Luento 7

86
radonin hajoamisen seurauksena muodostuneet tytärytimet ovat
kuitenkin haitallisia, koska ne ovat kiinteitä aineita ja voivat
kulkeutua pölyhiukkasten mukana ihmisen keuhkoihin.
Talon alla oleva maaperä on tärkein huoneilman radonlähde.
Radon pääsee huoneilmaan betoniharkkojen läpi sekä putkien ja
sähköjohtojen läpivientiaukoista. Sitä pääsee myös korvausilman
mukana rakenteiden koloista ja halkeamista. Radonia tulee
huoneilmaan jonkin verran myös rakennusmateriaaleista, esim. betonista ja tiilestä. Radonia voi vapautua huoneilmaan myös
87
vedenkäytön yhteydessä. Erityisesti porakaivoveteen liuenneen
radonin pitoisuus voi olla niin suuri, että se nostaa huoneilman
radonpitoisuutta. Radonia vapautuu herkästi etenkin suihkun,
pyykinpesun ja astioiden pesun yhteydessä.
Radon aiheuttaa keuhkosyöpää
Radon on hajuton, mauton ja näkymätön radioaktiivinen kaasu, joka hajoaa kiinteiksi hajoamistuotteiksi. Huoneilmassa leijuvat radonin hajoamistuotteet kulkeutuvat hengityksen mukana keuhkoihin. Itse radonkaasu poistuu uloshengityksen mukana, mutta kiinteät hajoamistuotteet tarttuvat keuhkojen sisäpintaan. Keuhkojen
saama säteilyannos lisää keuhkosyöpäriskiä. Suomessa todetaan
vuosittain noin 2000 keuhkösyöpätapausta, joista radonin arvioidaan aiheuttavan noin 200. Radonpitoisen veden nauttimisesta
aiheutuu säteilyä ruuansulatuselimille.
88
Radonia ei voida aistia eikä se aiheuta allergiaa, huimausta, väsymystä eikä muita sen kaltaisia tuntemuksia. Radon havaitaan vain
erikoismittalaitteilla.
Tehtävä:
Ihmisen keuhkojen massa on keskimäärin 1,0 kg ja tilavuus 3,0 litraa. Huoneilman suurin sallittu radonaktiivisuus on 200 Bq/m3 ja
radonin hajoamisenergia on 5,59 MeV. Kuinka suuren ekvivalenttiannoksen tällainen radonaktiivisuus aiheuttaa keuhkoihin vuodessa? Huom! Tässä laskussa lasketaan vain radonista itsestään
aiheutuva annos. Radonin aktiiviset tytärytimet jätetään huomiotta.
Vastaus: 0,34 mSv
6.3 LUONNON TAUSTASÄTELY
Luonnon taustasäteilyn osuus suomalaisen keskimääräisestä vuosiannoksesta on noin 1 mSv (30%). Annos muodostuu
- ihmiskehon omista radioisotoopeista (0,31 mSv)
- maaperän ja rakennusten säteilystä
(0,50 mSv)
- kosmisesta säteilystä
(0,30 mSv)
6.3.1 RADIOAKTIIVISET AINEET KEHOSSA
Monia luonnossa esiintyviä radioaktiivisia aineita joutuu kehoon
ruuan, juoman ja hengityksen mukana. Näistä radioaktiivisista aineista aiheutuu noin 0,31 mSv:n sisäinen säteilyannos vuodessa.
Pääasiallisin säteilylähde ihmisessä on kalium-40, jonka osuus annoksesta on noin 0,17 mSv.
89
Luonnon kaliumista vakio-osa on radioaktiivista kalium-40-isotooppia. Aikuisessa ihmisessä luonnon kaliumia on n. 140 g. Elimistö säätelee kaliumin pitoisuutta kehossa automaattisesti, joten
kaliumin aiheuttamaa säteilyaltistusta ei voida vähentää.
Kalium-40 hajoaa EC-hajonnalla (10,7%), jota seuraa gammaemissio ja -hajonnalla (89,3%). Puoliintumisaika on 1.28×109
vuotta. Aktiivisuutena mitattuna kalium-40:tä on kehossa luokkaa
3000 - 6000 becquerelia.
Ravinnon ja hengitysilman mukana kehoon kulkeutuu myös
uraanin ja toriumin hajoamissarjojen tuotteita. Näistä aiheutuu
keskimäärin 0,14 mSv:n suuruinen annos vuodessa. Eniten
altistusta aiheuttavat uraanin hajoamistuotteet lyijy-210 ja polonium-210, joita esiintyy etenkin kaloissa ja äyriäisissä.
Suomalaiset saavat juomavedessä esiintyvistä uraanisarjan aineista
keskimäärin 0,03 mSv:n vuotuisen sisäisen säteilyannoksen. Porakaivovesien käyttäjillä annokset ovat tavallista suurempia, keskimäärin noin 0,4 mSv.
Muita luonnon radioaktiivisia aineita joutuu kehoon hyvin vähän.
Avaruussäteilyn kautta syntyvistä radioaktiivisista aineista tärkein
on hiili-14. Se sitoutuu kaikkeen elolliseen ja joutuu sitä kautta
elimistön. Hiili-14 aiheuttaa 0,012 mSv:n säteilyannoksen vuodessa eli vain vähäisen osan sisäisestä annoksesta.
Tehtävä:
Aikuisessa ihmisessä on noin 140 g kaliumia, joka sisältää
0,0117% radioaktiivista isotooppia 40K. Puoliintumisaika 40K:lla
on 1,28×109 vuotta ja se hajoaa pääasiassa kahdella prosessilla:
EC-hajonnalla ja
-emissiolla. EC-hajoamista seuraa 1,4608
MeV:n gammasäteily, jonka suhteellinen intensiteetti on 0,1067
kvanttia/hajoaminen.
-emission suhteellinen intensiteetti on
90
0,893 elektronia/hajoaminen ja -säteilyn maksiomienergia on
1,32 MeV.
a) Laske ihmisen 40K-aktiivisuus sekä gamma- ja beetasäteilyn
tuotto (aktiivisuus)
b) Laske -säteilystä ihmiseen kohdistuva sisäinen annosnopeus
ja vuotuinen kokonaisannos, kun se kudosmassa johon
absorptio kohdistuu on 50 kg ja keskimääräiseksi
absorboituvaksi energiaksi otetaan 13 E max
Vastaus: a) 4,24 kBq sekä 0,452 kBq ja 3,79 kBq
b) 5,4 pSv/s ja 0,17 mSv
6.3.2 MAAPERÄN JA RAKENNUSTEN SÄTEILY
Ulkoista säteilyä saadaan maankamarassa ja rakennusmateriaaleissa olevien radioaktiivisten aineiden lähettämästä gammasäteilystä. Tällaisia aineita ovat mm. uraani, torium ja kalium.
Nykyihmiset viettävät suurimman osan ajasta sisätiloissa. Sisällä
saatu säteilyannos onkin noin viisi kertaa suurempi kuin ulkona
saatu. Suurimmat pitoisuudet radioaktiivisia aineita esiintyy
kivipohjaisissa rakennusmateriaaleissa, kuten betonissa ja kivilaatoissa. Ulkona säteily on peräisin maaperästä.
Säteilystä aiheutuva annos tulee siis pääasiassa rakennusmateriaaleista sisätiloissa ja on keskimäärin 0,5 mSv/v suomalaista kohti.
Vaihtelu eri paikkakuntien välillä on suurta. Suurimmillaan säteily
on Kaakkois-Suomen rapakivi-graniittialueella.
Gammasäteilyn kartta on esitetty seuraavalla sivulla. Kartta esittää
maaperän luonnollisen radioaktiivisuuden aiheuttamaa annosnopeutta ilmassa kesäaikana. Lukuarvoista on poistettu kosmisen
säteilyn osuus 32 nSv/h sekä neutronisäteilyn osuus 11 nSv/h.
91
6.3.3 KOSMINEN SÄTEILY
Ilma johtaa aina hieman sähköä. Esimerkiksi elektroskoopin lehdet
menettävät melko pian varauksensa, vaikka laite olisi eristetty ympäristöstään. Syynä tähän on erittäin läpitunkeva kosminen säteily,
joka ionisoi ilmaa.
Kosmisesta säteilystä suomalaisille aiheutuu noin 0,3 mSv:n annos
vuodessa. Erot eri puolilla Suomea ovat lähes olemattomat. Jos
Suomen korkeimmalla kohdalla, Haltitunturin huipulla, olisi kylä,
niin tämän kylän asukkaille aiheutuisi kosmisesta säteilystä vain
92
noin 1,5 kertainen annos verrattuna merenpinnan tasolla asuviin
helsinkiläisiin.
Kosminen primäärisäteily on avaruudesta saapuvaa hiukkas- ja
gammasäteilyä, josta suurin osa absorboituu ilmakehään. Maan
pinnalle asti pääsee siis lähes pelkästään sekundääristä säteilyä,
joka syntyy primäärisäteilyn hiukkasten törmäillessä ilmakehän
atomeihin ja molekyyleihin.
Primäärisäteily koostuu erilaisista atominytimistä, varsinkin protoneista ja heliumytimistä sekä neutriinoista, joita tulee Maan ilmakehään täysin satunnaisesti eri suunnista. Mukana on jonkin verran
myös raskaampia ytimiä. Osaksi säteily on peräisin auringosta,
jolloin siinä on mukana paljon elektroneja.
Kosmisen säteilyn hiukkasten energia vaihtelee noin yhdestä
MeV:sta aina 1020 eV:iin. Se voi siis olla tavattoman suuri paljon
suurempi kuin missään hiukkaskiihdyttimissä on voitu keinotekoisesti synnyttää. Energia saadaan selville epäsuorasti sekundääri-
93
hiukkasten kokonaisenergian avulla. Maan magneettikenttä ja ilmakehä suojaavat ihmistä (elollista luontoa) primäärisäteilyltä.
Ilmakehässä primäärisäteily saa aikaan sekundäärisäteilyä (kuva
edellä), joka koostuu pääasiassa myoneista, jotka ovat elektronin
tapaan leptoneihin kuuluvia alkeishiukkasia. Myonin varaus on sama kuin elektronin varaus, mutta massa on noin 200 kertainen.
Myonien keskimääräinen elinikä on vain noin 2 s , eikä niiden
klassillisen fysiikan mukaan pitäisi ehtiä ilmakehän yläkerroksista
maan pinnalle, vaikka ne liikkuvat lähes valon nopeudella. Kuitenkin suhteellisuusteorian ennustaman aikadilataation takia myoneita
esiintyy myös maan pinnalla. Kosmisen säteilyn annosnopeus ihmiselle maanpinnalla on noin 0,025 Sv/h.
Kosminen säteily on vaikuttanut maan pinnalla samanlaisena jo hyvin kauan ja ihminen on sopeutunut siihen. Kosminen säteily on
kuitenkin varteenotettava tekijä korkealla lentävissä lentokoneissa
ja avaruusaluksilla.
Tehtävä:
Lentäjä on 20 tuntia viikossa 12000 m:n korkeudessa. Kosmisen
säteilyn tuottama ekvivalenttiannosnopeus sillä korkeudella on 12
Sv/h. Kuinka suuri on lentäjän tästä saama vuosiannos?
Vastaus: 105 mSv
6.4 IHMISEN OMA TOIMINTA
Ihmisen oman toiminnan osuus suomalaisen keskimääräisestä vuosiannoksesta on noin 0,56 mSv (15%). Annos muodostuu pääosin
säteilyn lääketieteellisestä käytöstä. Tarkastellaan seuraavassa
- säteilyä terveydenhuollossa
(0,54 mSv)
- ydinkokeita ja -onnettomuuksia
(0,02 mSv)
94
6.4.1 SÄTEILY TERVEYDENHUOLLOSSA
Suomessa tehdään vuosittain reilut 700 röntgentutkimusta tuhatta
asukasta kohti. Röntgentutkimuksilla on keskeinen merkitys sairauksien tunnistamisessa. Kun erilaisista röntgentutkimuksista
potilaille aiheutuvat säteilyannokset jaetaan kaikkien suomalaisten kesken, saadaan keskimääräiseksi annokseksi noin 0,5 mSv
vuodessa. Laskennallisesti voidaan arvioida, että vuosikymmeniä
jatkuva röntgentutkimustoiminta aiheuttaisi Suomessa noin 100
syöpäkuolemaa vuodessa. Yksilölle riski on kuitenkin hyvin
pieni. Esimerkiksi yksi keuhkojen röntgenkuvaus aiheuttaa
samansuuruisen säteilyannoksen kuin pääkaupunkiseudulla
pientalossa asuva saa huoneilman radonista 2-3 viikon aikana.
Kaikkien röntgentutkimusten keskimääräinen säteilyannos yhtä
tutkimusta kohti on noin 0,6 mSv.
Sädehoidossa säteilyllä pyritään tuhoamaan sellainen kasvainkudos, jota ei pystytä poistamaan kirurgisesti. Usein sädehoito
yhdistetään leikkaus- ja lääkehoitoon. Sädehoitoa saa sairautensa
jossain vaiheessa noin puolet syöpäpotilaista eli noin 10 000
ihmistä vuosittain. Sädehoito annetaan yleensä kehon ulkopuolelta
sädehoitolaitteella kohdistamalla säteily tarkasti kasvaimeen. Joissakin hoidoissa säteilylähde, tavallisimmin säteilevä aine, viedään
kehon sisälle.
Sädehoidossa pieni joukko ihmisiä altistuu hyvin suurille säteilyannoksille. Vaikka säteily yritetään kohdistaa mahdollisimman
tarkasti juuri tuhottavaan kasvaimeen, niin kasvaimen ympärillä
oleva terve kudoskin saa osan säteilystä. Jos tämä tavallaan ylimääräinen säteilyannos jaettaisiin kaikkien suomalaisten kesken,
aiheutuisi siitä keskimäärin noin 0,6 millisievertin vuosiannos
suomalaista kohti. Tätä annosta ei kuitenkaan oteta huomioon
vuosiannosta laskettaessa.
95
Suomessa tehdään vuosittain noin 50 000 isotooppitutkimusta,
joista suurin osa oli luuston tutkimuksia. Myös keuhkoja, munuaisia, verenkiertoelimistöä ja kilpirauhasta voidaan tutkia. Yhdestä
isotooppitutkimuksesta aiheutuu potilaalle keskimäärin 4,2 mSv:n
annos. Kaikista isotooppitutkimuksista aiheutuu noin 0,04 mSv:n
keskimääräinen annos suomalaista kohti.
6.4.2 YDINKOKEITA JA -ONNETTOMUUKSIA
Vielä 1960-luvulla ydinasekokeita tehtiin ilmakehässä. Kokeiden
laskeumasta peräisin olevia pitkäikäistä cesium-137:ää (puoliintumisaika 30 vuotta) ja strontium-90:tä (28 vuotta) on kulkeutunut
ihmiseen ravinnon mukana.
Tsernobylin onnettomuuden (1986) seurauksena ihmiset saavat
edelleen cesium-137:ää ravinnosta. Alussa laskeumassa mukana
ollut cesium-134 on lyhyen puoliintumisaikansa (2 vuotta) vuoksi
lähes kokonaan hävinnyt. Radioaktiivista jodi-131:tä saatiin vähäisiä määriä hengityksen ja maidon mukana heti onnettomuuden
jälkeen. Normaalisti toimivien ydinvoimalaitosten ympäristöön
päästämien radioaktiivisten aineiden määrät ovat niin pieniä, ettei
niillä ole ihmisen kannalta merkitystä.
Vuonna 1986 Tshernobylin onnettomuus aiheutti jokaiselle suomalaiselle keskimäärin 0,15 mSv:n ulkoisen säteilyannoksen. Vuoteen
1996 mennessä annos oli laskenut arvoon 0,02 mSv vuodessa.
Tällä hetkellä suurin osa ulkoisesta säteilyannoksesta aiheutuu
cesium-137:stä.
Kuvassa on esitetty kehon sisältämät cesium-137 määrät (aktiivisuutena) kolmessa eri ryhmässä, pohjois-lapin poronhoitajissa,
keskisuomalaisissa ja pääkaupunkilaisissa.
96
1960-luvun piikki tulee ilmakehässä tehtyjen ydinkokeiden laskeumista ja 1980-luvun lopun piikki Tsernobylistä.
Ydinasekokeiden seurauksena pitkällä aikavälillä tullut laskeuma
jakaantui Suomessa tasaisesti, mutta silti Helsingin ryhmän ja Inarin poronhoitajaryhmän cesiummäärien ero on suuri. Ero johtuu
erilaisesta ravinnosta. Lapin karussa luonnossa erityisesti ravintoketju jäkälä
poro
ihminen on voimakas cesiumin rikastaja.
Tshernobylistä tullut laskeuma jakaantui sen sijaan erittäin epätasaisesti. Lappiin sitä tuli vähän kuten
väkirikkaalle pääkaupunkiseudullekin. Keski-Suomeen laskeumaa tuli
paljon enemmän ja käytännön syistä
Padasjoki valittiin seurantakohteeksi.
Siellä ihmisten säteilyaltistus on suurempi kuin muualla maassa. Koko
Suomessa Tshernobylin onnettomuudesta aiheutuva säteilyannos on kuitenkin hyvin pieni osa vuotuisesta
kokonaisannoksesta.
97
6.5 RADIOAKTIIVISTEN AINEIDEN
KÄYTTÄYTYMINEN KEHOSSA
Radioaktiivisten aineiden imeytymiseen, pidättymiseen ja jakautumiseen eri elimiin ja kudoksiin sekä elimistöstä poistumiseen vaikuttavat niiden kemiallinen muoto, liukoisuus ja hiukkaskoko. Nielemällä saatujen radionuklidien imeytyminen tapahtuu pääosin
ohutsuolessa. Hengitettyjen hiukkasten kulkeutuminen ja tarttuminen hengityselinten eri osiin riippuu itse hiukkasten olomuodosta ja koosta. Keuhkoista osa hiukkasista kulkeutuu värekarvojen
kuljettamana nieluun, minkä jälkeen ne käyttäytyvät kuin nielty
aine.
Radioaktiivisista aineista cesium ja kalium kulkeutuvat pääosin ihmisen lihaksiin. Strontium kulkeutuu kalsiumin tavoin luustoon ja
radioaktiivinen jodi kilpirauhaseen. Aineiden poistumiseen kehosta
vaikuttaa niiden kiertokulku elimistössä. Poistumisnopeutta kehosta kuvataan biologisella puoliintumisajalla. Se on aika, jonka kuluessa puolet aineesta on erittynyt pois. Esimerkiksi cesium-137:n
biologinen puoliintumisaika on aikuisella keskimäärin 110 päivää
ja jodin 80 päivää. Lapsilla biologiset puoliintumisajat ovat lyhyempiä kuin aikuisilla. Radioaktiivisen aineen määrä elimistössä
vähenee erittymisen lisäksi myös radioaktiivisen hajoamisen seurauksena.
Tehtävä:
Radioaktiivinen 24Na hajoaa
beetahajonnalla viereisen kaavion mukaisesti puoliintumisajalla 15 tuntia. Beetahiukkasten keskimääräinen energia on
0,555 MeV. Aktiivisesta natriumista valmistetaan ruokasuolaliuos (24NaCl), jonka
98
kokonaisaktiivisuus on 1 MBq. Liuos ruiskutetaan 70 kg painoisen
henkilön elimistöön, jonne sen oletetaan leviävän tasaisesti hyvin
lyhyessä ajassa. Ruokasuolaliuos poistuu normaalien elintoimintojen seurauksena kehosta puoliintumisajalla 245 tuntia (biologinen
puoliintumisaika). Laske a) montako 24Na ytimen hajoamista kaiken kaikkiaan tapahtuu elimistössä ja b) säteilyannos, kun oletetaan, että kaikki beetahiukkaset absorboituvat ja gammasäteilyn
energiasta absorboituu osuudet: 1:stä 0,310 ja 2:sta 0,265.
Vastaus: 7,34×1010 hajoamista ja 0,30 mSv
Elimistössä olevien radioaktiivisten aineiden tunnistaminen ja
pitoisuuksien määrittäminen tehdään esimerkiksi ns. kokokeholaskureilla, joiden toiminta perustuu puolijohdekiteisiin.
Yläkuvassa on säteilyturvakeskuksen kokokeholaskuri, joka ulkoisen taustasäteilyn eliminoimiseksi on sijoitettu huoneeseen, jonka seinät ovat 15 cm paksua rautaa.
Mittaustulokseksi saadaan
gammasäteilyspektri, josta
eri radioaktiiviset aineet voidaan tunnistaa.
99
7 SÄTEILYN KÄYTTÖ
Radioaktiiviset aineet ja ionisoiva säteily kuuluvat ihmisen elinympäristöön. Haittavaikutuksista huolimatta säteilyä käytetään
myös hyödyksi.
Suomessa säteilyn käyttö voidaan jakaa kolmeen osaan:
1. Teollisuus ja tutkimus (~ 50%)
2. Terveydenhuolto
(~ 40%)
3. Eläinröntgentutkimus (~ 10%)
On huomattava, että ydinenergian tuotanto ei ole säteilyn käyttöä.
Säteily energiantuotannossa on vain haitallinen sivutuote.
7.1 TEOLLISUUS JA TUTKIMUS
Teollisuudessa käytetään röntgen- ja gammasäteilyä erilaisten metallirakenteiden laadunvalvontaan. Säteilyn avulla voidaan paljastaa hitsaus- ja valuvirheitä tai rakenteiden halkeamia esimerkiksi
paineastioissa, laivoissa, siltarakenteissa tai lentokoneissa. Tällaisen tarkkailun hyvä puoli on se, että se voidaan tehdä rakenteita
rikkomatta. Periaate näissä tutkimuksissa on sama kuin lääketieteellisissä röntgen- ja gammakuvauksissa.
Erilaisten kohteiden kvalitatiivisia ja kvantitatiivisia koostumuksia
analysoidaan teollisuudessa aktivointianalyysien avulla. Esimerkiksi neutroniaktivoinnissa tutkittavaa kohdetta pommitetaan neutroneilla, jolloin osa kohteen ytimistä sieppaa neutronin ja muuttuu
radioisotoopeiksi. Radioisotoopien säteilyä mittaamalla voidaan
päätellä, mitä aineita tutkittava kappale sisälsi ja myös aineiden
pitoisuuksia.
100
Tehtävä:
Auton moottorin teräksisen männänrenkaan massa oli 30,0 g.
Rengasta säteilytettiin reaktorissa, kunnes sen 59Fe-aktiivisuus oli
0,400 MBq. Aktivoitu männänrengas asennettiin tasan 9 vuorokautta myöhemmin koemoottoriin, joka sai käydä yhtäjaksoisesti
30,0 vuorokautta. Kokeen päättyessä mitattiin kampikammion
öljyn 59Fe-aktiivisuus, jonka todettiin olevan 12,6 hajoamista minuutissa /100 cm3 öljyä. Kuinka paljon männänrenkaan aineesta oli
siirtynyt öljyyn, kun öljyn kokonaistilavuus oli 6000 cm3? 59Fe:n
puoliintumisaika on 45,1 vuorokautta.
Vastaus: 1,72 g
Radioaktiivisia nuklideja hyödynnetään teollisuudessa myös erilaisissa mittareissa, esimerkiksi tiheys- ja pinta-alamassan mittareissa.
Paperi- ja selluloosateollisuudessa ionisoivaa säteilyä käytetään
esimerkiksi paperin paksuusmittauksissa, joissa tutkitaan säteilyn
vaimenemista paperissa. Vaimenemisen perusteella pystytään päättelemään paperin paksuus pysäyttämättä valmistusprosessia.
Teollisuudessa tehdään myös kosteusmittauksia, jotka perustuvat
neutronien ja vetyatomien välisiin kimmoisiin törmäyksiin.
Neutronitörmäysten avulla voidaan mitata myös sitoutuneen veden
ja kideveden määrä.
Muovien polymerisoinnissa voidaan käyttää ionisoivaa säteilyä.
Esimerkiksi paperin pinnalla levitettyyn ohueen pinnoitemateriaalikerrokseen ohjataan hiukkaskiihdyttimestä suihku, joka polymeroi
pinnoitteen nopeasti. Näin pinnoite myös kiinnittyy hyvin paperiin.
Elintarvike-, lääke- ja sairaalatarviketeollisuudessa käytetään
ionisoivaa säteilyä pakkausmateriaalien ja tuotteiden sterilointiin.
Kohteet voidaan säteilyttää suljetuissa pakkauksissa, jolloin säteily
tappaa niissä olevat mikrobit, ja ne säilyvät avaamattomina steriileinä pitkään. Elintarvikkeiden säteilytys on herättänyt viime-
101
aikoina paljon keskustelua. Säteilysterilointi tappaa kyllä kohteessa
olevat mikrobit, jolloin pilaantuminen ei enää jatku, mutta
mikrobien jo tuottamat myrkyt jäävät jäljelle. Lisäksi on väitetty,
että säteily muuttaisi valkuaisaineita ihmiselle haitallisiksi samalla
tavoin kuin rasvassa käristäminen. Elintarvikkeiden säteilytys
onkin Suomessa kielletty lukuunottamatta mausteita ja sairaalaruokia.
Edellä mainittuja aktivointianalyysejä käytetään myös muilla
aloilla kuin teollisuudessa haluttaessa selvittää jonkin kohteen
alkuainekoostumus tarkasti kohdetta rikkomatta. Esimerkiksi
arvokkaiden taulujen aitouden selvittämisessä hyödynnetään
aktivointianalyysiä. Taideteosta pommitetaan hiukkaskiihdyttimestä saatavalla ionisuihkulla, jolloin tapahtuu erilaisia reaktioita,
joissa osa ytimistä muuttuu radioaktiivisiksi. Analysoimalla syntyvää säteilyä saadaan tietoa teoksen sisältämistä alkuaineista. Näin
voidaan tunnistaa onko maalauksessa käytetty esimerkiksi moderneja synteettisiä maaleja. Lisäksi voidaan selvittää millainen on
vanhojen öljymaalien koostumus. Samaa periaatetta voidaan soveltaa myös selvitettäessä esimerkiksi muinaisilta ajoilta peräisin
olevien esineiden alkuainekoostumusta, jolloin pystytään päättelemään niiden valmistuspaikka.
Kemiassa ja biologiassa käytetään radionuklideja merkkiaineina ja
aktivointianalyysejä pienten ainepitoisuuksien mittaamiseen.
Tutkimuksessa esimerkiksi hiilen ja vedyn radioaktiivisilla
isotoopeilla tutkitaan ravinteiden kulkeutumista kasveissa.
IÄNMÄÄRITYS
Radioaktiivisuutta voidaan käyttää hyväksi määritettäessä geologisten, biologisten ja arkeologisten näytteiden ikää. Minkä tahansa
radionuklidin hajoaminen on ympäristöstä riippumaton, jolloin
radionuklidin ja sen hajoamisen seurauksena syntyvän pysyvän
102
tytärnuklidin lukumäärien suhde näytteessä riippuu näytteen iästä.
Mitä suurempi on tytärnuklidin osuus sitä vanhempi on näyte.
Tarkastellaan seuraavassa miten biologisten ja arkeologisten näytteiden ikää voidaan arvioida radiohiilimenetelmällä, jossa käytetään hyväksi hiili-isotooppia 14C.
Kosminen säteily (aurinko) tuo ilmakehään jatkuvasti protoneita,
jotka törmäilevät ilmakehän atomiytimien kanssa synnyttäen uusia
hiukkasia, esimerkiksi neutroneja. Nämä neutronit voivat reagoida
ilmakehän typen kanssa, jolloin muodostuu radioaktiivista hiiltä
14
C ja syntyy protoni seuraavan reaktion mukaisesti
14
7
N
1
0
n
14
6
C
1
1
p
Syntyvä protoni vangitsee elektronin ja näin syntyy vetyä. Radiohiilessä on liian monta neutronia, jotta se olisi pysyvä ja se hajaantuukin beetahajoamisella typpi-ioniksi 14N puoliintumisajan ollessa
5730 vuotta. Vaikka radiohiiltä koko ajan hajoaa, sitä myös syntyy
kosmisen säteilyn vaikutuksesta lisää, niin että sen määrä ilmakehässä säilyy vakiona.
Hyvin pian muodostumisen jälkeen radiohiiliatomit yhtyvät happiatomeihin muodostaen hiilidioksidia. Vihreät kasvit tarvitsevat
yhteyttämiseen ilmakehän hiilidioksidia, joten jokainen kasvi sisältää vähän radiohiiltä. Eläinten syödessä kasveja radiohiiltä joutuu
myös niiden elimistöön. Koska elävät organismit ottavat jatkuvasti
lisää radiohiiltä ympäristöstä, hiili-isotooppien 14C ja 12C suhde säilyy niissä vakiona. Kun eliö kuolee, siihen ei enää tule uusia
radiohiiliatomeja, sen sijaan siinä olevat atomit hajoavat koko ajan.
Kun aikaa on kulunut 5730 vuotta, radiohiiliatomeista on enää
puolet jäljellä. Määrittämällä radiohiilen ja tavallisen hiilen suhde
näytteessä sen ikä voidaan selvittää.
Radiohiilimenetelmää voidaan käyttää esimerkiksi muinaisten
eläinten sekä orgaanista materiaalia sisältävien historiallisten ja
103
esihistoriallisten esineiden iän määrittämiseen. Mittauslaitteistojen
on oltava tarkkoja, koska tutkittavat aktiivisuudet ovat hyvin pieniä. Vanhimmat näytteet, joita voidaan ajoittaa tällä menetelmällä,
ovat jopa 50000 vuoden ikäisiä, jolloin niiden alkuperäisestä aktiivisuudesta on jäljellä enää noin 0,25%. Hiiliajoituksen luotettavuus riippuu siitä, kuinka hyvin ilmakehän radiohiilipitoisuus säilyy vakiona. Tämä taas johtuu maan magneettikentästä, jonka
vaihtelut vaikuttavat ilmakehään pääsevien protonien määrään.
Tehtävä:
Radioaktiivinen 14C syntyy maapallolle kosmisen säteilyn vaikutuksesta. Se hajoaa beetasäteilyllä, jonka maksimienergia on 0,155
MeV. Puoliintumisaika on 5730 vuotta. Luonnossa suhde 14C/12C
on noin 10-12 ja sen oletetaan säilyvän suurinpiirtein vakiona.
a) Laske 14C:n beetasäteilyn (keskimääräinen absorboituva energia 1/3 maksimienergiasta) aiheuttama vuosiannos ihmisessä.
Ihmisessä luonnon hiiltä on noin 15% kehon massasta.
b) Radiohiiliajoituksessa näyte A on valmistettu yli 75000 vuotta
vanhasta hiilestä, jossa ei enää ole jäljellä radioaktiivista 14C:tä.
Näyte B on peräisin tuoreesta puusta, ja näytteen C ikä on määritettävä. Aktiivisuusmittauksessa pulssilaskuri antoi tulokset:
näyte A: 11808 pulssia 960 minuutissa
näyte B: 21749 pulssia 180 minuutissa
näyte C: 20583 pulssia 480 minuutissa
Laske näytteen ikä.
Vastaus: a) 6,5 µSv = 0,0065 mSv, b) noin 10500 vuotta
Koska radiohiilimenetelmän käyttökelpoisuus rajoittuu 50000 vuoteen, sitä ei voida hyödyntää geologiassa, jossa tarkastellaan jopa
miljardeja vuosia vanhoja näytteitä. Geologisessa iänmäärityksessä
on käytettävä pitkäikäisempiä radionuklideja. Taulukossa alla on
annettu joitakin geologien käyttämiä iänmääritysmenetelmiä.
Kaikissa tapauksissa on oletettava, että kaikki tutkittavasta kivestä
löytyvät stabiilit tytärytimet ovat syntyneet emoytimien hajotessa.
104
Vanhimmat maapallolta peräisin olevat kivet, joiden ikä on pystytty radionuklidin avulla määrittämään, ovat Grönlannista ja niiden iäksi on arvioitu 3,8 miljardia vuotta. Kuusta tuotujen näytteista vanhimpien iäksi taas on arvioitu 4,6 miljardia vuotta.
7.2 TERVEYDENHUOLTO
Lääketieteessä säteilyä käytetään sekä sairauksien havaitsemiseen
että hoitoon. Sairauksien havaitsemiseen käytetään mm. röntgen- ja
gammasäteilyä (röntgen- ja isotooppitutkimukset) ja sairauksien
hoitoon esimerkiksi röntgen- ja beetasäteilyä (sädehoito).
RÖNTGENTUTKIMUKSET
Suomessa tehdään vuosittain keskimäärin yksi röntgentutkimus
jokaista ihmistä kohti (4,2 milj. röntgentutkimusta ja 1,5 milj.
hammaskuvausta). Keskimääräiseksi vuosiannokseksi arvioidaan
kertyvän 0,5 mSv.
Röntgenkuvaus perustuu siihen, että säteily läpäisee eri tavalla
erilaisia aineita. Mitä suurempi on aineen järjestysluku, sitä
enemmän aine absorboi röntgensäteilyä. Eri kudokset, esimerkiksi
105
rasva, pehmeä kudos ja luu, erottuvat toisistaan, koska niiden vaimennuskertoimet ovat erilaisia. Röntgenkuvauksessa filmin tiettyyn kohtaan osuvan säteilyn intensiteetti riippuu siten kuvattavan
kohteen materiaalijakaumasta. Kohteen läpäisseen säteilyn intensiteettijakauma muodostaa ns. primäärisen kuvan röntgenfilmille.
Kun filmi kehitetään, säteilyn intensiteetin vaihtelut havaitaan
filmin tummuuden vaihteluina. Röntgenkuvauksessa voidaan lisäksi käyttää hyväksi varjoaineita, esimerkiksi jodi- tai bariumpitoisia
aineita. Varjoaineet muuttavat vaimennuskertoimia, jolloin niiden
avulla saadaan näkyviin rajapintoja, jotka eivät muuten näkyisi.
Tavallisessa röntgenkuvassa kolmiulotteisesta kohteesta muodostuu kaksiulotteinen projektio filmipinnalle. Syvyyssuunnassa peräkkäin olevat rakenteet kuvautuvat filmille päällekkäin. Tomografia- eli kerroskuvauksessa saadaan aikaan kuva kohteen halutusta
tasosta liikuttamalla joko filmiä tai röntgenputkea. Kuva voidaan
myös tallentaa tietokoneelle, jolloin kuvan laatua voidaan parantaa
kuvanjkäsittelyohjelmilla. Tällöin puhutaan röntgentietokonetomografiasta.
SÄDEHOIDOT
Sädehoitoa saa noin 10 000 suomalaista vuosittain. Sädehoidossa
eli röntgenterapiassa kohdistetaan suurenergistä röntgensäteilyä
syöpäkudokseen. Tarkoituksena on tuhota syöpäkasvain. Huonona
puolena on se, että samalla tuhoutuu myös tervettä kudosta. Perinteisen röntgenhoidon rinnalla käytetään nykyisin myös beetasäteilyhoitoa. Tämän hyvänä puolena on se, että lineaarikiihdyttimestä tai beetatronista saatavat elektronit voidaan ohjata tarkasti
halutuun kohteeseen, jolloin sivuvaikutukset ovat pienemmät kuin
röntgenhoidossa.
Sädehoitoa annetaan myös sisäisesti viemällä säteilevä aine itse
kohteeseen. Esimerkkinä radiojodin käyttö kilpirauhasen liikatoiminnan hoidossa.
106
ISOTOOPPITUTKIMUKSET
Suomessa tehdään noin 50 000 isotooppitutkimusta vuosittain. Yhdestä tutkimuksesta aiheutuu potilaalle keskimäärin 4,2 mSv:n
annos.
Isotooppitutkimuksessa käytetään radioaktiivisia isotooppeja merkkiaineina, joiden avulla tutkitaan elimistöä tai jotakin sen osaa.
Koska atomien kemialliset ominaisuudet määräytyvät niiden elektronirakenteen perusteella, aineiden radioaktiivisilla ja stabiileilla
isotoopeilla on samat kemialliset ominaisuudet ja ne leviävät
elimistöön samalla tavalla. Radioaktiivisten nuklidien leviämistä
elimistöön on kuitenkin helppo seurata mittaamalla elimistöstä
tulevaa gammasäteilyä. Leviämistä voidaan seurata joko mittaamalla suoraan potilasta tai mittaamalla potilaan eritteitä.
Mittauksissa tutkitaan joko elinten tai kasvainten sijaintia ja kokoa
tai niiden toimintaa. Tietyt radioaktiiviset aineet kulkeutuvat
elimistössä tiettyyn elimeen, esimerkiksi jodi-isotooppi 131I
kerääntyy kilpirauhaseen. Siksi samaa isotooppia voidaan usein
käyttää sekä kyseisen elimen tutkimiseen että elimessä esiintyvien
sairauksien sädehoitoon.
Käytettävien isotooppien puoliintumisajan on oltava sopiva. Toisaalta sen on oltava riittävän pitkä, että mittaus ehditään suorittaa ja
toisaalta se ei saa olla liian pitkä, koska tällöin tarvitaan suuria aktiivisuuksia luotettavien tulosten saamiseksi ja potilaan saama annos kasvaa.
Nuklidien elimistöön aiheuttama absorboitunut annos riippuu
aktiivisuudesta, puoliintumisajasta ja syntyvän säteilyn energiasta.
Puoliintumisaikana käytetään tässä yhteydessä biologista puoliintumisaikaa, jossa otetaan huomioon se, että nuklidi vähenee elimistössä nopeammin kuin fysikaalisen puoliintumisajan perusteella
voitaisiin olettaa, koska nuklidia poistuu kehosta myös aineenvaihdunnan kautta. Useimmat käytettävät nuklidit lähettävät gamma- ja
107
beetasäteilyä. Potilan saama annos on sitä pienempi, mitä pienempi
on beetasäteilyn energia, jolloin parhaita ovat pelkkää gammasäteilyä lähettävät nuklidit. Sopiva gammakvanttien energia on
välillä 100 – 500 keV, koska tätä pienemmillä energioilla kvantit
absorboituvat voimakkaasti elimistöön ja suurempia energioita on
vaikeaa mitata käytettävillä ilmaisimilla. Taulukkoon on koottu
joitakin tutkimuksissa ja hoidossa käytettyjä isotooppeja:
Nuklidi
113
In
125
I
131
I
18
F
51
Cr
99
Tc
T1/ 2
102 min
60 vrk
8 vrk
110 min
14,5 vrk
6h
E (keV)
393
28; 35
364
511
320
140
Tutkimuskohde
maksa istukka
veri
kilpirauhanen, aivot, munuaiset
luusto, haima
veri
aivot, kilpirauhanen, haima,
maksa, luusto
Isotooppititkimuksessa potilaalle annetaan radioaktiivista ainetta
joko suun kautta tai ruiskuttamalla lihakseen tai laskimoon.
Aineenvaihdunnan välityksellä aine hakeutuu tutkimuskohteeseen
ja ulkopuolisella ilmaisimella,
esimerkiksi gammakameralla tai
tuikeilmaisimella, tutkitaan aineen kertymistä.
Viereisessä kuvassa radioaktiivinen aine on kiinnitetty merkkiaineeseen, joka hakeutuu luustoon. Gammakamerakuvista voidaan havaita luustossa mahdollisesti oleva kasvain
Elimen toimintaa taas voidaan
tutkia
mittaamalla
elimen
108
aktiivisuutta ajan funktiona. Isotooppitutkimusten etuna on se, että
ne ovat kivuttomia ja aiheuttavat harvoin komplikaatioita. Ne
aiheuttavat yleensä potilaalle pienemmän absorboituneen annoksen
kuin röntgentutkimus.
Isotooppimittauksissa havaitaan joko ytimen viritystilojen muutosten seurauksena emittoituvia gammakvantteja tai beetahajoamisessa syntyneen positronin törmäämistä elektroniin, jolloin seurauksena syntyy myös gammakvantteja (positronikuvaus). Laitteistoon kuuluu usein potilaan ympärillä pyörivä gammakamera,
jolloin esimerkiksi tietokoneen avulla saadaan muodostettua
poikkileikkauskuva kohteesta, kuten röntgentomografiassa.
Radioisotooppeihin perustuvaa merkkiainetutkimusta käytetään
muillakin aloilla kuin lääketieteessä. Sitä voidaan käyttää esimerkiksi kemiassa tutkittaessa kemiallisten reaktioiden etenemistä. Jos
esimerkiksi reaktion lähtöaineisiin lisätään pieni määrä radioaktiivista merkkiainetta, se on helppo tunnistaa reaktion eri vaiheissa sen lähettämän säteilyn perusteella. Myös kasvinjalostuksessa ja lannoitetutkimuksissa käytetään hyväksi merkkiaineita,
joiden avulla voidaan mm. selvittää ravinteiden kulkeutumista
kasveissa ja maaperässä.
7.3 ELÄINRÖNTGENTUTKIMUS
Suomessa pieneläimille (kissat, koirat,...) ja myös suuremmille
(hevoset,...) tehdään noin 100 000 röntgentutkimusta vuosittain.
Kuvauksissa ns. "kiinnipitäjälle" saattaa kohdistua merkittävä annos. Kiinnipitäjä ei saa olla alle 18 vuotias tai raskaana oleva.
Kiinnipidon apuna käytetään hiekkasäkkejä ja erilaisia telineitä.