Radyoaktivitenin Canlılar Üzerindeki Etkisi
Atom: Elementin tüm özelliklerini gösteren en küçük yapı taşıdır. Yunanlı filozofların, tüm maddelerin bölünmeyen yapıtaşları ndan oluştuğunu ilk olarak öne sürdükleri zamandan bu yana atomların fiziksel yapısı hakkında pek çok şey öğrenildi. Şimdiyse, atomların bölünemez olmadığı, fakat çok sayıda farklı küçük parçacıklardan (atom altı parçacıklar) ve epeyce de boş yerlerden oluşan karmaşık bir iç yapıya sahip olduğunu biliyoruz.
Protonlar: Çekirdekte bulunan pozitif yüklü parçacıklardır. Protonların sayısı (atom numarası) elementi belirler. Proton ve elektronların sayısı eşit olduğu için atomlar elektriksel olarak yüksüzdür. Protonların kütlesi yaklaşık olarak elektronunkinin 1836 katıdır. Nötronlar: Çekirdekte bulunan yükü olmayan parçacıklardır. Aynı elementin atomlarındaki nötron sayıları farklı olabilir. Nötronların kütlesi yaklaşık olarak elektronunkinin 1840 katıdır. Elektron: Negatif yüklü ve çok küçük kütleli parçacıklar. Çekirdek etrafındaki elektron kabuklarında hareket ederler. Elektron kabukları, çekirdek etrafında yer alan, elektronların bulunduğu bölgedir.
Kütle Numarası (A): Çekirdekteki protonların ve nötronların toplam sayısı. Atom numarası (Z): Çekirdekteki protonların sayısıdır. Nötron sayısı (N): Çekirdekteki nötronların sayısıdır. <kütle numarasından atom numarasını çıkararak bulunur. ( N=A-Z) Örnek: 12 C 6 Kütle Numarası Atom Numarası Nötron sayısı: N=A-Z =12-6= 6 23 11 Na Nötron sayısı: N=A-Z =23-11= 12
İzotop Atom: Çekirdekteki proton sayıları aynı nötron sayıları farklı, kimyasal özellikleri aynı, fiziksel özellikleri farklı olan atomlardır. İzotop atomların atom numaraları aynı, kütle numaraları faklıdır. 35 37 Örneğin:, 17Cl 17Cl :İzotop Doğada çok az miktarda radyoaktif izotop, kısaca radyoizotop bulunur. Örnek olarak Uranyum-235, Radyum-226, Potasyum-40, Rubidyum-87 ve Karbon-14 verilebilir. Tıp, endüstri, tarım ve bilimsel araştırmalarda kullanılan radyoizotopların çoğu doğal değildir. Bu radyoizotoplara yapay izotoplardır. Yapay radyoizotoplar: 1. Nükleer reaktörlerde nötron bombardımanıyla, 2. Hızlandırıcılardaki çarpışmalarla, 3. Fizyon reaksiyonları sonucunda bölünme ile elde edilir.
Atom çekirdeğindeki proton ve nötron sayıları eşit olmayan atomlar kararsız elementleri oluşturur. Kararsızlık derecesi, nötron ve proton sayısı arasındaki farkla artar. Örnek: İyot(I) Nötron Sayısı = 76 Proton Sayısı = 54 Bakır (Cu) Nötron Sayısı = 35 İyot bakırdan daha kararsızdır. Proton Sayısı = 30
Kararsız elementlerin çekirdekleri daha kararlı bir hale gelebilmek için her hangi bir dış etki olmadan bir parçacık yayarak bozunabilirler. Bu tür elementlere radyoaktif element denir. Radyoaktivite ise bu kararsız elementlerin atom çekirdeğinden çıkan parçacık ya da enerji ışımasına verilen isimdir. Işıma atom çekirdeğinden çıkan parçacığa bağlı olarak üç şekilde olabilir: Alfa (α), Beta (β) ve Gamma (γ) ışımasıdır. Bu parçacıkların tümü içinden geçtikleri maddenin atomlarını iyonlaştırma yani atomları etkileşerek onların elektronlarını koparma ve atomları elektrikle yükleme özelliğine sahiptir. Bu parçacıkların canlılar üzerindeki etkilerinin şiddeti ve etki süresi ise iyonlaştırma derecelerine bağlı olarak değişir.
Alfa parçacıkları iki proton ve iki nötrondan oluşan 4 bir ( ) atomunun çekirdeğinden başka bir şey 2 He olmayıp, atom numarası 80 den daha yüksek olan atomların çekirdeklerinin bozulması sırasında saçılırlar. Bir çekirdek bir alfa parçası yaydığında, iki proton ve iki nötronunu kaybederek ve dolayısıyla kütle numarası 4 azalır. Örnek: 238 234 U Th 92 90 4 2 He U dan 4 MeV civarındadır. 238 234 Th ye alfa bozulmasının enerjisi
Alfa parçacığı madde içerisinde çok yüksek derecede iyonizasyona neden olur. Bu nedenle alfa parçacıkları ciddi zarara neden olabilir. Fakat madde içerisinde çok fazla derinlere ilerleyemezler. Bir alfa parçacığı bir kağıt parçası ile kolayca durdurulur ve havada bile hemen soğrulur ve 6 cm den daha fazla yol almaz.
Beta bozulması, bir elektron veya bir pozitron yayınlaması ya da bir elektron yakalanması olmak üzere üç şekilde olur. Beta bozunma türlerine şu reaksiyonlar örnek olarak verilebilir: Elektron yayılımı Pozitron yayılımı n H Elektron yakalanması 64 64 29Cu e 28Ni e :Elektron, :Pozitron, :Antinötrino, :Nötrino 1 0 11 6 1 1 C 11 5Be e e e
Beta parçacığı bir elektron ya da bir pozitrondur ve bu nedenle alfa parçacıkları ile kıyaslandığında çok daha küçük bir kütleye sahiptirler ve elektron ya da pozitron olmalarına bağlı olarak ±e yüke saniptir. Bir alfa parçacığından çok daha az iyonizasyon yaratır. Beta parçacıkları hava içinde soğrulmadan uzun bir süre ilerleyebilir, fakat ince bir alüminyum levha ile durdurulabilir.
Gamma ışınları gözle görülmeyen elektromanyetik dalgalardır. Girme gücü çok yüksek olan bu parçacıklar, her zaman olmasa da çoğu zaman, radyoaktif bir çekirdekten bir alfa veya beta parçacığından sonra yayılır. Gamma ışıması sonucunda çekirdeğin atom ve kütle numarasında bir değişme olmaz.
Gamma ışınları elektriksel olarak yüksüz olduklarından doğrudan iyonlaştırıcı değildir, fakat oluştukları elektronlar iyonlaştırmayı yaparlar. Gamma ışınlarının etki gücü çok yüksektir. Beta ışınları göre kat daha fazla nüfuz etme özelliğine sahiptirler. Gamma ışınları birkaç santimetre kalınlığındaki kurşundan geçebilir.
Radyasyonun ne kadar etki olduğunu görmek için canlı dokular üzerindeki etkilerini incelemek gerekmektedir. Canlı dokuların fonksiyonları moleküller tarafından kontrol edilir. Moleküller farklı tiplerde atomların birbirlerine kimyasal bağlanması ile oluşur. Bu moleküllerin gerektiği gibi fonksiyonlarını yerine getirmesi bileşimlerine ve yapılarına bağlıdır. Kimyasal değişiklik molekül yapısının bileşimini değiştirir. İyonlaştırıcı radyasyon bunu yapmak için yeterince güçlüdür. İnsan vücudu çoğunlukla karbon, hidrojen, oksijen ve azotun oluşturduğu atom yığınından oluşmuştur. Vücudumuzdaki en yaygın molekül ise su molekülüdür ve içerisindeki şeker, yağ, protein ve genetik kod molekülünün (DNA) taşır.
Bu moleküllerden bazıları oldukça karmaşıktır ve yüzlerce hatta milyonlarca atomdan oluşmuştur. Radyasyon, atomların sahip olduğu elektronların bazılarının atomdan uzaklaştırılması ile vücudumuzdaki hücrelere etki eder. Yüksek hızlı nükleer parçacıklar ve gamma ışınları kolayca elektronların bağlı oldukları atomlardan uzaklaştırılmasına neden olabilir. Bu olaya iyonlaştırma adı verilir ve iyonlaştırma sonucunda elektronik olarak yüksüz atomlar yüklü iyonlara dönüşürler. İyonizasyonun verdiği zarar organik maddelerde ve yaşayan dokularda kalıcıdır. Bu durumda kaybedilen elektronların yer almış olduğu bağlardaki zayıflama nedeniyle moleküllerde bozulmalar gözlenebilir. Kimyasal olarak bozulmuş olan moleküller, yeni bir kimyasal molekül oluşturmak üzere başka moleküllerle birleşebilir.
Moleküllerin bu bozulma ve yeniden düzenlenme işlemi, iyonlaştırıcı ışınların biyolojik etkiler doğurması ile sonuçlanır. Çoğu durumda, canlı doku bu tip değişmelerle zarar görmeden kalır, çünkü hücre içerisindeki çok sayıda yer alan moleküller için birkaç molekülün yapısının bozulması ya da yeni bir molekül dönüşmesi çok küçük bir etkidir. Yaşayan bir hücre aynı zamanda yapısındaki bozuklukları onarmak için yeterince kaynağa sahiptir. Asıl tehlike, hücrenin yapması gereken fonksiyonlarında kilit rol oynayan ender moleküller zarar gördüğünde ortaya çıkar. Örneğin DNA molekülünde oluşacak olan bir hasar, hücrenin ölümüne ya da genetik bir bozukluğun gelecek kuşaklara geçmesine neden olur.
DNA yapısındaki bir bozukluk hücre bölünmesinin kontrolünün kaybolmasına ve hücrenin kontrolsüz olarak çoğalmasına neden olur. Bunun sonucunda oluşan genetik etkilerin ortaya çıkması ise sonraki nesillerde olabilir.
Ne kadar radyasyon bu etkileri yaratmak için yeterlidir? İyonlaştırıcı radyasyonun insanlar üzerindeki biyolojik etkisi Rem ya da Sievert(Sv) birimiyle ölçülmektedir. 1Sv = 100 rem Rem, x ışınlarının 1 rad ına eşit olan, insanoğlunda biyolojik etkiler yaratan radyasyondan kaynaklanan dozdur. Rad, 1 gram dokuda 100 erg enerjinin depo edildiği dozdur. 1 Gray =100 rad 1 Becquerel: saniyede bir bozunum gösteren radyoaktif maddenin aktivitesidir. Gamma ya da x-ışını, madde içerisinde derinlere ilerleyebilme özelliklerine sahip olduklarından, ilerledikleri yol boyunca iyonlaşmış alanlar bırakırlar. Yüksek enerjili bir elektron ise (1 MeV) çok hafif bir parçacık olduğu için madde içinde benzer şekilde davranırlar.
Alfa parçacıkları ise çok daha ağırdır ve bu nedenle nispeten çok daha yavaş hareket eder. Yüklü bir parçacık olduğundan daha büyük elektrik kuvvetleri yaratır. Sonuç olarak küçük bir bölgede fazla sayıda iyonlaşmış atom oluşturur ve bu nedenle gamma ya da beta ışımasının 1 rad ı 1 rem lik etki yaratırken, alfa ışımasının 1 rad ı 10 rem radyasyona neden olur. Radyasyonun etkileri iki grupta incelenebilir: Çok ağır dozların kısa süre sonra ortaya çıkardığı kısa zamanlı etkiler ve daha az dozların neden olduğu uzun zamanlı etkiler. Uzun zamanlı etkiler çeşitli kanser tipleri, özellikle kan kanseri ve çok uzun yıllar sonra ortaya çıkan genetik etkilere neden olur.
Kısa zamanlı etkiler birkaç saat içinde belirtilerini göstermeye başlar ve bu ağır dozların sonucu görülen etkiler radyasyon hastalığı olarak adlandırılır. Radyasyon hastalığı hakkındaki bilgilerimiz, nükleer silah ve nükleer kaza kurbanlarından kaynaklanmaktadır. Radyasyon hastalığı, hücre zarlarına büyük ölçüde zarar verir ve iç kanamaya, ağır anemiye ve ciddi olarak enfeksiyona karşı vücudun çok küçük dirençte olmasına neden olur. 1000 rem den daha fazla gamma ışını alanlar Hiroşima da bir hafta içinde öldüler. 700 rem gamma ışını almış olanlar 2 ay içinde öldüler. 300 rem civarında radyasyon almış kişiler ise ciddi radyasyon hastalığına sahip olsalardı yaşam kalma şansları vardır.
200 rem in altındaki dozlar ise uzun süreli hastalığa özellikle anemiye neden olacaktır. 100 rem aşağısında ise radyasyon hastalığının, uzun vadede sağlık tehlikeleri ile karşı karşıya kaşınması dışında belirgin semptomları yoktur. 1989 yılındaki Çernobil felaketi 203 çalışanı radyasyon hastalığına sahip olmasına neden oldu. 48 kişinin derilerinin % 90 dan daha fazlası yandı. Kazanın oluştuğu alanın 30 km çapı içerisinde yer alan 135 000 kişi bu alandan acilen uzaklaştırıldı. Bu kişilerde akut radyasyon sendromu görülmemiş olsa da 700 kanserden öldü. Kanser nedeni ölümlerin sayısının her geçen yıl artacağı beklenmektedir.
Son zamanlarda yapılan araştırmalar ise nükleer santrallerin yakınında yaşayanlarda görülen % 400 lük kanser vakası artışları, normal olmayan doğumlar, yaygın lösemi hastalıklarının alçak dozdaki radyasyondan kaynaklandığı sonucuna varmıştır. Bu da alçak dozdaki radyasyonun zararsız olduğu düşüncesinin doğru olmadığı kanıtlamaktadır.
Radyoaktivitenin Kullanım Alanları Radyoizotoplardan yayılan ışınımın, başta tıp, endüstri ve arkeolojik araştırmalar olmak üzere geniş kullanım alanları vardır. Radyoloji: Radyoaktivitenin ve x-ışınlarının özellikle tıpta kullanımı yönünden incelendiği çalışma alanı. Radyoterapi: Hastalıkları tedavi etmek için radyoizotoplardan yayılan ışınıma duyarlıdır. Bu nedenle, dikkatlice kontrol edilen ışınım dozlarını kullanarak kötü huylu (kanser) hücreleri yok etmek mümkündür.
Radyoaktif izleme: Bir cismin içinden geçen bir maddenin yolunu izleme ve yoğunluğunu saptama yöntemidir. Bu, söz konusu maddeye bir radyoizotop ekleyerek ve bu izotopun yaydığı ışınım izleyerek yapılır. Kullanılan radyoizotopa izleyici denir; içine konduğu maddenin de işaretlenmiş olduğu söylenir. Tıbbi tanı konarken, radyoizotopun bir organda yüksek düzeyde oluşu, kötü huylu (kanser) hücrelerinin varlığını gösterebilir. Kullanılan radyoizotoplar genellikle çok kısa bir yarı ömre sahiptir ve zararsız maddelere bozulur.
Işınlama: meyve ve et gibi besinlerin gamma ışınlarına maruz bırakılması. Bu işlem, meyve ve sebzelerin olgunlaşmasını geciktirir ve etteki bakterileri yok eder. Böylece besinler, uzun süre taze kalır.
Gamma radyografisi: Gamma ışınları kullanarak bir radyografın (bir tür fotoğraf) üretilmesi. Bunun endüstride kalite kontrolünü de içeren bir çok kullanım alanı vardır.
Radyokarbonla yaş tayini: Uzun yıllar önce yaşamış bir canlının ölümünden itibaren geçen zamanı hesaplamak için kullanılan bir yöntemdir. Tüm canlı varlıklar, çok küçük miktarda karbon-14 (radyoizotop) içerirler ve öldükten sonra da ışınım yayınlamaya devam ederler. Bu ışınım zamanla azalır (karbon -14 yarı ömrü 5700 yıldır), böylece kalıntıların yaşı, ışınımın şiddetinden hesaplanabilir.
Endüstride tehlikeli radyoaktif maddeler kullanırken robotlardan yararlanılır.
Bazı durumlarda insanların maruz kaldığı radyasyonlar:
Radyasyon kaynakları: Dünya Nükleer Birliği verilerine göre oluşturulmuştur.
Radon: Yerkabuğunda bulunan radon, alfa parçacıkları salan elementlere bozunuyor ve soluduğumuz havaya karışıyor. Bir çok volkanik kaya türü ve uranyum madenlerinden çıkan radon gazı, soluduğumuz havadaki radon miktarını artırıyor. Radon gazı yoluyla maruz kalınan radyasyon yılda 0,2 msv ile 3 msv arasında değişiyor. Bodrum katlarında ve havalandırılmayan kapalı mekanlarda radon gazı miktarı daha yüksektir. Türkiye de hava yoluyla aldığımız radyasyon miktarı şehirden şehire ufak değişiklikler gösterse de ortalama yılda 1 msv civarındadır.
Nükleer tıp ve ilaçlar: Bilgisayar tomografisi, kanser tedavisinde kullanılan radyoterapi, plütonyum içeren kalp pili, diş hekimliğinde kullanılan bazı tıbbi malzemeler. Dünya da insan başına tıbbi radyolojik cihazlar yoluyla alınan radyasyon miktarı 0,5 msv olsa da bu değer radyoterapi görmüş bir kişi için 100 katına çıkabilir.
Binalar ve topraklar: Toprak ve kayalarda Dünya nın oluşumundan beri var olan radyoaktif izotoplardan ortalama yılda 0,3 msv radyasyon alıyoruz. Türkiye de topraktan alınan radyasyon dozu ise saatte 15 ile 80 nanogray arasında değişiyor. Tuğladan ve taştan yapılan evlerde tahta evlere göre daha fazla radyasyon içeriyor. Birleşmiş Milletler in atomik radyasyonun etkileri üzerine çalışan bilimsel komitesinin 2008 yılı raporunda da yer alan bilgiye göre Türkiye de bina dışında yapılan ölçümler topraktan alınan radyasyonun 15 ile 80 nanogray arasında değiştiğini gösteriyor.
Kozmik: Kozmik radyasyon ile atmosfer dışından gelen ışınlar kast ediliyor. Bazı bilim adamları kozmik ışınların tamamını uzaydan gelen atom çekirdekleriyle sınırlıyor. Bu tanıma göre kozmik ışınların %90 protonlar (hidrojen çekirdeği), %9 alfa parçacıkları (helyum çekirdeği) ve %1 diğer elementler oluşturuyor. Atmosfer dışından gelen, enerjisi en az x-ışınları kadar olan tüm elektromanyetik dalgaları kozmik ışın tanımına katanlar da vardır. Deniz seviyesinde yaşayan bir insan için yılda 0,3 msv olan radyasyon dozu rakım yükseldikçe değiştiğinden, en yüksek toz artışı uçak yolculuklarında yaşanıyor. UNSCEAR ın 2008 raporuna da girmiş bilgiye göre, ülkemizdeki kozmik ışın radyasyonunun dozu saatte 8,4 ile 35,6 nanogray arasında değişiyor.
Besin ve su: Besinlerde bulunan radyoaktif çekirdeklerin başında potasyum-40 ve radyum-226 geliyor. Muzda 130, havuçta ve patateste 126, kırmızı ette 111 Becquerellik radyasyon vardır. Bir yıl içinde her gün bir muz yiyerek aldığımız radyoaktivite dozu 0,036 msv dir.
Dünyanın doğal radyasyon haritası (2011): Doğal kaynaklı radyasyonun Dünya da en yüksek olduğu yer İran ın kuzeyinde bulunan Ramsar şehridir. Bunun temel sebebi olarak bu bölgede bulunan radyum-226 izotopunun sıcak su kaynaklarıyla yeryüzüne taşınması ve radyumun - içinde çözülmüş oksijen oranı çok küçük olan anoksit sularda çözülmesi gösteriliyor.