4.3 Säteilyn hyötykäyttö
Röntgensäteily
Katodisädeputki on 1890-luvun puolivälissä keksitty laite. Siinä saadaan elektroneja irtoamaan katodimetallista ja kiihtymään sähkökentässä kohti positiivista anodia. Wilhelm Röntgen oli saksalainen fyysikko, joka tutki katodisäteitä. Eräässä kokeessaan hän peitti katodisädeputkensa ja huomasi putken ulkopuolella olevan aineen hehkuvan fluoresenssi-ilmiön takia. Hehkuminen päättyi, kun katodisädeputki kytkettiin pois päältä. Röntgen oli löytänyt tuntemattoman säteilytyypin (X-rays). Suomeksi säteet tunnetaan röntgensäteilynä.
Röntgensäteilyn löytymisellä oli mullistava vaikutus. Jo löytöhetkellä havaittiin röntgensäteiden kyky läpäistä ihmiskehon osia. Röntgensäteilyn käyttö yleistyi hyvin nopeasti niin lääketieteessä kuin teollisuudessa. Röntgensäteet läpäisevät harvaa ainetta hyvin ja absorboituvat tiheään aineeseen. Röntgensäteilyn läpäisykyky perustuu sähkömagneettisen säteilyn vuorovaikutukseen aineen elektronien kanssa. Mitä tiheämpää aine on, tai mitä suurempi aineen järjestysluku on, sitä enemmän vuorovaikutukseen osallistuvia elektroneja on olemassa ja sitä enemmän röntgensäteily absorboituu aineeseen. Ihmiskehossa keuhkot ovat harvaa ainetta, jolloin röntgensäteily läpäisee ne hyvin. Säteily läpäisee myös pehmeitä kudoksia. Luu on tiheää, jolloin säteily absorboituu siihen. Yksi ensimmäisistä röntgenkuvista on otettu Wilhelm Röntgenin vaimon, Anna Bertha Ludwigin, kädestä.
Röntgenlaitteita oli 1900-luvun ensimmäisellä puoliskolla hyvinkin vapaassa käytössä. Esimerkiksi jalkineita ostava henkilö pystyi tarkistamaan röntgenlaitteella, kuinka hyvin jalat sopivat uusiin kenkiin. Myöhemmin on huomattu röntgensäteilyn aiheuttaman ionisaation haitat, ja röntgensäteilyn käytöstä on tullut kontrolloitua.
Lääketieteellisen kuvantamisen lisäksi röntgensäteily paljasti uutta tietoa aineen rakenteesta. Koska röntgensäteilyllä on lyhempi aallonpituus kuin näkyvällä valolla, röntgensäteitä voidaan käyttää molekyylitason yksityiskohtien erottamiseen. William Bragg ja hänen poikansa William Lawrence Bragg ohjasivat röntgensäteitä aineeseen. Tapahtui diffraktioilmiö ja muodostuneen diffraktiokuvion perusteella voitiin päätellä, millainen aineen kiderakenne on. Yksi kuuluisimmista röntgendiffraktioon perustuvista löydöistä on DNA:n rakenteen selvittäminen vuonna 1953.
Video: Röntgendiffraktion toimintaperiaate (La Physique Autrement)
Röntgensäteilyllä on nykyisin useita sovelluksia. Terveydenhuollon lisäksi sitä käytetään läpivalaisussa tai säiliöiden pinnan korkeuden mittaamisessa. Röntgensäteilyn avulla tutkitaan planeettoja ja saadaan selville, mitä materiaaleja niiden pinnalla on. Röntgentähtitiede kartoittaa maailmankaikkeuden suurienergisimpien kohteiden, kuten supernovien tai mustiin aukkoihin virtaavan aineen lähettämää säteilyä.
Röntgensäteilyn synty
Röntgensäteilyä tuotetaan lämmittämällä katodimateriaalia. Lämmitys tapahtuu sähkövirran avulla. Katodilta irtoaa elektroneja, joiden nopeus kasvaa sähkökentässä. Sähkökentän tekemä työ muuntuu levosta lähtevien elektronien liike-energiaksi.
[[$ \qquad\begin{align} W&=E_k \\ \, \\ qU&=E_k \end{align} $]]
Mitä suurempi jännite [[$U$]] on, sitä enemmän energiaa elektronit saavat. Jännitteet ovat tyypillisesti kymmeniä kilovoltteja aina sadan kilovoltin suuruusluokkaan saakka. Elektronit liikkuvat tyhjiöputkessa. Ne menettävät tyhjiöputkessa liikkuessaan energiaa mitättömän vähän. Elektronien liike pysähtyy, kun ne törmäävät anodimetalliin. Anodimetallina käytetään yleensä molybdeeniä tai volframia.
Video: Röntgenkuvauksen toimintaperiaate (Samun tiedekanava)
Elektronien ja anodimetallin vuorovaikutuksessa syntyy röntgensäteilyä. Nykyisissä röntgenputkissa anodimetalli on pyörimisliikkeessä, koska elektronien ja anodin vuorovaikutuksessa syntyy paljon lämpöä. Pyöriminen estää anodimetallin ylikuumenemisen ja tuhoutumisen. Ohessa on syntyvän röntgensäteilyn spektri.
Spektri koostuu kahdesta osasta, jatkuvan spektrin osasta sekä anodimetallikohtaisista intensiteettipiikeistä. Röntgensäteilyä syntyy siis kahdella eri tavalla. Kun elektronit osuvat anodimetalliin, metallin atomien ja elektronien välille syntyy sähköinen vuorovaikutus. Elektronien liike hidastuu, ja ne menettävät energiaansa. Energian menetys ilmenee syntyvänä säteilykvanttina. Säteilykvantin energian suuruus on tapauskohtainen, koska elektroni voi hidastua vuorovaikutuksessa eri tavoin. Fotonin energia on jotain maksimiarvon ja nollan välillä. Tällöin säteilykvantteja syntyy usealla eri aallonpituudella, ja muodostuu jatkuva spektri.
Spektrin aallonpituudella on alaraja. Tällöin elektroni on menettänyt kaiken liike-energiansa. Säteilykvantin energia on yhtä suuri kuin elektronin liike-energia.
[[$ \qquad \begin{align} E_k&=E_{\gamma} \\ \, \\ E_k&=\dfrac{hc}{\lambda} \end{align} $]]
Säteilykvantin lyhin aallonpituus kytkeytyy kiihdytysjännitteeseen. Sähkökentän tekemä työ muuntuu ensin elektronin liike-energiaksi, joka ääritapauksessa muuntuu kokonaisuudessaan säteilykvantin energiaksi.
[[$ \qquad \begin{align} W&=E_{\gamma} \\ \, \\ qU&=\dfrac{hc}{\lambda} \end{align} $]]
Röntgensäteilyn spektri muodostuu jatkuvasta osasta ja intensiteettipiikeistä. Jatkuva osa syntyy, kun elektronin liike hidastuu. Metalliin osuva elektroni voi vuorovaikuttaa myös elektroniverhon kanssa ja ionisoida atomin sen sisäkuorelta. Uloimmalta kuorelta siirtyy elektroni paikkaamaan sisäkuorelle syntynyttä aukkoa. Samalla vapautuu energiaa ulko- ja sisäkuoren välisen energiaeron verran. Vapautunut energia ilmenee säteilykvanttina. Koska energia voi olla vain tilojen välisen energiaeron suuruinen, säteilyä syntyy vain tietyillä aallonpituuksilla. Röntgensäteilyn spektrissä tämä havaitaan intensiteettipiikkeinä, joita kutsutaan ominaissäteilyksi. Ominaissäteilypiikkejä on hieman eri kohdissa spektriä, koska elektroni voi irrota sisimmän elektronikuoren lisäksi myös muilta elektronikuorilta.
Magneettikuvaus
Magneettikuvaus (MK / MRI, Magnetic Resonance Imaging) on yksi tärkeimmistä kuvausmenetelmistä nykylääketieteessä. Magneettikuvaus on terveydelle suotuisampi kuin röntgenkuvaus, koska magneettikuvauksessa ei altistuta ionisoivalle säteilylle. Magneettikuvaus perustuu vety-ydinten eli protonien lähettämiin radioaaltoihin, kun virittyneet protonit palaavat korkeammasta energiatilasta takaisin perustilaansa. Ihmisessä on paljon vettä ja täten myös vetyatomeja. Vety on heikosti magneettinen aine, eikä Maan oma magneettikenttä vaikuta vetyatomien suuntautumiseen. Sen sijaan kelojen avulla tuotetussa voimakkaassa Maan magneettikenttään nähden 100 000-kertaisessa magneettikentässä vety-ytimet järjestäytyvät magneettikentän määräämään suuntaan. Kun kehoon tuodaan sopivalla taajuudella radioaaltopulssi, vety-ytimet absorboivat pulssin energiaa ja siirtyvät korkeampaan energiatilaan. Kun pulssi päättyy, vety-ytimet palautuvat perustilaansa ja lähettävät radioaaltoja. Vety-ytimien lähettämät radioaallot voidaan mitata ja samalla muodostaa kuva tutkittavasta kohteesta. Kudokset erottuvat toistaan niiden erilaisten vetypitoisuuksien perusteella. Magneettikuvaus on tavallisimpia tilanteita, missä ihminen on ydinfysiikkaan liittyvän ilmiön kanssa tekemisissä.
Magneettikuvan aikaansaamiseksi hyödynnetään monia fysiikan ilmiöitä. Voimakas magneettikenttä syntyy suurien sähkövirtojen avulla. Tavallisesti sähköjohtimilla on resistanssia, joka rajoittaa sähkövirran suurenemista. Suurien sähkövirtojen tuottamiseksi tarvitaan suprajohtavaa ainetta, jossa resistanssi ei rajoita sähkövirtaa. Aine muuttuu suprajohteeksi riittävän alhaisessa lämpötilassa. Johtimet viilennetään nestemäisellä heliumilla neljän kelvinin lämpötilaan. Magneettikuvauksen kohde pitää eristää ympäristöstä tulevilta radiotaajuisilta signaaleilta, jotta protonien lähettämät heikot radioaallot voidaan mitata ja muodostaa kohteesta kuva. Eristäminen tehdään rakentamalla Faradayn häkki eli metallikehikko magneettikuvaushuoneen ympärille. Faradayn häkki estää muiden radioaaltojen tulon tutkimustilaan, jotta protonien lähettämän signaalin mittaus ei häiriinny. Tutkittavasta kohteesta ei muodostu kuvaa ilman Faradayn häkin kaltaista eristystä.
Magneettikuvaus on käyttökelpoinen tapa kuvata koko kehoa. Se sopii niin tuki- ja liikuntaelimistön kuin pään alueen tutkimukseen. Osa metalleista on ferromagneettista ainetta. Ferromagneettiset kappaleet kehossa ovat kuvauseste, koska ne vuorovaikuttavat voimakkaasti magneettikenttien kanssa. Kuvattavalla voi olla metalliproteesi, mutta sydämentahdistin saattaa olla kuvauseste. Ensimmäiset magneettikuvauslaitteet tulivat Suomeen 1980-luvulla. Nykyään laitteita on lukuisissa sairaaloissa ja niitä on kulkenut Suomessa rekan perävaunuissa jo vuodesta 1996 lähtien. Alla on magneettikuva ihmisen polvesta.
Muut säteilyä hyödyntävät menetelmät
Isotooppilääketiede ja positroniemissiotomografia
Isotooppilääketieteessä potilaalle annetaan merkkiainetta. Merkkiaine kulkeutuu kehossa aineenvaihdunnan mukana. Merkkiaine valitaan tutkimuskohteen mukaan. Merkkiaine on radioaktiivista, ja sen lähettämää säteilyä voidaan mitata. Positroniemissiotomografia (PET, Positron Emission Tomography) perustuu aineen lähettämään beetasäteilyyn. Tutkittavalle henkilölle annetaan merkkiainetta, joka on [[$ \beta^+ $]]-aktiivinen. Kun merkkiaineessa radioaktiivinen isotooppi hajoaa, se tuottaa positroneja. Positroni on elektronin antihiukkanen. Kun positroni kohtaa elektronin, niiden massat muuttuvat säteilyksi. Ilmiötä kutsutaan annihilaatioksi. Syntyvää säteilyä voidaan mitata ja muodostaa siitä kuva kameralla. PET-kuvausta käytetään syöpätutkimuksessa.
Säteilytys ja sädehoito
Ionisoiva säteily tuhoaa soluja. Se on terveydelle haitallista. Ionisoivaa säteilyä voidaan käyttää tuhoamaan myös pahanlaatuisia soluja. Sädehoidossa säteily kohdistetaan oikean osaan elimistöä ja sopivan suuruisena. Tällä tavoin säteilyllä on lopulta terveyttä edistävä vaikutus, vaikka myös terveet solut voivat altistua säteilylle.
Säteilyn käyttö lääketieteessä (STUK)
Ionisoivaa säteilyä voidaan käyttää sterilisoimaan välineitä tai tuhoamaan elintarvikkeista mikro-organismeja. Suomessa voi säteilyttää vain mausteita, mausteyrttejä tai maustekasveja. Pakkauksessa pitää olla merkintä, että kuluttaja tietää elintarvikkeen olevan säteilytetty. Suomessa on hyvät varastointi- ja pakkauskäytänteet, eikä säteilytystä tarvita laadun ylläpitämiseksi.
Elintarvikkeiden säteilytys (Ruokavirasto)
Palovaroitin
Palovaroittimessa hyödynnetään radioaktiivisuutta. Palovaroittimen ilmaisukammiossa on radioaktiivista isotooppia, esimerkiksi amerikum-241-isotooppia. Isotooppi on alfa-aktiivinen. Radioaktiivisessa hajoamisessa syntyvät alfahiukkaset ionisoivat ilmaa, mikä saa ilman johtamaan sähköä. Kun ilmaisinkammioon tulee savua, alfahiukkaset pysähtyvät savuhiukkasiin, eikä sähkövirta enää kulje. Palovaroitin hälyttää, kun sähkövirran kulku loppuu.
Radiohiiliajoitus
Radiohiiliajoitus on menetelmä, jonka avulla selvitetään elävän organismin kuolinajankohta. Se sopii iänmääritysmenetelmäksi niin kasveille kuin eläimillekin.
Radiohiili on hiilen isotooppi, jossa on 8 neutronia ([[$ ^{14}_{6}\textrm{C} $]]). Radiohiili syntyy ilmakehässä kosmisten säteiden osuessa ilmakehässä typpi-14-atomeihin. Kosmiset säteet ovat suurienergisiä hiukkasia, joiden alkuperä on Auringossa tai avaruuden korkeaenergisissä tapahtumissa, kuten supernovaräjähdyksissä. Kosmisten säteiden riittävän suuri energia muuttaa yhden typpi-14-atomin protonin neutroniksi, jolloin atomista tulee hiili-14-atomi, radiohiili.
Hiiliatomit ovat ilmakehässä hiilidioksidimolekyyleinä. Osa hiilidioksidimolekyyleistä on muodostunut hiili-14-atomeista yleisempien hiili-12-atomien sijaan. Yhteyttämisen johdosta hiilidioksidia kertyy ilmakehästä kasveihin. Eläimet ja ihmiset syövät, joten radiohiiltä kertyy ravinnon mukana niiden elimistöön. Elävällä oliolla tai kasvilla radiohiilen osuus pysyy aineenvaihdunnan myötä muuttumattomana. Kun eliö tai kasvi kuolee, uusia radiohiiliatomeja ei enää siirry eliön jäänteisiin.
Radiohiili ei ole pysyvä isotooppi. Sen määrä pienentyy hajoamislain mukaisesti. Radiohiili hajoaa beetahajoamisen kautta takaisin typpi-14-atomiksi.
[[$ \qquad ^{14}_{6}\textrm{C }\rightarrow \textrm{ } ^{14}_{7}\textrm{N}+{_-}_{1}^{0}\textrm{e}+\overline{\nu} $]]
Hiili-14-isotoopin puoliintumisaika on 5 730 vuotta. Vertaamalla kuolleen orgaanisen näytteen aktiivisuutta vastaavanlaisen elävän näytteen aktiivisuuteen saadaan selvitettyä, kuinka kauan aikaa on kulunut elävän organismin kuolemasta.
Hajoamislain kautta voidaan arvioida karkeasti näytteen ikä.
[[$ \quad N(t)=N_0e^{-\lambda t} $]]
Edellä esitetyssä tavassa tehdään oletus, että radiohiilen määrä ei ole muuttunut ilmakehässä vuosien saatossa. Todellisuudessa radiohiilen määrä on vaihdellut, mikä on huomioitava todellista ikää laskettaessa. Radiohiili sopii iänmäärittämiseen aina 60 000 vuoteen saakka. Tämän jälkeen hajoamisten lukumäärät ovat niin pieniä, että tulokset eivät ole luotettavia. Jos halutaan määrittää ikää yli 60 000 vuoden takaa, iänmääritykseen on käytettävä muita isotooppeja tai menetelmiä.
Pysähdy pohtimaan
Esimerkkejä
Esimerkki 1
Röntgenputkessa käytetään 34 kV:n jännitettä. Mitä aallonpituuksia röntgenputkessa voidaan tuottaa?
Esimerkki 2
Radiohiiltä ([[$ ^{14}_{6}\textrm{C} $]]) on ilmakehässä yksi atomi 1012 hiili-12-atomia kohden. Puunäytteen iäksi arvioidaan 2 700 vuotta. Kuinka monta hiili-12-atomia on yhtä radiohiiliatomia kohden?