Ionisoiva säteily
Ionisoiva säteily on suurienergistä säteilyä, joka kykenee muuttamaan atomien sähkövarauksia eli ionisoimaan niitä. Ionisoituminen tapahtuu kun atomi menettää elektronin elektronikuoreltaan. Tällöin atomien kemiallinen reaktiivisuus muuttuu ja niistä koostuvat yhdisteet voivat hajota. Tähän perustuvat säteilyn biologiset vaikutukset. Ionisoiva säteily voi olla hiukkassäteilyä, kuten elektroneja, tai sähkömagneettista säteilyä, kuten röntgensäteilyä.
Termi ”radioaktiivinen säteily” on epätarkka, mutta sillä tarkoitetaan yleensä ionisoivaa säteilyä – "radioaktiivisuuteen liittyvää säteilyä". Radioaktiivisuus tarkoittaa tiettyjen atomien taipumusta lähettää säteilyä. Koska säteily ei koostu atomeista, se ei ole, eikä edes voi olla radioaktiivista. Lisäksi läheskään kaikki ionisoiva säteily ei ole seurausta radioaktiivisuudesta (esimerkiksi kosminen säteily, röntgensäteily).
Tyypillisiä ionisoivan säteilyn tyyppejä ovat muun muassa röntgensäteily, kosminen säteily ja erilaisten radioaktiivisten aineiden säteily, joka jaetaan edelleen kolmeen merkittävimpään säteilylajiin: alfa- beeta- ja gammasäteilyyn.
Radioaktiivisen atomin hajotessa atomi säteilee osan energiastaan suurienergiaisena säteilynä ympäristöön. Tapahtuneen ydinreaktion tyypistä riippuen syntyvä säteily koostuu helium-atomin ytimistä eli alfasäteilystä, elektroneista eli beetasäteilystä tai sähkömagneettisesta säteilystä eli gammasäteilystä. On olemassa myös muita, harvinaisempia hiukkassäteilyn tyyppejä, kuten neutronisäteilyä.
Matalaenergiaiseen sähkömagneettiseen säteilyyn, esimerkiksi radioaaltoihin, verrattuna ionisoivan säteilyn kyky läpäistä ainetta on vähäinen, koska ionisoiva säteily suuren energiansa takia herkästi absorboituu aineeseen. Hiukkasten tapauksessa läpäisevyys on vieläkin heikompi: alfasäteily pysähtyy jo paperiarkkiin tai kankaaseen ja beetasäteilyn pysäyttämiseen riittää alumiinifolio tai lasilevy. Sähkömagneettisena säteilynä gammasäteily ei samalla lailla pysähdy kokonaan ainekerrokseen törmätessään, vaan se vaimenee vähitellen. Gammasäteilyn tapauksessa käytetään yleensä termiä puoliintumispaksuus, joka on säteilytehon puolittamisen riittävä ainemäärä, esimerkiksi betonin tapauksessa muutama sentti. Puoliintumispaksuus riippuu gammasäteilyn energiasta ja väliaineen alkuainekoostumuksesta sekä tiheydestä. Koska vaimennusvaikutus kasvaa eksponentiaalisesti – kaksi kertaa puoliintumispaksuus vaimentaa säteilyn neljäsosaan alkuperäisestä – metri betonia riittää vaimentamaan voimakkaankin gammasäteilyn käytännössä kokonaan.
Ionisoivaa säteilyä ei voi havaita aistein. Sen havaitsemiseen käytetään instrumentteja, joista tavallisimpia ovat Geiger-ilmaisimet, verrannollisuuslaskurit ja erilaiset puolijohdeilmaisimet.
Luonnossa on runsaasti ionisoivan säteilyn lähteitä: esimerkiksi avaruudesta tulee kosmista säteilyä ja maaperässä on luonnostaan radioaktiivisuutta (mm. uraanin hajoamistuotteena syntyvä radon-kaasu). Useimpien aineiden atomien joukossa on myös radioaktiivisia isotooppeja. Näin ollen kaikki aineet, eliöt ja myös ihmiset jatkuvasti altistuvat heikolle ionisoivalle säteilylle ja eliöt, ihminen mukaan lukien, ovat sopeutuneet ympäristön normaaliin säteilyyn. Säteilyannosta mitataan millisieverteissä, mSv. Luonnonsäteilystä saatavat vuosiannokset ovat normaalisti välillä 2–20 mSv.
Voimakas säteily aiheuttaa haittoja biologisille organismeille, kun niiden solukemia häiriintyy liiallisen ionisoitumisen vaikutuksesta. Tarpeeksi suuri säteilyannos aiheuttaa lopulta suoria solutuhoja ja DNA:n mutaatioita. Ihmisillä ensimmäiset tarkoissa lääketieteellisissä testeissä havaittavat vaikutukset esiintyvät noin 500 mSv:n kerta-annoksella, joka on siis noin satakertainen tavalliseen vuosiannokseen verrattuna. Näin alhaisella annoksella ihminen ei itse havaitse vaikutusta, eikä säteilysairauden oireita esiinny, vaan annos täytyy todeta testein.
Säteilysairaus syntyy, kun kerta-annos on tuhansia mSv:ejä. Sairauden varhaisiin oireisiin kuuluu väsymystä, heikotusta, oksentelua ja yleistä pahoinvointia. Lievään säteilysairauteen ei välttämättä liity muita oireita, vaan se paranee aikanaan ilman hoitoa. Suuremmilla annoksilla vakavammat oireet ilmenevät usein vasta parin viikon jälkeen altistuksesta, jolloin annoksen suuruudesta riippuen esiintyy infektioita, suolistovaurioita ja verianemiaa luuytimen vaurioitumisen takia. Säteilysairautta hoidetaan oireiden mukaisin toimin: yleensä nesteytyksellä, verensiirroilla ja mikrobilääkkeillä. Säteilysairaudesta kärsivän ennuste on varsin hyvä, jos annos on jäänyt alle 5 000 mSv:n. Kuolettava säteilyannos on noin 10 000 mSv.
Vaaralliset säteilyannokset ovat erittäin harvinaisia. Saatavilla olevat tiedot ovat peräisin lähinnä Hiroshiman ja Nagasakin ydinpommituhoalueilta ja ydinreaktorionnettomuuksista. Historia tuntee tapauksia, joissa ammatillinen altistus esimerkiksi röntgenlaitteiden tai radioaktiivisuuden parissa työskenneillä on tapaturmaisesti aiheuttanut vaarallisen säteilyannoksen. Näin kävi suurelle joukolle Tšernobylin ydinvoimalan voimalaitostyöntekijöitä ja pelastushenkilökunnan jäseniä, joista noin kolmekymmentä sai nopeaan kuolemaan johtavan säteilyannoksen vuoden 1986 ydinonnettomuudessa.
Luonnosta tavallisesti saatavia säteilyannoksia (2–20 mSv/v) suurempien jatkuvien, eli kroonisten säteilyannosten on havaittu aiheuttavan yllä mainittujen välittömien (akuuttien) oireiden lisäksi pitkäaikaisia vaikutuksia. Toisin kuin akuutit vaikutukset, krooniset vaikutukset elimistössä ilmenevät osin satunnaisesti. Toisin sanoen krooninen säteilyaltistus ei aiheuta sairastumista väistämättä, vaan vaikuttaa riskiin saada epämuodostuneita lapsia tai sairastua myöhemmin esimerkiksi syöpään tai leukemiaan. Lyhyellä tähtäimellä yksilön kannalta säteilyannoksen vaikutus on usein vähäinen, koska sairastumistodennäköisyyden muutos voi olla pieni verrattuna sairastumisriskiin, joka on olemassa muutenkin. Yksittäisessä syöpätapauksessa ei sen syytä yleensä voida määrittää varmasti. Sen sijaan säteilyn vaikutusta määritettäessä arvioidaan suuren säteilyaltistuksen aiheuttamaa väestöannosta ja sen suhdetta syövän esiintymisen yleisyyteen väestössä. Hiroshiman ja Nagasakin tuhoalueilla saadut säteilyannokset ovat olleet niin suuria, että syöpien on havaittu lisääntyneen selvästi. Myös Tšernobylin laskeuma-alueilla kilpirauhassyöpä ja epämuodostumat ovat yleistyneet merkittävästi.
Ionisoivalta säteilyltä suojautuminen tapahtuu yleensä varsin yksinkertaisin toimin. Koska säteilyn biologiset vaikutukset riippuvat säteilyannoksesta, suojelutoimien tavoitteena on rajoittaa sitä. Pääasialliset keinot säteilyltä suojautumiseen ovat:Ionisoiva säteily kulkee suoraviivaisesti kuten esimerkiksi valo, eikä säteily leviä tuuletuksen kautta ja saastuta huonetta. Säteilylähteen voi peittää varjostimella, jota säteily ei läpäise. Esimerkiksi röntgenkuvauksessa ne ruumiinosat, joita ei kuvata, peitetään usein huonosti säteilyä läpäisevillä, esimerkiksi lyijystä valmistetuilla, varjostinmatoilla. Toisaalta jos säteilylähteen voi sammuttaa, säteily katoaa heti. Säteilyä saanut kappale ei itse muutu säteileväksi. Esimerkiksi röntgenkuvauksessa käytettyyn huoneeseen ei jää mitään "jälkihehkua", vaan säteily katoaa välittömästi kun röntgenputki sammutetaan.
Vaikka säteily ei voikaan levitä tai jäädä ympäristöön, radioaktiiviset aineet voivat levitä ympäristöön siinä missä muutkin aineet. Tästä syystä hienojakoinen jauhemainen radioaktiivinen aine on erityisen vaarallista. Jauhe voi kulkeutua helposti elimistöön esimerkiksi keuhkojen tai ruuansulatuselimistön kautta. Tässä tapauksessa myös esimerkiksi alfa-säteilijä voi olla terveydelle vaarallinen.
Osa radioaktiivisista aineista, kuten monet metallit, ovat myös kemiallisesti myrkyllisiä. Kemiallinen myrkyllisyys ei liity radioaktiivisuuteen.
Ionisoiva säteily kuljettaa mukanaan suhteellisen suuria energiamääriä, joten se voi aiheuttaa absorboituessaan monia erilaisia fysikaalisia ja kemiallisia ilmiöitä. Esimerkiksi monet itsevalaisevat mittarinäytöt, kellonviisarit, kompassit ym. saavat energiansa radioaktiivisesta aineesta, jonka synnyttämä säteily ei läpäise esineen kuorta, vaan luovuttaa energiansa väliaineeseen, joka puolestaan säteilee näkyvää valoa. Ilmiötä kutsutaan fluoresenssiksi.
Ydinreaktorin reaktorisydämessä voi nähdä ilmiön nimeltä Tšerenkovin säteily, joka ilmenee kun reaktorissa liikkuvat hiukkaset ylittävät valon nopeuden väliaineessa, yleensä reaktorin hidastinaineena toimivassa vedessä. Tšerenkovin säteily sisältää kaikkia aallonpituuksia laajalta kaistalta. Pääosa siitä on ultraviolettisäteilyä, ja näkyvän valon alueella vallitsevat lyhyet aallonpituudet, siis violetti ja sininen. Tämä ilmiö näkyy paljain silmin lähes yksinomaan reaktorisydämeen katsottaessa, minkä voi turvallisesti tehdä kun välissä on tarpeeksi (yleensä jotain metrejä) vettä vaimentamaan säteilyä.
Mahdollisesti nämä ilmiöt ovat innoittaneet sarjakuvapiirtäjiä ja elokuvien lavastajia silloin kun nämä esittävät radioaktiiviset aineet tai ionisoivan säteilyn näkyvänä hehkuna. Todellisuudessa ionisoiva säteily ei koskaan ole näkyvää, ei edes silloin kun siihen liittyy yllä kuvatun kaltainen näkyvä ilmiö. Alfa- ja beetasäteilyä ei voi nähdä, koska ne ovat hiukkassäteilyä. Gammasäteily on sähkömagneettista säteilyä kuten valokin, mutta sen aallonpituus (n. 10 pm) on niin lyhyt, ettei ihmissilmä havaitse sitä. Yleensä säteilyyn ei liity mitään ihmisaistein havaittavaa välitöntä ilmiötä, vaan sen olemassaolon voi todeta vain mittarilla.
Suurilla säteilyannoksilla kiinteätkin aineet voivat kuitenkin reagoida havaittavasti ionisoivaan säteilyyn. Esimerkiksi polymeerimateriaalien kuten muovien ja puun sisäinen mikrorakenne rikkoutuu voimakkaassa gammasäteilyssä, jolloin materiaalit menettävät lujuutensa ja hajoavat helposti. Esimerkiksi puulla 6,5 MGy annos saa aikaan rakenteen hajoamisen.
Ionisoivaa säteilyä hyödynnetään moninaisesti. Koska ionisoiva säteily on helppo havaita ilmaisimella, erittäin pienetkin määrät radioaktiivisia isotooppeja riittävät "merkkiaineiksi". Tätä ominaisuutta hyödynnetään muun muassa veden etsinnässä kuivilla alueilla, maanviljelyssä, teollisuudessa ja tutkimuksessa. Säteilyä käytetään tuholaistorjunnassa steriloimalla hyönteisiä ja näin pienentämällä populaatioita. Säteilyä käytetään lääketieteessä niin kuvantamiseen (mm. röntgen), sädehoitoihin, kuin myös lääketieteellisten instrumenttien, siteiden ym. sterilointiin. Fysiikan tutkimuksessa ionisoivan säteilyn avulla tehtävä tutkimus on yleistä. Avaruustutkimuksessa ionisoivaa säteilyä sekä havainnoidaan, että hyödynnetään radioaktiivisissa voimanlähteissä, jotka ovat monilla kauas suuntautuvilla avaruuslennoilla ainoa käytännöllinen energianlähde.
Kodeissa esiintyviä ionisoivan säteilyn lähteitä ovat monet palovaroittimet, kellojen ja kompassien valovärit (säteilemätöntä fosforenssiakin käytetään), loisteputkien sytyttimet, silmälasit, kameroiden ja kiikarien linssit, hitsauspuikot ja petromaks-öljylamppujen hehkusukat. Jalokivissäkin voi olla pieniä määriä radioaktiivisia aineita värien syventämiseksi. Aikaisemmin posliinituotteissa käytettiin väreinä radioaktiivisia suoloja, mutta nyttemmin niiden käytöstä on luovuttu.
Elintarvikkeiden säilyvyyttä voidaan parantaa steriloimalla ne ionisoivalla säteilyllä. Tämä oli aiemmin tavallisempaa mausteiden säilönnässä, mutta asiasta nousseen kohun takia säteilyttämällä steriloituja mausteita ei Suomessa juurikaan myydä ja tällaisissa mausteissa pitää olla maininta säteilyttämisestä. Säteily ei voi tarttua elintarvikkeisiin steriloinnin yhteydessä, vaan mahdollisena terveysriskinä nähdään lähinnä säteilyn vaikutus ruoka-aineiden kemiallisiin aineisiin. Yleisesti tämä vaikutus arvioidaan yhtä suureksi kaikissa sterilointimenetelmissä eikä terveysriskiä pidetä oleellisena.
Ionisoivan säteilyn vaikutusta kutsutaan altistumiseksi:
Ionisoivan säteilyn vaikutus elävään kehoon liittyy enemmänkin siihen, kuinka suuren energiamäärän säteily on jättänyt kohdeaineeseen massayksikköä kohden. Tätä ilmaistaan absorboituneella annoksella:
Ekvivalenttiannos kuvaa ionisoivan säteilyn aiheuttamaa säteilyannosta ja nimenomaan sen biologista vaikutusta: