רדיואקטיביות

רדיואקטיביות היא פליטה של חלקיקים מגרעין אטום. רדיואקטיביות היא פליטה ספונטנית הגורמת לגרעין בלתי יציב להיות יציב יותר, על ידי הנמכת האנרגיה שלו. החלקיקים הנפלטים הם קרינה מייננת, כלומר קרינה באנרגיה גבוהה. סוגי הקרינה הראשונים שנתגלו הם קרינת אלפא, קרינת בטא וקרינת גמא, ונקראו כך על סמך הפיצול של אלומות הקרינה בשדה חשמלי או מגנטי ומחוסר במידע אחר עליהן. מאוחר יותר נתגלו גם סוגי קרינה נוספים.

סמל אזהרה לחומר רדיואקטיבי

כיום ידוע שקרינה מייננת מסוכנת ביותר לרקמות חיות, אולם דבר זה לא היה ידוע לחוקרים הראשונים אשר זכו בפרסי נובל על עבודתם, אך גם סיכנו את חייהם.

היסטוריה

תופעת הרדיואקטיביות נתגלתה באקראי בשנת 1896 על ידי הפיזיקאי אנרי בקרל בשעה שערך ניסיונות במלחי אורניום. בשעה שניסה לבדוק השערה על תופעת הזרחנות הוא השאיר במגירה מלחי אורניום על לוח צילום שנעטף בנייר שחור וגילה להפתעתו שאף על פי שלא נחשפו לאור שמש כבדרך כלל הם בכל זאת השחירו את הלוח. הוא שיער שהם פולטים קרינה באופן ספונטני בלי קשר לחשיפה מוקדמת לאור שמש, והוא כינה אותה "קרינת אורניום". פייר ומארי קירי שחקרו את התופעה וגילו את היסודות הרדיואקטיביים פולוניום ורדיום נתנו לה את השם: רדיואקטיביות. תגלית זו זיכתה את שלושת הפיזיקאים הללו בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1903. יש לציין יחד עם אלו את ארנסט רתרפורד שגילה בשנת 1911 את החלוקה של הקרינה לאלפא, בטא וגמא. חוקר נוסף שקידם רבות את הבנת תופעת הרדיואקטיביות היה פרדריק סודי, כימאי בריטי, שזכה בפרס נובל לכימיה לשנת 1921 על מחקריו בתחום.

חוקרים אלו גילו שבנוסף לאורניום קיימים יסודות כימיים נוספים או איזוטופים שלהם, שהם רדיואקטיביים. לאיזוטופים רדיואקטיביים אלו יישומים חשובים רבים. ביניהם: מעקב אחר תהליכים ביולוגיים בגוף האדם לצורך אבחון (רפואה רדיואקטיבית) שימור מזון בפחיות שימורים על ידי הרג של החיידקים ותיארוך מרבצים גאולוגיים (וממצאים ארכאולוגיים) בהתבסס על ההנחות של קצב ההתפרקות של האיזוטופים והיחסים ביניהם במרבץ (או בממצא) (ראו הערה נוספת בעניין זה, בתחתית הדף).

סוגי קרינה רדיואקטיבית

• קרינת אלפא - קרינה חיובית של גרעין הליום המורכב משני פרוטונים ושני נייטרונים.
• קרינת בטא - פליטת אלקטרון (בטא מינוס) או פוזיטרון (בטא פלוס).
• קרינת גמא - קרינה אלקטרומגנטית (פוטון), באנרגיה גבוהה.
• פליטת נייטרון - חלוקה של גרעין אב לזוג גרעינים צאצאים קלים יותר תוך פליטה של ניטרון אחד או יותר.
• פליטת צבר (Cluster decay) - פליטה של גרעין המורכב מפרוטונים ונייטרונים בצירוף כלשהו.

מקורות הקרינה הרדיואקטיבית

קרינת רקע טבעית

כדור הארץ והיצורים השוכנים בו נחשפים באופן קבוע לקרינה מהחלל. חלקיקים טעונים מהשמש והכוכבים מגיבים על המפגש עם האטמוספירה והשדה המגנטי של כדור הארץ במטר של קרינה, בדרך־כלל קרינת בטא וגמא. כמויות הקרינה באזורים שונים, משתנות על־פי ההבדלים בגובה ובשדה המגנטי.

חומרים רדיואקטיביים מצויים באופן טבעי באדמה, במים ובצמחיה. מקצתם נספגים בגוף מהאוכל (למשל, בננה מכילה אשלגן, חלק מן האטומים שלו הם איזוטופים רדיואקטיביים) והמים, או מהאוויר במקרה של הגז רדון, מבלי לגרום נזקים משמעותיים.

מקורות קרינה מעשי ידי אדם

הנזק שנגרם לתאים נמדד בסיוורט (Sievert) או בקיצור - Sv. הסיוורט הוא יחידה גדולה למדי ולכן נהוג לעבוד עם מיליסיוורט (mSv) או מיקרוסיוורט. בממוצע כל אדם סופג כ־2.4 מיליסיוורט לשנה (240 מיליראם לשנה), ערך הנע בין 0.2–10 מיליסיוורט בתלות במקום מגוריו והרגליו. מתוכם, כ־0.4 מיליסיוורט מקורם בקרינה קוסמית, 0.4 מיליסיוורט ממקורות קרינה ארציים, 1.2 מיליסיוורט משאיפת גזים רדיואקטיביים (בעיקר רדון) ו־0.3 מיליסיוורט ממזון. מקורות טבעיים תורמים כ־1.8 מיליסיוורט (80%) משיעור הקרינה הנספגת בשנה ויתר ה־20% נתרמים ממקורות קרינה מלאכותיים. בתוכם, כ־0.3 מיליסיוורט לשנה בממוצע נתרמים משימושים רפואיים של קרינה, כגון: צילומי רנטגן, רפואה גרעינית והקרנות. בין מקורות הקרינה המלאכותיים הנוספים ניתן למנות טלוויזיות, גלאי עשן וחלק מהתצוגות הזוהרות לשעונים ומדידים אחרים.

עובדים המטפלים בדלק גרעיני, לרבות כרייה, עיבוד, ניצול (למשל בכורים גרעיניים) וטיפול בדלק משומש, נחשפים לכ־1.8 מיליסיוורט לשנה בממוצע. גם עובדים במכונים אונקולוגיים, מעבדות למחקר גרעיני וחיילים המוצבים בצוללות ובספינות גרעיניות נחשפים לקרינה בשיעור נמוך יותר בממוצע. החשיפה של עובדים אלה לקרינה מנוטרת באמצעות מד מינון קרינה (דוזימטר). אנשי צוות אוויר נחשפים לכ־3 מיליסיוורט לשנה בממוצע, בשל שיעור מוגבר של חשיפה לקרינה קוסמית.

השפעות הקרינה על אנשים

ערך מורחב – תסמונת קרינה חריפה

מחקרים רבים ומפורטים שנערכו על ניצולי ההפצצות בהירושימה ונגסאקי מראים כי נזקי הקרינה קטנים בהרבה מהמקובל לחשוב. נמצא, כי אצל אנשים שנחשפו לכמות יחסית גבוהה מאוד של 1 סיוורט (1000 מיליסיוורט), תוחלת החיים קטנה בממוצע ב־1.3 שנים, והסיכון לאורך זמן לפתח סרטן היה גבוה ב־5% משאר האוכלוסייה, בעוד החשיפה השנתית הממוצעת לקרינה טבעית ומלאכותית (כולל צילומים רפואיים) עומדת על מיליסיוורטים בודדים.

קרינה בעוצמה של 6 סיוורט נחשבת לקטלנית.

מקובל לחשוב על ההשפעות הביולוגיות של קרינה במידת השפעתם על תאים חיים. השפעתה של חשיפה מזערית לקרינה היא זניחה ולא ניתן לזהותה. לגוף האדם מנגנוני הגנה כנגד סוגים שונים של נזק כתוצאה מקרינה כמו אף חומרים כימיים מסרטנים. ייתכנו שלוש תוצאות לקרינה על תאים:

• תאים שניזוקו מתקנים את עצמם, וכתוצאה אין נזק שיורי.
• תאים שניזוקו מתים, בדומה למיליוני תאים אחרים שמתים מדי יום ומוחלפים בתהליכים ביולוגיים רגילים.
• תאים מתקנים את עצמם בצורה שגויה ובכך גורמים לשינוי ביופיזיקלי.

הקשר בין חשיפה לקרינה והתפתחות סרטן מבוססים בעיקר על אוכלוסיות שנחשפו לכמויות גבוהות יחסית של קרינה מייננת (לדוגמה: ניצולים מן הפצצות האטומיות שהוטלו על יפן ואנשים שעברו טיפולים רפואיים לצורך אבחון או ריפוי). באמצעות רדיותרפיה ניתן לרפא סוגי סרטן רלוונטיים על ידי שימוש בכמויות גדולות של קרינה כגון לוקמיה, סרטן השד, סרטן הכבד, סרטן הריאות וכו'.
התקופה שבין החשיפה לקרינה וגילוי הסרטן ידועה כ"תקופה רדומה". סוגי סרטן אלו היכולים להתפתח כתוצאה מחשיפה לקרינה אינם שונים מאלו הקורים באופן טבעי, או כתוצאה מחשיפה לחומרים מסרטנים.

כמות קרינה גבוהה הורגת תאים, בעוד שכמות נמוכה גורמת לנזק או אף לשינויים בקוד הגנטי (DNA) של התאים המוקרנים שלעיתים ניתן לתקנם. כמויות גדולות של קרינה יכולות להרוג כמות כזו של תאים שהרקמות והאיברים נפגעים מיד. כתוצאה נגרמת תגובה חריפה של הגוף הקרויה תסמונת קרינה חריפה. קיים יחס ישיר בין כמות הקרינה והמהירות בה יופיעו סימני הקרינה, והסיכון למוות. תסמונת זו אובחנה ברבים מניצולי ההפצצות על הירושימה ועל נגסאקי ב־1945 ובעובדי ההצלה שטיפלו בתאונה בכור הגרעיני באסון צ'רנוביל. 134 עובדים בכור וכבאים נחשפו למנות קרינה גבוהות וסבלו מתסמונת קרינה חריפה, 28 מהם מתו ממנה.

מדידת קרינה

כמות הרדיואקטיביות בדגימה נתונה של איזוטופ מבוטאת כיום ביחידה הקרויה בקרל (Bq). מידה זו החליפה את המידה קירי (Ci). הבקרל מבטא קצב התפרקות אטום לשנייה והוא יחידה זעירה במיוחד בהתפרקויות גדולות. לפיכך, נוהגים לבטא רדיואקטיביות במונחי פטא־בקרל ואף אקסה־בקרל לתיאור כמות הרדיואקטיביות עקב פיצוץ אטומי.
כמות הקרינה הנספגת בגוף נמדדת ביחידות הקרויות גריי (Gray) או בקיצור - Gy. גריי אחד שווה ערך לג'אול אחד שנספג בק"ג אחד.
מנת קרינה של גריי אחד של קרינת בטא, קרינת גמא או קרינת רנטגן גורמת נזק של סיוורט אחד. מנת גריי אחת של קרינת אלפא גורמת נזק של 20 סיוורט. בארצות הברית ובארץ נהוג עדיין להשתמש ביחידה הקרוי ראם (Rem) או במילי־ראם במקום בסיוורט. סיוורט אחד שווה ערך ל־100 ראם.

הקרינה ניתנת לאיתור באמצעות מד קרינה (מונה מבוסס גייגר) או מד מינון קרינה (דוזימטר).

מודל מתמטי של דעיכה רדיואקטיבית

ההתפרקות הרדיואקטיבית היא תופעה קוונטית בעיקרה ולכן הסתברותית. כלומר: אי אפשר לדעת מתי בדיוק יתפרק חלקיק מסוים אך אפשר לדעת מה ההסתברות שלו להתפרק בכל זמן נתון. זמן ההתפרקות של חלקיק הוא משתנה מקרי T המתפלג מעריכית עם קבוע דעיכה $\lambda$ האופייני לחלקיק ושניתן לחשבו באמצעות מכניקת הקוונטים. אחד חלקי קבוע הדעיכה ($1/\lambda$), הוא זמן החיים הממוצע של חלקיק בודד, או תוחלת החיים שלו. פרמטר שקול לכך, שיותר קל למדוד בניסוי, הוא זמן מחצית החיים שנתון על ידי $\ln(2)/\lambda$: זהו הזמן שבו מחצית מהחלקיקים במדגם יתפרקו. ניתן לראות מהמשוואה שהוא אינו תלוי בריכוז החומר הדועך, אלא בקבוע הדעיכה בלבד - חומר בריכוזים שונים יהיה בעל אותו זמן מחצית חיים.

זמן מחצית החיים של דעיכה רדיואקטיבית תואם למשוואת קצב מסדר ראשון, כלומר להבדיל מזמן מחצית החיים שלא תלוי בריכוז, הדעיכה הרדיואקטיבית תלויה בריכוז החומר.

מאחר שתיאור הדעיכה המעריכית הוא הסתברותי, הוא שימושי ביותר דווקא עבור מדגמים סטטיסטיים המכילים מספר רב של חלקיקים (למשל: מספר אבוגדרו של נייטרונים), ואז גודל המדגם בזמן t כלשהו נתון על ידי

$\ N(t)=N_{0}\exp(-\lambda t)=N_{0}e^{-\lambda t}$

כאשר N₀ הוא המספר ההתחלתי של חלקיקים במדגם.

התנהגות זו היא הבסיס לשיטות תיארוך ארכאולוגיות וגאולוגיות באמצעות מדידות דעיכה של איזוטופים רדיואקטיביים מתאימים שונים. לדוגמה, בארכאולוגיה מקובל מאוד השימוש בפחמן 14, שהוא איזוטופ רדיואקטיבי של פחמן.

ראו גם

• לוגול
• רדיואקולוגיה

קישורים חיצוניים

• רן לוי, על רדיואקטיביות ומחלת קרינה, באתר "עושים היסטוריה" (שידור של הפודקאסט וטקסט מלא שלו)
• מהי רדיואקטיביות? שיעור אינטראקטיבי באתר "לרגו".
• science/decay-rate רדיואקטיביות, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• רדיואקטיביות, דף שער בספרייה הלאומית