Pojmovnik

Atom se sastoji od jezgre i elektrona koji se oko nje gibaju (često se nazivaju orbitalnim elektronima).

Atomska jezgra se sastoji od protona i neutrona. Broj protona u atomskoj jezgri određuje o kojemu se kemijskom elementu radi, a broj neutrona u jezgri nekoga elementa određuje koji je to izotop promatranoga elementa.

Na primjer, jezgra elementa helija ima 2 protona (pa helij u periodnom sustavu elemenata ima redni broj 2), a njegov najčešći izotop ima još i 2 neutrona tj. ukupno 4 nukleona (zajednički naziv za protone i neutrone) i on se označava kao He-4 odnosno helij-4 (kaže se da je 4 maseni broj jezgre).
Također, atomska jezgra nekog izotopa može imati višak energije u odnosu na tzv. osnovno stanje, kako se naziva stanje najniže energije te jezgre. Različita energijska stanja atomske jezgre nekog izotopa nazivaju se izomerima toga izotopa.

Za opis atomske jezgre koji uključuje i broj protona, i broj neutrona, i energijsko stanje jezgre – koristi se naziv nuklid. Primjerice, jezgre različitih elemenata su različiti nuklidi, jezgre različitih izotopa nekog elementa su različiti nuklidi, jezgre različitog energijskog stanja (tj. različiti izomeri) nekog izotopa su različiti nuklidi.

Ako je neki nuklid nestabilan, tj. ima svojstvo radioaktivnosti (da se spontano mijenja u drugi nuklid ili dijeli na druge nuklide), on se naziva radionuklidom.

Često se koristi i naziv radioizotop, i to za nestabilne izotope koji nemaju metastabilnih izomera.

Alfa zračenje se sastoji od alfa čestica izbačenih (kaže se: emitiranih) iz radioaktivnih atomskih jezgri prilikom alfa raspada. Alfa čestice su po sastavu atomske jezgre helija-4. Radioaktivne jezgre koje emitiraju alfa čestice nazivaju se alfa emiterima. Naziv je uveden prije nego što je bila poznata struktura alfa čestica.

Alfa zračenje je najmanje prodorna vrsta radioaktivnog zračenja: u zraku ne prodire dalje od nekoliko centimetara, a zaustavlja ga već i običan papir. To znači da alfa čestice predaju svu svoju energiju na vrlo kratkom putu kroz tvar, zbog čega su osobito opasne u živom tkivu (vidjeti ekvivalentnu dozu). No, pravu štetu uzrokuju samo ako se alfa emiteri unesu u organizam (hranom, pićem, disanjem), jer ga na koži uglavnom zaustavi mrtvi površinski sloj.

Beta zračenje se sastoji od beta čestica izbačenih (kaže se: emitiranih) iz radioaktivnih atomskih jezgri prilikom beta-minus raspada. Beta čestica je elektron koji je u jezgri nastao u procesu beta-minus raspada i izbačen je iz nje velikom brzinom. Naziv je uveden prije nego što je utvrđeno da je beta čestica zapravo elektron. Također, još nije bio otkriven beta-plus raspad, pa je korišten samo naziv „beta raspad“.

U beta-plus raspadu, umjesto elektrona u jezgri nastane pozitron. Međutim, nakon izlaska iz jezgre pozitron reagira s nekim od orbitalnih elektrona tako da se oba pretvore u gama zračenje. Zato radioaktivni materijali ne emitiraju „beta-plus“ zračenje (koje bi se sastojalo od pozitrona).

Radioaktivne jezgre koje emitiraju beta zračenje nazivaju se beta emiterima.

Beta zračenje je prodornije od alfa zračenja, ali ne dramatično. U zraku ne prodire dalje od par metara, a zaustavlja ga metalna folija ili tanka plastika. Ipak, može prodrijeti kroz mrtvi površinski sloj gole kože i oštetiti dublje žive slojeve kože. Najštetnije je ako se beta emiteri unesu u organizam (hranom, pićem, disanjem), ali puno manje od alfa zračenja (vidjeti ekvivalentnu dozu).

Gama zračenje čine elektromagnetski valovi najkraćih valnih duljina, odnosno najvećih frekvencija i energija fotona. Fotoni su nematerijalne čestice od kojih se sastoje elektromagnetski valovi, pa se kolokvijalno kaže i da su fotoni komadići (kvanti) energije elektromagnetskih valova. Energija pojedinog fotona proporcionalna je frekvenciji vala.

Gama zračenje koje potječe iz radioaktivnih raspada tipično ima valne duljine oko milijun puta kraće od vidljive svjetlosti, pa ti gama fotoni imaju energiju oko milijun puta veću od fotona vidljive svjetlosti. Atomska jezgra emitira po jedan gama foton prilikom svakog prijelaza iz stanja više energije u stanje niže energije (ako se viška energije ne rješava na koji drugi način, vidjeti npr. unutarnju konverziju).

Gama zračenjem se općenito naziva elektromagnetsko zračenje iz nuklearnih reakcija (pa stoga i iz radioaktivnih raspada), te elektromagnetsko zračenje nastalo anihilacijom, kao i elektromagnetsko zračenje sličnih i viših frekvencija koje na Zemlju dolazi iz svemira (dio kozmičkog zračenja) i za koje se često ne zna mehanizam nastanka. Naziv je uveden u doba otkrića radioaktivnosti, dok još nije bila poznata priroda zračenja.

Područje gama zračenja nije striktno razgraničeno od područja rendgenskog zračenja, koje se općenito proteže prema nižim frekvencijama. Razlikovanje se tradicionalno provodi prema porijeklu zračenja: najčešće se rendgenskim naziva elektromagnetsko zračenje iz procesa u kojima elektroni mijenjaju energiju, a gama zračenjem ono iz nuklearnih procesa. Primjerice, gama zračenje tehnecija-99m je identično rendgenskom zračenju iste frekvencije proizvedenom u dijagnostičkom rendgenskom uređaju.

Gama zračenje je puno prodornije od alfa ili beta zračenja, a osobito ako se sastoji od fotona velike energije. Osim toga, ono se u materijalu ne zaustavlja potpuno, nego tek postupno slabi. Primjerice, potreban je sloj od oko 0,7 cm olova da prepolovi intenzitet gama zračenja cezija-137, a oko 5 cm da intenzitet zračenja umanji ispod 1%.

Prilikom alfa raspada, radioaktivna jezgra emitira česticu koja se tradicionalno naziva alfa česticom, tj. atomsku jezgru helija-4 (koja se sastoji od 2 protona i 2 neutrona). Zato nova jezgra, koja je nastala takvom promjenom prethodne radioaktivne jezgre, ima 2 protona i 2 neutrona manje.

Kod većine vrsta radioaktivnih jezgri koje se raspadaju alfa raspadom, novonastala jezgra ima višak energije kojega se rješava emitiranjem jednoga ili više gama fotona. Zato se često dešava da se uz alfa zračenje istovremeno pojavljuje i gama zračenje (vidjeti metastabilne izomere).

Ovisno o vrsti prethodne jezgre (pretka), novonastale jezgre (potomci) mogu i same biti radioaktivne i raspadati se istim ili drugim načinom raspada.

Postoje dvije vrste beta raspada, beta-minus i beta-plus, a izvorno se naziv „beta raspad“ odnosio samo na beta-minus raspad koji je prvi otkriven.

U beta-minus raspadu, radioaktivna jezgra emitira jedan elektron, koji je nazvan beta česticom dok se još nije znalo da je to elektron niti da postoji još jedna vrsta beta raspada. U atomskoj jezgri nema elektrona, već se prilikom raspada jedan njezin neutron pretvara u proton i elektron (očuvanje ukupnog naboja). Elektron biva izbačen iz jezgre, a proton ostaje u njoj, pa jezgra ne mijenja maseni broj, ali joj se naboj (redni broj) uveća za jedan, tj. jezgra prelazi u naredni element periodnog sustava.

Kasnije je otkriveno da u beta-minus raspadu nastaje i jedan neutrino (preciznije: elektronski antineutrino), neutralna čestica neznatne mase mirovanja (ako je uopće ima) koja lako prolazi kroz materiju bez ikakvog učinka, pa nije značajna za opis radioaktivnog zračenja.

Kod većine vrsta radioaktivnih jezgri koje se raspadaju beta-minus raspadom, novonastala jezgra ima višak energije kojega se rješava emitiranjem jednoga ili više gama fotona. Zato se često dešava da se uz beta zračenje istovremeno pojavljuje i gama zračenje (vidjeti metastabilne izomere).

U beta-plus raspadu, radioaktivna jezgra emitira jedan pozitron, koji je antičestica elektrona (pozitron je tradicionalni naziv za antielektron). Antielektron ima jednaku masu (i neka druga svojstva) kao elektron, ali ima suprotni naboj. Ključno svojstvo para čestica-antičestice je da se u međusobnom dodiru pretvaraju u gama zračenje (što se naziva anihilacijom). Zato se emitirani pozitron, zajedno s nekim od susjednih orbitalnih elektrona s kojim će doći u kontakt nakon izlijetanja iz jezgre, pretvara u dva gama fotona, pa beta-plus radioaktivni materijal emitira gama zračenje.

Budući da u atomskoj jezgri nema pozitrona, prilikom beta-plus raspada jedan se njezin proton pretvara u neutron i pozitron (očuvanje ukupnog naboja). Pozitron biva izbačen iz jezgre, a neutron ostaje u njoj, pa jezgra ne mijenja maseni broj, ali joj se naboj (redni broj) umanji za jedan, tj. jezgra prelazi u prethodni element periodnog sustava.

U beta-plus raspadu nastaje i jedan neutrino (preciznije: elektronski neutrino), neutralna čestica neznatne mase mirovanja (ako je uopće ima) koja lako prolazi kroz materiju bez ikakvog učinka, pa nije značajna za opis radioaktivnog zračenja.

Kod većine vrsta radioaktivnih jezgri koje se raspadaju beta-plus raspadom, novonastala jezgra ima višak energije kojega se rješava emitiranjem jednoga ili više gama fotona. Ta emisija je najčešće praktično istovremena s emisijom pozitrona odnosno gama zračenja nastalog njegovom anihilacijom (vidjeti metastabilne izomere).

Ovisno o vrsti beta-plus radioaktivne jezgre, određeni postotak beta-plus raspada odvija se kao tzv. elektronski uhvat. U tom slučaju, mjesto da emitira pozitron, jezgra apsorbira tj. „uhvati“ najbliži orbitalni elektron.

Ovisno o vrsti prethodne jezgre (pretka), jezgre nastale beta raspadom (potomci) mogu i same biti radioaktivne i raspadati se istim ili drugim načinom raspada.

Gama raspad je proces u kojemu atomska jezgra prelazi iz stanja više energije u stanje niže energije tako što emitira gama foton. Jezgra ostaje isti izotop, ali više nije isti izomer.

Prilikom alfa raspada, a osobito beta raspada, novonastale jezgre često imaju višak energije (nastale su kao izomeri u pobuđenom stanju). Najčešće, toga se viška rješavaju gama emisijom koja je praktično istovremena s alfa ili beta emisijom (npr. unutar milijuntinke milijardtinke sekunde). Neke vrste novonastalih jezgri, međutim, zadržavaju taj višak energije dulje vrijeme, pa tek kasnije prelaze u niže stanje: atomska jezgra u takvom pobuđenom stanju naziva se metastabilnim izomerom.

Kod tih metastabilnih izomera, gama emisija je vremenski jasno odvojena od alfa ili beta emisije koje joj prethode, a naziv „gama raspad“ ima i očigledni smisao jer se prijelaz u niže energijsko stanje odvija sukladno zakonu radioaktivnog raspada.

Gama raspad je jedan od dvaju oblika izomernog prijelaza. Osim gama raspadom, metastabilni izomer može se riješiti viška energije i tako da je preda orbitalnom elektronu. Takav se izomerni prijelaz naziva unutarnjom konverzijom. Orbitalni elektron koji se tako emitira iz atoma ne ubraja se u beta zračenje (niti ga prati emisija neutrina).

Primjerice, u medicinskom dijagnostičkom oslikavanju raširena je uporaba metastabilnog tehnecija-99m. Izomerni prijelaz tehnecija-99m u osnovni izomer tehnecij-99 odvija se s vremenom poluraspada od 6 sati, i to u 88% slučajeva kao gama raspad, a u 12% slučajeva kao unutarnja konverzija.

Fisija je cijepanje teške atomske jezgre na dva podjednaka dijela, pri čemu dolazi do emisije nekoliko neutrona koji se nazivaju fisijskim neutronima (tipično, dva do tri neutrona) te gama zračenja. Novonastale atomske jezgre, koje se nazivaju fisijskim produktima, gibaju se nakon fisije velikim brzinama (imaju veliku energiju). U jednoj fisiji oslobađa se oko sto milijuna puta više energije nego u jednoj kemijskoj reakciji prilikom izgaranja ugljena.

Fisija kao način radioaktivnog raspada nekih vrsta prirodno nestabilnih atomskih jezgri naziva se još i spontanom fisijom. Ta vrsta spontane promjene jezgre, koja najviše zaslužuje naziv „raspad“, opažena je tek nekoliko desetljeća nakon otkrića radioaktivnosti. Spontana fisija se odvija sukladno zakonu radioaktivnog raspada, kao i drugi oblici spontanog raspada. Primjerice, kod urana-238 dominira alfa raspad s vremenom poluraspada od oko 4,5 milijarde godina, a istovremeno se odvija i spontana fisija s oko dva milijuna puta dužim vremenom poluraspada (po jednom gramu urana-238 dešava se jedna fisija svake 2,5 minute, te 750 000 alfa raspada svake minute).

U nekim vrstama atomskih jezgri može se izazvati trenutna fisija nakon što jezgru pogodi neutron; takva fisija se naziva induciranom fisijom. Ako novonastali fisijski neutroni na isti način izazovu daljnje inducirane fisije, a njihovi fisijski neutroni također, i tako dalje, nastaje lančana reakcija koja se naziva lančanom fisijom.

Prilikom eksplozije nuklearne bombe, lančana fisija u vrlo kratkom vremenu zahvati ogroman broj atomskih jezgri. U nuklearnom reaktoru, odvijanje lančane fisije se regulira, uglavnom djelovanjem na fisijske neutrone. Takva fisija se naziva kontroliranom fisijom.

Termin radioaktivnost u kvalitativnom smislu označava pojavu odnosno svojstvo spontane promjene (raspada) nestabilnih atomskih jezgri. Prirodni materijali na Zemlji sadrže manje ili više takvih nestabilnih jezgri koje se brže ili sporije raspadaju. Za kvantitativni opis pojave koristi se isti termin: radioaktivnost (kraće se kaže i aktivnost, ako je iz konteksta jasno o kakvoj se aktivnosti radi) nekoga tijela ili količine tvari (nekog uzorka) jednaka je broju radioaktivnih raspada u tome uzorku u jedinici vremena. Mjerna jedinica aktivnosti, bekerel (Bq), označava jedan raspad u sekundi.

Primjerice, prirodna radioaktivnost prosječnog čovjeka iznosi preko 4000 Bq, što znači da se u ljudskom tijelu prirodno dešava preko 4000 radioaktivnih raspada svake sekunde. Radioaktivnost svih oceana na Zemlji procjenjuje se na desetak tisuća milijardi Bq, a cijele Zemljine kore na oko tisuću puta više.

Stara jedinica za aktivnost, kiri (Ci), koja iznosi 37 milijardi Bq, bila je definirana kao aktivnost jednog grama radija-226.

Aktivnost uzorka od N radionuklida kojima je konstanta raspada λ iznosi  A = λN .

Pri opisu radioaktivnosti relativno homogenog materijala obično se navodi aktivnost po jedinici mase (npr. Bq/kg) ili aktivnost po jedinici volumena (npr. Bq/m³). Za jednu i drugu veličinu koriste se nazivi specifična aktivnost ili koncentracija aktivnosti.

Odvijanje radioaktivnog raspada u vremenu opisuje zakon radioaktivnog raspada: broj nestabilnih jezgri u nekom uzorku, koje se još nisu raspale, eksponencijalno se smanjuje tijekom vremena.

Ista tvrdnja može se, drugim riječima, formulirati ovako: nakon vremenskog intervala, za koji se koristi naziv vrijeme poluraspada ili poluživot, broj neraspadnutih jezgri s početka intervala se prepolovi, a nakon još jednog tolikog intervala prepolovi se broj preostalih neraspadnutih jezgri itd.

To znači da – od nekog početno utvrđenog broja neraspadnutih jezgri – nakon jednog poluživota preostaje polovica, nakon dva poluživota preostaje četvrtina, nakon tri poluživota osmina itd. Poluživot se određuje (mjerenjem) za pojedinu vrstu radionuklida, ali i za pojedini način raspada ako se ta vrsta raspada na više načina.

U nastavku slijede dodatna obrazloženja i matematičke inačice prikaza zakona.

Radioaktivni ili spontani raspad nestabilnih atomskih jezgri i drugih nestabilnih čestica je slučajni proces, u smislu da događaj nije vremenski predvidiv za pojedinu česticu nego se tek za mnoštvo istovrsnih čestica može statistički predvidjeti koliko će ih se kada raspasti. Ako bi za pojedine istovrsne čestice bio unaprijed određen trenutak njihova raspada, one ne bi bile istovrsne jer bi se razlikovale po životnom vijeku. Umjesto toga, za pojedinu česticu može se odrediti samo očekivani ili srednji životni vijek (računa se tako da se poluživot vrste podijeli sa ln2).

Za istovrsne čestice odnosno jezgre, i za određenu vrstu njihova raspada, može se odrediti (na temelju mjerenja) kolika je vjerojatnost da se pojedina čestica raspadne u jednoj jedinici vremena (npr. u sekundi). Ta se vjerojatnost naziva konstantom raspada i obilježava simbolom λ. Odatle proizlazi: broj čestica koje će se raspasti u vrlo kratkom vremenskom intervalu (egzaktno: u infinitezimalnom intervalu) jednak je umnošku konstante raspada, toga vremenskog intervala i broja čestica na početku intervala (matematičkim simbolima: dN = – λNdt).

Prethodna tvrdnja predstavlja jedan od oblika zakona radioaktivnog raspada. Iz toga oblika izvode se dva druga matematička oblika koji se češće koriste u izračunima:

ili

U tim formulama, N je broj čestica odnosno jezgri koje se još nisu raspale u trenutku t, dok je N₀  broj čestica u trenutku t=0. Poluživot T povezan je s konstantom raspada λ relacijom.

Radioaktivna i druga ionizirajuća zračenja (kao što su rendgensko zračenje, kozmičko zračenje itd.) stvaraju u tvarima parove iona (različitim mehanizmima, npr. izravno izbijajući elektrone iz atoma ili molekula). U živim tkivima to može uzrokovati poremećaje u funkciji stanica ili njihovih važnih sastavnica (kao što je genetski materijal). Osim neposrednog oštećenja tkiva, pa i smrti ozračenog organizma kod velikih doza, biološki učinci mogu biti i dugoročni, kao što su maligni procesi te poremećaji kod potomstva uzrokovani oštećenjima reproduktivnih stanica.

Sustav doza ozračenja (apsorbirana, ekvivalentna i efektivna) koncipiran je tako da na temelju apsorbirane energije određuje rizik od zdravstvenih posljedica.

Apsorbirana doza jednaka je omjeru apsorbirane energije zračenja u nekom tkivu i mase toga tkiva. Jedinica grej (Gy) jednaka je apsorbiranoj dozi od jednog džula po kilogramu. (Ako se opisuju razlike u ozračenju na različitim mjestima u tkivu, treba omjere apsorbirane energije i mase računati za vrlo male volumene tkiva, od točke do točke.)

Međutim, biološki učinci ozračenja ne ovise samo o apsorbiranoj dozi, nego još i o vrsti zračenja te o vrsti ozračenog tkiva (odnosno organa).

Ekvivalentna doza obračunava razlike u štetnosti pojedinih vrsta zračenja. Računa se tako da se prosječna apsorbirana doza u nekom tkivu ili organu pomnoži s brojem koji se zove težinski faktor zračenja. Primjerice, za beta i gama zračenje faktor je najmanji i iznosi 1, za alfa zračenje je najveći i iznosi 20, a za neutrone ovisi o njihovoj brzini. Jedinica za ekvivalentnu dozu zove se sivert (Sv), da se naglasi razlika prema apsorbiranoj dozi (iako ima istu strukturu, džul po kilogramu).

Efektivna doza uzima još u obzir i različitu osjetljivost pojedinih tkiva na zračenje. Računa se isključivo za cijelo tijelo (organizam), i to tako da se ekvivalentne doze za sva tkiva pomnože svaka sa svojim težinskim faktorom tkiva i potom zbroje. Primjerice, koštana srž ima težinski faktor 0,12, a koža 0,01. Jedinica za efektivnu dozu ista je kao za ekvivalentnu (Sv).

Efektivna doza približno opisuje ukupni rizik koji ozračenje predstavlja za zdravlje čovjeka. Primjerice, jednokratno ozračenje od 5 Sv izaziva smrt oko 50% ozračenih ljudi u roku od 30 dana. Doza od 1 Sv može izazvati prolazne simptome radijacijske bolesti, a kasnije se razvije rak u 5% slučajeva.

Male doze, kakve se razmatraju u području zbrinjavanja RAO, izražavaju se u tisućinkama Sv, tj. u milisivertima (mSv), a rizik od takvih doza uglavnom se svodi na malu vjerojatnost obolijevanja od raka. Za doze manje od desetak mSv godišnje taj rizik nije doista dokazan, ali je – u svrhu reguliranja zaštite od zračenja – općenito prihvaćena linearna ekstrapolacija rizika iz područja većih doza (ICRP i IAEA preporuke, EU i nacionalni propisi).

Nuklearno gorivo je naziv za radioaktivni materijal u kojemu se u nuklearnom reaktoru odvija kontrolirana lančana fisija. Taj će fisijski proces vremenom toliko promijeniti sastav i koncentracije radionuklida u gorivu da ono više neće biti upotrebljivo za nastavak procesa na projektirani način. Tada gorivo dobiva naziv istrošeno nuklearno gorivo, skraćenica: ING (ili iskorišteno nuklearno gorivo ili ozračeno nuklearno gorivo), te se vadi iz reaktora i zamjenjuje novim gorivom. Zbog gomilanja fisijskih produkata u gorivu, radioaktivnost istrošenoga goriva u trenutku vađenja iz reaktora tipično je oko milijardu puta veća nego na početku njegova korištenja.

U Nuklearnoj elektrani Krško, nuklearno gorivo je obogaćeni uranij u obliku uranijevog dioksida (ima oko 5% uranija-235, umjesto 0,71% koliko ga ima u prirodnom uraniju; ostalo je uranij-238). Gorivni ciklus traje 18 mjeseci, nakon kojih se zamjenjuje oko polovina goriva u reaktoru, što znači da je uporabni vijek goriva oko 3 godine.

Sporazum (agreement) je međusobno razumijevanje između dvije strane. Često vodi potpisivanju ugovora (contract).

Konvencija (convention) je sporazum obično između dviju država, koji je manje služben nego Ugovor (treaty).

Ugovor (treaty) je službeni sporazum između dvije ili više država za neke stvari od javne dobrobiti.