Fyzikální aspekty zátěží životního prostředí 5 Aplikace ionizujícího záření a metod jaderné fyziky v geologii,biologii a ekologii

Využití ionizujícího záření Přímé účinky záření na látky či organismy lze využít k vyvolání změn ve struktuře nebo v chemickém složení látek, v případě organismů pak k jejich mutaci, poškození či zničení. Odražené nebo prošlé záření lze využít k určení struktury či chemického složení látek. Detekci radioaktivního záření lze pak využít ke značkování látek při sledování průběhu procesů v látkách nebo organismech a k datování dlouhodobých procesů.

aplikace přímého působení strojírenství – defektoskopie procházející záření indikuje vady materiálu, chemie – radiační polymerace, záření vyvolá chemickou reakci vedoucí ke vzniku polymerů, které jsou základem materiálů používaných v předmětech denní potřeby.

Aplikace v kriminalistice určování původu oběti na základě znalosti chemického složení, označování peněz při únosech (radiaktivní indikátory), kontrola zavazadel na letištích.

Aplikace v archeologii určování stáří nálezů pomocí radionuklidových datovacích metod, určování původu keramických výrobků na základě analýzy chemického složení, určování původu podle obsahu izotopů prvků v zubech.

Aplikace v restaurátorství konzervace dřevěných artefaktů ionizujícím zářením, určování stáří pomocí radionuklidových datovacích metod, studium stylu a způsobu malby pomocí rentgenu.

Aplikace v geologii určování chemického složení a struktury hornin, určování stáří hornin pomocí radionuklidových datovacích metod.

aplikace v lékařství studium absorpce látek orgány (radioaktivní indikátory), léčení zhoubných nádorů radiofarmaky a přímým ozařováním, operace pomocí Lakselova gama nože, sterilizace lékařského materiálu, radioterapie (lázně Jáchymov).

Další aplkace Vodní hospodářství měření průtoků řek, mapování podzemních vod. Potravinářství sterilizace potravin. Zemědělství šlechtění nových odrůd –změna genetické informace ionizujícím zářením.

Metody analýzy látek aktivační analýza, rentgenofluorescenční analýza, difrakční metody.

Aktivační analýza Aktivujeme-li vzorek analyzované látky působením vhodně zvoleného jaderného záření, mohou se původně stabilní nuklidy detekovaného prvku přeměnit jadernou reakcí na radionuklidy. Aktivita vzniklých radionuklidů je pak úměrná počtu vzniklých radionuklidů, a tedy počtu původních nuklidů detekovaného prvku.

Aktivační analýza – aplikace určení obsahu dysprosia a europia ve vzácných zeminách, které byly aktivovány neutrony, určení obsahu galia v oceli, aktivované deuterony.

Rentgenofluorescenční analýza Využívá k detekci látek tzv. charakteristické záření vyvolané ozářením látky ionizujícím, nejčastěji gama nebo rentgenovým zářením.

Rentgenofluorescenční analýza princip Záření po dopadu na vzorek látky excitují elektrony vnitřních slupek na vyšší energetické hladiny. Při následné deexcitaci, excitované elektrony přechází zpět na hladiny vnitřních slupek a nadbytečnou energii vyzáří ve formě rentgenového záření. Toto záření má vlnové délky, které jsou charakteristické pro atomy daného prvku. Z intenzity záření lze určit i množství prvků v dané látce.

Rentgenofluorescenční analýza –aplikacE Metodu je možné využít například při studiu historických památek jako jsou stavební prvky, sochy, fresky apod. Použila se i k analýze měsíčních hornin v rámci projektu Apollo. Rovněž k analýze hornin na Marsu pomocí kosmických sond, které nesly dálkově řízené rentgenoflorescenční spektrometry (sondy Viking, Pathfinder).

Metody radioaktivních indikátorů Metody využívající přirozený obsah radionuklidů v dané látce. Metody využívající cíleně přidané radionuklidy.

Metoda radioaktivních indikátorů Využívá se ke zjištění, jakým způsobem se šíří nebo kde se usazuje vybraná chemická látka v daném systému - živý organismus, ekosystém nebo průmyslový provoz. Ve sledované látce nahradíme stabilní izotop vybraného prvku radioizotopem. Radioaktivní záření vzniklé jeho přeměnou můžeme detekovat a z naměřené aktivity určit s použitím zákona radioaktivní přeměny její množství v příslušné části zkoumaného systému.

Metoda radioaktivních indikátorů – aplikace Kriminalistika přibližné určení původu oběti trestného činu podle obsahu 226Ra, které se dostává do těla s pitnou vodou, Obsah tohoto nuklidu ve zdrojích pitné vody se v různých oblastech liší.

Radionuklidové datovací metody Podle zákona radioaktivní přeměny závisí počet nepřeměněných jader daného radionuklidu exponenciálně na čase. Tuto závislost je možné využít k určování stáří hornin nebo archeologických nálezů.

Radionuklidové datovací metody - předpoklady Je nutné vybrat vhodný radionuklid obsažený v daném vzorku. Dále je nutné zjistit, zda nedochází k jiným změnám počtu atomů daného radionuklidu, než k jejich úbytku radioaktivní přeměnou. Je nutné definovat pojem stáří vzorku a zvolit počáteční okamžik.

Radionuklidové datovací metody - realizace Změření aktuálního počtu nepřeměněných atomů nebo jejich aktivitu. Pro určení stáří je nutné zjistit příslušné hodnoty ve zvoleném počátečním okamžiku. Podle volby radionuklidu a určení počátečního množství jeho atomů rozlišujeme různé metody určování stáří.

Metoda radioaktivního uhlíku Datovací metoda, která využívá radioaktivní izotop uhlíku – 14C, který je stabilně produkován ve vysokých vrstvách atmosféry interakcí kosmického záření s molekulami dusíku 14N + n  14C + p. Ve formě oxidu uhličitého - CO2 jej přijímají rostliny i živočichové, takže se vytvoří určitá rovnováha mezi jeho zastoupením v ovzduší a v živých organismech. Stáří nálezu je počítáno od doby úmrtí živého organismu pomocí jeho aktuální koncentrace zjištěné měřením jeho aktivity.

Metoda radioaktivního olova Vzhledem k dlouhému poločasu přeměny 238U, 4.5 miliardy let, který je srovnatelný s dobou existence Země, se využívá v geologii. Umožňuje určit stáří hornin, tj. dobu od jejich posledního ztuhnutí (k podstatné migraci atomů může docházet jen v kapalném stavu).

Metoda radioaktivního olova Konečným produktem urano-rádiové rozpadové řady je stabilní izotop 206Pb , jejímž výchozím prvkem je 238U. Množství uranu na počátku procesu rozpadu je potom rovno součtu NU + NPb. Pomocí zákona radioaktivní přeměny pak můžeme určit před jakou dobou se radioaktivní izotop uranu stal součástí zkoumaného materiálu.

Difrakční metody Difrakce – rozptyl záření v látce. Při odrazu záření s vlnovou délkou, která je srovnatelná se vzdálenostmi meziatomových rovin na atomech krystalové struktury dané látky, dochází k interferenci odraženého záření a z interferenčních obrazců lze zjistit uspořádání atomů ve struktuře dané látky. Lze použít RTG záření – RTG difrakce nebo elektrony a neutrony – elektronová nebo neutronová difrakce.