Fysiikka 1 – luku 7: Säteily

Säteily voi olla ionisoivaa tai ionisoimatonta. Ionisoimatonta säteilyä ovat sähkömagneettisen säteilyn pisimmät lajit ultraviolettisäteilystä alkaen. Ionisoivalla säteilyllä on riittävästi energiaa, jotta se pystyy irrottamaan  säteilyn kohteeksi joutuvan aineen atomeista elektroneja tai rikkomaan aineen molekyylejä. Soluissa tämä tarkoittaa rakennemuutoksia tai solujen kuolemia. Sen takia ionisoiva säteily on vaarallista.

7.1 Ionisoimaton säteily                                     

Se, miten säteily on vuorovaikutuksessa aineen kanssa, riippuu aallonpituudesta, joten eripituisilla sähkömagneettisilla aalloilla on erilaisia vaikutuksia, käyttötarkoituksia ja sovelluksia. Ionisoimatonta säteilyä ovat radioaallot, mikroaallot, infrapunasäteily, näkyvä valo ja ultraviolettisäteily.

Langaton tiedonvälitys on sähkömagneettisen säteilyn lähettämistä ja vastaanottamista. Matkapuhelimet toimivat lyhyillä radioaalloilla. Radiotunnistimia käytetään esim matkakorteissa, kirjastojen kirjoissa, erilaisissa kulunvalvontasovelluksissa ja jopa ihon alaisina siirrännäisinä.

Mikroaaltoja käytetään langattomassa tiedonsiirrossa esim televisiolähetyksissä, matkapuhelimissa, tietokoneiden langattomissa verkoissa (WLAN), radiolinkkiyhteyksissä, mikroaaltouuneissa, tutkissa ja maserissa.

Aurinko on tärkein infrapunasäteilyn lähde. Muita lähteitä ovat esim grillien vastukset, takka, keittolevyt sekä lämpöpatterit ja –säteilijät. CD-soittimissa levyn pintaa lukee näkymätön infrapunalasersäde. Lisäksi kaukosäätimet lähettävät infrapunasäteilyä, jolla ohjaillaan laitteen toimintoja. Säteilylähteenä on infrapunadiodi. Kadonneita ihmisiä voidaan etsiä helikopteriin asennetun lämpökameran avulla.

Tehokkailla lasersäteillä voidaan jopa leikata metalleja tai porata hampaita. Lasersäteitä käytetään yleisesti tiedonsiirrossa. Sinisellä laserilla voidaan puhdistaa vettä.

Ultraviolettisäteily saa ihmisen ihossa aikaan monenlaisia kemiallisia ja biologisia muutoksia. Iho ruskettuu ja syntyy D-vitamiinia. UV-säteily voi aiheuttaa myös geneettisiä muutoksia ja lisätä riskiä sairastua melanoomaan. Varsinkin kirkkailla keväthangilla voi syntyä lumisokeus. Siinä silmän sarveiskalvo vaurioituu ultraviolettisäteilyn takia ja silmä tulehtuu.

Ultraviolettisäteilyä käytetään esim veden puhdistamiseen, tiettyjen liimojen kovettamiseen, väärennösten paljastamiseen ja hyönteisten houkuttelemiseen tappavaan ansaan.

7.2 Ionisoiva säteily

Sähkömagneettisen säteilyn lajeista vain röntgensäteily ja gammasäteily ovat ionisoivia. Ne voivat siis ionisoida atomeja. Kun atomi ionisoituu, sen elektroniverhosta irtoaa tai siihen tulee lisää elektroni tai useampia elektroneja ja atomista tulee sähköisesti varautunut ioni. Ionisoiva säteily tuhoaa elävien olioiden soluja tai aiheuttaa soluissa mutaatioita eli perimän muutoksia.

Röntgensäteily

Röntgensäteily läpäisee hyvin kevyistä alkuaineista koostuvia esteitä, kuten ihoa ja muita kudoksia. Raskaat alkuaineet, kuten lyijy, puolestaan estävät tehokkaasti röntgensäteiden etenemisen. Röntgenkuvaus soveltuu erityisen hyvin ihmisen luuston, tukirangan ja hampaiden sairauksien tai murtumien tutkimiseen. Röntgensäteitä käytetään myös syövän hoidossa tuhoamaan syöpäkasvaimen soluja.

Röntgensäteilyä voidaan synnyttää röntgenputkissa pysäyttämällä suureen nopeuteen kiihdytetyt elektronit metallilevyyn. Teollisuudessa röntgenkuvia käytetään aineen rakenteen tutkimiseen. Säteilytyskohteet eivät jää säteileviksi. Röntgensäteilyn vaimentamiseen turvalliselle tasolle riittää esim noin senttimetrin paksuinen lyijylevy, lyijylasi ja tavallinen betoniseinä.

Gammasäteily

Gammasäteilyksi kutsutaan sähkömagneettisen säteilyn kaikkein LYHYIMPIÄ aaltoja. Gammasäteily on lyhyemmän aallonpituutensa ja suuremman energiansa takia vielä läpitunkevampaa kuin röntgensäteily. Gammasäteilyn ominaisuudet ovat samankaltaisia ja sovellukset likimain samoja kuin röntgensäteillä. Gammasäteilyä käytetään esim mausteiden ja sairaalatarvikkeiden sterilointiin.

Gammasäteilyn riittävään vaimenemiseen tarvitaan esim noin metrin paksuinen betoniseinä, useiden senttimetrien paksuinen lyijylevy tai muutamien metrien paksuinen vesikerros. Vettä käytetään ydinvoimaloissa sekä jäähdytykseen että säteilysuojana.

Radioaktiivisuus

Saman alkuaineen eri isotoopit käyttäytyvät kemiallisissa reaktioissa samalla tavalla, koska niissä on samanlainen elektroniverho. Esim ihmisen elimistössä samojen alkuaineiden eri isotoopit kulkeutuvat ja varastoituvat samalla tavalla, olivatpa ne radioaktiivisia tai eivät. Ihmisen kehosssa on useita radioaktiivisia aineita.

Kullakin radioaktiivisella aineella on sille ominainen hajoamisnopeus, jota kuvaa puoliintumisaika T½. Kyseisen alkuperäisen aineen massa ja aktiivisuus vähenevät vastaavalla tavalla, ja samalla hajoamistuotteiden määrä kasvaa.

Hiukkassäteily

Hiukkassäteilyä ovat alfasäteily, beetasäteily ja neutronisäteily. Hiukkassäteilyä syntyy pääasiassa radioaktiivisten aineiden atomiytimien hajotessa.

Alfasäteily

Kun ydin lähettää alfahiukkasen, ydin muuttuu toisen alkuaineen ytimeksi. Alfasäteily vuorovaikuttaa aineen kanssa hyvin voimakkaasti ionisoiden aineen atomeja ja menettäen samalla energiaansa. Se ei läpäise esim paperia tai vaatteita. Yhden alfahiukkasen energia riittää kuitenkin ionisoimaan kymmeniätuhansia atomeja, joten alfasäteilylähde on elimistössä erittäin vaarallinen. Alfasäteilyä lähettävä lähde voi kulkeutua ihmisen elimistöön hengitysilman, juoman tai ravinnon mukana.

Suomessa maa- ja kallioperä sisältää alfa-aktiivista luonnonuraania. Uraania on liuenneena etenkin porakaivojen veteen, jota juotaessa uraania pääsee elimistöön. Uraani hajoaa muiksi alfa-aktiivisiksi aineiksi, kuten radiumiksi ja edelleen radoniksi.

Beetasäteily

Beetasäteily on ionisoivaa säteilyä. Se koostuu elektroneista tai positroneista. Beetasäteilyä lähettäviä ytimiä on kahdenlaisia: toiset lähettävät elektroneja eli beetamiinushiukkasia β^- ja toiset positroneja eli beetaplushiukkasia β⁺ . Positronit ovat elekronien antihiukkasia, ja hidastuttuaan ne törmäävät elektroneihin, jolloin molemmat hiukkaset muuttuvat gammasäteilyksi.

Beetasäteily on läpitunkevampaa kuin alfasäteily. Beetasäteily läpäisee ihon. Ohuet teräs- tai lyijylevyt tai muutaman millimetrin paksuiset alumiini- tai muovilevyt suojaavat beetasäteilyltä.

Neutronisäteily

Neutronisäteily ei oinisoi atomeja, koska neutronit ovat varauksettomia. Silti neutronisäteilyn seurauksena syntyy ilmiöitä, jotka tuottavat ionisoivaa säteilyä. Lisäksi neutronit ovat ytimen ulkopuolella radioaktiivisia. Neutronisäteilyä syntyy joissakin ydinreaktioissa, kuten raskaiden ytimien halkeamisissa.

Neutronit voivat kimmota ytimistä tai jäädä ytimiin. Jos neutroni jää ytimeen, syntyy alkuaineen uusi isotooppi, jonka ytimen muutokset lähettävät ionisoivaa gammasäteilyä. Neutronisäteily on hyvin läpitunkevaa. Hyvin paksut betoniseinät suojaavat neutronisäteilyltä. Tällaisia seiniä on ydinvoimaloissa.

Neutronisäteilyä käytetään lääketieteessä etenkin aivoissa olevien syöpäkasvainten tuhoamiseen. Potilaan verenkiertoon annetaan boori-isotooppia, ¹⁰₅ B,  jota kerääntyy syöpäkasvaimeen. Kun kasvaimeen sitten kohdistetaan neutronisäteilyä, neutronit hajottavat booriytimet litiumiksi ⁷₃ Li ja heliumiksi ⁴₂ He. Reaktiossa vapautuva energia tappaa syöpäsolun. Hoidon haittavaikutukset ovat terveille soluille vähäisiä.

Säteilyltä suojautuminen                                                         

Säteilyllealtistumisajan tulee olla mahdollisimman lyhyt. Säteilylähteitä tulee käyttää ja säilyttää niin, että niiden etäisyys ihmisiin on mahdollisimman suuri. Säteilylähteen ja ihmisten väliin on asetettava riittävä säteilysuoja. Tällaiseksi käy esim lyijylevyjä vaimentamaan gammasäteilyä riittävästi. Lisäksi on estettävä radioaktiivinen saastuminen. Saastumisella tarkoitetaan esim huoneilmaan vapautuneita kaasuja tai radioaktiivisia nesteroiskeita.

Säteilyn intensiteetti on

I = P/A missä yksikkö on 1 W/m²

N1/N2 = r2² / r1²

Efektiivinen annos

Efektiivinen annos kuvaa säteilyn vaikutusta ihmiseen. Se ilmaisee säteilyn aiheuttaman terveydellisen kokonaishaitan. Efektiivistä annosta ei voida suoraan mitata, vaan se lasketaan erilaisista tekijöistä. Alfasäteily on noin 20 kertaa haitallisempaa kuin beeta- tai gammasäteily. Efektiivinen kokonaisannos riippuu myös niistä elimistä, joihin säteily kohdistuu. Säteily on haitallisinta siellä, missä on uusituvia soluja, kuten keuhkoissa, mahalaukussa ja punaisessa luuytimessä. Efektiivisen annoksen yksikkö on 1 Sv (Sievert).

Ionisoivan säteilyn hyötykäyttö

Radioaktiivisia säteilylähteitä valmistetaan lääketieteen, teollisuuden ja käyttöön. Joidenkin sairauksien isotooppitutkimuksissa radioaktiivinen aine annetaan kehon sisälle ruiskuttamalla ainetta verenkiertoon tai antamalla sitä juomana tai hengityksen kautta aerosolina niin, että se kulkeutuu tutkittavaan elimeen. Käytetty merkkiaine valitaan kuvauskohteen mukaan. Esim sydämen verenkierron tutkimuksessa käytetään usein talliumisotooppia ²⁰¹₈₁ Tl ja teknetiumisotooppia ⁹⁹₄₃ Tc.

Radioaktiivinen aine yhdistetään ei-radioaktiiviseen aineeseen, jolloin saadaan haluttu radioaktiivinen lääkeaine. Isotooppitutkimuksilla selvitetään elinten toiminnallisia ja aineenvaihdunnallisia muutoksia. Gammakameralla seurataan radioaktiivisen aineen kulkeutumista ja kerääntymistä elimistössä. Havaitun säteilyn avulla saadaan tietoa esim luustosta, kilpirauhasesta, keuhkoista, munuaisista, verenkierrosta tai sydämestä.

PET-kuvauksessa eli positroniemissiotomografiassa potilaan kehoon annetaan kuvauksen nimen mukaisesti beetaplusaktiivista isotooppia, kuten fluoria ¹⁴₉ F. Hajoamisessa syntyvät positronit reagoivat elimistössä olevien elektronien kanssa, jolloin syntyy gammasäteilyä, jota mitataan kehon ulkopuolelta. Sopivat radioaktiivisella isotoopilla leimatut aineet, kuten glukoosi, pyrkivät kerääntymään syöpäkasvaimiin ja niiden etäpesäkkeisiin, jotka tällä kuvausmenetelmällä voidaan saada esille.

Sädehoidossa kohdetta säteilytetään ulkoisesti tai sisäisesti. Ulkoisena säteilylähteenä käytetään esim röngtenputkea tai gammasäteilylähdettä. Hoito annetaan useissa jaksoissa, jolloin terveet solut ehtivät toipua hoitokertojen välillä.

Isotooppihoidoissa säteilylähde viedään syöpäkasvaimeen sisäiseksi säteilylähteeksi verenkierron mukana tai ruiskuttamalla säteilevää ainetta suoraan syöpäkasvaimeen. Usein tämä hoito perustuu beetasäteilyn ionisoivaan vaikutukseen. Beetasäteily etenee huonosti kudoksessa, joten beetalähteen lähellä oleva syöpäkudos saa suuren säteilyannoksen ja syöpäkudoksen ulkopuolella säteilyhaitat ovat vähäisiä. Lääkeaineen kulkeutumista ja kerääntymistä sekä kasvaimen pienenemistä seurataan gammakameralla.