Fizica atomica si nucleara

Scopul unitatii de curs este de a introduce principalele elemente teoretice din fizica atomica si nucleara si de a prezenta conceptele fundamentale ale dozimetriei si radioprotectiei.

Modele atomice

Serii spectrale.

Experienta arata ca spectrul radiatiei emise de un gaz in stare atomica este un spectru de linii, format din serii spectrale, alcatuite la randul lor, fiecare, din linii dispuse intr-un mod bine determinat. De asemenea, experienta arata ca toate liniile spectrale ale hidrogenului (Fig.1) verifica o relatie de tipul:

unde se numeste numar de unda, R_H este constanta lui Rydberg avand valoarea R_H = 1,097373x10⁷ m^-1, iar n si n' sunt doua numere intregi, astfel incat n' = n+1; n+2; Pentru n = 1, 2, 3, 4, 5, 6 se obtin urmatoarele serii cunoscute ale hidrogenului: Lyman, Balmer, Paschen, Brackett, Pfund si Humphrey.

Formula (1), descoperita de Balmer in 1885, poate fi reprezentata sub forma diferentei a doi termeni:

Termenii T_n si T_n', numiti termeni spectrali, dau indicatii despre starile energetice ale atomului.

Modelul atomic al lui Rutherford.

Studiind difuzia particulelor α la trecerea prin substanta, Ernest Rutherford (1911) emite ipoteza ca deviatiile mari ale particulelor α din experientele de difuzie efectuate se pot explica numai daca se admite ca in interiorul atomului exista un camp electrostatic foarte puternic, creat de o sarcina pozitiva, concentrata intr-un spatiu mic (Fig.2). Conform modelului nuclear al atomului, imaginat de Rutherford, in centrul atomului se afla un nucleu in care se afla concentrata aproape intreaga masa a atomului, incarcat pozitiv cu sarcina +Z_e, in jurul caruia se rotesc Z electroni, distribuiti in tot volumul ocupat de atom.

Conform electrodinamicii clasice, rezulta insa ca edificiul atomic, conceput dupa modelul lui Rutherford, nu poate fi stabil, ceea ce este in contradictie flagranta fata de realitate.

Mai mult, conform aceleiasi electrodinamici clasice, radiatiile emise de atomi ar trebui sa aiba un spectru continuu si nu de linii, asa cum se observa experimental. Intr-adevar, conform electrodinamicii clasice, orice particula incarcata electric, prin oscilatie produce unde electromagnetice, avand frecventa egala cu frecventa oscilatiei. Electronii, in miscarea lor in jurul nucleului, trebuie sa emita, conform electrodinamicii clasice, unde electromagnetice cu frecventa miscarilor de revolutie. Astfel, electronii pierd permanent energie prin radiatie si, in final, vor cadea pe nucleu. Pe de alta parte, deoarece frecventa radiatiei emise este egala cu frecventa miscarii electronului si cum acesta, in timpul caderii spre nucleu, creste treptat, ar trebui ca spectrul de emisie sa fie continuu.

De aici rezulta ca desi modelul lui Rutherford reflecta adevaruri incontestabile, verificate foarte bine prin experienta, el duce la contradictii flagrante cu experienta, daca ii aplicam legile fizicii clasice.

Modelul atomic al lui Bohr

Iesirea din impasul in care se gasea fizica in acea perioada a fost facuta de N. Bohr (1913), care arata ca contradictiile modelului atomic al lui Rutherford provin din presupunerea ca electronii din atom se supun legilor electrodinamicii clasice. Experienta arata insa cert ca atomii sunt sisteme stabile, care nu emit radiatii decat in anumite imprejurari. Suntem insa constransi sa acceptam idea ca macar pe anumite traiectorii (orbite), electronii nu asculta de legile fizicii clasice, deci nu emit unde electromagnetice, energia lor ramanand constanta. Asemenea orbite raman nemodificate in timp, adica sunt stationare.

Noutatea ideilor lui Bohr consta in recunoasterea nevalabilitatii la scara atomica a fizicii clasice si ca legile microcosmosului sunt legile fizicii cuantice.

Modelul atomic al lui Bohr contine, de fapt, modelul lui Rutherford, insa completat cu doua postulate, al caror enunt intr-o formulare initiala este:

1) electronii se pot misca in atomi numai pe anumite orbite pe care au energii determinate, numite orbite stationare. Aflati pe aceste orbite, ei nici nu radiaza, nici nu absorb unde electromagnetice.

2) atomul emite sau absoarbe radiatii, sub forma de fotoni numai la trecerea electronilor de pe o orbita stationara pe alta. Frecventa radiatiei emise sau absorbite se gaseste egaland energia fotonului emis cu valoarea absoluta a diferentei energiilor electronului de pe orbita initiala si cea finala:

(3)

Teoria lui Bohr nu este consecvent cuantica, pentru ca miscarea electronului pe orbita este studiata folosind dinamica clasica.

Alegerea orbitelor stationare a fost facuta de catre Bohr impunand orbitelor, aflate pe baza mecanicii clasice, anumite conditii cuantice numite conditii de cuantificare. Pentru a arata in ce constau aceste conditii de cuantificare, sa analizam un sistem fizic, format dintr-un nucleu cu sarcina +Z_e, in jurul caruia se invarte un electron. Un astfel de sistem se numeste atom hidrogenoid (pentru Z=1, sistemul este un atom de hidrogen).

In teoria lui Bohr, se iau in consideratie numai orbitele circulare. Conditia de cuantificare pentru orbitele circulare, formulata de Bohr, cere ca momentul cinetic orbital sa fie cuantificat, fiind un multiplu intreg de

unde m_e si r_n reprezinta masa electronului si respectiv, raza orbitei stationare, este o noua constanta egala cu , iar n este numarul cuantic.

Miscarea electronului pe un cerc in jurul nucleului se datoreaza fortei de atractie a electronului de catre nucleu, data de legea lui Coulomb, forta care reprezinta in acest caz forta centripeta:

(5)

Din relatia (9.95) rezulta ca energia cinetica poate fi scrisa sub forma:

In campul electrostatic creat de nucleu, electronul poseda o energie potentiala (Fig. 3). Legea conservarii energiei poate fi scrisa astfel:

dar:

(8)

Luand prin conventie , rezulta:

Energia totala a electronului este:

(10)

Din relatiile (4) si (5) se obtine:

(11)

unde:

(12)

este raza primei orbite Bohr pentru atomul de hidrogen.

Din relatie (5) si (11) rezulta valoarea vitezelor orbitale:

(13)

Inlocuind expresia (11) in (10), rezulta valoarea energiei electronului pe a n-a orbita stationara:

(14)

Cand un electron trece de pe orbita stationara cu numarul cuantic n^' pe orbita cu numarul cuantic n < n^', atomul emite un foton a carui energie, conform relatiei (14) si a postulatului al doilea al lui Bohr, este egala cu:

(15)

De aici se obtine:

(16)

adica pentru Z=1, rezulta formula lui Balmer (1) cu:

(17)

Cel mai mare merit al teoriei lui Bohr este acela ca aceasta relatie conduce la valori apropiate de valoarea lui R_H determinata in mod experimental.

Energia de ionizare se obtine punand in (15) conditia n = 1 si n' = , deci:

(18)

O reprezentare a tranzitiilor energetice care dau liniile spectrale ale hidrogenului este data in figura 4.

Verificarea experimentala a nivelelor de energie. Insuficientele teoriei lui Bohr

Faptul, postulat de Bohr, ca starile energetice ale atomilor sunt discrete, a fost confirmat prin experienta lui Franck si Hertz (1914), in care atomii de mercur sunt ciocniti cu electroni de energie cunoscuta.

Experienta a fost realizata cu dispozitivul experimental redat in figura 5.a. Intr-un tub care contine vapori de mercur la presiune mica (aproximativ 1 Torr), electronii emisi de catodul incalzit C si accelerati in spatiul CG de tensiunea acceleratoare U, traverseaza spatiul GG dintre cele doua grile cu viteza constanta, ca apoi sa fie franati in spatiul GA de tensiunea de franare U₀. Experienta arata ca daca U creste treptat, curentul anodic I variaza ca in figura 5.b, adica prezinta scaderi bruste pentru valori ale tensiunii U egale cu un multiplu de 4,9 V. Acest fenomen poate fi explicat, numai admitand existenta nivelelor energetice discrete pentru atomul de mercur.

Intr-adevar, daca energia cinetica a electronilor accelerati (eU) devine egala cu diferenta de energie dintre doua nivele energetice ale atomului, in urma ciocnirii neelastice cu atomul, electronul cedeaza energia sa atomului si nu mai poate invinge tensiunea de franare U₀ pentru a ajunge la anod, iar curentul scade. Daca energia electronului este mai mica decat eU₁, ea nu este cedata atomului, ciocnirea fiind elastica. Scaderea curentului pentru U₂, U₃ arata ca electronul sufera 2, 3 ciocniri cu atomii. Atomii de mercur excitati in urma ciocnirilor cu electronii emit ulterior, prin trecerea lor in starea fundamentala, o radiatie monocromatica, cu lungimea de unda l = 253.7 nm, care coincide cu lungimea de unda calculata din conditia de frecventa:

(19)

unde E_n' - E_n = 4,9 eV.

Rezultatele acestei experiente reprezinta o confirmare directa a existentei nivelelor energetice discrete in atom.

Succesele teoriei lui Bohr constau in urmatoarele: se pot explica seriile spectrale emise de atomul de hidrogen si de ionii hidrogenoizi, permite calcularea constantei lui Rydberg R_H in functie de constantele universale si da o valoare satisfacatoare pentru energia de ionizare.

Insa, teoria lui Bohr nu da rezultate satisfacatoare pentru atomi cu mai multi electroni.

Limitele teoriei lui Bohr se datoreaza faptului ca ea nu este nici consecvent clasica si nici consecvent cuantica. Astfel, miscarea electronului pe orbita se face conform legilor mecanicii clasice, dar sunt cuantificate marimile miscarii, cum ar fi impulsul si raza orbitei, deci tratate cuantic.

Particule si antiparticule

Prin particula elementara intelegem particula care nu este alcatuita din particule mai mici. Proprietatea de 'elementara' valabila o anumita perioada nu ramane valabila pentru etapele ulterioare, deci are un caracter relativ. De aceea vom folosi in loc de notiunea de particula elementara, denumirea de particula fundamentala.

Electronul (e^-) si pozitronul (e⁺). Denumirea de electron a fost data de J. Stoney in 1890. In 1926 Dirac elaboreaza o teorie a electronului gasind pentru energia acestuia relatia:

de unde rezulta ca energia electronului poate fi atat pozitiva cat si negativa.

Deoarece electronul nu poate avea, in valoare absoluta, o energie mai mica decat energia sa de repaus m₀c², rezulta ca domeniile de energie negativa si pozitiva sunt separate printr-un interval (Fig.6). Dirac presupune ca toate nivelele sunt ocupate fiecare cu cate doi electroni (Fig.7) formand un fel de vid 'umplut' cu electroni. Daca un foton cu energia  actioneaza asupra acestui vid electronic, adica asupra unui electron cu energie negativa, acesta trece in starea de energie pozitiva, adica un foton cu energie suficient de mare () poate produce un 'gol' in domeniul starilor negative. Acest gol pozitiv care este de fapt o particula reala cu masa egala cu masa electronului, dar cu sarcina electrica pozitiva si energie negativa, reprezinta pozitronul. Pozitronul reprezinta un antielectron si se noteaza prin sau

Studiul interactiunii radiatiei γ cu substanta a condus la descoperirea fenomenului de formare de perechi: cuante γ cu energia genereaza sub actiunea campului nucleului, cate un electron si un pozitron a caror energie cinetica totala este

(21)

De asemenea se cunoaste procesul invers de anihilare

(22)

Fotonul (γ). In anul 1905, Einstein a introdus notiunea de foton, ca particula cu energia si masa de repaus m_o = 0.

Protonul (p sau p⁺). Protonul, cunoscut ca ionul de hidrogen are masa de repaus m_p = 1,67252x10^-27 kg, adica de 1836,1 ori mai mare decat cea a electronului.

Antiprotonul (sau p ). Masa si numarul cuantic de spin pentru antiproton sunt aceleasi ca pentru proton, dar antiprotonul are sarcina electrica negativa.

Neutronul (n) este o particula neutra din punct de vedere electric cu m_n = 1,67482x10^-27 kg, foarte apropiata de masa protonului. Faptul ca neutronul, particula cu sarcina electrica zero, are moment magnetic diferit de zero, reflecta structura interna complexa a acestuia.

Neutronii si protonii sunt particule fundamentale care formeaza nucleul atomic.

Antineutronul ( . Masa si numarul cuantic sunt aceleasi ca la neutron.

Mezonii π sau pionii: sunt particule cu masa de repaus de 260 ori mai mari decat masa de repaus a unui electron. Se cunosc pioni p p si p

Mezonii μ sau miuonii. Masa miuonilor m m si m ) este de 207 m_o (m₀ = masa de repaus a electronului).

Neutrino (n) si antineutrino ( . Nu au masa de repaus, nu au sarcina electrica, iar momentul lor cinetic este zero. Neutrinul se deosebeste de antineutrin prin faptul ca momentul cinetic de spin al neutrinului este orientat in sens opus sensului de miscare, iar in cazul antineutrinului momentul de spin este orientat in sensul miscarii. Lista particulelor fundamentale poate fi continuata, dar nu poate fi completa deoarece, pe masura ce stiinta se dezvolta, se descopera noi particule fundamentale.

In ultima vreme a aparut idea structurarii particulelor elementare, ceea ce certifica faptul ca elementaritatea lor are un caracter istoric. Numarul mare al particulelor elementare, varietatea proprietatilor si faptele experimentale, care dovedesc ca nucleonii si electronii au distributie interna de sarcina electrica, au pus problema elaborarii unei teorii unitare a particulelor elementare. Conform acestei ipoteze, elaborata de Gell - Mann (1961), toate particulele fundamentale sunt alcatuite dintr-un numar de particule, numite quarc, care poseda sarcina electrica fractionara. Se prevede existenta a trei astfel de subparticule si antiparticulele lor, care ar avea sarcini egale cu e/3 si 2e/3, unde e este sarcina electronului.

Caracteristici generale ale nucleului atomic

Experientele lui Rutherford, de imprastiere a particulelor α pe foite metalice subtiri, au demonstrat ca nucleul are sarcina electrica pozitiva si ca este situat in partea centrala a atomului. In nucleu este concentrata aproape toata masa atomului. Cercetarile experimentale au confirmat modelul protono-neutronic al nucleului, conform caruia nucleul se compune din protoni, incarcati pozitiv, si neutroni, fara sarcina.

Protonul si neutronul sunt doua stari cuantice diferite ale aceleiasi particule, numita nucleon. Speciile de nuclee, numite si nuclizi, se caracterizeaza prin numarul de protoni Z, numit numar atomic si prin numarul de masa A, egal cu numarul total de nucleoni. Numarul de neutroni din nucleu este dat de relatia:

(23)

Nuclidul se noteaza cu simbolul chimic X, avand ca indici numarul atomic si numarul de masa .

Sarcina nucleului este egala cu Q=Z|e|. Numarul atomic Z determina pozitia nuclidului in sistemul periodic al elementelor. Pana in prezent, se cunosc elemente cu numarul Z cuprins intre 1 si 108, din care numai o parte exista in natura, iar altele se pot obtine numai pe cale artificiala, ca de exemplu, elementele transuraniene (Z>92). Nuclizii care au acelasi Z, deci aceleasi proprietati chimice, dar difera prin numarul de masa (A) se numesc izotopi, de exemplu Se cunosc aproximativ 300 de izotopi stabili si peste 1000 izotopi radioactivi.

Masa nucleului M este data de diferenta dintre masa atomului si masa electronilor componenti si se masoara in unitati atomice de masa (u) care reprezinta 1/12 din masa izotopului

(24)

Daca tinem seama de relatia lui Einstein, care da dependenta intre masa si energie, ΔE=c²Δm, atunci energia corespunzatoare unitatii atomice de masa este:

(25)

Numarul de masa A reprezinta masa nucleului, exprimata in unitati u, rotunjita la un numar intreg.

In unitati atomice de masa m_p=1,00727 u; m_n=1,00866 u sau prin rotunjire m_p=m_n=1. Nuclizii care au acelasi numar de masa A, dar difera prin numarul atomic Z, se numesc izobari. Asa sunt de exemplu

Dimensiunile nucleului au fost obtinute de catre Rutherford in experiente de imprastiere a particulelor α pe nuclee. Avand in vedere principiul de nedeterminare al lui Heisenberg, suprafata nucleului si deci dimensiunile lui nu sunt perfect determinate.

Daca admitem ca raza unui nucleon este r₀ si nucleul are forma sferica atunci:

(26)

de unde:

(27)

cu

Valoarea densitatii substantei nucleare este foarte mare:

(28)

Sa consideram o particula cu sarcina +Z₁e la diferite distante de un nucleu cu sarcina Ze. Experientele de imprastiere a particulelor incarcate pe nuclee au aratat: la distante mari, asupra particulei pozitive +Z₁e actioneaza o forta de respingere coulombiana exercitata de nucleul cu sarcina +Ze, iar cand r£R, peste forta de respingere coulombiana se suprapune o forta de atractie mult mai intensa, de alta natura decat cea electrostatica, de natura nucleara. Forta nucleara este foarte intensa pentru r£R si scade foarte rapid cand r>R; valoarea lui R capata astfel semnificatia de raza de actiune a fortelor nucleare.

Energia de legatura a nucleului. forte nucleare

Cunoscand masa de repaus a nucleonilor in stare libera, m_p si m_n, putem obtine suma maselor nucleonilor constituenti ai nucleului din expresia:

(29)

Masuratorile au aratat ca masa nucleului M este mai mica decat M'. Diferenta de masa Δm = M - M' < 0, corespunde energiei eliberate in procesul de formare a unui nucleu si se numeste defectul de masa al nucleului. Aceeasi energie este necesara si la desfacerea nucleului in constituentii sai si de aceea se numeste energie de legatura. Folosind formula lui Einstein, care stabileste relatia intre masa si energie, ΔE = c².Δm, energia de legatura a nucleului se calculeaza cu relatia:

(30)

Deoarece in tabele se dau masele atomilor si nu ale nucleelor, formula (30) se poate transforma si scazand cantitatea Zm_e, astfel incat sa apara masa atomilor:

(31)

unde m_e este masa electronului . Notand M_H = m_p + m_e si M_A = M+ Zm_e, relatia (31) devine:

(32)

Energia de legatura este negativa, ceea ce este o dovada a stabilitatii nucleului.

O importanta deosebita pentru studiul stabilitatii nucleului o reprezinta energia de legatura care revine unui nucleon

Variatia valorii absolute a energiei de legatura pe nucleon in functie de numarul de nucleoni, este redata in Fig. Valoarea absoluta a energiei de legatura pe nucleon creste si prezinta maxime la elementele care au numarul de masa multiplu de patru ( ). Acest fapt sugereaza idea ca in nucleu exista tendinta de a se forma grupari stabile de patru nucleoni. Valoarea absoluta maxima a energiei de legatura pe nucleon ~8,7 MeV, o au elementele situate in mijlocul sistemului periodic avand 28<A<138, elemente care prezinta o stabilitate maxima.

Elementele usoare de la inceputul sistemului periodic (exceptand ) si cele grele de la sfarsitul sistemului periodic au o energie de legatura pe nucleon in valoare absoluta mai mica, ceea ce face ca stabilitatea, si deci raspandirea lor sa fie mai mica. Acest fapt a permis folosirea elementelor usoare la sinteza nucleara, iar elementele mai grele, la producerea reactiilor de fisiune nucleara.

Pentru a explica stabilitatea nucleului, exprimata prin intermediul energiei de legatura a nucleului, se considera ca intre nucleoni se exercita forte nucleare, care se deosebesc atat de fortele gravitationale, cat si de fortele electromagnetice. Acestea se caracterizeaza prin:

- sunt forte atractive intense, care actioneaza la distanta mica, de ordinul 10^-15 m;

- nu sunt forte centrale, pentru ca sunt dependente de distanta dintre nucleonii care interactioneaza si de orientarea spinilor nucleonilor fata de aceasta directie;

- fortele nucleare sunt forte de saturatie, deoarece actioneaza numai intre nucleonii invecinati;

- fortele nucleare sunt independente de sarcina electrica intrucat au aceeasi intensitate pentru interactiunile p-p, p-n si n-n. Natura fortelor nucleare trebuie considerata ca aparand in urma unui schimb de particule intre nucleoni. Cu privire la natura particulelor de schimb, H. Yukawa (1935) considera existenta unui camp de forte de tip mezonic, in care particula de schimb este pionul π, a carui masa de repaus este m_π 270 m_e. Ulterior aceste particule au fost descoperite in radiatia cosmica si astazi se admite ca pionii π⁺, π^- si π⁰ realizeaza legaturile nucleare prin intermediul urmatoarelor transformari:

(33)

Schimbul de pioni se realizeaza in mod continuu. Teoria lui Yukawa explica numai partial proprietatile nucleonilor si caracterul fortelor nucleare

Modele nucleare

Referitor la compozitia nucleului s-au elaborat mai multe modele nucleare, dar vom prezenta pe scurt numai modelul picatura. Acest model se bazeaza pe analogia dintre nucleu si o picatura de lichid incompresibil. Din aceasta analogie rezulta ca: fortele nucleare sunt forte de saturatie, intrucat se exercita numai intre nucleonii invecinati; densitatea substantei nucleare este constanta; la suprafata nucleului se manifesta fenomenul de tensiune superficiala, in sensul ca asupra nucleonilor aflati la marginea nucleului actioneaza doar fortele de atractie ale nucleonilor interiori; energia de legatura pe nucleon este constanta ( 8 MeV).

In cadrul modelului picatura, se atribuie nucleonilor unui nucleu o energie medie care se poate calcula pe baza formulei semiempirice a lui C.F. Weizscker. Aceasta relatie tine cont de principalele interactiuni care pot influenta energia de legatura a nucleului:

- energia de legatura a nucleului este proportionala cu numarul de nucleoni A;

- energia este micsorata de existenta 'tensiunii superficiale', in sensul ca nucleonii de la suprafata sunt mai putin legati si este proportionala cu suprafata nucleului S;

- intre protoni se exercita forte de respingere electrostatica, care determina micsorarea energiei de legatura a nucleului;

- un termen caracterizeaza faptul ca raportul N/Z nu este acelasi pentru toate elementele. Privind tabelul periodic se constata ca elementele cu numarul de masa nu prea mare poseda o stabilitate maxima si au numarul de neutroni aproximativ egal cu numarul protonilor. Nucleele de la sfarsitul tabelului periodic sunt mai putin stabile si prezinta un exces de neutroni si au o energie de legatura mai mica;

- un ultim termen, numit paritate δ descrie preferinta pentru formarea nucleelor stabile cu Z si N pare.

Radioactivitatea naturala si artificiala

Fenomenul de emisie spontana, de catre specii de nuclee, a unor radiatii 'invizibile' cu o mare putere de penetratie a fost denumit de catre Marie si Pierre Curie (1898) radioactivitate. Primele cercetari au scos in evidenta proprietatile radioactive ale elementelor grele intalnite in natura ca: radiu, uraniu, actiniu, toriu, apoi au fost descoperiti izotopi radioactivi cu numar de masa mijlociu ca: potasiu - 40, samariu -152, lutetiu -176 si reniu -187, iar in ultimul timp au fost descoperite si alte elemente radioactive usoare, carbon -14 si tritiul. Fenomenul de radioactivitate a elementelor existente in natura este cunoscut sub numele de radioactivitate naturala.

In anul 1934 Irene si Frdric Joliot Curie studiind interactiunea particulelor α (nucleu ) cu Al, au aratat ca initial are loc transformarea:

(34)

iar apoi:

(35)

Astfel, izotopul radioactiv a fost produs artificial. Radioactivitatea provocata artificial la unele elemente, care in mod natural sunt stabile, a capatat denumirea de radioactivitate artificiala.

Tipuri de tranzitii nucleare. Familii radioactive

1.Dezintegrarea α, sau emisia unui nucleu de dintr-un nucleu, a fost descoperita in procesul de cercetare a radioactivitatii naturale, ca de exemplu:

(36)

Acest proces are loc dupa legea de deplasare:

(37)

adica izotopul Y rezultat in urma dezintegrarii α a izotopului X are numarul de ordine Z_Y=Z-2 si numarul de masa A_Y=A-4. Pentru majoritatea nucleelor α radioactive valorile energiei E_α a particulelor α sunt cuprinse intre 4 si 9 MeV.

2.Dezintegrarea β.

Dezintegrarea β reprezinta procesul de transformare spontana a nucleelor instabile in nuclee izobare, cu numar de ordine diferit cu ΔZ = 1, ca rezultat al emisiei unui electron:

(38)

sau a unui pozitron:

(39)

3.Captura electronica (captura e^-) consta in capturarea de catre nucleu a unui electron de pe o patura electronica a aceluiasi atom. Deoarece probabilitatea maxima este sa fie capturat electronul de pe patura K, de multe ori se zice simplu captura K. Captura unui electron din paturile electronice proprii se petrece dupa o lege de forma:

(40)

Un exemplu de captura electronica este

(41)

4.Tranzitii γ.

Nucleul poate fi considerat pentru nucleoni drept o groapa de potential unde acestia au un spectru discret cu nivele energetice. Starea cu energia cea mai joasa se numeste stare fundamentala. Trecerea nucleului dintr-o stare excitata intr-o stare cu energie mai mica prin emisia spontana de unde electromagnetica reprezinta tranzitiile γ. Radiatiile sunt unde electromagnetice cu λ cuprinse intre 10^-1-10^-4 Å.

5.Conversia interna.

Nucleul poate trece intr-o stare cu energia mai mica si prin mecanismul emiterii de electroni din paturile electronice, mecanism cunoscut sub numele de conversie interna. Energia de excitare a nucleului este transferata direct unui electron aflat pe una din paturile electronice ale atomului.

Familii radioactive

Exista situatii cand nucleul format printr-o tranzitie radioactiva este la randul sau radioactiv, prin dezintegrare dand nastere unui alt nucleu si procesul de transmutatie continua in lant pana cand se ajunge la un nucleu stabil. Ansamblul de nuclizi radioactivi, format dintr-un nuclid initial si din alti nuclizi care se formeaza succesiv, in urma tranzitiilor α, β sau γ si sfarsind cu un nuclid stabil, formeaza o familie sau o serie radioactiva.

Se cunosc patru familii radioactive. Numerele de masa ale acestor familii se pot exprima cu ajutorul unei relatii care permite stabilirea apartenentei la o anumita familie a oricarui element radioactiv si este de forma:

(42)

unde n este un numar intreg. In tabelul 1 sunt prezentate cele patru familii radioactive cunoscute.

Tabelul 1.

Legea dezintegrarii nucleare

Numarul de nuclee dezintegrate in timpul dt va fi egal cu:

(43)

unde λ este o constanta caracteristica nuclidului, numita constanta de dezintegrare. Separand variabilele obtinem, dupa integrare, legea dezintegrarii nucleare:

(44)

care da dependenta numarului de nuclee N, ramase nedezintegrate la momentul t, in functie de numarul de nuclee initiale N₀. Legea are un caracter statistic si arata ca numarul nucleelor nedezintegrate scade exponential cu timpul.

Un radionuclid se mai caracterizeaza prin timpul de injumatatire T, care se defineste ca fiind intervalul de timp in care numarul de nuclee radioactive nedezintegrate se reduce, prin dezintegrare, la jumatate. Inlocuind in relatia (44) t = T si N = N₀/2, obtinem:

(45)

Numarul de nuclee dezintegrate este N₀-N (Fig.9). Constanta de dezintegrare si respectiv timpul de injumatatire caracterizeaza fiecare radionuclid si au spectrul de valori foarte larg: de exemplu la ani, iar la s.

O alta marime caracteristica este viata medie τ. Daca N₀ este numarul de nuclee existente la momentul initial atunci durata totala de viata este:

(46)

Pe de alta parte, in timpul dt (de la t la t + Δt) s-au dezintegrat dN = λ N dt nuclee, si fiecare a trait timpul t. Viata totala a celor dN nuclee va fi t dN. Viata tuturor nucleelor se obtine integrand de la t = 0 la t = ¥

(47)

sau:

(48)

de unde:

(49)

Daca in legea de dezintegrare (44) consideram timpul t = τ se obtine N = N₀/e, deci viata medie este timpul dupa care numarul nucleelor initiale scade de e ori.

Activitatea radioactiva a unei substante reprezinta numarul de nuclee ale substantei radioactive care se dezintegreaza in unitatea de timp:

(50)

unde reprezinta activitatea la momentul initial. Unitatea de masura pentru activitate este dezintegrarea pe secunda sau s^-1. In mod curent, se foloseste unitatea denumita Curie (Ci), data de relatia:

(51)

Aplicatii ale legii dezintegrarii in arheologie si geologie

Legea dezintegrarii radioactive (44) poate servi ca 'ceas' care determina intervalul de timp t scurs din momentul in care numarul nucleelor radioactive a scazut de la N₀ la N:

(52)

Determinarea numarului N de nuclee radioactive la momentul t nu prezinta nici o greutate, dar stabilirea numarului N₀ al nucleelor radioactive existente la momentul t=0, ridica o serie de probleme. Se stie ca trei din cele patru familii radioactive sunt lanturi de elemente radioactive naturale care incep cu un izotop al uraniului sau si se termina cu cate un izotop al plumbului

Astfel prezenta plumbului intr-o roca care contine uraniu este o urmare a dezintegrarii succesive a uraniului si deci numarul de nuclee de Pb dintr-o astfel de roca este o masura a timpului care s-a scurs din momentul formarii rocii respective. Luand o proba dintr-o astfel de roca si stabilind numarul nucleelor de uraniu aflam pe N, iar N₀, numarul nucleelor la t=0, este N₀ = N_U + N_Pb. Pe baza formulei (52) putem afla varsta unei roci care contine uraniu:

(53)

Prin aceasta metoda, varsta scoartei terestre a fost estimata la valoarea:

(54)

In arheologie, folosirea legii dezintegrarii se bazeaza pe urmatorul rationament: in urma interactiei radiatiei cosmice cu azotul din atmosfera se formeaza , izotop radioactiv cu timpul de injumatatire T=5570 ani. Faptul ca intensitatea radiatiei cosmice este constanta conduce la constanta cantitatii de carbon radioactiv din atmosfera. Izotopul formeaza bioxidul de carbon care este asimilat de plante la fel ca bioxidul de carbon obisnuit, care contine izotopul . Odata cu hrana, obtinuta din plante, izotopul intra in compozitia tesuturilor si a diferitelor organe ale tuturor vietatilor. Atat timp cat planta, omul, animalul, etc. sunt vii raportul si ramane constant, deoarece orice pierdere este completata prin hranirea continua. Daca un organism moare asimilarea de bioxid de carbon inceteaza. Timpul scurs din momentul 'mortii' poate fi masurat cu 'ceasul radioactiv' deoarece continutul de carbon radioactiv din organism sau din diferite piese sau instrumente confectionate din materiale organice, incepe sa scada dupa legea (52).

Folosind relatia (50) se obtine:

(55)

cu ajutorul careia se poate masura timpul scurs de la moartea organismului. Aceasta metoda este aplicata pe scara larga in arheologie.

Reactii nucleare

Reactiile nucleare sunt procese care se produc in urma interactiunii nucleelor cu alte nuclee, cu particule elementare sau cu radiatii electromagnetice, care au ca efect, fie transformarea nucleelor initiale, fie modificarea starii lor energetice. Ecuatia unei reactii nucleare se poate scrie sub forma:

(56)

unde X reprezinta nucleul-tinta, x particula proiectil, Y nucleul rezultat si y este particula emergenta. Paranteza (x,y) indica tipul reactiei nucleare.

Dam ca exemplu prima reactie nucleara realizata in laborator de catre Rutherford (1919) prin bombardarea cu particule α a nucleelor de azot

(57)

Reactiile nucleare reprezentate de ecuatia (56) includ diverse procese:

1. daca X=Y si x=y, se produce o imprastiere, care este elastica, daca x si y nu-si schimba starea interna si este neelastica, daca se modifica starea interna a particulelor care se ciocnesc;

2. daca X¹Y, are loc o transmutatie nucleara;

3. daca x nu este foton si y este foton, se produce o captura radiativa;

4. daca x este foton si y nu este foton, se produce o reactie fotonucleara.

La scrierea reactiilor nucleare, se respecta conservarea numarului atomic (sarcina) si a numarului de masa (numarul de nucleoni). In desfasurarea unei reactii sunt satisfacute: legea de conservare a momentului cinetic total, legea de conservare a impulsului si legea de conservare a energiei totale. Pentru reactia (56), legea conservarii energiei totale are urmatoarea forma:

(58)

unde termenii notati cu m sau M sunt masele de repaus ale participantilor la reactie, iar T este energia cinetica. Reactiile nucleare se produc cu emisie sau absorbtie de energie. Daca notam cu Q energia de reactie, atunci o putem exprima prin formula:

(59)

Daca masa de repaus a particulelor initiale este mai mare decat a celor rezultate din reactie, atunci Q>0, reactia se produce cu degajare de energie si este exoenergetica; in caz contrar, Q<0 si reactia este endoenergetica.

Fisiunea nucleara

Ce este fisiunea nucleara?

Descoperirea fisiunii nucleare este legata de experientele lui E. Fermi (1934) de bombardare a nucleelor grele cu neutroni, in scopul obtinerii nucleelor si mai grele, transuraniene, dupa schema de reactie:

(60)

Cercetarile intreprinse de Otto Hahn, F. Strassmenn si Lise Meitner (1938) privitoare la natura elementelor rezultate din reactia unde nucleul tinta era uraniul, au aratat ca elementele Y nu sunt situate dupa uraniu, asa cum se crezuse initial, ci sunt elemente de masa medie, situate in partea centrala a tabloului periodic.

Fenomenul de rupere a unui nucleu in doua sau mai multe nuclee de mase comparabile a fost denumit fisiune nucleara.

Reactia de fisiune poate fi realizata prin bombardarea cu neutroni, dar si cu particule α, protoni, deuteroni, fotoni γ, cand se numeste reactie provocata, sau care se produce spontan.

Mecanismul reactiei de fisiune a fost precizat de N. Bohr si apoi de Frenkel (1939) pe baza modelului picatura a nucleului. Se considera ca forma sferica a nucleului se datoreaza unor forte de tensiune superficiala ca si in cazul unei picaturi de lichid.

Cand un nucleu captureaza un neutron, se genereaza un nucleu de excitatie, care incepe sa efectueze vibratii trecand de la forma sferica la cea de elipsoid, situatie in care fortele de respingere coulumbiene devin mai mari decat fortele de tensiune superficiala si nucleul se divide (a se vedea figura 10).

In procesul de fisiune nucleara se mai constata eliberarea si a 2-3 neutroni cu ajutorul carora reactia se produce in lant, precum si o mare cantitate de energie.

Produsele fisiunii nucleare

Divizarea nucleului fisionat este foarte variata si in general cele doua fragmente poseda mase si energii diferite. Experientele au aratat ca nucleele obtinute prin fisiune au Z cuprins intre 30 si 62, iar numerele de masa A cuprinse intre 72 si 162.

Dam doua exemple de fisionare:

(61)

sau:

(62)

Se observa ca nucleele rezultate in urma fisiunii sunt radioactive si dupa un lant de dezintegrari succesive se ajunge la elemente stabile.

Reactia in lant. Masa critica.

Eliberarea energiei nucleare utilizabila in practica este posibila numai daca procesul se intretine de la sine. In fiecare reactie nucleara apar 2-3 neutroni, numiti neutroni secundari, care la randul lor pot provoca o reactie de fisiune si astfel apare o reactie in lant. Neutronul initial poate aparea in urma unei fisiuni spontane. O parte insemnata dintre neutroni se pierd prin diferite procese secundare cum ar fi: procese de difuzie, captura radiativa produsa de nucleele de uraniu sau de impuritati, sau traversarea masei de uraniu fara ca neutronul sa fi produs reactia de fisiune. Pentru a indeparta ultimul proces este necesar ca dimensiunile blocului de uraniu sa fie mai mari ca drumul liber mediu al neutronilor. In cazul aceasta conduce la o dimensiune minima de 4,1 cm, ceea ce ar reprezenta un bloc cu masa de 1 kg. Aceasta masa minima necesara asigurarii reactiei in lant se numeste masa critica.

Daca se defineste factorul de multiplicare a neutronilor K prin raportul:

(63)

unde N_i reprezinta numarul neutronilor produsi in generatia 'i' a actelor de fisiune, iar N_i-1 numarul de neutroni din generatia anterioara, atunci indiferent de procesele secundare de captura a neutronilor, reactia de fisiune are loc in lant daca este asigurata conditia K³

Reactiile in lant necontrolate conduc la distrugeri mari (armamentul nuclear) tinand seama ca la fiecare proces de fisiune se degaja ΔE 200MeV. Pentru folosirea energiei nucleare in scopuri constructive este necesar un control permanent asupra factorului de multiplicare K. Acest lucru se realizeaza cu materiale care au proprietatea de a absorbi neutronii cum ar fi cadmiul sau borul.

Instalatiile in care se desfasoara reactii de fisiune controlate se numesc reactoare nucleare.

Reactorul nuclear

Primul reactor alcatuit din bare de uraniu natural (0.07% si 99.03% ) introduse intr-un bloc de grafit drept moderator (foloseste la transformarea neutronilor rapizi in neutroni termici) a fost amorsat de Enrico Fermi in 1942 la Universitatea din Chicago. Pentru controlul reactiei se utilizau bare de cadmiu. Exista multe tipuri de reactoare in functie de diferite criterii de constructie si diverse materiale utilizate. In Fig.11 este data schema de principiu a unui reactor nuclear.

Interactiunea radiatiilor cu substanta

De obicei, in notiunea de radiatie nucleara se includ atat radiatiile electromagnetice cat si fluxurile de particule incarcate electric (electroni, protoni, deuteroni, particule alfa, ioni, etc.) si de particule neutre (neutroni, neutrini, mezoni neutrii, etc.). La trecerea prin substanta, radiatia nucleara interactioneaza cu electroni, atomi si molecule. Interactiunile determina atenuarea radiatiei nucleare, atat in ce priveste energia, cat si numarul de particule.

Pentru a caracteriza atenuarea radiatiei se foloseste notiunea de intensitate a radiatiei. La radiatiile electromagnetice I=W/St, este catul dintre puterea transportata de radiatie si aria normala la directia fluxului de radiatie. La radiatia corpusculara, I=N/St, deci este numarul de particule N care trec prin perpendicular prin unitatea de arie in unitatea de timp.

Ne vom referi pe rand la diferite tipuri de particule in interactiune cu substanta.

Interactiunile particulelor grele incarcate electric (protoni, deuteroni, particule alfa, nuclee mai grele) cu substanta au ca rezultat ionizarea si excitarea atomilor substantei strabate. Particulele cu masa mare sunt deviate putin dupa ciocnirea cu electronii, deci traiectoria lor este practic liniara. La energii mari aceste particule produc reactii nucleare, dar la energii mici si medii, principalul proces il constituie ionizarea. Datorita faptului ca energia medie necesara formarii unei perechi de ioni este mica, intensitatea fluxului de particule ramane constanta pe o mare portiune de drum (Fig.12). Trecerea electronilor prin substanta determina pierderea energiei prin ionizarea substantei, dupa o lege aproximativ exponentiala (Fig.13).

Atenuarea radiatiei gama are loc dupa legea exponentiala:

(64)

unde I este intensitatea radiatiei dupa traversarea unui mediu de grosime x, iar μ este coeficientul de absorbtie, care depinde de natura materialului absorbant. Marimea μ are dimensiunea de lungime^-1 (adica se masoara in m^-1) si poate fi scrisa sub forma:

(65)

unde N este numarul de atomi din unitatea de volum a substantei prin care trece particula respectiva, iar marimea σ, avand dimensiunea de arie, reprezinta 'sectiunea eficace' a procesului respectiv de ciocnire. Produsul Nσ este sectiunea eficace macroscopica, fiind suma tuturor sectiunilor eficace din unitatea de volum.

Grosimea substantei pentru care intensitatea radiatiei se reduce la jumatate (I = I₀/2), poarta numele de grosime de injumatatire, d_1/2 (Fig.14):

(66)

Procesele care intervin la interactiunea radiatiei gama cu substanta sunt: excitarea si ionizarea atomilor, efectul fotoelectric, efectul Compton si generarea de perechi electron-pozitron (Fig.15)

Interactiunea neutronilor cu substanta prezinta aspecte caracteristice, cauzate de lipsa de sarcina a neutronului. Ei nu ionizeaza substanta, dar interactioneaza cu nucleele substantei, de exemplu cu nucleele de bor (aflat sub forma BF₃ sau B₄C, etc.), dand reactii de forma:

(67)

iar particulele α produse ionizeaza mediul traversat.

Efecte biologice si protectie impotriva radiatiilor

Radiatiile ionizante pot actiona asupra organismului in trei moduri: prin actiune directa, prin actiune indirecta si prin actiunea la distanta. In urma actiunii directe a radiatiilor asupra organismului sunt lezate macromoleculele de importanta vitala (macromoleculele, acizi nucleici), care sufera transformari datorita ionizarii sau excitarii directe. Actiunea indirecta este declansata de elementele care apar in urma proceselor radiochimice. Mediul principal in care se desfasoara procesele biologice fiind apa, efectele apar ca rezultat al ionizari acesteia. Produsii de descompunere ai apei (ioni sau radicali) actioneaza ca agenti oxidanti si reducatori asupra unor componente esentiale celulare perturband buna desfasurare a proceselor biologice din aceste celule. Actiunea la distanta se produce in urma iradierilor locale. Prin raspandirea in organism a toxinelor care apar in organul iradiat si prin reactiile sistemului endocrin apar anumite efecte biologice asupra celorlalte organe neiradiate.

Cand materia vie este supusa unei iradieri astfel incat solicitarile pentru organism nu depasesc cu mult conditiile fiziologice normale si el poate reactiona inca in limitele functionarii normale, actiunea radiatiilor are doar un efect functional. In acest caz, radiatiile pot avea un efect pozitiv; pentru cazurile cand metabolismul este dereglat, iradierea produce o activare si stimulare temporara a metabolismului, realizand de cele mai multe ori o reglare metabolica. Acest lucru poate fi explicat prin faptul ca in anumite conditii de iradiere apare o intensificare a reactiilor prin care se realizeaza procesele de sinteza.

Daca prin iradiere sunt depasite limitele functionale normale ale organismului, atunci are loc o dereglare a metabolismului care poate conduce la moartea celulelor, tesuturilor sau chiar a organismului, ca urmare a descompunerii sau distrugerii unor macromolecule de interes vital. In afara modificarilor produse de radiatii, de ionizare a materiei si de perturbare a proceselor fizico - chimice, la nivelul fiecarui tesut sau organ se pot produce si modificari specifice, in functie de structura si rolul fiziologic in cadrul organismului.

Intensitatea efectelor biologice depinde nu numai de cantitatea de radiatii incidente, dar si de radio - sensibilitatea organismului afectat. Pentru organismele superioare, cand iradierile nu depasesc anumite limite, datorita factorilor lor de reglare neuro - hormonala, exista posibilitatea de a se asigura adaptarea si compensarea functiilor dereglate, refacerea tesuturilor si chiar regenerarea biologica a organismului.

Variatele aspecte pe care le poate prezenta efectul radiobiologic nu pot fi explicate decat prin prisma unei abordari care sa ia in considerare intreg complexul de reactii si procese petrecute in organismul care a fost iradiat.

Reactii radiochimice

Toate radiatiile ionizante, dau din punct de vedere calitativ aceleasi reactii radiochimice. Din punct de vedere cantitativ, insa, randamentul reactiilor depinde de tipul radiatiei. Deoarece apa reprezinta componentul major al materiei vii, principalul efect primar al radiatiilor consta in radioliza moleculei de apa:

(68)

in care HO si H sunt radicali liberi, adica purtatori de electroni singulari, deci foarte reactivi. Soarta radicalilor liberi astfel aparuti depinde de mediul strabatut, de multe ori ajungandu-se la formarea unor oxidanti foarte puternici: HO₂ sau H₂O₂.

Radiatiile actioneaza direct asupra biomoleculelor, excitandu-le. Excesul de energie pe care-l poseda o molecula excitata se elibereaza fie prin emisie de fotoni, fie prin ruperea unei legaturi covalente, urmata de scindarea moleculei in doi radicali. Este posibil de asemeni ca energia in exces sa fie transferata unei molecule vecine, care sa reactioneze ca si cum ar fi fost iradiata direct. In mediu biologic, exista un numar mare de molecule care prin reactie cu radicalii produsi de radioliza apei pot forma peroxizi, care se mentin mult timp dupa iradiere si provoaca efectele latente ale radiatiilor. Redistribuirea in urma iradierii a legaturilor de hidrogen are ca rezultat modificari de structura pentru proteine, putand conduce la inactivarea unor enzime. La nivelul acizilor nucleici, actiunea radiatiilor se manifesta prin ruperi ale moleculelor, care pot fi simple, cand se rupe o singura componenta a elicei, sau duble, cand prin ruperea ambelor elice se desface practic macromolecula in doua parti distincte.

Efectele iradierii structurilor biologice variaza in functie de constituentii moleculari ai structurii iradiate, de tipul de celula, tesut, organ iradiat, de starea fiziologica si de specie. O celula este cu atat mai sensibila la radiatii cu cat intensitatea proceselor sale de crestere este mai mare, cu cat se afla intr-un stadiu mai timpuriu al procesului de diviziune celulara si cu cat este mai nedifentiata.

Mutatiile genetice sunt de cele mai multe ori letale, dar unele sunt compatibile cu diviziunea celulara. Cele mai grave, din punctul de vedere al consecintelor, sunt mutatiile in celulele reproducatoare. Se disting doua tipuri de modificari genetice, care reprezinta doua grade diferite de alterare a moleculei de ADN:

- mutatiile genetice, care se datoreaza modificarilor la nivelul genei si se manifesta prin modificarea unui caracter controlat de gena respectiva;

- aberatiile cromozomiale, care pot fi evidentiate microscopic si se datoreaza unor ruperi ale moleculelor de acizi nucleici, urmate de recombinari.

Marimi si unitati folosite pentru evaluarea efectelor biologice

Diversitatea tipurilor de radiatii a impus definirea unui sistem de masurare a efectelor biologice ale radiatiilor cu marimi corespunzatoare intregului domeniu si unitati de masura adecvate. Efectele biologice produse de oricare dintre radiatiile nucleare nu se deosebesc calitativ. Intensitatea acestor efecte depinde insa de natura radiatiilor respective si de energia lor. Pentru a se putea explica faptul ca unele radiatii produc efecte mai daunatoare decat altele, s-a introdus notiunea de factor de calitate (FC) sau in lucrarile mai vechi, cel de eficacitate biologica relativa (EBR). Introducerea conceptului de eficacitate biologica a unei radiatii a fost necesar ca urmare a faptului ca s-a constatat experimental ca acelasi efect biologic poate fi produs de unele radiatii prin transferul catre tesut a unei cantitati de energie mai mare, iar de catre alte radiatii, prin transferul unei cantitati de radiatii mai mica. De regula, pentru aceeasi energie absorbita in tesut, radiatiile care produc mai multe ionizari pe unitatea de lungime (protonii, radiatia a) produc efecte biologice mai puternice decat radiatiile a caror ionizare liniara este mai mica.

Raportand eficacitatea biologica a unei radiatii date, la eficacitatea biologica a unei radiatii standard (radiatia X de 200 kV, usor filtrata), luata ca unitate, se obtine eficacitatea biologica relativa (EBR). Valorile factorului de calitate au fost alese luand ca baza valorile eficacitatii biologice relative, dar ele tin seama si de faptul ca relatiile doza - efect care stau la baza obtinerii EBR sunt fondate pe extrapolarile facute pornind de la dozele absorbite mai ridicate cu care se pot evalua direct efectele nocive la om.

Pentru evaluarea efectelor biologice, sunt folosite doua sisteme de marimi si unitati. Sistemul rontgenologic se bazeaza pe masurarea ionizarilor produse in aer de catre radiatii g si X, avand energia de pana la 3 MeV. Acesta a fost primul sistem de masurare a efectelor biologice ale radiatiei, si incepand cu 1950, a fost dublat de un al doilea sistem, sistemul radiobiologic, care este valabil pentru orice tip de radiatii nucleare, la baza caruia se situeaza absorbtia de energie in tesuturi si organe.

Pentru sistemul rontgenologic marimea de baza este expunerea, definita ca raportul dintre sarcina totala de un anumit semn, produsa in aer, si masa volumului de aer Dm, in care sunt opriti toti electronii eliberati de fotoni:

      (68)

Unitatea de masura a expunerii in SI este C/kg. O unitate speciala pentru expunere este rontgenul (R), care este definit ca expunerea la radiatii X sau g cu energia mai mica de 3 MeV, care produc intr-o masa de aer de 1.293 mg (1 cm³ de aer in conditii normale de presiune si temperatura) sarcini electrice totalizand 3.3x10^-10 C de fiecare semn. Un rontgen este egal cu 2.5x10^-4 C/kg. Considerand valoarea medie a energiei cedate de radiatii pentru un proces de ionizare in aer egala cu 34 eV, unui rontgen ii corespunde o energie de 77 mJ/kg.

Debitul expunerii reprezinta viteza de variatie a expunerii:

      (69)

In cadrul sistemului radiobiologic, pentru evaluarea efectelor biologice s-a introdus notiunea de doza, marime care defineste cantitatea de energie a radiatiilor absorbita de un mediu material. Marimile frecvent utilizate in sistemul radiobiologic si unitatile de masura corespunzatoare sunt:

Doza absorbita (D) reprezinta raportul dintre energia medie comunicata de radiatiile nucleare unei mase de materie si respectiva masa:

      (70)

Unitatea de masura in SI este J/kg si poarta numele de gray (Gy). O alta unitate de masura tolerata este radul, 1 rad = 0.01 Gy.

Debitul dozei absorbite reprezinta viteza de variatie a dozei absorbite:

(71)

Unitatea de masura corespunzatoare este gray/secunda.

Echivalentul dozei (H) este produsul dintre doza absorbita (D), factorul de calitate (FC) si un al treilea termen care tine cont de ceilalti factori modificatori si care se ia de obicei egal cu unitatea. Unitatea de masura a echivalentului dozei este aceeasi cu cea a dozei absorbite si poarta numele de sievert (Sv). O unitate de masura tolerata este remul, 1 rem = 0.01 Sv.

Debitul echivalentului dozei reprezinta viteza de variatie a echivalentului dozei:

      (72)

Echivalentul dozei efectiv este definit de relatia:

      (73)

unde H_t este echivalentul dozei mediu in tesutul t, iar W_t este un factor de ponderare care este calculat pentru diferite parti ale corpului, in functie de efectele biologice care apar cand corpul este iradiat uniform. Valorile lui W_t sunt date in tabelul de mai jos:

Iradieri ale organismului si limite ale iradierii

In decursul vietii, organismul uman este supus actiunii mai multor surse se radiatii nucleare:

- iradierea naturala;

- iradierea sanitara: controale medicale, diagnostice, investigatii, tratamente;

- iradierea tehnica: ca urmare a utilizarii radionuclizilor sau a altor surse de radiatii ionizante in diferite aplicatii practice;

- iradieri diverse: de la televizoare, cadrane luminiscente, precipitatii radioactive, eliminarea deseurilor radioactive, etc.

In functie de modul de expunere, respectiv de repartizare a iradierilor, se disting:

- iradieri profesionale;

- iradierea populatiei.

Dupa posibilitatile de evaluare a cuantumului radiatiilor, situatiile de iradiere pe timpul lucrului cu surse de radiatii se pot imparti in doua categorii:

- iradieri controlate (normale), carora li se pot aplica conditiile de limitare a dozelor;

- iradieri necontrolate (anormale), care pot sa aiba loc intr-un accident sau intr-o situatie de urgenta, pentru care nu pot fi limitate dozele.

Limitele si nivelele de referinta sunt doua notiuni diferite in radioprotectie. O limita este valoarea unei marimi care nu trebuie sa fie depasita. Un nivel de referinta este valoarea unei marimi care urmeaza sa determine o serie de masuri speciale; un nivel de referinta nu este o limita. Limitele utilizate in radioprotectie sunt:

- limite primare, cand se refera la echivalentul dozei, echivalentul dozei efectiv, etc., dupa conditiile de iradiere. Aceste limite se aplica la un individ sau in caz de iradiere a publicului, la grupul critic;

- limite secundare, care se aplica atunci cand limitele primare nu se aplica direct (de exemplu, in cazul iradierii interne);

- limite derivate, care se refera la limitele legate de limitele primare printr-un model definit, astfel incat daca limitele derivate sunt respectate, este putin probabil ca limitele primare sa nu fie respectate;

- limite autorizate, care sunt fixate de autoritatea competenta sau de conducerea institutiei pentru toate marimile. Acestea trebuie sa fie mai mici decat limitele primare sau cele derivate. Cand limitele autorizate sunt specificate de catre conducere, ele se mai numesc si limite operationale.

Nivelele de referinta utilizate in radioprotectie sunt urmatoarele:

- nivele de inregistrare; sunt nivelele definite de autoritatea competenta pentru echivalentul de doza efectiv sau pentru incorporare, la a caror depasire informatia este de un interes suficient din punct de vedere al radioprotectiei astfel incat sa se justifice inregistrarea si stocarea informatiei;

- nuvele de investigare; sunt nivelele la a caror depasire rezultatele sunt suficient de importante incat sa se justifice o investigare ulterioara;

- nivele de referinta; sunt nivele specificate uzual pentru utilizare in situatii anormale. Un astfel de nivel este specificat anticipat, de o autoritate competenta sau de catre conducerea institutiei, astfel incat la depasirea unei anumite valori sa se realizeze interventia pentru aducerea marimilor in limitele normale;

- nivele de referinta; sunt nivele care pot fi stabilite pentru orice marime utilizata in radioprotectie, indiferent daca exista sau nu o limita pentru marimea respectiva.

Limite pentru iradierea profesionala in conditii normale

Limita anuala a echivalentului de doza efectiv pentru persoanele iradiate profesional este de 50 mSv (5 rem). Pe de alta parte, limita anuala a echivalentului de doza pentru fiecare organ sau tesut este de 500 mSv (50 rem), exceptie facand cristalinul, pentru care valoarea este de 150 mSv (15 rem). Pentru femeile care sunt in situatie de procreere potentiala nu exista nici o prevedere speciala, exceptand faptul ca iradierea trebuie sa fie cat mai uniform distribuita in timp. Scopul acestei prevederi este de a proteja embrionul inainte ca sarcina sa fie determinata. Cand se stie ca femeia este insarcinata, ea trebuie sa lucreze numai in conditii in care este putin probabil ca iradierea anuala sa depaseasca 30 % din limita echivalentului dozei. Cand un lucrator este supus atat unei iradieri externe cat si unei iradieri interne, intr-un an, pentru ca limitele anuale ale dozei sa nu fie depasite, trebuiesc satisfacute urmatoarele limite secundare:

(74)

unde H_s este echivalentul dozei superficial, H_p este echivalentul de doza de profunzime, I_j este incorporarea anuala a radionuclidului j, iar I_j,l este limita anuala de incorporare a radionuclidului j.

Limite pentru iradierea profesionala exceptionala concentrata (unica) - iradierea planificata in situatii de urgenta

Lucrul cu surse de radiatii cuprinde uneori situatii in care operatorul este nevoit sa primeasca valori mari ale echivalentului dozei efectiv (lucrari de decontaminare, de interventii rapide in urma unui accident). Autorizarea unor astfel de operatii nu trebuie data decat in situatii exceptionale, cand alte proceduri sunt inaplicabile. Tinand seama de aceasta cerinta se impun urmatoarele conditii:

- echivalentul dozei care rezulta dintr-o iradiere unica (concentrata) nu depaseste, intr-o situatie data, dublul limitei anuale, si in timpul vietii, de 5 ori aceasta limita;

- inaintea inceperii operatiilor care vor antrena o iradiere exceptionala unica, lucratorii interesati trebuie sa fie consultati asupra operatiei prevazute, avertizati asupra riscului profesional si instruiti asupra masurilor care trebuiesc luate pentru mentinerea iradierii la nivelul minim posibil;

- iradierea exceptionala planificata nu este autorizata pentru:

- lucratorii care au suferit anterior o iradiere anormala ce a antrenat un echivalent al dozei care depasea de 5 ori limita anuala

- femeile in situatie de procreere potentiala.

Limite pentru iradierea persoanelor din public

Limita echivalentului dozei efectiv anual pentru persoane din populatie este de 5 mSv (0.5 rem). Limita anuala pentru echivalentul de doza pentru fiecare organ sau tesut este de 50 mSv (5 rem). Cand o persoana din populatie ar putea sa fie supusa la o valoare apropiata de limita anuala de echivalent de doza efectiv pe o perioada indelungata de timp, este prudent sa se ia masuri de reducere a limitelor anuale de echivalent de doza efectiv, pe toata viata, la o valoare medie de 1 mSv (0.1 rem).

Metode de protectie impotriva radiatiilor

Cea mai eficienta metoda de protectie este data de reducerea la maximum a dozei de iradiere, folosindu-se mijloace specifice de atenuare a radiatiilor (ecranare), in functie de tipul de radiatie, sau prin cresterea distantei intre locul de stationare al sursei si organism. Astfel, radiatiile alfa, avand un parcurs foarte mic, sunt usor de ecranat de exemplu cu o pereche de manusi. Trebuie tinut cont insa la acest tip de radiatie de produsii secundari de ionizare (radiatii beta sau gama). Radiatiile beta sunt ecranate prin folosirea de materiale usoare (apa, mase plastice) avand grosimea mai mare decat parcursul lor. Folosirea de materiale grele duce la aparitia radiatiilor X de franare, cu mare putere de patrundere si greu de ecranat. In schimb, radiatiile gama sau X se atenueaza cu ecrane de protectie realizate din materiale cu Z mare. Datorita faptului ca radiatiile de acest tip sunt foarte penetrante si atenuarea lor totala se face pe distante foarte mari, se cauta ca distanta dintre operator si sursa sa fie cat mai mare, prin utilizarea unor sisteme de manipulare mecanice. Datorita usurintei de realizare si pretului scazut, de multe ori ecranele de protectie se realizeaza din beton sau sticla.

Rezumatul unitatii de curs

Unitatea de curs prezinta cateva notiuni de fizica atomica si nucleara si trateaza subiectele de baza de dozimetrie si radioprotectie.