קרינה מייננת היא קרינת חלקיקים או גלים אלקטרומגנטיים בעלי אנרגיה גבוהה המסוגלים ליינן חומר, כלומר, לשחרר אלקטרונים מתוך אטומים או מולקולות. יכולת היינון של חלקיק או פוטון תלויה באנרגיה שלו בלבד ולא בכמות החלקיקים באזור אחד. כלומר, גם כמות גדולה של חלקיקים או פוטונים בעלי אנרגיה נמוכה עדיין מהווים קרינה בלתי מייננת אם כל חלקיק או פוטון לבדו אינו מסוגל ליינן.
קרינה מייננת יכולה להיות קרן של חלקיקים בעלי מסה ומטען חשמלי, כגון אלקטרונים או פרוטונים, חלקיקים בעלי מסה ללא מטען חשמלי, כגון נייטרונים, או חלקיקים שאינם בעלי מסה או מטען חשמלי כגון פוטונים.
דוגמאות של קרינה מייננת הן: קרינת אלפא, קרינת בטא או קרינת נייטרונים. היכולת של קרינה אלקטרומגנטית ליינן משתנה על פני הספקטרום האלקטרומגנטי. קרינה באנרגיות גבוהות בתחום של קרינת רנטגן או קרינת גמא מייננות כמעט כל אטום או מולקולה. קרינה קיצונית בתחום על-סגול מייננת הרבה אטומים ומולקולות (כולל רקמות ביולוגיות), ואילו אור נראה וקרינה בתחום הנמוך מייננות מעט מולקולות. גלי מיקרוגל, גלי רדיו והשדה האלקטרומגנטי של כבלי מתח גבוה הם דוגמאות לקרינה בלתי מייננת.
לקרינה מייננת שימושים רבים ברפואה, במחקר ופיתוח, בבנייה ובתחומים נוספים.
חשיפה לקרינה מייננת יכולה להיות מסוכנת לבריאות. יינונים רבים מידי המתרחשים במערכת ביולוגית יכולים להוות גורם הרסני למערכת, משום שהיינון גורם לנזק חמור לחומר הגנטי (DNA) של תאים יחידים. בנוסף לנזק המיידי, רקמות שנחשפות לקרינה מייננת סובלות מנזק מאוחר, המתבטא בעיקר בהתפתחותם של גידולים סרטניים. חשיפה לכמות גדולה של קרינה מייננת יכולה לגרום למוטציות בצאצאים הנולדים לאחר החשיפה לקרינה.
סוגי קרינה.
סוגים שונים של קרינה נוצרים כתוצאה מדעיכה רדיואקטיבית, היתוך גרעיני, ביקוע גרעיני, קרינה מחומרים שחוממו לחום גבוה מאוד (קרינת גוף שחור) ועל ידי מאיצי חלקיקים.
חלקיק מסוגל ליינן רק כאשר הוא בעל אנרגיה גבוהה, אז יש ביכולתו לקיים אינטראקציה עם האטומים של החומר דרכו הוא עובר. היות שפוטונים מקיימים אינטראקציה עם חלקיקים בעלי מטען חשמלי, פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה מהווים קרינה מייננת. סף האנרגיה בה היינון מתחיל ברקמות ביולוגיות הוא בתחום העל-סגול של הספקטרום האלקטרומגנטי; כוויית שמש היא תוצאה של אינטראקציה מעין זו. חלקיקים מאסיביים בעלי מטען חשמלי, כגון אלקטרונים, פוזיטרונים וחלקיקי אלפא, מקיימים אף הם אינטראקציה עם חלקיקים בעלי מטען חשמלי כגון אטומים או מולקולות. לכן, אם האנרגיה שלהם מעל סף אנרגיית היינון, הם מייננים בצורה ישירה. אף על פי שלנייטרונים אין מטען חשמלי ושהם אינם מקיימים אינטראקציה עם אלקטרונים, נייטרונים בעלי אנרגיה גבוהה (שנקראים נייטרונים מהירים) מסוגלים לבצע אינטראקציה עם פרוטונים ואף עם נייטרונים אחרים. לכן, גם הם למעשה מייננים, גם אם בצורה עקיפה. אינטראקציה זו דומה להתנגשות בין כדורי ביליארד - הכדור הפוגע עוצר והכדור הנפגע מתחיל לנוע ולוקח איתו את האנרגיה של הכדור הראשון. בצורה כזו, הנייטרונים הפוגעים מייצרים זרם של פרוטונים בעלי אנרגיה גבוהה, המייננים, בתורם, את האטומים בסביבה.
סוג אינטראקציה נוסף המתרחש בין נייטרון לחומר הוא בליעת הנייטרון על ידי אטום. כשגרעין אטום בולע נייטרון שפוגע בו, האטום הופך (בדרך כלל) לאיזוטופ רדיואקטיבי, המקרין בשעת הדעיכה הרדיואקטיבית שלו. לכן, קרן של נייטרונים מהירים מהווה קרינה מייננת.
בתמונה השלישית, קרני גמא מיוצגות על ידי קו גלי וחלקיקים בעלי מטען חשמלי ונייטרונים מיוצגים על ידי קווים ישרים. העיגולים הקטנים מייצגים מקומות בהן קיימים תהליכי יינון.
כשקרני אלפא עוברות בחומר הן מייננות את האטומים שבמסלולם. תוצרי היינון הם בדרך כלל יונים אטומים חיוביים ואלקטרונים חופשיים. כאשר חלקיקי בטא בעלי אנרגיה גבוהה עוברים דרך חומר הם מייצרים קרינת בלימה (Bremsstrahlung) או אלקטרונים משניים (שנקראים קרני δ), ושני אלו מייננים את החומר בסביבתם. בשונה מקרני אלפא ומקרני בטא, קרני גמא אינן מייננות את החומר (אלא רק את האלקטרונים שבתוך האטום) שנמצא על מסלולן. הן מקיימות שלושה סוגי אינטראקציה עם סביבתן: האפקט הפוטואלקטרי, אפקט קומפטון ויצירת זוג. בתמונה התחתונה משמאל ("אינטראקציה של קרינה מייננת עם חומר") ניתן לראות דוגמה לשתי התנגשויות קומפטון, זו אחר זו. בכל התנגשות כזו, קרינת הגמא (=הפוטון) מעבירה חלק מן האנרגיה שלה לאלקטרון, ולאחר מכן ממשיכה בכיוון חדש, עם אנרגיה פחותה. בתחתית תמונה זו מופיע נייטרון המתנגש בפרוטון; הפרוטון משתחרר מהגרעין בו הוא נמצא ונהפך לפרוטון רתיעה מהירה, המיינן את החומר על מסלולו. בסוף מסלולו נלכד הנייטרון על ידי גרעין אטומי בריאקציה שמסומנת (n,γ) - כלומר כליאת נייטרון ויצירת פוטון.
האלקטרונים והיונים הנוצרים על ידי מעבר קרינה מייננת מסוגלים לגרום נזק לרקמות ביולוגיות חיות. כאשר מנת הקרינה מספיק גבוהה ניתן לראות השפעה מיידית, בצורת הרעלת קרינה. מנות נמוכות יותר גורמות לנזק מאוחר, כגון סרטן וגידולים ממאירים. ההשפעה של מנות קרינה נמוכות מאוד (בין אם ממקורות טבעיים כגון קרינה קוסמית וקרינה מהתפרקות הגז הטבעי רדון, ובין אם ממקורות מלאכותיים כמו קרינת-X רפואי ופליטות מתחנות כוח גרעיניות) שנויה במחלוקת. דו"ח של המועצה למחקר לאומי של ארצות הברית משנת 2005 הסיק כי הסכנה ממקורות אלו ובמינונים אלו היא יחסית נמוכה. מצד שני, בשנת 2008 פרסם משרד הבריאות הישראלי הנחיה לכל רופאיו להקטין כמה שאפשר את חשיפת המטופלים לקרינה מייננת כאשר הדבר לא נחוץ לאבחון הרפואי.
ההחלטה התבססה על שלושה מחקרים שהתפרסמו בשנת 2007:
חומרים רדיואקטיביים בדרך כלל פולטים קרינת אלפא, קרינת בטא וקרני גמא. ניתן לעצור קרינת אלפא וקרינת בטא בקלות - קרינת אלפא נעצרת על ידי דף נייר וקרינת בטא נעצרת על ידי פיסה דקה של אלומיניום. לכן, אם מקור אלפא או בטא נמצא מחוץ לגוף, רוב הקרינה נבלמת בעור או בשרירים ולא מגיעה לאיברים הפנימיים.
רוב הנזק שנובע מקרינת אלפא ובטא מתרחש כאשר חומרים אלו נוצרים בתוך הגוף עצמו או כשהם מוכנסים לגוף, למשל על ידי שאיפה, בליעה או אכילה. לעיתים, החדרת כמות קטנה של חומר רדיואקטיבי יכולה לגרום לנזק רב אם כל החומר מתרכז באיבר מסוים. לדוגמה, הגוף מתייחס ליוד רדיואקטיבי בדיוק כמו ליוד שאינו רדיואקטיבי ומרכז אותו בבלוטת התריס; הצטברות של יוד רדיואקטיבי בבלוטת התריס יכולה להוביל לסרטן בלוטת התריס.
קרני גמא מייננות פחות מקרני אלפא ובטא, לכן הקרן נחלשת פחות עבור כל ס"מ שהיא עוברת בחומר (לעומת חלקיק טעון). כתוצאה מכך הגנה מפני קרני גמא מצריכה מיסוך עבה יותר. חדר לטיפול ברדיותרפיה מוקף קירות עבים ביותר הנועדים למיסוך הצוות מן הקרינה. הנזק הנגרם על ידי קרינת גמא דומה לנזק שנגרם על ידי קרני רנטגן וכולל גם כוויות וסרטן הנגרם ממוטציות. תאי הזיווג באדם מתנגדים למוטציות בשתי דרכים: על ידי תיקון הטעות ב-DNA או על ידי אפופטוזה של התא שסבל ממוטציה.
קרינה בלתי מייננת נחשבת כבלתי מזיקה כל עוד עוצמתה אינה מספיק גבוהה כדי לגרום לחימום יתר של הרקמות בהן היא עוברת.
שימושים של קרינה מייננת.
אף על פי שיש הרבה שימושים חיוביים לקרינה מייננת, חשיפה למנת יתר של קרינה עלולה להזיק לבריאות. עובדה זאת לא הייתה תמיד ידועה, אפילו בקרב מומחים. מותה של כלת פרס נובל מארי קירי מאנמיה אפלסטית (aplastic anemia), נבעה כנראה מחשיפתה לקרינה מייננת בעת ממחקריה על חומרים רדיואקטיביים. בעבר היה נהוג בארצות הברית להשתמש במכשירי רנטגן לבדוק התאמת נעליים לרגלי ילדים; שימוש זה הופסק כשהתגלה הקשר בין קרינה לסרטן.
היות שקרינה מייננת חודרת לתוך חומרים רבים, יש לה שימושים רבים:
רדיוגרפיה נמצאת בשימוש ביישומים תעשייתיים רבים כגון גלוי פגמים פנימיים בחומרים שונים. החומר המיועד לשיקוף מונח בין מקור קרני רנטגן לבין סרט. על ידי פיתוח הסרט לאחר חשיפה לזמן מסוים מתקבלת תמונה המהווה השלכה דו-ממדית של האובייקט.
פעילותם של חיישני מדידה מבוססת על העובדה שעוצמת קרן גמא נחלשת בצורה אקספוננציאלית עת שהקרן חודרת לתוך חומר (לכל חומר יש מקדם החלשה אופייני. המקדם נקרא עובי המחצית); מקור קרינה וגלאי ממוקמים בשני צדי החומר. כמות ההיחלשות מעידה על עובי החומר.
שימושים ביולוגיים ורפואיים של קרינה מייננת.
השימושים העיקריים של קרינה מייננת בתחום הביולוגיה הם עידוד יצירת מוטציות ועיקור (סטריליזציה).
לדוגמה, השימוש בקרינה מייננת לעידוד יצירת מוטציות על מנת לשפר מינים קיימים או לייצר מינים חדשים כגון זנים של חרקים עקורים. זכרי החרקים מוקרנים במנת קרינה שהופכת אותם לעקרים והם משוחררים בשדה הנגוע באותו סוג של חרקים פוריים. אם החרקים העקורים מנצחים את חרקים הפוריים, הבעיה בשדה תיפתר לאחר דור אחד משום שהחרקים העקורים אינם מסוגלים להעמיד צאצאים.
ישנם יתרונות ברורים לעיקור ציוד רפואי (מחטים, סכינים וכו') ומזון על ידי קרינה. יתרונה של קרינה כשיטת עיקור לעומת שיטות מתחרות היא שניתן לסגור את הציוד בצורה הרמטית בתוך קופסאות פלסטיק לפני ההקרנה וכך נשמר המצב הסטרילי אחר ההקרנה. כשמזון נחשף לקרינה במנה מספקת, כל החיידקים במזון מושמדים. לדוגמה, אפשר לשמור חתיכת עוף שהוקרנה למשך חדשים רבים ללא קירור, מבלי שתתקלקל, בתנאי שהעוף נשאר סגור בתוך שקית. מדינות רבות חקקו חוקים המווסתים את תהליך הקרנת המזון כדי למנוע מצב של יצירת רדיואקטיביות מושרית (induced radiation) במזון.