RADIOACTIVITATEA NATURALA. DETECTARE SI MASURARE.

IMPORTANTA

1. Atomul si molecula. Scurt istoric

Cu certitudine, nimeni nu poate localiza exact, in spatiu si timp, momentul din

istorie in care omul a inceput sa se preocupe de lumea inconjuratoare, de Univers.

Notiunea de structura sau alcatuire a Universului s-a cristalizat treptat, evoluand pe

masura ce omul putea sa-i dea un sens mai concret, insasi idea de Univers avandu-si

propria istorie. In timp ce Universul omului antic se reducea la lumea inconjuratoare, la o

regiune destul de limitata, a carei cunoastere este reclamata de necesitatile materiale

primare, Universul nostru, observabil, de astazi, isi intinde frontierele pana la zeci de

miliarde de ani lumina. Unitatea Universului a inceput sa fie inteleasa din momentul in

care oamenii au pornit sa exploreze, pe langa Universul cel mare, si Universul cel mic, al

structurii materiei. Ideea de structura discontinua a substantei dateaza inca din

antichitatea greaca, caracteristica acestei perioade fiind ideea existentei unor entitati

(elemente) primordiale, care, prin ansamblare, sa conduca la diversitatea materiei, dar in

acelasi timp, si la unitatea ei. Dintre toate doctrinele care au existat, cea care pe parcursul

istoriei omenirii a capatat drept de constanta, conducand la cea mai adecvata interpretare

a fenomenelor fizice, a fost atomismul.

Reprezentantii cei mai de seama ai atomismului antic au fost Anaxagora, Leucip

si Democrit. Ei au afirmat ca toate corpurile pot fi divizate in particule din ce in ce mai

mici, dar ca aceasta divizare nu poate merge la nesfarsit, asa incat trebuie sa existe

particule ce nu mai pot fi divizate, numite “atomi” (a-tomos, in limba greaca are

semnificatia: ceea ce nu se mai poate divide). Atomii, in conceptia atomistilor antici,

reprezentau “caramizile” fundamentale ale materiei, fiind indivizibili, impenetrabili si

eterni. Din combinarea unui numar finit de atomi rezulta diversitatea lumii materiale.

Teoria atomica avea sa triumfe insa la inceputul secolului al XIX-lea, cand notiunea de

atom a devenit indispensabila, mai ales in chimie. Chimistul Avogadro si fizicianul

Ampere au aratat ca numai cu ajutorul notiunii de atom, respective de molecula, pot fi

explicate legile de dicontinuitate chimica. Ipoteza Avogadro - Ampere devenita lege a

fizicii si a chimiei a condus la ideea ca o molecula gram din orice sustanta chimica

contine totdeauna acelasi numar de molecule; acest numar, astazi fundamental pentru

teoria atomica, a primit numele de numarul lui Avogadro.

Treptat notiunea de atom isi schimba continutul, edificiul respectiv nemaifiind conceput

ca o entitate indestructibila si inaccesibila. In a doua jumatate a secolului al XIX-lea si

inceputul secolului XX o serie de fenomene au condus la ideea unei stucturi interne a

atomilor. Cele mai importante rezultate, care au contribuit la descifrarea structurii

atomilor au provenit din domeniul electricitatii. Astazi se stie ca una din particulele

constituente ale oricarui atom este electronul, particula care are cea mai mica sarcina

electrica (sarcina electrica elementara). O data ce structura discontinua a atomului a fost

pusa in evidenta prin descoperirea electronului, fizicienii au cautat sa-si imagineze

“modele de atomi”, adica sa-si reprezinte atomii ca sisteme complexe in care

electricitatea trebuia sa joace un rol essential.

2

Astfel, in 1901, Jean Perrin, a propus sa se considere atomul ca un sistem solar in

miniatura, in care “soarele” central este incarcat pozitiv, in timp ce electronii “planetele”

graviteaza in jurul lui sub influenta atractiei coulombiene.

A urmat modelul lui Thomson (1904) care, admitand idea unei structuri continue a

electricitatii positive, isi reprezenta atomul ca pe o sfera de electricitate pozitiva in care

electronii “plutesc”.

In 1911, Rutherford efectueaza la Cambridge experiente care duc la date decisive.

Studiind imprastierea particulelor incarcate (particule alfa - nuclee de heliu) pe foite

subtiri de metal, el ajunge la concluzia ca deviatiile particulelor alfa la trecerea lor prin

straturi de substanta au loc ca si cand aproape toata substanta atomilor se afla concentrata

intr-un miez central, numit nucleu, incarcat pozitiv. Atomul este aproape gol exceptand

centrul sau. Experientele lui Rutherford au confirmat modelul de atom planetar in care

sarcina pozitiva a atomului este concentrata intr-un nucleu cu raza de aproximativ 10-14

m

si electronii se rotesc in jurul acestuia pe orbite cu razele de aproximativ 10-10

m.

Deficientele acestui model atomic, care nu putea sa explice cum un atom astfel constituit

poate emite radiatii de frecventa bine determinate si, totodata, sa ramana stabil, au fost

corectate de fizicianul Niels Bohr. El a avut ideea remarcabila de a presupune ca modelul

atomic planetar al alui Rutherford, sugerat direct de experienta, nu poate fi explicat in

cadrul teoriei electrodinamicii clasice, ci numai daca se introduc sistematic ideile teoriei

cuantelor. Bohr a postulat ca sistemul atomic poate exista numai in stari stationare,

cuantificate, in care electronul, miscandu-se pe orbita sa, nu pierde energie prin radiatie.

Teoria lui Bohr, bazata pe teoria cuantelor, atingandu-si limitele de aplicabilitate, s-a

dovedit a fi capabila sa explice anumite fenomene noi in care intra in joc spinul, structura

fina si hiperfina a spectrelor luminoase sau de radiatii X si altele. Noua disciplina de

baza, mecanica cuantica, s-a nascut dintr-un efort de inlaturare a dificultatilor in care

fizica intrase inca din preajma anului 1920. Mecanica cuantica a obtinut destul de rapid

sprijinul experientei directe. Dezvoltata in formalismul matematic prin lucrarile lui

Schrödinger, Heisenberg si Dirac, mecanica cuantica a permis explicarea tuturor

fenomenelor legate de starile electronilor din atom, regasind, ca un caz particular,

rezultatele teorie lui Bohr.

2. Radioactivitatea naturala

Prin radioactivitate se intelege, in sens strict, proprietatea pe care o au nucleele

atomice ale unor elemente de a se dezintegra, de a emite spontan radiatii, numite generic

“ionizante” (alfa, beta gamma), fara vreo interventie din afara, generand astfel elemente

vecine in tabelul periodic al elementelor.

Aceasta dezintegrare spontana se desfasoara dupa legi statistice, nucleele unei cantitati de

element radioactiv avand, in fiecare moment, aceiasi probabilitate de transformare. Noul

element format este in general el insusi radioactiv, asa incat radioelementele naturale

formeaza familii radioactive care au ultimii descendenti atomii neradioactivi ai

plumbului.

Procesul este important din punctul nostru de vedere datorita radiatiilor emise, care au

efecte, de cele mai multe ori negative asupra organismului uman.

In sens mai general, prin “radioactivitate” se intelege prezenta nucleelor (atomilor)

radioactive in diferite substante sau materiale, in mediu, in alimente, etc. Vom spune

3

astfel despre o anumita substanta ca este radioactiva sau ca este contaminata radioactiv

atunci cand ea contine nuclee radioactive. Deoarece, asa cum se va vedea, practic toate

substantele din natura sunt intr-o anumita masura, radioactive, atunci cand despre ceva

spunem ca este radioactiv sau contaminat, inseamna ca radioactivitatea sa depaseste

limitele normale.

Este clar ca dezintegrarea unui nucleu radioactiv se produce cu o anumita probabilitate pe

unitatea de timp; cand vorbim despre prezenta unor radionuclizi (nuclee radioactive) in

mediu, etc. este vorba, din punct de vedere macroscopic (al masei, de ex.) de cantitati

deosebit de mici de substanta radioactiva propriu-zisa; din punct de vedere microscopic

insa, este vorba de foarte multe nuclee radioactive, destul de multe pentru ca in

intervalele de timp obisnuite pentru noi sa putem considera ca numarul de nuclee

dezintegrate in timpul respective este riguros egal cu numarul initial de nuclee inmultit cu

probabilitatea de dezintegrare pe intervalul respective.

Prin radioactivitatea mediului se intelege totalitatea fenomenelor radioactive care

au loc in mediul inconjurator.

Practic, aceasta se refera la toate substantele radioactive care sunt prezente in mediu.

Datorita efectului pe care radiatiile emise de substantele radioactive il au asupra omului,

in toate tarile civilizate exista un sistem de supraveghere a nivelului acesteia.

Substantele radioactive din mediul inconjurator pot fi impartite in doua grupe mari, dupa

originea acestora.

Despre un anumit radionuclid spunem ca este natural, atunci cand existenta lui este

rezultatul unor procese care au (sau au avut) loc in natura, fara interventia omului.

In contrast, un radionuclid este numit artificial, atunci cand existenta lui este rezultatul

unei activitatii umane.

In functie de radionuclizii care sunt implicati, vorbim despre radioactivitate naturala, sau

artificiala.

Se pot identifica doua surse ale radioactivitatii naturale:

1. O parte a radionuclizilor naturali se considera ca s-au format o data cu celelalte nuclee

care compun scoarta Pamantului. Probabil ca la formarea Pamantului existau mai multe

substante radioactive decat in prezent; radionuclizii naturali de astazi erau prezenti in

cantitati mari, iar in afara lor, probabil au existat si altele. Ceea ce mai exista acum este

partea din acel inventar initial care (inca) nu s-a dezintegrat. Ca urmare, radionuclizii

naturali de acest fel care mai exista acum sunt cei care au un timp de injumatatire mare,

comparabil cu varsta Pamantului: U-238 cu T1/2=4.468*109 ani; Th-232 cu T1/2=1.4*10

9

ani; U-235 cu T1/2=7*108 ani; si K-40 cu T1/2=1.28*10

9 ani. Unii dintre acestia au

descendenti radioactivi care sunt si ei prezenti in mediu.

2. Ceilalti radionuclizi naturali, cu timp de injumatatire mai mic, sunt rezultatul actiunii

radiatiilor cosmice asupra nucleelor atomilor prezenti in straturile superioare ale

atmosferei.

Radioactivitatea naturala este un lucru normal.

Indiferent de sursa lor, nu avem motive sa presupunem ca nivelul radioactivitatii

naturale ar fi fost semnificativ diferit de cel de astazi in ultimele cateva miloane de ani.

Rezulta deci ca specia umana de la aparitia ei a fost foarte probabil supusa aceluiasi nivel

de radioactivitate naturala ca si in prezent. Se poate trage concluzia ca organismul nostru

este constituit astfel incat radioactivitatea naturala nu are efect nociv asupra sa, atat timp

cat nivelul acesteia nu difera semnificativ de cel cu care am fost “obisnuiti” noi si

4

stramosii nostri. Nu stim insa daca eliminarea totala a iradierii organismului uman ar avea

vreun efect, fie el pozitiv sau negativ – oricum, acest lucru probabil nu va fi posibil

niciodata.

Variabilitate, risc datorat radioactivitatii naturale

Nivelul radioactivitatii naturale este foarte variabil in lume, existand variatii

semnificative (de cateva ori) si pe arii restranse, cum este tara noastra.

Evident, daca o persoana originara dintr-o zona cu radioactivitate naturala scazuta traieste

intr-o zona cu radioactivitate naturala mai mare, exista un oarecare risc suplimentar

pentru ea. Existenta acestui risc a fost dovedita si in cazul unor cladiri ale caror materiale

de constructie proveneau din zone cu radioactivitate mare.

Ordinul de marime al fondului radioactiv natural Paradoxal, cu toate ca insasi descoperirea fenomenului de radioactivitate s-a datorat unui

minereu radioactiv, masura cantitativa a nivelului natural de radioactivitate a inceput sa

fie studiata abia atunci cand s-a pus problema efectelor poluarii cu substante radioactive

artificiale, ca urmare a testelor nucleare si a productiei de energie.

Atunci s-a constatat ca nivelul fondului radioactiv natural este de acelasi ordin de marime

(acum la noi este mult mai mare, si ca valoare absoluta – activitate specifica, si ca efect

biologic - doza) cu cel artificial.

Importanta cunoasterii nivelului fondului natural

Avand in vedere ca etse vorba de fenomene de aceiasi natura, rezultatul unor masuratori

de radioactivitate a mediului nu ofera prea multe informatii atat timp cat nu se stie care

este contributia fondului natural (a nu se confunda cu fondul aparatului) la nivelul

masurat de radioactivitate. In functie de anotimp, perioada a zilei, conditii meteorologice,

nivelul fondului natural poate avea variatii mari (de pana la 10 ori).

Atat din cauza pericolului reprezentat de un accident nuclear cat si datorita impactului

psihologic deosebit asupra oamenilor, este esential ca aceste variatii naturale sa poata fi

deosebite de cresteri ale radioactivitatii rezultate din eventuale accidente.

Nucleu fiica, nucleu parinte

Numim descendent al unui radionuclid un nucleu care se obtine din primul prin

dezintegrari successive. Daca nucleul X se dezintegreaza (alfa sau beta – acestea duc la

schimbarea cel putin a unuia din numerele Z si A), formandu-se un nucleu Y; de exemplu

printr-o dezintegrare alfa, spunem ca Y este descendent de ordinul 1 a lui X, sau pe scurt,

nucleu - fiica al acestuia. Despre nucleul X spunem ca este nucleu – parinte.

Descendenti de ordin superior

Nucleul Y poate fi la randul lui stabil (nu se dezintegreaza niciodata / probabilitatea de a

se dezintegra intr-un timp finit este 0 / are timpul de injumatatire infinit – ca majoritatea

nucleelor atomice din natura) sau radioactiv (deci se poate si el dezintegra cu o

probabilitate nenula intr-un interval de timp finit). Daca Y din exemplul nostru este

radioactiv si are ca produs de dezintegrare (fiica) nucleul W, spunem ca W este

descendent de ordinul 1 al lui Y si de ordinul 2 a lui X. Analog, putem vorbi de

decendenti de ordinul 3, 4, etc.

Cai de dezintegrare

De retinut ca relatia parinte – fiica nu este unica: un acelasi nucleu se poate dezintegra pe

mai multe cai (doua, deobicei, alfa si beta), pe fiecare cale de dezintegrare rezultand cate

un nucleu – fiica. Ambele sunt descendenti de ordinul 1 al nucleului initial. Invers, exista

situatii cand doua nuclee diferite au ca produs direct de dezintegrare acelasi nucleu.

5

Acesta este atunci nucleu – fiica pentru ambele nuclee initiale, care sunt amandoua

nuclee – parinte pentru el.

Seriile naturale

Cele mai importante grupe de radionuclizi naturali sunt cele trei serii naturale. Acestea

sunt formate din cate un cap de serie – un radionuclid greu (A>230), cu timp de

injumatatire deosebit de mare (sute de milioane de ani), impreuna cu toti descendentii

acestuia. Toate seriile naturale se termina cu un izotop al plumbului (Z=82).

Numarul de masa al nucleelor din seriile radioactive

Nucleele din aceste serii se obtin din capul de serie printr-un sir de dezintegrari alfa si

beta (+ sau -). Din legile de deplasare stim ca numarul de masa A scade cu 4 la o

dezintegrare alfa si ramane neschimbat la o dezintegrare beta. Rezulta ca diferenta dintre

numerele de masa a doua nuclee din aceiasi serie difera printr-un multiplu de 4, altfel

spus, dau acelasi rest la impartirea cu 4. Se pot imagina patru serii radioactive care pleaca

din aceiasi zona a nucleelor aproape stabile cu masa peste 230; acestea vor fi

caracterizate de numere de masa de forma (4k+0), (4k+1), (4k+2) si (4k+3), unde k este

un numar natural.

Dintre acestea, in natura nu exista seria corespunzatoare lui (4k+1).

Seria Uraniului Este cea mai importanta dintre cele trei serii naturale, in principal din cauza posibilitatii

poluarii mediului de catre minele de uraniu (U-238 este folosit ca si combustibil de unele

tipuri de centrale nucleare). Corespunde formulei (4k+2) avand drept cap de serie

izotopul cel mai abundent al uraniului (Z=82), U-238. Istoric, fenomenul radioactivitatii a

fost pus in evidenta la inceputul secolului prin separarea dintr-o masa de minereu de

uraniu a unei cantitati dintr-un descendent al acestuia, Ra-226 (T1/2=1600ani), substanta

necunoscuta pana atunci.

Un alt membru remarcabil al acestei serii este Rn-222 (radon).

Ca indicator pentru aceasta serie se foloseste Ra-226.

Concentratia acestuia in sol in tara noastra este variabila, intre 4-20 Bq/kg.

Seria Thoriului

Este a doua serie naturala ale carei elemente sunt prezente in cantitati semnificative in

mediu. Importanta ei este oarecum mai mica deoarece sursele de poluare cu elementele

din aceasta serie sunt mai rare (mine de Thoriu). Are cap de serie izotopul Th-232

(Z=90), corespunzand deci formulei (4k). Ca indicator pentru prezenta acestei serii se

foloseste Ac-228 sau Ra-228. Asemanator cu seria Uraniului, are in componenta sa un

izotop instabil al Radonului, Rn-220, numit si toron.

Ca si in cazul Uraniului elementele acestei serii exista in concentratii mici, dar nenule in

practic toata scoarta terestra de unde patrund in toti factorii de mediu. Concentratia in sol

a Ac-228 in tara noastra este de acelasi ordin de marime cu cea a Ra-226.

Seria Actinouraniului

Corespunde la formula (4k+3), cap de serie U-235. Abundenta elementelor acesteia in

natura este mai redusa. Seria este importanta economic din cauza capului de serie care

este folosit ca materie prima pentru combustibilul folosit in unele centrale nucleare si la

producerea bombei atomice (bomba lansata la Hiroshima avea miez de U-235).

Concentratia U-235 in sol este de aproximativ 10 ori mai mica decat Ra-226.

6

Seria Neptuniului

Seria corespunzatoare formulei (4k+1) nu se gaseste in natura. Se presupune ca ar fi fost

prezenta la formarea Pamantului, dar datorita timpului de injumatatire mic al celui mai

stabil membru Np-237 (T1/2=2.14*106 ani – capul de serie este Pu-241 cu aproximativ 14

ani) practic toata cantitatea existenta initial s-a dezintegrat pana in zilele noastre.

Potasiul-40, Rb-87

Tot din categoria radionuclizilor naturali prezenti in scoarta terestra fac parte doi

radionuclizi primordiali, care nu au descendenti radioactivi: K-40 si Rb-87. Ca si ceilalti,

ei sunt prezenti peste tot, K-40 chiar in cantitati mai mari decat cei din seriile naturale,

dar efectele datorate prezentei lor sunt reduse, ele fiind mai putin nocive.

Radionuclizi cosmogenici O alta categorie a radionuclizilor naturali o constituie cei care sunt rezultatul interactiei

radiatiilor cosmice cu straturile superioare ale atmosferei. Dintre acestia amintim in

primul rand Be-7, care este prezent in atmosfera si in depuneri in cantitati semnificative;

C-14 si Tritiul (H-3) exista si ei in cantitati mai mici; acestea sunt exemple de

radionuclizi care pot fi considerati si naturali si artificiali. Alti radionuclizi

cosmogenici sunt: P-32, P-33, si S-35.

Echilibrul secular

Am vazut ca o proprietate comuna a celor trei serii radioactive este ca incep printr-un

radionuclid cu timp de injumatatire foarte mare. Daca urmarim elementele seriilor

respective, mai putem gasi radionuclizi cu timp de injumatatire mare urmati de cativa

descendenti de viata scurta. Daca productia din elementul cu timp de injumatatire mare

este neglijabila, (situatie care se intalneste de foarte multe ori in practica), dupa un timp

se realizeaza situatia de echilibru secular. In aceasta situatie, numarul nucleelor

tuturor decendentilor scade similar cu cel al capului de serie (deci cu acelasi timp de

injumatatire), iar activitatea corespunzatoare fiecarui nuclid este aceiasi, egala cu

cea a capului de serie.

Aceasta proprietate a seriilor radioactive este folosita in practica pentru estimarea

concentratiilor radionuclizilor din seria respectiva.

Daca se presupune existenta echilibrului secular, ajunge sa determinam activitatea

specifica doar pentru un singur element al seriei, activitatea respectiva fiind, conform

ipotezei echilibrului secular, egala cu activitatea oricarui element al seriei. Elementul

folosit in acest scop se numeste indicator.

Gazele radioactive

Un aspect foarte important al radioactivitatii naturale este legat de gazele radioactive. In

primele doua serii naturale, a Uraniului si in cea a Thoriului, exista cate un izotop al

Radonului: Rn-222, numit in practica radon si Rn-220, numit in practica toron. Din

punct de vedere chimic, acestea sunt gaze nobile deci nu reactioneaza chimic cu nici o

substanta. Sunt produse in sol la un anumit pas al dezintegrarii capilor de serie. Avand

atomii de dimensiuni mici, difuzeaza usor prin sol, si datorita timpului de injumatatire

relativ lung (3.82 zile, respectiv 55.6 secunde ), ajung in atmosfera in cantitati

semnificative.

Aceasta emanatie de Radon si Toron, este prezenta practic pe toata suprafata uscatului;

are o variabilitate mare, atat cu locul, cat si in timp, depinzand de foarte multi factori.

7

Iradierea datorata radionuclizilor din seriile naturale

Pe langa iradierea externa datorata radionuclizilor aflati in straturile superioare ale

solului, care este datorata in principal elementelor seriilor naturale si K-40, o parte

importanta a iradierii se realizeaza prin inhalarea Rn si Tn, care se dezintegreaza in

plaman, descendentii lor realizand o iradiere interna.

In ceea ce priveste iradierea interna in afara celei datorate gazelor radioactive, cel mai

important radionuclid este Ra-226.

Poluarea cu radionuclizi din seriile naturale

Unele activitatii umane nenulceare, care implica folosirea unor cantitati mari de roci

(minereu de carbune, fosfogips, etc) duc la cresterea cantitatii de radionuclizi naturali in

mediul inconjurator, peste nivelul normal. Dintre aceste activitatii amintim in special

centralele termice pe carbuni, care emana mari cantitati de pulberi cu continut ridicat de

Ra-226, Ac-228, K-40, etc. care duc la o iradiere interna semnificativa, precum si la

cresterea iradierii externe de la sol.

Cu toate ca nu este o poluare propriu-zisa, o problema importanta este folosirea unor

deseuri cum ar fi cenusa de la termocentrala, la constructia de locuinte. Ra-226 si Ac-228

din peretii unor asemenea locuinte produc o emanatie suplimentara de Rn si Tn, realizand

cresteri ale dozei comparabile in privinta efectelor asupra populatiei cu cea datorata

accidentelor nucleare.

3. Radioactivitatea artificiala

Am convenit ca prin radioactivitate artificiala sa intelegem prezenta in mediul

inconjurator a unor radionuclizi care isi datoreaza existenta activitatii omului. Evident,

cele mai importante activitati umane care au dus la contaminarea mediului inconjurator

cu substante radioactive artificiale sunt, in ordinea amplorii efectelor, exploziile nucleare

in atmosfera si energetica nucleara. In afara acestora, practic toate aplicatiile fenomenelor

nucleare in scopuri practice duc, constient sau accidental, la raspandirea unor substante

radioactive in mediu.

Trebuie subliniat ca in mod normal si in medie, impactul tuturor acestor activitatii este

mic fata de radioactivitatea naturala; totusi, in situatii de accident sau in cazul

bombardamentelor atomice, efectele (pe zone mai mult sau mai putin restranse) sunt

dramatice. Radionuclizii artificiali pasibili de a ajunge in mediul inconjurator sunt in

ultima instanta rezultatul unuia din cele doua procese nucleare importante in aplicatii:

fisiunea si fuziunea.

Fisiunea nucleara este procesul prin care un nucleu se rupe (spontan sau nu) in doua

(sau mai multe) fragmente; a fost observat in 1935 de Hahn si Strassmann; caracteristici:

proces puternic endoenergetic, eliberandu-se cantitati mari de energie de 200

MeV/nucleu; cea mai mare parte a acestei energii se regaseste sub forma energiei cinetice

a fragmentelor; fragmentele formate sunt in general beta active si pot emite chiar

neutroni; ruperea se face preponderent in doua fragmente asimetrice, cu raportul maselor

de 2/3.

Fuziunea nucleara este procesul invers fisiunii, cand mai multe nuclee se unesc, formand

un nucleu mai mare; acest process are loc intre nuclee usoare, fiind exoenergetic.

8

4. Legile deplasarilor radioactive

a. emisia de radiatii alfa

Deoarece o particula alfa este formata din doi protoni si doi neutroni, rezulta ca un nucleu

radioactiv care emite radiatii alfa se va transforma in alt nucleu care are cu doi protoni

mai putin si deci o sarcina electrica (Z) mai mica cu doua unitati. Astfel, nucleul rezultat

va corespunde unui element nou, deplasat cu doua casute mai la stanga in sistemul

periodic al elementelor. Se considera ca particulele alfa nu preexista in nucleu, dar in

cursul interactiei protonilor si neutronilor din nucleu se formeaza grupuri stabile de cate

doi protoni si doi neutroni, care au astfel o probabilitate mai mare de a fi expulzate din

nucleul respective.

Emisia unei particule alfa se poate deci reprezenta printr-o formula de deplasare

radioactiva, de tipul:

HeYX A

Z

A

Z

4

2

4

2

Exemplu: dezintegrarea alfa a radiului: HeRnRa 4

2

222

86

226

88

b. emisia de radiatii beta

Emisia de radiatii beta se explica fie prin transformarea unui neutron din nucleu intr-un

proton si un electron, fie prin transformarea unui proton din nucleu intr-un neutron si un

pozitron. Prin urmare, un nucleu care a emis o particula beta va avea un proton in plus si

un neutron in minus, adica noul element format se va afla cu o casuta mai la dreapta in

sistemul periodic. Aceasta emisie se poate reprezenta prin formula de deplasare

radioactiva: eYX A

Z

A

Z 1

In cazul dezintegrarii beta pozitive, un proton din nucleul emitator se transforma intr-un

neutron si un electron pozitiv (pozitron) emis in exterior. In acest caz, noul element,

rezultat dupa emisie, e deplasat cu o casuta spre stanga in sistemul periodic al

elementelor, conform formulei: eYX A

Z

A

Z 1 , unde ν si ν- reprezinta neutrinul si

respectiv antineutrinul emis simultan, care preia o parte din energia cinetica disponibila.

Energia electronului emis poate lua, deci valori de la 0 la o valoare maxima bine

determinata, cunoscuta sub denumirea de limita superioara a spectrului continuu beta.

Aceasta limita caracterizeaza un nucleu beta - activ.

In unele cazuri, trecerea la un nucleu mai stabil, din motive de structura energetica

interna a nucleului respectiv, nu se poate realiza prin emisie de radiatii beta, ci prin

captura electronica, adica nucleul cu surplus de protoni capteaza electroni exteriori, in

special cei de pe patura K a atomului respectiv, transformandu-si excesul de protoni in

neutroni.

c. emisia de de radiatii gamma

Nucleele care emit radiatii alfa sau beta raman, in majoritatea cazurilor, intr-o stare

energetica excitata. Revenirea nucleelor excitate in starea normala poarta denumirea de

dezexcitare nucleara si se noteaza prin: XX A

Z

A

Z

*unde semnul * ne arata ca nucleul

este in stare excitata.

Emisia radiatiei gamma lasa neschimbata pozitia elementului in sistemul periodic.

Deoarece nucleul excitat si cel normal difera intre ele doar prin starea energetica, ele se

numesc izomere. Exista cazuri in care surplusul de energie al unui nucleu excitat nu este

9

emis sub forma unei cuante gamma, ci este transferat unui electron orbital al atomului

respectiv. Acest fenomen poarta numele de conversie interna. Electronii respectivi fiind

expulzati din atom, va apare si o radiatie X caracteristica.

5. Interactia radiatiilor cu substanta

In continuare prezentam procesele care au loc la trecerea radiatiilor prin substanta, atat

pentru radiatiile ce poseda sarcina electrica (particule alfa, electroni, pozitroni, protoni,

ioni grei), cat si pentru cele fara sarcina electrica (X, gamma, neutroni).

La trecera radiatiei prin substanta, interactia are loc, de fapt, intre atomii

substantei si radiatia care o strabate. Aceasta interactie va depinde deci, de proprietatile

radiatiei, dar si ale substantei. Orice proces de interactie poate fi interpretat ca o ciocnire.

Interactia radiatiei cu atomul cuprinde interactia radiatiei cu electronii si interactia

radiatiei cu nucleul atomic.

Un fascicul de particule este caracterizat de numarul de particule care strabate o arie data

in unitatea de timp – fluxul de particule, de cantitatea de energie transportata de acest flux

de particule – fluxul de energie, si de distributia dupa energii a particulelor din flux –

spectrul energetic.

Imprastierea e fenomenul de deviere

a particulei din drumul ei ca urmare a

interactiei cu un atom. Un alt fenomen,

care poate aparea, este cel absorbtie,

prin care particula poate disparea in

in urma ciocnirii cu o alta particula.

Ca urmare apare asa numitul fenomen

de atenuare; din acest punct de vedere

putand avea atenuare pe parcurs sau

atenuare exponentiala.

A.Procesele primare de interactie se

reduc astfel la ciocniri ce se pot clasifica in:

- ciocniri elastice, si

- ciocniri inelastice.

Prin ciocniri elastice se inteleg acele ciocniri

in care nu se modifica energia interna a particu-

lelor ce se ciocnesc; energia cinetica totala se

conserva. In cazul ciocnirilor inelastice, energia interna se modifica, iar energia cinetica

totala nu se mai conserva. Atomul ciocnit de o particula poate suferi unul din urmatoarele

efecte:

- trecerea unui electron de pe un nivel de energie pe altul (excitare)

- scoaterea unui electron din atom (ionizare – producere de perechi de ioni)

- modificarea pozitiei atomului sau punerea lui in miscare ca un intreg (deplasari)

- modificarea structurii nucleare (reactie nucleara)

I. Procesele principale de interactie cu substanta a particulelor alfa, protonilor si ionilor

grei sunt excitarea, ionizarea, deplasarea atomilor sau moleculelor ciocnite si eventual

disocierea moleculelor.

Prin fenomenul de ionizare se creeaza ioni si electroni liberi.

Absorbant

Radiatie

incidenta

Radiatie

imprastiata Fractia

absorbita

Radiatia

transmisa

Radiatie

retroimprastiata

Schema principalelor procese ce

conduc la atenuarea unui

fascicul de radiatii care strabate

substanta

10

In procesele de excitare si ionizare a atomilor mediului, particula cedeaza o parte din

energia sa cinetica, parte ce se transforma in energie de excitare si ionizare. Ca urmare

energia cinetica a particulei incidente scade. Energia se poate transfera fie unui foton, fie

particulelor mediului sporind energia de agitatie termica a acestora.

Din cauza masei mari, particulele alfa, protonii si ionii grei sunt foarte putin

imprastiate, asa incat traiectoria lor in substanta se apropie de o dreapta. Tot din cauza

masei mari, electronii atomici nu influenteaza sensibil procesul de imprastiere a particulei

incidente, ci doar preiau din energia ei. Putinele acte de imprastiere sunt determinate de

interactia cu nucleul atomului. In aer, in conditii normale, o particula alfa pierde la un act

de ionizare circa 30 eV, ea producand pe mm cateva mii de perechi de ion - electron.

Astfel, parcursul in aer al unei particule alfa cu energia de cativa MeV este de ordinul

centimetrilor. In substanta solida parcursul va fi de aproximativ 1000 de ori mai scurt,

adica de ordinul sutimilor de mm.

II. Ca si in cazul particulelor alfa, interactia principala cu mediul are loc, in cazul

particulelor beta prin intermediul fortelor electrostatice. Procesele principale de interactie

cu atomii sau moleculele sunt excitarea, ionizarea sau disocierea (moleculei), procesele

care au loc ca urmare a interactiei electron-electron.

Interactia electron - nucleu nu este importanta pentru nucleu deoarece electronul are masa

mica. In schimb, atat electronii atomici cat si nucleul produc puternice deviatii

(imprastieri) ale electronului incident. Rezulta astfel pierderi considerabile de energie si

imprastieri mari ale electronilor si pozitronilor. Caracteristica interactiei electronului cu

mediul este si pierderea de energie prin franare. Ea este insotita de emisia unui foton ca

urmare a variatiei vitezei electronului in procesul de imprastiere, in conformitate cu legile

fizicii clasice. Radiatia care ia nastere se numeste radiatie de franare. Ea apare atunci

cand in campul nucleului ajung electronii cu viteza mare. Nucleul fiind incarcat pozitiv

va devia electronul de la directia sa initiala, obligandu-l sa evolueze pe o hiperbola. Cu

aceasta ocazie este franat si energia fotonului emis este mai mare. Spectrul radiatiei de

franare este un spectru continuu. La capatul drumului sau prin substanta electronul de

joasa energie este captat de un atom neutru, formand un ion negativ, sau neutralizeaza un

ion pozitiv intalnit in cale.

Spre deosebire de electron, pozitronul de joasa energie sufera un alt proces numit

anihilare electron - pozitron. In acest proces, pozitronul impreuna cu electronul din mediu

se anihileaza spontan, transformandu-se in doi fotoni a caror energie totala este egala cu

energia totala a sistemului electron-pozitron.

Datorita faptului ca ionizarea specifica (pe unitatea de lungime) este mult mai slaba decat

la particulele grele, electronii vor avea un parcurs maxim in substanta mult mai lung; pt

electronii de 1 MeV, parcursul in aluminiu este de 1.1 mm.

III. Radiatiile electromagnetice sunt constituite din corpusculi cu masa de repaus nula,

numiti fotoni; vorbim in acest caz despre radiatiile gamma. Lipsa sarcinii electrice si a

masei de repaus are ca efect o slaba interactie a radiatiei cu substanta. Doar ciocnirea

directa dintre foton si electron, nucleu sau atom va conduce la un act de interactie. Astfel,

radiatia poate interactiona cu: (a) electronul, (b) nucleul, (c) campul coulombian. In

aceste procese de ciocnire, pot avea loc: (A) absorbtia, (B) imprastierea inelastica, (C)

imprastierea inelastica a fotonului gamma.

Fenomenele cele mai importante care au loc la trecerea radiatiei gamma prin substanta

sunt: efectul fotoelectric, efectul Compton, efectul de formare de perechi.

11

Efectul fotoelectric este un process de ionizare a atomului ca urmare a interactiei directe

dintre un foton si un electron legat din atom. Fotonul cedeaza intreaga sa energie

electronului, fiind absorbit in material.

Efectul Compton consta in imprastierea fotonilor pe electronii liberi sau slab legati.

Efectul de formare de perechi, process invers fenomenului de anihilare, este

transfiormarea cuantei gamma intr-o pereche particular-antiparticula (electron-pozitron)

in campul coulombian al altei particule.

Deoarece fotonii pot exista numai cu viteza luminii, nu se poate vorbi de incetinirea lor in

substanta. Ei pot fi absorbiti in substanta sau pot fi imprastiati la unghiuri mari cu marirea

lungimii de unda. Datorita interactiei slabe a cuantelor gamma cu electronii substantei,

acestea sunt deosebit de penetrante, obtinandu-se, la trecerea prin substanta, o atenuare a

fascicului de radiatii si nicidecum absorbtia lui.

IV. Neutronii, din cauza ca sunt particule neutre din punct de vedere electric, procesele

de interactie ale neutronilor intereseaza numai nucleele atomilor, fapt ce confera ciocnirii

un aspect aproape clasic. Principalele tipuri de interactie cu nucleul sunt: imprastierea

elastica, imprastierea inelastica, reactiile nucleare, reactiile de fisiune, captura radiativa.

Ciocnirea cu un nucleu poate avea loc fie cu, fie fara patrunderea neutronului incident in

nucleu. Daca ciocnirea cu nucleul are loc cu patrunderea neutronului in nucleu, acesta din

urma trece in stare excitata. Daca el se dezexcita imediat prin emisia unui neutron de

aceiasi energie, aveam de-a face cu o imprastiere elastica. In al doilea caz al ciocnirii fara

patrunderea neutronului in nucleu, neutronul pierde o parte din energia sa cinetica, care

este preluata de nucleul ciocnit. Imprastierea inelastica are loc atunci cand nucleul, dupa

ciocnire, expulzand neutronul ramane in stare excitata.

Reactiile nucleare cu neutroni conduc la modificarea numarului de nucleoni din nucleu,

producand o dezechilibrare a structurii nucleare.

Captura radiativa corespunde procesului in care neutronul este capturat (absorbit) de

nucleu, care nu-l mai elibereaza.

B.Procesele secundare si atenuarea radiatiilor

Particulele rezultate din procesele primare de interactie pot, la randul lor, sa initieze, la

trecerea prin substanta, procese secundare de interactie care, uneori, se dezvolta in

cascada si pot avea ca efect producerea unor modificari deosebit de pronuntate ale

structurii mediului strabatut. Procesele secundare sunt importante pentru evaluarea

efectelor globale ale radiatie asupra suubstantei. Astfel, in procesele de interactie care au

ca rezultat ionizarea mediului si eliberarea de electroni, acestia din urma pot avea o

energie cinetica mare, asa incat ei pot initia, la randul lor procese secundare de excitare si

ionizare. Daca procesele de ionizare sau excitare au loc in paturile adanci ale invelisului

electronic al atomilor, pot lua nastere, ca rezultat al tranzitiilor care duc la reocuparea

locurilor devenite vacante, radiatii X caracteristice, capabile si ele sa provoace alte efecte

de ionizare in mediul respectiv.

6. Detectia radiatiilor nucleare

Principii de detectie:

La trecerea radiatiei prin substanta, aceasta din urma absoarbe o cantitate de energie, ceea

ce duce la aparitia unor schimbari, acest fapt fiind utilizat pentru inregistarea radiatiei. In

12

majoritatea cazurilor, pentru detectia radiatiilor nucleare incarcate, se utilizeaza procesele

de ionizare sau de excitare a atomilor sau a moleculelor mediului detector.

Dupa efectele pe care radiatiile nucleare le produc, la trecerea prin substanta dispozitivele

de detectie se impart in:

- detectori bazati pe ionizari in gaze (camere de ionizare, contori proportionali,

contori Geiger- Müler) sau in solide (detectori cu semiconductori);

- detectori bazati pe impresionarea emulsiilor fotografice datorita ionizarii (placi

nucleare, filme dozimetrice)

- detectori bazati pe aparitia, prin ionizare, a unor centre de condensare a vaporilor

(camere cu ceata);

- detectori bazati pe emisia de lumina a atomilor sau moleculelor excitate (contorii

cu scintilatie);

- detectori bazati pe efectele termice ale radiatiilor, masurate prin metode

calorimetrice;

- detectori bazati pe formarea unor bule, la trecerea particulelor incarcate prin

fluide supraincalzite (camere cu bule);

- detectori bazati pe disocierea chimica indusa de radiatii, etc;

Foarte multe tipuri de detectori nu sunt, de fapt, decat niste traductoare de radiatie –

semnal electric si nu pot fi utilizate decat impreuna cu o aparatura electronica adecvata.

7. Masurari globale si spectrometrice

1. Masurari β globale

O masurare β globala necesita aparatura simpla si robusta, fiind cea mai utilizata metoda

in sistemul de supraveghere a radioactivitatiii mediului inconjurator. Pentru detectarea si

masurarea radiatiilor β se pot utiliza contori Geiger - Müler, detectori cu scintilatie sau

detectori cu semiconductori SSB sau Si(Li).

Figura de mai jos ilustreaza un lant de detectie pentru radiatia beta:

S

FM

CT

PA

ALIMENTARE

AMPL DISCRIMINATOR

TIMER NUMARATOR

Electronica de prelucrare a semnalului

detectorului:

S = scintilator plastic

FM = fotomultiplicator

CT = convertor tensiune

PA = preamplificator

AMPL = amplificator

13

2. Masurari β spectrometrice

Dezintegrarea beta este un proces de transformare a unui nucleu instabil in nucleu izobar

ΔZ = +- 1 in urma emisiei unui electron, pozitron sau a capturii unui electron.

Energia degajata in aceasta transformare nuclerara este practic cedata electronului sau

pozitronului si antineutrinului, respective neutrinului, in proportii variabile, ceea ce face

spectrul radiatiei beta sa fie un spectru continuu cu energia ce variaza intre 0 si energia

cinetica maxima.

Figura de mai jos ne arata spectrul beta pt Ti-204; modelul de spectru beta pentru o

tranzitie simpla:

De regula, izobarii ΔZ = +- 1 rezultati in urma procesului de dezintegrare se gasesc in

stari excitate. Dezexcitarea lor se poate face fie prin emisie de cuante gamma, fie prin

converse interna. In procesul de conversie interna, energia de excitatie disponibila a

izobarilor este transferata electronilor de pe orbitele electronice si acestia vor fi astfel

ejectati cu energia Ee definite de relatia: Ee = EX - EB unde EX este energia de tranzitie

disponibila si EB este energia de legatura a electronului pe orbita de pe care a fost ejectat.

Efectuarea spectrometriei beta asupra unei probe de mediu preparat dupa metodologia

standard nu se poate face. Pentru a efectua o masuratoare beta spectrometrica a unei

probe de mediu trebui luate aceleasi precautii ca pentru o masurare alfa spectrometrica si

anume depunerea probei intr-un strat foarte subtire; in plus, fata de o masurare alfa, se va

tine cont si de numarul atomic al materialului support pentru a micsora pe cat posibil

fenomenul de retroimprastiere, se va alege un detector adecvat si se plaseaza ansamblul

proba-detector intr-o incinta vidata. Deoarece din rezultatul masurarii se vor obtine

200 100

300 -

100 -

200 -

400 -

0 300

Model de spectru beta pt o tranzitie simpla

Numar pulsuri/canal

Numarul canalului

(energia particulei beta)

Ti-204 se dezintegreaza in Pb-204, cu emisia

unei particule beta

14

informatii cu adevarat spectrometrice numai pentru electronii de conversie, spectrometria

beta nu este in mod obisnuit folosita in masurarea probelor de mediu.

3. Masurari α globale

Aparatura folosita pt masurarile alfa globale nu difera mult de cea de la masurarile beta

globale. Dar, datorita absorbtiei mult mai accentuate a radiatiei alfa in aer si in fereastra

detectorului si a autoabsorbtiei in proba, masurarile alfa necesita precautii suplimentare:

proba se depune in strat foarte subtire, distanta proba-detector sa fie cat mai mica posibil,

grosimea ferestrei detectorului sa fie corespunzatoare unei masurari alfa. Spectrul

radiatiilor alfa este mai strans decat al celor beta, deci etalonarea se poate face cu o sursa

de Am-241 fara probleme deosebite, daca sunt respectate aceleasi conditii geometrice la

masurarea etalonului si a probei.

4. Masurari α spectrometrice

La fel ca masurarile α globale, si masurarile α spectrometrice necesita precautii deosebite.

Se practica masurarea probelor obtinute prin depunere in straturi subtiri, probele si

detectorii gasindu-se in incinte vidate.

Detectorii cei mai utilizati sunt cei cu semiconductori sau cei de tip SSB. Metoda este

mai des utilizata in masurarea concentratiilor descendentilor radonului si ai toronului din

atmosfera, recoltati pe filter tip membrane si in masurarea elementelor transuraniene.

Etalonarea in energie si eficacitate se face cu precizie suficienta daca se respecta cu

strictete geometria de masura si grosimea probei si etalonului.

5. Masurari γ spectrometrice

Cea mai buna metoda pentru determinarea concentratiilor radionuclizilor din

mediul inconjurator este spectrometria γ de mare rezolutie, practicata cu detectori de

Ge(Li) sau HPGe.

Determinarea energiei radiatiilor gamma necesita detectori cu volum sensibil mai mare,

deci detectori cu grosimi mari pentru stratul saracit. Cresterea grosimii stratului saracit

prin cresterea tensiunii de polarizare inverse este limitata, deoarece cu cresterea acesteia

curentii de scurgere devin foarte mari. Ca urmare, pentru obtinerea unor grosimi foarte

mari ale stratului saracit, se folosesc metode speciale de compensatie care au ca scop

obtinerea de materiale semiconductoare cu rezistivitati cat mai mari. Pentru spectrometria

γ se folosesc detectorii cu cristal de Ge si nu cu cristal de Si, deoarece puterea de stopare

a Ge este de aproape doua ori mai mare decat cea a Si, dar acesti detectori prezinta

dezavantajul ca genereaza la temperatura camerei un curent termic mare si in plus ionii

de Li au o mobilitate mai mare in Ge decat in Si. Asa incat, detectorii cu Ge sunt

functionali numai raciti la temperatura azotului lichid intr-un vas Dewar.

Detectoriii cu Ge(Li) prezinta avantajul obtinerii unui raport fotopic/nivel Compton

foarte mare si in plus cristlele de Ge(Li) pot fi obtinute cu volume sensibile mai mari

de 100 cm3, ceea ce le confera o eficacitate si o rezolutie energetica buna.

Pentru determinare, probele necesita o pregatire minima. Etalonarea in precizie si

eficacitate se poate face cu o precizie suficienta. Analiza dureaza un timp dependent de

marimea activitatii probelor, neconsumandu-se substante chimice.

Detectia radiatiilor γ se bazeaza pe cele trei procese principale de interactie: effect

fotoelectric, imprastiere Compton si producere de perechi de electron-pozitron.

15

Spectrul obtinut are urmatoarele componente: picul de absorbtie (fotopic),

distributia Compton, picuri de retroimprastiere, picuri de scapare. In desenul de mai jos se observa spectrul de amplitudini al unei surse gamma

monoenergetice:

Nu se pot determina prin spectrometrie gamma concentratiile radionuclizilor care emit

radiatii beta pure si alfa pure. Pentru acestia se utilizeaza metode de separare

radiochimica si de masurare specifice fiecaruia in parte. Cei mai raspanditi radionuclizi in

aceasta situatie sunt: Sr-89, Sr-90, Y-90, Tritiul, C-14 si transuranienii (in special izotopii

Plutoniului). Spectrometrie gamma se poate face si cu detectori cu scintilatie cu cristal de

NaI(Tl). Un lant de detectie ce utilizeaza un astfel de contor este prezentat in figura de

mai jos:

Creasta Compton

Nr.pulsuri/canal

Retroimprastiere

Fotopic

canal

FM S D

CT

PA AMP

DISCRIMINATOR

NUMARATOR

TIMER

S = scintilator NaI(Tl)

FM = fotomultiplicator

D = divisor de tensiune

CT = convertor tensiune joasa-inalta

PA = preamplificator

AMP = amplificator

16

8. Dozimetria mediului inconjurator

Principalele probleme ale dozimetriei sunt definirea, calculul si masurarea marimilor

dozimetrice. O data cu dezvoltarea disciplinei numita dozimetrie s-au conturat si ramuri

specializate ale sale legate de diverse aplicatii ale radiatiilor in fizica, medicina, industrie

dar si in protectia mediului ambiant.

Dozimetria mediului inconjurator isi propune estimarea iradierii interne si externe a

organismului uman datorita surselor de radiatii incorporate in diverse componente ale

mediului. Pentru realizarea acestui scop trebuie identificate toate sursele de radiatii din

mediu si cunoscute marimile care caracterizeaza contaminarea diferitelor componente ale

mediului, respectiv:

- concentratia in aer (Bq/m3);

- concentratia in apele de suprafata si subterane (Bq/l);

- concentratia in sol presupusa ca fiind constanta intr-un strat de o anumita

adancime (Bq/kg);

- concentratia in vegetatia spontana si cultivata care se refera la activitatea

distribuita in diferite parti ale unei plante (Bq/kg);

- concentratia in depunere (Bq/m2.zi).

Mediul ambiant este deci considerat un sistem foarte complex cu multe compartimente.

Caile de transfer de la un compartiment la altul sunt multe si de multe ori nu sunt

cunoscute. Alte dificultati provin din faptul ca radionuclizii naturali se comporta intr-un

mod diferit de cei artificiali, si in plus, in afara procesului de dezintegrare, in mediul

ambiant exista o seama de procese mecanice, chimice sau de alta natura care contribuie

semnificativ la modificarea concentratiilor radioactive.

Organismul uman este iradiat extern de aerul din jurul lui, de depunerile

radioactive de pe sol, cladiri, etc. dar si intern, prin inhalarea aerului, ingerarea

apei si a alimentelor contaminate. Determinarea marimilor dozimetrice depinde de modul de iradiere al organismului.

Astfel, daca in cazul iradierii externe e posibila determinarea unei marimi dozimetrice

atat prin calcul cat si prin masurare, in cazul iradierii interne marimile dozimetrice se

determina indirect daca se cunosc concentratiile in materialele radioactive care intra in

organism si cantitatile inhalate sau ingerate.

Aparatele destinate masurarii marimilor dozimetrice se numesc dozimetre si in

general pot masura doza, expunerea sau debitul dozei.

Un dozimetru se compune dintr-un detector de radiatii (ex: contor Geiger-Müler) si

aparatura asociata (alimentator la retea, sursa de inalta tensiune, afisor, etc.).

Un astfel de aparat trebuie sa satisfaca o serie de cerinte privind domeniul de masurare,

sensibilitatea, dependenta de diversi factori ai mediului (temperatura, presiunea,

umiditatea, s.a) si durata de funcionare.

Astfel, trebuie facuta deosebirea intre dozimetrele pentru supravegherea de rutina si cele

pentru accident, cele din a doua categorie avand in mod evident un domeniu mult mai

mare, in timp ce primele trebuie sa aiba o sensibilitate mai buna.

Desi, contoarele GM raspund la numarul particulelor si nu la energia acestora impulsul

furnizat fiind practic independent de natura si energia particulei care a initiat ionizarea,

faptul ca sunt simple si robuste, iar aparatura asociata lor e ieftina si de dimensiuni mici

17

explica marea lor sensibilitate, ceea ce reprezinta un mare avantaj in supravegherea

mediului inconjurator unde avem de-a face in general cu doze mici.

Marimea cea mai importanta in radioprotectie este doza efectiva care este o marime

nemasurabila. Pentru aceasta marime este furnizata si limita anuala de iradiere, care pentru o singura

persoana expusa profesional este de 20 mSv/an, iar pentru o persoana din populatie este

de 1 mSv/an. Evaluarea acestei marimi se face in mod indirect, prin modelare. Modelul

stabileste relatia intre activitatea din diversele compartimente ale mediului si echivalentul

dozei efective pentru un individ plasat intr-un anumit loc fata de mediul contaminat.

Modelele sunt de doua tipuri: modele de transfer si modele dozimetrice.

Modelul de transfer descrie caile de transfer in diferitele componente ale mediului (aer,

apa, alimente) si furnizeaza valori ale concentratiilor in acestea, valori necesare

modelului dozimetric. Un astfel de model tine cont de antrenarea, retinerea si eliminarea

fiecarui radionuclid din fiecare compartiment si presupune omogenitatea si uniformitatea

distributiei fiecarui radionuclid in fiecare compartiment. Astfel, un compartiment poate fi

aerul de unde radionuclizii ajung prin depundere uscata sau umeda pe sol sau vegetatie.

Vegetatia poate fi considerata ca avand doua compartimente: partea de deasupra solului si

partea din pamant.

In mediu exista diverse procese de transfer de la un compartiment la altul, dar nu se poate

vorbi de iesirea radionuclizilor din mediu. Acestia raman in mediu pana la dezintegrarea

lor totala.

Modelul dozimetric descrie caile si distributia unui radionuclid in organism si furnizeaza

valoarea dozei efective.

si organismul uman poat efi considerat un sistem cu compartimente, acestea fiind de fapt

organele si tesuturile. Numarul de compartimente depinde de radionuclidul studiat. De

exemplu, pentru un radionuclid care se distribuie numai in tractul gastric acesta este

singurul compartiment studiat. Caile de eliminare din organism difera de asemenea de la

un radionuclid la altul, fiind in general cele obisnuite respectiv expiratia, transpiratia si

excretia.

9.Efecte biologice

Efectele biologice pot fi clasificate in doua categorii:

- efecte stochastice

- efecte nestochastice

Efectele nestochastice sunt caracterizate de o relatie de cauzalitate determinista intre doza

si efect. Aceste efecte au loc atunci cand doza incasata depaseste o valoare de prag.

Valoarea prag pentru un anumit efect biologic variaza de la un individ la altul si de

asemenea, depinde de conditiile expunerii. Exemple de astfel de efecte sunt prezentate in

tabelele de mai jos, impreuna cu valorile prag ale dozei. Cu cat doza incasata e mai mare,

cu atat efectul este mai serios. Aceste efecte nu sunt, in general, mult intarziate in timp

fata de momentul expunerii.

Efectele stochastice sunt caracterizate de o relatie probabilistica doza-efect.

Dupa ce populatia este expusa la radiatie, efectele stochastice vor apare numai la anumiti

indivizi, aparent aleator. Pentru aceasta categorie de efecte nu exista o valoare prag a

dozei, iar severitatea efectului este independent de doza.

18

Efectele somatice, respectiv cancerele fatale si nefatale si efectele genetice sunt

considerate efecte stochastice pentru valori ale dozei incasate cuprinse in sirul de valori

luate in considerare in normele protectiei la radiatie. Studiile statistice arata ca frecventa

acestor efecte variaza, uneori considerabil, cu conditiile de mediu, cu caracteristicile

ereditare ale individului si cu alti factori.

Incidenta cea mai probabila a efectelor stochastice conform Safety Series 72 (1985) este

prezentata in tabelul de mai jos. Datele prezentate reprezinta numarul de indivizi afectati

la mie care incaseaza o doza de 1 Sv si sunt mediate pe ambele sexe si pe toate varstele

pentru o populatie adulta.

Efectele genetice care pot apare ca urmare a iradierii sunt mutatiile cromozomiale in

urma carora apar malformatiile congenitale, tumori, etc. In eventualitatea iradierii externe

in utero efectele nestochastice nu sunt aceleasi cu cele datorate iradierii adultului, din

cauza radiosensibilitatii mai mari a embrionului. Efectele sunt in general retardarea

mentala (care poate apare si la varste mai mari ale copilului), microcefalia, malformatiile

si deficientele de crestere si de vedere. Forma relatiei doza-efect este cunoscuta numai

pentru doze foarte mari. Pentru valori mici ale dozei aceasta relatie nu este cunoscuta iar

efectele radiatiei, daca exista pot fi confundate cu efectele altor factori.

Valori prag pentru efecte nestochastice:

efectul Doza (Sv)

Cataracta

Eriteme

Pierderea parului

Sterilitate (barbati)

- temporara

- permanenta

Sterilitate (femei)

Supravetuire limitata

7

10

2

2.5

5

6

10

Efectele stochastice sunt intotdeauna intarziate fata de momentul expunerii. Pot trece ani

sau zeci de ani intre momentul expunerii si momentul aparitiei efectului si nu exista nici

o metoda de reducere a probabilitatii de aparitie a acestor efecte de la dozele deja

incasate.

Efecte stochastice ale iradierii (nr de indivizi afectati la o mie care primesc o doza de 1

Sv):

Organ/tesut Cancere fatale Cancere nefatale Efecte

ereditare

Gonade

Sani

Maduva

Plamani

Tiroida

Oase

Alte organe interne

Piele

-

2.5

2

2

0.5

0.5

5

0.1

-

2.5

-

-

10

-

-

10

4

-

-

-

-

-

-

-

19

10. Notiuni statistice de numarare

1. Statistica de numarare

Valorile numerice ale unei marimi fizice, obtinute prin procese de masurare, sunt afectate

de erori, rezultatele masuratorilor diferind intre ele.

Prin eroare de masurare se intelege diferenta x-A, intre rezultatul masurarii (x) si

valoarea adevarata a marimii masurate (A). De obicei, ambele valori sunt necunoscute,

dar pot fi estimate pe baza rezultatelor masuratorilor. Cu alte cuvinte, dupa masuratori

repetate ale marimii A, fiecare din ele continand o anumita eroare necunoscuta, se pune

problema calcularii valorii aproximative a lui A, cu o eroare cat mai mica posibil.

Erorile se clasifica in:

- erori grosolane: de neatentie, de nerespectare ale principiilor generale de

masurare;

- erori sistematice: datorate unor reglaje ale aparaturii, variatii ale conditiilor

exterioare;

- erori aleatoare: apar din cauza unei multitudini de factori a caror influenta

individuala este neglijabila.

Cu ajutorul teoriei probabilitatii, se poate estima masura in care aceste erori afecteaza

valoarea adevarata a marimii fizice masurate, ceea ce permite determinarea valorii

marimii masurate cu o eroare mult mai mica in raport cu erorile masuratorilor

individuale. Studiul influenetei valorilor aleatoare se bazeaza pe cunoasterea legilor de

distributie. Ca exemplu de legi de distributie putem da: modelul probabilistic, distributie

normala, distributie Poisson, distributie binomiala, etc.

Pornind de la definitia constantei de dezintegrare, ca probabilitatea de dezintegrare in

unitatea de timp, se demonstreaza ca fenomenul de dezintegrare este supus unei

distributii binomiale.

Pentru o proba ce contine N nuclee, atunci cand N este mare, distributia binomiala trece

in distributie Poisson. In acest caz se poate defini un parametru ce carcaterizeaza precizia

masuratorilor, numit abatere standard (sau dispersie), σ. In general,

AA)( , unde A este o marime independenta.

Daca marimea A este o functie de mai multe variabile, independente intre ele,

A=f(x,y,z), se poate calcula abaterea standard, σ(A), cu expresia:

2

2

2

2

2

2

)( zyxz

A

y

A

x

AA

Se pot astfel determina abateri standard ale diferitelor marimi independente ce apar in

procesul de masurare a activitatii unei probe ca, de exemplu, viteza de numarare a probei,

Q, viteza de numarare a fondului F, viteza de numarare a probei in lipsa fondului

radioactiv, R = Q – F.

Pornind de la expresia vitezei de numarare a probei, t

KQ si a abaterii standard a

marimii Q, 2

2

KQK

Qvom avea

t

Q

t

K

t

K

tKQ 2

2

2

1

20

In mod asemanator, t

FF

Pentru marimea R = Q – F, abaterea standard σR va fi:

t

F

t

Q

F

R

Q

RFQFQR

222

2

2

2

2. Determinarea vitezei de numarare minime semnificative, Rms

Limitele de detectie pentru procedeele si aparatele de masurare a radioactivitatii mediului

trebuie sa fie suficient de joase, pentru a asigura o acoperire eficienta a standardelor in

vigoare. Scaderea limitelor de detectie presupune probe puternic concentrate, detectori cu

o eficienta ridicata, fond foarte redus al instalatiilor de masurare si timpi mari de

masurare. Calculul limitei de detectie a activitatii unei probe se face cu ajutorul vitezei

minime de masurare, Rms, ce se determina cu regula trei sigma: cu un nivel de

incredere de 99.78%, abaterea adevaratei valori a marimii masurate de la media

aritmetica a valorilor masuratorilor nu trebuie sa depaseasca cu de trei ori abaterea

standard a a cestei valori medii. Daca ne referim la marimea R, viteza de numarare a unei probe in absenta fondului,

regula trei sigma devine:

- pentru R ≥ 3σR, proba are o activitate semnificativa si este peste valoarea fondului

radioactiv natural, cu un nivel de incredere de 99.78%

- pentru R<Rms, activitatea probei este inclusa in fondul natural, cu un nivel de

incredere de 99.78%

Numim 3σR = Rms, viteza minima semnificativa de numarare, calculul ei facandu-se

astfel: t

F

t

QR Rms 33

Daca Q = Rms + F si tp = tF = t, inlocuind vom avea: t

FRR ms

ms

23 sau

t

FRR ms

ms

292 , 01892 FRtR msms , cu solutiile:

t

tFRmS

2

1848192,1 , de unde

t

tFRmS

2

899

In cazul in care se masoara “n” tavite si fondul de “m” ori, iar tP ≠ tF , expresia devine

p

F

p

p

mst

mt

ntnFt

R2

14939

3.Calculul activitatii unei probe de mediu

Proba de mediu se colecteaza si se pregateste conform procedurii standard.

Concentratul obtinut se depune pe una sau mai multe tavite de masurare (i=1…n), ce se

introduc in castelul de plumb. Se determina numarul de impulsuri, Ki, dat de proba intr-

un timp t. Se calculeaza viteza de numarare in prezenta fondului radioactiv, Qi:

21

min/impt

KQ i

i , unde i = 1, 2, …, n = numarul de tavite pe care este divizata proba.

Observatie: in cazul unor valori mari ale vitezelor de nuamrare, ce depasesc 100000

pulsuri/min., se va face o corectie de timp mort al detectorului, QC, astsfel:

QC = Q + Q2 + τ (puls/min), unde Q = viteza de numarare masurata si τ = 250 μs =

timpul de rezolutie al instalatiei.

Se calculeaza viteza de numarare a probei fara fond, Ri, min/pulsFQR ii , unde

F = viteza de numarare a fondului radioactiv natural.

Se calculeaza viteza de numarare totala a probei, R: n

i

iRR1

Se compara viteza de numarare a probei, Ri cu viteza de numarare minima semnificativa,

Rms; se pot ivi doua situatii:

- R ≥ Rms, proba are o activitate semnificativa, ce se calculeaza cu expresia:

Bqg

R, unde: g = factorul de etalonare al instalatiei de masurare;

σL = abaterea standard a activitatii probei;

- R < Rms, activitatea globala a probei este sub limita de detectie a aparaturii de

masurare, Lmd ce se calculeaza cu expresia: Bqg

Rms

md

Cu ajutorul acestei valori se poate calcula activitatatea specifica a probei sau activitatea

specifica minima detectabila, prin impartire la cantitatea de proba masurata (volum de aer

si randament de retinere pentru aerosolii aspirati, volum de proba pentru ape, etc.).

4. Calculul impreciziei de masurare

Oricice valoare a activitatii unei probe va fi insotita de abaterea standard a activitatii (sau

dispersiei a valorii), σL.

Calculul ei porneste de la expresia activitatii, et

etR

R

g

R, unde:

R = viteza de numarare a activitatii probei in lipsa fondului radioactiv natural;

Ret = viteza de numarare a etalonului in absenta fondului radioactiv;

Λet = activitatea sursei etalon;

De la definitia abaterii standard pentru o marime fizica cu mai multe variabile se ajunge

la forma: 22

Re

2

ettR unde n

i

RiR

1

si F

i

i

Rit

F

t

Q

R 2

1,

Fet

et

i

Rit

F

t

Q

R

1, unde Qi, t, F, tF, au semnificatiile mentionate anterior.

Qet este viteza de numarare a etalonului;

tet este timpul de masurare a etalonului;

εet este eroarea de fabricatie a etalonului, inscrisa in certificatul sursei;

Λ este activitatea sursei.

5. Teste statistice ale aparaturii de masurare

22

Se realizeaza pentru a urmari stabilitatea aparaturii de masurare si pe durata scurta.

6. Stabilitatea pe lunga durata a aparaturii de masurare

Se realizeaza urmarind variatia zilnica a doua marimi caracteristice aparaturii de

masurare, fondul natural radioactiv si factorul de detectie.

a) variatia fondului natural radioactiv, F

se procedeaza la 4 sau 2 masuratori zilnice ale fondului natural radioactiv, calculul

mediei aritmetice 4

1i

tFF , si reprezentarea acestuia intr-un sistem de axe coordonate

(ziua, Fzilei). Perioada reprezentata pe un grafic este de un an.

b) Variatia factorului de detectie g Se reprezinta factorul de detectie g intr-un sistem de axe de coordonate (ziua, gzilei).

Perioada reprezentata pe un grafic este de un an. Cele doua grafice se completeaza zilnic

cu valorile zilei precedente si se prind in dosarul statiei, ramanand in laboratorul RA.

7. Stabilitatea pe durata scurta a aparaturii de massurare

Se realizeaza printr-un test statistic numit χ2, ce verifica normalitatea repartitiei erorilor

aleatoare. Se alege ca variabila aleatoare viteza de numarare a sursei etalon in absenta

fondului radioactiv, R = Q – F; se fac i = 1…10 massuratori ale marimii R, obtindu-se

valorile Ri. Durata unei masuratori va fi t = 100s.

Se calculeaza media vitezelelor de masurare, 10

10

1i

iR

R

Se calculeaza χ2 cu expresia t

R

RRi

i

10

1

2

2

Pentru ca instalatia de massurare sa fie considerata stabila pe termen scurt, valorile lui χ2

trebuie sa se situeze in intervalul (3.3 – 16.9), adica 3.3 < χ2 <16.9.

23

BIBLIOGRAFIE

1. Curs de radioactivitate, pentru supravegherea radioactivitatii mediului – Editura

Horia Hulubei, 1997.

2. Radioactivitatea artificiala in Romania – Societatea Romana de Radioprotectie,

1995.

3. Lucrari practice de fizica nucleara – Universitatea din Bucuresti, Facultatea de

Fizica, 1982.

4. Energia atomica – Ed. Stiintifica, Bucuresti, 1973.

5. Traim cu radiatii – Ed. Tehnica, Bucuresti, 1989.

6. Elemente de fizica nucleara, vol I, - Univ. Bucuresti, Fac. de Fizica, 1988.

7. Enviromental Radiation Measurements, Recomandation of the National Council

on Radiation Protection and Measurements, NCRP Report No. 50, 1976

8. Dozimetria si ecranarea radiatiilor Roentgen si gamma – M. Oncescu, I.

Panaitescu, Ed. Academiei Romane, 1992.

9. Prelucrarea matematica a datelor experimentale – L. Z. Rumsiski, Ed. Tehnica

Bucuresti, 1974

10. Sources, effects and risks of ionizing radiation, United Nations Scientific

Committee on the Effects of Atomic Radiation, 1988, Report to the General

Assembly, United Nations, 1988