Strålning och miljö

Nedanstående innehåll är skapat av Mimers Brunns besökare. Kommentera arbete

Strålning och miljö

Människan har lärt sig utnyttja strålning och radioaktivitet som ett mångsidigt redskap. Dagligen hör vi ordet strålning, och säkerligen förknippar de flesta ordet med något negativt som radon eller Tjernobyl. Ändå har vi kunskapen att tacka för mycket positivt.

Vad är strålning och hur uppkommer det?
Enkelt sätt kan man säga att strålning är överföring av energi utan medverkan från något medium. Den bildas från aktiviteter i atomen. När en foton, som är ett energipaket, träffar en elektron i en atom får den energin som tidigare fanns i fotonen. När en elektron får mer energi vill den hoppa till ett yttre elektronskal än den var i tidigare. För att detta ska kunna inträffa måste energin i fotonen stämma exakt överens med den energi som behövs för att flytta en elektron till ett yttre skal. Detta kallas för att fotonen exciteras och energin är absorberad av atomen. Elektronen är dock inte nöjd med att vara i ett yttre skal, utan den vill tillbaka till sitt ursprungstillstånd. När den hoppar tillbaka avger den samma energi som den fick från fotonen. Det behöver inte vara den elektron som hoppade ut som sen hoppar in igen, utan det kan vara en annan. Detta kallas för emission och atomen avger strålning.


Olika sorters strålning
Det finns joniserande strålning och icke joniserande strålning. Den joniserande strålningen kan bilda joner i det bestrålade föremålet. En jon är en atom eller en molekyl som tagit upp eller släppt ifrån sig en eller flera elektroner och på så vis blivit elektriskt laddad. All strålning är som sagt bärare av energi. När strålningen träffar materia överförs en del av energin till materiens atomer och molekyler. Om strålningen är tillräckligt energirik kan den slita loss elektroner från molekylerna. Det är detta som kallas för jonisation och vi talar då om joniserande strålning. Denna sänds ut när radioaktiva ämnen sönderfaller. Det finns tre former av joniserande strålning:
Alfastålning. Denna består av relativt stora partiklar. Den avges av vissa, oftast tunga, radioaktiva ämnen som till exempel uran, radium, radon och plutonium. På grund av storleken och den elektriska laddningen stoppas dessa partiklar snabbt upp när de träffar ett föremål. I luft är räckvidden bara några centimeter och det behövs bara ett papper för att stoppa dem. Den förmår inte tränga igenom hudens yttersta skikt och gör därför ingen skada. Dock kan den göra skada när den kommer in i kroppen via förtäring eller inandning.
Betastrålning. Denna består av elektroner. Den är lättare är alfastrålning och har också längre räckvidd, men glasögon och kläder räcker oftast för att stoppa den. På oskyddad hud kan brännskador uppstå.
Gamma- och röntgenstrålning. Den är elektromagnetisk strålning, besläktad med radiovågor. Den har mycket lång räckvidd och tar sig lätt igenom levande vävnad. För att stoppa den behövs flera centimeter tjock bly, decimetertjock betong eller flera meter vatten.
Den joniserande strålningen kan, men behöver inte, medföra bestående förändringar och kanske skador i det som bestrålats. Den icke joniserande strålningen har lägre energi än den joniserande och kan därför normalt inte bilda några joner. Det behövs nämligen hög energi för det. Den kan dock medföra förändringar och skador, men den påverkar inte atomernas inre. Till exempel kan ultraviolett strålning, som är icke joniserande, ändra arvsmassans molekylbindningar på ett sådant sätt att det kan leda till cancer. Dock brukar man anse att icke joniserande strålning är ofarlig såvida inte effekttätheten är så hög att den orsakar lokal eller allmän uppvärmning av bestrålade vävnader.

Skadande strålning
Joniserande strålning ger framför allt skador genom att det direkt eller indirekt bryter sönder DNA-molekylerna. Liknande skador som dessa kan ges av kemiska ämnen, både naturliga som konstgjorda. De kan också ges av virus eller ultraviolett ljus. Det i kroppen som försöker försvarar DNA är ett batteri med enzymer som kan leta upp och reparera skador i DNA. För den allra svåraste typen av skada tar detta ungefär en timme. När en cell ska dela sig klumpas kromosomerna ihop och fördubblas. Om inte DNA-reparationerna då är gjorda, kan bitar av kromosomerna tappas bort vid delningen eller så kan cellen kombineras ihop på fel cell. Oftast är dessa celler inte livsdugliga, men om de överlever kan de uppträda onormalt. De kan till exempel ge upphov till cancer. Om det är fråga om en könscell kan även skadorna föras vidare till nästa generation. Men kromosomskador ger sällan märkbara skador hos barnen. En orsak till detta är att varje individ har i sina celler en dubbel uppsättning med kromosomer, en från mamman och en från pappan. För att de genetiska skadorna ska visa sig måste båda föräldrarna ha samma genetiska defekt.

Pionjärer inom strålning och radioaktivitet
Strålningsfenomen började undersökas på 1800-talet. Det främsta inom forskning av strålning var Wilhelm Conrad Röntgen, Henri Becquerel, Marie och Pierre Curie. Två mycket kända enheter inom strålning är Gray(Gy) och Sievert(Sv). Dessa två män var mycket framstående, Gray, vilket gav sitt namn till enheten som bestämmer absorberad dos och Sievert är enheten man använder vid mätning av absorberad dos. Både Gray och Sievert är enheter för stråldoser men det är viktigt att skilja dem åt.


Medicinsk användning av strålning

Undersökning och behandling
Stråltekniken har utvecklats väldigt mycket under det senaste århundradet. Sjukvården har pådrivit utvecklingen av strålning som redskap vid undersökningar och behandlingar. Strålsäkerhetscentralen övervakar doserna för de som arbetar inom strålbehandlingar så att strålningen ska bli så liten som möjligt. Exempel på undersökningar då man använder strålning är röntgen, mammografi och isotopundersökning. Röntgen används för att påvisa skador eller sjukdomar på kroppen. Beroende på vilken del utav kroppen som undersöks måste strålningen anpassas efter olika vävnader tar upp strålningen olika mycket. De största stråldoserna ges vid blodkärlsundersökningar, i t.ex. njurar. Då kan stråldosen mätas upp till hundratals mSv per undersökning. Vid datortomografiundersökningar så får man röntgenbilder i genomskärning till priset av något högre strålningsdoser till skillnad från panoramabilder av tänder.

Med hjälp av röntgen exponeras kroppen under ett kort ögonblick för strålning. Risken för att få skador p.g.a. många undersökningar med röntgen är minimal. Efter exponeringen dröjer sig ingen strålning kvar varken i kroppen eller miljön. Att bo i ett bostadshus i huvudstadstrakten och andas in radon i 2-3 veckors tid ger en större dos strålning än vad man utsätts för under en lungröntgen. De som arbetar med strålning dagligen har speciella skyddsanordningar och går ut ur rummet vid exponering. Det finns även bestämmelser för hur mycket strålning de får utsättas för under ett år.

Vid en mammografiundersökning kontrolleras eventuell cancer i kvinnobröst och vid varje undersökning ges mycket små stråldoser. Vid en undersökning så utsätts kroppen för mindre strålning än vad personen utsätts för i vardagen från marken och luften under ett år.

När man med hjälp av radioaktiva ämnen undersöker kroppen kallas det för isotopundersökningar. Exempelvis kan teknetium 99m och jod 123 injekteras i blodomloppet och med hjälp av ämnesomsättningar söker sig ämnet till det organ man vill undersöka. Man kan undersöka lungorna hos en patient genom att låta den inandas ett radioaktivt ämne. Med hjälp av en gammakamera tar man bilder av organet som påminner om röntgenfotografier. En isotopundersökning ger kroppen igenomsnitt en strålningsdos på 4.2 mSv.

Strålningar och radioaktiva ämnen används inte bara till undersökningar utan sjukhusen använder t.ex. laser vid ögonoperationer, UV-strålning vid hudsjukdomar och tumörbehandlingar. Sjukvården kan idag bota ungefär hälften av alla diagnostiserade tumörfall där tumören inte har spridit sig i kroppen.

Behandling av tumörer sker idag huvudsakligen med kirurgi, strålning och cytostatika. Kirurgi är den behandlingsform som används mest och med ingreppet försöker man ta bort alla tumörceller. Vid strålbehandling injekteras det ingenting i kroppen. Den joniserande strålningen riktas in emot tumören. Strålningen används då man inte kan gå in med ett kirurgiskt ingrepp p.g.a. tumörens placering på kroppen eller då det finns risk för att det finns kvar tumörceller i närheten. Då man inte kan lokalisa tumören, man försöker döda sådan tumörvävnad som inte går att operera bort. Med datorbaserad röntgen- eller magnetkamera behandlar man med cellgiftsbehandling, som även kallas cytostatikabehandling. Delade tumörceller är mer skadliga för cellgifter än de normalt delade cellerna i kroppen.

Övrig användning och framtid
Ett annat användningsområde för joniserande strålning är att man steriliserar engångsmaterial inom sjukvården. Materialen utsätts för höga stråldoser som förstör alla bakterier och andra mikroorganismer. Sterilisering är, förutom kärnkraften, den högsta aktiviteten på strålkällor i Sverige.

Med ny forskning försöker man hitta ersättande metoder till cancer behandling som är effektivare och mindre skadlig. Den gemensamma nämnaren är att enskilda tumörceller skall kännas igen och inaktiveras av specialkonstruerade biomolekyler. För att komplettera röntgenundersökningar har sjukhusen delvis ersatt det med ultraljud och magnetbilder. Till dessa behövs ingen joniserande strålning. Ultraljud används främst för att undersöka foster. Dessa apparater är ännu mycket dyra vilket gör att ersättningen går långsammare.


Vardaglig användning av strålning

Laser och mikrovågor
Mikrovågor är en liten del av det elektromagnetiska vågspektrat. Mikrovågor har en frekvens som ligger mellan 2000-300000MHz. De fortplantar sig i stort sätt rätlinjigt används främst inom kommunikation, alltså radar, satellitförbindelser, mobiltelefoner etc. Ett annat viktigt användningsområde är att överföra energi till icke-ledande föremål för att värma upp dem. En tunn metallfolie skulle reflektera en mikrovåg men dielektriskt material, t.ex. vatten absorberar mikrovågor. Denna effekt utnyttjas i bl.a. mikrovågsugnar för att värma mat och inom sjukvården för att värma upp levande vävnad.

Laser skickar, till skillnad från vanligt ljus från en glödlampa, ut exakt samma våglängd på allt ljus. Det medför att ljuset från en laser alltid har samma färg och är helt parallell. D.v.s. - alla fotoner är på väg åt samma håll, vilket ger en liten belysningsyta även på långt håll. Därför är laserljuset lätt att fokusera. Ljuset från en laser ligger i fas och det betyder att fotonerna svänger i takt med varandra. Idag använder man laser till t.ex. sjukvård, mätinstrument etc. På en laser så är ljuset parallellt så sprids ljuset minimalt. Det gör det enkelt att använda laser till att mäta avstånd.

Första gången man använde laser som verktyg vad det som radar. Man skickade iväg ett impuls ljus ifrån lasern och mätte hur lång tid det tog för ljuset att färdas tillbaka. Då kunde man bara använda lasern på längre avstånd eftersom ljuset färdas för snabbt för mätinstrumenten om man använder för korta avstånd. Då fungerade lasern som radar efter ca 500m. Idag används istället en metod som kallas för triangulering. Den klarar av noggrannare mätningar och avstånd så korta som 1 cm.

Ljus uppstår när en elektron exciteras och sedan hoppar tillbaka. Då emitterar den en foton som har en energi som motsvarar övergångens energi. Lasrar använder material med bestämda våglängder. I de flesta fall får man en strålning som är infraröd eller synligt röd. Båda kristallina och gasformiga ämnen samt organiska färgämnen kan avge ”laserljus”. Genom att ”pumpa” en stav av ämnet med elektromagnetisk energi från t.ex. en blixtlampa så kan man skapa en massiv excitation.

Det finns flera olika sorters lasrar. Den första som lyckades bygga en laser var Theodore Mainman år 1960, det var en ”Rubin laser”. I den använde man en rubinstav omgiven av elektronblixtrör och två speglar varav en var halvt genomskinlig för att kunna ge ifrån sig ljus. Kromatomerna i rubinstaven exciterar och kromatomerna avger då ljus. Ljuset studsar och lämnar sedan rubinstaven genom den halvt genomskinliga spegeln. Idag används knappt rubinlaser eftersom den bara klarar skicka iväg pulserande ljus. Vanligast idag är halvledarlasern där mätningarna inte behöver vara exakta, de är väldigt biliga till skillnad från andra lasrar. Halvledarlasrar finn i t.ex. CD-spelare och laserskrivare. Andra lasrar som används är bl.a. NdYAG som är infraröd och används i bevakningsändamål.

Kommunikation och navigation
Kommunikationen och navigationen nyttjar båda radiovågor, som är en form av strålning. Radiovågorna är speciellt bra eftersom de inte absorberas av atmosfären.

Historisk sett har satelliter utnyttjats sedan den första månlandningen 1969. Idag används satelliter till försvarskommunikation, TV- sändningar, väderrapporteringar, telekommunikation, mobiltelefoni, navigation och datakommunikation. Det finns två primära användningsområden idag; global telefoni och globalt Internet. Telefoni är dock det största användningsområdet.



Fördelarna med satellitkommunikation är att man kan täcka stora områden enklare än med markbunden kommunikation, då man måste lägga ut kablar. Det som är negativt med satellitkommunikation är framför allt fördröjningstiden när man använder det inom mobiltelefoni.

En mobiltelefon fungerar på samma sätt som en vanlig telefon, men istället för att kommunicera via sladdar använder den sig av radiovågor. I telefonen finns en liten radiosändare. När någon ringer till en mobiltelefon kopplas samtalet till en basstation, sen till mobiltelefonväxeln och sen till den basstationen som är närmast den man ringer till. Den växel som är närmast den man ringer får ta emot samtalet, därifrån förs det vidare till telefonen i form av radiovågor. Det finns dock nackdelar med detta: för att man ska kunna täcka alla områden måste man ha många basstationer för att då bra täckning. Detta kräver stor planering.

GPS – Global Position System. Detta är ett system för att veta ens position. GPS:en frågar satelliterna var den är någonstans och satelliterna svarar på det, allt i ljusets hastighet. Sammanlagt använder sig GPS-systemet av 24 olika satelliter. Dock är inte systemet exakt, vilket beror på att den amerikanska armén, som uppfann det, har lagt in en störsignal som skapar ett fel på ca 100 meter. Detta beroende på att bara de själva ska få veta exakt vad det är.

Radar – Radio Detection And Ranging. Radarn sänder ut radiovågor som reflekteras av det föremål de träffar. Radarn har en mottagare som tar emot och tolkar den information den får tillbaka. Avståndet bedömd med hjälp av kunskapen att radiovågorna går med ljusets hastighet. Ju högre frekvens det är på radiovågorna, desto bättre blir resultatet. Nackdelen med detta är att radiovågorna är rätlinjiga, vilket innebär att föremål som ligger bakom ett annat föremål inte kommer att kunna synas, man säger att de ligger i radioskugga. Det finns ett material som inte reflekterar radiovågorna så bra, det är detta material man bygger Stealth-plan av.

Energiutvinning

Solceller
När solen lyser på solcellen så blir ovansidan negativt laddad och undersidan blir positivt laddad. Med hjälp av metallkontakter samlar man upp laddningen som sedan omvandlas till ström i en yttre krets. Det går ström genom denna krets så länge som cellen är belyst. Dock måste man komma på solceller med högre verkningsgrad än de som finns idag för att den ska få genomslagskraft. Ett stort problem är att solen sänder ut strålning som består av väldigt många olika våglängder, medan solcellen bara kan ta upp energi från en enda våglängd. Solcellen är i alla fall det absolut miljövänligaste sättet att utvinna energi som vi har idag. Det enda problem som finns är om solcellen inte är nätansluten, för då krävs det batterier. Dessa innehåller farliga tungämnen som kan ställa till med skada om de kommer ut i naturen.

Kärnkraft
Det var i samband med andra världskriget som kärnenergin utvecklades på allvar. Man höll tyst om framstegen eftersom de var tänkta att användas i militärt syfte. Det ryktades i USA att Hitler höll på att utveckla en atombomb. Därför var USA mycket angelägna om att forska fram en atombomb innan Hitler lyckades.

Kärnkraft kallas ofta för atomenergi eller kärnenergi, vilket är exakt samma sak. Atomenergi är en omvandling av materia till energi och kan genomföras genom två olika metoder, fission och fusion.
Fusion är en sammanslagning av lätta atomkärnor till tunga atomkärnor. Solen och stjärnorna har utnyttjat denna metod i flera miljarder år, men här på jorden har vi endast kunnat använda den i vätebomber, som i övrigt är den starkaste bomben här på jorden. Skulle vi använda fusion för fredliga ändamål skulle vi ha energi i flera århundraden framåt. I fusionsprocessen spelar deuterium och tritium de viktigaste rollerna. Om man skulle utnyttja det deuterium som finns i en kubikmeter havsvatten till fusion, skulle det ge lika mycket energi som 200 ton olja. Till skillnad från fissionsprocessen avger fusion relativt...