Radioactivitatea

1. Radioactivitatea Naturala . Artificiala

2. 1. Introducere: • Pornind de la structura substantei si luând drept criteriu de clasificare partile ei componente, fizica se împarte în: fizica moleculara, atomica, nucleara, electronica, fizica particulelor elementare. • Materia se compune din elemente chimice. Pâna în prezent au fost identificate 111 elemente. • Dintre acestea, elementele care predomina sunt oxigenul (46,1%), siliciul (28,2%), aluminiul 212h77c (8,23%), fierul (5,63%), calciul (4,15%), sodiul (2,36%), magneziul (2,33%), potasiul (2,09%). • Elementele → atomi caracteristici (contin un nucleu constituit din protoni, cu sarcina pozitiva si neutronicare sunt fara sarcina electrica, si electroni cu sarcina negativa, care se misca în jurul nucleului, pe orbite discrete, care pot fi parcurse cu o anumita probabilitate) • → Atomul contine un numar egal de protoni si electroni si în consecinta va fi neutru din punct de vedere electric. • → Numarul atomic Zreprezintanumarul protonilor si totodata al electronilor din atom, iar numarul de masa Areprezinta totalitatea protonilor si neutronilor dintr-un atom. • → Speciile unui element care au numar diferit de neutroni se numesc izotopi ai acestui element. • → Atomii diferitelor elemente pot avea acelasinumar de masa. Nuclizii acestor elemente sunt nuclizi izobari. Nuclizii cu acelasinumar de neutroni, dar cu numar diferit de protoni se numesc izotoni. • Obs. • Raportul dintre numarul de neutroni (N) si numarul de protoni (Z), N/Z, creste o data cu numarul de masa A. S-a dovedit ca nucleele sunt stabile numai în cazul în care raportul N/Z este apropiat de o valoare bine determinata, care este functie de numarulde masa A. • Obs. • O dezmembrare a nucleului necesita învingerea fortelor nucleare si pentru aceasta trebuie sa fie cheltuita o energie, si invers, pentru alcatuirea nucleului din nucleoni liberi trebuie pusa în libertate aceeasi energie. Aceasta energie se numesteenergie de legatura.

3. 2. Tipuri de radiatii: • Def. • Prin radiatie se întelege un proces în care o sursa emite energie si aceasta se propaga în mediul care înconjoara sursa, sau pur si simplu, radiatiadefineste energia implicata în acest proces. • Dupa natura lor, radiatiile pot fi corpusculare sau electromagnetice. • Radiatiile corpusculare sunt formate din particule de substanta având o anumita energie cinetica. • Ele pot fi încarcate electric sau pot sa fie neutre: • → Radiatiile corpusculare încarcate electric sunt de exemplu: • particulele  (nuclee de heliu) rezulta din dezintegrarea radioactiva de tip alfa (contin doua sarcini elementare pozitive iar masa lor este egala cu patru unitati atomice de masa si datorita sarcinii lor electrice pozitive, ele sunt deviate în câmp electric si magnetic). • particulele - (electroni) rezultând din dezintegrarea radioactiva de tip  minus (poarta o sarcina elementara negativa si numar de masa zero, masa lor fiind egala cu 1/1840 unitati atomice de masa si datorita sarcinii electrice negative sunt deviate în câmp electric si magnetic în sens opus directiei de deviere a radiatieiα). • Particulele + (pozitroni) si rezulta din dezintegrarea radioactiva de tip beta plus sau prin generare de perechi. • Protonii(nuclee de hidrogen) • . • → Radiatii corpusculare neutre din punct de vedere electric: • neutronii(particule elementare nucleare cu numar de masa 1). Neutronii pot fi eliberati spontan doar de un numar foarte mic de nuclizi. În majoritatea cazurilor provin din procesele de fisiune ale U-235, U-238, Pu-239 etc. • Radiatiile electromagnetice sunt emise si absorbite în natura sub forma de cuante (fotoni). • Fotonii sunt particule fara masa de repaus, ce transporta, fiecare, o cantitate de energie E = h ν, unde h este constanta lui Planck, iar ν este frecventa radiatiei. Masa de miscare a fotonilor se leaga de energie prin formula lui Einstein E = m c2, c fiind viteza luminii în vid. • Spectrul radiatiilor electromagnetice: • Radiatiaγ (gama)este o radiatie electromagnetica de natura nucleara, caracterizata prin lungime de unda foarte scurta. Ea nu este deviata în câmp electric sau magnetic si apare de obicei împreuna cu radiatiaα sau β. • Obs. • Radiatiile amintite prezinta unele proprietati comune: sunt invizibile, se deplaseaza cu viteza foarte mare si pot patrunde în materiale la adâncimi diferite, în functie de natura si energia radiatiei.

5. 3. Radioactivitatea: • → Din cei aproximativ 2000 de nuclizi cunoscutipâna în prezent doar 290 sunt stabili, ceilalti sunt instabili si se transforma spontan, fara vreo interventie exterioara în nuclee stabile. • →Trecerea spre un nucleu stabil se poate face printr-o singura transformare sau prin mai multe transformari trecând prin stari intermediare instabile pâna la starea finala stabila, sirul lor formând o serie de dezintegrare. • →Un nuclid instabil se transforma în mod spontan într-un nuclid mai stabil, cu emisie de radiatie. • Def. • Prin radioactivitate se întelege capacitatea nucleelor instabile de a emite radiatii ionizante. • Acest fenomen se numeste dezintegrare radioactiva, în urma careia nucleul sufera o modificare bine determinata. • Obs. • În majoritatea cazurilor, nucleele radioactive naturale sunt cele grele, cu Z cuprins între 81 si 94. Exista însa si nuclee relativ usoare, natural radioactive, cum sunt 14C sau 40K. • De exemplu, radioactiv stabil + β- • Iradierea este actiunea de expunere la radiatii a unui corp, iar interactiunea dintre radiatie si substantaprovoaca, în general, transformari în acel corp. • Transformarile din organismele vii sunt cunoscute sub numele de "efecte la iradiere". Daca sursa de radiatii este exterioara corpului iradiat se foloseste termenul de "iradiere externa", daca sursa de radiatii este încorporata sau distribuita în masa corpului, se foloseste termenul de "iradiere interna". • Dupa natura surselor de radiatii, aflate în mediul înconjurator independent de vointa omului, sau "realizate" de "om", distingem iradierea naturala si artificiala sau antropica. • Iradierea organismului datorata surselor naturale de radiatii se numeste iradiere naturala. • Obs. • Populatia umana, ca de altfel toata biosfera, a fost si continua sa fie expusa inevitabil la doze mici de radiatii ionizante provenind din surse naturale. • Comisia Internationala pentru Protectie Radiologica (CIPR) considera ca se poate accepta pentru umanitate o valoare limita de expunere la radiatii ionizante corespunzând la dublul dozei medii la care omul este expus în conditii naturale, ceea ce presupune ca specia umana este adaptata la iradierea existenta în prezent în mediul sau de viata. Cu toate acestea, riscurile pe care le comporta chiar nivelele scazute de radiatii nu trebuie sa fie neglijate, ele constituind în ultimul timp obiectul unor studii efectuate în cadrul unor programe de cercetare internationale. • Pe lângairadierea naturala (92%) trebuie considerata iradierea artificiala (8%) suplimentara, care poate fi medicala, profesionala sau accidentala. • Iradierea medicala în scop diagnostic sau terapeuticreprezinta, dupa iradierea naturala, sursa majora de expunere a populatiei. Fie ca se utilizeaza fascicule externe sau radiatii provenite de la surse introduse în corp, procedurile diagnostice si terapeutice aplicate în medicina nucleara conduc la o iradiere suplimentara. Pentru o evaluare cât mai buna a riscurilor generate de iradierea efectuata, se impune estimarea cât mai precisa a dozelor de radiatie. Distrugerea tesuturilor maligne prin iradiere este o aplicatie utila a afectelor distructive ale radiatiei ionizante.

6. 3.1. Descoperirea radioactivitatii. Radioactivitatea naturala • → 1896 Henri Becqueral a descoperit radioactivitatea naturala. A demonstrat ca uraniul si sarurile sale emit spontan radiatii care pot traversa corpurile si impresioneaza placa fotografica. • → Proprietatea nucleelor de-a emite radiatii a fost numita de catre Marie si Pierre Curie radioactivitate. • → 1898 Marie si Pierre Curie au descoperit radioactivitatea thoriului, poloniului, radiului. Uraniul si thoriul au o activitate mai putin intensa decât poloniul si radiul. • →Radiatiile emise de substantele radioactive au o serie de proprietati caracteristice, ca ionizarea gazelor, impresionarea emulsiei fotografice, provocarea luminiscentei unor substante, degajarea de energie. • → 1934 Irène si Frédéric Jolliot-Curie au descoperit radioactivitatea artificiala. • Prin iradiere, în special cu neutroni, unele elemente care în mod natural sunt stabile, devin radioactive. (În urma proceselor radioactive sunt emise radiatii,  si ) • Din punct de vedere al puterii de patrundere si al puterii de ionizare: • razele  au putere mica de patrundere si o mare putere de ionizare • razele  au putere mare patrundere si o mai mica putere de ionizare • razele  au cea mai mare putere de patrundere si cea mai mica putere de ionizare. • Radioactivitatea a fost descoperita initial la elementele grele care se întâlnesc în natura: U, Ra, Ac, Th. • Dezintegrarea acestor elemente prin emisia de particule  si  nu duce la formarea unui nucleu stabil, ci aceasta se realizeaza prin formarea unor radioelemente intermediare care deriva unul din altul. • Obs. • Studiul elementelor radioactive întâlnite în natura a aratat ca acestea pot fi înglobate în trei lanturi succesive, numite serii (familii) radioactive: • seria thoriului, • seria uraniului, • seria actiniului. • În anul 1940 a fost descoperita seria neptuniului, care este o serie radioactiva artificiala.

7. 3.2. Radioactivitatea artificiala. Reactii nucleare • Daca un nucleu este bombardat cu o particula neutra sau cu una încarcata electric cu energie destul de mare pentru a patrunde în câmpul central al nucleului, se produce transformarea nucleului dat într-unul nou, cu eliberarea unei alte particule. • Obs. • Izotopii radioactivi rezultati, spre deosebire de cei naturali, pot da nastere la mai multe tipuri de dezintegrari (, -, +, n, însotiti de emisie ), dupa cum nuclidul respectiv are un exces de protoni sau neutroni. • Izotopii radioactivi artificiali sunt mult mai numerosi decât cei naturali, se obtin în reactoarele nucleare si în acceleratorii de particule. • Au multe aplicatii practice, inclusiv ca trasori în chimie si biologie. • ·      În proba ale careiproprietati se urmaresc, seîncorporeaza o cantitate mica dintr-un radioizotop al unuia din elementele constituente ale probei, urmarind traseul lui cu ajutorul detectorului de radiatie. • ·      Trebuie însa ca trasorul sa nu modifice proprietatile fizico-chimice ale substantei si sa aiba un timp de înjumatatire mic, de acelasi ordin de marime cu timpul observatiei. • Reactiile nucleare provocate sunt de mai multe tipuri: • 1.Reactia de împrastiere elastica: particula incidenta loveste nucleul fara pierdere de energie, schimbându-si doar directia. • Daca nucleul-tinta este usor, sufera si el o deplasare, în cazul unui nucleu mai greu, deplasarea este neînsemnata. Reactia este simbolizata x(a,a)x. • 2.Reactia de împrastiere neelastica: particula pierde o parte din energie în momentul interactiunii. Nucleul trece într-o stare excitata, de unde revine în starea fundamentala prin emisia unei cuante . Reactia este reprezentata x(a,a)X. • 3.Captura simpla: particula incidenta este absorbita de nucleu si se formeaza un nou nucleu care are un surplus de energie si emite una sau mai multe cuante . De exemplu: • 4.Dezintegrare: nucleul absoarbe particula incidenta si expulzeaza o particula noua. De exemplu: • 5.Fotodezintegrare: dezintegrarea este produsa de fotoni  cu energie suficient de mare. De exemplu:

8. Legea dezintegrarii radioactive • Între radioactivitatea naturala spontana si cea artificiala nu exista nici o deosebire principala. Toate transformarile radioactive observate fie la radionuclizii naturali, fie la cei artificiali, se desfasoaradupaaceeasi lege de dezintegrare. • Dezintegrarea nucleelor radioactive este un proces statistic. Fiecare specie de nuclee este caracterizata de constanta radioactiva  (constanta de dezintegrare) care reprezinta probabilitatea dezintegrarii unui nucleu în unitatea de timp. • Consideram N numarul de nuclee nedezintegrate la un moment t, dNnumarul de nuclee care se dezintegreaza în intervalul de timp dt si Nonumarul de nuclee nedezintegrate la momentul to=0. • S-a stabilit experimental ca în timpul dt se dezintegreaza • dN = -λNdt • nuclee • De unde, prin împartire cu N se obtine • Integrând între limitele No si N, respectiv 0 si t, rezulta , de unde obtinem pentru numarul de nuclee radioactive N la momentul t: • N(t) = No • Viata medie a tuturor celor No nuclee radioactive existente la momentul to=0 este definita ca intervalul de timp τ dupa care numarulinitial de radionuclizi scade de e ori: • N(τ) = =, de unde rezulta ca si legea dezintegrarii radioactive se poate scrie: • N(t) = No • Timpul de înjumatatire (T1/2)reprezinta intervalul de timp în care numarulinitial de nuclee No se reduce la jumatate: • Dupa logaritmarea expresiei de mai sus se obtine: • ln2 = λT1/2 • sau. Înlocuind în legea dezintegrarii radioactive obtinem • Activitatea  a unei substante radioactive reprezintanumarul actelor de dezintegrare din unitatea de timp, adica viteza absoluta de dezintegrare: • Introducând activitatea în expresia legii de dezintegrare, aceasta devine: • Unitatea de masura pentru activitate este 1/s (s-1), numita în sistemul international Becquerel (Bq). O alta unitate de masura utilizata în fizica nucleara este Curie (Ci). • 1Ci = 3,7·1010s-1 • Un preparat radioactiv este cu atât mai puternic cu cât sunt mai numeroase procesele de dezintegrare în unitatea de timp. • Radiopreparatele artificiale pot avea activitati foarte ridicate, chiar daca au un continut redus de substanta radioactiva, deoarece constanta lor de dezintegrare este mult mai mare decât cea a radionuclizilor naturali.

9. Interactiunearadiatiei cu materia vie • Actiunearadiatiilor asupra tesutului si organelor • Ţesuturile si organele sunt complexe structurale formate din mai multe clase de celule, fiecare cu caracteristici proprii. • Momentul în care pot fi detectate leziunile functionaledupa iradiere, depinde de intervalul de timp în care intervine moartea celulara. • Ţesuturile sunt formate din celule parenchimatoase (cu rol functional) si o retea conjunctiva vasculara (care asigura suportul metabolic necesar activitatii lor). • Raspunsul la iradiere este rezultatul distrugerii definitive a celulelor parenchimatoase, care daca nu pot fi înlocuite duc la atrofia tesutului cu compromiterea, pâna la distrugerea functiei acestuia. • Modificarile tisulare dupa iradiere nu sunt specifice si au un caracter progresiv, devenind tot mai pregnante pe masura trecerii timpului. De aceea, aprecierea raspunsului la iradiere a unui tesut sau organ se face în mod arbitrar, pe baza gradului maxim de hipoplazie observat pâna la doua luni dupa iradiere. • În radioterapie, reactiile sau sechelele tardive sunt mai importante decât cele acute, ele fiind astazi principalul factor care determina toleranta si limiteaza doza de radiatie. Între intensitatea reactiilor acute si gravitatea sechelelor tardive nu exista, în general, nici o corespondenta si disocierea lor este favorizata de modul clasic de fractionare, respectiv 1,8 - 2 Gy de 5 - 6 ori pe saptamâna. • Raspunsul la iradiere poate fi însa mult influentat prin utilizarea altor scheme de fractionare, diferite de cele clasice. • Diferenta dintre panta curbelor de supravietuire pentru efectele acute si tardive poate fi influentata astfel prin modificarea fractionarii clasice. Efectele tardive pot fi reduse la minim prin crestereanumarului de fractiuni, care pot fi administrate cu o etalonare conventionala clasica, de 6 - 8 saptamâni sau redusa la jumatate, constituind asa numita hiperfractionare, respectiv fractionare accelerata. • Parametrii mai importanti care determina magnitudinea efectelor tardive sunt marirea dozei de fractionare si numarul total de fractiuni. • Actiunearadiatiilor asupra tumorilor • Tumorile sunt populatii celulare neechilibrate, proliferative, în care proliferarea depaseste pierderile celulare. • Ele respecta structura generala de organizare a tesuturilor normale si sunt formate din celule tumorale propriu-zise. • Celulele tumorale la rândul lor sunt clonogenice, aranjate în diviziune sau în afara ciclului celular, incapabile de reproducere sau sterile si sunt eliminate sau mor rezultând pierderea celulara. • Tumorile raspund la iradiere prin reducerea progresiva a volumului lor, care în functie de doza poate fi mai mult sau mai putin completa. • Intervalul de timp în care are loc aceasta regresiune difera foarte mult în functie de histologie; limfovanuleleregreseaza progresiv, în câteva ore; carcimvanulelenediferentiateregreseaza în zile, în timp ce sarcvanulele sau adenocarcinvanulele necesita saptamâni sau luni. • Ritmul de regresiune depinde de natura constituentilor tumorali care trebuie resorbiti si de timpul în care are loc moartea celulara. • Când proliferarea celulara este oprita prin iradiere, tumorile cu pierderi celulare mari vor regresa rapid, în timp ce tumorile cu pierderi celulare reduse vor avea o regresiune lenta, raspunsul la iradiere fiind determinat si în cazul tumorilor de caracteristicile lor cinetice. • Iradierea tumorilor induce leziuni identice cu cele ale tesuturilor normale, dar interventia prompta si mai eficace a mecanismelor de aparare, în al doilea caz, explica diferentele care fac posibila aplicarea cu succes a radioterapiei în tratamentul cancerului.