11. Radioaktiivisuus ja säteily

Johdanto

Ympärillämme oleva maailma koostuu säteilystä ja aineesta. Maailmankaikkeuden syntyhetken, alkuräjähdyksen jälkeen oli aluksi vain säteilyä, joka vähitellen muuttui raskaammiksi hiukkaksiksi. Säteilyä on ympärillämme koko ajan, emmekä voi välttyä erityyppisen säteilyn vaikutuksilta. Osa säteilystä on terveydelle vaaratonta, mutta osa on sellaista, että siltä on syytä suojautua.

Millaista säteilyä tiedät ympärillämme olevan? Miten vaarallista mainitsemasi säteily on?

Atomin rakenne

Atomin ydin muodostuu positiivisista protoneista ja varauksettomista neutroneista. Ytimen hiukkasia nimitetään yhteisesti nukleoneiksi. Sähköisesti tasapainossa olevalla atomilla ydintä kiertää yhtä monta elektronia kuin on ytimessä protoneja. Protonien lukumäärä on sama kuin atomin järjestysluku (Z). Elektronit ovat hyvin kevyitä verrattuna protonien ja neutronien massaan, joten atomin massan voidaan sanoa muodostuvan protonien ja neutronien yhteismassasta. Tätä neutronien (N) ja protonien (Z) yhteismäärää kutsutaankin atomin massaluvuksi.

Isotoopit

Saman alkuaineen atomit voivat olla eripainoisia. Tämä johtuu siitä, että saman alkuaineen eri atomien ytimissä voi olla eri määrä neutroneja. Näitä saman alkuaineen erimassaisia atomeja kutsutaan toistensa isotoopeiksi. Yksinkertaisimmalla alkuaineella vedyllä on kolme eri isotooppia: ns. tavallinen vety, jonka ytimessä on vain yksi protoni, raskas vety eli deuterium, jonka ytimessä on yksi protoni ja yksi neutroni sekä raskain vety tritium, jonka ytimessä on yksi protoni ja kaksi neutronia. Luonnon vetykaasu sisältää 99,99 % kevyttä vetyä, hieman vajaa 0,01 % deuteriumia ja 0,00000000000001 % tritiumia.



Lähes kaikilla alkuaineilla on useita eri isotooppeja, joista osa on pysyviä ja osa itsestään hajoavia. Lähes kaikessa syömässämme ravinnossa on hiiltä. Hiilellä on kuusi protonia ytimessään, mutta neutroneja hiiliatomeilla voi olla kuusi, seitsemän, kahdeksan tai jopa enemmän. Hiilipalassa olevat hiiliatomit ovat kahta hiilen isotooppia. 98,9% on 12-C isotooppia ja 1,1% 13-C isotooppia. Muita hiilen isotooppeja ei esiinny luonnossa, vaan niitä on saatu aikaan keinotekoisesti ydinreaktoreissa tai kiihdyttimissä. Ilmassa oleva hiilidioksidi  ei sisällä ainoastaan isotooppeja 12-C ja 13-C, vaan myös hieman (2,4 %) 14-C isotooppia. Kaikkien kolmen isotoopin siirtyminen elimistöön johtuu siitä, että kasvit käyttävät hiilenlähteenään ilmakehän hiilidioksidia. Ne sitovat sen orgaanisiin yhdisteisiin ja sitä kautta ne päätyvät muihin eliöihin. Hengitysilman kautta tulevan hiilidioksidin määrä kokonaishiilestä on mitätön.

Ydinreaktiot

Kemiallinen reaktio ja ydinreaktio eroavat toistaan siten, että kemiallisessa reaktiossa atomit pysyvät samoina, kun ydinreaktioissa atomit muuttuvat toisiksi atomeiksi. Kemiallisessa reaktiossa voi syntyä uusia yhdisteitä tai lähtöaineiden atomit voivat vapautua alkuaineina.

Ydinreaktiossa alkuaineisotoopeista syntyy uusia alkuaineisotooppeja. Samalla syntyy radioaktiivista säteilyä. Ydinreaktiot voidaan jakaa kahteen päätyyppiin: fissioon ja fuusioon.

Ytimen itsestään tapahtuvaa eli spontaania hajoamista kutsutaan fissioksi ja ydinten yhteenliittymistä fuusioksi. Raskaan ytimen hajoamista kahdeksi keskiraskaaksi ytimeksi sanotaan fissioksi. Fission voi aiheuttaa esimerkiksi ytimeen absorboituva neutroni tai protoni.

Ydinvoimaloiden energiantuotto perustuu Uraani-235:n fissioon. Vapautuneella energialla keitetään vettä, joka pyörittää höyryturbiineja, jotka tuottavat sähköä.

Ydinfuusiossa toistensa kanssa vuorovaikuttavat kevyet ytimet yhtyvät. Fuusiossakin vapautuu energiaa. Esimerkiksi vedyn isotooppien deuteriumin ja tritiumin fuusiossa syntyy heliumia. Auringossa fuusiota tapahtuu koko ajan, mikä mahdollistaa elämän Maassa. Fuusioreaktoria on kehitetty pitkään saasteettomammaksi vaihtoehdoksi kuin fissioon perustuvia ydinreaktoreita, mutta laihoin tuloksin. Fuusioreaktorin polttoaineen saisi esimerkiksi merivedestä ja ns. ydinjätettä ei tulisi lainkaan.


Radioaktiivisuus

Atomin ydin pysyy koossa ydinvoimien ansiosta. Voima, jota kutsutaan vahvaksi vuorovaikutukseksi, pitää ytimen samanmerkkisesti varautuneet protonit kiinni lähellä toisaan huolimatta selvästi heikommasta sähköisestä hylkimisvoimasta. Ydintä koossa pitävät voimat eivät siis riipu sähkövarauksesta. Toisaalta jos ytimessä on runsaasti nukleoneja, eivät ydinvoimat pysty pitämään ydintä koossa. Tällöin ydin hajoaa itsestään ja muuttuu jonkin toisen alkuaineen ytimeksi.

Erilaisia atomiytimiä tunnetaan yli 3100, joista alle 300 on pysyviä eli stabiileja. Epästabiili atomiydin voi hajota itsestään eli spontaanisti, jolloin ytimestä poistuu alfahiukkasia, beetahiukkasia tai gammasäteilyä. Alfahiukkasista muodostuva alfasäteily ja beetahiukkasista muodostuva beetasäteily ovat hiukkassäteilyä. Gammasäteily on taas runsaasti energiaa sisältävää sähkömagneettista säteilyä. Ydinten hajotessa muodostunutta säteilyä kutsutaan yhteisesti radioaktiiviseksi säteilyksi.

Radioaktiivisen säteilyn lajit

Alfasäteily

Tutki videon avulla, mitä alfahajoamisessa tapahtuu.

Kun atomiydin lähettää alfahiukkasen atomin massaluku pienenee neljällä ja protoniluku kahdella. Syntynyt uusi ydin (tytärydin) on kaksi paikkaa jaksollisessa järjestelmässä ennen alkuperäistä ydintä (emoydintä). Käytännössä alfasäteily on heliumytimiä.

Alfasäteily yleisessä muodossa:

[[$ _{Z}^{A}\textrm{X} \rightarrow _{Z-2}^{A-4}\textrm{Y} +  _{2}^{4}\textrm{He}\left (alfahiukkanen \right ) $]]

esim.

[[$ _{92}^{211}\textrm{Po} \rightarrow _{90}^{234}\textrm{Th} +  _{2}^{4}\textrm{He}\left (alfahiukkanen \right ) $]]

Beetasäteily

Tutki videon avulla, mitä seuraavissa ydinreaktioissa tapahtuu.



Beetahajoaminen yleisessä muodossa:

β--säteilyssä yksi ytimen neutroni muuttuu protoniksi: 

[[$ _{Z}^{A}\textrm{X} \rightarrow _{Z+1}^{A}\textrm{Y} + e^{-} \left (beetahiukkanen \right ) + \bar{\upsilon}_{e} $]]

esim.
[[$ _{1}^{3}\textrm{H} \rightarrow _{2}^{3}\textrm{He} + e^{-} \left (beetahiukkanen \right ) $]]

Syntyy siis beetahiukkasia (elektroneja) ja lähes massattomia antineutriinoja ([[$ \bar{\upsilon}_{e} $]]).

β+-säteilyssä yksi ytimen protoni muuttuu neutroniksi: 

[[$ _{Z}^{A}\textrm{X} \rightarrow _{Z-1}^{A}\textrm{Y} + e^{+} \left (beetahiukkanen \right ) + \upsilon_{e} $]]

esim.
[[$ _{12}^{23}\textrm{Mg} \rightarrow _{11}^{23}\textrm{Na} + e^{+} \left (beetahiukkanen \right ) $]]

Syntyy siis beetahiukkasia (positroneja) ja lähes massattomia neutriinoja ([[$ \upsilon_{e} $]]).

Lisätietoa neutriinoista.

Radioaktiivisen säteilyn mittaus

Radioaktiivista säteilyä ei voi havaita aisteilla. Ionisoivaa säteilyä voidaan mitata geigerputkella, jossa ionisoiva säteily synnyttää sähkövirtaa.


Radioaktiivisen säteilyn lähteet

Taustasäteily luonnosta tulevaa säteilyä. Se koostuu muun muassa maaperän radioaktiivisten aineiden säteilystä, kosmisesta taustasäteilystä ja kehon sisältämien radioaktiivisten aineiden säteilystä. Esimerkiksi kalium-40 isotooppia voi joutua sekä ruoan että hengitysilman mukana ihmisen elimistöön, jolloin se toimii sisäisenä säteilylähteenä. Suomalainen kallioperä sisältää runsaasti uraania, josta syntyy alfa- ja beetahajoamisten seurauksena radonkaasua. Radonkaasua voi olla pohjavesissä ja asuinrakennusten perustusten alla.

Vähäisessä määrin radioaktiivisen säteilyn kohteeksi voi joutua lääketieteellisissä tutkimuksissa. Lisäksi ydinvoimalaonnettomuuksien tai ydinkokeiden jälkiseurauksia voidaan havaita vuosienkin  jälkeen.


Radioaktiivisen säteilyn vaikutukset

Radioaktiivinen säteily on ionisoivaa, kuten röntgensäteilykin. Ionisoiva säteily irrottaa atomista elektroneja, jolloin atomista tulee ioni. Ionisoiva säteily voi hajottaa kudoksessa olevia vesimolekyylejä vetyioneiksi (H+). Säteilyn seurauksena syntyneet, herkästi reagoivat molekyylit voivat esimerkiksi vaurioittaa dna:ta. Vaurioitumisen seurauksena voi käynnistyä mutaatio, joka voi johtaa syöpään. Toisaalta mutaatiot mahdollistavat ihmisen ja kaikkien eliölajien kehityksen. Niiden seurauksena syntyy myös hyödyllisiä ominaisuuksia, jotka yleistyvät sopivissa olosuhteissa.

 

Radioaktiivisen säteilyn hyötykäyttö

Ydinvoimaloista on sanottu, että ne ovat modernein tapa keittää vettä. Ydinreaktiossa radioaktiivisen polttoaineen hajotessa vapautuu runsaasti energiaa. Suhteellisen pienellä massalla ydinpolttoainetta saadaan vapautumaan paljon energiaa, joka voidaan höyryturbiinin ansiosta muuttaa sähköksi.

Itse prosessi on varsin puhdas tapa tuottaa energiaa, jäljelle jää ydinjätettä, jonka käsittely on ongelmallista. Jätettä säilötään kallioperään, mikä lyhyellä aikavälillä on turvallista, mutta pidemmällä aikavälillä voi kuitenkin ilmetä ongelmia, jos ydinjätettä ei ole säilötty riittävän turvallisesti. Ydinjäte täytyy siis sijoittaa alueelle, jotka eivät ole herkkiä maanjäristyksille ja muille kallioperän muutoksille. Näin taataan se, että tilanne on satojentuhansien vuosien ajan sama. Tällöin ydinjäte on hajonnut lähes vaarattomaksi.

Lääketieteellisiin tutkimuksiin on jo vuosikymmeniä käytetty radioaktiivisia seuranta-aineita. Hetkellisesti tutkittava henkilö voi saada suurehkon annoksen säteilyä, mutta leikkaamatta potilasta voidaan nähdä radioaktiivisen aineen eteneminen ihmisen kehossa ihmisen päältä. Erilaisten verenkiertohäiriöiden tai tukosten paikallistaminen on mahdollista.

Sädehoitoa on käytetty syöpähoitoihin tuhoamaan syöpäsoluja tiettyjen syöpäkasvainten hoidossa. Ongelmana on ollut se, että samalla voi tuhoutua myös tervettä kudosta ja esimerkiksi aivokasvainten hoidosta voi seurata esimerkiksi näkökentän kaventumista tai muita toiminnallisia häiriöitä loppuiäksi. Hieman pienempänä seurauksena voi olla hiusten lähtö ainakin tilapäisesti, mutta joskus myös pysyvästi. 

Rakennusten putkistojen tukosten selvittämiseen on käytetty myös radioaktiivisia seuranta-aineita. Tutkimus voidaan tehdä maan päältä ilman, että putket täytyy kaivaa esiin. Kun tukos paljastuu, avataan vain tarvittava kohta korjaustöitä varten.

Paperiteollisuudessa käytetään radioaktiivisia aineita paperin paksuuden säätelyyn. Paperista mitatun säteilymäärän perusteella voidaan määrittää tuotetun paperin paksuus. Samaa menetelmää käytetään muussakin teollisuudessa.

Fossiilien iän määrityksessä voidaan käyttää niin sanottua radiohiiliajoitusta. Elävään organismiin siirtyy elämisen aikana tasaisesti eri hiilen isotooppeja, myös radioisotooppia hiili-14. Kun organismi kuolee, uutta radio-isotooppia ei lisäänny ja aiemmin kertynyt hiili-14 isotooppien lukumäärä vähenee puoleen n 5730 vuodessa. Jos radioisotoopin määrä on vähentynyt esimerkiksi neljäsosaan elävän organismin määrästä, pystytään päättelemään, että fossiili on n. 11400 vuotta vanha.


Radioisotooppeja käytetään myös palovaroittimissa. Palovaroittimen ilmaisinkammiossa Amerikium-241 isotoopin aiheuttama alfasäteily tekee pienen ilmaraon sähköä johtavaksi. Valmistaja virittää laitteen normaalitilassa siten, että hälytystä ei tule. Kun ilmaisinkammioon tulee savukaasuja tai savun sisältämiä hiukkasia, ne häiritsevät kammiossa kulkevaa pientä sähkövirtaa. Tällöin laitteen elektroniikka havaitsee muutoksen ja kytkee hälytysäänen päälle.

Radioaktiivisen säteilyn uhkat

Terrorismin uhka

Ydinpolttoaineesta voidaan valmistaa ydinaseita. Jos ydinpolttoainetta pääsee vääriin käsiin, voivat esimerkiksi terroristijärjestöt yrittää valmistaa siitä aseita. Tällöin seuraukset olisivat vakavat.

Ydinvoimalaonnettomuudet

Huolimaton valvonta, luonnonkatastrofit tai korjaustöiden laiminlyönti ovat aiheuttaneet joitakin vakavia ydinonnettomuuksia. Viimeisin vakava ydinreaktorionnettomuus tapahtui Japanissa tsunamin seurauksena vuonna 2011.

Syöpäriski

Jos säteilyannos ylittää tietyn rajan, voi ionisoiva säteily aiheuttaa erilaisia syöpäsairauksia.  Tähän voi vaikuttaa asuinpaikka tai työ, jossa altistuu runsaalle säteilylle, esimerkiksi röntgenhoitaja tai röntgenlääkäri.

Maaperän radonkaasu

Ihmiset saavat ionisoivaa säteilyä avaruudesta(kosminen säteily), maaperästä, oman elimistönsä radioaktiivisista aineista ja hengittämästään ilmasta. Ihmisen vanhenemista pidetään osittain ionisoivan taustasäteilyn aiheuttamana. Maaperän uraani hajoaa ensin radiumiksi ja sen jälkeen radium hajoaa radoniksi. Radon on hajuton ja näkymätön kaasu, joka voi osittain kulkeutua maasta huoneilmaan betoniharkkojen läpi, putkien ja sähköjohtojen läpivientiaukoista, korvausilman mukana sekä veden mukana. Radon hajoaa alfahajoamisen kautta poloniumiksi, joka edelleen hajoaa lyijyksi ja vismutiksi. Lyijy ja vismutti voivat hajotessaan lähettää beeta- ja gammasäteilyä, joka puolestaan voi aiheuttaa keuhkosyöpää. 

Radioaktiiviselta säteilyltä suojautuminen

Alfahiukkaset eli He-ytimet ovat kooltaan suurimpia, joten niiden kantamakin on lyhyin. Alfahiukkaset pysähtyvät jo paperiin, eivätkä läpäise siis esimerkiksi ihoa. Jos alfahiukkasia joutuu elimistöön esimerkiksi suun tai hengitysteiden kautta, ne saavat tuhoa aikaiseksi voimakkaan ionisaatiokykynsä vuoksi.

Beetahiukkaset eli elektronit tai positronit ovat alfahiukkasiin nähden suuruusluokaltaan niin pieniä, että niiden pysäyttämiseen tarvitaan noin millimetrin paksuinen alumiinilevy.

Gammasäteilyn sähkömagneettinen aalto vaatii suojaksi paksun betoniseinän.

Tutustu säteilyn vaimenemiseen interaktiivisen työkalun avulla.

Jos radioaktiivinen laskeuma uhkaa asuinaluetta, ensimmäiseksi pitää mennä sisätiloihin ja sulkea ovet, ikkunat ja ilmanvaihto. Myös väestönsuojaa voidaan hyödyntää, jos sellainen on saatavilla. Tarvittaessa väestöä varoitetaan ja suojautumisohjeet annetaan yleisellä hälytysmerkillä. Viranomaisten tiedotteita seurataan radion ja television avulla. Nykyään myös internetistä voi saada toimintaohjeita nopeasti. Tiedotteissa annettuja ohjeita on noudatettava tarkasti. Ydinvoimalaonnettomuuksissa vapautuu ilmakehään jodin radioaktiivisia isotooppeja, jotka kulkeutuvat kilpirauhaseen. Joditabletin avulla kilpirauhasen jodivarastot voidaan täyttää ja radioaktiivinen jodi ei pääse varastoitumaan elimistöön. Näin ehkäistään kilpirauhassyövän syntymistä. Toinen radioisotooppi, cesium, voi elimistöön päästessään korvata luuston kalsiumia. Tämän vuoksi on esimerkiksi vältettävä saastuneelta alueelta peräisin olevan maidon nauttimista.


Avainsanat

Massaluku = protonien ja neutronien yhteismäärä atomiytimessä

Isotooppi = Saman alkuaineen eri massaisia atomeja kutsutaan toistensa isotoopeiksi. Saman alkuaineen atomeilla on sama protonien lukumäärä, mutta neutronien lukumäärä vaihtelee.

Radioisotooppi = itsestään hajoava isotooppi, jonka yhteydessä vapautuu radioaktiivista säteilyä.

Radioaktiivinen säteily = Alfasäteily, beetasäteily ja gammasäteily.

Alfasäteily = positiivisia heliumytimiä, ionisoivaa säteilyä, pysähtyy esim. paperiin

Beetasäteily = beetaplus- tai beetamiinus-säteilyä. Beetamiinussäteily on elektroneja ja beetaplussäteily positroneja. Beetasäteily on läpitunkevampaa kuin alfasäteily ja ionisoi voimakkaasti.

Gammasäteily = ionisoivaa lyhytaaltoista sähkömagneettista säteilyä, joka on peräisin atomiydinten viritystilojen purkautumisesta radioaktiivisessa hajoamisessa.

Fissio = ydinreaktio, jossa raskas isotooppiydin hajoaa kevyemmiksi isotoopeiksi.

Fuusio = ydinreaktio, jossa kevyet isotooppiytimet yhdistyvät suuremmiksi ytimiksi.