Atóm, ión a ochrana pred žiarením

Prečo röntgen vyžaduje olovenú zásteru, Wi-Fi nie, a prečo sa mažeš krémom

Pri röntgene zuba ti sestra dá olovenú zásteru a sama odíde za stenu. Pri Wi-Fi routri v izbe nič také nerobíš. Na pláži sa mažeš krémom, pri radiátore nie. Je to len zvyk, alebo fyzika? Fyzika — a rozhoduje jediné číslo: energia jedného fotónu.

Atóm a ión

Každá látka sa skladá z atómov. Atóm má:

jadro v strede — protóny (kladný náboj) a neutróny (bez náboja),
obal — elektróny (záporný náboj) okolo jadra.

V bežnom atóme je elektrónov rovnako veľa ako protónov, náboje sa vyrovnajú a atóm je navonok neutrálny.

Keď atóm elektrón stratí, má viac kladného náboja → kladný ión (katión). Keď elektrón získa → záporný ión (anión). Príklady: v kuchynskej soli sú ióny $\mathrm{Na^+}$ a $\mathrm{Cl^-}$ , v lítiovej batérii mobilu putujú pri nabíjaní a vybíjaní ióny lítia $\mathrm{Li^+}$ .

Ionizácia = vytrhnutie elektrónu z atómu alebo molekuly. Na to treba dodať aspoň určitú minimálnu energiu — rádovo $10^{-18}\,\mathrm{J}$ .

Ionizujúce a neionizujúce žiarenie

Z minulej lekcie vieš, že žiarenie odovzdáva energiu po fotónoch a energia fotónu je $E = hf$ . Elektromagnetické žiarenie dokáže ionizovať len vtedy, ak jeden jeho fotón má dosť energie na vytrhnutie elektrónu.

Ionizujúce: röntgenové a gama žiarenie (a najenergetickejšia časť UV). Patria sem aj častice z rádioaktívneho rozpadu — žiarenie alfa a beta (to nie sú fotóny, ale rýchle častice s veľkou energiou).
Neionizujúce: rádiové vlny, mikrovlny (Wi-Fi, mobil, 5G, mikrovlnka), infračervené žiarenie, viditeľné svetlo.

Ionizujúce žiarenie môže poškodiť bunky aj DNA, preto sa pred ním chrániš.

Fotón Wi-Fi (2,4 GHz): $E = hf = 6{,}63 \cdot 10^{-34}\,\mathrm{J\,s} \cdot 2{,}4 \cdot 10^9\,\mathrm{Hz} \approx$ $1{,}6 \cdot 10^{-24}\,\mathrm{J}$ .

Na ionizáciu treba rádovo $10^{-18}\,\mathrm{J}$ — teda asi miliónkrát viac. Fotón röntgenového žiarenia ( $f \approx 3 \cdot 10^{18}\,\mathrm{Hz}$ ) má $E \approx 2 \cdot 10^{-15}\,\mathrm{J}$ — tisíckrát viac, než treba.

Silnejší router z Wi-Fi ionizujúce žiarenie neurobí. Väčší výkon znamená viac fotónov, nie silnejší fotón. Ak jeden fotón elektrón nevytrhne, pri bežných intenzitách ho nevytrhne ani milión takých fotónov. Je to ako keď chceš preskočiť dvojmetrovú latku: tisíc pokusov s výskokom do pol metra ti nepomôže.

Mobil, Wi-Fi, 5G a mikrovlnka — fakty

Patria medzi neionizujúce žiarenie. 5G používa podobné frekvencie ako Wi-Fi a staršie siete, takže aj ono je neionizujúce.
Preukázaný účinok týchto vĺn na telo pri veľkej intenzite je ohrev tkaniva — rovnako ako v mikrovlnke.
Pre vysielače, mobily aj routre platia limity (odporúča ich medzinárodná komisia ICNIRP a podľa nich sú stanovené limity v EÚ aj u nás). Sú nastavené s veľkou rezervou pod úrovňou, pri ktorej by sa telo merateľne zohrialo.
Podľa Svetovej zdravotníckej organizácie (WHO) sa doteraz nepreukázalo, že by mobily a siete pri dodržaní limitov škodili zdraviu. Výskum pokračuje, ako pri každej technológii.

Mikrovlnná rúra ohrieva vodu v jedle. Jedlo po nej nie je rádioaktívne ani „ožiarené“ — po vypnutí v ňom nezostane žiadne žiarenie, len teplo. Kovová mriežka v dvierkach má otvory oveľa menšie než vlnová dĺžka mikrovĺn (asi 12 cm), preto mikrovlny cez ňu neprejdú. Svetlo s vlnovou dĺžkou okolo pol mikrometra prejde — preto vidíš dnu.

UV žiarenie — na hranici

UV zo Slnka, ktoré k nám dopadne, sa vo fyzike väčšinou nepočíta medzi ionizujúce. Najenergetickejšiu časť UV, ktorá by ionizovala, pohltia horné vrstvy atmosféry; ozónová vrstva potom zadrží UV-C a väčšinu UV-B. Fotóny UV, ktoré prejdú (hlavne UV-B), však majú dosť energie na to, aby priamo poškodili DNA v bunkách kože. Výsledok: spálenie, rýchlejšie starnutie kože, rakovina kože, poškodenie očí.

Ako sa chrániť:

sleduj UV index — od hodnoty 3 sa treba chrániť,
okolo poludnia (zhruba 11:00–15:00) buď v tieni,
opaľovací krém s vysokým ochranným faktorom (SPF 30 a viac), natieraj znova po kúpaní,
okuliare s UV filtrom, šiltovka alebo klobúk, tričko,
pozor: cez oblaky prejde veľká časť UV a sneh ho silno odráža — spáliť sa dá aj pri zamračenej oblohe a na lyžiach,
solárium: rakovinová agentúra Svetovej zdravotníckej organizácie (IARC) ho zaradila medzi preukázané rizikové faktory rakoviny kože.

Ochrana pred ionizujúcim žiarením

Malé množstvo ionizujúceho žiarenia je okolo nás stále — prirodzené pozadie: radón z podložia (hromadí sa v pivniciach, pomáha vetranie), kozmické žiarenie (viac v lietadle) aj prirodzený rádioaktívny draslík v potravinách a v tele. Účinok žiarenia na človeka sa udáva dávkou v sievertoch (Sv); z pozadia dostane človek v priemere okolo 2–3 mSv za rok. Jedna röntgenová snímka zuba alebo hrudníka má dávku oveľa menšiu ako celoročné pozadie, a predsa sa robí len vtedy, keď je naozaj potrebná.

Tri zásady ochrany:

čas — pri zdroji buď čo najkratšie,
vzdialenosť — čím ďalej od zdroja, tým menšia dávka,
tienenie — medzi seba a zdroj daj vhodnú prekážku.

Čo ktoré žiarenie zastaví: alfa zastaví list papiera aj vrchná vrstva kože, beta tenký hliníkový plech (niekoľko mm), röntgen a gama výrazne zoslabí až hrubá vrstva olova alebo betónu. Preto olovená zástera pri röntgene a betónové steny jadrovej elektrárne. Pracovníci so žiarením nosia dozimeter, ktorý meria ich dávku.

Prečo sestra pri röntgene zuba odíde za stenu, hoci pre teba je jedna snímka zanedbateľná záťaž?

Ukáž riešenie

Ty dostaneš jednu malú dávku. Sestra robí desiatky snímok denne, roky — jej dávky by sa sčítali. Používa preto vzdialenosť a tienenie (stena, olovo) a pri prístroji sa zdržiava len čas, ktorý je nevyhnutný.

Teraz ty: dokáže toto žiarenie ionizovať?

A ochrana pred žiarením a pojmy okolo neho:

Zapamätaj si

Atóm = jadro (protóny, neutróny) + elektróny v obale; ión vznikne stratou (kladný) alebo získaním (záporný) elektrónu.
Elektromagnetické žiarenie ionizuje, len ak má jeden fotón $E = hf$ dosť energie (röntgen, gama); ionizujúce sú aj častice alfa a beta. Viac fotónov s malou energiou to nezmení.
Rádiové vlny a mikrovlny (mobil, Wi-Fi, 5G, mikrovlnka) sú neionizujúce; pri vysokej intenzite ohrievajú, preto platia limity.
Pred UV sa chrániš tieňom, krémom, okuliarmi a oblečením; pred ionizujúcim žiarením časom, vzdialenosťou a tienením.