlorar energi. Vid jonisation tillförs atomer i strålningens väg så mycket energi att en eller flera elektroner lämnar sin atom och det bildas positivt laddade joner. Man får alltså fria elektroner, negativt laddade, och joner, positivt laddade. Det är denna jonisationsprocess som är orsaken till de skadliga effekter som radioaktiv strålning orsakar när den träffar levande celler. Den mest förekommande detektorn i dessa sammanhang är Geiger-Mueller räknaren, GM detektorn. En schematisk bild av denna detektor visas i figuren nedan. GM-räknaren består av en gasfylld cylinder (t.ex. argongas). Man låter radioaktiv strålning falla in i cylindern genom ett tunt fönster (ett speciellt material) i cylinderns ena sida. I mitten finns en trådelektrod som hålls på en hög positiv spänning relativt cylinderns mantel. När en högenergetisk partikel eller foton faller in i cylindern joniserar den argonatomerna. En elektron som frigjorts genom jonisation accelereras av det elektriska fältet som finns mellan anoden och katoden mot den positiva elektroden och skapar en elektrisk puls i detektorns elektroniska krets. Pulserna räknas med en räknare. Antalet pulser är proportionellt mot preparatets aktivitet. Aktiviteten mäts i Bequerel, 1 Bequerel är ett sönderfall per sekund. Vad kallas den effekt som är resultat av strålningens växelverkan med materia?. Beskriv denna process Inst. för Teknisk Fysik 6(8)

7 Tekniskt basår, Laboration 4: Radioaktiv strålning , 7.04 em Dämpning av γ-strålning γ-strålningen kan inte stoppas lika lätt som α- och β-strålning, den kan bara dämpas vid passagen genom materia. γ-strålningen växelverkar med materia på ett annat sätt än laddade partiklar, γ- strålningen är inte direkt joniserande, utan energi avlämnas till partiklar som i sin tur kan jonisera sin omgivning. γ-strålningens växelverkan med materia är komplex och vi nöjer oss här med att säga att hur mycket strålning som absorberas beror på typen av material som används för dämpning och strålningen energi. Bly är en bra absorbator av γ-strålning. Strålningens intensitet I avtar exponentiellt med tjockleken av det dämpande materialet. Processen kan beskrivas matematiskt I = I 0 exp(! µ x) där µ är den s.k. linjära dämpningskoefficienten. Detta samband beskriver monoenergetisk, kollimerad γ-strålning. Uppgift 2: Bestämning av blyets absorptionskoefficient för γ-strålning I denna uppgift skall demonstreras på ett mycket enkelt sätt absorptionen av γ-strålningen i bly. Observera att detta är ett mycket förenklat experiment avsett endast för att belysa effekten dämpning av γ-strålning. Med hjälp av GM-räknaren kan vi mäta strålningens intensitet före och efter genomgången genom ett visst material med viss tjocklek. Här används 5 mm tjocka blyplattor. Strålningen mäts före och efter passagen genom plattorna vilkas sammanlagda tjocklek är 5, 10 respektive 15 mm: Antal plattor. Tjocklek..Intensitet. Antal plattor Tjocklek.Intensitet. Antal plattor Tjocklek.Intensitet Antal plattor Tjocklek.Intensitet.. Plotta nu funktionen lni = lni 0 - µx i ett diagram. Detta bör ge en rät linje. Linjens lutningskoefficient ger absorptionskoefficienten µ för bly. Denna koefficient används vid beräkningar av tjockleken av det skyddande blyskiktet som är nödvändigt för att dämpa strålning till en nivå som är acceptabel vid arbetet med strålningen. Inverkan av radioaktiv strålning på biologisk vävnad Som nämnt ovan, är radioaktiv strålning farlig för människan därför att den jonisation som strålningen åstadkommer kan skada strukturen av cellernas molekyler. När celler utsätts för radioaktiv strålning kan de skadas allvarligt och till och med hela organets funktion kan rubbas. Graden av biologisk skada orsakad av joniserande strålning beror av flera faktorer som typen av strålning, strålningens energi, intensitet, bestrålningstid och typ av vävnad som strålningen träffar. Den biologiska inverkan strålningen har på levande cellmaterial är av två typer. Dels en direkt förändring, sönderslagning av biomolekyler - protein, DNA, RNA, osv.-, så att andra kemiska produkter uppkommer. Dels kemiska förändringar initierade med vatten som mellanprodukt. Det senare är av stor betydelse eftersom vatten utgör en stor del av innehållet i cellerna. Av vattnet bildas t.ex. fria radikaler som är mycket reaktiva. Dessa reagerar bl.a. med biomolekyler som då förändrar sin struktur. Allmänt kan sägas att vävnader stadda i snabb utveckling är mer strålningskänsliga än vävnader som växer långsamt (jmf. blodbildande organ och nervceller). För att kunna jämföra skador orsakade av olika strålningstyper används begreppet relative biological effectiveness (RBE). Inst. för Teknisk Fysik 7(8)

8 Tekniskt basår, Laboration 4: Radioaktiv strålning , 7.04 em RBE beror på den joniserande strålningens natur, energi samt på typen av bestrålad biologisk vävnad. RBE används tillsamman med absorberad dos i syfte att spegla strålningens skaldliga karaktär. Produkten av RBE och absorberad dos (uttryckt i rad) kallas biologically equivalent dose Tabellerna nedan och till höger visar RBE för några vanliga typer av strålning samt biologically equivalent dose Inst. för Teknisk Fysik 8(8)