5 RADIOAKTIIVISUUS

5.1 Radioaktiivisen aineen ydin lähettää säteilyä (1/8) Radioaktiivisessa hajoamisessa epästabiili ydin hajoaa spontaanisti. Radiaktiivisen aineen lähettämää säteilyä kutsutaan myös ydinsäteilyksi. Ydinsäteily on ionisoivaa, joten se aiheuttaa kemiallisia ja biologisia muutoksia elävissä kudoksissa. Radioaktiivinen ydin voi lähettää hajotessaan joko alfa- (α), beeta- (β- ja β+) tai gamma- (γ) säteilyä. Alfa-säteily koostuu positiivista alfa-hiukkasista. Beetamiinus-säteily koostuu elektroneista. Beetaplus-säteily koostuu positroneista, jotka ovat hyvin lyhytikäisiä. Gamma-säteily on suurienergiaista sähkömagneettista säteilyä.

5.1 Radioaktiivisen aineen ydin lähettää säteilyä (2/8) Hajoamisenergia Ytimen hajoamisessa vapautuva hajoamisen reaktioenergia eli hajoamisenergia on Q = (mX-ydin – mY-ydin – mZ)c2 Q = (mX-atomi – mY-atomi – mZ)c2, missä X on emoydin Y on tytärydin Z on ydinsäteilyhiukkanen.

5.1 Radioaktiivisen aineen ydin lähettää säteilyä (3/8) Alfahajoaminen Kun emoydin hajoaa, syntyy tytärydin ja alfa-hiukkanen. Alfahajoamisen hajoamisenergia Q = (mX-ydin – mY-ydin – mα)c2 = (mX-atomi – mY-atomi – mHe-atomi)c2. Laskuissa käytetään alkuaineiden X, Y ja He atomimassoja. Alfahajoamisen yhteydessä syntyy myös gammasäteilyä Alfahajoamisen seurauksena syntynyt tytärydin voi jäädä viritystilaan, jonka purkautuessa ydin lähettää gammakvantin.

5.1 Radioaktiivisen aineen ydin lähettää säteilyä (4/8) Beetamiinushajoaminen Kun neutroni hajoaa, syntyy protoni, elektroni ja antineutriino. Beetamiinushajoamisen hajoamisenergia Q = (mX-ydin – mY-ydin – me)c2 = (mX-atomi – mY-atomi)c2. Laskuissa käytetään alkuaineiden X ja Y atomimassoja. Reaktioyhtälön molemmilla puolilla on - sama massalukujen summa (Barioniluvun säilymislaki) - sama järjestyslukujen summa (Varauksen säilymislaki) - yhtä monta leptonia, esim. elektroni ja antineutriino kumoavat toisensa eli tällöin leptonien lukumäärä on nolla (Leptoniluvun säilymislaki) 1 n ® 1 p + e + ν 1 - 1

5.1 Radioaktiivisen aineen ydin lähettää säteilyä (5/8) Beetaplushajoaminen Kun protoni hajoaa, syntyy neutroni, positroni ja neutriino. Beetaplushajoamisen hajoamisenergia Q = (mX-ydin – mY-ydin – me)c2 = (mX-atomi – mY-atomi – 2me)c2. Laskuissa käytetään alkuaineiden X ja Y atomimassoja. HUOM! Lausekkeeseen jää kahden elektronin massa! Syntynyt positroni reagoi elektronin kanssa, jolloin hiukkaset muuttuvat gammasäteilykvanteiksi (annihilaatio).

5.1 Radioaktiivisen aineen ydin lähettää säteilyä (6/8) Elektronisieppaus (EC) Ydin sieppaa elektronin elektroniverhon sisimmiltä kuorilta. Elektronista ja protonista syntyy neutroni. Samalla syntyy neutriino ja gammasäteilyä. Elektronisieppauksen hajoamisenergia Q = (mX-ydin + me – mY-ydin)c2 = (mX-atomi – mY-atomi)c2. (vrt. β- -hajoamiseen) Lisäksi elektroniverhon viritystilan purkautuessa syntyy röntgensäteilyä.

5.1 Radioaktiivisen aineen ydin lähettää säteilyä (7/8) Gammasäteily Radioaktiivisen hajoamisen jälkeen ydin voi jäädä virittyneeseen tilaan. Kun ydin siirtyy virittyneestä tilasta alempaan tilaan, vapautuu gammakvantti. Gammasäteily vuorovaikuttaa aineen kanssa kolmella tavalla: Valosähköilmiö Comptonin ilmiö Parinmuodostus

5.1 Radioaktiivisen aineen ydin lähettää säteilyä (8/8) Spontaanissa fissiossa (sf) raskas ydin hajoaa itsestään ilman ulkoista syytä kahdeksi keskiraskaaksi ytimeksi. Luonnossa vain uraani-235 hajoaa spontaanisti. Pääosa luonnon radioaktiivisista aineista kuuluu jonkin pitkäikäisen radioaktiivisen aineen hajoamissarjaan, joita on kolme: uraanisarja toriumsarja aktiniumsarja. Uraanisarja

5.2 Hajoamislaki (1/2) Aktiivisuus (A) kuvaa radioaktiivisuuden voimakkuutta. Se ilmaisee, kuinka monta hajoamista tapahtuu radioaktiivisessa näytteessä. Aktiivisuuden yksikkö on becquerel (Bq). Hajoamislaki A = A0e-λt, N = N0e-λt missä λ on hajoamisvakio A0 on näytteen aktiivisuus alussa A on näytteen aktiivisuus ajan t kuluttua N0 on hajoavien ydinten lukumäärä alussa N on hajoavien ydinten lukumäärä ajan t kuluttua. Aktiivisuus voidaan esittää myös muodossa A = λN.

5.2 Hajoamislaki (2/2) Puoliintumisajan kuluessa puolet radioaktiivisen aineen ytimistä on hajonnut toisiksi ytimiksi. Samalla aktiivisuus on pienentynyt puoleen. Puoliintumisaika voidaan esittää hajoamisvakion avulla seuraavasti: T½ = .

14C-isotooppiin perustuva ajoitus Kun verrataan vanhan näytteen ja tuoreen näytteen 14C-aktiivisuuksia, voidaan määrittää näytteiden välinen ikäero.

5.3 Säteilyn mittaaminen ja säteilyturvallisuus (1/4) Säteilyilmaisimet Säteilyilmaisimissa havaitaan yksittäisten ionisoivien hiukkasten tai säteilyn aiheuttamia muutoksia. Geigerputkessa ionisoivat hiukkaset aiheuttavat täytekaasuun sähkövirtapulsseja. Filmidosimetrissa gamma- ja hiukkassäteily aiheuttaa filmiin mustumia, joiden määrä on verrannollinen filmiin absorboituneeseen säteilyannokseen. DIS-dosimetrissa säteily pienentää puolijohdekomponentin muistiin tallennettua sähkövarausta. Geigerputki

5.3 Säteilyn mittaaminen ja säteilyturvallisuus (2/4) Säteilyyn liittyvät suureet ja niiden yksiköt Absorboitunut annos (D) kuvaa säteilyn aineeseen luovuttamaa energiaa massayksikköä kohti D = . Absorboituneen annoksen yksikkö on gray (1 Gy = 1 J/kg). Laatukertoimia QT röntgen-, β--,β+-,γ-säteily 1 hitaat neutronit 3 nopeat neutrinit, protonit 10 α-säteily 20 Ekvivalenttiannos (H) kuvaa säteilyn aiheuttamia haittavaikutuksia tarkasteltavassa kudoksessa tai elimessä. H = QTD, missä QT on säteilylajista riippuva laatukerroin. Ekvivalenttiannoksen yksikkö on sievert (1 Sv = 1 J/kg)). Efektiivinen annos (E) on koko kehon saama säteilyannos. Jokaisen kudoksen saama ekvivalenttiannos kerrotaan kudoksen painotuskertoimella ja saadut arvot lasketaan yhteen. Efektiivisen annoksen yksikkö on sievert.

5.3 Säteilyn mittaaminen ja säteilyturvallisuus (3/4) Ulkoinen ja sisäinen säteily Ulkoinen säteily on kehoon sen ulkopuolelta kohdistuvaa säteilyä. Sisäinen säteily on kehon sisälle joutuneiden radioaktiivisten aineiden aiheuttamaa säteilyä. Suomalaisten saama keskimääräinen säteilyannos

5.3 Säteilyn mittaaminen ja säteilyturvallisuus (4/4) Säteilyn heikennyslaki Säteilyä absorboituu väliaineeseen. Tämän seurauksena säteily heikkenee eksponentiaalisesti kulkiessaan väliaineessa I = I0e-μx, missä I0 on väliaineeseen osuneen säteilyn intensiteetti I on säteilyn intensiteetti, kun säteily on kulkenut väliaineessa matkan x μ on säteilyn energiasta ja väliaineesta riippuva heikennyskerroin. Heikennyskertoimen yksikkö on . Sitä aineen paksuutta, joka heikentää säteilyn intensiteetin puoleen, sanotaan puoliintumispaksuudeksi d½ = .