לאורך ההיסטוריה של החיים על פני כדור הארץ, אורגניזמים נחשפו ללא הרף לקרניים קוסמיות ולרדיונוקלידים שנוצרו על ידם באטמוספירה, כמו גם לקרינה מחומרים הנמצאים בכל מקום בטבע. החיים המודרניים הסתגלו לכל התכונות והמגבלות של הסביבה, כולל מקורות טבעיים של קרני רנטגן.
למרות שרמות גבוהות של קרינה בהחלט מזיקות לאורגניזמים, סוגים מסוימים של קרינה חיוניים לחיים. לדוגמה, רקע הקרינה תרם לתהליכים הבסיסיים של אבולוציה כימית וביולוגית. ברורה גם העובדה שהחום של ליבת כדור הארץ מסופק ומתוחזק על ידי חום ההתפרקות של רדיונוקלידים טבעיים ראשוניים.
קרניים קוסמיות
הקרינה שמקורה מחוץ לכדור הארץ שמפציץ ברציפות את כדור הארץ נקראתרווח.
העובדה שקרינה חודרת זו מגיעה לכוכב הלכת שלנו מהחלל החיצון, ולא מכדור הארץ, התגלתה בניסויים למדידת יינון בגבהים שונים, מגובה פני הים ועד 9000 מ'. נמצא כי עוצמת הקרינה המייננת ירד עד לגובה של 700 מ', ולאחר מכן עלה במהירות עם הטיפוס. ניתן להסביר את הירידה הראשונית בירידה בעוצמת קרני הגמא היבשתיות, ועלייה בפעולת הקרניים הקוסמיות.
מקורות רנטגן בחלל הם כדלקמן:
- קבוצות של גלקסיות;
- גלקסיות סייפרט;
- Sun;
- stars;
- quasars;
- חורים שחורים;
- שאריות סופרנובה;
- גמדים לבנים;
- כוכבים כהים וכו'
עדות לקרינה כזו, למשל, היא עלייה בעוצמת הקרניים הקוסמיות הנצפות על פני כדור הארץ לאחר התלקחויות שמש. אבל הכוכב שלנו אינו תורם את התרומה העיקרית לשטף הכולל, שכן הווריאציות היומיות שלו קטנות מאוד.
שני סוגי קרניים
קרניים קוסמיות מחולקות לראשוניות ומשניות. קרינה שאינה מקיימת אינטראקציה עם חומר באטמוספירה, הליתוספירה או ההידרוספירה של כדור הארץ נקראת ראשונית. הוא מורכב מפרוטונים (≈ 85%) וחלקיקי אלפא (≈ 14%), עם שטפים קטנים בהרבה (< 1%) של גרעינים כבדים יותר. קרני רנטגן קוסמיות משניות, שמקורות הקרינה שלהן הם קרינה ראשונית והאטמוספירה, מורכבות מחלקיקים תת-אטומיים כגון פיונים, מיואונים ואלקטרונים. בגובה פני הים, כמעט כל הקרינה הנצפית מורכבת מקרניים קוסמיות משניות, 68% מהן מיואונים ו-30% הם אלקטרונים. פחות מ-1% מהשטף בגובה פני הים מורכב מפרוטונים.
לקרניים קוסמיות ראשוניות, ככלל, יש אנרגיה קינטית עצומה. הם טעונים חיובית ומקבלים אנרגיה על ידי האצה בשדות מגנטיים. בוואקום של החלל החיצון, חלקיקים טעונים יכולים להתקיים לאורך זמן ולעבור מיליוני שנות אור. במהלך טיסה זו, הם רוכשים אנרגיה קינטית גבוהה, בסדר גודל של 2–30 GeV (1 GeV=109 eV). לחלקיקים בודדים יש אנרגיות של עד 1010 GeV.
האנרגיות הגבוהות של קרניים קוסמיות ראשוניות מאפשרות להן לפצל ממש אטומים באטמוספרה של כדור הארץ כשהם מתנגשים. יחד עם נויטרונים, פרוטונים וחלקיקים תת-אטומיים יכולים להיווצר יסודות קלים כמו מימן, הליום ובריליום. מיואונים תמיד טעונים וגם מתפרקים במהירות לאלקטרונים או פוזיטרונים.
מגן מגנטי
עוצמת הקרניים הקוסמיות עולה בחדות עם העלייה עד הגעה למקסימום בגובה של כ-20 ק"מ. מ-20 ק"מ לגבול האטמוספירה (עד 50 ק"מ) העוצמה יורדת.
דפוס זה מוסבר על ידי עלייה בייצור קרינה משנית כתוצאה מעלייה בצפיפות האוויר. בגובה של 20 ק"מ, רוב הקרינה הראשונית כבר נכנסה לאינטראקציה, והירידה בעוצמה מ-20 ק"מ לגובה פני הים משקפת את בליעת הקרניים המשניות.אטמוספירה, שווה ערך לכ-10 מטרים של מים.
עוצמת הקרינה קשורה גם לקו הרוחב. באותו גובה, הזרימה הקוסמית עולה מקו המשווה לקו רוחב של 50-60° ונשארת קבועה עד לקטבים. זה מוסבר על ידי צורת השדה המגנטי של כדור הארץ והתפלגות האנרגיה של הקרינה הראשונית. קווי שדה מגנטי המשתרעים מעבר לאטמוספירה הם בדרך כלל מקבילים לפני השטח של כדור הארץ בקו המשווה ומאונכים בקטבים. חלקיקים טעונים נעים בקלות לאורך קווי השדה המגנטי, אך בקושי מתגברים עליו בכיוון הרוחבי. מהקטבים ועד 60°, כמעט כל הקרינה הראשונית מגיעה לאטמוספירה של כדור הארץ, ובקו המשווה רק חלקיקים בעלי אנרגיות העולה על 15 GeV יכולים לחדור למגן המגנטי.
מקורות רנטגן משניים
כתוצאה מהאינטראקציה של קרניים קוסמיות עם חומר, נוצרת באופן רציף כמות משמעותית של רדיונוקלידים. רובם שברים, אך חלקם נוצרים על ידי הפעלה של אטומים יציבים על ידי נויטרונים או מיואונים. הייצור הטבעי של רדיונוקלידים באטמוספירה תואם את עוצמת הקרינה הקוסמית בגובה ובקו הרוחב. כ-70% מהם מקורם בסטרטוספירה, ו-30% בטרופוספירה.
למעט H-3 ו-C-14, רדיונוקלידים נמצאים בדרך כלל בריכוזים נמוכים מאוד. טריטיום מדולל ומעורבב עם מים ו-H-2, ו-C-14 מתאחד עם חמצן ויוצר CO2, שמתערבב עם פחמן דו-חמצני באטמוספירה. פחמן-14 חודר לצמחים באמצעות פוטוסינתזה.
קרינת כדור הארץ
מתוך הרדיונוקלידים הרבים שנוצרו עם כדור הארץ, רק למעטים יש זמן מחצית חיים ארוך מספיק כדי להסביר את קיומם הנוכחי. אם כוכב הלכת שלנו נוצר לפני כ-6 מיליארד שנים, הם יצטרכו זמן מחצית חיים של לפחות 100 מיליון שנים כדי להישאר בכמויות הניתנות למדידה. מבין הרדיונוקלידים העיקריים שהתגלו עד כה, שלושה הם בעלי החשיבות הגדולה ביותר. מקור רנטגן הוא K-40, U-238 ו-Th-232. אורניום ותוריום יוצרים כל אחד שרשרת של תוצרי ריקבון שנמצאים כמעט תמיד בנוכחות האיזוטופ המקורי. למרות שרבים מהרדיונוקלידים של הבת הם קצרי מועד, הם נפוצים בסביבה מכיוון שהם נוצרים ללא הרף מחומרי אב ארוכים.
מקורות אחרים של קרני רנטגן ארוכי חיים ראשוניים, בקיצור, נמצאים בריכוזים נמוכים מאוד. אלה הם Rb-87, La-138, Ce-142, Sm-147, Lu-176 וכו'. נויטרונים המופיעים באופן טבעי יוצרים רדיונוקלידים רבים אחרים, אך ריכוזם בדרך כלל נמוך מאוד. מחצבת אוקלו בגבון, אפריקה, מכילה עדויות ל"כור טבעי" שבו התרחשו תגובות גרעיניות. דלדול ה-U-235 והנוכחות של תוצרי ביקוע בתוך מרבץ אורניום עשיר מצביעים על כך שתגובת שרשרת שנוצרה באופן ספונטני התרחשה כאן לפני כ-2 מיליארד שנים.
למרות שרדיונוקלידים ראשוניים נמצאים בכל מקום, הריכוז שלהם משתנה לפי מיקום. רָאשִׁימאגר הרדיואקטיביות הטבעית הוא הליתוספירה. בנוסף, הוא משתנה באופן משמעותי בתוך הליתוספירה. לפעמים זה קשור לסוגים מסוימים של תרכובות ומינרלים, לפעמים זה אזורי בלבד, עם מתאם קטן עם סוגי סלעים ומינרלים.
הפצה של רדיונוקלידים ראשוניים ותוצרי ריקבון הצאצאים שלהם במערכות אקולוגיות טבעיות תלויה בגורמים רבים, כולל התכונות הכימיות של הגרעינים, הגורמים הפיזיקליים של המערכת האקולוגית, והתכונות הפיזיולוגיות והאקולוגיות של החי והצומח. בליית הסלעים, המאגר העיקרי שלהם, מספקת לקרקע את U, Th ו-K. בהעברה זו לוקחים חלק גם תוצרי הריקבון של Th ו-U. מהאדמה, K, Ra, מעט U ומעט מאוד Th נספגים בצמחים. הם משתמשים באשלגן-40 באותו אופן כמו K יציב. רדיום, תוצר ריקבון של U-238, משמש את הצמח, לא בגלל שהוא איזוטופ, אלא בגלל שהוא קרוב מבחינה כימית לסידן. ספיגת אורניום ותוריום על ידי צמחים היא בדרך כלל זניחה מכיוון שהרדיונוקלידים הללו בדרך כלל אינם מסיסים.
Radon
החשוב מכל מקורות הקרינה הטבעית הוא האלמנט חסר הטעם וחסר הריח, גז בלתי נראה שכבד פי 8 מאוויר, ראדון. הוא מורכב משני איזוטופים עיקריים - ראדון-222, אחד מתוצרי ההתפרקות של U-238, ורדון-220, שנוצרו במהלך ההתפרקות של Th-232.
סלעים, אדמה, צמחים, בעלי חיים פולטים ראדון לאטמוספירה. הגז הוא תוצר ריקבון של רדיום ומיוצר בכל חומרשמכיל אותו. מכיוון שהראדון הוא גז אינרטי, הוא יכול להשתחרר ממשטחים הבאים במגע עם האטמוספרה. כמות הראדון שיוצאת ממסה נתונה של סלע תלויה בכמות הרדיום ובשטח הפנים. ככל שהסלע קטן יותר, כך הוא יכול לשחרר יותר ראדון. ריכוז ה-Rn באוויר לצד חומרים המכילים רדיום תלוי גם במהירות האוויר. במרתפים, במערות ובמכרות שיש להם זרימת אוויר לקויה, ריכוזי הראדון יכולים להגיע לרמות משמעותיות.
Rn מתפרק די מהר ויוצר מספר רדיונוקלידים בת. לאחר היווצרותם באטמוספירה, תוצרי ריקבון הראדון משתלבים עם חלקיקי אבק עדינים השוקעים על האדמה והצמחים, וגם נשאפים על ידי בעלי חיים. גשמים יעילים במיוחד בפינוי יסודות רדיואקטיביים מהאוויר, אך הפגיעה והשקיעה של חלקיקי אירוסול תורמים גם הם לשקיעתם.
באקלים ממוזג ריכוזי הראדון בתוך הבית גבוהים בממוצע פי 5 עד 10 מאשר בחוץ.
במהלך העשורים האחרונים, האדם ייצר באופן "מלאכותי" כמה מאות רדיונוקלידים, קרני רנטגן קשורות, מקורות, תכונות שיש להם יישומים ברפואה, צבא, ייצור חשמל, מכשור וחקר מינרלים.
השפעות אישיות של מקורות קרינה מעשה ידי אדם משתנות מאוד. רוב האנשים מקבלים מינון קטן יחסית של קרינה מלאכותית, אבל חלקם מקבלים הרבה אלפי פעמים קרינה ממקורות טבעיים. מקורות מעשה ידי אדם טובים יותרמבוקר מאשר טבעי.
מקורות רנטגן ברפואה
בתעשייה וברפואה, ככלל, משתמשים רק ברדיונוקלידים טהורים, מה שמקל על זיהוי נתיבי הדליפה מאתרי אחסון ותהליך הסילוק.
השימוש בקרינה ברפואה הוא נרחב ויש לו פוטנציאל להשפיע משמעותית. הוא כולל מקורות רנטגן המשמשים ברפואה עבור:
- diagnostics;
- therapy;
- נהלים אנליטיים;
- pacing.
לאבחון, נעשה שימוש גם במקורות אטומים וגם במגוון רחב של חותמים רדיואקטיביים. מוסדות רפואיים מבחינים בדרך כלל בין יישומים אלה כמו רדיולוגיה ורפואה גרעינית.
האם צינור רנטגן הוא מקור לקרינה מייננת? טומוגרפיה ממוחשבת ופלואורוגרפיה הם פרוצדורות אבחון ידועות המתבצעות בעזרתה. בנוסף, ישנם יישומים רבים של מקורות איזוטופים ברדיוגרפיה רפואית, לרבות מקורות גמא ובטא, ומקורות נויטרונים ניסיוניים למקרים בהם מכונות רנטגן אינן נוחות, לא מתאימות או עלולות להיות מסוכנות. מנקודת מבט סביבתית, קרינה רדיוגרפית אינה מהווה סיכון כל עוד מקורותיה נשארים אחראיים ומסולקים כראוי. בהקשר זה, ההיסטוריה של יסודות רדיום, מחטי ראדון ותרכובות זוהרות המכילות רדיום אינה מעודדת.
מקורות רנטגן בשימוש נפוץ המבוססים על 90Srאו 147 Pm. הופעתו של 252Cf כמחולל נויטרונים נייד הפכה את רדיוגרפיית נויטרונים לזמינה נרחבת, אם כי באופן כללי הטכניקה עדיין תלויה מאוד בזמינותם של כורים גרעיניים.
רפואה גרעינית
הסכנות הסביבתיות העיקריות הן תוויות רדיואיזוטופים ברפואה גרעינית ומקורות רנטגן. דוגמאות להשפעות לא רצויות הן כדלקמן:
- הקרנה של המטופל;
- הקרנה של צוות בית החולים;
- חשיפה במהלך הובלה של תרופות רדיואקטיביות;
- השפעה במהלך הייצור;
- חשיפה לפסולת רדיואקטיבית.
בשנים האחרונות חלה מגמה לצמצום חשיפת המטופלים באמצעות הכנסת איזוטופים קצרי חיים עם השפעה צרה יותר ושימוש בתרופות מקומיות יותר.
זמן מחצית חיים קצר יותר מפחית את ההשפעה של פסולת רדיואקטיבית, מכיוון שרוב האלמנטים ארוכי החיים מופרשים דרך הכליות.
נראה שההשפעה הסביבתית של ביוב אינה תלויה בשאלה אם החולה מאושפז או אשפוז. בעוד שרוב היסודות הרדיואקטיביים המשתחררים צפויים להיות קצרי מועד, ההשפעה המצטברת עולה בהרבה על רמות הזיהום של כל תחנות הכוח הגרעיניות גם יחד.
הרדיונוקלידים הנפוצים ביותר ברפואה הם מקורות רנטגן:
- 99mTc – סריקת גולגולת ומוח, סריקת דם מוחי, לב, כבד, ריאה, סריקת בלוטת התריס, לוקליזציה שליה;
- 131I - סריקת דם, כבד, לוקליזציה שליה, סריקה וטיפול של בלוטת התריס;
- 51Cr - קביעת משך קיומם של כדוריות דם אדומות או קיבוע, נפח דם;
- 57Co - מבחן שילינג;
- 32P – גרורות בעצמות.
השימוש הנרחב בהליכי בדיקות רדיואימוניות, בדיקת שתן ושיטות מחקר אחרות תוך שימוש בתרכובות אורגניות מסומנות הגביר באופן משמעותי את השימוש בתכשירי הנצנץ נוזליים. תמיסות זרחן אורגניות, המבוססות לרוב על טולואן או קסילן, מהוות נפח גדול למדי של פסולת אורגנית נוזלית שיש להשליך. עיבוד בצורה נוזלית עלול להיות מסוכן ואינו מקובל מבחינה סביבתית. מסיבה זו, שריפת פסולת מועדפת.
מאחר ש-3H או 14C מתמוססים בקלות בסביבה, החשיפה שלהם היא בטווח הנורמלי. אבל ההשפעה המצטברת יכולה להיות משמעותית.
שימוש רפואי נוסף ברדיונוקלידים הוא השימוש בסוללות פלוטוניום להפעלת קוצבי לב. אלפי אנשים חיים היום כי המכשירים האלה עוזרים לליבם לתפקד. מקורות אטומים של 238Pu (150 GBq) מושתלים בחולים בניתוח.
קרני רנטגן תעשייתיות: מקורות, מאפיינים, יישומים
רפואה היא לא האזור היחיד שבו חלק זה של הספקטרום האלקטרומגנטי מצא יישום. רדיואיזוטופים ומקורות רנטגן המשמשים בתעשייה הם חלק משמעותי ממצב הקרינה הטכנוגני. דוגמאות ליישומים:
- רדיוגרפיה תעשייתית;
- מדידת קרינה;
- גלאי עשן;
- חומרים מאירים בעצמם;
- קריסטלוגרפיית רנטגן;
- סורקים להקרנת מזוודות ומטען יד;
- לייזרי רנטגן;
- synchrotrons;
- cyclotrons.
מכיוון שרוב היישומים הללו כוללים שימוש באיזוטופים מכוסים, חשיפה לקרינה מתרחשת במהלך הובלה, העברה, תחזוקה וסילוק.
האם צינור רנטגן הוא מקור לקרינה מייננת בתעשייה? כן, הוא משמש במערכות בדיקה לא הרסניות בשדות תעופה, בחקר גבישים, חומרים ומבנים, ובקרה תעשייתית. במהלך העשורים האחרונים, מינוני החשיפה לקרינה במדע ובתעשייה הגיעו למחצית מערכו של מדד זה ברפואה; לפיכך התרומה משמעותית.
למקורות רנטגן מובלעים בפני עצמם יש השפעה מועטה. אבל ההובלה והסילוק שלהם מדאיגים כשהם הולכים לאיבוד או מושלכים בטעות למזבלה. מקורות כאלהצילומי רנטגן מסופקים ומותקנים בדרך כלל כדיסקים או צילינדרים אטומים כפולים. הקפסולות עשויות מנירוסטה ודורשות בדיקה תקופתית לאיתור נזילות. סילוקם יכול להוות בעיה. מקורות קצרי מועד עשויים להיות מאוחסנים ולפגוע, אבל גם אז יש לתת עליהם את החשבון כראוי ויש להשליך שאריות חומר פעיל במתקן מורשה. אחרת, יש לשלוח את הקפסולות למוסדות מיוחדים. הכוח שלהם קובע את החומר והגודל של החלק הפעיל של מקור קרני הרנטגן.
מיקומי אחסון מקור רנטגן
בעיה הולכת וגוברת היא פירוק בטוח וטיהור של אתרים תעשייתיים שבהם אוחסנו חומרים רדיואקטיביים בעבר. מדובר בעיקר במתקני עיבוד גרעיני ישנים יותר, אבל צריך להיות מעורב בתעשיות אחרות, כמו מפעלים לייצור שלטי טריטיום מאירים בעצמם.
מקורות נמוכים ארוכים, שהם נפוצים, הם בעיה מיוחדת. לדוגמה, 241Am משמש בגלאי עשן. בנוסף לראדון, אלו הם המקורות העיקריים לקרינת רנטגן בחיי היומיום. בנפרד, הם אינם מהווים סכנה כלשהי, אך חלק ניכר מהם עלול להוות בעיה בעתיד.
פיצוצים גרעיניים
במהלך 50 השנים האחרונות, כולם נחשפו לקרינה מנשורת שנגרמה מניסויים בנשק גרעיני. השיא שלהם היה ב1954-1958 ו-1961-1962.
בשנת 1963, שלוש מדינות (ברית המועצות, ארה ב ובריטניה) חתמו על הסכם על איסור חלקי על ניסויים גרעיניים באטמוספרה, באוקיינוס ובחלל החיצון. במהלך שני העשורים הבאים, צרפת וסין ערכו סדרה של בדיקות קטנות בהרבה, שנפסקו ב-1980. בדיקות תת-קרקעיות עדיין בעיצומן, אך בדרך כלל הן אינן מייצרות משקעים.
זיהום רדיואקטיבי מבדיקות אטמוספירה נופל ליד אתר הפיצוץ. חלקם נשארים בטרופוספירה ונושאים על ידי הרוח ברחבי העולם באותו קו רוחב. בזמן שהם נעים, הם נופלים על הקרקע, נשארים כחודש באוויר. אבל רובם נדחפים לסטרטוספירה, שם הזיהום נשאר במשך חודשים רבים, ושוקעים לאט על פני כדור הארץ.
נשורת רדיואקטיבית כוללת כמה מאות רדיונוקלידים שונים, אך רק מעטים מהם מסוגלים להשפיע על גוף האדם, ולכן, גודלם קטן מאוד, והדעיכה מהירה. המשמעותיים ביותר הם C-14, Cs-137, Zr-95 ו-Sr-90.
ל-Zr-95 יש זמן מחצית חיים של 64 ימים, בעוד של-Cs-137 ו-Sr-90 יש כ-30 שנה. רק פחמן-14, עם זמן מחצית חיים של 5730, יישאר פעיל הרחק אל העתיד.
אנרגיה גרעינית
כוח גרעיני הוא השנוי ביותר במחלוקת מכל מקורות הקרינה האנתרופוגניים, אבל הוא תורם מעט מאוד להשפעות בריאות האדם. במהלך פעילות רגילה, מתקנים גרעיניים משחררים כמויות זניחות של קרינה לסביבה. פברואר 2016היו 442 כורים גרעיניים אזרחיים הפועלים ב-31 מדינות ו-66 נוספים היו בבנייה. זהו רק חלק ממחזור ייצור הדלק הגרעיני. זה מתחיל בכרייה וטחינת עפרות אורניום וממשיך בייצור דלק גרעיני. לאחר שימוש בתחנות כוח, לעיתים מעובדים תאי דלק מחדש כדי לשחזר אורניום ופלוטוניום. בסופו של דבר, המחזור מסתיים בפינוי פסולת גרעינית. בכל שלב של מחזור זה, חומרים רדיואקטיביים יכולים להשתחרר.
כמחצית מייצור עפרות האורניום בעולם מגיע מבורות פתוחים, החצי השני ממכרות. לאחר מכן הוא נמחץ במגרסה סמוכות, שמייצרות כמות גדולה של פסולת - מאות מיליוני טונות. פסולת זו נשארת רדיואקטיבית במשך מיליוני שנים לאחר הפסקת פעילות המפעל, אם כי קרינה היא חלק קטן מאוד מהרקע הטבעי.
לאחר מכן, האורניום הופך לדלק באמצעות עיבוד נוסף וטיהור במפעלי העשרה. תהליכים אלו מובילים לזיהום אוויר ומים, אך הם הרבה פחות מאשר בשלבים אחרים של מחזור הדלק.
