طوال تاريخ الحياة على الأرض ، تعرضت الكائنات الحية باستمرار للأشعة الكونية والنويدات المشعة التي شكلتها في الغلاف الجوي ، وكذلك الإشعاع من المواد الموجودة في كل مكان في الطبيعة. تكيفت الحياة العصرية مع جميع ميزات وقيود البيئة ، بما في ذلك المصادر الطبيعية للأشعة السينية.
على الرغم من أن المستويات العالية من الإشعاع ضارة بالتأكيد بالكائنات الحية ، إلا أن أنواعًا معينة من الإشعاع ضرورية للحياة. على سبيل المثال ، ساهمت الخلفية الإشعاعية في العمليات الأساسية للتطور الكيميائي والبيولوجي. من الواضح أيضًا حقيقة أن حرارة لب الأرض يتم توفيرها والحفاظ عليها من خلال حرارة الاضمحلال للنويدات المشعة الأولية والطبيعية.
الأشعة الكونية
يسمى الإشعاع من أصل خارج الأرض الذي يقصف الأرض باستمرارالفضاء
حقيقة أن هذا الإشعاع المخترق يصل إلى كوكبنا من الفضاء الخارجي وليس من الأرض ، تم اكتشافه في تجارب لقياس التأين على ارتفاعات مختلفة ، من مستوى سطح البحر إلى 9000 م ، وقد وجد أن شدة الإشعاع المؤين انخفض حتى ارتفاع 700 م ، ثم زاد بسرعة مع التسلق. يمكن تفسير الانخفاض الأولي بانخفاض شدة أشعة جاما الأرضية وزيادة تأثير الأشعة الكونية.
مصادر الأشعة السينية في الفضاء كالتالي:
- مجموعات من المجرات ؛
- مجرات سيفرت ؛
- الشمس ؛
- نجوم ؛
- كوازارات ؛
- الثقوب السوداء ؛
- بقايا سوبر نوفا ؛
- الأقزام البيضاء ؛
- نجوم داكنة ، إلخ.
الدليل على مثل هذا الإشعاع ، على سبيل المثال ، هو زيادة شدة الأشعة الكونية التي لوحظت على الأرض بعد التوهجات الشمسية. لكن نجمنا لا يقدم المساهمة الرئيسية في التدفق الكلي ، لأن تبايناته اليومية صغيرة جدًا.
نوعان من الأشعة
تنقسم الأشعة الكونية إلى أولية وثانوية. يسمى الإشعاع الذي لا يتفاعل مع المادة في الغلاف الجوي أو الغلاف الصخري أو الغلاف المائي للأرض بالإشعاع الأساسي. يتكون من بروتونات (85٪) وجسيمات ألفا (14٪) ، مع تدفقات أصغر بكثير (< 1٪) من نوى أثقل. تتكون الأشعة السينية الكونية الثانوية ، التي تكون مصادر إشعاعها من الإشعاع الأساسي والغلاف الجوي ، من جسيمات دون ذرية مثل البيونات والميونات والإلكترونات. عند مستوى سطح البحر ، تتكون جميع الإشعاعات المرصودة تقريبًا من أشعة كونية ثانوية ، 68٪ منها ميونات و 30٪ إلكترونات. يتكون أقل من 1٪ من التدفق عند مستوى سطح البحر من البروتونات.
تمتلك الأشعة الكونية الأولية ، كقاعدة عامة ، طاقة حركية ضخمة. وهي موجبة الشحنة وتكتسب الطاقة بالتسارع في المجالات المغناطيسية. في فراغ الفضاء الخارجي ، يمكن أن توجد الجسيمات المشحونة لفترة طويلة وتقطع ملايين السنين الضوئية. خلال هذه الرحلة ، يكتسبون طاقة حركية عالية ، بترتيب 2-30 GeV (1 GeV=109eV). تمتلك الجسيمات الفردية طاقات تصل إلى 1010GeV.
الطاقات العالية للأشعة الكونية الأولية تسمح لها حرفياً بتقسيم الذرات في الغلاف الجوي للأرض عندما تتصادم. جنبا إلى جنب مع النيوترونات والبروتونات والجسيمات دون الذرية ، يمكن تشكيل عناصر خفيفة مثل الهيدروجين والهيليوم والبريليوم. الميونات دائمًا مشحونة وأيضًا تتحلل بسرعة إلى إلكترونات أو بوزيترونات.
درع مغناطيسي
تزداد شدة الأشعة الكونية بشكل حاد مع الصعود حتى تصل إلى الحد الأقصى على ارتفاع حوالي 20 كم. من 20 كم إلى حدود الغلاف الجوي (حتى 50 كم) تنخفض الشدة.
يفسر هذا النمط بزيادة في إنتاج الإشعاع الثانوي نتيجة لزيادة كثافة الهواء. على ارتفاع 20 كم ، دخل معظم الإشعاع الأولي بالفعل في التفاعل ، ويعكس انخفاض الشدة من 20 كم إلى مستوى سطح البحر امتصاص الأشعة الثانوية.أي ما يعادل حوالي 10 أمتار من الماء.
ترتبط شدة الإشعاع أيضًا بخط العرض. على نفس الارتفاع ، يزداد التدفق الكوني من خط الاستواء إلى خط عرض 50-60 درجة ويظل ثابتًا حتى القطبين. يفسر ذلك شكل المجال المغناطيسي للأرض وتوزيع طاقة الإشعاع الأساسي. عادةً ما تكون خطوط المجال المغناطيسي التي تمتد إلى ما وراء الغلاف الجوي موازية لسطح الأرض عند خط الاستواء ومتعامدة عند القطبين. تتحرك الجسيمات المشحونة بسهولة على طول خطوط المجال المغناطيسي ، لكنها بالكاد تتغلب عليها في الاتجاه العرضي. من القطبين إلى 60 درجة ، تصل جميع الإشعاعات الأولية تقريبًا إلى الغلاف الجوي للأرض ، وعند خط الاستواء فقط الجسيمات التي تزيد طاقتها عن 15 جيجا إلكترون فولت يمكنها اختراق الدرع المغناطيسي.
مصادر الأشعة السينية الثانوية
نتيجة تفاعل الأشعة الكونية مع المادة ، يتم إنتاج كمية كبيرة من النويدات المشعة باستمرار. معظمها عبارة عن شظايا ، لكن بعضها يتكون عن طريق تنشيط الذرات المستقرة بواسطة النيوترونات أو الميونات. يتوافق الإنتاج الطبيعي للنويدات المشعة في الغلاف الجوي مع كثافة الإشعاع الكوني في الارتفاع وخط العرض. حوالي 70٪ منها نشأت في الستراتوسفير و 30٪ في طبقة التروبوسفير.
باستثناء H-3 و C-14 ، عادة ما توجد النويدات المشعة بتركيزات منخفضة جدًا. يتم تخفيف التريتيوم وخلطه بالماء و H-2 ، ويتحد C-14 مع الأكسجين لتكوين CO2، الذي يختلط مع ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. يدخل الكربون 14 إلى النباتات من خلال عملية التمثيل الضوئي.
إشعاع الأرض
من بين العديد من النويدات المشعة التي تشكلت مع الأرض ، هناك عدد قليل منها فقط لديها نصف عمر طويل بما يكفي لتفسير وجودها الحالي. إذا تشكل كوكبنا منذ حوالي 6 مليارات سنة ، فسيحتاجون إلى نصف عمر لا يقل عن 100 مليون سنة ليبقوا بكميات قابلة للقياس. من بين النويدات المشعة الأولية التي تم اكتشافها حتى الآن ، هناك ثلاثة منها ذات أهمية كبرى. مصدر الأشعة السينية هو K-40 و U-238 و Th-232. يشكل كل من اليورانيوم والثوريوم سلسلة من نواتج الاضمحلال التي تكون دائمًا في وجود النظير الأصلي. على الرغم من أن العديد من النويدات المشعة البنت قصيرة العمر ، إلا أنها شائعة في البيئة لأنها تتشكل باستمرار من مواد أصلية طويلة العمر.
مصادر الأشعة السينية البدائية الأخرى طويلة العمر ، باختصار ، بتركيزات منخفضة جدًا. هذه هي Rb-87 ، La-138 ، Ce-142 ، Sm-147 ، Lu-176 ، إلخ. تشكل النيوترونات الموجودة بشكل طبيعي العديد من النويدات المشعة الأخرى ، لكن تركيزها عادة ما يكون منخفضًا جدًا. يحتوي مقلع أوكلو في الجابون بإفريقيا على أدلة على وجود "مفاعل طبيعي" حدثت فيه تفاعلات نووية. يشير استنفاد اليورانيوم 235 ووجود نواتج الانشطار داخل ترسبات اليورانيوم الغني إلى حدوث تفاعل متسلسل مستحث تلقائيًا هنا منذ حوالي 2 مليار سنة.
على الرغم من وجود النويدات المشعة البدائية في كل مكان ، إلا أن تركيزها يختلف حسب الموقع. الأساسيةخزان النشاط الإشعاعي الطبيعي هو الغلاف الصخري. بالإضافة إلى ذلك ، فإنه يتغير بشكل كبير داخل الغلاف الصخري. في بعض الأحيان يرتبط بأنواع معينة من المركبات والمعادن ، وأحيانًا يكون إقليميًا بحتًا ، مع القليل من الارتباط بأنواع الصخور والمعادن.
يعتمد توزيع النويدات المشعة الأولية ومنتجات اضمحلال نسلها في النظم البيئية الطبيعية على العديد من العوامل ، بما في ذلك الخصائص الكيميائية للنويدات ، والعوامل الفيزيائية للنظام البيئي ، والسمات الفسيولوجية والبيئية للنباتات والحيوانات. إن تجوية الصخور ، وخزانها الرئيسي ، تزود التربة بـ U و Th و K ، كما تشارك نواتج الاضمحلال في Th و U في هذا النقل. من التربة ، تمتص النباتات K ، Ra ، القليل من U والقليل جدًا من Th. إنهم يستخدمون البوتاسيوم -40 بنفس الطريقة التي يستخدمها نبات K. إن امتصاص النباتات لليورانيوم والثوريوم مهمل بشكل عام لأن هذه النويدات المشعة عادة ما تكون غير قابلة للذوبان.
رادون
أهم مصادر الإشعاع الطبيعي هو العنصر عديم الطعم والرائحة ، وهو غاز غير مرئي أثقل 8 مرات من الهواء ، وهو غاز الرادون. يتكون من نظيرين رئيسيين - الرادون -222 ، أحد نواتج الاضمحلال لـ U-238 ، والرادون 220 ، التي تشكلت أثناء اضمحلال Th-232.
الصخور والتربة والنباتات والحيوانات تنبعث من غاز الرادون في الغلاف الجوي. الغاز هو نتاج اضمحلال الراديوم وينتج في أي مادةالذي يحتوي عليه. نظرًا لأن الرادون غاز خامل ، فيمكن إطلاقه من الأسطح التي تتلامس مع الغلاف الجوي. تعتمد كمية الرادون التي تخرج من كتلة صخرية معينة على كمية الراديوم ومساحة السطح. كلما كانت الصخرة أصغر ، زادت كمية الرادون التي يمكن أن تطلقها. يعتمد تركيز Rn في الهواء بجوار المواد المحتوية على الراديوم أيضًا على سرعة الهواء. في الطوابق السفلية والكهوف والمناجم التي تعاني من ضعف دوران الهواء ، يمكن أن تصل تركيزات غاز الرادون إلى مستويات كبيرة.
Rn يتحلل بسرعة كبيرة ويشكل عددًا من النويدات المشعة الوليدة. بمجرد تشكل الرادون في الغلاف الجوي ، تتحد نواتج اضمحلال الرادون مع جزيئات الغبار الدقيقة التي تستقر على التربة والنباتات ، ويتم استنشاقها أيضًا من قبل الحيوانات. يعتبر هطول الأمطار فعالاً بشكل خاص في إزالة العناصر المشعة من الهواء ، ولكن تأثير وترسيب جزيئات الهباء الجوي يساهم أيضًا في ترسبها.
في المناخات المعتدلة ، تكون تركيزات الرادون في الأماكن المغلقة في المتوسط حوالي 5 إلى 10 مرات أعلى من الخارج.
على مدى العقود القليلة الماضية ، أنتج الإنسان "بشكل مصطنع" عدة مئات من النويدات المشعة وما يرتبط بها من أشعة سينية ومصادر وخصائص لها تطبيقات في الطب والجيش وتوليد الطاقة والأجهزة واستكشاف المعادن.
تختلف التأثيرات الفردية لمصادر الإشعاع من صنع الإنسان اختلافًا كبيرًا. يتلقى معظم الناس جرعة صغيرة نسبيًا من الإشعاع الاصطناعي ، لكن البعض يتلقى عدة آلاف المرات من الإشعاع من المصادر الطبيعية. المصادر من صنع الإنسان أفضلتسيطر عليها من الطبيعي.
مصادر الأشعة السينية في الطب
في الصناعة والطب ، كقاعدة عامة ، يتم استخدام النويدات المشعة النقية فقط ، مما يبسط تحديد مسارات التسرب من مواقع التخزين وعملية التخلص.
استخدام الإشعاع في الطب واسع الانتشار ومن المحتمل أن يكون له تأثير كبير. وتشمل مصادر الأشعة السينية المستخدمة في الطب من أجل:
- التشخيص ؛
- علاج
- إجراءات تحليلية ؛
- سرعة.
للتشخيص ، يتم استخدام كل من المصادر المختومة ومجموعة واسعة من الكاشفات المشعة. تميز المؤسسات الطبية بشكل عام بين هذه التطبيقات مثل الأشعة والطب النووي.
هل أنبوب الأشعة السينية مصدر للإشعاع المؤين؟ التصوير المقطعي والتصوير الفلوري من الإجراءات التشخيصية المعروفة التي يتم إجراؤها بمساعدتها. بالإضافة إلى ذلك ، هناك العديد من التطبيقات لمصادر النظائر في التصوير الشعاعي الطبي ، بما في ذلك مصادر جاما وبيتا ، ومصادر النيوترونات التجريبية للحالات التي تكون فيها أجهزة الأشعة السينية غير مريحة أو غير مناسبة أو قد تكون خطيرة. من وجهة نظر بيئية ، لا يشكل الإشعاع الشعاعي خطرًا طالما أن مصادره تظل خاضعة للمساءلة ويتم التخلص منها بشكل صحيح. في هذا الصدد ، فإن تاريخ عناصر الراديوم وإبر الرادون ومركبات الإنارة المحتوية على الراديوم غير مشجع.
مصادر الأشعة السينية شائعة الاستخدام بناءً على90Srأو147مساء. ظهور252Cf كمولد نيوتروني محمول جعل التصوير الشعاعي النيوتروني متاحًا على نطاق واسع ، على الرغم من أن التقنية بشكل عام لا تزال تعتمد بشكل كبير على توافر المفاعلات النووية.
الطب النووي
المخاطر البيئية الرئيسية هي ملصقات النظائر المشعة في الطب النووي ومصادر الأشعة السينية. أمثلة على التأثيرات غير المرغوب فيها كما يلي:
- تشعيع المريض
- تشعيع العاملين بالمستشفى
- التعرض أثناء نقل الأدوية المشعة ؛
- التأثير أثناء الإنتاج ؛
- التعرض للنفايات المشعة.
في السنوات الأخيرة ، كان هناك اتجاه نحو تقليل تعرض المريض من خلال إدخال نظائر قصيرة العمر ذات تأثير أضيق واستخدام عقاقير أكثر تحديدًا.
نصف العمر الأقصر يقلل من تأثير النفايات المشعة ، حيث يتم إفراز معظم العناصر طويلة العمر من خلال الكلى.
لا يبدو أن التأثير البيئي لمجاري الصرف الصحي يعتمد على ما إذا كان المريض مريضًا داخليًا أو خارجيًا. في حين أن معظم العناصر المشعة المنبعثة من المرجح أن تكون قصيرة العمر ، فإن التأثير التراكمي يتجاوز بكثير مستويات التلوث لجميع محطات الطاقة النووية مجتمعة.
النويدات المشعة الأكثر استخدامًا في الطب هي مصادر الأشعة السينية:
- 99mTc - فحص الجمجمة والدماغ ، فحص الدم الدماغي ، القلب ، الكبد ، الرئة ، فحص الغدة الدرقية ، توطين المشيمة ؛
- 131I - فحص الدم ، فحص الكبد ، توطين المشيمة ، فحص الغدة الدرقية وعلاجها ؛
- 51Cr - تحديد مدة وجود خلايا الدم الحمراء أو عزلها ، حجم الدم ؛
- 57Co - اختبار شيلينغ ؛
- 32P - النقائل العظمية.
أدى الاستخدام الواسع النطاق لإجراءات المقايسة المناعية الإشعاعية ، وتحليل البول وطرق البحث الأخرى باستخدام المركبات العضوية المصنفة إلى زيادة كبيرة في استخدام مستحضرات التلألؤ السائلة. تشكل محاليل الفسفور العضوي ، التي تعتمد عادةً على التولوين أو الزيلين ، حجمًا كبيرًا إلى حد ما من النفايات العضوية السائلة التي يجب التخلص منها. من المحتمل أن تكون المعالجة في صورة سائلة خطرة وغير مقبولة بيئيًا. لهذا السبب يفضل حرق النفايات
منذ فترة طويلة3H أو14C تتحلل بسهولة في البيئة ، يكون تعرضها ضمن النطاق الطبيعي. لكن التأثير التراكمي يمكن أن يكون مهمًا.
استخدام طبي آخر للنويدات المشعة هو استخدام بطاريات البلوتونيوم لتشغيل أجهزة تنظيم ضربات القلب. الآلاف من الناس على قيد الحياة اليوم لأن هذه الأجهزة تساعد قلوبهم على العمل. يتم زرع المصادر المختومة لـ238Pu (150 GBq) جراحيًا في المرضى.
الأشعة السينية الصناعية: المصادر ، الخصائص ، التطبيقات
الطب ليس المجال الوحيد الذي وجد فيه هذا الجزء من الطيف الكهرومغناطيسي تطبيقًا. تعد النظائر المشعة ومصادر الأشعة السينية المستخدمة في الصناعة جزءًا مهمًا من حالة الإشعاع التكنولوجي. أمثلة التطبيق:
- التصوير الشعاعي الصناعي ؛
- قياس الإشعاع ؛
- كاشفات دخان ؛
- مواد مضيئة ذاتيا ؛
- علم البلورات بالأشعة السينية ؛
- ماسحات لفحص الأمتعة وحقائب اليد ؛
- أشعة ليزر ؛
- السنكروترونات ؛
- سيكلوترون.
نظرًا لأن معظم هذه التطبيقات تتضمن استخدام النظائر المغلفة ، فإن التعرض للإشعاع يحدث أثناء النقل والنقل والصيانة والتخلص.
هل أنبوب الأشعة السينية مصدر للإشعاع المؤين في الصناعة؟ نعم ، يتم استخدامه في أنظمة الاختبار غير المتلفة بالمطارات ، وفي دراسة البلورات والمواد والتركيبات ، وفي التحكم الصناعي. على مدى العقود الماضية ، وصلت جرعات التعرض للإشعاع في العلم والصناعة إلى نصف قيمة هذا المؤشر في الطب ؛ ومن ثم فإن المساهمة كبيرة.
مصادر الأشعة السينية المغلفة في حد ذاتها لها تأثير ضئيل. لكن نقلها والتخلص منها أمر مقلق عندما تضيع أو تُلقى بالخطأ في مكب النفايات. هذه المصادرعادة ما يتم توفير الأشعة السينية وتركيبها كأقراص أو أسطوانات مزدوجة الغلق. الكبسولات مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ وتتطلب فحصًا دوريًا للتسرب. يمكن أن يكون التخلص منها مشكلة. قد يتم تخزين المصادر قصيرة العمر وتتحلل ، ولكن حتى ذلك الحين يجب حسابها بشكل صحيح ويجب التخلص من المواد النشطة المتبقية في منشأة مرخصة. خلاف ذلك ، يجب إرسال الكبسولات إلى المؤسسات المتخصصة. تحدد قوتهم مادة وحجم الجزء النشط من مصدر الأشعة السينية.
مواقع تخزين مصدر الأشعة السينية
مشكلة متنامية تتمثل في الإيقاف الآمن والتطهير الآمن للمواقع الصناعية حيث تم تخزين المواد المشعة في الماضي. هذه في الغالب منشآت قديمة لإعادة المعالجة النووية ، ولكن يجب إشراك الصناعات الأخرى ، مثل مصانع إنتاج علامات التريتيوم ذاتية الإضاءة.
تعد المصادر منخفضة المستوى طويلة العمر ، والمنتشرة على نطاق واسع ، مشكلة خاصة. على سبيل المثال ، يتم استخدام241Am في أجهزة الكشف عن الدخان. بالإضافة إلى الرادون ، فهذه هي المصادر الرئيسية لإشعاع الأشعة السينية في الحياة اليومية. بشكل فردي ، لا يشكلون أي خطر ، لكن عددًا كبيرًا منهم قد يمثل مشكلة في المستقبل.
انفجارات نووية
خلال الخمسين عامًا الماضية ، تعرض الجميع للإشعاع من التداعيات الناجمة عن تجارب الأسلحة النووية. كانت ذروتهم في1954-1958 و 1961-1962.
في عام 1963 ، وقعت ثلاث دول (اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية والولايات المتحدة الأمريكية وبريطانيا العظمى) اتفاقية بشأن حظر جزئي للتجارب النووية في الغلاف الجوي والمحيطات والفضاء الخارجي. على مدى العقدين التاليين ، أجرت فرنسا والصين سلسلة من الاختبارات الأصغر بكثير ، والتي توقفت في عام 1980. لا تزال الاختبارات تحت الأرض جارية ، لكنها عمومًا لا تنتج هطول الأمطار.
التلوث الإشعاعي الناتج عن اختبارات الغلاف الجوي يقع بالقرب من موقع الانفجار. يبقى بعضها في طبقة التروبوسفير وتحمله الرياح حول العالم على نفس خط العرض. أثناء تحركهم ، يسقطون على الأرض ، ويبقون في الهواء لمدة شهر تقريبًا. لكن معظمهم يتم دفعهم إلى طبقة الستراتوسفير ، حيث يستمر التلوث لعدة أشهر ، ويغرق ببطء في جميع أنحاء الكوكب.
السقوط الإشعاعي يشمل عدة مئات من النويدات المشعة المختلفة ، لكن القليل منها فقط قادر على التأثير على جسم الإنسان ، لذا فإن حجمها صغير جدًا ، والتحلل سريع. أهمها C-14 و Cs-137 و Zr-95 و Sr-90.
Zr-95 له عمر نصف 64 يومًا ، بينما Cs-137 و Sr-90 لهما حوالي 30 عامًا. فقط الكربون 14 ، مع نصف عمر 5730 ، سيبقى نشطًا بعيدًا في المستقبل.
الطاقة النووية
الطاقة النووية هي أكثر مصادر الإشعاع البشرية إثارة للجدل ، لكنها تساهم بشكل ضئيل في التأثير على صحة الإنسان. أثناء التشغيل العادي ، تطلق المنشآت النووية كميات ضئيلة من الإشعاع في البيئة. فبراير 2016كان هناك 442 مفاعلًا نوويًا مدنيًا عاملاً في 31 دولة ، وهناك 66 مفاعلًا آخر قيد الإنشاء. هذا ليس سوى جزء من دورة إنتاج الوقود النووي. يبدأ باستخراج خام اليورانيوم وطحنه ويستمر في تصنيع الوقود النووي. بعد استخدامها في محطات توليد الطاقة ، تتم أحيانًا إعادة معالجة خلايا الوقود لاستعادة اليورانيوم والبلوتونيوم. في النهاية تنتهي الدورة بالتخلص من النفايات النووية. في كل مرحلة من هذه الدورة ، يمكن إطلاق المواد المشعة.
يأتي نصف إنتاج العالم من خام اليورانيوم من الحفر المكشوفة والنصف الآخر من المناجم. ثم يتم سحقها في الكسارات القريبة ، والتي تنتج كمية كبيرة من النفايات - مئات الملايين من الأطنان. تظل هذه النفايات مشعة لملايين السنين بعد توقف المصنع عن العمل ، على الرغم من أن الإشعاع جزء صغير جدًا من الخلفية الطبيعية.
بعد ذلك ، يتم تحويل اليورانيوم إلى وقود من خلال مزيد من المعالجة والتنقية في محطات التخصيب. تؤدي هذه العمليات إلى تلوث الهواء والماء ، لكنها أقل بكثير مما كانت عليه في المراحل الأخرى من دورة الوقود.
