TEORIA RADIATIILOR- CONCEPTE DE BAZA-

Notiuni introductive

• Radiatie = forma de energie eliberata la nivel atomic.

• Exista 2 feluri de radiatii:– radiatii ionizante = radiatii capabile sa scoata un

electron orbital dintr-un atom cu care interactioneaza (radiatiile X, neutroni);

– radiatii neionizante = radiatii care nu au suficienta energie pentru a smulge electroni legati din atomul cu care interactioneaza (microunde, rad.UV, VIS, IR, radar, TV, radio).

Concepte de baza ale radioactivitatii

Structura atomului:• nucleu:

- protoni (p);

- neutroni (n).

• invelis electronic:- electroni (e).

P32

15 I125

53

Structura atomului

• Numarul atomic (Z) = numarul de protoni (p) din nucleul unui atom;

• Numarul de masa (A) = suma numarului de protoni si a numarului de neutroni dintr-un nucleu (p + n)

Izotopi

• Atomi cu acelasi numar atomic (Z1 = Z2), dar numere de masa diferite (A1 A2)

C12

6

C14

6

Dezintegrarea radioactiva; radioactivitatea

• Unii izotopi prezinta configuratii nucleare instabile de protoni sau neutroni. Prin emisie de energie sub forma de radiatie ionizanta, ei “se muta” pe o configuratie mai stabila.

• Exces de energie, exces de masa, dezechilibru intre sarcinile electrice de semn opus (e- / p+).

Dezintegrarea radioactiva

• Procesul de emisie spontana (fara vreo influenta din exterior) de radiatii ionizante dintr-un nucleu instabil se numeste dezintegrare radioactiva.

• Procesul de dezintegrare radioactiva este guvernat de legi statistice (nucleele unei cantitati de material radioactiv au, in fiecare moment, aceeasi probabilitate de dezintegrare).

Radioactivitatea

• Proprietatea nucleelor atomice ale unor elemente chimice de a se dezintegra poarta numele de radioactivitate.

• Prin radioactivitate se intelege, in general, prezenta nucleelor radioactive in diferite substante, materiale, mediu etc.

• Ceva anume este (contaminat) radioactiv cand radioactivitatea sa depaseste limitele normale.

Radioactivitate naturala si artificiala

• Radioactivitatea naturalaRadioactivitatea naturala: prezenta in mediul inconjurator a unor radionuclizi naturali (substante radioactive care isi datoreaza existenta unor procese naturale, neinfluentate de activitatile umane);

• Radioactivitatea artificialaRadioactivitatea artificiala: prezenta in mediul inconjurator a unor radionuclizi artificiali (substante radioactive care isi datoreaza existenta activitatilor umane).

Radionuclizi naturali si artificiali

• Radionuclizi naturali:

- de origine telurica (radionuclizii primordiali K-40, Rb-87; seriile radioactive naturale ale U-238, U-235, Th-232);

- de origine cosmogenica (Be-7, H-3, C-14, P-32, P-33).

• Radionuclizi artificiali:- produsi de fisiune (Cs-136,137; I-129÷133; Sr-89,90; etc.)

- produsi de activare (Co-57,58,60; Pu-238÷242; Cs-134; etc.)

prezenta anumitor radionuclizi artificiali in mediu si analiza rapoartelor in care acestia sunt masurati conduce la posibilitatea identificarii sursei de contaminare a mediului (explozii nucleare in atmosfera, accidente nucleare, accidente radiologice)

Tipuri de radiatii

• Emisii de particule (, -, +, n)

• Emisii de fotoni ( , raze X)

Particule alfa)

• Nuclee de Heliu• Sarcina electrica: +2• Masa: mare• Parcurs in aer: 3 -4 cm• Ecranare: o foaie de hartie• Nu sunt penetrante

(se opresc in stratul exterior al pielii)• Risc sever la iradierea interna

(incorporare).

(*) Parcursurile in aer pentru -emitatori comuni: 32P (energie mare, 7 m) 14C (energie medie, 30 cm) 3H (energie joasa, 6 mm)

Particule (beta)

• Electroni / pozitroni• Sarcina electrica: -1, +1• Masa: foarte mica• Parcursul in aer: sub 10 m,

dependent de energie (*)• Mai penetrante decat (se opresc intr-o foita subtire de

Aluminiu)• Risc mediu la iradierea interna si externa• Ecranare: materiale cu Z mic (plastic)

Fotoni

• Nu sunt particule (nu au masa, nu au sarcina electrica), ci “pachete de energie”.

• Penetrante.• Ecranare: materiale cu Z mare (Pb)• Risc radiologic la iradierea interna si

externa

Radiatia (gama)

• Emisie de fotoni din nuclee excitate (nuclee cu exces de energie)

• Insoteste de obicei dezintegrarile , -, +

Radiatiile si X sunt identice, dar au origini diferite.

Radiatii X

• Un electron de pe un nivel excitat “cade” pe o patura electronica inferioara, pierzand energie prin emisia unei radiatii X specifice

• Un electron liber este deviat, pierzand energie sub forma unei radiatii X (“de franare”)

Distante de penetrare a radiatiilor prin materiale

Activitatea

• O cantitate de material radioactiv poarta denumirea de sursa radioactiva.

• Activitatea unei surse radioactive = numarul de nuclee radioactive care se dezintegreaza in unitatea de timp

= dN/dt = -·N

de unde: e- t (legea dezintegrarii radioactive),

unde activitatea sursei la momentul t=0;

N = numar de nuclee ramase nedezintegrate la mom.t;

t = timpul;

= constanta de dezintegrare (probabilitatea unui nucleu de a se dezintegra in unitatea de timp).

Activitatea

• Unitate de masura:

[]SI = 1 Bq (Becquerel) = 1 dez / sec

• Unitate de masura veche:

[]tolerata = 1 Ci (Curie)

1 Ci = 3.7 ·1010 Bq

In practica, se folosesc...

• Submultiplii Ci:

1 mCi = 10-3 Ci

1 Ci = 10-6 Ci

1 nCi = 10-9 Ci

1 pCi = 10-12 Ci

• Relatia de transformare:

1 Bq = 27 pCi

Half-Life is the time required fora given activity to decrease to one half

Nuclid: T1/2

3H 12.3 ani 14C 5,73 ani

32P 14.4 zile 125I 60.1zile

Timpul de injumatatire

• Timpul in care numarul de nuclee radioactive scade la jumatate (timpul dupa care se dezintegreaza jumatate din nucleele radioactive existente la momentul initial).

Radiatii ionizante …

• Radiatii care produc ionizari directe

– dezintegrarea ;

– dezintegrarea .

• Radiatii care produc ionizari indirecte – radiatiile ;

– radiatiile X;

– radiatiile neutronice.

Interactiunea radiatiilor cu materia

• Ionizare (smulgerea unui electron din atom, cu transfer de energie)

• Excitare (ridicarea unui e pe un nivel energetic superior, cu transfer de energie)

Wexcitare < Wionizare

Particule incarcate

Interactiuni electrice

IONIZARE

Modificari chimice

Efecte biologice

Dozimetria radiatiilorMarimi dozimetrice

• Doza absorbita = energia cedata de radiatia ionizanta unitatii de masa a substantei prin care trece:

D = dE / dm

[D]SI = 1 J/kg = 1 Gy (Gray)

[D]tolerata = 1rad = 0.01 Gy• Doza absorbita = marimea fundamentala a dozimetriei;

= marime masurabila (dozimetre).

• Debitul dozei absorbite: Ď = dD/dt; [Ď] = 1 Gy/s; 1 Gy/h

: marime masurabila (debitmetre de doza absorbita)

Marimi dozimetrice

• Efectele biologiceEfectele biologice ale radiatiilor ionizante depind de :– doza absorbita in mediul iradiat (tesut sau organ);– caracteristicile mediului biologic iradiat;– calitatea radiatiei.

• Pentru a lua in considerare toti acesti factori, radioprotectia utilizeaza marimi care nu sunt direct radioprotectia utilizeaza marimi care nu sunt direct masurabilemasurabile, ci deduse prin calculci deduse prin calcul.

Marimi dozimetrice

Radiatii diferite produc efecte diferite asupra materiei vii, in conditiile in care se transfera aceeasi cantitate de energie.

Doza echivalenta = doza absorbita intr-un tesut, ponderata de “periculozitatea” radiatiilor:

H = D·wR

wR = factor de calitate dependent de tipul si energia radiatiei.

(wR =1, pt. rad.X, , ; wR =20, pt. n rapizi, )

[H]SI = 1J/kg = 1 Sv (Sievert)

[H]tolerata = 1 rem = 0.01 Sv

Marimi dozimetrice

Probabilitatea efectului biologic datorat unei anumite H variaza de la un organ sau tesut la altul: fiecare tesut / organ este caracterizat de o anumita radiosensibilitate.

Doza efectiva se refera la intregul organism si este data de suma dozelor efective din toate tesuturile iradiate ale organismului considerat:

E = (wT·HT)

Marimi dozimetrice

Doza efectiva intr-un tesut = produsul dintre doza echivalenta in acel tesut (HT) si factorul de ponderare al acelui tesut (wT):

E = wT·HT [E] = 1 Sv

wT = factori de risc: 0.25, gonade;

0.15, sani;

0.12, maduva osoasa, plamani; 0.03, tiroida, oase;

0.03, restul.

Marimi dozimetrice

• Doza angajata rezultata in urma iradierii organismului = doza efectiva acumulata in organism pe o perioada de 50 de ani ulterioara expunerii; [Sv].

• Doza colectiva da o masura a efectului total asupra sanatatii unei populatii expuse la o sursa data; [om·Sv].

Expunerea la surse naturale de radiatii ~ 3 mSv/an

Cosmic - 0.3 mSv

Food - 0.4 mSvTerrestrial - 0.3 mSv

Radon - 2 mSv

Air

Expunerea la surse artificiale de radiatii ~ 0.6 mSv/an

5000 Km travel by air

0.05 mSv per trip

Power Plants and Fallout < 0.05 mSv

Medical - 0.5 mSv