Radon aiheuttaa keuhkosyöpää

Transkriptio

1 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

2 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.

3 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/m 3 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) 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.

4 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 vuotta. Aktiivisuutena mitattuna kalium-40:tä on kehossa luokkaa 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 40 K. Puoliintumisaika 40 K:lla on 1, 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

5 90 0,893 elektronia/hajoaminen ja -säteilyn maksiomienergia on 1,32 MeV. a) Laske ihmisen 40 K-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 1 absorboituvaksi energiaksi otetaan E max 3 Vastaus: a) 4,24 kbq sekä 0,452 kbq ja 3,79 kbq b) 5,4 psv/s ja 0,17 msv 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.

6 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

7 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 ev:iin. Se voi siis olla tavattoman suuri paljon suurempi kuin missään hiukkaskiihdyttimissä on voitu keinotekoisesti synnyttää. Energia saadaan selville epäsuorasti sekundääri-

8 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 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)

9 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 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.

10 95 Suomessa tehdään vuosittain noin 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 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.

11 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.

12 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 24 Na hajoaa beetahajonnalla viereisen kaavion mukaisesti puoliintumisajalla 15 tuntia. Beetahiukkasten keskimääräinen energia on 0,555 MeV. Aktiivisesta natriumista valmistetaan ruokasuolaliuos ( 24 NaCl), jonka

13 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 24 Na 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, 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.

14 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.

15 100 Tehtävä: Auton moottorin teräksisen männänrenkaan massa oli 30,0 g. Rengasta säteilytettiin reaktorissa, kunnes sen 59 Fe-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 59 Fe-aktiivisuus, jonka todettiin olevan 12,6 hajoamista minuutissa /100 cm 3 öljyä. Kuinka paljon männänrenkaan aineesta oli siirtynyt öljyyn, kun öljyn kokonaistilavuus oli 6000 cm 3? 59 Fe: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-

16 101 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

17 102 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 14 C. 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 N n C p Syntyvä protoni vangitsee elektronin ja näin syntyy vetyä. Radiohiilessä on liian monta neutronia, jotta se olisi pysyvä ja se hajaantuukin beetahajoamisella typpi-ioniksi 14 N 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 14 C ja 12 C 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

18 103 esihistoriallisten esineiden iän määrittämiseen. Mittauslaitteistojen on oltava tarkkoja, koska tutkittavat aktiivisuudet ovat hyvin pieniä. Vanhimmat näytteet, joita voidaan ajoittaa tällä menetelmällä, ovat jopa 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 14 C syntyy maapallolle kosmisen säteilyn vaikutuksesta. Se hajoaa beetasäteilyllä, jonka maksimienergia on 0,155 MeV. Puoliintumisaika on 5730 vuotta. Luonnossa suhde 14 C/ 12 C on noin ja sen oletetaan säilyvän suurinpiirtein vakiona. a) Laske 14 C: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 vuotta vanhasta hiilestä, jossa ei enää ole jäljellä radioaktiivista 14 C:tä. Näyte B on peräisin tuoreesta puusta, ja näytteen C ikä on määritettävä. Aktiivisuusmittauksessa pulssilaskuri antoi tulokset: näyte A: pulssia 960 minuutissa näyte B: pulssia 180 minuutissa näyte C: pulssia 480 minuutissa Laske näytteen ikä. Vastaus: a) 6,5 µsv = 0,0065 msv, b) noin vuotta Koska radiohiilimenetelmän käyttökelpoisuus rajoittuu 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.

19 104 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

20 105 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 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.

21 106 ISOTOOPPITUTKIMUKSET Suomessa tehdään noin 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 131 I 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

22 107 beetasäteilyä. Potilan saama annos on sitä pienempi, mitä pienempi on beetasäteilyn energia, jolloin parhaita ovat pelkkää gammasäteilyä lähettävät nuklidit. Sopiva gammakvanttien energia on välillä 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 T 1/2 E (kev) Tutkimuskohde 113 In 102 min 393 maksa istukka 125 I 60 vrk 28; 35 veri 131 I 8 vrk 364 kilpirauhanen, aivot, munuaiset 18 F 110 min 511 luusto, haima 51 Cr 14,5 vrk 320 veri 99 Tc 6 h 140 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

23 108 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 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.