Ionizujúce žiarenie

Ionizujúce žiarenie je (korpuskulárne alebo elektromagnetické) žiarenie, ktorého kvantá majú energiu postačujúcu na ionizáciu atómov alebo molekúl ožiarenej látky.

Hranica

Za energetickú hranicu ionizujúceho žiarenia sa považuje pre elektromagnetické žiarenie, žiarenie alfa a žiarenie β^- energia 5 keV.^[1] Pre neutrónové žiarenie a žiarenie β⁺ je kvantifikácia ťažšia, pretože aj veľmi pomalé častice (v prípade neutrónov) vstupujúce do jadier vyvolávajú sekundárnu ionizáciu prostredníctvom jadrových reakcií. Obdobný prípad nastáva aj v prípade pozitrónov anihilujúcich s elektrónami za vzniku veľmi tvrdého žiarenia γ.

Z pohľadu zákona o verejnom zdraví sa však za ionizujúce žiarenie pokladá žiarenie od vlnovej dĺžky 100nm (UVC) a kratšou, teda ekvivalent energie fotónu 12,5 eV. ^[2]

Druhy ionizujúceho žiarenia

Ionizujúce žiarenie sa môže deliť z viacerých hľadísk. Podľa fyzikálnej podstaty žiarenia delíme ionizujúce žiarenie na:

korpuskulárne ionizujúce žiarenie:
- ťažké:
- stredne ťažké (mezóny)
- ľahké:
  - elektróny (najmä žiarenie beta mínus)
  - pozitróny (najmä žiarenie beta plus)
fotónové ionizujúce žiarenie (elektromagnetické ionizujúce žiarenie, vlnové ionizujúce žiarenie):
- časť ultrafialového žiarenia,
- röntgenové žiarenie,
- žiarenie gama

Podľa mechanizmu účinkov ionizujúceho žiarenia na hmotu delíme toto žiarenie na:

priamo ionizujúce – jeho kvantá nesú elektrický náboj vďaka čomu priamo vyrážajú či vytrhávajú elektróny z atómov. Patrí sem napríklad žiarenie alfa, beta, protónové žiarenie (tok kladných iónov vodíka) p+;
nepriamo ionizujúce – jeho kvantá sú bez elektrického náboja. K ionizácii dochádza tak, že kvantá neionizujúceho žiarenia odovzdávajú svoju kinetickú energiu nabitým časticiam (väčšinou elektrónom) a až ich účinky látku ionizujú. Patrí sem fotónové žiarenie röntgenové a gama a tiež neutrónové žiarenie (tok neutrónov).

Z hľadiska fyzikálnych, chemických a obzvlášť biologických účinkov ionizujúceho žiarenia na ožarovanú látku možno žiarenie rozdeliť podľa tzv. hustoty ionizácie, ktorú v látke pri svojom prechode vyvoláva:

riedko ionizujúce žiarenie – patrí sem röntgenové žiarenie, gama žiarenie, beta žiarenie;
husto ionizujúce žiarenie – patrí sem alfa žiarenie, neutrónové žiarenie, protónové žiarenie.

Prenikavosť žiarenia rôznymi materiálmi môžme vyjadriť polohrúbkou materiálu.

Dejiny výskumu

Prvé objavy prenikavého žiarenia, ktoré vysielajú niektoré látky, pochádzajú z konca 19. storočia. V roku 1896 Henri Becquerel pozoroval, že niektoré minerály (zlúčeniny uránu) vysielajú zvláštne neviditeľné žiarenie (spočiatku nazývané uránové žiarenie) aj bez toho, aby boli predtým ožiarené svetlom, čím sa odlišovali od klasickej luminiscencie. Becquerel vďaka náhodnému objavu zistil, že toto žiarenie preniká aj svetlotesným obalom fotografických dosiek a spôsobuje ich sčernanie. O ďalšie objavy sa zaslúžila manželská dvojica Maria Curieová-Skłodowská a Pierre Curie a G. Bémont, ktorí objavili v uránovej rude aj ďalšie vyžarujúce prvky polónium a rádium. Tento jav nazvali rádioaktivita (aktívna radiácia) a neskôr sa zistilo, že je spôsobená premenou jedného chemického prvku na iný. V roku 1899 Ernest Rutherford, ktorý sa zaoberal vlastnosťami tohto žiarenia, objavil jeho dve výrazne odlišné zložky: mäkkú zložku, ktorá je dobre pohlcovaná vzduchom aj listom papiera (žiarenie alfa) a tvrdú zložku, ktorá je asi 100-krát prenikavejšia než žiarenie alfa a prechádza aj tenkým hliníkovým plechom – žiarenie beta. Krátko nato, v roku 1900 Paul Ulrich Villard objavil ešte prenikavejšie žiarenie, žiarenie gama. Nasledovali objavy podstaty tohto žiarenia. V roku 1902 W. Kaufmann na základe výsledkov výskumu manželov Curieovcov a A. Becquerela zistil, že žiarenie beta je tvorené prúdom elektrónov a E. Rutheford na základe pokusov z rokov 1903 až 1908 zistil, že žiarenie alfa je prúdom héliových jadier. V roku 1934 manželia Frédéric Joliot-Curie a Irène Joliotová-Curieová po prvýkrát vyvolali umelú rádioaktivitu pôvodne nerádioaktívnych jadier hliníka.

Škodlivosť rádioaktívneho žiarenia pre ľudský organizmus sa prejavovala už od samotného jeho objavu. H. Becquerel nosil asi 14 dní vo vrecku svojej vesty rádioaktívny preparát a na mieste pod ním sa objavil ekzém a pomaly sa hojaci vred. Tento úkaz neskôr overil pokusom na sebe Pierre Curie. Reakcie kože na ožiarenie tvorili základ prvej biologickej dozimetrie a definície tzv. erytémovej dávky – dávky, ktorá vyvolá 8 dní po expozícii kožné poškodenie erytém.

Princíp vzniku

Ionizujúce žiarenie často vzniká vďaka rádioaktívnym atómom (rádionuklidom), čo sú atómy, ktorých jadrá nie sú v čase stabilné. Tieto jadrá sa časom samovoľne rozpadnú na jadrá iných chemických prvkov, ktoré sú už buď stabilné (častejší prípad), alebo sa premieňajú ďalej až kým sa nestanú stabilnými. Tento proces je úplne nezávislý od vonkajších podmienkach ako sú teplota, tlak, polia či chemické zloženie prostredia, pokiaľ nie sú vysoko extrémne (napr. zohriatie látky na niekoľko miliónov °C). Nadbytok energie sa z jadra uvoľňuje emisiou (vyžiarením) častice alebo kvanta elektromagnetického žiarenia (fotónu). Röntgenové žiarenie sa objavuje ako sprievodný jav sprevádzajúci procesy odohrávajúce sa v elektrónových obaloch, čiže nie v atómových jadrách. Takisto jadrovú fúziu, čiže naopak spájanie sa viacerých atómových jadier do jedného, sprevádza emisia ionizujúceho žiarenia.

Jadro atómu každého chemického prvku obsahuje častice zvané nukleóny. Tie sa rozdeľujú na častice bez náboja – neutróny a častice s kladným elektrickým nábojom – protóny. Počet protónov v jadre udáva protónové číslo, na základe ktorého získal atóm svoje postavenie v Mendelejovej periodickej tabuľke prvkov. Počet neutrónov udáva neutrónové číslo a počet protónov aj neutrónov spolu nukleónové (hmotnostné) číslo. Atómy s rovnakým protónovým, ale rozdielnym neutrónovým (a teda aj hmotnostným) číslom sa nazývajú izotopy jedného chemického prvku. Väčšina chemických prvkov má najviac jeden stabilný izotop. Ostatné izotopy sú nestabilné a môžu kedykoľvek podľahnúť rádioaktívnej premene na atómy iných chemických prvkov. V prírode sa vyskytujúce nestabilné izotopy nazývame prirodzene rádioaktívne. Prvé prirodzene rádioaktívne izotopy boli objavené medzi chemickými prvkami s vysokým protónovým číslom ako napríklad ²³⁸U, alebo ²³²Th. Ťažké rádionuklidy s dlhou dobou polpremeny existovali už počas formovania sa Zeme, alebo v nej vznikli počas jej dlhého vývoja. Postupne sa rozpadajú, až kým dosiahnu konečný stabilný nuklid vo forme jadra olova. Neskôr boli objavené prirodzené rádionuklidy aj medzi prvkami s nižším protónovým číslom (napr. draslík) a v 30. rokoch 20. storočia boli objavené veľmi ľahké rádionuklidy ako napríklad ¹⁴C.

Umelým zásahom do jadra stabilného izotopu vznikajú umelé rádionuklidy. Je možné vyrobiť ich v urýchľovačoch častíc alebo v jadrových reaktoroch. Ako veľmi účinné pri výrobe umelých rádionuklidov sa osvedčili neutróny. Už v roku 1933 zistil fyzik Enrico Fermi, že ostreľovaním pomalými neutrónmi je možné zmeniť skoro všetky chemické prvky na umelé rádionuklidy.

Premena rádionuklidu na stabilný izotop sa nazýva rádioaktívna premena a existuje niekoľko jej druhov. Podľa druhu žiarenia, ktoré sa pri tejto premene emituje, poznáme premenu alfa, premenu beta+ a beta- a premenu gama.

Rôzne chemické látky ožarované ionizujúcim žiarením toto žiarenie absorbujú. Tým sa energia ionizujúceho žiarenia znižuje na úkor energie, ktorú získava atóm absorbujúcej látky. Udalosti, ktoré môže ionizujúce žiarenie pri interakcii s hmotou vyvolať sú excitácia, ionizácia, rozptyl a vznik brzdného žiarenia. Schopnosť rádionuklidu vyvolať poškodenie v živom organizme sa nazýva rádiotoxicita. Na rozdiel od chemicky toxických látok rádionuklidy sa toxické už vo veľmi malých koncentráciách. Všeobecne je rádionuklid tým nebezpečnejší, čím má dlhšiu dobu polpremeny, vyššiu ionizačnú schopnosť, čím selektívnejšie sa ukladá v určitej časti organizmu a čím ťažšie sa dá stadiaľ odstrániť.

Zdroje ionizujúceho žiarenia

Prírodné zdroje
- Kozmické žiarenie
- Slnečné žiarenie
- Prírodné rádioizotopy
Umelé zdroje
- Cyklotrón
- Synchrotrón
- Jadrový reaktor
- Jadrová zbraň
- Röntgenové žiariče
  - Röntgen
  - CT – počítačový tomograf
  - Mamograf
- Zariadenia pre scintilačné a stopovacie diagnostické metódy
- Terapeutické zariadenia – žiariče (céziové a kobaltové gama žiariče, gama nôž)
- Rádiofarmaká a tracery
- Zariadenia pracujúce s rtg žiarením (aj CRT monitory)
- Elektrický oblúk

Účinky na živé organizmy

Ionizujúce žiarenie vo forme dlhotrvajúceho slabého, alebo krátkodobého intenzívneho žiarenia má negatívne účinky na všetky živé organizmy. Dochádza ku absorpcii ionizujúcich častíc alebo vlnenia atómami daného materiálu. To spôsobuje vyrážanie elektrónov z ich orbít a tvorbu negatívne nabitých aniónov. Ionizované časti molekúl sa stávajú veľmi reaktívnymi a vyvolávajú chemické reakcie, ktoré bunku usmrtia, alebo vedú k jej zmenám na genetickej úrovni (reakcia radikálov s DNA spôsobí porušenie fosfodiesterových väzieb a tým pretrhanie jej reťazca). Organizmus preto musí aktivovať svoje reparačné mechanizmy, aby tieto poškodenia odstránil. Nie vždy sa mu to ale podarí a tak vznikajú nezvratné poškodenia v organelách alebo v genetickej informácii bunky, čo môže viesť k jej smrti alebo k zmeneniu funkcie. Zmenená funkcia bunky môže viesť aj niekoľko rokov po samotnom ožiarení u stavovcov k vzniku onkologického ochorenia.

Napriek týmto nepriaznivým účinkom dochádza k častému využívaniu ionizujúceho žiarenia v medicíne. Pri rádioterapii sa škodlivé účinky ionizujúceho žiarenia na bunku používajú na zničenie nádoru. Nevýhodou tejto liečby je však to, že v menšej miere zdroj ionizujúceho žiarenia poškodzuje aj okolité zdravé tkanivá. Rádiológia je využitie ionizujúceho (aj neionizujúceho) žiarenia na diagnostiku ochorenia. V tomto prípade sú všetky zničujúce účinky ionizujúceho žiarenia nežiaducim vedľajším produktom (radiačná záťaž).