Ioniseeriv kiirgus

Ioniseeriv kiirgus koosneb osakestest või lainetest, millel on piisavalt energiat, et rebida ära vähemalt üks elektron aatomi elektronkattest (s.t ioniseerida aatom). Osakeste voo või laine ioniseerimisvõime ei sõltu osakeste arvust, vaid iga konkreetse osakese ioniseerimisvõimest (energiast).

Radioaktiivne kiirgus on ioniseeriv kiirgus. Sõltuvalt kiirguse tüübist teeb ta seda otseselt (alfa-, beeta- ja gammakiirgus) või kaudselt (neutronkiirgus). Ka röntgenikiirgus on ioniseeriv kiirgus, kuid selle energia (ja seega ka ioniseerimisvõime) on gammakiirgusest väiksem. Ultraviolettkiirgus ja nähtav valgus ioniseerivad vaid väheseid aineid, mille välise elektronkihi elektroni seoseenergia on piisavalt väike. Seda nähtust nimetatakse ka fotoionisatsiooniks.

Ioniseerivat kiirgust kasutatakse paljudes valdkondades (meditsiin, teaduslik uurimistöö, ehitus, tööstuslik tootmine jne), kuid selle väärkasutus võib põhjustada tõsiseid tervisekahjustusi. Elusaine kudede ionisatsioon lõhub rakke ja kahjustab DNA-d. Suured ioniseeriva kiirguse doosid võivad põhjustada mutatsioone või vähki, samuti ägedat kiiritusmürgitust.

Ioniseeriva kiirguse tüübid

Ioniseeriv kiirgus tekib radioaktiivsel lagunemisel ja tuumareaktsioonides. Samuti on võimalik kuumutada soojuskiirgust kiirgavat keha piisavalt kuumaks, et selle musta keha kiirgus muutub ioniseerimisvõimeliseks. Ka elementaarosakeste kiirendi tekitatud osakeste voog on ioniseeriv kiirgus.

Et osake oleks ioniseerimisvõimeline, peab tal olema piisavalt energiat ja ta peab mõjutama sihtmärgi aine aatomeid. Sõltuvalt mõjust jagatakse ioniseeriv kiirgus otseselt ioniseerivaks kiirguseks ja kaudselt ioniseerivaks kiirguseks. Footonid (alates suure energiaga ultraviolettkiirgusest), mõjutavad nii aatomituuma kui ka aatomi elektronkatte elektrone, põhjustades otseselt aatomi ioniseerumist. Samuti on otseselt ioniseerivad kõik laetud osakesed (näiteks alfa- ja beetaosakesed). Neutraalsed osakesed (näiteks neutron) on kaudselt ioniseeriva toimega. Nende ioniseeriv mõju avaldub alles pärast nende neeldumist sihtmärgi aine tuumas.

Alfakiirgus

Pikemalt artiklis alfakiirgus

Alfakiirgus koosneb rasketest ja suure positiivse laenguga alfaosakestest. Alfaosakesed on väga tugeva ioniseeriva toimega. Möödudes sihtmärgi aatomitest pidurduvad alfaosakesed aatomi elektronkatte elektriväljas andes osa oma liikumise energiast üle elektronidele. Kui seda energiat on piisavalt (üle elektroni seoseenergia), siis rebitakse elektron aatomi elektronkattest välja ja see muutub vabaks elektroniks. Tavaliselt on alfaosakesel piisavalt energiat, et tekitada oma liikumisteel terve kaskaad vabu elektrone, millest mõnigatele üle antud energia on piisav, et põhjustada veel täiendavat ionisatsiooni.

Kuna alfakiirgus ioniseerib "kohe ja kõike" alates kiirgumise hetkest, on alfakiirgust lihtne varjestada. Tavaliselt piisab selleks õhukesest paberilehest. Alfakiirgust kiirgav objekt ei ole inimesele ohtlik, kuna alfakiirgus neeldub täielikult juba paarisentimeetrises õhukihis. Alfakiirgus on ohtlik ainult kiirgava ainega vahetu kokkupuute korral (näiteks allaneelamisel või sissehingamisel).

Beetakiirgus

Pikemalt artiklis Beetakiirgus

Sarnaselt alfakiirgusega põhjustab beetakiirgus samuti ionisatsiooni tänu kiirete elektronide pidurdumisele aatomi elektronkatte elektriväljas. Tulenevalt beetaosakeste väiksemast massist, suuremast kiirusest ja väiksemast laengust suudavad beetaosakesed tungida sügavamale ioniseeritava aine sisse. Suure energiaga beetaosakesed tekitavad oma teel samuti terve kaskaadi vabu elektrone, mis võivad samuti olla ioniseeriva toimega.

Lisaks aatomite ioniseerimisele võib elektron aatomi (või aatomituuma) elektromagnetväljas pidurdudes või suunda muutes kiirata elektromagnetkiirgust. Nii tekib nn pidurduskiirgus (ehk bremsstrahlung).

Beetakiirgus on alfakiirgusest ohtlikum, kuid võrreldes gammakiirgusega siiski suhteliselt väheohtlik. Beetakiirguse varjestamiseks piisab õhukesest metall-lehest või paarikümnesentimeetrisest õhukihist kiirgava objekti ja inimese vahel.

Gamma- ja röntgenikiirgus

Pikemalt artiklis Gammakiirgus

Pikemalt artiklis Röntgenikiirgus

Nii gamma- kui ka röntgenikiirgus on elektromagnetiline kiirgus, mis erineb kiirguse allika poolest. Gammakiirgus pärineb ergastatud aatomituumadest ja röntgenikiirgus ergastatud aatomitest (elektronidest). Reeglina on gammakiirgus röntgenikiirgusest tugevam (suurema energiaga), kuid röntgenikiirguse spektri ülemine ots kattub gammakiirguse spektri alumise otsaga. Ka ultraviolettkiirguse spektri ülemine ots on sarnaselt röntgenikiirgusega ioniseeriva toimega. Elektromagnetkiirgus põhjustab ionisatsiooni kolmel viisil:

fotoelektriline efekt tekib siis, kui aatom (või aatomi tuum) neelab footoni ja läheb ergastatud olekusse. Kui aatomi saadud lisaenergia ületab aatomi väliskihi elektroni seoseenergia, siis võib aatom selle elektroni kaotada. Kui aatom elektroni ei kaota, siis peab ta põhiolekusse naasmiseks üleliigse energia taas footonina ära kiirgama, kusjuures kiiratud footon on endiselt ioniseerimisvõimeline põhjustades mõne järgmise aatomi ioniseerumise;
Comptoni hajumine tekib siis, kui elektron footonit ei neela, vaid footon hajub elektronilt. Sel juhul annab footon osa oma energiast üle elektronile, mis võib muutuda vabaks elektroniks. Footoni enda energia väheneb (lainepikkus suureneb). Sõltuvalt hajunud footonile jäänud energiast võib ta endiselt olla ioniseerimisvõimeline.
elektronpositron paar tekib siis kui footoni energia on piisavalt suur paari vaakumist välja löömiseks. Kui footoni energia oli suurem kui paari tekkeks vajalik, siis võib tekkinud elektron omada ise piisavalt energiat, et ioniseerida aatomeid. Positron annihileerub mõne aatomi elektroniga ja ioniseerib sellega aatomi. Lisaks tekib uus footon, mis on omakorda ioniseerimisvõimeline;

Elektromagnetkiirgus (erinevalt alfa- või beetakiirgusest) ei ioniseeri kõiki aatomeid oma teel. Seega suudab elektromagnetkiirgus tungida oluliselt sügavamale aine sisse (sellele aitab kaasa ka footonite neeldumistekiirgumiste jada, ehk teisene kiirgus). Seetõttu on elektromagnetkiirgus palju suurema läbimisvõimega. Mida suurema energiaga on elektromagnetkiirgus, seda paksemat ja suurema tihedusega ainest varjestust on vaja (näiteks gammakiirguse peatamiseks on vaja paksu pliikihti). Inimesele on gammakiirgus väga ohtlik, sest põhjustab kiirgustõbe ja surma.

Neutronkiirgus

Pikemalt artiklis Neutronkiirgus

Neutronkiirgus on kaudselt ioniseeriv kiirgus. Neutronid neutraalse osakesena ei saa ise otseselt mõjutada elektrone aatomi elektronkattest lahkuma. Neutronite ioniseeriv toime avaldub alles pärast nende kokkupõrget mõne ioniseeritava aine aatomituumaga. Näiteks kiire neutroni põrge vesinikuaatomi tuumaga võib (sarnaselt piljardipallidega) lüüa prootoni tuumast minema (st purustada vesinikuaatomi). Selle tulemusena neutron aeglustub ja tekib kiiresti liikuv vaba prooton, mis ioniseerib oma liikumise teel teisi aatomeid.

Kui neutron neeldub aatomituumas, siis läheb tuum ergastatud olekusse ja muutub radioaktiivseks. Kui neutroni lisandumise järel tekkis stabiilne sihtmärgi aine isotoop, siis tekitab neutroni neeldumine ainult gammakiirgust (ergastatud tuum kiirgab gammakvandi, et naasta põhiolekusse). Kui tekkinud isotoop on radioaktiivne, siis võib selle tuuma lagunemisel lisaks gammakiirgusele tekkida ka alfa- või beetakiirgust.

Kuna neutraalne neutron reageerib ainult sihtmärgi aine aatomituumadega, siis võib ta läbida aines pika vahemaa enne tuumaga kokku põrkamist. Seetõttu on neutronkiirguse läbimisvõime kõigist ioniseeriva kiirguse liikidest kõige suurem. Võttes arvesse, et neutroni kokkupõrge sihtmärgi aatomi tuumaga tekitab suurtest kogustest teisest ioniseerivat kiirgust, siis on neutronkiirgus konkurentsitult kõige ohtlikum ioniseeriva kiirguse tüüp (neutronkiirgus on gammakiirgusest kuni kümme korda ohtlikum).

Neutronkiirguse varjestamiseks sobivad ohtralt vesinikuaatomeid sisaldavad ained (vesi, betoon jms), milles kiired neutronid aeglustuvad ja muutuvad tuumade jaoks hõlpsamalt neelatavateks. Samas peab neutronkiirguse varjestamiseks kasutatav veekiht olema piisavalt paks ja ümbritsetud teisest gammakiirgust varjestava pliikestaga. Inimesele on neutronkiirgus ohtlik ka tema poolt tekitatud jääkradioaktiivsuse tõttu. See tähendab, et neutronkiirguse kahjulik mõju läbi radioaktiivseteks muutunud aatomite lagunemise kestab ka pärast neutronkiirguse lõppu.

Ioniseeriva kiirguse kasutamine

Ioniseerivat kiirgust kasutatakse laialdaselt meditsiinis, tööstuses, teadusuuringutel ja mujal. Mõõtes ioniseeriva kiirguse materjalis neeldumist, saab hinnata materjali paksust ja kvaliteeti. Seda meetodit kasutatakse näiteks paberi tootmisel liinilt tuleva paberilehe paksuse kontrollimiseks või detaili sisemuses mikropragude otsimiseks. Ioniseeriva kiirguse võimet muuta erinevate gaaside elektrijuhtivust kasutatakse näiteks suitsuandurites. Mõõtes ioniseeritud õhku läbiva elektrivoolu tugevust, on võimalik tuvastada õhu koostise muutust (ioniseeritud suitsuse õhu elektritakistus suureneb võrreldes puhta ioniseeritud õhu elektritakistusega).

Ioniseeriva kiirguse toime elusrakkudele

Ioniseeriv kiirgus võib indutseerida kiirgusest põhjustatud vähi teket, mille täpsed toimemehhanismid pole seni selged. Arvatakse, et kiirgusdoosid kumuleeruvad ja toimivad kantserogeenina, algatades ja/või kiirendades kasvajalisi protsesse ning soodustades kasvajaliste vohangute üleminekut vähiks. Suur ioniseeriva kiirguse doos põhjustab ägeda kiirgusmürgituse ja on elusrakkudele, elusorganismile fataalne, lõppeb surmaga.