Hvilke stoffer har den korteste halveringstid? – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Hvilke stoffer har den...

03. december 2015

Hvilke stoffer har den korteste halveringstid?

Hej Spørg om Fysik
Jeg skriver om urans heldfaldskæde/række. Er der en måde man kan lave en model på der viser det? Og hvilke stoffer har den korteste halveringstid, altså hvilke der er farligst.

Med venlig hilsen
OE

Henfaldskæden for uran samt ioniserende strålings virkning på levende organismer. Der er som det fremgår 4 henfaldskæder:

En der starter med Thoriumfamilien, 23290Th, den korteste halveringstid i den er 3*10-7 sek. for 21284Po, dernæst for 21684Po på 0,145 sek., næste henfaldskæde er Neptuniumfamilien, som ikke findes i naturen startende fra: Plutonium 24194

3 henfaldsserier som ender med et stof som ikke udsender ioniserende stråling (stabilt). Det er Uran-238 (sædvanligt Uran), Thorium-232 og Plutonium-239

Pu, den korteste halveringstid er for samme poloniumisotop dernæst 21785At.

Henfaldsskemaet for Uran - 235 (den sjældne isotop)

Uranfamilien starter fra 23892U, korteste halveringstid 21484Po med 1,64*10-4 sek., dernæst 21081Tl 1,4 min, endelig Actinium-familien startende fra 23592U korteste halveringstid 21584Po med1,78*10-3 sek. dernæst 21184Po 9,52 sek. Bemærk ud over den viste alfa- og beta- stråling udsendes der mange steder også gammastråling.

Det betyder ikke, at det er disse stoffer, som er farligst, poloniumhenfaldene er α-henfald, se virkningen nedenfor.

Bestråling udefra med ioniserende stråling

α- stråling stoppes af overhuden, β- stråling trænger i de fleste tilfælde kun lidt ind i det levende væv, de mest energirige stråler kan knapt nå 10 cm ind, γ- stråling går ofte helt igennem et menneske, men de der stoppes i kroppen kan lave skade.

Ioniserende strålings gennemtrængningsevne skematisk

Det kan være langt mere alvorligt, hvis de radioaktive stoffer kommer ind i kroppen, spises, drikkes eller indåndes. Det betyder, at al ioniserende stråling standses af levende celler. Der kan de gøre skade i området omkring det sted stoffet sidder, og det kan være alvorligt. Der kan bl.a. ske det, at der sker skader på DNA i cellerne, men også cellevægge mm. kan lide skade.

Radioaktive stoffer i naturen

I de naturlige kæder vil man finde stoffet Rn eller Radon. Det er en radioaktiv luftart, som frigives fra kæderne og dermed også fra jord. Har man et hus, hvor der ikke er effektiv spærring imellem jordlaget og huset f.eks. et revnet cementlaget i bunden, i en kælder eller krybekælder, vil der trænge radon ind i huset. Det omdannes forholdsvis hurtigt til et fast stof, så hvis man har indåndet det, vil man have radioaktive atomer siddende i lungerne.

Oversigt over gennemtrængningsevne

Specielt problematisk er indtagelsen af de stoffer, som kan indgå i opbygningen af organismen, f.eks. kan radioaktivt strontium gå ind i stedet for kalcium i knogler, radioaktivt jod i skjoldbrudskirtlerne (f.eks. ved a-bomber og atomkraftulykker).

De stoffer, der er i henfaldskæderne, er jo tungmetaller, og de fleste af dem er meget giftige også i ikke radioaktiv form. Der findes en række lette stoffer i naturen, som er radioaktive, og som naturligvis kan være præcist lige så farlige, som stoffer i disse kæder. Endeligt skal man tale om stråling, kommer der også stråling såvel fra solen som det resterende univers, heldigvis fjerner lufthavet og jordens magnetfelt det meste.

Har man en have på 1000 m2, vil man være ejer af ca. 1 kg uran i de øverste 30 cm, så der er faktisk en del (tallet kan svinge en del afhængig af geografisk placering og jordtype). Vi omgås altså alle med radioaktive stoffer, og der er andre end de tunge stoffer f.eks. radioaktivt kalium – 40, der er ca. 0,01 % i naturligt kalium, det har vi alle i os.

Apparat til strålebehandling, bemærk hvordan strålekilden (sort felt i blåt område) kan drejes i alle retninger i forhold til patienten

Menneskeskabte

Vi udsættes også for en række kilder, vi selv har frembragt, mange har fået store røntgenundersøgelser eller strålebehandling, enkelte diagnoser eller behandling med indsprøjtninger. Desuden kommer der en del i form af forurening fra kraftværksskorstene uden filtre (som findes rundt omkring i verden, jeg har set et skøn for Danmark i 1960-erne, da vi fyrede med det meget urene polske kul uden røgfiltre, jeg kan ikke bekræfte tallet, men det sagde ca. 600 tons uran pr. år op i luften) og eftervirkninger af de hundredevis af atomprøvesprængningerne på jordoverfladen og lidt fra de atomkraftværksnedbrud, vi har haft. Der er faktisk også f.eks. ganske lidt radioaktivt stof i tobak, opsamlet af planten fra jorden.

Skader på levende, væv som bevirker celledød, kaldes deterministiske eller akutte skader. Skader som bevirker celleforandringer kaldes stokastiske eller ”sene skader”.

Der gælder:

  • Ioniserende stråling afsætter energi i det stof der rammes herunder også levende væv
  • Energiafsættelse i levende væv kan bevirke celledød eller celleforandringer
  • Ioniserende stråling kan bevirke deterministiske skader altså celledød
  • Ioniserende stråling kan bevirke stokastiske skader som
    • Fejlreparerede DNA-molekyler eller cellevægge i vævsceller
    •  Fejlreparerede DNA-molekyler i kønsceller og dermed genetiske skader

Baggrundsstråling er den ioniserende stråling, alle på en egn får fra jorden, Radon, andre stoffer f.eks. kalium mad og drikke og stråling fra universet herunder solen. Der er store variationer her på jorden af størrelsen, og det er ikke klart, hvor stor betydning disse variationer har. Her indregnes ikke stråling, som enkeltpersoner har fået fra omgang med atomkraft, omgang eller behandling med radioaktive stoffer eller røntgen.

Man måler stråledosis farlighed i en enhed som hedder Sivert (Sv), som er joule/kg.

Den årlige dosis i Danmark er nogenlunde i middel:

  • Radon og henfaldsprodukter lidt over 2,3 mSv
  • Stråling fra jorden omkring 2,7 mSv
  • Stråling fra radioaktive stoffer i kroppen bortset fra Radon ca. 0,37 mSv
  • Stråling fra bygningsmaterialer fra huse og arbejdsplads (-Rn) ca. 0,17 mSv
  • Kosmisk stråling ca. 0,3 mSv
  • I alt knap 6 mSv

Stråleskade (kræft) som følge af mange års uforsigtig omgang med røntgen

Stråling fra hospitals og tandlægeundersøgelser og behandling er meget varierende og ikke med, f.eks. behandles visse kræftsygdomme med ioniserende stråling, så det kan ikke opgøres generelt. Et røntgenbillede kan afhængigt af apparattype og sted på kroppen give omkring 30 mSv.

Af andre strålingskilder er der bl.a.:

  • 1 time i fly i 10 km højde omkring 0,5 mSv (altså 10 timers flyvning næsten årsdosis)
  • Bolig i betonbyggeri fra Radon 3 Sv/år (Radon fra uranen i beton ikke fra jorden under huset)
  • Maksimal årlig dosis visse steder på Brasiliens Ø-kyst 200 mSv/år

Udsættes man for kraftigere stråling på hele kroppen:

1000 mSv = 1 Sv, en vis strålesyge

4 Sv er den 50 % dødelige dosis, dvs. halvdelen af de der udsættes dør, hvis de ikke får  hospitalsbehandling.

7 Sv Dødelig dosis uden intensiv hospitalsbehandling, mange vil dø selv med hospitalsbehandling

Strålebehandling kan være f.eks. 10 Sv, men det er lokalt, og det behandlede område rammes  af flere veje (patienten og strålekilden drejes i forhold til hinanden i løbet af behandlingen), så kun det behandlede væv får denne meget store dosis, resten får meget mindre, ved at stråle ind fra mange retninger.

Med venlig hilsen
Malte Olsen