VII. A sugárzás biofizikája VII.1. Az elektromágneses sugárzás természete A kísérletek igazolták, hogy a látható fény és a hőmérsékleti (infravörös) sugárzás az elektromágneses hullámoknak egy-egy meghatározott frekvenciasávba eső részét jelenti. A hőmérsékleti sugárzás akárcsak a fény is elektromágneses sugárzás, amely m sebességgel terjed. A látható fény hullámhossza a λ=0,4 ... vákuumban c = 3 ⋅ 108 s 0,75 μm tartományt foglalja el, míg az infravörös sugárzás hullámhossza az elektromágneses sugárzásnak a λ = 0,75 μm és 400 μm hullámhossz tartományába esik. A látható fény hullámhosszánál kisebb hullámhosszú elektromágneses sugárzást ultraibolya sugárzásnak nevezzük, amelynek hullámhossza λ=0,014 μm ... 0,4 μm tartományba esik (1 ábra).
1 ábra. Az elektromágneses sugárzás spektruma
A „kemény” ultraibolya sugárzások (λ=14 nm ... 240 nm) néhány tized milliméter mélységig behatolnak a bőrbe, ahol a fehérjék és a nukleinsavak elnyelik, ezért erős baktérium pusztító hatásúak. A Nap sugárzása igen gazdag ultraibolya
komponensben, de a levegő magas rétegeiben levő ózon elnyeli és ezért a természetes fény spektrumából hiányzik ez a sugárzási tartomány. Az infravörös sugárzás viszonylag kisebb behatolási mélységgel rendelkezik és a szövetekben hővé alakult energia formájában fejt ki biológiai hatást. A látható fény alapvetően fontos szerepet játszik az élő szervezetek fejlődésében, ugyanis a zöld növények a fényenergia hatására szervetlen vegyületekből termelik azokat a szerves anyagokat, amelyek hiányában az életmüködésük lehetetlen. Ez a fotoszintézis folyamata, amelynek eredményeként oxigént szabadítanak fel és biztosítva ezzel a Föld legkörének teljes molekuláris oxigéntartalékát. A fényenergia hasznosítása által évente közelítőleg 16 milliárd tonna szén épül be szerves molekulák formájában a szárazföldi növényekbe. Innen származik az emberiség legfontosabb fosszilis energiaforrását jelentő kőszén, kőolaj és földgáz, amely a létező szénhidrogén készleteket alkotja. VII.2. Fotometriai ismeretek
Ismerkedjünk meg a fotometriai mennyiségekkel! A fotometriai mennyiségek ismerete alapvetően fontos a fényenergia áramlásának jellemzésére és lehetővé teszik a növénytermesztésben nélkülözhetetlen világítástechnikai számítások helyes megtervezését. A sugárzó források jellemzésére bevezetett fontosabb fotometriai mennyiségek: a). φ - fényteljesítmény vagy fényáram: dW [φ ]SI = 1 lm (lumen) φ= dt ahol dW a fényenergia, amelyet a kisugárzó felület a dt idő alatt kibocsát. b). I – fényerősség:
dφ [I ]SI = 1 cd (candella) dΩ A dΦ fényáramnak dΩ egységnyi térszögbe kisugárzott mennyiségét, azaz a fényforrás által időegység alatt az egységnyi térszögbe kisugárzott energia mennyiségét, a fényforrás I fényerősségének nevezzük (2. ábra). I=
2. ábra. A fényforrás I fényerősségének értelmezése
A fényerősség az SI-mértékrendszer alapmennyisége, az I mértékegysége a candella (cd) az SI-rendszer alapmértékegysége. Definició szerint a platina dermedési
hőmérsékletén (t=1768 °C) az 1 cm2 felületű abszolút fekete test felületére merőleges irányban sugárzott fényintenzítás 60 cd erősségű. Izotróp módon sugárzó sugárforrás esetén a kibocsátott fényintenzitás minden irányban állandó, ezért a sugárzási intenzítás a teljes Ω = 4π térszögre kiterjesztett Φ fluxus mennyiségével is jellemezhető: Φ I= 4π A fényerősség segítségével meghatározhatjuk a fényáram mértékegységét, a lument: dφ = I ⋅ dΩ [φ ] = cd ⋅ sr = 1 lumen . Ha a sugárzási fényerősség irányfüggőséget mutat, a sugárzó felület fényerőssége a beesési merőleges irányához viszonyított α irányban megadható a Lambert- féle koszinusztörvény értelmében az alábbi kifejezéssel: I α = I 0 cos α A megvilágított felületek jellemzésére bevezetett mennyiségek: a). E-megvilágítás: A termesztési gyakorlat szempontjából alapvető fontosságú mennyiség az E megvilágítás, amely értelmezés szerint a sugárzási fluxus felületi sűrűségének mértékét jellemzi: dφ E= dS A megvilágítás mértékegysége a lux: [E ]SI = 1 lm ⋅ m −2 = 1 lux . b). B- fénysűrűség vagy felületi fényesség: dI dI B= = dS n dS ⋅ cosθ A megvilágított felület, illetve a „világító felület” ún. „felületi fényessége” jellemezhető a B fénysűrűségnek nevezett mennyiséggel, vagy a „felületi világossággal”, amelyet a megfigyelő szeme érzékel a megvilágított felületről. A fénysűrűség mértékegysége a nit: [B ] = 1 cd ⋅ m −2 = 1 nit , illetve 1 cd ⋅ cm−2 = 1 lambert = 104 nit . A fotometria távolságtörvénye szerint, ha az r távolságban elhelyezett S megvilágított felületet I intenzitású fényforrással világítjuk meg, amelynek fénysugara α szöget zár be a megvilágított felület normálisával, akkor a megvilágítás: I E = 2 cos α r A kifejezésben szereplő E megvilágításon a felületegységre 1 másodperc alatt eső fényenergia mennyiségét értjük. Ezért egy lux a megvilágítása annak a felületnek, amelyre 1 cd fényerejű fényforrás sugároz 1 m távolságból, ha a felület a fénysugarakra irányára merőlegesen helyezkedik el. Elemezzük röviden a sugárzási energia eredetét! Közismert, hogy mind az élő mind az élettelen anyag atomokból, molekulákból épülnek fel. Az élő anyag minden életjelensége atomi szinten meghatározott folyamatok eredménye. Az atom mint az anyag alkotó eleme, ugyancsak összetett szerkezetű, amelyet az atommag és az elektronburok egymáshoz való kapcsolódása tesz elektromosan semlegessé. Az atomok egymáshoz való kapcsolódása molekulaszerkezetek kialakulását
eredményezi. Az atomok és molekulák szerkezeti vizsgálata leghatékonyabban a sugárzási színképek tanulmányozása által valósítható meg. Az atomok és molekulák kibocsátási és elnyelési színképe annak tulajdonítható, hogy ezek energetikai állapotai kvantumos viselkedést mutatnak. Az egyes energiaállapotok közötti átmenet sugárzási energia kibocsátásával, illetve elnyelésével valósulhat meg: h ⋅ν nk = En − Ek . Tehát a színképvonalak rezgészáma meghatározott értéket képvisel, amely a két kvantumállapot közötti energiakülönbségének és a Planck-állandó hányadosával fejezhető ki. Míg az atomok színképe viszonylag egyszerűbb, a molekulaszínképek igen bonyolultak és ezeket általában az abszorpcióban tanulmányozzák, mert a molekulák nagy többsége hevítés hatására rendszerint elbomlanak. A molekulák teljes mozgási energiája négy energiatényezőből áll: Emolekula = Ehaladó + E forgási + Erezgési + Eelektron Mivela haladó mozgási energia folyamatosan változhat, a molekulaszínképek tárgyalásánál ez az energia figyelmen kívül hagyható. A forgó mozgási energia részben a molekula súlypont körüli forgásához, illetve a molekula egyes részeinek forgásához kapcsolódik. Ezek csak diszkrét energiaértékek lehetnek, amelyek megváltozása vonalas színkép kialakulásához vezet. A forgási színkép vonalainak a hullámhossza a távoli infravörös 30 …150 μm tartományában vannak. Az atomok molekulán belüli rezgéseiből származik a molekula rezgési energiája, amely ugyancsak kvantált. Ezek az energiaátmenetek a közeli infravörös tartományban sugároznak a λ = 1…50 μm hullámhossz sávban. Ezeknek a spektrumoknak az értelmezése lehetővé teszi a molekulák disszociációs energiájának meghatározását, valamit egyes kötéstípusoknak megfelelő energiaértékek meghatározását, pld. C-H, N-H, O-H-C=C-, stb. kötések esetében. A molekulák elektronátmenetei energiaváltozásokat eredményeznek, amelyet részben átfed a rezgési és forgási energia egyidejű változása. Ezért a megfelelő színképvonal-rendszer a különböző rezgési, forgási sávcsoportot alkotó sok-sok vonalból álló sávvá tömörül. A sávos színkép ilyen értelemben az infravörös tarománytól a látható illetve az ultraibolya tartományig terjedő hullámhosszak révén rendkívül gazdag információt hordoz. Kisnyomású gázok esetében az abszorpciós színkép elemzése előnyös, mivel az elnyelési színképvonalak élesek, akár az emissziós színképvonalak. Viszont magasabb nyomáson vagy az anyag kondenzált állapotában a molekulák igen gyakori ütközése következtében a színképvonalak kiszélesednek és elmosódottá válnak. Ez azzal magyarázható, hogy az alacsonyabb energia következtében az egymáshoz közeli energianívók egymásba folynak és a sávrendszerben diffúz abszorpciós sávot figyelhetünk meg. A bonyolult molekulák számos atomcsoportja rendelkezik független abszorpciós elnyelési maximummal, így például a karbonil gyök ═CO egy erős maximumot mutat a λ = 2795 Ǻ, illetve a –C═C– kettős kötésnek a λ = 2000 Ǻ, a benzolgyűrű esetén λ = 2800 Ǻ, stb. hullámhossz felel meg. Az elnyelési színkép esetében a fényintenzítás értéke a fény hullámhosszán túl a fényelnyelő anyag koncentrációjától és az átvilágított elnyelőréteg vastagságától is függ.
Adott monokromatikus λ hullámhossz esetében a sugárzási energia elnyelési folyamatát leíró Lambert – Bouguer törvény értelmében, a beeső I0 sugárzás gyengítése függ a közeg tulajdonságától, az abszorbeáló közegben megtett út dx vastagságától: dI = − μ ⋅ I 0 ⋅ dx dI = − μ ⋅ dx ⇒ I0
I ( x)
∫
I0
x
dI = − μ ⋅ ∫ dx I0 , 0
I ( x) = I 0e −μ⋅⋅ x ΔI = I ( x) − I 0 ≡ I 0 (1 − e −μ⋅x ) ahol μ a közeg “optikai sűrűségét” jellemző gyengítési állandó, x az elnyelő közeg vastagsága, ΔI az elnyelt energiát, I o a beeső energiát jelöli. A sugárzás intenzításának gyengítését két tényező határozza meg, az egyik a valódi abszorpció, a másik a szóródás. Ezért, az egyiket a τ lineáris abszorpciós állandóval, a másikat a σ lineáris szórási állandóval jellemezzük: μ = τ + σ . I = T hányadost transzmissziónak vagy áteresztésnek nevezzük, amelynek Az I0 értéke 0 % és 100 % között változhat. A transzmisszió negatív előjellel vett logaritmusát I extinkciónak nevezzük, amely dimenzió nélküli szám: E = − log T = − log = μ ⋅ l . I0 amely adott hullámhossz esetén az anyag minőségétől és annak állapotától (sűrűségétől) függ. Azon elnyelő anyagok, amelyek oldott állapotban vannak és a tanulmányozott hullámhosszon az oldószer nem abszorbeál, a Lambert-törvény értelmében a fényintenzítás gyengítése arányos az oldat mól/liter egységben kifejezett C koncentrációjával: μ = ε ⋅ C , ahol ε az oldott anyag fajlagos extinkciós koefficiense. Ezért, fotometriai mérésekkel az oldatok kolorimetriás elemzése útján (Pullfrich-féle E fotometriás eljárás), extinkciós méréssel meghatározhatjuk egy oldat C x = C ⋅ x E ismeretlen koncentrációját, ha a mérést azonos rétegvastagságú küvettában végezzük: E = C ⋅ l ⋅ ε illetve Ex = C x ⋅ l ⋅ ε Mivel a folytonos spektrumú fénnyel megvilágított molekulák a beeső sugárzásból bizonyos frekvenciákat elnyelnek, az elnyelt fotonok energiája az abszorbeáló molekulákat gerjesztett állapotba hozzák. Ezekből a gerjesztett állapotokból fénykibocsátással a molekulák alapállapotba jutnak, amely jelenséget fotolumineszcenciának nevezünk. Abban az esetben amikor a molekulának alapállapotba való visszatérése (kb. τ = 10-8 sec. időn belül) spontán fénykibocsátással megvalósul meg, fluoreszcenciáról beszélünk. A fluoreszcencia sugárzási hullámhossza megegyezik a gerjesztő sugárzás hullámhosszával, vagy nagyobb hullámhosszon valósul meg. Ha viszont a gerjesztett állapot metastabilis és az alapállapotba való visszatérés nem azonnali, a fénykibocsátás tovább tart mint a gerjesztés, ebben az esetben foszforeszcenciáról beszélünk. Ilyen foszforeszkáló anyag a Cu atomokkal aktivált ZnS, amely a gyorsított részecskék becsapódási helyének megfigyelésére alkalmas.
VII.3. Röntgen-sugárzás
Az előbbiekben ismertetett elektromágneses sugárzások mellett fontos megemlítenünk a nagy áthatóképességű, igen rövid hullámhosszú ( λ = 0,01 Ǻ …1 Ǻ) röntgensugárzást (a felfedező W. C. Röntgen (1895) X- sugárzásnak nevezte). A röntgenspektrumnak két egymásra szuperponálódott komponense van: a folytonos fékezési sugárzás és a karakterisztikus röntgensugárzás. Röntgensugárzás akkor keletkezik amikor a katód által kibocsátott termikus elektronok elegendően nagy gyorsítást nyernek az anód elektromos terében ( U gyorsító ≅ 10 4...105 V), majd az anód atomjaival való kölcsönhatás eredményeként lefékeződnek (3. ábra).
3. ábra. Röntgensugár előállítására szolgáló berendezés
A fékezési röntgensugárzás folytonos eloszlású spektruma a rövid hullámhossz tartományban éles határhullámhosszig terjed. Ez a hullámhossz érték abból a megfontolásból adódik, hogy az elektromosan felgyorsított elektron mozgási energiája az anód atomjainak elektromos terében való fékeződése során határesetben a foton energiájában halmozódhat fel 1 e ⋅ U = ⋅ m ⋅ v 2 = h ⋅ν max 2 amelyhez a kibocsátott X-foton minimális hullámhossza tartozik: 2 ⋅ h ⋅ c 12,3 [Å ] λmin = = m ⋅ v2 U [kV ] A karakterisztikus röntgensugárzás emissziós spektruma akkor keletkezik amikor az anód atomjait bombázó elektronok energiája elegendően nagy ahhoz, hogy az atommaghoz közeli belső elektronhéjak valamelyikéről elektront szakítsanak ki. A gyorsítófeszültség adott értéke felett megjelenik az illető héj teljes színképvonal sorozata, amelyet a külső elektronhéjakról átrendeződő elektronátmenetek eredményeznek (4.ábra). Ezek a karakterisztikus sugarak rendszerint csak néhány színképvonalból állnak, amelyeket sorozatba foglalva növekvő hullámhosszuk sorrendjében K, L, M, N, … sorozatnak neveznek. Jellegzetes X-sugárzást nem észlelhetünk csak a nagyobb rendszámú elemeknél, amelyek belső elektronhéjai lezártak.
4 ábra. Folytonos (a) és karakterisztikus (b) Röntgen-sugárzás intenzításának eloszlása a hullámhossz függvényében
A karakterisztikus sugárzás frekvenciája és a sugárzó elem rendszáma közötti összefüggést a Moseley-törvény fogalmazza meg, amely szerint a K sorozatot alkotó sugárzások frekvenciájára az ún. Kα vonalakra, felírható:
⎡1 1 ⎤ − 2 2 ⎣1 n ⎥⎦ Ebben a kifejezésben a (Z-1) szorzótényező az ún. árnyékoló hatást hívatott figyelembe venni, amikor a Z rendszámú atom esetében a K héjra visszatérő elektron a Q=(Z-1) ⋅ e elektromos töltés terében mozog. A többi sorozat esetében figyelembe kell venni a belső elektronok árnyékoló hatását is, ezért a (Z-1) faktor helyett a (Z-a) tényezőt használjuk, ahol az a –árnyékolási tényező, R –Rydberg-állandó. Ennek értelmében a karakterisztikus röntgensugarak K sorozatára felírható kifejezés szerint a sugárzások frekvenciájának négyzetgyöke ν lineárisan változik az elem Z rendszámával: ν = A ⋅ (Z − B ) Moseley-törvény szerint meghatározható valamely elem rendszáma a röntgenspektrum azonosítása alapján, amely összefüggést függetlenül az atomok vegyi kötéstípúsától vagy előfordulásának halmazállapotától, analitikai célok megvalósítására is használhatunk. Ez a technika hasznos elemzési lehetőséget nyújt az analitikai elektronmikroszkópokban elhelyezett röntgen-mikroanalizátorok számára (5. ábra), amelyek segítségével energiadiszperzív röntgenspektroszkópiás vegyi elemösszetétel vizsgálatot (EDS Energy Dispersive Spectroscopy) végeznek. A röntgensugárzás fontosabb hatásai közé sorolható a lumineszcencia keltése (bizonyos anyagokat világításra gerjesztenek), fotográfiai hatás (megfeketíti a fényképező lemezt), kémiai hatás (vízben pld. hidrogénperoxid keletkezik), biológiai hatás (az élő sejtekben morfológiai és funkcionális elváltozásokat hozhat létre), stb. A primér hatás amelyet a röntgensugárázás kivált minden esetben az atomok gerjesztése, illetve ionizációja. Ezeket a hatásokat felhasználhatjuk a röntgensugárzás kimutatására és mérésére, például az orvosi gyakorlatban lumineszkáló ernyőn illetve filmen rögzíthejük a szervezet átvilágításakor nyert árnyékképet, vagy a sugárzás által meghatározott ionizáció fokával és a film feketedésének mértékével jellemezhetjük a testre beeső, illetve az elnyelt sugárzás mennyiségét. Tekintettel az X-fotonok igen nagy energiájára, amely kb. EX-foton= 104…105 eV energiát jelent, a röntgensugárzás fontos diagnosztikai és terápiai lehetőséget jelent az
ν = R ⋅ (Z − 1)2 ⋅ ⎢
orvosi gyakorlatban. A biológiai hatás szempontjából az elnyelt sugáradag mennyisége játszik szerepet, ezért az emittált P sugárzási teljesítmény szabályozását a röntgencső elektromos paramétereinek változtatása útján valósíthatjuk meg: P = τ ⋅U 2 ⋅ I ⋅ Z ahol U az anód gyorsító feszültsége, I a csövön átfolyó elektronáram intenzítása, Z az antikatód (anód) anyagának rendszáma (általában volfrám, Z=74), τ arányossági tényező.
5.ábra. Röntgenspektrum vizsgálatára alkalmas korszerű elektronmikroszkóp felépítése
Ezek a berendezések nagyenergiájú elektronnyalábbal besugározzák a vizsgálandó minta kb. 1 μm 2 nagyságú területét és a keletkezett karakterisztikus röntgensugárzás hullámhosszának és intenzításának alapján lehetővé teszi a sugárzó anyag minőségére és mennyiségére vonatkozó összetételi elemzést. A röntgensugárzás intenzításának gyengítését ugyancsak két tényező határozza meg, a valódi abszorpció és a szóródás. Korábban bevezetett: μ = τ + σ összefüggés a röntgensugárzás gyengítésére is alkalmazható, ahol τ lineáris abszorpciós állandó, σ lineáris szórási állandó. A magas rendszámú atomok nagyobb mértékben nyelik el a röntgensugárzást, így például az ólom jó abszorbens és ezért használják sugárvédelmi célokra. A lágy biológiai szövetek csak kismértékben nyelik el a röntgensugárzást, mivel ezek alacsony
rendszámú elemeket tartalmaznak. Esetenként az abszorpcióképességben nincs lényeges különbség, ezért a vizsgálandó szövetet vagy szervet kontrasztanyag alkalmazásával teszik szelektíven abszorbeáló közeggé. A röntgensugárzás szóródási állandójának ismerete különösen fontos a kezelőszemélyzet egészségvédelme szempontjából, illetve a sugárzás terápiás felhasználásakor a sugárdózis megállapítása céljából. Az orvosi röntgengyakorlatban a testszövetek tömegszórási állandója kb. σ = 0,2 cm 2 ⋅ g −1 . VII.4. A fény biológiai hatása a növényekre
A fény kettős természetének felismerése vezetett arra a megállapításra, hogy a fotonok energiakvantuma a növények szempontjából is lényeges. Az elnyelt fényenergia primér hatása az atomok és molekulák gerjesztésében, illetve ionizációjában nyílvánul 1 meg. Az elektromágneses tér energiasűrűsége kifejezhető az elektromos tér U E = ε 0 E 2 2 1 1 2 energiasűrűsége, valamint a mágneses tér U B = B energiasűrűsége segítségével. A 2 μ0 sugárzás primér hatásán túl szekunder jelenségek is fellépnek, pld. a hőhatás, a lumineszcencia, a molekulák disszociációja, stb. A növényi szervek sejtjeiben található zöld színtestecskék, a klorofill valósítja meg a CO2 asszimilációjához szükséges fényenergia továbbítását. A klorofill a növények zöldje, két különböző zöld színű vegyületből áll, amelyek fényelnyelő képessége lényegesen eltérő: - a klorofill A kékeszöld, C 55 H 72 O5 N 4 Mg összetételű - a klorofill B sárgászöld, C 55 H 70 O6 N 4 Mg összetételű A sugárzási energiát a növény azáltal hasznosítja, hogy a narancs-vörös színű λ=6400 Å és λ=6600 Å hullámhosszúságú fény komponenseit elnyeli és ezáltal a klorofill gerjesztett állapotba kerül, amely segíti a fotoszintézis folyamatát. Fotoszintézisnek nevezik, mert a napfény energiájának felhasználásával megy végbe. A klorofill a felvett energiát vízmolekuláknak adja át, ezzel meghatározva ezek disszociációját, a fotolízis folyamatát: 2 H 2 O → 2 H + ............2OH − 1 2OH − → H 2 O + O2 + 2e − 2 Az oxigén körforgásában fontos szerepet kap a napfény, amelynek hatására az OH- oxidációja során keletkezett O2 visszakerül a levegőbe. A növényi fotoszintézis kiindulási anyaga a széndioxid és a víz, amelyből szénhidrátok illetve szőlőcukor (glukóz) keletkezik: cal 674 + 6CO2 + 6 H 2 O → C 6 H 12 O6 + 6O2 mol Az 1 mól szőlőcukornak CO2 - ból és H 2 O - ből való képződése 2820 J-t igénylő folyamat, amelyet az elnyelt sugárzási energia teszi lehetővé. A fotoszintézis termékei nemcsak szénhidrátok – mint a szőlőcukor és a belőle képződő keményítő, cellulóz, stb., – hanem aminosavak, fehérjék és számos egyéb szerves vegyület is, amelyeket a talaj kötött nitrogén tartalmából (a pillangós
növényeknél például a levegő nitrogénjéből is ), és más elemekből állít elő a növény. A növényi szervezetek kialakulása tette lehetővé az állati és egyébb szervezetek fejlődését, amelyek a fotoszintézis termékeivel táplálkoznak. Mondhatjuk, hogy a fotoszintézis a földi élet alapját képezi. A fotoszintézis közben megkötött napfény energiájának kb. a fele (55%) az oxidációs folyamatokban (légzés) újra felszabadul, a másik fele (45%) a képződött vegyületek atomjait összetartó kapcsolatban, a kémiai kötés és más összetartó erők energia-tartalmaként az anyagban marad. A sugárzó elektromágneses energia a hullámhossz függvényében eltérő biológiai hatást eredményez. A színképtartomány különböző hullámhosszúságú sugarai eltérően befolyásolják a növények fejlődését. A fénysugaraknak egyrészt ún. „trófikus” hatása (a növény fotoszintézisét), másrészt „formatív” (a növény megfelelő habitusát meghatározó) hatása van a növényekre. A növényekben végbemenő belső energiafolyamatok szerint a láthatófény tartománya 3 részre bontható: a) λ = 300 – 500 nm. Ezek a sugarak a növényekben végbemenő fehérjeszintézishez, a vitaminok, a karotinoidok képződéséhez, a fermentumok és a növekedési anyagok működéséhez szükségesek. b) λ = 500 – 600 nm. Ezek a sugarak kisebb jelentőségüek, főleg az asszimilációs folyamatokban vesznek részt. c) λ = 600 – 700 nm. Ezek a sugarak a levélfelület nagyságát, a szártagokat, általában a szárazanyag tartalmat gyarapítják, amelyek hatására legélénkebb a fotoszintézis. E három tartomány meglétét a levelek spektrális abszorpciós görbéi jól érzékeltetik. A klorofillok és karotinoidok elnyelési színképe jellemzi az abszorpció jellegzetes hullámhosszait. A fehérjék a λ=280 nm hullámhosszú fényt igen nagy mértékben abszorbeálják, ha pedig a fehérjék fluoreszcenciáját vizsgálják, úgy a λ=280 nm – es sugárzás igen hatékony gerjesztő hatást gyakorol. A növényi fejlődés szempontjából lényeges a növények fotoperiódusa, amelynek ismerete fontos a nappali fény időtartamának biztozítása érdekében. Égtájainkon november – január hónapokban a megvilágítási erősség nem éri el az 500 luxot. Általában ekkora megvilágítási erősség szükséges a növények virágzásához és a terméskötéséhez. Az év többi hónapjában elegendő fényintenzitás és megvilágítási erősség van. Ezért a fentebb említett három hónapban, illetve a növényházakban célszerű mesterséges pótmegvilágítást alkalmazni. A mesterséges megvilágítás erősségét fotometriai mérésekkel határozzzuk meg, amely történhet vizuálisan (szubjektív módon), illetve objektív úton. A vizuális fototmetria összehasonlítás útján értékeli a hitelesített fényforrás fényerősségét az ismeretlen fényforrás fényerősségével. Az objektív fotometria az optikai sugárzás mérésére vezeti vissza a fényerősség mérést, pld. fényelektromos hatásra alapozó mérés révén. A fotometriai műszerek az ún. luxmérők fényérzékelőkkel ellátott eszközök, amelyek spektrális érzékenysége más és más hullámhossz tartományra terjed ki, vagy színszürők használatával meghatározott tartományokra oszthatjuk a 300 – 700 nm közötti elektromágneses hullámtartományt.
Az élőlények elhalásával a szerves anyagok felbomlásakor az energia nagyobb része visszakerül a környezetbe, a légkörbe; kisebb része a talaj anyagában megkötve marad. Az élő szervezetekben végbemenő oxidációs folyamatokban a hidrogénnek lényeges szerepe van. Ez úgy valósul meg, hogy hidrogén válik le az egyik szerves molekuláról és kapcsolódik egy másikhoz, közben energia szabadul fel mivel az újabb kapcsolat az előzőnél kisebb energiatartalmú. Majd erről a molekuláról válik le egy hidrogénatom és jut valamivel alacsonyabb energiaszintre. A szerves vegyületek levegőmentes bomlásával képződőtt a kőolaj és a földgáz is, az úgynevezett „száraz földgáz”, amely főleg metánból ( CH 4 ) áll. A CO2, a N2 és a C körforgását láthatjuk a természetes folyamatokban, amint az ábrák mutatják (6. ábra).
6. ábra. C, CO2 és N2 körforgása a természetben
VII.6. Radioaktív sugárzás és biológiai hatásai
A Napból és a Naprendszerből érkező primér kozmikus sugárzást alkotó nagyenergiájú (E ≈ 1010 eV kinetikus energiával rendelkező) protonok, alfa-részecskék és összetett atommagok, stb. primér fluxusa a Föld légkörének felső rétegeit alkotó levegőmolekulákkal kölcsönhatásba lépnek és szekundér sugárzásnak nevezett neutronokból, gamma-fotonokból, nagyenergiájú elektronokból, stb. álló részecskék fluxusát gerjeszti. Ezek a beérkező részecskék a Föld élővilága számára állandó kozmikus sugárzást jelentenek és a természetes illetve mesterséges radioaktív sugárzással együtt meghatározzák azt a sugárzási hátteret, amelyek az élőszervezetekben biológiai hatásokat fejtenek ki. Ennek a háttérsugárzásnak az ismerete fontos, ezért a sugárzás fizikai és biológiai hatásának megjelölése kvantitív dozimetriai mennyiségek bevezetését teszi szükségessé. A sugárzási intenzitás vagy sugárzási teljesítménysűrűség jellemzésére az egységnyi felületen, egységnyi idő alatt áthaladó sugárzási energiamennyiséget Joule használjuk. Ennek SI mértékegysége a 2 . m ⋅s A szervezet által elnyelt energiamennyiség ismerete elsőrendűen fontos, mivel ez határozza meg a várható biológiai hatásokat. Az elnyelt energia a sugárzás minőségétől is függ, amelyet az egységnyi távolságon a szövetekben haladó részecskék energiavesztesége jellemez. Sugárdozimetriai vonatkozásban az elnyelt dózis bármely ionizáló sugárzás esetében azzal az energiamennyiséggel jellemezhető, amelyet az ionizáló sugárzás a besugárzott anyag egységnyi tömegében lead. Ezt az energiamennyiséget kifejezhetjük az alábbi összefüggéssel: 1 dE dE De = e = ⋅ e dm ρ dV joule , illetve ennek amelynek mértékegysége az SI mértékrendszerben kifejezve [De ]SI = kg erg gyakorlati mértékegysége a 1 rad = 100 . g A dózisintenzítás vagy dózisteljesítmény mennyisége alatt az időegység alatt elnyelt dózist értjük, ennek gyakorlati mértékegysége a rad/sec, illetve a rad/óra, mrad/ óra, stb. Az elektromágneses besugárzási dózis egységének a sugárzás ionizáló hatását választották, amelyet az egy cm3 normálállapotú levegőben töltésgerjesztéssel határoznak meg. Ezt az egységet a gamma- és a röntgensugárzás esetében az 1 röntgen (1R) besugárzási dózisnak választották. Mivel a levegőben átlagosan egyetlen ionpár felszabadítása 34 eV energiát igényel, az egy gramm levegőben gerjeszetett ionizáció által képződött 1,6·1012 ionpár létesítéséhez összesen 88 erg energia elnyelése szükséges, azaz levegő esetében az 1 röntgen besugárzási dózis 1R =0,88 rad elnyelt dózist jelent. Mivel a különböző közegek grammnyi mennyisége általában több energiát nyel el mint a levegő, ugyanaz a röntgen- vagy gammasugárzás a szövetekben több energiát
veszít mint a levegő által elnyelt 88 erg energia. Az egyes energiamennyiségek úgy μ m szövet D . aránylanak, mint a megfelelő tömegabszorpciós állandók: e szövet = De levegő μ m levgő Tájékoztatási jelleggel közöljük, hogy az orvosi gyakorlatban alkalmazott röntgensugárzásnál kapott röntgen-dózisok nagysága: Mellkasi átvilágítás alkalmával (ernyőkép) 1….5 R Filmen való képalkotás alkalmával 1R Fog-röntgen felvételkor 1,5…10 R Hasüregi átvilágítás esetén 10 …15 R Terápiás kezelés esetén (3…7)·103 R A sugárzás biológiai hatásának jellemzése céljából ugyancsak szükséges volt egy biológiai dózis egységének a meghatározására, mivel a különböző sugárzások biológiai hatékonysága különböző. A relatív biológiai hatékonyság jellemzésére bevezetett η biológiai hatékonysági együttható segítségével kifejezhető valamely sugárzás D fizikai dózisa és a B biológiai dózisa közti összefüggés: B= η ⋅ D . A biológiai dózis mértékegysége az 1 rem (röntgen equivalent man, azaz emberi szervezeten mért biológiai dózis). A különféle sugárzások relatív biológiai hatékonyságát minősítő együtthatók értékét a mellékelt táblázat tartalmazza: Sugárzás típúsa η biológiai hatékonysági együttható Röntgen- és gammasugárzás 1 Béta sugárzás 1 Lasssú neutronok 5 Gyors neutronok 10 Protonok 10 Alfa-sugárzás 10…20 Hasadási-termékek 20 Valamennyi sugárzás biológiai következménye a szövetekben gerjesztett ionizáció hatásán a keresztül nyílvánul meg. A gamma és neutronsugárzások anyagokkal való kölcsönhatása nagyban eltér más sugárzásokra jellemző ionizációs folyamatoktól, tekintettel ezek biológiai hatékonyságára. Általában a sugárhatások annál jelentősebbek, minél nagyobb a dózisteljesítmény, kivételt képeznek a génmutációk, amelyek a dózis nagyságától függően károsodnak. A sugárzások morfológiai és funkcionális elváltozásokat határoznak meg az egyes sejtípusokon. A sejtek esetében különös érzékenységet figyeltek meg a fiatal gyorsan osztódó sejteknél. Legérzékenyebb hatást a vérképző szervek, a nemi mirigyek, a szem, a bőr, emésztőszervek, a tüdő, vese, kötőszövetek, a csont, izom és idegszövetek esetében észleltek. Kísérleti sugárzási balesetek arról tanúskodnak, hogy rövid ideig tartó egésztest-besugárzás esetén a következő biológiai hatások észlelhetők:
25 R esetén meg nincs biológiailag észlelhető hatás 50 R esetén a lymphocyták száma enyhén növekszik 100…200 R esete már kritikus dózist jelent, mivel rosszullét, fáradékonyság figyelhető meg. Ez a besugárzási dózis hosszabb ideig való hatása előidézhet lymphopenia, illetve ritkábban halálesetet is. 200 R esete már kimutathatóan a vérben levő alakos elemek közel 5 %-os csökkenését eredményezte, illetve kb. 5 % halálesetnövekedést. 400 R –félhalálos dózis, mivel 30 napon belül 50 %-os a mortalitás. 600 R a halálos dózis, mivel 100 % a mortalitás. Az élő szervezet állandó háttérsugárzási terhelése (kozmikus sugárzás, a talaj, az épületanyagok, élelmiszerek és ivóvíz radiokativitása) kb. 0,35…0,40 mrem/év. A 140…150 mrem évi dózist szervezet felmérhető kárásodás nélkül elviseli, viszont a sugárzási dózis növelése biológiai károsodást okoz. Ez a károsodás bizonyos kockázati szinten akár az egyed szervezetében vagy az utód szervezetében is jelentkezhet. A nemzetközi előírások szerint megengedett maximális dózis, az egész testet érő besugárzás esetében, évente 5 rem, azaz a heti sugárterhelés 0,1 rem. A mellékelt fényképek egy-egy példát mutatnak a természetes, illetve mesterséges radioaktív sugárzás eredetére.
Atomrobbantás következtében kibocsátott radioaktív anyagok által okozott környezetártalom (az itten közölt fényképek forrásanyagaként felhasználtam Simonyi Károly: A fizika kultúrtörténete című könyvet)
