Fysiikka 8 – luku 5 Radioaktiivisuus ja ydinsäteily

5.1 Radioaktiivisuus                                                            

Ydinsäteilyn lajit ovat alfasäteily, beetamiinussäteily, beetaplussäteily, gammasäteily ja neutronisäteily. Jos säteily voi ionisoida kohtaamiaan atomeja tai molekyylejä eli irrottaa niistä elektroneja sähkömagneettisen vuorovaikutuksen seurauksena, säteilyä kutsutaan ionisoivaksi säteilyksi. Ionisoiva säteily on ihmisen terveydelle haitallista, koska se voi aiheuttaa elävissä kudoksissa kemiallisia ja biologisia muutoksia. Alfa, beeta- ja gammasäteily ovat ionisoivaa säteilyä.  

Neutronisäteily ei ole ionisoivaa säteilyä, koska neutronilla ei ole sähkövarausta. Neutronisäteily on kuitenkin hyvin läpitunkevaa, ja neutronin absorboiduttua ytimeen ydin yleensä lähettää gammasäteilyä, joka on ionisoivaa säteilyä. Alfa, beeta, gamma- ja neutronisäteily ovat peräisin ydinreaktioista. Ydinreaktioissa ovat voimassa kaikki säilymislait eli reaktioissa säilyvät sähkövaraus, energia, massaluku, liikemäärä ja pyörimismäärä.

5.2 Alfahajoaminen

Alfahajoamisessa ydin emittoi alfahiukkasen, jolla on sama rakenne kuin heliumytimellä. Aineessa kulkiessaan alfahiukkanen ionisoi atomeja irrottamalla niiden elektroniverhoista elektroneja. Alfahajoamisessa vapautuu energiaa, koska emoytimen massa on suurempi kuin tytärytimen ja alfahiukkasen massojen summa. Alfahajoamisessa vapautuva hajoamisenergia on

Q = ∆mc²

jossa ∆m on reaktion massavaje ja c valon nopeus tyhjiössä.

5.3 Beetahajoaminen

Beetahajoamisessa ytimet emittoivat elektroneja (e^-) tai positroneja (e⁺). Positroni on elektronin antihiukkanen ja sen massa on yhtä suuri kuin elektronin massa. Positronin sähkövaraus on +e.  Beetahajoaminen tapahtuu heikon vuorovaikutuksen seurauksena. Heikon vuorovaikutuksen välittäjähiukkasia ovat välibosonit. Beetahajoamisessa ytimestä emittoituu positronin tai elektronin lisäksi neutriino tai antineutriino.

Beetamiinushajoaminen

Beetamiinushajoamisessa ydin emittoi elektronin. Beetamiinus-aktiivisissa ytimissä neutroni muuttuu protoniksi ja samalla elektroni ja antineutriino emittoituvat. Muissa ytimissä neutroni on pysyvä. Beetamiinushajoamisessa alkuaineen atomin ydin X muuttuu toisen alkuaineen atomiksi Y. Ytimen massaluku säilyy, mutta protoniluku (varausluku) kasvaa yhdellä. 

 

 

Beetaplushajoaminen

Beetaplushajoamisessa protoni muuttuu ytimessä neutroniksi ja samalla emittoituu positroni ja neutriino. Hajoamisreaktio on

Beetaplushajoamisessa syntyvä positroni on elektronin antihiukkanen. Kun positroni kohtaa aineessa elektronin, ne yhdistyvät eli annihiloituvat. Positroniemissiotomografiassa (PET) potilaaseen ruiskutetaan beetaplusaktiivista merkkiainetta, joka kulkeutuu tutkittavaan elimistön kohtaan. Merkkiaineen säteilemän positronin ja annihiloitusessa elimistössä olevan elektronin kanssa syntyy gammasäteilyä, jonka avulla saadaan poikkileikkauskuvia potilaan elimistöstä. PET-kuvauksen avulla voidaan tutkia verenkiertoa, etsiä kasvaimia ja seurata aivotoimintoja esim puhuessa, kuunneltaessa tai unen eri vaiheissa.

 

5.4 Elektronisieppaus

Elektronisieppauksessa ytimeen siepattu elektroni reagoi protonin kanssa ja syntyy neutroni ja neutriino. Reaktioyhtälö on

Kun ydin sieppaa elektronin atomin sisimmältä kuorelta, jää elektroniverhoon aukko. Tämä aukko täyttyy ylemmältä energiatasolta tulevalla elektronilla. Elektronin siirtymä synnyttää röntgensäteilyn kvantin, joten elektronisieppauksen yhteydessä havaitaan kyseisen isotoopin röntgenspektrin ominaissäteilyä.

5.5 Gammasäteily

Kun ydin siirtyy viritystilasta alempaan viritystilaan tai perustilaan, ytimestä emittoituu gammasäteilyä. Gammasäteilyä syntyy usein alfa- ja beetahajoamisen yhteydessä. Gammasäteilyä emittoiva nuklidi pysyy samana nuklidina, eli alkuaine ei muutu toiseksi alkuaineeksi. Koska ytimestä lähtevän gammasäteilyn aallonpituus riippuu ytimestä, gammasäteilyn perusteella voi tunnistaa radioaktiivisia aineita. Intensiteetti on säteilyteho pinta-alaa kohden eli

I = P/A         

Puoliintumispaksuudeksi sanotaan sitä väliaineen paksuutta, joka vähentää gammasäteilyn intensiteetin puoleen.

Heikennyslaki               

Gammasäteilyn heikennyslain mukaan gammasäteilyn intensiteetti väliaineessa etenemismatkan funktiona on

jossa I on ainekerroksen läpäisseen säteilyn intensiteetti, I₀ aineeseen osuvan gammasäteilyn intensiteetti, x ainekerroksen paksuus ja µ matkavaimennuskerroin.

Gammasäteily on läpitunkevaa, minkä takia sitä käytetään läpivalaisuun tekniikassa ja lääketieteessä. Gammasäteily on vaarallista elävälle kudokselle. Gammasäteilyä voidaan käyttää syöpäsolujen tuhoamiseen. Elintarvikkeita säteilytetään itämisen estämiseksi tai mikrobien vähentämiseksi. Säteilytetty aine ei muutu steriloinnissa säteileveäksi. Gammasäteilyn avulla steriloidaan myös mm. kertakäyttöisiä sairaanhoitotarvikkeita.

Gammasäteilyn ja aineen vuorovaikutustapoja

Gammasäteily voi vuorovaikuttaa aineen kanssa kolmella tavalla. Kun gammasäteily osuu aineeseen, se menettää energiaa valosähköisessä ilmiössä, Comptonin ilmiössä ja parinmuodostuksessa. Parinmuodostuksessa säteilyenergiaa muuttuu aineeksi. Riittävän suurienergiainen fotoni, gammakvantti, voi muuttua atomin ytimen lähellä elektroniksi ja positroniksi sekä näiden liike-energiaksi.

Parinmuodostuksen jälkeen aineessa tapahtuu parin häviäminen, missä positroni kohtaa elektronin, jolloin tapahtuu annihilaatio. Annihilaatiossa syntyy kaksi gammakvanttia. Gammasäteilyn ja röntgensäteilyn syntytapa on erilainen, mutta ne vuorovaikuttavat aineen kanssa samalla tavalla, jos niiden aallonpituudet ovat yhtä suuret.

Syövän sädehoito

Syöpäsolut tarvitsevat jakaantuakseen runsaasti fenyylialaniinia, joten sen pitoisuus syöpäsoluissa on huomattavasti suurempi kuin terveissä soluissa. Huomaa, että aspartaamia sisältävissä elintarvikkeissa on runsaasti fenyylialaniinia! Tuoteselosteessa voi lukea ” sisältää fenyylialaniinin lähteen” eli se tarkoittaa että tuotteessa on aspartaamia. Rottakokeissa runsaasti aspartaamia saaneissa rotissa on ilmennyt paljon aivokasvaimia! Joten valkoista sokeria sisältävät limut ja muut elintarvikkeet ovat terveellisempiä kuin aspartaamia sisältävät!

Boorineutronisädehoidossa B¹⁰ –isotooppi kulkeutuu verenkierrossa fenyylialaniinin avulla potilaan syöpäkasvaimeen. Boorineutronisädehoito perustuu booriatomien erityiseen kykyyn reagoida neutronien kanssa. Kun booria on kertynyt riittävästi kasvaimeen, siihen kohdistetaan hidastettuja neutroneita. Kasvaimessa booriytimet kaappaavat neutroneja, jolloin booriytimet hajoavat ja syntyy gammasäteilyä.

Säteily ja ydinreaktorissa syntyvät ytimet tuhoavat syöpäsolun dna:ta, jolloin syöpäsolu tuhoutuu. Hoidosta saatava säteilyvaikutus rajoittuu lähes kokonaan syöpäsoluun.