UNIVERSITATEA bdquoVALAHIArdquo DIN TAcircRGOVIŞTE

FACULTATEA DE ŞTIINŢE ŞI ARTE

MASTER ANUL II METODE FIZICO-CHIMICE DE ANANLIZĂ

PENTRU CONTROLUL CALITĂŢII VIEŢII ŞI MEDIULUI

INTERACȚIA RADIAȚIEI CU

MATERIA

2012

Cuprins

Cap 1 Introducerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1Cap2 Raspandirea elementelor radioactive in mediul inconjurator3 21Unele particularitati ale radioactivitatii tipurilor de roci soluri apelor naturale si atmosferei4 22 Elemente si minerale radioactive7 23 Radioizotopi naturali9 24 Raspandirea radioactivitatii in Univers10Cap3 Efecte radiobiologice asupra omului12 31 Particularitatile efectelor biologicehelliphelliphelliphelliphelliphellip12 32 Clasificarea efectelor biologicehelliphelliphelliphelliphelliphellip13 33 Fazele tipice ale evolutiei imbolnavirii in urma iradierii15 34 Clasificarea efectelor biologice dupa natura lor16 341 Efecte biologice precoce17 342 Efecte somatice tarziihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip19 343 Efecte genetice20 344 Efecte biologice teratogenehelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21Cap4 Efectele fizice ale radiatiilor ionizante la interactiunea cu substanta23 41 Interactiunea particulelor grele incarcate cu substanta23 42 Interactiunea electronilor cu substanta29 43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta33 Bibliografie34

1 Introducere

2

Radioactivitatea este prezenta pe planeta noastra de la inceputurile existentei sale in ciuda faptului ca fenomenul in sine a fost descoperit abia la sfarsitul secolului al XIX ndash lea de catre H Becquerel (1896) pe cand incerca sa obtina radiatii X pe alta cale decat cea folosita de Roentgen

Ulterior Becquerel ajunge la concluzia ca toate combinatiile chimice ale uraniului manifesta fenomenul de radioactivitate indiferent daca sunt sau nu fluorescente si ca el este o proprietate a atomului de uraniu Maria Sklosovska Curie stabileste ca radioactivitatea este proportionala cu continutul de uraniu in combinatia respectiva si ca de fapt ea nu este o proprietate exclusiva a atomului de uraniu dovedind ca mineralele de toriu prezinta de asemenea radioactivitate

Intr-o colaborare stiintifica unica impreuna cu sotul ei Pierre Curie Marie Curie descopera in anul 1898 doua elemente radioactive noi elementul 84 pe care-l numeste poloniu in cinstea patriei sale de origine (Polonia) si elementul 88 caruia ii da numele de radiu datorita radioactivitatii puternice care s-a dovedit de circa un milion de ori mai intensa decat radioactivitatea unei mase egale de uraniu In anii care au urmat au fost descoperite celelalte elemente radioactive membre ale familiilor radioactive naturale iar in anul 1904 dupa ce E Rutherford si F Soddy recunosc fenomenul de izotopie se stabilesc locurile noilor radioizotopi descoperiti in sistemul periodic al elementelor

Anul 1903 are o semnificatie deosebita in evolutia cunostintelor din domeniul nuclear deoarece este anul in care E Rutherford si F Soddy au demonstrat practic ca radioactivitatea este legata de transformarea prin dezintegrare a atomilor unui element in atomii altor elemente In mod concret ei au stabilit experimental ca atomul de radiu emitand o particula α se transforma intr-un atom de radon

O noua etapa importanta in dezvoltarea stiintelor naturii in particular a fizicii nucleare a inceput in anul 1934 deschizand calea spre eliberarea energiei nucleare In acest sens Irene si frederic Joliot Curie au desoperit radioactivitatea artificiala iradiind o folie de aluminiu cu particule α

Un alt moment important in evolutia cercetarilor nucleare l-a constituit activitatea desfasurata de E Fermi care in anul 1963 a reusit sa obtina radioizotopi artificiali pe baza unor reactii nucleare cu neutroni termici (n γ) cand majoritatea elementelor iradiate se transforma in radioizotopi ai tintei

Prin iradierea cu neutroni termici el obtine pentru prima data elemente transuraniene (93 si 94)

La scurt timp Joliot-Curie demonstreaza ca pe langa produsii de fisiune rezulta si 2-3 neutroni prevazand posibilitatea realizarii reactiei in lant In felul acesta s-a facut un nou pas important pe drumul eliberarii energiei nucleare si deja la 2 decembrie 1942 a intrat in functionare primul reactor nuclear construit de Enrico Fermi la Chicago (SUA) iar la 16 iunie 1945 explodeaza experimental prima bomba atomica la Alamogardo (SUA) pe un poligon experimental

Urmatoarele doua bombe atomice au fost aruncate de catre fortele armate ale SUA asupra oraselor japoneze Horosima si Nagasaki in 1945 spre sfarsitul celui de al doilea razboi mondial

La 1 martie 1954 SUA a experimentat prima arma termonucleara (bomba cu hidrogen) pe Atolul Bikini care a fost amorsata cu o bomba atomica obisnuita cu plutoniu situata in interiorul ei

Pentru oamenii de stiinta contemporani care lucreaza in domeniul energeticii nucleare o preocupare prioritara o constituie gasirea unor mijloace si cai de a controla si dirija procesele de fiziune si a le pune in slujba scopurilor pasnice Pe aceasta cale va fi

3

posibil sa creasca nelimitat rezervele de energie avand in vedere faptul ca resursele de hidrogen si alte elemente usoare de pe pamant inclusiv din hidrosfera (oceane mari lacuri rauri) sunt comparabile cu cifre astronomice si socotite practic nelimitate

Desigur problema cheie a domolirii reactiilor termonucleare o constituie gasirea unor metode de realizare a temperaturilor inalte necesare armosarii acestor reactii altfel decat cu ajutorul bombei atomice precum si a obtinerii unor materiale care sa reziste la temperaturi asa de mari

De un interes deosebit se bucura si folosirea unor surse radioactive pe baza de elemente actinoide generatoare de energie termica si electrica cu variate aplicatii in tehnica medicina si cercetare caracterizate de o functionare constanta si indelungata (minim 10 ani) desi energia obtinuta este mai redusa Printre acestea se remarca bateriile electrice care functioneaza pe baza radiatiilor α emise de plutoniu 238 si utilizate in biostimulatorii de pulsuri ale inimii sau la functionarea unor instalatii montate pe sateliti si diverse vehicule spatiale

In paralel rezultatele obtinute in domeniul energeticii nucleare industriale si miliare s-au dezvoltat si amplificat cercetarile si aplicatiile practice ale izotopilor radioactivi artificiali ca surse de radiatii sau ca atomi marcati (trasori) in cele mai variate domenii de activitate chimie tehnica si industrie petrol metalurgie geologie medicina si biologie agricultura si silvicultura etc

Pe baza posibilitatii de identificare si diferentiere a atomilor si moleculelor marcate de cele nemarcate s-au instituit metode rapide si simple de analiza cu radioizotopi Printre acestea se numara metodele cu reactivi radiochimici (precipitarea titrarea si dilutia izotopica) metode de analiza prin activare metode de analiza cu fascicule cu radiatii (adsorbtia neutronilor retrodifuzia radiatiilor β ionizarea mediului etc)

4

2 Raspandirea elementelor radioactive in mediul inconjurator

Planeta noastra a mostenit inca de la formare o zestre apreciabila de radioactivitate terestra din care s-a pastrat o parte respectiv elementele si izotopii radioactivi de viata lunga cu timpi de injumatatire foarte mari238U(T447109 a) 235U(T704108 a ) si 232Th(T141010 a) generatori ai celor trei familii radioactive naturale si descendentii lor radioizotopi ai elementelor cu Z=81-92 dintre care cei mai importanti sunt 226Ra (T 1600 a) Io(230Th)(T 77104 a) si 231Pa(T325104 a) Aceste radioelemente nu sunt decat niste resturi care ne reamintesc de o vreme in care aproape toate speciile nucleare erau radioactive Dintre ele cel mai raspandit in scoarta terestra si cel mai important sub toate aspectele este uraniul (310-4 ) element dispers mai raspandit decat aurul argintul si mercurul urmat de toriu (810-4 ) si de radiu (2010-10 ) Ele sunt prezente intr-o masura mai mica sau mai mare in rocile eruptive metamorfice si sedimentare in hidrosfera si in troposfera In unele zone ale scoartei terestre concentratia lor in rocile de suprafata poate atinge valori de ordinul zecimilor si chiar al catorva procente Sub actiunea agentilor atmosferici (vanturi precipitatii si variatii de temperatura) mineralele radioactive sunt partial alterate solubilizate si transportate de ape contribuind la poluarea mediului Fenomene de acest gen se remarca mai ales in procesele de exploatare miniera a uraniului cand acesta se oxideaza si solubilizeaza trecand in apele de mina sub forma de saruri de uranil (10 -6 ndash 10-2 gl) si de aerosoli in aerul atmosferic In acelasi timp in atmosfera se mai concentreaza si o cantitate apreciabila de radon gaz radioactiv degajat prin transformarile succesive ale uraniului care intra in echilibru cu radonul din apele de mina eliberat de sarurile de uranil solubilizate

21Unele particularitati ale radioactivitatii tipurilor de roci soluri apelor naturale si atmosferei

Radioactivitatea rocilor magmatice este considerabil mai ridicata in varietatile acide decat in cele bazice (tabelul 21) In cazul rocilor magmatice elementele radioactive se concentreaza in special in zircon monazit sfen biotit si altele iar in speciile granitice radioactivitatea creste in directia cuart ndash feldspatii ndash minerale feromagneziene-minerale accesorii Principalul purtator de uraniu din granite este ortitul un silicat de aluminiu fier si calciu In cadrul rocilor eruptive uraniul se gaseste sub forma de minerale uranifere de amestec izomorf in retelele cristaline ale altor minerale in stare de adsorbtie la suprafata granulelor in stare solubila in incluziunile lichide din minerale sau in spatiul intergranular

Continutul mediu de radioelemente naturale in diferite tipuri de roci magmaticeTabelul 21

Tipul de roca U 10-4 []

Th 10-4 []

Ra 10-10 []

5

Acide 35 18 12Neutre 18 7 06Bazice 05 3 027

Ultrabazice 0003 0005 001

Radioactivitatea rocilor metamorfice depinde de radioactivitatea rocilor initiale si de caracterul metamorfismului Ea este foarte diferita pentru diversele tipuri chiar si in cadrul unuia si aceluiasi pachet de roci metamorfice Radioactivitatea gnaiselor si a sisturilor formate din roci argiloase este mai ridicata decat a cuartitelor Valoarea ei creste in rocile in care s-a suprapus fenomenul de metamorfism hidrotermal (tabelul 22)

Radioactivitatea naturala a rocilor metamorfice Tabelul

22Tipul de roca Ra

10-12 [gg]U

10-6 [gg]Th

10-6 [gg]Gnais 21 62 87

Gnais augitic 071 20 -Eclogit 007 02 -

Radioactivitatea rocilor sedimentare variaza in limite largi de la argile si sisturi argiloase (cele mai radioactive) la rocile organogene si chimic pure (sare gema gips anhidrite calcare dolomite) cele mai putin radioactive (tabelul 23)

Continutul mediu de radioelemente naturale in roci sedimentare Tabelul 23

Tipul de roca U 10-4 []

Th 10-4 []

Ra 10-10 []

Gresie 3 ndash 4 - 0 ndash 15 Cuartit 16 - 045Argila 43 13 13

Sist argilos 30 - 109Calcar 15 05 05

Dolomit 03 - 011

Radioactivitatea solurilor depinde de compozitia chimico-mineralogica a rocilor din care sunt formate Daca acestea sunt de compozitie mai acida (granitica) vor fi mai radioactive Spre deosebire de toriu si radiu care se acumuleaza in soluri in cantitati mai mari uraniul este spalat si transportat de catre acizii humici cu usurinta

Radioactivitatea apelor naturale variaza dupa continutul in elemente radioactive Astfel apa dulce contine in medie substante radioactive cu o activitate de 037 Bql (10 pCil) In apa marilor radioactivitatea este de circa 36 de ori mai mare respectiv ajunge la circa 13 Bql (351 pCIl) iar in apele minerale aceste valori sunt de circa o suta de ori mai mari respectiv 37 Bql (1000 pCIl) In tabelul 24 se prezinta continutul mediu de uraniu radiu si radon in unele ape naturale

Continutul mediu in uraniu si radiu al unor ape naturale

6

Tabelul 24Tipul de ape naturale U [gl] Ra [gl]

Rauri 6∙10-7 2∙10-13

Lacuri 8∙10-6 1∙10-12

Mari si oceane 2∙10-6 1∙10-13

Din roci sedimentare 5∙10-6 2∙10-2

Din roci magmatice acide 7∙10-7 2∙10-12

Din zacaminte de uraniu 8∙10-4 8∙10-11

Principalii factori care influenteaza solubilitatea si continutul in elemente

adioactive sunt compozitia in saruri si gaze a apei capacitatea de emanatie a rocilor prin care circula apele regimul de temperatura al acestora conditiile hidrogeologice generale si regimul hidrodinamic al apelor subterane Apele cu continut de saruri levigheaza intens uraniul si radiul din roci iar in functie de pH si de oxigen oxideaza uraniul (IV) la uraniu (VI) determinand o solubilizare si o migrare intensa a acestuia In afara de oxigen si alte gaze cum ar fi dioxidul de carbon dizolvate in apa favorizeaza migrarea uraniului Totodata aceste ape se imbogatesc in radon si radiu devenind ape radioactive De asemenea diferitele tipuri de ape de strat din zacamintele de petrol contin radiu in concentratii de ordinul 10-11 gl Valori maxime se intalnesc in apele de strat cloro-sodice iar in zonele petroliere continutul de radiu din ape creste pe masura apropierii de zacamantul de petrol

Radioactivitatea amosferei se datoreaza prezentei emanatiilor radioactive radon (222Rn) toron (220Tn) si actinon (219An) Spre deosebire de radon care prezinta o raspandire mai larga avand timpul de injumatatire de 382 zile toronul si actinonul au timpii de injumatatire mici 556 si respectiv 396 s fapt pentru care se intalnesc de regula numai in stratul de aer din apropierea solului (tabelul 25) Radonul care se formeaza continuu din elementele radioactive prezente in sol rezultand circa 0585 mm3

Rng Ra se dezintegreaza la randul lui treptat generand o serie de alti atomi radioactivi asa-zisul depozit fix (218Po 214Pb 214Bi 210Pb) In general continutul radonului in atmosfera este mic respectiv de ordinul 10-13 Cil aer (37 mBql) si el creste deasupra zonelor bogate in minereuri radioactive ajungand la 10-9-10-8 Cil (37-37 Bql)Pe baza masuratorilor concentratiei de radon se pot prospecta zacamintele radioactive de la distanta de exemplu din avion

Continutul mediu de radon in diferite zone ale aerului atmosferic Tabelul 25

Locul de raspandire al radonului in aer

Rn[Cil] Bql]

Aer de sol 2010-10 74Aer deasupra solului 1310-10 482Aer deasupra marii 14410-10 532

22 Elemente si minerale radioactive

In principal radioactivitatea naturala a scoartei terestre este determinata de continutul de uraniu toriu si produsele lor de dezintegrare

7

Uraniul este raspandit sub forma a circa 200 de minerale ce pot fi clasificate in oxizi oxizi hidratati carbonati sulfati fosfati molibdati vanadati silicati si compusi organici (tabelul 26)

Principalele minerale de uraniu Tabelul 26

Denumirea Formula chimica Oxizi si oxizi hidratati

Uraninit UO2

Pechblenda U3O8

Broumlggerit (U Th)O2

Carbonati sulfati silicatiRuterfordiu UO2CO3

Sharpit (UO2)3(CO3)5(OH)27H2OUranopilit (UO2)6(SO4)(OH)1012H2OJohannit Cu(UO2)2(SO4)2(OH)26H2OSoddit (UO2)5(SiO4)2(OH)25H2O

Fosfati si arsenatiAutunit Ca(UO2)2(PO4)210H2O

Torbernit Cu(UO2)2(PO4)28H2OUranospinit Ca(UO2)2(AsO4)28H2O

Troumlgerit (UO2)3(AsO4)12H2OVanadati si molbdati

Carnotit K(UO2)2(VO4)23 H2OTyuyamunit Ca(UO2)2(VO4)28 H2O

Molibdat de calciu si U Ca(UO2)3(MoO4)3(OH)28 H2O

De asemenea el se gaseste raspandit si in apele raurilor si lacurilor in apele marilor si oceanelor in petrol carbuni in gazele naturale etc Dintre mineralele sale putine sunt exploatabile

Uraninitul UO2 cu continut de radiu actiniu poloniu si alte produse ale transformarilor radioactive

Uraninitul cristalizeaza in sistemul cubic (retea CaF2) are culoare neagra cu luciu puternic de smoala in spartura duritate mare (103-106) este casant si puternic radioactiv Varietatile compacte de mase collomorfe poarta denumirea de ldquosmoala de uraniurdquo

Uraninitul se gaseste raspandit in pegmatite granitice si sienitice cu continut de toriu si pamanturi rare In concentratii mai mari se gaseste raspandit in zacaminte hidrotermale asociat cu arseniura de nichel si cobalt cu carbonati de calciu si de fier Cele mai mari zacaminte se afla in Canada langa Marele Lac al Ursilor si in provincia Katanga (Congo Belgian) Cehia Rusia etc

Pechblenda U3O8 un amestec de oxizi ai U(IV) cu U(VI) este un mineral de culoare neagra fara continut de toriu si pamanturi rare Are aspect de smoala numit si ldquosmoala de uraniurdquo fiind cel mai important mineral industrial de uraniu Apare in formatii sferoidale fara cristale clare S-a format in solutii coloidale cand s-a depus sub forma de gel care s-a solidificat si cristalizat ulterior Cristalizeaza in sistemul cubic avand culoare neagra de smoala uneori cu nuante verzui In principal se gaseste in filoane hidrotermale formate in zonele profunde ale zacamintelor exogene in conditii de mediu reducator Se gasste raspandit in SUA Rusia Canada Congo Cehia etc

8

Carnotita K(UO2)2(VO4)23 H2O se gaseste de obicei sub forma de mase pulverulente si eflorescente de culoare galben-deschisa sau galben-verzuie cu luciu puternic sidefos Cristalizeaza in sistemul rombic are duritate mica (2 ndash 25) este casant si puternic radioactiv Se gaseste in zona de alterare a rocilor sedimentare in special a gresiilor bogate in resturi organice Zacaminte importante se gasesc in statul Colorado (SUA) Canada Australia Africa de Sud Rusia (Ual Siberia) Cehia Maroc Iordania Israel etc

Toriul se gaseste raspandit in natura 810-4 sub forma de minerale proprii Principalele minereuri din care se extrage toriul sunt

Monazita (CeLaPrNdhellip)Po4 este un mineral care contine ThO2 sub forma de amestec izomorf 4 ndash 19 lantanoide (CeLa) 50 ndash 68 Cristalizeaza in sistemul monoclinic sub forma de cristale mici de culoare galben-bruna cafenie rosie rareori cu luciu accentuat sticlos sau gras si duritate 5 ndash 55 Se intalneste de obicei in pegmatite uneori in gnaise asociat cu feldspat zircon Prin alterare trece in aluviuni fluviale si marine (Brazilia la Minas Geraes) si India In depozite formeaza zacaminte in India Brazilia Africa de Sud Canada SUA Egipt etc

Toritul ThSiO4 se prezinta sub forma de cristale tetragonale de culoare neagra bruna galbena portocalie cu luciu sticlos sau gras casant duritate 45 ndash 5 fiind puternic radioactiv Se intalneste de obicei sub forma de granule diseminate mai rar ca mase compacte Varietatea de culoare portocalie se numeste Orangit iar cea cu continut de 10 ndash 16 U3O8 Uranotorit Se gaseste in Norvegia Elvetia si Madagascar

Radiul nu are minerale proprii insa se gaseste in mineralele de uraniu unde formeaza prin dezintegrarea succesiva 4 radioizotopi naturali 226Ra 228Ra 224Ra si 223Ra descendenti ai celor trei familii radioactive naturale Principala sursa de obtinere a 226Ra este pechblenda care contine 200 mg Rat U3O8 In scoarta pamantului el se gaseste raspandit 2010-10 iar in apele oceanelor si marilor 10-13 g Rat In tabelul 27 se da raspandirea lui in apa si alimente

9

Concentrarea radiului in apa potabila si alimente in pCi 226Rakg material proaspat sau la litru

Tabelul 27Tipul de aliment

New York City Chicago San Francisco R F G

Apa potabila 004 02 - 003-034Apa de rau 003 - - 007-08Paine alba 32 33 29 17-33Faina alba 27 24 13 27Lapte liq 025 024 022 03Cartofi 20 14 10 06-10

Fasole uscata 61 70 24 -Vegetale 24 22 07 16-17Fructe 15-28 14 09 09Orez 15 07 06 -Oua 41-79 27 26 31Peste 12 07 08 28-63Carne 044 045 081 08-15

Prelucrare dupa Schimier H Seelentag Wiand Waldeskong B ldquoThe radiation of human beingsrdquo Tehnical report series nr 123 IAEA p 7-30 (1971)

Protactiniul este raspandit in scoarta terestra 710-12 in minereurile de uraniu sub forma a trei radioizotopi 234Pa(UX2) 234Pa(UZ) si 231Pa La 1 g de uraniu natural se gasesc 3510-7 g Pa respectiv o tona de uraniu contine 1 mg Ac si 129 mg Pa

23 Radioizotopi naturali

In afara elementelor radioactive amintite in scoarta terestra se gasesc raspanditi o serie de izotopi radioactivi ai unor elemente in amestec cu izotopi stabili ai acestora Printre ei se numara 40K(T 128109 a) 87Rb(T471010 a) 115In(T 61014 a) 130Te(T 141021 a) 138La (T 131011 a) 176Lu (T 331010 a) 187Re (T 511010 a) si altii cu timpi de injumatatire cuprinsi intre 1010 si 1017 ani

Din randul lor se remarca 40K care insotind izotopii stabili ai potasiului unul din elementele abundente in scoarta terestra confera o anumita radioactivitate apelor si rocilor Astfel contributia 40K la radioactivitatea apelor marine este de 111 Bql In diferitele roci activitatea adusa de 40K variaza de la 081 Bqg in roci arse in bazalt la 117 Bqg in granite De asemenea ea variaza si in unele alimente de la 066Bqkg in lapte la 222 Bqkg de grau respectiv la 74 Bqkg in carne

O alta serie de radioizotopi cum sunt 14C si tritiul (3H) se formeaza permanent in natura prin bombardarea azotului din aer cu neutroni de origine cosmica sau cu cei eliberati din reactiile (α n) de dezintegrare α-spontana a unor nuclee grele din scoarta terestra (Ac Th Pa U) precum si din procesele de fisiune spontana a unora dintre ele (235U)

10

In troposfera viteza de formare a tritiului este de 60 atomicm2 pe minut iar a carbonului 14 este de 150 atomicm2 pe minut

In natura concentratia 3H si 14C a ramas practic constanta deoarece in decursul timpului s-a stabilit un echilibru intre procesele de formare si de dezintegrare a acestor radioizotopi

Tritiul (3H) care se formeaza intra in echilibru cu hidrogenul din apa de ploaie prin intermediul careia patrunde in biosfera ajungand in cele din urma la o In toate produsele neizolate de acest echilibru natural tritiul se afla in raport de 4 atomi de tritiu la 108 atomi de hidrogen normal Datorita tritiului in medie radioactivitatea naturala a produselor cu hidrogen este de 111 Bq 3Hg 1H (30 pCig) Apa marilor contine 059 Bql (016 pCi 3Hl)

Carbonul 14 odata format oxideaza la 14CO2 si intra rapid in amestec cu CO2

normal in circuitul carbonului Prin fotosinteza el ajunge in metabolismul vegetal si de aici in cel animal pana la om unde produce circa 18105 dezmin fapt care reprezinta a suta parte din radioactivitatea corpului uman

24 Raspandirea radioactivitatii in Univers

Din studiul meteoritilor rezulta ca si alte planete din sistemul solar sunt prezente principalele elemente radioactive uraniul si toriul impreuna cu elementele din familiile radioactive Daca pe Pamant radioactivitatea joaca un rol foarte important in cadrul general al Universului ea se prezinta ca un proces nuclear minor datorita proceselor termonucleare ce se petrec in anumite tipuri de stele si in special in Soare Se estimeaza ca pentru a egala energia primita de la Soare pe Pamant ar trebui sa fie explodate circa 47 bombe nucleare pe secunda Prin aceasta ldquohemoragie energeticardquo sub forma de radiatie Soarele pierde 42 milioane de tone de masa pe secunda Cu toate ca masa Soarelui este mare rezerva sa de energie calorica ar trebui sa fie consumata intr-un timp relativ scurt si ca asistam la scaderea continua a temperaturii Studiile geologice arata ca de-a lungul epocilor geologice temperatura Pamantului si implicit energia primita de la Soare nu a suferit variatii semnificative Aceasta comportare nu poate fi explicata decat acceptand ca energia de la Soare se reinoieste permanent pe baza unui proces exoergic Conform lui H BETHE (1938) principala sursa de energie din Soare il au doua cicluri de reactii termonucleare

- ciclul proton ndash proton (p ndash p) de trecere prin fuziune de la hidrogen la heliu in etape succesive sub forma de reactii nucleare inlantuite in cicluri termonucleare avand ca produsi intermediari izotopii hidrogenului si ai heliului (fig 21) conform acestui ciclu hidrogenul molecular se constituie ca principala rezerva de combustibil nuclear ldquosangele stelelorrdquo si al Soarelui

- ciclul carbon ndash azot (C ndash N) imaginat de BETHE de trecere de la hidrogen la heliu prin trepte intermediare in prezenta unui nucleu strain cu rol catalizator cum este carbonul 12 in cadrul caruia carbonul se reface iar din patru protoni rezulta un heliu si doi pozitroni (fig 22) In realitate in stele au loc concomitent cele doua cicluri La inceput predomina ciclul p ndash p dupa care urmeaza o perioada cu temperaturi mai ridicate cand predomina ciclul carbon ndash azot

11

Fig 21 Ciclul proton ndash proton Fig 22 Ciclul carbon ndash azot

Multa vreme s-a crezut ca prin ciclul carbon ndash azot se incheie seria reactiilor termonucleare ce au loc in stele In realitate prin cresterea treptata a temperaturii pot sa aibe loc inca o serie de reactii termonucleare prin capturare de helioni cand se formeaza nuclee de 16O si 20Ne procesul nuclear continuand cu formarea 24Mg pana la nucleele cu numar de masa cuprins intre 40 ndash 60

12

3 Efecte radiobiologice asupra omului

Imediat dupa descoperirea radiatiilor roumlentgen si apoi a radioactivitatii s-a sesizat si caracterul periculos al radiatiilor ionizante in cazul folosirii nerationale Pionierii roentgenografiei au cunoscut ldquope propia lor pielerdquo actiunea radiatiilor ionizante iar dupa descoperirea radioactivitatii primele victime au aparut in 1920 in SUA in randul muncitorilor care aplicau vopsele luminoase pe cadranele ceasornicelor Acestora li s-au adaugat savantii Marie Curie si Ireacutene Joliot-Curie renumiti cercetatori in domeniul radioactivitatii care au decedat dupa grele suferinte de leucemie radioindusa Dar cele mai mari victime s-au inregistrat la sfarsitul celui de al doilea razboi mondial in urma exploziilor celor doua bombe atomice lansate de catre SUA asupra Japoniei la Hirosima si Nagasaki

31 Particularitatile efectelor biologice

Indiferent de urmarile provocate de impactul radiatiilor ionizante cu organismul viu actiunea biologica prezinta unele particularitati si anume

- organismul omenesc nu este dotat cu un organ de simt care sa sesizeze prezenta radiatiilor ionizante iar efectul biologic nu este vizibil in momentul iradierii

- efectele biologice sunt cumulative si nu au un caracter particular care sa ne permita deosebirea de efectele aparute altfel decat prin iradiere

- modificarile si simptomele evolueaza lent dupa iradiere Unele sunt imediate sau precoce si apar dupa un ragaz care variaza de la cateva ore la cateva saptamani Altele sunt intarziate si survin dupa mai multi ani (leucemia) dupa mai multe zeci de ani (cancerul fatal) sau pot provoca efecte genetice

In realitate efectele biologice produse de actiunea radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului sunt rezultatul unei lungi serii de fenomene care se declanseaza la trecerea radiatiilor prin organismele vii Evenimentele initiale sunt ionizari si excitari ale atomilor si moleculelor din mediul de interactiune de-a lungul traiectoriilor particulelor ionizante Ulterior aceste perturbari fizice antreneaza reactii fizico-chimice urmate de reactii chimice generand in final efecte biologice Schematic cronologia acestor evenimente este data in tabelul 31

13

Tabelul 31 Prezentarea schematica a fenomenelor declansate deradiatiile ionizante in mediu biologic

32 Clasificarea efectelor biologice

In prezent efectele nocive ale radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului a descendentilor sai si asupra umanitatii in general se clasifica in doua categorii

- efecte nestochastice si- efecte stochasticeEfectele nestochastice sunt efecte imediate (precoce) cu prag reversibile si

imperfect aditive Fiind caracterizate de o relatie de cauzalitate determinate intre doza si efect ele apar atunci cand doza primita depaseste o anumita valoare de prag (fig 31)

Fig 31 Dependenta efectului biologic de doza biologicaa ndash efecte stochastice fara prag b ndash efecete nestochastice cu prag

14

Valoarea pragului pentru un anumit efect poate varia in jurul unei valori medii de la un individ la altul si in functie de conditiile de iradiere In general efectele nestochastice apar destul de repede in timp fiind efecte imediate (precoce) iar vatamarile provocate de ele sunt cu atat mai mari cu cat doza este mai mare

Avand caracter reversibil exista posibilitatea regenerarii unor tesuturi iar dozele administrate intr-un timp lung nu sunt perfect aditive De aceea pentru evitarea producerii lor are mare importanta administrarea fractionata a dozelor de radiatii

Printre efectele nestochastice se numara leziunile nemaligne ale pielii cataracta hipolezia medulara care antreneaza o deficienta hematologica a vatamarilor provocate celulelor gonadelor cu repercusiuni asupra fertilitatii

Efectele stochastice sunt intotdeauna efecte somatice tarzii fara prag ireversibile si aditive Aparitia lor urmeaza o relatie probabilistica doza-efect aparent la intamplare de unde si numele stochastic Altfel spus dintr-o populatie aflata intr-o zona de radiatii efectele stochastice apar numai in unele cazuri individuale aparent la intamplare

Printre ele se numara efectele somatice care se manifesta cu intarziere sub forma de afectiuni maligne (cancer) si efecte genetice (ereditare) ce apar la descendenti Practic intre momentul iradierii si al aparitiei bolii maligne pot trece ani sau zeci de ani

Fiind relatii liniare intre frecventa de aparitie a efectelor stochastice si dozelor absorbite pentru radiatiile cu transfer liniar de energie mica rezulta ca in aceste cazuri la doze mici si debite mici ale dozei riscul pentru sanatate este proportional cu doza administrata In literatura de specialitate factorul de proportionalitate dintre frecventa de aparitie a acestor efecte si doza absorbita a fost denumit factor de risc

Dozele administrate in timp lung fiid aditive nu are importanta daca doza care produce efctul respectiv a fost administrata fractionat sau instantaneu respectiv intr-o secunda sau intr-o luna

Efectul biologic produs este ireversibil si in prezent nu se cunosc metode de reducere a probabilitatilor de aparitie a efectelor stochastice somatice datorate unor doze deja primite

Detrimentul sanatatii Conceptul de detriment al sanatatii se refera la fenomenul de distrugere (vatamare) integrala a unei persoane datorita efectelor biologice ale radiatiilor ionizante fenomen care poate aparea dupa o iradiere in conditii bine definite si la un anumit nivel de doza

In cazul unui efect patologic dat (i) detrimentul (Gj) la un individ (j) este exprimat de produsul intre probabilitatea de aparitie a efectului (pi) si factorul corespunzator de gravitate (g)

iar pentru un grup de persoane (P) detrimentul colectiv (G) este

Acest concept se aplica atat asupra efectelor stochastice cat si a celor nestochastice in principal fiind utilizat pentru estimarea vatamarilor datorate efectelor stochastice

Intre probabilitatea de aparitie a efectelor biologice stochastice si echivalentul de doza se stabileste o relatie liniara fara prag aplicata la doze slabe De aceea detrimentul colectiv al sanatatii este proportional cu echivalentul de doza efectiv colectiv Totusi in mod practic detrimentul unui grup de indivizi nu poate fi redus la o insumare a vatamarilor individuale fapt pentru care echivaletul de doza colectiva se ia ca un partener printre altele

15

33 Fazele tipice ale evolutiei imbolnavirii in urma iradierii

In dinamica evolutiei reactiilor care au loc in urma iradierii se pot distinge trei perioade importante perioada primara perioada latenta si perioada secundara

Reactiile in perioada primara de actiune a radiatiilor ionizante se datoreaza a trei tipuri principale de mecanisme mecanismul actiunii directe indirecte si la distanta

Efectul biologic prin actiune directa consta in transmiterea directa a energiei particulelor incarcate sau a electronilor secundari catre atomii si moleculele substantelor celulare Produsul principal al acestei actiuni sunt ioni si atomi excitati de-a lungul parcursului particulei in celula Datorita ionizarii si excitarii substantelor prin mecanism primar se produc modificari chimice ale acestora (mecanismul actiunii indirecte) Deoarece organismele vii au in compozitia lor un mare procent de apa la om ajungand pana la 85 din greutatea corpului multa vreme s-a considerat ca actiunea nociva a radiatiilor ionizante este cauzata de produsele de descompunere a ei si in special de apa oxigenata care actioneaza ca agent oxidant (ipoteza actiunii prin apa oxigenata) O ipoteza mai verosimila considera ca rolul principal in actiunea biologica primara il au radicalii H OH si O2H care apar la radioliza apei (ipoteza actiunii prin radicali liberi) Conform acestei ipoteze radioliza apei constituie o sursa pentru actiunea indirecta a radiatiei deoarece radicalii liberi formati pot afecta atat cromozomii cat si proteinele citoplasmatice

Datorita interventiei sistemului nervos a glandelor endocrine si a transportului prin umori sau difuziune a unor substante rezultate in tesuturile iradiate efectele biologice se pot produce nu numai in organele iradiate ci si in cele neiradiate (mecanismul actiunii la distanta sau al actiunii secundare)

Perioada latenta care apare in organism dupa perioada primara se caracterizeaza prin faptul ca fenomenele sunt atat de neinsemnate incat nu pot fi descoperite neinregistrandu-se nici un fel de tulburari Perioada latenta variaza invers proportional cu doza de radiatii De aceea in cazul unor iradieri cu doze mortale perioada latenta dureaza de la cateva ore la 30-40 de zile iar in doze fractionate mici ea dureaza mai mult de un an

Perioada secundara este dominata de formarea in celule si tesuturi de substante toxice care conduc la intoxicarea organismului determinand o serie de efecte biologice importante (ipoteza formarii uor substante toxice) Reactiile din aceasta perioada sunt de natura necunoscuta si in decursul timpului ele au fost atribuite actiunii apei oxigenate peroxizilor organici si histaminei problema fiind insa in discutie Cert este faptul ca sub actiunea radiatiilor ionizante apar molecule active in primul rand in celulele din tesuturi si in paralel in sange si in limfa

34 Clasificarea efectelor biologice dupa natura lor

Cel mai fercvent efectele biologice se clasifica dupa natura lor in- efecte precoce care nu apar decat pentru doze ridicate- efecte somatice tarzii care se manifesta dupa mai multi ani chiar mai multi zeci

de ani- efecte genetice care privesc descendentii - efecte teratogene care se refera la afectarea embrionului si a fetusului

341 Efecte biologice precoce

16

Efectele biologice precoce survin la putin timp dupa iradiere uneori dupa cateva ore sau mai putin si sunt efecte cu prag fapt pentru care nu apar decat daca doza depaseste un anumit nivel Deasupra pragului ele cresc cu doza De aceea pentru a evita producerea lor s-au elaborat reglementari care impun limitarea sub nivelul de prag al dozelor ce le pot primi operatorii care lucreaza in medii de radiatii ionizante Cele mai fragile tesuturi care sufera efecte biologice cu prag sunt pielea celulele formate de sange maduva osoasa intestinul si organele sexuale sau gonade

Efectele biologice precoce in cazul iradierilor partiale Acestea se refera la piele maduva osoasa si organele genitale

Pielea Efectele radiobiologice ale pielii sunt foarte variabile si ele depind de doza de localizarea anatomica de varsta de pigmentatia tegumentului etc In general la doze mai mari de 10 Gy nu se observa nici o leziune grava dar la 25 din cazuri apare o senzatie de caldura La doze intre 10 si 20 Gy apar epidermite exudative urmate dupa un timp de o latenta de trei saptamani de eritema secundara apoi de epitelitaexudativa dupa 3-6 luni facandu-se restaurarea fara recurs In cazul unor iradieri foarte importante si profunde se altereaza vascularizatia si apare ulceratia care necesita un tratament chirurgical

Maduva osoasa organul cel mai sensibil la iradierea globala conduce limfopenia cu atat mai repede cu cat doza de radiatii este mai mare

Organele sexuale respectiv testiculele la barbati si ovarele la femei reactioneaza diferit la iradiere

Testiculele care se remarca printre cele doua functii de producatore de hormoni si spermatozoizi la iradiere le este afectata numai cea de-a doua functie (producatoare de spematozoizi) La doze relativ mici de 05 Gy se instaleaza o depresiune tranzitorie si spontan reversibila iar la doze de circa 2 Gy apare o azospermie si sterilitate temporara in jur de un an Experientele efectuate de americani pe detinuti voluntari au aratat ca in cazul iradierii testiculelor cu doze de 6 Gy sterilitatea este temporata la om De asemenea supravietuitorii dintre cei 23 pescari japonezi care au fost iradiati in urma exploziei experimentale a armei termonucleare de la Bikini in 1954 si care se estimeaza ca au primit doze de 3 - 66 Gy dupa o sterilitate de 2-3ani au avut copii normali (in total 45 copii)

- Ovarele comparativ cu testiculele au o sensibilitate mai mica fata de radiatiile ionizante aceasta fiind influentata si de varsta Astfel pe cand la o femeie tanara in jur de 25 de ani este necesara o doza de 12-15 Gy pentru a provoca o menopauza artificiala la o femeie de peste 40 de ani este suficienta o doza de numai 7 Gy Se mentioneaza ca la femei sterilitatea este insotita de oprirea functiei endocrine

Din cercetarile efectuate precum si din constatarile asupra descendentilor celor iradiati in urma exploziilor atomice de la Hirosima si Nagasaki a rezultat ca in urma unei iradieri puternice care a provocat sterilitatea temporara nu s-au produs urmari genetice prin afectarea celulelor sexuale

Iradierea organelor profunde La iradieri puternice mai ales in radioterapie sunt iradiate si organele profunde plamanii inima rinichii tubul digestiv ficatul sistemul nervos central si creierul Dintre acestea deosebit de sensibile sunt plamanii care dupa o doza de 25 Gy se imbolnavesc de fibron pulmonar iar dupa 6-12 luni urmeaza decesul

Rinicii si ficatul sunt afectati la doze peste 30 Gy In cazul rinichilor functionarea lor este afectata dupa cateva saptamani de la iradiere pe cand vezica poate suporta doze mult mai mari Diversele organe ale aparatului digestiv au radiosensibilitati diferite Cel mai radiosensibil este intestinul subtire la care apar leziuni in urma absorbtiei unor doze

17

sub 30 Gy Urmeaza stomacul care este afectat de doze in jur de 40 Gy cel mai rezistent fiind colonul care reactioneaza numai la doze cuprinse intre 50 si 56 Gy

Destul de radiosensibil este si sistemul nervos care manifesta o fragilitate a celulelor nervoase a vaselor sangvine si o capacitate limitata de regenerare a tesuturilor nervoase La doze peste 40 Gy administrate in patru saptamani apare o paraplegie care dupa doi ani se extinde In ceea ce priveste creierul desi modificari morfologice apar deja de la doze de 10 Gy el poate suporta doze de circa 50 Gy timp de 5-6 saptamani

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor globale In urma unor iradieri globale cu doze in jur de 1 Gy care sunt fara gravitate imediata nu se observa decat foarte discrete modificari hematologice in ceea ce priveste globulele albe dar ele se regenereaza rapid In astfel de cazuri se aplica un tratament modest fara a fi necesara spitalizarea

La doze cuprinse intre 1 si 2 Gy desi semnele fizice inca lipsesc se observa o scadere a globulelor albe si a plachetelor iar numarul globulelor rosii este modest In acest caz sunt necesare transfuzii si tratament antibiotic Din contra la doze de peste 2Gy se observa o evolutie stereotipa a bolii cu afectarea celulelor formatoare de sange si scaderea corespunzatoare a numarului maxim de elemente reprezentative din sange Evolutia imbolnavirii se face urmand cele patru faze tipice Dupa o perioada de debut care dureaza trei zile insotita de simptome discrete urmeaza de perioada latenta practic silentioasa care dureaza peste trei saptamani In continuare se instaleaza perioada de stare (perioada critica) careia i se asociaza semne generale cum sunt oboseala intensa tulburari digestive hemoragii si infectii formula sangvina fiind foarte modificata In acest moment viata bolnavului este in pericol Abia dupa circa trei luni el intra in covalescenta In acest caz spitalizarea este indispensabila intr-un centru specializat cu locuri sterilizate repaus absolut si eliminarea posibilitatilor de infectare In cadrul tratamentului se recomanda grefe de maduva osoasa La doze mai mari grefa cu maduva osoasa poate fi singura sansa iar la doza peste 12 Gy de iradiere instantanee orice tratament terapeutic nu este eficace

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor accidentale In ultimele decenii s-au inmultit numarul iradierilor accidentale Principal ele pot fi clasificate in iradieri implicand una sau mai multe persoane ori a unor grupuri mari de persoane

Iadieri accidentale implicand una sau mai multe persoane Pana in anul 1965 au fost inregistrate 12 astfel de accidente critice in lume in care persoane au fost expuse global in cursul unor cercetari sau operatii chimice dintre care au rezultat 9 decese

De asemenea se cunosc 24 accidente cu surse gamagrafice dintre care 15 accidente cu 192Ir si 9 accidente cu 60Co din care au rezultat 17 morti si 38 grav iradiati In ultimii 40 de ani au avut loc 115 cazuri de iradieri locale care au facut 156 victime Principalele cauze se datoresc instalatiilor de radiatii X pentru analiza cristalografica (69) surselor de gamagrafice cu 192Ir (34) 60Co (25) emitatori β-activi (11) acceleratori de particule (8) si diverse surse (8) Iradierile interne sunt mai rare si mai greu de cunoscut In Franta sunt cunoscute numai o zecime din decese 7 sunt imputabile activitatii medicale

Iradieri accidentale a unor grupuri mari de persoane Iradierile simultane asupra unui numar ridicat de persoane au fost inregistrate in urma unor experiente cu arme termonucleare sau a unor defectiuni survenite in functionarea unor centrale atomoelectrice

Explozia experimentala a armei termonucleare de la Bikini de la 1 martie 1954 a provocat printre altele si iradierea puternica prin caderi de pulberi radioactive a locuitorilor de pe Insula Marschall precum si a 23 de pescari marinari de pe vasul japonez ldquoFukuriu Marurdquo

18

Recent prin defectarea centralei atomoelectrice de la Cernobal (Ucraina) din aprile 1986 au fost iradiate 22 persoane cu doze peste 8 Gy 22 persoane cu doze intre 4 si 8 Gy 53 persoane cu doze intre 2 si 4 Gy si 203 persoane cu doze peste 1 Gy fiind inregistrate 31 decese

342 Efecte somatice tarzii

Efectele somatice tarzii in general sunt fara prag Ele pot fi necancerigene (cataracte tulburari ale cresterii scaderea longevitatii si a unor reactii imunologice) insa principalul efect intarziat este cancerul care apare dupa cativa ani sau zeci de ani de la iradiere Principalele efecte somatice tarzii necancerigene se caracterizeaza prin urmatoarele

Cataractele sunt boli care provoaca opacifierea cristalinului Radiatiile ionizante genereaza cataracte la doze superioare la 10 Gy de radiatii X Ele sunt efecte cu prag care la barbati este foarte ridicat si apare intre 1 si 10 ani de la iradiere In cazul neutronilor rapizi pragul este mult mai jos asymp08 Gy respectiv asymp8 Sv

Tulburari de crestere Constatarile efectuate pe supravietuitorii de la Hirosima si Nagasaki au evidentiat ca prin expunere la doze de 1 Gy au loc tulburari de crestere si anume un deficit in greutate o scadere a taliei si a circumferintei capului

Longevitatea De asemenea studiile de supravietuitori de la Hirosima sI Nagasaki precum si pe animale in laborator au aratat ca la doze ridicate (asymp4 Gy) de radiatii se scurteaza durata medie de viata indiferent daca iradierea a produs leucemie sau cancer

Reactiile imunologice La iradierea cu doze de 1 Gy scad reactiile imunologice si organismele devin vulnerabile la infectii

Pielea desi nu este radiosensibila se mnifesta ca un organ critic avand un prag de toleranta de asymp2mGyzi Prin iradierea mainilor cu doze superioare (5 mGyzi) apar leziuni cutanate cronice sau uscate si atrofice care fisureaza dand ulceratii grave

Cancerele principalele efecte intarziate se caracterizeaza prin faptul ca nu au prag si se produc mai ales cu doze slabe de radiatii Frecventa lor este influentata de o serie de factori printre care se numara doza de radiatie natura radiatiilor sexul varsta si natura tesuturilor iradiate

Dintre toti factorii doza de radiatii este cel mai important iar dintre radiatii particulele α si neutronii sunt cele mai periculoase Radiosensibilitatea organismelor este diferita in functie de sex ea este mai importanta la femei decat la barbati in special pentru sani si tiroida si are un efect invers pentru maduva osoasa si pulmon Totodata efectele difera cu varsta copiii tineri adolescentii si persoanele in varsta fiind mai radiosensibile decat adultii Timpii de latenta sunt foarte variabili si depind in mod esential de natura tesutului iradiat Ei sunt cuprinsi intre 4 si 20 de ani de la iradiere pentru leucemie de 10 ani pentru tumori 22-25 de ani pentru sani etc Cancerul cutanat apare la doze de circa 15 Gy radiatii electromagnetice intre 25 si 40 de ani Cancerul osos apare la doze gt8Gy iar leucemia la doze gt1 Sv Cancerul sanului apare la doze de 020 Gy (la iradieri radiologice) iar cancerul tiroidei la 01 Gy la copii intre 13 si 14 ani

343 Efecte geneticeAlaturi de alti agenti fizico-chimici (substante chimice radiatiile

electromagnetice caldura etc) care pot provoca efecte mutagene se afla si radiatiile ionizante

19

Daca la doze slabe nu s-au inregistrat astfel de efecte la om in schimb printre copiii supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki iradiati cu doze puternice s-au inregistrat cazuri de anomalii genetice semnificative

Pe plan uman singurele informatii de care dispunem sunt descendentii iradiatilor de la Hirosima si Nagasaki si ai pescarilor de la Bikini dar in ambele cazuri dozele nu sunt cunoscute cu precizie In cazul supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki desi au prezentat forme cancerigene pentru doze ridicate (gt1 Gy) nu s-au inregistrat efecte genetice De asemenea in cazul celor 23 marinari pescari de la Bikini iradiati de caderile radioactive cu exceptia unuia care a decedat dupa o sterilitate de doi ani ceilalti au avut copii normali (45 copii) la care nu au fost observate efecte genetice aparente la prima generatie

In modul de evaluare a efectelor genetice se intampla unele dificultati datorate urmatorilor factori caracterul particular al efectelor genetice necesitatea extrapolarii rezultatelor obtinute experimental pe animale la om si de asemenea extrapolarea rezultatelor obtinute experimental cu doze forte la doze slabe

Din investigarile pe animale s-a stabilit ca fercventa anomaliilor genetice se observa la doze gt1 Gy La om anomaliile (de ex structura cromozomilor) reprezinta un risc de 1-10 pe milion de nasteri vii pe centiGy iar mutatiile genetice apar la iradierea celor doi parinti cu o frecventa de 5-65 pe milion de nasteri vii pe centiGy Dupa prima generatie si la echilibru (dupa 5 generatii) frecventa lor este de 40-200 pe milion de nasteri vii pe centiGy pe generatie Mutatiile sunt legate de sexe in sensul ca ele se transmit prin femei In prima generatie numarul de afectiuni adaugat este lt13 pe milion de nasteri vii pe centiGy

Particularitatile mutatiilor genice In functie de sex riscul pentru femeie este mai putin important ca pentru barbat Dupa varsta la femei sunt doua perioade critice principala este perioada reproducerii de la pubertate la menopauza A doua este pana in luna a saptea a vietii fetale La barbat perioada periculoasa se afla intre 20 si 40 ani perioada in care se fac majoritatea fecundarilor

Ipoteza prejudiciului genetic dat de iradierile slabe In mod normal o populatie se afla in echilibru genetic Aparitia de noi mutanti este compensata de eliminarea mutantilor existenti prin decese precoce sau prin fecundari mai putine uneori chiar nule In cazul unor iradieri suplimentare acest echilibru se rupe iar fiecarei generatii i se vor adauga descendentilor mutatiile produse la toate generatiile anterioare (mutanti suplimentari) Ca urmare se vor produce o crestere a mutatiilor letale si a celor dominante precm si o acumulare a mutatiilor primite

344 Efecte biologice teratogene

Efectele teratogene sunt anomalii si malformatii provocate de actiunea unor agenti fizici chimici si infectiosi sau a radiatiilor ionizante asupra embrionului si fetusurilor pe timpul cresterii

Sensblitatea lor la radiatii variaza dupa stadiul dezvoltarii embrionului dar pragul de actiune este foarte net mai jos decat dupa nastere Efectele teratogene sunt ireversibile iar radiatiile ionizante produc aceleasi efecte ca si alti agenti teratogeni Sub actiunea radiatiilor ionizante in functie de stadiul de dezvoltare a embrionului si a fetusurilor se deosebesc urmatoarele

20

- In stadiul de preimplantare iradierea determina fie distrugerea oului fie moartea uneia sau a mai multor celule Aceasta perioada adesea trece neobservata de femeie Doza letala 50 este de 05-06 Gy

- In stadiul de organogeneza cand femeia are consecinte de intarziere si banuiala ca ar fi insarcinata o doza de 01 Gy poate antrena malformatii Aceasta este perioada critica deoarece radiosensibilitatea este maxima

- In stadiul fetal frecventa si gravitatea malformatiilor se diminuiaza In schimb iradierea poate avea o actiune cancerigena care se manifesta la copii tineri Dozele egale sau inferioare la 025 Gy sunt considerate ca fara efect

Cele mai importante consecinte legate de efectele teratogene sunt- malformatiile ca de exemplu cele microcefalice care pot fi insotite de

intarzierea mentala - intarzierea cresterii care are loc la doze puternice (gt1 Gy) printre care se

remarca deficitul ponderal scaderea taliei si a circumferintei capului si o intarziere a osificarii

- cancerul care apare la iradieri in uter cu doze de 002 Gy-mortalitatea intrauterina si neonatala creste In cazul supravietuitorilor de la

Hirosima si Nagasaki ea a fost cu 40 mai mare decat cea normala - efecte genetice nu s-au observat nici printre descendentii celor iradiati in uter cu

ocazia exploziilor nucleare de la Hirosima si NagasakiPe baza acestor observatii se impune luarea unor precautii in cazul femeilor

insarcinte care sunt expuse profesional la doze de radiatii ionizante si excluderea lor de la orice fel de examen radiologic

21

4 Efectele fizice ale radiatiilor ionizante la interactiunea cu substanta

La impactul cu substanta fasciculele de radiatii ionizante sufera procese de atenuare datorita devierii (imprastierii) acestora printr-un mecanism monoact sau prin absorbtie cand isi pierd complet energia pe baza unui mecanism continuu Cele mai importante efecte ale radiatiilor ionizante sunt excitarea si ionizarea care pot fi directe in cazul particulelor incarcate electric sau indirecte in cazul radiatiilor X γ si a neutronilor

41 Interactiunea particulelor grele incarcate cu substanta

Particulele grele incarcate cum sunt radiatiile α protonii deuteronii atomii multiplu ionizati si produsii de fisiune nucleara la impactul cu substanta se atenueaza cu parcurs pe baza unui mecanism de pierderi mici de energie intr-un numar foarte mare de procese de interactiune

Procesul predominant este cel de interactiune cu electronii atomilor si moleculelor probabilitatea de interactiune cu nucleele atomilor fiind foarte mica

Transferul liniar de energie (TLE) notat cu Q realizat prin ciocniri neelastice cu electronii atomilor si ai moleculelor intalnite este dat de relatia lui HA Bethe

[erg∙cm-1]

in care N este numarul de atomi dintr-un cm3 Z ndash sarcina particulei m0 ndash masa de repaus a electronului v ndash viteza e ndash sarcina electronului β = vc J ndash potentialul mediului de excitare al substantei iradiate

In figura 41 se prezinta modul de variatie al numarului particulelor α cu mediul Transferul Q depinde de viteza (v) si de sarcina (Z) a prticulelor grele incidente iar pe o distanta Δx particula pierde o energie ΔE care este data de suma transferurilor Q in cursul ciocnirilor ce au loc pe aceasta distanta ΔE=ΣQ

Fig 41 Variatia numarului particulelor α in unitatea de timp cu distanta parcursa intr-un mediu dat

Atunci cand o particula parcurge un mic segment Δx din traiectoria sa ea sufera numeroase ciocniri cu electronii care se gasesc in vecinatatea traiectoriei sale Raportul S=ΔEΔx se numeste putere de incetinire a particulelor in mediu si reprezinta pierderea specifica de energie fiind dependent de viteza (v) si sarcina (Z) a particulei incidente Distanta maxima pe care o strabate o particula de energie initiala E intr-un mediu dat se numeste parcurs (R) si se exprima in metri El se poate calcula cu ajutorul relatiei

[m]

22

Din cauza fluctuatiei accidentale de ciocniri individuale dintre particulele grele incarcate si atomii mediului parcursurile lor nu sunt riguros egale asa cum se poate observa cu ajutorul unei camere Wilson (fig 42)

Fig 42 Parcursurile particulei α in camera Wilson

La strabaterea mediilor gazoase parcursurile radiatiilor α ating centimetri ( tabelul 41) pe cand in medii lichide si solide descresc mult fiind de ordinul micrometrilor Asa se explica faptul ca o foaie de hartie este suficienta pentru a absorbi complet un fascicul de radiatii α de mare energie Parcursul radiatiilor α in aer se calcleaza cu ajutorul relatiei empirice a lui Bethe R=032 E32 In fig 43 este data dependenta dintre energie si parcursul radiatiilor α

Parcursurile radiatiilor α ale Po si RaC΄ in diferite mediiTabelul 41

Mediul strabatut Parcursul radiatiilor α ale210Po(530 Mev) 214RaC΄(76 MeV)

Aer 00387 m 00698 mHidrogen 01730 m 03250 m

Heliu 0215 m 0390 mArgon 00417 m 0073 m

Alcool etilic 371μm -Aur - 14 μm

Gelatina foto 23 μm 50 μm

Ciocnindu-se cu electronii mediului strabatut particulele α produc efecte dependente de energia Q transferata acestora

Fig 43 Dependenta dintre energie si parcursul particulelor α

a Daca energia transferata (Q) este superioara energiei de legatura a electronilor (asymp10eV) acestia sunt smulsi si azvarliti particulele incidente pastrandu-si directia practic neschimbata fapt pentru care parcursul lor in orice mediu este rectiliniu Atomul caruia i

23

s-a smuls un electon devine ion pozitiv si impreuna cu electronul detasat formeaza o pereche de ioni procesul in ansamblu numindu-se ionizare

Numarul de perechi de ioni creati pe unitatea de lungime se numeste ionizare specifica (j) si este data de raportul dintre patratul atomic Z al particulelor si patratul vitezei particulei (vp)

WL BRAGG studiind variatia numarului de ioni formati in functie de unitatea de lungime a constatat ca ionizarea maxima este atinsa la sfarsitul parcursului (Fig 44)

Fig 44 Curbele de tip Bragg ale Po si RaC΄

b In cazul in care energia tansferata (Q) este inferioara energiei de legatura a electronului acesta nu este detasat din structura atomica sau moleculara de care apartine si se produce excitarea atomului respectiv

Urmarind distributia energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale se obtine o curba de distributie care este reprezentata in fig 45

Fig 45 Curba de distriutie a energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale

Conform acestei curbe energia ε=ΔE pierduta de o particula parcurgand un mic segment Δx din traiectoria sa se repartizeaza astfel

- 30 din energie (100gtQgt10eV) se consuma in excitari - 30 din energie (Qlt10eV) se consuma pentru ionizari- 40 din energie (Qgt100eV) se consuma pentru producerea de electroni

secundari δAceasta repartitie ramane constanta de-a lungul traiectoriei particuleiAutoabsorbtia radiatiilor α Urmarind variatia curentului de ionizare (I) produs

de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva (Fig 46) se observa ca numai in cazul straturilor foarte subtiri se inregistreaza o crestere proportionala a curentului de ionizare cu grosimea stratului activ Pentru o anumita grosime a stratului de substanta ionizarea devine constanta deoarece particulele α emise

24

de straturile inferioare se absorb total in cele superioare Straturile ale caror grosime este egala sau mai mare decat pacursul se numesc straturi ldquogros infiniterdquo

Fig 46 Variatia curentului de ionizare produs de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta rdioactiva

Ecranarea particulelor grele incarcate Particulele grele incarcate in primul

rand radiatiile α au parcursuri foarte mici de ordinul micronilor in corpuri solide fapt pentru care nu ridica probleme speciale de ecranare fiind absorbite total si cu usurinta de toate substantele chiar si de o foaie de hartie De aceea simpla utilizare a manusilor de cauciuc ori a hartiei de filtru in lucrari de laborator cu astfel de substante radioactive sunt masuri suficiente care sa asigure o buna protectie impotriva iradierii externe

Reactiile nucleare ale prticulelor grele incarcate La interactiunea particulelor grele incarcate cu anumite nuclee tomice acestea pot sa sufere transmutatii artificiale In particular radiatiile α emise de unele surse radioactive naturale au importanta istorica deoarece stau la baza unor importante descoperiri cum sunt

- reactiile nucleare (α p) realizate pentru prima data de E RUTHERFORD in anul 1919 au condus la descoperirea primei transmutatii artificiale sinteza izotopului stabil 17O din 14N cu emisia unui proton

In prezent cu ajutorul particulelor α ndash accelerate se prepara numerosi radioizotopi pe baza ecuatiei generale

- reactiile nucleare (α n) au stat la baza descoperirii neutronului de catre CHADWICK in 1932 prin bombardarea beriliului cu radiatii α ale poloniului

Reactiile (α n) prezinta un interes deosebit si datorita faptului ca ele stau la baza surselor de neutroni de laborator Substantele α ndash active cele mai utilizate sunt210Po 226Ra si 239Pu

Sursele Ra ndash α ndash Be emit neutroni cu un spectru energetic continuu cu energii pana la 137 MeV si randament foarte mare la 1 mCi Ra corespund 13 104 ncm2 s fiind sursele cele mai constante din cauza timpului de injumatatire lung al radiului (1600 a)

Tot pe baza reactiei nucleare (α n) sotii JOLIOT-CURIE in anul 1934 iradiind o foita de aluminiu cu particule α au obtinut fosfor radioactiv descoperind radioactivitatea artificiala care a deschis perspective nebanuite fizicii si chimiei nucleare

In prezent sub actiunea particulelor α accelerate se produc numerosi radioizotopi

ai elementelor cu timpi de injumatatire mici pe baza reactiei generale

25

De asemenea sub actiunea particulelor α accelerate au fost sintetizate o parte din elementele transuraniene conform reactiilor

In mod asemanator pot provoca reactii nucleare si alte particule grele accelerate

(protoni deuteroni) Dintre acestea se remarca- reactiile nucleare (p γ) puternic exoenergice cu emisie de fotoni de mare

energie - reactiile nucleare (d n) care stau la baza producerii neutronilor de laborator cu

ajutorul generatoarelor de inalta tensiune Cu ajutorul deuteronilor de 5 MeV s-au sintetizat pentru prima data prin reactii nucleare (d n) tehnetiul si prometiul

- reactiile nucleare (d p) care se produc cu o probabilitate de 10 ori mai mare

decat cele (d n) prezinta interes deoarece conduc la formarea de izotopi ai tintei intocmai ca in cazul reactiilor (nγ) De exemplu 23Na(dp)24Na 31P(d p)32P

Particulele grele incarcate cu energii mai mari de 50 MeV genereaza o serie de reactii nucleare in cascada dezintegrarea cu expulzarea de nucleoni rapizi (p d T) fisiunea nucleara reactii secundare si emisia de nuclee usoare

42 Interactiunea electronilor cu substanta

Fasciculele de electroni emisi de radionuclizii β ndash activi (β- si β+) precum si cei proveniti din generatoare la interactiunea cu substanta se atenueaza pierzand energia de-a lungul parcursului

Datorita unor serii de procese de absorbtie prin ciocniri elastice si neelastice si uneori prin radiatie de franare efectele fizice produse de aceste procese constau din excitarea si ionizarea mediului strabatut iar contributia fiecarui proces in parte este determinata de energia electronilor incidenti precum si de natura materialului absorbant

Imprastierea neelastica electron-electron Dintre toate procesele de interactiune ale electronilor cu substanta predominant este cel de imprastiere la ciocnirea neelastica cu electronii orbitali ai atomilor din mediu deci procesele electron-electron Datorita acestui fapt electronii sufera imprastieri sub unghiuri diferite motiv pentru care drumul fasciculelor de electroni prin mediu nu este rectiliniu ci foarte sinuos (fig 47) De aceea intr-o substanta de o anumita grosime electroni de aceeasi energie parcurg drumuri complet diferite care intrec in lungime 15 ndash 4 ori grosimea stratului penetrat

Fig 47 Drumul sinuos al electronilor prin substanta

26

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

Cuprins

Cap 1 Introducerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1Cap2 Raspandirea elementelor radioactive in mediul inconjurator3 21Unele particularitati ale radioactivitatii tipurilor de roci soluri apelor naturale si atmosferei4 22 Elemente si minerale radioactive7 23 Radioizotopi naturali9 24 Raspandirea radioactivitatii in Univers10Cap3 Efecte radiobiologice asupra omului12 31 Particularitatile efectelor biologicehelliphelliphelliphelliphelliphellip12 32 Clasificarea efectelor biologicehelliphelliphelliphelliphelliphellip13 33 Fazele tipice ale evolutiei imbolnavirii in urma iradierii15 34 Clasificarea efectelor biologice dupa natura lor16 341 Efecte biologice precoce17 342 Efecte somatice tarziihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip19 343 Efecte genetice20 344 Efecte biologice teratogenehelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21Cap4 Efectele fizice ale radiatiilor ionizante la interactiunea cu substanta23 41 Interactiunea particulelor grele incarcate cu substanta23 42 Interactiunea electronilor cu substanta29 43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta33 Bibliografie34

1 Introducere

2

Radioactivitatea este prezenta pe planeta noastra de la inceputurile existentei sale in ciuda faptului ca fenomenul in sine a fost descoperit abia la sfarsitul secolului al XIX ndash lea de catre H Becquerel (1896) pe cand incerca sa obtina radiatii X pe alta cale decat cea folosita de Roentgen

Ulterior Becquerel ajunge la concluzia ca toate combinatiile chimice ale uraniului manifesta fenomenul de radioactivitate indiferent daca sunt sau nu fluorescente si ca el este o proprietate a atomului de uraniu Maria Sklosovska Curie stabileste ca radioactivitatea este proportionala cu continutul de uraniu in combinatia respectiva si ca de fapt ea nu este o proprietate exclusiva a atomului de uraniu dovedind ca mineralele de toriu prezinta de asemenea radioactivitate

Intr-o colaborare stiintifica unica impreuna cu sotul ei Pierre Curie Marie Curie descopera in anul 1898 doua elemente radioactive noi elementul 84 pe care-l numeste poloniu in cinstea patriei sale de origine (Polonia) si elementul 88 caruia ii da numele de radiu datorita radioactivitatii puternice care s-a dovedit de circa un milion de ori mai intensa decat radioactivitatea unei mase egale de uraniu In anii care au urmat au fost descoperite celelalte elemente radioactive membre ale familiilor radioactive naturale iar in anul 1904 dupa ce E Rutherford si F Soddy recunosc fenomenul de izotopie se stabilesc locurile noilor radioizotopi descoperiti in sistemul periodic al elementelor

Anul 1903 are o semnificatie deosebita in evolutia cunostintelor din domeniul nuclear deoarece este anul in care E Rutherford si F Soddy au demonstrat practic ca radioactivitatea este legata de transformarea prin dezintegrare a atomilor unui element in atomii altor elemente In mod concret ei au stabilit experimental ca atomul de radiu emitand o particula α se transforma intr-un atom de radon

O noua etapa importanta in dezvoltarea stiintelor naturii in particular a fizicii nucleare a inceput in anul 1934 deschizand calea spre eliberarea energiei nucleare In acest sens Irene si frederic Joliot Curie au desoperit radioactivitatea artificiala iradiind o folie de aluminiu cu particule α

Un alt moment important in evolutia cercetarilor nucleare l-a constituit activitatea desfasurata de E Fermi care in anul 1963 a reusit sa obtina radioizotopi artificiali pe baza unor reactii nucleare cu neutroni termici (n γ) cand majoritatea elementelor iradiate se transforma in radioizotopi ai tintei

Prin iradierea cu neutroni termici el obtine pentru prima data elemente transuraniene (93 si 94)

La scurt timp Joliot-Curie demonstreaza ca pe langa produsii de fisiune rezulta si 2-3 neutroni prevazand posibilitatea realizarii reactiei in lant In felul acesta s-a facut un nou pas important pe drumul eliberarii energiei nucleare si deja la 2 decembrie 1942 a intrat in functionare primul reactor nuclear construit de Enrico Fermi la Chicago (SUA) iar la 16 iunie 1945 explodeaza experimental prima bomba atomica la Alamogardo (SUA) pe un poligon experimental

Urmatoarele doua bombe atomice au fost aruncate de catre fortele armate ale SUA asupra oraselor japoneze Horosima si Nagasaki in 1945 spre sfarsitul celui de al doilea razboi mondial

La 1 martie 1954 SUA a experimentat prima arma termonucleara (bomba cu hidrogen) pe Atolul Bikini care a fost amorsata cu o bomba atomica obisnuita cu plutoniu situata in interiorul ei

Pentru oamenii de stiinta contemporani care lucreaza in domeniul energeticii nucleare o preocupare prioritara o constituie gasirea unor mijloace si cai de a controla si dirija procesele de fiziune si a le pune in slujba scopurilor pasnice Pe aceasta cale va fi

3

posibil sa creasca nelimitat rezervele de energie avand in vedere faptul ca resursele de hidrogen si alte elemente usoare de pe pamant inclusiv din hidrosfera (oceane mari lacuri rauri) sunt comparabile cu cifre astronomice si socotite practic nelimitate

Desigur problema cheie a domolirii reactiilor termonucleare o constituie gasirea unor metode de realizare a temperaturilor inalte necesare armosarii acestor reactii altfel decat cu ajutorul bombei atomice precum si a obtinerii unor materiale care sa reziste la temperaturi asa de mari

De un interes deosebit se bucura si folosirea unor surse radioactive pe baza de elemente actinoide generatoare de energie termica si electrica cu variate aplicatii in tehnica medicina si cercetare caracterizate de o functionare constanta si indelungata (minim 10 ani) desi energia obtinuta este mai redusa Printre acestea se remarca bateriile electrice care functioneaza pe baza radiatiilor α emise de plutoniu 238 si utilizate in biostimulatorii de pulsuri ale inimii sau la functionarea unor instalatii montate pe sateliti si diverse vehicule spatiale

In paralel rezultatele obtinute in domeniul energeticii nucleare industriale si miliare s-au dezvoltat si amplificat cercetarile si aplicatiile practice ale izotopilor radioactivi artificiali ca surse de radiatii sau ca atomi marcati (trasori) in cele mai variate domenii de activitate chimie tehnica si industrie petrol metalurgie geologie medicina si biologie agricultura si silvicultura etc

Pe baza posibilitatii de identificare si diferentiere a atomilor si moleculelor marcate de cele nemarcate s-au instituit metode rapide si simple de analiza cu radioizotopi Printre acestea se numara metodele cu reactivi radiochimici (precipitarea titrarea si dilutia izotopica) metode de analiza prin activare metode de analiza cu fascicule cu radiatii (adsorbtia neutronilor retrodifuzia radiatiilor β ionizarea mediului etc)

4

2 Raspandirea elementelor radioactive in mediul inconjurator

Planeta noastra a mostenit inca de la formare o zestre apreciabila de radioactivitate terestra din care s-a pastrat o parte respectiv elementele si izotopii radioactivi de viata lunga cu timpi de injumatatire foarte mari238U(T447109 a) 235U(T704108 a ) si 232Th(T141010 a) generatori ai celor trei familii radioactive naturale si descendentii lor radioizotopi ai elementelor cu Z=81-92 dintre care cei mai importanti sunt 226Ra (T 1600 a) Io(230Th)(T 77104 a) si 231Pa(T325104 a) Aceste radioelemente nu sunt decat niste resturi care ne reamintesc de o vreme in care aproape toate speciile nucleare erau radioactive Dintre ele cel mai raspandit in scoarta terestra si cel mai important sub toate aspectele este uraniul (310-4 ) element dispers mai raspandit decat aurul argintul si mercurul urmat de toriu (810-4 ) si de radiu (2010-10 ) Ele sunt prezente intr-o masura mai mica sau mai mare in rocile eruptive metamorfice si sedimentare in hidrosfera si in troposfera In unele zone ale scoartei terestre concentratia lor in rocile de suprafata poate atinge valori de ordinul zecimilor si chiar al catorva procente Sub actiunea agentilor atmosferici (vanturi precipitatii si variatii de temperatura) mineralele radioactive sunt partial alterate solubilizate si transportate de ape contribuind la poluarea mediului Fenomene de acest gen se remarca mai ales in procesele de exploatare miniera a uraniului cand acesta se oxideaza si solubilizeaza trecand in apele de mina sub forma de saruri de uranil (10 -6 ndash 10-2 gl) si de aerosoli in aerul atmosferic In acelasi timp in atmosfera se mai concentreaza si o cantitate apreciabila de radon gaz radioactiv degajat prin transformarile succesive ale uraniului care intra in echilibru cu radonul din apele de mina eliberat de sarurile de uranil solubilizate

21Unele particularitati ale radioactivitatii tipurilor de roci soluri apelor naturale si atmosferei

Radioactivitatea rocilor magmatice este considerabil mai ridicata in varietatile acide decat in cele bazice (tabelul 21) In cazul rocilor magmatice elementele radioactive se concentreaza in special in zircon monazit sfen biotit si altele iar in speciile granitice radioactivitatea creste in directia cuart ndash feldspatii ndash minerale feromagneziene-minerale accesorii Principalul purtator de uraniu din granite este ortitul un silicat de aluminiu fier si calciu In cadrul rocilor eruptive uraniul se gaseste sub forma de minerale uranifere de amestec izomorf in retelele cristaline ale altor minerale in stare de adsorbtie la suprafata granulelor in stare solubila in incluziunile lichide din minerale sau in spatiul intergranular

Continutul mediu de radioelemente naturale in diferite tipuri de roci magmaticeTabelul 21

Tipul de roca U 10-4 []

Th 10-4 []

Ra 10-10 []

5

Acide 35 18 12Neutre 18 7 06Bazice 05 3 027

Ultrabazice 0003 0005 001

Radioactivitatea rocilor metamorfice depinde de radioactivitatea rocilor initiale si de caracterul metamorfismului Ea este foarte diferita pentru diversele tipuri chiar si in cadrul unuia si aceluiasi pachet de roci metamorfice Radioactivitatea gnaiselor si a sisturilor formate din roci argiloase este mai ridicata decat a cuartitelor Valoarea ei creste in rocile in care s-a suprapus fenomenul de metamorfism hidrotermal (tabelul 22)

Radioactivitatea naturala a rocilor metamorfice Tabelul

22Tipul de roca Ra

10-12 [gg]U

10-6 [gg]Th

10-6 [gg]Gnais 21 62 87

Gnais augitic 071 20 -Eclogit 007 02 -

Radioactivitatea rocilor sedimentare variaza in limite largi de la argile si sisturi argiloase (cele mai radioactive) la rocile organogene si chimic pure (sare gema gips anhidrite calcare dolomite) cele mai putin radioactive (tabelul 23)

Continutul mediu de radioelemente naturale in roci sedimentare Tabelul 23

Tipul de roca U 10-4 []

Th 10-4 []

Ra 10-10 []

Gresie 3 ndash 4 - 0 ndash 15 Cuartit 16 - 045Argila 43 13 13

Sist argilos 30 - 109Calcar 15 05 05

Dolomit 03 - 011

Radioactivitatea solurilor depinde de compozitia chimico-mineralogica a rocilor din care sunt formate Daca acestea sunt de compozitie mai acida (granitica) vor fi mai radioactive Spre deosebire de toriu si radiu care se acumuleaza in soluri in cantitati mai mari uraniul este spalat si transportat de catre acizii humici cu usurinta

Radioactivitatea apelor naturale variaza dupa continutul in elemente radioactive Astfel apa dulce contine in medie substante radioactive cu o activitate de 037 Bql (10 pCil) In apa marilor radioactivitatea este de circa 36 de ori mai mare respectiv ajunge la circa 13 Bql (351 pCIl) iar in apele minerale aceste valori sunt de circa o suta de ori mai mari respectiv 37 Bql (1000 pCIl) In tabelul 24 se prezinta continutul mediu de uraniu radiu si radon in unele ape naturale

Continutul mediu in uraniu si radiu al unor ape naturale

6

Tabelul 24Tipul de ape naturale U [gl] Ra [gl]

Rauri 6∙10-7 2∙10-13

Lacuri 8∙10-6 1∙10-12

Mari si oceane 2∙10-6 1∙10-13

Din roci sedimentare 5∙10-6 2∙10-2

Din roci magmatice acide 7∙10-7 2∙10-12

Din zacaminte de uraniu 8∙10-4 8∙10-11

Principalii factori care influenteaza solubilitatea si continutul in elemente

adioactive sunt compozitia in saruri si gaze a apei capacitatea de emanatie a rocilor prin care circula apele regimul de temperatura al acestora conditiile hidrogeologice generale si regimul hidrodinamic al apelor subterane Apele cu continut de saruri levigheaza intens uraniul si radiul din roci iar in functie de pH si de oxigen oxideaza uraniul (IV) la uraniu (VI) determinand o solubilizare si o migrare intensa a acestuia In afara de oxigen si alte gaze cum ar fi dioxidul de carbon dizolvate in apa favorizeaza migrarea uraniului Totodata aceste ape se imbogatesc in radon si radiu devenind ape radioactive De asemenea diferitele tipuri de ape de strat din zacamintele de petrol contin radiu in concentratii de ordinul 10-11 gl Valori maxime se intalnesc in apele de strat cloro-sodice iar in zonele petroliere continutul de radiu din ape creste pe masura apropierii de zacamantul de petrol

Radioactivitatea amosferei se datoreaza prezentei emanatiilor radioactive radon (222Rn) toron (220Tn) si actinon (219An) Spre deosebire de radon care prezinta o raspandire mai larga avand timpul de injumatatire de 382 zile toronul si actinonul au timpii de injumatatire mici 556 si respectiv 396 s fapt pentru care se intalnesc de regula numai in stratul de aer din apropierea solului (tabelul 25) Radonul care se formeaza continuu din elementele radioactive prezente in sol rezultand circa 0585 mm3

Rng Ra se dezintegreaza la randul lui treptat generand o serie de alti atomi radioactivi asa-zisul depozit fix (218Po 214Pb 214Bi 210Pb) In general continutul radonului in atmosfera este mic respectiv de ordinul 10-13 Cil aer (37 mBql) si el creste deasupra zonelor bogate in minereuri radioactive ajungand la 10-9-10-8 Cil (37-37 Bql)Pe baza masuratorilor concentratiei de radon se pot prospecta zacamintele radioactive de la distanta de exemplu din avion

Continutul mediu de radon in diferite zone ale aerului atmosferic Tabelul 25

Locul de raspandire al radonului in aer

Rn[Cil] Bql]

Aer de sol 2010-10 74Aer deasupra solului 1310-10 482Aer deasupra marii 14410-10 532

22 Elemente si minerale radioactive

In principal radioactivitatea naturala a scoartei terestre este determinata de continutul de uraniu toriu si produsele lor de dezintegrare

7

Uraniul este raspandit sub forma a circa 200 de minerale ce pot fi clasificate in oxizi oxizi hidratati carbonati sulfati fosfati molibdati vanadati silicati si compusi organici (tabelul 26)

Principalele minerale de uraniu Tabelul 26

Denumirea Formula chimica Oxizi si oxizi hidratati

Uraninit UO2

Pechblenda U3O8

Broumlggerit (U Th)O2

Carbonati sulfati silicatiRuterfordiu UO2CO3

Sharpit (UO2)3(CO3)5(OH)27H2OUranopilit (UO2)6(SO4)(OH)1012H2OJohannit Cu(UO2)2(SO4)2(OH)26H2OSoddit (UO2)5(SiO4)2(OH)25H2O

Fosfati si arsenatiAutunit Ca(UO2)2(PO4)210H2O

Torbernit Cu(UO2)2(PO4)28H2OUranospinit Ca(UO2)2(AsO4)28H2O

Troumlgerit (UO2)3(AsO4)12H2OVanadati si molbdati

Carnotit K(UO2)2(VO4)23 H2OTyuyamunit Ca(UO2)2(VO4)28 H2O

Molibdat de calciu si U Ca(UO2)3(MoO4)3(OH)28 H2O

De asemenea el se gaseste raspandit si in apele raurilor si lacurilor in apele marilor si oceanelor in petrol carbuni in gazele naturale etc Dintre mineralele sale putine sunt exploatabile

Uraninitul UO2 cu continut de radiu actiniu poloniu si alte produse ale transformarilor radioactive

Uraninitul cristalizeaza in sistemul cubic (retea CaF2) are culoare neagra cu luciu puternic de smoala in spartura duritate mare (103-106) este casant si puternic radioactiv Varietatile compacte de mase collomorfe poarta denumirea de ldquosmoala de uraniurdquo

Uraninitul se gaseste raspandit in pegmatite granitice si sienitice cu continut de toriu si pamanturi rare In concentratii mai mari se gaseste raspandit in zacaminte hidrotermale asociat cu arseniura de nichel si cobalt cu carbonati de calciu si de fier Cele mai mari zacaminte se afla in Canada langa Marele Lac al Ursilor si in provincia Katanga (Congo Belgian) Cehia Rusia etc

Pechblenda U3O8 un amestec de oxizi ai U(IV) cu U(VI) este un mineral de culoare neagra fara continut de toriu si pamanturi rare Are aspect de smoala numit si ldquosmoala de uraniurdquo fiind cel mai important mineral industrial de uraniu Apare in formatii sferoidale fara cristale clare S-a format in solutii coloidale cand s-a depus sub forma de gel care s-a solidificat si cristalizat ulterior Cristalizeaza in sistemul cubic avand culoare neagra de smoala uneori cu nuante verzui In principal se gaseste in filoane hidrotermale formate in zonele profunde ale zacamintelor exogene in conditii de mediu reducator Se gasste raspandit in SUA Rusia Canada Congo Cehia etc

8

Carnotita K(UO2)2(VO4)23 H2O se gaseste de obicei sub forma de mase pulverulente si eflorescente de culoare galben-deschisa sau galben-verzuie cu luciu puternic sidefos Cristalizeaza in sistemul rombic are duritate mica (2 ndash 25) este casant si puternic radioactiv Se gaseste in zona de alterare a rocilor sedimentare in special a gresiilor bogate in resturi organice Zacaminte importante se gasesc in statul Colorado (SUA) Canada Australia Africa de Sud Rusia (Ual Siberia) Cehia Maroc Iordania Israel etc

Toriul se gaseste raspandit in natura 810-4 sub forma de minerale proprii Principalele minereuri din care se extrage toriul sunt

Monazita (CeLaPrNdhellip)Po4 este un mineral care contine ThO2 sub forma de amestec izomorf 4 ndash 19 lantanoide (CeLa) 50 ndash 68 Cristalizeaza in sistemul monoclinic sub forma de cristale mici de culoare galben-bruna cafenie rosie rareori cu luciu accentuat sticlos sau gras si duritate 5 ndash 55 Se intalneste de obicei in pegmatite uneori in gnaise asociat cu feldspat zircon Prin alterare trece in aluviuni fluviale si marine (Brazilia la Minas Geraes) si India In depozite formeaza zacaminte in India Brazilia Africa de Sud Canada SUA Egipt etc

Toritul ThSiO4 se prezinta sub forma de cristale tetragonale de culoare neagra bruna galbena portocalie cu luciu sticlos sau gras casant duritate 45 ndash 5 fiind puternic radioactiv Se intalneste de obicei sub forma de granule diseminate mai rar ca mase compacte Varietatea de culoare portocalie se numeste Orangit iar cea cu continut de 10 ndash 16 U3O8 Uranotorit Se gaseste in Norvegia Elvetia si Madagascar

Radiul nu are minerale proprii insa se gaseste in mineralele de uraniu unde formeaza prin dezintegrarea succesiva 4 radioizotopi naturali 226Ra 228Ra 224Ra si 223Ra descendenti ai celor trei familii radioactive naturale Principala sursa de obtinere a 226Ra este pechblenda care contine 200 mg Rat U3O8 In scoarta pamantului el se gaseste raspandit 2010-10 iar in apele oceanelor si marilor 10-13 g Rat In tabelul 27 se da raspandirea lui in apa si alimente

9

Concentrarea radiului in apa potabila si alimente in pCi 226Rakg material proaspat sau la litru

Tabelul 27Tipul de aliment

New York City Chicago San Francisco R F G

Apa potabila 004 02 - 003-034Apa de rau 003 - - 007-08Paine alba 32 33 29 17-33Faina alba 27 24 13 27Lapte liq 025 024 022 03Cartofi 20 14 10 06-10

Fasole uscata 61 70 24 -Vegetale 24 22 07 16-17Fructe 15-28 14 09 09Orez 15 07 06 -Oua 41-79 27 26 31Peste 12 07 08 28-63Carne 044 045 081 08-15

Prelucrare dupa Schimier H Seelentag Wiand Waldeskong B ldquoThe radiation of human beingsrdquo Tehnical report series nr 123 IAEA p 7-30 (1971)

Protactiniul este raspandit in scoarta terestra 710-12 in minereurile de uraniu sub forma a trei radioizotopi 234Pa(UX2) 234Pa(UZ) si 231Pa La 1 g de uraniu natural se gasesc 3510-7 g Pa respectiv o tona de uraniu contine 1 mg Ac si 129 mg Pa

23 Radioizotopi naturali

In afara elementelor radioactive amintite in scoarta terestra se gasesc raspanditi o serie de izotopi radioactivi ai unor elemente in amestec cu izotopi stabili ai acestora Printre ei se numara 40K(T 128109 a) 87Rb(T471010 a) 115In(T 61014 a) 130Te(T 141021 a) 138La (T 131011 a) 176Lu (T 331010 a) 187Re (T 511010 a) si altii cu timpi de injumatatire cuprinsi intre 1010 si 1017 ani

Din randul lor se remarca 40K care insotind izotopii stabili ai potasiului unul din elementele abundente in scoarta terestra confera o anumita radioactivitate apelor si rocilor Astfel contributia 40K la radioactivitatea apelor marine este de 111 Bql In diferitele roci activitatea adusa de 40K variaza de la 081 Bqg in roci arse in bazalt la 117 Bqg in granite De asemenea ea variaza si in unele alimente de la 066Bqkg in lapte la 222 Bqkg de grau respectiv la 74 Bqkg in carne

O alta serie de radioizotopi cum sunt 14C si tritiul (3H) se formeaza permanent in natura prin bombardarea azotului din aer cu neutroni de origine cosmica sau cu cei eliberati din reactiile (α n) de dezintegrare α-spontana a unor nuclee grele din scoarta terestra (Ac Th Pa U) precum si din procesele de fisiune spontana a unora dintre ele (235U)

10

In troposfera viteza de formare a tritiului este de 60 atomicm2 pe minut iar a carbonului 14 este de 150 atomicm2 pe minut

In natura concentratia 3H si 14C a ramas practic constanta deoarece in decursul timpului s-a stabilit un echilibru intre procesele de formare si de dezintegrare a acestor radioizotopi

Tritiul (3H) care se formeaza intra in echilibru cu hidrogenul din apa de ploaie prin intermediul careia patrunde in biosfera ajungand in cele din urma la o In toate produsele neizolate de acest echilibru natural tritiul se afla in raport de 4 atomi de tritiu la 108 atomi de hidrogen normal Datorita tritiului in medie radioactivitatea naturala a produselor cu hidrogen este de 111 Bq 3Hg 1H (30 pCig) Apa marilor contine 059 Bql (016 pCi 3Hl)

Carbonul 14 odata format oxideaza la 14CO2 si intra rapid in amestec cu CO2

normal in circuitul carbonului Prin fotosinteza el ajunge in metabolismul vegetal si de aici in cel animal pana la om unde produce circa 18105 dezmin fapt care reprezinta a suta parte din radioactivitatea corpului uman

24 Raspandirea radioactivitatii in Univers

Din studiul meteoritilor rezulta ca si alte planete din sistemul solar sunt prezente principalele elemente radioactive uraniul si toriul impreuna cu elementele din familiile radioactive Daca pe Pamant radioactivitatea joaca un rol foarte important in cadrul general al Universului ea se prezinta ca un proces nuclear minor datorita proceselor termonucleare ce se petrec in anumite tipuri de stele si in special in Soare Se estimeaza ca pentru a egala energia primita de la Soare pe Pamant ar trebui sa fie explodate circa 47 bombe nucleare pe secunda Prin aceasta ldquohemoragie energeticardquo sub forma de radiatie Soarele pierde 42 milioane de tone de masa pe secunda Cu toate ca masa Soarelui este mare rezerva sa de energie calorica ar trebui sa fie consumata intr-un timp relativ scurt si ca asistam la scaderea continua a temperaturii Studiile geologice arata ca de-a lungul epocilor geologice temperatura Pamantului si implicit energia primita de la Soare nu a suferit variatii semnificative Aceasta comportare nu poate fi explicata decat acceptand ca energia de la Soare se reinoieste permanent pe baza unui proces exoergic Conform lui H BETHE (1938) principala sursa de energie din Soare il au doua cicluri de reactii termonucleare

- ciclul proton ndash proton (p ndash p) de trecere prin fuziune de la hidrogen la heliu in etape succesive sub forma de reactii nucleare inlantuite in cicluri termonucleare avand ca produsi intermediari izotopii hidrogenului si ai heliului (fig 21) conform acestui ciclu hidrogenul molecular se constituie ca principala rezerva de combustibil nuclear ldquosangele stelelorrdquo si al Soarelui

- ciclul carbon ndash azot (C ndash N) imaginat de BETHE de trecere de la hidrogen la heliu prin trepte intermediare in prezenta unui nucleu strain cu rol catalizator cum este carbonul 12 in cadrul caruia carbonul se reface iar din patru protoni rezulta un heliu si doi pozitroni (fig 22) In realitate in stele au loc concomitent cele doua cicluri La inceput predomina ciclul p ndash p dupa care urmeaza o perioada cu temperaturi mai ridicate cand predomina ciclul carbon ndash azot

11

Fig 21 Ciclul proton ndash proton Fig 22 Ciclul carbon ndash azot

Multa vreme s-a crezut ca prin ciclul carbon ndash azot se incheie seria reactiilor termonucleare ce au loc in stele In realitate prin cresterea treptata a temperaturii pot sa aibe loc inca o serie de reactii termonucleare prin capturare de helioni cand se formeaza nuclee de 16O si 20Ne procesul nuclear continuand cu formarea 24Mg pana la nucleele cu numar de masa cuprins intre 40 ndash 60

12

3 Efecte radiobiologice asupra omului

Imediat dupa descoperirea radiatiilor roumlentgen si apoi a radioactivitatii s-a sesizat si caracterul periculos al radiatiilor ionizante in cazul folosirii nerationale Pionierii roentgenografiei au cunoscut ldquope propia lor pielerdquo actiunea radiatiilor ionizante iar dupa descoperirea radioactivitatii primele victime au aparut in 1920 in SUA in randul muncitorilor care aplicau vopsele luminoase pe cadranele ceasornicelor Acestora li s-au adaugat savantii Marie Curie si Ireacutene Joliot-Curie renumiti cercetatori in domeniul radioactivitatii care au decedat dupa grele suferinte de leucemie radioindusa Dar cele mai mari victime s-au inregistrat la sfarsitul celui de al doilea razboi mondial in urma exploziilor celor doua bombe atomice lansate de catre SUA asupra Japoniei la Hirosima si Nagasaki

31 Particularitatile efectelor biologice

Indiferent de urmarile provocate de impactul radiatiilor ionizante cu organismul viu actiunea biologica prezinta unele particularitati si anume

- organismul omenesc nu este dotat cu un organ de simt care sa sesizeze prezenta radiatiilor ionizante iar efectul biologic nu este vizibil in momentul iradierii

- efectele biologice sunt cumulative si nu au un caracter particular care sa ne permita deosebirea de efectele aparute altfel decat prin iradiere

- modificarile si simptomele evolueaza lent dupa iradiere Unele sunt imediate sau precoce si apar dupa un ragaz care variaza de la cateva ore la cateva saptamani Altele sunt intarziate si survin dupa mai multi ani (leucemia) dupa mai multe zeci de ani (cancerul fatal) sau pot provoca efecte genetice

In realitate efectele biologice produse de actiunea radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului sunt rezultatul unei lungi serii de fenomene care se declanseaza la trecerea radiatiilor prin organismele vii Evenimentele initiale sunt ionizari si excitari ale atomilor si moleculelor din mediul de interactiune de-a lungul traiectoriilor particulelor ionizante Ulterior aceste perturbari fizice antreneaza reactii fizico-chimice urmate de reactii chimice generand in final efecte biologice Schematic cronologia acestor evenimente este data in tabelul 31

13

Tabelul 31 Prezentarea schematica a fenomenelor declansate deradiatiile ionizante in mediu biologic

32 Clasificarea efectelor biologice

In prezent efectele nocive ale radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului a descendentilor sai si asupra umanitatii in general se clasifica in doua categorii

- efecte nestochastice si- efecte stochasticeEfectele nestochastice sunt efecte imediate (precoce) cu prag reversibile si

imperfect aditive Fiind caracterizate de o relatie de cauzalitate determinate intre doza si efect ele apar atunci cand doza primita depaseste o anumita valoare de prag (fig 31)

Fig 31 Dependenta efectului biologic de doza biologicaa ndash efecte stochastice fara prag b ndash efecete nestochastice cu prag

14

Valoarea pragului pentru un anumit efect poate varia in jurul unei valori medii de la un individ la altul si in functie de conditiile de iradiere In general efectele nestochastice apar destul de repede in timp fiind efecte imediate (precoce) iar vatamarile provocate de ele sunt cu atat mai mari cu cat doza este mai mare

Avand caracter reversibil exista posibilitatea regenerarii unor tesuturi iar dozele administrate intr-un timp lung nu sunt perfect aditive De aceea pentru evitarea producerii lor are mare importanta administrarea fractionata a dozelor de radiatii

Printre efectele nestochastice se numara leziunile nemaligne ale pielii cataracta hipolezia medulara care antreneaza o deficienta hematologica a vatamarilor provocate celulelor gonadelor cu repercusiuni asupra fertilitatii

Efectele stochastice sunt intotdeauna efecte somatice tarzii fara prag ireversibile si aditive Aparitia lor urmeaza o relatie probabilistica doza-efect aparent la intamplare de unde si numele stochastic Altfel spus dintr-o populatie aflata intr-o zona de radiatii efectele stochastice apar numai in unele cazuri individuale aparent la intamplare

Printre ele se numara efectele somatice care se manifesta cu intarziere sub forma de afectiuni maligne (cancer) si efecte genetice (ereditare) ce apar la descendenti Practic intre momentul iradierii si al aparitiei bolii maligne pot trece ani sau zeci de ani

Fiind relatii liniare intre frecventa de aparitie a efectelor stochastice si dozelor absorbite pentru radiatiile cu transfer liniar de energie mica rezulta ca in aceste cazuri la doze mici si debite mici ale dozei riscul pentru sanatate este proportional cu doza administrata In literatura de specialitate factorul de proportionalitate dintre frecventa de aparitie a acestor efecte si doza absorbita a fost denumit factor de risc

Dozele administrate in timp lung fiid aditive nu are importanta daca doza care produce efctul respectiv a fost administrata fractionat sau instantaneu respectiv intr-o secunda sau intr-o luna

Efectul biologic produs este ireversibil si in prezent nu se cunosc metode de reducere a probabilitatilor de aparitie a efectelor stochastice somatice datorate unor doze deja primite

Detrimentul sanatatii Conceptul de detriment al sanatatii se refera la fenomenul de distrugere (vatamare) integrala a unei persoane datorita efectelor biologice ale radiatiilor ionizante fenomen care poate aparea dupa o iradiere in conditii bine definite si la un anumit nivel de doza

In cazul unui efect patologic dat (i) detrimentul (Gj) la un individ (j) este exprimat de produsul intre probabilitatea de aparitie a efectului (pi) si factorul corespunzator de gravitate (g)

iar pentru un grup de persoane (P) detrimentul colectiv (G) este

Acest concept se aplica atat asupra efectelor stochastice cat si a celor nestochastice in principal fiind utilizat pentru estimarea vatamarilor datorate efectelor stochastice

Intre probabilitatea de aparitie a efectelor biologice stochastice si echivalentul de doza se stabileste o relatie liniara fara prag aplicata la doze slabe De aceea detrimentul colectiv al sanatatii este proportional cu echivalentul de doza efectiv colectiv Totusi in mod practic detrimentul unui grup de indivizi nu poate fi redus la o insumare a vatamarilor individuale fapt pentru care echivaletul de doza colectiva se ia ca un partener printre altele

15

33 Fazele tipice ale evolutiei imbolnavirii in urma iradierii

In dinamica evolutiei reactiilor care au loc in urma iradierii se pot distinge trei perioade importante perioada primara perioada latenta si perioada secundara

Reactiile in perioada primara de actiune a radiatiilor ionizante se datoreaza a trei tipuri principale de mecanisme mecanismul actiunii directe indirecte si la distanta

Efectul biologic prin actiune directa consta in transmiterea directa a energiei particulelor incarcate sau a electronilor secundari catre atomii si moleculele substantelor celulare Produsul principal al acestei actiuni sunt ioni si atomi excitati de-a lungul parcursului particulei in celula Datorita ionizarii si excitarii substantelor prin mecanism primar se produc modificari chimice ale acestora (mecanismul actiunii indirecte) Deoarece organismele vii au in compozitia lor un mare procent de apa la om ajungand pana la 85 din greutatea corpului multa vreme s-a considerat ca actiunea nociva a radiatiilor ionizante este cauzata de produsele de descompunere a ei si in special de apa oxigenata care actioneaza ca agent oxidant (ipoteza actiunii prin apa oxigenata) O ipoteza mai verosimila considera ca rolul principal in actiunea biologica primara il au radicalii H OH si O2H care apar la radioliza apei (ipoteza actiunii prin radicali liberi) Conform acestei ipoteze radioliza apei constituie o sursa pentru actiunea indirecta a radiatiei deoarece radicalii liberi formati pot afecta atat cromozomii cat si proteinele citoplasmatice

Datorita interventiei sistemului nervos a glandelor endocrine si a transportului prin umori sau difuziune a unor substante rezultate in tesuturile iradiate efectele biologice se pot produce nu numai in organele iradiate ci si in cele neiradiate (mecanismul actiunii la distanta sau al actiunii secundare)

Perioada latenta care apare in organism dupa perioada primara se caracterizeaza prin faptul ca fenomenele sunt atat de neinsemnate incat nu pot fi descoperite neinregistrandu-se nici un fel de tulburari Perioada latenta variaza invers proportional cu doza de radiatii De aceea in cazul unor iradieri cu doze mortale perioada latenta dureaza de la cateva ore la 30-40 de zile iar in doze fractionate mici ea dureaza mai mult de un an

Perioada secundara este dominata de formarea in celule si tesuturi de substante toxice care conduc la intoxicarea organismului determinand o serie de efecte biologice importante (ipoteza formarii uor substante toxice) Reactiile din aceasta perioada sunt de natura necunoscuta si in decursul timpului ele au fost atribuite actiunii apei oxigenate peroxizilor organici si histaminei problema fiind insa in discutie Cert este faptul ca sub actiunea radiatiilor ionizante apar molecule active in primul rand in celulele din tesuturi si in paralel in sange si in limfa

34 Clasificarea efectelor biologice dupa natura lor

Cel mai fercvent efectele biologice se clasifica dupa natura lor in- efecte precoce care nu apar decat pentru doze ridicate- efecte somatice tarzii care se manifesta dupa mai multi ani chiar mai multi zeci

de ani- efecte genetice care privesc descendentii - efecte teratogene care se refera la afectarea embrionului si a fetusului

341 Efecte biologice precoce

16

Efectele biologice precoce survin la putin timp dupa iradiere uneori dupa cateva ore sau mai putin si sunt efecte cu prag fapt pentru care nu apar decat daca doza depaseste un anumit nivel Deasupra pragului ele cresc cu doza De aceea pentru a evita producerea lor s-au elaborat reglementari care impun limitarea sub nivelul de prag al dozelor ce le pot primi operatorii care lucreaza in medii de radiatii ionizante Cele mai fragile tesuturi care sufera efecte biologice cu prag sunt pielea celulele formate de sange maduva osoasa intestinul si organele sexuale sau gonade

Efectele biologice precoce in cazul iradierilor partiale Acestea se refera la piele maduva osoasa si organele genitale

Pielea Efectele radiobiologice ale pielii sunt foarte variabile si ele depind de doza de localizarea anatomica de varsta de pigmentatia tegumentului etc In general la doze mai mari de 10 Gy nu se observa nici o leziune grava dar la 25 din cazuri apare o senzatie de caldura La doze intre 10 si 20 Gy apar epidermite exudative urmate dupa un timp de o latenta de trei saptamani de eritema secundara apoi de epitelitaexudativa dupa 3-6 luni facandu-se restaurarea fara recurs In cazul unor iradieri foarte importante si profunde se altereaza vascularizatia si apare ulceratia care necesita un tratament chirurgical

Maduva osoasa organul cel mai sensibil la iradierea globala conduce limfopenia cu atat mai repede cu cat doza de radiatii este mai mare

Organele sexuale respectiv testiculele la barbati si ovarele la femei reactioneaza diferit la iradiere

Testiculele care se remarca printre cele doua functii de producatore de hormoni si spermatozoizi la iradiere le este afectata numai cea de-a doua functie (producatoare de spematozoizi) La doze relativ mici de 05 Gy se instaleaza o depresiune tranzitorie si spontan reversibila iar la doze de circa 2 Gy apare o azospermie si sterilitate temporara in jur de un an Experientele efectuate de americani pe detinuti voluntari au aratat ca in cazul iradierii testiculelor cu doze de 6 Gy sterilitatea este temporata la om De asemenea supravietuitorii dintre cei 23 pescari japonezi care au fost iradiati in urma exploziei experimentale a armei termonucleare de la Bikini in 1954 si care se estimeaza ca au primit doze de 3 - 66 Gy dupa o sterilitate de 2-3ani au avut copii normali (in total 45 copii)

- Ovarele comparativ cu testiculele au o sensibilitate mai mica fata de radiatiile ionizante aceasta fiind influentata si de varsta Astfel pe cand la o femeie tanara in jur de 25 de ani este necesara o doza de 12-15 Gy pentru a provoca o menopauza artificiala la o femeie de peste 40 de ani este suficienta o doza de numai 7 Gy Se mentioneaza ca la femei sterilitatea este insotita de oprirea functiei endocrine

Din cercetarile efectuate precum si din constatarile asupra descendentilor celor iradiati in urma exploziilor atomice de la Hirosima si Nagasaki a rezultat ca in urma unei iradieri puternice care a provocat sterilitatea temporara nu s-au produs urmari genetice prin afectarea celulelor sexuale

Iradierea organelor profunde La iradieri puternice mai ales in radioterapie sunt iradiate si organele profunde plamanii inima rinichii tubul digestiv ficatul sistemul nervos central si creierul Dintre acestea deosebit de sensibile sunt plamanii care dupa o doza de 25 Gy se imbolnavesc de fibron pulmonar iar dupa 6-12 luni urmeaza decesul

Rinicii si ficatul sunt afectati la doze peste 30 Gy In cazul rinichilor functionarea lor este afectata dupa cateva saptamani de la iradiere pe cand vezica poate suporta doze mult mai mari Diversele organe ale aparatului digestiv au radiosensibilitati diferite Cel mai radiosensibil este intestinul subtire la care apar leziuni in urma absorbtiei unor doze

17

sub 30 Gy Urmeaza stomacul care este afectat de doze in jur de 40 Gy cel mai rezistent fiind colonul care reactioneaza numai la doze cuprinse intre 50 si 56 Gy

Destul de radiosensibil este si sistemul nervos care manifesta o fragilitate a celulelor nervoase a vaselor sangvine si o capacitate limitata de regenerare a tesuturilor nervoase La doze peste 40 Gy administrate in patru saptamani apare o paraplegie care dupa doi ani se extinde In ceea ce priveste creierul desi modificari morfologice apar deja de la doze de 10 Gy el poate suporta doze de circa 50 Gy timp de 5-6 saptamani

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor globale In urma unor iradieri globale cu doze in jur de 1 Gy care sunt fara gravitate imediata nu se observa decat foarte discrete modificari hematologice in ceea ce priveste globulele albe dar ele se regenereaza rapid In astfel de cazuri se aplica un tratament modest fara a fi necesara spitalizarea

La doze cuprinse intre 1 si 2 Gy desi semnele fizice inca lipsesc se observa o scadere a globulelor albe si a plachetelor iar numarul globulelor rosii este modest In acest caz sunt necesare transfuzii si tratament antibiotic Din contra la doze de peste 2Gy se observa o evolutie stereotipa a bolii cu afectarea celulelor formatoare de sange si scaderea corespunzatoare a numarului maxim de elemente reprezentative din sange Evolutia imbolnavirii se face urmand cele patru faze tipice Dupa o perioada de debut care dureaza trei zile insotita de simptome discrete urmeaza de perioada latenta practic silentioasa care dureaza peste trei saptamani In continuare se instaleaza perioada de stare (perioada critica) careia i se asociaza semne generale cum sunt oboseala intensa tulburari digestive hemoragii si infectii formula sangvina fiind foarte modificata In acest moment viata bolnavului este in pericol Abia dupa circa trei luni el intra in covalescenta In acest caz spitalizarea este indispensabila intr-un centru specializat cu locuri sterilizate repaus absolut si eliminarea posibilitatilor de infectare In cadrul tratamentului se recomanda grefe de maduva osoasa La doze mai mari grefa cu maduva osoasa poate fi singura sansa iar la doza peste 12 Gy de iradiere instantanee orice tratament terapeutic nu este eficace

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor accidentale In ultimele decenii s-au inmultit numarul iradierilor accidentale Principal ele pot fi clasificate in iradieri implicand una sau mai multe persoane ori a unor grupuri mari de persoane

Iadieri accidentale implicand una sau mai multe persoane Pana in anul 1965 au fost inregistrate 12 astfel de accidente critice in lume in care persoane au fost expuse global in cursul unor cercetari sau operatii chimice dintre care au rezultat 9 decese

De asemenea se cunosc 24 accidente cu surse gamagrafice dintre care 15 accidente cu 192Ir si 9 accidente cu 60Co din care au rezultat 17 morti si 38 grav iradiati In ultimii 40 de ani au avut loc 115 cazuri de iradieri locale care au facut 156 victime Principalele cauze se datoresc instalatiilor de radiatii X pentru analiza cristalografica (69) surselor de gamagrafice cu 192Ir (34) 60Co (25) emitatori β-activi (11) acceleratori de particule (8) si diverse surse (8) Iradierile interne sunt mai rare si mai greu de cunoscut In Franta sunt cunoscute numai o zecime din decese 7 sunt imputabile activitatii medicale

Iradieri accidentale a unor grupuri mari de persoane Iradierile simultane asupra unui numar ridicat de persoane au fost inregistrate in urma unor experiente cu arme termonucleare sau a unor defectiuni survenite in functionarea unor centrale atomoelectrice

Explozia experimentala a armei termonucleare de la Bikini de la 1 martie 1954 a provocat printre altele si iradierea puternica prin caderi de pulberi radioactive a locuitorilor de pe Insula Marschall precum si a 23 de pescari marinari de pe vasul japonez ldquoFukuriu Marurdquo

18

Recent prin defectarea centralei atomoelectrice de la Cernobal (Ucraina) din aprile 1986 au fost iradiate 22 persoane cu doze peste 8 Gy 22 persoane cu doze intre 4 si 8 Gy 53 persoane cu doze intre 2 si 4 Gy si 203 persoane cu doze peste 1 Gy fiind inregistrate 31 decese

342 Efecte somatice tarzii

Efectele somatice tarzii in general sunt fara prag Ele pot fi necancerigene (cataracte tulburari ale cresterii scaderea longevitatii si a unor reactii imunologice) insa principalul efect intarziat este cancerul care apare dupa cativa ani sau zeci de ani de la iradiere Principalele efecte somatice tarzii necancerigene se caracterizeaza prin urmatoarele

Cataractele sunt boli care provoaca opacifierea cristalinului Radiatiile ionizante genereaza cataracte la doze superioare la 10 Gy de radiatii X Ele sunt efecte cu prag care la barbati este foarte ridicat si apare intre 1 si 10 ani de la iradiere In cazul neutronilor rapizi pragul este mult mai jos asymp08 Gy respectiv asymp8 Sv

Tulburari de crestere Constatarile efectuate pe supravietuitorii de la Hirosima si Nagasaki au evidentiat ca prin expunere la doze de 1 Gy au loc tulburari de crestere si anume un deficit in greutate o scadere a taliei si a circumferintei capului

Longevitatea De asemenea studiile de supravietuitori de la Hirosima sI Nagasaki precum si pe animale in laborator au aratat ca la doze ridicate (asymp4 Gy) de radiatii se scurteaza durata medie de viata indiferent daca iradierea a produs leucemie sau cancer

Reactiile imunologice La iradierea cu doze de 1 Gy scad reactiile imunologice si organismele devin vulnerabile la infectii

Pielea desi nu este radiosensibila se mnifesta ca un organ critic avand un prag de toleranta de asymp2mGyzi Prin iradierea mainilor cu doze superioare (5 mGyzi) apar leziuni cutanate cronice sau uscate si atrofice care fisureaza dand ulceratii grave

Cancerele principalele efecte intarziate se caracterizeaza prin faptul ca nu au prag si se produc mai ales cu doze slabe de radiatii Frecventa lor este influentata de o serie de factori printre care se numara doza de radiatie natura radiatiilor sexul varsta si natura tesuturilor iradiate

Dintre toti factorii doza de radiatii este cel mai important iar dintre radiatii particulele α si neutronii sunt cele mai periculoase Radiosensibilitatea organismelor este diferita in functie de sex ea este mai importanta la femei decat la barbati in special pentru sani si tiroida si are un efect invers pentru maduva osoasa si pulmon Totodata efectele difera cu varsta copiii tineri adolescentii si persoanele in varsta fiind mai radiosensibile decat adultii Timpii de latenta sunt foarte variabili si depind in mod esential de natura tesutului iradiat Ei sunt cuprinsi intre 4 si 20 de ani de la iradiere pentru leucemie de 10 ani pentru tumori 22-25 de ani pentru sani etc Cancerul cutanat apare la doze de circa 15 Gy radiatii electromagnetice intre 25 si 40 de ani Cancerul osos apare la doze gt8Gy iar leucemia la doze gt1 Sv Cancerul sanului apare la doze de 020 Gy (la iradieri radiologice) iar cancerul tiroidei la 01 Gy la copii intre 13 si 14 ani

343 Efecte geneticeAlaturi de alti agenti fizico-chimici (substante chimice radiatiile

electromagnetice caldura etc) care pot provoca efecte mutagene se afla si radiatiile ionizante

19

Daca la doze slabe nu s-au inregistrat astfel de efecte la om in schimb printre copiii supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki iradiati cu doze puternice s-au inregistrat cazuri de anomalii genetice semnificative

Pe plan uman singurele informatii de care dispunem sunt descendentii iradiatilor de la Hirosima si Nagasaki si ai pescarilor de la Bikini dar in ambele cazuri dozele nu sunt cunoscute cu precizie In cazul supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki desi au prezentat forme cancerigene pentru doze ridicate (gt1 Gy) nu s-au inregistrat efecte genetice De asemenea in cazul celor 23 marinari pescari de la Bikini iradiati de caderile radioactive cu exceptia unuia care a decedat dupa o sterilitate de doi ani ceilalti au avut copii normali (45 copii) la care nu au fost observate efecte genetice aparente la prima generatie

In modul de evaluare a efectelor genetice se intampla unele dificultati datorate urmatorilor factori caracterul particular al efectelor genetice necesitatea extrapolarii rezultatelor obtinute experimental pe animale la om si de asemenea extrapolarea rezultatelor obtinute experimental cu doze forte la doze slabe

Din investigarile pe animale s-a stabilit ca fercventa anomaliilor genetice se observa la doze gt1 Gy La om anomaliile (de ex structura cromozomilor) reprezinta un risc de 1-10 pe milion de nasteri vii pe centiGy iar mutatiile genetice apar la iradierea celor doi parinti cu o frecventa de 5-65 pe milion de nasteri vii pe centiGy Dupa prima generatie si la echilibru (dupa 5 generatii) frecventa lor este de 40-200 pe milion de nasteri vii pe centiGy pe generatie Mutatiile sunt legate de sexe in sensul ca ele se transmit prin femei In prima generatie numarul de afectiuni adaugat este lt13 pe milion de nasteri vii pe centiGy

Particularitatile mutatiilor genice In functie de sex riscul pentru femeie este mai putin important ca pentru barbat Dupa varsta la femei sunt doua perioade critice principala este perioada reproducerii de la pubertate la menopauza A doua este pana in luna a saptea a vietii fetale La barbat perioada periculoasa se afla intre 20 si 40 ani perioada in care se fac majoritatea fecundarilor

Ipoteza prejudiciului genetic dat de iradierile slabe In mod normal o populatie se afla in echilibru genetic Aparitia de noi mutanti este compensata de eliminarea mutantilor existenti prin decese precoce sau prin fecundari mai putine uneori chiar nule In cazul unor iradieri suplimentare acest echilibru se rupe iar fiecarei generatii i se vor adauga descendentilor mutatiile produse la toate generatiile anterioare (mutanti suplimentari) Ca urmare se vor produce o crestere a mutatiilor letale si a celor dominante precm si o acumulare a mutatiilor primite

344 Efecte biologice teratogene

Efectele teratogene sunt anomalii si malformatii provocate de actiunea unor agenti fizici chimici si infectiosi sau a radiatiilor ionizante asupra embrionului si fetusurilor pe timpul cresterii

Sensblitatea lor la radiatii variaza dupa stadiul dezvoltarii embrionului dar pragul de actiune este foarte net mai jos decat dupa nastere Efectele teratogene sunt ireversibile iar radiatiile ionizante produc aceleasi efecte ca si alti agenti teratogeni Sub actiunea radiatiilor ionizante in functie de stadiul de dezvoltare a embrionului si a fetusurilor se deosebesc urmatoarele

20

- In stadiul de preimplantare iradierea determina fie distrugerea oului fie moartea uneia sau a mai multor celule Aceasta perioada adesea trece neobservata de femeie Doza letala 50 este de 05-06 Gy

- In stadiul de organogeneza cand femeia are consecinte de intarziere si banuiala ca ar fi insarcinata o doza de 01 Gy poate antrena malformatii Aceasta este perioada critica deoarece radiosensibilitatea este maxima

- In stadiul fetal frecventa si gravitatea malformatiilor se diminuiaza In schimb iradierea poate avea o actiune cancerigena care se manifesta la copii tineri Dozele egale sau inferioare la 025 Gy sunt considerate ca fara efect

Cele mai importante consecinte legate de efectele teratogene sunt- malformatiile ca de exemplu cele microcefalice care pot fi insotite de

intarzierea mentala - intarzierea cresterii care are loc la doze puternice (gt1 Gy) printre care se

remarca deficitul ponderal scaderea taliei si a circumferintei capului si o intarziere a osificarii

- cancerul care apare la iradieri in uter cu doze de 002 Gy-mortalitatea intrauterina si neonatala creste In cazul supravietuitorilor de la

Hirosima si Nagasaki ea a fost cu 40 mai mare decat cea normala - efecte genetice nu s-au observat nici printre descendentii celor iradiati in uter cu

ocazia exploziilor nucleare de la Hirosima si NagasakiPe baza acestor observatii se impune luarea unor precautii in cazul femeilor

insarcinte care sunt expuse profesional la doze de radiatii ionizante si excluderea lor de la orice fel de examen radiologic

21

4 Efectele fizice ale radiatiilor ionizante la interactiunea cu substanta

La impactul cu substanta fasciculele de radiatii ionizante sufera procese de atenuare datorita devierii (imprastierii) acestora printr-un mecanism monoact sau prin absorbtie cand isi pierd complet energia pe baza unui mecanism continuu Cele mai importante efecte ale radiatiilor ionizante sunt excitarea si ionizarea care pot fi directe in cazul particulelor incarcate electric sau indirecte in cazul radiatiilor X γ si a neutronilor

41 Interactiunea particulelor grele incarcate cu substanta

Particulele grele incarcate cum sunt radiatiile α protonii deuteronii atomii multiplu ionizati si produsii de fisiune nucleara la impactul cu substanta se atenueaza cu parcurs pe baza unui mecanism de pierderi mici de energie intr-un numar foarte mare de procese de interactiune

Procesul predominant este cel de interactiune cu electronii atomilor si moleculelor probabilitatea de interactiune cu nucleele atomilor fiind foarte mica

Transferul liniar de energie (TLE) notat cu Q realizat prin ciocniri neelastice cu electronii atomilor si ai moleculelor intalnite este dat de relatia lui HA Bethe

[erg∙cm-1]

in care N este numarul de atomi dintr-un cm3 Z ndash sarcina particulei m0 ndash masa de repaus a electronului v ndash viteza e ndash sarcina electronului β = vc J ndash potentialul mediului de excitare al substantei iradiate

In figura 41 se prezinta modul de variatie al numarului particulelor α cu mediul Transferul Q depinde de viteza (v) si de sarcina (Z) a prticulelor grele incidente iar pe o distanta Δx particula pierde o energie ΔE care este data de suma transferurilor Q in cursul ciocnirilor ce au loc pe aceasta distanta ΔE=ΣQ

Fig 41 Variatia numarului particulelor α in unitatea de timp cu distanta parcursa intr-un mediu dat

Atunci cand o particula parcurge un mic segment Δx din traiectoria sa ea sufera numeroase ciocniri cu electronii care se gasesc in vecinatatea traiectoriei sale Raportul S=ΔEΔx se numeste putere de incetinire a particulelor in mediu si reprezinta pierderea specifica de energie fiind dependent de viteza (v) si sarcina (Z) a particulei incidente Distanta maxima pe care o strabate o particula de energie initiala E intr-un mediu dat se numeste parcurs (R) si se exprima in metri El se poate calcula cu ajutorul relatiei

[m]

22

Din cauza fluctuatiei accidentale de ciocniri individuale dintre particulele grele incarcate si atomii mediului parcursurile lor nu sunt riguros egale asa cum se poate observa cu ajutorul unei camere Wilson (fig 42)

Fig 42 Parcursurile particulei α in camera Wilson

La strabaterea mediilor gazoase parcursurile radiatiilor α ating centimetri ( tabelul 41) pe cand in medii lichide si solide descresc mult fiind de ordinul micrometrilor Asa se explica faptul ca o foaie de hartie este suficienta pentru a absorbi complet un fascicul de radiatii α de mare energie Parcursul radiatiilor α in aer se calcleaza cu ajutorul relatiei empirice a lui Bethe R=032 E32 In fig 43 este data dependenta dintre energie si parcursul radiatiilor α

Parcursurile radiatiilor α ale Po si RaC΄ in diferite mediiTabelul 41

Mediul strabatut Parcursul radiatiilor α ale210Po(530 Mev) 214RaC΄(76 MeV)

Aer 00387 m 00698 mHidrogen 01730 m 03250 m

Heliu 0215 m 0390 mArgon 00417 m 0073 m

Alcool etilic 371μm -Aur - 14 μm

Gelatina foto 23 μm 50 μm

Ciocnindu-se cu electronii mediului strabatut particulele α produc efecte dependente de energia Q transferata acestora

Fig 43 Dependenta dintre energie si parcursul particulelor α

a Daca energia transferata (Q) este superioara energiei de legatura a electronilor (asymp10eV) acestia sunt smulsi si azvarliti particulele incidente pastrandu-si directia practic neschimbata fapt pentru care parcursul lor in orice mediu este rectiliniu Atomul caruia i

23

s-a smuls un electon devine ion pozitiv si impreuna cu electronul detasat formeaza o pereche de ioni procesul in ansamblu numindu-se ionizare

Numarul de perechi de ioni creati pe unitatea de lungime se numeste ionizare specifica (j) si este data de raportul dintre patratul atomic Z al particulelor si patratul vitezei particulei (vp)

WL BRAGG studiind variatia numarului de ioni formati in functie de unitatea de lungime a constatat ca ionizarea maxima este atinsa la sfarsitul parcursului (Fig 44)

Fig 44 Curbele de tip Bragg ale Po si RaC΄

b In cazul in care energia tansferata (Q) este inferioara energiei de legatura a electronului acesta nu este detasat din structura atomica sau moleculara de care apartine si se produce excitarea atomului respectiv

Urmarind distributia energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale se obtine o curba de distributie care este reprezentata in fig 45

Fig 45 Curba de distriutie a energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale

Conform acestei curbe energia ε=ΔE pierduta de o particula parcurgand un mic segment Δx din traiectoria sa se repartizeaza astfel

- 30 din energie (100gtQgt10eV) se consuma in excitari - 30 din energie (Qlt10eV) se consuma pentru ionizari- 40 din energie (Qgt100eV) se consuma pentru producerea de electroni

secundari δAceasta repartitie ramane constanta de-a lungul traiectoriei particuleiAutoabsorbtia radiatiilor α Urmarind variatia curentului de ionizare (I) produs

de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva (Fig 46) se observa ca numai in cazul straturilor foarte subtiri se inregistreaza o crestere proportionala a curentului de ionizare cu grosimea stratului activ Pentru o anumita grosime a stratului de substanta ionizarea devine constanta deoarece particulele α emise

24

de straturile inferioare se absorb total in cele superioare Straturile ale caror grosime este egala sau mai mare decat pacursul se numesc straturi ldquogros infiniterdquo

Fig 46 Variatia curentului de ionizare produs de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta rdioactiva

Ecranarea particulelor grele incarcate Particulele grele incarcate in primul

rand radiatiile α au parcursuri foarte mici de ordinul micronilor in corpuri solide fapt pentru care nu ridica probleme speciale de ecranare fiind absorbite total si cu usurinta de toate substantele chiar si de o foaie de hartie De aceea simpla utilizare a manusilor de cauciuc ori a hartiei de filtru in lucrari de laborator cu astfel de substante radioactive sunt masuri suficiente care sa asigure o buna protectie impotriva iradierii externe

Reactiile nucleare ale prticulelor grele incarcate La interactiunea particulelor grele incarcate cu anumite nuclee tomice acestea pot sa sufere transmutatii artificiale In particular radiatiile α emise de unele surse radioactive naturale au importanta istorica deoarece stau la baza unor importante descoperiri cum sunt

- reactiile nucleare (α p) realizate pentru prima data de E RUTHERFORD in anul 1919 au condus la descoperirea primei transmutatii artificiale sinteza izotopului stabil 17O din 14N cu emisia unui proton

In prezent cu ajutorul particulelor α ndash accelerate se prepara numerosi radioizotopi pe baza ecuatiei generale

- reactiile nucleare (α n) au stat la baza descoperirii neutronului de catre CHADWICK in 1932 prin bombardarea beriliului cu radiatii α ale poloniului

Reactiile (α n) prezinta un interes deosebit si datorita faptului ca ele stau la baza surselor de neutroni de laborator Substantele α ndash active cele mai utilizate sunt210Po 226Ra si 239Pu

Sursele Ra ndash α ndash Be emit neutroni cu un spectru energetic continuu cu energii pana la 137 MeV si randament foarte mare la 1 mCi Ra corespund 13 104 ncm2 s fiind sursele cele mai constante din cauza timpului de injumatatire lung al radiului (1600 a)

Tot pe baza reactiei nucleare (α n) sotii JOLIOT-CURIE in anul 1934 iradiind o foita de aluminiu cu particule α au obtinut fosfor radioactiv descoperind radioactivitatea artificiala care a deschis perspective nebanuite fizicii si chimiei nucleare

In prezent sub actiunea particulelor α accelerate se produc numerosi radioizotopi

ai elementelor cu timpi de injumatatire mici pe baza reactiei generale

25

De asemenea sub actiunea particulelor α accelerate au fost sintetizate o parte din elementele transuraniene conform reactiilor

In mod asemanator pot provoca reactii nucleare si alte particule grele accelerate

(protoni deuteroni) Dintre acestea se remarca- reactiile nucleare (p γ) puternic exoenergice cu emisie de fotoni de mare

energie - reactiile nucleare (d n) care stau la baza producerii neutronilor de laborator cu

ajutorul generatoarelor de inalta tensiune Cu ajutorul deuteronilor de 5 MeV s-au sintetizat pentru prima data prin reactii nucleare (d n) tehnetiul si prometiul

- reactiile nucleare (d p) care se produc cu o probabilitate de 10 ori mai mare

decat cele (d n) prezinta interes deoarece conduc la formarea de izotopi ai tintei intocmai ca in cazul reactiilor (nγ) De exemplu 23Na(dp)24Na 31P(d p)32P

Particulele grele incarcate cu energii mai mari de 50 MeV genereaza o serie de reactii nucleare in cascada dezintegrarea cu expulzarea de nucleoni rapizi (p d T) fisiunea nucleara reactii secundare si emisia de nuclee usoare

42 Interactiunea electronilor cu substanta

Fasciculele de electroni emisi de radionuclizii β ndash activi (β- si β+) precum si cei proveniti din generatoare la interactiunea cu substanta se atenueaza pierzand energia de-a lungul parcursului

Datorita unor serii de procese de absorbtie prin ciocniri elastice si neelastice si uneori prin radiatie de franare efectele fizice produse de aceste procese constau din excitarea si ionizarea mediului strabatut iar contributia fiecarui proces in parte este determinata de energia electronilor incidenti precum si de natura materialului absorbant

Imprastierea neelastica electron-electron Dintre toate procesele de interactiune ale electronilor cu substanta predominant este cel de imprastiere la ciocnirea neelastica cu electronii orbitali ai atomilor din mediu deci procesele electron-electron Datorita acestui fapt electronii sufera imprastieri sub unghiuri diferite motiv pentru care drumul fasciculelor de electroni prin mediu nu este rectiliniu ci foarte sinuos (fig 47) De aceea intr-o substanta de o anumita grosime electroni de aceeasi energie parcurg drumuri complet diferite care intrec in lungime 15 ndash 4 ori grosimea stratului penetrat

Fig 47 Drumul sinuos al electronilor prin substanta

26

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

Radioactivitatea este prezenta pe planeta noastra de la inceputurile existentei sale in ciuda faptului ca fenomenul in sine a fost descoperit abia la sfarsitul secolului al XIX ndash lea de catre H Becquerel (1896) pe cand incerca sa obtina radiatii X pe alta cale decat cea folosita de Roentgen

Ulterior Becquerel ajunge la concluzia ca toate combinatiile chimice ale uraniului manifesta fenomenul de radioactivitate indiferent daca sunt sau nu fluorescente si ca el este o proprietate a atomului de uraniu Maria Sklosovska Curie stabileste ca radioactivitatea este proportionala cu continutul de uraniu in combinatia respectiva si ca de fapt ea nu este o proprietate exclusiva a atomului de uraniu dovedind ca mineralele de toriu prezinta de asemenea radioactivitate

Intr-o colaborare stiintifica unica impreuna cu sotul ei Pierre Curie Marie Curie descopera in anul 1898 doua elemente radioactive noi elementul 84 pe care-l numeste poloniu in cinstea patriei sale de origine (Polonia) si elementul 88 caruia ii da numele de radiu datorita radioactivitatii puternice care s-a dovedit de circa un milion de ori mai intensa decat radioactivitatea unei mase egale de uraniu In anii care au urmat au fost descoperite celelalte elemente radioactive membre ale familiilor radioactive naturale iar in anul 1904 dupa ce E Rutherford si F Soddy recunosc fenomenul de izotopie se stabilesc locurile noilor radioizotopi descoperiti in sistemul periodic al elementelor

Anul 1903 are o semnificatie deosebita in evolutia cunostintelor din domeniul nuclear deoarece este anul in care E Rutherford si F Soddy au demonstrat practic ca radioactivitatea este legata de transformarea prin dezintegrare a atomilor unui element in atomii altor elemente In mod concret ei au stabilit experimental ca atomul de radiu emitand o particula α se transforma intr-un atom de radon

O noua etapa importanta in dezvoltarea stiintelor naturii in particular a fizicii nucleare a inceput in anul 1934 deschizand calea spre eliberarea energiei nucleare In acest sens Irene si frederic Joliot Curie au desoperit radioactivitatea artificiala iradiind o folie de aluminiu cu particule α

Un alt moment important in evolutia cercetarilor nucleare l-a constituit activitatea desfasurata de E Fermi care in anul 1963 a reusit sa obtina radioizotopi artificiali pe baza unor reactii nucleare cu neutroni termici (n γ) cand majoritatea elementelor iradiate se transforma in radioizotopi ai tintei

Prin iradierea cu neutroni termici el obtine pentru prima data elemente transuraniene (93 si 94)

La scurt timp Joliot-Curie demonstreaza ca pe langa produsii de fisiune rezulta si 2-3 neutroni prevazand posibilitatea realizarii reactiei in lant In felul acesta s-a facut un nou pas important pe drumul eliberarii energiei nucleare si deja la 2 decembrie 1942 a intrat in functionare primul reactor nuclear construit de Enrico Fermi la Chicago (SUA) iar la 16 iunie 1945 explodeaza experimental prima bomba atomica la Alamogardo (SUA) pe un poligon experimental

Urmatoarele doua bombe atomice au fost aruncate de catre fortele armate ale SUA asupra oraselor japoneze Horosima si Nagasaki in 1945 spre sfarsitul celui de al doilea razboi mondial

La 1 martie 1954 SUA a experimentat prima arma termonucleara (bomba cu hidrogen) pe Atolul Bikini care a fost amorsata cu o bomba atomica obisnuita cu plutoniu situata in interiorul ei

Pentru oamenii de stiinta contemporani care lucreaza in domeniul energeticii nucleare o preocupare prioritara o constituie gasirea unor mijloace si cai de a controla si dirija procesele de fiziune si a le pune in slujba scopurilor pasnice Pe aceasta cale va fi

3

posibil sa creasca nelimitat rezervele de energie avand in vedere faptul ca resursele de hidrogen si alte elemente usoare de pe pamant inclusiv din hidrosfera (oceane mari lacuri rauri) sunt comparabile cu cifre astronomice si socotite practic nelimitate

Desigur problema cheie a domolirii reactiilor termonucleare o constituie gasirea unor metode de realizare a temperaturilor inalte necesare armosarii acestor reactii altfel decat cu ajutorul bombei atomice precum si a obtinerii unor materiale care sa reziste la temperaturi asa de mari

De un interes deosebit se bucura si folosirea unor surse radioactive pe baza de elemente actinoide generatoare de energie termica si electrica cu variate aplicatii in tehnica medicina si cercetare caracterizate de o functionare constanta si indelungata (minim 10 ani) desi energia obtinuta este mai redusa Printre acestea se remarca bateriile electrice care functioneaza pe baza radiatiilor α emise de plutoniu 238 si utilizate in biostimulatorii de pulsuri ale inimii sau la functionarea unor instalatii montate pe sateliti si diverse vehicule spatiale

In paralel rezultatele obtinute in domeniul energeticii nucleare industriale si miliare s-au dezvoltat si amplificat cercetarile si aplicatiile practice ale izotopilor radioactivi artificiali ca surse de radiatii sau ca atomi marcati (trasori) in cele mai variate domenii de activitate chimie tehnica si industrie petrol metalurgie geologie medicina si biologie agricultura si silvicultura etc

Pe baza posibilitatii de identificare si diferentiere a atomilor si moleculelor marcate de cele nemarcate s-au instituit metode rapide si simple de analiza cu radioizotopi Printre acestea se numara metodele cu reactivi radiochimici (precipitarea titrarea si dilutia izotopica) metode de analiza prin activare metode de analiza cu fascicule cu radiatii (adsorbtia neutronilor retrodifuzia radiatiilor β ionizarea mediului etc)

4

2 Raspandirea elementelor radioactive in mediul inconjurator

Planeta noastra a mostenit inca de la formare o zestre apreciabila de radioactivitate terestra din care s-a pastrat o parte respectiv elementele si izotopii radioactivi de viata lunga cu timpi de injumatatire foarte mari238U(T447109 a) 235U(T704108 a ) si 232Th(T141010 a) generatori ai celor trei familii radioactive naturale si descendentii lor radioizotopi ai elementelor cu Z=81-92 dintre care cei mai importanti sunt 226Ra (T 1600 a) Io(230Th)(T 77104 a) si 231Pa(T325104 a) Aceste radioelemente nu sunt decat niste resturi care ne reamintesc de o vreme in care aproape toate speciile nucleare erau radioactive Dintre ele cel mai raspandit in scoarta terestra si cel mai important sub toate aspectele este uraniul (310-4 ) element dispers mai raspandit decat aurul argintul si mercurul urmat de toriu (810-4 ) si de radiu (2010-10 ) Ele sunt prezente intr-o masura mai mica sau mai mare in rocile eruptive metamorfice si sedimentare in hidrosfera si in troposfera In unele zone ale scoartei terestre concentratia lor in rocile de suprafata poate atinge valori de ordinul zecimilor si chiar al catorva procente Sub actiunea agentilor atmosferici (vanturi precipitatii si variatii de temperatura) mineralele radioactive sunt partial alterate solubilizate si transportate de ape contribuind la poluarea mediului Fenomene de acest gen se remarca mai ales in procesele de exploatare miniera a uraniului cand acesta se oxideaza si solubilizeaza trecand in apele de mina sub forma de saruri de uranil (10 -6 ndash 10-2 gl) si de aerosoli in aerul atmosferic In acelasi timp in atmosfera se mai concentreaza si o cantitate apreciabila de radon gaz radioactiv degajat prin transformarile succesive ale uraniului care intra in echilibru cu radonul din apele de mina eliberat de sarurile de uranil solubilizate

21Unele particularitati ale radioactivitatii tipurilor de roci soluri apelor naturale si atmosferei

Radioactivitatea rocilor magmatice este considerabil mai ridicata in varietatile acide decat in cele bazice (tabelul 21) In cazul rocilor magmatice elementele radioactive se concentreaza in special in zircon monazit sfen biotit si altele iar in speciile granitice radioactivitatea creste in directia cuart ndash feldspatii ndash minerale feromagneziene-minerale accesorii Principalul purtator de uraniu din granite este ortitul un silicat de aluminiu fier si calciu In cadrul rocilor eruptive uraniul se gaseste sub forma de minerale uranifere de amestec izomorf in retelele cristaline ale altor minerale in stare de adsorbtie la suprafata granulelor in stare solubila in incluziunile lichide din minerale sau in spatiul intergranular

Continutul mediu de radioelemente naturale in diferite tipuri de roci magmaticeTabelul 21

Tipul de roca U 10-4 []

Th 10-4 []

Ra 10-10 []

5

Acide 35 18 12Neutre 18 7 06Bazice 05 3 027

Ultrabazice 0003 0005 001

Radioactivitatea rocilor metamorfice depinde de radioactivitatea rocilor initiale si de caracterul metamorfismului Ea este foarte diferita pentru diversele tipuri chiar si in cadrul unuia si aceluiasi pachet de roci metamorfice Radioactivitatea gnaiselor si a sisturilor formate din roci argiloase este mai ridicata decat a cuartitelor Valoarea ei creste in rocile in care s-a suprapus fenomenul de metamorfism hidrotermal (tabelul 22)

Radioactivitatea naturala a rocilor metamorfice Tabelul

22Tipul de roca Ra

10-12 [gg]U

10-6 [gg]Th

10-6 [gg]Gnais 21 62 87

Gnais augitic 071 20 -Eclogit 007 02 -

Radioactivitatea rocilor sedimentare variaza in limite largi de la argile si sisturi argiloase (cele mai radioactive) la rocile organogene si chimic pure (sare gema gips anhidrite calcare dolomite) cele mai putin radioactive (tabelul 23)

Continutul mediu de radioelemente naturale in roci sedimentare Tabelul 23

Tipul de roca U 10-4 []

Th 10-4 []

Ra 10-10 []

Gresie 3 ndash 4 - 0 ndash 15 Cuartit 16 - 045Argila 43 13 13

Sist argilos 30 - 109Calcar 15 05 05

Dolomit 03 - 011

Radioactivitatea solurilor depinde de compozitia chimico-mineralogica a rocilor din care sunt formate Daca acestea sunt de compozitie mai acida (granitica) vor fi mai radioactive Spre deosebire de toriu si radiu care se acumuleaza in soluri in cantitati mai mari uraniul este spalat si transportat de catre acizii humici cu usurinta

Radioactivitatea apelor naturale variaza dupa continutul in elemente radioactive Astfel apa dulce contine in medie substante radioactive cu o activitate de 037 Bql (10 pCil) In apa marilor radioactivitatea este de circa 36 de ori mai mare respectiv ajunge la circa 13 Bql (351 pCIl) iar in apele minerale aceste valori sunt de circa o suta de ori mai mari respectiv 37 Bql (1000 pCIl) In tabelul 24 se prezinta continutul mediu de uraniu radiu si radon in unele ape naturale

Continutul mediu in uraniu si radiu al unor ape naturale

6

Tabelul 24Tipul de ape naturale U [gl] Ra [gl]

Rauri 6∙10-7 2∙10-13

Lacuri 8∙10-6 1∙10-12

Mari si oceane 2∙10-6 1∙10-13

Din roci sedimentare 5∙10-6 2∙10-2

Din roci magmatice acide 7∙10-7 2∙10-12

Din zacaminte de uraniu 8∙10-4 8∙10-11

Principalii factori care influenteaza solubilitatea si continutul in elemente

adioactive sunt compozitia in saruri si gaze a apei capacitatea de emanatie a rocilor prin care circula apele regimul de temperatura al acestora conditiile hidrogeologice generale si regimul hidrodinamic al apelor subterane Apele cu continut de saruri levigheaza intens uraniul si radiul din roci iar in functie de pH si de oxigen oxideaza uraniul (IV) la uraniu (VI) determinand o solubilizare si o migrare intensa a acestuia In afara de oxigen si alte gaze cum ar fi dioxidul de carbon dizolvate in apa favorizeaza migrarea uraniului Totodata aceste ape se imbogatesc in radon si radiu devenind ape radioactive De asemenea diferitele tipuri de ape de strat din zacamintele de petrol contin radiu in concentratii de ordinul 10-11 gl Valori maxime se intalnesc in apele de strat cloro-sodice iar in zonele petroliere continutul de radiu din ape creste pe masura apropierii de zacamantul de petrol

Radioactivitatea amosferei se datoreaza prezentei emanatiilor radioactive radon (222Rn) toron (220Tn) si actinon (219An) Spre deosebire de radon care prezinta o raspandire mai larga avand timpul de injumatatire de 382 zile toronul si actinonul au timpii de injumatatire mici 556 si respectiv 396 s fapt pentru care se intalnesc de regula numai in stratul de aer din apropierea solului (tabelul 25) Radonul care se formeaza continuu din elementele radioactive prezente in sol rezultand circa 0585 mm3

Rng Ra se dezintegreaza la randul lui treptat generand o serie de alti atomi radioactivi asa-zisul depozit fix (218Po 214Pb 214Bi 210Pb) In general continutul radonului in atmosfera este mic respectiv de ordinul 10-13 Cil aer (37 mBql) si el creste deasupra zonelor bogate in minereuri radioactive ajungand la 10-9-10-8 Cil (37-37 Bql)Pe baza masuratorilor concentratiei de radon se pot prospecta zacamintele radioactive de la distanta de exemplu din avion

Continutul mediu de radon in diferite zone ale aerului atmosferic Tabelul 25

Locul de raspandire al radonului in aer

Rn[Cil] Bql]

Aer de sol 2010-10 74Aer deasupra solului 1310-10 482Aer deasupra marii 14410-10 532

22 Elemente si minerale radioactive

In principal radioactivitatea naturala a scoartei terestre este determinata de continutul de uraniu toriu si produsele lor de dezintegrare

7

Uraniul este raspandit sub forma a circa 200 de minerale ce pot fi clasificate in oxizi oxizi hidratati carbonati sulfati fosfati molibdati vanadati silicati si compusi organici (tabelul 26)

Principalele minerale de uraniu Tabelul 26

Denumirea Formula chimica Oxizi si oxizi hidratati

Uraninit UO2

Pechblenda U3O8

Broumlggerit (U Th)O2

Carbonati sulfati silicatiRuterfordiu UO2CO3

Sharpit (UO2)3(CO3)5(OH)27H2OUranopilit (UO2)6(SO4)(OH)1012H2OJohannit Cu(UO2)2(SO4)2(OH)26H2OSoddit (UO2)5(SiO4)2(OH)25H2O

Fosfati si arsenatiAutunit Ca(UO2)2(PO4)210H2O

Torbernit Cu(UO2)2(PO4)28H2OUranospinit Ca(UO2)2(AsO4)28H2O

Troumlgerit (UO2)3(AsO4)12H2OVanadati si molbdati

Carnotit K(UO2)2(VO4)23 H2OTyuyamunit Ca(UO2)2(VO4)28 H2O

Molibdat de calciu si U Ca(UO2)3(MoO4)3(OH)28 H2O

De asemenea el se gaseste raspandit si in apele raurilor si lacurilor in apele marilor si oceanelor in petrol carbuni in gazele naturale etc Dintre mineralele sale putine sunt exploatabile

Uraninitul UO2 cu continut de radiu actiniu poloniu si alte produse ale transformarilor radioactive

Uraninitul cristalizeaza in sistemul cubic (retea CaF2) are culoare neagra cu luciu puternic de smoala in spartura duritate mare (103-106) este casant si puternic radioactiv Varietatile compacte de mase collomorfe poarta denumirea de ldquosmoala de uraniurdquo

Uraninitul se gaseste raspandit in pegmatite granitice si sienitice cu continut de toriu si pamanturi rare In concentratii mai mari se gaseste raspandit in zacaminte hidrotermale asociat cu arseniura de nichel si cobalt cu carbonati de calciu si de fier Cele mai mari zacaminte se afla in Canada langa Marele Lac al Ursilor si in provincia Katanga (Congo Belgian) Cehia Rusia etc

Pechblenda U3O8 un amestec de oxizi ai U(IV) cu U(VI) este un mineral de culoare neagra fara continut de toriu si pamanturi rare Are aspect de smoala numit si ldquosmoala de uraniurdquo fiind cel mai important mineral industrial de uraniu Apare in formatii sferoidale fara cristale clare S-a format in solutii coloidale cand s-a depus sub forma de gel care s-a solidificat si cristalizat ulterior Cristalizeaza in sistemul cubic avand culoare neagra de smoala uneori cu nuante verzui In principal se gaseste in filoane hidrotermale formate in zonele profunde ale zacamintelor exogene in conditii de mediu reducator Se gasste raspandit in SUA Rusia Canada Congo Cehia etc

8

Carnotita K(UO2)2(VO4)23 H2O se gaseste de obicei sub forma de mase pulverulente si eflorescente de culoare galben-deschisa sau galben-verzuie cu luciu puternic sidefos Cristalizeaza in sistemul rombic are duritate mica (2 ndash 25) este casant si puternic radioactiv Se gaseste in zona de alterare a rocilor sedimentare in special a gresiilor bogate in resturi organice Zacaminte importante se gasesc in statul Colorado (SUA) Canada Australia Africa de Sud Rusia (Ual Siberia) Cehia Maroc Iordania Israel etc

Toriul se gaseste raspandit in natura 810-4 sub forma de minerale proprii Principalele minereuri din care se extrage toriul sunt

Monazita (CeLaPrNdhellip)Po4 este un mineral care contine ThO2 sub forma de amestec izomorf 4 ndash 19 lantanoide (CeLa) 50 ndash 68 Cristalizeaza in sistemul monoclinic sub forma de cristale mici de culoare galben-bruna cafenie rosie rareori cu luciu accentuat sticlos sau gras si duritate 5 ndash 55 Se intalneste de obicei in pegmatite uneori in gnaise asociat cu feldspat zircon Prin alterare trece in aluviuni fluviale si marine (Brazilia la Minas Geraes) si India In depozite formeaza zacaminte in India Brazilia Africa de Sud Canada SUA Egipt etc

Toritul ThSiO4 se prezinta sub forma de cristale tetragonale de culoare neagra bruna galbena portocalie cu luciu sticlos sau gras casant duritate 45 ndash 5 fiind puternic radioactiv Se intalneste de obicei sub forma de granule diseminate mai rar ca mase compacte Varietatea de culoare portocalie se numeste Orangit iar cea cu continut de 10 ndash 16 U3O8 Uranotorit Se gaseste in Norvegia Elvetia si Madagascar

Radiul nu are minerale proprii insa se gaseste in mineralele de uraniu unde formeaza prin dezintegrarea succesiva 4 radioizotopi naturali 226Ra 228Ra 224Ra si 223Ra descendenti ai celor trei familii radioactive naturale Principala sursa de obtinere a 226Ra este pechblenda care contine 200 mg Rat U3O8 In scoarta pamantului el se gaseste raspandit 2010-10 iar in apele oceanelor si marilor 10-13 g Rat In tabelul 27 se da raspandirea lui in apa si alimente

9

Concentrarea radiului in apa potabila si alimente in pCi 226Rakg material proaspat sau la litru

Tabelul 27Tipul de aliment

New York City Chicago San Francisco R F G

Apa potabila 004 02 - 003-034Apa de rau 003 - - 007-08Paine alba 32 33 29 17-33Faina alba 27 24 13 27Lapte liq 025 024 022 03Cartofi 20 14 10 06-10

Fasole uscata 61 70 24 -Vegetale 24 22 07 16-17Fructe 15-28 14 09 09Orez 15 07 06 -Oua 41-79 27 26 31Peste 12 07 08 28-63Carne 044 045 081 08-15

Prelucrare dupa Schimier H Seelentag Wiand Waldeskong B ldquoThe radiation of human beingsrdquo Tehnical report series nr 123 IAEA p 7-30 (1971)

Protactiniul este raspandit in scoarta terestra 710-12 in minereurile de uraniu sub forma a trei radioizotopi 234Pa(UX2) 234Pa(UZ) si 231Pa La 1 g de uraniu natural se gasesc 3510-7 g Pa respectiv o tona de uraniu contine 1 mg Ac si 129 mg Pa

23 Radioizotopi naturali

In afara elementelor radioactive amintite in scoarta terestra se gasesc raspanditi o serie de izotopi radioactivi ai unor elemente in amestec cu izotopi stabili ai acestora Printre ei se numara 40K(T 128109 a) 87Rb(T471010 a) 115In(T 61014 a) 130Te(T 141021 a) 138La (T 131011 a) 176Lu (T 331010 a) 187Re (T 511010 a) si altii cu timpi de injumatatire cuprinsi intre 1010 si 1017 ani

Din randul lor se remarca 40K care insotind izotopii stabili ai potasiului unul din elementele abundente in scoarta terestra confera o anumita radioactivitate apelor si rocilor Astfel contributia 40K la radioactivitatea apelor marine este de 111 Bql In diferitele roci activitatea adusa de 40K variaza de la 081 Bqg in roci arse in bazalt la 117 Bqg in granite De asemenea ea variaza si in unele alimente de la 066Bqkg in lapte la 222 Bqkg de grau respectiv la 74 Bqkg in carne

O alta serie de radioizotopi cum sunt 14C si tritiul (3H) se formeaza permanent in natura prin bombardarea azotului din aer cu neutroni de origine cosmica sau cu cei eliberati din reactiile (α n) de dezintegrare α-spontana a unor nuclee grele din scoarta terestra (Ac Th Pa U) precum si din procesele de fisiune spontana a unora dintre ele (235U)

10

In troposfera viteza de formare a tritiului este de 60 atomicm2 pe minut iar a carbonului 14 este de 150 atomicm2 pe minut

In natura concentratia 3H si 14C a ramas practic constanta deoarece in decursul timpului s-a stabilit un echilibru intre procesele de formare si de dezintegrare a acestor radioizotopi

Tritiul (3H) care se formeaza intra in echilibru cu hidrogenul din apa de ploaie prin intermediul careia patrunde in biosfera ajungand in cele din urma la o In toate produsele neizolate de acest echilibru natural tritiul se afla in raport de 4 atomi de tritiu la 108 atomi de hidrogen normal Datorita tritiului in medie radioactivitatea naturala a produselor cu hidrogen este de 111 Bq 3Hg 1H (30 pCig) Apa marilor contine 059 Bql (016 pCi 3Hl)

Carbonul 14 odata format oxideaza la 14CO2 si intra rapid in amestec cu CO2

normal in circuitul carbonului Prin fotosinteza el ajunge in metabolismul vegetal si de aici in cel animal pana la om unde produce circa 18105 dezmin fapt care reprezinta a suta parte din radioactivitatea corpului uman

24 Raspandirea radioactivitatii in Univers

Din studiul meteoritilor rezulta ca si alte planete din sistemul solar sunt prezente principalele elemente radioactive uraniul si toriul impreuna cu elementele din familiile radioactive Daca pe Pamant radioactivitatea joaca un rol foarte important in cadrul general al Universului ea se prezinta ca un proces nuclear minor datorita proceselor termonucleare ce se petrec in anumite tipuri de stele si in special in Soare Se estimeaza ca pentru a egala energia primita de la Soare pe Pamant ar trebui sa fie explodate circa 47 bombe nucleare pe secunda Prin aceasta ldquohemoragie energeticardquo sub forma de radiatie Soarele pierde 42 milioane de tone de masa pe secunda Cu toate ca masa Soarelui este mare rezerva sa de energie calorica ar trebui sa fie consumata intr-un timp relativ scurt si ca asistam la scaderea continua a temperaturii Studiile geologice arata ca de-a lungul epocilor geologice temperatura Pamantului si implicit energia primita de la Soare nu a suferit variatii semnificative Aceasta comportare nu poate fi explicata decat acceptand ca energia de la Soare se reinoieste permanent pe baza unui proces exoergic Conform lui H BETHE (1938) principala sursa de energie din Soare il au doua cicluri de reactii termonucleare

- ciclul proton ndash proton (p ndash p) de trecere prin fuziune de la hidrogen la heliu in etape succesive sub forma de reactii nucleare inlantuite in cicluri termonucleare avand ca produsi intermediari izotopii hidrogenului si ai heliului (fig 21) conform acestui ciclu hidrogenul molecular se constituie ca principala rezerva de combustibil nuclear ldquosangele stelelorrdquo si al Soarelui

- ciclul carbon ndash azot (C ndash N) imaginat de BETHE de trecere de la hidrogen la heliu prin trepte intermediare in prezenta unui nucleu strain cu rol catalizator cum este carbonul 12 in cadrul caruia carbonul se reface iar din patru protoni rezulta un heliu si doi pozitroni (fig 22) In realitate in stele au loc concomitent cele doua cicluri La inceput predomina ciclul p ndash p dupa care urmeaza o perioada cu temperaturi mai ridicate cand predomina ciclul carbon ndash azot

11

Fig 21 Ciclul proton ndash proton Fig 22 Ciclul carbon ndash azot

Multa vreme s-a crezut ca prin ciclul carbon ndash azot se incheie seria reactiilor termonucleare ce au loc in stele In realitate prin cresterea treptata a temperaturii pot sa aibe loc inca o serie de reactii termonucleare prin capturare de helioni cand se formeaza nuclee de 16O si 20Ne procesul nuclear continuand cu formarea 24Mg pana la nucleele cu numar de masa cuprins intre 40 ndash 60

12

3 Efecte radiobiologice asupra omului

Imediat dupa descoperirea radiatiilor roumlentgen si apoi a radioactivitatii s-a sesizat si caracterul periculos al radiatiilor ionizante in cazul folosirii nerationale Pionierii roentgenografiei au cunoscut ldquope propia lor pielerdquo actiunea radiatiilor ionizante iar dupa descoperirea radioactivitatii primele victime au aparut in 1920 in SUA in randul muncitorilor care aplicau vopsele luminoase pe cadranele ceasornicelor Acestora li s-au adaugat savantii Marie Curie si Ireacutene Joliot-Curie renumiti cercetatori in domeniul radioactivitatii care au decedat dupa grele suferinte de leucemie radioindusa Dar cele mai mari victime s-au inregistrat la sfarsitul celui de al doilea razboi mondial in urma exploziilor celor doua bombe atomice lansate de catre SUA asupra Japoniei la Hirosima si Nagasaki

31 Particularitatile efectelor biologice

Indiferent de urmarile provocate de impactul radiatiilor ionizante cu organismul viu actiunea biologica prezinta unele particularitati si anume

- organismul omenesc nu este dotat cu un organ de simt care sa sesizeze prezenta radiatiilor ionizante iar efectul biologic nu este vizibil in momentul iradierii

- efectele biologice sunt cumulative si nu au un caracter particular care sa ne permita deosebirea de efectele aparute altfel decat prin iradiere

- modificarile si simptomele evolueaza lent dupa iradiere Unele sunt imediate sau precoce si apar dupa un ragaz care variaza de la cateva ore la cateva saptamani Altele sunt intarziate si survin dupa mai multi ani (leucemia) dupa mai multe zeci de ani (cancerul fatal) sau pot provoca efecte genetice

In realitate efectele biologice produse de actiunea radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului sunt rezultatul unei lungi serii de fenomene care se declanseaza la trecerea radiatiilor prin organismele vii Evenimentele initiale sunt ionizari si excitari ale atomilor si moleculelor din mediul de interactiune de-a lungul traiectoriilor particulelor ionizante Ulterior aceste perturbari fizice antreneaza reactii fizico-chimice urmate de reactii chimice generand in final efecte biologice Schematic cronologia acestor evenimente este data in tabelul 31

13

Tabelul 31 Prezentarea schematica a fenomenelor declansate deradiatiile ionizante in mediu biologic

32 Clasificarea efectelor biologice

In prezent efectele nocive ale radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului a descendentilor sai si asupra umanitatii in general se clasifica in doua categorii

- efecte nestochastice si- efecte stochasticeEfectele nestochastice sunt efecte imediate (precoce) cu prag reversibile si

imperfect aditive Fiind caracterizate de o relatie de cauzalitate determinate intre doza si efect ele apar atunci cand doza primita depaseste o anumita valoare de prag (fig 31)

Fig 31 Dependenta efectului biologic de doza biologicaa ndash efecte stochastice fara prag b ndash efecete nestochastice cu prag

14

Valoarea pragului pentru un anumit efect poate varia in jurul unei valori medii de la un individ la altul si in functie de conditiile de iradiere In general efectele nestochastice apar destul de repede in timp fiind efecte imediate (precoce) iar vatamarile provocate de ele sunt cu atat mai mari cu cat doza este mai mare

Avand caracter reversibil exista posibilitatea regenerarii unor tesuturi iar dozele administrate intr-un timp lung nu sunt perfect aditive De aceea pentru evitarea producerii lor are mare importanta administrarea fractionata a dozelor de radiatii

Printre efectele nestochastice se numara leziunile nemaligne ale pielii cataracta hipolezia medulara care antreneaza o deficienta hematologica a vatamarilor provocate celulelor gonadelor cu repercusiuni asupra fertilitatii

Efectele stochastice sunt intotdeauna efecte somatice tarzii fara prag ireversibile si aditive Aparitia lor urmeaza o relatie probabilistica doza-efect aparent la intamplare de unde si numele stochastic Altfel spus dintr-o populatie aflata intr-o zona de radiatii efectele stochastice apar numai in unele cazuri individuale aparent la intamplare

Printre ele se numara efectele somatice care se manifesta cu intarziere sub forma de afectiuni maligne (cancer) si efecte genetice (ereditare) ce apar la descendenti Practic intre momentul iradierii si al aparitiei bolii maligne pot trece ani sau zeci de ani

Fiind relatii liniare intre frecventa de aparitie a efectelor stochastice si dozelor absorbite pentru radiatiile cu transfer liniar de energie mica rezulta ca in aceste cazuri la doze mici si debite mici ale dozei riscul pentru sanatate este proportional cu doza administrata In literatura de specialitate factorul de proportionalitate dintre frecventa de aparitie a acestor efecte si doza absorbita a fost denumit factor de risc

Dozele administrate in timp lung fiid aditive nu are importanta daca doza care produce efctul respectiv a fost administrata fractionat sau instantaneu respectiv intr-o secunda sau intr-o luna

Efectul biologic produs este ireversibil si in prezent nu se cunosc metode de reducere a probabilitatilor de aparitie a efectelor stochastice somatice datorate unor doze deja primite

Detrimentul sanatatii Conceptul de detriment al sanatatii se refera la fenomenul de distrugere (vatamare) integrala a unei persoane datorita efectelor biologice ale radiatiilor ionizante fenomen care poate aparea dupa o iradiere in conditii bine definite si la un anumit nivel de doza

In cazul unui efect patologic dat (i) detrimentul (Gj) la un individ (j) este exprimat de produsul intre probabilitatea de aparitie a efectului (pi) si factorul corespunzator de gravitate (g)

iar pentru un grup de persoane (P) detrimentul colectiv (G) este

Acest concept se aplica atat asupra efectelor stochastice cat si a celor nestochastice in principal fiind utilizat pentru estimarea vatamarilor datorate efectelor stochastice

Intre probabilitatea de aparitie a efectelor biologice stochastice si echivalentul de doza se stabileste o relatie liniara fara prag aplicata la doze slabe De aceea detrimentul colectiv al sanatatii este proportional cu echivalentul de doza efectiv colectiv Totusi in mod practic detrimentul unui grup de indivizi nu poate fi redus la o insumare a vatamarilor individuale fapt pentru care echivaletul de doza colectiva se ia ca un partener printre altele

15

33 Fazele tipice ale evolutiei imbolnavirii in urma iradierii

In dinamica evolutiei reactiilor care au loc in urma iradierii se pot distinge trei perioade importante perioada primara perioada latenta si perioada secundara

Reactiile in perioada primara de actiune a radiatiilor ionizante se datoreaza a trei tipuri principale de mecanisme mecanismul actiunii directe indirecte si la distanta

Efectul biologic prin actiune directa consta in transmiterea directa a energiei particulelor incarcate sau a electronilor secundari catre atomii si moleculele substantelor celulare Produsul principal al acestei actiuni sunt ioni si atomi excitati de-a lungul parcursului particulei in celula Datorita ionizarii si excitarii substantelor prin mecanism primar se produc modificari chimice ale acestora (mecanismul actiunii indirecte) Deoarece organismele vii au in compozitia lor un mare procent de apa la om ajungand pana la 85 din greutatea corpului multa vreme s-a considerat ca actiunea nociva a radiatiilor ionizante este cauzata de produsele de descompunere a ei si in special de apa oxigenata care actioneaza ca agent oxidant (ipoteza actiunii prin apa oxigenata) O ipoteza mai verosimila considera ca rolul principal in actiunea biologica primara il au radicalii H OH si O2H care apar la radioliza apei (ipoteza actiunii prin radicali liberi) Conform acestei ipoteze radioliza apei constituie o sursa pentru actiunea indirecta a radiatiei deoarece radicalii liberi formati pot afecta atat cromozomii cat si proteinele citoplasmatice

Datorita interventiei sistemului nervos a glandelor endocrine si a transportului prin umori sau difuziune a unor substante rezultate in tesuturile iradiate efectele biologice se pot produce nu numai in organele iradiate ci si in cele neiradiate (mecanismul actiunii la distanta sau al actiunii secundare)

Perioada latenta care apare in organism dupa perioada primara se caracterizeaza prin faptul ca fenomenele sunt atat de neinsemnate incat nu pot fi descoperite neinregistrandu-se nici un fel de tulburari Perioada latenta variaza invers proportional cu doza de radiatii De aceea in cazul unor iradieri cu doze mortale perioada latenta dureaza de la cateva ore la 30-40 de zile iar in doze fractionate mici ea dureaza mai mult de un an

Perioada secundara este dominata de formarea in celule si tesuturi de substante toxice care conduc la intoxicarea organismului determinand o serie de efecte biologice importante (ipoteza formarii uor substante toxice) Reactiile din aceasta perioada sunt de natura necunoscuta si in decursul timpului ele au fost atribuite actiunii apei oxigenate peroxizilor organici si histaminei problema fiind insa in discutie Cert este faptul ca sub actiunea radiatiilor ionizante apar molecule active in primul rand in celulele din tesuturi si in paralel in sange si in limfa

34 Clasificarea efectelor biologice dupa natura lor

Cel mai fercvent efectele biologice se clasifica dupa natura lor in- efecte precoce care nu apar decat pentru doze ridicate- efecte somatice tarzii care se manifesta dupa mai multi ani chiar mai multi zeci

de ani- efecte genetice care privesc descendentii - efecte teratogene care se refera la afectarea embrionului si a fetusului

341 Efecte biologice precoce

16

Efectele biologice precoce survin la putin timp dupa iradiere uneori dupa cateva ore sau mai putin si sunt efecte cu prag fapt pentru care nu apar decat daca doza depaseste un anumit nivel Deasupra pragului ele cresc cu doza De aceea pentru a evita producerea lor s-au elaborat reglementari care impun limitarea sub nivelul de prag al dozelor ce le pot primi operatorii care lucreaza in medii de radiatii ionizante Cele mai fragile tesuturi care sufera efecte biologice cu prag sunt pielea celulele formate de sange maduva osoasa intestinul si organele sexuale sau gonade

Efectele biologice precoce in cazul iradierilor partiale Acestea se refera la piele maduva osoasa si organele genitale

Pielea Efectele radiobiologice ale pielii sunt foarte variabile si ele depind de doza de localizarea anatomica de varsta de pigmentatia tegumentului etc In general la doze mai mari de 10 Gy nu se observa nici o leziune grava dar la 25 din cazuri apare o senzatie de caldura La doze intre 10 si 20 Gy apar epidermite exudative urmate dupa un timp de o latenta de trei saptamani de eritema secundara apoi de epitelitaexudativa dupa 3-6 luni facandu-se restaurarea fara recurs In cazul unor iradieri foarte importante si profunde se altereaza vascularizatia si apare ulceratia care necesita un tratament chirurgical

Maduva osoasa organul cel mai sensibil la iradierea globala conduce limfopenia cu atat mai repede cu cat doza de radiatii este mai mare

Organele sexuale respectiv testiculele la barbati si ovarele la femei reactioneaza diferit la iradiere

Testiculele care se remarca printre cele doua functii de producatore de hormoni si spermatozoizi la iradiere le este afectata numai cea de-a doua functie (producatoare de spematozoizi) La doze relativ mici de 05 Gy se instaleaza o depresiune tranzitorie si spontan reversibila iar la doze de circa 2 Gy apare o azospermie si sterilitate temporara in jur de un an Experientele efectuate de americani pe detinuti voluntari au aratat ca in cazul iradierii testiculelor cu doze de 6 Gy sterilitatea este temporata la om De asemenea supravietuitorii dintre cei 23 pescari japonezi care au fost iradiati in urma exploziei experimentale a armei termonucleare de la Bikini in 1954 si care se estimeaza ca au primit doze de 3 - 66 Gy dupa o sterilitate de 2-3ani au avut copii normali (in total 45 copii)

- Ovarele comparativ cu testiculele au o sensibilitate mai mica fata de radiatiile ionizante aceasta fiind influentata si de varsta Astfel pe cand la o femeie tanara in jur de 25 de ani este necesara o doza de 12-15 Gy pentru a provoca o menopauza artificiala la o femeie de peste 40 de ani este suficienta o doza de numai 7 Gy Se mentioneaza ca la femei sterilitatea este insotita de oprirea functiei endocrine

Din cercetarile efectuate precum si din constatarile asupra descendentilor celor iradiati in urma exploziilor atomice de la Hirosima si Nagasaki a rezultat ca in urma unei iradieri puternice care a provocat sterilitatea temporara nu s-au produs urmari genetice prin afectarea celulelor sexuale

Iradierea organelor profunde La iradieri puternice mai ales in radioterapie sunt iradiate si organele profunde plamanii inima rinichii tubul digestiv ficatul sistemul nervos central si creierul Dintre acestea deosebit de sensibile sunt plamanii care dupa o doza de 25 Gy se imbolnavesc de fibron pulmonar iar dupa 6-12 luni urmeaza decesul

Rinicii si ficatul sunt afectati la doze peste 30 Gy In cazul rinichilor functionarea lor este afectata dupa cateva saptamani de la iradiere pe cand vezica poate suporta doze mult mai mari Diversele organe ale aparatului digestiv au radiosensibilitati diferite Cel mai radiosensibil este intestinul subtire la care apar leziuni in urma absorbtiei unor doze

17

sub 30 Gy Urmeaza stomacul care este afectat de doze in jur de 40 Gy cel mai rezistent fiind colonul care reactioneaza numai la doze cuprinse intre 50 si 56 Gy

Destul de radiosensibil este si sistemul nervos care manifesta o fragilitate a celulelor nervoase a vaselor sangvine si o capacitate limitata de regenerare a tesuturilor nervoase La doze peste 40 Gy administrate in patru saptamani apare o paraplegie care dupa doi ani se extinde In ceea ce priveste creierul desi modificari morfologice apar deja de la doze de 10 Gy el poate suporta doze de circa 50 Gy timp de 5-6 saptamani

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor globale In urma unor iradieri globale cu doze in jur de 1 Gy care sunt fara gravitate imediata nu se observa decat foarte discrete modificari hematologice in ceea ce priveste globulele albe dar ele se regenereaza rapid In astfel de cazuri se aplica un tratament modest fara a fi necesara spitalizarea

La doze cuprinse intre 1 si 2 Gy desi semnele fizice inca lipsesc se observa o scadere a globulelor albe si a plachetelor iar numarul globulelor rosii este modest In acest caz sunt necesare transfuzii si tratament antibiotic Din contra la doze de peste 2Gy se observa o evolutie stereotipa a bolii cu afectarea celulelor formatoare de sange si scaderea corespunzatoare a numarului maxim de elemente reprezentative din sange Evolutia imbolnavirii se face urmand cele patru faze tipice Dupa o perioada de debut care dureaza trei zile insotita de simptome discrete urmeaza de perioada latenta practic silentioasa care dureaza peste trei saptamani In continuare se instaleaza perioada de stare (perioada critica) careia i se asociaza semne generale cum sunt oboseala intensa tulburari digestive hemoragii si infectii formula sangvina fiind foarte modificata In acest moment viata bolnavului este in pericol Abia dupa circa trei luni el intra in covalescenta In acest caz spitalizarea este indispensabila intr-un centru specializat cu locuri sterilizate repaus absolut si eliminarea posibilitatilor de infectare In cadrul tratamentului se recomanda grefe de maduva osoasa La doze mai mari grefa cu maduva osoasa poate fi singura sansa iar la doza peste 12 Gy de iradiere instantanee orice tratament terapeutic nu este eficace

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor accidentale In ultimele decenii s-au inmultit numarul iradierilor accidentale Principal ele pot fi clasificate in iradieri implicand una sau mai multe persoane ori a unor grupuri mari de persoane

Iadieri accidentale implicand una sau mai multe persoane Pana in anul 1965 au fost inregistrate 12 astfel de accidente critice in lume in care persoane au fost expuse global in cursul unor cercetari sau operatii chimice dintre care au rezultat 9 decese

De asemenea se cunosc 24 accidente cu surse gamagrafice dintre care 15 accidente cu 192Ir si 9 accidente cu 60Co din care au rezultat 17 morti si 38 grav iradiati In ultimii 40 de ani au avut loc 115 cazuri de iradieri locale care au facut 156 victime Principalele cauze se datoresc instalatiilor de radiatii X pentru analiza cristalografica (69) surselor de gamagrafice cu 192Ir (34) 60Co (25) emitatori β-activi (11) acceleratori de particule (8) si diverse surse (8) Iradierile interne sunt mai rare si mai greu de cunoscut In Franta sunt cunoscute numai o zecime din decese 7 sunt imputabile activitatii medicale

Iradieri accidentale a unor grupuri mari de persoane Iradierile simultane asupra unui numar ridicat de persoane au fost inregistrate in urma unor experiente cu arme termonucleare sau a unor defectiuni survenite in functionarea unor centrale atomoelectrice

Explozia experimentala a armei termonucleare de la Bikini de la 1 martie 1954 a provocat printre altele si iradierea puternica prin caderi de pulberi radioactive a locuitorilor de pe Insula Marschall precum si a 23 de pescari marinari de pe vasul japonez ldquoFukuriu Marurdquo

18

Recent prin defectarea centralei atomoelectrice de la Cernobal (Ucraina) din aprile 1986 au fost iradiate 22 persoane cu doze peste 8 Gy 22 persoane cu doze intre 4 si 8 Gy 53 persoane cu doze intre 2 si 4 Gy si 203 persoane cu doze peste 1 Gy fiind inregistrate 31 decese

342 Efecte somatice tarzii

Efectele somatice tarzii in general sunt fara prag Ele pot fi necancerigene (cataracte tulburari ale cresterii scaderea longevitatii si a unor reactii imunologice) insa principalul efect intarziat este cancerul care apare dupa cativa ani sau zeci de ani de la iradiere Principalele efecte somatice tarzii necancerigene se caracterizeaza prin urmatoarele

Cataractele sunt boli care provoaca opacifierea cristalinului Radiatiile ionizante genereaza cataracte la doze superioare la 10 Gy de radiatii X Ele sunt efecte cu prag care la barbati este foarte ridicat si apare intre 1 si 10 ani de la iradiere In cazul neutronilor rapizi pragul este mult mai jos asymp08 Gy respectiv asymp8 Sv

Tulburari de crestere Constatarile efectuate pe supravietuitorii de la Hirosima si Nagasaki au evidentiat ca prin expunere la doze de 1 Gy au loc tulburari de crestere si anume un deficit in greutate o scadere a taliei si a circumferintei capului

Longevitatea De asemenea studiile de supravietuitori de la Hirosima sI Nagasaki precum si pe animale in laborator au aratat ca la doze ridicate (asymp4 Gy) de radiatii se scurteaza durata medie de viata indiferent daca iradierea a produs leucemie sau cancer

Reactiile imunologice La iradierea cu doze de 1 Gy scad reactiile imunologice si organismele devin vulnerabile la infectii

Pielea desi nu este radiosensibila se mnifesta ca un organ critic avand un prag de toleranta de asymp2mGyzi Prin iradierea mainilor cu doze superioare (5 mGyzi) apar leziuni cutanate cronice sau uscate si atrofice care fisureaza dand ulceratii grave

Cancerele principalele efecte intarziate se caracterizeaza prin faptul ca nu au prag si se produc mai ales cu doze slabe de radiatii Frecventa lor este influentata de o serie de factori printre care se numara doza de radiatie natura radiatiilor sexul varsta si natura tesuturilor iradiate

Dintre toti factorii doza de radiatii este cel mai important iar dintre radiatii particulele α si neutronii sunt cele mai periculoase Radiosensibilitatea organismelor este diferita in functie de sex ea este mai importanta la femei decat la barbati in special pentru sani si tiroida si are un efect invers pentru maduva osoasa si pulmon Totodata efectele difera cu varsta copiii tineri adolescentii si persoanele in varsta fiind mai radiosensibile decat adultii Timpii de latenta sunt foarte variabili si depind in mod esential de natura tesutului iradiat Ei sunt cuprinsi intre 4 si 20 de ani de la iradiere pentru leucemie de 10 ani pentru tumori 22-25 de ani pentru sani etc Cancerul cutanat apare la doze de circa 15 Gy radiatii electromagnetice intre 25 si 40 de ani Cancerul osos apare la doze gt8Gy iar leucemia la doze gt1 Sv Cancerul sanului apare la doze de 020 Gy (la iradieri radiologice) iar cancerul tiroidei la 01 Gy la copii intre 13 si 14 ani

343 Efecte geneticeAlaturi de alti agenti fizico-chimici (substante chimice radiatiile

electromagnetice caldura etc) care pot provoca efecte mutagene se afla si radiatiile ionizante

19

Daca la doze slabe nu s-au inregistrat astfel de efecte la om in schimb printre copiii supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki iradiati cu doze puternice s-au inregistrat cazuri de anomalii genetice semnificative

Pe plan uman singurele informatii de care dispunem sunt descendentii iradiatilor de la Hirosima si Nagasaki si ai pescarilor de la Bikini dar in ambele cazuri dozele nu sunt cunoscute cu precizie In cazul supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki desi au prezentat forme cancerigene pentru doze ridicate (gt1 Gy) nu s-au inregistrat efecte genetice De asemenea in cazul celor 23 marinari pescari de la Bikini iradiati de caderile radioactive cu exceptia unuia care a decedat dupa o sterilitate de doi ani ceilalti au avut copii normali (45 copii) la care nu au fost observate efecte genetice aparente la prima generatie

In modul de evaluare a efectelor genetice se intampla unele dificultati datorate urmatorilor factori caracterul particular al efectelor genetice necesitatea extrapolarii rezultatelor obtinute experimental pe animale la om si de asemenea extrapolarea rezultatelor obtinute experimental cu doze forte la doze slabe

Din investigarile pe animale s-a stabilit ca fercventa anomaliilor genetice se observa la doze gt1 Gy La om anomaliile (de ex structura cromozomilor) reprezinta un risc de 1-10 pe milion de nasteri vii pe centiGy iar mutatiile genetice apar la iradierea celor doi parinti cu o frecventa de 5-65 pe milion de nasteri vii pe centiGy Dupa prima generatie si la echilibru (dupa 5 generatii) frecventa lor este de 40-200 pe milion de nasteri vii pe centiGy pe generatie Mutatiile sunt legate de sexe in sensul ca ele se transmit prin femei In prima generatie numarul de afectiuni adaugat este lt13 pe milion de nasteri vii pe centiGy

Particularitatile mutatiilor genice In functie de sex riscul pentru femeie este mai putin important ca pentru barbat Dupa varsta la femei sunt doua perioade critice principala este perioada reproducerii de la pubertate la menopauza A doua este pana in luna a saptea a vietii fetale La barbat perioada periculoasa se afla intre 20 si 40 ani perioada in care se fac majoritatea fecundarilor

Ipoteza prejudiciului genetic dat de iradierile slabe In mod normal o populatie se afla in echilibru genetic Aparitia de noi mutanti este compensata de eliminarea mutantilor existenti prin decese precoce sau prin fecundari mai putine uneori chiar nule In cazul unor iradieri suplimentare acest echilibru se rupe iar fiecarei generatii i se vor adauga descendentilor mutatiile produse la toate generatiile anterioare (mutanti suplimentari) Ca urmare se vor produce o crestere a mutatiilor letale si a celor dominante precm si o acumulare a mutatiilor primite

344 Efecte biologice teratogene

Efectele teratogene sunt anomalii si malformatii provocate de actiunea unor agenti fizici chimici si infectiosi sau a radiatiilor ionizante asupra embrionului si fetusurilor pe timpul cresterii

Sensblitatea lor la radiatii variaza dupa stadiul dezvoltarii embrionului dar pragul de actiune este foarte net mai jos decat dupa nastere Efectele teratogene sunt ireversibile iar radiatiile ionizante produc aceleasi efecte ca si alti agenti teratogeni Sub actiunea radiatiilor ionizante in functie de stadiul de dezvoltare a embrionului si a fetusurilor se deosebesc urmatoarele

20

- In stadiul de preimplantare iradierea determina fie distrugerea oului fie moartea uneia sau a mai multor celule Aceasta perioada adesea trece neobservata de femeie Doza letala 50 este de 05-06 Gy

- In stadiul de organogeneza cand femeia are consecinte de intarziere si banuiala ca ar fi insarcinata o doza de 01 Gy poate antrena malformatii Aceasta este perioada critica deoarece radiosensibilitatea este maxima

- In stadiul fetal frecventa si gravitatea malformatiilor se diminuiaza In schimb iradierea poate avea o actiune cancerigena care se manifesta la copii tineri Dozele egale sau inferioare la 025 Gy sunt considerate ca fara efect

Cele mai importante consecinte legate de efectele teratogene sunt- malformatiile ca de exemplu cele microcefalice care pot fi insotite de

intarzierea mentala - intarzierea cresterii care are loc la doze puternice (gt1 Gy) printre care se

remarca deficitul ponderal scaderea taliei si a circumferintei capului si o intarziere a osificarii

- cancerul care apare la iradieri in uter cu doze de 002 Gy-mortalitatea intrauterina si neonatala creste In cazul supravietuitorilor de la

Hirosima si Nagasaki ea a fost cu 40 mai mare decat cea normala - efecte genetice nu s-au observat nici printre descendentii celor iradiati in uter cu

ocazia exploziilor nucleare de la Hirosima si NagasakiPe baza acestor observatii se impune luarea unor precautii in cazul femeilor

insarcinte care sunt expuse profesional la doze de radiatii ionizante si excluderea lor de la orice fel de examen radiologic

21

4 Efectele fizice ale radiatiilor ionizante la interactiunea cu substanta

La impactul cu substanta fasciculele de radiatii ionizante sufera procese de atenuare datorita devierii (imprastierii) acestora printr-un mecanism monoact sau prin absorbtie cand isi pierd complet energia pe baza unui mecanism continuu Cele mai importante efecte ale radiatiilor ionizante sunt excitarea si ionizarea care pot fi directe in cazul particulelor incarcate electric sau indirecte in cazul radiatiilor X γ si a neutronilor

41 Interactiunea particulelor grele incarcate cu substanta

Particulele grele incarcate cum sunt radiatiile α protonii deuteronii atomii multiplu ionizati si produsii de fisiune nucleara la impactul cu substanta se atenueaza cu parcurs pe baza unui mecanism de pierderi mici de energie intr-un numar foarte mare de procese de interactiune

Procesul predominant este cel de interactiune cu electronii atomilor si moleculelor probabilitatea de interactiune cu nucleele atomilor fiind foarte mica

Transferul liniar de energie (TLE) notat cu Q realizat prin ciocniri neelastice cu electronii atomilor si ai moleculelor intalnite este dat de relatia lui HA Bethe

[erg∙cm-1]

in care N este numarul de atomi dintr-un cm3 Z ndash sarcina particulei m0 ndash masa de repaus a electronului v ndash viteza e ndash sarcina electronului β = vc J ndash potentialul mediului de excitare al substantei iradiate

In figura 41 se prezinta modul de variatie al numarului particulelor α cu mediul Transferul Q depinde de viteza (v) si de sarcina (Z) a prticulelor grele incidente iar pe o distanta Δx particula pierde o energie ΔE care este data de suma transferurilor Q in cursul ciocnirilor ce au loc pe aceasta distanta ΔE=ΣQ

Fig 41 Variatia numarului particulelor α in unitatea de timp cu distanta parcursa intr-un mediu dat

Atunci cand o particula parcurge un mic segment Δx din traiectoria sa ea sufera numeroase ciocniri cu electronii care se gasesc in vecinatatea traiectoriei sale Raportul S=ΔEΔx se numeste putere de incetinire a particulelor in mediu si reprezinta pierderea specifica de energie fiind dependent de viteza (v) si sarcina (Z) a particulei incidente Distanta maxima pe care o strabate o particula de energie initiala E intr-un mediu dat se numeste parcurs (R) si se exprima in metri El se poate calcula cu ajutorul relatiei

[m]

22

Din cauza fluctuatiei accidentale de ciocniri individuale dintre particulele grele incarcate si atomii mediului parcursurile lor nu sunt riguros egale asa cum se poate observa cu ajutorul unei camere Wilson (fig 42)

Fig 42 Parcursurile particulei α in camera Wilson

La strabaterea mediilor gazoase parcursurile radiatiilor α ating centimetri ( tabelul 41) pe cand in medii lichide si solide descresc mult fiind de ordinul micrometrilor Asa se explica faptul ca o foaie de hartie este suficienta pentru a absorbi complet un fascicul de radiatii α de mare energie Parcursul radiatiilor α in aer se calcleaza cu ajutorul relatiei empirice a lui Bethe R=032 E32 In fig 43 este data dependenta dintre energie si parcursul radiatiilor α

Parcursurile radiatiilor α ale Po si RaC΄ in diferite mediiTabelul 41

Mediul strabatut Parcursul radiatiilor α ale210Po(530 Mev) 214RaC΄(76 MeV)

Aer 00387 m 00698 mHidrogen 01730 m 03250 m

Heliu 0215 m 0390 mArgon 00417 m 0073 m

Alcool etilic 371μm -Aur - 14 μm

Gelatina foto 23 μm 50 μm

Ciocnindu-se cu electronii mediului strabatut particulele α produc efecte dependente de energia Q transferata acestora

Fig 43 Dependenta dintre energie si parcursul particulelor α

a Daca energia transferata (Q) este superioara energiei de legatura a electronilor (asymp10eV) acestia sunt smulsi si azvarliti particulele incidente pastrandu-si directia practic neschimbata fapt pentru care parcursul lor in orice mediu este rectiliniu Atomul caruia i

23

s-a smuls un electon devine ion pozitiv si impreuna cu electronul detasat formeaza o pereche de ioni procesul in ansamblu numindu-se ionizare

Numarul de perechi de ioni creati pe unitatea de lungime se numeste ionizare specifica (j) si este data de raportul dintre patratul atomic Z al particulelor si patratul vitezei particulei (vp)

WL BRAGG studiind variatia numarului de ioni formati in functie de unitatea de lungime a constatat ca ionizarea maxima este atinsa la sfarsitul parcursului (Fig 44)

Fig 44 Curbele de tip Bragg ale Po si RaC΄

b In cazul in care energia tansferata (Q) este inferioara energiei de legatura a electronului acesta nu este detasat din structura atomica sau moleculara de care apartine si se produce excitarea atomului respectiv

Urmarind distributia energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale se obtine o curba de distributie care este reprezentata in fig 45

Fig 45 Curba de distriutie a energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale

Conform acestei curbe energia ε=ΔE pierduta de o particula parcurgand un mic segment Δx din traiectoria sa se repartizeaza astfel

- 30 din energie (100gtQgt10eV) se consuma in excitari - 30 din energie (Qlt10eV) se consuma pentru ionizari- 40 din energie (Qgt100eV) se consuma pentru producerea de electroni

secundari δAceasta repartitie ramane constanta de-a lungul traiectoriei particuleiAutoabsorbtia radiatiilor α Urmarind variatia curentului de ionizare (I) produs

de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva (Fig 46) se observa ca numai in cazul straturilor foarte subtiri se inregistreaza o crestere proportionala a curentului de ionizare cu grosimea stratului activ Pentru o anumita grosime a stratului de substanta ionizarea devine constanta deoarece particulele α emise

24

de straturile inferioare se absorb total in cele superioare Straturile ale caror grosime este egala sau mai mare decat pacursul se numesc straturi ldquogros infiniterdquo

Fig 46 Variatia curentului de ionizare produs de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta rdioactiva

Ecranarea particulelor grele incarcate Particulele grele incarcate in primul

rand radiatiile α au parcursuri foarte mici de ordinul micronilor in corpuri solide fapt pentru care nu ridica probleme speciale de ecranare fiind absorbite total si cu usurinta de toate substantele chiar si de o foaie de hartie De aceea simpla utilizare a manusilor de cauciuc ori a hartiei de filtru in lucrari de laborator cu astfel de substante radioactive sunt masuri suficiente care sa asigure o buna protectie impotriva iradierii externe

Reactiile nucleare ale prticulelor grele incarcate La interactiunea particulelor grele incarcate cu anumite nuclee tomice acestea pot sa sufere transmutatii artificiale In particular radiatiile α emise de unele surse radioactive naturale au importanta istorica deoarece stau la baza unor importante descoperiri cum sunt

- reactiile nucleare (α p) realizate pentru prima data de E RUTHERFORD in anul 1919 au condus la descoperirea primei transmutatii artificiale sinteza izotopului stabil 17O din 14N cu emisia unui proton

In prezent cu ajutorul particulelor α ndash accelerate se prepara numerosi radioizotopi pe baza ecuatiei generale

- reactiile nucleare (α n) au stat la baza descoperirii neutronului de catre CHADWICK in 1932 prin bombardarea beriliului cu radiatii α ale poloniului

Reactiile (α n) prezinta un interes deosebit si datorita faptului ca ele stau la baza surselor de neutroni de laborator Substantele α ndash active cele mai utilizate sunt210Po 226Ra si 239Pu

Sursele Ra ndash α ndash Be emit neutroni cu un spectru energetic continuu cu energii pana la 137 MeV si randament foarte mare la 1 mCi Ra corespund 13 104 ncm2 s fiind sursele cele mai constante din cauza timpului de injumatatire lung al radiului (1600 a)

Tot pe baza reactiei nucleare (α n) sotii JOLIOT-CURIE in anul 1934 iradiind o foita de aluminiu cu particule α au obtinut fosfor radioactiv descoperind radioactivitatea artificiala care a deschis perspective nebanuite fizicii si chimiei nucleare

In prezent sub actiunea particulelor α accelerate se produc numerosi radioizotopi

ai elementelor cu timpi de injumatatire mici pe baza reactiei generale

25

De asemenea sub actiunea particulelor α accelerate au fost sintetizate o parte din elementele transuraniene conform reactiilor

In mod asemanator pot provoca reactii nucleare si alte particule grele accelerate

(protoni deuteroni) Dintre acestea se remarca- reactiile nucleare (p γ) puternic exoenergice cu emisie de fotoni de mare

energie - reactiile nucleare (d n) care stau la baza producerii neutronilor de laborator cu

ajutorul generatoarelor de inalta tensiune Cu ajutorul deuteronilor de 5 MeV s-au sintetizat pentru prima data prin reactii nucleare (d n) tehnetiul si prometiul

- reactiile nucleare (d p) care se produc cu o probabilitate de 10 ori mai mare

decat cele (d n) prezinta interes deoarece conduc la formarea de izotopi ai tintei intocmai ca in cazul reactiilor (nγ) De exemplu 23Na(dp)24Na 31P(d p)32P

Particulele grele incarcate cu energii mai mari de 50 MeV genereaza o serie de reactii nucleare in cascada dezintegrarea cu expulzarea de nucleoni rapizi (p d T) fisiunea nucleara reactii secundare si emisia de nuclee usoare

42 Interactiunea electronilor cu substanta

Fasciculele de electroni emisi de radionuclizii β ndash activi (β- si β+) precum si cei proveniti din generatoare la interactiunea cu substanta se atenueaza pierzand energia de-a lungul parcursului

Datorita unor serii de procese de absorbtie prin ciocniri elastice si neelastice si uneori prin radiatie de franare efectele fizice produse de aceste procese constau din excitarea si ionizarea mediului strabatut iar contributia fiecarui proces in parte este determinata de energia electronilor incidenti precum si de natura materialului absorbant

Imprastierea neelastica electron-electron Dintre toate procesele de interactiune ale electronilor cu substanta predominant este cel de imprastiere la ciocnirea neelastica cu electronii orbitali ai atomilor din mediu deci procesele electron-electron Datorita acestui fapt electronii sufera imprastieri sub unghiuri diferite motiv pentru care drumul fasciculelor de electroni prin mediu nu este rectiliniu ci foarte sinuos (fig 47) De aceea intr-o substanta de o anumita grosime electroni de aceeasi energie parcurg drumuri complet diferite care intrec in lungime 15 ndash 4 ori grosimea stratului penetrat

Fig 47 Drumul sinuos al electronilor prin substanta

26

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

posibil sa creasca nelimitat rezervele de energie avand in vedere faptul ca resursele de hidrogen si alte elemente usoare de pe pamant inclusiv din hidrosfera (oceane mari lacuri rauri) sunt comparabile cu cifre astronomice si socotite practic nelimitate

Desigur problema cheie a domolirii reactiilor termonucleare o constituie gasirea unor metode de realizare a temperaturilor inalte necesare armosarii acestor reactii altfel decat cu ajutorul bombei atomice precum si a obtinerii unor materiale care sa reziste la temperaturi asa de mari

De un interes deosebit se bucura si folosirea unor surse radioactive pe baza de elemente actinoide generatoare de energie termica si electrica cu variate aplicatii in tehnica medicina si cercetare caracterizate de o functionare constanta si indelungata (minim 10 ani) desi energia obtinuta este mai redusa Printre acestea se remarca bateriile electrice care functioneaza pe baza radiatiilor α emise de plutoniu 238 si utilizate in biostimulatorii de pulsuri ale inimii sau la functionarea unor instalatii montate pe sateliti si diverse vehicule spatiale

In paralel rezultatele obtinute in domeniul energeticii nucleare industriale si miliare s-au dezvoltat si amplificat cercetarile si aplicatiile practice ale izotopilor radioactivi artificiali ca surse de radiatii sau ca atomi marcati (trasori) in cele mai variate domenii de activitate chimie tehnica si industrie petrol metalurgie geologie medicina si biologie agricultura si silvicultura etc

Pe baza posibilitatii de identificare si diferentiere a atomilor si moleculelor marcate de cele nemarcate s-au instituit metode rapide si simple de analiza cu radioizotopi Printre acestea se numara metodele cu reactivi radiochimici (precipitarea titrarea si dilutia izotopica) metode de analiza prin activare metode de analiza cu fascicule cu radiatii (adsorbtia neutronilor retrodifuzia radiatiilor β ionizarea mediului etc)

4

2 Raspandirea elementelor radioactive in mediul inconjurator

Planeta noastra a mostenit inca de la formare o zestre apreciabila de radioactivitate terestra din care s-a pastrat o parte respectiv elementele si izotopii radioactivi de viata lunga cu timpi de injumatatire foarte mari238U(T447109 a) 235U(T704108 a ) si 232Th(T141010 a) generatori ai celor trei familii radioactive naturale si descendentii lor radioizotopi ai elementelor cu Z=81-92 dintre care cei mai importanti sunt 226Ra (T 1600 a) Io(230Th)(T 77104 a) si 231Pa(T325104 a) Aceste radioelemente nu sunt decat niste resturi care ne reamintesc de o vreme in care aproape toate speciile nucleare erau radioactive Dintre ele cel mai raspandit in scoarta terestra si cel mai important sub toate aspectele este uraniul (310-4 ) element dispers mai raspandit decat aurul argintul si mercurul urmat de toriu (810-4 ) si de radiu (2010-10 ) Ele sunt prezente intr-o masura mai mica sau mai mare in rocile eruptive metamorfice si sedimentare in hidrosfera si in troposfera In unele zone ale scoartei terestre concentratia lor in rocile de suprafata poate atinge valori de ordinul zecimilor si chiar al catorva procente Sub actiunea agentilor atmosferici (vanturi precipitatii si variatii de temperatura) mineralele radioactive sunt partial alterate solubilizate si transportate de ape contribuind la poluarea mediului Fenomene de acest gen se remarca mai ales in procesele de exploatare miniera a uraniului cand acesta se oxideaza si solubilizeaza trecand in apele de mina sub forma de saruri de uranil (10 -6 ndash 10-2 gl) si de aerosoli in aerul atmosferic In acelasi timp in atmosfera se mai concentreaza si o cantitate apreciabila de radon gaz radioactiv degajat prin transformarile succesive ale uraniului care intra in echilibru cu radonul din apele de mina eliberat de sarurile de uranil solubilizate

21Unele particularitati ale radioactivitatii tipurilor de roci soluri apelor naturale si atmosferei

Radioactivitatea rocilor magmatice este considerabil mai ridicata in varietatile acide decat in cele bazice (tabelul 21) In cazul rocilor magmatice elementele radioactive se concentreaza in special in zircon monazit sfen biotit si altele iar in speciile granitice radioactivitatea creste in directia cuart ndash feldspatii ndash minerale feromagneziene-minerale accesorii Principalul purtator de uraniu din granite este ortitul un silicat de aluminiu fier si calciu In cadrul rocilor eruptive uraniul se gaseste sub forma de minerale uranifere de amestec izomorf in retelele cristaline ale altor minerale in stare de adsorbtie la suprafata granulelor in stare solubila in incluziunile lichide din minerale sau in spatiul intergranular

Continutul mediu de radioelemente naturale in diferite tipuri de roci magmaticeTabelul 21

Tipul de roca U 10-4 []

Th 10-4 []

Ra 10-10 []

5

Acide 35 18 12Neutre 18 7 06Bazice 05 3 027

Ultrabazice 0003 0005 001

Radioactivitatea rocilor metamorfice depinde de radioactivitatea rocilor initiale si de caracterul metamorfismului Ea este foarte diferita pentru diversele tipuri chiar si in cadrul unuia si aceluiasi pachet de roci metamorfice Radioactivitatea gnaiselor si a sisturilor formate din roci argiloase este mai ridicata decat a cuartitelor Valoarea ei creste in rocile in care s-a suprapus fenomenul de metamorfism hidrotermal (tabelul 22)

Radioactivitatea naturala a rocilor metamorfice Tabelul

22Tipul de roca Ra

10-12 [gg]U

10-6 [gg]Th

10-6 [gg]Gnais 21 62 87

Gnais augitic 071 20 -Eclogit 007 02 -

Radioactivitatea rocilor sedimentare variaza in limite largi de la argile si sisturi argiloase (cele mai radioactive) la rocile organogene si chimic pure (sare gema gips anhidrite calcare dolomite) cele mai putin radioactive (tabelul 23)

Continutul mediu de radioelemente naturale in roci sedimentare Tabelul 23

Tipul de roca U 10-4 []

Th 10-4 []

Ra 10-10 []

Gresie 3 ndash 4 - 0 ndash 15 Cuartit 16 - 045Argila 43 13 13

Sist argilos 30 - 109Calcar 15 05 05

Dolomit 03 - 011

Radioactivitatea solurilor depinde de compozitia chimico-mineralogica a rocilor din care sunt formate Daca acestea sunt de compozitie mai acida (granitica) vor fi mai radioactive Spre deosebire de toriu si radiu care se acumuleaza in soluri in cantitati mai mari uraniul este spalat si transportat de catre acizii humici cu usurinta

Radioactivitatea apelor naturale variaza dupa continutul in elemente radioactive Astfel apa dulce contine in medie substante radioactive cu o activitate de 037 Bql (10 pCil) In apa marilor radioactivitatea este de circa 36 de ori mai mare respectiv ajunge la circa 13 Bql (351 pCIl) iar in apele minerale aceste valori sunt de circa o suta de ori mai mari respectiv 37 Bql (1000 pCIl) In tabelul 24 se prezinta continutul mediu de uraniu radiu si radon in unele ape naturale

Continutul mediu in uraniu si radiu al unor ape naturale

6

Tabelul 24Tipul de ape naturale U [gl] Ra [gl]

Rauri 6∙10-7 2∙10-13

Lacuri 8∙10-6 1∙10-12

Mari si oceane 2∙10-6 1∙10-13

Din roci sedimentare 5∙10-6 2∙10-2

Din roci magmatice acide 7∙10-7 2∙10-12

Din zacaminte de uraniu 8∙10-4 8∙10-11

Principalii factori care influenteaza solubilitatea si continutul in elemente

adioactive sunt compozitia in saruri si gaze a apei capacitatea de emanatie a rocilor prin care circula apele regimul de temperatura al acestora conditiile hidrogeologice generale si regimul hidrodinamic al apelor subterane Apele cu continut de saruri levigheaza intens uraniul si radiul din roci iar in functie de pH si de oxigen oxideaza uraniul (IV) la uraniu (VI) determinand o solubilizare si o migrare intensa a acestuia In afara de oxigen si alte gaze cum ar fi dioxidul de carbon dizolvate in apa favorizeaza migrarea uraniului Totodata aceste ape se imbogatesc in radon si radiu devenind ape radioactive De asemenea diferitele tipuri de ape de strat din zacamintele de petrol contin radiu in concentratii de ordinul 10-11 gl Valori maxime se intalnesc in apele de strat cloro-sodice iar in zonele petroliere continutul de radiu din ape creste pe masura apropierii de zacamantul de petrol

Radioactivitatea amosferei se datoreaza prezentei emanatiilor radioactive radon (222Rn) toron (220Tn) si actinon (219An) Spre deosebire de radon care prezinta o raspandire mai larga avand timpul de injumatatire de 382 zile toronul si actinonul au timpii de injumatatire mici 556 si respectiv 396 s fapt pentru care se intalnesc de regula numai in stratul de aer din apropierea solului (tabelul 25) Radonul care se formeaza continuu din elementele radioactive prezente in sol rezultand circa 0585 mm3

Rng Ra se dezintegreaza la randul lui treptat generand o serie de alti atomi radioactivi asa-zisul depozit fix (218Po 214Pb 214Bi 210Pb) In general continutul radonului in atmosfera este mic respectiv de ordinul 10-13 Cil aer (37 mBql) si el creste deasupra zonelor bogate in minereuri radioactive ajungand la 10-9-10-8 Cil (37-37 Bql)Pe baza masuratorilor concentratiei de radon se pot prospecta zacamintele radioactive de la distanta de exemplu din avion

Continutul mediu de radon in diferite zone ale aerului atmosferic Tabelul 25

Locul de raspandire al radonului in aer

Rn[Cil] Bql]

Aer de sol 2010-10 74Aer deasupra solului 1310-10 482Aer deasupra marii 14410-10 532

22 Elemente si minerale radioactive

In principal radioactivitatea naturala a scoartei terestre este determinata de continutul de uraniu toriu si produsele lor de dezintegrare

7

Uraniul este raspandit sub forma a circa 200 de minerale ce pot fi clasificate in oxizi oxizi hidratati carbonati sulfati fosfati molibdati vanadati silicati si compusi organici (tabelul 26)

Principalele minerale de uraniu Tabelul 26

Denumirea Formula chimica Oxizi si oxizi hidratati

Uraninit UO2

Pechblenda U3O8

Broumlggerit (U Th)O2

Carbonati sulfati silicatiRuterfordiu UO2CO3

Sharpit (UO2)3(CO3)5(OH)27H2OUranopilit (UO2)6(SO4)(OH)1012H2OJohannit Cu(UO2)2(SO4)2(OH)26H2OSoddit (UO2)5(SiO4)2(OH)25H2O

Fosfati si arsenatiAutunit Ca(UO2)2(PO4)210H2O

Torbernit Cu(UO2)2(PO4)28H2OUranospinit Ca(UO2)2(AsO4)28H2O

Troumlgerit (UO2)3(AsO4)12H2OVanadati si molbdati

Carnotit K(UO2)2(VO4)23 H2OTyuyamunit Ca(UO2)2(VO4)28 H2O

Molibdat de calciu si U Ca(UO2)3(MoO4)3(OH)28 H2O

De asemenea el se gaseste raspandit si in apele raurilor si lacurilor in apele marilor si oceanelor in petrol carbuni in gazele naturale etc Dintre mineralele sale putine sunt exploatabile

Uraninitul UO2 cu continut de radiu actiniu poloniu si alte produse ale transformarilor radioactive

Uraninitul cristalizeaza in sistemul cubic (retea CaF2) are culoare neagra cu luciu puternic de smoala in spartura duritate mare (103-106) este casant si puternic radioactiv Varietatile compacte de mase collomorfe poarta denumirea de ldquosmoala de uraniurdquo

Uraninitul se gaseste raspandit in pegmatite granitice si sienitice cu continut de toriu si pamanturi rare In concentratii mai mari se gaseste raspandit in zacaminte hidrotermale asociat cu arseniura de nichel si cobalt cu carbonati de calciu si de fier Cele mai mari zacaminte se afla in Canada langa Marele Lac al Ursilor si in provincia Katanga (Congo Belgian) Cehia Rusia etc

Pechblenda U3O8 un amestec de oxizi ai U(IV) cu U(VI) este un mineral de culoare neagra fara continut de toriu si pamanturi rare Are aspect de smoala numit si ldquosmoala de uraniurdquo fiind cel mai important mineral industrial de uraniu Apare in formatii sferoidale fara cristale clare S-a format in solutii coloidale cand s-a depus sub forma de gel care s-a solidificat si cristalizat ulterior Cristalizeaza in sistemul cubic avand culoare neagra de smoala uneori cu nuante verzui In principal se gaseste in filoane hidrotermale formate in zonele profunde ale zacamintelor exogene in conditii de mediu reducator Se gasste raspandit in SUA Rusia Canada Congo Cehia etc

8

Carnotita K(UO2)2(VO4)23 H2O se gaseste de obicei sub forma de mase pulverulente si eflorescente de culoare galben-deschisa sau galben-verzuie cu luciu puternic sidefos Cristalizeaza in sistemul rombic are duritate mica (2 ndash 25) este casant si puternic radioactiv Se gaseste in zona de alterare a rocilor sedimentare in special a gresiilor bogate in resturi organice Zacaminte importante se gasesc in statul Colorado (SUA) Canada Australia Africa de Sud Rusia (Ual Siberia) Cehia Maroc Iordania Israel etc

Toriul se gaseste raspandit in natura 810-4 sub forma de minerale proprii Principalele minereuri din care se extrage toriul sunt

Monazita (CeLaPrNdhellip)Po4 este un mineral care contine ThO2 sub forma de amestec izomorf 4 ndash 19 lantanoide (CeLa) 50 ndash 68 Cristalizeaza in sistemul monoclinic sub forma de cristale mici de culoare galben-bruna cafenie rosie rareori cu luciu accentuat sticlos sau gras si duritate 5 ndash 55 Se intalneste de obicei in pegmatite uneori in gnaise asociat cu feldspat zircon Prin alterare trece in aluviuni fluviale si marine (Brazilia la Minas Geraes) si India In depozite formeaza zacaminte in India Brazilia Africa de Sud Canada SUA Egipt etc

Toritul ThSiO4 se prezinta sub forma de cristale tetragonale de culoare neagra bruna galbena portocalie cu luciu sticlos sau gras casant duritate 45 ndash 5 fiind puternic radioactiv Se intalneste de obicei sub forma de granule diseminate mai rar ca mase compacte Varietatea de culoare portocalie se numeste Orangit iar cea cu continut de 10 ndash 16 U3O8 Uranotorit Se gaseste in Norvegia Elvetia si Madagascar

Radiul nu are minerale proprii insa se gaseste in mineralele de uraniu unde formeaza prin dezintegrarea succesiva 4 radioizotopi naturali 226Ra 228Ra 224Ra si 223Ra descendenti ai celor trei familii radioactive naturale Principala sursa de obtinere a 226Ra este pechblenda care contine 200 mg Rat U3O8 In scoarta pamantului el se gaseste raspandit 2010-10 iar in apele oceanelor si marilor 10-13 g Rat In tabelul 27 se da raspandirea lui in apa si alimente

9

Concentrarea radiului in apa potabila si alimente in pCi 226Rakg material proaspat sau la litru

Tabelul 27Tipul de aliment

New York City Chicago San Francisco R F G

Apa potabila 004 02 - 003-034Apa de rau 003 - - 007-08Paine alba 32 33 29 17-33Faina alba 27 24 13 27Lapte liq 025 024 022 03Cartofi 20 14 10 06-10

Fasole uscata 61 70 24 -Vegetale 24 22 07 16-17Fructe 15-28 14 09 09Orez 15 07 06 -Oua 41-79 27 26 31Peste 12 07 08 28-63Carne 044 045 081 08-15

Prelucrare dupa Schimier H Seelentag Wiand Waldeskong B ldquoThe radiation of human beingsrdquo Tehnical report series nr 123 IAEA p 7-30 (1971)

Protactiniul este raspandit in scoarta terestra 710-12 in minereurile de uraniu sub forma a trei radioizotopi 234Pa(UX2) 234Pa(UZ) si 231Pa La 1 g de uraniu natural se gasesc 3510-7 g Pa respectiv o tona de uraniu contine 1 mg Ac si 129 mg Pa

23 Radioizotopi naturali

In afara elementelor radioactive amintite in scoarta terestra se gasesc raspanditi o serie de izotopi radioactivi ai unor elemente in amestec cu izotopi stabili ai acestora Printre ei se numara 40K(T 128109 a) 87Rb(T471010 a) 115In(T 61014 a) 130Te(T 141021 a) 138La (T 131011 a) 176Lu (T 331010 a) 187Re (T 511010 a) si altii cu timpi de injumatatire cuprinsi intre 1010 si 1017 ani

Din randul lor se remarca 40K care insotind izotopii stabili ai potasiului unul din elementele abundente in scoarta terestra confera o anumita radioactivitate apelor si rocilor Astfel contributia 40K la radioactivitatea apelor marine este de 111 Bql In diferitele roci activitatea adusa de 40K variaza de la 081 Bqg in roci arse in bazalt la 117 Bqg in granite De asemenea ea variaza si in unele alimente de la 066Bqkg in lapte la 222 Bqkg de grau respectiv la 74 Bqkg in carne

O alta serie de radioizotopi cum sunt 14C si tritiul (3H) se formeaza permanent in natura prin bombardarea azotului din aer cu neutroni de origine cosmica sau cu cei eliberati din reactiile (α n) de dezintegrare α-spontana a unor nuclee grele din scoarta terestra (Ac Th Pa U) precum si din procesele de fisiune spontana a unora dintre ele (235U)

10

In troposfera viteza de formare a tritiului este de 60 atomicm2 pe minut iar a carbonului 14 este de 150 atomicm2 pe minut

In natura concentratia 3H si 14C a ramas practic constanta deoarece in decursul timpului s-a stabilit un echilibru intre procesele de formare si de dezintegrare a acestor radioizotopi

Tritiul (3H) care se formeaza intra in echilibru cu hidrogenul din apa de ploaie prin intermediul careia patrunde in biosfera ajungand in cele din urma la o In toate produsele neizolate de acest echilibru natural tritiul se afla in raport de 4 atomi de tritiu la 108 atomi de hidrogen normal Datorita tritiului in medie radioactivitatea naturala a produselor cu hidrogen este de 111 Bq 3Hg 1H (30 pCig) Apa marilor contine 059 Bql (016 pCi 3Hl)

Carbonul 14 odata format oxideaza la 14CO2 si intra rapid in amestec cu CO2

normal in circuitul carbonului Prin fotosinteza el ajunge in metabolismul vegetal si de aici in cel animal pana la om unde produce circa 18105 dezmin fapt care reprezinta a suta parte din radioactivitatea corpului uman

24 Raspandirea radioactivitatii in Univers

Din studiul meteoritilor rezulta ca si alte planete din sistemul solar sunt prezente principalele elemente radioactive uraniul si toriul impreuna cu elementele din familiile radioactive Daca pe Pamant radioactivitatea joaca un rol foarte important in cadrul general al Universului ea se prezinta ca un proces nuclear minor datorita proceselor termonucleare ce se petrec in anumite tipuri de stele si in special in Soare Se estimeaza ca pentru a egala energia primita de la Soare pe Pamant ar trebui sa fie explodate circa 47 bombe nucleare pe secunda Prin aceasta ldquohemoragie energeticardquo sub forma de radiatie Soarele pierde 42 milioane de tone de masa pe secunda Cu toate ca masa Soarelui este mare rezerva sa de energie calorica ar trebui sa fie consumata intr-un timp relativ scurt si ca asistam la scaderea continua a temperaturii Studiile geologice arata ca de-a lungul epocilor geologice temperatura Pamantului si implicit energia primita de la Soare nu a suferit variatii semnificative Aceasta comportare nu poate fi explicata decat acceptand ca energia de la Soare se reinoieste permanent pe baza unui proces exoergic Conform lui H BETHE (1938) principala sursa de energie din Soare il au doua cicluri de reactii termonucleare

- ciclul proton ndash proton (p ndash p) de trecere prin fuziune de la hidrogen la heliu in etape succesive sub forma de reactii nucleare inlantuite in cicluri termonucleare avand ca produsi intermediari izotopii hidrogenului si ai heliului (fig 21) conform acestui ciclu hidrogenul molecular se constituie ca principala rezerva de combustibil nuclear ldquosangele stelelorrdquo si al Soarelui

- ciclul carbon ndash azot (C ndash N) imaginat de BETHE de trecere de la hidrogen la heliu prin trepte intermediare in prezenta unui nucleu strain cu rol catalizator cum este carbonul 12 in cadrul caruia carbonul se reface iar din patru protoni rezulta un heliu si doi pozitroni (fig 22) In realitate in stele au loc concomitent cele doua cicluri La inceput predomina ciclul p ndash p dupa care urmeaza o perioada cu temperaturi mai ridicate cand predomina ciclul carbon ndash azot

11

Fig 21 Ciclul proton ndash proton Fig 22 Ciclul carbon ndash azot

Multa vreme s-a crezut ca prin ciclul carbon ndash azot se incheie seria reactiilor termonucleare ce au loc in stele In realitate prin cresterea treptata a temperaturii pot sa aibe loc inca o serie de reactii termonucleare prin capturare de helioni cand se formeaza nuclee de 16O si 20Ne procesul nuclear continuand cu formarea 24Mg pana la nucleele cu numar de masa cuprins intre 40 ndash 60

12

3 Efecte radiobiologice asupra omului

Imediat dupa descoperirea radiatiilor roumlentgen si apoi a radioactivitatii s-a sesizat si caracterul periculos al radiatiilor ionizante in cazul folosirii nerationale Pionierii roentgenografiei au cunoscut ldquope propia lor pielerdquo actiunea radiatiilor ionizante iar dupa descoperirea radioactivitatii primele victime au aparut in 1920 in SUA in randul muncitorilor care aplicau vopsele luminoase pe cadranele ceasornicelor Acestora li s-au adaugat savantii Marie Curie si Ireacutene Joliot-Curie renumiti cercetatori in domeniul radioactivitatii care au decedat dupa grele suferinte de leucemie radioindusa Dar cele mai mari victime s-au inregistrat la sfarsitul celui de al doilea razboi mondial in urma exploziilor celor doua bombe atomice lansate de catre SUA asupra Japoniei la Hirosima si Nagasaki

31 Particularitatile efectelor biologice

Indiferent de urmarile provocate de impactul radiatiilor ionizante cu organismul viu actiunea biologica prezinta unele particularitati si anume

- organismul omenesc nu este dotat cu un organ de simt care sa sesizeze prezenta radiatiilor ionizante iar efectul biologic nu este vizibil in momentul iradierii

- efectele biologice sunt cumulative si nu au un caracter particular care sa ne permita deosebirea de efectele aparute altfel decat prin iradiere

- modificarile si simptomele evolueaza lent dupa iradiere Unele sunt imediate sau precoce si apar dupa un ragaz care variaza de la cateva ore la cateva saptamani Altele sunt intarziate si survin dupa mai multi ani (leucemia) dupa mai multe zeci de ani (cancerul fatal) sau pot provoca efecte genetice

In realitate efectele biologice produse de actiunea radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului sunt rezultatul unei lungi serii de fenomene care se declanseaza la trecerea radiatiilor prin organismele vii Evenimentele initiale sunt ionizari si excitari ale atomilor si moleculelor din mediul de interactiune de-a lungul traiectoriilor particulelor ionizante Ulterior aceste perturbari fizice antreneaza reactii fizico-chimice urmate de reactii chimice generand in final efecte biologice Schematic cronologia acestor evenimente este data in tabelul 31

13

Tabelul 31 Prezentarea schematica a fenomenelor declansate deradiatiile ionizante in mediu biologic

32 Clasificarea efectelor biologice

In prezent efectele nocive ale radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului a descendentilor sai si asupra umanitatii in general se clasifica in doua categorii

- efecte nestochastice si- efecte stochasticeEfectele nestochastice sunt efecte imediate (precoce) cu prag reversibile si

imperfect aditive Fiind caracterizate de o relatie de cauzalitate determinate intre doza si efect ele apar atunci cand doza primita depaseste o anumita valoare de prag (fig 31)

Fig 31 Dependenta efectului biologic de doza biologicaa ndash efecte stochastice fara prag b ndash efecete nestochastice cu prag

14

Valoarea pragului pentru un anumit efect poate varia in jurul unei valori medii de la un individ la altul si in functie de conditiile de iradiere In general efectele nestochastice apar destul de repede in timp fiind efecte imediate (precoce) iar vatamarile provocate de ele sunt cu atat mai mari cu cat doza este mai mare

Avand caracter reversibil exista posibilitatea regenerarii unor tesuturi iar dozele administrate intr-un timp lung nu sunt perfect aditive De aceea pentru evitarea producerii lor are mare importanta administrarea fractionata a dozelor de radiatii

Printre efectele nestochastice se numara leziunile nemaligne ale pielii cataracta hipolezia medulara care antreneaza o deficienta hematologica a vatamarilor provocate celulelor gonadelor cu repercusiuni asupra fertilitatii

Efectele stochastice sunt intotdeauna efecte somatice tarzii fara prag ireversibile si aditive Aparitia lor urmeaza o relatie probabilistica doza-efect aparent la intamplare de unde si numele stochastic Altfel spus dintr-o populatie aflata intr-o zona de radiatii efectele stochastice apar numai in unele cazuri individuale aparent la intamplare

Printre ele se numara efectele somatice care se manifesta cu intarziere sub forma de afectiuni maligne (cancer) si efecte genetice (ereditare) ce apar la descendenti Practic intre momentul iradierii si al aparitiei bolii maligne pot trece ani sau zeci de ani

Fiind relatii liniare intre frecventa de aparitie a efectelor stochastice si dozelor absorbite pentru radiatiile cu transfer liniar de energie mica rezulta ca in aceste cazuri la doze mici si debite mici ale dozei riscul pentru sanatate este proportional cu doza administrata In literatura de specialitate factorul de proportionalitate dintre frecventa de aparitie a acestor efecte si doza absorbita a fost denumit factor de risc

Dozele administrate in timp lung fiid aditive nu are importanta daca doza care produce efctul respectiv a fost administrata fractionat sau instantaneu respectiv intr-o secunda sau intr-o luna

Efectul biologic produs este ireversibil si in prezent nu se cunosc metode de reducere a probabilitatilor de aparitie a efectelor stochastice somatice datorate unor doze deja primite

Detrimentul sanatatii Conceptul de detriment al sanatatii se refera la fenomenul de distrugere (vatamare) integrala a unei persoane datorita efectelor biologice ale radiatiilor ionizante fenomen care poate aparea dupa o iradiere in conditii bine definite si la un anumit nivel de doza

In cazul unui efect patologic dat (i) detrimentul (Gj) la un individ (j) este exprimat de produsul intre probabilitatea de aparitie a efectului (pi) si factorul corespunzator de gravitate (g)

iar pentru un grup de persoane (P) detrimentul colectiv (G) este

Acest concept se aplica atat asupra efectelor stochastice cat si a celor nestochastice in principal fiind utilizat pentru estimarea vatamarilor datorate efectelor stochastice

Intre probabilitatea de aparitie a efectelor biologice stochastice si echivalentul de doza se stabileste o relatie liniara fara prag aplicata la doze slabe De aceea detrimentul colectiv al sanatatii este proportional cu echivalentul de doza efectiv colectiv Totusi in mod practic detrimentul unui grup de indivizi nu poate fi redus la o insumare a vatamarilor individuale fapt pentru care echivaletul de doza colectiva se ia ca un partener printre altele

15

33 Fazele tipice ale evolutiei imbolnavirii in urma iradierii

In dinamica evolutiei reactiilor care au loc in urma iradierii se pot distinge trei perioade importante perioada primara perioada latenta si perioada secundara

Reactiile in perioada primara de actiune a radiatiilor ionizante se datoreaza a trei tipuri principale de mecanisme mecanismul actiunii directe indirecte si la distanta

Efectul biologic prin actiune directa consta in transmiterea directa a energiei particulelor incarcate sau a electronilor secundari catre atomii si moleculele substantelor celulare Produsul principal al acestei actiuni sunt ioni si atomi excitati de-a lungul parcursului particulei in celula Datorita ionizarii si excitarii substantelor prin mecanism primar se produc modificari chimice ale acestora (mecanismul actiunii indirecte) Deoarece organismele vii au in compozitia lor un mare procent de apa la om ajungand pana la 85 din greutatea corpului multa vreme s-a considerat ca actiunea nociva a radiatiilor ionizante este cauzata de produsele de descompunere a ei si in special de apa oxigenata care actioneaza ca agent oxidant (ipoteza actiunii prin apa oxigenata) O ipoteza mai verosimila considera ca rolul principal in actiunea biologica primara il au radicalii H OH si O2H care apar la radioliza apei (ipoteza actiunii prin radicali liberi) Conform acestei ipoteze radioliza apei constituie o sursa pentru actiunea indirecta a radiatiei deoarece radicalii liberi formati pot afecta atat cromozomii cat si proteinele citoplasmatice

Datorita interventiei sistemului nervos a glandelor endocrine si a transportului prin umori sau difuziune a unor substante rezultate in tesuturile iradiate efectele biologice se pot produce nu numai in organele iradiate ci si in cele neiradiate (mecanismul actiunii la distanta sau al actiunii secundare)

Perioada latenta care apare in organism dupa perioada primara se caracterizeaza prin faptul ca fenomenele sunt atat de neinsemnate incat nu pot fi descoperite neinregistrandu-se nici un fel de tulburari Perioada latenta variaza invers proportional cu doza de radiatii De aceea in cazul unor iradieri cu doze mortale perioada latenta dureaza de la cateva ore la 30-40 de zile iar in doze fractionate mici ea dureaza mai mult de un an

Perioada secundara este dominata de formarea in celule si tesuturi de substante toxice care conduc la intoxicarea organismului determinand o serie de efecte biologice importante (ipoteza formarii uor substante toxice) Reactiile din aceasta perioada sunt de natura necunoscuta si in decursul timpului ele au fost atribuite actiunii apei oxigenate peroxizilor organici si histaminei problema fiind insa in discutie Cert este faptul ca sub actiunea radiatiilor ionizante apar molecule active in primul rand in celulele din tesuturi si in paralel in sange si in limfa

34 Clasificarea efectelor biologice dupa natura lor

Cel mai fercvent efectele biologice se clasifica dupa natura lor in- efecte precoce care nu apar decat pentru doze ridicate- efecte somatice tarzii care se manifesta dupa mai multi ani chiar mai multi zeci

de ani- efecte genetice care privesc descendentii - efecte teratogene care se refera la afectarea embrionului si a fetusului

341 Efecte biologice precoce

16

Efectele biologice precoce survin la putin timp dupa iradiere uneori dupa cateva ore sau mai putin si sunt efecte cu prag fapt pentru care nu apar decat daca doza depaseste un anumit nivel Deasupra pragului ele cresc cu doza De aceea pentru a evita producerea lor s-au elaborat reglementari care impun limitarea sub nivelul de prag al dozelor ce le pot primi operatorii care lucreaza in medii de radiatii ionizante Cele mai fragile tesuturi care sufera efecte biologice cu prag sunt pielea celulele formate de sange maduva osoasa intestinul si organele sexuale sau gonade

Efectele biologice precoce in cazul iradierilor partiale Acestea se refera la piele maduva osoasa si organele genitale

Pielea Efectele radiobiologice ale pielii sunt foarte variabile si ele depind de doza de localizarea anatomica de varsta de pigmentatia tegumentului etc In general la doze mai mari de 10 Gy nu se observa nici o leziune grava dar la 25 din cazuri apare o senzatie de caldura La doze intre 10 si 20 Gy apar epidermite exudative urmate dupa un timp de o latenta de trei saptamani de eritema secundara apoi de epitelitaexudativa dupa 3-6 luni facandu-se restaurarea fara recurs In cazul unor iradieri foarte importante si profunde se altereaza vascularizatia si apare ulceratia care necesita un tratament chirurgical

Maduva osoasa organul cel mai sensibil la iradierea globala conduce limfopenia cu atat mai repede cu cat doza de radiatii este mai mare

Organele sexuale respectiv testiculele la barbati si ovarele la femei reactioneaza diferit la iradiere

Testiculele care se remarca printre cele doua functii de producatore de hormoni si spermatozoizi la iradiere le este afectata numai cea de-a doua functie (producatoare de spematozoizi) La doze relativ mici de 05 Gy se instaleaza o depresiune tranzitorie si spontan reversibila iar la doze de circa 2 Gy apare o azospermie si sterilitate temporara in jur de un an Experientele efectuate de americani pe detinuti voluntari au aratat ca in cazul iradierii testiculelor cu doze de 6 Gy sterilitatea este temporata la om De asemenea supravietuitorii dintre cei 23 pescari japonezi care au fost iradiati in urma exploziei experimentale a armei termonucleare de la Bikini in 1954 si care se estimeaza ca au primit doze de 3 - 66 Gy dupa o sterilitate de 2-3ani au avut copii normali (in total 45 copii)

- Ovarele comparativ cu testiculele au o sensibilitate mai mica fata de radiatiile ionizante aceasta fiind influentata si de varsta Astfel pe cand la o femeie tanara in jur de 25 de ani este necesara o doza de 12-15 Gy pentru a provoca o menopauza artificiala la o femeie de peste 40 de ani este suficienta o doza de numai 7 Gy Se mentioneaza ca la femei sterilitatea este insotita de oprirea functiei endocrine

Din cercetarile efectuate precum si din constatarile asupra descendentilor celor iradiati in urma exploziilor atomice de la Hirosima si Nagasaki a rezultat ca in urma unei iradieri puternice care a provocat sterilitatea temporara nu s-au produs urmari genetice prin afectarea celulelor sexuale

Iradierea organelor profunde La iradieri puternice mai ales in radioterapie sunt iradiate si organele profunde plamanii inima rinichii tubul digestiv ficatul sistemul nervos central si creierul Dintre acestea deosebit de sensibile sunt plamanii care dupa o doza de 25 Gy se imbolnavesc de fibron pulmonar iar dupa 6-12 luni urmeaza decesul

Rinicii si ficatul sunt afectati la doze peste 30 Gy In cazul rinichilor functionarea lor este afectata dupa cateva saptamani de la iradiere pe cand vezica poate suporta doze mult mai mari Diversele organe ale aparatului digestiv au radiosensibilitati diferite Cel mai radiosensibil este intestinul subtire la care apar leziuni in urma absorbtiei unor doze

17

sub 30 Gy Urmeaza stomacul care este afectat de doze in jur de 40 Gy cel mai rezistent fiind colonul care reactioneaza numai la doze cuprinse intre 50 si 56 Gy

Destul de radiosensibil este si sistemul nervos care manifesta o fragilitate a celulelor nervoase a vaselor sangvine si o capacitate limitata de regenerare a tesuturilor nervoase La doze peste 40 Gy administrate in patru saptamani apare o paraplegie care dupa doi ani se extinde In ceea ce priveste creierul desi modificari morfologice apar deja de la doze de 10 Gy el poate suporta doze de circa 50 Gy timp de 5-6 saptamani

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor globale In urma unor iradieri globale cu doze in jur de 1 Gy care sunt fara gravitate imediata nu se observa decat foarte discrete modificari hematologice in ceea ce priveste globulele albe dar ele se regenereaza rapid In astfel de cazuri se aplica un tratament modest fara a fi necesara spitalizarea

La doze cuprinse intre 1 si 2 Gy desi semnele fizice inca lipsesc se observa o scadere a globulelor albe si a plachetelor iar numarul globulelor rosii este modest In acest caz sunt necesare transfuzii si tratament antibiotic Din contra la doze de peste 2Gy se observa o evolutie stereotipa a bolii cu afectarea celulelor formatoare de sange si scaderea corespunzatoare a numarului maxim de elemente reprezentative din sange Evolutia imbolnavirii se face urmand cele patru faze tipice Dupa o perioada de debut care dureaza trei zile insotita de simptome discrete urmeaza de perioada latenta practic silentioasa care dureaza peste trei saptamani In continuare se instaleaza perioada de stare (perioada critica) careia i se asociaza semne generale cum sunt oboseala intensa tulburari digestive hemoragii si infectii formula sangvina fiind foarte modificata In acest moment viata bolnavului este in pericol Abia dupa circa trei luni el intra in covalescenta In acest caz spitalizarea este indispensabila intr-un centru specializat cu locuri sterilizate repaus absolut si eliminarea posibilitatilor de infectare In cadrul tratamentului se recomanda grefe de maduva osoasa La doze mai mari grefa cu maduva osoasa poate fi singura sansa iar la doza peste 12 Gy de iradiere instantanee orice tratament terapeutic nu este eficace

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor accidentale In ultimele decenii s-au inmultit numarul iradierilor accidentale Principal ele pot fi clasificate in iradieri implicand una sau mai multe persoane ori a unor grupuri mari de persoane

Iadieri accidentale implicand una sau mai multe persoane Pana in anul 1965 au fost inregistrate 12 astfel de accidente critice in lume in care persoane au fost expuse global in cursul unor cercetari sau operatii chimice dintre care au rezultat 9 decese

De asemenea se cunosc 24 accidente cu surse gamagrafice dintre care 15 accidente cu 192Ir si 9 accidente cu 60Co din care au rezultat 17 morti si 38 grav iradiati In ultimii 40 de ani au avut loc 115 cazuri de iradieri locale care au facut 156 victime Principalele cauze se datoresc instalatiilor de radiatii X pentru analiza cristalografica (69) surselor de gamagrafice cu 192Ir (34) 60Co (25) emitatori β-activi (11) acceleratori de particule (8) si diverse surse (8) Iradierile interne sunt mai rare si mai greu de cunoscut In Franta sunt cunoscute numai o zecime din decese 7 sunt imputabile activitatii medicale

Iradieri accidentale a unor grupuri mari de persoane Iradierile simultane asupra unui numar ridicat de persoane au fost inregistrate in urma unor experiente cu arme termonucleare sau a unor defectiuni survenite in functionarea unor centrale atomoelectrice

Explozia experimentala a armei termonucleare de la Bikini de la 1 martie 1954 a provocat printre altele si iradierea puternica prin caderi de pulberi radioactive a locuitorilor de pe Insula Marschall precum si a 23 de pescari marinari de pe vasul japonez ldquoFukuriu Marurdquo

18

Recent prin defectarea centralei atomoelectrice de la Cernobal (Ucraina) din aprile 1986 au fost iradiate 22 persoane cu doze peste 8 Gy 22 persoane cu doze intre 4 si 8 Gy 53 persoane cu doze intre 2 si 4 Gy si 203 persoane cu doze peste 1 Gy fiind inregistrate 31 decese

342 Efecte somatice tarzii

Efectele somatice tarzii in general sunt fara prag Ele pot fi necancerigene (cataracte tulburari ale cresterii scaderea longevitatii si a unor reactii imunologice) insa principalul efect intarziat este cancerul care apare dupa cativa ani sau zeci de ani de la iradiere Principalele efecte somatice tarzii necancerigene se caracterizeaza prin urmatoarele

Cataractele sunt boli care provoaca opacifierea cristalinului Radiatiile ionizante genereaza cataracte la doze superioare la 10 Gy de radiatii X Ele sunt efecte cu prag care la barbati este foarte ridicat si apare intre 1 si 10 ani de la iradiere In cazul neutronilor rapizi pragul este mult mai jos asymp08 Gy respectiv asymp8 Sv

Tulburari de crestere Constatarile efectuate pe supravietuitorii de la Hirosima si Nagasaki au evidentiat ca prin expunere la doze de 1 Gy au loc tulburari de crestere si anume un deficit in greutate o scadere a taliei si a circumferintei capului

Longevitatea De asemenea studiile de supravietuitori de la Hirosima sI Nagasaki precum si pe animale in laborator au aratat ca la doze ridicate (asymp4 Gy) de radiatii se scurteaza durata medie de viata indiferent daca iradierea a produs leucemie sau cancer

Reactiile imunologice La iradierea cu doze de 1 Gy scad reactiile imunologice si organismele devin vulnerabile la infectii

Pielea desi nu este radiosensibila se mnifesta ca un organ critic avand un prag de toleranta de asymp2mGyzi Prin iradierea mainilor cu doze superioare (5 mGyzi) apar leziuni cutanate cronice sau uscate si atrofice care fisureaza dand ulceratii grave

Cancerele principalele efecte intarziate se caracterizeaza prin faptul ca nu au prag si se produc mai ales cu doze slabe de radiatii Frecventa lor este influentata de o serie de factori printre care se numara doza de radiatie natura radiatiilor sexul varsta si natura tesuturilor iradiate

Dintre toti factorii doza de radiatii este cel mai important iar dintre radiatii particulele α si neutronii sunt cele mai periculoase Radiosensibilitatea organismelor este diferita in functie de sex ea este mai importanta la femei decat la barbati in special pentru sani si tiroida si are un efect invers pentru maduva osoasa si pulmon Totodata efectele difera cu varsta copiii tineri adolescentii si persoanele in varsta fiind mai radiosensibile decat adultii Timpii de latenta sunt foarte variabili si depind in mod esential de natura tesutului iradiat Ei sunt cuprinsi intre 4 si 20 de ani de la iradiere pentru leucemie de 10 ani pentru tumori 22-25 de ani pentru sani etc Cancerul cutanat apare la doze de circa 15 Gy radiatii electromagnetice intre 25 si 40 de ani Cancerul osos apare la doze gt8Gy iar leucemia la doze gt1 Sv Cancerul sanului apare la doze de 020 Gy (la iradieri radiologice) iar cancerul tiroidei la 01 Gy la copii intre 13 si 14 ani

343 Efecte geneticeAlaturi de alti agenti fizico-chimici (substante chimice radiatiile

electromagnetice caldura etc) care pot provoca efecte mutagene se afla si radiatiile ionizante

19

Daca la doze slabe nu s-au inregistrat astfel de efecte la om in schimb printre copiii supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki iradiati cu doze puternice s-au inregistrat cazuri de anomalii genetice semnificative

Pe plan uman singurele informatii de care dispunem sunt descendentii iradiatilor de la Hirosima si Nagasaki si ai pescarilor de la Bikini dar in ambele cazuri dozele nu sunt cunoscute cu precizie In cazul supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki desi au prezentat forme cancerigene pentru doze ridicate (gt1 Gy) nu s-au inregistrat efecte genetice De asemenea in cazul celor 23 marinari pescari de la Bikini iradiati de caderile radioactive cu exceptia unuia care a decedat dupa o sterilitate de doi ani ceilalti au avut copii normali (45 copii) la care nu au fost observate efecte genetice aparente la prima generatie

In modul de evaluare a efectelor genetice se intampla unele dificultati datorate urmatorilor factori caracterul particular al efectelor genetice necesitatea extrapolarii rezultatelor obtinute experimental pe animale la om si de asemenea extrapolarea rezultatelor obtinute experimental cu doze forte la doze slabe

Din investigarile pe animale s-a stabilit ca fercventa anomaliilor genetice se observa la doze gt1 Gy La om anomaliile (de ex structura cromozomilor) reprezinta un risc de 1-10 pe milion de nasteri vii pe centiGy iar mutatiile genetice apar la iradierea celor doi parinti cu o frecventa de 5-65 pe milion de nasteri vii pe centiGy Dupa prima generatie si la echilibru (dupa 5 generatii) frecventa lor este de 40-200 pe milion de nasteri vii pe centiGy pe generatie Mutatiile sunt legate de sexe in sensul ca ele se transmit prin femei In prima generatie numarul de afectiuni adaugat este lt13 pe milion de nasteri vii pe centiGy

Particularitatile mutatiilor genice In functie de sex riscul pentru femeie este mai putin important ca pentru barbat Dupa varsta la femei sunt doua perioade critice principala este perioada reproducerii de la pubertate la menopauza A doua este pana in luna a saptea a vietii fetale La barbat perioada periculoasa se afla intre 20 si 40 ani perioada in care se fac majoritatea fecundarilor

Ipoteza prejudiciului genetic dat de iradierile slabe In mod normal o populatie se afla in echilibru genetic Aparitia de noi mutanti este compensata de eliminarea mutantilor existenti prin decese precoce sau prin fecundari mai putine uneori chiar nule In cazul unor iradieri suplimentare acest echilibru se rupe iar fiecarei generatii i se vor adauga descendentilor mutatiile produse la toate generatiile anterioare (mutanti suplimentari) Ca urmare se vor produce o crestere a mutatiilor letale si a celor dominante precm si o acumulare a mutatiilor primite

344 Efecte biologice teratogene

Efectele teratogene sunt anomalii si malformatii provocate de actiunea unor agenti fizici chimici si infectiosi sau a radiatiilor ionizante asupra embrionului si fetusurilor pe timpul cresterii

Sensblitatea lor la radiatii variaza dupa stadiul dezvoltarii embrionului dar pragul de actiune este foarte net mai jos decat dupa nastere Efectele teratogene sunt ireversibile iar radiatiile ionizante produc aceleasi efecte ca si alti agenti teratogeni Sub actiunea radiatiilor ionizante in functie de stadiul de dezvoltare a embrionului si a fetusurilor se deosebesc urmatoarele

20

- In stadiul de preimplantare iradierea determina fie distrugerea oului fie moartea uneia sau a mai multor celule Aceasta perioada adesea trece neobservata de femeie Doza letala 50 este de 05-06 Gy

- In stadiul de organogeneza cand femeia are consecinte de intarziere si banuiala ca ar fi insarcinata o doza de 01 Gy poate antrena malformatii Aceasta este perioada critica deoarece radiosensibilitatea este maxima

- In stadiul fetal frecventa si gravitatea malformatiilor se diminuiaza In schimb iradierea poate avea o actiune cancerigena care se manifesta la copii tineri Dozele egale sau inferioare la 025 Gy sunt considerate ca fara efect

Cele mai importante consecinte legate de efectele teratogene sunt- malformatiile ca de exemplu cele microcefalice care pot fi insotite de

intarzierea mentala - intarzierea cresterii care are loc la doze puternice (gt1 Gy) printre care se

remarca deficitul ponderal scaderea taliei si a circumferintei capului si o intarziere a osificarii

- cancerul care apare la iradieri in uter cu doze de 002 Gy-mortalitatea intrauterina si neonatala creste In cazul supravietuitorilor de la

Hirosima si Nagasaki ea a fost cu 40 mai mare decat cea normala - efecte genetice nu s-au observat nici printre descendentii celor iradiati in uter cu

ocazia exploziilor nucleare de la Hirosima si NagasakiPe baza acestor observatii se impune luarea unor precautii in cazul femeilor

insarcinte care sunt expuse profesional la doze de radiatii ionizante si excluderea lor de la orice fel de examen radiologic

21

4 Efectele fizice ale radiatiilor ionizante la interactiunea cu substanta

La impactul cu substanta fasciculele de radiatii ionizante sufera procese de atenuare datorita devierii (imprastierii) acestora printr-un mecanism monoact sau prin absorbtie cand isi pierd complet energia pe baza unui mecanism continuu Cele mai importante efecte ale radiatiilor ionizante sunt excitarea si ionizarea care pot fi directe in cazul particulelor incarcate electric sau indirecte in cazul radiatiilor X γ si a neutronilor

41 Interactiunea particulelor grele incarcate cu substanta

Particulele grele incarcate cum sunt radiatiile α protonii deuteronii atomii multiplu ionizati si produsii de fisiune nucleara la impactul cu substanta se atenueaza cu parcurs pe baza unui mecanism de pierderi mici de energie intr-un numar foarte mare de procese de interactiune

Procesul predominant este cel de interactiune cu electronii atomilor si moleculelor probabilitatea de interactiune cu nucleele atomilor fiind foarte mica

Transferul liniar de energie (TLE) notat cu Q realizat prin ciocniri neelastice cu electronii atomilor si ai moleculelor intalnite este dat de relatia lui HA Bethe

[erg∙cm-1]

in care N este numarul de atomi dintr-un cm3 Z ndash sarcina particulei m0 ndash masa de repaus a electronului v ndash viteza e ndash sarcina electronului β = vc J ndash potentialul mediului de excitare al substantei iradiate

In figura 41 se prezinta modul de variatie al numarului particulelor α cu mediul Transferul Q depinde de viteza (v) si de sarcina (Z) a prticulelor grele incidente iar pe o distanta Δx particula pierde o energie ΔE care este data de suma transferurilor Q in cursul ciocnirilor ce au loc pe aceasta distanta ΔE=ΣQ

Fig 41 Variatia numarului particulelor α in unitatea de timp cu distanta parcursa intr-un mediu dat

Atunci cand o particula parcurge un mic segment Δx din traiectoria sa ea sufera numeroase ciocniri cu electronii care se gasesc in vecinatatea traiectoriei sale Raportul S=ΔEΔx se numeste putere de incetinire a particulelor in mediu si reprezinta pierderea specifica de energie fiind dependent de viteza (v) si sarcina (Z) a particulei incidente Distanta maxima pe care o strabate o particula de energie initiala E intr-un mediu dat se numeste parcurs (R) si se exprima in metri El se poate calcula cu ajutorul relatiei

[m]

22

Din cauza fluctuatiei accidentale de ciocniri individuale dintre particulele grele incarcate si atomii mediului parcursurile lor nu sunt riguros egale asa cum se poate observa cu ajutorul unei camere Wilson (fig 42)

Fig 42 Parcursurile particulei α in camera Wilson

La strabaterea mediilor gazoase parcursurile radiatiilor α ating centimetri ( tabelul 41) pe cand in medii lichide si solide descresc mult fiind de ordinul micrometrilor Asa se explica faptul ca o foaie de hartie este suficienta pentru a absorbi complet un fascicul de radiatii α de mare energie Parcursul radiatiilor α in aer se calcleaza cu ajutorul relatiei empirice a lui Bethe R=032 E32 In fig 43 este data dependenta dintre energie si parcursul radiatiilor α

Parcursurile radiatiilor α ale Po si RaC΄ in diferite mediiTabelul 41

Mediul strabatut Parcursul radiatiilor α ale210Po(530 Mev) 214RaC΄(76 MeV)

Aer 00387 m 00698 mHidrogen 01730 m 03250 m

Heliu 0215 m 0390 mArgon 00417 m 0073 m

Alcool etilic 371μm -Aur - 14 μm

Gelatina foto 23 μm 50 μm

Ciocnindu-se cu electronii mediului strabatut particulele α produc efecte dependente de energia Q transferata acestora

Fig 43 Dependenta dintre energie si parcursul particulelor α

a Daca energia transferata (Q) este superioara energiei de legatura a electronilor (asymp10eV) acestia sunt smulsi si azvarliti particulele incidente pastrandu-si directia practic neschimbata fapt pentru care parcursul lor in orice mediu este rectiliniu Atomul caruia i

23

s-a smuls un electon devine ion pozitiv si impreuna cu electronul detasat formeaza o pereche de ioni procesul in ansamblu numindu-se ionizare

Numarul de perechi de ioni creati pe unitatea de lungime se numeste ionizare specifica (j) si este data de raportul dintre patratul atomic Z al particulelor si patratul vitezei particulei (vp)

WL BRAGG studiind variatia numarului de ioni formati in functie de unitatea de lungime a constatat ca ionizarea maxima este atinsa la sfarsitul parcursului (Fig 44)

Fig 44 Curbele de tip Bragg ale Po si RaC΄

b In cazul in care energia tansferata (Q) este inferioara energiei de legatura a electronului acesta nu este detasat din structura atomica sau moleculara de care apartine si se produce excitarea atomului respectiv

Urmarind distributia energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale se obtine o curba de distributie care este reprezentata in fig 45

Fig 45 Curba de distriutie a energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale

Conform acestei curbe energia ε=ΔE pierduta de o particula parcurgand un mic segment Δx din traiectoria sa se repartizeaza astfel

- 30 din energie (100gtQgt10eV) se consuma in excitari - 30 din energie (Qlt10eV) se consuma pentru ionizari- 40 din energie (Qgt100eV) se consuma pentru producerea de electroni

secundari δAceasta repartitie ramane constanta de-a lungul traiectoriei particuleiAutoabsorbtia radiatiilor α Urmarind variatia curentului de ionizare (I) produs

de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva (Fig 46) se observa ca numai in cazul straturilor foarte subtiri se inregistreaza o crestere proportionala a curentului de ionizare cu grosimea stratului activ Pentru o anumita grosime a stratului de substanta ionizarea devine constanta deoarece particulele α emise

24

de straturile inferioare se absorb total in cele superioare Straturile ale caror grosime este egala sau mai mare decat pacursul se numesc straturi ldquogros infiniterdquo

Fig 46 Variatia curentului de ionizare produs de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta rdioactiva

Ecranarea particulelor grele incarcate Particulele grele incarcate in primul

rand radiatiile α au parcursuri foarte mici de ordinul micronilor in corpuri solide fapt pentru care nu ridica probleme speciale de ecranare fiind absorbite total si cu usurinta de toate substantele chiar si de o foaie de hartie De aceea simpla utilizare a manusilor de cauciuc ori a hartiei de filtru in lucrari de laborator cu astfel de substante radioactive sunt masuri suficiente care sa asigure o buna protectie impotriva iradierii externe

Reactiile nucleare ale prticulelor grele incarcate La interactiunea particulelor grele incarcate cu anumite nuclee tomice acestea pot sa sufere transmutatii artificiale In particular radiatiile α emise de unele surse radioactive naturale au importanta istorica deoarece stau la baza unor importante descoperiri cum sunt

- reactiile nucleare (α p) realizate pentru prima data de E RUTHERFORD in anul 1919 au condus la descoperirea primei transmutatii artificiale sinteza izotopului stabil 17O din 14N cu emisia unui proton

In prezent cu ajutorul particulelor α ndash accelerate se prepara numerosi radioizotopi pe baza ecuatiei generale

- reactiile nucleare (α n) au stat la baza descoperirii neutronului de catre CHADWICK in 1932 prin bombardarea beriliului cu radiatii α ale poloniului

Reactiile (α n) prezinta un interes deosebit si datorita faptului ca ele stau la baza surselor de neutroni de laborator Substantele α ndash active cele mai utilizate sunt210Po 226Ra si 239Pu

Sursele Ra ndash α ndash Be emit neutroni cu un spectru energetic continuu cu energii pana la 137 MeV si randament foarte mare la 1 mCi Ra corespund 13 104 ncm2 s fiind sursele cele mai constante din cauza timpului de injumatatire lung al radiului (1600 a)

Tot pe baza reactiei nucleare (α n) sotii JOLIOT-CURIE in anul 1934 iradiind o foita de aluminiu cu particule α au obtinut fosfor radioactiv descoperind radioactivitatea artificiala care a deschis perspective nebanuite fizicii si chimiei nucleare

In prezent sub actiunea particulelor α accelerate se produc numerosi radioizotopi

ai elementelor cu timpi de injumatatire mici pe baza reactiei generale

25

De asemenea sub actiunea particulelor α accelerate au fost sintetizate o parte din elementele transuraniene conform reactiilor

In mod asemanator pot provoca reactii nucleare si alte particule grele accelerate

(protoni deuteroni) Dintre acestea se remarca- reactiile nucleare (p γ) puternic exoenergice cu emisie de fotoni de mare

energie - reactiile nucleare (d n) care stau la baza producerii neutronilor de laborator cu

ajutorul generatoarelor de inalta tensiune Cu ajutorul deuteronilor de 5 MeV s-au sintetizat pentru prima data prin reactii nucleare (d n) tehnetiul si prometiul

- reactiile nucleare (d p) care se produc cu o probabilitate de 10 ori mai mare

decat cele (d n) prezinta interes deoarece conduc la formarea de izotopi ai tintei intocmai ca in cazul reactiilor (nγ) De exemplu 23Na(dp)24Na 31P(d p)32P

Particulele grele incarcate cu energii mai mari de 50 MeV genereaza o serie de reactii nucleare in cascada dezintegrarea cu expulzarea de nucleoni rapizi (p d T) fisiunea nucleara reactii secundare si emisia de nuclee usoare

42 Interactiunea electronilor cu substanta

Fasciculele de electroni emisi de radionuclizii β ndash activi (β- si β+) precum si cei proveniti din generatoare la interactiunea cu substanta se atenueaza pierzand energia de-a lungul parcursului

Datorita unor serii de procese de absorbtie prin ciocniri elastice si neelastice si uneori prin radiatie de franare efectele fizice produse de aceste procese constau din excitarea si ionizarea mediului strabatut iar contributia fiecarui proces in parte este determinata de energia electronilor incidenti precum si de natura materialului absorbant

Imprastierea neelastica electron-electron Dintre toate procesele de interactiune ale electronilor cu substanta predominant este cel de imprastiere la ciocnirea neelastica cu electronii orbitali ai atomilor din mediu deci procesele electron-electron Datorita acestui fapt electronii sufera imprastieri sub unghiuri diferite motiv pentru care drumul fasciculelor de electroni prin mediu nu este rectiliniu ci foarte sinuos (fig 47) De aceea intr-o substanta de o anumita grosime electroni de aceeasi energie parcurg drumuri complet diferite care intrec in lungime 15 ndash 4 ori grosimea stratului penetrat

Fig 47 Drumul sinuos al electronilor prin substanta

26

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

2 Raspandirea elementelor radioactive in mediul inconjurator

Planeta noastra a mostenit inca de la formare o zestre apreciabila de radioactivitate terestra din care s-a pastrat o parte respectiv elementele si izotopii radioactivi de viata lunga cu timpi de injumatatire foarte mari238U(T447109 a) 235U(T704108 a ) si 232Th(T141010 a) generatori ai celor trei familii radioactive naturale si descendentii lor radioizotopi ai elementelor cu Z=81-92 dintre care cei mai importanti sunt 226Ra (T 1600 a) Io(230Th)(T 77104 a) si 231Pa(T325104 a) Aceste radioelemente nu sunt decat niste resturi care ne reamintesc de o vreme in care aproape toate speciile nucleare erau radioactive Dintre ele cel mai raspandit in scoarta terestra si cel mai important sub toate aspectele este uraniul (310-4 ) element dispers mai raspandit decat aurul argintul si mercurul urmat de toriu (810-4 ) si de radiu (2010-10 ) Ele sunt prezente intr-o masura mai mica sau mai mare in rocile eruptive metamorfice si sedimentare in hidrosfera si in troposfera In unele zone ale scoartei terestre concentratia lor in rocile de suprafata poate atinge valori de ordinul zecimilor si chiar al catorva procente Sub actiunea agentilor atmosferici (vanturi precipitatii si variatii de temperatura) mineralele radioactive sunt partial alterate solubilizate si transportate de ape contribuind la poluarea mediului Fenomene de acest gen se remarca mai ales in procesele de exploatare miniera a uraniului cand acesta se oxideaza si solubilizeaza trecand in apele de mina sub forma de saruri de uranil (10 -6 ndash 10-2 gl) si de aerosoli in aerul atmosferic In acelasi timp in atmosfera se mai concentreaza si o cantitate apreciabila de radon gaz radioactiv degajat prin transformarile succesive ale uraniului care intra in echilibru cu radonul din apele de mina eliberat de sarurile de uranil solubilizate

21Unele particularitati ale radioactivitatii tipurilor de roci soluri apelor naturale si atmosferei

Radioactivitatea rocilor magmatice este considerabil mai ridicata in varietatile acide decat in cele bazice (tabelul 21) In cazul rocilor magmatice elementele radioactive se concentreaza in special in zircon monazit sfen biotit si altele iar in speciile granitice radioactivitatea creste in directia cuart ndash feldspatii ndash minerale feromagneziene-minerale accesorii Principalul purtator de uraniu din granite este ortitul un silicat de aluminiu fier si calciu In cadrul rocilor eruptive uraniul se gaseste sub forma de minerale uranifere de amestec izomorf in retelele cristaline ale altor minerale in stare de adsorbtie la suprafata granulelor in stare solubila in incluziunile lichide din minerale sau in spatiul intergranular

Continutul mediu de radioelemente naturale in diferite tipuri de roci magmaticeTabelul 21

Tipul de roca U 10-4 []

Th 10-4 []

Ra 10-10 []

5

Acide 35 18 12Neutre 18 7 06Bazice 05 3 027

Ultrabazice 0003 0005 001

Radioactivitatea rocilor metamorfice depinde de radioactivitatea rocilor initiale si de caracterul metamorfismului Ea este foarte diferita pentru diversele tipuri chiar si in cadrul unuia si aceluiasi pachet de roci metamorfice Radioactivitatea gnaiselor si a sisturilor formate din roci argiloase este mai ridicata decat a cuartitelor Valoarea ei creste in rocile in care s-a suprapus fenomenul de metamorfism hidrotermal (tabelul 22)

Radioactivitatea naturala a rocilor metamorfice Tabelul

22Tipul de roca Ra

10-12 [gg]U

10-6 [gg]Th

10-6 [gg]Gnais 21 62 87

Gnais augitic 071 20 -Eclogit 007 02 -

Radioactivitatea rocilor sedimentare variaza in limite largi de la argile si sisturi argiloase (cele mai radioactive) la rocile organogene si chimic pure (sare gema gips anhidrite calcare dolomite) cele mai putin radioactive (tabelul 23)

Continutul mediu de radioelemente naturale in roci sedimentare Tabelul 23

Tipul de roca U 10-4 []

Th 10-4 []

Ra 10-10 []

Gresie 3 ndash 4 - 0 ndash 15 Cuartit 16 - 045Argila 43 13 13

Sist argilos 30 - 109Calcar 15 05 05

Dolomit 03 - 011

Radioactivitatea solurilor depinde de compozitia chimico-mineralogica a rocilor din care sunt formate Daca acestea sunt de compozitie mai acida (granitica) vor fi mai radioactive Spre deosebire de toriu si radiu care se acumuleaza in soluri in cantitati mai mari uraniul este spalat si transportat de catre acizii humici cu usurinta

Radioactivitatea apelor naturale variaza dupa continutul in elemente radioactive Astfel apa dulce contine in medie substante radioactive cu o activitate de 037 Bql (10 pCil) In apa marilor radioactivitatea este de circa 36 de ori mai mare respectiv ajunge la circa 13 Bql (351 pCIl) iar in apele minerale aceste valori sunt de circa o suta de ori mai mari respectiv 37 Bql (1000 pCIl) In tabelul 24 se prezinta continutul mediu de uraniu radiu si radon in unele ape naturale

Continutul mediu in uraniu si radiu al unor ape naturale

6

Tabelul 24Tipul de ape naturale U [gl] Ra [gl]

Rauri 6∙10-7 2∙10-13

Lacuri 8∙10-6 1∙10-12

Mari si oceane 2∙10-6 1∙10-13

Din roci sedimentare 5∙10-6 2∙10-2

Din roci magmatice acide 7∙10-7 2∙10-12

Din zacaminte de uraniu 8∙10-4 8∙10-11

Principalii factori care influenteaza solubilitatea si continutul in elemente

adioactive sunt compozitia in saruri si gaze a apei capacitatea de emanatie a rocilor prin care circula apele regimul de temperatura al acestora conditiile hidrogeologice generale si regimul hidrodinamic al apelor subterane Apele cu continut de saruri levigheaza intens uraniul si radiul din roci iar in functie de pH si de oxigen oxideaza uraniul (IV) la uraniu (VI) determinand o solubilizare si o migrare intensa a acestuia In afara de oxigen si alte gaze cum ar fi dioxidul de carbon dizolvate in apa favorizeaza migrarea uraniului Totodata aceste ape se imbogatesc in radon si radiu devenind ape radioactive De asemenea diferitele tipuri de ape de strat din zacamintele de petrol contin radiu in concentratii de ordinul 10-11 gl Valori maxime se intalnesc in apele de strat cloro-sodice iar in zonele petroliere continutul de radiu din ape creste pe masura apropierii de zacamantul de petrol

Radioactivitatea amosferei se datoreaza prezentei emanatiilor radioactive radon (222Rn) toron (220Tn) si actinon (219An) Spre deosebire de radon care prezinta o raspandire mai larga avand timpul de injumatatire de 382 zile toronul si actinonul au timpii de injumatatire mici 556 si respectiv 396 s fapt pentru care se intalnesc de regula numai in stratul de aer din apropierea solului (tabelul 25) Radonul care se formeaza continuu din elementele radioactive prezente in sol rezultand circa 0585 mm3

Rng Ra se dezintegreaza la randul lui treptat generand o serie de alti atomi radioactivi asa-zisul depozit fix (218Po 214Pb 214Bi 210Pb) In general continutul radonului in atmosfera este mic respectiv de ordinul 10-13 Cil aer (37 mBql) si el creste deasupra zonelor bogate in minereuri radioactive ajungand la 10-9-10-8 Cil (37-37 Bql)Pe baza masuratorilor concentratiei de radon se pot prospecta zacamintele radioactive de la distanta de exemplu din avion

Continutul mediu de radon in diferite zone ale aerului atmosferic Tabelul 25

Locul de raspandire al radonului in aer

Rn[Cil] Bql]

Aer de sol 2010-10 74Aer deasupra solului 1310-10 482Aer deasupra marii 14410-10 532

22 Elemente si minerale radioactive

In principal radioactivitatea naturala a scoartei terestre este determinata de continutul de uraniu toriu si produsele lor de dezintegrare

7

Uraniul este raspandit sub forma a circa 200 de minerale ce pot fi clasificate in oxizi oxizi hidratati carbonati sulfati fosfati molibdati vanadati silicati si compusi organici (tabelul 26)

Principalele minerale de uraniu Tabelul 26

Denumirea Formula chimica Oxizi si oxizi hidratati

Uraninit UO2

Pechblenda U3O8

Broumlggerit (U Th)O2

Carbonati sulfati silicatiRuterfordiu UO2CO3

Sharpit (UO2)3(CO3)5(OH)27H2OUranopilit (UO2)6(SO4)(OH)1012H2OJohannit Cu(UO2)2(SO4)2(OH)26H2OSoddit (UO2)5(SiO4)2(OH)25H2O

Fosfati si arsenatiAutunit Ca(UO2)2(PO4)210H2O

Torbernit Cu(UO2)2(PO4)28H2OUranospinit Ca(UO2)2(AsO4)28H2O

Troumlgerit (UO2)3(AsO4)12H2OVanadati si molbdati

Carnotit K(UO2)2(VO4)23 H2OTyuyamunit Ca(UO2)2(VO4)28 H2O

Molibdat de calciu si U Ca(UO2)3(MoO4)3(OH)28 H2O

De asemenea el se gaseste raspandit si in apele raurilor si lacurilor in apele marilor si oceanelor in petrol carbuni in gazele naturale etc Dintre mineralele sale putine sunt exploatabile

Uraninitul UO2 cu continut de radiu actiniu poloniu si alte produse ale transformarilor radioactive

Uraninitul cristalizeaza in sistemul cubic (retea CaF2) are culoare neagra cu luciu puternic de smoala in spartura duritate mare (103-106) este casant si puternic radioactiv Varietatile compacte de mase collomorfe poarta denumirea de ldquosmoala de uraniurdquo

Uraninitul se gaseste raspandit in pegmatite granitice si sienitice cu continut de toriu si pamanturi rare In concentratii mai mari se gaseste raspandit in zacaminte hidrotermale asociat cu arseniura de nichel si cobalt cu carbonati de calciu si de fier Cele mai mari zacaminte se afla in Canada langa Marele Lac al Ursilor si in provincia Katanga (Congo Belgian) Cehia Rusia etc

Pechblenda U3O8 un amestec de oxizi ai U(IV) cu U(VI) este un mineral de culoare neagra fara continut de toriu si pamanturi rare Are aspect de smoala numit si ldquosmoala de uraniurdquo fiind cel mai important mineral industrial de uraniu Apare in formatii sferoidale fara cristale clare S-a format in solutii coloidale cand s-a depus sub forma de gel care s-a solidificat si cristalizat ulterior Cristalizeaza in sistemul cubic avand culoare neagra de smoala uneori cu nuante verzui In principal se gaseste in filoane hidrotermale formate in zonele profunde ale zacamintelor exogene in conditii de mediu reducator Se gasste raspandit in SUA Rusia Canada Congo Cehia etc

8

Carnotita K(UO2)2(VO4)23 H2O se gaseste de obicei sub forma de mase pulverulente si eflorescente de culoare galben-deschisa sau galben-verzuie cu luciu puternic sidefos Cristalizeaza in sistemul rombic are duritate mica (2 ndash 25) este casant si puternic radioactiv Se gaseste in zona de alterare a rocilor sedimentare in special a gresiilor bogate in resturi organice Zacaminte importante se gasesc in statul Colorado (SUA) Canada Australia Africa de Sud Rusia (Ual Siberia) Cehia Maroc Iordania Israel etc

Toriul se gaseste raspandit in natura 810-4 sub forma de minerale proprii Principalele minereuri din care se extrage toriul sunt

Monazita (CeLaPrNdhellip)Po4 este un mineral care contine ThO2 sub forma de amestec izomorf 4 ndash 19 lantanoide (CeLa) 50 ndash 68 Cristalizeaza in sistemul monoclinic sub forma de cristale mici de culoare galben-bruna cafenie rosie rareori cu luciu accentuat sticlos sau gras si duritate 5 ndash 55 Se intalneste de obicei in pegmatite uneori in gnaise asociat cu feldspat zircon Prin alterare trece in aluviuni fluviale si marine (Brazilia la Minas Geraes) si India In depozite formeaza zacaminte in India Brazilia Africa de Sud Canada SUA Egipt etc

Toritul ThSiO4 se prezinta sub forma de cristale tetragonale de culoare neagra bruna galbena portocalie cu luciu sticlos sau gras casant duritate 45 ndash 5 fiind puternic radioactiv Se intalneste de obicei sub forma de granule diseminate mai rar ca mase compacte Varietatea de culoare portocalie se numeste Orangit iar cea cu continut de 10 ndash 16 U3O8 Uranotorit Se gaseste in Norvegia Elvetia si Madagascar

Radiul nu are minerale proprii insa se gaseste in mineralele de uraniu unde formeaza prin dezintegrarea succesiva 4 radioizotopi naturali 226Ra 228Ra 224Ra si 223Ra descendenti ai celor trei familii radioactive naturale Principala sursa de obtinere a 226Ra este pechblenda care contine 200 mg Rat U3O8 In scoarta pamantului el se gaseste raspandit 2010-10 iar in apele oceanelor si marilor 10-13 g Rat In tabelul 27 se da raspandirea lui in apa si alimente

9

Concentrarea radiului in apa potabila si alimente in pCi 226Rakg material proaspat sau la litru

Tabelul 27Tipul de aliment

New York City Chicago San Francisco R F G

Apa potabila 004 02 - 003-034Apa de rau 003 - - 007-08Paine alba 32 33 29 17-33Faina alba 27 24 13 27Lapte liq 025 024 022 03Cartofi 20 14 10 06-10

Fasole uscata 61 70 24 -Vegetale 24 22 07 16-17Fructe 15-28 14 09 09Orez 15 07 06 -Oua 41-79 27 26 31Peste 12 07 08 28-63Carne 044 045 081 08-15

Prelucrare dupa Schimier H Seelentag Wiand Waldeskong B ldquoThe radiation of human beingsrdquo Tehnical report series nr 123 IAEA p 7-30 (1971)

Protactiniul este raspandit in scoarta terestra 710-12 in minereurile de uraniu sub forma a trei radioizotopi 234Pa(UX2) 234Pa(UZ) si 231Pa La 1 g de uraniu natural se gasesc 3510-7 g Pa respectiv o tona de uraniu contine 1 mg Ac si 129 mg Pa

23 Radioizotopi naturali

In afara elementelor radioactive amintite in scoarta terestra se gasesc raspanditi o serie de izotopi radioactivi ai unor elemente in amestec cu izotopi stabili ai acestora Printre ei se numara 40K(T 128109 a) 87Rb(T471010 a) 115In(T 61014 a) 130Te(T 141021 a) 138La (T 131011 a) 176Lu (T 331010 a) 187Re (T 511010 a) si altii cu timpi de injumatatire cuprinsi intre 1010 si 1017 ani

Din randul lor se remarca 40K care insotind izotopii stabili ai potasiului unul din elementele abundente in scoarta terestra confera o anumita radioactivitate apelor si rocilor Astfel contributia 40K la radioactivitatea apelor marine este de 111 Bql In diferitele roci activitatea adusa de 40K variaza de la 081 Bqg in roci arse in bazalt la 117 Bqg in granite De asemenea ea variaza si in unele alimente de la 066Bqkg in lapte la 222 Bqkg de grau respectiv la 74 Bqkg in carne

O alta serie de radioizotopi cum sunt 14C si tritiul (3H) se formeaza permanent in natura prin bombardarea azotului din aer cu neutroni de origine cosmica sau cu cei eliberati din reactiile (α n) de dezintegrare α-spontana a unor nuclee grele din scoarta terestra (Ac Th Pa U) precum si din procesele de fisiune spontana a unora dintre ele (235U)

10

In troposfera viteza de formare a tritiului este de 60 atomicm2 pe minut iar a carbonului 14 este de 150 atomicm2 pe minut

In natura concentratia 3H si 14C a ramas practic constanta deoarece in decursul timpului s-a stabilit un echilibru intre procesele de formare si de dezintegrare a acestor radioizotopi

Tritiul (3H) care se formeaza intra in echilibru cu hidrogenul din apa de ploaie prin intermediul careia patrunde in biosfera ajungand in cele din urma la o In toate produsele neizolate de acest echilibru natural tritiul se afla in raport de 4 atomi de tritiu la 108 atomi de hidrogen normal Datorita tritiului in medie radioactivitatea naturala a produselor cu hidrogen este de 111 Bq 3Hg 1H (30 pCig) Apa marilor contine 059 Bql (016 pCi 3Hl)

Carbonul 14 odata format oxideaza la 14CO2 si intra rapid in amestec cu CO2

normal in circuitul carbonului Prin fotosinteza el ajunge in metabolismul vegetal si de aici in cel animal pana la om unde produce circa 18105 dezmin fapt care reprezinta a suta parte din radioactivitatea corpului uman

24 Raspandirea radioactivitatii in Univers

Din studiul meteoritilor rezulta ca si alte planete din sistemul solar sunt prezente principalele elemente radioactive uraniul si toriul impreuna cu elementele din familiile radioactive Daca pe Pamant radioactivitatea joaca un rol foarte important in cadrul general al Universului ea se prezinta ca un proces nuclear minor datorita proceselor termonucleare ce se petrec in anumite tipuri de stele si in special in Soare Se estimeaza ca pentru a egala energia primita de la Soare pe Pamant ar trebui sa fie explodate circa 47 bombe nucleare pe secunda Prin aceasta ldquohemoragie energeticardquo sub forma de radiatie Soarele pierde 42 milioane de tone de masa pe secunda Cu toate ca masa Soarelui este mare rezerva sa de energie calorica ar trebui sa fie consumata intr-un timp relativ scurt si ca asistam la scaderea continua a temperaturii Studiile geologice arata ca de-a lungul epocilor geologice temperatura Pamantului si implicit energia primita de la Soare nu a suferit variatii semnificative Aceasta comportare nu poate fi explicata decat acceptand ca energia de la Soare se reinoieste permanent pe baza unui proces exoergic Conform lui H BETHE (1938) principala sursa de energie din Soare il au doua cicluri de reactii termonucleare

- ciclul proton ndash proton (p ndash p) de trecere prin fuziune de la hidrogen la heliu in etape succesive sub forma de reactii nucleare inlantuite in cicluri termonucleare avand ca produsi intermediari izotopii hidrogenului si ai heliului (fig 21) conform acestui ciclu hidrogenul molecular se constituie ca principala rezerva de combustibil nuclear ldquosangele stelelorrdquo si al Soarelui

- ciclul carbon ndash azot (C ndash N) imaginat de BETHE de trecere de la hidrogen la heliu prin trepte intermediare in prezenta unui nucleu strain cu rol catalizator cum este carbonul 12 in cadrul caruia carbonul se reface iar din patru protoni rezulta un heliu si doi pozitroni (fig 22) In realitate in stele au loc concomitent cele doua cicluri La inceput predomina ciclul p ndash p dupa care urmeaza o perioada cu temperaturi mai ridicate cand predomina ciclul carbon ndash azot

11

Fig 21 Ciclul proton ndash proton Fig 22 Ciclul carbon ndash azot

Multa vreme s-a crezut ca prin ciclul carbon ndash azot se incheie seria reactiilor termonucleare ce au loc in stele In realitate prin cresterea treptata a temperaturii pot sa aibe loc inca o serie de reactii termonucleare prin capturare de helioni cand se formeaza nuclee de 16O si 20Ne procesul nuclear continuand cu formarea 24Mg pana la nucleele cu numar de masa cuprins intre 40 ndash 60

12

3 Efecte radiobiologice asupra omului

Imediat dupa descoperirea radiatiilor roumlentgen si apoi a radioactivitatii s-a sesizat si caracterul periculos al radiatiilor ionizante in cazul folosirii nerationale Pionierii roentgenografiei au cunoscut ldquope propia lor pielerdquo actiunea radiatiilor ionizante iar dupa descoperirea radioactivitatii primele victime au aparut in 1920 in SUA in randul muncitorilor care aplicau vopsele luminoase pe cadranele ceasornicelor Acestora li s-au adaugat savantii Marie Curie si Ireacutene Joliot-Curie renumiti cercetatori in domeniul radioactivitatii care au decedat dupa grele suferinte de leucemie radioindusa Dar cele mai mari victime s-au inregistrat la sfarsitul celui de al doilea razboi mondial in urma exploziilor celor doua bombe atomice lansate de catre SUA asupra Japoniei la Hirosima si Nagasaki

31 Particularitatile efectelor biologice

Indiferent de urmarile provocate de impactul radiatiilor ionizante cu organismul viu actiunea biologica prezinta unele particularitati si anume

- organismul omenesc nu este dotat cu un organ de simt care sa sesizeze prezenta radiatiilor ionizante iar efectul biologic nu este vizibil in momentul iradierii

- efectele biologice sunt cumulative si nu au un caracter particular care sa ne permita deosebirea de efectele aparute altfel decat prin iradiere

- modificarile si simptomele evolueaza lent dupa iradiere Unele sunt imediate sau precoce si apar dupa un ragaz care variaza de la cateva ore la cateva saptamani Altele sunt intarziate si survin dupa mai multi ani (leucemia) dupa mai multe zeci de ani (cancerul fatal) sau pot provoca efecte genetice

In realitate efectele biologice produse de actiunea radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului sunt rezultatul unei lungi serii de fenomene care se declanseaza la trecerea radiatiilor prin organismele vii Evenimentele initiale sunt ionizari si excitari ale atomilor si moleculelor din mediul de interactiune de-a lungul traiectoriilor particulelor ionizante Ulterior aceste perturbari fizice antreneaza reactii fizico-chimice urmate de reactii chimice generand in final efecte biologice Schematic cronologia acestor evenimente este data in tabelul 31

13

Tabelul 31 Prezentarea schematica a fenomenelor declansate deradiatiile ionizante in mediu biologic

32 Clasificarea efectelor biologice

In prezent efectele nocive ale radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului a descendentilor sai si asupra umanitatii in general se clasifica in doua categorii

- efecte nestochastice si- efecte stochasticeEfectele nestochastice sunt efecte imediate (precoce) cu prag reversibile si

imperfect aditive Fiind caracterizate de o relatie de cauzalitate determinate intre doza si efect ele apar atunci cand doza primita depaseste o anumita valoare de prag (fig 31)

Fig 31 Dependenta efectului biologic de doza biologicaa ndash efecte stochastice fara prag b ndash efecete nestochastice cu prag

14

Valoarea pragului pentru un anumit efect poate varia in jurul unei valori medii de la un individ la altul si in functie de conditiile de iradiere In general efectele nestochastice apar destul de repede in timp fiind efecte imediate (precoce) iar vatamarile provocate de ele sunt cu atat mai mari cu cat doza este mai mare

Avand caracter reversibil exista posibilitatea regenerarii unor tesuturi iar dozele administrate intr-un timp lung nu sunt perfect aditive De aceea pentru evitarea producerii lor are mare importanta administrarea fractionata a dozelor de radiatii

Printre efectele nestochastice se numara leziunile nemaligne ale pielii cataracta hipolezia medulara care antreneaza o deficienta hematologica a vatamarilor provocate celulelor gonadelor cu repercusiuni asupra fertilitatii

Efectele stochastice sunt intotdeauna efecte somatice tarzii fara prag ireversibile si aditive Aparitia lor urmeaza o relatie probabilistica doza-efect aparent la intamplare de unde si numele stochastic Altfel spus dintr-o populatie aflata intr-o zona de radiatii efectele stochastice apar numai in unele cazuri individuale aparent la intamplare

Printre ele se numara efectele somatice care se manifesta cu intarziere sub forma de afectiuni maligne (cancer) si efecte genetice (ereditare) ce apar la descendenti Practic intre momentul iradierii si al aparitiei bolii maligne pot trece ani sau zeci de ani

Fiind relatii liniare intre frecventa de aparitie a efectelor stochastice si dozelor absorbite pentru radiatiile cu transfer liniar de energie mica rezulta ca in aceste cazuri la doze mici si debite mici ale dozei riscul pentru sanatate este proportional cu doza administrata In literatura de specialitate factorul de proportionalitate dintre frecventa de aparitie a acestor efecte si doza absorbita a fost denumit factor de risc

Dozele administrate in timp lung fiid aditive nu are importanta daca doza care produce efctul respectiv a fost administrata fractionat sau instantaneu respectiv intr-o secunda sau intr-o luna

Efectul biologic produs este ireversibil si in prezent nu se cunosc metode de reducere a probabilitatilor de aparitie a efectelor stochastice somatice datorate unor doze deja primite

Detrimentul sanatatii Conceptul de detriment al sanatatii se refera la fenomenul de distrugere (vatamare) integrala a unei persoane datorita efectelor biologice ale radiatiilor ionizante fenomen care poate aparea dupa o iradiere in conditii bine definite si la un anumit nivel de doza

In cazul unui efect patologic dat (i) detrimentul (Gj) la un individ (j) este exprimat de produsul intre probabilitatea de aparitie a efectului (pi) si factorul corespunzator de gravitate (g)

iar pentru un grup de persoane (P) detrimentul colectiv (G) este

Acest concept se aplica atat asupra efectelor stochastice cat si a celor nestochastice in principal fiind utilizat pentru estimarea vatamarilor datorate efectelor stochastice

Intre probabilitatea de aparitie a efectelor biologice stochastice si echivalentul de doza se stabileste o relatie liniara fara prag aplicata la doze slabe De aceea detrimentul colectiv al sanatatii este proportional cu echivalentul de doza efectiv colectiv Totusi in mod practic detrimentul unui grup de indivizi nu poate fi redus la o insumare a vatamarilor individuale fapt pentru care echivaletul de doza colectiva se ia ca un partener printre altele

15

33 Fazele tipice ale evolutiei imbolnavirii in urma iradierii

In dinamica evolutiei reactiilor care au loc in urma iradierii se pot distinge trei perioade importante perioada primara perioada latenta si perioada secundara

Reactiile in perioada primara de actiune a radiatiilor ionizante se datoreaza a trei tipuri principale de mecanisme mecanismul actiunii directe indirecte si la distanta

Efectul biologic prin actiune directa consta in transmiterea directa a energiei particulelor incarcate sau a electronilor secundari catre atomii si moleculele substantelor celulare Produsul principal al acestei actiuni sunt ioni si atomi excitati de-a lungul parcursului particulei in celula Datorita ionizarii si excitarii substantelor prin mecanism primar se produc modificari chimice ale acestora (mecanismul actiunii indirecte) Deoarece organismele vii au in compozitia lor un mare procent de apa la om ajungand pana la 85 din greutatea corpului multa vreme s-a considerat ca actiunea nociva a radiatiilor ionizante este cauzata de produsele de descompunere a ei si in special de apa oxigenata care actioneaza ca agent oxidant (ipoteza actiunii prin apa oxigenata) O ipoteza mai verosimila considera ca rolul principal in actiunea biologica primara il au radicalii H OH si O2H care apar la radioliza apei (ipoteza actiunii prin radicali liberi) Conform acestei ipoteze radioliza apei constituie o sursa pentru actiunea indirecta a radiatiei deoarece radicalii liberi formati pot afecta atat cromozomii cat si proteinele citoplasmatice

Datorita interventiei sistemului nervos a glandelor endocrine si a transportului prin umori sau difuziune a unor substante rezultate in tesuturile iradiate efectele biologice se pot produce nu numai in organele iradiate ci si in cele neiradiate (mecanismul actiunii la distanta sau al actiunii secundare)

Perioada latenta care apare in organism dupa perioada primara se caracterizeaza prin faptul ca fenomenele sunt atat de neinsemnate incat nu pot fi descoperite neinregistrandu-se nici un fel de tulburari Perioada latenta variaza invers proportional cu doza de radiatii De aceea in cazul unor iradieri cu doze mortale perioada latenta dureaza de la cateva ore la 30-40 de zile iar in doze fractionate mici ea dureaza mai mult de un an

Perioada secundara este dominata de formarea in celule si tesuturi de substante toxice care conduc la intoxicarea organismului determinand o serie de efecte biologice importante (ipoteza formarii uor substante toxice) Reactiile din aceasta perioada sunt de natura necunoscuta si in decursul timpului ele au fost atribuite actiunii apei oxigenate peroxizilor organici si histaminei problema fiind insa in discutie Cert este faptul ca sub actiunea radiatiilor ionizante apar molecule active in primul rand in celulele din tesuturi si in paralel in sange si in limfa

34 Clasificarea efectelor biologice dupa natura lor

Cel mai fercvent efectele biologice se clasifica dupa natura lor in- efecte precoce care nu apar decat pentru doze ridicate- efecte somatice tarzii care se manifesta dupa mai multi ani chiar mai multi zeci

de ani- efecte genetice care privesc descendentii - efecte teratogene care se refera la afectarea embrionului si a fetusului

341 Efecte biologice precoce

16

Efectele biologice precoce survin la putin timp dupa iradiere uneori dupa cateva ore sau mai putin si sunt efecte cu prag fapt pentru care nu apar decat daca doza depaseste un anumit nivel Deasupra pragului ele cresc cu doza De aceea pentru a evita producerea lor s-au elaborat reglementari care impun limitarea sub nivelul de prag al dozelor ce le pot primi operatorii care lucreaza in medii de radiatii ionizante Cele mai fragile tesuturi care sufera efecte biologice cu prag sunt pielea celulele formate de sange maduva osoasa intestinul si organele sexuale sau gonade

Efectele biologice precoce in cazul iradierilor partiale Acestea se refera la piele maduva osoasa si organele genitale

Pielea Efectele radiobiologice ale pielii sunt foarte variabile si ele depind de doza de localizarea anatomica de varsta de pigmentatia tegumentului etc In general la doze mai mari de 10 Gy nu se observa nici o leziune grava dar la 25 din cazuri apare o senzatie de caldura La doze intre 10 si 20 Gy apar epidermite exudative urmate dupa un timp de o latenta de trei saptamani de eritema secundara apoi de epitelitaexudativa dupa 3-6 luni facandu-se restaurarea fara recurs In cazul unor iradieri foarte importante si profunde se altereaza vascularizatia si apare ulceratia care necesita un tratament chirurgical

Maduva osoasa organul cel mai sensibil la iradierea globala conduce limfopenia cu atat mai repede cu cat doza de radiatii este mai mare

Organele sexuale respectiv testiculele la barbati si ovarele la femei reactioneaza diferit la iradiere

Testiculele care se remarca printre cele doua functii de producatore de hormoni si spermatozoizi la iradiere le este afectata numai cea de-a doua functie (producatoare de spematozoizi) La doze relativ mici de 05 Gy se instaleaza o depresiune tranzitorie si spontan reversibila iar la doze de circa 2 Gy apare o azospermie si sterilitate temporara in jur de un an Experientele efectuate de americani pe detinuti voluntari au aratat ca in cazul iradierii testiculelor cu doze de 6 Gy sterilitatea este temporata la om De asemenea supravietuitorii dintre cei 23 pescari japonezi care au fost iradiati in urma exploziei experimentale a armei termonucleare de la Bikini in 1954 si care se estimeaza ca au primit doze de 3 - 66 Gy dupa o sterilitate de 2-3ani au avut copii normali (in total 45 copii)

- Ovarele comparativ cu testiculele au o sensibilitate mai mica fata de radiatiile ionizante aceasta fiind influentata si de varsta Astfel pe cand la o femeie tanara in jur de 25 de ani este necesara o doza de 12-15 Gy pentru a provoca o menopauza artificiala la o femeie de peste 40 de ani este suficienta o doza de numai 7 Gy Se mentioneaza ca la femei sterilitatea este insotita de oprirea functiei endocrine

Din cercetarile efectuate precum si din constatarile asupra descendentilor celor iradiati in urma exploziilor atomice de la Hirosima si Nagasaki a rezultat ca in urma unei iradieri puternice care a provocat sterilitatea temporara nu s-au produs urmari genetice prin afectarea celulelor sexuale

Iradierea organelor profunde La iradieri puternice mai ales in radioterapie sunt iradiate si organele profunde plamanii inima rinichii tubul digestiv ficatul sistemul nervos central si creierul Dintre acestea deosebit de sensibile sunt plamanii care dupa o doza de 25 Gy se imbolnavesc de fibron pulmonar iar dupa 6-12 luni urmeaza decesul

Rinicii si ficatul sunt afectati la doze peste 30 Gy In cazul rinichilor functionarea lor este afectata dupa cateva saptamani de la iradiere pe cand vezica poate suporta doze mult mai mari Diversele organe ale aparatului digestiv au radiosensibilitati diferite Cel mai radiosensibil este intestinul subtire la care apar leziuni in urma absorbtiei unor doze

17

sub 30 Gy Urmeaza stomacul care este afectat de doze in jur de 40 Gy cel mai rezistent fiind colonul care reactioneaza numai la doze cuprinse intre 50 si 56 Gy

Destul de radiosensibil este si sistemul nervos care manifesta o fragilitate a celulelor nervoase a vaselor sangvine si o capacitate limitata de regenerare a tesuturilor nervoase La doze peste 40 Gy administrate in patru saptamani apare o paraplegie care dupa doi ani se extinde In ceea ce priveste creierul desi modificari morfologice apar deja de la doze de 10 Gy el poate suporta doze de circa 50 Gy timp de 5-6 saptamani

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor globale In urma unor iradieri globale cu doze in jur de 1 Gy care sunt fara gravitate imediata nu se observa decat foarte discrete modificari hematologice in ceea ce priveste globulele albe dar ele se regenereaza rapid In astfel de cazuri se aplica un tratament modest fara a fi necesara spitalizarea

La doze cuprinse intre 1 si 2 Gy desi semnele fizice inca lipsesc se observa o scadere a globulelor albe si a plachetelor iar numarul globulelor rosii este modest In acest caz sunt necesare transfuzii si tratament antibiotic Din contra la doze de peste 2Gy se observa o evolutie stereotipa a bolii cu afectarea celulelor formatoare de sange si scaderea corespunzatoare a numarului maxim de elemente reprezentative din sange Evolutia imbolnavirii se face urmand cele patru faze tipice Dupa o perioada de debut care dureaza trei zile insotita de simptome discrete urmeaza de perioada latenta practic silentioasa care dureaza peste trei saptamani In continuare se instaleaza perioada de stare (perioada critica) careia i se asociaza semne generale cum sunt oboseala intensa tulburari digestive hemoragii si infectii formula sangvina fiind foarte modificata In acest moment viata bolnavului este in pericol Abia dupa circa trei luni el intra in covalescenta In acest caz spitalizarea este indispensabila intr-un centru specializat cu locuri sterilizate repaus absolut si eliminarea posibilitatilor de infectare In cadrul tratamentului se recomanda grefe de maduva osoasa La doze mai mari grefa cu maduva osoasa poate fi singura sansa iar la doza peste 12 Gy de iradiere instantanee orice tratament terapeutic nu este eficace

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor accidentale In ultimele decenii s-au inmultit numarul iradierilor accidentale Principal ele pot fi clasificate in iradieri implicand una sau mai multe persoane ori a unor grupuri mari de persoane

Iadieri accidentale implicand una sau mai multe persoane Pana in anul 1965 au fost inregistrate 12 astfel de accidente critice in lume in care persoane au fost expuse global in cursul unor cercetari sau operatii chimice dintre care au rezultat 9 decese

De asemenea se cunosc 24 accidente cu surse gamagrafice dintre care 15 accidente cu 192Ir si 9 accidente cu 60Co din care au rezultat 17 morti si 38 grav iradiati In ultimii 40 de ani au avut loc 115 cazuri de iradieri locale care au facut 156 victime Principalele cauze se datoresc instalatiilor de radiatii X pentru analiza cristalografica (69) surselor de gamagrafice cu 192Ir (34) 60Co (25) emitatori β-activi (11) acceleratori de particule (8) si diverse surse (8) Iradierile interne sunt mai rare si mai greu de cunoscut In Franta sunt cunoscute numai o zecime din decese 7 sunt imputabile activitatii medicale

Iradieri accidentale a unor grupuri mari de persoane Iradierile simultane asupra unui numar ridicat de persoane au fost inregistrate in urma unor experiente cu arme termonucleare sau a unor defectiuni survenite in functionarea unor centrale atomoelectrice

Explozia experimentala a armei termonucleare de la Bikini de la 1 martie 1954 a provocat printre altele si iradierea puternica prin caderi de pulberi radioactive a locuitorilor de pe Insula Marschall precum si a 23 de pescari marinari de pe vasul japonez ldquoFukuriu Marurdquo

18

Recent prin defectarea centralei atomoelectrice de la Cernobal (Ucraina) din aprile 1986 au fost iradiate 22 persoane cu doze peste 8 Gy 22 persoane cu doze intre 4 si 8 Gy 53 persoane cu doze intre 2 si 4 Gy si 203 persoane cu doze peste 1 Gy fiind inregistrate 31 decese

342 Efecte somatice tarzii

Efectele somatice tarzii in general sunt fara prag Ele pot fi necancerigene (cataracte tulburari ale cresterii scaderea longevitatii si a unor reactii imunologice) insa principalul efect intarziat este cancerul care apare dupa cativa ani sau zeci de ani de la iradiere Principalele efecte somatice tarzii necancerigene se caracterizeaza prin urmatoarele

Cataractele sunt boli care provoaca opacifierea cristalinului Radiatiile ionizante genereaza cataracte la doze superioare la 10 Gy de radiatii X Ele sunt efecte cu prag care la barbati este foarte ridicat si apare intre 1 si 10 ani de la iradiere In cazul neutronilor rapizi pragul este mult mai jos asymp08 Gy respectiv asymp8 Sv

Tulburari de crestere Constatarile efectuate pe supravietuitorii de la Hirosima si Nagasaki au evidentiat ca prin expunere la doze de 1 Gy au loc tulburari de crestere si anume un deficit in greutate o scadere a taliei si a circumferintei capului

Longevitatea De asemenea studiile de supravietuitori de la Hirosima sI Nagasaki precum si pe animale in laborator au aratat ca la doze ridicate (asymp4 Gy) de radiatii se scurteaza durata medie de viata indiferent daca iradierea a produs leucemie sau cancer

Reactiile imunologice La iradierea cu doze de 1 Gy scad reactiile imunologice si organismele devin vulnerabile la infectii

Pielea desi nu este radiosensibila se mnifesta ca un organ critic avand un prag de toleranta de asymp2mGyzi Prin iradierea mainilor cu doze superioare (5 mGyzi) apar leziuni cutanate cronice sau uscate si atrofice care fisureaza dand ulceratii grave

Cancerele principalele efecte intarziate se caracterizeaza prin faptul ca nu au prag si se produc mai ales cu doze slabe de radiatii Frecventa lor este influentata de o serie de factori printre care se numara doza de radiatie natura radiatiilor sexul varsta si natura tesuturilor iradiate

Dintre toti factorii doza de radiatii este cel mai important iar dintre radiatii particulele α si neutronii sunt cele mai periculoase Radiosensibilitatea organismelor este diferita in functie de sex ea este mai importanta la femei decat la barbati in special pentru sani si tiroida si are un efect invers pentru maduva osoasa si pulmon Totodata efectele difera cu varsta copiii tineri adolescentii si persoanele in varsta fiind mai radiosensibile decat adultii Timpii de latenta sunt foarte variabili si depind in mod esential de natura tesutului iradiat Ei sunt cuprinsi intre 4 si 20 de ani de la iradiere pentru leucemie de 10 ani pentru tumori 22-25 de ani pentru sani etc Cancerul cutanat apare la doze de circa 15 Gy radiatii electromagnetice intre 25 si 40 de ani Cancerul osos apare la doze gt8Gy iar leucemia la doze gt1 Sv Cancerul sanului apare la doze de 020 Gy (la iradieri radiologice) iar cancerul tiroidei la 01 Gy la copii intre 13 si 14 ani

343 Efecte geneticeAlaturi de alti agenti fizico-chimici (substante chimice radiatiile

electromagnetice caldura etc) care pot provoca efecte mutagene se afla si radiatiile ionizante

19

Daca la doze slabe nu s-au inregistrat astfel de efecte la om in schimb printre copiii supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki iradiati cu doze puternice s-au inregistrat cazuri de anomalii genetice semnificative

Pe plan uman singurele informatii de care dispunem sunt descendentii iradiatilor de la Hirosima si Nagasaki si ai pescarilor de la Bikini dar in ambele cazuri dozele nu sunt cunoscute cu precizie In cazul supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki desi au prezentat forme cancerigene pentru doze ridicate (gt1 Gy) nu s-au inregistrat efecte genetice De asemenea in cazul celor 23 marinari pescari de la Bikini iradiati de caderile radioactive cu exceptia unuia care a decedat dupa o sterilitate de doi ani ceilalti au avut copii normali (45 copii) la care nu au fost observate efecte genetice aparente la prima generatie

In modul de evaluare a efectelor genetice se intampla unele dificultati datorate urmatorilor factori caracterul particular al efectelor genetice necesitatea extrapolarii rezultatelor obtinute experimental pe animale la om si de asemenea extrapolarea rezultatelor obtinute experimental cu doze forte la doze slabe

Din investigarile pe animale s-a stabilit ca fercventa anomaliilor genetice se observa la doze gt1 Gy La om anomaliile (de ex structura cromozomilor) reprezinta un risc de 1-10 pe milion de nasteri vii pe centiGy iar mutatiile genetice apar la iradierea celor doi parinti cu o frecventa de 5-65 pe milion de nasteri vii pe centiGy Dupa prima generatie si la echilibru (dupa 5 generatii) frecventa lor este de 40-200 pe milion de nasteri vii pe centiGy pe generatie Mutatiile sunt legate de sexe in sensul ca ele se transmit prin femei In prima generatie numarul de afectiuni adaugat este lt13 pe milion de nasteri vii pe centiGy

Particularitatile mutatiilor genice In functie de sex riscul pentru femeie este mai putin important ca pentru barbat Dupa varsta la femei sunt doua perioade critice principala este perioada reproducerii de la pubertate la menopauza A doua este pana in luna a saptea a vietii fetale La barbat perioada periculoasa se afla intre 20 si 40 ani perioada in care se fac majoritatea fecundarilor

Ipoteza prejudiciului genetic dat de iradierile slabe In mod normal o populatie se afla in echilibru genetic Aparitia de noi mutanti este compensata de eliminarea mutantilor existenti prin decese precoce sau prin fecundari mai putine uneori chiar nule In cazul unor iradieri suplimentare acest echilibru se rupe iar fiecarei generatii i se vor adauga descendentilor mutatiile produse la toate generatiile anterioare (mutanti suplimentari) Ca urmare se vor produce o crestere a mutatiilor letale si a celor dominante precm si o acumulare a mutatiilor primite

344 Efecte biologice teratogene

Efectele teratogene sunt anomalii si malformatii provocate de actiunea unor agenti fizici chimici si infectiosi sau a radiatiilor ionizante asupra embrionului si fetusurilor pe timpul cresterii

Sensblitatea lor la radiatii variaza dupa stadiul dezvoltarii embrionului dar pragul de actiune este foarte net mai jos decat dupa nastere Efectele teratogene sunt ireversibile iar radiatiile ionizante produc aceleasi efecte ca si alti agenti teratogeni Sub actiunea radiatiilor ionizante in functie de stadiul de dezvoltare a embrionului si a fetusurilor se deosebesc urmatoarele

20

- In stadiul de preimplantare iradierea determina fie distrugerea oului fie moartea uneia sau a mai multor celule Aceasta perioada adesea trece neobservata de femeie Doza letala 50 este de 05-06 Gy

- In stadiul de organogeneza cand femeia are consecinte de intarziere si banuiala ca ar fi insarcinata o doza de 01 Gy poate antrena malformatii Aceasta este perioada critica deoarece radiosensibilitatea este maxima

- In stadiul fetal frecventa si gravitatea malformatiilor se diminuiaza In schimb iradierea poate avea o actiune cancerigena care se manifesta la copii tineri Dozele egale sau inferioare la 025 Gy sunt considerate ca fara efect

Cele mai importante consecinte legate de efectele teratogene sunt- malformatiile ca de exemplu cele microcefalice care pot fi insotite de

intarzierea mentala - intarzierea cresterii care are loc la doze puternice (gt1 Gy) printre care se

remarca deficitul ponderal scaderea taliei si a circumferintei capului si o intarziere a osificarii

- cancerul care apare la iradieri in uter cu doze de 002 Gy-mortalitatea intrauterina si neonatala creste In cazul supravietuitorilor de la

Hirosima si Nagasaki ea a fost cu 40 mai mare decat cea normala - efecte genetice nu s-au observat nici printre descendentii celor iradiati in uter cu

ocazia exploziilor nucleare de la Hirosima si NagasakiPe baza acestor observatii se impune luarea unor precautii in cazul femeilor

insarcinte care sunt expuse profesional la doze de radiatii ionizante si excluderea lor de la orice fel de examen radiologic

21

4 Efectele fizice ale radiatiilor ionizante la interactiunea cu substanta

La impactul cu substanta fasciculele de radiatii ionizante sufera procese de atenuare datorita devierii (imprastierii) acestora printr-un mecanism monoact sau prin absorbtie cand isi pierd complet energia pe baza unui mecanism continuu Cele mai importante efecte ale radiatiilor ionizante sunt excitarea si ionizarea care pot fi directe in cazul particulelor incarcate electric sau indirecte in cazul radiatiilor X γ si a neutronilor

41 Interactiunea particulelor grele incarcate cu substanta

Particulele grele incarcate cum sunt radiatiile α protonii deuteronii atomii multiplu ionizati si produsii de fisiune nucleara la impactul cu substanta se atenueaza cu parcurs pe baza unui mecanism de pierderi mici de energie intr-un numar foarte mare de procese de interactiune

Procesul predominant este cel de interactiune cu electronii atomilor si moleculelor probabilitatea de interactiune cu nucleele atomilor fiind foarte mica

Transferul liniar de energie (TLE) notat cu Q realizat prin ciocniri neelastice cu electronii atomilor si ai moleculelor intalnite este dat de relatia lui HA Bethe

[erg∙cm-1]

in care N este numarul de atomi dintr-un cm3 Z ndash sarcina particulei m0 ndash masa de repaus a electronului v ndash viteza e ndash sarcina electronului β = vc J ndash potentialul mediului de excitare al substantei iradiate

In figura 41 se prezinta modul de variatie al numarului particulelor α cu mediul Transferul Q depinde de viteza (v) si de sarcina (Z) a prticulelor grele incidente iar pe o distanta Δx particula pierde o energie ΔE care este data de suma transferurilor Q in cursul ciocnirilor ce au loc pe aceasta distanta ΔE=ΣQ

Fig 41 Variatia numarului particulelor α in unitatea de timp cu distanta parcursa intr-un mediu dat

Atunci cand o particula parcurge un mic segment Δx din traiectoria sa ea sufera numeroase ciocniri cu electronii care se gasesc in vecinatatea traiectoriei sale Raportul S=ΔEΔx se numeste putere de incetinire a particulelor in mediu si reprezinta pierderea specifica de energie fiind dependent de viteza (v) si sarcina (Z) a particulei incidente Distanta maxima pe care o strabate o particula de energie initiala E intr-un mediu dat se numeste parcurs (R) si se exprima in metri El se poate calcula cu ajutorul relatiei

[m]

22

Din cauza fluctuatiei accidentale de ciocniri individuale dintre particulele grele incarcate si atomii mediului parcursurile lor nu sunt riguros egale asa cum se poate observa cu ajutorul unei camere Wilson (fig 42)

Fig 42 Parcursurile particulei α in camera Wilson

La strabaterea mediilor gazoase parcursurile radiatiilor α ating centimetri ( tabelul 41) pe cand in medii lichide si solide descresc mult fiind de ordinul micrometrilor Asa se explica faptul ca o foaie de hartie este suficienta pentru a absorbi complet un fascicul de radiatii α de mare energie Parcursul radiatiilor α in aer se calcleaza cu ajutorul relatiei empirice a lui Bethe R=032 E32 In fig 43 este data dependenta dintre energie si parcursul radiatiilor α

Parcursurile radiatiilor α ale Po si RaC΄ in diferite mediiTabelul 41

Mediul strabatut Parcursul radiatiilor α ale210Po(530 Mev) 214RaC΄(76 MeV)

Aer 00387 m 00698 mHidrogen 01730 m 03250 m

Heliu 0215 m 0390 mArgon 00417 m 0073 m

Alcool etilic 371μm -Aur - 14 μm

Gelatina foto 23 μm 50 μm

Ciocnindu-se cu electronii mediului strabatut particulele α produc efecte dependente de energia Q transferata acestora

Fig 43 Dependenta dintre energie si parcursul particulelor α

a Daca energia transferata (Q) este superioara energiei de legatura a electronilor (asymp10eV) acestia sunt smulsi si azvarliti particulele incidente pastrandu-si directia practic neschimbata fapt pentru care parcursul lor in orice mediu este rectiliniu Atomul caruia i

23

s-a smuls un electon devine ion pozitiv si impreuna cu electronul detasat formeaza o pereche de ioni procesul in ansamblu numindu-se ionizare

Numarul de perechi de ioni creati pe unitatea de lungime se numeste ionizare specifica (j) si este data de raportul dintre patratul atomic Z al particulelor si patratul vitezei particulei (vp)

WL BRAGG studiind variatia numarului de ioni formati in functie de unitatea de lungime a constatat ca ionizarea maxima este atinsa la sfarsitul parcursului (Fig 44)

Fig 44 Curbele de tip Bragg ale Po si RaC΄

b In cazul in care energia tansferata (Q) este inferioara energiei de legatura a electronului acesta nu este detasat din structura atomica sau moleculara de care apartine si se produce excitarea atomului respectiv

Urmarind distributia energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale se obtine o curba de distributie care este reprezentata in fig 45

Fig 45 Curba de distriutie a energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale

Conform acestei curbe energia ε=ΔE pierduta de o particula parcurgand un mic segment Δx din traiectoria sa se repartizeaza astfel

- 30 din energie (100gtQgt10eV) se consuma in excitari - 30 din energie (Qlt10eV) se consuma pentru ionizari- 40 din energie (Qgt100eV) se consuma pentru producerea de electroni

secundari δAceasta repartitie ramane constanta de-a lungul traiectoriei particuleiAutoabsorbtia radiatiilor α Urmarind variatia curentului de ionizare (I) produs

de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva (Fig 46) se observa ca numai in cazul straturilor foarte subtiri se inregistreaza o crestere proportionala a curentului de ionizare cu grosimea stratului activ Pentru o anumita grosime a stratului de substanta ionizarea devine constanta deoarece particulele α emise

24

de straturile inferioare se absorb total in cele superioare Straturile ale caror grosime este egala sau mai mare decat pacursul se numesc straturi ldquogros infiniterdquo

Fig 46 Variatia curentului de ionizare produs de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta rdioactiva

Ecranarea particulelor grele incarcate Particulele grele incarcate in primul

rand radiatiile α au parcursuri foarte mici de ordinul micronilor in corpuri solide fapt pentru care nu ridica probleme speciale de ecranare fiind absorbite total si cu usurinta de toate substantele chiar si de o foaie de hartie De aceea simpla utilizare a manusilor de cauciuc ori a hartiei de filtru in lucrari de laborator cu astfel de substante radioactive sunt masuri suficiente care sa asigure o buna protectie impotriva iradierii externe

Reactiile nucleare ale prticulelor grele incarcate La interactiunea particulelor grele incarcate cu anumite nuclee tomice acestea pot sa sufere transmutatii artificiale In particular radiatiile α emise de unele surse radioactive naturale au importanta istorica deoarece stau la baza unor importante descoperiri cum sunt

- reactiile nucleare (α p) realizate pentru prima data de E RUTHERFORD in anul 1919 au condus la descoperirea primei transmutatii artificiale sinteza izotopului stabil 17O din 14N cu emisia unui proton

In prezent cu ajutorul particulelor α ndash accelerate se prepara numerosi radioizotopi pe baza ecuatiei generale

- reactiile nucleare (α n) au stat la baza descoperirii neutronului de catre CHADWICK in 1932 prin bombardarea beriliului cu radiatii α ale poloniului

Reactiile (α n) prezinta un interes deosebit si datorita faptului ca ele stau la baza surselor de neutroni de laborator Substantele α ndash active cele mai utilizate sunt210Po 226Ra si 239Pu

Sursele Ra ndash α ndash Be emit neutroni cu un spectru energetic continuu cu energii pana la 137 MeV si randament foarte mare la 1 mCi Ra corespund 13 104 ncm2 s fiind sursele cele mai constante din cauza timpului de injumatatire lung al radiului (1600 a)

Tot pe baza reactiei nucleare (α n) sotii JOLIOT-CURIE in anul 1934 iradiind o foita de aluminiu cu particule α au obtinut fosfor radioactiv descoperind radioactivitatea artificiala care a deschis perspective nebanuite fizicii si chimiei nucleare

In prezent sub actiunea particulelor α accelerate se produc numerosi radioizotopi

ai elementelor cu timpi de injumatatire mici pe baza reactiei generale

25

De asemenea sub actiunea particulelor α accelerate au fost sintetizate o parte din elementele transuraniene conform reactiilor

In mod asemanator pot provoca reactii nucleare si alte particule grele accelerate

(protoni deuteroni) Dintre acestea se remarca- reactiile nucleare (p γ) puternic exoenergice cu emisie de fotoni de mare

energie - reactiile nucleare (d n) care stau la baza producerii neutronilor de laborator cu

ajutorul generatoarelor de inalta tensiune Cu ajutorul deuteronilor de 5 MeV s-au sintetizat pentru prima data prin reactii nucleare (d n) tehnetiul si prometiul

- reactiile nucleare (d p) care se produc cu o probabilitate de 10 ori mai mare

decat cele (d n) prezinta interes deoarece conduc la formarea de izotopi ai tintei intocmai ca in cazul reactiilor (nγ) De exemplu 23Na(dp)24Na 31P(d p)32P

Particulele grele incarcate cu energii mai mari de 50 MeV genereaza o serie de reactii nucleare in cascada dezintegrarea cu expulzarea de nucleoni rapizi (p d T) fisiunea nucleara reactii secundare si emisia de nuclee usoare

42 Interactiunea electronilor cu substanta

Fasciculele de electroni emisi de radionuclizii β ndash activi (β- si β+) precum si cei proveniti din generatoare la interactiunea cu substanta se atenueaza pierzand energia de-a lungul parcursului

Datorita unor serii de procese de absorbtie prin ciocniri elastice si neelastice si uneori prin radiatie de franare efectele fizice produse de aceste procese constau din excitarea si ionizarea mediului strabatut iar contributia fiecarui proces in parte este determinata de energia electronilor incidenti precum si de natura materialului absorbant

Imprastierea neelastica electron-electron Dintre toate procesele de interactiune ale electronilor cu substanta predominant este cel de imprastiere la ciocnirea neelastica cu electronii orbitali ai atomilor din mediu deci procesele electron-electron Datorita acestui fapt electronii sufera imprastieri sub unghiuri diferite motiv pentru care drumul fasciculelor de electroni prin mediu nu este rectiliniu ci foarte sinuos (fig 47) De aceea intr-o substanta de o anumita grosime electroni de aceeasi energie parcurg drumuri complet diferite care intrec in lungime 15 ndash 4 ori grosimea stratului penetrat

Fig 47 Drumul sinuos al electronilor prin substanta

26

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

Acide 35 18 12Neutre 18 7 06Bazice 05 3 027

Ultrabazice 0003 0005 001

Radioactivitatea rocilor metamorfice depinde de radioactivitatea rocilor initiale si de caracterul metamorfismului Ea este foarte diferita pentru diversele tipuri chiar si in cadrul unuia si aceluiasi pachet de roci metamorfice Radioactivitatea gnaiselor si a sisturilor formate din roci argiloase este mai ridicata decat a cuartitelor Valoarea ei creste in rocile in care s-a suprapus fenomenul de metamorfism hidrotermal (tabelul 22)

Radioactivitatea naturala a rocilor metamorfice Tabelul

22Tipul de roca Ra

10-12 [gg]U

10-6 [gg]Th

10-6 [gg]Gnais 21 62 87

Gnais augitic 071 20 -Eclogit 007 02 -

Radioactivitatea rocilor sedimentare variaza in limite largi de la argile si sisturi argiloase (cele mai radioactive) la rocile organogene si chimic pure (sare gema gips anhidrite calcare dolomite) cele mai putin radioactive (tabelul 23)

Continutul mediu de radioelemente naturale in roci sedimentare Tabelul 23

Tipul de roca U 10-4 []

Th 10-4 []

Ra 10-10 []

Gresie 3 ndash 4 - 0 ndash 15 Cuartit 16 - 045Argila 43 13 13

Sist argilos 30 - 109Calcar 15 05 05

Dolomit 03 - 011

Radioactivitatea solurilor depinde de compozitia chimico-mineralogica a rocilor din care sunt formate Daca acestea sunt de compozitie mai acida (granitica) vor fi mai radioactive Spre deosebire de toriu si radiu care se acumuleaza in soluri in cantitati mai mari uraniul este spalat si transportat de catre acizii humici cu usurinta

Radioactivitatea apelor naturale variaza dupa continutul in elemente radioactive Astfel apa dulce contine in medie substante radioactive cu o activitate de 037 Bql (10 pCil) In apa marilor radioactivitatea este de circa 36 de ori mai mare respectiv ajunge la circa 13 Bql (351 pCIl) iar in apele minerale aceste valori sunt de circa o suta de ori mai mari respectiv 37 Bql (1000 pCIl) In tabelul 24 se prezinta continutul mediu de uraniu radiu si radon in unele ape naturale

Continutul mediu in uraniu si radiu al unor ape naturale

6

Tabelul 24Tipul de ape naturale U [gl] Ra [gl]

Rauri 6∙10-7 2∙10-13

Lacuri 8∙10-6 1∙10-12

Mari si oceane 2∙10-6 1∙10-13

Din roci sedimentare 5∙10-6 2∙10-2

Din roci magmatice acide 7∙10-7 2∙10-12

Din zacaminte de uraniu 8∙10-4 8∙10-11

Principalii factori care influenteaza solubilitatea si continutul in elemente

adioactive sunt compozitia in saruri si gaze a apei capacitatea de emanatie a rocilor prin care circula apele regimul de temperatura al acestora conditiile hidrogeologice generale si regimul hidrodinamic al apelor subterane Apele cu continut de saruri levigheaza intens uraniul si radiul din roci iar in functie de pH si de oxigen oxideaza uraniul (IV) la uraniu (VI) determinand o solubilizare si o migrare intensa a acestuia In afara de oxigen si alte gaze cum ar fi dioxidul de carbon dizolvate in apa favorizeaza migrarea uraniului Totodata aceste ape se imbogatesc in radon si radiu devenind ape radioactive De asemenea diferitele tipuri de ape de strat din zacamintele de petrol contin radiu in concentratii de ordinul 10-11 gl Valori maxime se intalnesc in apele de strat cloro-sodice iar in zonele petroliere continutul de radiu din ape creste pe masura apropierii de zacamantul de petrol

Radioactivitatea amosferei se datoreaza prezentei emanatiilor radioactive radon (222Rn) toron (220Tn) si actinon (219An) Spre deosebire de radon care prezinta o raspandire mai larga avand timpul de injumatatire de 382 zile toronul si actinonul au timpii de injumatatire mici 556 si respectiv 396 s fapt pentru care se intalnesc de regula numai in stratul de aer din apropierea solului (tabelul 25) Radonul care se formeaza continuu din elementele radioactive prezente in sol rezultand circa 0585 mm3

Rng Ra se dezintegreaza la randul lui treptat generand o serie de alti atomi radioactivi asa-zisul depozit fix (218Po 214Pb 214Bi 210Pb) In general continutul radonului in atmosfera este mic respectiv de ordinul 10-13 Cil aer (37 mBql) si el creste deasupra zonelor bogate in minereuri radioactive ajungand la 10-9-10-8 Cil (37-37 Bql)Pe baza masuratorilor concentratiei de radon se pot prospecta zacamintele radioactive de la distanta de exemplu din avion

Continutul mediu de radon in diferite zone ale aerului atmosferic Tabelul 25

Locul de raspandire al radonului in aer

Rn[Cil] Bql]

Aer de sol 2010-10 74Aer deasupra solului 1310-10 482Aer deasupra marii 14410-10 532

22 Elemente si minerale radioactive

In principal radioactivitatea naturala a scoartei terestre este determinata de continutul de uraniu toriu si produsele lor de dezintegrare

7

Uraniul este raspandit sub forma a circa 200 de minerale ce pot fi clasificate in oxizi oxizi hidratati carbonati sulfati fosfati molibdati vanadati silicati si compusi organici (tabelul 26)

Principalele minerale de uraniu Tabelul 26

Denumirea Formula chimica Oxizi si oxizi hidratati

Uraninit UO2

Pechblenda U3O8

Broumlggerit (U Th)O2

Carbonati sulfati silicatiRuterfordiu UO2CO3

Sharpit (UO2)3(CO3)5(OH)27H2OUranopilit (UO2)6(SO4)(OH)1012H2OJohannit Cu(UO2)2(SO4)2(OH)26H2OSoddit (UO2)5(SiO4)2(OH)25H2O

Fosfati si arsenatiAutunit Ca(UO2)2(PO4)210H2O

Torbernit Cu(UO2)2(PO4)28H2OUranospinit Ca(UO2)2(AsO4)28H2O

Troumlgerit (UO2)3(AsO4)12H2OVanadati si molbdati

Carnotit K(UO2)2(VO4)23 H2OTyuyamunit Ca(UO2)2(VO4)28 H2O

Molibdat de calciu si U Ca(UO2)3(MoO4)3(OH)28 H2O

De asemenea el se gaseste raspandit si in apele raurilor si lacurilor in apele marilor si oceanelor in petrol carbuni in gazele naturale etc Dintre mineralele sale putine sunt exploatabile

Uraninitul UO2 cu continut de radiu actiniu poloniu si alte produse ale transformarilor radioactive

Uraninitul cristalizeaza in sistemul cubic (retea CaF2) are culoare neagra cu luciu puternic de smoala in spartura duritate mare (103-106) este casant si puternic radioactiv Varietatile compacte de mase collomorfe poarta denumirea de ldquosmoala de uraniurdquo

Uraninitul se gaseste raspandit in pegmatite granitice si sienitice cu continut de toriu si pamanturi rare In concentratii mai mari se gaseste raspandit in zacaminte hidrotermale asociat cu arseniura de nichel si cobalt cu carbonati de calciu si de fier Cele mai mari zacaminte se afla in Canada langa Marele Lac al Ursilor si in provincia Katanga (Congo Belgian) Cehia Rusia etc

Pechblenda U3O8 un amestec de oxizi ai U(IV) cu U(VI) este un mineral de culoare neagra fara continut de toriu si pamanturi rare Are aspect de smoala numit si ldquosmoala de uraniurdquo fiind cel mai important mineral industrial de uraniu Apare in formatii sferoidale fara cristale clare S-a format in solutii coloidale cand s-a depus sub forma de gel care s-a solidificat si cristalizat ulterior Cristalizeaza in sistemul cubic avand culoare neagra de smoala uneori cu nuante verzui In principal se gaseste in filoane hidrotermale formate in zonele profunde ale zacamintelor exogene in conditii de mediu reducator Se gasste raspandit in SUA Rusia Canada Congo Cehia etc

8

Carnotita K(UO2)2(VO4)23 H2O se gaseste de obicei sub forma de mase pulverulente si eflorescente de culoare galben-deschisa sau galben-verzuie cu luciu puternic sidefos Cristalizeaza in sistemul rombic are duritate mica (2 ndash 25) este casant si puternic radioactiv Se gaseste in zona de alterare a rocilor sedimentare in special a gresiilor bogate in resturi organice Zacaminte importante se gasesc in statul Colorado (SUA) Canada Australia Africa de Sud Rusia (Ual Siberia) Cehia Maroc Iordania Israel etc

Toriul se gaseste raspandit in natura 810-4 sub forma de minerale proprii Principalele minereuri din care se extrage toriul sunt

Monazita (CeLaPrNdhellip)Po4 este un mineral care contine ThO2 sub forma de amestec izomorf 4 ndash 19 lantanoide (CeLa) 50 ndash 68 Cristalizeaza in sistemul monoclinic sub forma de cristale mici de culoare galben-bruna cafenie rosie rareori cu luciu accentuat sticlos sau gras si duritate 5 ndash 55 Se intalneste de obicei in pegmatite uneori in gnaise asociat cu feldspat zircon Prin alterare trece in aluviuni fluviale si marine (Brazilia la Minas Geraes) si India In depozite formeaza zacaminte in India Brazilia Africa de Sud Canada SUA Egipt etc

Toritul ThSiO4 se prezinta sub forma de cristale tetragonale de culoare neagra bruna galbena portocalie cu luciu sticlos sau gras casant duritate 45 ndash 5 fiind puternic radioactiv Se intalneste de obicei sub forma de granule diseminate mai rar ca mase compacte Varietatea de culoare portocalie se numeste Orangit iar cea cu continut de 10 ndash 16 U3O8 Uranotorit Se gaseste in Norvegia Elvetia si Madagascar

Radiul nu are minerale proprii insa se gaseste in mineralele de uraniu unde formeaza prin dezintegrarea succesiva 4 radioizotopi naturali 226Ra 228Ra 224Ra si 223Ra descendenti ai celor trei familii radioactive naturale Principala sursa de obtinere a 226Ra este pechblenda care contine 200 mg Rat U3O8 In scoarta pamantului el se gaseste raspandit 2010-10 iar in apele oceanelor si marilor 10-13 g Rat In tabelul 27 se da raspandirea lui in apa si alimente

9

Concentrarea radiului in apa potabila si alimente in pCi 226Rakg material proaspat sau la litru

Tabelul 27Tipul de aliment

New York City Chicago San Francisco R F G

Apa potabila 004 02 - 003-034Apa de rau 003 - - 007-08Paine alba 32 33 29 17-33Faina alba 27 24 13 27Lapte liq 025 024 022 03Cartofi 20 14 10 06-10

Fasole uscata 61 70 24 -Vegetale 24 22 07 16-17Fructe 15-28 14 09 09Orez 15 07 06 -Oua 41-79 27 26 31Peste 12 07 08 28-63Carne 044 045 081 08-15

Prelucrare dupa Schimier H Seelentag Wiand Waldeskong B ldquoThe radiation of human beingsrdquo Tehnical report series nr 123 IAEA p 7-30 (1971)

Protactiniul este raspandit in scoarta terestra 710-12 in minereurile de uraniu sub forma a trei radioizotopi 234Pa(UX2) 234Pa(UZ) si 231Pa La 1 g de uraniu natural se gasesc 3510-7 g Pa respectiv o tona de uraniu contine 1 mg Ac si 129 mg Pa

23 Radioizotopi naturali

In afara elementelor radioactive amintite in scoarta terestra se gasesc raspanditi o serie de izotopi radioactivi ai unor elemente in amestec cu izotopi stabili ai acestora Printre ei se numara 40K(T 128109 a) 87Rb(T471010 a) 115In(T 61014 a) 130Te(T 141021 a) 138La (T 131011 a) 176Lu (T 331010 a) 187Re (T 511010 a) si altii cu timpi de injumatatire cuprinsi intre 1010 si 1017 ani

Din randul lor se remarca 40K care insotind izotopii stabili ai potasiului unul din elementele abundente in scoarta terestra confera o anumita radioactivitate apelor si rocilor Astfel contributia 40K la radioactivitatea apelor marine este de 111 Bql In diferitele roci activitatea adusa de 40K variaza de la 081 Bqg in roci arse in bazalt la 117 Bqg in granite De asemenea ea variaza si in unele alimente de la 066Bqkg in lapte la 222 Bqkg de grau respectiv la 74 Bqkg in carne

O alta serie de radioizotopi cum sunt 14C si tritiul (3H) se formeaza permanent in natura prin bombardarea azotului din aer cu neutroni de origine cosmica sau cu cei eliberati din reactiile (α n) de dezintegrare α-spontana a unor nuclee grele din scoarta terestra (Ac Th Pa U) precum si din procesele de fisiune spontana a unora dintre ele (235U)

10

In troposfera viteza de formare a tritiului este de 60 atomicm2 pe minut iar a carbonului 14 este de 150 atomicm2 pe minut

In natura concentratia 3H si 14C a ramas practic constanta deoarece in decursul timpului s-a stabilit un echilibru intre procesele de formare si de dezintegrare a acestor radioizotopi

Tritiul (3H) care se formeaza intra in echilibru cu hidrogenul din apa de ploaie prin intermediul careia patrunde in biosfera ajungand in cele din urma la o In toate produsele neizolate de acest echilibru natural tritiul se afla in raport de 4 atomi de tritiu la 108 atomi de hidrogen normal Datorita tritiului in medie radioactivitatea naturala a produselor cu hidrogen este de 111 Bq 3Hg 1H (30 pCig) Apa marilor contine 059 Bql (016 pCi 3Hl)

Carbonul 14 odata format oxideaza la 14CO2 si intra rapid in amestec cu CO2

normal in circuitul carbonului Prin fotosinteza el ajunge in metabolismul vegetal si de aici in cel animal pana la om unde produce circa 18105 dezmin fapt care reprezinta a suta parte din radioactivitatea corpului uman

24 Raspandirea radioactivitatii in Univers

Din studiul meteoritilor rezulta ca si alte planete din sistemul solar sunt prezente principalele elemente radioactive uraniul si toriul impreuna cu elementele din familiile radioactive Daca pe Pamant radioactivitatea joaca un rol foarte important in cadrul general al Universului ea se prezinta ca un proces nuclear minor datorita proceselor termonucleare ce se petrec in anumite tipuri de stele si in special in Soare Se estimeaza ca pentru a egala energia primita de la Soare pe Pamant ar trebui sa fie explodate circa 47 bombe nucleare pe secunda Prin aceasta ldquohemoragie energeticardquo sub forma de radiatie Soarele pierde 42 milioane de tone de masa pe secunda Cu toate ca masa Soarelui este mare rezerva sa de energie calorica ar trebui sa fie consumata intr-un timp relativ scurt si ca asistam la scaderea continua a temperaturii Studiile geologice arata ca de-a lungul epocilor geologice temperatura Pamantului si implicit energia primita de la Soare nu a suferit variatii semnificative Aceasta comportare nu poate fi explicata decat acceptand ca energia de la Soare se reinoieste permanent pe baza unui proces exoergic Conform lui H BETHE (1938) principala sursa de energie din Soare il au doua cicluri de reactii termonucleare

- ciclul proton ndash proton (p ndash p) de trecere prin fuziune de la hidrogen la heliu in etape succesive sub forma de reactii nucleare inlantuite in cicluri termonucleare avand ca produsi intermediari izotopii hidrogenului si ai heliului (fig 21) conform acestui ciclu hidrogenul molecular se constituie ca principala rezerva de combustibil nuclear ldquosangele stelelorrdquo si al Soarelui

- ciclul carbon ndash azot (C ndash N) imaginat de BETHE de trecere de la hidrogen la heliu prin trepte intermediare in prezenta unui nucleu strain cu rol catalizator cum este carbonul 12 in cadrul caruia carbonul se reface iar din patru protoni rezulta un heliu si doi pozitroni (fig 22) In realitate in stele au loc concomitent cele doua cicluri La inceput predomina ciclul p ndash p dupa care urmeaza o perioada cu temperaturi mai ridicate cand predomina ciclul carbon ndash azot

11

Fig 21 Ciclul proton ndash proton Fig 22 Ciclul carbon ndash azot

Multa vreme s-a crezut ca prin ciclul carbon ndash azot se incheie seria reactiilor termonucleare ce au loc in stele In realitate prin cresterea treptata a temperaturii pot sa aibe loc inca o serie de reactii termonucleare prin capturare de helioni cand se formeaza nuclee de 16O si 20Ne procesul nuclear continuand cu formarea 24Mg pana la nucleele cu numar de masa cuprins intre 40 ndash 60

12

3 Efecte radiobiologice asupra omului

Imediat dupa descoperirea radiatiilor roumlentgen si apoi a radioactivitatii s-a sesizat si caracterul periculos al radiatiilor ionizante in cazul folosirii nerationale Pionierii roentgenografiei au cunoscut ldquope propia lor pielerdquo actiunea radiatiilor ionizante iar dupa descoperirea radioactivitatii primele victime au aparut in 1920 in SUA in randul muncitorilor care aplicau vopsele luminoase pe cadranele ceasornicelor Acestora li s-au adaugat savantii Marie Curie si Ireacutene Joliot-Curie renumiti cercetatori in domeniul radioactivitatii care au decedat dupa grele suferinte de leucemie radioindusa Dar cele mai mari victime s-au inregistrat la sfarsitul celui de al doilea razboi mondial in urma exploziilor celor doua bombe atomice lansate de catre SUA asupra Japoniei la Hirosima si Nagasaki

31 Particularitatile efectelor biologice

Indiferent de urmarile provocate de impactul radiatiilor ionizante cu organismul viu actiunea biologica prezinta unele particularitati si anume

- organismul omenesc nu este dotat cu un organ de simt care sa sesizeze prezenta radiatiilor ionizante iar efectul biologic nu este vizibil in momentul iradierii

- efectele biologice sunt cumulative si nu au un caracter particular care sa ne permita deosebirea de efectele aparute altfel decat prin iradiere

- modificarile si simptomele evolueaza lent dupa iradiere Unele sunt imediate sau precoce si apar dupa un ragaz care variaza de la cateva ore la cateva saptamani Altele sunt intarziate si survin dupa mai multi ani (leucemia) dupa mai multe zeci de ani (cancerul fatal) sau pot provoca efecte genetice

In realitate efectele biologice produse de actiunea radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului sunt rezultatul unei lungi serii de fenomene care se declanseaza la trecerea radiatiilor prin organismele vii Evenimentele initiale sunt ionizari si excitari ale atomilor si moleculelor din mediul de interactiune de-a lungul traiectoriilor particulelor ionizante Ulterior aceste perturbari fizice antreneaza reactii fizico-chimice urmate de reactii chimice generand in final efecte biologice Schematic cronologia acestor evenimente este data in tabelul 31

13

Tabelul 31 Prezentarea schematica a fenomenelor declansate deradiatiile ionizante in mediu biologic

32 Clasificarea efectelor biologice

In prezent efectele nocive ale radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului a descendentilor sai si asupra umanitatii in general se clasifica in doua categorii

- efecte nestochastice si- efecte stochasticeEfectele nestochastice sunt efecte imediate (precoce) cu prag reversibile si

imperfect aditive Fiind caracterizate de o relatie de cauzalitate determinate intre doza si efect ele apar atunci cand doza primita depaseste o anumita valoare de prag (fig 31)

Fig 31 Dependenta efectului biologic de doza biologicaa ndash efecte stochastice fara prag b ndash efecete nestochastice cu prag

14

Valoarea pragului pentru un anumit efect poate varia in jurul unei valori medii de la un individ la altul si in functie de conditiile de iradiere In general efectele nestochastice apar destul de repede in timp fiind efecte imediate (precoce) iar vatamarile provocate de ele sunt cu atat mai mari cu cat doza este mai mare

Avand caracter reversibil exista posibilitatea regenerarii unor tesuturi iar dozele administrate intr-un timp lung nu sunt perfect aditive De aceea pentru evitarea producerii lor are mare importanta administrarea fractionata a dozelor de radiatii

Printre efectele nestochastice se numara leziunile nemaligne ale pielii cataracta hipolezia medulara care antreneaza o deficienta hematologica a vatamarilor provocate celulelor gonadelor cu repercusiuni asupra fertilitatii

Efectele stochastice sunt intotdeauna efecte somatice tarzii fara prag ireversibile si aditive Aparitia lor urmeaza o relatie probabilistica doza-efect aparent la intamplare de unde si numele stochastic Altfel spus dintr-o populatie aflata intr-o zona de radiatii efectele stochastice apar numai in unele cazuri individuale aparent la intamplare

Printre ele se numara efectele somatice care se manifesta cu intarziere sub forma de afectiuni maligne (cancer) si efecte genetice (ereditare) ce apar la descendenti Practic intre momentul iradierii si al aparitiei bolii maligne pot trece ani sau zeci de ani

Fiind relatii liniare intre frecventa de aparitie a efectelor stochastice si dozelor absorbite pentru radiatiile cu transfer liniar de energie mica rezulta ca in aceste cazuri la doze mici si debite mici ale dozei riscul pentru sanatate este proportional cu doza administrata In literatura de specialitate factorul de proportionalitate dintre frecventa de aparitie a acestor efecte si doza absorbita a fost denumit factor de risc

Dozele administrate in timp lung fiid aditive nu are importanta daca doza care produce efctul respectiv a fost administrata fractionat sau instantaneu respectiv intr-o secunda sau intr-o luna

Efectul biologic produs este ireversibil si in prezent nu se cunosc metode de reducere a probabilitatilor de aparitie a efectelor stochastice somatice datorate unor doze deja primite

Detrimentul sanatatii Conceptul de detriment al sanatatii se refera la fenomenul de distrugere (vatamare) integrala a unei persoane datorita efectelor biologice ale radiatiilor ionizante fenomen care poate aparea dupa o iradiere in conditii bine definite si la un anumit nivel de doza

In cazul unui efect patologic dat (i) detrimentul (Gj) la un individ (j) este exprimat de produsul intre probabilitatea de aparitie a efectului (pi) si factorul corespunzator de gravitate (g)

iar pentru un grup de persoane (P) detrimentul colectiv (G) este

Acest concept se aplica atat asupra efectelor stochastice cat si a celor nestochastice in principal fiind utilizat pentru estimarea vatamarilor datorate efectelor stochastice

Intre probabilitatea de aparitie a efectelor biologice stochastice si echivalentul de doza se stabileste o relatie liniara fara prag aplicata la doze slabe De aceea detrimentul colectiv al sanatatii este proportional cu echivalentul de doza efectiv colectiv Totusi in mod practic detrimentul unui grup de indivizi nu poate fi redus la o insumare a vatamarilor individuale fapt pentru care echivaletul de doza colectiva se ia ca un partener printre altele

15

33 Fazele tipice ale evolutiei imbolnavirii in urma iradierii

In dinamica evolutiei reactiilor care au loc in urma iradierii se pot distinge trei perioade importante perioada primara perioada latenta si perioada secundara

Reactiile in perioada primara de actiune a radiatiilor ionizante se datoreaza a trei tipuri principale de mecanisme mecanismul actiunii directe indirecte si la distanta

Efectul biologic prin actiune directa consta in transmiterea directa a energiei particulelor incarcate sau a electronilor secundari catre atomii si moleculele substantelor celulare Produsul principal al acestei actiuni sunt ioni si atomi excitati de-a lungul parcursului particulei in celula Datorita ionizarii si excitarii substantelor prin mecanism primar se produc modificari chimice ale acestora (mecanismul actiunii indirecte) Deoarece organismele vii au in compozitia lor un mare procent de apa la om ajungand pana la 85 din greutatea corpului multa vreme s-a considerat ca actiunea nociva a radiatiilor ionizante este cauzata de produsele de descompunere a ei si in special de apa oxigenata care actioneaza ca agent oxidant (ipoteza actiunii prin apa oxigenata) O ipoteza mai verosimila considera ca rolul principal in actiunea biologica primara il au radicalii H OH si O2H care apar la radioliza apei (ipoteza actiunii prin radicali liberi) Conform acestei ipoteze radioliza apei constituie o sursa pentru actiunea indirecta a radiatiei deoarece radicalii liberi formati pot afecta atat cromozomii cat si proteinele citoplasmatice

Datorita interventiei sistemului nervos a glandelor endocrine si a transportului prin umori sau difuziune a unor substante rezultate in tesuturile iradiate efectele biologice se pot produce nu numai in organele iradiate ci si in cele neiradiate (mecanismul actiunii la distanta sau al actiunii secundare)

Perioada latenta care apare in organism dupa perioada primara se caracterizeaza prin faptul ca fenomenele sunt atat de neinsemnate incat nu pot fi descoperite neinregistrandu-se nici un fel de tulburari Perioada latenta variaza invers proportional cu doza de radiatii De aceea in cazul unor iradieri cu doze mortale perioada latenta dureaza de la cateva ore la 30-40 de zile iar in doze fractionate mici ea dureaza mai mult de un an

Perioada secundara este dominata de formarea in celule si tesuturi de substante toxice care conduc la intoxicarea organismului determinand o serie de efecte biologice importante (ipoteza formarii uor substante toxice) Reactiile din aceasta perioada sunt de natura necunoscuta si in decursul timpului ele au fost atribuite actiunii apei oxigenate peroxizilor organici si histaminei problema fiind insa in discutie Cert este faptul ca sub actiunea radiatiilor ionizante apar molecule active in primul rand in celulele din tesuturi si in paralel in sange si in limfa

34 Clasificarea efectelor biologice dupa natura lor

Cel mai fercvent efectele biologice se clasifica dupa natura lor in- efecte precoce care nu apar decat pentru doze ridicate- efecte somatice tarzii care se manifesta dupa mai multi ani chiar mai multi zeci

de ani- efecte genetice care privesc descendentii - efecte teratogene care se refera la afectarea embrionului si a fetusului

341 Efecte biologice precoce

16

Efectele biologice precoce survin la putin timp dupa iradiere uneori dupa cateva ore sau mai putin si sunt efecte cu prag fapt pentru care nu apar decat daca doza depaseste un anumit nivel Deasupra pragului ele cresc cu doza De aceea pentru a evita producerea lor s-au elaborat reglementari care impun limitarea sub nivelul de prag al dozelor ce le pot primi operatorii care lucreaza in medii de radiatii ionizante Cele mai fragile tesuturi care sufera efecte biologice cu prag sunt pielea celulele formate de sange maduva osoasa intestinul si organele sexuale sau gonade

Efectele biologice precoce in cazul iradierilor partiale Acestea se refera la piele maduva osoasa si organele genitale

Pielea Efectele radiobiologice ale pielii sunt foarte variabile si ele depind de doza de localizarea anatomica de varsta de pigmentatia tegumentului etc In general la doze mai mari de 10 Gy nu se observa nici o leziune grava dar la 25 din cazuri apare o senzatie de caldura La doze intre 10 si 20 Gy apar epidermite exudative urmate dupa un timp de o latenta de trei saptamani de eritema secundara apoi de epitelitaexudativa dupa 3-6 luni facandu-se restaurarea fara recurs In cazul unor iradieri foarte importante si profunde se altereaza vascularizatia si apare ulceratia care necesita un tratament chirurgical

Maduva osoasa organul cel mai sensibil la iradierea globala conduce limfopenia cu atat mai repede cu cat doza de radiatii este mai mare

Organele sexuale respectiv testiculele la barbati si ovarele la femei reactioneaza diferit la iradiere

Testiculele care se remarca printre cele doua functii de producatore de hormoni si spermatozoizi la iradiere le este afectata numai cea de-a doua functie (producatoare de spematozoizi) La doze relativ mici de 05 Gy se instaleaza o depresiune tranzitorie si spontan reversibila iar la doze de circa 2 Gy apare o azospermie si sterilitate temporara in jur de un an Experientele efectuate de americani pe detinuti voluntari au aratat ca in cazul iradierii testiculelor cu doze de 6 Gy sterilitatea este temporata la om De asemenea supravietuitorii dintre cei 23 pescari japonezi care au fost iradiati in urma exploziei experimentale a armei termonucleare de la Bikini in 1954 si care se estimeaza ca au primit doze de 3 - 66 Gy dupa o sterilitate de 2-3ani au avut copii normali (in total 45 copii)

- Ovarele comparativ cu testiculele au o sensibilitate mai mica fata de radiatiile ionizante aceasta fiind influentata si de varsta Astfel pe cand la o femeie tanara in jur de 25 de ani este necesara o doza de 12-15 Gy pentru a provoca o menopauza artificiala la o femeie de peste 40 de ani este suficienta o doza de numai 7 Gy Se mentioneaza ca la femei sterilitatea este insotita de oprirea functiei endocrine

Din cercetarile efectuate precum si din constatarile asupra descendentilor celor iradiati in urma exploziilor atomice de la Hirosima si Nagasaki a rezultat ca in urma unei iradieri puternice care a provocat sterilitatea temporara nu s-au produs urmari genetice prin afectarea celulelor sexuale

Iradierea organelor profunde La iradieri puternice mai ales in radioterapie sunt iradiate si organele profunde plamanii inima rinichii tubul digestiv ficatul sistemul nervos central si creierul Dintre acestea deosebit de sensibile sunt plamanii care dupa o doza de 25 Gy se imbolnavesc de fibron pulmonar iar dupa 6-12 luni urmeaza decesul

Rinicii si ficatul sunt afectati la doze peste 30 Gy In cazul rinichilor functionarea lor este afectata dupa cateva saptamani de la iradiere pe cand vezica poate suporta doze mult mai mari Diversele organe ale aparatului digestiv au radiosensibilitati diferite Cel mai radiosensibil este intestinul subtire la care apar leziuni in urma absorbtiei unor doze

17

sub 30 Gy Urmeaza stomacul care este afectat de doze in jur de 40 Gy cel mai rezistent fiind colonul care reactioneaza numai la doze cuprinse intre 50 si 56 Gy

Destul de radiosensibil este si sistemul nervos care manifesta o fragilitate a celulelor nervoase a vaselor sangvine si o capacitate limitata de regenerare a tesuturilor nervoase La doze peste 40 Gy administrate in patru saptamani apare o paraplegie care dupa doi ani se extinde In ceea ce priveste creierul desi modificari morfologice apar deja de la doze de 10 Gy el poate suporta doze de circa 50 Gy timp de 5-6 saptamani

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor globale In urma unor iradieri globale cu doze in jur de 1 Gy care sunt fara gravitate imediata nu se observa decat foarte discrete modificari hematologice in ceea ce priveste globulele albe dar ele se regenereaza rapid In astfel de cazuri se aplica un tratament modest fara a fi necesara spitalizarea

La doze cuprinse intre 1 si 2 Gy desi semnele fizice inca lipsesc se observa o scadere a globulelor albe si a plachetelor iar numarul globulelor rosii este modest In acest caz sunt necesare transfuzii si tratament antibiotic Din contra la doze de peste 2Gy se observa o evolutie stereotipa a bolii cu afectarea celulelor formatoare de sange si scaderea corespunzatoare a numarului maxim de elemente reprezentative din sange Evolutia imbolnavirii se face urmand cele patru faze tipice Dupa o perioada de debut care dureaza trei zile insotita de simptome discrete urmeaza de perioada latenta practic silentioasa care dureaza peste trei saptamani In continuare se instaleaza perioada de stare (perioada critica) careia i se asociaza semne generale cum sunt oboseala intensa tulburari digestive hemoragii si infectii formula sangvina fiind foarte modificata In acest moment viata bolnavului este in pericol Abia dupa circa trei luni el intra in covalescenta In acest caz spitalizarea este indispensabila intr-un centru specializat cu locuri sterilizate repaus absolut si eliminarea posibilitatilor de infectare In cadrul tratamentului se recomanda grefe de maduva osoasa La doze mai mari grefa cu maduva osoasa poate fi singura sansa iar la doza peste 12 Gy de iradiere instantanee orice tratament terapeutic nu este eficace

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor accidentale In ultimele decenii s-au inmultit numarul iradierilor accidentale Principal ele pot fi clasificate in iradieri implicand una sau mai multe persoane ori a unor grupuri mari de persoane

Iadieri accidentale implicand una sau mai multe persoane Pana in anul 1965 au fost inregistrate 12 astfel de accidente critice in lume in care persoane au fost expuse global in cursul unor cercetari sau operatii chimice dintre care au rezultat 9 decese

De asemenea se cunosc 24 accidente cu surse gamagrafice dintre care 15 accidente cu 192Ir si 9 accidente cu 60Co din care au rezultat 17 morti si 38 grav iradiati In ultimii 40 de ani au avut loc 115 cazuri de iradieri locale care au facut 156 victime Principalele cauze se datoresc instalatiilor de radiatii X pentru analiza cristalografica (69) surselor de gamagrafice cu 192Ir (34) 60Co (25) emitatori β-activi (11) acceleratori de particule (8) si diverse surse (8) Iradierile interne sunt mai rare si mai greu de cunoscut In Franta sunt cunoscute numai o zecime din decese 7 sunt imputabile activitatii medicale

Iradieri accidentale a unor grupuri mari de persoane Iradierile simultane asupra unui numar ridicat de persoane au fost inregistrate in urma unor experiente cu arme termonucleare sau a unor defectiuni survenite in functionarea unor centrale atomoelectrice

Explozia experimentala a armei termonucleare de la Bikini de la 1 martie 1954 a provocat printre altele si iradierea puternica prin caderi de pulberi radioactive a locuitorilor de pe Insula Marschall precum si a 23 de pescari marinari de pe vasul japonez ldquoFukuriu Marurdquo

18

Recent prin defectarea centralei atomoelectrice de la Cernobal (Ucraina) din aprile 1986 au fost iradiate 22 persoane cu doze peste 8 Gy 22 persoane cu doze intre 4 si 8 Gy 53 persoane cu doze intre 2 si 4 Gy si 203 persoane cu doze peste 1 Gy fiind inregistrate 31 decese

342 Efecte somatice tarzii

Efectele somatice tarzii in general sunt fara prag Ele pot fi necancerigene (cataracte tulburari ale cresterii scaderea longevitatii si a unor reactii imunologice) insa principalul efect intarziat este cancerul care apare dupa cativa ani sau zeci de ani de la iradiere Principalele efecte somatice tarzii necancerigene se caracterizeaza prin urmatoarele

Cataractele sunt boli care provoaca opacifierea cristalinului Radiatiile ionizante genereaza cataracte la doze superioare la 10 Gy de radiatii X Ele sunt efecte cu prag care la barbati este foarte ridicat si apare intre 1 si 10 ani de la iradiere In cazul neutronilor rapizi pragul este mult mai jos asymp08 Gy respectiv asymp8 Sv

Tulburari de crestere Constatarile efectuate pe supravietuitorii de la Hirosima si Nagasaki au evidentiat ca prin expunere la doze de 1 Gy au loc tulburari de crestere si anume un deficit in greutate o scadere a taliei si a circumferintei capului

Longevitatea De asemenea studiile de supravietuitori de la Hirosima sI Nagasaki precum si pe animale in laborator au aratat ca la doze ridicate (asymp4 Gy) de radiatii se scurteaza durata medie de viata indiferent daca iradierea a produs leucemie sau cancer

Reactiile imunologice La iradierea cu doze de 1 Gy scad reactiile imunologice si organismele devin vulnerabile la infectii

Pielea desi nu este radiosensibila se mnifesta ca un organ critic avand un prag de toleranta de asymp2mGyzi Prin iradierea mainilor cu doze superioare (5 mGyzi) apar leziuni cutanate cronice sau uscate si atrofice care fisureaza dand ulceratii grave

Cancerele principalele efecte intarziate se caracterizeaza prin faptul ca nu au prag si se produc mai ales cu doze slabe de radiatii Frecventa lor este influentata de o serie de factori printre care se numara doza de radiatie natura radiatiilor sexul varsta si natura tesuturilor iradiate

Dintre toti factorii doza de radiatii este cel mai important iar dintre radiatii particulele α si neutronii sunt cele mai periculoase Radiosensibilitatea organismelor este diferita in functie de sex ea este mai importanta la femei decat la barbati in special pentru sani si tiroida si are un efect invers pentru maduva osoasa si pulmon Totodata efectele difera cu varsta copiii tineri adolescentii si persoanele in varsta fiind mai radiosensibile decat adultii Timpii de latenta sunt foarte variabili si depind in mod esential de natura tesutului iradiat Ei sunt cuprinsi intre 4 si 20 de ani de la iradiere pentru leucemie de 10 ani pentru tumori 22-25 de ani pentru sani etc Cancerul cutanat apare la doze de circa 15 Gy radiatii electromagnetice intre 25 si 40 de ani Cancerul osos apare la doze gt8Gy iar leucemia la doze gt1 Sv Cancerul sanului apare la doze de 020 Gy (la iradieri radiologice) iar cancerul tiroidei la 01 Gy la copii intre 13 si 14 ani

343 Efecte geneticeAlaturi de alti agenti fizico-chimici (substante chimice radiatiile

electromagnetice caldura etc) care pot provoca efecte mutagene se afla si radiatiile ionizante

19

Daca la doze slabe nu s-au inregistrat astfel de efecte la om in schimb printre copiii supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki iradiati cu doze puternice s-au inregistrat cazuri de anomalii genetice semnificative

Pe plan uman singurele informatii de care dispunem sunt descendentii iradiatilor de la Hirosima si Nagasaki si ai pescarilor de la Bikini dar in ambele cazuri dozele nu sunt cunoscute cu precizie In cazul supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki desi au prezentat forme cancerigene pentru doze ridicate (gt1 Gy) nu s-au inregistrat efecte genetice De asemenea in cazul celor 23 marinari pescari de la Bikini iradiati de caderile radioactive cu exceptia unuia care a decedat dupa o sterilitate de doi ani ceilalti au avut copii normali (45 copii) la care nu au fost observate efecte genetice aparente la prima generatie

In modul de evaluare a efectelor genetice se intampla unele dificultati datorate urmatorilor factori caracterul particular al efectelor genetice necesitatea extrapolarii rezultatelor obtinute experimental pe animale la om si de asemenea extrapolarea rezultatelor obtinute experimental cu doze forte la doze slabe

Din investigarile pe animale s-a stabilit ca fercventa anomaliilor genetice se observa la doze gt1 Gy La om anomaliile (de ex structura cromozomilor) reprezinta un risc de 1-10 pe milion de nasteri vii pe centiGy iar mutatiile genetice apar la iradierea celor doi parinti cu o frecventa de 5-65 pe milion de nasteri vii pe centiGy Dupa prima generatie si la echilibru (dupa 5 generatii) frecventa lor este de 40-200 pe milion de nasteri vii pe centiGy pe generatie Mutatiile sunt legate de sexe in sensul ca ele se transmit prin femei In prima generatie numarul de afectiuni adaugat este lt13 pe milion de nasteri vii pe centiGy

Particularitatile mutatiilor genice In functie de sex riscul pentru femeie este mai putin important ca pentru barbat Dupa varsta la femei sunt doua perioade critice principala este perioada reproducerii de la pubertate la menopauza A doua este pana in luna a saptea a vietii fetale La barbat perioada periculoasa se afla intre 20 si 40 ani perioada in care se fac majoritatea fecundarilor

Ipoteza prejudiciului genetic dat de iradierile slabe In mod normal o populatie se afla in echilibru genetic Aparitia de noi mutanti este compensata de eliminarea mutantilor existenti prin decese precoce sau prin fecundari mai putine uneori chiar nule In cazul unor iradieri suplimentare acest echilibru se rupe iar fiecarei generatii i se vor adauga descendentilor mutatiile produse la toate generatiile anterioare (mutanti suplimentari) Ca urmare se vor produce o crestere a mutatiilor letale si a celor dominante precm si o acumulare a mutatiilor primite

344 Efecte biologice teratogene

Efectele teratogene sunt anomalii si malformatii provocate de actiunea unor agenti fizici chimici si infectiosi sau a radiatiilor ionizante asupra embrionului si fetusurilor pe timpul cresterii

Sensblitatea lor la radiatii variaza dupa stadiul dezvoltarii embrionului dar pragul de actiune este foarte net mai jos decat dupa nastere Efectele teratogene sunt ireversibile iar radiatiile ionizante produc aceleasi efecte ca si alti agenti teratogeni Sub actiunea radiatiilor ionizante in functie de stadiul de dezvoltare a embrionului si a fetusurilor se deosebesc urmatoarele

20

- In stadiul de preimplantare iradierea determina fie distrugerea oului fie moartea uneia sau a mai multor celule Aceasta perioada adesea trece neobservata de femeie Doza letala 50 este de 05-06 Gy

- In stadiul de organogeneza cand femeia are consecinte de intarziere si banuiala ca ar fi insarcinata o doza de 01 Gy poate antrena malformatii Aceasta este perioada critica deoarece radiosensibilitatea este maxima

- In stadiul fetal frecventa si gravitatea malformatiilor se diminuiaza In schimb iradierea poate avea o actiune cancerigena care se manifesta la copii tineri Dozele egale sau inferioare la 025 Gy sunt considerate ca fara efect

Cele mai importante consecinte legate de efectele teratogene sunt- malformatiile ca de exemplu cele microcefalice care pot fi insotite de

intarzierea mentala - intarzierea cresterii care are loc la doze puternice (gt1 Gy) printre care se

remarca deficitul ponderal scaderea taliei si a circumferintei capului si o intarziere a osificarii

- cancerul care apare la iradieri in uter cu doze de 002 Gy-mortalitatea intrauterina si neonatala creste In cazul supravietuitorilor de la

Hirosima si Nagasaki ea a fost cu 40 mai mare decat cea normala - efecte genetice nu s-au observat nici printre descendentii celor iradiati in uter cu

ocazia exploziilor nucleare de la Hirosima si NagasakiPe baza acestor observatii se impune luarea unor precautii in cazul femeilor

insarcinte care sunt expuse profesional la doze de radiatii ionizante si excluderea lor de la orice fel de examen radiologic

21

4 Efectele fizice ale radiatiilor ionizante la interactiunea cu substanta

La impactul cu substanta fasciculele de radiatii ionizante sufera procese de atenuare datorita devierii (imprastierii) acestora printr-un mecanism monoact sau prin absorbtie cand isi pierd complet energia pe baza unui mecanism continuu Cele mai importante efecte ale radiatiilor ionizante sunt excitarea si ionizarea care pot fi directe in cazul particulelor incarcate electric sau indirecte in cazul radiatiilor X γ si a neutronilor

41 Interactiunea particulelor grele incarcate cu substanta

Particulele grele incarcate cum sunt radiatiile α protonii deuteronii atomii multiplu ionizati si produsii de fisiune nucleara la impactul cu substanta se atenueaza cu parcurs pe baza unui mecanism de pierderi mici de energie intr-un numar foarte mare de procese de interactiune

Procesul predominant este cel de interactiune cu electronii atomilor si moleculelor probabilitatea de interactiune cu nucleele atomilor fiind foarte mica

Transferul liniar de energie (TLE) notat cu Q realizat prin ciocniri neelastice cu electronii atomilor si ai moleculelor intalnite este dat de relatia lui HA Bethe

[erg∙cm-1]

in care N este numarul de atomi dintr-un cm3 Z ndash sarcina particulei m0 ndash masa de repaus a electronului v ndash viteza e ndash sarcina electronului β = vc J ndash potentialul mediului de excitare al substantei iradiate

In figura 41 se prezinta modul de variatie al numarului particulelor α cu mediul Transferul Q depinde de viteza (v) si de sarcina (Z) a prticulelor grele incidente iar pe o distanta Δx particula pierde o energie ΔE care este data de suma transferurilor Q in cursul ciocnirilor ce au loc pe aceasta distanta ΔE=ΣQ

Fig 41 Variatia numarului particulelor α in unitatea de timp cu distanta parcursa intr-un mediu dat

Atunci cand o particula parcurge un mic segment Δx din traiectoria sa ea sufera numeroase ciocniri cu electronii care se gasesc in vecinatatea traiectoriei sale Raportul S=ΔEΔx se numeste putere de incetinire a particulelor in mediu si reprezinta pierderea specifica de energie fiind dependent de viteza (v) si sarcina (Z) a particulei incidente Distanta maxima pe care o strabate o particula de energie initiala E intr-un mediu dat se numeste parcurs (R) si se exprima in metri El se poate calcula cu ajutorul relatiei

[m]

22

Din cauza fluctuatiei accidentale de ciocniri individuale dintre particulele grele incarcate si atomii mediului parcursurile lor nu sunt riguros egale asa cum se poate observa cu ajutorul unei camere Wilson (fig 42)

Fig 42 Parcursurile particulei α in camera Wilson

La strabaterea mediilor gazoase parcursurile radiatiilor α ating centimetri ( tabelul 41) pe cand in medii lichide si solide descresc mult fiind de ordinul micrometrilor Asa se explica faptul ca o foaie de hartie este suficienta pentru a absorbi complet un fascicul de radiatii α de mare energie Parcursul radiatiilor α in aer se calcleaza cu ajutorul relatiei empirice a lui Bethe R=032 E32 In fig 43 este data dependenta dintre energie si parcursul radiatiilor α

Parcursurile radiatiilor α ale Po si RaC΄ in diferite mediiTabelul 41

Mediul strabatut Parcursul radiatiilor α ale210Po(530 Mev) 214RaC΄(76 MeV)

Aer 00387 m 00698 mHidrogen 01730 m 03250 m

Heliu 0215 m 0390 mArgon 00417 m 0073 m

Alcool etilic 371μm -Aur - 14 μm

Gelatina foto 23 μm 50 μm

Ciocnindu-se cu electronii mediului strabatut particulele α produc efecte dependente de energia Q transferata acestora

Fig 43 Dependenta dintre energie si parcursul particulelor α

a Daca energia transferata (Q) este superioara energiei de legatura a electronilor (asymp10eV) acestia sunt smulsi si azvarliti particulele incidente pastrandu-si directia practic neschimbata fapt pentru care parcursul lor in orice mediu este rectiliniu Atomul caruia i

23

s-a smuls un electon devine ion pozitiv si impreuna cu electronul detasat formeaza o pereche de ioni procesul in ansamblu numindu-se ionizare

Numarul de perechi de ioni creati pe unitatea de lungime se numeste ionizare specifica (j) si este data de raportul dintre patratul atomic Z al particulelor si patratul vitezei particulei (vp)

WL BRAGG studiind variatia numarului de ioni formati in functie de unitatea de lungime a constatat ca ionizarea maxima este atinsa la sfarsitul parcursului (Fig 44)

Fig 44 Curbele de tip Bragg ale Po si RaC΄

b In cazul in care energia tansferata (Q) este inferioara energiei de legatura a electronului acesta nu este detasat din structura atomica sau moleculara de care apartine si se produce excitarea atomului respectiv

Urmarind distributia energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale se obtine o curba de distributie care este reprezentata in fig 45

Fig 45 Curba de distriutie a energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale

Conform acestei curbe energia ε=ΔE pierduta de o particula parcurgand un mic segment Δx din traiectoria sa se repartizeaza astfel

- 30 din energie (100gtQgt10eV) se consuma in excitari - 30 din energie (Qlt10eV) se consuma pentru ionizari- 40 din energie (Qgt100eV) se consuma pentru producerea de electroni

secundari δAceasta repartitie ramane constanta de-a lungul traiectoriei particuleiAutoabsorbtia radiatiilor α Urmarind variatia curentului de ionizare (I) produs

de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva (Fig 46) se observa ca numai in cazul straturilor foarte subtiri se inregistreaza o crestere proportionala a curentului de ionizare cu grosimea stratului activ Pentru o anumita grosime a stratului de substanta ionizarea devine constanta deoarece particulele α emise

24

de straturile inferioare se absorb total in cele superioare Straturile ale caror grosime este egala sau mai mare decat pacursul se numesc straturi ldquogros infiniterdquo

Fig 46 Variatia curentului de ionizare produs de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta rdioactiva

Ecranarea particulelor grele incarcate Particulele grele incarcate in primul

rand radiatiile α au parcursuri foarte mici de ordinul micronilor in corpuri solide fapt pentru care nu ridica probleme speciale de ecranare fiind absorbite total si cu usurinta de toate substantele chiar si de o foaie de hartie De aceea simpla utilizare a manusilor de cauciuc ori a hartiei de filtru in lucrari de laborator cu astfel de substante radioactive sunt masuri suficiente care sa asigure o buna protectie impotriva iradierii externe

Reactiile nucleare ale prticulelor grele incarcate La interactiunea particulelor grele incarcate cu anumite nuclee tomice acestea pot sa sufere transmutatii artificiale In particular radiatiile α emise de unele surse radioactive naturale au importanta istorica deoarece stau la baza unor importante descoperiri cum sunt

- reactiile nucleare (α p) realizate pentru prima data de E RUTHERFORD in anul 1919 au condus la descoperirea primei transmutatii artificiale sinteza izotopului stabil 17O din 14N cu emisia unui proton

In prezent cu ajutorul particulelor α ndash accelerate se prepara numerosi radioizotopi pe baza ecuatiei generale

- reactiile nucleare (α n) au stat la baza descoperirii neutronului de catre CHADWICK in 1932 prin bombardarea beriliului cu radiatii α ale poloniului

Reactiile (α n) prezinta un interes deosebit si datorita faptului ca ele stau la baza surselor de neutroni de laborator Substantele α ndash active cele mai utilizate sunt210Po 226Ra si 239Pu

Sursele Ra ndash α ndash Be emit neutroni cu un spectru energetic continuu cu energii pana la 137 MeV si randament foarte mare la 1 mCi Ra corespund 13 104 ncm2 s fiind sursele cele mai constante din cauza timpului de injumatatire lung al radiului (1600 a)

Tot pe baza reactiei nucleare (α n) sotii JOLIOT-CURIE in anul 1934 iradiind o foita de aluminiu cu particule α au obtinut fosfor radioactiv descoperind radioactivitatea artificiala care a deschis perspective nebanuite fizicii si chimiei nucleare

In prezent sub actiunea particulelor α accelerate se produc numerosi radioizotopi

ai elementelor cu timpi de injumatatire mici pe baza reactiei generale

25

De asemenea sub actiunea particulelor α accelerate au fost sintetizate o parte din elementele transuraniene conform reactiilor

In mod asemanator pot provoca reactii nucleare si alte particule grele accelerate

(protoni deuteroni) Dintre acestea se remarca- reactiile nucleare (p γ) puternic exoenergice cu emisie de fotoni de mare

energie - reactiile nucleare (d n) care stau la baza producerii neutronilor de laborator cu

ajutorul generatoarelor de inalta tensiune Cu ajutorul deuteronilor de 5 MeV s-au sintetizat pentru prima data prin reactii nucleare (d n) tehnetiul si prometiul

- reactiile nucleare (d p) care se produc cu o probabilitate de 10 ori mai mare

decat cele (d n) prezinta interes deoarece conduc la formarea de izotopi ai tintei intocmai ca in cazul reactiilor (nγ) De exemplu 23Na(dp)24Na 31P(d p)32P

Particulele grele incarcate cu energii mai mari de 50 MeV genereaza o serie de reactii nucleare in cascada dezintegrarea cu expulzarea de nucleoni rapizi (p d T) fisiunea nucleara reactii secundare si emisia de nuclee usoare

42 Interactiunea electronilor cu substanta

Fasciculele de electroni emisi de radionuclizii β ndash activi (β- si β+) precum si cei proveniti din generatoare la interactiunea cu substanta se atenueaza pierzand energia de-a lungul parcursului

Datorita unor serii de procese de absorbtie prin ciocniri elastice si neelastice si uneori prin radiatie de franare efectele fizice produse de aceste procese constau din excitarea si ionizarea mediului strabatut iar contributia fiecarui proces in parte este determinata de energia electronilor incidenti precum si de natura materialului absorbant

Imprastierea neelastica electron-electron Dintre toate procesele de interactiune ale electronilor cu substanta predominant este cel de imprastiere la ciocnirea neelastica cu electronii orbitali ai atomilor din mediu deci procesele electron-electron Datorita acestui fapt electronii sufera imprastieri sub unghiuri diferite motiv pentru care drumul fasciculelor de electroni prin mediu nu este rectiliniu ci foarte sinuos (fig 47) De aceea intr-o substanta de o anumita grosime electroni de aceeasi energie parcurg drumuri complet diferite care intrec in lungime 15 ndash 4 ori grosimea stratului penetrat

Fig 47 Drumul sinuos al electronilor prin substanta

26

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

Tabelul 24Tipul de ape naturale U [gl] Ra [gl]

Rauri 6∙10-7 2∙10-13

Lacuri 8∙10-6 1∙10-12

Mari si oceane 2∙10-6 1∙10-13

Din roci sedimentare 5∙10-6 2∙10-2

Din roci magmatice acide 7∙10-7 2∙10-12

Din zacaminte de uraniu 8∙10-4 8∙10-11

Principalii factori care influenteaza solubilitatea si continutul in elemente

adioactive sunt compozitia in saruri si gaze a apei capacitatea de emanatie a rocilor prin care circula apele regimul de temperatura al acestora conditiile hidrogeologice generale si regimul hidrodinamic al apelor subterane Apele cu continut de saruri levigheaza intens uraniul si radiul din roci iar in functie de pH si de oxigen oxideaza uraniul (IV) la uraniu (VI) determinand o solubilizare si o migrare intensa a acestuia In afara de oxigen si alte gaze cum ar fi dioxidul de carbon dizolvate in apa favorizeaza migrarea uraniului Totodata aceste ape se imbogatesc in radon si radiu devenind ape radioactive De asemenea diferitele tipuri de ape de strat din zacamintele de petrol contin radiu in concentratii de ordinul 10-11 gl Valori maxime se intalnesc in apele de strat cloro-sodice iar in zonele petroliere continutul de radiu din ape creste pe masura apropierii de zacamantul de petrol

Radioactivitatea amosferei se datoreaza prezentei emanatiilor radioactive radon (222Rn) toron (220Tn) si actinon (219An) Spre deosebire de radon care prezinta o raspandire mai larga avand timpul de injumatatire de 382 zile toronul si actinonul au timpii de injumatatire mici 556 si respectiv 396 s fapt pentru care se intalnesc de regula numai in stratul de aer din apropierea solului (tabelul 25) Radonul care se formeaza continuu din elementele radioactive prezente in sol rezultand circa 0585 mm3

Rng Ra se dezintegreaza la randul lui treptat generand o serie de alti atomi radioactivi asa-zisul depozit fix (218Po 214Pb 214Bi 210Pb) In general continutul radonului in atmosfera este mic respectiv de ordinul 10-13 Cil aer (37 mBql) si el creste deasupra zonelor bogate in minereuri radioactive ajungand la 10-9-10-8 Cil (37-37 Bql)Pe baza masuratorilor concentratiei de radon se pot prospecta zacamintele radioactive de la distanta de exemplu din avion

Continutul mediu de radon in diferite zone ale aerului atmosferic Tabelul 25

Locul de raspandire al radonului in aer

Rn[Cil] Bql]

Aer de sol 2010-10 74Aer deasupra solului 1310-10 482Aer deasupra marii 14410-10 532

22 Elemente si minerale radioactive

In principal radioactivitatea naturala a scoartei terestre este determinata de continutul de uraniu toriu si produsele lor de dezintegrare

7

Uraniul este raspandit sub forma a circa 200 de minerale ce pot fi clasificate in oxizi oxizi hidratati carbonati sulfati fosfati molibdati vanadati silicati si compusi organici (tabelul 26)

Principalele minerale de uraniu Tabelul 26

Denumirea Formula chimica Oxizi si oxizi hidratati

Uraninit UO2

Pechblenda U3O8

Broumlggerit (U Th)O2

Carbonati sulfati silicatiRuterfordiu UO2CO3

Sharpit (UO2)3(CO3)5(OH)27H2OUranopilit (UO2)6(SO4)(OH)1012H2OJohannit Cu(UO2)2(SO4)2(OH)26H2OSoddit (UO2)5(SiO4)2(OH)25H2O

Fosfati si arsenatiAutunit Ca(UO2)2(PO4)210H2O

Torbernit Cu(UO2)2(PO4)28H2OUranospinit Ca(UO2)2(AsO4)28H2O

Troumlgerit (UO2)3(AsO4)12H2OVanadati si molbdati

Carnotit K(UO2)2(VO4)23 H2OTyuyamunit Ca(UO2)2(VO4)28 H2O

Molibdat de calciu si U Ca(UO2)3(MoO4)3(OH)28 H2O

De asemenea el se gaseste raspandit si in apele raurilor si lacurilor in apele marilor si oceanelor in petrol carbuni in gazele naturale etc Dintre mineralele sale putine sunt exploatabile

Uraninitul UO2 cu continut de radiu actiniu poloniu si alte produse ale transformarilor radioactive

Uraninitul cristalizeaza in sistemul cubic (retea CaF2) are culoare neagra cu luciu puternic de smoala in spartura duritate mare (103-106) este casant si puternic radioactiv Varietatile compacte de mase collomorfe poarta denumirea de ldquosmoala de uraniurdquo

Uraninitul se gaseste raspandit in pegmatite granitice si sienitice cu continut de toriu si pamanturi rare In concentratii mai mari se gaseste raspandit in zacaminte hidrotermale asociat cu arseniura de nichel si cobalt cu carbonati de calciu si de fier Cele mai mari zacaminte se afla in Canada langa Marele Lac al Ursilor si in provincia Katanga (Congo Belgian) Cehia Rusia etc

Pechblenda U3O8 un amestec de oxizi ai U(IV) cu U(VI) este un mineral de culoare neagra fara continut de toriu si pamanturi rare Are aspect de smoala numit si ldquosmoala de uraniurdquo fiind cel mai important mineral industrial de uraniu Apare in formatii sferoidale fara cristale clare S-a format in solutii coloidale cand s-a depus sub forma de gel care s-a solidificat si cristalizat ulterior Cristalizeaza in sistemul cubic avand culoare neagra de smoala uneori cu nuante verzui In principal se gaseste in filoane hidrotermale formate in zonele profunde ale zacamintelor exogene in conditii de mediu reducator Se gasste raspandit in SUA Rusia Canada Congo Cehia etc

8

Carnotita K(UO2)2(VO4)23 H2O se gaseste de obicei sub forma de mase pulverulente si eflorescente de culoare galben-deschisa sau galben-verzuie cu luciu puternic sidefos Cristalizeaza in sistemul rombic are duritate mica (2 ndash 25) este casant si puternic radioactiv Se gaseste in zona de alterare a rocilor sedimentare in special a gresiilor bogate in resturi organice Zacaminte importante se gasesc in statul Colorado (SUA) Canada Australia Africa de Sud Rusia (Ual Siberia) Cehia Maroc Iordania Israel etc

Toriul se gaseste raspandit in natura 810-4 sub forma de minerale proprii Principalele minereuri din care se extrage toriul sunt

Monazita (CeLaPrNdhellip)Po4 este un mineral care contine ThO2 sub forma de amestec izomorf 4 ndash 19 lantanoide (CeLa) 50 ndash 68 Cristalizeaza in sistemul monoclinic sub forma de cristale mici de culoare galben-bruna cafenie rosie rareori cu luciu accentuat sticlos sau gras si duritate 5 ndash 55 Se intalneste de obicei in pegmatite uneori in gnaise asociat cu feldspat zircon Prin alterare trece in aluviuni fluviale si marine (Brazilia la Minas Geraes) si India In depozite formeaza zacaminte in India Brazilia Africa de Sud Canada SUA Egipt etc

Toritul ThSiO4 se prezinta sub forma de cristale tetragonale de culoare neagra bruna galbena portocalie cu luciu sticlos sau gras casant duritate 45 ndash 5 fiind puternic radioactiv Se intalneste de obicei sub forma de granule diseminate mai rar ca mase compacte Varietatea de culoare portocalie se numeste Orangit iar cea cu continut de 10 ndash 16 U3O8 Uranotorit Se gaseste in Norvegia Elvetia si Madagascar

Radiul nu are minerale proprii insa se gaseste in mineralele de uraniu unde formeaza prin dezintegrarea succesiva 4 radioizotopi naturali 226Ra 228Ra 224Ra si 223Ra descendenti ai celor trei familii radioactive naturale Principala sursa de obtinere a 226Ra este pechblenda care contine 200 mg Rat U3O8 In scoarta pamantului el se gaseste raspandit 2010-10 iar in apele oceanelor si marilor 10-13 g Rat In tabelul 27 se da raspandirea lui in apa si alimente

9

Concentrarea radiului in apa potabila si alimente in pCi 226Rakg material proaspat sau la litru

Tabelul 27Tipul de aliment

New York City Chicago San Francisco R F G

Apa potabila 004 02 - 003-034Apa de rau 003 - - 007-08Paine alba 32 33 29 17-33Faina alba 27 24 13 27Lapte liq 025 024 022 03Cartofi 20 14 10 06-10

Fasole uscata 61 70 24 -Vegetale 24 22 07 16-17Fructe 15-28 14 09 09Orez 15 07 06 -Oua 41-79 27 26 31Peste 12 07 08 28-63Carne 044 045 081 08-15

Prelucrare dupa Schimier H Seelentag Wiand Waldeskong B ldquoThe radiation of human beingsrdquo Tehnical report series nr 123 IAEA p 7-30 (1971)

Protactiniul este raspandit in scoarta terestra 710-12 in minereurile de uraniu sub forma a trei radioizotopi 234Pa(UX2) 234Pa(UZ) si 231Pa La 1 g de uraniu natural se gasesc 3510-7 g Pa respectiv o tona de uraniu contine 1 mg Ac si 129 mg Pa

23 Radioizotopi naturali

In afara elementelor radioactive amintite in scoarta terestra se gasesc raspanditi o serie de izotopi radioactivi ai unor elemente in amestec cu izotopi stabili ai acestora Printre ei se numara 40K(T 128109 a) 87Rb(T471010 a) 115In(T 61014 a) 130Te(T 141021 a) 138La (T 131011 a) 176Lu (T 331010 a) 187Re (T 511010 a) si altii cu timpi de injumatatire cuprinsi intre 1010 si 1017 ani

Din randul lor se remarca 40K care insotind izotopii stabili ai potasiului unul din elementele abundente in scoarta terestra confera o anumita radioactivitate apelor si rocilor Astfel contributia 40K la radioactivitatea apelor marine este de 111 Bql In diferitele roci activitatea adusa de 40K variaza de la 081 Bqg in roci arse in bazalt la 117 Bqg in granite De asemenea ea variaza si in unele alimente de la 066Bqkg in lapte la 222 Bqkg de grau respectiv la 74 Bqkg in carne

O alta serie de radioizotopi cum sunt 14C si tritiul (3H) se formeaza permanent in natura prin bombardarea azotului din aer cu neutroni de origine cosmica sau cu cei eliberati din reactiile (α n) de dezintegrare α-spontana a unor nuclee grele din scoarta terestra (Ac Th Pa U) precum si din procesele de fisiune spontana a unora dintre ele (235U)

10

In troposfera viteza de formare a tritiului este de 60 atomicm2 pe minut iar a carbonului 14 este de 150 atomicm2 pe minut

In natura concentratia 3H si 14C a ramas practic constanta deoarece in decursul timpului s-a stabilit un echilibru intre procesele de formare si de dezintegrare a acestor radioizotopi

Tritiul (3H) care se formeaza intra in echilibru cu hidrogenul din apa de ploaie prin intermediul careia patrunde in biosfera ajungand in cele din urma la o In toate produsele neizolate de acest echilibru natural tritiul se afla in raport de 4 atomi de tritiu la 108 atomi de hidrogen normal Datorita tritiului in medie radioactivitatea naturala a produselor cu hidrogen este de 111 Bq 3Hg 1H (30 pCig) Apa marilor contine 059 Bql (016 pCi 3Hl)

Carbonul 14 odata format oxideaza la 14CO2 si intra rapid in amestec cu CO2

normal in circuitul carbonului Prin fotosinteza el ajunge in metabolismul vegetal si de aici in cel animal pana la om unde produce circa 18105 dezmin fapt care reprezinta a suta parte din radioactivitatea corpului uman

24 Raspandirea radioactivitatii in Univers

Din studiul meteoritilor rezulta ca si alte planete din sistemul solar sunt prezente principalele elemente radioactive uraniul si toriul impreuna cu elementele din familiile radioactive Daca pe Pamant radioactivitatea joaca un rol foarte important in cadrul general al Universului ea se prezinta ca un proces nuclear minor datorita proceselor termonucleare ce se petrec in anumite tipuri de stele si in special in Soare Se estimeaza ca pentru a egala energia primita de la Soare pe Pamant ar trebui sa fie explodate circa 47 bombe nucleare pe secunda Prin aceasta ldquohemoragie energeticardquo sub forma de radiatie Soarele pierde 42 milioane de tone de masa pe secunda Cu toate ca masa Soarelui este mare rezerva sa de energie calorica ar trebui sa fie consumata intr-un timp relativ scurt si ca asistam la scaderea continua a temperaturii Studiile geologice arata ca de-a lungul epocilor geologice temperatura Pamantului si implicit energia primita de la Soare nu a suferit variatii semnificative Aceasta comportare nu poate fi explicata decat acceptand ca energia de la Soare se reinoieste permanent pe baza unui proces exoergic Conform lui H BETHE (1938) principala sursa de energie din Soare il au doua cicluri de reactii termonucleare

- ciclul proton ndash proton (p ndash p) de trecere prin fuziune de la hidrogen la heliu in etape succesive sub forma de reactii nucleare inlantuite in cicluri termonucleare avand ca produsi intermediari izotopii hidrogenului si ai heliului (fig 21) conform acestui ciclu hidrogenul molecular se constituie ca principala rezerva de combustibil nuclear ldquosangele stelelorrdquo si al Soarelui

- ciclul carbon ndash azot (C ndash N) imaginat de BETHE de trecere de la hidrogen la heliu prin trepte intermediare in prezenta unui nucleu strain cu rol catalizator cum este carbonul 12 in cadrul caruia carbonul se reface iar din patru protoni rezulta un heliu si doi pozitroni (fig 22) In realitate in stele au loc concomitent cele doua cicluri La inceput predomina ciclul p ndash p dupa care urmeaza o perioada cu temperaturi mai ridicate cand predomina ciclul carbon ndash azot

11

Fig 21 Ciclul proton ndash proton Fig 22 Ciclul carbon ndash azot

Multa vreme s-a crezut ca prin ciclul carbon ndash azot se incheie seria reactiilor termonucleare ce au loc in stele In realitate prin cresterea treptata a temperaturii pot sa aibe loc inca o serie de reactii termonucleare prin capturare de helioni cand se formeaza nuclee de 16O si 20Ne procesul nuclear continuand cu formarea 24Mg pana la nucleele cu numar de masa cuprins intre 40 ndash 60

12

3 Efecte radiobiologice asupra omului

Imediat dupa descoperirea radiatiilor roumlentgen si apoi a radioactivitatii s-a sesizat si caracterul periculos al radiatiilor ionizante in cazul folosirii nerationale Pionierii roentgenografiei au cunoscut ldquope propia lor pielerdquo actiunea radiatiilor ionizante iar dupa descoperirea radioactivitatii primele victime au aparut in 1920 in SUA in randul muncitorilor care aplicau vopsele luminoase pe cadranele ceasornicelor Acestora li s-au adaugat savantii Marie Curie si Ireacutene Joliot-Curie renumiti cercetatori in domeniul radioactivitatii care au decedat dupa grele suferinte de leucemie radioindusa Dar cele mai mari victime s-au inregistrat la sfarsitul celui de al doilea razboi mondial in urma exploziilor celor doua bombe atomice lansate de catre SUA asupra Japoniei la Hirosima si Nagasaki

31 Particularitatile efectelor biologice

Indiferent de urmarile provocate de impactul radiatiilor ionizante cu organismul viu actiunea biologica prezinta unele particularitati si anume

- organismul omenesc nu este dotat cu un organ de simt care sa sesizeze prezenta radiatiilor ionizante iar efectul biologic nu este vizibil in momentul iradierii

- efectele biologice sunt cumulative si nu au un caracter particular care sa ne permita deosebirea de efectele aparute altfel decat prin iradiere

- modificarile si simptomele evolueaza lent dupa iradiere Unele sunt imediate sau precoce si apar dupa un ragaz care variaza de la cateva ore la cateva saptamani Altele sunt intarziate si survin dupa mai multi ani (leucemia) dupa mai multe zeci de ani (cancerul fatal) sau pot provoca efecte genetice

In realitate efectele biologice produse de actiunea radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului sunt rezultatul unei lungi serii de fenomene care se declanseaza la trecerea radiatiilor prin organismele vii Evenimentele initiale sunt ionizari si excitari ale atomilor si moleculelor din mediul de interactiune de-a lungul traiectoriilor particulelor ionizante Ulterior aceste perturbari fizice antreneaza reactii fizico-chimice urmate de reactii chimice generand in final efecte biologice Schematic cronologia acestor evenimente este data in tabelul 31

13

Tabelul 31 Prezentarea schematica a fenomenelor declansate deradiatiile ionizante in mediu biologic

32 Clasificarea efectelor biologice

In prezent efectele nocive ale radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului a descendentilor sai si asupra umanitatii in general se clasifica in doua categorii

- efecte nestochastice si- efecte stochasticeEfectele nestochastice sunt efecte imediate (precoce) cu prag reversibile si

imperfect aditive Fiind caracterizate de o relatie de cauzalitate determinate intre doza si efect ele apar atunci cand doza primita depaseste o anumita valoare de prag (fig 31)

Fig 31 Dependenta efectului biologic de doza biologicaa ndash efecte stochastice fara prag b ndash efecete nestochastice cu prag

14

Valoarea pragului pentru un anumit efect poate varia in jurul unei valori medii de la un individ la altul si in functie de conditiile de iradiere In general efectele nestochastice apar destul de repede in timp fiind efecte imediate (precoce) iar vatamarile provocate de ele sunt cu atat mai mari cu cat doza este mai mare

Avand caracter reversibil exista posibilitatea regenerarii unor tesuturi iar dozele administrate intr-un timp lung nu sunt perfect aditive De aceea pentru evitarea producerii lor are mare importanta administrarea fractionata a dozelor de radiatii

Printre efectele nestochastice se numara leziunile nemaligne ale pielii cataracta hipolezia medulara care antreneaza o deficienta hematologica a vatamarilor provocate celulelor gonadelor cu repercusiuni asupra fertilitatii

Efectele stochastice sunt intotdeauna efecte somatice tarzii fara prag ireversibile si aditive Aparitia lor urmeaza o relatie probabilistica doza-efect aparent la intamplare de unde si numele stochastic Altfel spus dintr-o populatie aflata intr-o zona de radiatii efectele stochastice apar numai in unele cazuri individuale aparent la intamplare

Printre ele se numara efectele somatice care se manifesta cu intarziere sub forma de afectiuni maligne (cancer) si efecte genetice (ereditare) ce apar la descendenti Practic intre momentul iradierii si al aparitiei bolii maligne pot trece ani sau zeci de ani

Fiind relatii liniare intre frecventa de aparitie a efectelor stochastice si dozelor absorbite pentru radiatiile cu transfer liniar de energie mica rezulta ca in aceste cazuri la doze mici si debite mici ale dozei riscul pentru sanatate este proportional cu doza administrata In literatura de specialitate factorul de proportionalitate dintre frecventa de aparitie a acestor efecte si doza absorbita a fost denumit factor de risc

Dozele administrate in timp lung fiid aditive nu are importanta daca doza care produce efctul respectiv a fost administrata fractionat sau instantaneu respectiv intr-o secunda sau intr-o luna

Efectul biologic produs este ireversibil si in prezent nu se cunosc metode de reducere a probabilitatilor de aparitie a efectelor stochastice somatice datorate unor doze deja primite

Detrimentul sanatatii Conceptul de detriment al sanatatii se refera la fenomenul de distrugere (vatamare) integrala a unei persoane datorita efectelor biologice ale radiatiilor ionizante fenomen care poate aparea dupa o iradiere in conditii bine definite si la un anumit nivel de doza

In cazul unui efect patologic dat (i) detrimentul (Gj) la un individ (j) este exprimat de produsul intre probabilitatea de aparitie a efectului (pi) si factorul corespunzator de gravitate (g)

iar pentru un grup de persoane (P) detrimentul colectiv (G) este

Acest concept se aplica atat asupra efectelor stochastice cat si a celor nestochastice in principal fiind utilizat pentru estimarea vatamarilor datorate efectelor stochastice

Intre probabilitatea de aparitie a efectelor biologice stochastice si echivalentul de doza se stabileste o relatie liniara fara prag aplicata la doze slabe De aceea detrimentul colectiv al sanatatii este proportional cu echivalentul de doza efectiv colectiv Totusi in mod practic detrimentul unui grup de indivizi nu poate fi redus la o insumare a vatamarilor individuale fapt pentru care echivaletul de doza colectiva se ia ca un partener printre altele

15

33 Fazele tipice ale evolutiei imbolnavirii in urma iradierii

In dinamica evolutiei reactiilor care au loc in urma iradierii se pot distinge trei perioade importante perioada primara perioada latenta si perioada secundara

Reactiile in perioada primara de actiune a radiatiilor ionizante se datoreaza a trei tipuri principale de mecanisme mecanismul actiunii directe indirecte si la distanta

Efectul biologic prin actiune directa consta in transmiterea directa a energiei particulelor incarcate sau a electronilor secundari catre atomii si moleculele substantelor celulare Produsul principal al acestei actiuni sunt ioni si atomi excitati de-a lungul parcursului particulei in celula Datorita ionizarii si excitarii substantelor prin mecanism primar se produc modificari chimice ale acestora (mecanismul actiunii indirecte) Deoarece organismele vii au in compozitia lor un mare procent de apa la om ajungand pana la 85 din greutatea corpului multa vreme s-a considerat ca actiunea nociva a radiatiilor ionizante este cauzata de produsele de descompunere a ei si in special de apa oxigenata care actioneaza ca agent oxidant (ipoteza actiunii prin apa oxigenata) O ipoteza mai verosimila considera ca rolul principal in actiunea biologica primara il au radicalii H OH si O2H care apar la radioliza apei (ipoteza actiunii prin radicali liberi) Conform acestei ipoteze radioliza apei constituie o sursa pentru actiunea indirecta a radiatiei deoarece radicalii liberi formati pot afecta atat cromozomii cat si proteinele citoplasmatice

Datorita interventiei sistemului nervos a glandelor endocrine si a transportului prin umori sau difuziune a unor substante rezultate in tesuturile iradiate efectele biologice se pot produce nu numai in organele iradiate ci si in cele neiradiate (mecanismul actiunii la distanta sau al actiunii secundare)

Perioada latenta care apare in organism dupa perioada primara se caracterizeaza prin faptul ca fenomenele sunt atat de neinsemnate incat nu pot fi descoperite neinregistrandu-se nici un fel de tulburari Perioada latenta variaza invers proportional cu doza de radiatii De aceea in cazul unor iradieri cu doze mortale perioada latenta dureaza de la cateva ore la 30-40 de zile iar in doze fractionate mici ea dureaza mai mult de un an

Perioada secundara este dominata de formarea in celule si tesuturi de substante toxice care conduc la intoxicarea organismului determinand o serie de efecte biologice importante (ipoteza formarii uor substante toxice) Reactiile din aceasta perioada sunt de natura necunoscuta si in decursul timpului ele au fost atribuite actiunii apei oxigenate peroxizilor organici si histaminei problema fiind insa in discutie Cert este faptul ca sub actiunea radiatiilor ionizante apar molecule active in primul rand in celulele din tesuturi si in paralel in sange si in limfa

34 Clasificarea efectelor biologice dupa natura lor

Cel mai fercvent efectele biologice se clasifica dupa natura lor in- efecte precoce care nu apar decat pentru doze ridicate- efecte somatice tarzii care se manifesta dupa mai multi ani chiar mai multi zeci

de ani- efecte genetice care privesc descendentii - efecte teratogene care se refera la afectarea embrionului si a fetusului

341 Efecte biologice precoce

16

Efectele biologice precoce survin la putin timp dupa iradiere uneori dupa cateva ore sau mai putin si sunt efecte cu prag fapt pentru care nu apar decat daca doza depaseste un anumit nivel Deasupra pragului ele cresc cu doza De aceea pentru a evita producerea lor s-au elaborat reglementari care impun limitarea sub nivelul de prag al dozelor ce le pot primi operatorii care lucreaza in medii de radiatii ionizante Cele mai fragile tesuturi care sufera efecte biologice cu prag sunt pielea celulele formate de sange maduva osoasa intestinul si organele sexuale sau gonade

Efectele biologice precoce in cazul iradierilor partiale Acestea se refera la piele maduva osoasa si organele genitale

Pielea Efectele radiobiologice ale pielii sunt foarte variabile si ele depind de doza de localizarea anatomica de varsta de pigmentatia tegumentului etc In general la doze mai mari de 10 Gy nu se observa nici o leziune grava dar la 25 din cazuri apare o senzatie de caldura La doze intre 10 si 20 Gy apar epidermite exudative urmate dupa un timp de o latenta de trei saptamani de eritema secundara apoi de epitelitaexudativa dupa 3-6 luni facandu-se restaurarea fara recurs In cazul unor iradieri foarte importante si profunde se altereaza vascularizatia si apare ulceratia care necesita un tratament chirurgical

Maduva osoasa organul cel mai sensibil la iradierea globala conduce limfopenia cu atat mai repede cu cat doza de radiatii este mai mare

Organele sexuale respectiv testiculele la barbati si ovarele la femei reactioneaza diferit la iradiere

Testiculele care se remarca printre cele doua functii de producatore de hormoni si spermatozoizi la iradiere le este afectata numai cea de-a doua functie (producatoare de spematozoizi) La doze relativ mici de 05 Gy se instaleaza o depresiune tranzitorie si spontan reversibila iar la doze de circa 2 Gy apare o azospermie si sterilitate temporara in jur de un an Experientele efectuate de americani pe detinuti voluntari au aratat ca in cazul iradierii testiculelor cu doze de 6 Gy sterilitatea este temporata la om De asemenea supravietuitorii dintre cei 23 pescari japonezi care au fost iradiati in urma exploziei experimentale a armei termonucleare de la Bikini in 1954 si care se estimeaza ca au primit doze de 3 - 66 Gy dupa o sterilitate de 2-3ani au avut copii normali (in total 45 copii)

- Ovarele comparativ cu testiculele au o sensibilitate mai mica fata de radiatiile ionizante aceasta fiind influentata si de varsta Astfel pe cand la o femeie tanara in jur de 25 de ani este necesara o doza de 12-15 Gy pentru a provoca o menopauza artificiala la o femeie de peste 40 de ani este suficienta o doza de numai 7 Gy Se mentioneaza ca la femei sterilitatea este insotita de oprirea functiei endocrine

Din cercetarile efectuate precum si din constatarile asupra descendentilor celor iradiati in urma exploziilor atomice de la Hirosima si Nagasaki a rezultat ca in urma unei iradieri puternice care a provocat sterilitatea temporara nu s-au produs urmari genetice prin afectarea celulelor sexuale

Iradierea organelor profunde La iradieri puternice mai ales in radioterapie sunt iradiate si organele profunde plamanii inima rinichii tubul digestiv ficatul sistemul nervos central si creierul Dintre acestea deosebit de sensibile sunt plamanii care dupa o doza de 25 Gy se imbolnavesc de fibron pulmonar iar dupa 6-12 luni urmeaza decesul

Rinicii si ficatul sunt afectati la doze peste 30 Gy In cazul rinichilor functionarea lor este afectata dupa cateva saptamani de la iradiere pe cand vezica poate suporta doze mult mai mari Diversele organe ale aparatului digestiv au radiosensibilitati diferite Cel mai radiosensibil este intestinul subtire la care apar leziuni in urma absorbtiei unor doze

17

sub 30 Gy Urmeaza stomacul care este afectat de doze in jur de 40 Gy cel mai rezistent fiind colonul care reactioneaza numai la doze cuprinse intre 50 si 56 Gy

Destul de radiosensibil este si sistemul nervos care manifesta o fragilitate a celulelor nervoase a vaselor sangvine si o capacitate limitata de regenerare a tesuturilor nervoase La doze peste 40 Gy administrate in patru saptamani apare o paraplegie care dupa doi ani se extinde In ceea ce priveste creierul desi modificari morfologice apar deja de la doze de 10 Gy el poate suporta doze de circa 50 Gy timp de 5-6 saptamani

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor globale In urma unor iradieri globale cu doze in jur de 1 Gy care sunt fara gravitate imediata nu se observa decat foarte discrete modificari hematologice in ceea ce priveste globulele albe dar ele se regenereaza rapid In astfel de cazuri se aplica un tratament modest fara a fi necesara spitalizarea

La doze cuprinse intre 1 si 2 Gy desi semnele fizice inca lipsesc se observa o scadere a globulelor albe si a plachetelor iar numarul globulelor rosii este modest In acest caz sunt necesare transfuzii si tratament antibiotic Din contra la doze de peste 2Gy se observa o evolutie stereotipa a bolii cu afectarea celulelor formatoare de sange si scaderea corespunzatoare a numarului maxim de elemente reprezentative din sange Evolutia imbolnavirii se face urmand cele patru faze tipice Dupa o perioada de debut care dureaza trei zile insotita de simptome discrete urmeaza de perioada latenta practic silentioasa care dureaza peste trei saptamani In continuare se instaleaza perioada de stare (perioada critica) careia i se asociaza semne generale cum sunt oboseala intensa tulburari digestive hemoragii si infectii formula sangvina fiind foarte modificata In acest moment viata bolnavului este in pericol Abia dupa circa trei luni el intra in covalescenta In acest caz spitalizarea este indispensabila intr-un centru specializat cu locuri sterilizate repaus absolut si eliminarea posibilitatilor de infectare In cadrul tratamentului se recomanda grefe de maduva osoasa La doze mai mari grefa cu maduva osoasa poate fi singura sansa iar la doza peste 12 Gy de iradiere instantanee orice tratament terapeutic nu este eficace

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor accidentale In ultimele decenii s-au inmultit numarul iradierilor accidentale Principal ele pot fi clasificate in iradieri implicand una sau mai multe persoane ori a unor grupuri mari de persoane

Iadieri accidentale implicand una sau mai multe persoane Pana in anul 1965 au fost inregistrate 12 astfel de accidente critice in lume in care persoane au fost expuse global in cursul unor cercetari sau operatii chimice dintre care au rezultat 9 decese

De asemenea se cunosc 24 accidente cu surse gamagrafice dintre care 15 accidente cu 192Ir si 9 accidente cu 60Co din care au rezultat 17 morti si 38 grav iradiati In ultimii 40 de ani au avut loc 115 cazuri de iradieri locale care au facut 156 victime Principalele cauze se datoresc instalatiilor de radiatii X pentru analiza cristalografica (69) surselor de gamagrafice cu 192Ir (34) 60Co (25) emitatori β-activi (11) acceleratori de particule (8) si diverse surse (8) Iradierile interne sunt mai rare si mai greu de cunoscut In Franta sunt cunoscute numai o zecime din decese 7 sunt imputabile activitatii medicale

Iradieri accidentale a unor grupuri mari de persoane Iradierile simultane asupra unui numar ridicat de persoane au fost inregistrate in urma unor experiente cu arme termonucleare sau a unor defectiuni survenite in functionarea unor centrale atomoelectrice

Explozia experimentala a armei termonucleare de la Bikini de la 1 martie 1954 a provocat printre altele si iradierea puternica prin caderi de pulberi radioactive a locuitorilor de pe Insula Marschall precum si a 23 de pescari marinari de pe vasul japonez ldquoFukuriu Marurdquo

18

Recent prin defectarea centralei atomoelectrice de la Cernobal (Ucraina) din aprile 1986 au fost iradiate 22 persoane cu doze peste 8 Gy 22 persoane cu doze intre 4 si 8 Gy 53 persoane cu doze intre 2 si 4 Gy si 203 persoane cu doze peste 1 Gy fiind inregistrate 31 decese

342 Efecte somatice tarzii

Efectele somatice tarzii in general sunt fara prag Ele pot fi necancerigene (cataracte tulburari ale cresterii scaderea longevitatii si a unor reactii imunologice) insa principalul efect intarziat este cancerul care apare dupa cativa ani sau zeci de ani de la iradiere Principalele efecte somatice tarzii necancerigene se caracterizeaza prin urmatoarele

Cataractele sunt boli care provoaca opacifierea cristalinului Radiatiile ionizante genereaza cataracte la doze superioare la 10 Gy de radiatii X Ele sunt efecte cu prag care la barbati este foarte ridicat si apare intre 1 si 10 ani de la iradiere In cazul neutronilor rapizi pragul este mult mai jos asymp08 Gy respectiv asymp8 Sv

Tulburari de crestere Constatarile efectuate pe supravietuitorii de la Hirosima si Nagasaki au evidentiat ca prin expunere la doze de 1 Gy au loc tulburari de crestere si anume un deficit in greutate o scadere a taliei si a circumferintei capului

Longevitatea De asemenea studiile de supravietuitori de la Hirosima sI Nagasaki precum si pe animale in laborator au aratat ca la doze ridicate (asymp4 Gy) de radiatii se scurteaza durata medie de viata indiferent daca iradierea a produs leucemie sau cancer

Reactiile imunologice La iradierea cu doze de 1 Gy scad reactiile imunologice si organismele devin vulnerabile la infectii

Pielea desi nu este radiosensibila se mnifesta ca un organ critic avand un prag de toleranta de asymp2mGyzi Prin iradierea mainilor cu doze superioare (5 mGyzi) apar leziuni cutanate cronice sau uscate si atrofice care fisureaza dand ulceratii grave

Cancerele principalele efecte intarziate se caracterizeaza prin faptul ca nu au prag si se produc mai ales cu doze slabe de radiatii Frecventa lor este influentata de o serie de factori printre care se numara doza de radiatie natura radiatiilor sexul varsta si natura tesuturilor iradiate

Dintre toti factorii doza de radiatii este cel mai important iar dintre radiatii particulele α si neutronii sunt cele mai periculoase Radiosensibilitatea organismelor este diferita in functie de sex ea este mai importanta la femei decat la barbati in special pentru sani si tiroida si are un efect invers pentru maduva osoasa si pulmon Totodata efectele difera cu varsta copiii tineri adolescentii si persoanele in varsta fiind mai radiosensibile decat adultii Timpii de latenta sunt foarte variabili si depind in mod esential de natura tesutului iradiat Ei sunt cuprinsi intre 4 si 20 de ani de la iradiere pentru leucemie de 10 ani pentru tumori 22-25 de ani pentru sani etc Cancerul cutanat apare la doze de circa 15 Gy radiatii electromagnetice intre 25 si 40 de ani Cancerul osos apare la doze gt8Gy iar leucemia la doze gt1 Sv Cancerul sanului apare la doze de 020 Gy (la iradieri radiologice) iar cancerul tiroidei la 01 Gy la copii intre 13 si 14 ani

343 Efecte geneticeAlaturi de alti agenti fizico-chimici (substante chimice radiatiile

electromagnetice caldura etc) care pot provoca efecte mutagene se afla si radiatiile ionizante

19

Daca la doze slabe nu s-au inregistrat astfel de efecte la om in schimb printre copiii supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki iradiati cu doze puternice s-au inregistrat cazuri de anomalii genetice semnificative

Pe plan uman singurele informatii de care dispunem sunt descendentii iradiatilor de la Hirosima si Nagasaki si ai pescarilor de la Bikini dar in ambele cazuri dozele nu sunt cunoscute cu precizie In cazul supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki desi au prezentat forme cancerigene pentru doze ridicate (gt1 Gy) nu s-au inregistrat efecte genetice De asemenea in cazul celor 23 marinari pescari de la Bikini iradiati de caderile radioactive cu exceptia unuia care a decedat dupa o sterilitate de doi ani ceilalti au avut copii normali (45 copii) la care nu au fost observate efecte genetice aparente la prima generatie

In modul de evaluare a efectelor genetice se intampla unele dificultati datorate urmatorilor factori caracterul particular al efectelor genetice necesitatea extrapolarii rezultatelor obtinute experimental pe animale la om si de asemenea extrapolarea rezultatelor obtinute experimental cu doze forte la doze slabe

Din investigarile pe animale s-a stabilit ca fercventa anomaliilor genetice se observa la doze gt1 Gy La om anomaliile (de ex structura cromozomilor) reprezinta un risc de 1-10 pe milion de nasteri vii pe centiGy iar mutatiile genetice apar la iradierea celor doi parinti cu o frecventa de 5-65 pe milion de nasteri vii pe centiGy Dupa prima generatie si la echilibru (dupa 5 generatii) frecventa lor este de 40-200 pe milion de nasteri vii pe centiGy pe generatie Mutatiile sunt legate de sexe in sensul ca ele se transmit prin femei In prima generatie numarul de afectiuni adaugat este lt13 pe milion de nasteri vii pe centiGy

Particularitatile mutatiilor genice In functie de sex riscul pentru femeie este mai putin important ca pentru barbat Dupa varsta la femei sunt doua perioade critice principala este perioada reproducerii de la pubertate la menopauza A doua este pana in luna a saptea a vietii fetale La barbat perioada periculoasa se afla intre 20 si 40 ani perioada in care se fac majoritatea fecundarilor

Ipoteza prejudiciului genetic dat de iradierile slabe In mod normal o populatie se afla in echilibru genetic Aparitia de noi mutanti este compensata de eliminarea mutantilor existenti prin decese precoce sau prin fecundari mai putine uneori chiar nule In cazul unor iradieri suplimentare acest echilibru se rupe iar fiecarei generatii i se vor adauga descendentilor mutatiile produse la toate generatiile anterioare (mutanti suplimentari) Ca urmare se vor produce o crestere a mutatiilor letale si a celor dominante precm si o acumulare a mutatiilor primite

344 Efecte biologice teratogene

Efectele teratogene sunt anomalii si malformatii provocate de actiunea unor agenti fizici chimici si infectiosi sau a radiatiilor ionizante asupra embrionului si fetusurilor pe timpul cresterii

Sensblitatea lor la radiatii variaza dupa stadiul dezvoltarii embrionului dar pragul de actiune este foarte net mai jos decat dupa nastere Efectele teratogene sunt ireversibile iar radiatiile ionizante produc aceleasi efecte ca si alti agenti teratogeni Sub actiunea radiatiilor ionizante in functie de stadiul de dezvoltare a embrionului si a fetusurilor se deosebesc urmatoarele

20

- In stadiul de preimplantare iradierea determina fie distrugerea oului fie moartea uneia sau a mai multor celule Aceasta perioada adesea trece neobservata de femeie Doza letala 50 este de 05-06 Gy

- In stadiul de organogeneza cand femeia are consecinte de intarziere si banuiala ca ar fi insarcinata o doza de 01 Gy poate antrena malformatii Aceasta este perioada critica deoarece radiosensibilitatea este maxima

- In stadiul fetal frecventa si gravitatea malformatiilor se diminuiaza In schimb iradierea poate avea o actiune cancerigena care se manifesta la copii tineri Dozele egale sau inferioare la 025 Gy sunt considerate ca fara efect

Cele mai importante consecinte legate de efectele teratogene sunt- malformatiile ca de exemplu cele microcefalice care pot fi insotite de

intarzierea mentala - intarzierea cresterii care are loc la doze puternice (gt1 Gy) printre care se

remarca deficitul ponderal scaderea taliei si a circumferintei capului si o intarziere a osificarii

- cancerul care apare la iradieri in uter cu doze de 002 Gy-mortalitatea intrauterina si neonatala creste In cazul supravietuitorilor de la

Hirosima si Nagasaki ea a fost cu 40 mai mare decat cea normala - efecte genetice nu s-au observat nici printre descendentii celor iradiati in uter cu

ocazia exploziilor nucleare de la Hirosima si NagasakiPe baza acestor observatii se impune luarea unor precautii in cazul femeilor

insarcinte care sunt expuse profesional la doze de radiatii ionizante si excluderea lor de la orice fel de examen radiologic

21

4 Efectele fizice ale radiatiilor ionizante la interactiunea cu substanta

La impactul cu substanta fasciculele de radiatii ionizante sufera procese de atenuare datorita devierii (imprastierii) acestora printr-un mecanism monoact sau prin absorbtie cand isi pierd complet energia pe baza unui mecanism continuu Cele mai importante efecte ale radiatiilor ionizante sunt excitarea si ionizarea care pot fi directe in cazul particulelor incarcate electric sau indirecte in cazul radiatiilor X γ si a neutronilor

41 Interactiunea particulelor grele incarcate cu substanta

Particulele grele incarcate cum sunt radiatiile α protonii deuteronii atomii multiplu ionizati si produsii de fisiune nucleara la impactul cu substanta se atenueaza cu parcurs pe baza unui mecanism de pierderi mici de energie intr-un numar foarte mare de procese de interactiune

Procesul predominant este cel de interactiune cu electronii atomilor si moleculelor probabilitatea de interactiune cu nucleele atomilor fiind foarte mica

Transferul liniar de energie (TLE) notat cu Q realizat prin ciocniri neelastice cu electronii atomilor si ai moleculelor intalnite este dat de relatia lui HA Bethe

[erg∙cm-1]

in care N este numarul de atomi dintr-un cm3 Z ndash sarcina particulei m0 ndash masa de repaus a electronului v ndash viteza e ndash sarcina electronului β = vc J ndash potentialul mediului de excitare al substantei iradiate

In figura 41 se prezinta modul de variatie al numarului particulelor α cu mediul Transferul Q depinde de viteza (v) si de sarcina (Z) a prticulelor grele incidente iar pe o distanta Δx particula pierde o energie ΔE care este data de suma transferurilor Q in cursul ciocnirilor ce au loc pe aceasta distanta ΔE=ΣQ

Fig 41 Variatia numarului particulelor α in unitatea de timp cu distanta parcursa intr-un mediu dat

Atunci cand o particula parcurge un mic segment Δx din traiectoria sa ea sufera numeroase ciocniri cu electronii care se gasesc in vecinatatea traiectoriei sale Raportul S=ΔEΔx se numeste putere de incetinire a particulelor in mediu si reprezinta pierderea specifica de energie fiind dependent de viteza (v) si sarcina (Z) a particulei incidente Distanta maxima pe care o strabate o particula de energie initiala E intr-un mediu dat se numeste parcurs (R) si se exprima in metri El se poate calcula cu ajutorul relatiei

[m]

22

Din cauza fluctuatiei accidentale de ciocniri individuale dintre particulele grele incarcate si atomii mediului parcursurile lor nu sunt riguros egale asa cum se poate observa cu ajutorul unei camere Wilson (fig 42)

Fig 42 Parcursurile particulei α in camera Wilson

La strabaterea mediilor gazoase parcursurile radiatiilor α ating centimetri ( tabelul 41) pe cand in medii lichide si solide descresc mult fiind de ordinul micrometrilor Asa se explica faptul ca o foaie de hartie este suficienta pentru a absorbi complet un fascicul de radiatii α de mare energie Parcursul radiatiilor α in aer se calcleaza cu ajutorul relatiei empirice a lui Bethe R=032 E32 In fig 43 este data dependenta dintre energie si parcursul radiatiilor α

Parcursurile radiatiilor α ale Po si RaC΄ in diferite mediiTabelul 41

Mediul strabatut Parcursul radiatiilor α ale210Po(530 Mev) 214RaC΄(76 MeV)

Aer 00387 m 00698 mHidrogen 01730 m 03250 m

Heliu 0215 m 0390 mArgon 00417 m 0073 m

Alcool etilic 371μm -Aur - 14 μm

Gelatina foto 23 μm 50 μm

Ciocnindu-se cu electronii mediului strabatut particulele α produc efecte dependente de energia Q transferata acestora

Fig 43 Dependenta dintre energie si parcursul particulelor α

a Daca energia transferata (Q) este superioara energiei de legatura a electronilor (asymp10eV) acestia sunt smulsi si azvarliti particulele incidente pastrandu-si directia practic neschimbata fapt pentru care parcursul lor in orice mediu este rectiliniu Atomul caruia i

23

s-a smuls un electon devine ion pozitiv si impreuna cu electronul detasat formeaza o pereche de ioni procesul in ansamblu numindu-se ionizare

Numarul de perechi de ioni creati pe unitatea de lungime se numeste ionizare specifica (j) si este data de raportul dintre patratul atomic Z al particulelor si patratul vitezei particulei (vp)

WL BRAGG studiind variatia numarului de ioni formati in functie de unitatea de lungime a constatat ca ionizarea maxima este atinsa la sfarsitul parcursului (Fig 44)

Fig 44 Curbele de tip Bragg ale Po si RaC΄

b In cazul in care energia tansferata (Q) este inferioara energiei de legatura a electronului acesta nu este detasat din structura atomica sau moleculara de care apartine si se produce excitarea atomului respectiv

Urmarind distributia energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale se obtine o curba de distributie care este reprezentata in fig 45

Fig 45 Curba de distriutie a energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale

Conform acestei curbe energia ε=ΔE pierduta de o particula parcurgand un mic segment Δx din traiectoria sa se repartizeaza astfel

- 30 din energie (100gtQgt10eV) se consuma in excitari - 30 din energie (Qlt10eV) se consuma pentru ionizari- 40 din energie (Qgt100eV) se consuma pentru producerea de electroni

secundari δAceasta repartitie ramane constanta de-a lungul traiectoriei particuleiAutoabsorbtia radiatiilor α Urmarind variatia curentului de ionizare (I) produs

de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva (Fig 46) se observa ca numai in cazul straturilor foarte subtiri se inregistreaza o crestere proportionala a curentului de ionizare cu grosimea stratului activ Pentru o anumita grosime a stratului de substanta ionizarea devine constanta deoarece particulele α emise

24

de straturile inferioare se absorb total in cele superioare Straturile ale caror grosime este egala sau mai mare decat pacursul se numesc straturi ldquogros infiniterdquo

Fig 46 Variatia curentului de ionizare produs de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta rdioactiva

Ecranarea particulelor grele incarcate Particulele grele incarcate in primul

rand radiatiile α au parcursuri foarte mici de ordinul micronilor in corpuri solide fapt pentru care nu ridica probleme speciale de ecranare fiind absorbite total si cu usurinta de toate substantele chiar si de o foaie de hartie De aceea simpla utilizare a manusilor de cauciuc ori a hartiei de filtru in lucrari de laborator cu astfel de substante radioactive sunt masuri suficiente care sa asigure o buna protectie impotriva iradierii externe

Reactiile nucleare ale prticulelor grele incarcate La interactiunea particulelor grele incarcate cu anumite nuclee tomice acestea pot sa sufere transmutatii artificiale In particular radiatiile α emise de unele surse radioactive naturale au importanta istorica deoarece stau la baza unor importante descoperiri cum sunt

- reactiile nucleare (α p) realizate pentru prima data de E RUTHERFORD in anul 1919 au condus la descoperirea primei transmutatii artificiale sinteza izotopului stabil 17O din 14N cu emisia unui proton

In prezent cu ajutorul particulelor α ndash accelerate se prepara numerosi radioizotopi pe baza ecuatiei generale

- reactiile nucleare (α n) au stat la baza descoperirii neutronului de catre CHADWICK in 1932 prin bombardarea beriliului cu radiatii α ale poloniului

Reactiile (α n) prezinta un interes deosebit si datorita faptului ca ele stau la baza surselor de neutroni de laborator Substantele α ndash active cele mai utilizate sunt210Po 226Ra si 239Pu

Sursele Ra ndash α ndash Be emit neutroni cu un spectru energetic continuu cu energii pana la 137 MeV si randament foarte mare la 1 mCi Ra corespund 13 104 ncm2 s fiind sursele cele mai constante din cauza timpului de injumatatire lung al radiului (1600 a)

Tot pe baza reactiei nucleare (α n) sotii JOLIOT-CURIE in anul 1934 iradiind o foita de aluminiu cu particule α au obtinut fosfor radioactiv descoperind radioactivitatea artificiala care a deschis perspective nebanuite fizicii si chimiei nucleare

In prezent sub actiunea particulelor α accelerate se produc numerosi radioizotopi

ai elementelor cu timpi de injumatatire mici pe baza reactiei generale

25

De asemenea sub actiunea particulelor α accelerate au fost sintetizate o parte din elementele transuraniene conform reactiilor

In mod asemanator pot provoca reactii nucleare si alte particule grele accelerate

(protoni deuteroni) Dintre acestea se remarca- reactiile nucleare (p γ) puternic exoenergice cu emisie de fotoni de mare

energie - reactiile nucleare (d n) care stau la baza producerii neutronilor de laborator cu

ajutorul generatoarelor de inalta tensiune Cu ajutorul deuteronilor de 5 MeV s-au sintetizat pentru prima data prin reactii nucleare (d n) tehnetiul si prometiul

- reactiile nucleare (d p) care se produc cu o probabilitate de 10 ori mai mare

decat cele (d n) prezinta interes deoarece conduc la formarea de izotopi ai tintei intocmai ca in cazul reactiilor (nγ) De exemplu 23Na(dp)24Na 31P(d p)32P

Particulele grele incarcate cu energii mai mari de 50 MeV genereaza o serie de reactii nucleare in cascada dezintegrarea cu expulzarea de nucleoni rapizi (p d T) fisiunea nucleara reactii secundare si emisia de nuclee usoare

42 Interactiunea electronilor cu substanta

Fasciculele de electroni emisi de radionuclizii β ndash activi (β- si β+) precum si cei proveniti din generatoare la interactiunea cu substanta se atenueaza pierzand energia de-a lungul parcursului

Datorita unor serii de procese de absorbtie prin ciocniri elastice si neelastice si uneori prin radiatie de franare efectele fizice produse de aceste procese constau din excitarea si ionizarea mediului strabatut iar contributia fiecarui proces in parte este determinata de energia electronilor incidenti precum si de natura materialului absorbant

Imprastierea neelastica electron-electron Dintre toate procesele de interactiune ale electronilor cu substanta predominant este cel de imprastiere la ciocnirea neelastica cu electronii orbitali ai atomilor din mediu deci procesele electron-electron Datorita acestui fapt electronii sufera imprastieri sub unghiuri diferite motiv pentru care drumul fasciculelor de electroni prin mediu nu este rectiliniu ci foarte sinuos (fig 47) De aceea intr-o substanta de o anumita grosime electroni de aceeasi energie parcurg drumuri complet diferite care intrec in lungime 15 ndash 4 ori grosimea stratului penetrat

Fig 47 Drumul sinuos al electronilor prin substanta

26

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

Uraniul este raspandit sub forma a circa 200 de minerale ce pot fi clasificate in oxizi oxizi hidratati carbonati sulfati fosfati molibdati vanadati silicati si compusi organici (tabelul 26)

Principalele minerale de uraniu Tabelul 26

Denumirea Formula chimica Oxizi si oxizi hidratati

Uraninit UO2

Pechblenda U3O8

Broumlggerit (U Th)O2

Carbonati sulfati silicatiRuterfordiu UO2CO3

Sharpit (UO2)3(CO3)5(OH)27H2OUranopilit (UO2)6(SO4)(OH)1012H2OJohannit Cu(UO2)2(SO4)2(OH)26H2OSoddit (UO2)5(SiO4)2(OH)25H2O

Fosfati si arsenatiAutunit Ca(UO2)2(PO4)210H2O

Torbernit Cu(UO2)2(PO4)28H2OUranospinit Ca(UO2)2(AsO4)28H2O

Troumlgerit (UO2)3(AsO4)12H2OVanadati si molbdati

Carnotit K(UO2)2(VO4)23 H2OTyuyamunit Ca(UO2)2(VO4)28 H2O

Molibdat de calciu si U Ca(UO2)3(MoO4)3(OH)28 H2O

De asemenea el se gaseste raspandit si in apele raurilor si lacurilor in apele marilor si oceanelor in petrol carbuni in gazele naturale etc Dintre mineralele sale putine sunt exploatabile

Uraninitul UO2 cu continut de radiu actiniu poloniu si alte produse ale transformarilor radioactive

Uraninitul cristalizeaza in sistemul cubic (retea CaF2) are culoare neagra cu luciu puternic de smoala in spartura duritate mare (103-106) este casant si puternic radioactiv Varietatile compacte de mase collomorfe poarta denumirea de ldquosmoala de uraniurdquo

Uraninitul se gaseste raspandit in pegmatite granitice si sienitice cu continut de toriu si pamanturi rare In concentratii mai mari se gaseste raspandit in zacaminte hidrotermale asociat cu arseniura de nichel si cobalt cu carbonati de calciu si de fier Cele mai mari zacaminte se afla in Canada langa Marele Lac al Ursilor si in provincia Katanga (Congo Belgian) Cehia Rusia etc

Pechblenda U3O8 un amestec de oxizi ai U(IV) cu U(VI) este un mineral de culoare neagra fara continut de toriu si pamanturi rare Are aspect de smoala numit si ldquosmoala de uraniurdquo fiind cel mai important mineral industrial de uraniu Apare in formatii sferoidale fara cristale clare S-a format in solutii coloidale cand s-a depus sub forma de gel care s-a solidificat si cristalizat ulterior Cristalizeaza in sistemul cubic avand culoare neagra de smoala uneori cu nuante verzui In principal se gaseste in filoane hidrotermale formate in zonele profunde ale zacamintelor exogene in conditii de mediu reducator Se gasste raspandit in SUA Rusia Canada Congo Cehia etc

8

Carnotita K(UO2)2(VO4)23 H2O se gaseste de obicei sub forma de mase pulverulente si eflorescente de culoare galben-deschisa sau galben-verzuie cu luciu puternic sidefos Cristalizeaza in sistemul rombic are duritate mica (2 ndash 25) este casant si puternic radioactiv Se gaseste in zona de alterare a rocilor sedimentare in special a gresiilor bogate in resturi organice Zacaminte importante se gasesc in statul Colorado (SUA) Canada Australia Africa de Sud Rusia (Ual Siberia) Cehia Maroc Iordania Israel etc

Toriul se gaseste raspandit in natura 810-4 sub forma de minerale proprii Principalele minereuri din care se extrage toriul sunt

Monazita (CeLaPrNdhellip)Po4 este un mineral care contine ThO2 sub forma de amestec izomorf 4 ndash 19 lantanoide (CeLa) 50 ndash 68 Cristalizeaza in sistemul monoclinic sub forma de cristale mici de culoare galben-bruna cafenie rosie rareori cu luciu accentuat sticlos sau gras si duritate 5 ndash 55 Se intalneste de obicei in pegmatite uneori in gnaise asociat cu feldspat zircon Prin alterare trece in aluviuni fluviale si marine (Brazilia la Minas Geraes) si India In depozite formeaza zacaminte in India Brazilia Africa de Sud Canada SUA Egipt etc

Toritul ThSiO4 se prezinta sub forma de cristale tetragonale de culoare neagra bruna galbena portocalie cu luciu sticlos sau gras casant duritate 45 ndash 5 fiind puternic radioactiv Se intalneste de obicei sub forma de granule diseminate mai rar ca mase compacte Varietatea de culoare portocalie se numeste Orangit iar cea cu continut de 10 ndash 16 U3O8 Uranotorit Se gaseste in Norvegia Elvetia si Madagascar

Radiul nu are minerale proprii insa se gaseste in mineralele de uraniu unde formeaza prin dezintegrarea succesiva 4 radioizotopi naturali 226Ra 228Ra 224Ra si 223Ra descendenti ai celor trei familii radioactive naturale Principala sursa de obtinere a 226Ra este pechblenda care contine 200 mg Rat U3O8 In scoarta pamantului el se gaseste raspandit 2010-10 iar in apele oceanelor si marilor 10-13 g Rat In tabelul 27 se da raspandirea lui in apa si alimente

9

Concentrarea radiului in apa potabila si alimente in pCi 226Rakg material proaspat sau la litru

Tabelul 27Tipul de aliment

New York City Chicago San Francisco R F G

Apa potabila 004 02 - 003-034Apa de rau 003 - - 007-08Paine alba 32 33 29 17-33Faina alba 27 24 13 27Lapte liq 025 024 022 03Cartofi 20 14 10 06-10

Fasole uscata 61 70 24 -Vegetale 24 22 07 16-17Fructe 15-28 14 09 09Orez 15 07 06 -Oua 41-79 27 26 31Peste 12 07 08 28-63Carne 044 045 081 08-15

Prelucrare dupa Schimier H Seelentag Wiand Waldeskong B ldquoThe radiation of human beingsrdquo Tehnical report series nr 123 IAEA p 7-30 (1971)

Protactiniul este raspandit in scoarta terestra 710-12 in minereurile de uraniu sub forma a trei radioizotopi 234Pa(UX2) 234Pa(UZ) si 231Pa La 1 g de uraniu natural se gasesc 3510-7 g Pa respectiv o tona de uraniu contine 1 mg Ac si 129 mg Pa

23 Radioizotopi naturali

In afara elementelor radioactive amintite in scoarta terestra se gasesc raspanditi o serie de izotopi radioactivi ai unor elemente in amestec cu izotopi stabili ai acestora Printre ei se numara 40K(T 128109 a) 87Rb(T471010 a) 115In(T 61014 a) 130Te(T 141021 a) 138La (T 131011 a) 176Lu (T 331010 a) 187Re (T 511010 a) si altii cu timpi de injumatatire cuprinsi intre 1010 si 1017 ani

Din randul lor se remarca 40K care insotind izotopii stabili ai potasiului unul din elementele abundente in scoarta terestra confera o anumita radioactivitate apelor si rocilor Astfel contributia 40K la radioactivitatea apelor marine este de 111 Bql In diferitele roci activitatea adusa de 40K variaza de la 081 Bqg in roci arse in bazalt la 117 Bqg in granite De asemenea ea variaza si in unele alimente de la 066Bqkg in lapte la 222 Bqkg de grau respectiv la 74 Bqkg in carne

O alta serie de radioizotopi cum sunt 14C si tritiul (3H) se formeaza permanent in natura prin bombardarea azotului din aer cu neutroni de origine cosmica sau cu cei eliberati din reactiile (α n) de dezintegrare α-spontana a unor nuclee grele din scoarta terestra (Ac Th Pa U) precum si din procesele de fisiune spontana a unora dintre ele (235U)

10

In troposfera viteza de formare a tritiului este de 60 atomicm2 pe minut iar a carbonului 14 este de 150 atomicm2 pe minut

In natura concentratia 3H si 14C a ramas practic constanta deoarece in decursul timpului s-a stabilit un echilibru intre procesele de formare si de dezintegrare a acestor radioizotopi

Tritiul (3H) care se formeaza intra in echilibru cu hidrogenul din apa de ploaie prin intermediul careia patrunde in biosfera ajungand in cele din urma la o In toate produsele neizolate de acest echilibru natural tritiul se afla in raport de 4 atomi de tritiu la 108 atomi de hidrogen normal Datorita tritiului in medie radioactivitatea naturala a produselor cu hidrogen este de 111 Bq 3Hg 1H (30 pCig) Apa marilor contine 059 Bql (016 pCi 3Hl)

Carbonul 14 odata format oxideaza la 14CO2 si intra rapid in amestec cu CO2

normal in circuitul carbonului Prin fotosinteza el ajunge in metabolismul vegetal si de aici in cel animal pana la om unde produce circa 18105 dezmin fapt care reprezinta a suta parte din radioactivitatea corpului uman

24 Raspandirea radioactivitatii in Univers

Din studiul meteoritilor rezulta ca si alte planete din sistemul solar sunt prezente principalele elemente radioactive uraniul si toriul impreuna cu elementele din familiile radioactive Daca pe Pamant radioactivitatea joaca un rol foarte important in cadrul general al Universului ea se prezinta ca un proces nuclear minor datorita proceselor termonucleare ce se petrec in anumite tipuri de stele si in special in Soare Se estimeaza ca pentru a egala energia primita de la Soare pe Pamant ar trebui sa fie explodate circa 47 bombe nucleare pe secunda Prin aceasta ldquohemoragie energeticardquo sub forma de radiatie Soarele pierde 42 milioane de tone de masa pe secunda Cu toate ca masa Soarelui este mare rezerva sa de energie calorica ar trebui sa fie consumata intr-un timp relativ scurt si ca asistam la scaderea continua a temperaturii Studiile geologice arata ca de-a lungul epocilor geologice temperatura Pamantului si implicit energia primita de la Soare nu a suferit variatii semnificative Aceasta comportare nu poate fi explicata decat acceptand ca energia de la Soare se reinoieste permanent pe baza unui proces exoergic Conform lui H BETHE (1938) principala sursa de energie din Soare il au doua cicluri de reactii termonucleare

- ciclul proton ndash proton (p ndash p) de trecere prin fuziune de la hidrogen la heliu in etape succesive sub forma de reactii nucleare inlantuite in cicluri termonucleare avand ca produsi intermediari izotopii hidrogenului si ai heliului (fig 21) conform acestui ciclu hidrogenul molecular se constituie ca principala rezerva de combustibil nuclear ldquosangele stelelorrdquo si al Soarelui

- ciclul carbon ndash azot (C ndash N) imaginat de BETHE de trecere de la hidrogen la heliu prin trepte intermediare in prezenta unui nucleu strain cu rol catalizator cum este carbonul 12 in cadrul caruia carbonul se reface iar din patru protoni rezulta un heliu si doi pozitroni (fig 22) In realitate in stele au loc concomitent cele doua cicluri La inceput predomina ciclul p ndash p dupa care urmeaza o perioada cu temperaturi mai ridicate cand predomina ciclul carbon ndash azot

11

Fig 21 Ciclul proton ndash proton Fig 22 Ciclul carbon ndash azot

Multa vreme s-a crezut ca prin ciclul carbon ndash azot se incheie seria reactiilor termonucleare ce au loc in stele In realitate prin cresterea treptata a temperaturii pot sa aibe loc inca o serie de reactii termonucleare prin capturare de helioni cand se formeaza nuclee de 16O si 20Ne procesul nuclear continuand cu formarea 24Mg pana la nucleele cu numar de masa cuprins intre 40 ndash 60

12

3 Efecte radiobiologice asupra omului

Imediat dupa descoperirea radiatiilor roumlentgen si apoi a radioactivitatii s-a sesizat si caracterul periculos al radiatiilor ionizante in cazul folosirii nerationale Pionierii roentgenografiei au cunoscut ldquope propia lor pielerdquo actiunea radiatiilor ionizante iar dupa descoperirea radioactivitatii primele victime au aparut in 1920 in SUA in randul muncitorilor care aplicau vopsele luminoase pe cadranele ceasornicelor Acestora li s-au adaugat savantii Marie Curie si Ireacutene Joliot-Curie renumiti cercetatori in domeniul radioactivitatii care au decedat dupa grele suferinte de leucemie radioindusa Dar cele mai mari victime s-au inregistrat la sfarsitul celui de al doilea razboi mondial in urma exploziilor celor doua bombe atomice lansate de catre SUA asupra Japoniei la Hirosima si Nagasaki

31 Particularitatile efectelor biologice

Indiferent de urmarile provocate de impactul radiatiilor ionizante cu organismul viu actiunea biologica prezinta unele particularitati si anume

- organismul omenesc nu este dotat cu un organ de simt care sa sesizeze prezenta radiatiilor ionizante iar efectul biologic nu este vizibil in momentul iradierii

- efectele biologice sunt cumulative si nu au un caracter particular care sa ne permita deosebirea de efectele aparute altfel decat prin iradiere

- modificarile si simptomele evolueaza lent dupa iradiere Unele sunt imediate sau precoce si apar dupa un ragaz care variaza de la cateva ore la cateva saptamani Altele sunt intarziate si survin dupa mai multi ani (leucemia) dupa mai multe zeci de ani (cancerul fatal) sau pot provoca efecte genetice

In realitate efectele biologice produse de actiunea radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului sunt rezultatul unei lungi serii de fenomene care se declanseaza la trecerea radiatiilor prin organismele vii Evenimentele initiale sunt ionizari si excitari ale atomilor si moleculelor din mediul de interactiune de-a lungul traiectoriilor particulelor ionizante Ulterior aceste perturbari fizice antreneaza reactii fizico-chimice urmate de reactii chimice generand in final efecte biologice Schematic cronologia acestor evenimente este data in tabelul 31

13

Tabelul 31 Prezentarea schematica a fenomenelor declansate deradiatiile ionizante in mediu biologic

32 Clasificarea efectelor biologice

In prezent efectele nocive ale radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului a descendentilor sai si asupra umanitatii in general se clasifica in doua categorii

- efecte nestochastice si- efecte stochasticeEfectele nestochastice sunt efecte imediate (precoce) cu prag reversibile si

imperfect aditive Fiind caracterizate de o relatie de cauzalitate determinate intre doza si efect ele apar atunci cand doza primita depaseste o anumita valoare de prag (fig 31)

Fig 31 Dependenta efectului biologic de doza biologicaa ndash efecte stochastice fara prag b ndash efecete nestochastice cu prag

14

Valoarea pragului pentru un anumit efect poate varia in jurul unei valori medii de la un individ la altul si in functie de conditiile de iradiere In general efectele nestochastice apar destul de repede in timp fiind efecte imediate (precoce) iar vatamarile provocate de ele sunt cu atat mai mari cu cat doza este mai mare

Avand caracter reversibil exista posibilitatea regenerarii unor tesuturi iar dozele administrate intr-un timp lung nu sunt perfect aditive De aceea pentru evitarea producerii lor are mare importanta administrarea fractionata a dozelor de radiatii

Printre efectele nestochastice se numara leziunile nemaligne ale pielii cataracta hipolezia medulara care antreneaza o deficienta hematologica a vatamarilor provocate celulelor gonadelor cu repercusiuni asupra fertilitatii

Efectele stochastice sunt intotdeauna efecte somatice tarzii fara prag ireversibile si aditive Aparitia lor urmeaza o relatie probabilistica doza-efect aparent la intamplare de unde si numele stochastic Altfel spus dintr-o populatie aflata intr-o zona de radiatii efectele stochastice apar numai in unele cazuri individuale aparent la intamplare

Printre ele se numara efectele somatice care se manifesta cu intarziere sub forma de afectiuni maligne (cancer) si efecte genetice (ereditare) ce apar la descendenti Practic intre momentul iradierii si al aparitiei bolii maligne pot trece ani sau zeci de ani

Fiind relatii liniare intre frecventa de aparitie a efectelor stochastice si dozelor absorbite pentru radiatiile cu transfer liniar de energie mica rezulta ca in aceste cazuri la doze mici si debite mici ale dozei riscul pentru sanatate este proportional cu doza administrata In literatura de specialitate factorul de proportionalitate dintre frecventa de aparitie a acestor efecte si doza absorbita a fost denumit factor de risc

Dozele administrate in timp lung fiid aditive nu are importanta daca doza care produce efctul respectiv a fost administrata fractionat sau instantaneu respectiv intr-o secunda sau intr-o luna

Efectul biologic produs este ireversibil si in prezent nu se cunosc metode de reducere a probabilitatilor de aparitie a efectelor stochastice somatice datorate unor doze deja primite

Detrimentul sanatatii Conceptul de detriment al sanatatii se refera la fenomenul de distrugere (vatamare) integrala a unei persoane datorita efectelor biologice ale radiatiilor ionizante fenomen care poate aparea dupa o iradiere in conditii bine definite si la un anumit nivel de doza

In cazul unui efect patologic dat (i) detrimentul (Gj) la un individ (j) este exprimat de produsul intre probabilitatea de aparitie a efectului (pi) si factorul corespunzator de gravitate (g)

iar pentru un grup de persoane (P) detrimentul colectiv (G) este

Acest concept se aplica atat asupra efectelor stochastice cat si a celor nestochastice in principal fiind utilizat pentru estimarea vatamarilor datorate efectelor stochastice

Intre probabilitatea de aparitie a efectelor biologice stochastice si echivalentul de doza se stabileste o relatie liniara fara prag aplicata la doze slabe De aceea detrimentul colectiv al sanatatii este proportional cu echivalentul de doza efectiv colectiv Totusi in mod practic detrimentul unui grup de indivizi nu poate fi redus la o insumare a vatamarilor individuale fapt pentru care echivaletul de doza colectiva se ia ca un partener printre altele

15

33 Fazele tipice ale evolutiei imbolnavirii in urma iradierii

In dinamica evolutiei reactiilor care au loc in urma iradierii se pot distinge trei perioade importante perioada primara perioada latenta si perioada secundara

Reactiile in perioada primara de actiune a radiatiilor ionizante se datoreaza a trei tipuri principale de mecanisme mecanismul actiunii directe indirecte si la distanta

Efectul biologic prin actiune directa consta in transmiterea directa a energiei particulelor incarcate sau a electronilor secundari catre atomii si moleculele substantelor celulare Produsul principal al acestei actiuni sunt ioni si atomi excitati de-a lungul parcursului particulei in celula Datorita ionizarii si excitarii substantelor prin mecanism primar se produc modificari chimice ale acestora (mecanismul actiunii indirecte) Deoarece organismele vii au in compozitia lor un mare procent de apa la om ajungand pana la 85 din greutatea corpului multa vreme s-a considerat ca actiunea nociva a radiatiilor ionizante este cauzata de produsele de descompunere a ei si in special de apa oxigenata care actioneaza ca agent oxidant (ipoteza actiunii prin apa oxigenata) O ipoteza mai verosimila considera ca rolul principal in actiunea biologica primara il au radicalii H OH si O2H care apar la radioliza apei (ipoteza actiunii prin radicali liberi) Conform acestei ipoteze radioliza apei constituie o sursa pentru actiunea indirecta a radiatiei deoarece radicalii liberi formati pot afecta atat cromozomii cat si proteinele citoplasmatice

Datorita interventiei sistemului nervos a glandelor endocrine si a transportului prin umori sau difuziune a unor substante rezultate in tesuturile iradiate efectele biologice se pot produce nu numai in organele iradiate ci si in cele neiradiate (mecanismul actiunii la distanta sau al actiunii secundare)

Perioada latenta care apare in organism dupa perioada primara se caracterizeaza prin faptul ca fenomenele sunt atat de neinsemnate incat nu pot fi descoperite neinregistrandu-se nici un fel de tulburari Perioada latenta variaza invers proportional cu doza de radiatii De aceea in cazul unor iradieri cu doze mortale perioada latenta dureaza de la cateva ore la 30-40 de zile iar in doze fractionate mici ea dureaza mai mult de un an

Perioada secundara este dominata de formarea in celule si tesuturi de substante toxice care conduc la intoxicarea organismului determinand o serie de efecte biologice importante (ipoteza formarii uor substante toxice) Reactiile din aceasta perioada sunt de natura necunoscuta si in decursul timpului ele au fost atribuite actiunii apei oxigenate peroxizilor organici si histaminei problema fiind insa in discutie Cert este faptul ca sub actiunea radiatiilor ionizante apar molecule active in primul rand in celulele din tesuturi si in paralel in sange si in limfa

34 Clasificarea efectelor biologice dupa natura lor

Cel mai fercvent efectele biologice se clasifica dupa natura lor in- efecte precoce care nu apar decat pentru doze ridicate- efecte somatice tarzii care se manifesta dupa mai multi ani chiar mai multi zeci

de ani- efecte genetice care privesc descendentii - efecte teratogene care se refera la afectarea embrionului si a fetusului

341 Efecte biologice precoce

16

Efectele biologice precoce survin la putin timp dupa iradiere uneori dupa cateva ore sau mai putin si sunt efecte cu prag fapt pentru care nu apar decat daca doza depaseste un anumit nivel Deasupra pragului ele cresc cu doza De aceea pentru a evita producerea lor s-au elaborat reglementari care impun limitarea sub nivelul de prag al dozelor ce le pot primi operatorii care lucreaza in medii de radiatii ionizante Cele mai fragile tesuturi care sufera efecte biologice cu prag sunt pielea celulele formate de sange maduva osoasa intestinul si organele sexuale sau gonade

Efectele biologice precoce in cazul iradierilor partiale Acestea se refera la piele maduva osoasa si organele genitale

Pielea Efectele radiobiologice ale pielii sunt foarte variabile si ele depind de doza de localizarea anatomica de varsta de pigmentatia tegumentului etc In general la doze mai mari de 10 Gy nu se observa nici o leziune grava dar la 25 din cazuri apare o senzatie de caldura La doze intre 10 si 20 Gy apar epidermite exudative urmate dupa un timp de o latenta de trei saptamani de eritema secundara apoi de epitelitaexudativa dupa 3-6 luni facandu-se restaurarea fara recurs In cazul unor iradieri foarte importante si profunde se altereaza vascularizatia si apare ulceratia care necesita un tratament chirurgical

Maduva osoasa organul cel mai sensibil la iradierea globala conduce limfopenia cu atat mai repede cu cat doza de radiatii este mai mare

Organele sexuale respectiv testiculele la barbati si ovarele la femei reactioneaza diferit la iradiere

Testiculele care se remarca printre cele doua functii de producatore de hormoni si spermatozoizi la iradiere le este afectata numai cea de-a doua functie (producatoare de spematozoizi) La doze relativ mici de 05 Gy se instaleaza o depresiune tranzitorie si spontan reversibila iar la doze de circa 2 Gy apare o azospermie si sterilitate temporara in jur de un an Experientele efectuate de americani pe detinuti voluntari au aratat ca in cazul iradierii testiculelor cu doze de 6 Gy sterilitatea este temporata la om De asemenea supravietuitorii dintre cei 23 pescari japonezi care au fost iradiati in urma exploziei experimentale a armei termonucleare de la Bikini in 1954 si care se estimeaza ca au primit doze de 3 - 66 Gy dupa o sterilitate de 2-3ani au avut copii normali (in total 45 copii)

- Ovarele comparativ cu testiculele au o sensibilitate mai mica fata de radiatiile ionizante aceasta fiind influentata si de varsta Astfel pe cand la o femeie tanara in jur de 25 de ani este necesara o doza de 12-15 Gy pentru a provoca o menopauza artificiala la o femeie de peste 40 de ani este suficienta o doza de numai 7 Gy Se mentioneaza ca la femei sterilitatea este insotita de oprirea functiei endocrine

Din cercetarile efectuate precum si din constatarile asupra descendentilor celor iradiati in urma exploziilor atomice de la Hirosima si Nagasaki a rezultat ca in urma unei iradieri puternice care a provocat sterilitatea temporara nu s-au produs urmari genetice prin afectarea celulelor sexuale

Iradierea organelor profunde La iradieri puternice mai ales in radioterapie sunt iradiate si organele profunde plamanii inima rinichii tubul digestiv ficatul sistemul nervos central si creierul Dintre acestea deosebit de sensibile sunt plamanii care dupa o doza de 25 Gy se imbolnavesc de fibron pulmonar iar dupa 6-12 luni urmeaza decesul

Rinicii si ficatul sunt afectati la doze peste 30 Gy In cazul rinichilor functionarea lor este afectata dupa cateva saptamani de la iradiere pe cand vezica poate suporta doze mult mai mari Diversele organe ale aparatului digestiv au radiosensibilitati diferite Cel mai radiosensibil este intestinul subtire la care apar leziuni in urma absorbtiei unor doze

17

sub 30 Gy Urmeaza stomacul care este afectat de doze in jur de 40 Gy cel mai rezistent fiind colonul care reactioneaza numai la doze cuprinse intre 50 si 56 Gy

Destul de radiosensibil este si sistemul nervos care manifesta o fragilitate a celulelor nervoase a vaselor sangvine si o capacitate limitata de regenerare a tesuturilor nervoase La doze peste 40 Gy administrate in patru saptamani apare o paraplegie care dupa doi ani se extinde In ceea ce priveste creierul desi modificari morfologice apar deja de la doze de 10 Gy el poate suporta doze de circa 50 Gy timp de 5-6 saptamani

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor globale In urma unor iradieri globale cu doze in jur de 1 Gy care sunt fara gravitate imediata nu se observa decat foarte discrete modificari hematologice in ceea ce priveste globulele albe dar ele se regenereaza rapid In astfel de cazuri se aplica un tratament modest fara a fi necesara spitalizarea

La doze cuprinse intre 1 si 2 Gy desi semnele fizice inca lipsesc se observa o scadere a globulelor albe si a plachetelor iar numarul globulelor rosii este modest In acest caz sunt necesare transfuzii si tratament antibiotic Din contra la doze de peste 2Gy se observa o evolutie stereotipa a bolii cu afectarea celulelor formatoare de sange si scaderea corespunzatoare a numarului maxim de elemente reprezentative din sange Evolutia imbolnavirii se face urmand cele patru faze tipice Dupa o perioada de debut care dureaza trei zile insotita de simptome discrete urmeaza de perioada latenta practic silentioasa care dureaza peste trei saptamani In continuare se instaleaza perioada de stare (perioada critica) careia i se asociaza semne generale cum sunt oboseala intensa tulburari digestive hemoragii si infectii formula sangvina fiind foarte modificata In acest moment viata bolnavului este in pericol Abia dupa circa trei luni el intra in covalescenta In acest caz spitalizarea este indispensabila intr-un centru specializat cu locuri sterilizate repaus absolut si eliminarea posibilitatilor de infectare In cadrul tratamentului se recomanda grefe de maduva osoasa La doze mai mari grefa cu maduva osoasa poate fi singura sansa iar la doza peste 12 Gy de iradiere instantanee orice tratament terapeutic nu este eficace

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor accidentale In ultimele decenii s-au inmultit numarul iradierilor accidentale Principal ele pot fi clasificate in iradieri implicand una sau mai multe persoane ori a unor grupuri mari de persoane

Iadieri accidentale implicand una sau mai multe persoane Pana in anul 1965 au fost inregistrate 12 astfel de accidente critice in lume in care persoane au fost expuse global in cursul unor cercetari sau operatii chimice dintre care au rezultat 9 decese

De asemenea se cunosc 24 accidente cu surse gamagrafice dintre care 15 accidente cu 192Ir si 9 accidente cu 60Co din care au rezultat 17 morti si 38 grav iradiati In ultimii 40 de ani au avut loc 115 cazuri de iradieri locale care au facut 156 victime Principalele cauze se datoresc instalatiilor de radiatii X pentru analiza cristalografica (69) surselor de gamagrafice cu 192Ir (34) 60Co (25) emitatori β-activi (11) acceleratori de particule (8) si diverse surse (8) Iradierile interne sunt mai rare si mai greu de cunoscut In Franta sunt cunoscute numai o zecime din decese 7 sunt imputabile activitatii medicale

Iradieri accidentale a unor grupuri mari de persoane Iradierile simultane asupra unui numar ridicat de persoane au fost inregistrate in urma unor experiente cu arme termonucleare sau a unor defectiuni survenite in functionarea unor centrale atomoelectrice

Explozia experimentala a armei termonucleare de la Bikini de la 1 martie 1954 a provocat printre altele si iradierea puternica prin caderi de pulberi radioactive a locuitorilor de pe Insula Marschall precum si a 23 de pescari marinari de pe vasul japonez ldquoFukuriu Marurdquo

18

Recent prin defectarea centralei atomoelectrice de la Cernobal (Ucraina) din aprile 1986 au fost iradiate 22 persoane cu doze peste 8 Gy 22 persoane cu doze intre 4 si 8 Gy 53 persoane cu doze intre 2 si 4 Gy si 203 persoane cu doze peste 1 Gy fiind inregistrate 31 decese

342 Efecte somatice tarzii

Efectele somatice tarzii in general sunt fara prag Ele pot fi necancerigene (cataracte tulburari ale cresterii scaderea longevitatii si a unor reactii imunologice) insa principalul efect intarziat este cancerul care apare dupa cativa ani sau zeci de ani de la iradiere Principalele efecte somatice tarzii necancerigene se caracterizeaza prin urmatoarele

Cataractele sunt boli care provoaca opacifierea cristalinului Radiatiile ionizante genereaza cataracte la doze superioare la 10 Gy de radiatii X Ele sunt efecte cu prag care la barbati este foarte ridicat si apare intre 1 si 10 ani de la iradiere In cazul neutronilor rapizi pragul este mult mai jos asymp08 Gy respectiv asymp8 Sv

Tulburari de crestere Constatarile efectuate pe supravietuitorii de la Hirosima si Nagasaki au evidentiat ca prin expunere la doze de 1 Gy au loc tulburari de crestere si anume un deficit in greutate o scadere a taliei si a circumferintei capului

Longevitatea De asemenea studiile de supravietuitori de la Hirosima sI Nagasaki precum si pe animale in laborator au aratat ca la doze ridicate (asymp4 Gy) de radiatii se scurteaza durata medie de viata indiferent daca iradierea a produs leucemie sau cancer

Reactiile imunologice La iradierea cu doze de 1 Gy scad reactiile imunologice si organismele devin vulnerabile la infectii

Pielea desi nu este radiosensibila se mnifesta ca un organ critic avand un prag de toleranta de asymp2mGyzi Prin iradierea mainilor cu doze superioare (5 mGyzi) apar leziuni cutanate cronice sau uscate si atrofice care fisureaza dand ulceratii grave

Cancerele principalele efecte intarziate se caracterizeaza prin faptul ca nu au prag si se produc mai ales cu doze slabe de radiatii Frecventa lor este influentata de o serie de factori printre care se numara doza de radiatie natura radiatiilor sexul varsta si natura tesuturilor iradiate

Dintre toti factorii doza de radiatii este cel mai important iar dintre radiatii particulele α si neutronii sunt cele mai periculoase Radiosensibilitatea organismelor este diferita in functie de sex ea este mai importanta la femei decat la barbati in special pentru sani si tiroida si are un efect invers pentru maduva osoasa si pulmon Totodata efectele difera cu varsta copiii tineri adolescentii si persoanele in varsta fiind mai radiosensibile decat adultii Timpii de latenta sunt foarte variabili si depind in mod esential de natura tesutului iradiat Ei sunt cuprinsi intre 4 si 20 de ani de la iradiere pentru leucemie de 10 ani pentru tumori 22-25 de ani pentru sani etc Cancerul cutanat apare la doze de circa 15 Gy radiatii electromagnetice intre 25 si 40 de ani Cancerul osos apare la doze gt8Gy iar leucemia la doze gt1 Sv Cancerul sanului apare la doze de 020 Gy (la iradieri radiologice) iar cancerul tiroidei la 01 Gy la copii intre 13 si 14 ani

343 Efecte geneticeAlaturi de alti agenti fizico-chimici (substante chimice radiatiile

electromagnetice caldura etc) care pot provoca efecte mutagene se afla si radiatiile ionizante

19

Daca la doze slabe nu s-au inregistrat astfel de efecte la om in schimb printre copiii supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki iradiati cu doze puternice s-au inregistrat cazuri de anomalii genetice semnificative

Pe plan uman singurele informatii de care dispunem sunt descendentii iradiatilor de la Hirosima si Nagasaki si ai pescarilor de la Bikini dar in ambele cazuri dozele nu sunt cunoscute cu precizie In cazul supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki desi au prezentat forme cancerigene pentru doze ridicate (gt1 Gy) nu s-au inregistrat efecte genetice De asemenea in cazul celor 23 marinari pescari de la Bikini iradiati de caderile radioactive cu exceptia unuia care a decedat dupa o sterilitate de doi ani ceilalti au avut copii normali (45 copii) la care nu au fost observate efecte genetice aparente la prima generatie

In modul de evaluare a efectelor genetice se intampla unele dificultati datorate urmatorilor factori caracterul particular al efectelor genetice necesitatea extrapolarii rezultatelor obtinute experimental pe animale la om si de asemenea extrapolarea rezultatelor obtinute experimental cu doze forte la doze slabe

Din investigarile pe animale s-a stabilit ca fercventa anomaliilor genetice se observa la doze gt1 Gy La om anomaliile (de ex structura cromozomilor) reprezinta un risc de 1-10 pe milion de nasteri vii pe centiGy iar mutatiile genetice apar la iradierea celor doi parinti cu o frecventa de 5-65 pe milion de nasteri vii pe centiGy Dupa prima generatie si la echilibru (dupa 5 generatii) frecventa lor este de 40-200 pe milion de nasteri vii pe centiGy pe generatie Mutatiile sunt legate de sexe in sensul ca ele se transmit prin femei In prima generatie numarul de afectiuni adaugat este lt13 pe milion de nasteri vii pe centiGy

Particularitatile mutatiilor genice In functie de sex riscul pentru femeie este mai putin important ca pentru barbat Dupa varsta la femei sunt doua perioade critice principala este perioada reproducerii de la pubertate la menopauza A doua este pana in luna a saptea a vietii fetale La barbat perioada periculoasa se afla intre 20 si 40 ani perioada in care se fac majoritatea fecundarilor

Ipoteza prejudiciului genetic dat de iradierile slabe In mod normal o populatie se afla in echilibru genetic Aparitia de noi mutanti este compensata de eliminarea mutantilor existenti prin decese precoce sau prin fecundari mai putine uneori chiar nule In cazul unor iradieri suplimentare acest echilibru se rupe iar fiecarei generatii i se vor adauga descendentilor mutatiile produse la toate generatiile anterioare (mutanti suplimentari) Ca urmare se vor produce o crestere a mutatiilor letale si a celor dominante precm si o acumulare a mutatiilor primite

344 Efecte biologice teratogene

Efectele teratogene sunt anomalii si malformatii provocate de actiunea unor agenti fizici chimici si infectiosi sau a radiatiilor ionizante asupra embrionului si fetusurilor pe timpul cresterii

Sensblitatea lor la radiatii variaza dupa stadiul dezvoltarii embrionului dar pragul de actiune este foarte net mai jos decat dupa nastere Efectele teratogene sunt ireversibile iar radiatiile ionizante produc aceleasi efecte ca si alti agenti teratogeni Sub actiunea radiatiilor ionizante in functie de stadiul de dezvoltare a embrionului si a fetusurilor se deosebesc urmatoarele

20

- In stadiul de preimplantare iradierea determina fie distrugerea oului fie moartea uneia sau a mai multor celule Aceasta perioada adesea trece neobservata de femeie Doza letala 50 este de 05-06 Gy

- In stadiul de organogeneza cand femeia are consecinte de intarziere si banuiala ca ar fi insarcinata o doza de 01 Gy poate antrena malformatii Aceasta este perioada critica deoarece radiosensibilitatea este maxima

- In stadiul fetal frecventa si gravitatea malformatiilor se diminuiaza In schimb iradierea poate avea o actiune cancerigena care se manifesta la copii tineri Dozele egale sau inferioare la 025 Gy sunt considerate ca fara efect

Cele mai importante consecinte legate de efectele teratogene sunt- malformatiile ca de exemplu cele microcefalice care pot fi insotite de

intarzierea mentala - intarzierea cresterii care are loc la doze puternice (gt1 Gy) printre care se

remarca deficitul ponderal scaderea taliei si a circumferintei capului si o intarziere a osificarii

- cancerul care apare la iradieri in uter cu doze de 002 Gy-mortalitatea intrauterina si neonatala creste In cazul supravietuitorilor de la

Hirosima si Nagasaki ea a fost cu 40 mai mare decat cea normala - efecte genetice nu s-au observat nici printre descendentii celor iradiati in uter cu

ocazia exploziilor nucleare de la Hirosima si NagasakiPe baza acestor observatii se impune luarea unor precautii in cazul femeilor

insarcinte care sunt expuse profesional la doze de radiatii ionizante si excluderea lor de la orice fel de examen radiologic

21

4 Efectele fizice ale radiatiilor ionizante la interactiunea cu substanta

La impactul cu substanta fasciculele de radiatii ionizante sufera procese de atenuare datorita devierii (imprastierii) acestora printr-un mecanism monoact sau prin absorbtie cand isi pierd complet energia pe baza unui mecanism continuu Cele mai importante efecte ale radiatiilor ionizante sunt excitarea si ionizarea care pot fi directe in cazul particulelor incarcate electric sau indirecte in cazul radiatiilor X γ si a neutronilor

41 Interactiunea particulelor grele incarcate cu substanta

Particulele grele incarcate cum sunt radiatiile α protonii deuteronii atomii multiplu ionizati si produsii de fisiune nucleara la impactul cu substanta se atenueaza cu parcurs pe baza unui mecanism de pierderi mici de energie intr-un numar foarte mare de procese de interactiune

Procesul predominant este cel de interactiune cu electronii atomilor si moleculelor probabilitatea de interactiune cu nucleele atomilor fiind foarte mica

Transferul liniar de energie (TLE) notat cu Q realizat prin ciocniri neelastice cu electronii atomilor si ai moleculelor intalnite este dat de relatia lui HA Bethe

[erg∙cm-1]

in care N este numarul de atomi dintr-un cm3 Z ndash sarcina particulei m0 ndash masa de repaus a electronului v ndash viteza e ndash sarcina electronului β = vc J ndash potentialul mediului de excitare al substantei iradiate

In figura 41 se prezinta modul de variatie al numarului particulelor α cu mediul Transferul Q depinde de viteza (v) si de sarcina (Z) a prticulelor grele incidente iar pe o distanta Δx particula pierde o energie ΔE care este data de suma transferurilor Q in cursul ciocnirilor ce au loc pe aceasta distanta ΔE=ΣQ

Fig 41 Variatia numarului particulelor α in unitatea de timp cu distanta parcursa intr-un mediu dat

Atunci cand o particula parcurge un mic segment Δx din traiectoria sa ea sufera numeroase ciocniri cu electronii care se gasesc in vecinatatea traiectoriei sale Raportul S=ΔEΔx se numeste putere de incetinire a particulelor in mediu si reprezinta pierderea specifica de energie fiind dependent de viteza (v) si sarcina (Z) a particulei incidente Distanta maxima pe care o strabate o particula de energie initiala E intr-un mediu dat se numeste parcurs (R) si se exprima in metri El se poate calcula cu ajutorul relatiei

[m]

22

Din cauza fluctuatiei accidentale de ciocniri individuale dintre particulele grele incarcate si atomii mediului parcursurile lor nu sunt riguros egale asa cum se poate observa cu ajutorul unei camere Wilson (fig 42)

Fig 42 Parcursurile particulei α in camera Wilson

La strabaterea mediilor gazoase parcursurile radiatiilor α ating centimetri ( tabelul 41) pe cand in medii lichide si solide descresc mult fiind de ordinul micrometrilor Asa se explica faptul ca o foaie de hartie este suficienta pentru a absorbi complet un fascicul de radiatii α de mare energie Parcursul radiatiilor α in aer se calcleaza cu ajutorul relatiei empirice a lui Bethe R=032 E32 In fig 43 este data dependenta dintre energie si parcursul radiatiilor α

Parcursurile radiatiilor α ale Po si RaC΄ in diferite mediiTabelul 41

Mediul strabatut Parcursul radiatiilor α ale210Po(530 Mev) 214RaC΄(76 MeV)

Aer 00387 m 00698 mHidrogen 01730 m 03250 m

Heliu 0215 m 0390 mArgon 00417 m 0073 m

Alcool etilic 371μm -Aur - 14 μm

Gelatina foto 23 μm 50 μm

Ciocnindu-se cu electronii mediului strabatut particulele α produc efecte dependente de energia Q transferata acestora

Fig 43 Dependenta dintre energie si parcursul particulelor α

a Daca energia transferata (Q) este superioara energiei de legatura a electronilor (asymp10eV) acestia sunt smulsi si azvarliti particulele incidente pastrandu-si directia practic neschimbata fapt pentru care parcursul lor in orice mediu este rectiliniu Atomul caruia i

23

s-a smuls un electon devine ion pozitiv si impreuna cu electronul detasat formeaza o pereche de ioni procesul in ansamblu numindu-se ionizare

Numarul de perechi de ioni creati pe unitatea de lungime se numeste ionizare specifica (j) si este data de raportul dintre patratul atomic Z al particulelor si patratul vitezei particulei (vp)

WL BRAGG studiind variatia numarului de ioni formati in functie de unitatea de lungime a constatat ca ionizarea maxima este atinsa la sfarsitul parcursului (Fig 44)

Fig 44 Curbele de tip Bragg ale Po si RaC΄

b In cazul in care energia tansferata (Q) este inferioara energiei de legatura a electronului acesta nu este detasat din structura atomica sau moleculara de care apartine si se produce excitarea atomului respectiv

Urmarind distributia energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale se obtine o curba de distributie care este reprezentata in fig 45

Fig 45 Curba de distriutie a energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale

Conform acestei curbe energia ε=ΔE pierduta de o particula parcurgand un mic segment Δx din traiectoria sa se repartizeaza astfel

- 30 din energie (100gtQgt10eV) se consuma in excitari - 30 din energie (Qlt10eV) se consuma pentru ionizari- 40 din energie (Qgt100eV) se consuma pentru producerea de electroni

secundari δAceasta repartitie ramane constanta de-a lungul traiectoriei particuleiAutoabsorbtia radiatiilor α Urmarind variatia curentului de ionizare (I) produs

de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva (Fig 46) se observa ca numai in cazul straturilor foarte subtiri se inregistreaza o crestere proportionala a curentului de ionizare cu grosimea stratului activ Pentru o anumita grosime a stratului de substanta ionizarea devine constanta deoarece particulele α emise

24

de straturile inferioare se absorb total in cele superioare Straturile ale caror grosime este egala sau mai mare decat pacursul se numesc straturi ldquogros infiniterdquo

Fig 46 Variatia curentului de ionizare produs de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta rdioactiva

Ecranarea particulelor grele incarcate Particulele grele incarcate in primul

rand radiatiile α au parcursuri foarte mici de ordinul micronilor in corpuri solide fapt pentru care nu ridica probleme speciale de ecranare fiind absorbite total si cu usurinta de toate substantele chiar si de o foaie de hartie De aceea simpla utilizare a manusilor de cauciuc ori a hartiei de filtru in lucrari de laborator cu astfel de substante radioactive sunt masuri suficiente care sa asigure o buna protectie impotriva iradierii externe

Reactiile nucleare ale prticulelor grele incarcate La interactiunea particulelor grele incarcate cu anumite nuclee tomice acestea pot sa sufere transmutatii artificiale In particular radiatiile α emise de unele surse radioactive naturale au importanta istorica deoarece stau la baza unor importante descoperiri cum sunt

- reactiile nucleare (α p) realizate pentru prima data de E RUTHERFORD in anul 1919 au condus la descoperirea primei transmutatii artificiale sinteza izotopului stabil 17O din 14N cu emisia unui proton

In prezent cu ajutorul particulelor α ndash accelerate se prepara numerosi radioizotopi pe baza ecuatiei generale

- reactiile nucleare (α n) au stat la baza descoperirii neutronului de catre CHADWICK in 1932 prin bombardarea beriliului cu radiatii α ale poloniului

Reactiile (α n) prezinta un interes deosebit si datorita faptului ca ele stau la baza surselor de neutroni de laborator Substantele α ndash active cele mai utilizate sunt210Po 226Ra si 239Pu

Sursele Ra ndash α ndash Be emit neutroni cu un spectru energetic continuu cu energii pana la 137 MeV si randament foarte mare la 1 mCi Ra corespund 13 104 ncm2 s fiind sursele cele mai constante din cauza timpului de injumatatire lung al radiului (1600 a)

Tot pe baza reactiei nucleare (α n) sotii JOLIOT-CURIE in anul 1934 iradiind o foita de aluminiu cu particule α au obtinut fosfor radioactiv descoperind radioactivitatea artificiala care a deschis perspective nebanuite fizicii si chimiei nucleare

In prezent sub actiunea particulelor α accelerate se produc numerosi radioizotopi

ai elementelor cu timpi de injumatatire mici pe baza reactiei generale

25

De asemenea sub actiunea particulelor α accelerate au fost sintetizate o parte din elementele transuraniene conform reactiilor

In mod asemanator pot provoca reactii nucleare si alte particule grele accelerate

(protoni deuteroni) Dintre acestea se remarca- reactiile nucleare (p γ) puternic exoenergice cu emisie de fotoni de mare

energie - reactiile nucleare (d n) care stau la baza producerii neutronilor de laborator cu

ajutorul generatoarelor de inalta tensiune Cu ajutorul deuteronilor de 5 MeV s-au sintetizat pentru prima data prin reactii nucleare (d n) tehnetiul si prometiul

- reactiile nucleare (d p) care se produc cu o probabilitate de 10 ori mai mare

decat cele (d n) prezinta interes deoarece conduc la formarea de izotopi ai tintei intocmai ca in cazul reactiilor (nγ) De exemplu 23Na(dp)24Na 31P(d p)32P

Particulele grele incarcate cu energii mai mari de 50 MeV genereaza o serie de reactii nucleare in cascada dezintegrarea cu expulzarea de nucleoni rapizi (p d T) fisiunea nucleara reactii secundare si emisia de nuclee usoare

42 Interactiunea electronilor cu substanta

Fasciculele de electroni emisi de radionuclizii β ndash activi (β- si β+) precum si cei proveniti din generatoare la interactiunea cu substanta se atenueaza pierzand energia de-a lungul parcursului

Datorita unor serii de procese de absorbtie prin ciocniri elastice si neelastice si uneori prin radiatie de franare efectele fizice produse de aceste procese constau din excitarea si ionizarea mediului strabatut iar contributia fiecarui proces in parte este determinata de energia electronilor incidenti precum si de natura materialului absorbant

Imprastierea neelastica electron-electron Dintre toate procesele de interactiune ale electronilor cu substanta predominant este cel de imprastiere la ciocnirea neelastica cu electronii orbitali ai atomilor din mediu deci procesele electron-electron Datorita acestui fapt electronii sufera imprastieri sub unghiuri diferite motiv pentru care drumul fasciculelor de electroni prin mediu nu este rectiliniu ci foarte sinuos (fig 47) De aceea intr-o substanta de o anumita grosime electroni de aceeasi energie parcurg drumuri complet diferite care intrec in lungime 15 ndash 4 ori grosimea stratului penetrat

Fig 47 Drumul sinuos al electronilor prin substanta

26

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

Carnotita K(UO2)2(VO4)23 H2O se gaseste de obicei sub forma de mase pulverulente si eflorescente de culoare galben-deschisa sau galben-verzuie cu luciu puternic sidefos Cristalizeaza in sistemul rombic are duritate mica (2 ndash 25) este casant si puternic radioactiv Se gaseste in zona de alterare a rocilor sedimentare in special a gresiilor bogate in resturi organice Zacaminte importante se gasesc in statul Colorado (SUA) Canada Australia Africa de Sud Rusia (Ual Siberia) Cehia Maroc Iordania Israel etc

Toriul se gaseste raspandit in natura 810-4 sub forma de minerale proprii Principalele minereuri din care se extrage toriul sunt

Monazita (CeLaPrNdhellip)Po4 este un mineral care contine ThO2 sub forma de amestec izomorf 4 ndash 19 lantanoide (CeLa) 50 ndash 68 Cristalizeaza in sistemul monoclinic sub forma de cristale mici de culoare galben-bruna cafenie rosie rareori cu luciu accentuat sticlos sau gras si duritate 5 ndash 55 Se intalneste de obicei in pegmatite uneori in gnaise asociat cu feldspat zircon Prin alterare trece in aluviuni fluviale si marine (Brazilia la Minas Geraes) si India In depozite formeaza zacaminte in India Brazilia Africa de Sud Canada SUA Egipt etc

Toritul ThSiO4 se prezinta sub forma de cristale tetragonale de culoare neagra bruna galbena portocalie cu luciu sticlos sau gras casant duritate 45 ndash 5 fiind puternic radioactiv Se intalneste de obicei sub forma de granule diseminate mai rar ca mase compacte Varietatea de culoare portocalie se numeste Orangit iar cea cu continut de 10 ndash 16 U3O8 Uranotorit Se gaseste in Norvegia Elvetia si Madagascar

Radiul nu are minerale proprii insa se gaseste in mineralele de uraniu unde formeaza prin dezintegrarea succesiva 4 radioizotopi naturali 226Ra 228Ra 224Ra si 223Ra descendenti ai celor trei familii radioactive naturale Principala sursa de obtinere a 226Ra este pechblenda care contine 200 mg Rat U3O8 In scoarta pamantului el se gaseste raspandit 2010-10 iar in apele oceanelor si marilor 10-13 g Rat In tabelul 27 se da raspandirea lui in apa si alimente

9

Concentrarea radiului in apa potabila si alimente in pCi 226Rakg material proaspat sau la litru

Tabelul 27Tipul de aliment

New York City Chicago San Francisco R F G

Apa potabila 004 02 - 003-034Apa de rau 003 - - 007-08Paine alba 32 33 29 17-33Faina alba 27 24 13 27Lapte liq 025 024 022 03Cartofi 20 14 10 06-10

Fasole uscata 61 70 24 -Vegetale 24 22 07 16-17Fructe 15-28 14 09 09Orez 15 07 06 -Oua 41-79 27 26 31Peste 12 07 08 28-63Carne 044 045 081 08-15

Prelucrare dupa Schimier H Seelentag Wiand Waldeskong B ldquoThe radiation of human beingsrdquo Tehnical report series nr 123 IAEA p 7-30 (1971)

Protactiniul este raspandit in scoarta terestra 710-12 in minereurile de uraniu sub forma a trei radioizotopi 234Pa(UX2) 234Pa(UZ) si 231Pa La 1 g de uraniu natural se gasesc 3510-7 g Pa respectiv o tona de uraniu contine 1 mg Ac si 129 mg Pa

23 Radioizotopi naturali

In afara elementelor radioactive amintite in scoarta terestra se gasesc raspanditi o serie de izotopi radioactivi ai unor elemente in amestec cu izotopi stabili ai acestora Printre ei se numara 40K(T 128109 a) 87Rb(T471010 a) 115In(T 61014 a) 130Te(T 141021 a) 138La (T 131011 a) 176Lu (T 331010 a) 187Re (T 511010 a) si altii cu timpi de injumatatire cuprinsi intre 1010 si 1017 ani

Din randul lor se remarca 40K care insotind izotopii stabili ai potasiului unul din elementele abundente in scoarta terestra confera o anumita radioactivitate apelor si rocilor Astfel contributia 40K la radioactivitatea apelor marine este de 111 Bql In diferitele roci activitatea adusa de 40K variaza de la 081 Bqg in roci arse in bazalt la 117 Bqg in granite De asemenea ea variaza si in unele alimente de la 066Bqkg in lapte la 222 Bqkg de grau respectiv la 74 Bqkg in carne

O alta serie de radioizotopi cum sunt 14C si tritiul (3H) se formeaza permanent in natura prin bombardarea azotului din aer cu neutroni de origine cosmica sau cu cei eliberati din reactiile (α n) de dezintegrare α-spontana a unor nuclee grele din scoarta terestra (Ac Th Pa U) precum si din procesele de fisiune spontana a unora dintre ele (235U)

10

In troposfera viteza de formare a tritiului este de 60 atomicm2 pe minut iar a carbonului 14 este de 150 atomicm2 pe minut

In natura concentratia 3H si 14C a ramas practic constanta deoarece in decursul timpului s-a stabilit un echilibru intre procesele de formare si de dezintegrare a acestor radioizotopi

Tritiul (3H) care se formeaza intra in echilibru cu hidrogenul din apa de ploaie prin intermediul careia patrunde in biosfera ajungand in cele din urma la o In toate produsele neizolate de acest echilibru natural tritiul se afla in raport de 4 atomi de tritiu la 108 atomi de hidrogen normal Datorita tritiului in medie radioactivitatea naturala a produselor cu hidrogen este de 111 Bq 3Hg 1H (30 pCig) Apa marilor contine 059 Bql (016 pCi 3Hl)

Carbonul 14 odata format oxideaza la 14CO2 si intra rapid in amestec cu CO2

normal in circuitul carbonului Prin fotosinteza el ajunge in metabolismul vegetal si de aici in cel animal pana la om unde produce circa 18105 dezmin fapt care reprezinta a suta parte din radioactivitatea corpului uman

24 Raspandirea radioactivitatii in Univers

Din studiul meteoritilor rezulta ca si alte planete din sistemul solar sunt prezente principalele elemente radioactive uraniul si toriul impreuna cu elementele din familiile radioactive Daca pe Pamant radioactivitatea joaca un rol foarte important in cadrul general al Universului ea se prezinta ca un proces nuclear minor datorita proceselor termonucleare ce se petrec in anumite tipuri de stele si in special in Soare Se estimeaza ca pentru a egala energia primita de la Soare pe Pamant ar trebui sa fie explodate circa 47 bombe nucleare pe secunda Prin aceasta ldquohemoragie energeticardquo sub forma de radiatie Soarele pierde 42 milioane de tone de masa pe secunda Cu toate ca masa Soarelui este mare rezerva sa de energie calorica ar trebui sa fie consumata intr-un timp relativ scurt si ca asistam la scaderea continua a temperaturii Studiile geologice arata ca de-a lungul epocilor geologice temperatura Pamantului si implicit energia primita de la Soare nu a suferit variatii semnificative Aceasta comportare nu poate fi explicata decat acceptand ca energia de la Soare se reinoieste permanent pe baza unui proces exoergic Conform lui H BETHE (1938) principala sursa de energie din Soare il au doua cicluri de reactii termonucleare

- ciclul proton ndash proton (p ndash p) de trecere prin fuziune de la hidrogen la heliu in etape succesive sub forma de reactii nucleare inlantuite in cicluri termonucleare avand ca produsi intermediari izotopii hidrogenului si ai heliului (fig 21) conform acestui ciclu hidrogenul molecular se constituie ca principala rezerva de combustibil nuclear ldquosangele stelelorrdquo si al Soarelui

- ciclul carbon ndash azot (C ndash N) imaginat de BETHE de trecere de la hidrogen la heliu prin trepte intermediare in prezenta unui nucleu strain cu rol catalizator cum este carbonul 12 in cadrul caruia carbonul se reface iar din patru protoni rezulta un heliu si doi pozitroni (fig 22) In realitate in stele au loc concomitent cele doua cicluri La inceput predomina ciclul p ndash p dupa care urmeaza o perioada cu temperaturi mai ridicate cand predomina ciclul carbon ndash azot

11

Fig 21 Ciclul proton ndash proton Fig 22 Ciclul carbon ndash azot

Multa vreme s-a crezut ca prin ciclul carbon ndash azot se incheie seria reactiilor termonucleare ce au loc in stele In realitate prin cresterea treptata a temperaturii pot sa aibe loc inca o serie de reactii termonucleare prin capturare de helioni cand se formeaza nuclee de 16O si 20Ne procesul nuclear continuand cu formarea 24Mg pana la nucleele cu numar de masa cuprins intre 40 ndash 60

12

3 Efecte radiobiologice asupra omului

Imediat dupa descoperirea radiatiilor roumlentgen si apoi a radioactivitatii s-a sesizat si caracterul periculos al radiatiilor ionizante in cazul folosirii nerationale Pionierii roentgenografiei au cunoscut ldquope propia lor pielerdquo actiunea radiatiilor ionizante iar dupa descoperirea radioactivitatii primele victime au aparut in 1920 in SUA in randul muncitorilor care aplicau vopsele luminoase pe cadranele ceasornicelor Acestora li s-au adaugat savantii Marie Curie si Ireacutene Joliot-Curie renumiti cercetatori in domeniul radioactivitatii care au decedat dupa grele suferinte de leucemie radioindusa Dar cele mai mari victime s-au inregistrat la sfarsitul celui de al doilea razboi mondial in urma exploziilor celor doua bombe atomice lansate de catre SUA asupra Japoniei la Hirosima si Nagasaki

31 Particularitatile efectelor biologice

Indiferent de urmarile provocate de impactul radiatiilor ionizante cu organismul viu actiunea biologica prezinta unele particularitati si anume

- organismul omenesc nu este dotat cu un organ de simt care sa sesizeze prezenta radiatiilor ionizante iar efectul biologic nu este vizibil in momentul iradierii

- efectele biologice sunt cumulative si nu au un caracter particular care sa ne permita deosebirea de efectele aparute altfel decat prin iradiere

- modificarile si simptomele evolueaza lent dupa iradiere Unele sunt imediate sau precoce si apar dupa un ragaz care variaza de la cateva ore la cateva saptamani Altele sunt intarziate si survin dupa mai multi ani (leucemia) dupa mai multe zeci de ani (cancerul fatal) sau pot provoca efecte genetice

In realitate efectele biologice produse de actiunea radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului sunt rezultatul unei lungi serii de fenomene care se declanseaza la trecerea radiatiilor prin organismele vii Evenimentele initiale sunt ionizari si excitari ale atomilor si moleculelor din mediul de interactiune de-a lungul traiectoriilor particulelor ionizante Ulterior aceste perturbari fizice antreneaza reactii fizico-chimice urmate de reactii chimice generand in final efecte biologice Schematic cronologia acestor evenimente este data in tabelul 31

13

Tabelul 31 Prezentarea schematica a fenomenelor declansate deradiatiile ionizante in mediu biologic

32 Clasificarea efectelor biologice

In prezent efectele nocive ale radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului a descendentilor sai si asupra umanitatii in general se clasifica in doua categorii

- efecte nestochastice si- efecte stochasticeEfectele nestochastice sunt efecte imediate (precoce) cu prag reversibile si

imperfect aditive Fiind caracterizate de o relatie de cauzalitate determinate intre doza si efect ele apar atunci cand doza primita depaseste o anumita valoare de prag (fig 31)

Fig 31 Dependenta efectului biologic de doza biologicaa ndash efecte stochastice fara prag b ndash efecete nestochastice cu prag

14

Valoarea pragului pentru un anumit efect poate varia in jurul unei valori medii de la un individ la altul si in functie de conditiile de iradiere In general efectele nestochastice apar destul de repede in timp fiind efecte imediate (precoce) iar vatamarile provocate de ele sunt cu atat mai mari cu cat doza este mai mare

Avand caracter reversibil exista posibilitatea regenerarii unor tesuturi iar dozele administrate intr-un timp lung nu sunt perfect aditive De aceea pentru evitarea producerii lor are mare importanta administrarea fractionata a dozelor de radiatii

Printre efectele nestochastice se numara leziunile nemaligne ale pielii cataracta hipolezia medulara care antreneaza o deficienta hematologica a vatamarilor provocate celulelor gonadelor cu repercusiuni asupra fertilitatii

Efectele stochastice sunt intotdeauna efecte somatice tarzii fara prag ireversibile si aditive Aparitia lor urmeaza o relatie probabilistica doza-efect aparent la intamplare de unde si numele stochastic Altfel spus dintr-o populatie aflata intr-o zona de radiatii efectele stochastice apar numai in unele cazuri individuale aparent la intamplare

Printre ele se numara efectele somatice care se manifesta cu intarziere sub forma de afectiuni maligne (cancer) si efecte genetice (ereditare) ce apar la descendenti Practic intre momentul iradierii si al aparitiei bolii maligne pot trece ani sau zeci de ani

Fiind relatii liniare intre frecventa de aparitie a efectelor stochastice si dozelor absorbite pentru radiatiile cu transfer liniar de energie mica rezulta ca in aceste cazuri la doze mici si debite mici ale dozei riscul pentru sanatate este proportional cu doza administrata In literatura de specialitate factorul de proportionalitate dintre frecventa de aparitie a acestor efecte si doza absorbita a fost denumit factor de risc

Dozele administrate in timp lung fiid aditive nu are importanta daca doza care produce efctul respectiv a fost administrata fractionat sau instantaneu respectiv intr-o secunda sau intr-o luna

Efectul biologic produs este ireversibil si in prezent nu se cunosc metode de reducere a probabilitatilor de aparitie a efectelor stochastice somatice datorate unor doze deja primite

Detrimentul sanatatii Conceptul de detriment al sanatatii se refera la fenomenul de distrugere (vatamare) integrala a unei persoane datorita efectelor biologice ale radiatiilor ionizante fenomen care poate aparea dupa o iradiere in conditii bine definite si la un anumit nivel de doza

In cazul unui efect patologic dat (i) detrimentul (Gj) la un individ (j) este exprimat de produsul intre probabilitatea de aparitie a efectului (pi) si factorul corespunzator de gravitate (g)

iar pentru un grup de persoane (P) detrimentul colectiv (G) este

Acest concept se aplica atat asupra efectelor stochastice cat si a celor nestochastice in principal fiind utilizat pentru estimarea vatamarilor datorate efectelor stochastice

Intre probabilitatea de aparitie a efectelor biologice stochastice si echivalentul de doza se stabileste o relatie liniara fara prag aplicata la doze slabe De aceea detrimentul colectiv al sanatatii este proportional cu echivalentul de doza efectiv colectiv Totusi in mod practic detrimentul unui grup de indivizi nu poate fi redus la o insumare a vatamarilor individuale fapt pentru care echivaletul de doza colectiva se ia ca un partener printre altele

15

33 Fazele tipice ale evolutiei imbolnavirii in urma iradierii

In dinamica evolutiei reactiilor care au loc in urma iradierii se pot distinge trei perioade importante perioada primara perioada latenta si perioada secundara

Reactiile in perioada primara de actiune a radiatiilor ionizante se datoreaza a trei tipuri principale de mecanisme mecanismul actiunii directe indirecte si la distanta

Efectul biologic prin actiune directa consta in transmiterea directa a energiei particulelor incarcate sau a electronilor secundari catre atomii si moleculele substantelor celulare Produsul principal al acestei actiuni sunt ioni si atomi excitati de-a lungul parcursului particulei in celula Datorita ionizarii si excitarii substantelor prin mecanism primar se produc modificari chimice ale acestora (mecanismul actiunii indirecte) Deoarece organismele vii au in compozitia lor un mare procent de apa la om ajungand pana la 85 din greutatea corpului multa vreme s-a considerat ca actiunea nociva a radiatiilor ionizante este cauzata de produsele de descompunere a ei si in special de apa oxigenata care actioneaza ca agent oxidant (ipoteza actiunii prin apa oxigenata) O ipoteza mai verosimila considera ca rolul principal in actiunea biologica primara il au radicalii H OH si O2H care apar la radioliza apei (ipoteza actiunii prin radicali liberi) Conform acestei ipoteze radioliza apei constituie o sursa pentru actiunea indirecta a radiatiei deoarece radicalii liberi formati pot afecta atat cromozomii cat si proteinele citoplasmatice

Datorita interventiei sistemului nervos a glandelor endocrine si a transportului prin umori sau difuziune a unor substante rezultate in tesuturile iradiate efectele biologice se pot produce nu numai in organele iradiate ci si in cele neiradiate (mecanismul actiunii la distanta sau al actiunii secundare)

Perioada latenta care apare in organism dupa perioada primara se caracterizeaza prin faptul ca fenomenele sunt atat de neinsemnate incat nu pot fi descoperite neinregistrandu-se nici un fel de tulburari Perioada latenta variaza invers proportional cu doza de radiatii De aceea in cazul unor iradieri cu doze mortale perioada latenta dureaza de la cateva ore la 30-40 de zile iar in doze fractionate mici ea dureaza mai mult de un an

Perioada secundara este dominata de formarea in celule si tesuturi de substante toxice care conduc la intoxicarea organismului determinand o serie de efecte biologice importante (ipoteza formarii uor substante toxice) Reactiile din aceasta perioada sunt de natura necunoscuta si in decursul timpului ele au fost atribuite actiunii apei oxigenate peroxizilor organici si histaminei problema fiind insa in discutie Cert este faptul ca sub actiunea radiatiilor ionizante apar molecule active in primul rand in celulele din tesuturi si in paralel in sange si in limfa

34 Clasificarea efectelor biologice dupa natura lor

Cel mai fercvent efectele biologice se clasifica dupa natura lor in- efecte precoce care nu apar decat pentru doze ridicate- efecte somatice tarzii care se manifesta dupa mai multi ani chiar mai multi zeci

de ani- efecte genetice care privesc descendentii - efecte teratogene care se refera la afectarea embrionului si a fetusului

341 Efecte biologice precoce

16

Efectele biologice precoce survin la putin timp dupa iradiere uneori dupa cateva ore sau mai putin si sunt efecte cu prag fapt pentru care nu apar decat daca doza depaseste un anumit nivel Deasupra pragului ele cresc cu doza De aceea pentru a evita producerea lor s-au elaborat reglementari care impun limitarea sub nivelul de prag al dozelor ce le pot primi operatorii care lucreaza in medii de radiatii ionizante Cele mai fragile tesuturi care sufera efecte biologice cu prag sunt pielea celulele formate de sange maduva osoasa intestinul si organele sexuale sau gonade

Efectele biologice precoce in cazul iradierilor partiale Acestea se refera la piele maduva osoasa si organele genitale

Pielea Efectele radiobiologice ale pielii sunt foarte variabile si ele depind de doza de localizarea anatomica de varsta de pigmentatia tegumentului etc In general la doze mai mari de 10 Gy nu se observa nici o leziune grava dar la 25 din cazuri apare o senzatie de caldura La doze intre 10 si 20 Gy apar epidermite exudative urmate dupa un timp de o latenta de trei saptamani de eritema secundara apoi de epitelitaexudativa dupa 3-6 luni facandu-se restaurarea fara recurs In cazul unor iradieri foarte importante si profunde se altereaza vascularizatia si apare ulceratia care necesita un tratament chirurgical

Maduva osoasa organul cel mai sensibil la iradierea globala conduce limfopenia cu atat mai repede cu cat doza de radiatii este mai mare

Organele sexuale respectiv testiculele la barbati si ovarele la femei reactioneaza diferit la iradiere

Testiculele care se remarca printre cele doua functii de producatore de hormoni si spermatozoizi la iradiere le este afectata numai cea de-a doua functie (producatoare de spematozoizi) La doze relativ mici de 05 Gy se instaleaza o depresiune tranzitorie si spontan reversibila iar la doze de circa 2 Gy apare o azospermie si sterilitate temporara in jur de un an Experientele efectuate de americani pe detinuti voluntari au aratat ca in cazul iradierii testiculelor cu doze de 6 Gy sterilitatea este temporata la om De asemenea supravietuitorii dintre cei 23 pescari japonezi care au fost iradiati in urma exploziei experimentale a armei termonucleare de la Bikini in 1954 si care se estimeaza ca au primit doze de 3 - 66 Gy dupa o sterilitate de 2-3ani au avut copii normali (in total 45 copii)

- Ovarele comparativ cu testiculele au o sensibilitate mai mica fata de radiatiile ionizante aceasta fiind influentata si de varsta Astfel pe cand la o femeie tanara in jur de 25 de ani este necesara o doza de 12-15 Gy pentru a provoca o menopauza artificiala la o femeie de peste 40 de ani este suficienta o doza de numai 7 Gy Se mentioneaza ca la femei sterilitatea este insotita de oprirea functiei endocrine

Din cercetarile efectuate precum si din constatarile asupra descendentilor celor iradiati in urma exploziilor atomice de la Hirosima si Nagasaki a rezultat ca in urma unei iradieri puternice care a provocat sterilitatea temporara nu s-au produs urmari genetice prin afectarea celulelor sexuale

Iradierea organelor profunde La iradieri puternice mai ales in radioterapie sunt iradiate si organele profunde plamanii inima rinichii tubul digestiv ficatul sistemul nervos central si creierul Dintre acestea deosebit de sensibile sunt plamanii care dupa o doza de 25 Gy se imbolnavesc de fibron pulmonar iar dupa 6-12 luni urmeaza decesul

Rinicii si ficatul sunt afectati la doze peste 30 Gy In cazul rinichilor functionarea lor este afectata dupa cateva saptamani de la iradiere pe cand vezica poate suporta doze mult mai mari Diversele organe ale aparatului digestiv au radiosensibilitati diferite Cel mai radiosensibil este intestinul subtire la care apar leziuni in urma absorbtiei unor doze

17

sub 30 Gy Urmeaza stomacul care este afectat de doze in jur de 40 Gy cel mai rezistent fiind colonul care reactioneaza numai la doze cuprinse intre 50 si 56 Gy

Destul de radiosensibil este si sistemul nervos care manifesta o fragilitate a celulelor nervoase a vaselor sangvine si o capacitate limitata de regenerare a tesuturilor nervoase La doze peste 40 Gy administrate in patru saptamani apare o paraplegie care dupa doi ani se extinde In ceea ce priveste creierul desi modificari morfologice apar deja de la doze de 10 Gy el poate suporta doze de circa 50 Gy timp de 5-6 saptamani

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor globale In urma unor iradieri globale cu doze in jur de 1 Gy care sunt fara gravitate imediata nu se observa decat foarte discrete modificari hematologice in ceea ce priveste globulele albe dar ele se regenereaza rapid In astfel de cazuri se aplica un tratament modest fara a fi necesara spitalizarea

La doze cuprinse intre 1 si 2 Gy desi semnele fizice inca lipsesc se observa o scadere a globulelor albe si a plachetelor iar numarul globulelor rosii este modest In acest caz sunt necesare transfuzii si tratament antibiotic Din contra la doze de peste 2Gy se observa o evolutie stereotipa a bolii cu afectarea celulelor formatoare de sange si scaderea corespunzatoare a numarului maxim de elemente reprezentative din sange Evolutia imbolnavirii se face urmand cele patru faze tipice Dupa o perioada de debut care dureaza trei zile insotita de simptome discrete urmeaza de perioada latenta practic silentioasa care dureaza peste trei saptamani In continuare se instaleaza perioada de stare (perioada critica) careia i se asociaza semne generale cum sunt oboseala intensa tulburari digestive hemoragii si infectii formula sangvina fiind foarte modificata In acest moment viata bolnavului este in pericol Abia dupa circa trei luni el intra in covalescenta In acest caz spitalizarea este indispensabila intr-un centru specializat cu locuri sterilizate repaus absolut si eliminarea posibilitatilor de infectare In cadrul tratamentului se recomanda grefe de maduva osoasa La doze mai mari grefa cu maduva osoasa poate fi singura sansa iar la doza peste 12 Gy de iradiere instantanee orice tratament terapeutic nu este eficace

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor accidentale In ultimele decenii s-au inmultit numarul iradierilor accidentale Principal ele pot fi clasificate in iradieri implicand una sau mai multe persoane ori a unor grupuri mari de persoane

Iadieri accidentale implicand una sau mai multe persoane Pana in anul 1965 au fost inregistrate 12 astfel de accidente critice in lume in care persoane au fost expuse global in cursul unor cercetari sau operatii chimice dintre care au rezultat 9 decese

De asemenea se cunosc 24 accidente cu surse gamagrafice dintre care 15 accidente cu 192Ir si 9 accidente cu 60Co din care au rezultat 17 morti si 38 grav iradiati In ultimii 40 de ani au avut loc 115 cazuri de iradieri locale care au facut 156 victime Principalele cauze se datoresc instalatiilor de radiatii X pentru analiza cristalografica (69) surselor de gamagrafice cu 192Ir (34) 60Co (25) emitatori β-activi (11) acceleratori de particule (8) si diverse surse (8) Iradierile interne sunt mai rare si mai greu de cunoscut In Franta sunt cunoscute numai o zecime din decese 7 sunt imputabile activitatii medicale

Iradieri accidentale a unor grupuri mari de persoane Iradierile simultane asupra unui numar ridicat de persoane au fost inregistrate in urma unor experiente cu arme termonucleare sau a unor defectiuni survenite in functionarea unor centrale atomoelectrice

Explozia experimentala a armei termonucleare de la Bikini de la 1 martie 1954 a provocat printre altele si iradierea puternica prin caderi de pulberi radioactive a locuitorilor de pe Insula Marschall precum si a 23 de pescari marinari de pe vasul japonez ldquoFukuriu Marurdquo

18

Recent prin defectarea centralei atomoelectrice de la Cernobal (Ucraina) din aprile 1986 au fost iradiate 22 persoane cu doze peste 8 Gy 22 persoane cu doze intre 4 si 8 Gy 53 persoane cu doze intre 2 si 4 Gy si 203 persoane cu doze peste 1 Gy fiind inregistrate 31 decese

342 Efecte somatice tarzii

Efectele somatice tarzii in general sunt fara prag Ele pot fi necancerigene (cataracte tulburari ale cresterii scaderea longevitatii si a unor reactii imunologice) insa principalul efect intarziat este cancerul care apare dupa cativa ani sau zeci de ani de la iradiere Principalele efecte somatice tarzii necancerigene se caracterizeaza prin urmatoarele

Cataractele sunt boli care provoaca opacifierea cristalinului Radiatiile ionizante genereaza cataracte la doze superioare la 10 Gy de radiatii X Ele sunt efecte cu prag care la barbati este foarte ridicat si apare intre 1 si 10 ani de la iradiere In cazul neutronilor rapizi pragul este mult mai jos asymp08 Gy respectiv asymp8 Sv

Tulburari de crestere Constatarile efectuate pe supravietuitorii de la Hirosima si Nagasaki au evidentiat ca prin expunere la doze de 1 Gy au loc tulburari de crestere si anume un deficit in greutate o scadere a taliei si a circumferintei capului

Longevitatea De asemenea studiile de supravietuitori de la Hirosima sI Nagasaki precum si pe animale in laborator au aratat ca la doze ridicate (asymp4 Gy) de radiatii se scurteaza durata medie de viata indiferent daca iradierea a produs leucemie sau cancer

Reactiile imunologice La iradierea cu doze de 1 Gy scad reactiile imunologice si organismele devin vulnerabile la infectii

Pielea desi nu este radiosensibila se mnifesta ca un organ critic avand un prag de toleranta de asymp2mGyzi Prin iradierea mainilor cu doze superioare (5 mGyzi) apar leziuni cutanate cronice sau uscate si atrofice care fisureaza dand ulceratii grave

Cancerele principalele efecte intarziate se caracterizeaza prin faptul ca nu au prag si se produc mai ales cu doze slabe de radiatii Frecventa lor este influentata de o serie de factori printre care se numara doza de radiatie natura radiatiilor sexul varsta si natura tesuturilor iradiate

Dintre toti factorii doza de radiatii este cel mai important iar dintre radiatii particulele α si neutronii sunt cele mai periculoase Radiosensibilitatea organismelor este diferita in functie de sex ea este mai importanta la femei decat la barbati in special pentru sani si tiroida si are un efect invers pentru maduva osoasa si pulmon Totodata efectele difera cu varsta copiii tineri adolescentii si persoanele in varsta fiind mai radiosensibile decat adultii Timpii de latenta sunt foarte variabili si depind in mod esential de natura tesutului iradiat Ei sunt cuprinsi intre 4 si 20 de ani de la iradiere pentru leucemie de 10 ani pentru tumori 22-25 de ani pentru sani etc Cancerul cutanat apare la doze de circa 15 Gy radiatii electromagnetice intre 25 si 40 de ani Cancerul osos apare la doze gt8Gy iar leucemia la doze gt1 Sv Cancerul sanului apare la doze de 020 Gy (la iradieri radiologice) iar cancerul tiroidei la 01 Gy la copii intre 13 si 14 ani

343 Efecte geneticeAlaturi de alti agenti fizico-chimici (substante chimice radiatiile

electromagnetice caldura etc) care pot provoca efecte mutagene se afla si radiatiile ionizante

19

Daca la doze slabe nu s-au inregistrat astfel de efecte la om in schimb printre copiii supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki iradiati cu doze puternice s-au inregistrat cazuri de anomalii genetice semnificative

Pe plan uman singurele informatii de care dispunem sunt descendentii iradiatilor de la Hirosima si Nagasaki si ai pescarilor de la Bikini dar in ambele cazuri dozele nu sunt cunoscute cu precizie In cazul supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki desi au prezentat forme cancerigene pentru doze ridicate (gt1 Gy) nu s-au inregistrat efecte genetice De asemenea in cazul celor 23 marinari pescari de la Bikini iradiati de caderile radioactive cu exceptia unuia care a decedat dupa o sterilitate de doi ani ceilalti au avut copii normali (45 copii) la care nu au fost observate efecte genetice aparente la prima generatie

In modul de evaluare a efectelor genetice se intampla unele dificultati datorate urmatorilor factori caracterul particular al efectelor genetice necesitatea extrapolarii rezultatelor obtinute experimental pe animale la om si de asemenea extrapolarea rezultatelor obtinute experimental cu doze forte la doze slabe

Din investigarile pe animale s-a stabilit ca fercventa anomaliilor genetice se observa la doze gt1 Gy La om anomaliile (de ex structura cromozomilor) reprezinta un risc de 1-10 pe milion de nasteri vii pe centiGy iar mutatiile genetice apar la iradierea celor doi parinti cu o frecventa de 5-65 pe milion de nasteri vii pe centiGy Dupa prima generatie si la echilibru (dupa 5 generatii) frecventa lor este de 40-200 pe milion de nasteri vii pe centiGy pe generatie Mutatiile sunt legate de sexe in sensul ca ele se transmit prin femei In prima generatie numarul de afectiuni adaugat este lt13 pe milion de nasteri vii pe centiGy

Particularitatile mutatiilor genice In functie de sex riscul pentru femeie este mai putin important ca pentru barbat Dupa varsta la femei sunt doua perioade critice principala este perioada reproducerii de la pubertate la menopauza A doua este pana in luna a saptea a vietii fetale La barbat perioada periculoasa se afla intre 20 si 40 ani perioada in care se fac majoritatea fecundarilor

Ipoteza prejudiciului genetic dat de iradierile slabe In mod normal o populatie se afla in echilibru genetic Aparitia de noi mutanti este compensata de eliminarea mutantilor existenti prin decese precoce sau prin fecundari mai putine uneori chiar nule In cazul unor iradieri suplimentare acest echilibru se rupe iar fiecarei generatii i se vor adauga descendentilor mutatiile produse la toate generatiile anterioare (mutanti suplimentari) Ca urmare se vor produce o crestere a mutatiilor letale si a celor dominante precm si o acumulare a mutatiilor primite

344 Efecte biologice teratogene

Efectele teratogene sunt anomalii si malformatii provocate de actiunea unor agenti fizici chimici si infectiosi sau a radiatiilor ionizante asupra embrionului si fetusurilor pe timpul cresterii

Sensblitatea lor la radiatii variaza dupa stadiul dezvoltarii embrionului dar pragul de actiune este foarte net mai jos decat dupa nastere Efectele teratogene sunt ireversibile iar radiatiile ionizante produc aceleasi efecte ca si alti agenti teratogeni Sub actiunea radiatiilor ionizante in functie de stadiul de dezvoltare a embrionului si a fetusurilor se deosebesc urmatoarele

20

- In stadiul de preimplantare iradierea determina fie distrugerea oului fie moartea uneia sau a mai multor celule Aceasta perioada adesea trece neobservata de femeie Doza letala 50 este de 05-06 Gy

- In stadiul de organogeneza cand femeia are consecinte de intarziere si banuiala ca ar fi insarcinata o doza de 01 Gy poate antrena malformatii Aceasta este perioada critica deoarece radiosensibilitatea este maxima

- In stadiul fetal frecventa si gravitatea malformatiilor se diminuiaza In schimb iradierea poate avea o actiune cancerigena care se manifesta la copii tineri Dozele egale sau inferioare la 025 Gy sunt considerate ca fara efect

Cele mai importante consecinte legate de efectele teratogene sunt- malformatiile ca de exemplu cele microcefalice care pot fi insotite de

intarzierea mentala - intarzierea cresterii care are loc la doze puternice (gt1 Gy) printre care se

remarca deficitul ponderal scaderea taliei si a circumferintei capului si o intarziere a osificarii

- cancerul care apare la iradieri in uter cu doze de 002 Gy-mortalitatea intrauterina si neonatala creste In cazul supravietuitorilor de la

Hirosima si Nagasaki ea a fost cu 40 mai mare decat cea normala - efecte genetice nu s-au observat nici printre descendentii celor iradiati in uter cu

ocazia exploziilor nucleare de la Hirosima si NagasakiPe baza acestor observatii se impune luarea unor precautii in cazul femeilor

insarcinte care sunt expuse profesional la doze de radiatii ionizante si excluderea lor de la orice fel de examen radiologic

21

4 Efectele fizice ale radiatiilor ionizante la interactiunea cu substanta

La impactul cu substanta fasciculele de radiatii ionizante sufera procese de atenuare datorita devierii (imprastierii) acestora printr-un mecanism monoact sau prin absorbtie cand isi pierd complet energia pe baza unui mecanism continuu Cele mai importante efecte ale radiatiilor ionizante sunt excitarea si ionizarea care pot fi directe in cazul particulelor incarcate electric sau indirecte in cazul radiatiilor X γ si a neutronilor

41 Interactiunea particulelor grele incarcate cu substanta

Particulele grele incarcate cum sunt radiatiile α protonii deuteronii atomii multiplu ionizati si produsii de fisiune nucleara la impactul cu substanta se atenueaza cu parcurs pe baza unui mecanism de pierderi mici de energie intr-un numar foarte mare de procese de interactiune

Procesul predominant este cel de interactiune cu electronii atomilor si moleculelor probabilitatea de interactiune cu nucleele atomilor fiind foarte mica

Transferul liniar de energie (TLE) notat cu Q realizat prin ciocniri neelastice cu electronii atomilor si ai moleculelor intalnite este dat de relatia lui HA Bethe

[erg∙cm-1]

in care N este numarul de atomi dintr-un cm3 Z ndash sarcina particulei m0 ndash masa de repaus a electronului v ndash viteza e ndash sarcina electronului β = vc J ndash potentialul mediului de excitare al substantei iradiate

In figura 41 se prezinta modul de variatie al numarului particulelor α cu mediul Transferul Q depinde de viteza (v) si de sarcina (Z) a prticulelor grele incidente iar pe o distanta Δx particula pierde o energie ΔE care este data de suma transferurilor Q in cursul ciocnirilor ce au loc pe aceasta distanta ΔE=ΣQ

Fig 41 Variatia numarului particulelor α in unitatea de timp cu distanta parcursa intr-un mediu dat

Atunci cand o particula parcurge un mic segment Δx din traiectoria sa ea sufera numeroase ciocniri cu electronii care se gasesc in vecinatatea traiectoriei sale Raportul S=ΔEΔx se numeste putere de incetinire a particulelor in mediu si reprezinta pierderea specifica de energie fiind dependent de viteza (v) si sarcina (Z) a particulei incidente Distanta maxima pe care o strabate o particula de energie initiala E intr-un mediu dat se numeste parcurs (R) si se exprima in metri El se poate calcula cu ajutorul relatiei

[m]

22

Din cauza fluctuatiei accidentale de ciocniri individuale dintre particulele grele incarcate si atomii mediului parcursurile lor nu sunt riguros egale asa cum se poate observa cu ajutorul unei camere Wilson (fig 42)

Fig 42 Parcursurile particulei α in camera Wilson

La strabaterea mediilor gazoase parcursurile radiatiilor α ating centimetri ( tabelul 41) pe cand in medii lichide si solide descresc mult fiind de ordinul micrometrilor Asa se explica faptul ca o foaie de hartie este suficienta pentru a absorbi complet un fascicul de radiatii α de mare energie Parcursul radiatiilor α in aer se calcleaza cu ajutorul relatiei empirice a lui Bethe R=032 E32 In fig 43 este data dependenta dintre energie si parcursul radiatiilor α

Parcursurile radiatiilor α ale Po si RaC΄ in diferite mediiTabelul 41

Mediul strabatut Parcursul radiatiilor α ale210Po(530 Mev) 214RaC΄(76 MeV)

Aer 00387 m 00698 mHidrogen 01730 m 03250 m

Heliu 0215 m 0390 mArgon 00417 m 0073 m

Alcool etilic 371μm -Aur - 14 μm

Gelatina foto 23 μm 50 μm

Ciocnindu-se cu electronii mediului strabatut particulele α produc efecte dependente de energia Q transferata acestora

Fig 43 Dependenta dintre energie si parcursul particulelor α

a Daca energia transferata (Q) este superioara energiei de legatura a electronilor (asymp10eV) acestia sunt smulsi si azvarliti particulele incidente pastrandu-si directia practic neschimbata fapt pentru care parcursul lor in orice mediu este rectiliniu Atomul caruia i

23

s-a smuls un electon devine ion pozitiv si impreuna cu electronul detasat formeaza o pereche de ioni procesul in ansamblu numindu-se ionizare

Numarul de perechi de ioni creati pe unitatea de lungime se numeste ionizare specifica (j) si este data de raportul dintre patratul atomic Z al particulelor si patratul vitezei particulei (vp)

WL BRAGG studiind variatia numarului de ioni formati in functie de unitatea de lungime a constatat ca ionizarea maxima este atinsa la sfarsitul parcursului (Fig 44)

Fig 44 Curbele de tip Bragg ale Po si RaC΄

b In cazul in care energia tansferata (Q) este inferioara energiei de legatura a electronului acesta nu este detasat din structura atomica sau moleculara de care apartine si se produce excitarea atomului respectiv

Urmarind distributia energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale se obtine o curba de distributie care este reprezentata in fig 45

Fig 45 Curba de distriutie a energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale

Conform acestei curbe energia ε=ΔE pierduta de o particula parcurgand un mic segment Δx din traiectoria sa se repartizeaza astfel

- 30 din energie (100gtQgt10eV) se consuma in excitari - 30 din energie (Qlt10eV) se consuma pentru ionizari- 40 din energie (Qgt100eV) se consuma pentru producerea de electroni

secundari δAceasta repartitie ramane constanta de-a lungul traiectoriei particuleiAutoabsorbtia radiatiilor α Urmarind variatia curentului de ionizare (I) produs

de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva (Fig 46) se observa ca numai in cazul straturilor foarte subtiri se inregistreaza o crestere proportionala a curentului de ionizare cu grosimea stratului activ Pentru o anumita grosime a stratului de substanta ionizarea devine constanta deoarece particulele α emise

24

de straturile inferioare se absorb total in cele superioare Straturile ale caror grosime este egala sau mai mare decat pacursul se numesc straturi ldquogros infiniterdquo

Fig 46 Variatia curentului de ionizare produs de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta rdioactiva

Ecranarea particulelor grele incarcate Particulele grele incarcate in primul

rand radiatiile α au parcursuri foarte mici de ordinul micronilor in corpuri solide fapt pentru care nu ridica probleme speciale de ecranare fiind absorbite total si cu usurinta de toate substantele chiar si de o foaie de hartie De aceea simpla utilizare a manusilor de cauciuc ori a hartiei de filtru in lucrari de laborator cu astfel de substante radioactive sunt masuri suficiente care sa asigure o buna protectie impotriva iradierii externe

Reactiile nucleare ale prticulelor grele incarcate La interactiunea particulelor grele incarcate cu anumite nuclee tomice acestea pot sa sufere transmutatii artificiale In particular radiatiile α emise de unele surse radioactive naturale au importanta istorica deoarece stau la baza unor importante descoperiri cum sunt

- reactiile nucleare (α p) realizate pentru prima data de E RUTHERFORD in anul 1919 au condus la descoperirea primei transmutatii artificiale sinteza izotopului stabil 17O din 14N cu emisia unui proton

In prezent cu ajutorul particulelor α ndash accelerate se prepara numerosi radioizotopi pe baza ecuatiei generale

- reactiile nucleare (α n) au stat la baza descoperirii neutronului de catre CHADWICK in 1932 prin bombardarea beriliului cu radiatii α ale poloniului

Reactiile (α n) prezinta un interes deosebit si datorita faptului ca ele stau la baza surselor de neutroni de laborator Substantele α ndash active cele mai utilizate sunt210Po 226Ra si 239Pu

Sursele Ra ndash α ndash Be emit neutroni cu un spectru energetic continuu cu energii pana la 137 MeV si randament foarte mare la 1 mCi Ra corespund 13 104 ncm2 s fiind sursele cele mai constante din cauza timpului de injumatatire lung al radiului (1600 a)

Tot pe baza reactiei nucleare (α n) sotii JOLIOT-CURIE in anul 1934 iradiind o foita de aluminiu cu particule α au obtinut fosfor radioactiv descoperind radioactivitatea artificiala care a deschis perspective nebanuite fizicii si chimiei nucleare

In prezent sub actiunea particulelor α accelerate se produc numerosi radioizotopi

ai elementelor cu timpi de injumatatire mici pe baza reactiei generale

25

De asemenea sub actiunea particulelor α accelerate au fost sintetizate o parte din elementele transuraniene conform reactiilor

In mod asemanator pot provoca reactii nucleare si alte particule grele accelerate

(protoni deuteroni) Dintre acestea se remarca- reactiile nucleare (p γ) puternic exoenergice cu emisie de fotoni de mare

energie - reactiile nucleare (d n) care stau la baza producerii neutronilor de laborator cu

ajutorul generatoarelor de inalta tensiune Cu ajutorul deuteronilor de 5 MeV s-au sintetizat pentru prima data prin reactii nucleare (d n) tehnetiul si prometiul

- reactiile nucleare (d p) care se produc cu o probabilitate de 10 ori mai mare

decat cele (d n) prezinta interes deoarece conduc la formarea de izotopi ai tintei intocmai ca in cazul reactiilor (nγ) De exemplu 23Na(dp)24Na 31P(d p)32P

Particulele grele incarcate cu energii mai mari de 50 MeV genereaza o serie de reactii nucleare in cascada dezintegrarea cu expulzarea de nucleoni rapizi (p d T) fisiunea nucleara reactii secundare si emisia de nuclee usoare

42 Interactiunea electronilor cu substanta

Fasciculele de electroni emisi de radionuclizii β ndash activi (β- si β+) precum si cei proveniti din generatoare la interactiunea cu substanta se atenueaza pierzand energia de-a lungul parcursului

Datorita unor serii de procese de absorbtie prin ciocniri elastice si neelastice si uneori prin radiatie de franare efectele fizice produse de aceste procese constau din excitarea si ionizarea mediului strabatut iar contributia fiecarui proces in parte este determinata de energia electronilor incidenti precum si de natura materialului absorbant

Imprastierea neelastica electron-electron Dintre toate procesele de interactiune ale electronilor cu substanta predominant este cel de imprastiere la ciocnirea neelastica cu electronii orbitali ai atomilor din mediu deci procesele electron-electron Datorita acestui fapt electronii sufera imprastieri sub unghiuri diferite motiv pentru care drumul fasciculelor de electroni prin mediu nu este rectiliniu ci foarte sinuos (fig 47) De aceea intr-o substanta de o anumita grosime electroni de aceeasi energie parcurg drumuri complet diferite care intrec in lungime 15 ndash 4 ori grosimea stratului penetrat

Fig 47 Drumul sinuos al electronilor prin substanta

26

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

Concentrarea radiului in apa potabila si alimente in pCi 226Rakg material proaspat sau la litru

Tabelul 27Tipul de aliment

New York City Chicago San Francisco R F G

Apa potabila 004 02 - 003-034Apa de rau 003 - - 007-08Paine alba 32 33 29 17-33Faina alba 27 24 13 27Lapte liq 025 024 022 03Cartofi 20 14 10 06-10

Fasole uscata 61 70 24 -Vegetale 24 22 07 16-17Fructe 15-28 14 09 09Orez 15 07 06 -Oua 41-79 27 26 31Peste 12 07 08 28-63Carne 044 045 081 08-15

Prelucrare dupa Schimier H Seelentag Wiand Waldeskong B ldquoThe radiation of human beingsrdquo Tehnical report series nr 123 IAEA p 7-30 (1971)

Protactiniul este raspandit in scoarta terestra 710-12 in minereurile de uraniu sub forma a trei radioizotopi 234Pa(UX2) 234Pa(UZ) si 231Pa La 1 g de uraniu natural se gasesc 3510-7 g Pa respectiv o tona de uraniu contine 1 mg Ac si 129 mg Pa

23 Radioizotopi naturali

In afara elementelor radioactive amintite in scoarta terestra se gasesc raspanditi o serie de izotopi radioactivi ai unor elemente in amestec cu izotopi stabili ai acestora Printre ei se numara 40K(T 128109 a) 87Rb(T471010 a) 115In(T 61014 a) 130Te(T 141021 a) 138La (T 131011 a) 176Lu (T 331010 a) 187Re (T 511010 a) si altii cu timpi de injumatatire cuprinsi intre 1010 si 1017 ani

Din randul lor se remarca 40K care insotind izotopii stabili ai potasiului unul din elementele abundente in scoarta terestra confera o anumita radioactivitate apelor si rocilor Astfel contributia 40K la radioactivitatea apelor marine este de 111 Bql In diferitele roci activitatea adusa de 40K variaza de la 081 Bqg in roci arse in bazalt la 117 Bqg in granite De asemenea ea variaza si in unele alimente de la 066Bqkg in lapte la 222 Bqkg de grau respectiv la 74 Bqkg in carne

O alta serie de radioizotopi cum sunt 14C si tritiul (3H) se formeaza permanent in natura prin bombardarea azotului din aer cu neutroni de origine cosmica sau cu cei eliberati din reactiile (α n) de dezintegrare α-spontana a unor nuclee grele din scoarta terestra (Ac Th Pa U) precum si din procesele de fisiune spontana a unora dintre ele (235U)

10

In troposfera viteza de formare a tritiului este de 60 atomicm2 pe minut iar a carbonului 14 este de 150 atomicm2 pe minut

In natura concentratia 3H si 14C a ramas practic constanta deoarece in decursul timpului s-a stabilit un echilibru intre procesele de formare si de dezintegrare a acestor radioizotopi

Tritiul (3H) care se formeaza intra in echilibru cu hidrogenul din apa de ploaie prin intermediul careia patrunde in biosfera ajungand in cele din urma la o In toate produsele neizolate de acest echilibru natural tritiul se afla in raport de 4 atomi de tritiu la 108 atomi de hidrogen normal Datorita tritiului in medie radioactivitatea naturala a produselor cu hidrogen este de 111 Bq 3Hg 1H (30 pCig) Apa marilor contine 059 Bql (016 pCi 3Hl)

Carbonul 14 odata format oxideaza la 14CO2 si intra rapid in amestec cu CO2

normal in circuitul carbonului Prin fotosinteza el ajunge in metabolismul vegetal si de aici in cel animal pana la om unde produce circa 18105 dezmin fapt care reprezinta a suta parte din radioactivitatea corpului uman

24 Raspandirea radioactivitatii in Univers

Din studiul meteoritilor rezulta ca si alte planete din sistemul solar sunt prezente principalele elemente radioactive uraniul si toriul impreuna cu elementele din familiile radioactive Daca pe Pamant radioactivitatea joaca un rol foarte important in cadrul general al Universului ea se prezinta ca un proces nuclear minor datorita proceselor termonucleare ce se petrec in anumite tipuri de stele si in special in Soare Se estimeaza ca pentru a egala energia primita de la Soare pe Pamant ar trebui sa fie explodate circa 47 bombe nucleare pe secunda Prin aceasta ldquohemoragie energeticardquo sub forma de radiatie Soarele pierde 42 milioane de tone de masa pe secunda Cu toate ca masa Soarelui este mare rezerva sa de energie calorica ar trebui sa fie consumata intr-un timp relativ scurt si ca asistam la scaderea continua a temperaturii Studiile geologice arata ca de-a lungul epocilor geologice temperatura Pamantului si implicit energia primita de la Soare nu a suferit variatii semnificative Aceasta comportare nu poate fi explicata decat acceptand ca energia de la Soare se reinoieste permanent pe baza unui proces exoergic Conform lui H BETHE (1938) principala sursa de energie din Soare il au doua cicluri de reactii termonucleare

- ciclul proton ndash proton (p ndash p) de trecere prin fuziune de la hidrogen la heliu in etape succesive sub forma de reactii nucleare inlantuite in cicluri termonucleare avand ca produsi intermediari izotopii hidrogenului si ai heliului (fig 21) conform acestui ciclu hidrogenul molecular se constituie ca principala rezerva de combustibil nuclear ldquosangele stelelorrdquo si al Soarelui

- ciclul carbon ndash azot (C ndash N) imaginat de BETHE de trecere de la hidrogen la heliu prin trepte intermediare in prezenta unui nucleu strain cu rol catalizator cum este carbonul 12 in cadrul caruia carbonul se reface iar din patru protoni rezulta un heliu si doi pozitroni (fig 22) In realitate in stele au loc concomitent cele doua cicluri La inceput predomina ciclul p ndash p dupa care urmeaza o perioada cu temperaturi mai ridicate cand predomina ciclul carbon ndash azot

11

Fig 21 Ciclul proton ndash proton Fig 22 Ciclul carbon ndash azot

Multa vreme s-a crezut ca prin ciclul carbon ndash azot se incheie seria reactiilor termonucleare ce au loc in stele In realitate prin cresterea treptata a temperaturii pot sa aibe loc inca o serie de reactii termonucleare prin capturare de helioni cand se formeaza nuclee de 16O si 20Ne procesul nuclear continuand cu formarea 24Mg pana la nucleele cu numar de masa cuprins intre 40 ndash 60

12

3 Efecte radiobiologice asupra omului

Imediat dupa descoperirea radiatiilor roumlentgen si apoi a radioactivitatii s-a sesizat si caracterul periculos al radiatiilor ionizante in cazul folosirii nerationale Pionierii roentgenografiei au cunoscut ldquope propia lor pielerdquo actiunea radiatiilor ionizante iar dupa descoperirea radioactivitatii primele victime au aparut in 1920 in SUA in randul muncitorilor care aplicau vopsele luminoase pe cadranele ceasornicelor Acestora li s-au adaugat savantii Marie Curie si Ireacutene Joliot-Curie renumiti cercetatori in domeniul radioactivitatii care au decedat dupa grele suferinte de leucemie radioindusa Dar cele mai mari victime s-au inregistrat la sfarsitul celui de al doilea razboi mondial in urma exploziilor celor doua bombe atomice lansate de catre SUA asupra Japoniei la Hirosima si Nagasaki

31 Particularitatile efectelor biologice

Indiferent de urmarile provocate de impactul radiatiilor ionizante cu organismul viu actiunea biologica prezinta unele particularitati si anume

- organismul omenesc nu este dotat cu un organ de simt care sa sesizeze prezenta radiatiilor ionizante iar efectul biologic nu este vizibil in momentul iradierii

- efectele biologice sunt cumulative si nu au un caracter particular care sa ne permita deosebirea de efectele aparute altfel decat prin iradiere

- modificarile si simptomele evolueaza lent dupa iradiere Unele sunt imediate sau precoce si apar dupa un ragaz care variaza de la cateva ore la cateva saptamani Altele sunt intarziate si survin dupa mai multi ani (leucemia) dupa mai multe zeci de ani (cancerul fatal) sau pot provoca efecte genetice

In realitate efectele biologice produse de actiunea radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului sunt rezultatul unei lungi serii de fenomene care se declanseaza la trecerea radiatiilor prin organismele vii Evenimentele initiale sunt ionizari si excitari ale atomilor si moleculelor din mediul de interactiune de-a lungul traiectoriilor particulelor ionizante Ulterior aceste perturbari fizice antreneaza reactii fizico-chimice urmate de reactii chimice generand in final efecte biologice Schematic cronologia acestor evenimente este data in tabelul 31

13

Tabelul 31 Prezentarea schematica a fenomenelor declansate deradiatiile ionizante in mediu biologic

32 Clasificarea efectelor biologice

In prezent efectele nocive ale radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului a descendentilor sai si asupra umanitatii in general se clasifica in doua categorii

- efecte nestochastice si- efecte stochasticeEfectele nestochastice sunt efecte imediate (precoce) cu prag reversibile si

imperfect aditive Fiind caracterizate de o relatie de cauzalitate determinate intre doza si efect ele apar atunci cand doza primita depaseste o anumita valoare de prag (fig 31)

Fig 31 Dependenta efectului biologic de doza biologicaa ndash efecte stochastice fara prag b ndash efecete nestochastice cu prag

14

Valoarea pragului pentru un anumit efect poate varia in jurul unei valori medii de la un individ la altul si in functie de conditiile de iradiere In general efectele nestochastice apar destul de repede in timp fiind efecte imediate (precoce) iar vatamarile provocate de ele sunt cu atat mai mari cu cat doza este mai mare

Avand caracter reversibil exista posibilitatea regenerarii unor tesuturi iar dozele administrate intr-un timp lung nu sunt perfect aditive De aceea pentru evitarea producerii lor are mare importanta administrarea fractionata a dozelor de radiatii

Printre efectele nestochastice se numara leziunile nemaligne ale pielii cataracta hipolezia medulara care antreneaza o deficienta hematologica a vatamarilor provocate celulelor gonadelor cu repercusiuni asupra fertilitatii

Efectele stochastice sunt intotdeauna efecte somatice tarzii fara prag ireversibile si aditive Aparitia lor urmeaza o relatie probabilistica doza-efect aparent la intamplare de unde si numele stochastic Altfel spus dintr-o populatie aflata intr-o zona de radiatii efectele stochastice apar numai in unele cazuri individuale aparent la intamplare

Printre ele se numara efectele somatice care se manifesta cu intarziere sub forma de afectiuni maligne (cancer) si efecte genetice (ereditare) ce apar la descendenti Practic intre momentul iradierii si al aparitiei bolii maligne pot trece ani sau zeci de ani

Fiind relatii liniare intre frecventa de aparitie a efectelor stochastice si dozelor absorbite pentru radiatiile cu transfer liniar de energie mica rezulta ca in aceste cazuri la doze mici si debite mici ale dozei riscul pentru sanatate este proportional cu doza administrata In literatura de specialitate factorul de proportionalitate dintre frecventa de aparitie a acestor efecte si doza absorbita a fost denumit factor de risc

Dozele administrate in timp lung fiid aditive nu are importanta daca doza care produce efctul respectiv a fost administrata fractionat sau instantaneu respectiv intr-o secunda sau intr-o luna

Efectul biologic produs este ireversibil si in prezent nu se cunosc metode de reducere a probabilitatilor de aparitie a efectelor stochastice somatice datorate unor doze deja primite

Detrimentul sanatatii Conceptul de detriment al sanatatii se refera la fenomenul de distrugere (vatamare) integrala a unei persoane datorita efectelor biologice ale radiatiilor ionizante fenomen care poate aparea dupa o iradiere in conditii bine definite si la un anumit nivel de doza

In cazul unui efect patologic dat (i) detrimentul (Gj) la un individ (j) este exprimat de produsul intre probabilitatea de aparitie a efectului (pi) si factorul corespunzator de gravitate (g)

iar pentru un grup de persoane (P) detrimentul colectiv (G) este

Acest concept se aplica atat asupra efectelor stochastice cat si a celor nestochastice in principal fiind utilizat pentru estimarea vatamarilor datorate efectelor stochastice

Intre probabilitatea de aparitie a efectelor biologice stochastice si echivalentul de doza se stabileste o relatie liniara fara prag aplicata la doze slabe De aceea detrimentul colectiv al sanatatii este proportional cu echivalentul de doza efectiv colectiv Totusi in mod practic detrimentul unui grup de indivizi nu poate fi redus la o insumare a vatamarilor individuale fapt pentru care echivaletul de doza colectiva se ia ca un partener printre altele

15

33 Fazele tipice ale evolutiei imbolnavirii in urma iradierii

In dinamica evolutiei reactiilor care au loc in urma iradierii se pot distinge trei perioade importante perioada primara perioada latenta si perioada secundara

Reactiile in perioada primara de actiune a radiatiilor ionizante se datoreaza a trei tipuri principale de mecanisme mecanismul actiunii directe indirecte si la distanta

Efectul biologic prin actiune directa consta in transmiterea directa a energiei particulelor incarcate sau a electronilor secundari catre atomii si moleculele substantelor celulare Produsul principal al acestei actiuni sunt ioni si atomi excitati de-a lungul parcursului particulei in celula Datorita ionizarii si excitarii substantelor prin mecanism primar se produc modificari chimice ale acestora (mecanismul actiunii indirecte) Deoarece organismele vii au in compozitia lor un mare procent de apa la om ajungand pana la 85 din greutatea corpului multa vreme s-a considerat ca actiunea nociva a radiatiilor ionizante este cauzata de produsele de descompunere a ei si in special de apa oxigenata care actioneaza ca agent oxidant (ipoteza actiunii prin apa oxigenata) O ipoteza mai verosimila considera ca rolul principal in actiunea biologica primara il au radicalii H OH si O2H care apar la radioliza apei (ipoteza actiunii prin radicali liberi) Conform acestei ipoteze radioliza apei constituie o sursa pentru actiunea indirecta a radiatiei deoarece radicalii liberi formati pot afecta atat cromozomii cat si proteinele citoplasmatice

Datorita interventiei sistemului nervos a glandelor endocrine si a transportului prin umori sau difuziune a unor substante rezultate in tesuturile iradiate efectele biologice se pot produce nu numai in organele iradiate ci si in cele neiradiate (mecanismul actiunii la distanta sau al actiunii secundare)

Perioada latenta care apare in organism dupa perioada primara se caracterizeaza prin faptul ca fenomenele sunt atat de neinsemnate incat nu pot fi descoperite neinregistrandu-se nici un fel de tulburari Perioada latenta variaza invers proportional cu doza de radiatii De aceea in cazul unor iradieri cu doze mortale perioada latenta dureaza de la cateva ore la 30-40 de zile iar in doze fractionate mici ea dureaza mai mult de un an

Perioada secundara este dominata de formarea in celule si tesuturi de substante toxice care conduc la intoxicarea organismului determinand o serie de efecte biologice importante (ipoteza formarii uor substante toxice) Reactiile din aceasta perioada sunt de natura necunoscuta si in decursul timpului ele au fost atribuite actiunii apei oxigenate peroxizilor organici si histaminei problema fiind insa in discutie Cert este faptul ca sub actiunea radiatiilor ionizante apar molecule active in primul rand in celulele din tesuturi si in paralel in sange si in limfa

34 Clasificarea efectelor biologice dupa natura lor

Cel mai fercvent efectele biologice se clasifica dupa natura lor in- efecte precoce care nu apar decat pentru doze ridicate- efecte somatice tarzii care se manifesta dupa mai multi ani chiar mai multi zeci

de ani- efecte genetice care privesc descendentii - efecte teratogene care se refera la afectarea embrionului si a fetusului

341 Efecte biologice precoce

16

Efectele biologice precoce survin la putin timp dupa iradiere uneori dupa cateva ore sau mai putin si sunt efecte cu prag fapt pentru care nu apar decat daca doza depaseste un anumit nivel Deasupra pragului ele cresc cu doza De aceea pentru a evita producerea lor s-au elaborat reglementari care impun limitarea sub nivelul de prag al dozelor ce le pot primi operatorii care lucreaza in medii de radiatii ionizante Cele mai fragile tesuturi care sufera efecte biologice cu prag sunt pielea celulele formate de sange maduva osoasa intestinul si organele sexuale sau gonade

Efectele biologice precoce in cazul iradierilor partiale Acestea se refera la piele maduva osoasa si organele genitale

Pielea Efectele radiobiologice ale pielii sunt foarte variabile si ele depind de doza de localizarea anatomica de varsta de pigmentatia tegumentului etc In general la doze mai mari de 10 Gy nu se observa nici o leziune grava dar la 25 din cazuri apare o senzatie de caldura La doze intre 10 si 20 Gy apar epidermite exudative urmate dupa un timp de o latenta de trei saptamani de eritema secundara apoi de epitelitaexudativa dupa 3-6 luni facandu-se restaurarea fara recurs In cazul unor iradieri foarte importante si profunde se altereaza vascularizatia si apare ulceratia care necesita un tratament chirurgical

Maduva osoasa organul cel mai sensibil la iradierea globala conduce limfopenia cu atat mai repede cu cat doza de radiatii este mai mare

Organele sexuale respectiv testiculele la barbati si ovarele la femei reactioneaza diferit la iradiere

Testiculele care se remarca printre cele doua functii de producatore de hormoni si spermatozoizi la iradiere le este afectata numai cea de-a doua functie (producatoare de spematozoizi) La doze relativ mici de 05 Gy se instaleaza o depresiune tranzitorie si spontan reversibila iar la doze de circa 2 Gy apare o azospermie si sterilitate temporara in jur de un an Experientele efectuate de americani pe detinuti voluntari au aratat ca in cazul iradierii testiculelor cu doze de 6 Gy sterilitatea este temporata la om De asemenea supravietuitorii dintre cei 23 pescari japonezi care au fost iradiati in urma exploziei experimentale a armei termonucleare de la Bikini in 1954 si care se estimeaza ca au primit doze de 3 - 66 Gy dupa o sterilitate de 2-3ani au avut copii normali (in total 45 copii)

- Ovarele comparativ cu testiculele au o sensibilitate mai mica fata de radiatiile ionizante aceasta fiind influentata si de varsta Astfel pe cand la o femeie tanara in jur de 25 de ani este necesara o doza de 12-15 Gy pentru a provoca o menopauza artificiala la o femeie de peste 40 de ani este suficienta o doza de numai 7 Gy Se mentioneaza ca la femei sterilitatea este insotita de oprirea functiei endocrine

Din cercetarile efectuate precum si din constatarile asupra descendentilor celor iradiati in urma exploziilor atomice de la Hirosima si Nagasaki a rezultat ca in urma unei iradieri puternice care a provocat sterilitatea temporara nu s-au produs urmari genetice prin afectarea celulelor sexuale

Iradierea organelor profunde La iradieri puternice mai ales in radioterapie sunt iradiate si organele profunde plamanii inima rinichii tubul digestiv ficatul sistemul nervos central si creierul Dintre acestea deosebit de sensibile sunt plamanii care dupa o doza de 25 Gy se imbolnavesc de fibron pulmonar iar dupa 6-12 luni urmeaza decesul

Rinicii si ficatul sunt afectati la doze peste 30 Gy In cazul rinichilor functionarea lor este afectata dupa cateva saptamani de la iradiere pe cand vezica poate suporta doze mult mai mari Diversele organe ale aparatului digestiv au radiosensibilitati diferite Cel mai radiosensibil este intestinul subtire la care apar leziuni in urma absorbtiei unor doze

17

sub 30 Gy Urmeaza stomacul care este afectat de doze in jur de 40 Gy cel mai rezistent fiind colonul care reactioneaza numai la doze cuprinse intre 50 si 56 Gy

Destul de radiosensibil este si sistemul nervos care manifesta o fragilitate a celulelor nervoase a vaselor sangvine si o capacitate limitata de regenerare a tesuturilor nervoase La doze peste 40 Gy administrate in patru saptamani apare o paraplegie care dupa doi ani se extinde In ceea ce priveste creierul desi modificari morfologice apar deja de la doze de 10 Gy el poate suporta doze de circa 50 Gy timp de 5-6 saptamani

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor globale In urma unor iradieri globale cu doze in jur de 1 Gy care sunt fara gravitate imediata nu se observa decat foarte discrete modificari hematologice in ceea ce priveste globulele albe dar ele se regenereaza rapid In astfel de cazuri se aplica un tratament modest fara a fi necesara spitalizarea

La doze cuprinse intre 1 si 2 Gy desi semnele fizice inca lipsesc se observa o scadere a globulelor albe si a plachetelor iar numarul globulelor rosii este modest In acest caz sunt necesare transfuzii si tratament antibiotic Din contra la doze de peste 2Gy se observa o evolutie stereotipa a bolii cu afectarea celulelor formatoare de sange si scaderea corespunzatoare a numarului maxim de elemente reprezentative din sange Evolutia imbolnavirii se face urmand cele patru faze tipice Dupa o perioada de debut care dureaza trei zile insotita de simptome discrete urmeaza de perioada latenta practic silentioasa care dureaza peste trei saptamani In continuare se instaleaza perioada de stare (perioada critica) careia i se asociaza semne generale cum sunt oboseala intensa tulburari digestive hemoragii si infectii formula sangvina fiind foarte modificata In acest moment viata bolnavului este in pericol Abia dupa circa trei luni el intra in covalescenta In acest caz spitalizarea este indispensabila intr-un centru specializat cu locuri sterilizate repaus absolut si eliminarea posibilitatilor de infectare In cadrul tratamentului se recomanda grefe de maduva osoasa La doze mai mari grefa cu maduva osoasa poate fi singura sansa iar la doza peste 12 Gy de iradiere instantanee orice tratament terapeutic nu este eficace

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor accidentale In ultimele decenii s-au inmultit numarul iradierilor accidentale Principal ele pot fi clasificate in iradieri implicand una sau mai multe persoane ori a unor grupuri mari de persoane

Iadieri accidentale implicand una sau mai multe persoane Pana in anul 1965 au fost inregistrate 12 astfel de accidente critice in lume in care persoane au fost expuse global in cursul unor cercetari sau operatii chimice dintre care au rezultat 9 decese

De asemenea se cunosc 24 accidente cu surse gamagrafice dintre care 15 accidente cu 192Ir si 9 accidente cu 60Co din care au rezultat 17 morti si 38 grav iradiati In ultimii 40 de ani au avut loc 115 cazuri de iradieri locale care au facut 156 victime Principalele cauze se datoresc instalatiilor de radiatii X pentru analiza cristalografica (69) surselor de gamagrafice cu 192Ir (34) 60Co (25) emitatori β-activi (11) acceleratori de particule (8) si diverse surse (8) Iradierile interne sunt mai rare si mai greu de cunoscut In Franta sunt cunoscute numai o zecime din decese 7 sunt imputabile activitatii medicale

Iradieri accidentale a unor grupuri mari de persoane Iradierile simultane asupra unui numar ridicat de persoane au fost inregistrate in urma unor experiente cu arme termonucleare sau a unor defectiuni survenite in functionarea unor centrale atomoelectrice

Explozia experimentala a armei termonucleare de la Bikini de la 1 martie 1954 a provocat printre altele si iradierea puternica prin caderi de pulberi radioactive a locuitorilor de pe Insula Marschall precum si a 23 de pescari marinari de pe vasul japonez ldquoFukuriu Marurdquo

18

Recent prin defectarea centralei atomoelectrice de la Cernobal (Ucraina) din aprile 1986 au fost iradiate 22 persoane cu doze peste 8 Gy 22 persoane cu doze intre 4 si 8 Gy 53 persoane cu doze intre 2 si 4 Gy si 203 persoane cu doze peste 1 Gy fiind inregistrate 31 decese

342 Efecte somatice tarzii

Efectele somatice tarzii in general sunt fara prag Ele pot fi necancerigene (cataracte tulburari ale cresterii scaderea longevitatii si a unor reactii imunologice) insa principalul efect intarziat este cancerul care apare dupa cativa ani sau zeci de ani de la iradiere Principalele efecte somatice tarzii necancerigene se caracterizeaza prin urmatoarele

Cataractele sunt boli care provoaca opacifierea cristalinului Radiatiile ionizante genereaza cataracte la doze superioare la 10 Gy de radiatii X Ele sunt efecte cu prag care la barbati este foarte ridicat si apare intre 1 si 10 ani de la iradiere In cazul neutronilor rapizi pragul este mult mai jos asymp08 Gy respectiv asymp8 Sv

Tulburari de crestere Constatarile efectuate pe supravietuitorii de la Hirosima si Nagasaki au evidentiat ca prin expunere la doze de 1 Gy au loc tulburari de crestere si anume un deficit in greutate o scadere a taliei si a circumferintei capului

Longevitatea De asemenea studiile de supravietuitori de la Hirosima sI Nagasaki precum si pe animale in laborator au aratat ca la doze ridicate (asymp4 Gy) de radiatii se scurteaza durata medie de viata indiferent daca iradierea a produs leucemie sau cancer

Reactiile imunologice La iradierea cu doze de 1 Gy scad reactiile imunologice si organismele devin vulnerabile la infectii

Pielea desi nu este radiosensibila se mnifesta ca un organ critic avand un prag de toleranta de asymp2mGyzi Prin iradierea mainilor cu doze superioare (5 mGyzi) apar leziuni cutanate cronice sau uscate si atrofice care fisureaza dand ulceratii grave

Cancerele principalele efecte intarziate se caracterizeaza prin faptul ca nu au prag si se produc mai ales cu doze slabe de radiatii Frecventa lor este influentata de o serie de factori printre care se numara doza de radiatie natura radiatiilor sexul varsta si natura tesuturilor iradiate

Dintre toti factorii doza de radiatii este cel mai important iar dintre radiatii particulele α si neutronii sunt cele mai periculoase Radiosensibilitatea organismelor este diferita in functie de sex ea este mai importanta la femei decat la barbati in special pentru sani si tiroida si are un efect invers pentru maduva osoasa si pulmon Totodata efectele difera cu varsta copiii tineri adolescentii si persoanele in varsta fiind mai radiosensibile decat adultii Timpii de latenta sunt foarte variabili si depind in mod esential de natura tesutului iradiat Ei sunt cuprinsi intre 4 si 20 de ani de la iradiere pentru leucemie de 10 ani pentru tumori 22-25 de ani pentru sani etc Cancerul cutanat apare la doze de circa 15 Gy radiatii electromagnetice intre 25 si 40 de ani Cancerul osos apare la doze gt8Gy iar leucemia la doze gt1 Sv Cancerul sanului apare la doze de 020 Gy (la iradieri radiologice) iar cancerul tiroidei la 01 Gy la copii intre 13 si 14 ani

343 Efecte geneticeAlaturi de alti agenti fizico-chimici (substante chimice radiatiile

electromagnetice caldura etc) care pot provoca efecte mutagene se afla si radiatiile ionizante

19

Daca la doze slabe nu s-au inregistrat astfel de efecte la om in schimb printre copiii supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki iradiati cu doze puternice s-au inregistrat cazuri de anomalii genetice semnificative

Pe plan uman singurele informatii de care dispunem sunt descendentii iradiatilor de la Hirosima si Nagasaki si ai pescarilor de la Bikini dar in ambele cazuri dozele nu sunt cunoscute cu precizie In cazul supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki desi au prezentat forme cancerigene pentru doze ridicate (gt1 Gy) nu s-au inregistrat efecte genetice De asemenea in cazul celor 23 marinari pescari de la Bikini iradiati de caderile radioactive cu exceptia unuia care a decedat dupa o sterilitate de doi ani ceilalti au avut copii normali (45 copii) la care nu au fost observate efecte genetice aparente la prima generatie

In modul de evaluare a efectelor genetice se intampla unele dificultati datorate urmatorilor factori caracterul particular al efectelor genetice necesitatea extrapolarii rezultatelor obtinute experimental pe animale la om si de asemenea extrapolarea rezultatelor obtinute experimental cu doze forte la doze slabe

Din investigarile pe animale s-a stabilit ca fercventa anomaliilor genetice se observa la doze gt1 Gy La om anomaliile (de ex structura cromozomilor) reprezinta un risc de 1-10 pe milion de nasteri vii pe centiGy iar mutatiile genetice apar la iradierea celor doi parinti cu o frecventa de 5-65 pe milion de nasteri vii pe centiGy Dupa prima generatie si la echilibru (dupa 5 generatii) frecventa lor este de 40-200 pe milion de nasteri vii pe centiGy pe generatie Mutatiile sunt legate de sexe in sensul ca ele se transmit prin femei In prima generatie numarul de afectiuni adaugat este lt13 pe milion de nasteri vii pe centiGy

Particularitatile mutatiilor genice In functie de sex riscul pentru femeie este mai putin important ca pentru barbat Dupa varsta la femei sunt doua perioade critice principala este perioada reproducerii de la pubertate la menopauza A doua este pana in luna a saptea a vietii fetale La barbat perioada periculoasa se afla intre 20 si 40 ani perioada in care se fac majoritatea fecundarilor

Ipoteza prejudiciului genetic dat de iradierile slabe In mod normal o populatie se afla in echilibru genetic Aparitia de noi mutanti este compensata de eliminarea mutantilor existenti prin decese precoce sau prin fecundari mai putine uneori chiar nule In cazul unor iradieri suplimentare acest echilibru se rupe iar fiecarei generatii i se vor adauga descendentilor mutatiile produse la toate generatiile anterioare (mutanti suplimentari) Ca urmare se vor produce o crestere a mutatiilor letale si a celor dominante precm si o acumulare a mutatiilor primite

344 Efecte biologice teratogene

Efectele teratogene sunt anomalii si malformatii provocate de actiunea unor agenti fizici chimici si infectiosi sau a radiatiilor ionizante asupra embrionului si fetusurilor pe timpul cresterii

Sensblitatea lor la radiatii variaza dupa stadiul dezvoltarii embrionului dar pragul de actiune este foarte net mai jos decat dupa nastere Efectele teratogene sunt ireversibile iar radiatiile ionizante produc aceleasi efecte ca si alti agenti teratogeni Sub actiunea radiatiilor ionizante in functie de stadiul de dezvoltare a embrionului si a fetusurilor se deosebesc urmatoarele

20

- In stadiul de preimplantare iradierea determina fie distrugerea oului fie moartea uneia sau a mai multor celule Aceasta perioada adesea trece neobservata de femeie Doza letala 50 este de 05-06 Gy

- In stadiul de organogeneza cand femeia are consecinte de intarziere si banuiala ca ar fi insarcinata o doza de 01 Gy poate antrena malformatii Aceasta este perioada critica deoarece radiosensibilitatea este maxima

- In stadiul fetal frecventa si gravitatea malformatiilor se diminuiaza In schimb iradierea poate avea o actiune cancerigena care se manifesta la copii tineri Dozele egale sau inferioare la 025 Gy sunt considerate ca fara efect

Cele mai importante consecinte legate de efectele teratogene sunt- malformatiile ca de exemplu cele microcefalice care pot fi insotite de

intarzierea mentala - intarzierea cresterii care are loc la doze puternice (gt1 Gy) printre care se

remarca deficitul ponderal scaderea taliei si a circumferintei capului si o intarziere a osificarii

- cancerul care apare la iradieri in uter cu doze de 002 Gy-mortalitatea intrauterina si neonatala creste In cazul supravietuitorilor de la

Hirosima si Nagasaki ea a fost cu 40 mai mare decat cea normala - efecte genetice nu s-au observat nici printre descendentii celor iradiati in uter cu

ocazia exploziilor nucleare de la Hirosima si NagasakiPe baza acestor observatii se impune luarea unor precautii in cazul femeilor

insarcinte care sunt expuse profesional la doze de radiatii ionizante si excluderea lor de la orice fel de examen radiologic

21

4 Efectele fizice ale radiatiilor ionizante la interactiunea cu substanta

La impactul cu substanta fasciculele de radiatii ionizante sufera procese de atenuare datorita devierii (imprastierii) acestora printr-un mecanism monoact sau prin absorbtie cand isi pierd complet energia pe baza unui mecanism continuu Cele mai importante efecte ale radiatiilor ionizante sunt excitarea si ionizarea care pot fi directe in cazul particulelor incarcate electric sau indirecte in cazul radiatiilor X γ si a neutronilor

41 Interactiunea particulelor grele incarcate cu substanta

Particulele grele incarcate cum sunt radiatiile α protonii deuteronii atomii multiplu ionizati si produsii de fisiune nucleara la impactul cu substanta se atenueaza cu parcurs pe baza unui mecanism de pierderi mici de energie intr-un numar foarte mare de procese de interactiune

Procesul predominant este cel de interactiune cu electronii atomilor si moleculelor probabilitatea de interactiune cu nucleele atomilor fiind foarte mica

Transferul liniar de energie (TLE) notat cu Q realizat prin ciocniri neelastice cu electronii atomilor si ai moleculelor intalnite este dat de relatia lui HA Bethe

[erg∙cm-1]

in care N este numarul de atomi dintr-un cm3 Z ndash sarcina particulei m0 ndash masa de repaus a electronului v ndash viteza e ndash sarcina electronului β = vc J ndash potentialul mediului de excitare al substantei iradiate

In figura 41 se prezinta modul de variatie al numarului particulelor α cu mediul Transferul Q depinde de viteza (v) si de sarcina (Z) a prticulelor grele incidente iar pe o distanta Δx particula pierde o energie ΔE care este data de suma transferurilor Q in cursul ciocnirilor ce au loc pe aceasta distanta ΔE=ΣQ

Fig 41 Variatia numarului particulelor α in unitatea de timp cu distanta parcursa intr-un mediu dat

Atunci cand o particula parcurge un mic segment Δx din traiectoria sa ea sufera numeroase ciocniri cu electronii care se gasesc in vecinatatea traiectoriei sale Raportul S=ΔEΔx se numeste putere de incetinire a particulelor in mediu si reprezinta pierderea specifica de energie fiind dependent de viteza (v) si sarcina (Z) a particulei incidente Distanta maxima pe care o strabate o particula de energie initiala E intr-un mediu dat se numeste parcurs (R) si se exprima in metri El se poate calcula cu ajutorul relatiei

[m]

22

Din cauza fluctuatiei accidentale de ciocniri individuale dintre particulele grele incarcate si atomii mediului parcursurile lor nu sunt riguros egale asa cum se poate observa cu ajutorul unei camere Wilson (fig 42)

Fig 42 Parcursurile particulei α in camera Wilson

La strabaterea mediilor gazoase parcursurile radiatiilor α ating centimetri ( tabelul 41) pe cand in medii lichide si solide descresc mult fiind de ordinul micrometrilor Asa se explica faptul ca o foaie de hartie este suficienta pentru a absorbi complet un fascicul de radiatii α de mare energie Parcursul radiatiilor α in aer se calcleaza cu ajutorul relatiei empirice a lui Bethe R=032 E32 In fig 43 este data dependenta dintre energie si parcursul radiatiilor α

Parcursurile radiatiilor α ale Po si RaC΄ in diferite mediiTabelul 41

Mediul strabatut Parcursul radiatiilor α ale210Po(530 Mev) 214RaC΄(76 MeV)

Aer 00387 m 00698 mHidrogen 01730 m 03250 m

Heliu 0215 m 0390 mArgon 00417 m 0073 m

Alcool etilic 371μm -Aur - 14 μm

Gelatina foto 23 μm 50 μm

Ciocnindu-se cu electronii mediului strabatut particulele α produc efecte dependente de energia Q transferata acestora

Fig 43 Dependenta dintre energie si parcursul particulelor α

a Daca energia transferata (Q) este superioara energiei de legatura a electronilor (asymp10eV) acestia sunt smulsi si azvarliti particulele incidente pastrandu-si directia practic neschimbata fapt pentru care parcursul lor in orice mediu este rectiliniu Atomul caruia i

23

s-a smuls un electon devine ion pozitiv si impreuna cu electronul detasat formeaza o pereche de ioni procesul in ansamblu numindu-se ionizare

Numarul de perechi de ioni creati pe unitatea de lungime se numeste ionizare specifica (j) si este data de raportul dintre patratul atomic Z al particulelor si patratul vitezei particulei (vp)

WL BRAGG studiind variatia numarului de ioni formati in functie de unitatea de lungime a constatat ca ionizarea maxima este atinsa la sfarsitul parcursului (Fig 44)

Fig 44 Curbele de tip Bragg ale Po si RaC΄

b In cazul in care energia tansferata (Q) este inferioara energiei de legatura a electronului acesta nu este detasat din structura atomica sau moleculara de care apartine si se produce excitarea atomului respectiv

Urmarind distributia energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale se obtine o curba de distributie care este reprezentata in fig 45

Fig 45 Curba de distriutie a energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale

Conform acestei curbe energia ε=ΔE pierduta de o particula parcurgand un mic segment Δx din traiectoria sa se repartizeaza astfel

- 30 din energie (100gtQgt10eV) se consuma in excitari - 30 din energie (Qlt10eV) se consuma pentru ionizari- 40 din energie (Qgt100eV) se consuma pentru producerea de electroni

secundari δAceasta repartitie ramane constanta de-a lungul traiectoriei particuleiAutoabsorbtia radiatiilor α Urmarind variatia curentului de ionizare (I) produs

de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva (Fig 46) se observa ca numai in cazul straturilor foarte subtiri se inregistreaza o crestere proportionala a curentului de ionizare cu grosimea stratului activ Pentru o anumita grosime a stratului de substanta ionizarea devine constanta deoarece particulele α emise

24

de straturile inferioare se absorb total in cele superioare Straturile ale caror grosime este egala sau mai mare decat pacursul se numesc straturi ldquogros infiniterdquo

Fig 46 Variatia curentului de ionizare produs de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta rdioactiva

Ecranarea particulelor grele incarcate Particulele grele incarcate in primul

rand radiatiile α au parcursuri foarte mici de ordinul micronilor in corpuri solide fapt pentru care nu ridica probleme speciale de ecranare fiind absorbite total si cu usurinta de toate substantele chiar si de o foaie de hartie De aceea simpla utilizare a manusilor de cauciuc ori a hartiei de filtru in lucrari de laborator cu astfel de substante radioactive sunt masuri suficiente care sa asigure o buna protectie impotriva iradierii externe

Reactiile nucleare ale prticulelor grele incarcate La interactiunea particulelor grele incarcate cu anumite nuclee tomice acestea pot sa sufere transmutatii artificiale In particular radiatiile α emise de unele surse radioactive naturale au importanta istorica deoarece stau la baza unor importante descoperiri cum sunt

- reactiile nucleare (α p) realizate pentru prima data de E RUTHERFORD in anul 1919 au condus la descoperirea primei transmutatii artificiale sinteza izotopului stabil 17O din 14N cu emisia unui proton

In prezent cu ajutorul particulelor α ndash accelerate se prepara numerosi radioizotopi pe baza ecuatiei generale

- reactiile nucleare (α n) au stat la baza descoperirii neutronului de catre CHADWICK in 1932 prin bombardarea beriliului cu radiatii α ale poloniului

Reactiile (α n) prezinta un interes deosebit si datorita faptului ca ele stau la baza surselor de neutroni de laborator Substantele α ndash active cele mai utilizate sunt210Po 226Ra si 239Pu

Sursele Ra ndash α ndash Be emit neutroni cu un spectru energetic continuu cu energii pana la 137 MeV si randament foarte mare la 1 mCi Ra corespund 13 104 ncm2 s fiind sursele cele mai constante din cauza timpului de injumatatire lung al radiului (1600 a)

Tot pe baza reactiei nucleare (α n) sotii JOLIOT-CURIE in anul 1934 iradiind o foita de aluminiu cu particule α au obtinut fosfor radioactiv descoperind radioactivitatea artificiala care a deschis perspective nebanuite fizicii si chimiei nucleare

In prezent sub actiunea particulelor α accelerate se produc numerosi radioizotopi

ai elementelor cu timpi de injumatatire mici pe baza reactiei generale

25

De asemenea sub actiunea particulelor α accelerate au fost sintetizate o parte din elementele transuraniene conform reactiilor

In mod asemanator pot provoca reactii nucleare si alte particule grele accelerate

(protoni deuteroni) Dintre acestea se remarca- reactiile nucleare (p γ) puternic exoenergice cu emisie de fotoni de mare

energie - reactiile nucleare (d n) care stau la baza producerii neutronilor de laborator cu

ajutorul generatoarelor de inalta tensiune Cu ajutorul deuteronilor de 5 MeV s-au sintetizat pentru prima data prin reactii nucleare (d n) tehnetiul si prometiul

- reactiile nucleare (d p) care se produc cu o probabilitate de 10 ori mai mare

decat cele (d n) prezinta interes deoarece conduc la formarea de izotopi ai tintei intocmai ca in cazul reactiilor (nγ) De exemplu 23Na(dp)24Na 31P(d p)32P

Particulele grele incarcate cu energii mai mari de 50 MeV genereaza o serie de reactii nucleare in cascada dezintegrarea cu expulzarea de nucleoni rapizi (p d T) fisiunea nucleara reactii secundare si emisia de nuclee usoare

42 Interactiunea electronilor cu substanta

Fasciculele de electroni emisi de radionuclizii β ndash activi (β- si β+) precum si cei proveniti din generatoare la interactiunea cu substanta se atenueaza pierzand energia de-a lungul parcursului

Datorita unor serii de procese de absorbtie prin ciocniri elastice si neelastice si uneori prin radiatie de franare efectele fizice produse de aceste procese constau din excitarea si ionizarea mediului strabatut iar contributia fiecarui proces in parte este determinata de energia electronilor incidenti precum si de natura materialului absorbant

Imprastierea neelastica electron-electron Dintre toate procesele de interactiune ale electronilor cu substanta predominant este cel de imprastiere la ciocnirea neelastica cu electronii orbitali ai atomilor din mediu deci procesele electron-electron Datorita acestui fapt electronii sufera imprastieri sub unghiuri diferite motiv pentru care drumul fasciculelor de electroni prin mediu nu este rectiliniu ci foarte sinuos (fig 47) De aceea intr-o substanta de o anumita grosime electroni de aceeasi energie parcurg drumuri complet diferite care intrec in lungime 15 ndash 4 ori grosimea stratului penetrat

Fig 47 Drumul sinuos al electronilor prin substanta

26

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

In troposfera viteza de formare a tritiului este de 60 atomicm2 pe minut iar a carbonului 14 este de 150 atomicm2 pe minut

In natura concentratia 3H si 14C a ramas practic constanta deoarece in decursul timpului s-a stabilit un echilibru intre procesele de formare si de dezintegrare a acestor radioizotopi

Tritiul (3H) care se formeaza intra in echilibru cu hidrogenul din apa de ploaie prin intermediul careia patrunde in biosfera ajungand in cele din urma la o In toate produsele neizolate de acest echilibru natural tritiul se afla in raport de 4 atomi de tritiu la 108 atomi de hidrogen normal Datorita tritiului in medie radioactivitatea naturala a produselor cu hidrogen este de 111 Bq 3Hg 1H (30 pCig) Apa marilor contine 059 Bql (016 pCi 3Hl)

Carbonul 14 odata format oxideaza la 14CO2 si intra rapid in amestec cu CO2

normal in circuitul carbonului Prin fotosinteza el ajunge in metabolismul vegetal si de aici in cel animal pana la om unde produce circa 18105 dezmin fapt care reprezinta a suta parte din radioactivitatea corpului uman

24 Raspandirea radioactivitatii in Univers

Din studiul meteoritilor rezulta ca si alte planete din sistemul solar sunt prezente principalele elemente radioactive uraniul si toriul impreuna cu elementele din familiile radioactive Daca pe Pamant radioactivitatea joaca un rol foarte important in cadrul general al Universului ea se prezinta ca un proces nuclear minor datorita proceselor termonucleare ce se petrec in anumite tipuri de stele si in special in Soare Se estimeaza ca pentru a egala energia primita de la Soare pe Pamant ar trebui sa fie explodate circa 47 bombe nucleare pe secunda Prin aceasta ldquohemoragie energeticardquo sub forma de radiatie Soarele pierde 42 milioane de tone de masa pe secunda Cu toate ca masa Soarelui este mare rezerva sa de energie calorica ar trebui sa fie consumata intr-un timp relativ scurt si ca asistam la scaderea continua a temperaturii Studiile geologice arata ca de-a lungul epocilor geologice temperatura Pamantului si implicit energia primita de la Soare nu a suferit variatii semnificative Aceasta comportare nu poate fi explicata decat acceptand ca energia de la Soare se reinoieste permanent pe baza unui proces exoergic Conform lui H BETHE (1938) principala sursa de energie din Soare il au doua cicluri de reactii termonucleare

- ciclul proton ndash proton (p ndash p) de trecere prin fuziune de la hidrogen la heliu in etape succesive sub forma de reactii nucleare inlantuite in cicluri termonucleare avand ca produsi intermediari izotopii hidrogenului si ai heliului (fig 21) conform acestui ciclu hidrogenul molecular se constituie ca principala rezerva de combustibil nuclear ldquosangele stelelorrdquo si al Soarelui

- ciclul carbon ndash azot (C ndash N) imaginat de BETHE de trecere de la hidrogen la heliu prin trepte intermediare in prezenta unui nucleu strain cu rol catalizator cum este carbonul 12 in cadrul caruia carbonul se reface iar din patru protoni rezulta un heliu si doi pozitroni (fig 22) In realitate in stele au loc concomitent cele doua cicluri La inceput predomina ciclul p ndash p dupa care urmeaza o perioada cu temperaturi mai ridicate cand predomina ciclul carbon ndash azot

11

Fig 21 Ciclul proton ndash proton Fig 22 Ciclul carbon ndash azot

Multa vreme s-a crezut ca prin ciclul carbon ndash azot se incheie seria reactiilor termonucleare ce au loc in stele In realitate prin cresterea treptata a temperaturii pot sa aibe loc inca o serie de reactii termonucleare prin capturare de helioni cand se formeaza nuclee de 16O si 20Ne procesul nuclear continuand cu formarea 24Mg pana la nucleele cu numar de masa cuprins intre 40 ndash 60

12

3 Efecte radiobiologice asupra omului

Imediat dupa descoperirea radiatiilor roumlentgen si apoi a radioactivitatii s-a sesizat si caracterul periculos al radiatiilor ionizante in cazul folosirii nerationale Pionierii roentgenografiei au cunoscut ldquope propia lor pielerdquo actiunea radiatiilor ionizante iar dupa descoperirea radioactivitatii primele victime au aparut in 1920 in SUA in randul muncitorilor care aplicau vopsele luminoase pe cadranele ceasornicelor Acestora li s-au adaugat savantii Marie Curie si Ireacutene Joliot-Curie renumiti cercetatori in domeniul radioactivitatii care au decedat dupa grele suferinte de leucemie radioindusa Dar cele mai mari victime s-au inregistrat la sfarsitul celui de al doilea razboi mondial in urma exploziilor celor doua bombe atomice lansate de catre SUA asupra Japoniei la Hirosima si Nagasaki

31 Particularitatile efectelor biologice

Indiferent de urmarile provocate de impactul radiatiilor ionizante cu organismul viu actiunea biologica prezinta unele particularitati si anume

- organismul omenesc nu este dotat cu un organ de simt care sa sesizeze prezenta radiatiilor ionizante iar efectul biologic nu este vizibil in momentul iradierii

- efectele biologice sunt cumulative si nu au un caracter particular care sa ne permita deosebirea de efectele aparute altfel decat prin iradiere

- modificarile si simptomele evolueaza lent dupa iradiere Unele sunt imediate sau precoce si apar dupa un ragaz care variaza de la cateva ore la cateva saptamani Altele sunt intarziate si survin dupa mai multi ani (leucemia) dupa mai multe zeci de ani (cancerul fatal) sau pot provoca efecte genetice

In realitate efectele biologice produse de actiunea radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului sunt rezultatul unei lungi serii de fenomene care se declanseaza la trecerea radiatiilor prin organismele vii Evenimentele initiale sunt ionizari si excitari ale atomilor si moleculelor din mediul de interactiune de-a lungul traiectoriilor particulelor ionizante Ulterior aceste perturbari fizice antreneaza reactii fizico-chimice urmate de reactii chimice generand in final efecte biologice Schematic cronologia acestor evenimente este data in tabelul 31

13

Tabelul 31 Prezentarea schematica a fenomenelor declansate deradiatiile ionizante in mediu biologic

32 Clasificarea efectelor biologice

In prezent efectele nocive ale radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului a descendentilor sai si asupra umanitatii in general se clasifica in doua categorii

- efecte nestochastice si- efecte stochasticeEfectele nestochastice sunt efecte imediate (precoce) cu prag reversibile si

imperfect aditive Fiind caracterizate de o relatie de cauzalitate determinate intre doza si efect ele apar atunci cand doza primita depaseste o anumita valoare de prag (fig 31)

Fig 31 Dependenta efectului biologic de doza biologicaa ndash efecte stochastice fara prag b ndash efecete nestochastice cu prag

14

Valoarea pragului pentru un anumit efect poate varia in jurul unei valori medii de la un individ la altul si in functie de conditiile de iradiere In general efectele nestochastice apar destul de repede in timp fiind efecte imediate (precoce) iar vatamarile provocate de ele sunt cu atat mai mari cu cat doza este mai mare

Avand caracter reversibil exista posibilitatea regenerarii unor tesuturi iar dozele administrate intr-un timp lung nu sunt perfect aditive De aceea pentru evitarea producerii lor are mare importanta administrarea fractionata a dozelor de radiatii

Printre efectele nestochastice se numara leziunile nemaligne ale pielii cataracta hipolezia medulara care antreneaza o deficienta hematologica a vatamarilor provocate celulelor gonadelor cu repercusiuni asupra fertilitatii

Efectele stochastice sunt intotdeauna efecte somatice tarzii fara prag ireversibile si aditive Aparitia lor urmeaza o relatie probabilistica doza-efect aparent la intamplare de unde si numele stochastic Altfel spus dintr-o populatie aflata intr-o zona de radiatii efectele stochastice apar numai in unele cazuri individuale aparent la intamplare

Printre ele se numara efectele somatice care se manifesta cu intarziere sub forma de afectiuni maligne (cancer) si efecte genetice (ereditare) ce apar la descendenti Practic intre momentul iradierii si al aparitiei bolii maligne pot trece ani sau zeci de ani

Fiind relatii liniare intre frecventa de aparitie a efectelor stochastice si dozelor absorbite pentru radiatiile cu transfer liniar de energie mica rezulta ca in aceste cazuri la doze mici si debite mici ale dozei riscul pentru sanatate este proportional cu doza administrata In literatura de specialitate factorul de proportionalitate dintre frecventa de aparitie a acestor efecte si doza absorbita a fost denumit factor de risc

Dozele administrate in timp lung fiid aditive nu are importanta daca doza care produce efctul respectiv a fost administrata fractionat sau instantaneu respectiv intr-o secunda sau intr-o luna

Efectul biologic produs este ireversibil si in prezent nu se cunosc metode de reducere a probabilitatilor de aparitie a efectelor stochastice somatice datorate unor doze deja primite

Detrimentul sanatatii Conceptul de detriment al sanatatii se refera la fenomenul de distrugere (vatamare) integrala a unei persoane datorita efectelor biologice ale radiatiilor ionizante fenomen care poate aparea dupa o iradiere in conditii bine definite si la un anumit nivel de doza

In cazul unui efect patologic dat (i) detrimentul (Gj) la un individ (j) este exprimat de produsul intre probabilitatea de aparitie a efectului (pi) si factorul corespunzator de gravitate (g)

iar pentru un grup de persoane (P) detrimentul colectiv (G) este

Acest concept se aplica atat asupra efectelor stochastice cat si a celor nestochastice in principal fiind utilizat pentru estimarea vatamarilor datorate efectelor stochastice

Intre probabilitatea de aparitie a efectelor biologice stochastice si echivalentul de doza se stabileste o relatie liniara fara prag aplicata la doze slabe De aceea detrimentul colectiv al sanatatii este proportional cu echivalentul de doza efectiv colectiv Totusi in mod practic detrimentul unui grup de indivizi nu poate fi redus la o insumare a vatamarilor individuale fapt pentru care echivaletul de doza colectiva se ia ca un partener printre altele

15

33 Fazele tipice ale evolutiei imbolnavirii in urma iradierii

In dinamica evolutiei reactiilor care au loc in urma iradierii se pot distinge trei perioade importante perioada primara perioada latenta si perioada secundara

Reactiile in perioada primara de actiune a radiatiilor ionizante se datoreaza a trei tipuri principale de mecanisme mecanismul actiunii directe indirecte si la distanta

Efectul biologic prin actiune directa consta in transmiterea directa a energiei particulelor incarcate sau a electronilor secundari catre atomii si moleculele substantelor celulare Produsul principal al acestei actiuni sunt ioni si atomi excitati de-a lungul parcursului particulei in celula Datorita ionizarii si excitarii substantelor prin mecanism primar se produc modificari chimice ale acestora (mecanismul actiunii indirecte) Deoarece organismele vii au in compozitia lor un mare procent de apa la om ajungand pana la 85 din greutatea corpului multa vreme s-a considerat ca actiunea nociva a radiatiilor ionizante este cauzata de produsele de descompunere a ei si in special de apa oxigenata care actioneaza ca agent oxidant (ipoteza actiunii prin apa oxigenata) O ipoteza mai verosimila considera ca rolul principal in actiunea biologica primara il au radicalii H OH si O2H care apar la radioliza apei (ipoteza actiunii prin radicali liberi) Conform acestei ipoteze radioliza apei constituie o sursa pentru actiunea indirecta a radiatiei deoarece radicalii liberi formati pot afecta atat cromozomii cat si proteinele citoplasmatice

Datorita interventiei sistemului nervos a glandelor endocrine si a transportului prin umori sau difuziune a unor substante rezultate in tesuturile iradiate efectele biologice se pot produce nu numai in organele iradiate ci si in cele neiradiate (mecanismul actiunii la distanta sau al actiunii secundare)

Perioada latenta care apare in organism dupa perioada primara se caracterizeaza prin faptul ca fenomenele sunt atat de neinsemnate incat nu pot fi descoperite neinregistrandu-se nici un fel de tulburari Perioada latenta variaza invers proportional cu doza de radiatii De aceea in cazul unor iradieri cu doze mortale perioada latenta dureaza de la cateva ore la 30-40 de zile iar in doze fractionate mici ea dureaza mai mult de un an

Perioada secundara este dominata de formarea in celule si tesuturi de substante toxice care conduc la intoxicarea organismului determinand o serie de efecte biologice importante (ipoteza formarii uor substante toxice) Reactiile din aceasta perioada sunt de natura necunoscuta si in decursul timpului ele au fost atribuite actiunii apei oxigenate peroxizilor organici si histaminei problema fiind insa in discutie Cert este faptul ca sub actiunea radiatiilor ionizante apar molecule active in primul rand in celulele din tesuturi si in paralel in sange si in limfa

34 Clasificarea efectelor biologice dupa natura lor

Cel mai fercvent efectele biologice se clasifica dupa natura lor in- efecte precoce care nu apar decat pentru doze ridicate- efecte somatice tarzii care se manifesta dupa mai multi ani chiar mai multi zeci

de ani- efecte genetice care privesc descendentii - efecte teratogene care se refera la afectarea embrionului si a fetusului

341 Efecte biologice precoce

16

Efectele biologice precoce survin la putin timp dupa iradiere uneori dupa cateva ore sau mai putin si sunt efecte cu prag fapt pentru care nu apar decat daca doza depaseste un anumit nivel Deasupra pragului ele cresc cu doza De aceea pentru a evita producerea lor s-au elaborat reglementari care impun limitarea sub nivelul de prag al dozelor ce le pot primi operatorii care lucreaza in medii de radiatii ionizante Cele mai fragile tesuturi care sufera efecte biologice cu prag sunt pielea celulele formate de sange maduva osoasa intestinul si organele sexuale sau gonade

Efectele biologice precoce in cazul iradierilor partiale Acestea se refera la piele maduva osoasa si organele genitale

Pielea Efectele radiobiologice ale pielii sunt foarte variabile si ele depind de doza de localizarea anatomica de varsta de pigmentatia tegumentului etc In general la doze mai mari de 10 Gy nu se observa nici o leziune grava dar la 25 din cazuri apare o senzatie de caldura La doze intre 10 si 20 Gy apar epidermite exudative urmate dupa un timp de o latenta de trei saptamani de eritema secundara apoi de epitelitaexudativa dupa 3-6 luni facandu-se restaurarea fara recurs In cazul unor iradieri foarte importante si profunde se altereaza vascularizatia si apare ulceratia care necesita un tratament chirurgical

Maduva osoasa organul cel mai sensibil la iradierea globala conduce limfopenia cu atat mai repede cu cat doza de radiatii este mai mare

Organele sexuale respectiv testiculele la barbati si ovarele la femei reactioneaza diferit la iradiere

Testiculele care se remarca printre cele doua functii de producatore de hormoni si spermatozoizi la iradiere le este afectata numai cea de-a doua functie (producatoare de spematozoizi) La doze relativ mici de 05 Gy se instaleaza o depresiune tranzitorie si spontan reversibila iar la doze de circa 2 Gy apare o azospermie si sterilitate temporara in jur de un an Experientele efectuate de americani pe detinuti voluntari au aratat ca in cazul iradierii testiculelor cu doze de 6 Gy sterilitatea este temporata la om De asemenea supravietuitorii dintre cei 23 pescari japonezi care au fost iradiati in urma exploziei experimentale a armei termonucleare de la Bikini in 1954 si care se estimeaza ca au primit doze de 3 - 66 Gy dupa o sterilitate de 2-3ani au avut copii normali (in total 45 copii)

- Ovarele comparativ cu testiculele au o sensibilitate mai mica fata de radiatiile ionizante aceasta fiind influentata si de varsta Astfel pe cand la o femeie tanara in jur de 25 de ani este necesara o doza de 12-15 Gy pentru a provoca o menopauza artificiala la o femeie de peste 40 de ani este suficienta o doza de numai 7 Gy Se mentioneaza ca la femei sterilitatea este insotita de oprirea functiei endocrine

Din cercetarile efectuate precum si din constatarile asupra descendentilor celor iradiati in urma exploziilor atomice de la Hirosima si Nagasaki a rezultat ca in urma unei iradieri puternice care a provocat sterilitatea temporara nu s-au produs urmari genetice prin afectarea celulelor sexuale

Iradierea organelor profunde La iradieri puternice mai ales in radioterapie sunt iradiate si organele profunde plamanii inima rinichii tubul digestiv ficatul sistemul nervos central si creierul Dintre acestea deosebit de sensibile sunt plamanii care dupa o doza de 25 Gy se imbolnavesc de fibron pulmonar iar dupa 6-12 luni urmeaza decesul

Rinicii si ficatul sunt afectati la doze peste 30 Gy In cazul rinichilor functionarea lor este afectata dupa cateva saptamani de la iradiere pe cand vezica poate suporta doze mult mai mari Diversele organe ale aparatului digestiv au radiosensibilitati diferite Cel mai radiosensibil este intestinul subtire la care apar leziuni in urma absorbtiei unor doze

17

sub 30 Gy Urmeaza stomacul care este afectat de doze in jur de 40 Gy cel mai rezistent fiind colonul care reactioneaza numai la doze cuprinse intre 50 si 56 Gy

Destul de radiosensibil este si sistemul nervos care manifesta o fragilitate a celulelor nervoase a vaselor sangvine si o capacitate limitata de regenerare a tesuturilor nervoase La doze peste 40 Gy administrate in patru saptamani apare o paraplegie care dupa doi ani se extinde In ceea ce priveste creierul desi modificari morfologice apar deja de la doze de 10 Gy el poate suporta doze de circa 50 Gy timp de 5-6 saptamani

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor globale In urma unor iradieri globale cu doze in jur de 1 Gy care sunt fara gravitate imediata nu se observa decat foarte discrete modificari hematologice in ceea ce priveste globulele albe dar ele se regenereaza rapid In astfel de cazuri se aplica un tratament modest fara a fi necesara spitalizarea

La doze cuprinse intre 1 si 2 Gy desi semnele fizice inca lipsesc se observa o scadere a globulelor albe si a plachetelor iar numarul globulelor rosii este modest In acest caz sunt necesare transfuzii si tratament antibiotic Din contra la doze de peste 2Gy se observa o evolutie stereotipa a bolii cu afectarea celulelor formatoare de sange si scaderea corespunzatoare a numarului maxim de elemente reprezentative din sange Evolutia imbolnavirii se face urmand cele patru faze tipice Dupa o perioada de debut care dureaza trei zile insotita de simptome discrete urmeaza de perioada latenta practic silentioasa care dureaza peste trei saptamani In continuare se instaleaza perioada de stare (perioada critica) careia i se asociaza semne generale cum sunt oboseala intensa tulburari digestive hemoragii si infectii formula sangvina fiind foarte modificata In acest moment viata bolnavului este in pericol Abia dupa circa trei luni el intra in covalescenta In acest caz spitalizarea este indispensabila intr-un centru specializat cu locuri sterilizate repaus absolut si eliminarea posibilitatilor de infectare In cadrul tratamentului se recomanda grefe de maduva osoasa La doze mai mari grefa cu maduva osoasa poate fi singura sansa iar la doza peste 12 Gy de iradiere instantanee orice tratament terapeutic nu este eficace

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor accidentale In ultimele decenii s-au inmultit numarul iradierilor accidentale Principal ele pot fi clasificate in iradieri implicand una sau mai multe persoane ori a unor grupuri mari de persoane

Iadieri accidentale implicand una sau mai multe persoane Pana in anul 1965 au fost inregistrate 12 astfel de accidente critice in lume in care persoane au fost expuse global in cursul unor cercetari sau operatii chimice dintre care au rezultat 9 decese

De asemenea se cunosc 24 accidente cu surse gamagrafice dintre care 15 accidente cu 192Ir si 9 accidente cu 60Co din care au rezultat 17 morti si 38 grav iradiati In ultimii 40 de ani au avut loc 115 cazuri de iradieri locale care au facut 156 victime Principalele cauze se datoresc instalatiilor de radiatii X pentru analiza cristalografica (69) surselor de gamagrafice cu 192Ir (34) 60Co (25) emitatori β-activi (11) acceleratori de particule (8) si diverse surse (8) Iradierile interne sunt mai rare si mai greu de cunoscut In Franta sunt cunoscute numai o zecime din decese 7 sunt imputabile activitatii medicale

Iradieri accidentale a unor grupuri mari de persoane Iradierile simultane asupra unui numar ridicat de persoane au fost inregistrate in urma unor experiente cu arme termonucleare sau a unor defectiuni survenite in functionarea unor centrale atomoelectrice

Explozia experimentala a armei termonucleare de la Bikini de la 1 martie 1954 a provocat printre altele si iradierea puternica prin caderi de pulberi radioactive a locuitorilor de pe Insula Marschall precum si a 23 de pescari marinari de pe vasul japonez ldquoFukuriu Marurdquo

18

Recent prin defectarea centralei atomoelectrice de la Cernobal (Ucraina) din aprile 1986 au fost iradiate 22 persoane cu doze peste 8 Gy 22 persoane cu doze intre 4 si 8 Gy 53 persoane cu doze intre 2 si 4 Gy si 203 persoane cu doze peste 1 Gy fiind inregistrate 31 decese

342 Efecte somatice tarzii

Efectele somatice tarzii in general sunt fara prag Ele pot fi necancerigene (cataracte tulburari ale cresterii scaderea longevitatii si a unor reactii imunologice) insa principalul efect intarziat este cancerul care apare dupa cativa ani sau zeci de ani de la iradiere Principalele efecte somatice tarzii necancerigene se caracterizeaza prin urmatoarele

Cataractele sunt boli care provoaca opacifierea cristalinului Radiatiile ionizante genereaza cataracte la doze superioare la 10 Gy de radiatii X Ele sunt efecte cu prag care la barbati este foarte ridicat si apare intre 1 si 10 ani de la iradiere In cazul neutronilor rapizi pragul este mult mai jos asymp08 Gy respectiv asymp8 Sv

Tulburari de crestere Constatarile efectuate pe supravietuitorii de la Hirosima si Nagasaki au evidentiat ca prin expunere la doze de 1 Gy au loc tulburari de crestere si anume un deficit in greutate o scadere a taliei si a circumferintei capului

Longevitatea De asemenea studiile de supravietuitori de la Hirosima sI Nagasaki precum si pe animale in laborator au aratat ca la doze ridicate (asymp4 Gy) de radiatii se scurteaza durata medie de viata indiferent daca iradierea a produs leucemie sau cancer

Reactiile imunologice La iradierea cu doze de 1 Gy scad reactiile imunologice si organismele devin vulnerabile la infectii

Pielea desi nu este radiosensibila se mnifesta ca un organ critic avand un prag de toleranta de asymp2mGyzi Prin iradierea mainilor cu doze superioare (5 mGyzi) apar leziuni cutanate cronice sau uscate si atrofice care fisureaza dand ulceratii grave

Cancerele principalele efecte intarziate se caracterizeaza prin faptul ca nu au prag si se produc mai ales cu doze slabe de radiatii Frecventa lor este influentata de o serie de factori printre care se numara doza de radiatie natura radiatiilor sexul varsta si natura tesuturilor iradiate

Dintre toti factorii doza de radiatii este cel mai important iar dintre radiatii particulele α si neutronii sunt cele mai periculoase Radiosensibilitatea organismelor este diferita in functie de sex ea este mai importanta la femei decat la barbati in special pentru sani si tiroida si are un efect invers pentru maduva osoasa si pulmon Totodata efectele difera cu varsta copiii tineri adolescentii si persoanele in varsta fiind mai radiosensibile decat adultii Timpii de latenta sunt foarte variabili si depind in mod esential de natura tesutului iradiat Ei sunt cuprinsi intre 4 si 20 de ani de la iradiere pentru leucemie de 10 ani pentru tumori 22-25 de ani pentru sani etc Cancerul cutanat apare la doze de circa 15 Gy radiatii electromagnetice intre 25 si 40 de ani Cancerul osos apare la doze gt8Gy iar leucemia la doze gt1 Sv Cancerul sanului apare la doze de 020 Gy (la iradieri radiologice) iar cancerul tiroidei la 01 Gy la copii intre 13 si 14 ani

343 Efecte geneticeAlaturi de alti agenti fizico-chimici (substante chimice radiatiile

electromagnetice caldura etc) care pot provoca efecte mutagene se afla si radiatiile ionizante

19

Daca la doze slabe nu s-au inregistrat astfel de efecte la om in schimb printre copiii supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki iradiati cu doze puternice s-au inregistrat cazuri de anomalii genetice semnificative

Pe plan uman singurele informatii de care dispunem sunt descendentii iradiatilor de la Hirosima si Nagasaki si ai pescarilor de la Bikini dar in ambele cazuri dozele nu sunt cunoscute cu precizie In cazul supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki desi au prezentat forme cancerigene pentru doze ridicate (gt1 Gy) nu s-au inregistrat efecte genetice De asemenea in cazul celor 23 marinari pescari de la Bikini iradiati de caderile radioactive cu exceptia unuia care a decedat dupa o sterilitate de doi ani ceilalti au avut copii normali (45 copii) la care nu au fost observate efecte genetice aparente la prima generatie

In modul de evaluare a efectelor genetice se intampla unele dificultati datorate urmatorilor factori caracterul particular al efectelor genetice necesitatea extrapolarii rezultatelor obtinute experimental pe animale la om si de asemenea extrapolarea rezultatelor obtinute experimental cu doze forte la doze slabe

Din investigarile pe animale s-a stabilit ca fercventa anomaliilor genetice se observa la doze gt1 Gy La om anomaliile (de ex structura cromozomilor) reprezinta un risc de 1-10 pe milion de nasteri vii pe centiGy iar mutatiile genetice apar la iradierea celor doi parinti cu o frecventa de 5-65 pe milion de nasteri vii pe centiGy Dupa prima generatie si la echilibru (dupa 5 generatii) frecventa lor este de 40-200 pe milion de nasteri vii pe centiGy pe generatie Mutatiile sunt legate de sexe in sensul ca ele se transmit prin femei In prima generatie numarul de afectiuni adaugat este lt13 pe milion de nasteri vii pe centiGy

Particularitatile mutatiilor genice In functie de sex riscul pentru femeie este mai putin important ca pentru barbat Dupa varsta la femei sunt doua perioade critice principala este perioada reproducerii de la pubertate la menopauza A doua este pana in luna a saptea a vietii fetale La barbat perioada periculoasa se afla intre 20 si 40 ani perioada in care se fac majoritatea fecundarilor

Ipoteza prejudiciului genetic dat de iradierile slabe In mod normal o populatie se afla in echilibru genetic Aparitia de noi mutanti este compensata de eliminarea mutantilor existenti prin decese precoce sau prin fecundari mai putine uneori chiar nule In cazul unor iradieri suplimentare acest echilibru se rupe iar fiecarei generatii i se vor adauga descendentilor mutatiile produse la toate generatiile anterioare (mutanti suplimentari) Ca urmare se vor produce o crestere a mutatiilor letale si a celor dominante precm si o acumulare a mutatiilor primite

344 Efecte biologice teratogene

Efectele teratogene sunt anomalii si malformatii provocate de actiunea unor agenti fizici chimici si infectiosi sau a radiatiilor ionizante asupra embrionului si fetusurilor pe timpul cresterii

Sensblitatea lor la radiatii variaza dupa stadiul dezvoltarii embrionului dar pragul de actiune este foarte net mai jos decat dupa nastere Efectele teratogene sunt ireversibile iar radiatiile ionizante produc aceleasi efecte ca si alti agenti teratogeni Sub actiunea radiatiilor ionizante in functie de stadiul de dezvoltare a embrionului si a fetusurilor se deosebesc urmatoarele

20

- In stadiul de preimplantare iradierea determina fie distrugerea oului fie moartea uneia sau a mai multor celule Aceasta perioada adesea trece neobservata de femeie Doza letala 50 este de 05-06 Gy

- In stadiul de organogeneza cand femeia are consecinte de intarziere si banuiala ca ar fi insarcinata o doza de 01 Gy poate antrena malformatii Aceasta este perioada critica deoarece radiosensibilitatea este maxima

- In stadiul fetal frecventa si gravitatea malformatiilor se diminuiaza In schimb iradierea poate avea o actiune cancerigena care se manifesta la copii tineri Dozele egale sau inferioare la 025 Gy sunt considerate ca fara efect

Cele mai importante consecinte legate de efectele teratogene sunt- malformatiile ca de exemplu cele microcefalice care pot fi insotite de

intarzierea mentala - intarzierea cresterii care are loc la doze puternice (gt1 Gy) printre care se

remarca deficitul ponderal scaderea taliei si a circumferintei capului si o intarziere a osificarii

- cancerul care apare la iradieri in uter cu doze de 002 Gy-mortalitatea intrauterina si neonatala creste In cazul supravietuitorilor de la

Hirosima si Nagasaki ea a fost cu 40 mai mare decat cea normala - efecte genetice nu s-au observat nici printre descendentii celor iradiati in uter cu

ocazia exploziilor nucleare de la Hirosima si NagasakiPe baza acestor observatii se impune luarea unor precautii in cazul femeilor

insarcinte care sunt expuse profesional la doze de radiatii ionizante si excluderea lor de la orice fel de examen radiologic

21

4 Efectele fizice ale radiatiilor ionizante la interactiunea cu substanta

La impactul cu substanta fasciculele de radiatii ionizante sufera procese de atenuare datorita devierii (imprastierii) acestora printr-un mecanism monoact sau prin absorbtie cand isi pierd complet energia pe baza unui mecanism continuu Cele mai importante efecte ale radiatiilor ionizante sunt excitarea si ionizarea care pot fi directe in cazul particulelor incarcate electric sau indirecte in cazul radiatiilor X γ si a neutronilor

41 Interactiunea particulelor grele incarcate cu substanta

Particulele grele incarcate cum sunt radiatiile α protonii deuteronii atomii multiplu ionizati si produsii de fisiune nucleara la impactul cu substanta se atenueaza cu parcurs pe baza unui mecanism de pierderi mici de energie intr-un numar foarte mare de procese de interactiune

Procesul predominant este cel de interactiune cu electronii atomilor si moleculelor probabilitatea de interactiune cu nucleele atomilor fiind foarte mica

Transferul liniar de energie (TLE) notat cu Q realizat prin ciocniri neelastice cu electronii atomilor si ai moleculelor intalnite este dat de relatia lui HA Bethe

[erg∙cm-1]

in care N este numarul de atomi dintr-un cm3 Z ndash sarcina particulei m0 ndash masa de repaus a electronului v ndash viteza e ndash sarcina electronului β = vc J ndash potentialul mediului de excitare al substantei iradiate

In figura 41 se prezinta modul de variatie al numarului particulelor α cu mediul Transferul Q depinde de viteza (v) si de sarcina (Z) a prticulelor grele incidente iar pe o distanta Δx particula pierde o energie ΔE care este data de suma transferurilor Q in cursul ciocnirilor ce au loc pe aceasta distanta ΔE=ΣQ

Fig 41 Variatia numarului particulelor α in unitatea de timp cu distanta parcursa intr-un mediu dat

Atunci cand o particula parcurge un mic segment Δx din traiectoria sa ea sufera numeroase ciocniri cu electronii care se gasesc in vecinatatea traiectoriei sale Raportul S=ΔEΔx se numeste putere de incetinire a particulelor in mediu si reprezinta pierderea specifica de energie fiind dependent de viteza (v) si sarcina (Z) a particulei incidente Distanta maxima pe care o strabate o particula de energie initiala E intr-un mediu dat se numeste parcurs (R) si se exprima in metri El se poate calcula cu ajutorul relatiei

[m]

22

Din cauza fluctuatiei accidentale de ciocniri individuale dintre particulele grele incarcate si atomii mediului parcursurile lor nu sunt riguros egale asa cum se poate observa cu ajutorul unei camere Wilson (fig 42)

Fig 42 Parcursurile particulei α in camera Wilson

La strabaterea mediilor gazoase parcursurile radiatiilor α ating centimetri ( tabelul 41) pe cand in medii lichide si solide descresc mult fiind de ordinul micrometrilor Asa se explica faptul ca o foaie de hartie este suficienta pentru a absorbi complet un fascicul de radiatii α de mare energie Parcursul radiatiilor α in aer se calcleaza cu ajutorul relatiei empirice a lui Bethe R=032 E32 In fig 43 este data dependenta dintre energie si parcursul radiatiilor α

Parcursurile radiatiilor α ale Po si RaC΄ in diferite mediiTabelul 41

Mediul strabatut Parcursul radiatiilor α ale210Po(530 Mev) 214RaC΄(76 MeV)

Aer 00387 m 00698 mHidrogen 01730 m 03250 m

Heliu 0215 m 0390 mArgon 00417 m 0073 m

Alcool etilic 371μm -Aur - 14 μm

Gelatina foto 23 μm 50 μm

Ciocnindu-se cu electronii mediului strabatut particulele α produc efecte dependente de energia Q transferata acestora

Fig 43 Dependenta dintre energie si parcursul particulelor α

a Daca energia transferata (Q) este superioara energiei de legatura a electronilor (asymp10eV) acestia sunt smulsi si azvarliti particulele incidente pastrandu-si directia practic neschimbata fapt pentru care parcursul lor in orice mediu este rectiliniu Atomul caruia i

23

s-a smuls un electon devine ion pozitiv si impreuna cu electronul detasat formeaza o pereche de ioni procesul in ansamblu numindu-se ionizare

Numarul de perechi de ioni creati pe unitatea de lungime se numeste ionizare specifica (j) si este data de raportul dintre patratul atomic Z al particulelor si patratul vitezei particulei (vp)

WL BRAGG studiind variatia numarului de ioni formati in functie de unitatea de lungime a constatat ca ionizarea maxima este atinsa la sfarsitul parcursului (Fig 44)

Fig 44 Curbele de tip Bragg ale Po si RaC΄

b In cazul in care energia tansferata (Q) este inferioara energiei de legatura a electronului acesta nu este detasat din structura atomica sau moleculara de care apartine si se produce excitarea atomului respectiv

Urmarind distributia energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale se obtine o curba de distributie care este reprezentata in fig 45

Fig 45 Curba de distriutie a energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale

Conform acestei curbe energia ε=ΔE pierduta de o particula parcurgand un mic segment Δx din traiectoria sa se repartizeaza astfel

- 30 din energie (100gtQgt10eV) se consuma in excitari - 30 din energie (Qlt10eV) se consuma pentru ionizari- 40 din energie (Qgt100eV) se consuma pentru producerea de electroni

secundari δAceasta repartitie ramane constanta de-a lungul traiectoriei particuleiAutoabsorbtia radiatiilor α Urmarind variatia curentului de ionizare (I) produs

de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva (Fig 46) se observa ca numai in cazul straturilor foarte subtiri se inregistreaza o crestere proportionala a curentului de ionizare cu grosimea stratului activ Pentru o anumita grosime a stratului de substanta ionizarea devine constanta deoarece particulele α emise

24

de straturile inferioare se absorb total in cele superioare Straturile ale caror grosime este egala sau mai mare decat pacursul se numesc straturi ldquogros infiniterdquo

Fig 46 Variatia curentului de ionizare produs de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta rdioactiva

Ecranarea particulelor grele incarcate Particulele grele incarcate in primul

rand radiatiile α au parcursuri foarte mici de ordinul micronilor in corpuri solide fapt pentru care nu ridica probleme speciale de ecranare fiind absorbite total si cu usurinta de toate substantele chiar si de o foaie de hartie De aceea simpla utilizare a manusilor de cauciuc ori a hartiei de filtru in lucrari de laborator cu astfel de substante radioactive sunt masuri suficiente care sa asigure o buna protectie impotriva iradierii externe

Reactiile nucleare ale prticulelor grele incarcate La interactiunea particulelor grele incarcate cu anumite nuclee tomice acestea pot sa sufere transmutatii artificiale In particular radiatiile α emise de unele surse radioactive naturale au importanta istorica deoarece stau la baza unor importante descoperiri cum sunt

- reactiile nucleare (α p) realizate pentru prima data de E RUTHERFORD in anul 1919 au condus la descoperirea primei transmutatii artificiale sinteza izotopului stabil 17O din 14N cu emisia unui proton

In prezent cu ajutorul particulelor α ndash accelerate se prepara numerosi radioizotopi pe baza ecuatiei generale

- reactiile nucleare (α n) au stat la baza descoperirii neutronului de catre CHADWICK in 1932 prin bombardarea beriliului cu radiatii α ale poloniului

Reactiile (α n) prezinta un interes deosebit si datorita faptului ca ele stau la baza surselor de neutroni de laborator Substantele α ndash active cele mai utilizate sunt210Po 226Ra si 239Pu

Sursele Ra ndash α ndash Be emit neutroni cu un spectru energetic continuu cu energii pana la 137 MeV si randament foarte mare la 1 mCi Ra corespund 13 104 ncm2 s fiind sursele cele mai constante din cauza timpului de injumatatire lung al radiului (1600 a)

Tot pe baza reactiei nucleare (α n) sotii JOLIOT-CURIE in anul 1934 iradiind o foita de aluminiu cu particule α au obtinut fosfor radioactiv descoperind radioactivitatea artificiala care a deschis perspective nebanuite fizicii si chimiei nucleare

In prezent sub actiunea particulelor α accelerate se produc numerosi radioizotopi

ai elementelor cu timpi de injumatatire mici pe baza reactiei generale

25

De asemenea sub actiunea particulelor α accelerate au fost sintetizate o parte din elementele transuraniene conform reactiilor

In mod asemanator pot provoca reactii nucleare si alte particule grele accelerate

(protoni deuteroni) Dintre acestea se remarca- reactiile nucleare (p γ) puternic exoenergice cu emisie de fotoni de mare

energie - reactiile nucleare (d n) care stau la baza producerii neutronilor de laborator cu

ajutorul generatoarelor de inalta tensiune Cu ajutorul deuteronilor de 5 MeV s-au sintetizat pentru prima data prin reactii nucleare (d n) tehnetiul si prometiul

- reactiile nucleare (d p) care se produc cu o probabilitate de 10 ori mai mare

decat cele (d n) prezinta interes deoarece conduc la formarea de izotopi ai tintei intocmai ca in cazul reactiilor (nγ) De exemplu 23Na(dp)24Na 31P(d p)32P

Particulele grele incarcate cu energii mai mari de 50 MeV genereaza o serie de reactii nucleare in cascada dezintegrarea cu expulzarea de nucleoni rapizi (p d T) fisiunea nucleara reactii secundare si emisia de nuclee usoare

42 Interactiunea electronilor cu substanta

Fasciculele de electroni emisi de radionuclizii β ndash activi (β- si β+) precum si cei proveniti din generatoare la interactiunea cu substanta se atenueaza pierzand energia de-a lungul parcursului

Datorita unor serii de procese de absorbtie prin ciocniri elastice si neelastice si uneori prin radiatie de franare efectele fizice produse de aceste procese constau din excitarea si ionizarea mediului strabatut iar contributia fiecarui proces in parte este determinata de energia electronilor incidenti precum si de natura materialului absorbant

Imprastierea neelastica electron-electron Dintre toate procesele de interactiune ale electronilor cu substanta predominant este cel de imprastiere la ciocnirea neelastica cu electronii orbitali ai atomilor din mediu deci procesele electron-electron Datorita acestui fapt electronii sufera imprastieri sub unghiuri diferite motiv pentru care drumul fasciculelor de electroni prin mediu nu este rectiliniu ci foarte sinuos (fig 47) De aceea intr-o substanta de o anumita grosime electroni de aceeasi energie parcurg drumuri complet diferite care intrec in lungime 15 ndash 4 ori grosimea stratului penetrat

Fig 47 Drumul sinuos al electronilor prin substanta

26

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

Fig 21 Ciclul proton ndash proton Fig 22 Ciclul carbon ndash azot

Multa vreme s-a crezut ca prin ciclul carbon ndash azot se incheie seria reactiilor termonucleare ce au loc in stele In realitate prin cresterea treptata a temperaturii pot sa aibe loc inca o serie de reactii termonucleare prin capturare de helioni cand se formeaza nuclee de 16O si 20Ne procesul nuclear continuand cu formarea 24Mg pana la nucleele cu numar de masa cuprins intre 40 ndash 60

12

3 Efecte radiobiologice asupra omului

Imediat dupa descoperirea radiatiilor roumlentgen si apoi a radioactivitatii s-a sesizat si caracterul periculos al radiatiilor ionizante in cazul folosirii nerationale Pionierii roentgenografiei au cunoscut ldquope propia lor pielerdquo actiunea radiatiilor ionizante iar dupa descoperirea radioactivitatii primele victime au aparut in 1920 in SUA in randul muncitorilor care aplicau vopsele luminoase pe cadranele ceasornicelor Acestora li s-au adaugat savantii Marie Curie si Ireacutene Joliot-Curie renumiti cercetatori in domeniul radioactivitatii care au decedat dupa grele suferinte de leucemie radioindusa Dar cele mai mari victime s-au inregistrat la sfarsitul celui de al doilea razboi mondial in urma exploziilor celor doua bombe atomice lansate de catre SUA asupra Japoniei la Hirosima si Nagasaki

31 Particularitatile efectelor biologice

Indiferent de urmarile provocate de impactul radiatiilor ionizante cu organismul viu actiunea biologica prezinta unele particularitati si anume

- organismul omenesc nu este dotat cu un organ de simt care sa sesizeze prezenta radiatiilor ionizante iar efectul biologic nu este vizibil in momentul iradierii

- efectele biologice sunt cumulative si nu au un caracter particular care sa ne permita deosebirea de efectele aparute altfel decat prin iradiere

- modificarile si simptomele evolueaza lent dupa iradiere Unele sunt imediate sau precoce si apar dupa un ragaz care variaza de la cateva ore la cateva saptamani Altele sunt intarziate si survin dupa mai multi ani (leucemia) dupa mai multe zeci de ani (cancerul fatal) sau pot provoca efecte genetice

In realitate efectele biologice produse de actiunea radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului sunt rezultatul unei lungi serii de fenomene care se declanseaza la trecerea radiatiilor prin organismele vii Evenimentele initiale sunt ionizari si excitari ale atomilor si moleculelor din mediul de interactiune de-a lungul traiectoriilor particulelor ionizante Ulterior aceste perturbari fizice antreneaza reactii fizico-chimice urmate de reactii chimice generand in final efecte biologice Schematic cronologia acestor evenimente este data in tabelul 31

13

Tabelul 31 Prezentarea schematica a fenomenelor declansate deradiatiile ionizante in mediu biologic

32 Clasificarea efectelor biologice

In prezent efectele nocive ale radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului a descendentilor sai si asupra umanitatii in general se clasifica in doua categorii

- efecte nestochastice si- efecte stochasticeEfectele nestochastice sunt efecte imediate (precoce) cu prag reversibile si

imperfect aditive Fiind caracterizate de o relatie de cauzalitate determinate intre doza si efect ele apar atunci cand doza primita depaseste o anumita valoare de prag (fig 31)

Fig 31 Dependenta efectului biologic de doza biologicaa ndash efecte stochastice fara prag b ndash efecete nestochastice cu prag

14

Valoarea pragului pentru un anumit efect poate varia in jurul unei valori medii de la un individ la altul si in functie de conditiile de iradiere In general efectele nestochastice apar destul de repede in timp fiind efecte imediate (precoce) iar vatamarile provocate de ele sunt cu atat mai mari cu cat doza este mai mare

Avand caracter reversibil exista posibilitatea regenerarii unor tesuturi iar dozele administrate intr-un timp lung nu sunt perfect aditive De aceea pentru evitarea producerii lor are mare importanta administrarea fractionata a dozelor de radiatii

Printre efectele nestochastice se numara leziunile nemaligne ale pielii cataracta hipolezia medulara care antreneaza o deficienta hematologica a vatamarilor provocate celulelor gonadelor cu repercusiuni asupra fertilitatii

Efectele stochastice sunt intotdeauna efecte somatice tarzii fara prag ireversibile si aditive Aparitia lor urmeaza o relatie probabilistica doza-efect aparent la intamplare de unde si numele stochastic Altfel spus dintr-o populatie aflata intr-o zona de radiatii efectele stochastice apar numai in unele cazuri individuale aparent la intamplare

Printre ele se numara efectele somatice care se manifesta cu intarziere sub forma de afectiuni maligne (cancer) si efecte genetice (ereditare) ce apar la descendenti Practic intre momentul iradierii si al aparitiei bolii maligne pot trece ani sau zeci de ani

Fiind relatii liniare intre frecventa de aparitie a efectelor stochastice si dozelor absorbite pentru radiatiile cu transfer liniar de energie mica rezulta ca in aceste cazuri la doze mici si debite mici ale dozei riscul pentru sanatate este proportional cu doza administrata In literatura de specialitate factorul de proportionalitate dintre frecventa de aparitie a acestor efecte si doza absorbita a fost denumit factor de risc

Dozele administrate in timp lung fiid aditive nu are importanta daca doza care produce efctul respectiv a fost administrata fractionat sau instantaneu respectiv intr-o secunda sau intr-o luna

Efectul biologic produs este ireversibil si in prezent nu se cunosc metode de reducere a probabilitatilor de aparitie a efectelor stochastice somatice datorate unor doze deja primite

Detrimentul sanatatii Conceptul de detriment al sanatatii se refera la fenomenul de distrugere (vatamare) integrala a unei persoane datorita efectelor biologice ale radiatiilor ionizante fenomen care poate aparea dupa o iradiere in conditii bine definite si la un anumit nivel de doza

In cazul unui efect patologic dat (i) detrimentul (Gj) la un individ (j) este exprimat de produsul intre probabilitatea de aparitie a efectului (pi) si factorul corespunzator de gravitate (g)

iar pentru un grup de persoane (P) detrimentul colectiv (G) este

Acest concept se aplica atat asupra efectelor stochastice cat si a celor nestochastice in principal fiind utilizat pentru estimarea vatamarilor datorate efectelor stochastice

Intre probabilitatea de aparitie a efectelor biologice stochastice si echivalentul de doza se stabileste o relatie liniara fara prag aplicata la doze slabe De aceea detrimentul colectiv al sanatatii este proportional cu echivalentul de doza efectiv colectiv Totusi in mod practic detrimentul unui grup de indivizi nu poate fi redus la o insumare a vatamarilor individuale fapt pentru care echivaletul de doza colectiva se ia ca un partener printre altele

15

33 Fazele tipice ale evolutiei imbolnavirii in urma iradierii

In dinamica evolutiei reactiilor care au loc in urma iradierii se pot distinge trei perioade importante perioada primara perioada latenta si perioada secundara

Reactiile in perioada primara de actiune a radiatiilor ionizante se datoreaza a trei tipuri principale de mecanisme mecanismul actiunii directe indirecte si la distanta

Efectul biologic prin actiune directa consta in transmiterea directa a energiei particulelor incarcate sau a electronilor secundari catre atomii si moleculele substantelor celulare Produsul principal al acestei actiuni sunt ioni si atomi excitati de-a lungul parcursului particulei in celula Datorita ionizarii si excitarii substantelor prin mecanism primar se produc modificari chimice ale acestora (mecanismul actiunii indirecte) Deoarece organismele vii au in compozitia lor un mare procent de apa la om ajungand pana la 85 din greutatea corpului multa vreme s-a considerat ca actiunea nociva a radiatiilor ionizante este cauzata de produsele de descompunere a ei si in special de apa oxigenata care actioneaza ca agent oxidant (ipoteza actiunii prin apa oxigenata) O ipoteza mai verosimila considera ca rolul principal in actiunea biologica primara il au radicalii H OH si O2H care apar la radioliza apei (ipoteza actiunii prin radicali liberi) Conform acestei ipoteze radioliza apei constituie o sursa pentru actiunea indirecta a radiatiei deoarece radicalii liberi formati pot afecta atat cromozomii cat si proteinele citoplasmatice

Datorita interventiei sistemului nervos a glandelor endocrine si a transportului prin umori sau difuziune a unor substante rezultate in tesuturile iradiate efectele biologice se pot produce nu numai in organele iradiate ci si in cele neiradiate (mecanismul actiunii la distanta sau al actiunii secundare)

Perioada latenta care apare in organism dupa perioada primara se caracterizeaza prin faptul ca fenomenele sunt atat de neinsemnate incat nu pot fi descoperite neinregistrandu-se nici un fel de tulburari Perioada latenta variaza invers proportional cu doza de radiatii De aceea in cazul unor iradieri cu doze mortale perioada latenta dureaza de la cateva ore la 30-40 de zile iar in doze fractionate mici ea dureaza mai mult de un an

Perioada secundara este dominata de formarea in celule si tesuturi de substante toxice care conduc la intoxicarea organismului determinand o serie de efecte biologice importante (ipoteza formarii uor substante toxice) Reactiile din aceasta perioada sunt de natura necunoscuta si in decursul timpului ele au fost atribuite actiunii apei oxigenate peroxizilor organici si histaminei problema fiind insa in discutie Cert este faptul ca sub actiunea radiatiilor ionizante apar molecule active in primul rand in celulele din tesuturi si in paralel in sange si in limfa

34 Clasificarea efectelor biologice dupa natura lor

Cel mai fercvent efectele biologice se clasifica dupa natura lor in- efecte precoce care nu apar decat pentru doze ridicate- efecte somatice tarzii care se manifesta dupa mai multi ani chiar mai multi zeci

de ani- efecte genetice care privesc descendentii - efecte teratogene care se refera la afectarea embrionului si a fetusului

341 Efecte biologice precoce

16

Efectele biologice precoce survin la putin timp dupa iradiere uneori dupa cateva ore sau mai putin si sunt efecte cu prag fapt pentru care nu apar decat daca doza depaseste un anumit nivel Deasupra pragului ele cresc cu doza De aceea pentru a evita producerea lor s-au elaborat reglementari care impun limitarea sub nivelul de prag al dozelor ce le pot primi operatorii care lucreaza in medii de radiatii ionizante Cele mai fragile tesuturi care sufera efecte biologice cu prag sunt pielea celulele formate de sange maduva osoasa intestinul si organele sexuale sau gonade

Efectele biologice precoce in cazul iradierilor partiale Acestea se refera la piele maduva osoasa si organele genitale

Pielea Efectele radiobiologice ale pielii sunt foarte variabile si ele depind de doza de localizarea anatomica de varsta de pigmentatia tegumentului etc In general la doze mai mari de 10 Gy nu se observa nici o leziune grava dar la 25 din cazuri apare o senzatie de caldura La doze intre 10 si 20 Gy apar epidermite exudative urmate dupa un timp de o latenta de trei saptamani de eritema secundara apoi de epitelitaexudativa dupa 3-6 luni facandu-se restaurarea fara recurs In cazul unor iradieri foarte importante si profunde se altereaza vascularizatia si apare ulceratia care necesita un tratament chirurgical

Maduva osoasa organul cel mai sensibil la iradierea globala conduce limfopenia cu atat mai repede cu cat doza de radiatii este mai mare

Organele sexuale respectiv testiculele la barbati si ovarele la femei reactioneaza diferit la iradiere

Testiculele care se remarca printre cele doua functii de producatore de hormoni si spermatozoizi la iradiere le este afectata numai cea de-a doua functie (producatoare de spematozoizi) La doze relativ mici de 05 Gy se instaleaza o depresiune tranzitorie si spontan reversibila iar la doze de circa 2 Gy apare o azospermie si sterilitate temporara in jur de un an Experientele efectuate de americani pe detinuti voluntari au aratat ca in cazul iradierii testiculelor cu doze de 6 Gy sterilitatea este temporata la om De asemenea supravietuitorii dintre cei 23 pescari japonezi care au fost iradiati in urma exploziei experimentale a armei termonucleare de la Bikini in 1954 si care se estimeaza ca au primit doze de 3 - 66 Gy dupa o sterilitate de 2-3ani au avut copii normali (in total 45 copii)

- Ovarele comparativ cu testiculele au o sensibilitate mai mica fata de radiatiile ionizante aceasta fiind influentata si de varsta Astfel pe cand la o femeie tanara in jur de 25 de ani este necesara o doza de 12-15 Gy pentru a provoca o menopauza artificiala la o femeie de peste 40 de ani este suficienta o doza de numai 7 Gy Se mentioneaza ca la femei sterilitatea este insotita de oprirea functiei endocrine

Din cercetarile efectuate precum si din constatarile asupra descendentilor celor iradiati in urma exploziilor atomice de la Hirosima si Nagasaki a rezultat ca in urma unei iradieri puternice care a provocat sterilitatea temporara nu s-au produs urmari genetice prin afectarea celulelor sexuale

Iradierea organelor profunde La iradieri puternice mai ales in radioterapie sunt iradiate si organele profunde plamanii inima rinichii tubul digestiv ficatul sistemul nervos central si creierul Dintre acestea deosebit de sensibile sunt plamanii care dupa o doza de 25 Gy se imbolnavesc de fibron pulmonar iar dupa 6-12 luni urmeaza decesul

Rinicii si ficatul sunt afectati la doze peste 30 Gy In cazul rinichilor functionarea lor este afectata dupa cateva saptamani de la iradiere pe cand vezica poate suporta doze mult mai mari Diversele organe ale aparatului digestiv au radiosensibilitati diferite Cel mai radiosensibil este intestinul subtire la care apar leziuni in urma absorbtiei unor doze

17

sub 30 Gy Urmeaza stomacul care este afectat de doze in jur de 40 Gy cel mai rezistent fiind colonul care reactioneaza numai la doze cuprinse intre 50 si 56 Gy

Destul de radiosensibil este si sistemul nervos care manifesta o fragilitate a celulelor nervoase a vaselor sangvine si o capacitate limitata de regenerare a tesuturilor nervoase La doze peste 40 Gy administrate in patru saptamani apare o paraplegie care dupa doi ani se extinde In ceea ce priveste creierul desi modificari morfologice apar deja de la doze de 10 Gy el poate suporta doze de circa 50 Gy timp de 5-6 saptamani

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor globale In urma unor iradieri globale cu doze in jur de 1 Gy care sunt fara gravitate imediata nu se observa decat foarte discrete modificari hematologice in ceea ce priveste globulele albe dar ele se regenereaza rapid In astfel de cazuri se aplica un tratament modest fara a fi necesara spitalizarea

La doze cuprinse intre 1 si 2 Gy desi semnele fizice inca lipsesc se observa o scadere a globulelor albe si a plachetelor iar numarul globulelor rosii este modest In acest caz sunt necesare transfuzii si tratament antibiotic Din contra la doze de peste 2Gy se observa o evolutie stereotipa a bolii cu afectarea celulelor formatoare de sange si scaderea corespunzatoare a numarului maxim de elemente reprezentative din sange Evolutia imbolnavirii se face urmand cele patru faze tipice Dupa o perioada de debut care dureaza trei zile insotita de simptome discrete urmeaza de perioada latenta practic silentioasa care dureaza peste trei saptamani In continuare se instaleaza perioada de stare (perioada critica) careia i se asociaza semne generale cum sunt oboseala intensa tulburari digestive hemoragii si infectii formula sangvina fiind foarte modificata In acest moment viata bolnavului este in pericol Abia dupa circa trei luni el intra in covalescenta In acest caz spitalizarea este indispensabila intr-un centru specializat cu locuri sterilizate repaus absolut si eliminarea posibilitatilor de infectare In cadrul tratamentului se recomanda grefe de maduva osoasa La doze mai mari grefa cu maduva osoasa poate fi singura sansa iar la doza peste 12 Gy de iradiere instantanee orice tratament terapeutic nu este eficace

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor accidentale In ultimele decenii s-au inmultit numarul iradierilor accidentale Principal ele pot fi clasificate in iradieri implicand una sau mai multe persoane ori a unor grupuri mari de persoane

Iadieri accidentale implicand una sau mai multe persoane Pana in anul 1965 au fost inregistrate 12 astfel de accidente critice in lume in care persoane au fost expuse global in cursul unor cercetari sau operatii chimice dintre care au rezultat 9 decese

De asemenea se cunosc 24 accidente cu surse gamagrafice dintre care 15 accidente cu 192Ir si 9 accidente cu 60Co din care au rezultat 17 morti si 38 grav iradiati In ultimii 40 de ani au avut loc 115 cazuri de iradieri locale care au facut 156 victime Principalele cauze se datoresc instalatiilor de radiatii X pentru analiza cristalografica (69) surselor de gamagrafice cu 192Ir (34) 60Co (25) emitatori β-activi (11) acceleratori de particule (8) si diverse surse (8) Iradierile interne sunt mai rare si mai greu de cunoscut In Franta sunt cunoscute numai o zecime din decese 7 sunt imputabile activitatii medicale

Iradieri accidentale a unor grupuri mari de persoane Iradierile simultane asupra unui numar ridicat de persoane au fost inregistrate in urma unor experiente cu arme termonucleare sau a unor defectiuni survenite in functionarea unor centrale atomoelectrice

Explozia experimentala a armei termonucleare de la Bikini de la 1 martie 1954 a provocat printre altele si iradierea puternica prin caderi de pulberi radioactive a locuitorilor de pe Insula Marschall precum si a 23 de pescari marinari de pe vasul japonez ldquoFukuriu Marurdquo

18

Recent prin defectarea centralei atomoelectrice de la Cernobal (Ucraina) din aprile 1986 au fost iradiate 22 persoane cu doze peste 8 Gy 22 persoane cu doze intre 4 si 8 Gy 53 persoane cu doze intre 2 si 4 Gy si 203 persoane cu doze peste 1 Gy fiind inregistrate 31 decese

342 Efecte somatice tarzii

Efectele somatice tarzii in general sunt fara prag Ele pot fi necancerigene (cataracte tulburari ale cresterii scaderea longevitatii si a unor reactii imunologice) insa principalul efect intarziat este cancerul care apare dupa cativa ani sau zeci de ani de la iradiere Principalele efecte somatice tarzii necancerigene se caracterizeaza prin urmatoarele

Cataractele sunt boli care provoaca opacifierea cristalinului Radiatiile ionizante genereaza cataracte la doze superioare la 10 Gy de radiatii X Ele sunt efecte cu prag care la barbati este foarte ridicat si apare intre 1 si 10 ani de la iradiere In cazul neutronilor rapizi pragul este mult mai jos asymp08 Gy respectiv asymp8 Sv

Tulburari de crestere Constatarile efectuate pe supravietuitorii de la Hirosima si Nagasaki au evidentiat ca prin expunere la doze de 1 Gy au loc tulburari de crestere si anume un deficit in greutate o scadere a taliei si a circumferintei capului

Longevitatea De asemenea studiile de supravietuitori de la Hirosima sI Nagasaki precum si pe animale in laborator au aratat ca la doze ridicate (asymp4 Gy) de radiatii se scurteaza durata medie de viata indiferent daca iradierea a produs leucemie sau cancer

Reactiile imunologice La iradierea cu doze de 1 Gy scad reactiile imunologice si organismele devin vulnerabile la infectii

Pielea desi nu este radiosensibila se mnifesta ca un organ critic avand un prag de toleranta de asymp2mGyzi Prin iradierea mainilor cu doze superioare (5 mGyzi) apar leziuni cutanate cronice sau uscate si atrofice care fisureaza dand ulceratii grave

Cancerele principalele efecte intarziate se caracterizeaza prin faptul ca nu au prag si se produc mai ales cu doze slabe de radiatii Frecventa lor este influentata de o serie de factori printre care se numara doza de radiatie natura radiatiilor sexul varsta si natura tesuturilor iradiate

Dintre toti factorii doza de radiatii este cel mai important iar dintre radiatii particulele α si neutronii sunt cele mai periculoase Radiosensibilitatea organismelor este diferita in functie de sex ea este mai importanta la femei decat la barbati in special pentru sani si tiroida si are un efect invers pentru maduva osoasa si pulmon Totodata efectele difera cu varsta copiii tineri adolescentii si persoanele in varsta fiind mai radiosensibile decat adultii Timpii de latenta sunt foarte variabili si depind in mod esential de natura tesutului iradiat Ei sunt cuprinsi intre 4 si 20 de ani de la iradiere pentru leucemie de 10 ani pentru tumori 22-25 de ani pentru sani etc Cancerul cutanat apare la doze de circa 15 Gy radiatii electromagnetice intre 25 si 40 de ani Cancerul osos apare la doze gt8Gy iar leucemia la doze gt1 Sv Cancerul sanului apare la doze de 020 Gy (la iradieri radiologice) iar cancerul tiroidei la 01 Gy la copii intre 13 si 14 ani

343 Efecte geneticeAlaturi de alti agenti fizico-chimici (substante chimice radiatiile

electromagnetice caldura etc) care pot provoca efecte mutagene se afla si radiatiile ionizante

19

Daca la doze slabe nu s-au inregistrat astfel de efecte la om in schimb printre copiii supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki iradiati cu doze puternice s-au inregistrat cazuri de anomalii genetice semnificative

Pe plan uman singurele informatii de care dispunem sunt descendentii iradiatilor de la Hirosima si Nagasaki si ai pescarilor de la Bikini dar in ambele cazuri dozele nu sunt cunoscute cu precizie In cazul supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki desi au prezentat forme cancerigene pentru doze ridicate (gt1 Gy) nu s-au inregistrat efecte genetice De asemenea in cazul celor 23 marinari pescari de la Bikini iradiati de caderile radioactive cu exceptia unuia care a decedat dupa o sterilitate de doi ani ceilalti au avut copii normali (45 copii) la care nu au fost observate efecte genetice aparente la prima generatie

In modul de evaluare a efectelor genetice se intampla unele dificultati datorate urmatorilor factori caracterul particular al efectelor genetice necesitatea extrapolarii rezultatelor obtinute experimental pe animale la om si de asemenea extrapolarea rezultatelor obtinute experimental cu doze forte la doze slabe

Din investigarile pe animale s-a stabilit ca fercventa anomaliilor genetice se observa la doze gt1 Gy La om anomaliile (de ex structura cromozomilor) reprezinta un risc de 1-10 pe milion de nasteri vii pe centiGy iar mutatiile genetice apar la iradierea celor doi parinti cu o frecventa de 5-65 pe milion de nasteri vii pe centiGy Dupa prima generatie si la echilibru (dupa 5 generatii) frecventa lor este de 40-200 pe milion de nasteri vii pe centiGy pe generatie Mutatiile sunt legate de sexe in sensul ca ele se transmit prin femei In prima generatie numarul de afectiuni adaugat este lt13 pe milion de nasteri vii pe centiGy

Particularitatile mutatiilor genice In functie de sex riscul pentru femeie este mai putin important ca pentru barbat Dupa varsta la femei sunt doua perioade critice principala este perioada reproducerii de la pubertate la menopauza A doua este pana in luna a saptea a vietii fetale La barbat perioada periculoasa se afla intre 20 si 40 ani perioada in care se fac majoritatea fecundarilor

Ipoteza prejudiciului genetic dat de iradierile slabe In mod normal o populatie se afla in echilibru genetic Aparitia de noi mutanti este compensata de eliminarea mutantilor existenti prin decese precoce sau prin fecundari mai putine uneori chiar nule In cazul unor iradieri suplimentare acest echilibru se rupe iar fiecarei generatii i se vor adauga descendentilor mutatiile produse la toate generatiile anterioare (mutanti suplimentari) Ca urmare se vor produce o crestere a mutatiilor letale si a celor dominante precm si o acumulare a mutatiilor primite

344 Efecte biologice teratogene

Efectele teratogene sunt anomalii si malformatii provocate de actiunea unor agenti fizici chimici si infectiosi sau a radiatiilor ionizante asupra embrionului si fetusurilor pe timpul cresterii

Sensblitatea lor la radiatii variaza dupa stadiul dezvoltarii embrionului dar pragul de actiune este foarte net mai jos decat dupa nastere Efectele teratogene sunt ireversibile iar radiatiile ionizante produc aceleasi efecte ca si alti agenti teratogeni Sub actiunea radiatiilor ionizante in functie de stadiul de dezvoltare a embrionului si a fetusurilor se deosebesc urmatoarele

20

- In stadiul de preimplantare iradierea determina fie distrugerea oului fie moartea uneia sau a mai multor celule Aceasta perioada adesea trece neobservata de femeie Doza letala 50 este de 05-06 Gy

- In stadiul de organogeneza cand femeia are consecinte de intarziere si banuiala ca ar fi insarcinata o doza de 01 Gy poate antrena malformatii Aceasta este perioada critica deoarece radiosensibilitatea este maxima

- In stadiul fetal frecventa si gravitatea malformatiilor se diminuiaza In schimb iradierea poate avea o actiune cancerigena care se manifesta la copii tineri Dozele egale sau inferioare la 025 Gy sunt considerate ca fara efect

Cele mai importante consecinte legate de efectele teratogene sunt- malformatiile ca de exemplu cele microcefalice care pot fi insotite de

intarzierea mentala - intarzierea cresterii care are loc la doze puternice (gt1 Gy) printre care se

remarca deficitul ponderal scaderea taliei si a circumferintei capului si o intarziere a osificarii

- cancerul care apare la iradieri in uter cu doze de 002 Gy-mortalitatea intrauterina si neonatala creste In cazul supravietuitorilor de la

Hirosima si Nagasaki ea a fost cu 40 mai mare decat cea normala - efecte genetice nu s-au observat nici printre descendentii celor iradiati in uter cu

ocazia exploziilor nucleare de la Hirosima si NagasakiPe baza acestor observatii se impune luarea unor precautii in cazul femeilor

insarcinte care sunt expuse profesional la doze de radiatii ionizante si excluderea lor de la orice fel de examen radiologic

21

4 Efectele fizice ale radiatiilor ionizante la interactiunea cu substanta

La impactul cu substanta fasciculele de radiatii ionizante sufera procese de atenuare datorita devierii (imprastierii) acestora printr-un mecanism monoact sau prin absorbtie cand isi pierd complet energia pe baza unui mecanism continuu Cele mai importante efecte ale radiatiilor ionizante sunt excitarea si ionizarea care pot fi directe in cazul particulelor incarcate electric sau indirecte in cazul radiatiilor X γ si a neutronilor

41 Interactiunea particulelor grele incarcate cu substanta

Particulele grele incarcate cum sunt radiatiile α protonii deuteronii atomii multiplu ionizati si produsii de fisiune nucleara la impactul cu substanta se atenueaza cu parcurs pe baza unui mecanism de pierderi mici de energie intr-un numar foarte mare de procese de interactiune

Procesul predominant este cel de interactiune cu electronii atomilor si moleculelor probabilitatea de interactiune cu nucleele atomilor fiind foarte mica

Transferul liniar de energie (TLE) notat cu Q realizat prin ciocniri neelastice cu electronii atomilor si ai moleculelor intalnite este dat de relatia lui HA Bethe

[erg∙cm-1]

in care N este numarul de atomi dintr-un cm3 Z ndash sarcina particulei m0 ndash masa de repaus a electronului v ndash viteza e ndash sarcina electronului β = vc J ndash potentialul mediului de excitare al substantei iradiate

In figura 41 se prezinta modul de variatie al numarului particulelor α cu mediul Transferul Q depinde de viteza (v) si de sarcina (Z) a prticulelor grele incidente iar pe o distanta Δx particula pierde o energie ΔE care este data de suma transferurilor Q in cursul ciocnirilor ce au loc pe aceasta distanta ΔE=ΣQ

Fig 41 Variatia numarului particulelor α in unitatea de timp cu distanta parcursa intr-un mediu dat

Atunci cand o particula parcurge un mic segment Δx din traiectoria sa ea sufera numeroase ciocniri cu electronii care se gasesc in vecinatatea traiectoriei sale Raportul S=ΔEΔx se numeste putere de incetinire a particulelor in mediu si reprezinta pierderea specifica de energie fiind dependent de viteza (v) si sarcina (Z) a particulei incidente Distanta maxima pe care o strabate o particula de energie initiala E intr-un mediu dat se numeste parcurs (R) si se exprima in metri El se poate calcula cu ajutorul relatiei

[m]

22

Din cauza fluctuatiei accidentale de ciocniri individuale dintre particulele grele incarcate si atomii mediului parcursurile lor nu sunt riguros egale asa cum se poate observa cu ajutorul unei camere Wilson (fig 42)

Fig 42 Parcursurile particulei α in camera Wilson

La strabaterea mediilor gazoase parcursurile radiatiilor α ating centimetri ( tabelul 41) pe cand in medii lichide si solide descresc mult fiind de ordinul micrometrilor Asa se explica faptul ca o foaie de hartie este suficienta pentru a absorbi complet un fascicul de radiatii α de mare energie Parcursul radiatiilor α in aer se calcleaza cu ajutorul relatiei empirice a lui Bethe R=032 E32 In fig 43 este data dependenta dintre energie si parcursul radiatiilor α

Parcursurile radiatiilor α ale Po si RaC΄ in diferite mediiTabelul 41

Mediul strabatut Parcursul radiatiilor α ale210Po(530 Mev) 214RaC΄(76 MeV)

Aer 00387 m 00698 mHidrogen 01730 m 03250 m

Heliu 0215 m 0390 mArgon 00417 m 0073 m

Alcool etilic 371μm -Aur - 14 μm

Gelatina foto 23 μm 50 μm

Ciocnindu-se cu electronii mediului strabatut particulele α produc efecte dependente de energia Q transferata acestora

Fig 43 Dependenta dintre energie si parcursul particulelor α

a Daca energia transferata (Q) este superioara energiei de legatura a electronilor (asymp10eV) acestia sunt smulsi si azvarliti particulele incidente pastrandu-si directia practic neschimbata fapt pentru care parcursul lor in orice mediu este rectiliniu Atomul caruia i

23

s-a smuls un electon devine ion pozitiv si impreuna cu electronul detasat formeaza o pereche de ioni procesul in ansamblu numindu-se ionizare

Numarul de perechi de ioni creati pe unitatea de lungime se numeste ionizare specifica (j) si este data de raportul dintre patratul atomic Z al particulelor si patratul vitezei particulei (vp)

WL BRAGG studiind variatia numarului de ioni formati in functie de unitatea de lungime a constatat ca ionizarea maxima este atinsa la sfarsitul parcursului (Fig 44)

Fig 44 Curbele de tip Bragg ale Po si RaC΄

b In cazul in care energia tansferata (Q) este inferioara energiei de legatura a electronului acesta nu este detasat din structura atomica sau moleculara de care apartine si se produce excitarea atomului respectiv

Urmarind distributia energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale se obtine o curba de distributie care este reprezentata in fig 45

Fig 45 Curba de distriutie a energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale

Conform acestei curbe energia ε=ΔE pierduta de o particula parcurgand un mic segment Δx din traiectoria sa se repartizeaza astfel

- 30 din energie (100gtQgt10eV) se consuma in excitari - 30 din energie (Qlt10eV) se consuma pentru ionizari- 40 din energie (Qgt100eV) se consuma pentru producerea de electroni

secundari δAceasta repartitie ramane constanta de-a lungul traiectoriei particuleiAutoabsorbtia radiatiilor α Urmarind variatia curentului de ionizare (I) produs

de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva (Fig 46) se observa ca numai in cazul straturilor foarte subtiri se inregistreaza o crestere proportionala a curentului de ionizare cu grosimea stratului activ Pentru o anumita grosime a stratului de substanta ionizarea devine constanta deoarece particulele α emise

24

de straturile inferioare se absorb total in cele superioare Straturile ale caror grosime este egala sau mai mare decat pacursul se numesc straturi ldquogros infiniterdquo

Fig 46 Variatia curentului de ionizare produs de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta rdioactiva

Ecranarea particulelor grele incarcate Particulele grele incarcate in primul

rand radiatiile α au parcursuri foarte mici de ordinul micronilor in corpuri solide fapt pentru care nu ridica probleme speciale de ecranare fiind absorbite total si cu usurinta de toate substantele chiar si de o foaie de hartie De aceea simpla utilizare a manusilor de cauciuc ori a hartiei de filtru in lucrari de laborator cu astfel de substante radioactive sunt masuri suficiente care sa asigure o buna protectie impotriva iradierii externe

Reactiile nucleare ale prticulelor grele incarcate La interactiunea particulelor grele incarcate cu anumite nuclee tomice acestea pot sa sufere transmutatii artificiale In particular radiatiile α emise de unele surse radioactive naturale au importanta istorica deoarece stau la baza unor importante descoperiri cum sunt

- reactiile nucleare (α p) realizate pentru prima data de E RUTHERFORD in anul 1919 au condus la descoperirea primei transmutatii artificiale sinteza izotopului stabil 17O din 14N cu emisia unui proton

In prezent cu ajutorul particulelor α ndash accelerate se prepara numerosi radioizotopi pe baza ecuatiei generale

- reactiile nucleare (α n) au stat la baza descoperirii neutronului de catre CHADWICK in 1932 prin bombardarea beriliului cu radiatii α ale poloniului

Reactiile (α n) prezinta un interes deosebit si datorita faptului ca ele stau la baza surselor de neutroni de laborator Substantele α ndash active cele mai utilizate sunt210Po 226Ra si 239Pu

Sursele Ra ndash α ndash Be emit neutroni cu un spectru energetic continuu cu energii pana la 137 MeV si randament foarte mare la 1 mCi Ra corespund 13 104 ncm2 s fiind sursele cele mai constante din cauza timpului de injumatatire lung al radiului (1600 a)

Tot pe baza reactiei nucleare (α n) sotii JOLIOT-CURIE in anul 1934 iradiind o foita de aluminiu cu particule α au obtinut fosfor radioactiv descoperind radioactivitatea artificiala care a deschis perspective nebanuite fizicii si chimiei nucleare

In prezent sub actiunea particulelor α accelerate se produc numerosi radioizotopi

ai elementelor cu timpi de injumatatire mici pe baza reactiei generale

25

De asemenea sub actiunea particulelor α accelerate au fost sintetizate o parte din elementele transuraniene conform reactiilor

In mod asemanator pot provoca reactii nucleare si alte particule grele accelerate

(protoni deuteroni) Dintre acestea se remarca- reactiile nucleare (p γ) puternic exoenergice cu emisie de fotoni de mare

energie - reactiile nucleare (d n) care stau la baza producerii neutronilor de laborator cu

ajutorul generatoarelor de inalta tensiune Cu ajutorul deuteronilor de 5 MeV s-au sintetizat pentru prima data prin reactii nucleare (d n) tehnetiul si prometiul

- reactiile nucleare (d p) care se produc cu o probabilitate de 10 ori mai mare

decat cele (d n) prezinta interes deoarece conduc la formarea de izotopi ai tintei intocmai ca in cazul reactiilor (nγ) De exemplu 23Na(dp)24Na 31P(d p)32P

Particulele grele incarcate cu energii mai mari de 50 MeV genereaza o serie de reactii nucleare in cascada dezintegrarea cu expulzarea de nucleoni rapizi (p d T) fisiunea nucleara reactii secundare si emisia de nuclee usoare

42 Interactiunea electronilor cu substanta

Fasciculele de electroni emisi de radionuclizii β ndash activi (β- si β+) precum si cei proveniti din generatoare la interactiunea cu substanta se atenueaza pierzand energia de-a lungul parcursului

Datorita unor serii de procese de absorbtie prin ciocniri elastice si neelastice si uneori prin radiatie de franare efectele fizice produse de aceste procese constau din excitarea si ionizarea mediului strabatut iar contributia fiecarui proces in parte este determinata de energia electronilor incidenti precum si de natura materialului absorbant

Imprastierea neelastica electron-electron Dintre toate procesele de interactiune ale electronilor cu substanta predominant este cel de imprastiere la ciocnirea neelastica cu electronii orbitali ai atomilor din mediu deci procesele electron-electron Datorita acestui fapt electronii sufera imprastieri sub unghiuri diferite motiv pentru care drumul fasciculelor de electroni prin mediu nu este rectiliniu ci foarte sinuos (fig 47) De aceea intr-o substanta de o anumita grosime electroni de aceeasi energie parcurg drumuri complet diferite care intrec in lungime 15 ndash 4 ori grosimea stratului penetrat

Fig 47 Drumul sinuos al electronilor prin substanta

26

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

3 Efecte radiobiologice asupra omului

Imediat dupa descoperirea radiatiilor roumlentgen si apoi a radioactivitatii s-a sesizat si caracterul periculos al radiatiilor ionizante in cazul folosirii nerationale Pionierii roentgenografiei au cunoscut ldquope propia lor pielerdquo actiunea radiatiilor ionizante iar dupa descoperirea radioactivitatii primele victime au aparut in 1920 in SUA in randul muncitorilor care aplicau vopsele luminoase pe cadranele ceasornicelor Acestora li s-au adaugat savantii Marie Curie si Ireacutene Joliot-Curie renumiti cercetatori in domeniul radioactivitatii care au decedat dupa grele suferinte de leucemie radioindusa Dar cele mai mari victime s-au inregistrat la sfarsitul celui de al doilea razboi mondial in urma exploziilor celor doua bombe atomice lansate de catre SUA asupra Japoniei la Hirosima si Nagasaki

31 Particularitatile efectelor biologice

Indiferent de urmarile provocate de impactul radiatiilor ionizante cu organismul viu actiunea biologica prezinta unele particularitati si anume

- organismul omenesc nu este dotat cu un organ de simt care sa sesizeze prezenta radiatiilor ionizante iar efectul biologic nu este vizibil in momentul iradierii

- efectele biologice sunt cumulative si nu au un caracter particular care sa ne permita deosebirea de efectele aparute altfel decat prin iradiere

- modificarile si simptomele evolueaza lent dupa iradiere Unele sunt imediate sau precoce si apar dupa un ragaz care variaza de la cateva ore la cateva saptamani Altele sunt intarziate si survin dupa mai multi ani (leucemia) dupa mai multe zeci de ani (cancerul fatal) sau pot provoca efecte genetice

In realitate efectele biologice produse de actiunea radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului sunt rezultatul unei lungi serii de fenomene care se declanseaza la trecerea radiatiilor prin organismele vii Evenimentele initiale sunt ionizari si excitari ale atomilor si moleculelor din mediul de interactiune de-a lungul traiectoriilor particulelor ionizante Ulterior aceste perturbari fizice antreneaza reactii fizico-chimice urmate de reactii chimice generand in final efecte biologice Schematic cronologia acestor evenimente este data in tabelul 31

13

Tabelul 31 Prezentarea schematica a fenomenelor declansate deradiatiile ionizante in mediu biologic

32 Clasificarea efectelor biologice

In prezent efectele nocive ale radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului a descendentilor sai si asupra umanitatii in general se clasifica in doua categorii

- efecte nestochastice si- efecte stochasticeEfectele nestochastice sunt efecte imediate (precoce) cu prag reversibile si

imperfect aditive Fiind caracterizate de o relatie de cauzalitate determinate intre doza si efect ele apar atunci cand doza primita depaseste o anumita valoare de prag (fig 31)

Fig 31 Dependenta efectului biologic de doza biologicaa ndash efecte stochastice fara prag b ndash efecete nestochastice cu prag

14

Valoarea pragului pentru un anumit efect poate varia in jurul unei valori medii de la un individ la altul si in functie de conditiile de iradiere In general efectele nestochastice apar destul de repede in timp fiind efecte imediate (precoce) iar vatamarile provocate de ele sunt cu atat mai mari cu cat doza este mai mare

Avand caracter reversibil exista posibilitatea regenerarii unor tesuturi iar dozele administrate intr-un timp lung nu sunt perfect aditive De aceea pentru evitarea producerii lor are mare importanta administrarea fractionata a dozelor de radiatii

Printre efectele nestochastice se numara leziunile nemaligne ale pielii cataracta hipolezia medulara care antreneaza o deficienta hematologica a vatamarilor provocate celulelor gonadelor cu repercusiuni asupra fertilitatii

Efectele stochastice sunt intotdeauna efecte somatice tarzii fara prag ireversibile si aditive Aparitia lor urmeaza o relatie probabilistica doza-efect aparent la intamplare de unde si numele stochastic Altfel spus dintr-o populatie aflata intr-o zona de radiatii efectele stochastice apar numai in unele cazuri individuale aparent la intamplare

Printre ele se numara efectele somatice care se manifesta cu intarziere sub forma de afectiuni maligne (cancer) si efecte genetice (ereditare) ce apar la descendenti Practic intre momentul iradierii si al aparitiei bolii maligne pot trece ani sau zeci de ani

Fiind relatii liniare intre frecventa de aparitie a efectelor stochastice si dozelor absorbite pentru radiatiile cu transfer liniar de energie mica rezulta ca in aceste cazuri la doze mici si debite mici ale dozei riscul pentru sanatate este proportional cu doza administrata In literatura de specialitate factorul de proportionalitate dintre frecventa de aparitie a acestor efecte si doza absorbita a fost denumit factor de risc

Dozele administrate in timp lung fiid aditive nu are importanta daca doza care produce efctul respectiv a fost administrata fractionat sau instantaneu respectiv intr-o secunda sau intr-o luna

Efectul biologic produs este ireversibil si in prezent nu se cunosc metode de reducere a probabilitatilor de aparitie a efectelor stochastice somatice datorate unor doze deja primite

Detrimentul sanatatii Conceptul de detriment al sanatatii se refera la fenomenul de distrugere (vatamare) integrala a unei persoane datorita efectelor biologice ale radiatiilor ionizante fenomen care poate aparea dupa o iradiere in conditii bine definite si la un anumit nivel de doza

In cazul unui efect patologic dat (i) detrimentul (Gj) la un individ (j) este exprimat de produsul intre probabilitatea de aparitie a efectului (pi) si factorul corespunzator de gravitate (g)

iar pentru un grup de persoane (P) detrimentul colectiv (G) este

Acest concept se aplica atat asupra efectelor stochastice cat si a celor nestochastice in principal fiind utilizat pentru estimarea vatamarilor datorate efectelor stochastice

Intre probabilitatea de aparitie a efectelor biologice stochastice si echivalentul de doza se stabileste o relatie liniara fara prag aplicata la doze slabe De aceea detrimentul colectiv al sanatatii este proportional cu echivalentul de doza efectiv colectiv Totusi in mod practic detrimentul unui grup de indivizi nu poate fi redus la o insumare a vatamarilor individuale fapt pentru care echivaletul de doza colectiva se ia ca un partener printre altele

15

33 Fazele tipice ale evolutiei imbolnavirii in urma iradierii

In dinamica evolutiei reactiilor care au loc in urma iradierii se pot distinge trei perioade importante perioada primara perioada latenta si perioada secundara

Reactiile in perioada primara de actiune a radiatiilor ionizante se datoreaza a trei tipuri principale de mecanisme mecanismul actiunii directe indirecte si la distanta

Efectul biologic prin actiune directa consta in transmiterea directa a energiei particulelor incarcate sau a electronilor secundari catre atomii si moleculele substantelor celulare Produsul principal al acestei actiuni sunt ioni si atomi excitati de-a lungul parcursului particulei in celula Datorita ionizarii si excitarii substantelor prin mecanism primar se produc modificari chimice ale acestora (mecanismul actiunii indirecte) Deoarece organismele vii au in compozitia lor un mare procent de apa la om ajungand pana la 85 din greutatea corpului multa vreme s-a considerat ca actiunea nociva a radiatiilor ionizante este cauzata de produsele de descompunere a ei si in special de apa oxigenata care actioneaza ca agent oxidant (ipoteza actiunii prin apa oxigenata) O ipoteza mai verosimila considera ca rolul principal in actiunea biologica primara il au radicalii H OH si O2H care apar la radioliza apei (ipoteza actiunii prin radicali liberi) Conform acestei ipoteze radioliza apei constituie o sursa pentru actiunea indirecta a radiatiei deoarece radicalii liberi formati pot afecta atat cromozomii cat si proteinele citoplasmatice

Datorita interventiei sistemului nervos a glandelor endocrine si a transportului prin umori sau difuziune a unor substante rezultate in tesuturile iradiate efectele biologice se pot produce nu numai in organele iradiate ci si in cele neiradiate (mecanismul actiunii la distanta sau al actiunii secundare)

Perioada latenta care apare in organism dupa perioada primara se caracterizeaza prin faptul ca fenomenele sunt atat de neinsemnate incat nu pot fi descoperite neinregistrandu-se nici un fel de tulburari Perioada latenta variaza invers proportional cu doza de radiatii De aceea in cazul unor iradieri cu doze mortale perioada latenta dureaza de la cateva ore la 30-40 de zile iar in doze fractionate mici ea dureaza mai mult de un an

Perioada secundara este dominata de formarea in celule si tesuturi de substante toxice care conduc la intoxicarea organismului determinand o serie de efecte biologice importante (ipoteza formarii uor substante toxice) Reactiile din aceasta perioada sunt de natura necunoscuta si in decursul timpului ele au fost atribuite actiunii apei oxigenate peroxizilor organici si histaminei problema fiind insa in discutie Cert este faptul ca sub actiunea radiatiilor ionizante apar molecule active in primul rand in celulele din tesuturi si in paralel in sange si in limfa

34 Clasificarea efectelor biologice dupa natura lor

Cel mai fercvent efectele biologice se clasifica dupa natura lor in- efecte precoce care nu apar decat pentru doze ridicate- efecte somatice tarzii care se manifesta dupa mai multi ani chiar mai multi zeci

de ani- efecte genetice care privesc descendentii - efecte teratogene care se refera la afectarea embrionului si a fetusului

341 Efecte biologice precoce

16

Efectele biologice precoce survin la putin timp dupa iradiere uneori dupa cateva ore sau mai putin si sunt efecte cu prag fapt pentru care nu apar decat daca doza depaseste un anumit nivel Deasupra pragului ele cresc cu doza De aceea pentru a evita producerea lor s-au elaborat reglementari care impun limitarea sub nivelul de prag al dozelor ce le pot primi operatorii care lucreaza in medii de radiatii ionizante Cele mai fragile tesuturi care sufera efecte biologice cu prag sunt pielea celulele formate de sange maduva osoasa intestinul si organele sexuale sau gonade

Efectele biologice precoce in cazul iradierilor partiale Acestea se refera la piele maduva osoasa si organele genitale

Pielea Efectele radiobiologice ale pielii sunt foarte variabile si ele depind de doza de localizarea anatomica de varsta de pigmentatia tegumentului etc In general la doze mai mari de 10 Gy nu se observa nici o leziune grava dar la 25 din cazuri apare o senzatie de caldura La doze intre 10 si 20 Gy apar epidermite exudative urmate dupa un timp de o latenta de trei saptamani de eritema secundara apoi de epitelitaexudativa dupa 3-6 luni facandu-se restaurarea fara recurs In cazul unor iradieri foarte importante si profunde se altereaza vascularizatia si apare ulceratia care necesita un tratament chirurgical

Maduva osoasa organul cel mai sensibil la iradierea globala conduce limfopenia cu atat mai repede cu cat doza de radiatii este mai mare

Organele sexuale respectiv testiculele la barbati si ovarele la femei reactioneaza diferit la iradiere

Testiculele care se remarca printre cele doua functii de producatore de hormoni si spermatozoizi la iradiere le este afectata numai cea de-a doua functie (producatoare de spematozoizi) La doze relativ mici de 05 Gy se instaleaza o depresiune tranzitorie si spontan reversibila iar la doze de circa 2 Gy apare o azospermie si sterilitate temporara in jur de un an Experientele efectuate de americani pe detinuti voluntari au aratat ca in cazul iradierii testiculelor cu doze de 6 Gy sterilitatea este temporata la om De asemenea supravietuitorii dintre cei 23 pescari japonezi care au fost iradiati in urma exploziei experimentale a armei termonucleare de la Bikini in 1954 si care se estimeaza ca au primit doze de 3 - 66 Gy dupa o sterilitate de 2-3ani au avut copii normali (in total 45 copii)

- Ovarele comparativ cu testiculele au o sensibilitate mai mica fata de radiatiile ionizante aceasta fiind influentata si de varsta Astfel pe cand la o femeie tanara in jur de 25 de ani este necesara o doza de 12-15 Gy pentru a provoca o menopauza artificiala la o femeie de peste 40 de ani este suficienta o doza de numai 7 Gy Se mentioneaza ca la femei sterilitatea este insotita de oprirea functiei endocrine

Din cercetarile efectuate precum si din constatarile asupra descendentilor celor iradiati in urma exploziilor atomice de la Hirosima si Nagasaki a rezultat ca in urma unei iradieri puternice care a provocat sterilitatea temporara nu s-au produs urmari genetice prin afectarea celulelor sexuale

Iradierea organelor profunde La iradieri puternice mai ales in radioterapie sunt iradiate si organele profunde plamanii inima rinichii tubul digestiv ficatul sistemul nervos central si creierul Dintre acestea deosebit de sensibile sunt plamanii care dupa o doza de 25 Gy se imbolnavesc de fibron pulmonar iar dupa 6-12 luni urmeaza decesul

Rinicii si ficatul sunt afectati la doze peste 30 Gy In cazul rinichilor functionarea lor este afectata dupa cateva saptamani de la iradiere pe cand vezica poate suporta doze mult mai mari Diversele organe ale aparatului digestiv au radiosensibilitati diferite Cel mai radiosensibil este intestinul subtire la care apar leziuni in urma absorbtiei unor doze

17

sub 30 Gy Urmeaza stomacul care este afectat de doze in jur de 40 Gy cel mai rezistent fiind colonul care reactioneaza numai la doze cuprinse intre 50 si 56 Gy

Destul de radiosensibil este si sistemul nervos care manifesta o fragilitate a celulelor nervoase a vaselor sangvine si o capacitate limitata de regenerare a tesuturilor nervoase La doze peste 40 Gy administrate in patru saptamani apare o paraplegie care dupa doi ani se extinde In ceea ce priveste creierul desi modificari morfologice apar deja de la doze de 10 Gy el poate suporta doze de circa 50 Gy timp de 5-6 saptamani

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor globale In urma unor iradieri globale cu doze in jur de 1 Gy care sunt fara gravitate imediata nu se observa decat foarte discrete modificari hematologice in ceea ce priveste globulele albe dar ele se regenereaza rapid In astfel de cazuri se aplica un tratament modest fara a fi necesara spitalizarea

La doze cuprinse intre 1 si 2 Gy desi semnele fizice inca lipsesc se observa o scadere a globulelor albe si a plachetelor iar numarul globulelor rosii este modest In acest caz sunt necesare transfuzii si tratament antibiotic Din contra la doze de peste 2Gy se observa o evolutie stereotipa a bolii cu afectarea celulelor formatoare de sange si scaderea corespunzatoare a numarului maxim de elemente reprezentative din sange Evolutia imbolnavirii se face urmand cele patru faze tipice Dupa o perioada de debut care dureaza trei zile insotita de simptome discrete urmeaza de perioada latenta practic silentioasa care dureaza peste trei saptamani In continuare se instaleaza perioada de stare (perioada critica) careia i se asociaza semne generale cum sunt oboseala intensa tulburari digestive hemoragii si infectii formula sangvina fiind foarte modificata In acest moment viata bolnavului este in pericol Abia dupa circa trei luni el intra in covalescenta In acest caz spitalizarea este indispensabila intr-un centru specializat cu locuri sterilizate repaus absolut si eliminarea posibilitatilor de infectare In cadrul tratamentului se recomanda grefe de maduva osoasa La doze mai mari grefa cu maduva osoasa poate fi singura sansa iar la doza peste 12 Gy de iradiere instantanee orice tratament terapeutic nu este eficace

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor accidentale In ultimele decenii s-au inmultit numarul iradierilor accidentale Principal ele pot fi clasificate in iradieri implicand una sau mai multe persoane ori a unor grupuri mari de persoane

Iadieri accidentale implicand una sau mai multe persoane Pana in anul 1965 au fost inregistrate 12 astfel de accidente critice in lume in care persoane au fost expuse global in cursul unor cercetari sau operatii chimice dintre care au rezultat 9 decese

De asemenea se cunosc 24 accidente cu surse gamagrafice dintre care 15 accidente cu 192Ir si 9 accidente cu 60Co din care au rezultat 17 morti si 38 grav iradiati In ultimii 40 de ani au avut loc 115 cazuri de iradieri locale care au facut 156 victime Principalele cauze se datoresc instalatiilor de radiatii X pentru analiza cristalografica (69) surselor de gamagrafice cu 192Ir (34) 60Co (25) emitatori β-activi (11) acceleratori de particule (8) si diverse surse (8) Iradierile interne sunt mai rare si mai greu de cunoscut In Franta sunt cunoscute numai o zecime din decese 7 sunt imputabile activitatii medicale

Iradieri accidentale a unor grupuri mari de persoane Iradierile simultane asupra unui numar ridicat de persoane au fost inregistrate in urma unor experiente cu arme termonucleare sau a unor defectiuni survenite in functionarea unor centrale atomoelectrice

Explozia experimentala a armei termonucleare de la Bikini de la 1 martie 1954 a provocat printre altele si iradierea puternica prin caderi de pulberi radioactive a locuitorilor de pe Insula Marschall precum si a 23 de pescari marinari de pe vasul japonez ldquoFukuriu Marurdquo

18

Recent prin defectarea centralei atomoelectrice de la Cernobal (Ucraina) din aprile 1986 au fost iradiate 22 persoane cu doze peste 8 Gy 22 persoane cu doze intre 4 si 8 Gy 53 persoane cu doze intre 2 si 4 Gy si 203 persoane cu doze peste 1 Gy fiind inregistrate 31 decese

342 Efecte somatice tarzii

Efectele somatice tarzii in general sunt fara prag Ele pot fi necancerigene (cataracte tulburari ale cresterii scaderea longevitatii si a unor reactii imunologice) insa principalul efect intarziat este cancerul care apare dupa cativa ani sau zeci de ani de la iradiere Principalele efecte somatice tarzii necancerigene se caracterizeaza prin urmatoarele

Cataractele sunt boli care provoaca opacifierea cristalinului Radiatiile ionizante genereaza cataracte la doze superioare la 10 Gy de radiatii X Ele sunt efecte cu prag care la barbati este foarte ridicat si apare intre 1 si 10 ani de la iradiere In cazul neutronilor rapizi pragul este mult mai jos asymp08 Gy respectiv asymp8 Sv

Tulburari de crestere Constatarile efectuate pe supravietuitorii de la Hirosima si Nagasaki au evidentiat ca prin expunere la doze de 1 Gy au loc tulburari de crestere si anume un deficit in greutate o scadere a taliei si a circumferintei capului

Longevitatea De asemenea studiile de supravietuitori de la Hirosima sI Nagasaki precum si pe animale in laborator au aratat ca la doze ridicate (asymp4 Gy) de radiatii se scurteaza durata medie de viata indiferent daca iradierea a produs leucemie sau cancer

Reactiile imunologice La iradierea cu doze de 1 Gy scad reactiile imunologice si organismele devin vulnerabile la infectii

Pielea desi nu este radiosensibila se mnifesta ca un organ critic avand un prag de toleranta de asymp2mGyzi Prin iradierea mainilor cu doze superioare (5 mGyzi) apar leziuni cutanate cronice sau uscate si atrofice care fisureaza dand ulceratii grave

Cancerele principalele efecte intarziate se caracterizeaza prin faptul ca nu au prag si se produc mai ales cu doze slabe de radiatii Frecventa lor este influentata de o serie de factori printre care se numara doza de radiatie natura radiatiilor sexul varsta si natura tesuturilor iradiate

Dintre toti factorii doza de radiatii este cel mai important iar dintre radiatii particulele α si neutronii sunt cele mai periculoase Radiosensibilitatea organismelor este diferita in functie de sex ea este mai importanta la femei decat la barbati in special pentru sani si tiroida si are un efect invers pentru maduva osoasa si pulmon Totodata efectele difera cu varsta copiii tineri adolescentii si persoanele in varsta fiind mai radiosensibile decat adultii Timpii de latenta sunt foarte variabili si depind in mod esential de natura tesutului iradiat Ei sunt cuprinsi intre 4 si 20 de ani de la iradiere pentru leucemie de 10 ani pentru tumori 22-25 de ani pentru sani etc Cancerul cutanat apare la doze de circa 15 Gy radiatii electromagnetice intre 25 si 40 de ani Cancerul osos apare la doze gt8Gy iar leucemia la doze gt1 Sv Cancerul sanului apare la doze de 020 Gy (la iradieri radiologice) iar cancerul tiroidei la 01 Gy la copii intre 13 si 14 ani

343 Efecte geneticeAlaturi de alti agenti fizico-chimici (substante chimice radiatiile

electromagnetice caldura etc) care pot provoca efecte mutagene se afla si radiatiile ionizante

19

Daca la doze slabe nu s-au inregistrat astfel de efecte la om in schimb printre copiii supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki iradiati cu doze puternice s-au inregistrat cazuri de anomalii genetice semnificative

Pe plan uman singurele informatii de care dispunem sunt descendentii iradiatilor de la Hirosima si Nagasaki si ai pescarilor de la Bikini dar in ambele cazuri dozele nu sunt cunoscute cu precizie In cazul supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki desi au prezentat forme cancerigene pentru doze ridicate (gt1 Gy) nu s-au inregistrat efecte genetice De asemenea in cazul celor 23 marinari pescari de la Bikini iradiati de caderile radioactive cu exceptia unuia care a decedat dupa o sterilitate de doi ani ceilalti au avut copii normali (45 copii) la care nu au fost observate efecte genetice aparente la prima generatie

In modul de evaluare a efectelor genetice se intampla unele dificultati datorate urmatorilor factori caracterul particular al efectelor genetice necesitatea extrapolarii rezultatelor obtinute experimental pe animale la om si de asemenea extrapolarea rezultatelor obtinute experimental cu doze forte la doze slabe

Din investigarile pe animale s-a stabilit ca fercventa anomaliilor genetice se observa la doze gt1 Gy La om anomaliile (de ex structura cromozomilor) reprezinta un risc de 1-10 pe milion de nasteri vii pe centiGy iar mutatiile genetice apar la iradierea celor doi parinti cu o frecventa de 5-65 pe milion de nasteri vii pe centiGy Dupa prima generatie si la echilibru (dupa 5 generatii) frecventa lor este de 40-200 pe milion de nasteri vii pe centiGy pe generatie Mutatiile sunt legate de sexe in sensul ca ele se transmit prin femei In prima generatie numarul de afectiuni adaugat este lt13 pe milion de nasteri vii pe centiGy

Particularitatile mutatiilor genice In functie de sex riscul pentru femeie este mai putin important ca pentru barbat Dupa varsta la femei sunt doua perioade critice principala este perioada reproducerii de la pubertate la menopauza A doua este pana in luna a saptea a vietii fetale La barbat perioada periculoasa se afla intre 20 si 40 ani perioada in care se fac majoritatea fecundarilor

Ipoteza prejudiciului genetic dat de iradierile slabe In mod normal o populatie se afla in echilibru genetic Aparitia de noi mutanti este compensata de eliminarea mutantilor existenti prin decese precoce sau prin fecundari mai putine uneori chiar nule In cazul unor iradieri suplimentare acest echilibru se rupe iar fiecarei generatii i se vor adauga descendentilor mutatiile produse la toate generatiile anterioare (mutanti suplimentari) Ca urmare se vor produce o crestere a mutatiilor letale si a celor dominante precm si o acumulare a mutatiilor primite

344 Efecte biologice teratogene

Efectele teratogene sunt anomalii si malformatii provocate de actiunea unor agenti fizici chimici si infectiosi sau a radiatiilor ionizante asupra embrionului si fetusurilor pe timpul cresterii

Sensblitatea lor la radiatii variaza dupa stadiul dezvoltarii embrionului dar pragul de actiune este foarte net mai jos decat dupa nastere Efectele teratogene sunt ireversibile iar radiatiile ionizante produc aceleasi efecte ca si alti agenti teratogeni Sub actiunea radiatiilor ionizante in functie de stadiul de dezvoltare a embrionului si a fetusurilor se deosebesc urmatoarele

20

- In stadiul de preimplantare iradierea determina fie distrugerea oului fie moartea uneia sau a mai multor celule Aceasta perioada adesea trece neobservata de femeie Doza letala 50 este de 05-06 Gy

- In stadiul de organogeneza cand femeia are consecinte de intarziere si banuiala ca ar fi insarcinata o doza de 01 Gy poate antrena malformatii Aceasta este perioada critica deoarece radiosensibilitatea este maxima

- In stadiul fetal frecventa si gravitatea malformatiilor se diminuiaza In schimb iradierea poate avea o actiune cancerigena care se manifesta la copii tineri Dozele egale sau inferioare la 025 Gy sunt considerate ca fara efect

Cele mai importante consecinte legate de efectele teratogene sunt- malformatiile ca de exemplu cele microcefalice care pot fi insotite de

intarzierea mentala - intarzierea cresterii care are loc la doze puternice (gt1 Gy) printre care se

remarca deficitul ponderal scaderea taliei si a circumferintei capului si o intarziere a osificarii

- cancerul care apare la iradieri in uter cu doze de 002 Gy-mortalitatea intrauterina si neonatala creste In cazul supravietuitorilor de la

Hirosima si Nagasaki ea a fost cu 40 mai mare decat cea normala - efecte genetice nu s-au observat nici printre descendentii celor iradiati in uter cu

ocazia exploziilor nucleare de la Hirosima si NagasakiPe baza acestor observatii se impune luarea unor precautii in cazul femeilor

insarcinte care sunt expuse profesional la doze de radiatii ionizante si excluderea lor de la orice fel de examen radiologic

21

4 Efectele fizice ale radiatiilor ionizante la interactiunea cu substanta

La impactul cu substanta fasciculele de radiatii ionizante sufera procese de atenuare datorita devierii (imprastierii) acestora printr-un mecanism monoact sau prin absorbtie cand isi pierd complet energia pe baza unui mecanism continuu Cele mai importante efecte ale radiatiilor ionizante sunt excitarea si ionizarea care pot fi directe in cazul particulelor incarcate electric sau indirecte in cazul radiatiilor X γ si a neutronilor

41 Interactiunea particulelor grele incarcate cu substanta

Particulele grele incarcate cum sunt radiatiile α protonii deuteronii atomii multiplu ionizati si produsii de fisiune nucleara la impactul cu substanta se atenueaza cu parcurs pe baza unui mecanism de pierderi mici de energie intr-un numar foarte mare de procese de interactiune

Procesul predominant este cel de interactiune cu electronii atomilor si moleculelor probabilitatea de interactiune cu nucleele atomilor fiind foarte mica

Transferul liniar de energie (TLE) notat cu Q realizat prin ciocniri neelastice cu electronii atomilor si ai moleculelor intalnite este dat de relatia lui HA Bethe

[erg∙cm-1]

in care N este numarul de atomi dintr-un cm3 Z ndash sarcina particulei m0 ndash masa de repaus a electronului v ndash viteza e ndash sarcina electronului β = vc J ndash potentialul mediului de excitare al substantei iradiate

In figura 41 se prezinta modul de variatie al numarului particulelor α cu mediul Transferul Q depinde de viteza (v) si de sarcina (Z) a prticulelor grele incidente iar pe o distanta Δx particula pierde o energie ΔE care este data de suma transferurilor Q in cursul ciocnirilor ce au loc pe aceasta distanta ΔE=ΣQ

Fig 41 Variatia numarului particulelor α in unitatea de timp cu distanta parcursa intr-un mediu dat

Atunci cand o particula parcurge un mic segment Δx din traiectoria sa ea sufera numeroase ciocniri cu electronii care se gasesc in vecinatatea traiectoriei sale Raportul S=ΔEΔx se numeste putere de incetinire a particulelor in mediu si reprezinta pierderea specifica de energie fiind dependent de viteza (v) si sarcina (Z) a particulei incidente Distanta maxima pe care o strabate o particula de energie initiala E intr-un mediu dat se numeste parcurs (R) si se exprima in metri El se poate calcula cu ajutorul relatiei

[m]

22

Din cauza fluctuatiei accidentale de ciocniri individuale dintre particulele grele incarcate si atomii mediului parcursurile lor nu sunt riguros egale asa cum se poate observa cu ajutorul unei camere Wilson (fig 42)

Fig 42 Parcursurile particulei α in camera Wilson

La strabaterea mediilor gazoase parcursurile radiatiilor α ating centimetri ( tabelul 41) pe cand in medii lichide si solide descresc mult fiind de ordinul micrometrilor Asa se explica faptul ca o foaie de hartie este suficienta pentru a absorbi complet un fascicul de radiatii α de mare energie Parcursul radiatiilor α in aer se calcleaza cu ajutorul relatiei empirice a lui Bethe R=032 E32 In fig 43 este data dependenta dintre energie si parcursul radiatiilor α

Parcursurile radiatiilor α ale Po si RaC΄ in diferite mediiTabelul 41

Mediul strabatut Parcursul radiatiilor α ale210Po(530 Mev) 214RaC΄(76 MeV)

Aer 00387 m 00698 mHidrogen 01730 m 03250 m

Heliu 0215 m 0390 mArgon 00417 m 0073 m

Alcool etilic 371μm -Aur - 14 μm

Gelatina foto 23 μm 50 μm

Ciocnindu-se cu electronii mediului strabatut particulele α produc efecte dependente de energia Q transferata acestora

Fig 43 Dependenta dintre energie si parcursul particulelor α

a Daca energia transferata (Q) este superioara energiei de legatura a electronilor (asymp10eV) acestia sunt smulsi si azvarliti particulele incidente pastrandu-si directia practic neschimbata fapt pentru care parcursul lor in orice mediu este rectiliniu Atomul caruia i

23

s-a smuls un electon devine ion pozitiv si impreuna cu electronul detasat formeaza o pereche de ioni procesul in ansamblu numindu-se ionizare

Numarul de perechi de ioni creati pe unitatea de lungime se numeste ionizare specifica (j) si este data de raportul dintre patratul atomic Z al particulelor si patratul vitezei particulei (vp)

WL BRAGG studiind variatia numarului de ioni formati in functie de unitatea de lungime a constatat ca ionizarea maxima este atinsa la sfarsitul parcursului (Fig 44)

Fig 44 Curbele de tip Bragg ale Po si RaC΄

b In cazul in care energia tansferata (Q) este inferioara energiei de legatura a electronului acesta nu este detasat din structura atomica sau moleculara de care apartine si se produce excitarea atomului respectiv

Urmarind distributia energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale se obtine o curba de distributie care este reprezentata in fig 45

Fig 45 Curba de distriutie a energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale

Conform acestei curbe energia ε=ΔE pierduta de o particula parcurgand un mic segment Δx din traiectoria sa se repartizeaza astfel

- 30 din energie (100gtQgt10eV) se consuma in excitari - 30 din energie (Qlt10eV) se consuma pentru ionizari- 40 din energie (Qgt100eV) se consuma pentru producerea de electroni

secundari δAceasta repartitie ramane constanta de-a lungul traiectoriei particuleiAutoabsorbtia radiatiilor α Urmarind variatia curentului de ionizare (I) produs

de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva (Fig 46) se observa ca numai in cazul straturilor foarte subtiri se inregistreaza o crestere proportionala a curentului de ionizare cu grosimea stratului activ Pentru o anumita grosime a stratului de substanta ionizarea devine constanta deoarece particulele α emise

24

de straturile inferioare se absorb total in cele superioare Straturile ale caror grosime este egala sau mai mare decat pacursul se numesc straturi ldquogros infiniterdquo

Fig 46 Variatia curentului de ionizare produs de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta rdioactiva

Ecranarea particulelor grele incarcate Particulele grele incarcate in primul

rand radiatiile α au parcursuri foarte mici de ordinul micronilor in corpuri solide fapt pentru care nu ridica probleme speciale de ecranare fiind absorbite total si cu usurinta de toate substantele chiar si de o foaie de hartie De aceea simpla utilizare a manusilor de cauciuc ori a hartiei de filtru in lucrari de laborator cu astfel de substante radioactive sunt masuri suficiente care sa asigure o buna protectie impotriva iradierii externe

Reactiile nucleare ale prticulelor grele incarcate La interactiunea particulelor grele incarcate cu anumite nuclee tomice acestea pot sa sufere transmutatii artificiale In particular radiatiile α emise de unele surse radioactive naturale au importanta istorica deoarece stau la baza unor importante descoperiri cum sunt

- reactiile nucleare (α p) realizate pentru prima data de E RUTHERFORD in anul 1919 au condus la descoperirea primei transmutatii artificiale sinteza izotopului stabil 17O din 14N cu emisia unui proton

In prezent cu ajutorul particulelor α ndash accelerate se prepara numerosi radioizotopi pe baza ecuatiei generale

- reactiile nucleare (α n) au stat la baza descoperirii neutronului de catre CHADWICK in 1932 prin bombardarea beriliului cu radiatii α ale poloniului

Reactiile (α n) prezinta un interes deosebit si datorita faptului ca ele stau la baza surselor de neutroni de laborator Substantele α ndash active cele mai utilizate sunt210Po 226Ra si 239Pu

Sursele Ra ndash α ndash Be emit neutroni cu un spectru energetic continuu cu energii pana la 137 MeV si randament foarte mare la 1 mCi Ra corespund 13 104 ncm2 s fiind sursele cele mai constante din cauza timpului de injumatatire lung al radiului (1600 a)

Tot pe baza reactiei nucleare (α n) sotii JOLIOT-CURIE in anul 1934 iradiind o foita de aluminiu cu particule α au obtinut fosfor radioactiv descoperind radioactivitatea artificiala care a deschis perspective nebanuite fizicii si chimiei nucleare

In prezent sub actiunea particulelor α accelerate se produc numerosi radioizotopi

ai elementelor cu timpi de injumatatire mici pe baza reactiei generale

25

De asemenea sub actiunea particulelor α accelerate au fost sintetizate o parte din elementele transuraniene conform reactiilor

In mod asemanator pot provoca reactii nucleare si alte particule grele accelerate

(protoni deuteroni) Dintre acestea se remarca- reactiile nucleare (p γ) puternic exoenergice cu emisie de fotoni de mare

energie - reactiile nucleare (d n) care stau la baza producerii neutronilor de laborator cu

ajutorul generatoarelor de inalta tensiune Cu ajutorul deuteronilor de 5 MeV s-au sintetizat pentru prima data prin reactii nucleare (d n) tehnetiul si prometiul

- reactiile nucleare (d p) care se produc cu o probabilitate de 10 ori mai mare

decat cele (d n) prezinta interes deoarece conduc la formarea de izotopi ai tintei intocmai ca in cazul reactiilor (nγ) De exemplu 23Na(dp)24Na 31P(d p)32P

Particulele grele incarcate cu energii mai mari de 50 MeV genereaza o serie de reactii nucleare in cascada dezintegrarea cu expulzarea de nucleoni rapizi (p d T) fisiunea nucleara reactii secundare si emisia de nuclee usoare

42 Interactiunea electronilor cu substanta

Fasciculele de electroni emisi de radionuclizii β ndash activi (β- si β+) precum si cei proveniti din generatoare la interactiunea cu substanta se atenueaza pierzand energia de-a lungul parcursului

Datorita unor serii de procese de absorbtie prin ciocniri elastice si neelastice si uneori prin radiatie de franare efectele fizice produse de aceste procese constau din excitarea si ionizarea mediului strabatut iar contributia fiecarui proces in parte este determinata de energia electronilor incidenti precum si de natura materialului absorbant

Imprastierea neelastica electron-electron Dintre toate procesele de interactiune ale electronilor cu substanta predominant este cel de imprastiere la ciocnirea neelastica cu electronii orbitali ai atomilor din mediu deci procesele electron-electron Datorita acestui fapt electronii sufera imprastieri sub unghiuri diferite motiv pentru care drumul fasciculelor de electroni prin mediu nu este rectiliniu ci foarte sinuos (fig 47) De aceea intr-o substanta de o anumita grosime electroni de aceeasi energie parcurg drumuri complet diferite care intrec in lungime 15 ndash 4 ori grosimea stratului penetrat

Fig 47 Drumul sinuos al electronilor prin substanta

26

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

Tabelul 31 Prezentarea schematica a fenomenelor declansate deradiatiile ionizante in mediu biologic

32 Clasificarea efectelor biologice

In prezent efectele nocive ale radiatiilor ionizante asupra fiintelor in special a omului a descendentilor sai si asupra umanitatii in general se clasifica in doua categorii

- efecte nestochastice si- efecte stochasticeEfectele nestochastice sunt efecte imediate (precoce) cu prag reversibile si

imperfect aditive Fiind caracterizate de o relatie de cauzalitate determinate intre doza si efect ele apar atunci cand doza primita depaseste o anumita valoare de prag (fig 31)

Fig 31 Dependenta efectului biologic de doza biologicaa ndash efecte stochastice fara prag b ndash efecete nestochastice cu prag

14

Valoarea pragului pentru un anumit efect poate varia in jurul unei valori medii de la un individ la altul si in functie de conditiile de iradiere In general efectele nestochastice apar destul de repede in timp fiind efecte imediate (precoce) iar vatamarile provocate de ele sunt cu atat mai mari cu cat doza este mai mare

Avand caracter reversibil exista posibilitatea regenerarii unor tesuturi iar dozele administrate intr-un timp lung nu sunt perfect aditive De aceea pentru evitarea producerii lor are mare importanta administrarea fractionata a dozelor de radiatii

Printre efectele nestochastice se numara leziunile nemaligne ale pielii cataracta hipolezia medulara care antreneaza o deficienta hematologica a vatamarilor provocate celulelor gonadelor cu repercusiuni asupra fertilitatii

Efectele stochastice sunt intotdeauna efecte somatice tarzii fara prag ireversibile si aditive Aparitia lor urmeaza o relatie probabilistica doza-efect aparent la intamplare de unde si numele stochastic Altfel spus dintr-o populatie aflata intr-o zona de radiatii efectele stochastice apar numai in unele cazuri individuale aparent la intamplare

Printre ele se numara efectele somatice care se manifesta cu intarziere sub forma de afectiuni maligne (cancer) si efecte genetice (ereditare) ce apar la descendenti Practic intre momentul iradierii si al aparitiei bolii maligne pot trece ani sau zeci de ani

Fiind relatii liniare intre frecventa de aparitie a efectelor stochastice si dozelor absorbite pentru radiatiile cu transfer liniar de energie mica rezulta ca in aceste cazuri la doze mici si debite mici ale dozei riscul pentru sanatate este proportional cu doza administrata In literatura de specialitate factorul de proportionalitate dintre frecventa de aparitie a acestor efecte si doza absorbita a fost denumit factor de risc

Dozele administrate in timp lung fiid aditive nu are importanta daca doza care produce efctul respectiv a fost administrata fractionat sau instantaneu respectiv intr-o secunda sau intr-o luna

Efectul biologic produs este ireversibil si in prezent nu se cunosc metode de reducere a probabilitatilor de aparitie a efectelor stochastice somatice datorate unor doze deja primite

Detrimentul sanatatii Conceptul de detriment al sanatatii se refera la fenomenul de distrugere (vatamare) integrala a unei persoane datorita efectelor biologice ale radiatiilor ionizante fenomen care poate aparea dupa o iradiere in conditii bine definite si la un anumit nivel de doza

In cazul unui efect patologic dat (i) detrimentul (Gj) la un individ (j) este exprimat de produsul intre probabilitatea de aparitie a efectului (pi) si factorul corespunzator de gravitate (g)

iar pentru un grup de persoane (P) detrimentul colectiv (G) este

Acest concept se aplica atat asupra efectelor stochastice cat si a celor nestochastice in principal fiind utilizat pentru estimarea vatamarilor datorate efectelor stochastice

Intre probabilitatea de aparitie a efectelor biologice stochastice si echivalentul de doza se stabileste o relatie liniara fara prag aplicata la doze slabe De aceea detrimentul colectiv al sanatatii este proportional cu echivalentul de doza efectiv colectiv Totusi in mod practic detrimentul unui grup de indivizi nu poate fi redus la o insumare a vatamarilor individuale fapt pentru care echivaletul de doza colectiva se ia ca un partener printre altele

15

33 Fazele tipice ale evolutiei imbolnavirii in urma iradierii

In dinamica evolutiei reactiilor care au loc in urma iradierii se pot distinge trei perioade importante perioada primara perioada latenta si perioada secundara

Reactiile in perioada primara de actiune a radiatiilor ionizante se datoreaza a trei tipuri principale de mecanisme mecanismul actiunii directe indirecte si la distanta

Efectul biologic prin actiune directa consta in transmiterea directa a energiei particulelor incarcate sau a electronilor secundari catre atomii si moleculele substantelor celulare Produsul principal al acestei actiuni sunt ioni si atomi excitati de-a lungul parcursului particulei in celula Datorita ionizarii si excitarii substantelor prin mecanism primar se produc modificari chimice ale acestora (mecanismul actiunii indirecte) Deoarece organismele vii au in compozitia lor un mare procent de apa la om ajungand pana la 85 din greutatea corpului multa vreme s-a considerat ca actiunea nociva a radiatiilor ionizante este cauzata de produsele de descompunere a ei si in special de apa oxigenata care actioneaza ca agent oxidant (ipoteza actiunii prin apa oxigenata) O ipoteza mai verosimila considera ca rolul principal in actiunea biologica primara il au radicalii H OH si O2H care apar la radioliza apei (ipoteza actiunii prin radicali liberi) Conform acestei ipoteze radioliza apei constituie o sursa pentru actiunea indirecta a radiatiei deoarece radicalii liberi formati pot afecta atat cromozomii cat si proteinele citoplasmatice

Datorita interventiei sistemului nervos a glandelor endocrine si a transportului prin umori sau difuziune a unor substante rezultate in tesuturile iradiate efectele biologice se pot produce nu numai in organele iradiate ci si in cele neiradiate (mecanismul actiunii la distanta sau al actiunii secundare)

Perioada latenta care apare in organism dupa perioada primara se caracterizeaza prin faptul ca fenomenele sunt atat de neinsemnate incat nu pot fi descoperite neinregistrandu-se nici un fel de tulburari Perioada latenta variaza invers proportional cu doza de radiatii De aceea in cazul unor iradieri cu doze mortale perioada latenta dureaza de la cateva ore la 30-40 de zile iar in doze fractionate mici ea dureaza mai mult de un an

Perioada secundara este dominata de formarea in celule si tesuturi de substante toxice care conduc la intoxicarea organismului determinand o serie de efecte biologice importante (ipoteza formarii uor substante toxice) Reactiile din aceasta perioada sunt de natura necunoscuta si in decursul timpului ele au fost atribuite actiunii apei oxigenate peroxizilor organici si histaminei problema fiind insa in discutie Cert este faptul ca sub actiunea radiatiilor ionizante apar molecule active in primul rand in celulele din tesuturi si in paralel in sange si in limfa

34 Clasificarea efectelor biologice dupa natura lor

Cel mai fercvent efectele biologice se clasifica dupa natura lor in- efecte precoce care nu apar decat pentru doze ridicate- efecte somatice tarzii care se manifesta dupa mai multi ani chiar mai multi zeci

de ani- efecte genetice care privesc descendentii - efecte teratogene care se refera la afectarea embrionului si a fetusului

341 Efecte biologice precoce

16

Efectele biologice precoce survin la putin timp dupa iradiere uneori dupa cateva ore sau mai putin si sunt efecte cu prag fapt pentru care nu apar decat daca doza depaseste un anumit nivel Deasupra pragului ele cresc cu doza De aceea pentru a evita producerea lor s-au elaborat reglementari care impun limitarea sub nivelul de prag al dozelor ce le pot primi operatorii care lucreaza in medii de radiatii ionizante Cele mai fragile tesuturi care sufera efecte biologice cu prag sunt pielea celulele formate de sange maduva osoasa intestinul si organele sexuale sau gonade

Efectele biologice precoce in cazul iradierilor partiale Acestea se refera la piele maduva osoasa si organele genitale

Pielea Efectele radiobiologice ale pielii sunt foarte variabile si ele depind de doza de localizarea anatomica de varsta de pigmentatia tegumentului etc In general la doze mai mari de 10 Gy nu se observa nici o leziune grava dar la 25 din cazuri apare o senzatie de caldura La doze intre 10 si 20 Gy apar epidermite exudative urmate dupa un timp de o latenta de trei saptamani de eritema secundara apoi de epitelitaexudativa dupa 3-6 luni facandu-se restaurarea fara recurs In cazul unor iradieri foarte importante si profunde se altereaza vascularizatia si apare ulceratia care necesita un tratament chirurgical

Maduva osoasa organul cel mai sensibil la iradierea globala conduce limfopenia cu atat mai repede cu cat doza de radiatii este mai mare

Organele sexuale respectiv testiculele la barbati si ovarele la femei reactioneaza diferit la iradiere

Testiculele care se remarca printre cele doua functii de producatore de hormoni si spermatozoizi la iradiere le este afectata numai cea de-a doua functie (producatoare de spematozoizi) La doze relativ mici de 05 Gy se instaleaza o depresiune tranzitorie si spontan reversibila iar la doze de circa 2 Gy apare o azospermie si sterilitate temporara in jur de un an Experientele efectuate de americani pe detinuti voluntari au aratat ca in cazul iradierii testiculelor cu doze de 6 Gy sterilitatea este temporata la om De asemenea supravietuitorii dintre cei 23 pescari japonezi care au fost iradiati in urma exploziei experimentale a armei termonucleare de la Bikini in 1954 si care se estimeaza ca au primit doze de 3 - 66 Gy dupa o sterilitate de 2-3ani au avut copii normali (in total 45 copii)

- Ovarele comparativ cu testiculele au o sensibilitate mai mica fata de radiatiile ionizante aceasta fiind influentata si de varsta Astfel pe cand la o femeie tanara in jur de 25 de ani este necesara o doza de 12-15 Gy pentru a provoca o menopauza artificiala la o femeie de peste 40 de ani este suficienta o doza de numai 7 Gy Se mentioneaza ca la femei sterilitatea este insotita de oprirea functiei endocrine

Din cercetarile efectuate precum si din constatarile asupra descendentilor celor iradiati in urma exploziilor atomice de la Hirosima si Nagasaki a rezultat ca in urma unei iradieri puternice care a provocat sterilitatea temporara nu s-au produs urmari genetice prin afectarea celulelor sexuale

Iradierea organelor profunde La iradieri puternice mai ales in radioterapie sunt iradiate si organele profunde plamanii inima rinichii tubul digestiv ficatul sistemul nervos central si creierul Dintre acestea deosebit de sensibile sunt plamanii care dupa o doza de 25 Gy se imbolnavesc de fibron pulmonar iar dupa 6-12 luni urmeaza decesul

Rinicii si ficatul sunt afectati la doze peste 30 Gy In cazul rinichilor functionarea lor este afectata dupa cateva saptamani de la iradiere pe cand vezica poate suporta doze mult mai mari Diversele organe ale aparatului digestiv au radiosensibilitati diferite Cel mai radiosensibil este intestinul subtire la care apar leziuni in urma absorbtiei unor doze

17

sub 30 Gy Urmeaza stomacul care este afectat de doze in jur de 40 Gy cel mai rezistent fiind colonul care reactioneaza numai la doze cuprinse intre 50 si 56 Gy

Destul de radiosensibil este si sistemul nervos care manifesta o fragilitate a celulelor nervoase a vaselor sangvine si o capacitate limitata de regenerare a tesuturilor nervoase La doze peste 40 Gy administrate in patru saptamani apare o paraplegie care dupa doi ani se extinde In ceea ce priveste creierul desi modificari morfologice apar deja de la doze de 10 Gy el poate suporta doze de circa 50 Gy timp de 5-6 saptamani

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor globale In urma unor iradieri globale cu doze in jur de 1 Gy care sunt fara gravitate imediata nu se observa decat foarte discrete modificari hematologice in ceea ce priveste globulele albe dar ele se regenereaza rapid In astfel de cazuri se aplica un tratament modest fara a fi necesara spitalizarea

La doze cuprinse intre 1 si 2 Gy desi semnele fizice inca lipsesc se observa o scadere a globulelor albe si a plachetelor iar numarul globulelor rosii este modest In acest caz sunt necesare transfuzii si tratament antibiotic Din contra la doze de peste 2Gy se observa o evolutie stereotipa a bolii cu afectarea celulelor formatoare de sange si scaderea corespunzatoare a numarului maxim de elemente reprezentative din sange Evolutia imbolnavirii se face urmand cele patru faze tipice Dupa o perioada de debut care dureaza trei zile insotita de simptome discrete urmeaza de perioada latenta practic silentioasa care dureaza peste trei saptamani In continuare se instaleaza perioada de stare (perioada critica) careia i se asociaza semne generale cum sunt oboseala intensa tulburari digestive hemoragii si infectii formula sangvina fiind foarte modificata In acest moment viata bolnavului este in pericol Abia dupa circa trei luni el intra in covalescenta In acest caz spitalizarea este indispensabila intr-un centru specializat cu locuri sterilizate repaus absolut si eliminarea posibilitatilor de infectare In cadrul tratamentului se recomanda grefe de maduva osoasa La doze mai mari grefa cu maduva osoasa poate fi singura sansa iar la doza peste 12 Gy de iradiere instantanee orice tratament terapeutic nu este eficace

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor accidentale In ultimele decenii s-au inmultit numarul iradierilor accidentale Principal ele pot fi clasificate in iradieri implicand una sau mai multe persoane ori a unor grupuri mari de persoane

Iadieri accidentale implicand una sau mai multe persoane Pana in anul 1965 au fost inregistrate 12 astfel de accidente critice in lume in care persoane au fost expuse global in cursul unor cercetari sau operatii chimice dintre care au rezultat 9 decese

De asemenea se cunosc 24 accidente cu surse gamagrafice dintre care 15 accidente cu 192Ir si 9 accidente cu 60Co din care au rezultat 17 morti si 38 grav iradiati In ultimii 40 de ani au avut loc 115 cazuri de iradieri locale care au facut 156 victime Principalele cauze se datoresc instalatiilor de radiatii X pentru analiza cristalografica (69) surselor de gamagrafice cu 192Ir (34) 60Co (25) emitatori β-activi (11) acceleratori de particule (8) si diverse surse (8) Iradierile interne sunt mai rare si mai greu de cunoscut In Franta sunt cunoscute numai o zecime din decese 7 sunt imputabile activitatii medicale

Iradieri accidentale a unor grupuri mari de persoane Iradierile simultane asupra unui numar ridicat de persoane au fost inregistrate in urma unor experiente cu arme termonucleare sau a unor defectiuni survenite in functionarea unor centrale atomoelectrice

Explozia experimentala a armei termonucleare de la Bikini de la 1 martie 1954 a provocat printre altele si iradierea puternica prin caderi de pulberi radioactive a locuitorilor de pe Insula Marschall precum si a 23 de pescari marinari de pe vasul japonez ldquoFukuriu Marurdquo

18

Recent prin defectarea centralei atomoelectrice de la Cernobal (Ucraina) din aprile 1986 au fost iradiate 22 persoane cu doze peste 8 Gy 22 persoane cu doze intre 4 si 8 Gy 53 persoane cu doze intre 2 si 4 Gy si 203 persoane cu doze peste 1 Gy fiind inregistrate 31 decese

342 Efecte somatice tarzii

Efectele somatice tarzii in general sunt fara prag Ele pot fi necancerigene (cataracte tulburari ale cresterii scaderea longevitatii si a unor reactii imunologice) insa principalul efect intarziat este cancerul care apare dupa cativa ani sau zeci de ani de la iradiere Principalele efecte somatice tarzii necancerigene se caracterizeaza prin urmatoarele

Cataractele sunt boli care provoaca opacifierea cristalinului Radiatiile ionizante genereaza cataracte la doze superioare la 10 Gy de radiatii X Ele sunt efecte cu prag care la barbati este foarte ridicat si apare intre 1 si 10 ani de la iradiere In cazul neutronilor rapizi pragul este mult mai jos asymp08 Gy respectiv asymp8 Sv

Tulburari de crestere Constatarile efectuate pe supravietuitorii de la Hirosima si Nagasaki au evidentiat ca prin expunere la doze de 1 Gy au loc tulburari de crestere si anume un deficit in greutate o scadere a taliei si a circumferintei capului

Longevitatea De asemenea studiile de supravietuitori de la Hirosima sI Nagasaki precum si pe animale in laborator au aratat ca la doze ridicate (asymp4 Gy) de radiatii se scurteaza durata medie de viata indiferent daca iradierea a produs leucemie sau cancer

Reactiile imunologice La iradierea cu doze de 1 Gy scad reactiile imunologice si organismele devin vulnerabile la infectii

Pielea desi nu este radiosensibila se mnifesta ca un organ critic avand un prag de toleranta de asymp2mGyzi Prin iradierea mainilor cu doze superioare (5 mGyzi) apar leziuni cutanate cronice sau uscate si atrofice care fisureaza dand ulceratii grave

Cancerele principalele efecte intarziate se caracterizeaza prin faptul ca nu au prag si se produc mai ales cu doze slabe de radiatii Frecventa lor este influentata de o serie de factori printre care se numara doza de radiatie natura radiatiilor sexul varsta si natura tesuturilor iradiate

Dintre toti factorii doza de radiatii este cel mai important iar dintre radiatii particulele α si neutronii sunt cele mai periculoase Radiosensibilitatea organismelor este diferita in functie de sex ea este mai importanta la femei decat la barbati in special pentru sani si tiroida si are un efect invers pentru maduva osoasa si pulmon Totodata efectele difera cu varsta copiii tineri adolescentii si persoanele in varsta fiind mai radiosensibile decat adultii Timpii de latenta sunt foarte variabili si depind in mod esential de natura tesutului iradiat Ei sunt cuprinsi intre 4 si 20 de ani de la iradiere pentru leucemie de 10 ani pentru tumori 22-25 de ani pentru sani etc Cancerul cutanat apare la doze de circa 15 Gy radiatii electromagnetice intre 25 si 40 de ani Cancerul osos apare la doze gt8Gy iar leucemia la doze gt1 Sv Cancerul sanului apare la doze de 020 Gy (la iradieri radiologice) iar cancerul tiroidei la 01 Gy la copii intre 13 si 14 ani

343 Efecte geneticeAlaturi de alti agenti fizico-chimici (substante chimice radiatiile

electromagnetice caldura etc) care pot provoca efecte mutagene se afla si radiatiile ionizante

19

Daca la doze slabe nu s-au inregistrat astfel de efecte la om in schimb printre copiii supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki iradiati cu doze puternice s-au inregistrat cazuri de anomalii genetice semnificative

Pe plan uman singurele informatii de care dispunem sunt descendentii iradiatilor de la Hirosima si Nagasaki si ai pescarilor de la Bikini dar in ambele cazuri dozele nu sunt cunoscute cu precizie In cazul supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki desi au prezentat forme cancerigene pentru doze ridicate (gt1 Gy) nu s-au inregistrat efecte genetice De asemenea in cazul celor 23 marinari pescari de la Bikini iradiati de caderile radioactive cu exceptia unuia care a decedat dupa o sterilitate de doi ani ceilalti au avut copii normali (45 copii) la care nu au fost observate efecte genetice aparente la prima generatie

In modul de evaluare a efectelor genetice se intampla unele dificultati datorate urmatorilor factori caracterul particular al efectelor genetice necesitatea extrapolarii rezultatelor obtinute experimental pe animale la om si de asemenea extrapolarea rezultatelor obtinute experimental cu doze forte la doze slabe

Din investigarile pe animale s-a stabilit ca fercventa anomaliilor genetice se observa la doze gt1 Gy La om anomaliile (de ex structura cromozomilor) reprezinta un risc de 1-10 pe milion de nasteri vii pe centiGy iar mutatiile genetice apar la iradierea celor doi parinti cu o frecventa de 5-65 pe milion de nasteri vii pe centiGy Dupa prima generatie si la echilibru (dupa 5 generatii) frecventa lor este de 40-200 pe milion de nasteri vii pe centiGy pe generatie Mutatiile sunt legate de sexe in sensul ca ele se transmit prin femei In prima generatie numarul de afectiuni adaugat este lt13 pe milion de nasteri vii pe centiGy

Particularitatile mutatiilor genice In functie de sex riscul pentru femeie este mai putin important ca pentru barbat Dupa varsta la femei sunt doua perioade critice principala este perioada reproducerii de la pubertate la menopauza A doua este pana in luna a saptea a vietii fetale La barbat perioada periculoasa se afla intre 20 si 40 ani perioada in care se fac majoritatea fecundarilor

Ipoteza prejudiciului genetic dat de iradierile slabe In mod normal o populatie se afla in echilibru genetic Aparitia de noi mutanti este compensata de eliminarea mutantilor existenti prin decese precoce sau prin fecundari mai putine uneori chiar nule In cazul unor iradieri suplimentare acest echilibru se rupe iar fiecarei generatii i se vor adauga descendentilor mutatiile produse la toate generatiile anterioare (mutanti suplimentari) Ca urmare se vor produce o crestere a mutatiilor letale si a celor dominante precm si o acumulare a mutatiilor primite

344 Efecte biologice teratogene

Efectele teratogene sunt anomalii si malformatii provocate de actiunea unor agenti fizici chimici si infectiosi sau a radiatiilor ionizante asupra embrionului si fetusurilor pe timpul cresterii

Sensblitatea lor la radiatii variaza dupa stadiul dezvoltarii embrionului dar pragul de actiune este foarte net mai jos decat dupa nastere Efectele teratogene sunt ireversibile iar radiatiile ionizante produc aceleasi efecte ca si alti agenti teratogeni Sub actiunea radiatiilor ionizante in functie de stadiul de dezvoltare a embrionului si a fetusurilor se deosebesc urmatoarele

20

- In stadiul de preimplantare iradierea determina fie distrugerea oului fie moartea uneia sau a mai multor celule Aceasta perioada adesea trece neobservata de femeie Doza letala 50 este de 05-06 Gy

- In stadiul de organogeneza cand femeia are consecinte de intarziere si banuiala ca ar fi insarcinata o doza de 01 Gy poate antrena malformatii Aceasta este perioada critica deoarece radiosensibilitatea este maxima

- In stadiul fetal frecventa si gravitatea malformatiilor se diminuiaza In schimb iradierea poate avea o actiune cancerigena care se manifesta la copii tineri Dozele egale sau inferioare la 025 Gy sunt considerate ca fara efect

Cele mai importante consecinte legate de efectele teratogene sunt- malformatiile ca de exemplu cele microcefalice care pot fi insotite de

intarzierea mentala - intarzierea cresterii care are loc la doze puternice (gt1 Gy) printre care se

remarca deficitul ponderal scaderea taliei si a circumferintei capului si o intarziere a osificarii

- cancerul care apare la iradieri in uter cu doze de 002 Gy-mortalitatea intrauterina si neonatala creste In cazul supravietuitorilor de la

Hirosima si Nagasaki ea a fost cu 40 mai mare decat cea normala - efecte genetice nu s-au observat nici printre descendentii celor iradiati in uter cu

ocazia exploziilor nucleare de la Hirosima si NagasakiPe baza acestor observatii se impune luarea unor precautii in cazul femeilor

insarcinte care sunt expuse profesional la doze de radiatii ionizante si excluderea lor de la orice fel de examen radiologic

21

4 Efectele fizice ale radiatiilor ionizante la interactiunea cu substanta

La impactul cu substanta fasciculele de radiatii ionizante sufera procese de atenuare datorita devierii (imprastierii) acestora printr-un mecanism monoact sau prin absorbtie cand isi pierd complet energia pe baza unui mecanism continuu Cele mai importante efecte ale radiatiilor ionizante sunt excitarea si ionizarea care pot fi directe in cazul particulelor incarcate electric sau indirecte in cazul radiatiilor X γ si a neutronilor

41 Interactiunea particulelor grele incarcate cu substanta

Particulele grele incarcate cum sunt radiatiile α protonii deuteronii atomii multiplu ionizati si produsii de fisiune nucleara la impactul cu substanta se atenueaza cu parcurs pe baza unui mecanism de pierderi mici de energie intr-un numar foarte mare de procese de interactiune

Procesul predominant este cel de interactiune cu electronii atomilor si moleculelor probabilitatea de interactiune cu nucleele atomilor fiind foarte mica

Transferul liniar de energie (TLE) notat cu Q realizat prin ciocniri neelastice cu electronii atomilor si ai moleculelor intalnite este dat de relatia lui HA Bethe

[erg∙cm-1]

in care N este numarul de atomi dintr-un cm3 Z ndash sarcina particulei m0 ndash masa de repaus a electronului v ndash viteza e ndash sarcina electronului β = vc J ndash potentialul mediului de excitare al substantei iradiate

In figura 41 se prezinta modul de variatie al numarului particulelor α cu mediul Transferul Q depinde de viteza (v) si de sarcina (Z) a prticulelor grele incidente iar pe o distanta Δx particula pierde o energie ΔE care este data de suma transferurilor Q in cursul ciocnirilor ce au loc pe aceasta distanta ΔE=ΣQ

Fig 41 Variatia numarului particulelor α in unitatea de timp cu distanta parcursa intr-un mediu dat

Atunci cand o particula parcurge un mic segment Δx din traiectoria sa ea sufera numeroase ciocniri cu electronii care se gasesc in vecinatatea traiectoriei sale Raportul S=ΔEΔx se numeste putere de incetinire a particulelor in mediu si reprezinta pierderea specifica de energie fiind dependent de viteza (v) si sarcina (Z) a particulei incidente Distanta maxima pe care o strabate o particula de energie initiala E intr-un mediu dat se numeste parcurs (R) si se exprima in metri El se poate calcula cu ajutorul relatiei

[m]

22

Din cauza fluctuatiei accidentale de ciocniri individuale dintre particulele grele incarcate si atomii mediului parcursurile lor nu sunt riguros egale asa cum se poate observa cu ajutorul unei camere Wilson (fig 42)

Fig 42 Parcursurile particulei α in camera Wilson

La strabaterea mediilor gazoase parcursurile radiatiilor α ating centimetri ( tabelul 41) pe cand in medii lichide si solide descresc mult fiind de ordinul micrometrilor Asa se explica faptul ca o foaie de hartie este suficienta pentru a absorbi complet un fascicul de radiatii α de mare energie Parcursul radiatiilor α in aer se calcleaza cu ajutorul relatiei empirice a lui Bethe R=032 E32 In fig 43 este data dependenta dintre energie si parcursul radiatiilor α

Parcursurile radiatiilor α ale Po si RaC΄ in diferite mediiTabelul 41

Mediul strabatut Parcursul radiatiilor α ale210Po(530 Mev) 214RaC΄(76 MeV)

Aer 00387 m 00698 mHidrogen 01730 m 03250 m

Heliu 0215 m 0390 mArgon 00417 m 0073 m

Alcool etilic 371μm -Aur - 14 μm

Gelatina foto 23 μm 50 μm

Ciocnindu-se cu electronii mediului strabatut particulele α produc efecte dependente de energia Q transferata acestora

Fig 43 Dependenta dintre energie si parcursul particulelor α

a Daca energia transferata (Q) este superioara energiei de legatura a electronilor (asymp10eV) acestia sunt smulsi si azvarliti particulele incidente pastrandu-si directia practic neschimbata fapt pentru care parcursul lor in orice mediu este rectiliniu Atomul caruia i

23

s-a smuls un electon devine ion pozitiv si impreuna cu electronul detasat formeaza o pereche de ioni procesul in ansamblu numindu-se ionizare

Numarul de perechi de ioni creati pe unitatea de lungime se numeste ionizare specifica (j) si este data de raportul dintre patratul atomic Z al particulelor si patratul vitezei particulei (vp)

WL BRAGG studiind variatia numarului de ioni formati in functie de unitatea de lungime a constatat ca ionizarea maxima este atinsa la sfarsitul parcursului (Fig 44)

Fig 44 Curbele de tip Bragg ale Po si RaC΄

b In cazul in care energia tansferata (Q) este inferioara energiei de legatura a electronului acesta nu este detasat din structura atomica sau moleculara de care apartine si se produce excitarea atomului respectiv

Urmarind distributia energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale se obtine o curba de distributie care este reprezentata in fig 45

Fig 45 Curba de distriutie a energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale

Conform acestei curbe energia ε=ΔE pierduta de o particula parcurgand un mic segment Δx din traiectoria sa se repartizeaza astfel

- 30 din energie (100gtQgt10eV) se consuma in excitari - 30 din energie (Qlt10eV) se consuma pentru ionizari- 40 din energie (Qgt100eV) se consuma pentru producerea de electroni

secundari δAceasta repartitie ramane constanta de-a lungul traiectoriei particuleiAutoabsorbtia radiatiilor α Urmarind variatia curentului de ionizare (I) produs

de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva (Fig 46) se observa ca numai in cazul straturilor foarte subtiri se inregistreaza o crestere proportionala a curentului de ionizare cu grosimea stratului activ Pentru o anumita grosime a stratului de substanta ionizarea devine constanta deoarece particulele α emise

24

de straturile inferioare se absorb total in cele superioare Straturile ale caror grosime este egala sau mai mare decat pacursul se numesc straturi ldquogros infiniterdquo

Fig 46 Variatia curentului de ionizare produs de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta rdioactiva

Ecranarea particulelor grele incarcate Particulele grele incarcate in primul

rand radiatiile α au parcursuri foarte mici de ordinul micronilor in corpuri solide fapt pentru care nu ridica probleme speciale de ecranare fiind absorbite total si cu usurinta de toate substantele chiar si de o foaie de hartie De aceea simpla utilizare a manusilor de cauciuc ori a hartiei de filtru in lucrari de laborator cu astfel de substante radioactive sunt masuri suficiente care sa asigure o buna protectie impotriva iradierii externe

Reactiile nucleare ale prticulelor grele incarcate La interactiunea particulelor grele incarcate cu anumite nuclee tomice acestea pot sa sufere transmutatii artificiale In particular radiatiile α emise de unele surse radioactive naturale au importanta istorica deoarece stau la baza unor importante descoperiri cum sunt

- reactiile nucleare (α p) realizate pentru prima data de E RUTHERFORD in anul 1919 au condus la descoperirea primei transmutatii artificiale sinteza izotopului stabil 17O din 14N cu emisia unui proton

In prezent cu ajutorul particulelor α ndash accelerate se prepara numerosi radioizotopi pe baza ecuatiei generale

- reactiile nucleare (α n) au stat la baza descoperirii neutronului de catre CHADWICK in 1932 prin bombardarea beriliului cu radiatii α ale poloniului

Reactiile (α n) prezinta un interes deosebit si datorita faptului ca ele stau la baza surselor de neutroni de laborator Substantele α ndash active cele mai utilizate sunt210Po 226Ra si 239Pu

Sursele Ra ndash α ndash Be emit neutroni cu un spectru energetic continuu cu energii pana la 137 MeV si randament foarte mare la 1 mCi Ra corespund 13 104 ncm2 s fiind sursele cele mai constante din cauza timpului de injumatatire lung al radiului (1600 a)

Tot pe baza reactiei nucleare (α n) sotii JOLIOT-CURIE in anul 1934 iradiind o foita de aluminiu cu particule α au obtinut fosfor radioactiv descoperind radioactivitatea artificiala care a deschis perspective nebanuite fizicii si chimiei nucleare

In prezent sub actiunea particulelor α accelerate se produc numerosi radioizotopi

ai elementelor cu timpi de injumatatire mici pe baza reactiei generale

25

De asemenea sub actiunea particulelor α accelerate au fost sintetizate o parte din elementele transuraniene conform reactiilor

In mod asemanator pot provoca reactii nucleare si alte particule grele accelerate

(protoni deuteroni) Dintre acestea se remarca- reactiile nucleare (p γ) puternic exoenergice cu emisie de fotoni de mare

energie - reactiile nucleare (d n) care stau la baza producerii neutronilor de laborator cu

ajutorul generatoarelor de inalta tensiune Cu ajutorul deuteronilor de 5 MeV s-au sintetizat pentru prima data prin reactii nucleare (d n) tehnetiul si prometiul

- reactiile nucleare (d p) care se produc cu o probabilitate de 10 ori mai mare

decat cele (d n) prezinta interes deoarece conduc la formarea de izotopi ai tintei intocmai ca in cazul reactiilor (nγ) De exemplu 23Na(dp)24Na 31P(d p)32P

Particulele grele incarcate cu energii mai mari de 50 MeV genereaza o serie de reactii nucleare in cascada dezintegrarea cu expulzarea de nucleoni rapizi (p d T) fisiunea nucleara reactii secundare si emisia de nuclee usoare

42 Interactiunea electronilor cu substanta

Fasciculele de electroni emisi de radionuclizii β ndash activi (β- si β+) precum si cei proveniti din generatoare la interactiunea cu substanta se atenueaza pierzand energia de-a lungul parcursului

Datorita unor serii de procese de absorbtie prin ciocniri elastice si neelastice si uneori prin radiatie de franare efectele fizice produse de aceste procese constau din excitarea si ionizarea mediului strabatut iar contributia fiecarui proces in parte este determinata de energia electronilor incidenti precum si de natura materialului absorbant

Imprastierea neelastica electron-electron Dintre toate procesele de interactiune ale electronilor cu substanta predominant este cel de imprastiere la ciocnirea neelastica cu electronii orbitali ai atomilor din mediu deci procesele electron-electron Datorita acestui fapt electronii sufera imprastieri sub unghiuri diferite motiv pentru care drumul fasciculelor de electroni prin mediu nu este rectiliniu ci foarte sinuos (fig 47) De aceea intr-o substanta de o anumita grosime electroni de aceeasi energie parcurg drumuri complet diferite care intrec in lungime 15 ndash 4 ori grosimea stratului penetrat

Fig 47 Drumul sinuos al electronilor prin substanta

26

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

Valoarea pragului pentru un anumit efect poate varia in jurul unei valori medii de la un individ la altul si in functie de conditiile de iradiere In general efectele nestochastice apar destul de repede in timp fiind efecte imediate (precoce) iar vatamarile provocate de ele sunt cu atat mai mari cu cat doza este mai mare

Avand caracter reversibil exista posibilitatea regenerarii unor tesuturi iar dozele administrate intr-un timp lung nu sunt perfect aditive De aceea pentru evitarea producerii lor are mare importanta administrarea fractionata a dozelor de radiatii

Printre efectele nestochastice se numara leziunile nemaligne ale pielii cataracta hipolezia medulara care antreneaza o deficienta hematologica a vatamarilor provocate celulelor gonadelor cu repercusiuni asupra fertilitatii

Efectele stochastice sunt intotdeauna efecte somatice tarzii fara prag ireversibile si aditive Aparitia lor urmeaza o relatie probabilistica doza-efect aparent la intamplare de unde si numele stochastic Altfel spus dintr-o populatie aflata intr-o zona de radiatii efectele stochastice apar numai in unele cazuri individuale aparent la intamplare

Printre ele se numara efectele somatice care se manifesta cu intarziere sub forma de afectiuni maligne (cancer) si efecte genetice (ereditare) ce apar la descendenti Practic intre momentul iradierii si al aparitiei bolii maligne pot trece ani sau zeci de ani

Fiind relatii liniare intre frecventa de aparitie a efectelor stochastice si dozelor absorbite pentru radiatiile cu transfer liniar de energie mica rezulta ca in aceste cazuri la doze mici si debite mici ale dozei riscul pentru sanatate este proportional cu doza administrata In literatura de specialitate factorul de proportionalitate dintre frecventa de aparitie a acestor efecte si doza absorbita a fost denumit factor de risc

Dozele administrate in timp lung fiid aditive nu are importanta daca doza care produce efctul respectiv a fost administrata fractionat sau instantaneu respectiv intr-o secunda sau intr-o luna

Efectul biologic produs este ireversibil si in prezent nu se cunosc metode de reducere a probabilitatilor de aparitie a efectelor stochastice somatice datorate unor doze deja primite

Detrimentul sanatatii Conceptul de detriment al sanatatii se refera la fenomenul de distrugere (vatamare) integrala a unei persoane datorita efectelor biologice ale radiatiilor ionizante fenomen care poate aparea dupa o iradiere in conditii bine definite si la un anumit nivel de doza

In cazul unui efect patologic dat (i) detrimentul (Gj) la un individ (j) este exprimat de produsul intre probabilitatea de aparitie a efectului (pi) si factorul corespunzator de gravitate (g)

iar pentru un grup de persoane (P) detrimentul colectiv (G) este

Acest concept se aplica atat asupra efectelor stochastice cat si a celor nestochastice in principal fiind utilizat pentru estimarea vatamarilor datorate efectelor stochastice

Intre probabilitatea de aparitie a efectelor biologice stochastice si echivalentul de doza se stabileste o relatie liniara fara prag aplicata la doze slabe De aceea detrimentul colectiv al sanatatii este proportional cu echivalentul de doza efectiv colectiv Totusi in mod practic detrimentul unui grup de indivizi nu poate fi redus la o insumare a vatamarilor individuale fapt pentru care echivaletul de doza colectiva se ia ca un partener printre altele

15

33 Fazele tipice ale evolutiei imbolnavirii in urma iradierii

In dinamica evolutiei reactiilor care au loc in urma iradierii se pot distinge trei perioade importante perioada primara perioada latenta si perioada secundara

Reactiile in perioada primara de actiune a radiatiilor ionizante se datoreaza a trei tipuri principale de mecanisme mecanismul actiunii directe indirecte si la distanta

Efectul biologic prin actiune directa consta in transmiterea directa a energiei particulelor incarcate sau a electronilor secundari catre atomii si moleculele substantelor celulare Produsul principal al acestei actiuni sunt ioni si atomi excitati de-a lungul parcursului particulei in celula Datorita ionizarii si excitarii substantelor prin mecanism primar se produc modificari chimice ale acestora (mecanismul actiunii indirecte) Deoarece organismele vii au in compozitia lor un mare procent de apa la om ajungand pana la 85 din greutatea corpului multa vreme s-a considerat ca actiunea nociva a radiatiilor ionizante este cauzata de produsele de descompunere a ei si in special de apa oxigenata care actioneaza ca agent oxidant (ipoteza actiunii prin apa oxigenata) O ipoteza mai verosimila considera ca rolul principal in actiunea biologica primara il au radicalii H OH si O2H care apar la radioliza apei (ipoteza actiunii prin radicali liberi) Conform acestei ipoteze radioliza apei constituie o sursa pentru actiunea indirecta a radiatiei deoarece radicalii liberi formati pot afecta atat cromozomii cat si proteinele citoplasmatice

Datorita interventiei sistemului nervos a glandelor endocrine si a transportului prin umori sau difuziune a unor substante rezultate in tesuturile iradiate efectele biologice se pot produce nu numai in organele iradiate ci si in cele neiradiate (mecanismul actiunii la distanta sau al actiunii secundare)

Perioada latenta care apare in organism dupa perioada primara se caracterizeaza prin faptul ca fenomenele sunt atat de neinsemnate incat nu pot fi descoperite neinregistrandu-se nici un fel de tulburari Perioada latenta variaza invers proportional cu doza de radiatii De aceea in cazul unor iradieri cu doze mortale perioada latenta dureaza de la cateva ore la 30-40 de zile iar in doze fractionate mici ea dureaza mai mult de un an

Perioada secundara este dominata de formarea in celule si tesuturi de substante toxice care conduc la intoxicarea organismului determinand o serie de efecte biologice importante (ipoteza formarii uor substante toxice) Reactiile din aceasta perioada sunt de natura necunoscuta si in decursul timpului ele au fost atribuite actiunii apei oxigenate peroxizilor organici si histaminei problema fiind insa in discutie Cert este faptul ca sub actiunea radiatiilor ionizante apar molecule active in primul rand in celulele din tesuturi si in paralel in sange si in limfa

34 Clasificarea efectelor biologice dupa natura lor

Cel mai fercvent efectele biologice se clasifica dupa natura lor in- efecte precoce care nu apar decat pentru doze ridicate- efecte somatice tarzii care se manifesta dupa mai multi ani chiar mai multi zeci

de ani- efecte genetice care privesc descendentii - efecte teratogene care se refera la afectarea embrionului si a fetusului

341 Efecte biologice precoce

16

Efectele biologice precoce survin la putin timp dupa iradiere uneori dupa cateva ore sau mai putin si sunt efecte cu prag fapt pentru care nu apar decat daca doza depaseste un anumit nivel Deasupra pragului ele cresc cu doza De aceea pentru a evita producerea lor s-au elaborat reglementari care impun limitarea sub nivelul de prag al dozelor ce le pot primi operatorii care lucreaza in medii de radiatii ionizante Cele mai fragile tesuturi care sufera efecte biologice cu prag sunt pielea celulele formate de sange maduva osoasa intestinul si organele sexuale sau gonade

Efectele biologice precoce in cazul iradierilor partiale Acestea se refera la piele maduva osoasa si organele genitale

Pielea Efectele radiobiologice ale pielii sunt foarte variabile si ele depind de doza de localizarea anatomica de varsta de pigmentatia tegumentului etc In general la doze mai mari de 10 Gy nu se observa nici o leziune grava dar la 25 din cazuri apare o senzatie de caldura La doze intre 10 si 20 Gy apar epidermite exudative urmate dupa un timp de o latenta de trei saptamani de eritema secundara apoi de epitelitaexudativa dupa 3-6 luni facandu-se restaurarea fara recurs In cazul unor iradieri foarte importante si profunde se altereaza vascularizatia si apare ulceratia care necesita un tratament chirurgical

Maduva osoasa organul cel mai sensibil la iradierea globala conduce limfopenia cu atat mai repede cu cat doza de radiatii este mai mare

Organele sexuale respectiv testiculele la barbati si ovarele la femei reactioneaza diferit la iradiere

Testiculele care se remarca printre cele doua functii de producatore de hormoni si spermatozoizi la iradiere le este afectata numai cea de-a doua functie (producatoare de spematozoizi) La doze relativ mici de 05 Gy se instaleaza o depresiune tranzitorie si spontan reversibila iar la doze de circa 2 Gy apare o azospermie si sterilitate temporara in jur de un an Experientele efectuate de americani pe detinuti voluntari au aratat ca in cazul iradierii testiculelor cu doze de 6 Gy sterilitatea este temporata la om De asemenea supravietuitorii dintre cei 23 pescari japonezi care au fost iradiati in urma exploziei experimentale a armei termonucleare de la Bikini in 1954 si care se estimeaza ca au primit doze de 3 - 66 Gy dupa o sterilitate de 2-3ani au avut copii normali (in total 45 copii)

- Ovarele comparativ cu testiculele au o sensibilitate mai mica fata de radiatiile ionizante aceasta fiind influentata si de varsta Astfel pe cand la o femeie tanara in jur de 25 de ani este necesara o doza de 12-15 Gy pentru a provoca o menopauza artificiala la o femeie de peste 40 de ani este suficienta o doza de numai 7 Gy Se mentioneaza ca la femei sterilitatea este insotita de oprirea functiei endocrine

Din cercetarile efectuate precum si din constatarile asupra descendentilor celor iradiati in urma exploziilor atomice de la Hirosima si Nagasaki a rezultat ca in urma unei iradieri puternice care a provocat sterilitatea temporara nu s-au produs urmari genetice prin afectarea celulelor sexuale

Iradierea organelor profunde La iradieri puternice mai ales in radioterapie sunt iradiate si organele profunde plamanii inima rinichii tubul digestiv ficatul sistemul nervos central si creierul Dintre acestea deosebit de sensibile sunt plamanii care dupa o doza de 25 Gy se imbolnavesc de fibron pulmonar iar dupa 6-12 luni urmeaza decesul

Rinicii si ficatul sunt afectati la doze peste 30 Gy In cazul rinichilor functionarea lor este afectata dupa cateva saptamani de la iradiere pe cand vezica poate suporta doze mult mai mari Diversele organe ale aparatului digestiv au radiosensibilitati diferite Cel mai radiosensibil este intestinul subtire la care apar leziuni in urma absorbtiei unor doze

17

sub 30 Gy Urmeaza stomacul care este afectat de doze in jur de 40 Gy cel mai rezistent fiind colonul care reactioneaza numai la doze cuprinse intre 50 si 56 Gy

Destul de radiosensibil este si sistemul nervos care manifesta o fragilitate a celulelor nervoase a vaselor sangvine si o capacitate limitata de regenerare a tesuturilor nervoase La doze peste 40 Gy administrate in patru saptamani apare o paraplegie care dupa doi ani se extinde In ceea ce priveste creierul desi modificari morfologice apar deja de la doze de 10 Gy el poate suporta doze de circa 50 Gy timp de 5-6 saptamani

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor globale In urma unor iradieri globale cu doze in jur de 1 Gy care sunt fara gravitate imediata nu se observa decat foarte discrete modificari hematologice in ceea ce priveste globulele albe dar ele se regenereaza rapid In astfel de cazuri se aplica un tratament modest fara a fi necesara spitalizarea

La doze cuprinse intre 1 si 2 Gy desi semnele fizice inca lipsesc se observa o scadere a globulelor albe si a plachetelor iar numarul globulelor rosii este modest In acest caz sunt necesare transfuzii si tratament antibiotic Din contra la doze de peste 2Gy se observa o evolutie stereotipa a bolii cu afectarea celulelor formatoare de sange si scaderea corespunzatoare a numarului maxim de elemente reprezentative din sange Evolutia imbolnavirii se face urmand cele patru faze tipice Dupa o perioada de debut care dureaza trei zile insotita de simptome discrete urmeaza de perioada latenta practic silentioasa care dureaza peste trei saptamani In continuare se instaleaza perioada de stare (perioada critica) careia i se asociaza semne generale cum sunt oboseala intensa tulburari digestive hemoragii si infectii formula sangvina fiind foarte modificata In acest moment viata bolnavului este in pericol Abia dupa circa trei luni el intra in covalescenta In acest caz spitalizarea este indispensabila intr-un centru specializat cu locuri sterilizate repaus absolut si eliminarea posibilitatilor de infectare In cadrul tratamentului se recomanda grefe de maduva osoasa La doze mai mari grefa cu maduva osoasa poate fi singura sansa iar la doza peste 12 Gy de iradiere instantanee orice tratament terapeutic nu este eficace

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor accidentale In ultimele decenii s-au inmultit numarul iradierilor accidentale Principal ele pot fi clasificate in iradieri implicand una sau mai multe persoane ori a unor grupuri mari de persoane

Iadieri accidentale implicand una sau mai multe persoane Pana in anul 1965 au fost inregistrate 12 astfel de accidente critice in lume in care persoane au fost expuse global in cursul unor cercetari sau operatii chimice dintre care au rezultat 9 decese

De asemenea se cunosc 24 accidente cu surse gamagrafice dintre care 15 accidente cu 192Ir si 9 accidente cu 60Co din care au rezultat 17 morti si 38 grav iradiati In ultimii 40 de ani au avut loc 115 cazuri de iradieri locale care au facut 156 victime Principalele cauze se datoresc instalatiilor de radiatii X pentru analiza cristalografica (69) surselor de gamagrafice cu 192Ir (34) 60Co (25) emitatori β-activi (11) acceleratori de particule (8) si diverse surse (8) Iradierile interne sunt mai rare si mai greu de cunoscut In Franta sunt cunoscute numai o zecime din decese 7 sunt imputabile activitatii medicale

Iradieri accidentale a unor grupuri mari de persoane Iradierile simultane asupra unui numar ridicat de persoane au fost inregistrate in urma unor experiente cu arme termonucleare sau a unor defectiuni survenite in functionarea unor centrale atomoelectrice

Explozia experimentala a armei termonucleare de la Bikini de la 1 martie 1954 a provocat printre altele si iradierea puternica prin caderi de pulberi radioactive a locuitorilor de pe Insula Marschall precum si a 23 de pescari marinari de pe vasul japonez ldquoFukuriu Marurdquo

18

Recent prin defectarea centralei atomoelectrice de la Cernobal (Ucraina) din aprile 1986 au fost iradiate 22 persoane cu doze peste 8 Gy 22 persoane cu doze intre 4 si 8 Gy 53 persoane cu doze intre 2 si 4 Gy si 203 persoane cu doze peste 1 Gy fiind inregistrate 31 decese

342 Efecte somatice tarzii

Efectele somatice tarzii in general sunt fara prag Ele pot fi necancerigene (cataracte tulburari ale cresterii scaderea longevitatii si a unor reactii imunologice) insa principalul efect intarziat este cancerul care apare dupa cativa ani sau zeci de ani de la iradiere Principalele efecte somatice tarzii necancerigene se caracterizeaza prin urmatoarele

Cataractele sunt boli care provoaca opacifierea cristalinului Radiatiile ionizante genereaza cataracte la doze superioare la 10 Gy de radiatii X Ele sunt efecte cu prag care la barbati este foarte ridicat si apare intre 1 si 10 ani de la iradiere In cazul neutronilor rapizi pragul este mult mai jos asymp08 Gy respectiv asymp8 Sv

Tulburari de crestere Constatarile efectuate pe supravietuitorii de la Hirosima si Nagasaki au evidentiat ca prin expunere la doze de 1 Gy au loc tulburari de crestere si anume un deficit in greutate o scadere a taliei si a circumferintei capului

Longevitatea De asemenea studiile de supravietuitori de la Hirosima sI Nagasaki precum si pe animale in laborator au aratat ca la doze ridicate (asymp4 Gy) de radiatii se scurteaza durata medie de viata indiferent daca iradierea a produs leucemie sau cancer

Reactiile imunologice La iradierea cu doze de 1 Gy scad reactiile imunologice si organismele devin vulnerabile la infectii

Pielea desi nu este radiosensibila se mnifesta ca un organ critic avand un prag de toleranta de asymp2mGyzi Prin iradierea mainilor cu doze superioare (5 mGyzi) apar leziuni cutanate cronice sau uscate si atrofice care fisureaza dand ulceratii grave

Cancerele principalele efecte intarziate se caracterizeaza prin faptul ca nu au prag si se produc mai ales cu doze slabe de radiatii Frecventa lor este influentata de o serie de factori printre care se numara doza de radiatie natura radiatiilor sexul varsta si natura tesuturilor iradiate

Dintre toti factorii doza de radiatii este cel mai important iar dintre radiatii particulele α si neutronii sunt cele mai periculoase Radiosensibilitatea organismelor este diferita in functie de sex ea este mai importanta la femei decat la barbati in special pentru sani si tiroida si are un efect invers pentru maduva osoasa si pulmon Totodata efectele difera cu varsta copiii tineri adolescentii si persoanele in varsta fiind mai radiosensibile decat adultii Timpii de latenta sunt foarte variabili si depind in mod esential de natura tesutului iradiat Ei sunt cuprinsi intre 4 si 20 de ani de la iradiere pentru leucemie de 10 ani pentru tumori 22-25 de ani pentru sani etc Cancerul cutanat apare la doze de circa 15 Gy radiatii electromagnetice intre 25 si 40 de ani Cancerul osos apare la doze gt8Gy iar leucemia la doze gt1 Sv Cancerul sanului apare la doze de 020 Gy (la iradieri radiologice) iar cancerul tiroidei la 01 Gy la copii intre 13 si 14 ani

343 Efecte geneticeAlaturi de alti agenti fizico-chimici (substante chimice radiatiile

electromagnetice caldura etc) care pot provoca efecte mutagene se afla si radiatiile ionizante

19

Daca la doze slabe nu s-au inregistrat astfel de efecte la om in schimb printre copiii supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki iradiati cu doze puternice s-au inregistrat cazuri de anomalii genetice semnificative

Pe plan uman singurele informatii de care dispunem sunt descendentii iradiatilor de la Hirosima si Nagasaki si ai pescarilor de la Bikini dar in ambele cazuri dozele nu sunt cunoscute cu precizie In cazul supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki desi au prezentat forme cancerigene pentru doze ridicate (gt1 Gy) nu s-au inregistrat efecte genetice De asemenea in cazul celor 23 marinari pescari de la Bikini iradiati de caderile radioactive cu exceptia unuia care a decedat dupa o sterilitate de doi ani ceilalti au avut copii normali (45 copii) la care nu au fost observate efecte genetice aparente la prima generatie

In modul de evaluare a efectelor genetice se intampla unele dificultati datorate urmatorilor factori caracterul particular al efectelor genetice necesitatea extrapolarii rezultatelor obtinute experimental pe animale la om si de asemenea extrapolarea rezultatelor obtinute experimental cu doze forte la doze slabe

Din investigarile pe animale s-a stabilit ca fercventa anomaliilor genetice se observa la doze gt1 Gy La om anomaliile (de ex structura cromozomilor) reprezinta un risc de 1-10 pe milion de nasteri vii pe centiGy iar mutatiile genetice apar la iradierea celor doi parinti cu o frecventa de 5-65 pe milion de nasteri vii pe centiGy Dupa prima generatie si la echilibru (dupa 5 generatii) frecventa lor este de 40-200 pe milion de nasteri vii pe centiGy pe generatie Mutatiile sunt legate de sexe in sensul ca ele se transmit prin femei In prima generatie numarul de afectiuni adaugat este lt13 pe milion de nasteri vii pe centiGy

Particularitatile mutatiilor genice In functie de sex riscul pentru femeie este mai putin important ca pentru barbat Dupa varsta la femei sunt doua perioade critice principala este perioada reproducerii de la pubertate la menopauza A doua este pana in luna a saptea a vietii fetale La barbat perioada periculoasa se afla intre 20 si 40 ani perioada in care se fac majoritatea fecundarilor

Ipoteza prejudiciului genetic dat de iradierile slabe In mod normal o populatie se afla in echilibru genetic Aparitia de noi mutanti este compensata de eliminarea mutantilor existenti prin decese precoce sau prin fecundari mai putine uneori chiar nule In cazul unor iradieri suplimentare acest echilibru se rupe iar fiecarei generatii i se vor adauga descendentilor mutatiile produse la toate generatiile anterioare (mutanti suplimentari) Ca urmare se vor produce o crestere a mutatiilor letale si a celor dominante precm si o acumulare a mutatiilor primite

344 Efecte biologice teratogene

Efectele teratogene sunt anomalii si malformatii provocate de actiunea unor agenti fizici chimici si infectiosi sau a radiatiilor ionizante asupra embrionului si fetusurilor pe timpul cresterii

Sensblitatea lor la radiatii variaza dupa stadiul dezvoltarii embrionului dar pragul de actiune este foarte net mai jos decat dupa nastere Efectele teratogene sunt ireversibile iar radiatiile ionizante produc aceleasi efecte ca si alti agenti teratogeni Sub actiunea radiatiilor ionizante in functie de stadiul de dezvoltare a embrionului si a fetusurilor se deosebesc urmatoarele

20

- In stadiul de preimplantare iradierea determina fie distrugerea oului fie moartea uneia sau a mai multor celule Aceasta perioada adesea trece neobservata de femeie Doza letala 50 este de 05-06 Gy

- In stadiul de organogeneza cand femeia are consecinte de intarziere si banuiala ca ar fi insarcinata o doza de 01 Gy poate antrena malformatii Aceasta este perioada critica deoarece radiosensibilitatea este maxima

- In stadiul fetal frecventa si gravitatea malformatiilor se diminuiaza In schimb iradierea poate avea o actiune cancerigena care se manifesta la copii tineri Dozele egale sau inferioare la 025 Gy sunt considerate ca fara efect

Cele mai importante consecinte legate de efectele teratogene sunt- malformatiile ca de exemplu cele microcefalice care pot fi insotite de

intarzierea mentala - intarzierea cresterii care are loc la doze puternice (gt1 Gy) printre care se

remarca deficitul ponderal scaderea taliei si a circumferintei capului si o intarziere a osificarii

- cancerul care apare la iradieri in uter cu doze de 002 Gy-mortalitatea intrauterina si neonatala creste In cazul supravietuitorilor de la

Hirosima si Nagasaki ea a fost cu 40 mai mare decat cea normala - efecte genetice nu s-au observat nici printre descendentii celor iradiati in uter cu

ocazia exploziilor nucleare de la Hirosima si NagasakiPe baza acestor observatii se impune luarea unor precautii in cazul femeilor

insarcinte care sunt expuse profesional la doze de radiatii ionizante si excluderea lor de la orice fel de examen radiologic

21

4 Efectele fizice ale radiatiilor ionizante la interactiunea cu substanta

La impactul cu substanta fasciculele de radiatii ionizante sufera procese de atenuare datorita devierii (imprastierii) acestora printr-un mecanism monoact sau prin absorbtie cand isi pierd complet energia pe baza unui mecanism continuu Cele mai importante efecte ale radiatiilor ionizante sunt excitarea si ionizarea care pot fi directe in cazul particulelor incarcate electric sau indirecte in cazul radiatiilor X γ si a neutronilor

41 Interactiunea particulelor grele incarcate cu substanta

Particulele grele incarcate cum sunt radiatiile α protonii deuteronii atomii multiplu ionizati si produsii de fisiune nucleara la impactul cu substanta se atenueaza cu parcurs pe baza unui mecanism de pierderi mici de energie intr-un numar foarte mare de procese de interactiune

Procesul predominant este cel de interactiune cu electronii atomilor si moleculelor probabilitatea de interactiune cu nucleele atomilor fiind foarte mica

Transferul liniar de energie (TLE) notat cu Q realizat prin ciocniri neelastice cu electronii atomilor si ai moleculelor intalnite este dat de relatia lui HA Bethe

[erg∙cm-1]

in care N este numarul de atomi dintr-un cm3 Z ndash sarcina particulei m0 ndash masa de repaus a electronului v ndash viteza e ndash sarcina electronului β = vc J ndash potentialul mediului de excitare al substantei iradiate

In figura 41 se prezinta modul de variatie al numarului particulelor α cu mediul Transferul Q depinde de viteza (v) si de sarcina (Z) a prticulelor grele incidente iar pe o distanta Δx particula pierde o energie ΔE care este data de suma transferurilor Q in cursul ciocnirilor ce au loc pe aceasta distanta ΔE=ΣQ

Fig 41 Variatia numarului particulelor α in unitatea de timp cu distanta parcursa intr-un mediu dat

Atunci cand o particula parcurge un mic segment Δx din traiectoria sa ea sufera numeroase ciocniri cu electronii care se gasesc in vecinatatea traiectoriei sale Raportul S=ΔEΔx se numeste putere de incetinire a particulelor in mediu si reprezinta pierderea specifica de energie fiind dependent de viteza (v) si sarcina (Z) a particulei incidente Distanta maxima pe care o strabate o particula de energie initiala E intr-un mediu dat se numeste parcurs (R) si se exprima in metri El se poate calcula cu ajutorul relatiei

[m]

22

Din cauza fluctuatiei accidentale de ciocniri individuale dintre particulele grele incarcate si atomii mediului parcursurile lor nu sunt riguros egale asa cum se poate observa cu ajutorul unei camere Wilson (fig 42)

Fig 42 Parcursurile particulei α in camera Wilson

La strabaterea mediilor gazoase parcursurile radiatiilor α ating centimetri ( tabelul 41) pe cand in medii lichide si solide descresc mult fiind de ordinul micrometrilor Asa se explica faptul ca o foaie de hartie este suficienta pentru a absorbi complet un fascicul de radiatii α de mare energie Parcursul radiatiilor α in aer se calcleaza cu ajutorul relatiei empirice a lui Bethe R=032 E32 In fig 43 este data dependenta dintre energie si parcursul radiatiilor α

Parcursurile radiatiilor α ale Po si RaC΄ in diferite mediiTabelul 41

Mediul strabatut Parcursul radiatiilor α ale210Po(530 Mev) 214RaC΄(76 MeV)

Aer 00387 m 00698 mHidrogen 01730 m 03250 m

Heliu 0215 m 0390 mArgon 00417 m 0073 m

Alcool etilic 371μm -Aur - 14 μm

Gelatina foto 23 μm 50 μm

Ciocnindu-se cu electronii mediului strabatut particulele α produc efecte dependente de energia Q transferata acestora

Fig 43 Dependenta dintre energie si parcursul particulelor α

a Daca energia transferata (Q) este superioara energiei de legatura a electronilor (asymp10eV) acestia sunt smulsi si azvarliti particulele incidente pastrandu-si directia practic neschimbata fapt pentru care parcursul lor in orice mediu este rectiliniu Atomul caruia i

23

s-a smuls un electon devine ion pozitiv si impreuna cu electronul detasat formeaza o pereche de ioni procesul in ansamblu numindu-se ionizare

Numarul de perechi de ioni creati pe unitatea de lungime se numeste ionizare specifica (j) si este data de raportul dintre patratul atomic Z al particulelor si patratul vitezei particulei (vp)

WL BRAGG studiind variatia numarului de ioni formati in functie de unitatea de lungime a constatat ca ionizarea maxima este atinsa la sfarsitul parcursului (Fig 44)

Fig 44 Curbele de tip Bragg ale Po si RaC΄

b In cazul in care energia tansferata (Q) este inferioara energiei de legatura a electronului acesta nu este detasat din structura atomica sau moleculara de care apartine si se produce excitarea atomului respectiv

Urmarind distributia energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale se obtine o curba de distributie care este reprezentata in fig 45

Fig 45 Curba de distriutie a energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale

Conform acestei curbe energia ε=ΔE pierduta de o particula parcurgand un mic segment Δx din traiectoria sa se repartizeaza astfel

- 30 din energie (100gtQgt10eV) se consuma in excitari - 30 din energie (Qlt10eV) se consuma pentru ionizari- 40 din energie (Qgt100eV) se consuma pentru producerea de electroni

secundari δAceasta repartitie ramane constanta de-a lungul traiectoriei particuleiAutoabsorbtia radiatiilor α Urmarind variatia curentului de ionizare (I) produs

de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva (Fig 46) se observa ca numai in cazul straturilor foarte subtiri se inregistreaza o crestere proportionala a curentului de ionizare cu grosimea stratului activ Pentru o anumita grosime a stratului de substanta ionizarea devine constanta deoarece particulele α emise

24

de straturile inferioare se absorb total in cele superioare Straturile ale caror grosime este egala sau mai mare decat pacursul se numesc straturi ldquogros infiniterdquo

Fig 46 Variatia curentului de ionizare produs de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta rdioactiva

Ecranarea particulelor grele incarcate Particulele grele incarcate in primul

rand radiatiile α au parcursuri foarte mici de ordinul micronilor in corpuri solide fapt pentru care nu ridica probleme speciale de ecranare fiind absorbite total si cu usurinta de toate substantele chiar si de o foaie de hartie De aceea simpla utilizare a manusilor de cauciuc ori a hartiei de filtru in lucrari de laborator cu astfel de substante radioactive sunt masuri suficiente care sa asigure o buna protectie impotriva iradierii externe

Reactiile nucleare ale prticulelor grele incarcate La interactiunea particulelor grele incarcate cu anumite nuclee tomice acestea pot sa sufere transmutatii artificiale In particular radiatiile α emise de unele surse radioactive naturale au importanta istorica deoarece stau la baza unor importante descoperiri cum sunt

- reactiile nucleare (α p) realizate pentru prima data de E RUTHERFORD in anul 1919 au condus la descoperirea primei transmutatii artificiale sinteza izotopului stabil 17O din 14N cu emisia unui proton

In prezent cu ajutorul particulelor α ndash accelerate se prepara numerosi radioizotopi pe baza ecuatiei generale

- reactiile nucleare (α n) au stat la baza descoperirii neutronului de catre CHADWICK in 1932 prin bombardarea beriliului cu radiatii α ale poloniului

Reactiile (α n) prezinta un interes deosebit si datorita faptului ca ele stau la baza surselor de neutroni de laborator Substantele α ndash active cele mai utilizate sunt210Po 226Ra si 239Pu

Sursele Ra ndash α ndash Be emit neutroni cu un spectru energetic continuu cu energii pana la 137 MeV si randament foarte mare la 1 mCi Ra corespund 13 104 ncm2 s fiind sursele cele mai constante din cauza timpului de injumatatire lung al radiului (1600 a)

Tot pe baza reactiei nucleare (α n) sotii JOLIOT-CURIE in anul 1934 iradiind o foita de aluminiu cu particule α au obtinut fosfor radioactiv descoperind radioactivitatea artificiala care a deschis perspective nebanuite fizicii si chimiei nucleare

In prezent sub actiunea particulelor α accelerate se produc numerosi radioizotopi

ai elementelor cu timpi de injumatatire mici pe baza reactiei generale

25

De asemenea sub actiunea particulelor α accelerate au fost sintetizate o parte din elementele transuraniene conform reactiilor

In mod asemanator pot provoca reactii nucleare si alte particule grele accelerate

(protoni deuteroni) Dintre acestea se remarca- reactiile nucleare (p γ) puternic exoenergice cu emisie de fotoni de mare

energie - reactiile nucleare (d n) care stau la baza producerii neutronilor de laborator cu

ajutorul generatoarelor de inalta tensiune Cu ajutorul deuteronilor de 5 MeV s-au sintetizat pentru prima data prin reactii nucleare (d n) tehnetiul si prometiul

- reactiile nucleare (d p) care se produc cu o probabilitate de 10 ori mai mare

decat cele (d n) prezinta interes deoarece conduc la formarea de izotopi ai tintei intocmai ca in cazul reactiilor (nγ) De exemplu 23Na(dp)24Na 31P(d p)32P

Particulele grele incarcate cu energii mai mari de 50 MeV genereaza o serie de reactii nucleare in cascada dezintegrarea cu expulzarea de nucleoni rapizi (p d T) fisiunea nucleara reactii secundare si emisia de nuclee usoare

42 Interactiunea electronilor cu substanta

Fasciculele de electroni emisi de radionuclizii β ndash activi (β- si β+) precum si cei proveniti din generatoare la interactiunea cu substanta se atenueaza pierzand energia de-a lungul parcursului

Datorita unor serii de procese de absorbtie prin ciocniri elastice si neelastice si uneori prin radiatie de franare efectele fizice produse de aceste procese constau din excitarea si ionizarea mediului strabatut iar contributia fiecarui proces in parte este determinata de energia electronilor incidenti precum si de natura materialului absorbant

Imprastierea neelastica electron-electron Dintre toate procesele de interactiune ale electronilor cu substanta predominant este cel de imprastiere la ciocnirea neelastica cu electronii orbitali ai atomilor din mediu deci procesele electron-electron Datorita acestui fapt electronii sufera imprastieri sub unghiuri diferite motiv pentru care drumul fasciculelor de electroni prin mediu nu este rectiliniu ci foarte sinuos (fig 47) De aceea intr-o substanta de o anumita grosime electroni de aceeasi energie parcurg drumuri complet diferite care intrec in lungime 15 ndash 4 ori grosimea stratului penetrat

Fig 47 Drumul sinuos al electronilor prin substanta

26

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

33 Fazele tipice ale evolutiei imbolnavirii in urma iradierii

In dinamica evolutiei reactiilor care au loc in urma iradierii se pot distinge trei perioade importante perioada primara perioada latenta si perioada secundara

Reactiile in perioada primara de actiune a radiatiilor ionizante se datoreaza a trei tipuri principale de mecanisme mecanismul actiunii directe indirecte si la distanta

Efectul biologic prin actiune directa consta in transmiterea directa a energiei particulelor incarcate sau a electronilor secundari catre atomii si moleculele substantelor celulare Produsul principal al acestei actiuni sunt ioni si atomi excitati de-a lungul parcursului particulei in celula Datorita ionizarii si excitarii substantelor prin mecanism primar se produc modificari chimice ale acestora (mecanismul actiunii indirecte) Deoarece organismele vii au in compozitia lor un mare procent de apa la om ajungand pana la 85 din greutatea corpului multa vreme s-a considerat ca actiunea nociva a radiatiilor ionizante este cauzata de produsele de descompunere a ei si in special de apa oxigenata care actioneaza ca agent oxidant (ipoteza actiunii prin apa oxigenata) O ipoteza mai verosimila considera ca rolul principal in actiunea biologica primara il au radicalii H OH si O2H care apar la radioliza apei (ipoteza actiunii prin radicali liberi) Conform acestei ipoteze radioliza apei constituie o sursa pentru actiunea indirecta a radiatiei deoarece radicalii liberi formati pot afecta atat cromozomii cat si proteinele citoplasmatice

Datorita interventiei sistemului nervos a glandelor endocrine si a transportului prin umori sau difuziune a unor substante rezultate in tesuturile iradiate efectele biologice se pot produce nu numai in organele iradiate ci si in cele neiradiate (mecanismul actiunii la distanta sau al actiunii secundare)

Perioada latenta care apare in organism dupa perioada primara se caracterizeaza prin faptul ca fenomenele sunt atat de neinsemnate incat nu pot fi descoperite neinregistrandu-se nici un fel de tulburari Perioada latenta variaza invers proportional cu doza de radiatii De aceea in cazul unor iradieri cu doze mortale perioada latenta dureaza de la cateva ore la 30-40 de zile iar in doze fractionate mici ea dureaza mai mult de un an

Perioada secundara este dominata de formarea in celule si tesuturi de substante toxice care conduc la intoxicarea organismului determinand o serie de efecte biologice importante (ipoteza formarii uor substante toxice) Reactiile din aceasta perioada sunt de natura necunoscuta si in decursul timpului ele au fost atribuite actiunii apei oxigenate peroxizilor organici si histaminei problema fiind insa in discutie Cert este faptul ca sub actiunea radiatiilor ionizante apar molecule active in primul rand in celulele din tesuturi si in paralel in sange si in limfa

34 Clasificarea efectelor biologice dupa natura lor

Cel mai fercvent efectele biologice se clasifica dupa natura lor in- efecte precoce care nu apar decat pentru doze ridicate- efecte somatice tarzii care se manifesta dupa mai multi ani chiar mai multi zeci

de ani- efecte genetice care privesc descendentii - efecte teratogene care se refera la afectarea embrionului si a fetusului

341 Efecte biologice precoce

16

Efectele biologice precoce survin la putin timp dupa iradiere uneori dupa cateva ore sau mai putin si sunt efecte cu prag fapt pentru care nu apar decat daca doza depaseste un anumit nivel Deasupra pragului ele cresc cu doza De aceea pentru a evita producerea lor s-au elaborat reglementari care impun limitarea sub nivelul de prag al dozelor ce le pot primi operatorii care lucreaza in medii de radiatii ionizante Cele mai fragile tesuturi care sufera efecte biologice cu prag sunt pielea celulele formate de sange maduva osoasa intestinul si organele sexuale sau gonade

Efectele biologice precoce in cazul iradierilor partiale Acestea se refera la piele maduva osoasa si organele genitale

Pielea Efectele radiobiologice ale pielii sunt foarte variabile si ele depind de doza de localizarea anatomica de varsta de pigmentatia tegumentului etc In general la doze mai mari de 10 Gy nu se observa nici o leziune grava dar la 25 din cazuri apare o senzatie de caldura La doze intre 10 si 20 Gy apar epidermite exudative urmate dupa un timp de o latenta de trei saptamani de eritema secundara apoi de epitelitaexudativa dupa 3-6 luni facandu-se restaurarea fara recurs In cazul unor iradieri foarte importante si profunde se altereaza vascularizatia si apare ulceratia care necesita un tratament chirurgical

Maduva osoasa organul cel mai sensibil la iradierea globala conduce limfopenia cu atat mai repede cu cat doza de radiatii este mai mare

Organele sexuale respectiv testiculele la barbati si ovarele la femei reactioneaza diferit la iradiere

Testiculele care se remarca printre cele doua functii de producatore de hormoni si spermatozoizi la iradiere le este afectata numai cea de-a doua functie (producatoare de spematozoizi) La doze relativ mici de 05 Gy se instaleaza o depresiune tranzitorie si spontan reversibila iar la doze de circa 2 Gy apare o azospermie si sterilitate temporara in jur de un an Experientele efectuate de americani pe detinuti voluntari au aratat ca in cazul iradierii testiculelor cu doze de 6 Gy sterilitatea este temporata la om De asemenea supravietuitorii dintre cei 23 pescari japonezi care au fost iradiati in urma exploziei experimentale a armei termonucleare de la Bikini in 1954 si care se estimeaza ca au primit doze de 3 - 66 Gy dupa o sterilitate de 2-3ani au avut copii normali (in total 45 copii)

- Ovarele comparativ cu testiculele au o sensibilitate mai mica fata de radiatiile ionizante aceasta fiind influentata si de varsta Astfel pe cand la o femeie tanara in jur de 25 de ani este necesara o doza de 12-15 Gy pentru a provoca o menopauza artificiala la o femeie de peste 40 de ani este suficienta o doza de numai 7 Gy Se mentioneaza ca la femei sterilitatea este insotita de oprirea functiei endocrine

Din cercetarile efectuate precum si din constatarile asupra descendentilor celor iradiati in urma exploziilor atomice de la Hirosima si Nagasaki a rezultat ca in urma unei iradieri puternice care a provocat sterilitatea temporara nu s-au produs urmari genetice prin afectarea celulelor sexuale

Iradierea organelor profunde La iradieri puternice mai ales in radioterapie sunt iradiate si organele profunde plamanii inima rinichii tubul digestiv ficatul sistemul nervos central si creierul Dintre acestea deosebit de sensibile sunt plamanii care dupa o doza de 25 Gy se imbolnavesc de fibron pulmonar iar dupa 6-12 luni urmeaza decesul

Rinicii si ficatul sunt afectati la doze peste 30 Gy In cazul rinichilor functionarea lor este afectata dupa cateva saptamani de la iradiere pe cand vezica poate suporta doze mult mai mari Diversele organe ale aparatului digestiv au radiosensibilitati diferite Cel mai radiosensibil este intestinul subtire la care apar leziuni in urma absorbtiei unor doze

17

sub 30 Gy Urmeaza stomacul care este afectat de doze in jur de 40 Gy cel mai rezistent fiind colonul care reactioneaza numai la doze cuprinse intre 50 si 56 Gy

Destul de radiosensibil este si sistemul nervos care manifesta o fragilitate a celulelor nervoase a vaselor sangvine si o capacitate limitata de regenerare a tesuturilor nervoase La doze peste 40 Gy administrate in patru saptamani apare o paraplegie care dupa doi ani se extinde In ceea ce priveste creierul desi modificari morfologice apar deja de la doze de 10 Gy el poate suporta doze de circa 50 Gy timp de 5-6 saptamani

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor globale In urma unor iradieri globale cu doze in jur de 1 Gy care sunt fara gravitate imediata nu se observa decat foarte discrete modificari hematologice in ceea ce priveste globulele albe dar ele se regenereaza rapid In astfel de cazuri se aplica un tratament modest fara a fi necesara spitalizarea

La doze cuprinse intre 1 si 2 Gy desi semnele fizice inca lipsesc se observa o scadere a globulelor albe si a plachetelor iar numarul globulelor rosii este modest In acest caz sunt necesare transfuzii si tratament antibiotic Din contra la doze de peste 2Gy se observa o evolutie stereotipa a bolii cu afectarea celulelor formatoare de sange si scaderea corespunzatoare a numarului maxim de elemente reprezentative din sange Evolutia imbolnavirii se face urmand cele patru faze tipice Dupa o perioada de debut care dureaza trei zile insotita de simptome discrete urmeaza de perioada latenta practic silentioasa care dureaza peste trei saptamani In continuare se instaleaza perioada de stare (perioada critica) careia i se asociaza semne generale cum sunt oboseala intensa tulburari digestive hemoragii si infectii formula sangvina fiind foarte modificata In acest moment viata bolnavului este in pericol Abia dupa circa trei luni el intra in covalescenta In acest caz spitalizarea este indispensabila intr-un centru specializat cu locuri sterilizate repaus absolut si eliminarea posibilitatilor de infectare In cadrul tratamentului se recomanda grefe de maduva osoasa La doze mai mari grefa cu maduva osoasa poate fi singura sansa iar la doza peste 12 Gy de iradiere instantanee orice tratament terapeutic nu este eficace

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor accidentale In ultimele decenii s-au inmultit numarul iradierilor accidentale Principal ele pot fi clasificate in iradieri implicand una sau mai multe persoane ori a unor grupuri mari de persoane

Iadieri accidentale implicand una sau mai multe persoane Pana in anul 1965 au fost inregistrate 12 astfel de accidente critice in lume in care persoane au fost expuse global in cursul unor cercetari sau operatii chimice dintre care au rezultat 9 decese

De asemenea se cunosc 24 accidente cu surse gamagrafice dintre care 15 accidente cu 192Ir si 9 accidente cu 60Co din care au rezultat 17 morti si 38 grav iradiati In ultimii 40 de ani au avut loc 115 cazuri de iradieri locale care au facut 156 victime Principalele cauze se datoresc instalatiilor de radiatii X pentru analiza cristalografica (69) surselor de gamagrafice cu 192Ir (34) 60Co (25) emitatori β-activi (11) acceleratori de particule (8) si diverse surse (8) Iradierile interne sunt mai rare si mai greu de cunoscut In Franta sunt cunoscute numai o zecime din decese 7 sunt imputabile activitatii medicale

Iradieri accidentale a unor grupuri mari de persoane Iradierile simultane asupra unui numar ridicat de persoane au fost inregistrate in urma unor experiente cu arme termonucleare sau a unor defectiuni survenite in functionarea unor centrale atomoelectrice

Explozia experimentala a armei termonucleare de la Bikini de la 1 martie 1954 a provocat printre altele si iradierea puternica prin caderi de pulberi radioactive a locuitorilor de pe Insula Marschall precum si a 23 de pescari marinari de pe vasul japonez ldquoFukuriu Marurdquo

18

Recent prin defectarea centralei atomoelectrice de la Cernobal (Ucraina) din aprile 1986 au fost iradiate 22 persoane cu doze peste 8 Gy 22 persoane cu doze intre 4 si 8 Gy 53 persoane cu doze intre 2 si 4 Gy si 203 persoane cu doze peste 1 Gy fiind inregistrate 31 decese

342 Efecte somatice tarzii

Efectele somatice tarzii in general sunt fara prag Ele pot fi necancerigene (cataracte tulburari ale cresterii scaderea longevitatii si a unor reactii imunologice) insa principalul efect intarziat este cancerul care apare dupa cativa ani sau zeci de ani de la iradiere Principalele efecte somatice tarzii necancerigene se caracterizeaza prin urmatoarele

Cataractele sunt boli care provoaca opacifierea cristalinului Radiatiile ionizante genereaza cataracte la doze superioare la 10 Gy de radiatii X Ele sunt efecte cu prag care la barbati este foarte ridicat si apare intre 1 si 10 ani de la iradiere In cazul neutronilor rapizi pragul este mult mai jos asymp08 Gy respectiv asymp8 Sv

Tulburari de crestere Constatarile efectuate pe supravietuitorii de la Hirosima si Nagasaki au evidentiat ca prin expunere la doze de 1 Gy au loc tulburari de crestere si anume un deficit in greutate o scadere a taliei si a circumferintei capului

Longevitatea De asemenea studiile de supravietuitori de la Hirosima sI Nagasaki precum si pe animale in laborator au aratat ca la doze ridicate (asymp4 Gy) de radiatii se scurteaza durata medie de viata indiferent daca iradierea a produs leucemie sau cancer

Reactiile imunologice La iradierea cu doze de 1 Gy scad reactiile imunologice si organismele devin vulnerabile la infectii

Pielea desi nu este radiosensibila se mnifesta ca un organ critic avand un prag de toleranta de asymp2mGyzi Prin iradierea mainilor cu doze superioare (5 mGyzi) apar leziuni cutanate cronice sau uscate si atrofice care fisureaza dand ulceratii grave

Cancerele principalele efecte intarziate se caracterizeaza prin faptul ca nu au prag si se produc mai ales cu doze slabe de radiatii Frecventa lor este influentata de o serie de factori printre care se numara doza de radiatie natura radiatiilor sexul varsta si natura tesuturilor iradiate

Dintre toti factorii doza de radiatii este cel mai important iar dintre radiatii particulele α si neutronii sunt cele mai periculoase Radiosensibilitatea organismelor este diferita in functie de sex ea este mai importanta la femei decat la barbati in special pentru sani si tiroida si are un efect invers pentru maduva osoasa si pulmon Totodata efectele difera cu varsta copiii tineri adolescentii si persoanele in varsta fiind mai radiosensibile decat adultii Timpii de latenta sunt foarte variabili si depind in mod esential de natura tesutului iradiat Ei sunt cuprinsi intre 4 si 20 de ani de la iradiere pentru leucemie de 10 ani pentru tumori 22-25 de ani pentru sani etc Cancerul cutanat apare la doze de circa 15 Gy radiatii electromagnetice intre 25 si 40 de ani Cancerul osos apare la doze gt8Gy iar leucemia la doze gt1 Sv Cancerul sanului apare la doze de 020 Gy (la iradieri radiologice) iar cancerul tiroidei la 01 Gy la copii intre 13 si 14 ani

343 Efecte geneticeAlaturi de alti agenti fizico-chimici (substante chimice radiatiile

electromagnetice caldura etc) care pot provoca efecte mutagene se afla si radiatiile ionizante

19

Daca la doze slabe nu s-au inregistrat astfel de efecte la om in schimb printre copiii supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki iradiati cu doze puternice s-au inregistrat cazuri de anomalii genetice semnificative

Pe plan uman singurele informatii de care dispunem sunt descendentii iradiatilor de la Hirosima si Nagasaki si ai pescarilor de la Bikini dar in ambele cazuri dozele nu sunt cunoscute cu precizie In cazul supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki desi au prezentat forme cancerigene pentru doze ridicate (gt1 Gy) nu s-au inregistrat efecte genetice De asemenea in cazul celor 23 marinari pescari de la Bikini iradiati de caderile radioactive cu exceptia unuia care a decedat dupa o sterilitate de doi ani ceilalti au avut copii normali (45 copii) la care nu au fost observate efecte genetice aparente la prima generatie

In modul de evaluare a efectelor genetice se intampla unele dificultati datorate urmatorilor factori caracterul particular al efectelor genetice necesitatea extrapolarii rezultatelor obtinute experimental pe animale la om si de asemenea extrapolarea rezultatelor obtinute experimental cu doze forte la doze slabe

Din investigarile pe animale s-a stabilit ca fercventa anomaliilor genetice se observa la doze gt1 Gy La om anomaliile (de ex structura cromozomilor) reprezinta un risc de 1-10 pe milion de nasteri vii pe centiGy iar mutatiile genetice apar la iradierea celor doi parinti cu o frecventa de 5-65 pe milion de nasteri vii pe centiGy Dupa prima generatie si la echilibru (dupa 5 generatii) frecventa lor este de 40-200 pe milion de nasteri vii pe centiGy pe generatie Mutatiile sunt legate de sexe in sensul ca ele se transmit prin femei In prima generatie numarul de afectiuni adaugat este lt13 pe milion de nasteri vii pe centiGy

Particularitatile mutatiilor genice In functie de sex riscul pentru femeie este mai putin important ca pentru barbat Dupa varsta la femei sunt doua perioade critice principala este perioada reproducerii de la pubertate la menopauza A doua este pana in luna a saptea a vietii fetale La barbat perioada periculoasa se afla intre 20 si 40 ani perioada in care se fac majoritatea fecundarilor

Ipoteza prejudiciului genetic dat de iradierile slabe In mod normal o populatie se afla in echilibru genetic Aparitia de noi mutanti este compensata de eliminarea mutantilor existenti prin decese precoce sau prin fecundari mai putine uneori chiar nule In cazul unor iradieri suplimentare acest echilibru se rupe iar fiecarei generatii i se vor adauga descendentilor mutatiile produse la toate generatiile anterioare (mutanti suplimentari) Ca urmare se vor produce o crestere a mutatiilor letale si a celor dominante precm si o acumulare a mutatiilor primite

344 Efecte biologice teratogene

Efectele teratogene sunt anomalii si malformatii provocate de actiunea unor agenti fizici chimici si infectiosi sau a radiatiilor ionizante asupra embrionului si fetusurilor pe timpul cresterii

Sensblitatea lor la radiatii variaza dupa stadiul dezvoltarii embrionului dar pragul de actiune este foarte net mai jos decat dupa nastere Efectele teratogene sunt ireversibile iar radiatiile ionizante produc aceleasi efecte ca si alti agenti teratogeni Sub actiunea radiatiilor ionizante in functie de stadiul de dezvoltare a embrionului si a fetusurilor se deosebesc urmatoarele

20

- In stadiul de preimplantare iradierea determina fie distrugerea oului fie moartea uneia sau a mai multor celule Aceasta perioada adesea trece neobservata de femeie Doza letala 50 este de 05-06 Gy

- In stadiul de organogeneza cand femeia are consecinte de intarziere si banuiala ca ar fi insarcinata o doza de 01 Gy poate antrena malformatii Aceasta este perioada critica deoarece radiosensibilitatea este maxima

- In stadiul fetal frecventa si gravitatea malformatiilor se diminuiaza In schimb iradierea poate avea o actiune cancerigena care se manifesta la copii tineri Dozele egale sau inferioare la 025 Gy sunt considerate ca fara efect

Cele mai importante consecinte legate de efectele teratogene sunt- malformatiile ca de exemplu cele microcefalice care pot fi insotite de

intarzierea mentala - intarzierea cresterii care are loc la doze puternice (gt1 Gy) printre care se

remarca deficitul ponderal scaderea taliei si a circumferintei capului si o intarziere a osificarii

- cancerul care apare la iradieri in uter cu doze de 002 Gy-mortalitatea intrauterina si neonatala creste In cazul supravietuitorilor de la

Hirosima si Nagasaki ea a fost cu 40 mai mare decat cea normala - efecte genetice nu s-au observat nici printre descendentii celor iradiati in uter cu

ocazia exploziilor nucleare de la Hirosima si NagasakiPe baza acestor observatii se impune luarea unor precautii in cazul femeilor

insarcinte care sunt expuse profesional la doze de radiatii ionizante si excluderea lor de la orice fel de examen radiologic

21

4 Efectele fizice ale radiatiilor ionizante la interactiunea cu substanta

La impactul cu substanta fasciculele de radiatii ionizante sufera procese de atenuare datorita devierii (imprastierii) acestora printr-un mecanism monoact sau prin absorbtie cand isi pierd complet energia pe baza unui mecanism continuu Cele mai importante efecte ale radiatiilor ionizante sunt excitarea si ionizarea care pot fi directe in cazul particulelor incarcate electric sau indirecte in cazul radiatiilor X γ si a neutronilor

41 Interactiunea particulelor grele incarcate cu substanta

Particulele grele incarcate cum sunt radiatiile α protonii deuteronii atomii multiplu ionizati si produsii de fisiune nucleara la impactul cu substanta se atenueaza cu parcurs pe baza unui mecanism de pierderi mici de energie intr-un numar foarte mare de procese de interactiune

Procesul predominant este cel de interactiune cu electronii atomilor si moleculelor probabilitatea de interactiune cu nucleele atomilor fiind foarte mica

Transferul liniar de energie (TLE) notat cu Q realizat prin ciocniri neelastice cu electronii atomilor si ai moleculelor intalnite este dat de relatia lui HA Bethe

[erg∙cm-1]

in care N este numarul de atomi dintr-un cm3 Z ndash sarcina particulei m0 ndash masa de repaus a electronului v ndash viteza e ndash sarcina electronului β = vc J ndash potentialul mediului de excitare al substantei iradiate

In figura 41 se prezinta modul de variatie al numarului particulelor α cu mediul Transferul Q depinde de viteza (v) si de sarcina (Z) a prticulelor grele incidente iar pe o distanta Δx particula pierde o energie ΔE care este data de suma transferurilor Q in cursul ciocnirilor ce au loc pe aceasta distanta ΔE=ΣQ

Fig 41 Variatia numarului particulelor α in unitatea de timp cu distanta parcursa intr-un mediu dat

Atunci cand o particula parcurge un mic segment Δx din traiectoria sa ea sufera numeroase ciocniri cu electronii care se gasesc in vecinatatea traiectoriei sale Raportul S=ΔEΔx se numeste putere de incetinire a particulelor in mediu si reprezinta pierderea specifica de energie fiind dependent de viteza (v) si sarcina (Z) a particulei incidente Distanta maxima pe care o strabate o particula de energie initiala E intr-un mediu dat se numeste parcurs (R) si se exprima in metri El se poate calcula cu ajutorul relatiei

[m]

22

Din cauza fluctuatiei accidentale de ciocniri individuale dintre particulele grele incarcate si atomii mediului parcursurile lor nu sunt riguros egale asa cum se poate observa cu ajutorul unei camere Wilson (fig 42)

Fig 42 Parcursurile particulei α in camera Wilson

La strabaterea mediilor gazoase parcursurile radiatiilor α ating centimetri ( tabelul 41) pe cand in medii lichide si solide descresc mult fiind de ordinul micrometrilor Asa se explica faptul ca o foaie de hartie este suficienta pentru a absorbi complet un fascicul de radiatii α de mare energie Parcursul radiatiilor α in aer se calcleaza cu ajutorul relatiei empirice a lui Bethe R=032 E32 In fig 43 este data dependenta dintre energie si parcursul radiatiilor α

Parcursurile radiatiilor α ale Po si RaC΄ in diferite mediiTabelul 41

Mediul strabatut Parcursul radiatiilor α ale210Po(530 Mev) 214RaC΄(76 MeV)

Aer 00387 m 00698 mHidrogen 01730 m 03250 m

Heliu 0215 m 0390 mArgon 00417 m 0073 m

Alcool etilic 371μm -Aur - 14 μm

Gelatina foto 23 μm 50 μm

Ciocnindu-se cu electronii mediului strabatut particulele α produc efecte dependente de energia Q transferata acestora

Fig 43 Dependenta dintre energie si parcursul particulelor α

a Daca energia transferata (Q) este superioara energiei de legatura a electronilor (asymp10eV) acestia sunt smulsi si azvarliti particulele incidente pastrandu-si directia practic neschimbata fapt pentru care parcursul lor in orice mediu este rectiliniu Atomul caruia i

23

s-a smuls un electon devine ion pozitiv si impreuna cu electronul detasat formeaza o pereche de ioni procesul in ansamblu numindu-se ionizare

Numarul de perechi de ioni creati pe unitatea de lungime se numeste ionizare specifica (j) si este data de raportul dintre patratul atomic Z al particulelor si patratul vitezei particulei (vp)

WL BRAGG studiind variatia numarului de ioni formati in functie de unitatea de lungime a constatat ca ionizarea maxima este atinsa la sfarsitul parcursului (Fig 44)

Fig 44 Curbele de tip Bragg ale Po si RaC΄

b In cazul in care energia tansferata (Q) este inferioara energiei de legatura a electronului acesta nu este detasat din structura atomica sau moleculara de care apartine si se produce excitarea atomului respectiv

Urmarind distributia energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale se obtine o curba de distributie care este reprezentata in fig 45

Fig 45 Curba de distriutie a energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale

Conform acestei curbe energia ε=ΔE pierduta de o particula parcurgand un mic segment Δx din traiectoria sa se repartizeaza astfel

- 30 din energie (100gtQgt10eV) se consuma in excitari - 30 din energie (Qlt10eV) se consuma pentru ionizari- 40 din energie (Qgt100eV) se consuma pentru producerea de electroni

secundari δAceasta repartitie ramane constanta de-a lungul traiectoriei particuleiAutoabsorbtia radiatiilor α Urmarind variatia curentului de ionizare (I) produs

de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva (Fig 46) se observa ca numai in cazul straturilor foarte subtiri se inregistreaza o crestere proportionala a curentului de ionizare cu grosimea stratului activ Pentru o anumita grosime a stratului de substanta ionizarea devine constanta deoarece particulele α emise

24

de straturile inferioare se absorb total in cele superioare Straturile ale caror grosime este egala sau mai mare decat pacursul se numesc straturi ldquogros infiniterdquo

Fig 46 Variatia curentului de ionizare produs de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta rdioactiva

Ecranarea particulelor grele incarcate Particulele grele incarcate in primul

rand radiatiile α au parcursuri foarte mici de ordinul micronilor in corpuri solide fapt pentru care nu ridica probleme speciale de ecranare fiind absorbite total si cu usurinta de toate substantele chiar si de o foaie de hartie De aceea simpla utilizare a manusilor de cauciuc ori a hartiei de filtru in lucrari de laborator cu astfel de substante radioactive sunt masuri suficiente care sa asigure o buna protectie impotriva iradierii externe

Reactiile nucleare ale prticulelor grele incarcate La interactiunea particulelor grele incarcate cu anumite nuclee tomice acestea pot sa sufere transmutatii artificiale In particular radiatiile α emise de unele surse radioactive naturale au importanta istorica deoarece stau la baza unor importante descoperiri cum sunt

- reactiile nucleare (α p) realizate pentru prima data de E RUTHERFORD in anul 1919 au condus la descoperirea primei transmutatii artificiale sinteza izotopului stabil 17O din 14N cu emisia unui proton

In prezent cu ajutorul particulelor α ndash accelerate se prepara numerosi radioizotopi pe baza ecuatiei generale

- reactiile nucleare (α n) au stat la baza descoperirii neutronului de catre CHADWICK in 1932 prin bombardarea beriliului cu radiatii α ale poloniului

Reactiile (α n) prezinta un interes deosebit si datorita faptului ca ele stau la baza surselor de neutroni de laborator Substantele α ndash active cele mai utilizate sunt210Po 226Ra si 239Pu

Sursele Ra ndash α ndash Be emit neutroni cu un spectru energetic continuu cu energii pana la 137 MeV si randament foarte mare la 1 mCi Ra corespund 13 104 ncm2 s fiind sursele cele mai constante din cauza timpului de injumatatire lung al radiului (1600 a)

Tot pe baza reactiei nucleare (α n) sotii JOLIOT-CURIE in anul 1934 iradiind o foita de aluminiu cu particule α au obtinut fosfor radioactiv descoperind radioactivitatea artificiala care a deschis perspective nebanuite fizicii si chimiei nucleare

In prezent sub actiunea particulelor α accelerate se produc numerosi radioizotopi

ai elementelor cu timpi de injumatatire mici pe baza reactiei generale

25

De asemenea sub actiunea particulelor α accelerate au fost sintetizate o parte din elementele transuraniene conform reactiilor

In mod asemanator pot provoca reactii nucleare si alte particule grele accelerate

(protoni deuteroni) Dintre acestea se remarca- reactiile nucleare (p γ) puternic exoenergice cu emisie de fotoni de mare

energie - reactiile nucleare (d n) care stau la baza producerii neutronilor de laborator cu

ajutorul generatoarelor de inalta tensiune Cu ajutorul deuteronilor de 5 MeV s-au sintetizat pentru prima data prin reactii nucleare (d n) tehnetiul si prometiul

- reactiile nucleare (d p) care se produc cu o probabilitate de 10 ori mai mare

decat cele (d n) prezinta interes deoarece conduc la formarea de izotopi ai tintei intocmai ca in cazul reactiilor (nγ) De exemplu 23Na(dp)24Na 31P(d p)32P

Particulele grele incarcate cu energii mai mari de 50 MeV genereaza o serie de reactii nucleare in cascada dezintegrarea cu expulzarea de nucleoni rapizi (p d T) fisiunea nucleara reactii secundare si emisia de nuclee usoare

42 Interactiunea electronilor cu substanta

Fasciculele de electroni emisi de radionuclizii β ndash activi (β- si β+) precum si cei proveniti din generatoare la interactiunea cu substanta se atenueaza pierzand energia de-a lungul parcursului

Datorita unor serii de procese de absorbtie prin ciocniri elastice si neelastice si uneori prin radiatie de franare efectele fizice produse de aceste procese constau din excitarea si ionizarea mediului strabatut iar contributia fiecarui proces in parte este determinata de energia electronilor incidenti precum si de natura materialului absorbant

Imprastierea neelastica electron-electron Dintre toate procesele de interactiune ale electronilor cu substanta predominant este cel de imprastiere la ciocnirea neelastica cu electronii orbitali ai atomilor din mediu deci procesele electron-electron Datorita acestui fapt electronii sufera imprastieri sub unghiuri diferite motiv pentru care drumul fasciculelor de electroni prin mediu nu este rectiliniu ci foarte sinuos (fig 47) De aceea intr-o substanta de o anumita grosime electroni de aceeasi energie parcurg drumuri complet diferite care intrec in lungime 15 ndash 4 ori grosimea stratului penetrat

Fig 47 Drumul sinuos al electronilor prin substanta

26

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

Efectele biologice precoce survin la putin timp dupa iradiere uneori dupa cateva ore sau mai putin si sunt efecte cu prag fapt pentru care nu apar decat daca doza depaseste un anumit nivel Deasupra pragului ele cresc cu doza De aceea pentru a evita producerea lor s-au elaborat reglementari care impun limitarea sub nivelul de prag al dozelor ce le pot primi operatorii care lucreaza in medii de radiatii ionizante Cele mai fragile tesuturi care sufera efecte biologice cu prag sunt pielea celulele formate de sange maduva osoasa intestinul si organele sexuale sau gonade

Efectele biologice precoce in cazul iradierilor partiale Acestea se refera la piele maduva osoasa si organele genitale

Pielea Efectele radiobiologice ale pielii sunt foarte variabile si ele depind de doza de localizarea anatomica de varsta de pigmentatia tegumentului etc In general la doze mai mari de 10 Gy nu se observa nici o leziune grava dar la 25 din cazuri apare o senzatie de caldura La doze intre 10 si 20 Gy apar epidermite exudative urmate dupa un timp de o latenta de trei saptamani de eritema secundara apoi de epitelitaexudativa dupa 3-6 luni facandu-se restaurarea fara recurs In cazul unor iradieri foarte importante si profunde se altereaza vascularizatia si apare ulceratia care necesita un tratament chirurgical

Maduva osoasa organul cel mai sensibil la iradierea globala conduce limfopenia cu atat mai repede cu cat doza de radiatii este mai mare

Organele sexuale respectiv testiculele la barbati si ovarele la femei reactioneaza diferit la iradiere

Testiculele care se remarca printre cele doua functii de producatore de hormoni si spermatozoizi la iradiere le este afectata numai cea de-a doua functie (producatoare de spematozoizi) La doze relativ mici de 05 Gy se instaleaza o depresiune tranzitorie si spontan reversibila iar la doze de circa 2 Gy apare o azospermie si sterilitate temporara in jur de un an Experientele efectuate de americani pe detinuti voluntari au aratat ca in cazul iradierii testiculelor cu doze de 6 Gy sterilitatea este temporata la om De asemenea supravietuitorii dintre cei 23 pescari japonezi care au fost iradiati in urma exploziei experimentale a armei termonucleare de la Bikini in 1954 si care se estimeaza ca au primit doze de 3 - 66 Gy dupa o sterilitate de 2-3ani au avut copii normali (in total 45 copii)

- Ovarele comparativ cu testiculele au o sensibilitate mai mica fata de radiatiile ionizante aceasta fiind influentata si de varsta Astfel pe cand la o femeie tanara in jur de 25 de ani este necesara o doza de 12-15 Gy pentru a provoca o menopauza artificiala la o femeie de peste 40 de ani este suficienta o doza de numai 7 Gy Se mentioneaza ca la femei sterilitatea este insotita de oprirea functiei endocrine

Din cercetarile efectuate precum si din constatarile asupra descendentilor celor iradiati in urma exploziilor atomice de la Hirosima si Nagasaki a rezultat ca in urma unei iradieri puternice care a provocat sterilitatea temporara nu s-au produs urmari genetice prin afectarea celulelor sexuale

Iradierea organelor profunde La iradieri puternice mai ales in radioterapie sunt iradiate si organele profunde plamanii inima rinichii tubul digestiv ficatul sistemul nervos central si creierul Dintre acestea deosebit de sensibile sunt plamanii care dupa o doza de 25 Gy se imbolnavesc de fibron pulmonar iar dupa 6-12 luni urmeaza decesul

Rinicii si ficatul sunt afectati la doze peste 30 Gy In cazul rinichilor functionarea lor este afectata dupa cateva saptamani de la iradiere pe cand vezica poate suporta doze mult mai mari Diversele organe ale aparatului digestiv au radiosensibilitati diferite Cel mai radiosensibil este intestinul subtire la care apar leziuni in urma absorbtiei unor doze

17

sub 30 Gy Urmeaza stomacul care este afectat de doze in jur de 40 Gy cel mai rezistent fiind colonul care reactioneaza numai la doze cuprinse intre 50 si 56 Gy

Destul de radiosensibil este si sistemul nervos care manifesta o fragilitate a celulelor nervoase a vaselor sangvine si o capacitate limitata de regenerare a tesuturilor nervoase La doze peste 40 Gy administrate in patru saptamani apare o paraplegie care dupa doi ani se extinde In ceea ce priveste creierul desi modificari morfologice apar deja de la doze de 10 Gy el poate suporta doze de circa 50 Gy timp de 5-6 saptamani

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor globale In urma unor iradieri globale cu doze in jur de 1 Gy care sunt fara gravitate imediata nu se observa decat foarte discrete modificari hematologice in ceea ce priveste globulele albe dar ele se regenereaza rapid In astfel de cazuri se aplica un tratament modest fara a fi necesara spitalizarea

La doze cuprinse intre 1 si 2 Gy desi semnele fizice inca lipsesc se observa o scadere a globulelor albe si a plachetelor iar numarul globulelor rosii este modest In acest caz sunt necesare transfuzii si tratament antibiotic Din contra la doze de peste 2Gy se observa o evolutie stereotipa a bolii cu afectarea celulelor formatoare de sange si scaderea corespunzatoare a numarului maxim de elemente reprezentative din sange Evolutia imbolnavirii se face urmand cele patru faze tipice Dupa o perioada de debut care dureaza trei zile insotita de simptome discrete urmeaza de perioada latenta practic silentioasa care dureaza peste trei saptamani In continuare se instaleaza perioada de stare (perioada critica) careia i se asociaza semne generale cum sunt oboseala intensa tulburari digestive hemoragii si infectii formula sangvina fiind foarte modificata In acest moment viata bolnavului este in pericol Abia dupa circa trei luni el intra in covalescenta In acest caz spitalizarea este indispensabila intr-un centru specializat cu locuri sterilizate repaus absolut si eliminarea posibilitatilor de infectare In cadrul tratamentului se recomanda grefe de maduva osoasa La doze mai mari grefa cu maduva osoasa poate fi singura sansa iar la doza peste 12 Gy de iradiere instantanee orice tratament terapeutic nu este eficace

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor accidentale In ultimele decenii s-au inmultit numarul iradierilor accidentale Principal ele pot fi clasificate in iradieri implicand una sau mai multe persoane ori a unor grupuri mari de persoane

Iadieri accidentale implicand una sau mai multe persoane Pana in anul 1965 au fost inregistrate 12 astfel de accidente critice in lume in care persoane au fost expuse global in cursul unor cercetari sau operatii chimice dintre care au rezultat 9 decese

De asemenea se cunosc 24 accidente cu surse gamagrafice dintre care 15 accidente cu 192Ir si 9 accidente cu 60Co din care au rezultat 17 morti si 38 grav iradiati In ultimii 40 de ani au avut loc 115 cazuri de iradieri locale care au facut 156 victime Principalele cauze se datoresc instalatiilor de radiatii X pentru analiza cristalografica (69) surselor de gamagrafice cu 192Ir (34) 60Co (25) emitatori β-activi (11) acceleratori de particule (8) si diverse surse (8) Iradierile interne sunt mai rare si mai greu de cunoscut In Franta sunt cunoscute numai o zecime din decese 7 sunt imputabile activitatii medicale

Iradieri accidentale a unor grupuri mari de persoane Iradierile simultane asupra unui numar ridicat de persoane au fost inregistrate in urma unor experiente cu arme termonucleare sau a unor defectiuni survenite in functionarea unor centrale atomoelectrice

Explozia experimentala a armei termonucleare de la Bikini de la 1 martie 1954 a provocat printre altele si iradierea puternica prin caderi de pulberi radioactive a locuitorilor de pe Insula Marschall precum si a 23 de pescari marinari de pe vasul japonez ldquoFukuriu Marurdquo

18

Recent prin defectarea centralei atomoelectrice de la Cernobal (Ucraina) din aprile 1986 au fost iradiate 22 persoane cu doze peste 8 Gy 22 persoane cu doze intre 4 si 8 Gy 53 persoane cu doze intre 2 si 4 Gy si 203 persoane cu doze peste 1 Gy fiind inregistrate 31 decese

342 Efecte somatice tarzii

Efectele somatice tarzii in general sunt fara prag Ele pot fi necancerigene (cataracte tulburari ale cresterii scaderea longevitatii si a unor reactii imunologice) insa principalul efect intarziat este cancerul care apare dupa cativa ani sau zeci de ani de la iradiere Principalele efecte somatice tarzii necancerigene se caracterizeaza prin urmatoarele

Cataractele sunt boli care provoaca opacifierea cristalinului Radiatiile ionizante genereaza cataracte la doze superioare la 10 Gy de radiatii X Ele sunt efecte cu prag care la barbati este foarte ridicat si apare intre 1 si 10 ani de la iradiere In cazul neutronilor rapizi pragul este mult mai jos asymp08 Gy respectiv asymp8 Sv

Tulburari de crestere Constatarile efectuate pe supravietuitorii de la Hirosima si Nagasaki au evidentiat ca prin expunere la doze de 1 Gy au loc tulburari de crestere si anume un deficit in greutate o scadere a taliei si a circumferintei capului

Longevitatea De asemenea studiile de supravietuitori de la Hirosima sI Nagasaki precum si pe animale in laborator au aratat ca la doze ridicate (asymp4 Gy) de radiatii se scurteaza durata medie de viata indiferent daca iradierea a produs leucemie sau cancer

Reactiile imunologice La iradierea cu doze de 1 Gy scad reactiile imunologice si organismele devin vulnerabile la infectii

Pielea desi nu este radiosensibila se mnifesta ca un organ critic avand un prag de toleranta de asymp2mGyzi Prin iradierea mainilor cu doze superioare (5 mGyzi) apar leziuni cutanate cronice sau uscate si atrofice care fisureaza dand ulceratii grave

Cancerele principalele efecte intarziate se caracterizeaza prin faptul ca nu au prag si se produc mai ales cu doze slabe de radiatii Frecventa lor este influentata de o serie de factori printre care se numara doza de radiatie natura radiatiilor sexul varsta si natura tesuturilor iradiate

Dintre toti factorii doza de radiatii este cel mai important iar dintre radiatii particulele α si neutronii sunt cele mai periculoase Radiosensibilitatea organismelor este diferita in functie de sex ea este mai importanta la femei decat la barbati in special pentru sani si tiroida si are un efect invers pentru maduva osoasa si pulmon Totodata efectele difera cu varsta copiii tineri adolescentii si persoanele in varsta fiind mai radiosensibile decat adultii Timpii de latenta sunt foarte variabili si depind in mod esential de natura tesutului iradiat Ei sunt cuprinsi intre 4 si 20 de ani de la iradiere pentru leucemie de 10 ani pentru tumori 22-25 de ani pentru sani etc Cancerul cutanat apare la doze de circa 15 Gy radiatii electromagnetice intre 25 si 40 de ani Cancerul osos apare la doze gt8Gy iar leucemia la doze gt1 Sv Cancerul sanului apare la doze de 020 Gy (la iradieri radiologice) iar cancerul tiroidei la 01 Gy la copii intre 13 si 14 ani

343 Efecte geneticeAlaturi de alti agenti fizico-chimici (substante chimice radiatiile

electromagnetice caldura etc) care pot provoca efecte mutagene se afla si radiatiile ionizante

19

Daca la doze slabe nu s-au inregistrat astfel de efecte la om in schimb printre copiii supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki iradiati cu doze puternice s-au inregistrat cazuri de anomalii genetice semnificative

Pe plan uman singurele informatii de care dispunem sunt descendentii iradiatilor de la Hirosima si Nagasaki si ai pescarilor de la Bikini dar in ambele cazuri dozele nu sunt cunoscute cu precizie In cazul supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki desi au prezentat forme cancerigene pentru doze ridicate (gt1 Gy) nu s-au inregistrat efecte genetice De asemenea in cazul celor 23 marinari pescari de la Bikini iradiati de caderile radioactive cu exceptia unuia care a decedat dupa o sterilitate de doi ani ceilalti au avut copii normali (45 copii) la care nu au fost observate efecte genetice aparente la prima generatie

In modul de evaluare a efectelor genetice se intampla unele dificultati datorate urmatorilor factori caracterul particular al efectelor genetice necesitatea extrapolarii rezultatelor obtinute experimental pe animale la om si de asemenea extrapolarea rezultatelor obtinute experimental cu doze forte la doze slabe

Din investigarile pe animale s-a stabilit ca fercventa anomaliilor genetice se observa la doze gt1 Gy La om anomaliile (de ex structura cromozomilor) reprezinta un risc de 1-10 pe milion de nasteri vii pe centiGy iar mutatiile genetice apar la iradierea celor doi parinti cu o frecventa de 5-65 pe milion de nasteri vii pe centiGy Dupa prima generatie si la echilibru (dupa 5 generatii) frecventa lor este de 40-200 pe milion de nasteri vii pe centiGy pe generatie Mutatiile sunt legate de sexe in sensul ca ele se transmit prin femei In prima generatie numarul de afectiuni adaugat este lt13 pe milion de nasteri vii pe centiGy

Particularitatile mutatiilor genice In functie de sex riscul pentru femeie este mai putin important ca pentru barbat Dupa varsta la femei sunt doua perioade critice principala este perioada reproducerii de la pubertate la menopauza A doua este pana in luna a saptea a vietii fetale La barbat perioada periculoasa se afla intre 20 si 40 ani perioada in care se fac majoritatea fecundarilor

Ipoteza prejudiciului genetic dat de iradierile slabe In mod normal o populatie se afla in echilibru genetic Aparitia de noi mutanti este compensata de eliminarea mutantilor existenti prin decese precoce sau prin fecundari mai putine uneori chiar nule In cazul unor iradieri suplimentare acest echilibru se rupe iar fiecarei generatii i se vor adauga descendentilor mutatiile produse la toate generatiile anterioare (mutanti suplimentari) Ca urmare se vor produce o crestere a mutatiilor letale si a celor dominante precm si o acumulare a mutatiilor primite

344 Efecte biologice teratogene

Efectele teratogene sunt anomalii si malformatii provocate de actiunea unor agenti fizici chimici si infectiosi sau a radiatiilor ionizante asupra embrionului si fetusurilor pe timpul cresterii

Sensblitatea lor la radiatii variaza dupa stadiul dezvoltarii embrionului dar pragul de actiune este foarte net mai jos decat dupa nastere Efectele teratogene sunt ireversibile iar radiatiile ionizante produc aceleasi efecte ca si alti agenti teratogeni Sub actiunea radiatiilor ionizante in functie de stadiul de dezvoltare a embrionului si a fetusurilor se deosebesc urmatoarele

20

- In stadiul de preimplantare iradierea determina fie distrugerea oului fie moartea uneia sau a mai multor celule Aceasta perioada adesea trece neobservata de femeie Doza letala 50 este de 05-06 Gy

- In stadiul de organogeneza cand femeia are consecinte de intarziere si banuiala ca ar fi insarcinata o doza de 01 Gy poate antrena malformatii Aceasta este perioada critica deoarece radiosensibilitatea este maxima

- In stadiul fetal frecventa si gravitatea malformatiilor se diminuiaza In schimb iradierea poate avea o actiune cancerigena care se manifesta la copii tineri Dozele egale sau inferioare la 025 Gy sunt considerate ca fara efect

Cele mai importante consecinte legate de efectele teratogene sunt- malformatiile ca de exemplu cele microcefalice care pot fi insotite de

intarzierea mentala - intarzierea cresterii care are loc la doze puternice (gt1 Gy) printre care se

remarca deficitul ponderal scaderea taliei si a circumferintei capului si o intarziere a osificarii

- cancerul care apare la iradieri in uter cu doze de 002 Gy-mortalitatea intrauterina si neonatala creste In cazul supravietuitorilor de la

Hirosima si Nagasaki ea a fost cu 40 mai mare decat cea normala - efecte genetice nu s-au observat nici printre descendentii celor iradiati in uter cu

ocazia exploziilor nucleare de la Hirosima si NagasakiPe baza acestor observatii se impune luarea unor precautii in cazul femeilor

insarcinte care sunt expuse profesional la doze de radiatii ionizante si excluderea lor de la orice fel de examen radiologic

21

4 Efectele fizice ale radiatiilor ionizante la interactiunea cu substanta

La impactul cu substanta fasciculele de radiatii ionizante sufera procese de atenuare datorita devierii (imprastierii) acestora printr-un mecanism monoact sau prin absorbtie cand isi pierd complet energia pe baza unui mecanism continuu Cele mai importante efecte ale radiatiilor ionizante sunt excitarea si ionizarea care pot fi directe in cazul particulelor incarcate electric sau indirecte in cazul radiatiilor X γ si a neutronilor

41 Interactiunea particulelor grele incarcate cu substanta

Particulele grele incarcate cum sunt radiatiile α protonii deuteronii atomii multiplu ionizati si produsii de fisiune nucleara la impactul cu substanta se atenueaza cu parcurs pe baza unui mecanism de pierderi mici de energie intr-un numar foarte mare de procese de interactiune

Procesul predominant este cel de interactiune cu electronii atomilor si moleculelor probabilitatea de interactiune cu nucleele atomilor fiind foarte mica

Transferul liniar de energie (TLE) notat cu Q realizat prin ciocniri neelastice cu electronii atomilor si ai moleculelor intalnite este dat de relatia lui HA Bethe

[erg∙cm-1]

in care N este numarul de atomi dintr-un cm3 Z ndash sarcina particulei m0 ndash masa de repaus a electronului v ndash viteza e ndash sarcina electronului β = vc J ndash potentialul mediului de excitare al substantei iradiate

In figura 41 se prezinta modul de variatie al numarului particulelor α cu mediul Transferul Q depinde de viteza (v) si de sarcina (Z) a prticulelor grele incidente iar pe o distanta Δx particula pierde o energie ΔE care este data de suma transferurilor Q in cursul ciocnirilor ce au loc pe aceasta distanta ΔE=ΣQ

Fig 41 Variatia numarului particulelor α in unitatea de timp cu distanta parcursa intr-un mediu dat

Atunci cand o particula parcurge un mic segment Δx din traiectoria sa ea sufera numeroase ciocniri cu electronii care se gasesc in vecinatatea traiectoriei sale Raportul S=ΔEΔx se numeste putere de incetinire a particulelor in mediu si reprezinta pierderea specifica de energie fiind dependent de viteza (v) si sarcina (Z) a particulei incidente Distanta maxima pe care o strabate o particula de energie initiala E intr-un mediu dat se numeste parcurs (R) si se exprima in metri El se poate calcula cu ajutorul relatiei

[m]

22

Din cauza fluctuatiei accidentale de ciocniri individuale dintre particulele grele incarcate si atomii mediului parcursurile lor nu sunt riguros egale asa cum se poate observa cu ajutorul unei camere Wilson (fig 42)

Fig 42 Parcursurile particulei α in camera Wilson

La strabaterea mediilor gazoase parcursurile radiatiilor α ating centimetri ( tabelul 41) pe cand in medii lichide si solide descresc mult fiind de ordinul micrometrilor Asa se explica faptul ca o foaie de hartie este suficienta pentru a absorbi complet un fascicul de radiatii α de mare energie Parcursul radiatiilor α in aer se calcleaza cu ajutorul relatiei empirice a lui Bethe R=032 E32 In fig 43 este data dependenta dintre energie si parcursul radiatiilor α

Parcursurile radiatiilor α ale Po si RaC΄ in diferite mediiTabelul 41

Mediul strabatut Parcursul radiatiilor α ale210Po(530 Mev) 214RaC΄(76 MeV)

Aer 00387 m 00698 mHidrogen 01730 m 03250 m

Heliu 0215 m 0390 mArgon 00417 m 0073 m

Alcool etilic 371μm -Aur - 14 μm

Gelatina foto 23 μm 50 μm

Ciocnindu-se cu electronii mediului strabatut particulele α produc efecte dependente de energia Q transferata acestora

Fig 43 Dependenta dintre energie si parcursul particulelor α

a Daca energia transferata (Q) este superioara energiei de legatura a electronilor (asymp10eV) acestia sunt smulsi si azvarliti particulele incidente pastrandu-si directia practic neschimbata fapt pentru care parcursul lor in orice mediu este rectiliniu Atomul caruia i

23

s-a smuls un electon devine ion pozitiv si impreuna cu electronul detasat formeaza o pereche de ioni procesul in ansamblu numindu-se ionizare

Numarul de perechi de ioni creati pe unitatea de lungime se numeste ionizare specifica (j) si este data de raportul dintre patratul atomic Z al particulelor si patratul vitezei particulei (vp)

WL BRAGG studiind variatia numarului de ioni formati in functie de unitatea de lungime a constatat ca ionizarea maxima este atinsa la sfarsitul parcursului (Fig 44)

Fig 44 Curbele de tip Bragg ale Po si RaC΄

b In cazul in care energia tansferata (Q) este inferioara energiei de legatura a electronului acesta nu este detasat din structura atomica sau moleculara de care apartine si se produce excitarea atomului respectiv

Urmarind distributia energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale se obtine o curba de distributie care este reprezentata in fig 45

Fig 45 Curba de distriutie a energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale

Conform acestei curbe energia ε=ΔE pierduta de o particula parcurgand un mic segment Δx din traiectoria sa se repartizeaza astfel

- 30 din energie (100gtQgt10eV) se consuma in excitari - 30 din energie (Qlt10eV) se consuma pentru ionizari- 40 din energie (Qgt100eV) se consuma pentru producerea de electroni

secundari δAceasta repartitie ramane constanta de-a lungul traiectoriei particuleiAutoabsorbtia radiatiilor α Urmarind variatia curentului de ionizare (I) produs

de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva (Fig 46) se observa ca numai in cazul straturilor foarte subtiri se inregistreaza o crestere proportionala a curentului de ionizare cu grosimea stratului activ Pentru o anumita grosime a stratului de substanta ionizarea devine constanta deoarece particulele α emise

24

de straturile inferioare se absorb total in cele superioare Straturile ale caror grosime este egala sau mai mare decat pacursul se numesc straturi ldquogros infiniterdquo

Fig 46 Variatia curentului de ionizare produs de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta rdioactiva

Ecranarea particulelor grele incarcate Particulele grele incarcate in primul

rand radiatiile α au parcursuri foarte mici de ordinul micronilor in corpuri solide fapt pentru care nu ridica probleme speciale de ecranare fiind absorbite total si cu usurinta de toate substantele chiar si de o foaie de hartie De aceea simpla utilizare a manusilor de cauciuc ori a hartiei de filtru in lucrari de laborator cu astfel de substante radioactive sunt masuri suficiente care sa asigure o buna protectie impotriva iradierii externe

Reactiile nucleare ale prticulelor grele incarcate La interactiunea particulelor grele incarcate cu anumite nuclee tomice acestea pot sa sufere transmutatii artificiale In particular radiatiile α emise de unele surse radioactive naturale au importanta istorica deoarece stau la baza unor importante descoperiri cum sunt

- reactiile nucleare (α p) realizate pentru prima data de E RUTHERFORD in anul 1919 au condus la descoperirea primei transmutatii artificiale sinteza izotopului stabil 17O din 14N cu emisia unui proton

In prezent cu ajutorul particulelor α ndash accelerate se prepara numerosi radioizotopi pe baza ecuatiei generale

- reactiile nucleare (α n) au stat la baza descoperirii neutronului de catre CHADWICK in 1932 prin bombardarea beriliului cu radiatii α ale poloniului

Reactiile (α n) prezinta un interes deosebit si datorita faptului ca ele stau la baza surselor de neutroni de laborator Substantele α ndash active cele mai utilizate sunt210Po 226Ra si 239Pu

Sursele Ra ndash α ndash Be emit neutroni cu un spectru energetic continuu cu energii pana la 137 MeV si randament foarte mare la 1 mCi Ra corespund 13 104 ncm2 s fiind sursele cele mai constante din cauza timpului de injumatatire lung al radiului (1600 a)

Tot pe baza reactiei nucleare (α n) sotii JOLIOT-CURIE in anul 1934 iradiind o foita de aluminiu cu particule α au obtinut fosfor radioactiv descoperind radioactivitatea artificiala care a deschis perspective nebanuite fizicii si chimiei nucleare

In prezent sub actiunea particulelor α accelerate se produc numerosi radioizotopi

ai elementelor cu timpi de injumatatire mici pe baza reactiei generale

25

De asemenea sub actiunea particulelor α accelerate au fost sintetizate o parte din elementele transuraniene conform reactiilor

In mod asemanator pot provoca reactii nucleare si alte particule grele accelerate

(protoni deuteroni) Dintre acestea se remarca- reactiile nucleare (p γ) puternic exoenergice cu emisie de fotoni de mare

energie - reactiile nucleare (d n) care stau la baza producerii neutronilor de laborator cu

ajutorul generatoarelor de inalta tensiune Cu ajutorul deuteronilor de 5 MeV s-au sintetizat pentru prima data prin reactii nucleare (d n) tehnetiul si prometiul

- reactiile nucleare (d p) care se produc cu o probabilitate de 10 ori mai mare

decat cele (d n) prezinta interes deoarece conduc la formarea de izotopi ai tintei intocmai ca in cazul reactiilor (nγ) De exemplu 23Na(dp)24Na 31P(d p)32P

Particulele grele incarcate cu energii mai mari de 50 MeV genereaza o serie de reactii nucleare in cascada dezintegrarea cu expulzarea de nucleoni rapizi (p d T) fisiunea nucleara reactii secundare si emisia de nuclee usoare

42 Interactiunea electronilor cu substanta

Fasciculele de electroni emisi de radionuclizii β ndash activi (β- si β+) precum si cei proveniti din generatoare la interactiunea cu substanta se atenueaza pierzand energia de-a lungul parcursului

Datorita unor serii de procese de absorbtie prin ciocniri elastice si neelastice si uneori prin radiatie de franare efectele fizice produse de aceste procese constau din excitarea si ionizarea mediului strabatut iar contributia fiecarui proces in parte este determinata de energia electronilor incidenti precum si de natura materialului absorbant

Imprastierea neelastica electron-electron Dintre toate procesele de interactiune ale electronilor cu substanta predominant este cel de imprastiere la ciocnirea neelastica cu electronii orbitali ai atomilor din mediu deci procesele electron-electron Datorita acestui fapt electronii sufera imprastieri sub unghiuri diferite motiv pentru care drumul fasciculelor de electroni prin mediu nu este rectiliniu ci foarte sinuos (fig 47) De aceea intr-o substanta de o anumita grosime electroni de aceeasi energie parcurg drumuri complet diferite care intrec in lungime 15 ndash 4 ori grosimea stratului penetrat

Fig 47 Drumul sinuos al electronilor prin substanta

26

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

sub 30 Gy Urmeaza stomacul care este afectat de doze in jur de 40 Gy cel mai rezistent fiind colonul care reactioneaza numai la doze cuprinse intre 50 si 56 Gy

Destul de radiosensibil este si sistemul nervos care manifesta o fragilitate a celulelor nervoase a vaselor sangvine si o capacitate limitata de regenerare a tesuturilor nervoase La doze peste 40 Gy administrate in patru saptamani apare o paraplegie care dupa doi ani se extinde In ceea ce priveste creierul desi modificari morfologice apar deja de la doze de 10 Gy el poate suporta doze de circa 50 Gy timp de 5-6 saptamani

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor globale In urma unor iradieri globale cu doze in jur de 1 Gy care sunt fara gravitate imediata nu se observa decat foarte discrete modificari hematologice in ceea ce priveste globulele albe dar ele se regenereaza rapid In astfel de cazuri se aplica un tratament modest fara a fi necesara spitalizarea

La doze cuprinse intre 1 si 2 Gy desi semnele fizice inca lipsesc se observa o scadere a globulelor albe si a plachetelor iar numarul globulelor rosii este modest In acest caz sunt necesare transfuzii si tratament antibiotic Din contra la doze de peste 2Gy se observa o evolutie stereotipa a bolii cu afectarea celulelor formatoare de sange si scaderea corespunzatoare a numarului maxim de elemente reprezentative din sange Evolutia imbolnavirii se face urmand cele patru faze tipice Dupa o perioada de debut care dureaza trei zile insotita de simptome discrete urmeaza de perioada latenta practic silentioasa care dureaza peste trei saptamani In continuare se instaleaza perioada de stare (perioada critica) careia i se asociaza semne generale cum sunt oboseala intensa tulburari digestive hemoragii si infectii formula sangvina fiind foarte modificata In acest moment viata bolnavului este in pericol Abia dupa circa trei luni el intra in covalescenta In acest caz spitalizarea este indispensabila intr-un centru specializat cu locuri sterilizate repaus absolut si eliminarea posibilitatilor de infectare In cadrul tratamentului se recomanda grefe de maduva osoasa La doze mai mari grefa cu maduva osoasa poate fi singura sansa iar la doza peste 12 Gy de iradiere instantanee orice tratament terapeutic nu este eficace

Efecte biologice precoce in cazul iradierilor accidentale In ultimele decenii s-au inmultit numarul iradierilor accidentale Principal ele pot fi clasificate in iradieri implicand una sau mai multe persoane ori a unor grupuri mari de persoane

Iadieri accidentale implicand una sau mai multe persoane Pana in anul 1965 au fost inregistrate 12 astfel de accidente critice in lume in care persoane au fost expuse global in cursul unor cercetari sau operatii chimice dintre care au rezultat 9 decese

De asemenea se cunosc 24 accidente cu surse gamagrafice dintre care 15 accidente cu 192Ir si 9 accidente cu 60Co din care au rezultat 17 morti si 38 grav iradiati In ultimii 40 de ani au avut loc 115 cazuri de iradieri locale care au facut 156 victime Principalele cauze se datoresc instalatiilor de radiatii X pentru analiza cristalografica (69) surselor de gamagrafice cu 192Ir (34) 60Co (25) emitatori β-activi (11) acceleratori de particule (8) si diverse surse (8) Iradierile interne sunt mai rare si mai greu de cunoscut In Franta sunt cunoscute numai o zecime din decese 7 sunt imputabile activitatii medicale

Iradieri accidentale a unor grupuri mari de persoane Iradierile simultane asupra unui numar ridicat de persoane au fost inregistrate in urma unor experiente cu arme termonucleare sau a unor defectiuni survenite in functionarea unor centrale atomoelectrice

Explozia experimentala a armei termonucleare de la Bikini de la 1 martie 1954 a provocat printre altele si iradierea puternica prin caderi de pulberi radioactive a locuitorilor de pe Insula Marschall precum si a 23 de pescari marinari de pe vasul japonez ldquoFukuriu Marurdquo

18

Recent prin defectarea centralei atomoelectrice de la Cernobal (Ucraina) din aprile 1986 au fost iradiate 22 persoane cu doze peste 8 Gy 22 persoane cu doze intre 4 si 8 Gy 53 persoane cu doze intre 2 si 4 Gy si 203 persoane cu doze peste 1 Gy fiind inregistrate 31 decese

342 Efecte somatice tarzii

Efectele somatice tarzii in general sunt fara prag Ele pot fi necancerigene (cataracte tulburari ale cresterii scaderea longevitatii si a unor reactii imunologice) insa principalul efect intarziat este cancerul care apare dupa cativa ani sau zeci de ani de la iradiere Principalele efecte somatice tarzii necancerigene se caracterizeaza prin urmatoarele

Cataractele sunt boli care provoaca opacifierea cristalinului Radiatiile ionizante genereaza cataracte la doze superioare la 10 Gy de radiatii X Ele sunt efecte cu prag care la barbati este foarte ridicat si apare intre 1 si 10 ani de la iradiere In cazul neutronilor rapizi pragul este mult mai jos asymp08 Gy respectiv asymp8 Sv

Tulburari de crestere Constatarile efectuate pe supravietuitorii de la Hirosima si Nagasaki au evidentiat ca prin expunere la doze de 1 Gy au loc tulburari de crestere si anume un deficit in greutate o scadere a taliei si a circumferintei capului

Longevitatea De asemenea studiile de supravietuitori de la Hirosima sI Nagasaki precum si pe animale in laborator au aratat ca la doze ridicate (asymp4 Gy) de radiatii se scurteaza durata medie de viata indiferent daca iradierea a produs leucemie sau cancer

Reactiile imunologice La iradierea cu doze de 1 Gy scad reactiile imunologice si organismele devin vulnerabile la infectii

Pielea desi nu este radiosensibila se mnifesta ca un organ critic avand un prag de toleranta de asymp2mGyzi Prin iradierea mainilor cu doze superioare (5 mGyzi) apar leziuni cutanate cronice sau uscate si atrofice care fisureaza dand ulceratii grave

Cancerele principalele efecte intarziate se caracterizeaza prin faptul ca nu au prag si se produc mai ales cu doze slabe de radiatii Frecventa lor este influentata de o serie de factori printre care se numara doza de radiatie natura radiatiilor sexul varsta si natura tesuturilor iradiate

Dintre toti factorii doza de radiatii este cel mai important iar dintre radiatii particulele α si neutronii sunt cele mai periculoase Radiosensibilitatea organismelor este diferita in functie de sex ea este mai importanta la femei decat la barbati in special pentru sani si tiroida si are un efect invers pentru maduva osoasa si pulmon Totodata efectele difera cu varsta copiii tineri adolescentii si persoanele in varsta fiind mai radiosensibile decat adultii Timpii de latenta sunt foarte variabili si depind in mod esential de natura tesutului iradiat Ei sunt cuprinsi intre 4 si 20 de ani de la iradiere pentru leucemie de 10 ani pentru tumori 22-25 de ani pentru sani etc Cancerul cutanat apare la doze de circa 15 Gy radiatii electromagnetice intre 25 si 40 de ani Cancerul osos apare la doze gt8Gy iar leucemia la doze gt1 Sv Cancerul sanului apare la doze de 020 Gy (la iradieri radiologice) iar cancerul tiroidei la 01 Gy la copii intre 13 si 14 ani

343 Efecte geneticeAlaturi de alti agenti fizico-chimici (substante chimice radiatiile

electromagnetice caldura etc) care pot provoca efecte mutagene se afla si radiatiile ionizante

19

Daca la doze slabe nu s-au inregistrat astfel de efecte la om in schimb printre copiii supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki iradiati cu doze puternice s-au inregistrat cazuri de anomalii genetice semnificative

Pe plan uman singurele informatii de care dispunem sunt descendentii iradiatilor de la Hirosima si Nagasaki si ai pescarilor de la Bikini dar in ambele cazuri dozele nu sunt cunoscute cu precizie In cazul supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki desi au prezentat forme cancerigene pentru doze ridicate (gt1 Gy) nu s-au inregistrat efecte genetice De asemenea in cazul celor 23 marinari pescari de la Bikini iradiati de caderile radioactive cu exceptia unuia care a decedat dupa o sterilitate de doi ani ceilalti au avut copii normali (45 copii) la care nu au fost observate efecte genetice aparente la prima generatie

In modul de evaluare a efectelor genetice se intampla unele dificultati datorate urmatorilor factori caracterul particular al efectelor genetice necesitatea extrapolarii rezultatelor obtinute experimental pe animale la om si de asemenea extrapolarea rezultatelor obtinute experimental cu doze forte la doze slabe

Din investigarile pe animale s-a stabilit ca fercventa anomaliilor genetice se observa la doze gt1 Gy La om anomaliile (de ex structura cromozomilor) reprezinta un risc de 1-10 pe milion de nasteri vii pe centiGy iar mutatiile genetice apar la iradierea celor doi parinti cu o frecventa de 5-65 pe milion de nasteri vii pe centiGy Dupa prima generatie si la echilibru (dupa 5 generatii) frecventa lor este de 40-200 pe milion de nasteri vii pe centiGy pe generatie Mutatiile sunt legate de sexe in sensul ca ele se transmit prin femei In prima generatie numarul de afectiuni adaugat este lt13 pe milion de nasteri vii pe centiGy

Particularitatile mutatiilor genice In functie de sex riscul pentru femeie este mai putin important ca pentru barbat Dupa varsta la femei sunt doua perioade critice principala este perioada reproducerii de la pubertate la menopauza A doua este pana in luna a saptea a vietii fetale La barbat perioada periculoasa se afla intre 20 si 40 ani perioada in care se fac majoritatea fecundarilor

Ipoteza prejudiciului genetic dat de iradierile slabe In mod normal o populatie se afla in echilibru genetic Aparitia de noi mutanti este compensata de eliminarea mutantilor existenti prin decese precoce sau prin fecundari mai putine uneori chiar nule In cazul unor iradieri suplimentare acest echilibru se rupe iar fiecarei generatii i se vor adauga descendentilor mutatiile produse la toate generatiile anterioare (mutanti suplimentari) Ca urmare se vor produce o crestere a mutatiilor letale si a celor dominante precm si o acumulare a mutatiilor primite

344 Efecte biologice teratogene

Efectele teratogene sunt anomalii si malformatii provocate de actiunea unor agenti fizici chimici si infectiosi sau a radiatiilor ionizante asupra embrionului si fetusurilor pe timpul cresterii

Sensblitatea lor la radiatii variaza dupa stadiul dezvoltarii embrionului dar pragul de actiune este foarte net mai jos decat dupa nastere Efectele teratogene sunt ireversibile iar radiatiile ionizante produc aceleasi efecte ca si alti agenti teratogeni Sub actiunea radiatiilor ionizante in functie de stadiul de dezvoltare a embrionului si a fetusurilor se deosebesc urmatoarele

20

- In stadiul de preimplantare iradierea determina fie distrugerea oului fie moartea uneia sau a mai multor celule Aceasta perioada adesea trece neobservata de femeie Doza letala 50 este de 05-06 Gy

- In stadiul de organogeneza cand femeia are consecinte de intarziere si banuiala ca ar fi insarcinata o doza de 01 Gy poate antrena malformatii Aceasta este perioada critica deoarece radiosensibilitatea este maxima

- In stadiul fetal frecventa si gravitatea malformatiilor se diminuiaza In schimb iradierea poate avea o actiune cancerigena care se manifesta la copii tineri Dozele egale sau inferioare la 025 Gy sunt considerate ca fara efect

Cele mai importante consecinte legate de efectele teratogene sunt- malformatiile ca de exemplu cele microcefalice care pot fi insotite de

intarzierea mentala - intarzierea cresterii care are loc la doze puternice (gt1 Gy) printre care se

remarca deficitul ponderal scaderea taliei si a circumferintei capului si o intarziere a osificarii

- cancerul care apare la iradieri in uter cu doze de 002 Gy-mortalitatea intrauterina si neonatala creste In cazul supravietuitorilor de la

Hirosima si Nagasaki ea a fost cu 40 mai mare decat cea normala - efecte genetice nu s-au observat nici printre descendentii celor iradiati in uter cu

ocazia exploziilor nucleare de la Hirosima si NagasakiPe baza acestor observatii se impune luarea unor precautii in cazul femeilor

insarcinte care sunt expuse profesional la doze de radiatii ionizante si excluderea lor de la orice fel de examen radiologic

21

4 Efectele fizice ale radiatiilor ionizante la interactiunea cu substanta

La impactul cu substanta fasciculele de radiatii ionizante sufera procese de atenuare datorita devierii (imprastierii) acestora printr-un mecanism monoact sau prin absorbtie cand isi pierd complet energia pe baza unui mecanism continuu Cele mai importante efecte ale radiatiilor ionizante sunt excitarea si ionizarea care pot fi directe in cazul particulelor incarcate electric sau indirecte in cazul radiatiilor X γ si a neutronilor

41 Interactiunea particulelor grele incarcate cu substanta

Particulele grele incarcate cum sunt radiatiile α protonii deuteronii atomii multiplu ionizati si produsii de fisiune nucleara la impactul cu substanta se atenueaza cu parcurs pe baza unui mecanism de pierderi mici de energie intr-un numar foarte mare de procese de interactiune

Procesul predominant este cel de interactiune cu electronii atomilor si moleculelor probabilitatea de interactiune cu nucleele atomilor fiind foarte mica

Transferul liniar de energie (TLE) notat cu Q realizat prin ciocniri neelastice cu electronii atomilor si ai moleculelor intalnite este dat de relatia lui HA Bethe

[erg∙cm-1]

in care N este numarul de atomi dintr-un cm3 Z ndash sarcina particulei m0 ndash masa de repaus a electronului v ndash viteza e ndash sarcina electronului β = vc J ndash potentialul mediului de excitare al substantei iradiate

In figura 41 se prezinta modul de variatie al numarului particulelor α cu mediul Transferul Q depinde de viteza (v) si de sarcina (Z) a prticulelor grele incidente iar pe o distanta Δx particula pierde o energie ΔE care este data de suma transferurilor Q in cursul ciocnirilor ce au loc pe aceasta distanta ΔE=ΣQ

Fig 41 Variatia numarului particulelor α in unitatea de timp cu distanta parcursa intr-un mediu dat

Atunci cand o particula parcurge un mic segment Δx din traiectoria sa ea sufera numeroase ciocniri cu electronii care se gasesc in vecinatatea traiectoriei sale Raportul S=ΔEΔx se numeste putere de incetinire a particulelor in mediu si reprezinta pierderea specifica de energie fiind dependent de viteza (v) si sarcina (Z) a particulei incidente Distanta maxima pe care o strabate o particula de energie initiala E intr-un mediu dat se numeste parcurs (R) si se exprima in metri El se poate calcula cu ajutorul relatiei

[m]

22

Din cauza fluctuatiei accidentale de ciocniri individuale dintre particulele grele incarcate si atomii mediului parcursurile lor nu sunt riguros egale asa cum se poate observa cu ajutorul unei camere Wilson (fig 42)

Fig 42 Parcursurile particulei α in camera Wilson

La strabaterea mediilor gazoase parcursurile radiatiilor α ating centimetri ( tabelul 41) pe cand in medii lichide si solide descresc mult fiind de ordinul micrometrilor Asa se explica faptul ca o foaie de hartie este suficienta pentru a absorbi complet un fascicul de radiatii α de mare energie Parcursul radiatiilor α in aer se calcleaza cu ajutorul relatiei empirice a lui Bethe R=032 E32 In fig 43 este data dependenta dintre energie si parcursul radiatiilor α

Parcursurile radiatiilor α ale Po si RaC΄ in diferite mediiTabelul 41

Mediul strabatut Parcursul radiatiilor α ale210Po(530 Mev) 214RaC΄(76 MeV)

Aer 00387 m 00698 mHidrogen 01730 m 03250 m

Heliu 0215 m 0390 mArgon 00417 m 0073 m

Alcool etilic 371μm -Aur - 14 μm

Gelatina foto 23 μm 50 μm

Ciocnindu-se cu electronii mediului strabatut particulele α produc efecte dependente de energia Q transferata acestora

Fig 43 Dependenta dintre energie si parcursul particulelor α

a Daca energia transferata (Q) este superioara energiei de legatura a electronilor (asymp10eV) acestia sunt smulsi si azvarliti particulele incidente pastrandu-si directia practic neschimbata fapt pentru care parcursul lor in orice mediu este rectiliniu Atomul caruia i

23

s-a smuls un electon devine ion pozitiv si impreuna cu electronul detasat formeaza o pereche de ioni procesul in ansamblu numindu-se ionizare

Numarul de perechi de ioni creati pe unitatea de lungime se numeste ionizare specifica (j) si este data de raportul dintre patratul atomic Z al particulelor si patratul vitezei particulei (vp)

WL BRAGG studiind variatia numarului de ioni formati in functie de unitatea de lungime a constatat ca ionizarea maxima este atinsa la sfarsitul parcursului (Fig 44)

Fig 44 Curbele de tip Bragg ale Po si RaC΄

b In cazul in care energia tansferata (Q) este inferioara energiei de legatura a electronului acesta nu este detasat din structura atomica sau moleculara de care apartine si se produce excitarea atomului respectiv

Urmarind distributia energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale se obtine o curba de distributie care este reprezentata in fig 45

Fig 45 Curba de distriutie a energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale

Conform acestei curbe energia ε=ΔE pierduta de o particula parcurgand un mic segment Δx din traiectoria sa se repartizeaza astfel

- 30 din energie (100gtQgt10eV) se consuma in excitari - 30 din energie (Qlt10eV) se consuma pentru ionizari- 40 din energie (Qgt100eV) se consuma pentru producerea de electroni

secundari δAceasta repartitie ramane constanta de-a lungul traiectoriei particuleiAutoabsorbtia radiatiilor α Urmarind variatia curentului de ionizare (I) produs

de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva (Fig 46) se observa ca numai in cazul straturilor foarte subtiri se inregistreaza o crestere proportionala a curentului de ionizare cu grosimea stratului activ Pentru o anumita grosime a stratului de substanta ionizarea devine constanta deoarece particulele α emise

24

de straturile inferioare se absorb total in cele superioare Straturile ale caror grosime este egala sau mai mare decat pacursul se numesc straturi ldquogros infiniterdquo

Fig 46 Variatia curentului de ionizare produs de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta rdioactiva

Ecranarea particulelor grele incarcate Particulele grele incarcate in primul

rand radiatiile α au parcursuri foarte mici de ordinul micronilor in corpuri solide fapt pentru care nu ridica probleme speciale de ecranare fiind absorbite total si cu usurinta de toate substantele chiar si de o foaie de hartie De aceea simpla utilizare a manusilor de cauciuc ori a hartiei de filtru in lucrari de laborator cu astfel de substante radioactive sunt masuri suficiente care sa asigure o buna protectie impotriva iradierii externe

Reactiile nucleare ale prticulelor grele incarcate La interactiunea particulelor grele incarcate cu anumite nuclee tomice acestea pot sa sufere transmutatii artificiale In particular radiatiile α emise de unele surse radioactive naturale au importanta istorica deoarece stau la baza unor importante descoperiri cum sunt

- reactiile nucleare (α p) realizate pentru prima data de E RUTHERFORD in anul 1919 au condus la descoperirea primei transmutatii artificiale sinteza izotopului stabil 17O din 14N cu emisia unui proton

In prezent cu ajutorul particulelor α ndash accelerate se prepara numerosi radioizotopi pe baza ecuatiei generale

- reactiile nucleare (α n) au stat la baza descoperirii neutronului de catre CHADWICK in 1932 prin bombardarea beriliului cu radiatii α ale poloniului

Reactiile (α n) prezinta un interes deosebit si datorita faptului ca ele stau la baza surselor de neutroni de laborator Substantele α ndash active cele mai utilizate sunt210Po 226Ra si 239Pu

Sursele Ra ndash α ndash Be emit neutroni cu un spectru energetic continuu cu energii pana la 137 MeV si randament foarte mare la 1 mCi Ra corespund 13 104 ncm2 s fiind sursele cele mai constante din cauza timpului de injumatatire lung al radiului (1600 a)

Tot pe baza reactiei nucleare (α n) sotii JOLIOT-CURIE in anul 1934 iradiind o foita de aluminiu cu particule α au obtinut fosfor radioactiv descoperind radioactivitatea artificiala care a deschis perspective nebanuite fizicii si chimiei nucleare

In prezent sub actiunea particulelor α accelerate se produc numerosi radioizotopi

ai elementelor cu timpi de injumatatire mici pe baza reactiei generale

25

De asemenea sub actiunea particulelor α accelerate au fost sintetizate o parte din elementele transuraniene conform reactiilor

In mod asemanator pot provoca reactii nucleare si alte particule grele accelerate

(protoni deuteroni) Dintre acestea se remarca- reactiile nucleare (p γ) puternic exoenergice cu emisie de fotoni de mare

energie - reactiile nucleare (d n) care stau la baza producerii neutronilor de laborator cu

ajutorul generatoarelor de inalta tensiune Cu ajutorul deuteronilor de 5 MeV s-au sintetizat pentru prima data prin reactii nucleare (d n) tehnetiul si prometiul

- reactiile nucleare (d p) care se produc cu o probabilitate de 10 ori mai mare

decat cele (d n) prezinta interes deoarece conduc la formarea de izotopi ai tintei intocmai ca in cazul reactiilor (nγ) De exemplu 23Na(dp)24Na 31P(d p)32P

Particulele grele incarcate cu energii mai mari de 50 MeV genereaza o serie de reactii nucleare in cascada dezintegrarea cu expulzarea de nucleoni rapizi (p d T) fisiunea nucleara reactii secundare si emisia de nuclee usoare

42 Interactiunea electronilor cu substanta

Fasciculele de electroni emisi de radionuclizii β ndash activi (β- si β+) precum si cei proveniti din generatoare la interactiunea cu substanta se atenueaza pierzand energia de-a lungul parcursului

Datorita unor serii de procese de absorbtie prin ciocniri elastice si neelastice si uneori prin radiatie de franare efectele fizice produse de aceste procese constau din excitarea si ionizarea mediului strabatut iar contributia fiecarui proces in parte este determinata de energia electronilor incidenti precum si de natura materialului absorbant

Imprastierea neelastica electron-electron Dintre toate procesele de interactiune ale electronilor cu substanta predominant este cel de imprastiere la ciocnirea neelastica cu electronii orbitali ai atomilor din mediu deci procesele electron-electron Datorita acestui fapt electronii sufera imprastieri sub unghiuri diferite motiv pentru care drumul fasciculelor de electroni prin mediu nu este rectiliniu ci foarte sinuos (fig 47) De aceea intr-o substanta de o anumita grosime electroni de aceeasi energie parcurg drumuri complet diferite care intrec in lungime 15 ndash 4 ori grosimea stratului penetrat

Fig 47 Drumul sinuos al electronilor prin substanta

26

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

Recent prin defectarea centralei atomoelectrice de la Cernobal (Ucraina) din aprile 1986 au fost iradiate 22 persoane cu doze peste 8 Gy 22 persoane cu doze intre 4 si 8 Gy 53 persoane cu doze intre 2 si 4 Gy si 203 persoane cu doze peste 1 Gy fiind inregistrate 31 decese

342 Efecte somatice tarzii

Efectele somatice tarzii in general sunt fara prag Ele pot fi necancerigene (cataracte tulburari ale cresterii scaderea longevitatii si a unor reactii imunologice) insa principalul efect intarziat este cancerul care apare dupa cativa ani sau zeci de ani de la iradiere Principalele efecte somatice tarzii necancerigene se caracterizeaza prin urmatoarele

Cataractele sunt boli care provoaca opacifierea cristalinului Radiatiile ionizante genereaza cataracte la doze superioare la 10 Gy de radiatii X Ele sunt efecte cu prag care la barbati este foarte ridicat si apare intre 1 si 10 ani de la iradiere In cazul neutronilor rapizi pragul este mult mai jos asymp08 Gy respectiv asymp8 Sv

Tulburari de crestere Constatarile efectuate pe supravietuitorii de la Hirosima si Nagasaki au evidentiat ca prin expunere la doze de 1 Gy au loc tulburari de crestere si anume un deficit in greutate o scadere a taliei si a circumferintei capului

Longevitatea De asemenea studiile de supravietuitori de la Hirosima sI Nagasaki precum si pe animale in laborator au aratat ca la doze ridicate (asymp4 Gy) de radiatii se scurteaza durata medie de viata indiferent daca iradierea a produs leucemie sau cancer

Reactiile imunologice La iradierea cu doze de 1 Gy scad reactiile imunologice si organismele devin vulnerabile la infectii

Pielea desi nu este radiosensibila se mnifesta ca un organ critic avand un prag de toleranta de asymp2mGyzi Prin iradierea mainilor cu doze superioare (5 mGyzi) apar leziuni cutanate cronice sau uscate si atrofice care fisureaza dand ulceratii grave

Cancerele principalele efecte intarziate se caracterizeaza prin faptul ca nu au prag si se produc mai ales cu doze slabe de radiatii Frecventa lor este influentata de o serie de factori printre care se numara doza de radiatie natura radiatiilor sexul varsta si natura tesuturilor iradiate

Dintre toti factorii doza de radiatii este cel mai important iar dintre radiatii particulele α si neutronii sunt cele mai periculoase Radiosensibilitatea organismelor este diferita in functie de sex ea este mai importanta la femei decat la barbati in special pentru sani si tiroida si are un efect invers pentru maduva osoasa si pulmon Totodata efectele difera cu varsta copiii tineri adolescentii si persoanele in varsta fiind mai radiosensibile decat adultii Timpii de latenta sunt foarte variabili si depind in mod esential de natura tesutului iradiat Ei sunt cuprinsi intre 4 si 20 de ani de la iradiere pentru leucemie de 10 ani pentru tumori 22-25 de ani pentru sani etc Cancerul cutanat apare la doze de circa 15 Gy radiatii electromagnetice intre 25 si 40 de ani Cancerul osos apare la doze gt8Gy iar leucemia la doze gt1 Sv Cancerul sanului apare la doze de 020 Gy (la iradieri radiologice) iar cancerul tiroidei la 01 Gy la copii intre 13 si 14 ani

343 Efecte geneticeAlaturi de alti agenti fizico-chimici (substante chimice radiatiile

electromagnetice caldura etc) care pot provoca efecte mutagene se afla si radiatiile ionizante

19

Daca la doze slabe nu s-au inregistrat astfel de efecte la om in schimb printre copiii supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki iradiati cu doze puternice s-au inregistrat cazuri de anomalii genetice semnificative

Pe plan uman singurele informatii de care dispunem sunt descendentii iradiatilor de la Hirosima si Nagasaki si ai pescarilor de la Bikini dar in ambele cazuri dozele nu sunt cunoscute cu precizie In cazul supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki desi au prezentat forme cancerigene pentru doze ridicate (gt1 Gy) nu s-au inregistrat efecte genetice De asemenea in cazul celor 23 marinari pescari de la Bikini iradiati de caderile radioactive cu exceptia unuia care a decedat dupa o sterilitate de doi ani ceilalti au avut copii normali (45 copii) la care nu au fost observate efecte genetice aparente la prima generatie

In modul de evaluare a efectelor genetice se intampla unele dificultati datorate urmatorilor factori caracterul particular al efectelor genetice necesitatea extrapolarii rezultatelor obtinute experimental pe animale la om si de asemenea extrapolarea rezultatelor obtinute experimental cu doze forte la doze slabe

Din investigarile pe animale s-a stabilit ca fercventa anomaliilor genetice se observa la doze gt1 Gy La om anomaliile (de ex structura cromozomilor) reprezinta un risc de 1-10 pe milion de nasteri vii pe centiGy iar mutatiile genetice apar la iradierea celor doi parinti cu o frecventa de 5-65 pe milion de nasteri vii pe centiGy Dupa prima generatie si la echilibru (dupa 5 generatii) frecventa lor este de 40-200 pe milion de nasteri vii pe centiGy pe generatie Mutatiile sunt legate de sexe in sensul ca ele se transmit prin femei In prima generatie numarul de afectiuni adaugat este lt13 pe milion de nasteri vii pe centiGy

Particularitatile mutatiilor genice In functie de sex riscul pentru femeie este mai putin important ca pentru barbat Dupa varsta la femei sunt doua perioade critice principala este perioada reproducerii de la pubertate la menopauza A doua este pana in luna a saptea a vietii fetale La barbat perioada periculoasa se afla intre 20 si 40 ani perioada in care se fac majoritatea fecundarilor

Ipoteza prejudiciului genetic dat de iradierile slabe In mod normal o populatie se afla in echilibru genetic Aparitia de noi mutanti este compensata de eliminarea mutantilor existenti prin decese precoce sau prin fecundari mai putine uneori chiar nule In cazul unor iradieri suplimentare acest echilibru se rupe iar fiecarei generatii i se vor adauga descendentilor mutatiile produse la toate generatiile anterioare (mutanti suplimentari) Ca urmare se vor produce o crestere a mutatiilor letale si a celor dominante precm si o acumulare a mutatiilor primite

344 Efecte biologice teratogene

Efectele teratogene sunt anomalii si malformatii provocate de actiunea unor agenti fizici chimici si infectiosi sau a radiatiilor ionizante asupra embrionului si fetusurilor pe timpul cresterii

Sensblitatea lor la radiatii variaza dupa stadiul dezvoltarii embrionului dar pragul de actiune este foarte net mai jos decat dupa nastere Efectele teratogene sunt ireversibile iar radiatiile ionizante produc aceleasi efecte ca si alti agenti teratogeni Sub actiunea radiatiilor ionizante in functie de stadiul de dezvoltare a embrionului si a fetusurilor se deosebesc urmatoarele

20

- In stadiul de preimplantare iradierea determina fie distrugerea oului fie moartea uneia sau a mai multor celule Aceasta perioada adesea trece neobservata de femeie Doza letala 50 este de 05-06 Gy

- In stadiul de organogeneza cand femeia are consecinte de intarziere si banuiala ca ar fi insarcinata o doza de 01 Gy poate antrena malformatii Aceasta este perioada critica deoarece radiosensibilitatea este maxima

- In stadiul fetal frecventa si gravitatea malformatiilor se diminuiaza In schimb iradierea poate avea o actiune cancerigena care se manifesta la copii tineri Dozele egale sau inferioare la 025 Gy sunt considerate ca fara efect

Cele mai importante consecinte legate de efectele teratogene sunt- malformatiile ca de exemplu cele microcefalice care pot fi insotite de

intarzierea mentala - intarzierea cresterii care are loc la doze puternice (gt1 Gy) printre care se

remarca deficitul ponderal scaderea taliei si a circumferintei capului si o intarziere a osificarii

- cancerul care apare la iradieri in uter cu doze de 002 Gy-mortalitatea intrauterina si neonatala creste In cazul supravietuitorilor de la

Hirosima si Nagasaki ea a fost cu 40 mai mare decat cea normala - efecte genetice nu s-au observat nici printre descendentii celor iradiati in uter cu

ocazia exploziilor nucleare de la Hirosima si NagasakiPe baza acestor observatii se impune luarea unor precautii in cazul femeilor

insarcinte care sunt expuse profesional la doze de radiatii ionizante si excluderea lor de la orice fel de examen radiologic

21

4 Efectele fizice ale radiatiilor ionizante la interactiunea cu substanta

La impactul cu substanta fasciculele de radiatii ionizante sufera procese de atenuare datorita devierii (imprastierii) acestora printr-un mecanism monoact sau prin absorbtie cand isi pierd complet energia pe baza unui mecanism continuu Cele mai importante efecte ale radiatiilor ionizante sunt excitarea si ionizarea care pot fi directe in cazul particulelor incarcate electric sau indirecte in cazul radiatiilor X γ si a neutronilor

41 Interactiunea particulelor grele incarcate cu substanta

Particulele grele incarcate cum sunt radiatiile α protonii deuteronii atomii multiplu ionizati si produsii de fisiune nucleara la impactul cu substanta se atenueaza cu parcurs pe baza unui mecanism de pierderi mici de energie intr-un numar foarte mare de procese de interactiune

Procesul predominant este cel de interactiune cu electronii atomilor si moleculelor probabilitatea de interactiune cu nucleele atomilor fiind foarte mica

Transferul liniar de energie (TLE) notat cu Q realizat prin ciocniri neelastice cu electronii atomilor si ai moleculelor intalnite este dat de relatia lui HA Bethe

[erg∙cm-1]

in care N este numarul de atomi dintr-un cm3 Z ndash sarcina particulei m0 ndash masa de repaus a electronului v ndash viteza e ndash sarcina electronului β = vc J ndash potentialul mediului de excitare al substantei iradiate

In figura 41 se prezinta modul de variatie al numarului particulelor α cu mediul Transferul Q depinde de viteza (v) si de sarcina (Z) a prticulelor grele incidente iar pe o distanta Δx particula pierde o energie ΔE care este data de suma transferurilor Q in cursul ciocnirilor ce au loc pe aceasta distanta ΔE=ΣQ

Fig 41 Variatia numarului particulelor α in unitatea de timp cu distanta parcursa intr-un mediu dat

Atunci cand o particula parcurge un mic segment Δx din traiectoria sa ea sufera numeroase ciocniri cu electronii care se gasesc in vecinatatea traiectoriei sale Raportul S=ΔEΔx se numeste putere de incetinire a particulelor in mediu si reprezinta pierderea specifica de energie fiind dependent de viteza (v) si sarcina (Z) a particulei incidente Distanta maxima pe care o strabate o particula de energie initiala E intr-un mediu dat se numeste parcurs (R) si se exprima in metri El se poate calcula cu ajutorul relatiei

[m]

22

Din cauza fluctuatiei accidentale de ciocniri individuale dintre particulele grele incarcate si atomii mediului parcursurile lor nu sunt riguros egale asa cum se poate observa cu ajutorul unei camere Wilson (fig 42)

Fig 42 Parcursurile particulei α in camera Wilson

La strabaterea mediilor gazoase parcursurile radiatiilor α ating centimetri ( tabelul 41) pe cand in medii lichide si solide descresc mult fiind de ordinul micrometrilor Asa se explica faptul ca o foaie de hartie este suficienta pentru a absorbi complet un fascicul de radiatii α de mare energie Parcursul radiatiilor α in aer se calcleaza cu ajutorul relatiei empirice a lui Bethe R=032 E32 In fig 43 este data dependenta dintre energie si parcursul radiatiilor α

Parcursurile radiatiilor α ale Po si RaC΄ in diferite mediiTabelul 41

Mediul strabatut Parcursul radiatiilor α ale210Po(530 Mev) 214RaC΄(76 MeV)

Aer 00387 m 00698 mHidrogen 01730 m 03250 m

Heliu 0215 m 0390 mArgon 00417 m 0073 m

Alcool etilic 371μm -Aur - 14 μm

Gelatina foto 23 μm 50 μm

Ciocnindu-se cu electronii mediului strabatut particulele α produc efecte dependente de energia Q transferata acestora

Fig 43 Dependenta dintre energie si parcursul particulelor α

a Daca energia transferata (Q) este superioara energiei de legatura a electronilor (asymp10eV) acestia sunt smulsi si azvarliti particulele incidente pastrandu-si directia practic neschimbata fapt pentru care parcursul lor in orice mediu este rectiliniu Atomul caruia i

23

s-a smuls un electon devine ion pozitiv si impreuna cu electronul detasat formeaza o pereche de ioni procesul in ansamblu numindu-se ionizare

Numarul de perechi de ioni creati pe unitatea de lungime se numeste ionizare specifica (j) si este data de raportul dintre patratul atomic Z al particulelor si patratul vitezei particulei (vp)

WL BRAGG studiind variatia numarului de ioni formati in functie de unitatea de lungime a constatat ca ionizarea maxima este atinsa la sfarsitul parcursului (Fig 44)

Fig 44 Curbele de tip Bragg ale Po si RaC΄

b In cazul in care energia tansferata (Q) este inferioara energiei de legatura a electronului acesta nu este detasat din structura atomica sau moleculara de care apartine si se produce excitarea atomului respectiv

Urmarind distributia energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale se obtine o curba de distributie care este reprezentata in fig 45

Fig 45 Curba de distriutie a energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale

Conform acestei curbe energia ε=ΔE pierduta de o particula parcurgand un mic segment Δx din traiectoria sa se repartizeaza astfel

- 30 din energie (100gtQgt10eV) se consuma in excitari - 30 din energie (Qlt10eV) se consuma pentru ionizari- 40 din energie (Qgt100eV) se consuma pentru producerea de electroni

secundari δAceasta repartitie ramane constanta de-a lungul traiectoriei particuleiAutoabsorbtia radiatiilor α Urmarind variatia curentului de ionizare (I) produs

de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva (Fig 46) se observa ca numai in cazul straturilor foarte subtiri se inregistreaza o crestere proportionala a curentului de ionizare cu grosimea stratului activ Pentru o anumita grosime a stratului de substanta ionizarea devine constanta deoarece particulele α emise

24

de straturile inferioare se absorb total in cele superioare Straturile ale caror grosime este egala sau mai mare decat pacursul se numesc straturi ldquogros infiniterdquo

Fig 46 Variatia curentului de ionizare produs de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta rdioactiva

Ecranarea particulelor grele incarcate Particulele grele incarcate in primul

rand radiatiile α au parcursuri foarte mici de ordinul micronilor in corpuri solide fapt pentru care nu ridica probleme speciale de ecranare fiind absorbite total si cu usurinta de toate substantele chiar si de o foaie de hartie De aceea simpla utilizare a manusilor de cauciuc ori a hartiei de filtru in lucrari de laborator cu astfel de substante radioactive sunt masuri suficiente care sa asigure o buna protectie impotriva iradierii externe

Reactiile nucleare ale prticulelor grele incarcate La interactiunea particulelor grele incarcate cu anumite nuclee tomice acestea pot sa sufere transmutatii artificiale In particular radiatiile α emise de unele surse radioactive naturale au importanta istorica deoarece stau la baza unor importante descoperiri cum sunt

- reactiile nucleare (α p) realizate pentru prima data de E RUTHERFORD in anul 1919 au condus la descoperirea primei transmutatii artificiale sinteza izotopului stabil 17O din 14N cu emisia unui proton

In prezent cu ajutorul particulelor α ndash accelerate se prepara numerosi radioizotopi pe baza ecuatiei generale

- reactiile nucleare (α n) au stat la baza descoperirii neutronului de catre CHADWICK in 1932 prin bombardarea beriliului cu radiatii α ale poloniului

Reactiile (α n) prezinta un interes deosebit si datorita faptului ca ele stau la baza surselor de neutroni de laborator Substantele α ndash active cele mai utilizate sunt210Po 226Ra si 239Pu

Sursele Ra ndash α ndash Be emit neutroni cu un spectru energetic continuu cu energii pana la 137 MeV si randament foarte mare la 1 mCi Ra corespund 13 104 ncm2 s fiind sursele cele mai constante din cauza timpului de injumatatire lung al radiului (1600 a)

Tot pe baza reactiei nucleare (α n) sotii JOLIOT-CURIE in anul 1934 iradiind o foita de aluminiu cu particule α au obtinut fosfor radioactiv descoperind radioactivitatea artificiala care a deschis perspective nebanuite fizicii si chimiei nucleare

In prezent sub actiunea particulelor α accelerate se produc numerosi radioizotopi

ai elementelor cu timpi de injumatatire mici pe baza reactiei generale

25

De asemenea sub actiunea particulelor α accelerate au fost sintetizate o parte din elementele transuraniene conform reactiilor

In mod asemanator pot provoca reactii nucleare si alte particule grele accelerate

(protoni deuteroni) Dintre acestea se remarca- reactiile nucleare (p γ) puternic exoenergice cu emisie de fotoni de mare

energie - reactiile nucleare (d n) care stau la baza producerii neutronilor de laborator cu

ajutorul generatoarelor de inalta tensiune Cu ajutorul deuteronilor de 5 MeV s-au sintetizat pentru prima data prin reactii nucleare (d n) tehnetiul si prometiul

- reactiile nucleare (d p) care se produc cu o probabilitate de 10 ori mai mare

decat cele (d n) prezinta interes deoarece conduc la formarea de izotopi ai tintei intocmai ca in cazul reactiilor (nγ) De exemplu 23Na(dp)24Na 31P(d p)32P

Particulele grele incarcate cu energii mai mari de 50 MeV genereaza o serie de reactii nucleare in cascada dezintegrarea cu expulzarea de nucleoni rapizi (p d T) fisiunea nucleara reactii secundare si emisia de nuclee usoare

42 Interactiunea electronilor cu substanta

Fasciculele de electroni emisi de radionuclizii β ndash activi (β- si β+) precum si cei proveniti din generatoare la interactiunea cu substanta se atenueaza pierzand energia de-a lungul parcursului

Datorita unor serii de procese de absorbtie prin ciocniri elastice si neelastice si uneori prin radiatie de franare efectele fizice produse de aceste procese constau din excitarea si ionizarea mediului strabatut iar contributia fiecarui proces in parte este determinata de energia electronilor incidenti precum si de natura materialului absorbant

Imprastierea neelastica electron-electron Dintre toate procesele de interactiune ale electronilor cu substanta predominant este cel de imprastiere la ciocnirea neelastica cu electronii orbitali ai atomilor din mediu deci procesele electron-electron Datorita acestui fapt electronii sufera imprastieri sub unghiuri diferite motiv pentru care drumul fasciculelor de electroni prin mediu nu este rectiliniu ci foarte sinuos (fig 47) De aceea intr-o substanta de o anumita grosime electroni de aceeasi energie parcurg drumuri complet diferite care intrec in lungime 15 ndash 4 ori grosimea stratului penetrat

Fig 47 Drumul sinuos al electronilor prin substanta

26

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

Daca la doze slabe nu s-au inregistrat astfel de efecte la om in schimb printre copiii supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki iradiati cu doze puternice s-au inregistrat cazuri de anomalii genetice semnificative

Pe plan uman singurele informatii de care dispunem sunt descendentii iradiatilor de la Hirosima si Nagasaki si ai pescarilor de la Bikini dar in ambele cazuri dozele nu sunt cunoscute cu precizie In cazul supravietuitorilor de la Hirosima si Nagasaki desi au prezentat forme cancerigene pentru doze ridicate (gt1 Gy) nu s-au inregistrat efecte genetice De asemenea in cazul celor 23 marinari pescari de la Bikini iradiati de caderile radioactive cu exceptia unuia care a decedat dupa o sterilitate de doi ani ceilalti au avut copii normali (45 copii) la care nu au fost observate efecte genetice aparente la prima generatie

In modul de evaluare a efectelor genetice se intampla unele dificultati datorate urmatorilor factori caracterul particular al efectelor genetice necesitatea extrapolarii rezultatelor obtinute experimental pe animale la om si de asemenea extrapolarea rezultatelor obtinute experimental cu doze forte la doze slabe

Din investigarile pe animale s-a stabilit ca fercventa anomaliilor genetice se observa la doze gt1 Gy La om anomaliile (de ex structura cromozomilor) reprezinta un risc de 1-10 pe milion de nasteri vii pe centiGy iar mutatiile genetice apar la iradierea celor doi parinti cu o frecventa de 5-65 pe milion de nasteri vii pe centiGy Dupa prima generatie si la echilibru (dupa 5 generatii) frecventa lor este de 40-200 pe milion de nasteri vii pe centiGy pe generatie Mutatiile sunt legate de sexe in sensul ca ele se transmit prin femei In prima generatie numarul de afectiuni adaugat este lt13 pe milion de nasteri vii pe centiGy

Particularitatile mutatiilor genice In functie de sex riscul pentru femeie este mai putin important ca pentru barbat Dupa varsta la femei sunt doua perioade critice principala este perioada reproducerii de la pubertate la menopauza A doua este pana in luna a saptea a vietii fetale La barbat perioada periculoasa se afla intre 20 si 40 ani perioada in care se fac majoritatea fecundarilor

Ipoteza prejudiciului genetic dat de iradierile slabe In mod normal o populatie se afla in echilibru genetic Aparitia de noi mutanti este compensata de eliminarea mutantilor existenti prin decese precoce sau prin fecundari mai putine uneori chiar nule In cazul unor iradieri suplimentare acest echilibru se rupe iar fiecarei generatii i se vor adauga descendentilor mutatiile produse la toate generatiile anterioare (mutanti suplimentari) Ca urmare se vor produce o crestere a mutatiilor letale si a celor dominante precm si o acumulare a mutatiilor primite

344 Efecte biologice teratogene

Efectele teratogene sunt anomalii si malformatii provocate de actiunea unor agenti fizici chimici si infectiosi sau a radiatiilor ionizante asupra embrionului si fetusurilor pe timpul cresterii

Sensblitatea lor la radiatii variaza dupa stadiul dezvoltarii embrionului dar pragul de actiune este foarte net mai jos decat dupa nastere Efectele teratogene sunt ireversibile iar radiatiile ionizante produc aceleasi efecte ca si alti agenti teratogeni Sub actiunea radiatiilor ionizante in functie de stadiul de dezvoltare a embrionului si a fetusurilor se deosebesc urmatoarele

20

- In stadiul de preimplantare iradierea determina fie distrugerea oului fie moartea uneia sau a mai multor celule Aceasta perioada adesea trece neobservata de femeie Doza letala 50 este de 05-06 Gy

- In stadiul de organogeneza cand femeia are consecinte de intarziere si banuiala ca ar fi insarcinata o doza de 01 Gy poate antrena malformatii Aceasta este perioada critica deoarece radiosensibilitatea este maxima

- In stadiul fetal frecventa si gravitatea malformatiilor se diminuiaza In schimb iradierea poate avea o actiune cancerigena care se manifesta la copii tineri Dozele egale sau inferioare la 025 Gy sunt considerate ca fara efect

Cele mai importante consecinte legate de efectele teratogene sunt- malformatiile ca de exemplu cele microcefalice care pot fi insotite de

intarzierea mentala - intarzierea cresterii care are loc la doze puternice (gt1 Gy) printre care se

remarca deficitul ponderal scaderea taliei si a circumferintei capului si o intarziere a osificarii

- cancerul care apare la iradieri in uter cu doze de 002 Gy-mortalitatea intrauterina si neonatala creste In cazul supravietuitorilor de la

Hirosima si Nagasaki ea a fost cu 40 mai mare decat cea normala - efecte genetice nu s-au observat nici printre descendentii celor iradiati in uter cu

ocazia exploziilor nucleare de la Hirosima si NagasakiPe baza acestor observatii se impune luarea unor precautii in cazul femeilor

insarcinte care sunt expuse profesional la doze de radiatii ionizante si excluderea lor de la orice fel de examen radiologic

21

4 Efectele fizice ale radiatiilor ionizante la interactiunea cu substanta

La impactul cu substanta fasciculele de radiatii ionizante sufera procese de atenuare datorita devierii (imprastierii) acestora printr-un mecanism monoact sau prin absorbtie cand isi pierd complet energia pe baza unui mecanism continuu Cele mai importante efecte ale radiatiilor ionizante sunt excitarea si ionizarea care pot fi directe in cazul particulelor incarcate electric sau indirecte in cazul radiatiilor X γ si a neutronilor

41 Interactiunea particulelor grele incarcate cu substanta

Particulele grele incarcate cum sunt radiatiile α protonii deuteronii atomii multiplu ionizati si produsii de fisiune nucleara la impactul cu substanta se atenueaza cu parcurs pe baza unui mecanism de pierderi mici de energie intr-un numar foarte mare de procese de interactiune

Procesul predominant este cel de interactiune cu electronii atomilor si moleculelor probabilitatea de interactiune cu nucleele atomilor fiind foarte mica

Transferul liniar de energie (TLE) notat cu Q realizat prin ciocniri neelastice cu electronii atomilor si ai moleculelor intalnite este dat de relatia lui HA Bethe

[erg∙cm-1]

in care N este numarul de atomi dintr-un cm3 Z ndash sarcina particulei m0 ndash masa de repaus a electronului v ndash viteza e ndash sarcina electronului β = vc J ndash potentialul mediului de excitare al substantei iradiate

In figura 41 se prezinta modul de variatie al numarului particulelor α cu mediul Transferul Q depinde de viteza (v) si de sarcina (Z) a prticulelor grele incidente iar pe o distanta Δx particula pierde o energie ΔE care este data de suma transferurilor Q in cursul ciocnirilor ce au loc pe aceasta distanta ΔE=ΣQ

Fig 41 Variatia numarului particulelor α in unitatea de timp cu distanta parcursa intr-un mediu dat

Atunci cand o particula parcurge un mic segment Δx din traiectoria sa ea sufera numeroase ciocniri cu electronii care se gasesc in vecinatatea traiectoriei sale Raportul S=ΔEΔx se numeste putere de incetinire a particulelor in mediu si reprezinta pierderea specifica de energie fiind dependent de viteza (v) si sarcina (Z) a particulei incidente Distanta maxima pe care o strabate o particula de energie initiala E intr-un mediu dat se numeste parcurs (R) si se exprima in metri El se poate calcula cu ajutorul relatiei

[m]

22

Din cauza fluctuatiei accidentale de ciocniri individuale dintre particulele grele incarcate si atomii mediului parcursurile lor nu sunt riguros egale asa cum se poate observa cu ajutorul unei camere Wilson (fig 42)

Fig 42 Parcursurile particulei α in camera Wilson

La strabaterea mediilor gazoase parcursurile radiatiilor α ating centimetri ( tabelul 41) pe cand in medii lichide si solide descresc mult fiind de ordinul micrometrilor Asa se explica faptul ca o foaie de hartie este suficienta pentru a absorbi complet un fascicul de radiatii α de mare energie Parcursul radiatiilor α in aer se calcleaza cu ajutorul relatiei empirice a lui Bethe R=032 E32 In fig 43 este data dependenta dintre energie si parcursul radiatiilor α

Parcursurile radiatiilor α ale Po si RaC΄ in diferite mediiTabelul 41

Mediul strabatut Parcursul radiatiilor α ale210Po(530 Mev) 214RaC΄(76 MeV)

Aer 00387 m 00698 mHidrogen 01730 m 03250 m

Heliu 0215 m 0390 mArgon 00417 m 0073 m

Alcool etilic 371μm -Aur - 14 μm

Gelatina foto 23 μm 50 μm

Ciocnindu-se cu electronii mediului strabatut particulele α produc efecte dependente de energia Q transferata acestora

Fig 43 Dependenta dintre energie si parcursul particulelor α

a Daca energia transferata (Q) este superioara energiei de legatura a electronilor (asymp10eV) acestia sunt smulsi si azvarliti particulele incidente pastrandu-si directia practic neschimbata fapt pentru care parcursul lor in orice mediu este rectiliniu Atomul caruia i

23

s-a smuls un electon devine ion pozitiv si impreuna cu electronul detasat formeaza o pereche de ioni procesul in ansamblu numindu-se ionizare

Numarul de perechi de ioni creati pe unitatea de lungime se numeste ionizare specifica (j) si este data de raportul dintre patratul atomic Z al particulelor si patratul vitezei particulei (vp)

WL BRAGG studiind variatia numarului de ioni formati in functie de unitatea de lungime a constatat ca ionizarea maxima este atinsa la sfarsitul parcursului (Fig 44)

Fig 44 Curbele de tip Bragg ale Po si RaC΄

b In cazul in care energia tansferata (Q) este inferioara energiei de legatura a electronului acesta nu este detasat din structura atomica sau moleculara de care apartine si se produce excitarea atomului respectiv

Urmarind distributia energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale se obtine o curba de distributie care este reprezentata in fig 45

Fig 45 Curba de distriutie a energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale

Conform acestei curbe energia ε=ΔE pierduta de o particula parcurgand un mic segment Δx din traiectoria sa se repartizeaza astfel

- 30 din energie (100gtQgt10eV) se consuma in excitari - 30 din energie (Qlt10eV) se consuma pentru ionizari- 40 din energie (Qgt100eV) se consuma pentru producerea de electroni

secundari δAceasta repartitie ramane constanta de-a lungul traiectoriei particuleiAutoabsorbtia radiatiilor α Urmarind variatia curentului de ionizare (I) produs

de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva (Fig 46) se observa ca numai in cazul straturilor foarte subtiri se inregistreaza o crestere proportionala a curentului de ionizare cu grosimea stratului activ Pentru o anumita grosime a stratului de substanta ionizarea devine constanta deoarece particulele α emise

24

de straturile inferioare se absorb total in cele superioare Straturile ale caror grosime este egala sau mai mare decat pacursul se numesc straturi ldquogros infiniterdquo

Fig 46 Variatia curentului de ionizare produs de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta rdioactiva

Ecranarea particulelor grele incarcate Particulele grele incarcate in primul

rand radiatiile α au parcursuri foarte mici de ordinul micronilor in corpuri solide fapt pentru care nu ridica probleme speciale de ecranare fiind absorbite total si cu usurinta de toate substantele chiar si de o foaie de hartie De aceea simpla utilizare a manusilor de cauciuc ori a hartiei de filtru in lucrari de laborator cu astfel de substante radioactive sunt masuri suficiente care sa asigure o buna protectie impotriva iradierii externe

Reactiile nucleare ale prticulelor grele incarcate La interactiunea particulelor grele incarcate cu anumite nuclee tomice acestea pot sa sufere transmutatii artificiale In particular radiatiile α emise de unele surse radioactive naturale au importanta istorica deoarece stau la baza unor importante descoperiri cum sunt

- reactiile nucleare (α p) realizate pentru prima data de E RUTHERFORD in anul 1919 au condus la descoperirea primei transmutatii artificiale sinteza izotopului stabil 17O din 14N cu emisia unui proton

In prezent cu ajutorul particulelor α ndash accelerate se prepara numerosi radioizotopi pe baza ecuatiei generale

- reactiile nucleare (α n) au stat la baza descoperirii neutronului de catre CHADWICK in 1932 prin bombardarea beriliului cu radiatii α ale poloniului

Reactiile (α n) prezinta un interes deosebit si datorita faptului ca ele stau la baza surselor de neutroni de laborator Substantele α ndash active cele mai utilizate sunt210Po 226Ra si 239Pu

Sursele Ra ndash α ndash Be emit neutroni cu un spectru energetic continuu cu energii pana la 137 MeV si randament foarte mare la 1 mCi Ra corespund 13 104 ncm2 s fiind sursele cele mai constante din cauza timpului de injumatatire lung al radiului (1600 a)

Tot pe baza reactiei nucleare (α n) sotii JOLIOT-CURIE in anul 1934 iradiind o foita de aluminiu cu particule α au obtinut fosfor radioactiv descoperind radioactivitatea artificiala care a deschis perspective nebanuite fizicii si chimiei nucleare

In prezent sub actiunea particulelor α accelerate se produc numerosi radioizotopi

ai elementelor cu timpi de injumatatire mici pe baza reactiei generale

25

De asemenea sub actiunea particulelor α accelerate au fost sintetizate o parte din elementele transuraniene conform reactiilor

In mod asemanator pot provoca reactii nucleare si alte particule grele accelerate

(protoni deuteroni) Dintre acestea se remarca- reactiile nucleare (p γ) puternic exoenergice cu emisie de fotoni de mare

energie - reactiile nucleare (d n) care stau la baza producerii neutronilor de laborator cu

ajutorul generatoarelor de inalta tensiune Cu ajutorul deuteronilor de 5 MeV s-au sintetizat pentru prima data prin reactii nucleare (d n) tehnetiul si prometiul

- reactiile nucleare (d p) care se produc cu o probabilitate de 10 ori mai mare

decat cele (d n) prezinta interes deoarece conduc la formarea de izotopi ai tintei intocmai ca in cazul reactiilor (nγ) De exemplu 23Na(dp)24Na 31P(d p)32P

Particulele grele incarcate cu energii mai mari de 50 MeV genereaza o serie de reactii nucleare in cascada dezintegrarea cu expulzarea de nucleoni rapizi (p d T) fisiunea nucleara reactii secundare si emisia de nuclee usoare

42 Interactiunea electronilor cu substanta

Fasciculele de electroni emisi de radionuclizii β ndash activi (β- si β+) precum si cei proveniti din generatoare la interactiunea cu substanta se atenueaza pierzand energia de-a lungul parcursului

Datorita unor serii de procese de absorbtie prin ciocniri elastice si neelastice si uneori prin radiatie de franare efectele fizice produse de aceste procese constau din excitarea si ionizarea mediului strabatut iar contributia fiecarui proces in parte este determinata de energia electronilor incidenti precum si de natura materialului absorbant

Imprastierea neelastica electron-electron Dintre toate procesele de interactiune ale electronilor cu substanta predominant este cel de imprastiere la ciocnirea neelastica cu electronii orbitali ai atomilor din mediu deci procesele electron-electron Datorita acestui fapt electronii sufera imprastieri sub unghiuri diferite motiv pentru care drumul fasciculelor de electroni prin mediu nu este rectiliniu ci foarte sinuos (fig 47) De aceea intr-o substanta de o anumita grosime electroni de aceeasi energie parcurg drumuri complet diferite care intrec in lungime 15 ndash 4 ori grosimea stratului penetrat

Fig 47 Drumul sinuos al electronilor prin substanta

26

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

- In stadiul de preimplantare iradierea determina fie distrugerea oului fie moartea uneia sau a mai multor celule Aceasta perioada adesea trece neobservata de femeie Doza letala 50 este de 05-06 Gy

- In stadiul de organogeneza cand femeia are consecinte de intarziere si banuiala ca ar fi insarcinata o doza de 01 Gy poate antrena malformatii Aceasta este perioada critica deoarece radiosensibilitatea este maxima

- In stadiul fetal frecventa si gravitatea malformatiilor se diminuiaza In schimb iradierea poate avea o actiune cancerigena care se manifesta la copii tineri Dozele egale sau inferioare la 025 Gy sunt considerate ca fara efect

Cele mai importante consecinte legate de efectele teratogene sunt- malformatiile ca de exemplu cele microcefalice care pot fi insotite de

intarzierea mentala - intarzierea cresterii care are loc la doze puternice (gt1 Gy) printre care se

remarca deficitul ponderal scaderea taliei si a circumferintei capului si o intarziere a osificarii

- cancerul care apare la iradieri in uter cu doze de 002 Gy-mortalitatea intrauterina si neonatala creste In cazul supravietuitorilor de la

Hirosima si Nagasaki ea a fost cu 40 mai mare decat cea normala - efecte genetice nu s-au observat nici printre descendentii celor iradiati in uter cu

ocazia exploziilor nucleare de la Hirosima si NagasakiPe baza acestor observatii se impune luarea unor precautii in cazul femeilor

insarcinte care sunt expuse profesional la doze de radiatii ionizante si excluderea lor de la orice fel de examen radiologic

21

4 Efectele fizice ale radiatiilor ionizante la interactiunea cu substanta

La impactul cu substanta fasciculele de radiatii ionizante sufera procese de atenuare datorita devierii (imprastierii) acestora printr-un mecanism monoact sau prin absorbtie cand isi pierd complet energia pe baza unui mecanism continuu Cele mai importante efecte ale radiatiilor ionizante sunt excitarea si ionizarea care pot fi directe in cazul particulelor incarcate electric sau indirecte in cazul radiatiilor X γ si a neutronilor

41 Interactiunea particulelor grele incarcate cu substanta

Particulele grele incarcate cum sunt radiatiile α protonii deuteronii atomii multiplu ionizati si produsii de fisiune nucleara la impactul cu substanta se atenueaza cu parcurs pe baza unui mecanism de pierderi mici de energie intr-un numar foarte mare de procese de interactiune

Procesul predominant este cel de interactiune cu electronii atomilor si moleculelor probabilitatea de interactiune cu nucleele atomilor fiind foarte mica

Transferul liniar de energie (TLE) notat cu Q realizat prin ciocniri neelastice cu electronii atomilor si ai moleculelor intalnite este dat de relatia lui HA Bethe

[erg∙cm-1]

in care N este numarul de atomi dintr-un cm3 Z ndash sarcina particulei m0 ndash masa de repaus a electronului v ndash viteza e ndash sarcina electronului β = vc J ndash potentialul mediului de excitare al substantei iradiate

In figura 41 se prezinta modul de variatie al numarului particulelor α cu mediul Transferul Q depinde de viteza (v) si de sarcina (Z) a prticulelor grele incidente iar pe o distanta Δx particula pierde o energie ΔE care este data de suma transferurilor Q in cursul ciocnirilor ce au loc pe aceasta distanta ΔE=ΣQ

Fig 41 Variatia numarului particulelor α in unitatea de timp cu distanta parcursa intr-un mediu dat

Atunci cand o particula parcurge un mic segment Δx din traiectoria sa ea sufera numeroase ciocniri cu electronii care se gasesc in vecinatatea traiectoriei sale Raportul S=ΔEΔx se numeste putere de incetinire a particulelor in mediu si reprezinta pierderea specifica de energie fiind dependent de viteza (v) si sarcina (Z) a particulei incidente Distanta maxima pe care o strabate o particula de energie initiala E intr-un mediu dat se numeste parcurs (R) si se exprima in metri El se poate calcula cu ajutorul relatiei

[m]

22

Din cauza fluctuatiei accidentale de ciocniri individuale dintre particulele grele incarcate si atomii mediului parcursurile lor nu sunt riguros egale asa cum se poate observa cu ajutorul unei camere Wilson (fig 42)

Fig 42 Parcursurile particulei α in camera Wilson

La strabaterea mediilor gazoase parcursurile radiatiilor α ating centimetri ( tabelul 41) pe cand in medii lichide si solide descresc mult fiind de ordinul micrometrilor Asa se explica faptul ca o foaie de hartie este suficienta pentru a absorbi complet un fascicul de radiatii α de mare energie Parcursul radiatiilor α in aer se calcleaza cu ajutorul relatiei empirice a lui Bethe R=032 E32 In fig 43 este data dependenta dintre energie si parcursul radiatiilor α

Parcursurile radiatiilor α ale Po si RaC΄ in diferite mediiTabelul 41

Mediul strabatut Parcursul radiatiilor α ale210Po(530 Mev) 214RaC΄(76 MeV)

Aer 00387 m 00698 mHidrogen 01730 m 03250 m

Heliu 0215 m 0390 mArgon 00417 m 0073 m

Alcool etilic 371μm -Aur - 14 μm

Gelatina foto 23 μm 50 μm

Ciocnindu-se cu electronii mediului strabatut particulele α produc efecte dependente de energia Q transferata acestora

Fig 43 Dependenta dintre energie si parcursul particulelor α

a Daca energia transferata (Q) este superioara energiei de legatura a electronilor (asymp10eV) acestia sunt smulsi si azvarliti particulele incidente pastrandu-si directia practic neschimbata fapt pentru care parcursul lor in orice mediu este rectiliniu Atomul caruia i

23

s-a smuls un electon devine ion pozitiv si impreuna cu electronul detasat formeaza o pereche de ioni procesul in ansamblu numindu-se ionizare

Numarul de perechi de ioni creati pe unitatea de lungime se numeste ionizare specifica (j) si este data de raportul dintre patratul atomic Z al particulelor si patratul vitezei particulei (vp)

WL BRAGG studiind variatia numarului de ioni formati in functie de unitatea de lungime a constatat ca ionizarea maxima este atinsa la sfarsitul parcursului (Fig 44)

Fig 44 Curbele de tip Bragg ale Po si RaC΄

b In cazul in care energia tansferata (Q) este inferioara energiei de legatura a electronului acesta nu este detasat din structura atomica sau moleculara de care apartine si se produce excitarea atomului respectiv

Urmarind distributia energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale se obtine o curba de distributie care este reprezentata in fig 45

Fig 45 Curba de distriutie a energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale

Conform acestei curbe energia ε=ΔE pierduta de o particula parcurgand un mic segment Δx din traiectoria sa se repartizeaza astfel

- 30 din energie (100gtQgt10eV) se consuma in excitari - 30 din energie (Qlt10eV) se consuma pentru ionizari- 40 din energie (Qgt100eV) se consuma pentru producerea de electroni

secundari δAceasta repartitie ramane constanta de-a lungul traiectoriei particuleiAutoabsorbtia radiatiilor α Urmarind variatia curentului de ionizare (I) produs

de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva (Fig 46) se observa ca numai in cazul straturilor foarte subtiri se inregistreaza o crestere proportionala a curentului de ionizare cu grosimea stratului activ Pentru o anumita grosime a stratului de substanta ionizarea devine constanta deoarece particulele α emise

24

de straturile inferioare se absorb total in cele superioare Straturile ale caror grosime este egala sau mai mare decat pacursul se numesc straturi ldquogros infiniterdquo

Fig 46 Variatia curentului de ionizare produs de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta rdioactiva

Ecranarea particulelor grele incarcate Particulele grele incarcate in primul

rand radiatiile α au parcursuri foarte mici de ordinul micronilor in corpuri solide fapt pentru care nu ridica probleme speciale de ecranare fiind absorbite total si cu usurinta de toate substantele chiar si de o foaie de hartie De aceea simpla utilizare a manusilor de cauciuc ori a hartiei de filtru in lucrari de laborator cu astfel de substante radioactive sunt masuri suficiente care sa asigure o buna protectie impotriva iradierii externe

Reactiile nucleare ale prticulelor grele incarcate La interactiunea particulelor grele incarcate cu anumite nuclee tomice acestea pot sa sufere transmutatii artificiale In particular radiatiile α emise de unele surse radioactive naturale au importanta istorica deoarece stau la baza unor importante descoperiri cum sunt

- reactiile nucleare (α p) realizate pentru prima data de E RUTHERFORD in anul 1919 au condus la descoperirea primei transmutatii artificiale sinteza izotopului stabil 17O din 14N cu emisia unui proton

In prezent cu ajutorul particulelor α ndash accelerate se prepara numerosi radioizotopi pe baza ecuatiei generale

- reactiile nucleare (α n) au stat la baza descoperirii neutronului de catre CHADWICK in 1932 prin bombardarea beriliului cu radiatii α ale poloniului

Reactiile (α n) prezinta un interes deosebit si datorita faptului ca ele stau la baza surselor de neutroni de laborator Substantele α ndash active cele mai utilizate sunt210Po 226Ra si 239Pu

Sursele Ra ndash α ndash Be emit neutroni cu un spectru energetic continuu cu energii pana la 137 MeV si randament foarte mare la 1 mCi Ra corespund 13 104 ncm2 s fiind sursele cele mai constante din cauza timpului de injumatatire lung al radiului (1600 a)

Tot pe baza reactiei nucleare (α n) sotii JOLIOT-CURIE in anul 1934 iradiind o foita de aluminiu cu particule α au obtinut fosfor radioactiv descoperind radioactivitatea artificiala care a deschis perspective nebanuite fizicii si chimiei nucleare

In prezent sub actiunea particulelor α accelerate se produc numerosi radioizotopi

ai elementelor cu timpi de injumatatire mici pe baza reactiei generale

25

De asemenea sub actiunea particulelor α accelerate au fost sintetizate o parte din elementele transuraniene conform reactiilor

In mod asemanator pot provoca reactii nucleare si alte particule grele accelerate

(protoni deuteroni) Dintre acestea se remarca- reactiile nucleare (p γ) puternic exoenergice cu emisie de fotoni de mare

energie - reactiile nucleare (d n) care stau la baza producerii neutronilor de laborator cu

ajutorul generatoarelor de inalta tensiune Cu ajutorul deuteronilor de 5 MeV s-au sintetizat pentru prima data prin reactii nucleare (d n) tehnetiul si prometiul

- reactiile nucleare (d p) care se produc cu o probabilitate de 10 ori mai mare

decat cele (d n) prezinta interes deoarece conduc la formarea de izotopi ai tintei intocmai ca in cazul reactiilor (nγ) De exemplu 23Na(dp)24Na 31P(d p)32P

Particulele grele incarcate cu energii mai mari de 50 MeV genereaza o serie de reactii nucleare in cascada dezintegrarea cu expulzarea de nucleoni rapizi (p d T) fisiunea nucleara reactii secundare si emisia de nuclee usoare

42 Interactiunea electronilor cu substanta

Fasciculele de electroni emisi de radionuclizii β ndash activi (β- si β+) precum si cei proveniti din generatoare la interactiunea cu substanta se atenueaza pierzand energia de-a lungul parcursului

Datorita unor serii de procese de absorbtie prin ciocniri elastice si neelastice si uneori prin radiatie de franare efectele fizice produse de aceste procese constau din excitarea si ionizarea mediului strabatut iar contributia fiecarui proces in parte este determinata de energia electronilor incidenti precum si de natura materialului absorbant

Imprastierea neelastica electron-electron Dintre toate procesele de interactiune ale electronilor cu substanta predominant este cel de imprastiere la ciocnirea neelastica cu electronii orbitali ai atomilor din mediu deci procesele electron-electron Datorita acestui fapt electronii sufera imprastieri sub unghiuri diferite motiv pentru care drumul fasciculelor de electroni prin mediu nu este rectiliniu ci foarte sinuos (fig 47) De aceea intr-o substanta de o anumita grosime electroni de aceeasi energie parcurg drumuri complet diferite care intrec in lungime 15 ndash 4 ori grosimea stratului penetrat

Fig 47 Drumul sinuos al electronilor prin substanta

26

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

4 Efectele fizice ale radiatiilor ionizante la interactiunea cu substanta

La impactul cu substanta fasciculele de radiatii ionizante sufera procese de atenuare datorita devierii (imprastierii) acestora printr-un mecanism monoact sau prin absorbtie cand isi pierd complet energia pe baza unui mecanism continuu Cele mai importante efecte ale radiatiilor ionizante sunt excitarea si ionizarea care pot fi directe in cazul particulelor incarcate electric sau indirecte in cazul radiatiilor X γ si a neutronilor

41 Interactiunea particulelor grele incarcate cu substanta

Particulele grele incarcate cum sunt radiatiile α protonii deuteronii atomii multiplu ionizati si produsii de fisiune nucleara la impactul cu substanta se atenueaza cu parcurs pe baza unui mecanism de pierderi mici de energie intr-un numar foarte mare de procese de interactiune

Procesul predominant este cel de interactiune cu electronii atomilor si moleculelor probabilitatea de interactiune cu nucleele atomilor fiind foarte mica

Transferul liniar de energie (TLE) notat cu Q realizat prin ciocniri neelastice cu electronii atomilor si ai moleculelor intalnite este dat de relatia lui HA Bethe

[erg∙cm-1]

in care N este numarul de atomi dintr-un cm3 Z ndash sarcina particulei m0 ndash masa de repaus a electronului v ndash viteza e ndash sarcina electronului β = vc J ndash potentialul mediului de excitare al substantei iradiate

In figura 41 se prezinta modul de variatie al numarului particulelor α cu mediul Transferul Q depinde de viteza (v) si de sarcina (Z) a prticulelor grele incidente iar pe o distanta Δx particula pierde o energie ΔE care este data de suma transferurilor Q in cursul ciocnirilor ce au loc pe aceasta distanta ΔE=ΣQ

Fig 41 Variatia numarului particulelor α in unitatea de timp cu distanta parcursa intr-un mediu dat

Atunci cand o particula parcurge un mic segment Δx din traiectoria sa ea sufera numeroase ciocniri cu electronii care se gasesc in vecinatatea traiectoriei sale Raportul S=ΔEΔx se numeste putere de incetinire a particulelor in mediu si reprezinta pierderea specifica de energie fiind dependent de viteza (v) si sarcina (Z) a particulei incidente Distanta maxima pe care o strabate o particula de energie initiala E intr-un mediu dat se numeste parcurs (R) si se exprima in metri El se poate calcula cu ajutorul relatiei

[m]

22

Din cauza fluctuatiei accidentale de ciocniri individuale dintre particulele grele incarcate si atomii mediului parcursurile lor nu sunt riguros egale asa cum se poate observa cu ajutorul unei camere Wilson (fig 42)

Fig 42 Parcursurile particulei α in camera Wilson

La strabaterea mediilor gazoase parcursurile radiatiilor α ating centimetri ( tabelul 41) pe cand in medii lichide si solide descresc mult fiind de ordinul micrometrilor Asa se explica faptul ca o foaie de hartie este suficienta pentru a absorbi complet un fascicul de radiatii α de mare energie Parcursul radiatiilor α in aer se calcleaza cu ajutorul relatiei empirice a lui Bethe R=032 E32 In fig 43 este data dependenta dintre energie si parcursul radiatiilor α

Parcursurile radiatiilor α ale Po si RaC΄ in diferite mediiTabelul 41

Mediul strabatut Parcursul radiatiilor α ale210Po(530 Mev) 214RaC΄(76 MeV)

Aer 00387 m 00698 mHidrogen 01730 m 03250 m

Heliu 0215 m 0390 mArgon 00417 m 0073 m

Alcool etilic 371μm -Aur - 14 μm

Gelatina foto 23 μm 50 μm

Ciocnindu-se cu electronii mediului strabatut particulele α produc efecte dependente de energia Q transferata acestora

Fig 43 Dependenta dintre energie si parcursul particulelor α

a Daca energia transferata (Q) este superioara energiei de legatura a electronilor (asymp10eV) acestia sunt smulsi si azvarliti particulele incidente pastrandu-si directia practic neschimbata fapt pentru care parcursul lor in orice mediu este rectiliniu Atomul caruia i

23

s-a smuls un electon devine ion pozitiv si impreuna cu electronul detasat formeaza o pereche de ioni procesul in ansamblu numindu-se ionizare

Numarul de perechi de ioni creati pe unitatea de lungime se numeste ionizare specifica (j) si este data de raportul dintre patratul atomic Z al particulelor si patratul vitezei particulei (vp)

WL BRAGG studiind variatia numarului de ioni formati in functie de unitatea de lungime a constatat ca ionizarea maxima este atinsa la sfarsitul parcursului (Fig 44)

Fig 44 Curbele de tip Bragg ale Po si RaC΄

b In cazul in care energia tansferata (Q) este inferioara energiei de legatura a electronului acesta nu este detasat din structura atomica sau moleculara de care apartine si se produce excitarea atomului respectiv

Urmarind distributia energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale se obtine o curba de distributie care este reprezentata in fig 45

Fig 45 Curba de distriutie a energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale

Conform acestei curbe energia ε=ΔE pierduta de o particula parcurgand un mic segment Δx din traiectoria sa se repartizeaza astfel

- 30 din energie (100gtQgt10eV) se consuma in excitari - 30 din energie (Qlt10eV) se consuma pentru ionizari- 40 din energie (Qgt100eV) se consuma pentru producerea de electroni

secundari δAceasta repartitie ramane constanta de-a lungul traiectoriei particuleiAutoabsorbtia radiatiilor α Urmarind variatia curentului de ionizare (I) produs

de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva (Fig 46) se observa ca numai in cazul straturilor foarte subtiri se inregistreaza o crestere proportionala a curentului de ionizare cu grosimea stratului activ Pentru o anumita grosime a stratului de substanta ionizarea devine constanta deoarece particulele α emise

24

de straturile inferioare se absorb total in cele superioare Straturile ale caror grosime este egala sau mai mare decat pacursul se numesc straturi ldquogros infiniterdquo

Fig 46 Variatia curentului de ionizare produs de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta rdioactiva

Ecranarea particulelor grele incarcate Particulele grele incarcate in primul

rand radiatiile α au parcursuri foarte mici de ordinul micronilor in corpuri solide fapt pentru care nu ridica probleme speciale de ecranare fiind absorbite total si cu usurinta de toate substantele chiar si de o foaie de hartie De aceea simpla utilizare a manusilor de cauciuc ori a hartiei de filtru in lucrari de laborator cu astfel de substante radioactive sunt masuri suficiente care sa asigure o buna protectie impotriva iradierii externe

Reactiile nucleare ale prticulelor grele incarcate La interactiunea particulelor grele incarcate cu anumite nuclee tomice acestea pot sa sufere transmutatii artificiale In particular radiatiile α emise de unele surse radioactive naturale au importanta istorica deoarece stau la baza unor importante descoperiri cum sunt

- reactiile nucleare (α p) realizate pentru prima data de E RUTHERFORD in anul 1919 au condus la descoperirea primei transmutatii artificiale sinteza izotopului stabil 17O din 14N cu emisia unui proton

In prezent cu ajutorul particulelor α ndash accelerate se prepara numerosi radioizotopi pe baza ecuatiei generale

- reactiile nucleare (α n) au stat la baza descoperirii neutronului de catre CHADWICK in 1932 prin bombardarea beriliului cu radiatii α ale poloniului

Reactiile (α n) prezinta un interes deosebit si datorita faptului ca ele stau la baza surselor de neutroni de laborator Substantele α ndash active cele mai utilizate sunt210Po 226Ra si 239Pu

Sursele Ra ndash α ndash Be emit neutroni cu un spectru energetic continuu cu energii pana la 137 MeV si randament foarte mare la 1 mCi Ra corespund 13 104 ncm2 s fiind sursele cele mai constante din cauza timpului de injumatatire lung al radiului (1600 a)

Tot pe baza reactiei nucleare (α n) sotii JOLIOT-CURIE in anul 1934 iradiind o foita de aluminiu cu particule α au obtinut fosfor radioactiv descoperind radioactivitatea artificiala care a deschis perspective nebanuite fizicii si chimiei nucleare

In prezent sub actiunea particulelor α accelerate se produc numerosi radioizotopi

ai elementelor cu timpi de injumatatire mici pe baza reactiei generale

25

De asemenea sub actiunea particulelor α accelerate au fost sintetizate o parte din elementele transuraniene conform reactiilor

In mod asemanator pot provoca reactii nucleare si alte particule grele accelerate

(protoni deuteroni) Dintre acestea se remarca- reactiile nucleare (p γ) puternic exoenergice cu emisie de fotoni de mare

energie - reactiile nucleare (d n) care stau la baza producerii neutronilor de laborator cu

ajutorul generatoarelor de inalta tensiune Cu ajutorul deuteronilor de 5 MeV s-au sintetizat pentru prima data prin reactii nucleare (d n) tehnetiul si prometiul

- reactiile nucleare (d p) care se produc cu o probabilitate de 10 ori mai mare

decat cele (d n) prezinta interes deoarece conduc la formarea de izotopi ai tintei intocmai ca in cazul reactiilor (nγ) De exemplu 23Na(dp)24Na 31P(d p)32P

Particulele grele incarcate cu energii mai mari de 50 MeV genereaza o serie de reactii nucleare in cascada dezintegrarea cu expulzarea de nucleoni rapizi (p d T) fisiunea nucleara reactii secundare si emisia de nuclee usoare

42 Interactiunea electronilor cu substanta

Fasciculele de electroni emisi de radionuclizii β ndash activi (β- si β+) precum si cei proveniti din generatoare la interactiunea cu substanta se atenueaza pierzand energia de-a lungul parcursului

Datorita unor serii de procese de absorbtie prin ciocniri elastice si neelastice si uneori prin radiatie de franare efectele fizice produse de aceste procese constau din excitarea si ionizarea mediului strabatut iar contributia fiecarui proces in parte este determinata de energia electronilor incidenti precum si de natura materialului absorbant

Imprastierea neelastica electron-electron Dintre toate procesele de interactiune ale electronilor cu substanta predominant este cel de imprastiere la ciocnirea neelastica cu electronii orbitali ai atomilor din mediu deci procesele electron-electron Datorita acestui fapt electronii sufera imprastieri sub unghiuri diferite motiv pentru care drumul fasciculelor de electroni prin mediu nu este rectiliniu ci foarte sinuos (fig 47) De aceea intr-o substanta de o anumita grosime electroni de aceeasi energie parcurg drumuri complet diferite care intrec in lungime 15 ndash 4 ori grosimea stratului penetrat

Fig 47 Drumul sinuos al electronilor prin substanta

26

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

Din cauza fluctuatiei accidentale de ciocniri individuale dintre particulele grele incarcate si atomii mediului parcursurile lor nu sunt riguros egale asa cum se poate observa cu ajutorul unei camere Wilson (fig 42)

Fig 42 Parcursurile particulei α in camera Wilson

La strabaterea mediilor gazoase parcursurile radiatiilor α ating centimetri ( tabelul 41) pe cand in medii lichide si solide descresc mult fiind de ordinul micrometrilor Asa se explica faptul ca o foaie de hartie este suficienta pentru a absorbi complet un fascicul de radiatii α de mare energie Parcursul radiatiilor α in aer se calcleaza cu ajutorul relatiei empirice a lui Bethe R=032 E32 In fig 43 este data dependenta dintre energie si parcursul radiatiilor α

Parcursurile radiatiilor α ale Po si RaC΄ in diferite mediiTabelul 41

Mediul strabatut Parcursul radiatiilor α ale210Po(530 Mev) 214RaC΄(76 MeV)

Aer 00387 m 00698 mHidrogen 01730 m 03250 m

Heliu 0215 m 0390 mArgon 00417 m 0073 m

Alcool etilic 371μm -Aur - 14 μm

Gelatina foto 23 μm 50 μm

Ciocnindu-se cu electronii mediului strabatut particulele α produc efecte dependente de energia Q transferata acestora

Fig 43 Dependenta dintre energie si parcursul particulelor α

a Daca energia transferata (Q) este superioara energiei de legatura a electronilor (asymp10eV) acestia sunt smulsi si azvarliti particulele incidente pastrandu-si directia practic neschimbata fapt pentru care parcursul lor in orice mediu este rectiliniu Atomul caruia i

23

s-a smuls un electon devine ion pozitiv si impreuna cu electronul detasat formeaza o pereche de ioni procesul in ansamblu numindu-se ionizare

Numarul de perechi de ioni creati pe unitatea de lungime se numeste ionizare specifica (j) si este data de raportul dintre patratul atomic Z al particulelor si patratul vitezei particulei (vp)

WL BRAGG studiind variatia numarului de ioni formati in functie de unitatea de lungime a constatat ca ionizarea maxima este atinsa la sfarsitul parcursului (Fig 44)

Fig 44 Curbele de tip Bragg ale Po si RaC΄

b In cazul in care energia tansferata (Q) este inferioara energiei de legatura a electronului acesta nu este detasat din structura atomica sau moleculara de care apartine si se produce excitarea atomului respectiv

Urmarind distributia energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale se obtine o curba de distributie care este reprezentata in fig 45

Fig 45 Curba de distriutie a energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale

Conform acestei curbe energia ε=ΔE pierduta de o particula parcurgand un mic segment Δx din traiectoria sa se repartizeaza astfel

- 30 din energie (100gtQgt10eV) se consuma in excitari - 30 din energie (Qlt10eV) se consuma pentru ionizari- 40 din energie (Qgt100eV) se consuma pentru producerea de electroni

secundari δAceasta repartitie ramane constanta de-a lungul traiectoriei particuleiAutoabsorbtia radiatiilor α Urmarind variatia curentului de ionizare (I) produs

de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva (Fig 46) se observa ca numai in cazul straturilor foarte subtiri se inregistreaza o crestere proportionala a curentului de ionizare cu grosimea stratului activ Pentru o anumita grosime a stratului de substanta ionizarea devine constanta deoarece particulele α emise

24

de straturile inferioare se absorb total in cele superioare Straturile ale caror grosime este egala sau mai mare decat pacursul se numesc straturi ldquogros infiniterdquo

Fig 46 Variatia curentului de ionizare produs de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta rdioactiva

Ecranarea particulelor grele incarcate Particulele grele incarcate in primul

rand radiatiile α au parcursuri foarte mici de ordinul micronilor in corpuri solide fapt pentru care nu ridica probleme speciale de ecranare fiind absorbite total si cu usurinta de toate substantele chiar si de o foaie de hartie De aceea simpla utilizare a manusilor de cauciuc ori a hartiei de filtru in lucrari de laborator cu astfel de substante radioactive sunt masuri suficiente care sa asigure o buna protectie impotriva iradierii externe

Reactiile nucleare ale prticulelor grele incarcate La interactiunea particulelor grele incarcate cu anumite nuclee tomice acestea pot sa sufere transmutatii artificiale In particular radiatiile α emise de unele surse radioactive naturale au importanta istorica deoarece stau la baza unor importante descoperiri cum sunt

- reactiile nucleare (α p) realizate pentru prima data de E RUTHERFORD in anul 1919 au condus la descoperirea primei transmutatii artificiale sinteza izotopului stabil 17O din 14N cu emisia unui proton

In prezent cu ajutorul particulelor α ndash accelerate se prepara numerosi radioizotopi pe baza ecuatiei generale

- reactiile nucleare (α n) au stat la baza descoperirii neutronului de catre CHADWICK in 1932 prin bombardarea beriliului cu radiatii α ale poloniului

Reactiile (α n) prezinta un interes deosebit si datorita faptului ca ele stau la baza surselor de neutroni de laborator Substantele α ndash active cele mai utilizate sunt210Po 226Ra si 239Pu

Sursele Ra ndash α ndash Be emit neutroni cu un spectru energetic continuu cu energii pana la 137 MeV si randament foarte mare la 1 mCi Ra corespund 13 104 ncm2 s fiind sursele cele mai constante din cauza timpului de injumatatire lung al radiului (1600 a)

Tot pe baza reactiei nucleare (α n) sotii JOLIOT-CURIE in anul 1934 iradiind o foita de aluminiu cu particule α au obtinut fosfor radioactiv descoperind radioactivitatea artificiala care a deschis perspective nebanuite fizicii si chimiei nucleare

In prezent sub actiunea particulelor α accelerate se produc numerosi radioizotopi

ai elementelor cu timpi de injumatatire mici pe baza reactiei generale

25

De asemenea sub actiunea particulelor α accelerate au fost sintetizate o parte din elementele transuraniene conform reactiilor

In mod asemanator pot provoca reactii nucleare si alte particule grele accelerate

(protoni deuteroni) Dintre acestea se remarca- reactiile nucleare (p γ) puternic exoenergice cu emisie de fotoni de mare

energie - reactiile nucleare (d n) care stau la baza producerii neutronilor de laborator cu

ajutorul generatoarelor de inalta tensiune Cu ajutorul deuteronilor de 5 MeV s-au sintetizat pentru prima data prin reactii nucleare (d n) tehnetiul si prometiul

- reactiile nucleare (d p) care se produc cu o probabilitate de 10 ori mai mare

decat cele (d n) prezinta interes deoarece conduc la formarea de izotopi ai tintei intocmai ca in cazul reactiilor (nγ) De exemplu 23Na(dp)24Na 31P(d p)32P

Particulele grele incarcate cu energii mai mari de 50 MeV genereaza o serie de reactii nucleare in cascada dezintegrarea cu expulzarea de nucleoni rapizi (p d T) fisiunea nucleara reactii secundare si emisia de nuclee usoare

42 Interactiunea electronilor cu substanta

Fasciculele de electroni emisi de radionuclizii β ndash activi (β- si β+) precum si cei proveniti din generatoare la interactiunea cu substanta se atenueaza pierzand energia de-a lungul parcursului

Datorita unor serii de procese de absorbtie prin ciocniri elastice si neelastice si uneori prin radiatie de franare efectele fizice produse de aceste procese constau din excitarea si ionizarea mediului strabatut iar contributia fiecarui proces in parte este determinata de energia electronilor incidenti precum si de natura materialului absorbant

Imprastierea neelastica electron-electron Dintre toate procesele de interactiune ale electronilor cu substanta predominant este cel de imprastiere la ciocnirea neelastica cu electronii orbitali ai atomilor din mediu deci procesele electron-electron Datorita acestui fapt electronii sufera imprastieri sub unghiuri diferite motiv pentru care drumul fasciculelor de electroni prin mediu nu este rectiliniu ci foarte sinuos (fig 47) De aceea intr-o substanta de o anumita grosime electroni de aceeasi energie parcurg drumuri complet diferite care intrec in lungime 15 ndash 4 ori grosimea stratului penetrat

Fig 47 Drumul sinuos al electronilor prin substanta

26

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

s-a smuls un electon devine ion pozitiv si impreuna cu electronul detasat formeaza o pereche de ioni procesul in ansamblu numindu-se ionizare

Numarul de perechi de ioni creati pe unitatea de lungime se numeste ionizare specifica (j) si este data de raportul dintre patratul atomic Z al particulelor si patratul vitezei particulei (vp)

WL BRAGG studiind variatia numarului de ioni formati in functie de unitatea de lungime a constatat ca ionizarea maxima este atinsa la sfarsitul parcursului (Fig 44)

Fig 44 Curbele de tip Bragg ale Po si RaC΄

b In cazul in care energia tansferata (Q) este inferioara energiei de legatura a electronului acesta nu este detasat din structura atomica sau moleculara de care apartine si se produce excitarea atomului respectiv

Urmarind distributia energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale se obtine o curba de distributie care este reprezentata in fig 45

Fig 45 Curba de distriutie a energiei pierdute de o particula incidenta in functie de transformarile individuale

Conform acestei curbe energia ε=ΔE pierduta de o particula parcurgand un mic segment Δx din traiectoria sa se repartizeaza astfel

- 30 din energie (100gtQgt10eV) se consuma in excitari - 30 din energie (Qlt10eV) se consuma pentru ionizari- 40 din energie (Qgt100eV) se consuma pentru producerea de electroni

secundari δAceasta repartitie ramane constanta de-a lungul traiectoriei particuleiAutoabsorbtia radiatiilor α Urmarind variatia curentului de ionizare (I) produs

de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva (Fig 46) se observa ca numai in cazul straturilor foarte subtiri se inregistreaza o crestere proportionala a curentului de ionizare cu grosimea stratului activ Pentru o anumita grosime a stratului de substanta ionizarea devine constanta deoarece particulele α emise

24

de straturile inferioare se absorb total in cele superioare Straturile ale caror grosime este egala sau mai mare decat pacursul se numesc straturi ldquogros infiniterdquo

Fig 46 Variatia curentului de ionizare produs de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta rdioactiva

Ecranarea particulelor grele incarcate Particulele grele incarcate in primul

rand radiatiile α au parcursuri foarte mici de ordinul micronilor in corpuri solide fapt pentru care nu ridica probleme speciale de ecranare fiind absorbite total si cu usurinta de toate substantele chiar si de o foaie de hartie De aceea simpla utilizare a manusilor de cauciuc ori a hartiei de filtru in lucrari de laborator cu astfel de substante radioactive sunt masuri suficiente care sa asigure o buna protectie impotriva iradierii externe

Reactiile nucleare ale prticulelor grele incarcate La interactiunea particulelor grele incarcate cu anumite nuclee tomice acestea pot sa sufere transmutatii artificiale In particular radiatiile α emise de unele surse radioactive naturale au importanta istorica deoarece stau la baza unor importante descoperiri cum sunt

- reactiile nucleare (α p) realizate pentru prima data de E RUTHERFORD in anul 1919 au condus la descoperirea primei transmutatii artificiale sinteza izotopului stabil 17O din 14N cu emisia unui proton

In prezent cu ajutorul particulelor α ndash accelerate se prepara numerosi radioizotopi pe baza ecuatiei generale

- reactiile nucleare (α n) au stat la baza descoperirii neutronului de catre CHADWICK in 1932 prin bombardarea beriliului cu radiatii α ale poloniului

Reactiile (α n) prezinta un interes deosebit si datorita faptului ca ele stau la baza surselor de neutroni de laborator Substantele α ndash active cele mai utilizate sunt210Po 226Ra si 239Pu

Sursele Ra ndash α ndash Be emit neutroni cu un spectru energetic continuu cu energii pana la 137 MeV si randament foarte mare la 1 mCi Ra corespund 13 104 ncm2 s fiind sursele cele mai constante din cauza timpului de injumatatire lung al radiului (1600 a)

Tot pe baza reactiei nucleare (α n) sotii JOLIOT-CURIE in anul 1934 iradiind o foita de aluminiu cu particule α au obtinut fosfor radioactiv descoperind radioactivitatea artificiala care a deschis perspective nebanuite fizicii si chimiei nucleare

In prezent sub actiunea particulelor α accelerate se produc numerosi radioizotopi

ai elementelor cu timpi de injumatatire mici pe baza reactiei generale

25

De asemenea sub actiunea particulelor α accelerate au fost sintetizate o parte din elementele transuraniene conform reactiilor

In mod asemanator pot provoca reactii nucleare si alte particule grele accelerate

(protoni deuteroni) Dintre acestea se remarca- reactiile nucleare (p γ) puternic exoenergice cu emisie de fotoni de mare

energie - reactiile nucleare (d n) care stau la baza producerii neutronilor de laborator cu

ajutorul generatoarelor de inalta tensiune Cu ajutorul deuteronilor de 5 MeV s-au sintetizat pentru prima data prin reactii nucleare (d n) tehnetiul si prometiul

- reactiile nucleare (d p) care se produc cu o probabilitate de 10 ori mai mare

decat cele (d n) prezinta interes deoarece conduc la formarea de izotopi ai tintei intocmai ca in cazul reactiilor (nγ) De exemplu 23Na(dp)24Na 31P(d p)32P

Particulele grele incarcate cu energii mai mari de 50 MeV genereaza o serie de reactii nucleare in cascada dezintegrarea cu expulzarea de nucleoni rapizi (p d T) fisiunea nucleara reactii secundare si emisia de nuclee usoare

42 Interactiunea electronilor cu substanta

Fasciculele de electroni emisi de radionuclizii β ndash activi (β- si β+) precum si cei proveniti din generatoare la interactiunea cu substanta se atenueaza pierzand energia de-a lungul parcursului

Datorita unor serii de procese de absorbtie prin ciocniri elastice si neelastice si uneori prin radiatie de franare efectele fizice produse de aceste procese constau din excitarea si ionizarea mediului strabatut iar contributia fiecarui proces in parte este determinata de energia electronilor incidenti precum si de natura materialului absorbant

Imprastierea neelastica electron-electron Dintre toate procesele de interactiune ale electronilor cu substanta predominant este cel de imprastiere la ciocnirea neelastica cu electronii orbitali ai atomilor din mediu deci procesele electron-electron Datorita acestui fapt electronii sufera imprastieri sub unghiuri diferite motiv pentru care drumul fasciculelor de electroni prin mediu nu este rectiliniu ci foarte sinuos (fig 47) De aceea intr-o substanta de o anumita grosime electroni de aceeasi energie parcurg drumuri complet diferite care intrec in lungime 15 ndash 4 ori grosimea stratului penetrat

Fig 47 Drumul sinuos al electronilor prin substanta

26

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

de straturile inferioare se absorb total in cele superioare Straturile ale caror grosime este egala sau mai mare decat pacursul se numesc straturi ldquogros infiniterdquo

Fig 46 Variatia curentului de ionizare produs de radiatiile α in functie de grosimea stratului de substanta rdioactiva

Ecranarea particulelor grele incarcate Particulele grele incarcate in primul

rand radiatiile α au parcursuri foarte mici de ordinul micronilor in corpuri solide fapt pentru care nu ridica probleme speciale de ecranare fiind absorbite total si cu usurinta de toate substantele chiar si de o foaie de hartie De aceea simpla utilizare a manusilor de cauciuc ori a hartiei de filtru in lucrari de laborator cu astfel de substante radioactive sunt masuri suficiente care sa asigure o buna protectie impotriva iradierii externe

Reactiile nucleare ale prticulelor grele incarcate La interactiunea particulelor grele incarcate cu anumite nuclee tomice acestea pot sa sufere transmutatii artificiale In particular radiatiile α emise de unele surse radioactive naturale au importanta istorica deoarece stau la baza unor importante descoperiri cum sunt

- reactiile nucleare (α p) realizate pentru prima data de E RUTHERFORD in anul 1919 au condus la descoperirea primei transmutatii artificiale sinteza izotopului stabil 17O din 14N cu emisia unui proton

In prezent cu ajutorul particulelor α ndash accelerate se prepara numerosi radioizotopi pe baza ecuatiei generale

- reactiile nucleare (α n) au stat la baza descoperirii neutronului de catre CHADWICK in 1932 prin bombardarea beriliului cu radiatii α ale poloniului

Reactiile (α n) prezinta un interes deosebit si datorita faptului ca ele stau la baza surselor de neutroni de laborator Substantele α ndash active cele mai utilizate sunt210Po 226Ra si 239Pu

Sursele Ra ndash α ndash Be emit neutroni cu un spectru energetic continuu cu energii pana la 137 MeV si randament foarte mare la 1 mCi Ra corespund 13 104 ncm2 s fiind sursele cele mai constante din cauza timpului de injumatatire lung al radiului (1600 a)

Tot pe baza reactiei nucleare (α n) sotii JOLIOT-CURIE in anul 1934 iradiind o foita de aluminiu cu particule α au obtinut fosfor radioactiv descoperind radioactivitatea artificiala care a deschis perspective nebanuite fizicii si chimiei nucleare

In prezent sub actiunea particulelor α accelerate se produc numerosi radioizotopi

ai elementelor cu timpi de injumatatire mici pe baza reactiei generale

25

De asemenea sub actiunea particulelor α accelerate au fost sintetizate o parte din elementele transuraniene conform reactiilor

In mod asemanator pot provoca reactii nucleare si alte particule grele accelerate

(protoni deuteroni) Dintre acestea se remarca- reactiile nucleare (p γ) puternic exoenergice cu emisie de fotoni de mare

energie - reactiile nucleare (d n) care stau la baza producerii neutronilor de laborator cu

ajutorul generatoarelor de inalta tensiune Cu ajutorul deuteronilor de 5 MeV s-au sintetizat pentru prima data prin reactii nucleare (d n) tehnetiul si prometiul

- reactiile nucleare (d p) care se produc cu o probabilitate de 10 ori mai mare

decat cele (d n) prezinta interes deoarece conduc la formarea de izotopi ai tintei intocmai ca in cazul reactiilor (nγ) De exemplu 23Na(dp)24Na 31P(d p)32P

Particulele grele incarcate cu energii mai mari de 50 MeV genereaza o serie de reactii nucleare in cascada dezintegrarea cu expulzarea de nucleoni rapizi (p d T) fisiunea nucleara reactii secundare si emisia de nuclee usoare

42 Interactiunea electronilor cu substanta

Fasciculele de electroni emisi de radionuclizii β ndash activi (β- si β+) precum si cei proveniti din generatoare la interactiunea cu substanta se atenueaza pierzand energia de-a lungul parcursului

Datorita unor serii de procese de absorbtie prin ciocniri elastice si neelastice si uneori prin radiatie de franare efectele fizice produse de aceste procese constau din excitarea si ionizarea mediului strabatut iar contributia fiecarui proces in parte este determinata de energia electronilor incidenti precum si de natura materialului absorbant

Imprastierea neelastica electron-electron Dintre toate procesele de interactiune ale electronilor cu substanta predominant este cel de imprastiere la ciocnirea neelastica cu electronii orbitali ai atomilor din mediu deci procesele electron-electron Datorita acestui fapt electronii sufera imprastieri sub unghiuri diferite motiv pentru care drumul fasciculelor de electroni prin mediu nu este rectiliniu ci foarte sinuos (fig 47) De aceea intr-o substanta de o anumita grosime electroni de aceeasi energie parcurg drumuri complet diferite care intrec in lungime 15 ndash 4 ori grosimea stratului penetrat

Fig 47 Drumul sinuos al electronilor prin substanta

26

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

De asemenea sub actiunea particulelor α accelerate au fost sintetizate o parte din elementele transuraniene conform reactiilor

In mod asemanator pot provoca reactii nucleare si alte particule grele accelerate

(protoni deuteroni) Dintre acestea se remarca- reactiile nucleare (p γ) puternic exoenergice cu emisie de fotoni de mare

energie - reactiile nucleare (d n) care stau la baza producerii neutronilor de laborator cu

ajutorul generatoarelor de inalta tensiune Cu ajutorul deuteronilor de 5 MeV s-au sintetizat pentru prima data prin reactii nucleare (d n) tehnetiul si prometiul

- reactiile nucleare (d p) care se produc cu o probabilitate de 10 ori mai mare

decat cele (d n) prezinta interes deoarece conduc la formarea de izotopi ai tintei intocmai ca in cazul reactiilor (nγ) De exemplu 23Na(dp)24Na 31P(d p)32P

Particulele grele incarcate cu energii mai mari de 50 MeV genereaza o serie de reactii nucleare in cascada dezintegrarea cu expulzarea de nucleoni rapizi (p d T) fisiunea nucleara reactii secundare si emisia de nuclee usoare

42 Interactiunea electronilor cu substanta

Fasciculele de electroni emisi de radionuclizii β ndash activi (β- si β+) precum si cei proveniti din generatoare la interactiunea cu substanta se atenueaza pierzand energia de-a lungul parcursului

Datorita unor serii de procese de absorbtie prin ciocniri elastice si neelastice si uneori prin radiatie de franare efectele fizice produse de aceste procese constau din excitarea si ionizarea mediului strabatut iar contributia fiecarui proces in parte este determinata de energia electronilor incidenti precum si de natura materialului absorbant

Imprastierea neelastica electron-electron Dintre toate procesele de interactiune ale electronilor cu substanta predominant este cel de imprastiere la ciocnirea neelastica cu electronii orbitali ai atomilor din mediu deci procesele electron-electron Datorita acestui fapt electronii sufera imprastieri sub unghiuri diferite motiv pentru care drumul fasciculelor de electroni prin mediu nu este rectiliniu ci foarte sinuos (fig 47) De aceea intr-o substanta de o anumita grosime electroni de aceeasi energie parcurg drumuri complet diferite care intrec in lungime 15 ndash 4 ori grosimea stratului penetrat

Fig 47 Drumul sinuos al electronilor prin substanta

26

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

Imprastierea elastica electron ndash nucleu Electronii care trec foarte aproape de un nucleu in urma unei ciocniri elastice vor fi imprastiati din fascicul sub unghiuri diferite care ajung pana la 1800 Fenomenul care poarta numele de retrodifuzie este cu atat mai important cu cat are loc cu elemente cu numere de ordine Z mari la elemente cu Z mic fenomenul fiind neglijabil Datorita aparitiei acestui fenomen se aleg cu grija suporturile pe care se pun substantele β ndash active in vederea masurarii utilizandu-se materiale cu densitati mici (hartie plexiglas aluminiu etc) Fenomenul de retrodifuzie a radiatiilor β si-a gasit aplicarea practica in analiza chimica elaborandu-se metode de determinare a elementelor grele in prezenta elementelor usoare precum si a concentratiei in solutie a unor substante cu densitate mare (H2SO4 etc)

Radiatia de franare (Bremsstrahlung) La interactiunea electronilor rapizi cu substanta o alta sursa de pierdere de energie este cea de franare in campul columbian al nucleelor grele Prin aceasta electronii sunt incetiniti si deviati in alte directii (fig 48) energia cheltuita fiind iradiata sub forma de fotoni luand nastere radiatia de franare Fenomenul este cu atat mai important cu cat energia electronilor incidenti (Wmax) este mai mare iar substanta cu cat interactioneaza are numarul atomic Z mai mare Intensitatea radiatiei de franare (Jx) este data de relatia

J fiind intensitatea fasciculului existent de electroni Toate procesele la care ne-am referit au ca efect ionizarea si excitarea atomilor si moleculelor mediului strabatut cand electronii isi pierd treptat energia pana cand ajung la energia corespunzatoare miscarii termice cand sunt absorbiti de substanta cu care interactioneaza Totodata procesului de ionizare primara care reprezinta numai 20 - 30 din ionizarea totala i se adauga si un proces de ionizare secundara (70 ndash 80) El se datoreaza faptului ca o parte din electronii substantei rezultati in urma ciocnirilor cu radiatiile β primesc o energie de circa 25 din energia electronilor incidenti fiind capabili sa produca noi procese de ionizare (ionizare secundara) Astfel de electroni numiti δ sau secundari cu energii mai mici de 100 keV se indeparteaza de la traiectoria particulelor initiale formand ciorchini de ioni secundari

Fig 48 Franarea unui electron in campul columbian al unui nucleu

Pentru formarea unei perechi de ioni in aer se cheltuie o energie de 325 eV Numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de lungime (cm) prin procese de ionizare primara se numeste densitate de ionizare sau ionizare specifica

27

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

In general densitatea de ionizare datorata electronilor este mica un electron cu energia de 1 meV fiind capabil sa formeze in medie un numar de circa 90 perechi pe cm De aceea electronii pot strabate distante mari in aer care pot ajunge la cativa metri

Pentru calcularea densitatii de ionizare (j) se foloseste relatia

jasymp135 ∙ 1012 v2 [ionicm]

unde v este viteza particulelor in cmsAtenuarea fasciculelor de electroni Atenuarea fasciculelor de electroni

monocinetici de intensitate initiala I0 intr-un strat absorbant de grosime x se face pe baza unei relatii exponentiale dar cu parcurs (fig 49)

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul de atenuare liniara

Fig 49 Curba de atenuare cu parcurs a electronilor monoenergeticiCoeficientul de atenuare liniara (μ) este inversul distantei la care intensitatea

fasciculului care strabate un mediu se reduce la 1e din valoarea initiala El se exprima in cm-1 sau in m-1 in SI

Grosimea stratului dintr-o substanta data care interpusa pe traiectoria unui fascicul de radiatii dat provoaca o atenuare a intensitatii fasciculului la jumatate din valoarea sa poarta denumirea de grosime de injumatatire (x12 ) si se exprima in cm

In cazul in care x = x12 si I=I0 e-μx

de unde

Raportul dintre coeficientul de atenuare liniara (μ) si densitate (ρ) a mediului se numeste coeficient de atenuare masic (μρ) si se exprima in cm2g respectiv in m2kg in SI

In mod corespunzator luand in considerare densitatea (ρ) se poate vorbi si de o masa superficiala de injumatatire (Δ12)

care se exprima in gcm2 sau kgm2 in SI

Parcursul electronilor Analizand curba de atenuare a electronilor monoenergetice intr-un absorbant se observa ca atenuarea nu se face dupa o relatie

28

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

exponentiala perfecta (fig 49) deoarece exista o valoare (R) la care curba intersecteaza axa absciselor

Determinarea parcursului maxim (R) se face grafic cu ajutorul curbei de atenuare construita in coordonate semialgoritmice reprezentand 1g I0I in functie de grosimea stratului de absorbte in gcm2 (fig 410)

Fig 410 Determinarea grafica a parcursului maxim

Autoabsorbtia electronilor Deoarece electronii pot fi absorbiti chiar in stratul de substanta radioactiva se observa ca activitatea (Λ) a unui preparat β-activ nu este liniara in functie de grosimea stratului de substanta radioactiva iar de la o anumita valoare ramane constanta (fig 411) Pentru evitarea erorilor cauzate de procesul de autoabsorbtie este necesar sa se lucreze cu preparate ldquogros infiniterdquo

Fig 411 Variatia activitatii relative cu grosimea stratului de substanta activa

Ecranarea fasciculelor de electroni O particularitate fundamentala legata de ecranarea electronilor este aceea ca atenuarea lor se face cu parcurs Ca urmare grosimea ecranelor nu depinde de intensitatea fasciculului de electroni si nici de activitatea sursei ci de marimea parcursului De aceea conditia ca un ecran sa absoarba total electronii dintr-un fascicul este ca el sa aiba grosimea cel putin egala cu a parcursului maxim al electronilor Practic un ecran de aluminiu sau plexiglas gros de 10 mm atenueaza complet radiatiile β ale tuturor surselor utilizate in mod curent Din fig 412 se vede cum variaza grosimea ecranelor de diferite materiale in functie de energia electronilor

In cazurile de atenuare in care apare radiatia de franare este necesara o ecranare suplimentara pentru reducerea ei Ecranarile suplimentare se fac in cazul emisiilor de radiatii γ cand in urma anihilarii pozitronului cu electronii mediului rezulta doi fotoni γ fiecare cu o energie de 05 MeV

Cele mai bune materiale pentru ecranarea electronilor sunt substantele usoare in special sticla aluminiul precum si cele cu continut mare de hidrogen apa plexiglas bachelita masele plastice si altele care absorb bine fasciculele de electroni

29

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

Fig 412 Dependenta grosimii ecranelor de diferite materiale de energia radiatiilor β

43 Interactiunea radiatiilor electromagnetice penetrante (X si γ) cu substanta

La interactiunea cu substanta fasciculele de fotoni (Radiatii X sau γ) pot pierde energia in mai multe moduri dintre care cele mai importante sunt efectul fotoelectric efectul Compton si formarea de perechi de electroni care conduc la transformarea radiatiei electromagnetice in radiatie electronica secundara

Efectul fotoelectric este caracteristic interactiunii fotonilor cu energie joasa si substantelor cu Z mare El se datoreaza ciocnirii directe dintre un foton γ cu un electron (fig 413) de pe una din orbitele atomului de obicei din cele interioare cand acesta transmite intreaga sa energie unui singur electron Ca urmare electronul este smuls din atom si expulzat cu o energie cinetica Ec egala cu diferenta dintre energia hv a fotonului γ incident si energia de legtura (El) a electronului in atom

Ec = hv - El

In urma acestui proces rezulta o radiatie electronica secundara Directia electronului expulzat coincide cu atat mai mult cu directia initiala a fotonului γ cu cat energia acestuia este mai mare Totodata locul electronului expulzat va fi ocupat de un alt electron emitandu-se un foton asa numita radiatie de fluorescenta sau de imprastiere Efectul fotoelectric nu poate fi generat de interactiunea dintre fotoni si electronii liberi deoarece impulsul nu se poate conserva

Fig 413 Atenuarea fotonilor γ prin efect fotoelectric

Efectul Compton este predominant in cazul interactiunii fotonilor γ de energii medii (1-5MeV) cu electronii liberi sau slab legati ai substantelor cu numar atomic mare Procesul consta dintr-o ciocnire elastica in urma careia cuanta γ isi pierde o parte din energia initiala (hv) si isi schimba directia de miscare iar electronul ciocnit sufera o miscare de recul (fig 414) Dupa ciocnire fotonul este imprastiat (difuzat) cu o energie mai mica (hv) si o lungime de unda λ mai mare decat a celei incidente (λ) Energia cinetica (Ec) primita de electron este data de relatia

Ec= hv - hv

30

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

La randul lor cuantele γ imprastiate interactioneaza din nou cu electronii atomilor din mediul strabatut fiind dublu triplu difuzati etc

Fig 414 Atenuarea fotonilor γ prin efect Compton

Formarea de perechi de electroni este un proces de interactiune caracteristic fotonilor γ de mare energie crescand proportional cu patratul numarului atomic al substantei strabatute El consta din generarea unei perechi de electroni (e - si e+) la absorbtia totala si puternica a unui foton γ cu energia mai mare decat 102 MeV in campul coulombian al unui nucleu greu ( fig 415) Energia fotonului incident trebuie sa fie mai mare decat 102 MeV deoarece conform legii conservarii energiei 102 MeV din energia fotonului incident se consuma pentru formarea perechii de electroni (masa de repaus a electronului este echivalenta cu 051 MeV) iar restul se transmite perechii de electroni sub forma de energie cinetica Ec

+ si Ec-

hv=2m0c2 + Ec+ + Ec

-

Dupa ce energia perechii de electroni ajunge la zero in urma interactiunilor cu substanta electronul (e-) se uneste cu un atom sau molecula fomand un ion negativ iar pozitronul (e+) la intalnire cu un electron se anihileaza generand doua cuante γ fiecare cu energie de 051 MeV care au aceeasi directie si sensuri opuse

Fig 415 Atenuarea fotonilor γ prin formarea de perechi de electroni - pozitroni

Din cele expuse rezulta ca la trecerea prin substanta radiatia electromagnetica se atenueaza in principal in urma efectelor fotoelectric Compton si cu formare de perechi de electroni care in continuare interactioneaza cu mediul prin procese specifice radiatiei electronice Contributia acestor efecte este dependenta de energia fotonilor γ incidenti si a numarului atomic Z al atenuatorului (fig 416)

31

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

Fig 416 Contributia efectelor specifice atenuarii fotonilor γ in functie de numarul atomic Z al substantei si de energia fotonilor γ

Atenuarea radiatiei electromagnetice se face in mod continuu intensitatea fasciculului de fotoni γ scazand treptat asimptotic fara a deveni nula (fig 417) oricat s-ar mari grosimea x a atenuatorului conform ecuatiei exponentiale

I=I0e-μx

in care μ este coeficientul liniar de atenuare total exprimat in cm-1 El se compune aditiv din coeficientii de atenuare datorati celor trei efecte

μ = τ + ξ + χ

unde τ este coeficientul de atenuare prin efect fotoelectric ξ ndash coeficientul de atenuare prin efect Compton χ ndash coeficientul de atenuare prin formare de perechi

Fig 417 Curba de atenuare exponentiala a fotonilor γ in functie de grosimea substantei

La randul lor acesti coeficienti tin cont de atenuarea prin absorbtie si imprastiere In fig 418 se prezinta dependenta coeficientilor de atenuare in plumb de energia fotonilor γ

In procesul de atenuare al fotonilor γ neexistand un parcurs limita superior in practica se lucreaza cu grosimea de semiatenuare (x12) care reduce intensitatea fasciculului de fotoni γ la jumatate si se exprima in cm iar coeficientul liniar de atenuare se raporteaza la densitatea atenuatorului μρ fiind denumit coeficient de atenuare masic care se exprima in cm2g sau m2kg in SI

32

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

Fig 418Variatia coeficientilor de atenuare in plumb cu energia fotonilor γ

Ionizarea mediului de catre radiatiile electromagnetice penetrante se datoreaza aproape 100 proceselor secundare mai ales fotoelectronilor si electronilor Compton care prin interactiuni repetate isi cheltuiesc energia preluata in fenomenul care i-a generat

Fotodezintegrarea In cazul fotonilor cu energii peste 7 ndash 8 MeV la interactiunea cu nucleele este posibila producerea de reactii nucleare In cadrul acestora nucleul care capteaza o cuanta cu energie de circa 20MeV se excita si elimina un neutron proton sau chiar mai multe particule rezultand reactii fotonucleare de tipul (γn) (γp) (γd) chiar (γα) De exemplu

Se cunosc doua exceptii cand fotonii γ cu energii sub 5 MeV pot provoca reactii de fotodezintegrare cu emisie de neutroni si Fotonii γ cu energii peste 100 MeV provoaca reactii nucleare cu eliberarea unui numar mai mare de particule

Ecranarea radiatiilor electromagnetice penetrante La atenuarea fotonilor γ trebuiesc avute in vedere urmatoarele particularitati

- fenomenul de atenuare avand un caracter exponential si fara parcurs radiatiile γ nu pot fi ecranate complet oricat de gros ar fi ecranul dar se pot reduce pana la o valoare neprimejdioasa

- grosimea ecranului depinde de activitatea sursei de energia radiatiei si de distanta dintre sursa si operator

- deoarece ecranul reduce numai numarul fotonilor dintr-un fascicul fara a-i incetini fotonii care au traversat un ecran isi pastreaza energia initiala

Atenuarea facandu-se cu atat mai bine cu cat numarul atomic al elementelor din care este confectionat ecranul este mai mare in practica se utilizeaza plumbul sticla de plumb fierul si betonul greu (cu baritina) captusite spre operator cu o substanta usoara (de exemplu 5 mm plexiglas) care sa absoarba electronii rezultati prin efect fotoelectric Compton sau formare de perechi

Grosimea ecranului impotriva radiatiilor electromagnetice se stabileste cu ajutorul relatiei

33

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

D = Dxeμx iar x = lnDx ndash lnDμ

unde D si Dx sunt dozele de radiatii dupa ecran respectiv la distanta x μ ndash coeficientul liniar de atenuare dat in functie de energia fotonilor γ iar x ndash grosimea ecranului

In practica se folosesc tabele si grafice speciale cum este graficul lui Failla (fig 419) care permite determinarea numarului de straturi de injumtatire de plumb necesare pentru atenuarea radiatiilor electromagnetice pana la doza admisibila

Conform acestui grafic dreptele inclinate spre stanga corespund dozei exprimata in Rmin la distanta de un metru de sursa iar cele inclinate spre dreapta distantei dintre sursa si operator Ducand o paralela la axa absciselor din punctul unde aceste drepte se intretaie se obtine numarul (n) de straturi de injumatatire (x12) capabile sa reduca doza data la doza maxima admisibila Cunoscand valoarea lui n grosimea ecranului (x) va fi

x = n ∙ x12

Fig 419 Graficul lui Failla

34

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35

Bibliografie

1 Marcu GH - Elemente radioactive Poluarea mediului si riscurile iradierii Editura Tehnica Bucuresti 1996

2 Ciplea LI Ciplea Al - Poluarea mediului ambiant Editura Tehnica Bucuresti 1978

3 Gaspar E Serban D - Elemente de radioprotectie Editura Tehnica Bucuresti4 Cartas V - Curs de fizica nucleara ldquoUniversitatea Dunarea de Josrdquo 20045 Dinu V - Padurea apa mediul inconjurator Editura Ceres Bucuresti 19746 Fitti M - Actiunea radiatiilor ionizante asupra apei si solutiilor apoase

Editura Academiei Bucuresti 19677 Fitti M - Dozimetria chimica a radiatiilor ionizante Editura Academiei

Bucuresti 19738 Furnica Gh - Procese radioecologice in contaminarea radioactiva a apei

solului si vietuitoarelor Igiena nr 2 97-113 (1972)9 Gaspar E Serban D - Elemente de protectie in tehnica nucleara Editura

Tehnica Bucuresti 196410 Galateanu I - Radiochimia aplicata Metode si probleme Editura Academiei

Bucuresti 197611 Racoveanu N - Iradierea naturala si artificiala a populatiei in Radiologie

Editura Academiei Bucuresti 196812 Simionescu V - Ecologie generala Universitatea ldquoAl I Cuzardquo Iasi 198013 Stoici SD Tataru S - Uraniul si toriul Editura Tehnica Bucuresti 198814 Zamfir Gh - Poluarea mediului ambiant Editura Junimea Iasi 1975

35