Mitä säteily on?

Ionisoivaa säteilyä lähettävät radioaktiiviset aineet, ja sitä voidaan tuottaa sähköisesti esimerkiksi röntgenlaitteilla. Ionisoivan säteilyn ominaisuuksia ja vaikutuksia on vaikea hahmottaa arkipäivän kokemusten perusteella, sillä säteilyä ei voi aistein havaita. 

Radioaktiivinen aine 
Aineen perusosa on atomi. Atomiydin koostuu protoneista ja neutroneista. Protonien määrä on tietyllä alkuaineella aina sama. Neutronien lukumäärä saattaa vaihdella, jolloin puhutaan alkuaineen eri isotoopeista. 

Atomin ydin voi olla virittyneessä tilassa. Usein tällaisessa ytimessä on liian paljon tai liian vähän neutroneja. Aineet, joissa on virittyneitä ytimiä, ovat radioaktiivisia. Lähes jokaisella alkuaineella on sekä pysyviä että radioaktiivisia isotooppeja. Isotooppi ilmaistaan aineen lyhenteen perässä olevalla massaluvulla, esimerkiksi Sr-90. Massaluku on ytimessä olevien protonien ja neutronien lukumäärien summa. Ytimen viritys purkautuu itsestään ennemmin tai myöhemmin, jolloin ytimestä irtoaa jokin hiukkanen sekä energiaa. Tällöin aine säteilee. Alkuperäistä atomia, nuklidia, sanotaan emonuklidiksi ja syntyvää uutta nuklidia tytärnuklidiksi. 

Radioaktiiviset isotoopit käyttäytyvät luonnossa samoin kuin saman aineen pysyvät isotoopit. Molemmat kulkeutuvat esimerkiksi luonnon ravintoketjuissa ja elimistössä samalla tavalla. 

Ionisoiva säteily on säteilyä, jolla on riittävästi energiaa irrottamaan säteilyn kohteeksi joutuvan aineen atomeista elektroneja tai rikkomaan aineen molekyylejä. Radioaktiiviset aineet lähettävät ionisoivaa säteilyä. Lisäksi ionisoivaa säteilyä tuottavat esimerkiksi röntgenlaitteet. 

Alfa-, beeta- ja gammasäteily 
Alfa- ja beetasäteily ovat hiukkassäteilyä. Atomin ytimestä lähtee suurella nopeudella alfa- tai beetahiukkanen. Alfahiukkanen muodostuu kahdesta protonista ja kahdesta neutronista. Alfahajoaminen on yleistä raskailla nuklideilla. Luonnossa esiintyvät uraani ja torium ovat alfasäteilijöitä. Beetahiukkaset voivat olla elektroneja tai positroneja. Elektronit ovat negatiivisesti varautuneita ja positronit positiivisesti varautuneita. Esimerkkejä beetasäteilijöistä ovat cesium-137, jodi-131 ja strontium-90. 

Alfahiukkaset ovat raskaampia kuin beetahiukkaset. Alfahiukkanen ei pysty läpäisemään ihmisen ihoa tai paperiarkkia. Alfasäteily voi olla vaarallista vain, jos alfasäteilyä lähettäviä radioaktiivisia aineita joutuu elimistöön esimerkiksi hengitysilman mukana. Beetahiukkaset ovat läpäisykykyisempiä ja pystyvät tunkeutumaan esimerkiksi ihoon. Beetasäteilyä lähettävät aineet ovat vaarallisia iholla tai päästessään elimistöön. Alfa- tai beetahajoamisessa syntyvä tytärnuklidi on usein virittynyt, ja viritystilat purkautuvat gammasäteilynä. 

Gammasäteily ei ole hiukkassäteilyä. Sitä voi kuvata energiapakkauksina, joita virittynyt ydin lähettää. Gammasäteily on sähkömagneettista aaltoliikettä. 

Gammasäteily on yleensä hyvin läpitunkevaa. Ulkoiselta gammasäteilyltä on vaikeampi suojautua kuin muulta säteilyltä. Gammasäteilyn energiasta riippuen sen vaimentamiseksi voidaan tarvita paksu kerros betonia, terästä tai lyijyä. Jos gammasäteilyn energia on pieni, sen vaimentamiseen riittää noin millimetrin paksuinen lyijykerros. 

Neutronit
Neutroneja vapautuu esimerkiksi uraaniytimen itsestään tapahtuvan halkeamisen (spontaani fissio) tai neutronilähteessä tapahtuvan reaktion seurauksena. Myös avaruudesta tulevassa kosmisessa säteilyssä on runsaasti neutroneja, jotka aiheuttavat suurimman osan korkealla lentävän lentohenkilöstön ja matkustajien säteilyannoksesta. 

Ydinvoimalan reaktorissa olevan ydinpolttoaineen uraani-235:n ytimet halkeavat sekä spontaanin fission että fissiossa vapautuneiden hidastuneiden neutronien aiheuttamien uusien fissioiden vaikutuksesta. Koska jokaisessa fissiossa vapautuu useita neutroneja, syntyy ydinpolttoaineeseen lopulta ketjureaktio. Fissiossa vapautuu myös paljon energiaa. Ydinpolttoaineeseen syntyy runsaasti uraanin halkeamistuotteita, jotka ovat radioaktiivisia. 

Koska nopeasti liikkuvat neutronit ovat vaarallisia elävälle kudokselle, täytyy neutronilähteet suojata hyvin. 

Röntgensäteily 
Röntgensäteily on sähkömagneettista säteilyä, jota tuotetaan röntgenputkessa. Röntgenputki on tyhjiöputki, jossa on hehkukatodi ja hyvin lämpöä kestävästä aineesta valmistettu anodi. Katodin ja anodin välille kytketään jännite, joka voi olla 5–400 kV. Jännitteen vaikutuksesta hehkukatodilta irtoavat elektronit liikkuvat suurella nopeudella kohti anodia ja lopulta törmäävät siihen. Elektronien nopeuden pienetessä osa elektronien liike-energiasta muuttuu sähkömagneettiseksi säteilyksi, jota kutsutaan röntgensäteilyksi. 

Aktiivisuus 
Radioaktiivisen aineen aktiivisuus ilmaisee, kuinka monta ydinmuutosta kyseisessä ainemäärässä tapahtuu yhden sekunnin aikana. 

Aktiivisuuden yksikkö on becquerel (Bq). Yksi becquerel tarkoittaa, että radioaktiivisessa aineessa tapahtuu yksi ydinmuutos (ytimen virittyneen tilan laukeaminen) sekunnissa. Mitä enemmän ydinmuutoksia tapahtuu, sitä enemmän syntyy säteilyä. 

Becquerel on hyvin pieni yksikkö. Tästä syystä käytetään myös yksiköitä kilobecquerel (kBq), joka on 1 000 Bq, ja megabecquerel (MBq), joka on 1 000 000 Bq. 

Aktiivisuus ilmaistaan usein aktiivisuutena paino- tai tilavuusyksikköä kohti eli aktiivisuuspitoisuutena. Yksikkönä on becquereliä litrassa (Bq/l), becquereliä kilossa (Bq/kg) tai becquereliä kuutiometrissä (Bq/m³). Esimerkiksi talousveden radonpitoisuus 400 Bq/l tarkoittaa, että litrassa tätä vettä tapahtuu 400 radonatomin hajoamista sekunnissa. 

Esimerkkejä aktiivisuudesta 
Pienestä järvestä pyydetyn petokalan aktiivisuus on 1 000 becquereliä. Kala painaa kaksi kiloa. Sen aktiivisuuspitoisuus on 1 000 becquereliä kahta kilogrammaa kohti eli 500 becquereliä kilogrammaa kohti (Bq/kg). Tällöin sanotaan, että kalan radioaktiivisten aineiden pitoisuus on 500 Bq/kg. 

Porakaivojen veden radonpitoisuudet ovat yleensä huomattavasti korkeampia kuin rengaskaivojen tai vesijohtoverkostojen veden. Suomessa porakaivojen vedessä on keskimäärin radonia noin 500 becquereliä litrassa (Bq/l). Kun ihminen juo tällaista vettä kaksi litraa päivässä, hänen kehonsa aktiivisuus lisääntyy 1 000 becquereliä. 

Aikuisen kehossa on normaalisti noin 5 000 becquereliä luonnon kaliumin radioaktiivista isotooppia kalium-40. 

Puoliintumisaika 
Radioaktiivisen aineen puoliintumisaika tarkoittaa sitä aikaa, jonka kuluessa aineen aktiivisuus vähenee puoleen alkuperäisestä. Jos aineen puoliintumisaika on kaksi vuotta ja alkuperäinen aktiivisuus 1 000 becquereliä, niin aktiivisuus on kahden vuoden kuluttua 500 becquereliä. Edelleen kahden vuoden kuluttua aktiivisuus on 250 becquereliä jne. 

Radioaktiivisten aineiden puoliintumisajat vaihtelevat suuresti. Lyhytikäisten aineiden puoliintumisajat ovat sekunteja tai sekunnin osia. Pitkäikäisimmät puoliintuvat vasta miljoonien vuosien kuluessa. Esimerkiksi kaasumainen krypton-94 puoliintuu 1,4 sekunnissa. Jodi-131 puoliintuu noin kahdeksassa päivässä. Cesium-137 puoliintuu 30 vuodessa. Ydinenergian tuotannossa tarvittava luonnon uraani-235 puoliintuu vasta 700 miljoonassa vuodessa. Puoliintumisajan pituus ei kerro, kuinka vaarallista aine on. 

Biologinen puoliintumisaika 
Radioaktiiviset aineet poistuvat ihmisen elimistöstä yleensä nopeammin kuin kyseisen radionuklidin puoliintumisajan perusteella voisi päätellä. Radioaktiivisen aineen määrä elimistössä pienenee radioaktiivisen aineen hajotessa. Radioaktiivinen aine poistuu elimistöstä myös biologisten toimintojen vaikutuksesta. Esimerkiksi cesium-137:n fysikaalinen puoliintumisaika on 30 vuotta, mutta sen biologinen puoliintumisaika on vain 3 kuukautta. 

Säteilyannos ja annosnopeus 
Säteilyannos on suure, jolla kuvataan ihmiseen kohdistuvan säteilyn haitallisia vaikutuksia. Säteilyannoksen yksikkö on sievert (Sv). Päinvastoin kuin aktiivisuuden yksikkö becquerel, sievert on hyvin suuri yksikkö. Siksi annoksista puhuttaessa käytetään yleensä joko millisievertejä (mSv) tai mikrosievertejä (µSv). Yksi sievert on 1 000 millisievertiä eli 1 000 000 mikrosievertiä. Säteilyannosta kutsutaan usein lyhyesti annokseksi. 

Esimerkiksi keuhkojen röntgentutkimuksesta aiheutuu keskimäärin 0,07 mSv:n annos ja tavanomaisesta hammasröntgenkuvauksesta noin 0,01 mSv:n annos. 

Ulkoisella säteilyannoksella tarkoitetaan kehon ulkopuolella olevasta säteilylähteestä aiheutuvaa annosta. Sisäisellä annoksella puolestaan tarkoitetaan kehossa olevista radioaktiivisista aineista aiheutuvaa annosta. Sisäisen säteilyannoksen suuruuteen vaikuttavat radioaktiivisen aineen määrä ja sen lähettämän säteilyn ominaisuudet. Lisäksi annokseen vaikuttaa se, mihin elimiin tai kudoksiin radioaktiivinen aine kulkeutuu. 

Annosnopeus ilmaisee, kuinka suuren säteilyannoksen ihminen saa tietyssä ajassa. Annosnopeuden yksikkö on sievertiä tunnissa (Sv/h). Yleensä on järkevää käyttää milli- tai mikrosievertejä eli puhua yksiköillä millisievertiä tunnissa (mSv/h) tai mikrosievertiä tunnissa (µSv/h). Yksi sievert tunnissa on siis 1 000 millisievertiä tunnissa eli 1 000 000 mikrosievertiä tunnissa. 

Suomalaisen keskimääräinen säteilyannos eri säteilylähteistä on noin 5,9 mSv vuodessa. Tästä noin 4 mSv aiheutuu sisäilman radonista ja noin 1,1 mSv muusta kuin sisäilman radonista peräisin olevasta luonnon taustasäteilystä. Säteilyn lääketieteellinen käyttö aiheuttaa suomalaiselle keskimäärin 0,76 mSv:n vuotuisen efektiivisen annoksen. Tšernobylin onnettomuudesta ja ydinasekokeiden laskeumasta arvioidaan aiheutuvan noin 0,01 mSv:n säteilyannos vuodessa. 

Annosnopeutta käytetään yleensä kuvaamaan, kuinka vaarallista on oleskelu tietyssä paikassa tietynlaisen säteilyn kohteena. Jos annosnopeus on suuri, lyhyessäkin ajassa saa suuren säteilyannoksen. 

Taustasäteilystä johtuva annosnopeus vaihtelee Suomessa välillä 0,04–0,30 µSv/h. 

Becquerelistä sievertiin 
Jos ruoan mukana elimistöön joutuu 63 000 Bq cesium-137:ää, aiheutuu siitä aikuiselle yhden mSv:n säteilyannos. Tämä suhde pätee vain cesium-137:lle, ei muille radioaktiivisille aineille. Esimerkiksi poronlihan cesium-137-pitoisuus on keskimäärin 500 Bq/kg. Ateriasta, johon sisältyy 500 grammaa poronlihaa, aiheutuu noin 0,004 mSv:n sisäinen säteilyannos. 

Jos ilman jodi-131-pitoisuus on 10 000 Bq/m³, siitä aiheutuu 1 mSv:n annos hengitettäessä sitä noin kymmenen tunnin ajan. 

Luonnonsäteily ja keinotekoinen säteily 
Luonnossa on aina esiintynyt ja tulee esiintymään säteilyä riippumatta ihmisen toimista. Suomalaiset saavat suurimman säteilyannoksen huoneilman radonista. Joka paikassa säteilee jonkin verran. Maankamara jalkojemme alla ja betoni- ja tiiliseinät ympärillämme säteilevät. Avaruudesta peräisin olevalle säteilylle joudumme alttiiksi kaikkialla – lentokoneessa enemmän kuin maan pinnalla. Me myös syömme, juomme ja hengitämme radioaktiivisia aineita. 

Elinympäristöömme on joutunut myös ihmisen tuottamia (keinotekoisia) radioaktiivisia aineita mm. ilmakehässä tehdyistä ydinkokeista ja Tšernobylin onnettomuudesta. 

Luonnossa esiintyvän ionisoivan säteilyn lisäksi ionisoivaa säteilyä voidaan synnyttää myös sähköisillä laitteilla, kuten hiukkaskiihdyttimillä ja röntgenlaitteilla. Hiukkaskiihdyttimillä ja ydinreaktoreilla voidaan valmistaa useita radionuklideja, joita ei esiinny luonnossa. Tällaista koneiden synnyttämää ja ihmisen valmistamien radionuklidien aiheuttamaa säteilyä nimitetään keinotekoiseksi säteilyksi. 

Ionisoimattomaan säteilyyn kuuluvat staattiset ja pientaajuiset sähkö- ja magneettikentät, radioaallot, mikroaallot, infrapunasäteily, näkyvä valo sekä ultraviolettisäteily. Ultraääni, joka on mekaanista aaltoliikettä ihmiskorvan äänialueen yläpuolella, luetaan myös kuuluvaksi ionisoimattomaan säteilyyn. Nämä säteilytyypit eivät aiheuta ionisaatiota, mutta ne voivat silti olla haitallisia, jos altistuminen on liian voimakasta. Esimerkiksi liiallinen altistuminen ultraviolettisäteilylle voi aiheuttaa ihovaurioita ja lisätä ihosyövän riskiä. 
 
Ionisoimatonta säteilyä käytetään moniin tarkoituksiin tietoliikenteessä, televisio- ja radiolähetyksissä, valaistuksessa, kauneudenhoidossa sekä lääketieteellisissä kuvantamisissa ja hoidoissa. Tietoliikenteessä sekä televisio- ja radiolähetyksissä käytettävät signaalit ovat radioaaltoja. Kauneudenhoidossa ionisoimatonta säteilyä käytetään hyvin monipuolisesti, esimerkiksi ultraääntä, valoimpulsseja, lasereita ja radiotaajuisia kenttiä. Näiden osalta on huomioitava, että liian voimakas säteily voi aiheuttaa haitallisia kudosvaurioita.
 
Ionisoimatonta säteilyä muodostaa joskus muun toiminnan ohessa. Esimerkiksi sähkönsiirto voimajohdoissa, muuntamoissa ja kotien sähköverkoissa tuottaa ympärilleen sähkö- ja magneettikentän.
 
Lääketieteellisissä sovelluksissa, kuten ultraääni- ja magneettikuvauksissa (MRI), voidaan käyttää myös ionisoimatonta säteilyä. 
 
On kuitenkin syytä huomata, että erittäin voimakkailla tasoilla myös ionisoimaton säteily voi aiheuttaa terveysriskejä, kuten ihon palovammoja tai kudosten lämpenemistä. Tämä riippuu säteilyn tyypistä, voimakkuudesta, altistusajasta ja henkilön herkkyydestä. Tämän vuoksi säteilyn turvalliset rajat on huolellisesti määritetty ja on tärkeää noudattaa asianmukaisia turvallisuusohjeita ja suosituksia.