Radioaktivita kolem nás a v nás

V posledních dnech se o radioaktivitě hodně mluví, tak se na ni pojďme podívat zblízka.

Pojem radioaktivita poprvé použila dvojnásobná držitelka Nobelovy ceny Maria Curie-Skłodowska: jde o proces samovolné přeměny jádra nestabilního izotopu na jádro jiné, přičemž tento proces je doprovázen zářením. Už z této definice je zřejmé, že v úvodu článku bude nutné vrátit se zpátky do školy, protože bez vysvětlení některých věcí bychom se daleko nedostali.

Identita chemického prvku je dána počtem protonů v jádře atomu. Tak např. draslík má 19 protonů, proto je to draslík – kdyby jich měl 20, nebyl by to draslík, ale vápník, atd. Kromě toho však mohou existovat různé izotopy jednotlivých prvků – odlišnost spočívá v počtu neutronů v jádře. Izotopy se označují tzv. hmotnostním číslem, což je součet počtu protonů a neutronů. Tak např. zlato: v přírodě se přirozeně vyskytuje pouze jediný stabilní izotop, a to 197Au. Jeho jádro má 79 protonů a 118 neutronů. Jiným stabilním prvkem je stříbro, které se však v přírodě vyskytuje ve dvou různých izotopech: 107Ag a 109Ag. Jádro stříbra tedy obsahuje vždy 47 protonů, ale podle typu izotopu 60 nebo 62 neutronů.

Protonové číslo není nutné uvádět, a také se to obvykle nedělá, protože vyplývá z názvu prvku. V textu dále budu pro izotopy používat hmotnostní číslo ve tvaru označení „40K“, protože mi editor neumožňuje použít horní index, jak by to správně mělo být.

Atomy, respektive izotopy většiny chemických prvků, které tvoří svět okolo nás i nás samotné, jsou stabilní. Nicméně některé izotopy (vyskytující se přirozeně v přírodě anebo umělé – připravené člověkem) jsou nestabilní a rozpadají se za vzniku jádra jiného a uvolnění záření. Existuje několik typů tohoto rozpadu.

1/ Alfa – jádro atomu emituje (vyzáří) alfa částici, což je vlastně jádro helia. Toto záření lze vzhledem k relativně velkým částicím a elektrickému náboji snadno odstínit (stačí např. list papíru), jedná se však o zdravotně nejrizikovější typ. Pokud totiž působí přímo na tkáně (např. při vdechnutí na plicní epitel), má nejvyšší destrukční potenciál. Alfa zářiči jsou např. izotopy uranu, radium, plyn radon, thorium aj.

2/ Beta – jádro atomu emituje (vyzáří) beta částici (buď záporně nabitý negatron – typ beta plus, nebo kladně nabitý pozitron – typ beta minus). Je pronikavější než záření alfa, odstíní jej např.  přibližně 1 mm silná vrstva olova. Beta zářičem je např. po černobylské katastrofě uniklý izotop stroncia 90Sr.

3/ Záchyt elektronu – proton v jádře zachytí elektron k jádru nejbližší a přemění se na neutron za vzniku prvku o jedno protonové číslo menší. Tato přeměna je doprovázena charakteristickým rentgenovým (X) a gama zářením.

Gama záření je významným typem ionizujícího záření: jde o elektromagnetické vlnění, které na rozdíl od výše zmíněných typů záření alfa a beta nemá elektrický náboj. Obvykle doprovází beta rozpad a elektronový záchyt. Je velmi pronikavé, pro odstínění se používají kovy o vysoké hustotě, např. silné stěny z olova. Gama zářičem je např. po Černobylské havárii uniklý izotop cesia 137Cs.

Alfa, beta i gama záření lze měřit, nejsnáze měřitelné je však gama záření, které lze měřit na polovodičových detektorech.

Naprosto klíčovou charakteristikou radioaktivních izotopů je poločas rozpadu. To je doba, za kterou se rozpadne polovina atomů radioaktivních izotopů z původního množství. Např. máme-li v daném okamžiku milión atomů izotopu s poločasem rozpadu 1 hodina, za jednu hodinu z původního množství atomů zbude 500 000, za dvě hodiny už jen 250 000, za tři hodiny 125 000, za 4 hodiny 62 500 atomů, atd. Jako doba  vymření daného izotopu se bere v praxi čas odpovídající 10 poločasům rozpadu (jedno promile původní aktivity), v tomto případě by to tedy bylo 10 hodin. Poločasy rozpadů různých izotopů se pohybují ve velmi širokém rozmezí, od nepatrného okamžiku po miliardy let.

Tady se dostáváme k doposud neobjasněné záhadě. Stanovené poločasy rozpadů platí, pokud máme větší množství atomů daného izotopu pohromadě. Pokud bychom si však představili jediný atom nějakého radioaktivního izotopu, nejsme schopni říci, kdy se rozpadne. Pokud by to byl např. atom izotopu uranu 238, který má poločas rozpadu 4,468 miliard let, může se rozpadnout ještě dnes, ale také třeba až za 20 miliard let (je to statistický proces). Je to krásný příklad nepředvídatelnosti a fyzici pro tento jev doposud nemají vysvětlení.

A jak je to tedy s radioaktivitou okolo nás a v nás?

V životním prostředí se přirozeně vyskytují některé prvky, které jsou radioaktivní. Nejvýznamnějšími jsou nejtěžší prvky jako uran (izotopy uranu 238U a 235U a produkty jejich rozpadu), thorium (izotop 232Th a produkty jeho rozpadu) a potom i některé lehčí prvky jako draslík, respektive jeho izotop 40K, nebo rubidium (izotop 87Rb). Dále sem patří, i když oproti výše zmíněným mají jen nepatrný význam, radioaktivní izotopy, které vznikají interakcí horních vrstev atmosféry s kosmickým zářením, např. izotop uhlíku 14C.

Uran, thorium a draslík jsou přirozenou součástí hornin, ze kterých zvětrávacími procesy více či méně „mobilizují“ a přecházejí do různých složek životního prostředí.  Izotopy 238U, 235U a 232Th jsou mateřskými prvky rozpadových řad, tj. produktem rozpadu jejich jádra je kaskáda produktů různých typů přeměny, přičemž konečným produktem jsou stabilní izotopy olova 206Pb, 207Pb a 208Pb. Pokud budeme mít např. vzorek uranové rudy, budou v něm přítomny, v různém zastoupení, všechny členy rozpadové řady izotopů 238U a 235U.

Rozpadová řada 238U. Uran 238 se přeměňuje (alfa) na thorium 234Th, které se přemění (beta) na 234 protaktinium (234Pa) atd. Celý proces končí u olova 206, které je stabilní. (N – počet neutronů, Z – počet protonů). Upraveno podle Wikipedie.

Jiná situace je v případě draslíku. Draslík je biogenní prvek, který je v přírodě z větší části zastoupen izotopem 39K. Ovšem jen málo lidí ví, že 0,012 % celkového draslíku tvoří izotop 40K, který je radioaktivní. Jde o beta rozpad a současně i  přeměnu elektronovým záchytem, kterážto přeměna je doprovázena pronikavým gama zářením s energií 1461 keV. Poločas rozpadu 40K je 1,3 miliard let, přičemž produkty rozpadu jsou dva – stabilní vápník 40Ca a argon 40Ar.

Převzato z Wikipedie.

Z výše uvedeného vyplývá, že naše okolní prostředí včetně nás samotných je prostoupeno radioaktivitou. Radioaktivní prvky jsou primárně obsažené v horninách. Nejvyšší radioaktivitu mají horniny jako jsou žuly, které jsou bohaté na draslík, uran i thorium. Jak je vidět z mapy aktivity geologického podloží v České republice, nejvyšší aktivity byl zjištěny v oblasti třebíčského masivu a středočeského plutonického komplexu. Naopak nízkou aktivitu mají např. sedimenty v Barrandienu nebo ultrabazické horniny mariánsko-lázeňského komplexu.

Radioaktivita hornin v ČR vyjádřená hodnotami dávkového příkonu (nGy/h). Hodnoty příkonů se v rámci našeho území výrazně liší. Podobné rozdíly lze pozorovat i v rámci Evropy, vysoký dávkový příkon má např. geologické podloží ve Skandinávii. (Kukal a Reichmann 2000)

Gama spektrum běžné horniny (diorit) s patrnými linkami produktů rozpadu uranu, thoria a draslíku 40K (1461 keV). Podobný záznam vznikne proměřením gama spektra prakticky všech typů hornin.

S geologickým podložím také souvisí tzv. radonové riziko. Radon je plynný produkt rozpadu izotopu uranu a thoria. Uniká z geologického prostředí a jeho nadměrné vdechování je zdraví škodlivé, protože je to alfa zářič; obecně je však radon přirozeným a všudypřítomným plynem.

Mapa radonového rizika pro okresy v České republice v nejrizikovějších místech přibližně koreluje s mapou aktivity geologického podloží (viz výše) a navíc jsou rizikovými okresy i místa s významnými ložisky uranu (Příbramsko, Jáchymovsko, oblast Žďáru n. S.). (Kukal a Reichmann 2000)

Naše těla jsou také nezanedbatelně radioaktivní. Ve velmi nízkých koncentracích bychom ve všech jejich částech nalezli uran i thorium, dominantní je však pochopitelně draslík 40. Zaměstnanci Ústavu jaderné fyziky AV ČR, kteří pracují s radioaktivitou, musí jedenkrát ročně podstoupit celotělové vyšetření, jehož cílem je zjistit, zda nejsou vnitřně kontaminování nějakými radioaktivními izotopy. Měření gama záření musí probíhat v dobře odstíněné komoře, aby byla potlačena radioaktivita okolního prostředí.

Box pro měření radioaktivity lidského těla, ÚJV Řež, a.s. Po položení na vytvarované lehátko se detektor gama záření posune nad břišní oblast měřené osoby. Celotělové vyšetření probíhá v obrovském „trezoru“ (výše) gama detektorem nastaveným nad břicho sledované osoby (to je ten stříbrný válec), přičemž výsledkem je záznam, jaký vidíte na obrázku níže.

Konkrétně jde o měření mého vlastního těla z jara 2010 – jediným zjištěným píkem je čára od draslíku 40K. Termínem pozadí se nemíní pozadí měřeného autora tohoto textu (!!!), nýbrž pozadí záznamu detektoru : )

Kromě toho se však dnes v životním prostředí vyskytují některé umělé radioizotopy, které se uvolnily do prostředí při testech jaderných zbraní anebo při haváriích jaderných reaktorů. Nejznámější je zřejmě cesium 137Cs s poločasem rozpadu 30,17 let, které se ve větším množství uvolnilo při černobylské havárii a kontaminovalo – mimo jiné – prakticky celou Evropu a bylo také původcem zvýšené radioaktivity hub (ale o tom někdy jindy).

Jódová hysterie

V případě současných problémů v Japonsku (a stejně tak tomu bylo i v Černobylu) hraje významnou roli i radioaktivní jód, konkrétně beta zářič jód 131I s poločasem rozpadu přibližně 8 dní. Jód je součástí hormonů, které vylučuje štítná žláza. Zdrojem jódu (stabilním izotopem je jód 127I) jsou hlavně mořské plody, a proto mají zejména vnitrozemské populace relativní nedostatek tohoto prvku. Pokud při jaderné havárii dojde k úniku radioaktivního izotopu 131I (a dalšího radioizotopu 129I, sice s menší aktivitou, ale zato dlouhodobého – poločas 15,7 milionu let), tělo jej považuje za stabilní jód, ochotně jej přijímá a hromadí ve štítné žláze. Přestože jde o relativně krátkodobý izotop, který během 80 dní prakticky vymře, u zasažených osob může dojít k vyvolání rakoviny štítné žlázy. Jodové tablety tedy nechrání před "radioaktivitou" jako takovou, jak se teď hojně psalo v tisku, avšak zasycují tělo neaktivním jódem (tím správným), což vede k tomu, že radioaktivní jód je organismem brzy vyloučen, nehromadí se v něm a nemůže významně škodit. Z dalších radioaktivních zplodin štěpení jako příklad možno uvést dlouhodobé čisté beta zářiče technecium 99Tc (poločas 213 tisíc let) a stroncium 90Sr (poločas 28,5 let).

Naše země je od Japonska dostatečně daleko, takže nám zasažení radioaktivním jódem ani jinými radionuklidy nehrozí. Je zajímavý paradox, že každý, kdo požil jódové tablety jako ochranu před "radioaktivitou" (to, co tělo dospělého člověka denně potřebuje, je asi 100 mikrogramů jódu, zbytek tělo vyloučí), tak vlastně zbytečně vystavil své tělo účinku radioaktivního draslíku 40K, protože jodové tablety nejsou nic jiného než jodid draselný. To pochopitelně nemá na organismus negativní vliv, ale je to celkem úsměvné... A pokud trpíte panickým strachem před radioaktivitou, vyhýbejte se bankám – noblesní obložení jejich budov naleštěnými žulovými deskami září do daleka (v tomto smyslu je např. český mramor opravdový beránek).

Účelem tohoto článku nebylo zlehčovat japonský průšvih. Avšak měl by být odpovědí na některé hysterické projevy, které tu a tam zaznívají od lidí, kteří ani netuší, jak jejich vlastní těla a domovy pestře "radioaktivně září". Závěrem bych chtěl vyjádřit svůj obdiv předsedkyni Státního úřadu pro jadernou bezpečnost Daně Drábové za úžasnou profesionalitu, s jakou vystupuje v posledních dnech v médiích. Kéž bychom takových lidí měli v naší zemi víc...

Použitá literatura: Kukal Z., Reichmann F. (2000): Horninové prostředí České republiky – jeho stav a ochrana. Český geologický ústav, Praha, 192 p.