Säteilyn lajit ja säteilyltä suojautuminen

Sähkömagneettinen säteily

Aiemmin olemme oppineet, että valo on sähkömagneettista säteilyä, lyhenne SM-säteily, joka etenee suoraviivaisesti ja hyvin nopeasti, noin 300 000 kilometriä sekunnissa. Valoa lyhyemmistä aallonpituuksista syntyneet sähkömagneettisen säteilyn lajit ovat UV- eli ultravioletti- ja röntgen- ja gammasäteily. Valoa pitempiä aallonpituusalueita ovat infrapuna- eli lämpösäteily sekä mikro- ja radioaallot.

Kuva: Sähkömagneettisen säteilyn lajit ja näkyvän valon aallonpituus.

SM-säteilyä

Sähkömagneettisen säteilyn synty

Gammasäteily

Gammasäteilyä syntyy atomin ytimessä esimerkiksi ydinfuusion yhteydessä. Syntyneen säteilyn aallonpituus on erittäin lyhyttä, erittäin energistä ja siksi hyvin läpitunkevaa. Läpitunkevuutensa takia sitä käytetään läpivalaisuun ja sädehoidoissa. Auringosta tuleva gammasäteily absorboituu eli imeytyy täydellisesti ilmakehän ylimpiin kerroksiin.

Röntgensäteily

Säteily syntyy, kun lähellä atomin ydintä oleva elektroni on ensin virittynyt ja palatessaan alkuperäiselle kuorelleen vapauttaa siihen situotuneen energiansa röntgensäteilynä. Säteily on melkoläpitunkevaa, joten sitä käytetään läpivalaisuun etenkin lääketieteellisissä sovellutuksissa ja koneen osia tutkittaessa. Auringossa syntynyt röntgensäteily absorboituu täysin ilmakehään.

Ultraviolettisäteily

UV-säteily syntyy kuten röntgensäteily, mutta atomin virittynyt elektroni sisjaitsee uloimmilla kuorilla. Säteilyn energia valottaa filmin ja synnyttää loistevalon. UV-säteet, joiden aallonpituus on alle 0.3 µm, absorboituvat täysin ilmakehään, muilla aallonpituuksilla sironta on voimakasta.

Mustavalolamppu on loisteputki, joka lähettää suuriaallonpituisinta UVA-säteilyä sekä vähän violettia valoa. Usein mustavalolampun lasi on violetti, jolloin mahdollinen näkyvä violetti valo saadaan häivytettyä. Hieman tätä lyhytaallonpituisempaa UVA-säteilyä lähettäviä mustavalolamppuja käytetään solariumissa. Valaisimissa ultraviolettisäteilyä hyödynnetään laajalti.

Loisteputkivalaisimet tuottavat ultraviolettisäteilyä alipaineistetun elohopeakaasun avulla. Suurienerginen UVC-säteily on tehokas keino bakteerien tappamiseen. Alun perin ultraviolettisäteilyä alettiin käyttää jäteveden puhdistamiseen, mutta nykyisin yleisempi käyttökohde on juomaveden puhdistus. Myös uima-altaissa käytetään ultraviolettisäteilyyn perustuvia desinfiointilaitteita, jotka vähentävät kemikaalien tarvetta. Ultraviolettilampuilla desinfioidaan myös leikkaussaleja. Ultraviolettisäteilyn positiivinen vaikutus on D-vitamiinin tuotannon kiihottaminen. D-vitamiinin puutos aiheuttaa luunpehmenemistautia ja luukatoa. Ultraviolettisäteilyllä hoidetaan psoriasis-nimistä ihotautia, jonka hoitoon käytetään UVA- ja UVB-säteilyalueita.

Näkyvä valo

Myös näkyvän valon aallonpituudet syntyvät atomin uloimmilla elektronikuorilla. Näkyvä valo on jonkin verran UV-säteilyä pitempiaaltoista. Säteily valottaa filmin ja se muodostaa näkyvän valaistuksen. Näkyvä valo on tallennettavissa valokuvauksella ja valoherkillä ilmaisemilla, kuten keilaimilla ja radiometreillä. Maanpinnan heijastushuippu on noin 0.5 µm.

Infrapuna– eli lämpösäteily

Infrapunasäteilyä syntyy aineen rakenneosien atomien ja molekyylien värähdellessä ja pyöriessä. Me havaitsemme infrapunasäteilyn lämpönä. Vain tietyt infrapunasäteilyn aallonpituudet läpäisevät ilmakehän. Auringosta maan ilmakehään saapuvasta lyhytaaltoisesta säteilystä yli puolet on infrapunasäteilyä, noin 53 %, ultraviolettisäteilyä on 8% ja näkyvän valon osuus on 39 %. Infrapunasäteilyä rekisteröiviä laitteita käytetään hyväksi lämpökameroissa, joilla voidaan etsiä kadonneita ihmisiä ja syöpätutkimuksessa, koska syöpäkasvaimet ovat lämpimämpiä kuin muu kudos.

Mikro– ja radioaaltosäteily

Säteily syntyy antennissa värähtelyjen kautta. Mikro– ja radioaallot läpäisevät ilmakehän lisäksi pilvet ja sumun. Niillä voidaan mitata muutakin kuin kohteen pinnan ominaisuuksia hyvän tunkeutumisensa avulla. Kartoitusinstrumentteina käytetään sekä aktiivisia tutkia että passiivisia radiometrejä. Radioaaltojen välityksellä voidaan välittää esimerkiksi radio- ja tv-lähetyksiä ja käyttää matkapuhelinta.

UV-valon käyttö

Mustavalolamppu on loisteputki, joka lähettää suuriaallonpituisinta UVA-säteilyä sekä vähän violettia valoa. Usein mustavalolampun lasi on violetti, jolloin mahdollinen näkyvä violetti valo saadaan häivytettyä. Hieman tätä lyhytaallonpituisempaa UVA-säteilyä lähettäviä mustavalolamppuja käytetään solariumissa. Valaisimissa ultraviolettisäteilyä hyödynnetään laajalti.

Loisteputkivalaisimet tuottavat ultraviolettisäteilyä alipaineistetun elohopeakaasun avulla. Suurienerginen UVC-säteily on tehokas keino bakteerien tappamiseen. Alun perin ultraviolettisäteilyä alettiin käyttää jäteveden puhdistamiseen, mutta nykyisin yleisempi käyttökohde on juomaveden puhdistus. Myös uima-altaissa käytetään ultraviolettisäteilyyn perustuvia desinfiointilaitteita, jotka vähentävät kemikaalien tarvetta. Ultraviolettilampuilla desinfioidaan myös leikkaussaleja. Ultraviolettisäteilyn positiivinen vaikutus on D-vitamiinin tuotannon kiihottaminen. D-vitamiinin puutos aiheuttaa luunpehmenemistautia ja luukatoa. Ultraviolettisäteilyllä hoidetaan psoriasis-nimistä ihotautia, jonka hoitoon käytetään UVA- ja UVB-säteilyalueita.

Infrapunasäteily kertoo pinnan lämpötilan

Kappaleen lämpötila voidaan määrittää infrapunalämpömittarilla koskettamatta siihen. Mittauksessa käytetään hyväksi kohteen pintasäteilyä. Mittauslaite ei siis itse lähetä säteitä, jotka heijastuisivat takaisin pinnasta, vaan se ottaa vastaan kappaleesta luonnostaan vapautuvaa lämpösäteilyä. Tätä sähkömagneettista säteilyä lähettävät kaikki kappaleet, joiden lämpötila on absoluuttista nollapistettä eli —273,15 celsius-astetta korkeampi.

Slovenialais-itävaltalainen fyysikko Jo ef Stefan havaitsi 1879, että kappaleen lähettämän sähkömagneettisen säteilyn määrä riippuu sen lämpötilasta. Hän totesi, että mustan kappaleen säteilyn kokonaisteho on verrannollinen lämpötilan neljänteen potenssiin. Stefanin oppilas Ludwig Boltzmann johti saman tuloksen teoreettisesti 1884. Tätä niin sanottua Stefanin–Boltzmannin lakia sovelletaan infrapunalämpömittareiden tietokoneohjelmissa, jotka muuntavat vastaanotettua lämpösäteilyä koskevat tiedot näytöllä näkyviksi lämpöasteiksi.

Menetelmällä on joitakin etuja perinteiseen mittaustapaan verrattuna. Sillä voidaan muun muassa helposti määrittää liikkuvien kappaleiden lämpötila ja välttää kosketuksen välityksellä tarttuvien taudinaiheuttajien leviäminen. Hygieenisyytensä ansiosta infrapunalämpömittarit sopivat hyvin terveydenhuollon ja elintarviketeollisuuden käyttöön. Mittaus tosin antaa vain pintalämpötilan.

Lähde: Tieteen Kuvalehti, 11/2007

Infrapunasäteilyn haitat

Infrapunasäteilyn haitoista kerrotaan Säteilyturvakeskuksen julkaisemassa ”Säteilyturvallisuus ja laatu röntgenteknologiassa” -asiakirjassa, joka löytyy netistä pdf-muotoisena osoitteesta: http://www.stuk.fi/julkaisut/stuk-a/a184.pdf.

Erityisesti ks. asiakirjan s. 12. Tässä julkaisuissa todetaan infrapunasäteilyn haittavaikutusten rajoittuvan silmiin.

Ydinsäteily

1800-luvun lopulla tehtiin havainto, että tietyt aineet lähettävät tuntematonta säteilyä. Ilmiö havaittiin ensimmäiseksi siten, että kyseinen säteily synnytti valokuvausfilmiin vastaavanlaisia vaikutuksia kuin valo. Säteily pystyi läpäisemään myös valotiiviin rasian. Tälläisia aineita alettiin kutsua radioaktiivisiksi aineiksi ja itse ilmiötä radioaktiivisuudeksi.

Radioaktiivisten aineiden ytimet lähettävät siis säteilyä, jota kutsutaan myös ydinsäteilyksi. Ydinsäteilyä on kolmenlaista: alfa-, beta- ja gammasäteilyä. Alfa hiukkaset ovat helium-4-isotoopin ytimiä, muodostuen siis kahdesta protonista ja kahdesta neutronista. Alfahiukkaset ovat säteilyksi melko suuria ja siksi niiltä onkin melko helppo suojautua, alfasäteily imeytyy jo paperiin. Myös beeta-säteily on hiukkassäteilyä. Beeta-säteily syntyy, kun ytimestä karkaa elektroneja. Tutkijoille havainto, että ytimestä irtoaa elektroneja oli "kriisin" paikka, sillä ydin ei sisällä elektroneja. Beeta-hiukkaset läpäisevät papaeri, mutta eivät esim. ihoa.

Läpitunkevinta ydinsäteilyä on gamma-säteily. Se ei ole hiukkaassäteilyä, vaan sähkömagneettistä ja erittäin paljon energiaa sisältävää lyhytaaltoista sätelyä. Se läåäisee helposti paperin, ihmisen, muovin ja tavalliset metallit. Gamma-säteily pysähtyy lyijyy, jos sitä on riittävän paksu kerros.

Kuva: Ydinsäteilyn kyky läpäistä erilaisia aineita.

sateilyn_lapaisevyys.png

Tiedätkö miten radioaktiiviset aineet vaikuttavat ihmiseen?

Radioaktiivisten aineiden vaarallisuus riippuu niiden puoliintumisajasta. Puoliintumisajan kuluessa alkuperäisestä radioaktiivisuudesta on jäljellä puolet. Puoliintumisaika on jokaiselle radioaktiiviselle aineelle ominainen vakio. Se voi vaihdella sekunnin murto-osista satoihin miljooniin vuosiin.

Hyvin rajusti säteilevät aineet saattavat hajota vaarattomiksi nopeasti ja aiheuttavat säteilytuhoa vain välittömästi onnettomuuspaikalla. Hitaasti hajoavat aineet taas ovat vaarallisia vain, jos niitä on ympäristössä todella paljon ja niille altistutaan pitkään.

Ihmiselle vaarallisimpia ovat aineet, joilla on keskipitkä puoliintumisaika ja jotka kerääntyvät elimistöön. Näitä aineita ovat jodi ja cesium. Jodi kerääntyy kilpirauhaseen, cesium muistuttaa kemiallisesti kalsiumia ja voi korvata sen luustossa.

Radioaktiivisten aineiden uskotaan aiheuttavan syöpää, sikiövaurioita ja muutoksia perimässä. Vaikutus on selvä suurilla säteilymäärillä. Pienten säteilymäärien ei ole havaittu aiheuttavan sikiövaurioita. Syöpien lisääntymistä on vaikea todentaa, koska syöpä on muutenkin niin yleinen tauti.

Säteilyllä monenlaisia vaikutuksia

Aikuisessa ihmisessä on noin 60 biljoonaa (60 000 000 000 000) solua. Jokaisessa solussa syntyy joka päivä useita dna-vaurioita. Vaurioita synnyttävät muun muassa avaruuden ja maaperän luonnollinen säteily sekä monet kemikaalit.

Säteilyn vaurioittama solu voi kuolla, sen perimä voi vaurioitua, se voi muuttua syöpäsolun esiasteeksi tai se voi menettää lisääntymiskykynsä. Se voi myös korjata itsensä.

Solutyypistä riippuen 30-90 prosenttia yhden alfahiukkasen läpäisemistä solutumista kuolee. Säteily voi myös synnyttää haitallisia kemikaaleja kuten vetyperoksidia, jotka aiheuttavat soluissa tuhoa.

Sädehoidon yleisin ja tunnetuin käyttökohde on syöpätautien yhtenä hoitomuotona. On myös teorioita, joiden mukaan hyvin pienet säteilymäärät ovat ihmiselle jopa hyödyksi.

Jodin ja cesiumin puoliintumisajat ja leviäminen:

Aine

Puoliintumisaika

Leviäminen

Jodi-131

8 vuorokautta

Maito ja muut ruokatarvikkeet; jodi laskeutuu ilmasta laitumelle ja kulkeutuu lehmien maitoon

cesium-134

2 vuotta

Ravintoketjussa; puutarhatuotteet, marjat ja sienet ja kalat.

cesium-137

30 vuotta

Cesium-137 liukenee veteen ja se käyttäytyy elimistössä kaliumin tavoin. Elimistössä cesium leviää melko tasaisesti, lihaksiin kuitenkin enemmän kuin luustoon.

Lähde: Tekniikka ja talous (Muokattu ja virheet korjattu)

Sähkömagneettisen säteilyn aaltomalli

Sähkömagneettisen säteilyn aaltomalli kuvaa, miten sähköinen aalto kulkee sähköisen kentän ja magneettinen aalto magneettisen kentän suuntaisesti. Kentät ovat kohtisuorassa toisiaan vasten. Aallot etenevät kentissä valon nopeudella.


aaltomalli.png

Fissio ja fuusio

Fuusio on kahden pienen ytimen yhteenliittymistä. Esimerkiksi Auringon sisällä tapahtuvat reaktiot ovat tällaisia: kaksi vetyatomin ydintä yhdistyy yhdeksi heliumatomin ytimeksi.

Kuva: Malli fission ja fuusion tapahtumaketjusta.

fissio_fuusio.png

Ionisoiva ja ionisoimaton säteily

Ionisoivaksi säteilyksi sanotaan säteilyä, jonka energia riittää irrottamaan elektroneja eli ionisoimaan kohtaamansa aineen atomeja. Ionisoiva säteily on elävää kudosta tuhoavaa säteilyä. Ionisoimaton säteily on puolestaan eläville kudoksille vaaratonta säteilyä.

Ionisoivaa säteilyä ovat lyhytaaltoiset gamma-, röntgen– ja ultraviolettisäteily. Ultraviolettisäteily on gamma– ja röntgensäteilyä pitempiaaltoista, joten se iholle haitallista vasta suurina määrinä.

Kun aallonpituus kasvaa näkyvän valon aallonpituuteen ja sen yli, on säteily aina ionisoimatonta säteilyä.

Kuten edellisen sivun kuvasta havaitaan, tietty säteily edustaa tiettyä aallonpituusväliä, mistä johtuu, että UV-säteilyäkin kutsutaan aallonpituudesta riippuen, UV-A-, UV-B- tai UV-C-säteilyksi. Näistä UV-A-säteily on lyhytaaltoisinta ja siis haitallisinta.

ionisoiva_sateily.png

Ionisoivan säteilyn terveysvaikutukset

Välittömät seuraukset

Ionisoivan säteilyn vaarallisuus perustuu säteilyn energiaan, joka tuhoaa atomien välisiä kemiallisia sidoksia, ja näin muuttaa kemiallisia yhdisteitä toisiksi. Jos tällainen muutos tapahtuu elävässä solussa, seurauksena voi olla solun kuolema tai vaurioitunut solu saattaa muuttua syöpäsoluksi. Jos vaurioitunut solu on sukusolu, seurauksena voi olla syntyvälle lapselle pysyvä haitta. Sairaus saattaa periytyä jälkeläiselle ja edelleen hänen jälkeläisilleen.

Raja-arvoja?

Kuinka voimakas ionisoiva säteily on vaarallista? Periaatteessa heikonkin säteilyn yksi ainoa hiukkanen tai gammasäteilyn kvantti voi aiheuttaa vakavaan terveyshaittaan johtavan muutoksen osuessaan soluun. Tämä on onneksi äärimmäisen epätodennäköistä. Terveyshaittojen riski kasvaa keskimäärin säteilyannoksen kasvun suhteessa. Säteilyltä suojautumisessa pyritään pitämään säteilyaltistus niin pienenä kuin se järkevästi toimien on mahdollista.

Suomalaisten säteilyannokset

Suomalaiset saavat ionisoivaa säteilyä pääasiassa luonnon taustasäteilystä ja säteilyn lääketieteellisestä hyötykäytöstä. Tshernobyl-onnettomuuden laskeuma, ydinvoimalaitosten päästöt sekä ilmakehässä tehdyt ydinkokeet aiheuttavat pienen lisän keskimääräiseen säteilyannokseemme. Luonnon taustasäteily on peräisin pääasiassa avaruudesta, maaperästä syntyvästä radon-kaasusta, sekä rakennusmateriaalien sisältämistä radioaktiivisista aineista.

Täydellisesti ei siis säteilyaltistukselta voi välttyä kukaan. Tämä asia täytyy ottaa huomioon esim. ammatinvalinnassa, joutuessaa harkitsemaan, kannattaako asettua alttiiksi jollekin lisäsäteilyaltistukselle.

Säteilyturvakeskuksen pääsivu


Fysiikan opetukseen tarkoitetut säteilylähteet eivät ohjeiden mukaan käytettynä aiheuta terveysriskejä.

Säteilyturvakeskus: Ionisoivan säteilyn käyttö fysiikan ja kemian opetuksessa