IZOTOPOVÉ METODY

   

   

   Organizační informace:

   

   Přednášky a cvičení, přednáška zakončená zkouškou, cvičení 100% účast + všechny vypracované
   protokoly.

   

                                         1. Základní údaje

   

   doporučená literatura:

   

   Radioaktivita, ionizující záření, jaderná energie - Jiří Hála - Konvoj 1998, skripta na webu

   

   Sylabus přednášky: 

   

    1. Základní údaje
    2. Atomové jádro
    3. Radioaktivní přeměny
    4. Vlastnosti ionizujícího záření
    5. Metody detekce IZ
    6. Biologické účinky IZ
    7. Použití radionuklidů a izotopů v biologii a lékařství

   

   Sylabus cvičení:

   

    1. Školení bezpečnosti práce
    2. Test  + Vliv doby měření a pozadí na přesnost měření radioaktivních vzorků
    3. Mrtvá doba scintilačního detektoru, charakteristika scintilačního detektoru
    4. Spektrometrie γ záření s krystalem NaI(Tl)
    5. Absorpce záření β
    6. Samoabsorpce β záření
    7. Absorpce γ záření
    8. Poločas rozpadu dlouhodobého radionuklidu
    9. Stanovení obsahu radonu ve vzduchu a ve vodě

   Struktura hmoty:

   

   struktura_hmoty

   

   Rozdělení částic (hmoty):

   

   Elementární částice dnes – cca 100 částic + 100 antičástic

   Následující schéma naznačuje zjednodušeně členění elementárních částic:

   deleni_castic

   

   – bosony, celý spin (vnitřní moment hybnosti) (^16O, γ, α)

   – fermiony, polocelý spin (p, n, e)

   

   – hadrony, slabá jad., el. mag. a silná jaderná

   – leptony, necítí silnou jadernou (e, ν, μ)

   

   hadrony –        baryony – polocelý spin (n, p)

   mezony – celý spin (π)

   

   A – nukleonové číslo (A=Z+N)                                       
                                                                      
   Z – protonové číslo                                                
                                                                      
   N – neutronové číslo                                               
                                                                      
                                                                      

   Symbolika:  běžný zkrácený zápis: ^AX

   

                          

   

   

   Zvláštní symbolika:       D – deuterium – ^2H

                                                              T – tritium – ^3H

   

   Pojmy:            nuklid(y) – soubor identických atomů, jejichž jádra tedy mají identické
   složení, stejné A i Z

   isotopy – soubor atomů, které mají stejné protonové (Z) ale různé neutronové N (tím pádem i A)
   číslo

   isobary – nuklidy které mají stejné nukleonové (A) ale různé protonové číslo

   radio – značí, že jádro je nestabilní a samovolně se rozpadá

   Příklady: Isobary: ^40Ar, ^40K, ^40Ca.

   

   Hmotnost atomu:       kg x u definice u: u = 1/12 m(^12C)

                                      po vyčíslení: u = 0,012 / (12 6,022.10^23) = 1,6606.10^-27
   kg = 1 u

   

   Energie:         J x eV definice eV: je to energie, kterou elektron získá při průchodu
   potenciálovým spádem 1V  E = Q U

                                      po vyčíslení: E = Q U = 1,602.10^-19 1 = 1,602.10^-19 J = 1
   eV

                         

   Příklady: Energie fotonu viditelného záření.

   λ = 550 nm = 5,5.10^-7 m; h = 6,63.10-34 J s; c = 2,997.10^8 m s^-1

   E = h ν = h c / λ = 6,63.10^-34 2,997.10^8 / 5,5.10^-7 = 3,6.10^-19 J = 3,6.10^-19
   / 1,602.10^-19 = 2,3 eV

   

   Ekvivalentní energie 1 u.

   m = u = 1,6606.10^-27 kg; c = 2,997.108 m s-1

   E = m c^2 = 1,6606.10^-27 (2,997.10^8)^2 = 1,492.10^-10 J = 1,492.10^-10 / 1,602.10^-19 =
   931,3 MeV

   

                                          2. Atomové jádro

   

   -         p + n; centrum + náboje a hmoty (m(p) 1,673.10^-27 či m(n) 1,675.10^-27 2000 m(e)
   9,109.10^-31); průměr jádra  10^-15 m (atomu  10-10 m)

   

   Jaderná potenciálová jáma a bariéra:

   

   

   str 32a

   

   

   Hladinový model jádra:

   

   -         p i n mají spin 1/2 a ve společném (ale zvlášť p a n) silovém poli platí Pauliho
   princip – každá částice musí být v jiném kvantovém stavu (jako u e v obalu)

   -         vzniká tak soubor hladin (zvlášť pro p a n)

   str 24

   -         u p coulombická síla způsobuje zvýšení energie energetických hladin v potenciálové
   jámě

   -         zaplňování slupek (en. hladin) probíhá obdobně jako u elektronového obalu (2, 8, 8,
   18, 18, 32…), zde u p 2, 6, 12… obdoba u n, celkem pak 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 protonů a 2,
   8, 20, 28, 50, 82, 126 neutronů, jsou to tzv magická čísla

   -         po zaplnění těchto slupek je jádro stabilizováno, obdoba vzácných plynů (při
   zaplňování slupek v el. obalu)

   -         dvojitě magická: Z a N jsou magická čísla; Příklad: ^4He (2p, 2n), ^16O (8p, 8n),
   ^208Pb (82p, 126n)

   -          ostrůvky stability: předpokládá se vznik relativně stabilních nuklidů, 298X (114p,
   184n), ^310Y (126p, 184n)

   -         aby bylo jádro stabilní, musí mít též správný poměr N a Z, zpočátku N / Z = 1 poté
   roste až na 1,52 u posledního stabilního nuklidu ^209Bi (83p, 126n), tzv. řeka stability

   -         př. ^100Sn (50p, 50n) T[1/2]  1 s

   -         nejstabilnější jádra jsou sudo-sudé, pak sudo-liché či licho-sudé a jen 4 stabilní
   licho-liché: ^2H (1p, 1n), ^6Li (3p, 3n), ^10B (5p, 5n) a ^14N (7p, 7n)

   

   Hmotnost a vazebná energie jádra:

   

   m(X) < Z m(p) + N m(n)         hmotnostní úbytek:  = m(X) – (Z m(p) + N m(n))      < 0

   

   E[v] = - c^2  (Ev > 0)  - vazebná energie jádra, z definice plyne, že je kladná

   

   e = E[v] / A  - střední vazebná energie, v podstatě je to energie potřebná k uvolnění jednoho
   nukleonu z jádra

   

   Excitační energie jádra je o 5-6 řádů větší než excitační energie el. obalu.

   

   Příklad: ^12C (6 p, 6 n), m(p) = 1,6726.10^-27 kg; m(n) = 1,6750.10-27 kg; m(e) = 9,1095.10-31
   kg; c = 2.997.108 m s-1; u = 1,6606.10^-27 kg

   teoretická m(^12C) = 6 m(p) + 6 m(n)  + 6 m(e) = 2,0091.10^-26 kg

   skutečná m(^12C) = 12 u = 1,9927.10^-26 kg

    = 1,9927.10^-26 - 2,0091.10^-26 = -1.6407.10^-28 kg

   E[v] = 1.6407.10^-28 (2.997.10^8)^2 = 1,4736.10^-11 J = 1,4736.10^-11 / 1,602.10^-19 = 92 MeV

   e = 9,2.10^7 / 12 = 7,7 MeV

   Zajímavost: Při vzniku 12g (1 mol) ^12C z p a n, by se uvolnilo 1,4736.10^-11 6,022.10^23 =
   8,9 TJ, rozštěpením 12g uranu se uvolní asi 1 TJ ale rozštěpením 1 molu uranu 20 TJ

   

   str 27

   

   Kapkový model jádra:

   

   E[v]  k A         - krátký dosah jaderných sil obdoba v kapce vody, působí na sebe jen
   sousední molekuly

   

   E[v] = k[1] A – k[2] A^2/3 – k[3] Z^2 A^-1/3


   

   

   objemová e.     povrchová e.                coulombické odp. protonů

   

   str 28

   

   tvar jádra:      kulový tvar mají jen dvojitě magická jádra, ostatní jádra se stabilizují
   změnou tvaru

   

   

   str 29

   

   Izotopové efekty:      ^1H[2]O, ^2H[2]O, ^3H[2]O či ^235UF[6] a ^238UF[6]

                                                  střední rychlost molekul: v =

                                                  frekvence vibrace (těžší iz. menší frekv.):

                                                  Jiná t[t], t[v], rychlost difúze, rychlost
   chemické reakce

                                                  Příklad: t[v] ^2H[2]O = 101,42 °C; t[t] = 3.82
   °C

   

   

                                          3. Radioaktivita

   

   >2000 nuklidů; 266 stabilních

   radioaktivita – samovolná přeměna na jiný nuklid (neplatí pro deexcitaci jádra)

   pro Z  20 N / Z 1, poté postupně až 1,52 pro ^209Bi, přebytek neutronů zmenšuje odpuzování
   protonů

   

   str 22

   

   Při radioaktivní přeměně se uvolňuje energie.

   

                                      X → Y + n částic

   

   Základní hmotnostní podmínka radioaktivity:

   

                                      M(X) > M(Y) + M(ČÁSTIC)

   

   Energie uvolněná při radioaktivní přeměně:

   

                         E[přeměny] = E[kin](Y) + E[kin](ČÁSTIC) + Eγ

   

   Stabilita atomových jader vyplývá z hladinového modelu:

   str 33

   

   Skupiny radioaktivních přeměn:

   

    1. mění se Z při konstantním A (β[-], β[+], EZ)
    2. mění se Z i A (α, emise nukleonů, emise těžších jader ^14C, ^24Ne, SŠ)
    3. deexcitace jádra (γ emise okamžitá či zpožděná, vnitřní konverze)

   

   Druhy radioaktivních přeměn:

   

   A)    Přeměna β[-]

   

   n → p + e + υ[e               ] [ ]→ + β[-] + υ[e  ]        
   ^14C → ^14N + β[-] + υ[e

   ]měříme                                                            ^210Pb → ^210Bi +
   β[-] + υ[e

   

   ]Energie se rozdělí mezi jádro (málo), elektron a υ[e] náhodně, spektrum je proto
   spojité.

   

   str 36

   

   Jádro Y vzniká: a) v základním stavu ^3H, ^14C, ^32P, ^35S

                                b) v excitovaném stavu (poté dochází k emisi 1 či více γ)

                                  ^60Co → ^60Ni + β[-] + υ[e]; ^60Ni →
   ^60Ni + γ

   Může vznikat i směs a) a b)

   

   B)    Přeměna β[+]

   

   p → n + e^+ + υ[e             ] [ ]→ + β[+] + υ[e]            
   ^22Na → ^22Ne + β[+] + υ[e

   ]

   Platí stejné energetické zásady jako u β[-] přeměny (spojité spektrum apod.).

   

   Čistý β[+] rozpad je vzácný, většinou probíhá spolu s elektronovým záchytem (EZ). Měří
   se pomocí anihilačních fotonů a ionizačních účinků e^+:

   

   e^+ + e^- → 2 γ, E = 2 m[e] c^2 = 1,02 MeV tj. 0,51 MeV na jedno kvantum γ

   

   C)    Elektronový záchyt (EZ)

   

   p + e → n + υ[e]            + e^- →  + υ[e                 ] ^7Be +
   e^- → ^7Li + υ[e

   ]

   Po EZ dochází k následným dějům, pomocí kterých se tato radioaktivita měří: zaplňování vakancí
   ve slupkách K či L → emise RTG fotonů či Augerových elektronů (elektrony vyražené RTG
   zářením z vyšších slupek elektronového obalu, mají diskrétní energii, E[aug] = E[RTG] –
   E[vaz.]). Měří se RTG fotony.

   

   Použití v medicíně: ^13N, ^15O, ^11C

   str 42

   

   D)    Přeměna α

   

   

    →  + (α)         ^226Ra → ^222Rn + α

                                                                                                
   měříme

   

   Alfa částice je velice stabilní, a proto je její emise výhodná, zvlášť u těžších prvků.

   

   str 43

   

   Na rozdíl od spektra β je spektrum α spojité ale stejně jako při β rozpadu
   vzniká část jader excitovaná.

   

   Odrazová energie jádra Y:

   

   E[Y] = (m(α) Q(α)) / (m(Y) + m(α)) kde Q(α) = 931,5 (m(X) - m(Y) -
   m(α))

   


   

   

   

               Y                     α

   


   

               2% Q(α)          98% Q(α)

   

   E[α] » 5 MeV, E[Y] »100 keV, Q(α) – přeměnová energie jádra X [MeV]

   U přeměny β a emise γ je odrazová energie mnohem menší (řádově 10^1 eV). Zde
   odrazová energie způsobuje ztrátu části orbitálních elektronů, vzniká ion z velkým kladným
   nábojem, což vede k rozrušení chemických vazeb v dané sloučenině.

   

   E)     Emise těžších jader

   

   ^232U → ^208Pb + ^24Ne

                                                  měříme

   Obdoba α rozpadu.

   

   F)     Samovolné štěpení (SŠ)

   

   Je-li splněna hmotnostní podmínka, rozštěpí se jádro těžší na dvě lehká plus dva až tři
   neutrony. Existuje ale i bezneutronové štěpení.

   

   str 46

   

   Vysvětlení:     hladinový model: emise těžké částice, obdoba emise α částice

   kapkový model: zvětšení povrchu, zúžení, vznik stabilních zárodků, zaškrcení, rozštěpení

   

   Většinou SŠ konkuruje α přeměna, která je na rozdíl od SŠ velice rychlá. V excitovaném
   stavu jde SŠ snadněji, protože jádro je deformovanější.

   

   Příklad: T[1/2] SŠ pro excitované jádro ^240Pu = 8 μs, pro jádro v základním stavu
   1,2.10^11 roků.

   

   Použití: ^252Cf – jako zdroj neutronů se kterými se ozařují nádory

   

   G)    Emise nukleonů

   

   Normálně nemožná (jen na hranici existence jádra). Možná je spíše zpožděná emise nukleonů
   z excitovaného jádra.

   

   ^25Si → ^25Al^excit + β[+] → ^24Mg + p

   

   H)    Větvené přeměny

   

   1)      α / β

   2)      α / SŠ

   3)      α / EZ

   4)      β[+] / EZ

   5)      β[-] / EZ

   

   Současně můžou probíhat i více jak 2 přeměny naráz. Každý děj probíhá vlastní rychlostí.
   Celkový úbytek nuklidu je řízen nejrychlejším dějem.

   

   I)       Přeměna γ a vnitřní konverze

   

   Po radioaktivní přeměně vzniká jádro většinou v excitovaném stavu. Foton má spin I = 1 a proto
   změna spinu o 1 je nejpravděpodobnější a dochází k „okamžité emisi γ záření.“ Rychlost s
   I = 1 T[1/2] = 10^-16 – 10^-10 s, s I = 2 T[1/2] = 10^-11 – 10^-4 s

   Dále existuje „zpožděná emise γ záření“ I > 2 (zakázaný přechod)  T[1/2] = 10^-3 s –
   roky, daný nuklid se pak nazývá jaderný izomer.

   

   Příklad: ^137Cs → ^137mBa + β[-] + υ[e] ;      ^137mBa → ^137Ba +
   γ

                 T[1/2] = 30,1 roků                    T[1/2] = 2,7 minut

   

   vnitřní konverze: Je to přímý a nezářivý přenos excitační energie jádra na orbitální elektron.

   

   

   str 51

   Konvertované elektrony mají diskrétní spektrum: E[kon] = E[exc] – E[vaz. el.

   ]Je-li I = 0 pak VK je jediný možný proces, protože emise není v tomto případě možná.

   

   Kinetika radioaktivních přeměn:

   

   -         za dostatečně krátký časový interval se přemění vždy stálá část z přítomného počtu
   (N) atomů radioaktivního nuklidu (radionuklidu)

   

                                      (dN / N) / dt = λ



   λ [s^-1] – přeměnová konstanta



   Př. λ = 1.10^-3 s^-1 – z přítomného počtu RN se přemění každou sekundu 1 / 1000 atomů

   

                                               str 54

   Rychlost přeměny závisí na     -     výchozím a konečném stavu jádra

   -         vlnové funkci obou jader

   -         na parametrech slabé, silné a elektromagnetické interakce

   

                           nezávisí na     -     tlaku, teplotě, koncentraci, chemické formě

   

   Vyjímka: U EZ a vnitřní konverze. λ[slouč.] < λ[kov] př: u ^7Be λ (BeF[2]) <
   λ[kov] o 0,1 %

   

   Střední doba života: τ = 1 / λ

   

   Aktivita: rychlost přeměny radioaktivního nuklidu

   

                           A = dN / dt                      A = λ N



   -         závisí na počtu radioaktivních atomů v radioaktivní látce

   -         rozměr s^-1

   -         jednotka 1 becquerel (Bq), násobné kBq, MBq, GBq apod.

   -         měrná aktivita: vztaženo na m, V, c apod.

   -         maximální možná molární aktivita A = λ N = λ N[A] [Bq . mol^-1]

   

   Časová změna aktivity:

   

              -dN / dt = λ N  ®  N = N[0] e ^–λt  ®  A = A[0] e ^–λt

   

                                               str 56



   -         aktivita RN klesá s časem exponenciálně, rychlost poklesu je dána konstantou
   λ.

   

   Poločas přeměny:  A = A[0] / 2 ®         A[0] / 2 = A[0] e ^–λt

                                                                1 / 2 = e ^–λt

                                                         ln (1 / 2) = - λ t

                                                               - ln 2 = - λ t

                                                                      t = ln 2 / λ

                                                                 T[1/2] = ln 2 / λ

   

   Měření poločasu rozpadu z úbytku aktivity lze jen u krátkodobě žijících radionuklidů. Jinak se
   poločas rozpadu počítá z aktivity radionuklidu o známé hmotnosti (měrné aktiviy).

   

   Radionuklid o hmotnosti m obsahuje:   N = n N[A

                                        ] N = (m N[A]) / Ar

                                       A = (λ m N[A]) / Ar

   

   Pak z λ spočítáme T[1/2], popřípadě se znalosti λ spočítáme m.

   

   Příklad využití vztahu A = A[0] e ^–λt:

   -         uhlíková metoda ^14N (n, p) ^14C

   -         ^14C se během minut až hodin oxidují na CO[2

   ]-         rozdělení mezi rostliny, organismy, oceány

   -         rovnováha 15,3 přeměny za minutu v 1g C živé hmoty

   -         po smrti konec rovnováhy, citlivost asi do 50 000 roků (T[1/2] = 5,7 tisíc roků)

   -         měří se dřevo, uhlíky, textil, kůže

   -         moderní metoda: urychlovačová hmotnostní spektrometrie, použitelná až do 100 000
   roků

   -         stačí i 0,05 mg vzorku, ve vakuu se vzorek bombarduje ionty Cs^+ za vzniku ^14C^-
   (izobarický ^14N záporné ionty netvoří) poté se ionty ^14C^- dostávají do prostoru s Ar,
   vzniká ^14C^3+ a vstupují do hmotnostního spektrometru.

   -         stejná metoda se používá ke stanovení obsahu př.: ^10Be (mořské sedimenty, polární
   led), ^36Cl a ^129I  (podzemní vody), ^27Al (mořské sedimenty).

   

   Příklad: Maximální měrná aktivita pro glycin NH[2] – CH[2] - ^14COOH

   T[1/2] = 5760 r = 1,818.10^11 s; N[A] = 6,022.10^23 mol^-1

   λ = ln (2) / T[1/2] = 3,813.10^-12 s^-1 A (molární, maximální) = λ N[A] =
   3,813.10^-12 6,022.10^23 = 2,3.10^12 Bq . mol^-1 = 2,3 TBq . mol^-1 = 2,3 GBq . mmol^-1

   Z katalogu SIGMA: glycin ^14C 0,3 – 2,0 GBq . mmol^-1

   

   Kinetika hromadění stabilního produktu radioaktivní přeměny:

   

                                            X ® Y[stab.

                                                 ]

                                      -dN[X] / dt = dN[Y] / dt

   

   Na počátku (t = 0) N[X, 0] atomů X a 0 atomů Y pak v čase t platí:

   

                                        N[X, 0] = N[X] + N[Y

                     ]N[X] = N[X,0]  e ^–λt = (N[X] + N[Y]) e ^–λt



   Pro počet atomů N[Y] vzniklých za čas t platí:

   

                                  N[X] / e ^–λt = N[X] + N[Y

                                 ]N[Y] = N[X] / e ^–λt - N[X

                                   ]N[Y] = N[X] e ^λt - N[X

                                   ]N[Y] / N[X] = e ^λt – 1



   Použití: Při určování stáří nerostů. Nuklid musí mít velký T[1/2] (^40K, ^87Rb, ^238U atd.),
   okamžik krystalizace t = 0. Nejznámější je metoda draslík-argonová: roztavení materiálu a
   stanovení ^40Ar pomocí hmotnostní spetrometrie.

   ^40K ® ^40Ca + β[-] + υ[e]              (90% β[-])

   [               ] ^40Ar + υ[e] + g[RTG]           (10% EZ)

   

   Kinetika hromadění radioaktivního produktu radioaktivní přeměny:

   

                               X (λ[X]) ® Y (λ[Y]) ® ...

   

   X mateřský radionuklid, Y dceřinný radionuklid

   Celková změna počtu atomů Y v čase je: dN[Y] / dt = λ[X] N[X]  - λ[Y] N[Y

   ]Pro počet atomů Y v čase t platí:

   

      N[Y] = N[X, 0] λ[X]  / (λ[Y] - λ[X]) (e ^–λx t - e ^–λy t)



   Jestli T[1/2]X >> T[1/2]Y (λ[X] << λ[Y]) pak se vztah zjednodušuje na:

   

                                 A[Y] = A[X, 0](1 - e ^–λy t)



   Za dostatečně dlouhou dobu (vůči T[1/2]Y) pak platí:

   

                                           A[Y] = A[X, 0



                                              ]str 62

   

   To znamená že po uplynutí určité doby (10ti násobek T[1/2] Y) se vytvoří v původně čistém
   nuklidu X dceřinný nuklid Y o stejné aktivitě – tzv. trvalá radioaktivní rovnováha.

   

   Významné jsou některé produkty štěpení uranu: ^137Cs ® ^137mBa + β[-

   ]

   V přírodě najdeme trvalé radioaktivní rovnováhy v radioaktivních řadách. Existují 3 a to
   uran-radiová (^238U – ^206Pb), thoriová (^232Th – ^208Pb) a uran – aktiniová (^235U – ^207Pb).

   

   Přechodná radioaktivní rovnováha: Mateřský nuklid má sice větší poločas rozpadu ale
   srovnatelný s dceřiným nuklidem (λ[X] < λ[Y]; T[1/2]X >T[1/2]Y).

   

                                               str 65

                        A[Y] = A[X] λ[Y]  / (λ[Y] - λ[X])

                       A[Y] / A[X] = λ[Y]  / (λ[Y] - λ[X])



   Poměr A[Y] / A[X] je konstantní, maximální aktivity je dosaženo v čase:

   

                   t = 1 / (λ[Y] - λ[X]) ln (λ[Y] / λ[X])



   Generátory radioaktivních nuklidů: Kolonka sorbentu s pevně zachycenou vhodnou formou
   mateřského nuklidu, ve vhodné době se dceřinný nuklid s kolonky vymyje.

   

                                               str 67



   Přirozeně se vyskytující radioaktivní prvky: přírodní X umělé (není mezi nimi rozdílu)

   

   1.      T[1/2] > 10^8 roků, vznikly při syntéze prvků ve vesmíru

   

                                               str 68



   2.      T[1/2] < 10^8 roků, vznikají jako produkty přeměny mateřských nuklidů z radioaktivních
   řad a jadernými reakcemi v zemské atmosféře působením kosmického záření (^3H, ^14C, ^10Be aj.)

   

                                4.   Vlastnosti ionizujícího záření

   

   Energie záření (γ, β, α apod.) keV – MeV, ionizační energie atomů a molekul
   < 25 eV proto ionizující záření.

   

   a) → M → M^+ + e^-

   

   b) → M → M*



   Rychlost asi 10^-16 – 10^-15 s, poměr a) a b) 1:2, elektrony způsobují další sekundární
   ionizaci a excitaci. Excitace je mnohonásobná a do vysokých excitačních stavů (na rozdíl od
   UV)

   

   Pojmy a veličiny: ionizující záření, jaderné záření (pouze při radioaktivních přeměnách),
   radioaktivní záření (nesprávné, záření není radioaktivní {kromě n})

   

   Absorpce záření – postupné odevzdávání energie až do stavu kdy už není schopno dále ionizovat

   

   Dosah záření – tloušťka vrstvy která úplně absorbuje záření

   

   Absorpční křivky 104l

   

   Dávka záření – energie sdělená ionizujícím zářením (energie získaná od všech primárně i
   sekundárně ionizujících částic) malému objemu látky

   

                                         D = dε / dm



   Rozměr je J kg^-1, jednotkou Gray (Gy), 1 Gy = energie 1 J absorbovaná v 1 kg látky.

   Rozsah dávek: 10^-6 – 10^-2 Gy při monitorování dávek v životním prostředí, 10^-4 – 1 Gy při
   monitorování dávek u profesionálních pracovníků se zářením, 10^-1 – 10^2 Gy v léčebném použití
   záření, 10^-1 – 10^4 Gy v radiobiologii a 10^2 – 10^5 Gy v radiační chemii a technologii.

   

   Dávkový příkon – rychlost s jakou je látce energie sdělována, rozměr W kg^-1, jednotka
   Gy s^‑1

   

                                              = dD / dt



   Lineární přenos energie – používá se při posuzování biologických účinků IZ a udává rozložení
   sdělené energie podél dráhy částice, rozměr J m^-1, běžně keV μm^-1

   

                                            L = dE / dx



                                     104p(tzv Braggova křivka)



                                                106t



   Mechanismus ztráty energie záření:

   

   α: (těžké nabité částice): krátký, ostře definovaný dosah, ionizace po většinu dráhy
   stejná pak ostrý pokles k 0 (zachycení elektronů a vznik He), dosah ve vzduchu několik cm,
   v kapalinách desítky μm, lineární ionizace je největší před koncem dráhy (viz Braggova
   křivka)

   

   β: L je menší než u α, menší náboj a při stejné energii větší rychlost v = , má
   proto větší pronikavost a dosah, v plynech metry, kapaliny milimetry:

   Tabulka: Dosah (mm) β záření čtyř radionuklidů v různých materiálech

                                                107t



   Absorpční křivka (viz Absorpční křivky nahoře) má exponenciální průběh:

   

                                        I = I[0] e^-μd



   Kde d je tloušťka absorbující vrstvy v m a μ je lineární absorpční koeficient v m^-1,
   závisí na hustotě elektronů absorbujícího prostředí a energii β záření.

   

   Další možnosti ztráty energie β záření – brzdné záření – při průniku až k jádru, dochází
   v elektrickém poli k vyzařování spojitého RTG záření (0,1 – 0,4 nm = 60 – 250 keV), uplatňuje
   se při velké energii β záření a velkém Z. Čerenkovovo záření vzniká je li v[β] > c
   / n, vzniká rázová elektromagnetická vlna – světelný záblesk. Ve vodě dochází pro E[β] >
   0.26 MeV.

   

   γ: Ionizuje nepřímo účinkem sekundárních elektronů, tři děje:

   

   a)      fotoefekt – pro E[γ] < 0.1 MeV, na elektron uvnitř obalu se přenese celá energie
   fotonu, pravděpodobnost silně závisí na Z a E[γ] (~ Z^5 / E[γ]^3,5), doprovazen
   RTG emisí (zaplňování slupek)

   

                                                108l

   b)      Comptonův rozptyl - pro E[γ]  0,1 - 2 MeV, interakce s orbitálními elektrony,
   foton předá část své energie a uvolňuje jej z atomu (Comptonův elektron), atd. (zmenšuje se
   E[γ] a směr γ se mění, až zanikne fotoefektem), pravděpodobnost ~ Z / E[γ

   ]

                                                108u



   c)      tvorba párů – v blízkosti atomového jádra a pro E[γ] > 1,02 MeV, dochází ke
   vzniku páru e^- a e^+, pravděpodobnost ~ Z^2 / E[γ], pozitrony zanikají anihilací

   

                                                108p



   Uplatnění těchto 3 dějů:

   

                                                109



   Lineární ionizace je malá a dosah γ proto velký, nelze jej běžně určit. Zeslabení svazku
   γ se řídí vztahem:

   

                                        I = I[0] e^-μd

   

   Kde μ (lineární absorpční koeficient) zahrnuje všechny tři děje a závisí proto na Z a
   E[γ]. Pronikavost γ se vyjadřuje pomocí polotloušťky – vrstva zeslabující
   počáteční intenzitu záření na 1 / 2. I = I[0] / 2 ®        I[0] / 2 = I[0] e ^– μd

                                                   1 / 2 = e ^– μd

                                            ln (1 / 2) = - μ d

                                                  - ln 2 = - μ d

         d = ln 2 / μ

     d[1/2] = ln 2 / μ

   Tabulka: Polotloušťky (cm) pro absorpci γ záření v některých látkách

   

                                                111t

   

   Pro vzduch pro 0,1 MeV 35 m, pro 1,0 MeV 90 m.

   

   n: energii ztrácí srážkami s atomovými jádry, k účinnému zpomalení dochází při srážce
   s lehkými jádry (nejlépe ^1H),

   

   ∆E = E (4 m M) / (m + M)^2

   

   po zpomalení na energii ~ 10^-2 eV (tepelné neutrony) zanikají jadernou reakcí, stejně jako u
   γ nemá n záření definovaný dosah, μ závisí na účinném průřezu (σ rozměr m^2
   , závisí na energii projektilu a druhu jaderné reakce) záchytu neutronů jádry absorbující
   látky

   

   Pronikavost n se vyjadřuje opět pomocí polotloušťky. Ionizační účinky jsou nepřímé a jsou
   způsobeny částicemi, které vznikají jadernou reakcí při záchytu neutronu.

   

                                    ^10B (n, α) ^7Li apod.



   Při srážce s H (živé organismy) ∆E = E, vyražení p z H atomu se značnou E[kin] a velkým
   lineárním přenosem energie, nebezpečné pro živé organismy

   

   Zdroje IZ:

   

   -         aparaturní – záření vzniká jen během provozu zařízení

   -         radionuklidové – emitují záření nepřetržitě

   

   Zdroje γ a RTG záření: γ: ^241Am, ^109Cd, ^57Co, ^55Fe, ^60Co, ^137Cs, ^192Ir;
   RTG: RTG lampy, ^109Cd, radionuklidy generující brzdné záření při absorpci β záření,
   urychlovače elektronů

   

   Zdroje elektronů: ^90Sr / ^90Y, ^3H, ^147Pm ; urychlovače elektronů

   

   Zdroje pozitronů: ^22Na, ^68Ge

   

   Zdroje těžkých kladných částic: α: ^210Po, ^226Ra, ^238Pu, ^239Pu, ^241Am, urychlovače
   částic

   

   Zdroje neutronů: radionuklidové zdroje založené na reakci (α, n) a samovolném štěpení,
   neutronový generátor (^3H (d, n) ^4He), jaderný reaktor

   

   Ochrana před IZ:

   

   Spočívá v zeslabení dávky záření na hodnotu, při níž je riziko pro lidský organismus sníženo
   na zanedbatelnou hodnotu.

   

   Metody ochrany před IZ:

   

   a)      udržováním patřičné vzdálenosti od zdroje záření ~ 1 / l^2 (důležité u γ záření)

   b)      odstíněním záření (všude kromě α záření, u β stačí 1-2 cm skla, plexiskla,
   u γ olovo, železobeton, beton s barytem (BaSO[4] – těživec), pozitrony se stíní jako
   γ, stejně se stíní γ při rekaci pomalých neutronů s jádry atomů, neutrony se
   zpomalují př. parafínem)

   c)      nejkratší dobou pobytu v prostoru kde záření působí

   

                                       5.   Metody detekce IZ

   

   -         IZ není vnímatelné lidskými smysly

   -         registruje se na základě dějů, které vyvolává při absorpci ve vhodné látce

   -         důsledky těchto dějů se elektronicky převádějí na pozorovatelné signály

   -         elektronický způsob detekce vyžaduje zařízení sestávající z několika částí

   -         část citlivá na záření se nazývá detektor záření (energie záření se mění na
   elektrické či optické signály a dále se zpracovávají (zesílení, integrace)

   -         zpracované signály se přivádějí na registrační jednotku (pulsní {zobrazují se přímo
   impulsy} či integrující režim {počet impulsů za čas} tzv. dozimetry – udávají dávkový příkon
   př. μGy hod^-1

   -         většina detektorů neměří IZ se 100% účinností, pro četnost R platí: R = η A
   (η – účinnost < 1; A – aktivita v Bq)

   -         Zařízení, které rozlišuje energii záření podle výšky impulsů – spektrometr záření

   -         chyba měření vzorku je tím menší, čím větší počet impulsů zaznamenáme

   

   Detektory IZ:

   

   Měření, detekce a registrace intenzity ionizujícího záření je proces, při kterém dochází
   k částečné nebo úplné absorpci ionizujícího záření. K detekci ionizujícího záření se běžně
   užívají tyto sekundární projevy absorpce:

   

   ·        fotografické účinky

   ·        ionizace plynů

   ·        luminiscence

   ·        schopnost zvyšovat elektrickou vodivost některých materiálů

   ·        změna struktury materiálu

   

   Podle toho lze rozdělit detektory ionizujícího záření do pěti základních skupin:

   

   1.      fotografický film

   2.      ionizační komora, proporcionální detektory, Geiger-Műllerovy detektory

   3.      fluorescenční stínítka, scintilační detektory, termoluminiscenční detektory

   4.      polovodičové detektory

   5.      stopové detektory částic

   

Detektory

   Hlavní funkcí detektoru je změna energie ionizujícího záření na elektrické pulsy, které je
   možno zaznamenávat. Základními typy jsou plynové detektory (proporcionální), scintilační,
   polovodičové a germaniové detektory. Důležitými charakteristikami všech typů detektorů jsou:

   

   ·        účinnost

   ·        linearita

   ·        energetická proporcionalita

   ·        rozlišení

   

  Účinnost:

   

   Výkonnost detektoru popisuje možnosti detektoru zaznamenávat různé druhy záření o různých
   energiích, která na něho dopadají. Ideální je stav, kdy počet částic dopadajících na snímač je
   roven počtu impulsů registrovaných detektorem.

  

  Linearita:

   

   Proces konverze jednotlivých částic na elektrické pulsy je extrémně rychlý - řádově několik
   mikrosekund. Pokud je vysoký tok částic, může se stát, že částice přicházející do detektoru
   není zaznamenána, protože detektor ještě zpracovává částici předcházející. Doba potřebná pro
   registraci částice (přeměnu na elektrický puls) se označuje jako mrtvá doba detektoru (t).
   Část částic, které mohou být náležitě zpracovány, je popsána linearitou detektoru. Jednotlivá
   částice s energií E, která vstoupí do detektoru, produkuje elektrický puls V, takže částice,
   které dopadají na detektor v počtu I částic za sekundu vyvolají vznik napěťových pulsů v počtu
   R pulsů za sekundu. Detektor považujeme za lineární, dokud trvá přímá úměra mezi R a I.

   Jelikož je detektor po určitou dobu t "mrtvý", bude měřené množství pulsů R[m] vždy nižší než
   skutečné množství pulsů R[t]:


   Délka mrtvé doby je ovlivněna řadou faktorů a rozlišují se dva typy mrtvé doby:

   

   ·        "ochromující" mrtvá doba, která zcela zablokuje detektor tak, že přestane detekovat

   ·        "neochromující" mrtvá doba, při které dojde ke ztrátám při zaznamenávání pulsů, pokud
   se zvýší tok fotonů, ale nedojde do stavu, kdy je detektor zablokován

   

   Oba typy mrtvé doby se významně uplatňují u Si(Li) detektorů. Neochromující mrtvá doba
   zpravidla nedělá potíže u scintilačních detektorů.

   

   Průměrná mrtvá doba činí:

   

   ·        200 ms u Geiger-Műllerova detektoru

   ·        0,23 ms u scintilačního detektoru s krystalem NaI (Tl)

   ·        0,027 ms u scintilačního detektoru s krystalem YAP (Ce)

   ·        0,001 ms u polovodičových detektorů

  

  Energetická proporcionalita:

   

   Jedná se o úměrnost signálu detektoru k energii dopadající částice. Velikost výstupního
   signálu je závislá na proudu vzniklém v čítači a tento proud je závislý na počtu ionizačních
   přeměn vedoucích ke vzniku pulsu. Jestliže počet ionizačních přeměn bude úměrný energii
   dopadajících částic, velikost výstupního napětí bude rovněž úměrná energii dopadajících
   částic. Detektor bude proporcionální, pokud je velikost výstupního napětí detektoru V úměrná
   energii E dopadajících částic.

  

  Rozlišení

   

   Je to schopnost detektoru rozlišit částice různých energií. V proporcionálně pracujícím
   detektoru způsobí částice o energii E výstupní puls o napětí V. Prakticky budou tedy částice o
   stejné energii produkovat výstupní pulsy o stejném napětí



Fotografický film

   Fotografická detekce ionizujícího záření je založena na tom, že ionizující záření, stejně jako
   viditelné světlo, vyvolává ve fotografické emulzi (krystalky Agar v želatině) latentní obraz,
   který lze zviditelnit chemickým vyvoláním. Ozářená místa emulze vykazují po vyvolání zčernání,
   jehož intenzita je úměrná počtu částic, které na emulzi působily. Používají se k detekci RTG
   záření, záření γ a neutronů. Neutrony, které sami na fotografickou emulzi nepůsobí, je
   třeba převést na detekci ionizujících částic. Například překrytím fotografické emulze
   kadmiovou fólií, v níž se pomalé neutrony zachycují reakcí ^113Cd (n, γ) ^114Cd a
   vzniklé fotony pak způsobují zčernání emulze.

   Fotografická detekce ionizujícího záření se používá v osobní dozimetrii pracovníků
   s ionizujícím zářením. A v různých radiografických metodách. Osobní filmový dozimetr obsahuje
   film v papírovém obalu, který je uložen v plastikové kazetě. Na vnitřních stěnách kazety, jsou
   upevněny měděné a olověné proužky, které umožňují přibližně určit energii záření tím, že různě
   absorbují záření dopadající na film. Dozimetr je připevněn na pracovním oděvu a nepřetržitě
   registruje záření, obvykle po dobu jednoho měsíce. Po vyvolání filmu se dávka záření určí
   z intenzity zčernání filmu.

   

   P4260064_400

   Osobní filmový dozimetr

   

   Autoradiografické metody jsou významné tím, že poskytují informace o rozložení radioaktivity
   ve zkoumaném objektu. To je velmi užitečné v biologických studiích, kde se zjišťuje rozložení
   radioaktivních látek v živočišných orgánech, částech rostlin a buněčných strukturách. Zkoumaný
   radioaktivní objekt se na určitou dobu přiloží na film, který se pak vyvolá

   Fotografická detekce ionizujícího záření se také používá v průmyslové radiografii a v lékařské
   rentgenové diagnostice.

Zavislost I na U

Plynové ionizační detektory

   Všechny detektory mají za základ nádobu s tenkým, málo absorbujícím vstupním okénkem a dvěma
   elektrodami uvnitř. Detektor je plněn vzácnými plyny (argon, xenon). Po určité době budou
   vzniklé iontové páry rekombinovat a přejdou zpět do základního stavu. V případě, že je na
   elektrody vloženo určité napětí, budou elektrony přitahovány k anodě a ionty ke katodě a sníží
   se tím rozdíl potenciálů. Velikost vzniklého napěťového impulsu záleží na napětí mezi
   elektrodami.

   Závislost počtu elektronů vzniklých v komoře působením ionizujícího záření na napětí mezi
   elektrodami lze vyjádřit graficky. Je-li hodnota U menší než U[1] bude část elektronů a iontů
   rekombinovat ještě před zachycením na elektrodách. V oblasti napětí U[1]-U[2] dopadnou všechny
   elektrony na anodu a ionty na katodu - jejich počet závisí pouze na počtu absorbovaných
   částic. V oblasti, kde je napětí mezi elektrodami vyšší než U[2], budou mít volné elektrony
   dostatečnou energii, aby na cestě k anodě ionizovaly další atomy plynu, a probíhá tzv.
   lavinová ionizace. Koeficient plynového zesílení (A) udává, kolikrát více párů dopadlo na
   elektrody, než vzniklo účinkem ionizujícího záření.

  

  Ionizační komora:

   

   Ionizační komora pracuje v oblasti U[1]-U[2] (A = 1), ionizační proud je úměrný energii
   ionizujícího záření. Napětí nutné k dosažení nasyceného proudu závisí na intenzitě záření.
   Citlivost komory závisí na vlnové délce a stejně tak i absorpce záření v plynu. K plnění se
   používá těžkých vzácných plynů (Ar, Kr).

   

  Proporcionální a Geiger-Műllerův detektor:

   

   Jedná se o detektory pracující v oblasti U[3]-U[4]. Počet vzniklých párů elektron-iont je
   úměrný energii ionizujícího záření. Pokud je koeficient plynového zesílení konstantní je
   elektrický napěťový impuls na výstupu úměrný absorbované energii ionizujícího záření a
   detektor dovoluje rozlišit ionizující záření s různými energiemi.

   Vznik lavin elektronů je v proporcionálním detektoru lokální záležitostí - vznikají v té
   části, kde bylo ionizující záření pohlceno. Vyhasnutí lavin proběhne, aniž by se rozšířili do
   celého objemu. Plynové zesílení tohoto Geiger-Műllerova detektoru je kolem 10^7.

   

   GM

   Geiger-Műllerův detektor

   

Luminiscenční detektory

  Fluorescenční stínítka:

   

   Při ozáření některých látek ionizujícím zářením může dojít k uvolnění elektronů z valenčního
   pásu a přechodu do pásu vodivostního a při zpětném přechodu může vzniknout viditelné záření.
   Tento jev se pak využívá k visuelní detekci ionizujícího záření. Jako fluoreskujících látek se
   používá wolframan vápenatý, křemičitan zinečnatý nebo sirník zinečnatý. Ačkoliv existuje
   závislost mezi intenzitou fluorescence a intenzitou dopadajícího svazku, používá se
   fluorescenčních stínítek hlavně při justaci přístrojů.

  

  Scintilační detektory:

   

   V scintilačních detektorech je převod ionizujícího záření na elektrický impuls dvojstupňový
   proces. Prvním krokem je vznik záblesku (emise světla) na vhodném krystalu a druhým krokem je
   uvolňování elektronů na fotonásobiči a jejich detekce a převod na elektrický impuls.

   Ionizující záření, dopadající na uzemněný scintilační krystal detektoru, uvolní elektron,
   který při pohybu krystalem přivede do excitovaného stavu desítky atomů. Zpětný přechod do
   základního stavu je doprovázen emisí světla, jehož vlnová délka nemusí nutně ležet ve
   viditelné oblasti, ale musí být vhodná k uvolňování elektronů z fotokatody.

   Scintilačním krystalem emitovaný foton dopadne na světlocitlivou katodu a uvolní z ní určitý
   počet (n) fotoelektronů. Tyto dopadají na nejbližší dynodu (parabolická elektroda) a každý z
   nich vyprodukuje jistý počet R sekundárních elektronů. Na druhou dynodu dopadá již nR
   elektronů, na třetí nR^2 elektronů atd. Při počtu dynod m vzroste počet primárních elektronů
   na nR^m, kde R^m je koeficient zesílení fotonásobiče. Mezi jednotlivými dynodami je održováno
   napětí 100-200 V a na výstupu z fotonásobiče je impuls napětí přímo úměrný energii
   absorbovaného ionizujícího záření. V běžných detektorech je počet dynod 8-15, a koeficient
   zesílení je 10^7-10^8.

   

   fotonasobic

   Fotonásobič

   

   Jako scintilačního krystalu se nejčastěji používá krystal NaI aktivovaný 1% Tl. Thalium
   vytváří v pásové struktuře krystalu hladinu nečistot, tzv. fluorescenční centra. Pro
   nízkoenergetické RTG záření (3-20 keV) není tento krystal vhodný a alternativně se používají
   monokrystaly YAlO[3] aktivované Ce (YAP:Ce). Tento krystal může být v tenčí destičce a je
   mnohem stabilnější. Podstatný je i rozdíl v délce scintilačních záblesků - u NaI je to 230 ns,
   u YAP je to pouze 27 ns. Maximální intenzita fluorescenčního pásu NaI je na vlnové délce 410
   nm, u krystalu YAP 350 nm. Fotokatoda v scintilačních detektorech je zpravidla
   antimon-cesiová.

   

   ScintkrNAiTl

  Scintilační krystal z NaI dotovaný thaliem

   

Polovodičové detektory

   V těchto detektorech je jednostupňová detekce ionizujícího záření prováděna pevnou látkou, ve
   které dokáže dopadající kvantum generovat dvojici nábojů, a ty jsou schopny rychlého pohybu k
   elektrodám, kde vyvolají elektrický impuls. Tato pevná látka je umístěna mezi dvěma
   elektrodami pod vysokým napětím. Je to vlastně typ ionizační komory, která je místo plynem
   vyplněna krystalem. Použitý krystal musí mít v zásadě tyto vlastnosti:

   

   ·        vysoký odpor, který zajišťuje sběr nábojů polem vysokého napětí a snižuje šum ze
   zbytkových proudů

   ·        dovoluje prodloužit dobu životnosti vzniklých nábojů

   ·        umožňuje vysokou pohyblivost nábojů

   ·        má malou šířku zakázané zóny (předpoklad dobrého energetického rozlišení)

   ·        velkou absorpční schopnost

   

   Těmto podmínkám vyhovují polovodičové materiály jako křemík a germanium. Tyto materiály jsou
   zpravidla driftované lithiem, které napomáhá k záchytu dopadajících fotonů. Jejich stabilitu
   je však nutno zajistit teplotami kapalného dusíku.

   Si(Li) detektor je tvořen monokrystalem p-typu křemíku tloušťky několik mm, který je pod
   napětím 300-1000 V. Vysoká koncentrace Li atomů na jeho okrajích tvoří oblast n-typu, kdy z
   jedné strany je kontakt zlatý a z druhé strany je tzv. Schootkyho bariéra (p-i-n dioda). Při
   vstupu fotonu dojde ke vzniku mraku elektronových párů, jejichž počet je přímo úměrný energii
   dopadajícího kvanta. Elektrony jsou pak směrovány ven z krystalu díky rozdílu potenciálů na
   čítací obvod. Na rozdíl od jiných typů detektorů, neexistuje zde žádné vnitřní zesílení, takže
   výstupní signál je velmi slabý.

   Výhodou těchto detektorů je možnost připojení na vícekanálový analyzér, vysoká účinnost ve
   sběru pulsů a velké úhly při sběru dat. Nevýhodou je dlouhá mrtvá doba.

   Si(Li) krystaly pracují spolehlivě v oblasti asi 2-20 keV. V krátkovlnné oblasti však ztrácejí
   na účinnosti a jsou nahrazovány krystaly Ge (Li). Podmínkou je užití vysoce čistého germania,
   v opačném případě se radikálně zvyšuje mobilita Li.

   Problém chlazení kapalným dusíkem lze odstranit při použití teluridu kadmia, který je schopen
   pracovat při pokojové teplotě, ale jeho nevýhodou je poměrně vysoký šum.

   

   GELI

   Germaniové jádro Ge(Li) detektoru

   

   

Stopové detektory částic

   Jsou látky, v nichž těžká jádra či α záření vyvolávají mikroskopické poruchy v jejich
   struktuře. Nejčastěji se používá slída, různá skla, či organické polymery. Poruchy vznikají
   tím, že procházející částice vytvářejí podél své dráhy v pevné látce vysoce ionizované atomy.
   Tyto ionty se silně odpuzují a vzájemně vytlačují z původních poloh., čímž vzniká
   mikroskopická oblast s porušenou strukturou, tzv. radiační stopa (válcový kanálek o průměru 1
   – 10 nm). Lze je zviditelnit chemickým leptáním, protože v místech poruch je ozářená látka
   náchylnější k chemické korozi. Počet stop je přímo úměrný počtu částic, které dopadly na
   detektor.

   Stopové detektory se používají v dozimetrii α záření, zejména k měření dávek záření
   způsobených radonem a jeho dceřinými produkty. Lze je použít i k dozimetrii neutronů. Pro
   tento případ se dozimetr překrývá fólií z uranu mírně obohaceného izotopem ^235U, který se
   neutrony štěpí a štěpné fragmenty vyražené z fólie pak vyvolávají poruchy v detektoru.
   Pokryje-li se detektor vrstvou boru, lze neutrony registrovat prostřednictvím α částic
   vznikajících reakcí ^10B (n, α) ^7Li.

   Stopové detektory se používají také k registraci těžkých iontů v kosmickém záření a k měření
   dávek, kterým jsou vystaveny posádky kosmických letů.

   

   

  6.   Biologické účinky IZ

   

   Základní pojmy:

   

   Dávka D: D = dE/dm [Gy]

   

   Dávkový příkon  = D/t  [Gy/s]

   

   Ekvivalentní dávka H[T]: H[T] = w[R] * D[TR] [Sv]

   

   +--------------------------------------------------------------------------------------------+
   |                          Druh záření                          |            w[R             |
   |---------------------------------------------------------------+----------------------------|
   |fotony a elektrony všech energií                               |             ]1             |
   |---------------------------------------------------------------+----------------------------|
   |neutrony 10 keV                                                |             5              |
   |---------------------------------------------------------------+----------------------------|
   |neutrony 10 – 100 keV                                          |             10             |
   |---------------------------------------------------------------+----------------------------|
   |neutrony 0,1 – 2 MeV                                           |             20             |
   |---------------------------------------------------------------+----------------------------|
   |neutrony 2 – 20 MeV                                            |             10             |
   |---------------------------------------------------------------+----------------------------|
   |záření α                                                 |             20             |
   +--------------------------------------------------------------------------------------------+

   

   

   Efektivní dávka H[f]: H[f] = w[T] * H[T] [Sv]

   

   +--------------------------------------------------------------------------------------------+
   |                 Tkáň, orgán                  |                     w[T                     |
   |----------------------------------------------+---------------------------------------------|
   |gonády                                        |                    ]0,20                    |
   |----------------------------------------------+---------------------------------------------|
   |červená kostní dřeň                           |                    0,12                     |
   |----------------------------------------------+---------------------------------------------|
   |tlusté střevo                                 |                    0,12                     |
   |----------------------------------------------+---------------------------------------------|
   |plíce                                         |                    0,12                     |
   |----------------------------------------------+---------------------------------------------|
   |žaludek                                       |                    0,12                     |
   |----------------------------------------------+---------------------------------------------|
   |močový měchýř                                 |                    0,05                     |
   |----------------------------------------------+---------------------------------------------|
   |mléčná žláza                                  |                    0,05                     |
   |----------------------------------------------+---------------------------------------------|
   |játra                                         |                    0,05                     |
   |----------------------------------------------+---------------------------------------------|
   |jícen                                         |                    0,05                     |
   |----------------------------------------------+---------------------------------------------|
   |štítná žláza                                  |                    0,05                     |
   |----------------------------------------------+---------------------------------------------|
   |kůže                                          |                    0,01                     |
   |----------------------------------------------+---------------------------------------------|
   |povrchy kostí                                 |                    0,01                     |
   +--------------------------------------------------------------------------------------------+

   

   

   Účinky IZ se projevují ve větší či menší míře u všech živých organismů. Závažnost účinků
   závisí na dávce a druhu organismů.

   

   Přímé účinky: změna biologicky důležité makromolekuly (nukleových kyselin) přímým zásahem
   částicí IZ či sekundárními částicemi

   

   Nepřímé účinky: souvisí s radiolýzo vody (změny způsobené radikály, peroxidem vodíku a
   hydratovaným elektronem (vysušené enzymy vykazují menší poškození než roztoky enzymů)

   

   Radiolýza vody:                       H[2]O^+ + H[2]O → OH + H^+[aq

   ]e^- + nH[2]O → e^-[aq

   ]e^-[aq] → H + OH^- + (n-1)H[2]O

   H[2]O → H + OH

   H + H → H[2

   ]OH + OH → H[2]O[2

   ]e^-[aq] + OH → OH^-

   HO[2] + HO[2] →H[2]O[2] + O[2

   ]

   Kyslíkový efekt:                       O[2] + H → HO[2

   ]                                               O[2] + e^-[aq] → O[2]^-

   

   RadiacniUcinky1

   

   Poškození na buněčné úrovni:

   -         změny ve struktuře a biosyntéze DNA

   -         chybná syntéza enzymů

   -         chybně syntetizované bílkoviny (chovají se cize a jsou toxické)

   -         změny v propustnosti buněčných membrán

   -         časem poruchy dělení, smrt buňky

   

   Větší rozmnožovací schopnosti, malá diferencovanost = výraznější poškození

   

   

   RadiacniUcinky0

   

   

   Účinky IZ na lidský organismus

   

   Nestochastické (deterministické):

   

   -         projeví se po ozáření IZ během krátké doby

   -         je postiženo současně mnoho buněk

   -         nemohou se uplatnit všechny opravné procesy

   -         prahová dávka vyvolá poškození u 1 – 5% osob

   -         z rostoucí dávkou roste závažnost poškození

   -         lze rozpoznat, že vznikly působením IZ

   -         možnost vzniku těchto účinků popisuje ekvivalentní dávka

   

                                             Detuc.gif



   a)      akutní nemoc z ozáření:

   

   -         jednorázové ozáření celého těla vysokými dávkami

   -         poškození krvetvorných orgánů, trávícího ústrojí a CNS

   -         ekvivalentní dávka 2 Sv

   -         projevuje se ve 3 fázích:

   

   1)      Nevolnost, skleslost, bolesti hlavy, zvracení, změny krevního obrazu

   2)      Období latence – přechodné ustoupení příznaků, je tím kratší čím větší byla
   absorbovaná dávka

   3)      Intenzivní rozvinutí počátečních příznaků + padání vlasů, vnitřní krvácení, silná
   vnímavost vůči infekcím - zlepšování stavu po 6 – 8 týdnech, uzdravení

   

   -         při ozáření ekvivalentní dávkou 6 Sv převládá hematologická forma choroby (poškození
   krevní dřeně, krvetvorby, krvavé průjmy, poruchy funkce střev)

   -         při ozáření ekvivalentní dávkou 10 Sv a více převládá nervová forma choroby
   (psychická dezorientace, zmatenost, křeče, bezvědomí, smrt během hodin až dnů v důsledku
   oběhového kolapsu, zástavy dýchání a poruch mozku)

   -         pravděpodobnost úmrtí: 6 Sv 80%, 10 Sv 100%

   -         dlouhodobé následky (poruchy krvetvorby, poruchy funkce pohlavních orgánů,
   neplodnost, zvýšená vnímavost k infekcím a nádorovým onemocněním, trvalá slabost a únava)

   

   b)      lokální akutní poškození kůže:

   

   -         radiační dermatitida (stupeň 1 – 3, zarudnutí až špatně hojitelné vředy)

   -         prahová dávka 3 Sv (výrazně se zvyšuje frakcionací dávky – prahová dávka roste až
   k 15 Sv)

   

   

   Obrázek: Radiační dermatitida 1. stupeň

   radiation_dermatitis_3.jpg

   

   

   Obrázek: Radiační dermatitida 2. stupeň

   Raddermat01.jpg

   

   c)      poškození plodu:

   

   -         1. – 2. týden: „všechno nebo nic“, plod buď přežije bez újmy, nebo dojde k potratu
   (prahová dávka 250 mSv)

   -         3. – 8. týden: organogeneze - vznik malformací (prahová dávka 250 mSv)

   -         8. – 15. týden: mikrocefalie (špatně vyvinutý mozek), oční defekty, rozštěp patra,
   celkové zaostávání (mentální retardace, zakrslost) (prahová dávka 100 mSv)

   -         v dalších týdnech je plod stejně odolný jako matka

   

   

   d)      poruchy plodnosti:

   

   -         přechodná aspermie (porucha v tvorbě spermií)

   -         prahová dávka 250 mSv, od 3 Sv trvalá aspermie

   -         u žen dávka do 1,5 Sv bez odezvy, sterilita od cca 3 Sv

   

   e)      zákal oční čočky:

   

   -         dlouhá doba latence

   -         prahová dávka cca 1,5 Sv (výrazně závisí na frakcionaci dávky – posun až k 20 Sv)

   

   

   Stochastické:

   

   -         poškození malého počtu buněk (i jediné)

   -         projeví se po ozáření jednou či více podprahovými dávkami

   -         vznik nádorových onemocnění (latentní doba 10 – 40 let), leukémie (l.d. 5 – 20 let),
   genetické poškození další generace

   -         projeví se ve skupině náhodně

   -         s rostoucí dávkou roste pravděpodobnost vzniku poškození ne jeho závažnost

   -         nelze rozpoznat že vznikly působením IZ

   -         lze odhalit jen sledováním velkého počtu osob

   -         6400 osob v Hirošimě ozářeno ekvivalentní dávkou 1,2 Sv, za 25 let 11 případů
   leukémie navíc nad přirozený výskyt ve stejně velké neozářené skupině

   

   Stochuc.gif

   

   Díky opravným mechanismům je vznik poškození při malých dávkách velmi málo pravděpodobný,
   přesto dosud převládá tzv. konzervativní přístup:

   

   -         stochastické účinky – mutace jediné buňky

   -         závislost na dávce podprahová

   -         předpokládá sčítání dávek, ignoruje opravné procesy

   

   Moderní přístup:

   

   -         buňka může poškození DNA opravit

   -         při ozáření dávkami pod 0,2 Gy nelze prokázat škodlivé účinky (kromě ranného vývoje
   plodu)

   -         u lidí ozářených při bombardování atomovými bombami dávkami menšími než 0,2 Gy
   zjištěna nižší úmrtnost na rakovinu a nebyl pozorován vyšší výskyt leukémie

   -         britští radiologové s celoživotní dávkou 1-5 Gy, radiologitští pracovníci 0,5 Gy:
   žádný výskyt rakoviny navíc

   -         28 000 pracovníků britských loděnic ozářeno dávkou 0,005 mSv: úmrtnost o 24% nižší

   -         kanadské ženy vyšetřované pomocí RTG na tuberkulózu, dávky 0,15 – 0,25 Gy: nižší
   úmrtnost na rakovinu

   -         Coloradská plošina, přirozené dávky záření 3x vyšší než USA průměr: úmrtnost na
   rakovinu o 15% menší

   

   Ochranný efekt:

   

   -         leukocyty ozářeny nejprve dávkou 0,02 Gy a pak 0,15 Gy – poloviční výskyt
   chromozových aberací než po samostatné dávce 0,15 Gy

   

   Hormeze – stimulující účinky malých dávek IZ

   

   -         vyšší metabolická aktivita bakterií

   -         urychlení klíčení semen, vycházení, odnožování, růst, dřívější květenství, dozrávání

   -         prodloužení života myší (celoživotně ozařovány 8h denně 1mGy)

   -         u lidí: léčivé účinky radioaktivních koupelí (Jáchymov)

   -         léčí se především: revmatismus, degenerativní změny obratlů, inf. onemocnění
   nervového systému, poruchy vylučování k. močové, poruchy při vylučování žluči játry apod.

   

   Léčení pomocí IZ:

   

   Teleterapie – dálkové ozařování především ^60Co (5.10^13 – 10^15 Bq)

   Kontaktní terapie – β[-] zářič na povrchu těla (^32P či ^90Sr)

   Brachyterapie – tělesnými dutinami se zářič zavede k nádoru

   Endoterapie – vpravení radionuklidového zářiče do postižené tkáně metabolickým procesem
   (štítná žláza Na^131I apod.)

   Radioimunoterapie – RN je vázán na protilátku, selektivně se váže na spec. antigeny a
   receptory v nádorových buňkách

   Velikost dávek – cca 60 Gy (frakcionace po 2 Gy)

   Nevýhoda γ ozařování –  ozařuje se i zdravá tkáň (různé směry ozařování)

   Současné trendy:

   -         ozařování urychlenými protony (vysoký lin. přenos energie na konci dráhy, 180 MeV
   dosah 15cm), v Japonsku ^12C^6+

   -         ozařování svazkem záporných pionů (nestabilní částice (doba života 2,6.10^-8s),
   vznikají při ozařování terče protony o E > 500 MeV), po zpomalení dojde k zachycení v jádře a
   uvolnění 140 MeV = roztříštění jádra

   -         bórová terapie ^10B(n, α)^7Li

   

   

                  Rentgenová diagnostika          Radioisotopová diagnostika         
                +------------------------+ +---------------------------------------+ 
                |Druh vyšetření|Ef. dávka| |       Druh vyšetření        |Ef. dávka| 
                |              |  [mSv]  | |                             |  [mSv]  | 
                |--------------+---------| |-----------------------------+---------| 
                |Snímek plic   |  0,05   | |Statická scintigrafie ledvin |   1,5   | 
                |--------------+---------| |-----------------------------+---------| 
                |Páteř         |   1,8   | |Dynamická scintigrafie ledvin|   2,2   | 
                |--------------+---------| |-----------------------------+---------| 
                |Břicho        |  3 - 8  | |Dynamická cholescintigrafie  |   2,3   | 
                |--------------+---------| |-----------------------------+---------| 
                |Urografie     |   2,1   | |Scintigrafie skeletu         |   3,4   | 
                |--------------+---------| |-----------------------------+---------| 
                |Mamografie    |   0,5   | |Perfúzní scintigrafie plic   |   1,2   | 
                |--------------+---------| |-----------------------------+---------| 
                |Angiografie   |  3 - 9  | |Scintigrafie štítné žlázy    |   2,2   | 
                |--------------+---------| |-----------------------------+---------| 
                |CT hlava      |   1,1   | |Scintigrafie perfuze myokardu|   7,5   | 
                |--------------+---------| |-----------------------------+---------| 
                |CT tělo       |   9,2   | |                             |         | 
                +------------------------+ +---------------------------------------+ 



      Přibližná radiační zátěž pro nejčastější metody rentgenové a radioisotopové diagnostiky 

   

   

   Účinky IZ na hmyz:

   

   -         100x odolnější než obratlovci, smrtelné dávky 10^3 – 10^4 Gy

   -         nižšími dávkami lze hmyz sterilizovat

   -         radiační hubení hmyzu: potemník v obilí, při 100 Gy dochází ke sterilizaci samečka
   ale k přímému usmrcení je třeba 5000 Gy

   -         ochrana starých dřevěných uměleckých předmětů (výhoda proti chemické sterilizaci)

   -         hubení hmyzu ve volné přírodě: vypouštění sterilizovaných samečků (nezanáší se do
   přírody insekticidy)

   

   Účinky IZ na mikroorganismy:

   

   -         jsou velmi odolné, smrtelné dávky 10^3 – 10^4 Gy

   -         radiační sterilizace: obvazový materiál, chirurgické potřeby, injekční stříkačky,
   jehly, umělé srdeční chlopně, apod)

   -         radiační ozáření potravin: dávka 30 – 70 kGy, potraviny jsou vakuované a zmrazené
   (masné výrobky) – potlačení vzniku zapáchajících produktů radiolýzy

   -         jednotlivé země povolují ozařování různých druhů potravin

   -         nepovoluje se ozařovat čerstvé maso, ovoce a zeleninu

   

   

   Účinky IZ na rostliny:

   

   -         pozorovaný účinek závisí na objemu chromozomů (objem jádra připadajícím na jeden
   chromozom), na rychlosti růstu rostliny, na frakcionaci dávky záření

   -         jednorázové ozáření: odolnější pomaleji rostoucí rostliny

   -         chronické ozařování: odolnější rychleji rostoucí rostliny

   -         jehličnaté dřeviny: zpomalení růstu při 0,01 – 0,1 Gy/den

   -         ostatní rostliny: zpomalení růstu při 1-100 Gy/den

   -         radiační šlechtění: ozáření semen 100 – 1000 Gy, vznik mutací, část užitečných
   (odrůda obilí s většími výnosy a odolnější vůči chorobám apod.)

   

   LD50 v Gy pro RTG a γ záření:

   

   

   Ostatní účinky IZ:

   

   -         odstraňování statické elektřiny (ionizace vzduchu α zářením ^210Po či ^241Am)

   -         ionizační hlásiče kouře (^241Am o malé aktivitě + ionizační detektor záření, kouř
   mění ionizační proud)

   -         radionuklidové baterie využívají tepelných účinků IZ (absorpce α a β
   záření v látce), tepelnou energii převádí na elektrickou (^238PuO[2] v kardiostimulátorech (g)
   či družicích (kg), poločas 86 let, použití asi 20 let, nevzniká γ: ^238Pu ® ^234U +
   α)

   -         radionuklidové světelné zdroje jsou založeny na emisi viditelného světla při
   absorpci IZ v některých látkách (kdysi ^226Ra a ZnS), dnes β zářiče ^3H, ^85Kr, ^147Pm,
   signalizační lampy, číselníky hodinek a měřicí přístroje apod.

   -         barvení skel: ozařování dávkami 1 kGy, vytvářejí se poruchy absorbující viditelné
   světlo, trvanlivost desítky let (měření dávek), zkracuje se za vyšších teplot

   

   

                     7.   Použití radionuklidů a izotopů v biologii a lékařství

   

   

   Izotopový indikátor – prvek, jehož přirozené izotopové složení bylo změněno (^14C byl přidán
   k přírodnímu C, či ^198Au k přírodnímu zlatu), většinou radioaktivním izotopem

   

   Indikátorová metoda – metoda využívající izotopové indikátory ke sledování různých dějů a
   procesů

   

   Izotopové indikátory:

   

   1)      sledujeme chování určité chemické látky, izotopový indikátor musí být ve stejné
   chemické formě, jako je sledovaná látka (př. sledování biochemických dějů)

   

   2)      sledujeme určitou látku či objekt, přičemž chemické vlastnosti izotopového indikátoru
   nejsou podstatné (sledování proudění kapalin v potrubí)

   

   Izotopicky substituované sloučeniny – sloučeniny, ve kterých je stabilní izotop nahrazen
   izotopem radioaktivním ve všech molekulách (2-(^14C)-octová kyselina)

   

   Izotopicky značené molekuly – směs látky s přírodním izotopovým složením a látky izotopově
   substituované (2-[^14C]-octová kyselina)

   

   

   Indikátory v chemii a biochemii:

   

   Reakce chloritanu s kyselinou chlornou:

   

   ClO[2]^- + HOCl → Cl^- + HClO[3

   ]

   Ze stechiometrického zápisu není zřejmé, zda kyselina chlorečná vzniká oxidací chloritanu či
   kyseliny chlorné. Tím, že se v jednom reaktantu chlór označí, např. izotopem ^36Cl, lze
   jednoznačně původ chlóru v kyselině chlorečné zjistit.

   

   Významným přínosem bylo použití radioaktivních indikátorů pro pochopení procesů fotosyntézy.
   Používá se ^14CO[2] (rostliny) a NaH^14CO[3] (řasy).

   

   Studium metabolických přeměn:

   Látka, jejíž metabolismus se zkoumá (A), se podá organismu ve značené formě. Po určité době se
   izoluje látka B (předpokládaný metabolit látky A). Je-li látka B radioaktivní, je metabolitem
   látky A. Metabolismus složitějších látek probíhá přes řadu mezistupňů, které je možné všechny
   identifikovat metodou radioaktivních indikátorů.

               V kombinaci s autoradiografickou detekcí bývají izotopové metabolické studie také
   spojeny se zjišťováním, v kterém orgánu k metabolismu dochází, případně kde se ukládají
   produkty metabolismu.

   

   

                                               krysa

   Autoradiogram zmrazeného řezu krysou pořízený 6h po injekci roztoku Na[2]^35SO[4

   ]

   Receptorové studie:

   Zjišťuje se, ve kterých tkáních a buňkách se nacházejí receptory biochemicky a fyziologicky
   účinných látek. Tyto látky se ve značené formě podávají organismu a jejich lokalizace ve
   tkáních nebo buňkách se provádí autoradiograficky.

   

   ledvina

   Autoradiogram řezu ledvinou krysy, ukazující lokalizaci receptorů endothelinu

   

   Studium samodifúze – sledování pohybu částic v čisté látce vlivem tepelného pohybu (např.
   pohyb molekul vody ve vodě, používá se ^3HHO)

   

   Studium výměnných reakcí – sledování výměny identických částí mezi jednotlivými molekulami AX
   + BX → AX + BX, kde dochází k výměně identických částic X.

   

   Další použití izotopových indikátorů:

   

   -         stanovení rozpustnosti málo rozpustných látek (ve vodě, v jiných rozpouštědlech,
   kovů v roztavených solích, plynů v kapalinách apod.)

   -         stanovení tenzí par, málo těkavých látek (vysokovroucí kapaliny, roztavené kovy)

   -         stanovení velikosti povrchu sorbentu (sleduje se množství naadsorbovaného
   radioaktivního plynu)

   -         rychlost vylučování kovů na elektrodách a sledování následných elektrodových dějů

   -         zadržování aktivních komponent pracích prášků na vláknech tkaniny atd.

   

   Metoda izotopového zřeďování:

   

   Radioaktivní indikátor o známé měrné aktivitě a[0] = A[0] / m[0], kde A[0] je aktivita
   indikátoru a m[0] jeho hmotnost, se přidá ke vzorku, který obsahuje neznámou hmotnost m[x]
   látky. Měrná aktivita indikátoru se tím sníží na hodnotu a[1] = A[0] / (m[0] + m[x]). Aktivita
   A[0] přitom zůstala stejná, před zředěním pro ni platil vztah A[0] = a[0]m[0], po přidání
   vzorku A[0] = a[1] (m[0] + m[x]). Z rovnosti těchto dvou vztahů dostáváme:

   

                                    m[x] = m[0] (a[0]/a[1] – 1)



   Při použití indikátoru ve stejné chemické formě jako sledovaný vzorek můžeme určit množství
   konkrétní látky v systému.

   

   Použití:

   -         pro stanovení obsahu vyměnitelného fosforu v půdě. Vzorek půdy se třepe s roztokem
   ^32PO[4]^3-  o známé měrné aktivitě, vyměnitelný fosfor přechází do roztoku a měrnou aktivitu
   indikátoru sníží

   -         stanovení objemu v případech kdy objem nezaujímá jednoduchý geometrický tvar
   (podzemní zásobníky plynu, složitý systém potrubí, objem krevní plasmy apod.)

   -         určování velikosti hmyzí populace (část jedinců se označí (n[0]), po promísení
   s neoznačenou populací se odchytí stejný počet jedinců, jako bylo označeno a zjistí se kolik
   z nich je radioaktivní (n[1]), poměr n[0]/n[1] udává zřeďovací faktor, celkový počet
   v populaci pak činí: n[0]^2/ n[1

   ]

   Indikátory v biologii:

   

   -         rozsah a směr migrace drobnějších živočichů (část jedinců se označí a po určité době
   se z počtu označených jedinců určuje rozsah a směr migrace)

   -         studium pohybu a hromadění baktérií v živočišném organismu

   -         pohyb a přenos potravy a živin (přenášení potravy uvnitř hmyzího společenství), u
   rostlin se autoradiograficky stanovuje rozložení přijatých živin v rostlinném těle

   -         v molekulární biologii bylo pomocí značené DNA a RNA prokázáno že DNA slouží jako
   matrice pro vznik RNA

   -         v současnosti je jednou z častých aplikací sekvenování

   

   Sekvenování:

   

   Pro určení přesné sekvence nukleotidů v úseku DNA se používají dvě metody - Sangerova a Maxam
   a Gilbertova.

   

   Sangerova:

   -         využívá speciální vlastnosti speciálních nukleotidů - 2', 3'
   dideoxyribonukleotidtrifosfátů

   -         tyto nukleotidy (ddATP, ddCTP, ddGTP a ddTTP) nemají na 3' uhlíku ribosy OH skupinu,
   na tento konec již nemůže být navázán žádný další nukleotid navázán

   -         v reakční směsi máme namnoženou jednovláknovou DNA (jejíž sekvenci chceme znát), DNA
   polymerázu, příslušné primery (aby DNA polymeráza mohla začít pracovat), dostatek
   deoxyribonukleotidtrifosfátů (dATP, dCTP, dGTP a dTTP) pro syntézu a určité množství jednoho
   typu dideoxyribonukleotidtrifosfátu - dejme tomu ddATP

   -         polymeráza začne od nasednuvších primerů doplňovat sekvenci druhého vlákna, pokaždé
   když polymeráza doplňuje dATP do řetězce, je určitá pravděpodobnost, že namísto dATP použije
   ddATP

   -         pokud je zařazen ddATP, potom polymerace na tomto místě končí. Necháme-li tedy
   takovouto reakci proběhnout, získáme velké množství různě dlouhých oligonukleotidů, které
   budou všechny končit adeninem (dojde k zastavení polymerace u ddATP)

   -         pokud necháme proběhnout stejnou reakci, tentokrát s ddCTP, ddGTP a nakonec i ddTTP,
   dostaneme 4 směsi oligonukleotidů, přičemž v každé směsi budou oligonukleotidy končit
   příslušnou bází

   -         klasická metoda vyhodnocení spočívá v provedení elektroforézy, přičemž jsou v gelu
   vytvořeny 4 dráhy, každá pro jinou oligonukleotidovou směs

   

                                             sekvenace



   Maxam a Gilbertova:

   -         metoda se vyhodnocuje podobným způsobem (elektroforeticky), ovšem reakce, při které
   vznikají různě dlouhé oligonukleotidy, nevyužívá polymerace podle vzorového vlákna, ale
   specifického chemického štěpení DNA za určitými nukleotidy

   

   Indikátory v lékařské diagnostice:

   

   Značené sloučeniny užívané v lékařství se nazývají radiofarmaka. Pro diagnostické účely musí
   být radioaktivní nuklid přítomen v takové chemické formě, kterou tkáň vyšetřovaného orgánu
   přijímá. Vhodné jsou β[-] (s následnou emisí γ), β[+] (anihilační γ),
   jaderné izomery a nuklidy podléhající elektronovému záchytu (RTG záření), o energiích γ
   kolem 100 keV a poločasech rozpadu řádově hodin či dnů.

               Nejběžnější zařízení v diagnostické nukleární medicíně je gamakamera.

   

    gamakamera

   Gama kamera

   srdce ruka

   Scintigram zdravého srdce (vlevo) a srdce po infarktu myokardu (vpravo); kontrola prokrvení
   ruky přišité pacientovi po úrazu

   

   Radiofarmaka značená β[+] nestabilními radionuklidy umožňují využít principu tomografie
   (pozitronová emisní tomografie). Nejčastěji se pracuje s ^11C, ^13N, ^15O a ^18F (mají krátké
   poločasy rozpadu a kromě fluoru se jedná o biogenní prvky, kterými lze značit řadu biologicky
   aktivních molekul)

   

   tomograf

   Schéma pozitronové tomografie

   

   Indikátory v hydrologii:

   

   -         pohyb vody v různých přírodních systémech

   -         pohyb dešťové vody a vody z tajícího sněhu v podpovrchových vodách

   -         rychlost průtoků ve vodních tocích, pronikání vody z jezer, nádrží a kanálů

   -         studium podzemních vod (stáří, vztah mezi povrchovými a podzemními vodami)

   -         vztahy mezi vodonosnými vrstvami

   

   Používá se  ^58Co, ^60Co, ^51Cr. Tritium vzniklé při nadzemních pokusech jaderných a
   termonukleárních zbraní bylo pojato jako pulsní označení hydrosféry tritiem a bylo využito pro
   studium pohybu a výměny vod zejména v podzemních rezervoárech. Například nepřítomnost tritia
   v rozsáhlém podzemním rezervoáru pod Saharou ukázala, že v současnosti nedochází k jeho
   doplňování z vnějších zdrojů.

   

   Indikátory v průmyslu:

   

   -         měření průtoku kapalin, sledování transportu surovin v technologickém zařízení,
   průběh procesů mísení apod. (průtok a doba setrvání odpadních vod v čistících stanicích a
   odkalovacích nádržích, pohyb roztaveného železa a strusky ve vysoké peci, průchod plynů
   vysokou pecí, netěsnosti v potrubí ropovodu, netěsnosti v potrubí plynovodu atd.)

   BONUS

  Jaderné elektrárny

   

   graf-reaktory.jpg

   

   Množství RN vypouštěných z JE se uvádí jako celková aktivita, měrná aktivita (Bq/MW, Bq/m^3)

   

   Radioaktivita převážně v chladící vodě (tlakovodní reaktory):

   -         jod, cesium, vzácné plyny – únik mikrotrhlinami z palivových tyčí

   -         tritium – vzniká ve vodě reakcemi: ^2H(n, γ)^3H a ^10B(n, 2α)^3H (10^10
   – 10^11 Bq/m^3)

   -         ^51Cr, ^54Mn, ^59Fe, ^58Co a ^60Co – nejvýznamnější RN pocházející z konstrukčních
   materiálů reaktoru a vznikající reakcemi (n, γ) tzv. korozivní produkty

   

   Chladicí voda se filtruje a vede přes iontoměniče. Uvolňují se izotopy vzácných plynů a přes
   vymírací nádrž se postupně dostávají do atmosféry (^85Kr (10%) T[1/2] = 11 let a ^133Xe (90%)
   T[1/2] = 5 dnů).

   

   Odpadní voda kromě stop korozivních produktů obsahuje i tritium.

   

   Stejné výpustě produkují i závody na přepracovávání jaderného paliva.

   

   Současný průměrný obsah ^85Kr ve vzduchu je 1 – 2 Bq/m^3.

   

   Mezinárodní doporučení: E[kolektivní] < 40mSv/MW (pro kritickou skupinu obyvatel, ve
   skutečnosti cca 1%)

   

   Uhelná elektrárna: na 1GW za rok spotřebuje 3 milióny tun uhlí vyprodukuje 7 miliónů tun
   CO[2], 120 000 tun SO[2], 20 000 tun oxidů dusíku a 750 000 tun popílku

   

   Jaderná elektrárna: na 1GW za rok spotřebuje 30 tun paliva (snadná doprava), cca 1% množství
   CO[2] z uhelných elektráren.

   

   Obsah izotopů jodu (indikátor netěsnosti pokrytí palivových elementů) v plynných výpustech ve
   větracích komínech z elektrárny Dukovany:

   

                                               radjod

   

   

   Limitní a skutečná aktivita plynných výpustí z jaderné elektrárny Dukovany v roce 1997:

   

                                              plynvyp

   

   

  Havárie jaderných reaktorů

   

   -         v minulosti řada nehod a havárií

   -         pouze u třech (4) uniklo větší množství radioaktivních látek mimo elektrárnu

   

   MAAE přijala v roce 1991 mezinárodní stupnici pro hodnocení jaderných nehod. Stupnice má
   sloužit především k rychlému informování veřejnosti o závažnosti nehod:

   

   0. Událost pod stupnicí (Below scale)

   Situace, při kterých nebyly překročeny provozní limity.

   1. Odchylka (Anomaly)

   Funkční, nebo provozní odchylky. Nepředstavují riziko, ale odhalují nedostatky bezpečnostních
   opatření.

   2. Porucha (Incident)

   Technické poruchy, nebo odchylky, které neovlivňují přímo chod a bezpečnost elektrárny, ale
   mohou vést k následnému přehodnocení bezpečnostních opatření.

   Mihama-2, jaderná elektrárna, Japonsko, 1991
   Pickering A-B, jaderná elektrárna, Kanada, 2003

   

   3. Vážná porucha (Serious accident)

   Únik radioaktivních látek mimo elektrárnu nad povolené limity. Individuální dávka pro
   obyvatele v blízkosti elektrárny je řádově 0,1 mSv. Personál je nadměrně ozářen (přes 50 mSv).

   Vandellos, jaderná elektrárna, Španělsko, 1989
   Davis Besse-1, jaderná elektrárna, USA, 2002

   Paks, jaderná elektrárna, Maďarsko, 2002

   

   4. Havárie s účinky v jaderném záření (Accident mainly in installation)

   Malý únik radioaktivity mimo elektrárnu, individuální dávka pro obyvatele je řádově 1 mSv.
   Aktivní zóna reaktoru je částečně poškozena. Ozáření pracovníků elektrárny může vést
   k okamžitým zdravotním následkům (řádově Sv, nemoc z ozáření).

   Jaslovské Bohunice, ČSSR, 1972

   Windscale Pile, Přepracovatelský závod, Velká Británie, 1973
   Saint Laurent, jaderná elektrárna, Francie, 1980
   Tokaimura, závod na výrobu paliva, Japonsko, 1999

   

   5. Havárie s účinky na okolí (Accident with off-site risks)

   Únik radioaktivity (100 až 1000 TBq ^131I, nebo jiných, podobně biologicky účinných izotopů)
   mimo elektrárnu. Velká část zóny reaktoru poškozena tavením. Evakuace blízkého obyvatelstva.

   Windscale, Velká Británie, 1957

   Three Miles Island, USA, 1979

   6. Závažná havárie (Serious accident)

   Únik radioaktivity (1000 až 10 000 TBq jódu, nebo jiných, biologicky podobně účinných látek)
   mimo elektrárnu. K omezení účinků je třeba provést místní havarijní plán.

   Kyštym, Přepracovatelský závod, SSSR, 1957

   7. Velká havárie (Major accident)

   Únik radioaktivních látek mimo elektrárnu je větší než 10 000 TBq různých izotopů. Možnost
   okamžitých zdravotních následků. Dlouhodobé následky pro životní prostředí.

   Černobyl, SSSR, 1986

   

   Jaslovské Bohunice (4), ČSSR, 1972:

   -         do reaktoru byl zaveden palivový článek, ucpaný silikagelem (zabraňoval zvlhnutí
   článku)

   -         ucpaným palivovým článkem nemohl proudit chladící plyn a téměř nechlazené těleso se
   začalo tavit

   -         vysoká teplota způsobila poškození nádoby s tlakovou vodou, ta se dostala do
   primárního okruhu a způsobila rychlou erozi povlaků palivových článků a tím i uvolnění
   radioaktivních látek

   -         radioaktivita zamořila i sekundární okruh, všechny radioaktivní látky však zůstaly
   uvnitř elektrárny, nikdo z obsluhy nebyl zraněn, ani ohrožen.

   

   Windscale (5), Velká Británie, 1957

   

   windscale

   -         grafitový reaktor, chlazený vzduchem

   -         sloužil výhradně k produkci plutonia pro vojenské účely

   -         ráno 8. října došlo vinou nepozornosti obsluhy k přehřátí několika palivových článků

   -         následovalo vznícení povlaků z hořčíkové slitiny

   -         požár se podařilo uhasit za čtyři dny

   -         uvolněné radioaktivní látky (^133Xe, ^85Kr, ^131mXe, ^131I, ^132Te, ^137Cs, ^89Sr,
   ^106Ru, ^144Ce) se přes komín rozptýlily nad Anglii, Wales a severní Evropu

   -         uniklo 13 500 TBq radioaktivních látek, největší dávkový příkon 40μGy/h 1,5 km
   od reaktoru po směru větru

   -         rychlý zásah zdravotnických organizací zabránil rozšíření ^131I (T[1/2] = 8 dnů)

   -         na území o rozloze 520 km^2 v okolí Windscale byl vyhlášen zákaz spotřeby mléka,
   který byl odvolán po 44 dnech

   -         dávky obyvatelstvu v nejbližším okolí se pohybovaly mezi 5 a 60 mSv

   -         provoz elektrárny už nebyl obnoven

   -         ve své době havárie nevzbudila prakticky žádnou pozornost, přestože její dopad na
   obyvatele byl oproti nehodě v Three Mile Island mnohem větší

   

   Three Miles Island (5), USA, 1979

   

   ph_three_mile_island500

   

   -         blok 2 jaderné elektrárny s tlakovodním reaktorem o tepelném výkonu 2772 MW byl
   necelý rok starý

   -         havárii zahájil výpadek jednoho ze dvou parogenerátorů elektrárny

   -         po havarijním odstavení reaktoru začal pomalý únik chladící vody z chladícího okruhu

   -         příčinou byl zaseknutý ventil, únik nebyl včas odhalen

   -         ztráta veškerého chladiva vedla k tavení aktivní zóny

   -         plné odstranění následků havárie trvalo týden, neboť se v horní části reaktoru
   vytvořila obtížně odstranitelná bublina, obsahující vodík, která bránila bezpečnému
   ochlazování aktivní zóny

   -         únik radioaktivity mimo elektrárnu byl velice nízký a nevyžadoval žádná zvláštní
   opatření (^133Xe, ^131I), v blízkém okolí elektrárny byla maximální dávka 1 mGy

   -         přesto však byla nehoda zařazena do třídy 5, vzhledem k silnému poškození elektrárny
   a vysokému zamoření aktivní zóny, reaktor byl natrvalo vyřazen z provozu

   -         účinek na veřejnost byl ale mnohem větší než v případě Windscale, americká média
   totiž o nehodě obšírně informovala (senzacechtivost reportérů, panika, dopravní kolaps)

   -         celosvětové přehodnocení koncepce jaderné bezpečnosti, revize stavu mnoha reaktorů

   

   

   Kyštym (6), Přepracovatelský závod, SSSR, 1957

   

   -         znečištění tisíců čtverečních kilometrů na Středním Uralu v Rusku, způsobila patrně
   stovky lidských ztrát

   -         veškeré zprávy o ní však byly zamlčeny

   -         Čeljabinsk-40, závodu na produkci plutonia, asi 16 kilometrů východně od
   průmyslového města Kyštym na jižním břehu jezera Kyzyl-taš

   -         vědci byli pod silným nátlakem, aby vyrobili dostatek plutonia, které by umožňovalo
   provedení zkoušky první sovětské bomby před Stalinovými sedmdesátinami v prosinci 1949, (bomba
   byla nakonec přivedena k explozi v srpnu toho roku)

   -         k nehodě téměř jistě došlo koncem prosince 1957 či začátkem ledna 1958, protože 9.
   ledna 1958 radio Moskva věnovalo značnou část vysílacího času informacím o nemoci z ozáření a
   detailnímu seznamu preventivních opatření

   -         100 km od Sverdlovska výstražná tabule u cesty varovala řidiče, aby následujících
   třicet kilometrů nezastavovali a jeli maximální rychlostí se zavřenými okénky (Profesor Leo
   Tumerman 1960)

   -         města z asi sto kilometrů dlouhého sektoru tvaru písmene L zmizela = masový přesun
   obyvatelstva

   -         nejpravděpodobnější vysvětlení je běžná chemická exploze způsobená nahromaděním
   plynů okolo horkého nukleárního odpadu

   

   Tehdejší stav:

   

   1. Voda, používaná od roku 1950 k chlazení reaktorů, silně kontaminovaná průtokem děravými
   palivovými tyčemi, byla vypouštěna do řeky Teča a tak se kontaminace rozšiřovala;

   2. Vegetaci v okolí 20 km okolo zařízení zničily kyselé deště. K extrakci ^239Pu z ozářených
   palivových článků byla používána

   kyselina dusičná a vzniklé oxidy dusíku, jod a xenon byly odváděny ze zásobníků do atmosféry,
   kde z nich vznikaly nebezpečné a patrně radioaktivní kyselé deště;

   3. Sověti ukládali svůj nukleární odpad spíš v otevřených nádržích než v uzavřených
   cisternách. Po odpaření tekutiny se tak dno nádrže mohlo pokrýt vysoce radioaktivním prachem,
   který mohl být rozptýlen silnějším větrem.

   

   -         v šedesátých letech bylo do oblasti dopraveno "komando smrti" tvořené vězni, kteří
   na kontaminovanou plochu rozprostřeli na tři stopy vysokou vrstvu písku a hlíny

   -         tato zpustošená krajina, ohrazená a přejmenovaná na "Čeljabinský celosvazový
   radiologický manévrovací a cvičný prostor", byla pak používána jako cvičný prostor pro tankové
   oddíly

   -         v prosinci 1988 došlo také k prvnímu oficiálnímu sovětskému doznání o nehodě
   v Kyštymu

   

   

   Černobyl (7), SSSR, 1986

   

   cernobylcernobyl02

   -         ukrajinská Černobylská elektrárna s vodou chlazenými reaktory typu RBMK (grafitový
   moderátor) o tepelném výkonu 3200 MW (elektrický 950 MW)

   -         25. dubna, 1986 bylo zahájeno plánované odstavení 4. bloku elektrárny

   -         před odstavením měl být proveden experiment, který měl ověřit, zda bude elektrický
   generátor (poháněný turbínou) schopen dodávat proud po rychlém uzavření přívodu páry a při
   svém setrvačném doběhu ještě zhruba 40 vteřin napájet čerpadla havarijního chlazení

   

   Průběh experimentu

   13:05:00

   Výkon reaktoru byl snížen na polovinu a byl odstaven turbogenerátor. Krátce poté byl odpojen
   systém havarijního chlazení, aby nezačal fungovat během experimentu.

   23:10:00

   Při snižování výkonu došlo k neobvyklé události. Chybou operátora výkon prudce klesl na 30 MW.
   Reaktor je v tomto režimu značně nestabilní a operátoři měli v tomto okamžiku experiment
   ukončit a reaktor definitivně odstavit. Rozhodli se však v experimentu pokračovat.

   01:23:04

   Reaktor byl stále nestabilní, operátoři se pokusili stabilizovat jej a zvýšit výkon, což se
   jim nepodařilo ani za použití regulačních tyčí.

   01:23:20

   Byl zablokován havarijní signál, který by po uzavření přívodu páry na turbínu automaticky
   odstavil reaktor. Pak operátoři odstavili přívod páry.

   01:23:40

   Operátoři dali signál k havarijnímu odstavení reaktoru, ale účinek byl příliš pomalý na to, co
   se v reaktoru dělo

   01:23:44

   V části reaktoru došlo k „akutnímu neutronovému energetickému šoku“. Během čtyř sekund stoupl
   výkon čtvrtého bloku stonásobně. Část paliva rozložila a vypařila chladicí vodu. Výbuch (1)
   páry roztrhl tisícitunový příklop čtvrtého bloku. Žhnoucí trosky padaly na okolní budovy a
   založily přes třicet požárů. Další voda reagovala s do

   červena rozpáleným grafitovým jádrem reaktoru o hmotnosti 1 700 tun, při čemž vznikal plynný
   vodík, který během sekundy detonoval (2) a vymrštil radioaktivní odpad a radionuklidy do výše
   přes 1,5 kilometru do ovzduší.

   02:20:00

   Požár byl lokalizován a za 3 hodiny později uhašen za cenu životů hasičů a pracovníků
   elektrárny, kteří utrpěli většinou těžké popáleniny z ozáření (31).

   

   -         po deseti dnech velkého úsilí se podařilo dostat jádro reaktoru zpět pod kontrolu

   -         helikoptéry shodily na otevřené jádro reaktoru více než 5 000 tun olova, bóru a
   jiných materiálů

   -         z reaktoru uniklo od okamžiku výbuchu do 6. května 1986 asi 4% radioaktivních látek
   přítomných v reaktoru (2.10^19 Bq)

   -         nejvíce kontaminováno bylo nejbližší okolí elektrárny

   -         30 000 km^2 > 185 kBq/m^2

   -         200 000 osob se podílelo na likvidaci havárie, průměrná dávka 100 mSv

   -         z 237 osob se u 134 projevila akutní nemoc z ozáření, 28 zemřelo do 3 měsíců (26
   radiační poškození kůže a poškození sliznic dýchacího ústrojí (tzv. horké částice, lokálně až
   100 Gy), 2 zahynuly při explozi, 1 na infarkt

   -         během dalších měsíců zemřelo ještě 14 osob, ale souvislost z havárií nebyla
   prokázána

   -         osoby, které přežily vysoké ozáření, trpí řadou potíží včetně psychických poruch

   -         ke konci roku 1995 800 případů rakoviny štítné žlázy navíc (3 smrtelné), očekáváno
   objevování případů ještě několik desetiletí

   -         podle konzervativního modelu odhadnuto že mezi 7,2 mil. obyvatel bude 470 smrtelných
   případů leukémie navíc (norm. 25 000), 6600 výskytů rakoviny za 85 let (norm. 870 000)

   -         u 200 000 osob 200 případů leukémie navíc (norm. 800), zatím nepozorováno

   -         obyvatelé však nebyli včas a správně informováni o rozsahu a následcích výbuchu,
   evakuace začala až několik hodin po výbuchu

   -         nejbližší okolí elektrárny je uzavřenou zónou dodnes

   -         dnes již radioaktivita v okolí elektrárny poklesla a tak se někteří důchodci vracejí
   do svých domů

   -         protože foukal severní vítr (naštěstí pro Kyjev), radioaktivní mrak se vydal do
   Běloruska

   -         zasáhl celých 75 % jeho území

   -         dodnes je zamořeno 25% běloruského území

   -         v ČR průměrná dávka za 1. rok cca 0,3 mSv

   -         následující rok vzrostla koncentrace ^137Cs v potravinách, pak rychle klesala

   -         u hub 1985 1kBq ^137Cs na 1kg sušiny, 1986 40 kBq na 1 kg sušiny

   

  Nehody při práci s radioaktivními látkami

   

   Nehoda 1.

   29182_1_nahled 

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   -         Harry K. Daghlian Jr. (1921-1945) student fyziky na Pudue University

   -         do Los Alamos přišel na podzim v r. 1943 a pomáhal zde s instalací cyklotronu, na
   jaře 1944 se stal členem skupiny provozující malý výzkumný varný reaktor v Los Alamos, později
   přešel do "Critical Assembly Group" (chování Pu a ^235U v blízkosti kritického stavu a
   testovala konstrukci plutoniové nálože pro pokusný výbuch Trinity v Alamogordo)

   -         Daghlian prováděl experimenty s koulí plutonia (6.2 kg) obklopenou cihličkami
   karbidu wolframu: účelem experimentu bylo zjistit praktické uspořádání vnitřku plutoniové
   bomby

   -         ráno 21. srpna 1945 sestavil kolem plutoniové koule krychli z karbidových cihliček o
   hraně 38 cm: toto uspořádání vede ke kritickému stavu ještě před dokončením šesté vrstvy
   cihliček

   -         odpoledne jiné uspořádání, tentokrát měla krychle hranu 31 cm a uspořádání se
   blížilo kritickému stavu při dokončení páté vrstvy cihliček

   -         stále nevyřešen úspěšný kritický design obklopující plutoniovou kouli

   -         večer (21:30) se Daghlian vrátil do laboratoře, přestože provádění nebezpečných
   pokusů po pracovní době a o samotě bylo proti předpisům

   -         v laboratoři: vojín Robert J. Hemmerly (četl noviny)

   -         strážnému Daghlian připadal trochu nervózní, úkolem strážného ale bylo hlídat
   plutonium

   -         Daghlian vyndal plutoniovou kouli z trezoru a začal kolem ni stavět krychli z
   cihliček karbidu

   -         řídil se hlasitým tikáním přístrojů (Geiger-Müller)

   -         dokončil asi polovinu páté vrstvy a téměř přiložil další cihličku doprostřed vrstvy,
   přesahující nyní vrchol plutoniové koule, když ho prudký vzrůst tikání Geigeru upozornil, že
   se systém blíží kritickému stavu

   -         rychle ucuknul, a těžká karbidová cihlička mu vypadla z ruky a trefila se přímo
   doprostřed nedokončené krychle s plutoniem uvnitř

   -         Daghlian reflexivně smetl cihlu na zem

   -         ucítil v pravé ruce mírné svrbění, když ji vnořil do modré záře obklopující
   plutoniovou kouli

   -         modré světlo zhaslo, bylo 21:55 večer

   

   omega

   

                                              assembly



   -         Hemmerly seděl u stolu vzdáleného asi 3,7 m od místa nehody, otočený zády, náhlý
   přechod tikání Geigeru na soustavné vrčení, modrý záblesk a bouchnutí těžké cihličky smetené
   na podlahu upoutaly jeho pozornost - otočil se a viděl, jak Daghlian stojí nad experimentem,
   celý bezradný

   -         Daghlian pak demontoval havarovaný experiment do stabilnějšího uspořádání a
   informoval Hemmerlyho o vzniklé situaci

   -         Daghlian byl odvezen do nemocnice

   -         Hemmerly informoval svého nadřízeného o havárii a byl také hospitalizován

   -         plutoniová koule přežila havárii bez poškození, žádný radioaktivní materiál se
   nerozptýlil po laboratoři, laboratoř měla tlusté stěny (1,5 m zdiva), které ochránily ostatní
   lidi v budově před radiací

   -         Hemmerly byl v nemocnici na pozorování jen dva dny: krátkodobě zvýšený počet
   leukocytů

   -         strávil několik týdnů v rekonvalescenci, neprojevily se u něj žádné příznaky nemoci
   z ozáření, po 2 měsících se vrátil do služby

   -         efektivní dávka činila cca 0,32 Sv, během následujících 4 let se mu narodily dvě
   zdravé děti, kromě nadváhy a mírné hypertenze byl celkem zdráv, zemřel ve věku 62 let na
   leukémii

   -         efektivní dávka u Daghliana činila přibližně 5,9 Sv, distribuce byla velmi
   nerovnoměrná - nejvíce ozářeny byly jeho ruce a horní polovina těla, levá ruka byla ozářena
   ekvivalentní dávkou přibližně 50 - 150 Sv, pravá ruka - která shodila karbidovou cihličku a
   přerušila tak řetězovou reakci - obdržela ekvivalentní dávku 200 -400 Sv

   -         pravá ruka začala okamžitě otékat a byla necitlivá na dotyk

   -         prudká a neustávající nevolnost, záchvaty dávení a zvracení se dostavily 90 minut po
   nehodě

   -         nevolnost přetrvávala více než dva dny, během nichž zvracení vystřídalo prudké
   neustávající škytání

   -         po dvou dnech se vrátila chuť k jídlu, avšak brzy se dostavily další vážné příznaky

   -         2. dne po nehodě se na prsteníku pravé ruky objevil malý puchýřek a nehtová lůžka
   nabrala šedomodrý odstín - příznak špatného krevního oběhu

   -         během následujícího dne se na pravé ruce vyvinulo množství puchýřů na dlani, hřbetu
   ruky a mezi prsty, puchýře se rychle zvětšovaly a bolestivě se nadouvaly tekutinou

   

                                                hand



   -         kůže na levé ruce a na břiše také začala postupně rudnout

   -         pro úlevu bolesti lékaři otevřeli puchýře, odstranili odumřelou tkáň na pravé ruce a
   provedli paravertebrální blokádu na pravé straně

   -         odstraňování nekrotické tkáně a otvírání puchýřů se opakovalo každé 3-4 dny, rány
   byly zakryty gázou napuštěnou vazelínou

   -         pacient dostával morfin, kodein a také velké dávky penicilinu

   -         postupně se jeho celá pravá ruka pokryla puchýři a její barva se změnila na
   zlověstně modro-purpurovou už během čtvrtého dne

   -         léky proti bolesti neměly dostatečný účinek, postižené ruce byly proto chlazeny
   ledem

   -         rozsah ozáření začal být zjevný s pokračujícím zrudnutím kůže, které postupně
   pokrylo obě paže, krk a přední část trupu, následovalo loupání vrstev pokožky (desquamace) na
   postižených místech

   -         10. den po nehodě Daghlian pocítil nevolnost a bolesti břicha při jídle, břicho bylo
   oteklé a citlivé na pohmat

   -         prudké břišní křeče se zhoršovaly, avšak po několika dnech náhle pominuly, od
   dvanáctého dne až do smrti však pacient trpěl konstantním průjmem

   -         15. den obdržel pacient krevní transfůzi, pacient byl bledý, jeho kůže byla studená
   a zvlhlá, ačkoli jeho teplota (v konečníku) byla 40,6 °C, tep byl velmi rychlý a povrchní (250
   tepu/min, tachykardie), krevní tlak poklesnul na 70/50

   -         podávání léků ani další léčba nepomáhaly, epizoda trvala do následujícího dne, kdy
   se stav upravil sám od sebe

   -         další transfůze a intravenózní tekutiny již nebyly podávány, z obavy, že by mohly
   navodit další srdeční epizodu, navíc kvůli desquamaci (odlupování kůže) byly cévy na rukou a
   krku nepoužitelné pro intravenózní aplikace

   -         ošetřování pacienta se zaměřovalo pouze na tišení příznaků (morfin, kodeinu,
   penicilin, chinidinu, podávání vitamínu (B1) a dietní strava), chlazení popálenin ledem,
   odstraňování puchýřů a odumřelé tkáně a zavádění trubic do střev

   -         několik dní před smrtí pacient začal blouznit a poslední den upadl do bezvědomí

   -         jeho vzezření se drasticky změnilo díky postupujícímu hubnutí, které začalo šestého
   dne a pokračovalo stále rychlejším tempem, úplně ztratil kůži na břiše a spodní polovině
   hrudníku, chlupy na ramenou, vousy ve tváři a vlasy na spáncích

   -         Daghlian zemřel 15 září 16:30, 25 dnů po nehodě

   -         úmrtní list uvádí jako příčinu smrti "rozsáhle popáleniny horních končetin a trupu"

   

   

   Nehoda 2.

   

   29698_2_nahled 

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   Slotin_5

   

   -         Louis P. Slotin (1910-1946) vystudoval chemii a fyziku na University of Manitoba
   v Kanadě

   -         pokračoval ve studiu biochemie na King’s College v Londýně

   -         od r. 1937 byl asistentem na University v Chicagu a věnoval se práci s cyklotronem,
   která po příchodu Fermiho do Chicaga nakonec vedla k Slotinově účasti na Projektu Manhattan

   -         během války Slotin pracoval v Oak Ridge, kde se zabýval experimenty s prvním
   výkonným jaderným reaktorem, postaveným pro výrobu plutonia

   -         koncem roku 1944 přijel do Los Alamos a pracoval zde se štěpným materiálem

   -         byl schopný, nebojácný při práci s radiací, v Chicagu před válkou Slotin se svými
   kolegy postavili cyklotron vlastníma rukama, včetně letováni obvodu osciloskopu ze základních
   součástek, a dokonce pokládání kabelu a betonování základu v suterénu budovy

   -         na svém cyklotronu Slotin mimo jiné také vyráběl malá množství ^14C a jeho
   spolupracovníci krmili tímto značeným uhlíkem pokusná zvířata - holuby (pro radiobiologické
   pokusy se používala pouze játra pokusných zvířat), Slotin byl jediný z celé skupiny, který ty
   radioaktivní holuby jedl, občas to v práci nabízel ostatním :-)

   

   Slotin rád šokoval své kolegy:

   

   Při jednom experimentu na grafitovém reaktoru v Oak Ridge bylo zapotřebí provést změnu
   uspořádání experimentu. Jenže celé experimentální zařízení bylo ponořeno v nádrži s vodou pod
   reaktorem; voda sloužila jako moderátor zpomalující neutrony. Přerušení experimentu mělo trvat
   nejméně celý víkend - naplánována byla odstávka reaktoru a vypumpování nádrže. V pondělí se
   Slotinův šéf ke své hrůze dozvěděl, že Slotin už ten experiment předělal – s reaktorem za
   chodu. Slotin se ponořil do nádrže a experiment bleskově upravil pod hladinou - spočítal si
   totiž, že největší dávka z reaktoru pochází z gama záření a dostatečně tlustá vrstva vody gama
   záření odstíní. A když se trochu sníží výkon reaktoru, výsledný neutronový tok v ozařovací
   nádrži pod reaktorem nebude až tak silný, takže tam bude možné pod hladinou ”chvilku vydržet”.

   

   -         V Los Alamos byl Slotin jeden z nejdůležitějších lidí v ”Critical Assembly Group”,
   (experimentálním zkoumáním uspořádání štěpného materiálu uvnitř jaderné bomby).

   -         experimenty se štěpným materiálem se často úmyslně přivedly až na samotný okraj
   rozjezdu lavinovité řetězové reakce (”lechtání draka pod ocasem”)

   -         budovu Omega stála daleko od Los Alamos, uvnitř kaňonu a oddělená byla od města
   několika kaňony a náhorními plošinami

   -         spouštění kusu ^235U (v podobě hydridu uranu) skrz větší, subkritický kus z téhož
   materiálu (krátkodobé překročení kritického množství, měření radiace od štěpných produktů)

   -         odraz neutronů od materiálu obklopujících plutonium v těsně podkritickém stavu

   -         Slotin: bravurní experimentátor, učil ostatní techniku zacházení se štěpným
   materiálem, vše se dělá ručně (nedostatek času), provedl stovky kritických experimentů,
   sestavil vnitřek 1. atomové bomby (Trinity, Alamogordo, Nové Mexiko), podílel se na stavbě
   bomby svržené na Nagasaki

   

   

    Slotin montuje první atomovou bombu Trinity:

                                                252

   

   

   - první vážná nehoda v budově Omega 21. srpna 1945 způsobila smrt studenta Harry K. Daghliana,
   Slotin svému příteli dělal společnost v nemocnici, po Daghlianově smrti Enrico Fermi varoval
   Slotina: ”Pokud si budeš takhle zahrávat, do roka bude po tobě!”

   - 21.5.1946 - po konferenci, vzal Luis Slotin ostatní šéfy z Los Alamos na exkurzi laboratoří,
   návštěvníci si prohlédli laboratoře a zase odešli, jen Alan Graves – nástupce, který měl po
   Slotinovi převzít jeho skupinu - řekl, že ještě nikdy neviděl kritický experiment

   - S. A. Kline, student fyziky, se chtěl také podívat, ve stejné době ve speciální
   tlustostěnné, stíněné laboratoři v budově Omega, pracovalo dalších pět fyziků

   - všichni se zájmem pozorovali, jak se Slotin chystá předvést pokus (systém se přivede až na
   samotnou hranici rozjezdu lavinovité štěpné reakce, ale nenechá se překročit kritickou mez)

   

   Experimentální uspořádání:

   

   Malá koule z plutonia o hmotnosti 6,2 kg (velikost tenisového míčku) byla z půlky zapuštěna v
   podstavci z berylia. Za současného ozařování slabým zdrojem neutronů se na odkrytou horní
   půlku plutoniového míčku zvolna spouští poklop z berylia - ve tvaru duté polokoule. Množství
   plutonia a tloušťka berylia byly zvoleny tak, aby došlo k překročení kritického stavu v
   okamžiku, kdyby poklop téměř dosednul na plutoniovou kouli zapuštěnou v beryliovém podstavci –
   tomu se zabránilo ponecháním volné štěrbiny mezi beryliovým podstavcem a poklopem. Velikost
   štěrbiny určovala vzdálenost systému od kritického stavu. Na experiment byla použita stejná
   koule plutonia, s níž měl nehodu Daghlian.

   

   Fotografie znázorňující rekonstrukci experimentu po havárii:

                                           foto%20Slotin

   

   -         bezpečnější provedení: poklop upevněn ve stojanu a podstavec s plutoniem se opatrně
   přibližuje zvedákem

   -         nebezpečné (jednodušší) provedení: podstavec stojí na stole, Slotin drží poklop v
   ruce – palec zasunutý v otvoru v horní části poklopu - opírá beryliový poklop hranou o
   podstavec a opatrně ze strany přiklápí

   -         o nebezpečnosti takového postupu se vědělo – proto byly vyvinuty jednoduché stavěcí
   zarážky s nastavitelnou tloušťkou, které se dávaly mezi podstavec a poklop

   -         Slotin však zarážky odstranil a ve štěrbině mezi poklopem a podstavcem držel
   zastrčený konec šroubováku

   

   

   Průběh experimentu:

   

   Alvin Graves se zaujetím pozoroval, jak Slotin opatrným pootáčením ploché hrany vsunutého
   šroubováku zvolna zmenšuje štěrbinu mezi nyní přiklopeným poklopem a podstavcem - každá změna
   pozice se projevila odpovídajícím zesílením intenzity tikání Geigeru. Alvin Graves se ještě
   naklonil blíž, aby na to lépe viděl. Slotin tento experiment v minulosti již provedl mnohokrát
   a byl si s sebou jistý.

   Pomalým otáčením šroubováku měnil velikost štěrbiny, poslouchal tikání Geigeru a zároveň
   podával výklad sedmi lidem ve svém okolí – mnohem větší publikum, než obvykle míval při
   experimentech.

   Beryliový poklop se mu náhle smeknul z hrany šroubováku a zaklapnul se - a plutonium bylo
   kompletně obklopené reflektorem. Vzplálo oslnivě modrobílé světlo a vlna horkého vzduchu se
   převalila místností. Slotin, který stál nejblíže, ve stejnou chvíli ucítil pachuť na jazyku a
   bolest v ruce držící beryliový poklop.

   Slotin měl pravou ruku na experimentu a zareagoval okamžitě –odtrhnul horní část reflektoru a
   odhodil ho na podlahu; světlo zhaslo. Bylo 15:20. Slotin jen tiše poznamenal: ”That does it” -
   ”A je to.”

   Fotografie po nehodě:

                                                253

   

    Po nehodě:

   

   -         červený graf zapisovaný ručičkou přístroje detekujícího neutrony byl na maximu –
   mimo okraj papíru - a Geigery dál zlověstně tikaly: prudký tok neuronů indukoval radioaktivitu
   v kovových předmětech v místnosti

   -         účastníci nehody uháněli k východu z budovy, přivolali strážného, aby jim odemknul
   bránu, zazněl evakuační signál a účastníci experimentu i ostatní lidé z budovy se rozprchli
   ven na silnici a za hliněný val, někteří vyběhli na nedaleký kopec s vrcholem asi 305 m nad
   úrovní terénu

   -         Slotin neutíkal - nejprve se venku potýkal se záchvatem zvracení, pak vyšel
   z budovy, aby oznámil kolegům, že se můžou vrátit - radiace klesla na přijatelnou hodnotu

   -         v laboratoři provedli rekonstrukci a nakreslili plánek, aby bylo možné určit míru
   ozáření, plutoniová koule přežila nehodu bez poškození

   

   Slotin_1

   

   -         Luis Slotin obdržel efektivní dávku cca 21 Sv, Alvin Graves, který stál poblíž,
   obdržel efektivní dávku 3,6 Sv, expozice ostatních lidí byla 2,5; 1,6; 1,1; 0,47 a 0,37 Sv
   (analýza izotopového složení kovových předmětů jako jsou hodinky, mince, klíče ozářených osob,
   Slotinovi se např. na jazyku udělal bolák – v okolí zlatého zubu)

   -         Slotin utrpěl typické příznaky těžké nemoci z ozáření – výrazné zhoršení krevního
   obrazu, prudce bolestivý otok rukou spojený s rozsáhlými puchýři následovala sněť, kůže na
   ostatních částech těla byla zrudlá a citlivá, po přechodném zlepšení se dostavil průjem, těžké
   poškození ledvin, paralýza žaludku a střev a nakonec poruchy všech ostatních životních funkcí,
   sedmý den po nehodě se dostavilo blouznění a potom koma

   -         Luis Slotin zemřel v bezvědomí 9. den po nehodě podobným způsobem jako Daghlian, ale
   rychleji; byl ozářen dávkou čtyřikrát vyšší

   

   Alvin Graves a Samuel Allan Kline přežili dávky radiace, které se v té době považovaly za
   smrtelné - ale dlouho se potýkali s těžkými následky ozáření. Graves zemřel v r.1965 na
   infarkt. Kline žil až do r. 2001. Tři z pěti dalších osob však zemřely během let na leukémii.

   

   - byly zastaveny všechny kritické experimenty (do doby než byly instalovány dálkově ovládané
   manipulátory)

   

   

   Nehoda 3.

   

   po půlnoci 30.9.1976, Hanford, továrna na výrobu ^241Am

   

   -         nejtěžší případ ozáření člověka pracujícího v jaderném zařízení v americké historii

   -         65letý Harold McCluskey sledoval chemické pochody při tvorbě izotopů

   -         po několika hodinách této kritické směny zaslechl McCluskey syčení a spatřil hustý
   dým uvnitř digestoře, v příštím okamžiku došlo k silnému výbuchu a gumová maska na jeho
   obličeji byla silou výbuchu stržena, stovky úlomků radioaktivního kovu, olověného skla a gumy
   se mu zasekly do kůže, kyselina dusičná ho dočasně oslepila, což mu ztěžovalo únik, během této
   doby vdechl největší kdy zaznamenanou dávku americia

   -         maximální přípustné ozáření (vnitřní) americiem za celou dobu lidského života je 2
   kBq, McCluskey vdechl asi 11 MBq

   -         9 dalších zaměstnanců, kteří byli ozářeni též, se po pár dnech vrátilo do práce

   -         McCluskey byl převezen do Richmondu na Nouzové odmořovací oddělení k dlouhodobé
   léčbě

   -         byl osprchován (voda ze sprchy obsahovala 100 MBq ^241Am)

   -         McCluskey strávil následujících 5 měsíců v železobetonové izolační komoře v péči
   sester, které nosily respirátory a ochranné oděvy

   -         po většinu této doby neviděl ani neslyšel

   -         dostával pokusné injekce DTPA (diethylene triamine pentaacetic acid)

   

                                                DTPA

   

   -         léčba byla úspěšná a 14.2.1977 se McCluskey vrátil domů, protože se podařilo jeho
   vnitřní kontaminaci snížit o 80 %

   -         McCluskey se rozhodl vládu zažalovat o 975 000 dolarů odškodného, nakonec přijal 275
   000 a plnou doživotní lékařskou péči

   -         zbytek svého života strávil v ústraní v městečku Prosser

   -         zemřel 17. srpna 1987 (smrt nesouvisela z ozářením)

   

   

   Nehoda 4.

   

   1983, Mexiko

   

   -         tři pracovníci sběrny starého železa v mexickém městě Juárez poblíž hranic Texasu
   ukradli z nemocničního skladu vyřazený přístroj (3 tuny) na ozařování nádorů

   -         částí přístroje byla rotující hlavice s olověným krytem a 6010 kovovými kuličkami (1
   mm o/) ^60Co 2,6 MBq/kuličku

   -         po vhození přístroje na sběrný náklaďák se olověný kryt roztrhl a kuličky se
   rozkutálely

   -         některé se přilepily na gumy okolo projíždějících aut, jiné na podrážky
   kolemjdoucích, hráli si s nimi děti ze skladiště starého kovu, přístroj byl zaslán dvěma
   mexickým slévárnám oceli, ty  přístroj roztavily  a použily při výrobě 500 tun armovacích
   želez a 17 000 noh ke stolům, které byly v první řadě určeny pro vývoz

   -         nehoda byla odhalena pouze prapodivnou náhodou: 16. ledna zabočil kamion s
   radioaktivními armovacími železy blízko Národní laboratoře v Los Alamos (důležité středisko
   amerického výzkumu jaderných zbraní) na špatnou odbočku, přitom přejel kolem speciálního čidla
   na měření IZ (mělo předejít tomu, aby byl vyvezen ze závodu radioaktivní materiál)

   -         do konce února se podařilo najít 94% všech noh od stolů; s armovacími železy byl
   oproti tomu větší problém, protože již byly částečně zabudovány do staveb

   -         železa musela být vytržena ze základů soukromých domů, státní věznice,
   zdravotnického centra; základy pak musely být znovu obnoveny

   -         v Mexiku nalezly přes 60 radioaktivních kuliček rozsypaných po silnici

   -         nejméně 200 lidí obdrželo významné dávky ozáření mezi 0,01 až 0,5 Sv, jeden mexičan
   dostal do rukou dávku 100 Sv, tři muži, kteří ukradli přístroj, a dva muži ze šrotového
   skladiště obdrželi efektivní dávku cca 5 Sv. Nejméně 3 000 mexických pracovníků ze dvou
   sléváren obdrželo dávky mezi 3 a 4,5 Sv

   -         většina obětí se po krátkodobém ozáření poměrně rychle zotavila

   -         Mexická vláda uzavřela šrotové skladiště a uložila zamořený šrot - asi 2 000 až 6
   000 tun radioaktivního kovu a kamion - do země na speciálně upraveném místě mezi Juárezem a
   Chihuahuou

   

   

   Nehoda 5.

   

   1985, Goiania, Brazílie

   

   -         při likvidaci radiobiologické kliniky bylo v budově ponecháno ozařovací zařízení se
   zdrojem ^137Cs (93 g ^137CsCl, 5.10^13 Bq, ve vzdálenosti 1 m byl dávkový příkon 4,5 Gy/hod)
   (na BÚ A3 1.10^14)

   -         2 muži odvezli zařízení domů, kde se pokusili rozebrat, porušili ocelové pouzdro a
   chlorid cesný se částečně rozptýlil

   -         zařízení pak odvezli do sběrny, kde si majitel všiml, že zařízení modře světélkuje a
   tak pozval příbuzné a známe, aby se na tento úkaz podívali, někteří si odnesli kousky
   radioaktivního materiálu domů

   -         po několika dnech se u některých lidí objevili problémy se zažívacím traktem a byla
   zjištěna souvislost s ozářením

   -         4 osoby zemřeli během několika týdnů po ozáření dávkou 4,5 – 6 Gy a u 249 osob se
   v různé míře projevily následky ozáření

   -         bylo nutné vyšetřit na ozáření a kontaminaci 119 000 osob, mnoho osob evakuovat ze
   zamořených domů a provést nákladné a rozsáhlé monitorovací, demoliční, odmořovací a likvidační
   práce

   

   

   Úmyslná otrava

   2006, Londýn, Velká Británie

   

   Otrava (2) Alexandera Litviněnka poloniem za cca 30 milionu eur (na černém trhu), 1.11.2006
   hospitalizován a za 3 týdny zemřel (jako první zemřel na otravu poloniem asistent M.
   C.-Sklodowské))