Ioniserende straling

Ioniserende straling is straling die voldoende energetisch is om een elektron uit de buitenste schil van een atoom weg te slaan. Hierdoor krijgt het atoom in totaal een positieve lading in plaats van een neutrale lading, het atoom wordt geïoniseerd, en wordt een ion. Deze straling kan men niet zien, horen, proeven, ruiken of voelen.

Alfastraling (α) wordt al geabsorbeerd door een vel papier, bèta (β)straling door een metaalplaat en gammastraling (γ) pas door een dikke betonmuur.

De straling ontstaat voornamelijk bij radioactiviteit, dit is het spontane uiteenvallen van atoomkernen.

Ioniserende straling wordt in de volksmond vaak ‘radioactieve straling’ genoemd, maar dit is eigenlijk een verkeerde term, want ‘radioactief’ betekent letterlijk ‘actief straling uitzendend’.

De rekeneenheid voor straling wordt weergegeven in nanosievert (nSv): een miljardste deel van één sievert (Sv).

Direct of indirect

Ionisatie kan op twee manieren gebeuren: direct of indirect. De directe wijze kan alleen plaatsvinden door geladen deeltjes zoals alfadeeltjes of bètadeeltjes. De indirecte wijze gebeurt in stappen. Een ongeladen deeltje of een foton (elektromagnetische straling) gaat een reactie aan met een atoom of een atoomkern. Hierbij ontstaan geladen deeltjes die op hun beurt andere atomen ioniseren.

De energie die een foton nodig heeft om een atoom te ioniseren hangt af van het soort atoom. Zo is er bijvoorbeeld voor waterstof een foton met een energie van 13,6 eV (één elektronvolt = 1,602·10⁻¹⁹ joule) nodig om het te ioniseren, dus straling van een frequentie van ongeveer 3,28 10¹⁵Hz, wat overeenkomt met de frequentie van ultraviolet licht. Voor andere atomen gelden dan andere waarden.

Vereiste energie

Om een atoom te kunnen ioniseren, moeten de materiële deeltjes of fotonen van de straling een voldoende hoge energie hebben. Een grote hoeveelheid deeltjes van lage energie heeft geen effect. Voor een foton is de energie

$W_{\mathrm {u} }=h\cdot f_{\mathrm {grens} }$

W_u: uittreed-arbeid (J)

h: constante van Planck (6,62607 10⁻³⁴ Js)

f_grens: de grensfrequentie (Hz)

Is de frequentie van de deeltjes nog hoger, dan komt er dankzij de wet van behoud van energie energie voor in de vorm van kinetische energie (bewegingsenergie). De hoeveelheid kinetische energie is:

$E_{\mathrm {k} }=hf-W_{\mathrm {u} }$

Vormen van straling

Ioniserende straling bestaat in verschillende vormen. Men onderscheidt:

• deeltjesstraling, zoals alfastraling, bètastraling (te onderscheiden in β⁻ (elektronen) en β⁺ (positronen)), neutronen en protonen.
• elektromagnetische straling, bestaande uit fotonen; afhankelijk van het golflengtebereik onderscheidt men röntgenstraling (ca. 0,01...100 nm, ook voornamelijk van elektronenovergangen) en gammastraling (< ca. 0,01 nm, voornamelijk uit kernreacties, waaronder radioactief verval).

Andere vormen van elektromagnetische straling, met een lagere energie dan röntgenstraling of gammastraling, kunnen in sommige gevallen ook ioniserend zijn, bijvoorbeeld door de chemische werking van radicalen. Deze vormen worden niet tot de klasse van ioniserende straling gerekend. Ultraviolet of zichtbaar licht, laagfrequente elektromagnetische velden, radiogolven, etc. behoren alle tot de klasse van niet-ioniserende straling.

Ioniserende straling kan schadelijk zijn voor het lichaam. De aard en ernst van de schade en de kans op optreden van de schade hangt sterk af van de mate van blootstelling. Bij een zeer hoge dosis ioniserende straling worden lichaamscellen gedood of beschadigd en treedt directe gezondheidsschade op. Van zowel een hoge als van een relatief lage dosis is bekend dat er een verhoogde kans op kanker wordt veroorzaakt. Zelfs in geval van zeer lage blootstelling aan ioniserende straling, zoals de meeste mensen in hun leven ondervinden, kan een nadelig effect op de gezondheid niet worden uitgesloten.

Risico

Ioniserende straling kan kankerverwekkend zijn. Doordat deze straling andere atomen kan ioniseren, kunnen er DNA-moleculen worden beschadigd, en daardoor kunnen lichaamscellen veranderen. De beschadiging van het DNA in een enkele cel is meestal onschuldig, leidt eventueel tot de dood van de cel, maar het is mogelijk dat een cel zich ongebreideld gaat delen: kanker. De kans op dit effect neemt toe met mate van blootstelling. Het risico op (te) grote blootstelling aan straling, kan gezien worden als onderdeel van de milieuproblematiek.

Er kunnen ook effecten optreden voor een korte tijd, doordat veel lichaamscellen tegelijk worden gedood. Dit kunnen minder ernstige effecten zijn, zoals een rode huid. Dat gebeurt vaak bij kankerpatiënten die bestraald worden. Directe effecten van straling kunnen ook erg ernstig zijn en in het ergste geval zelfs dodelijk. Het effect van de straling hangt sterk af van de hoeveelheid straling en de soort straling. Kleine hoeveelheden straling hebben geen grote gevolgen, maar er is geen onschadelijke dosis vast te stellen. Aanvankelijk dacht men na de ontdekking van radium dat een kleine hoeveelheid straling positieve gezondheidseffecten kon hebben. De natuurlijke ioniserende achtergrondstraling komt uit de bodem en het heelal en hangt af van de plaats op aarde. Ieder mens is ook in geringe mate radioactief door de aanwezigheid van kalium-40 in het lichaam.

Bronnen van ioniserende straling

Natuurlijke achtergrondstraling

De aarde en al het leven op aarde staan steeds bloot aan straling uit de ruimte, als een gelijkmatige motregen. Geladen deeltjes van de zon en andere sterren vertonen interactie met de atmosfeer en het magnetisch veld van de aarde en veroorzaken zo een stortregen van straling, voornamelijk beta- en gammastraling. De sterkte van deze kosmische straling verschilt op verschillende plaatsen op aarde, door het hoogteverschil en de invloed van het aardmagnetisch veld.

Radioactief materiaal wordt overal in de natuur gevonden. Het komt voor in de bodem, in lucht, water en planten. De belangrijkste veroorzaker van aardse straling zijn de natuurlijk voorkomende isotopen van uranium en zijn vervalproducten, zoals thorium, radium, en radon. Kleine hoeveelheden van uranium, thorium, en hun vervalproducten worden overal gevonden. Sommige van deze materialen worden door het lichaam opgenomen via voedsel en water, terwijl materialen zoals radon kunnen worden opgenomen door inademing. De hoeveelheid van aardse bronnen verschilt met de plaats op aarde. Gebieden met hogere concentraties uranium of thorium in de bodem hebben een hogere achtergrondstraling. Radon kan zich ophopen in kelders of kruipruimtes van huizen, en kan voor een aanzienlijke blootstelling aan straling zorgen.

Naast de kosmische en aardse straling, hebben alle mensen vanaf hun geboorte radioactieve kalium-40, koolstof-14, lood-210 en andere radioactieve isotopen in hun lichaam. Hierin zijn de verschillen tussen mensen niet zo groot als de variatie in belasting door kosmische en aardse stralingsbronnen.

Stralingsbronnen door de mens veroorzaakt

Natuurlijke en kunstmatige stralingsbronnen zijn voor wat betreft hun effect en natuurlijke eigenschappen hetzelfde. Boven de blootstelling aan een hoeveelheid achtergrondstraling, bepaalt in de VS de U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC) een limiet voor de blootstelling van individuen aan door de mens veroorzaakte straling van 1,1 mSv (110 mrem) per jaar, en beperkt de beroepsmatige blootstelling van volwassenen die werken met radioactief materiaal tot 50 mSv (5 rem) per jaar.

De blootstelling van een gemiddelde persoon is ongeveer 3,6 mSv/jaar, 81% hiervan komt van natuurlijke stralingsbronnen, de overige 19% komt van door de mens gemaakte bronnen.

Verreweg de belangrijkste bron van door de mens veroorzaakte straling wordt gevormd door medische handelingen, zoals röntgenstraling, radioactieve medicijnen (zowel voor diagnostisch als therapeutisch gebruikt) en bestralingstherapieën. Enkele van de belangrijkste isotopen die in ziekenhuizen worden gebruikt zijn jodium-131, technetium-99, kobalt-60, iridium-192 en cesium-137.

Daarnaast worden mensen blootgesteld aan straling van verbruiksgoederen; zoals tabak (polonium-210), bouwmaterialen (radium en radon), brandstoffen (gas, olie, enz.), televisietoestellen, lichtgevende horloges en wijzers (tritium), röntgentoestellen op luchthavens, materiaal voor wegenbouw, elektronenbuizen, starters van fluorescentielampen, kousjes van gaslampen (thorium), enz.

In mindere mate worden mensen blootgesteld aan straling ten gevolge van de hele cyclus van de nucleaire brandstof: van mijnbouw tot verwerking van uranium, tot blootstelling aan gebruikte brandstof. Het effect van deze blootstelling is nog niet betrouwbaar gemeten. Schattingen van de blootstelling zijn echter zeer laag, zodat voorstanders van nucleaire energie deze vergelijken met de mutatiekracht van het twee minuten per jaar dragen van een lange broek (omdat zelfs dit mutatie veroorzaakt). Tegenstanders gebruiken een lineair dosis-afhankelijk model om te bepleiten dat ook zulke activiteiten honderden kankergevallen per jaar veroorzaken, mondiaal gezien.

In een nucleaire oorlog zullen de gammastralen van de fall-out van nucleaire wapens het grootste aantal slachtoffers veroorzaken. Onmiddellijk naast het doel, in de richting van de wind, zal de straling 30.000 röntgen per uur overschrijden. 4,5 Sv (meer dan duizendmaal de achtergrondstraling) is fataal: de helft van de bevolking kan hieraan overlijden.

Beroepsmatig blootgestelde individuen worden blootgesteld overeenkomstig hun activiteiten en de bronnen waarmee ze werken. De blootstelling van deze mensen wordt zorgvuldig geregistreerd met hulp van op de kleding bevestigde instrumenten, dosimeters genoemd. Sommige isotopen van belang zijn kobalt-60, cesium-137, americium-241.

Enkele voorbeelden van bedrijvigheid waarbij beroepsmatige blootstelling voorkomt:

• industriële energieopwekking (kerncentrales)
• industriële kwaliteitsbewaking (doormeten van de dikte van bijvoorbeeld folies)
• doorstralen van voedsel (voedselbehandeling tegen schimmels)
• radiologisch personeel in ziekenhuizen
• medisch personeel dat werkt met radioactieve medicijnen
• laboratoria voor wetenschappelijk onderzoek
• luchtvaartpersoneel in het vliegtuig.

Het effect van ioniserende straling op mensen

Men heeft de gewoonte om de biologische gevolgen van straling te beoordelen aan de hand van hun effect op cellen. Voor lage niveaus van stralingsblootstelling zijn de biologische gevolgen zo klein dat zij niet gemeten kunnen worden. Het menselijk lichaam herstelt zich van vele soorten stralings- en chemische schade.
De biologische gevolgen van straling voor cellen zijn drieledig:

• verwonde of beschadigde cellen herstellen zichzelf, er is dus geen blijvende schade
• afgestorven cellen worden, zoals miljoenen lichaamscellen elke dag doen, vervangen door een normaal biologisch proces.
• cellen die foutief worden hersteld resulteren in een biofysische verandering.

Onze kennis van het verband tussen blootstelling aan straling en de ontwikkeling van kanker bij de mens is meestal gebaseerd op bevolkingsgroepen die aan een vrij hoog niveau van ioniserende straling zijn blootgesteld (bijvoorbeeld overlevenden van de atoombommen op Hiroshima en Nagasaki en mensen die zijn blootgesteld geweest aan bepaalde diagnostische of therapeutische medische procedures).

Soorten kanker die vrij sterk zijn geassocieerd met blootstelling aan hoge doses straling zijn onder andere leukemie en schildklierkanker. Verder ook wel borst-, blaas-, dikke darm-, lever-, long-, slokdarm-, eierstok- en maagkanker en multipel myeloom. Van sommige andere vormen van kanker wordt een dergelijk verband wel vermoed: prostaatkanker, kanker van de neus(bij)holten, farynx- en larynxcarcinoom, en kanker van de alvleesklier. In de praktijk zal echter bij maar heel weinig van de patiënten met een van de genoemde aandoeningen in West-Europa straling een rol hebben gespeeld.

De tijdsspanne tussen de stralingsblootstelling en de openbaring van de kanker wordt de latentieperiode genoemd. Deze latentieperiode is lang, vaak tientallen jaren, en zelden minder dan een paar jaar. De kankers die zich als resultaat van stralingsblootstelling kunnen ontwikkelen zijn niet te onderscheiden van kankers die spontaan of als resultaat van blootstelling aan andere chemische carcinogenen voorkomen. Het verband kan dus op statistische gronden worden vermoed maar in een individueel geval nooit worden bewezen. Verder wijst de literatuur van het Amerikaanse National Cancer Institute erop dat andere chemische en fysische factoren en de manier van leven (bijvoorbeeld roken, gebruik van alcohol, dieet) sterk bijdragen aan het optreden van veelal dezelfde ziekten.

Hoewel straling kanker kan veroorzaken bij hoge doses, bevestigen epidemiologische gegevens van volksgezondheid het voorkomen van kanker na blootstelling aan lage doses niet (minder dan ca. 0,1 Sv (10 rem)).

De meeste studies van beroepsarbeiders die aan chronische lage niveaus van straling boven normale achtergrond worden blootgesteld hebben geen ongunstige biologische gevolgen getoond. Maar toch veronderstelt de stralingsbeschermingsgemeenschap voorzichtigheidshalve dat om het even welke hoeveelheid straling een of ander risico kan geven om kanker en erfelijk effect te veroorzaken, en dat het risico hoger is voor blootstelling aan hogere straling. Men streeft er dus naar iedere vermijdbare blootstelling zo veel mogelijk daadwerkelijk ook te vermijden.

Een lineaire drempelloze Linear no-Treshold (LNT) dosis-effectrelatie zal volgens vele deskundigen het effect van straling overschatten omdat het de bekende reparatiemechanismen van het lichaam niet in beschouwing neemt. Dit model beschrijft het verband tussen de dosis van de straling en het voorkomen van kanker. Dit lineaire dosis-gevolg model stelt voor dat om het even welke toename van de dosis, hoe klein dan ook, resulteert in een verhoging van het risico op kanker. De LNT-hypothese is goedgekeurd door het Amerikaanse NRC als conservatief (in de zin van aan de veilige kant blijvend) model voor het schatten van het risico van de straling.

Een hoge dosis straling kan cellen direct doden, terwijl een lage dosis de genetische code (DNA) van bestraalde cellen kan beschadigen of veranderen. Een hoge dosis kan zoveel cellen doden dat de weefsels en de organen onmiddellijk beschadigd zijn. Dit kan resulteren in een snelle reactie van het hele lichaam, ook wel het acute stralingssyndroom genoemd. Hoe hoger de dosis van de straling, hoe sneller de gevolgen van straling verschijnen, en hoe hoger de kans op een dodelijke afloop.

Dit syndroom werd waargenomen bij vele atoombomoverlevenden in 1945 en bij reddingswerkers die aan de kerncentrale van Tsjernobyl werkten na de kernramp in 1986. Ongeveer 134 installatiearbeiders en brandweermannen die de brand bestreden bij de Tsjernobyl-installatie ontvingen hoge doses straling (7 tot 13,4 Sv of 700 tot 1340 rem) en ontwikkelden acute stralingsziekte. Hiervan stierven er 28.

Minimaliseren van gezondheidseffecten van ioniserende straling

Waarschuwingsbord straling

Alhoewel de blootstelling aan ioniserende straling een risico meebrengt, is het onmogelijk blootstelling volledig te vermijden. Straling is altijd aanwezig geweest in het milieu en in onze organismen. Wij kunnen echter onnodige blootstelling wel vermijden.

Hoewel de mens ioniserende straling niet kan voelen, is er een scala van eenvoudige en gevoelige instrumenten, geschikt om minieme hoeveelheden straling uit natuurlijke en kunstmatige bronnen te ontdekken.

De dosimeters lijken op pennen of badges, en kunnen bijvoorbeeld aan iemands kleding worden bevestigd. Ze meten een cumulatieve dosis die over een periode van tijd wordt geabsorbeerd. Zij moeten periodiek vernieuwd worden, en de resultaten moeten geregistreerd worden. Voor (Nederlandse) luchtvarenden vindt registratie plaats middels het achteraf correleren van de vluchtgegevens van individuele bemanningsleden met schattingen van dosisgegevens op basis van wereldwijde metingen.

Geigertellers en scintillatietellers meten onmiddellijk de dosis van ioniserende straling.

Er zijn vier manieren waarop bescherming tegen straling plaats kan vinden:

Tijd

Voor mensen die aan straling naast natuurlijke achtergrondstraling worden blootgesteld: beperk of minimaliseer de blootstellingstijd, wat de dosis uit de stralingsbron zal verminderen.

Afstand

Zoals de hitte van een brand verder weg minder intens is, vermindert de intensiteit van de straling verder van de bron van de straling. De dosis vermindert drastisch naarmate u uw afstand van de bron verhoogt (twee keer zo ver weg betekent over het algemeen een kwart van de stralingsbelasting).

Afscherming

Een schild van lood, gewapend beton, of water geeft goede bescherming tegen het doordringen van straling zoals gammastralen en neutronen. Dit is de reden dat bepaalde radioactieve materialen onder water worden opgeslagen of behandeld, of met behulp van op afstand bediende apparaten in ruimten die van dik beton worden geconstrueerd of die met lood worden gevoerd. Er zijn speciale plastic schilden die bètadeeltjes tegenhouden en de lucht zal alfadeeltjes tegenhouden. Het gebruik van het juiste schild tussen u en de stralingsbron zal de stralingsdosis verminderen of elimineren. Bij het ontwerp van de afscherming houdt men rekening met de zogenaamde "halverende dikten": de hoeveelheid materiaal die de helft van de straling tegenhoudt.

Insluiting

De radioactieve materialen worden beperkt tot de kleinste mogelijke ruimte en uit het milieu gehouden. De radioactieve isotopen voor medisch gebruik, bijvoorbeeld, worden verplaatst in gesloten containers, terwijl de kernreactoren binnen gesloten systemen met verschillende barrières werken die de radioactieve materialen binnenhouden. De zalen hebben een onderdruk zodat, zelfs als er gaten in de ruimte zitten, er geen materiaal naar buiten kan lekken. In een kernoorlog vermindert een effectieve fall-out-schuilplaats de blootstelling van mensen minstens met een factor 1000. De meeste mensen kunnen hoge doses verdragen van bijvoorbeeld 100 rem, mits verdeeld over de tijdsspanne van een aantal maanden, hoewel wel met een verhoogd risico van kanker in het latere leven moet worden rekening gehouden. Andere burgerbeschermingsmaatregelen kunnen helpen blootstelling van bevolking door opname van isotopen en beroepsmatige blootstelling verminderen in oorlogstijd. Een van deze beschikbare maatregelen is het gebruik van kaliumjodidetabletten (KI) die effectief het opnemen van gevaarlijk radioactief jodium in de menselijke schildklier blokkeren door de schildklier met niet-radioactief jodium te verzadigen.

Externe link

• RIVM website - Straling (Nederlands)

Noten en referenties

Mediabestanden

Zie de categorie Ionizing radiation van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.