Het abc van radioactiviteit

Wat is radioactiviteit?

Stabiele en onstabiele kernen

Atomen worden vaak voorgesteld als mini-zonnestelsels met de kern in het midden en daarrond elektronen.

Om te begrijpen wat radioactief precies betekent, moeten we naar de kern van de materie: het atoom. Alles wat tastbaar is, bestaat uit atomen: de natuur, het menselijk lichaam, alles rondom ons. Elk atoom bestaat uit een centrale kern bestaande uit protonen en neutronen, omgeven door een wolk elektronen. Een atoom wordt vaak voorgesteld als een minuscuul zonnestelsel met de zon (atoomkern) in het midden en planeten (de elektronen) die er rondcirkelen.

De meeste atomen zijn stabiel. Hun kern verandert niet. Sommige atomen hebben echter een onstabiele kern. Ze zijn als het ware op zoek naar een andere gedaante waarin ze zich stabieler voelen.

Tijdens deze gedaanteveranderingen komt er energie uit de kern vrij, in de vorm van deeltjes of straling. Deze bijzondere energie noemen we ioniserende straling. De transformatie en het uitzenden van die ioniserende straling beschrijven we met de term radioactiviteit.

Niet alle atoomkernen zijn stabiel. Sommige zenden deeltjes of straling uit. Dergelijke onstabiele stoffen zijn radioactief.

Een radioactieve stof stoot energie uit tot de kern een evenwicht heeft bereikt. Dat kan in verschillende stappen gebeuren. Soms is er zelfs een hele vervalketen nodig vooraleer het evenwicht is gevonden. Het verval van radioactieve stoffen verloopt volgens natuurwetten die we niet kunnen wijzigen. Soms gaat het verval heel snel, soms heel traag. Elke radioactieve stof heeft zijn typische vervalsnelheid. Die wordt doorgaans uitgedrukt door de halveringstijd. Dat is de tijd waarin de helft van de radioactieve stof is omgezet naar een andere stof. Voor sommige radioactieve stoffen bedraagt de halveringstijd slechts enkele seconden, voor andere vele duizenden jaren.

Er is straling … en er is ioniserende straling

Straling is de algemene term voor energie in de vorm van bewegende deeltjes, golven of pakketjes energie. Er bestaan verschillende soorten straling: er zijn lichtstralen, warmtestralen, uv-stralen, kosmische stralen, X- of röntgenstralen ...

Straling wordt vaak onderverdeeld in twee soorten: ioniserende en niet-ioniserende straling. Die verdeling slaat op het energiegehalte en de gevaarlijkheid van de straling. Vele stralingsvormen, zoals zichtbaar licht, warmte, microgolven of radiogolven hebben onvoldoende energie om atomen te beschadigen, en worden daarom niet-ioniserende straling genoemd.

Het stralingsspectrum, toepassingen, frequentie en energie
*Bron: UN SCEAR, 2016*

Ioniserende straling is energierijke straling en kan wel atomen veranderen. Radioactieve straling behoort tot de groep van de ioniserende straling, net als X-stralen of röntgenstralen (die gebruikt worden voor het maken van röntgenfoto’s in het ziekenhuis) en kosmische straling.

De straling die ontstaat bij het verval van een atoomkern wordt ingedeeld in drie groepen: α- (alfa), β- (bèta) en γ- (gamma) stralen:

Bij alfastralen zijn de uitgestoten energiedeeltjes relatief groot en zwaar: ze bestaan uit 2 protonen en 2 neutronen. Deze deeltjes worden met een snelheid van 16.000 km per seconde uit de atoomkern weggeslingerd. Omdat ze echter zo zwaar zijn, worden ze snel afgeremd en kunnen ze moeilijk doorheen materie doordringen. Een blad papier of een luchtlaag van 3 cm volstaan al om deze deeltjes tegen te houden.
Bètastralen zijn lichtere deeltjes en zijn negatief geladen. Ze worden van de atoomkern weggeslingerd met een snelheid van 270.000 km per seconde. Ze dringen dieper door in materie maar een aluminiumplaat van enkele millimeter dikte, een scherm uit plexiglas van één centimeter dikte of 3 meter lucht volstaan om de stralen tegen te houden.
Gammastralen zijn elektromagnetische stralen met hoge energie. Zij hebben het grootste vermogen om door te dringen in materie. Alleen stoffen met een grote dichtheid – ijzer, beton, lood – zijn in staat om ze tegen te houden. Afhankelijk van de intensiteit van de stralingsbron moeten die stoffen centimeters tot zelfs meters dik zijn. Gammastralen kunnen honderden meters lucht doorkruisen zonder noemenswaardig te verzwakken.

Daarnaast zijn er nog andere stralen die bij radioactief verval kunnen vrijkomen, waaronder X-stralen, neutronen, kosmische stralen, muons, positronen ... Het zou ons echter te ver leiden om alle types van straling die worden uitgestoten door onstabiele atoomkernen in detail te bespreken.

Natuurlijke en kunstmatige radioactieve straling

Ons lichaam wordt dagelijks gebombardeerd door ioniserende straling, deels vanuit de ruimte (bijvoorbeeld door kosmische straling), deels afkomstig van onstabiele atoomkernen in het milieu die spontaan vervallen en daarbij ioniserende straling uitzenden.

Je vindt die natuurlijke radioactieve materialen overal: in de grond, in de lucht, in onze voeding en zelfs in ons eigen lichaam. Zo kan in gebouwen bijvoorbeeld radon - een specifiek radioactief gas - binnendringen vanuit de bodem. Ook bouwmaterialen kunnen stoffen bevatten die zorgen voor een verhoogde stralingsblootstelling. In vis en zeevruchten zijn sporen van radioactief lood en polonium aanwezig. En zelfs bananen zijn in zekere mate radioactief.

Hoewel dergelijke stralingsbronnen van nature rondom ons aanwezig zijn, kunnen we toch keuzes maken die de mate van blootstelling verminderen. Het gaat dan om keuzes hoe we leven, waar we wonen (de blootstelling aan radon ligt in het zuiden van België bijvoorbeeld hoger dan in het noorden), wat we eten en drinken.

Daarnaast is er ook kunstmatige radioactieve straling. Die is het gevolg van menselijke activiteiten. We gebruiken radioactiviteit voor medische doeleinden (radiologie, radiotherapie, nucleaire geneeskunde ...), maar ook de uitbating van kernreactoren om elektrische energie op te wekken is gebaseerd op radioactiviteit, net als het bestralen van bepaalde soorten voeding om besmetting door micro-organismen tegen te gaan.

Wat doet radioactiviteit met mens, dier en plant?

Bestraling of besmetting

Blootstelling aan radioactieve stoffen kan op 2 manieren: door bestraling of door besmetting. Bestraling treedt op wanneer we ons in de nabijheid van een radioactieve bron bevinden die ons bestraalt. Er is niet noodzakelijk direct fysiek contact tussen het lichaam en het radioactief materiaal nodig. Een voorbeeld is de bestraling van een tumor. Hierbij wordt het lichaam van de patiënt aan straling blootgesteld vanuit een bron. De bestraling houdt op wanneer de bron wordt afgeschermd van het lichaam.

Komen we in contact met radioactief materiaal, dan lopen we het risico op besmetting. Bij uitwendige besmetting hechten radioactieve deeltjes zich aan de huid. Inwendige besmetting vindt plaats wanneer we radioactieve deeltjes inademen, opeten of opdrinken. De opgenomen radioactieve deeltjes gaan in ons lichaam ioniserende stralen uitzenden en kunnen omliggende weefsels beschadigen. In dat geval spreken we van radiotoxiciteit.

Effecten op het lichaam

Iedereen wordt blootgesteld aan natuurlijke radioactiviteit. De ioniserende straling kan de cellen in ons lichaam beschadigen, in het bijzonder het erfelijke materiaal, het DNA. Meestal kunnen onze cellen deze schade herstellen. Wanneer de blootstelling heel intens is of geconcentreerd in tijd, slagen de herstelmechanismen er minder goed in de beschadigingen te repareren.

Het FANC onderscheidt op haar website 3 parameters die de omvang en aard van de effecten van blootstelling van ons lichaam aan ioniserende stralen bepalen:

Duur en dosis van de blootstelling:

Blootstelling aan een hoge dosis straling kan onmiddellijke gevolgen hebben voor ons lichaam. Voorbeelden zijn brandwonden en/of stralingsziekte die gepaard gaat met misselijkheid, diarree, een toenemend tekort aan bloedlichaampjes (met bloedingen tot gevolg) en een verhoogde kans op infecties. In ernstige gevallen kan binnen enkele dagen de dood optreden.

Bij lagere dosissen wordt vooral gevreesd voor later optredende effecten zoals kanker en erfelijke aandoeningen. Er is een duidelijk verband waargenomen tussen de hoogte van de dosis bestraling en de toename van het aantal kankergevallen. Radioactieve straling brengt wijzigingen aan in het genetisch materiaal (DNA) van de cel waardoor die zich ongecontroleerd kan beginnen delen en een tumor ontstaat.

Naast kanker worden ook erfelijke aandoeningen in de hand gewerkt door radioactieve straling en kunnen ontwikkelingsstoornissen ontstaan bij embryo’s en foetussen wanneer die in de moederschoot bestraald of besmet raken.

De aard van de radioactieve stof

Sommige radioactieve stoffen verspreiden zich homogeen doorheen het lichaam (bijvoorbeeld cesium), terwijl andere zich in één of meerdere organen opstapelen (bijvoorbeeld jodium in de schildklier). Daarnaast is ook de aard van de stralen van belang. Bijvoorbeeld een geabsorbeerde dosis alfastraling richt in ons lichaam veel meer schade aan dan eenzelfde dosis bèta- of gammastraling.

De stralingsgevoeligheid

De risico’s, zelfs bij gelijke doses, zijn sterk verschillend van persoon tot persoon. Foetussen, kinderen en zwangere vrouwen zijn het meest gevoelig voor gevolgen van ioniserende straling. Ook zijn niet alle organen even gevoelig aan straling: de impact van ioniserende straling op eierstokken en teelballen is bijvoorbeeld 200 keer groter dan op huid en botweefsel.

Meten is een begin van weten

Met onze zintuigen kunnen we radioactiviteit niet waarnemen: we kunnen radioactieve stralen niet voelen, zien, proeven, ruiken of horen. Er zijn wel uiterst precieze meetinstrumenten waarmee we zelfs de geringste hoeveelheden radioactieve straling kunnen meten.

Een van de eenheden om de geabsorbeerde dosis straling te meten, is de gray (Gy), die staat voor de hoeveelheid energie die de straling aan het materiaal afgeeft. 1 gray komt overeen met de absorptie van 1 joule energie (J) per kilogram (kg) materie of weefsel.

De biologische schadelijkheid voor de mens bij inname (door ingestie of inademen) van een radioactieve stof wordt vaak uitgedrukt in sievert (Sv). Deze maat houdt rekening met de impact van de aard van de straling op de verschillende weefsels van een volwassen menselijk lichaam.

Jaarlijkse blootstelling in België

Het FANC schatte in 2015 de gemiddelde blootstelling aan ioniserende straling in België op ongeveer 4 milliSievert/jaar. Dit gemiddelde omvat zowel natuurlijke als kunstmatige radioactiviteit.

Ongeveer 60% (of 2,4 mSv) van de gemiddelde jaarlijkse blootstelling van een Belgische inwoner aan ioniserende straling, is toe te schrijven aan natuurlijke straling.

Bijna 40% van het jaarlijkse gemiddelde is afkomstig van medische toepassingen zoals radiologie en nucleaire geneeskunde.

De stralingsdosis die iemand ontvangt bij een radiografie van het bekken (ongeveer 0,5 mSv) komt overeen met een dosis van 3 maanden natuurlijke straling. Een CT-onderzoek van de buik (10,5 mSv) is equivalent aan 4 jaar natuurlijke straling.

Industriële installaties (waaronder kerncentrales) zijn verantwoordelijk voor minder dan 1% van de jaarlijkse dosis die de gemiddelde inwoner in België ontvangt.

Vanzelfsprekend is er onder de bevolking een grote spreiding in individuele blootstelling aan ioniserende straling. De eigenlijke opgelopen dosis per individu is afhankelijk van de woonplaats, de individuele medisch-radiologische blootstelling, een mogelijke radiotherapie om kanker te behandelen, een eventuele blootstelling vanwege beroepsactiviteiten, het aantal vlieguren tijdens dat jaar, en tal van andere factoren.

Effecten op de biosfeer

Volgens het milieuprogramma van de Verenigde Naties wordt meer dan vroeger aandacht besteed aan de effecten van stralingsblootstelling op dieren, planten en micro-organismen. De afgelopen decennia heerste de opvatting dat indien de mens afdoende werd beschermd, dit ook wel het geval zou zijn voor dieren en planten.

Reikwijdte van acute dodelijke doses voor bepaalde dieren en planten
*Bron: UN SCEAR, 2016*

Uit onderzoek van de Verenigde Naties naar de effecten van stralingsblootstelling op de biosfeer is echter duidelijk dat individuele dieren en planten op uiteenlopende wijze reageren op stralingsblootstelling: van alle dieren zijn zoogdieren het meest stralingsgevoelig waarbij grote dieren stralingsgevoeliger zijn dan kleine dieren.

Dat geldt ook voor grote planten ten opzichte van kleine planten. Terwijl bepaalde insecten, bacteriën en virussen bestand zijn tegen zeer hoge doses aan ioniserende straling.

De belangrijkste effecten op dieren- en plantenpopulaties hebben waarschijnlijk te maken met fertiliteit (vruchtbaarheid), mortaliteit (sterfte) en het opwekken van mutaties. Veranderingen in reproductie, bijvoorbeeld het aantal nakomelingen, zijn zeer betrouwbare indicatoren van stralingseffecten, meer nog dan mortaliteit.

Hoe beschermen we ons tegen bestraling en besmetting?

Wie mogelijk met radioactieve stoffen in contact komt, moet zich op een effectieve manier beschermen tegen bestraling én besmetting. Hiervoor gelden enkele algemene principes: