Ionisoiva säteily ja siltä suojautuminen

Kun säteilyllä on riittävästi energiaa, se kykenee irrottamaan atomeista elektroneja tai rikkomaan aineen molekyylejä. Tällaista säteilyä kutsutaan ionisoivaksi säteilyksi. Ionisoiva säteily on vaarallista eliöille, koska ionisaatio muuttaa aineiden kemiallisia ominaisuuksia ja voi aiheuttaa häiriöitä solujen toiminnassa. Altistuminen suurelle määrälle ionisoivaa säteilyä voi tappaa eliön. Ionisoivaa säteilyä voi syntyä monin eri tavoin, esimerkiksi radioaktiivisten ydinten hajotessa.

Sähkömagneettinen säteily absorboituu fotoneina, joiden energia on sitä suurempi, mitä lyhyempi on säteilyn aallonpituus. Sähkömagneettisen säteilyn lajeista röntgen- ja gammasäteily ovat ionisoivaa säteilyä. UV-säteily on jossain määrin ionisoivaa, sillä sen ionisointikyky riippuu sen tarkasta aallonpituudesta sekä aineesta, johon se kohdistuu.

Hiukkassäteilyn osalta mikä tahansa riittävän suurienerginen hiukkassäteily on ionisoivaa. Vaarallisuus ei liity hiukkaseen sinänsä, vaan sen suureen liike-energiaan, jolla se pystyy aiheuttamaan muutoksia aineen rakenteessa. Tyypillisimmät tapaukset ovat alfa- (heliumatomin ydin), beeta- (elektroni tai positroni) ja neutronisäteily. Näitä hiukkassäteilyn lajeja syntyy myös radioaktiivisen hajoamisen yhteydessä, mutta on syytä huomata, ettei mikään säteily sellaisenaan ole radioaktiivista. Radioaktiivisuus on ydinten ominaisuus ja myös muista lähteistä voi syntyä samanlaista säteilyä kuin radioaktiivisista ytimistä.

Tavanomainen ionisoiva säteily ei ole aistein havaittavissa. Tämän vuoksi säteilyolosuhteita tarkkaillaan, ja säteilyn hyötykäyttöä säädellään viranomaisten toimesta. Jos säteilyn lähde tunnetaan, ASE-muistisäännön mukaiset tekijät ovat olennaisia säteilyltä suojauduttaessa:

Aika säteilyn vaikutuksessa
Suojien käyttö
Etäisyys säteilyn lähteeseen.

Säteilyn haittavaikutukset perustuvat sen siirtämään energiaan. Pidemmässä ajassa energiaa siirtyy enemmän, joten säteilylähteen läheisyydessä vietetty aika tulee minimoida. Kaikki säteily vaimenee väliaineessa, joten suojien käyttö pienentää henkilöön kohdistuvan säteilyn määrää. Kaikkein läpäisykykyisimmiltä säteilyn lajeilta suojautuminen edellyttää tiheää ainetta, kuten lyijystä valmistettuja suojia. Vaikkei varsinaisia suojia olisi käytettävissä, säteily leviää ympäristöön niin, että sen määrä vähenee etäisyyden kasvaessa. Siksi myös etäisyys lähteeseen vähentää säteilyn haittavaikutuksia.

Säteilyn vaimeneminen

Varatuista hiukkasista koostuva hiukkassäteily vuorovaikuttaa herkästi aineen kanssa. Hiukkassäteily luovuttaa energiansa ympäristön atomeille tai molekyyleille eikä läpäise suurta määrää ainetta. Alfahiukkasten läpitunkevuus on erityisen heikko, sillä ne ovat suhteellisen suurikokoisia koostuen kahdesta protonista ja kahdesta neutronista. Alfasäteily etenee ilmassa vain muutaman sentin ja pysähtyy kokonaan esim. paperiin tai ihoon. Näin ollen kehon ulkopuolinen alfasäteily voi aiheuttaa ihmiselle pahimmillaankin vain ihovaurioita. Erityisen vaarallista siitä tulee vasta, jos alfa-aktiivista ainetta joutuu elimistöön esimerkiksi hengitysilman mukana. Tällöin kehossa syntyvä alfasäteily voi vaurioittaa herkkiä kudoksia.

Beetasäteily koostuu elektroneista tai positroneista, jotka ovat alfahiukkasia pienempiä massaltaan ja sähkövaraukseltaan. Beetasäteily onkin läpitunkevampaa kuin alfasäteily. Beetahiukkaset pystyvät tunkeutumaan ihon tai paperin läpi, mutta pysähtyvät esimerkiksi ohueen metallilevyyn. Beetasäteilyä lähettävät aineet ovat ihmiselle vaarallisia iholle tai kehon sisään joutuessaan.

Radioaktiivisten ydinten lähettämä gammasäteily on hyvin vaarallista. Gammasäteily pystyy kulkemaan pitkiä matkoja väliaineessa vuorovaikuttamatta, koska se ei tunne Coulombin lain mukaista sähköistä voimaa. Gammasäteily kuitenkin vuorovaikuttaa aineen kanssa. Mahdolliset vuorovaikutustavat ovat valosähköinen ilmiö, Comptonin sironta tai parinmuodostus. Parinmuodostuksessa gammakvantista muodostuu hiukkanen ja antihiukkanen, tyypillisesti elektroni-positronipari.

Gammasäteily on huomattavasti läpitunkevampaa kuin hiukkassäteily. Gammasäteilyn pysäyttämiseen vaaditaan sen tarkasta aallonpituudesta riippuen suhteellisen paksu kerros betonia, lyijyä tai muuta tiheää ainetta. Alla olevassa kuvassa on esitelty eri säteilyn lajien kyky läpäistä väliainetta.

Gammasäteilyn absorptio tapahtuu tietyssä suhteessa väliaineen paksuuteen. Oheisella videolla havainnoidaan eri paksuisten lyijykerrosten läpi kulkevan säteilyn määrää. Säteilyn suhteellinen intensiteetti määritetään mittaamalla säteilyä anturilla 30 sekunnin jaksoissa, joiden välissä lyijyn määrää muutetaan.

Aineisto:
Taulukko: gammasateilyn_vaimeneminen.ods (LibreCalc)
Taulukko: gammasateilyn_vaimeneminen.cmbl (Logger Pro)
Taulukko: gammasäteilyn_vaimeneminen.cap (Capstone)
Taulukko: gammasateilyn_vaimeneminen.gambl (Graphical Analysis)

Säteilyn suhteellisen intensiteetin havaitaan vähenevän eksponentiaalisesti. Käytännössä tämä tarkoittaa, että yksi millimetri lyijyä heikentää säteilyn intensiteettiä aina yhtä monta prosenttia. Intensiteetin ja väliaineen paksuuden välisen riippuvuuden matemaattinen malli onkin hajoamislain kaltainen. Aineen absorptiokykyä kuvataan sen matkavaimenemiskertoimella [[$ \mu $]]. Videolla nähdyn mittauksen perusteella lyijylle [[$ \mu $]] = 0,94 1/mm. Matkavaimenemiskerroin riippuu paitsi aineesta, myös vaimennettavan gammasäteilyn energiasta.

Gammasäteilyn vaimeneminen

Gammasäteily vaimenee aineessa eksponentiaalisesti. Tietyn paksuisen aineen [[$x$]] läpi kulkeneen säteilyn alkuperäisestä intensiteetistä [[$I_0$]] on jäljellä [[$I$]], joka riippuu aineen matkavaimenemiskertoimesta [[$ \mu $]].

[[$ \qquad I(x) =I_0 e^{-\mu x} $]]

Säteilyn terveysvaikutukset ja säteilyannos

Ionisoiva säteily voi vahingoittaa eläviä soluja absorboituessaan niihin. Erityisesti säteily voi hajottaa solun DNA-molekyylejä, mistä voi seurata häiriöitä solun jakautumisessa ja jopa syöpäkasvain. Säteilylle altistumisen ja syöpäsairauden syy-seuraus-suhdetta on vaikea osoittaa yksilön tasolla, mutta tilastollisesti kaikki säteily lisää syövän riskiä. Muualle kuin DNA:han kohdistunut ionisoiva säteily voi myös aiheuttaa solujen tuhoutumista, paikallisia vammoja, säteilysairautta tai sikiövaurion.

Aineeseen absorboituneen säteilyn energia on periaatteessa mitattavissa oleva suure. Pelkkä energia ei kuitenkaan kuvaa säteilyn biologista vaikutusta oikein. Esimerkiksi hiukkassäteily on sähkömagneettista säteilyä haitallisempaa, vaikka niiden kokonaisenergia olisi sama. Eri hiukkaslajien vaikutukset eroavat myös toisistaan. Biologisen vaikutuksen kannalta on huomattava merkitys silläkin, mihin kehon osaan säteily kohdistuu. Esimerkiksi keuhkot ja sukuelimet vaurioituvat herkemmin kuin iho. Kun henkilöön absorboituneen säteilyn energia painotetaan yllä mainituilla tekijöillä, saadaan laskettua säteilyannos. Säteilyannos eli efektiivinen annos on suure, joka kuvaa säteilyn biologista haittavaikutusta ihmiselle. Sen yksikkö on sievert (Sv), joka on saanut nimensä ruotsalaiselta sairaalafyysikolta Rolf Sievertiltä (1896–1966).

Efektiivisen annoksen laskeminen (Wikipedia eng.) Rolf Sievert (Wikipedia sv.)

Säteilyannos

Säteilyannos eli efektiivinen annos ilmaisee säteilyn terveydellisen kokonaishaitan. Säteilyannos ei ole suoraan mitattavissa, vaan se arvioidaan absorboituneen säteilyn energian, laadun ja kohdistuksen alaisen kudoksen perusteella. Säteilyannoksen yksikkö on sievert (Sv).

Kaikkiin ihmisiin kohdistuu jatkuvasti ionisoivaa säteilyä monista lähteistä. Suomalaisen ihmisen keskimääräinen vuosittainen säteilyannos on 3,2 mSv. Noin puolet annoksesta aiheutuu sisäilman radonkaasusta. Radonia syntyy Suomen maaperässä suhteellisen paljon radiumin alfahajoamisen seurauksena, ja sitä kulkeutuu huoneilmaan. Radonytimien hajoaminen erityisesti keuhkoissa aiheuttaa säteilyhaittaa. Ravinnossa, maaperässä ja rakennusmateriaaleissa on muitakin radioaktiivisia aineita, jotka tuottavat ionisoivaa säteilyä.

Ionisoivaa säteilyä syntyy muutenkin kuin radioaktiivisten aineiden hajotessa. Kiihtyvässä liikkeessä oleva sähkövaraus lähettää aina sähkömagneettista säteilyä, jonka taajuus on sitä suurempi, mitä suurempi kiihtyvyys on. Riittävän voimakkaasti kiihtyvä sähkövarauksellinen hiukkanen lähettää siten ionisoivaa säteilyä. Esimerkki tästä on mustan aukon kertymäkiekko, joka synnyttää kosmista säteilyä. Myös ihminen hyödyntää tätä ilmiötä esimerkiksi tuottaessaan röntgensäteilyä röntgenlaitteissa. Lääketieteellisissä röntgen- ja isotooppitutkimuksissa potilaita altistetaan tietoisesti säteilylle, jos saatu hyöty katsotaan merkittävästi suuremmaksi kuin aiheutuva säteilyhaitta. Alla on esitelty suomalaisen keskimääräinen vuotuinen säteilyannos lähteineen.

Säteilyturvakeskus (STUK) valvoo säteily- ja ydinturvallisuutta Suomessa. Valvonnan kohteena ovat erityisesti ionisoivaa säteilyä hyötykäyttävät yritykset ja tahot. Säteilyvalvonta-alueella, kuten ydinvoimaloissa tai röntgenlaboratoriossa, työskentelevien henkilöiden säteilyannoksia mitataan henkilökohtaisilla dosimetreilla. Dosimetrit ovat nykyisin niin pieniä laitteita, että ne mahtuvat esimerkiksi rintataskuun.

Säteilyturvakeskus

Pysähdy pohtimaan

Esimerkkejä

Esimerkki 1

Etsi tietoa käsitteistä absorboitunut annos, ekvivalenttiannos ja efektiivinen annos. Arvioi suhteessa toisiinsa seuraavia tapoja altistua säteilylle, kun niissä absorboituva energia on yhtä suuri:

Radonin synnyttämä alfasäteily keuhkoissa
Ihoon kohdistuva ultraviolettisäteily.

Näytä ratkaisu

Esimerkki 2

Gammasäteilyn vaimenemiskerroin betonissa on 0,12 1/cm.

Kuinka suuri prosentuaalinen osa säteilyn intensiteetistä on jäljellä 2,0 cm betonikerroksen jälkeen?
Määritä puoliintumispaksuus eli betonin paksuus, joka saa säteilyn intensiteetin heikkenemään puoleen.