Potas-40 - radioaktywność w naszym ciele

Pierwiastki promieniotwórcze są wszędzie wokół nas, jak również wewnątrz naszego ciała. Jak mówił prof. Czerwiński na wykładach "Energia jądrowa i promieniotwórczość": jesteśmy solą ziemi, zatem to, co w ziemi, to i w nas. W poniższym zestawieniu widzimy zarówno makro-, jak i mikroelementy, a listę zamykają takie pierwiastki, jak tor, uran,samar, beryl i wolfram:

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2020/04/30/how-many-atoms-do-we-have-in-common-with-one-another/

Pierwiastki radioaktywne w ciele człowieka pochodzą głównie z naturalnych przemian promieniotwórczych szeregu uranowo-radowego, uranowo-aktynowego i torowego,. Ich ilości są na poziomie pojedynczych atomów - poniżej aktywność (liczba rozpadów na sekundę) w ciele człowieka ważącego 70 kg

https://www.semanticscholar.org/paper/Introduction-to-Radiation-D'Auria/aa44a42e4f21bac9eddfdb065c01a391a5cd79a9

Znacznie większe jest stężenie węgla-14, powstającego w atmosferze pod wpływem promieniowania kosmicznego, jednak największa procentowo w naszym ciele jest zawartość potasu-40 (K-40). Jest to  izotop stanowiący 0,012% potasu naturalnego, czyli 120 ppm (części na milion), reszta to głównie potas-39 (93 %) i potas-41 (6 %), oba nieradioaktywne. Czas połowicznego rozpadu potasu-40 wynosi aż 1,27 miliarda lat - dla porównania, wiek Ziemi szacuje się na 4,5 miliarda lat. Rozpad promieniotwórczy potasu-40 jest jednym ze źródeł ciepła we wnętrzu Ziemi, obok rozpadu uranu i toru oraz pozostałości ciepła po procesie tworzenia planety. Jego udział w ziemskim cieple radiogenicznym w momencie tworzenia się Ziemi wynosił prawie 50 % z racji jego 12-krotnie większej zawartości niż obecnie:

https://pages.mtu.edu/~hamorgan/bigideaswelcome.html

Łączna zawartość wszystkich izotopów potasu w skorupie ziemskiej wynosi 1,8-2,4 %, zaś w ciele człowieka 0,2-0,4 %, w zależności od szacunków.

https://www.thoughtco.com/chemical-composition-of-the-human-body-603995

Potas jest pobierany przez rośliny z gleby, głównie z nawozów potasowych, a następnie trafia do organizmów zwierząt i krąży w łańcuchu pokarmowym, zatem jego zawartość w organizmach jest dość stała. Wraz z nieradioaktywnymi izotopami potasu oczywiście cyrkuluje w środowisku również wspomniany radioaktywny izotop K-40. Niektóre owoce czy warzywa znane są ze zwiększonej zawartości potasu, np. banany oraz orzechy brazylijskie, więc stężenie K-40 również będzie w nich wyższe. Powstał nawet tzw. bananowy ekwiwalent dawki (banana equivalent dose), czyli dawka promieniowania, jaką przyjmiemy po zjedzeniu jednego banana. Jest równa 0,1 µSv, czyli tyle, ile w ciągu godziny otrzymamy od zewnętrznego, naturalnego tła promieniowania (w większości Polski równego 0,1 µSv/h). Pomimo pewnych zastrzeżeń metodologicznych bananowy równoważnik stosuje się często przy popularyzacji wiedzy z zakresu fizyki jądrowej.

https://www.insightcruises.com/events/sa35/pdf/slides/Shears/lecture_2_tara.pdf

Jeżeli chodzi o właściwości fizyczne, to potas-40 ulega wszystkim 3 rodzajom rozpadu beta - w 89% rozpadowi beta minus (1,33 MeV) do wapnia-40, w 10% przez wychwyt elektronu z emisją kwantu gamma (1,46 MeV) do argonu-40 i w śladowym procencie rozpadowi beta plus do argonu-40. Długi czas rozpadu i powstawanie gazowego, stabilnego argonu-40 umożliwia stosowanie tzw. metody argonowo-potasowej do mierzenia wieku skał, liczonego w milionach lat [LINK]. W tym celu należy zmierzyć stosunek zawartości potasu-40 do argonu-40 w danej skale. Argon, jako gaz, nie może się wydostać ze skały po jej uformowaniu i jest w niej uwięziony od momentu jej powstania, chyba że w międzyczasie zajdą jeszcze inne procesy skałotwórcze.

https://www.researchgate.net/figure/Figure-1-5-Decay-scheme-of-Potassium-40-27_fig3_304677185

Przejdźmy teraz do naszego organizmu. Człowiek ważący 70 kg zawiera ok. 160 g potasu, z czego 0,0187 g przypada na radioaktywny potas-40, dający 4900 rozpadów promieniotwórczych na sekundę w całym ciele człowieka. Nie jest to jakoś szczególnie dużo, zważywszy na masę i powierzchnię ciała ludzkiego. Dla porównania, aktywność 1 grama radu wynosi aż 37 miliardów rozpadów promieniotwórczych na sekundę, a malutkie źródełko z amerykiem-241 z czujki dymu ma ich 33 tysiące. Nie ma się wiec czego obawiać, choć w internecie spotkałem się z pytaniami, czy zawartość K-40 w naszym organizmie nie jest szkodliwa (!). Swoją drogą, potas-40 to najlepszy argument przeciwko radiofobii - skoro sami promieniujemy, a mimo to żyjemy, widać promieniowanie nie jest aż tak zabójcze! Zwłaszcza, że poza potasem mamy też w ciele węgiel-14 (3700 rozpadów/s), używany m.in. w datowaniu radiowęglowym. Inne poziomy aktywności, zarówno naturalnej, jak i sztucznej, można znaleźć w notce o aktywności promieniotwórczej [LINK]. Dawka otrzymywana rocznie od izotopów zawartych w naszym ciele, głównie potasu-40 i węgla-14 to 10 % łącznej dawki, jaką przyjmujemy ze wszystkich źródeł, naturalnych i sztucznych:

https://slideplayer.pl/slide/5651143/

http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/PDF/MSC/Materialy/Liceum-IV/naturalne/tlo_naturalne.htm

Jak wspomniałem, potas, w tym potas-40, zawarty jest również w glebie oraz roślinach. Można go łatwo odzyskać z popiołu, powstałego po spaleniu np. drewna. Oczywiście będzie to mieszanina różnych związków, i to zarówno potasu jak i sodu. Związki te są rozpuszczalne w wodzie, zatem możemy zwiększyć ich koncentrację, mieszając popiół z wodą a następnie odfiltrowując roztwór. Stałe pozostałości (szara masa) będzie praktycznie pozbawiona aktywności większej niż tło naturalne, choć popiół przed rozpuszczeniem wykazywał podniesiony poziom promieniowania.

Rozpuszczalne związki potasu, głównie węglan (potaż) i azotan (saletra) przejdą do roztworu, skąd możemy je łatwo wykrystalizować - stosowny eksperyment opisałem TUTAJ, dlatego teraz zaprezentuję pomiar aktywności uzyskanej mieszaniny:

Nie będą czyste chemicznie, ani nawet w stopniu technicznym, gdyż towarzyszą im związki sodu - węglan, azotan i inne. Nadają one roztworowi zdolność pienienia się i śliskość w dotyku, dlatego też nasi przodkowie używali popiołu do prania.

Jeżeli nie mamy wiadra popiołu z pieca lub z ogniska, możemy udać się do sklepu chemicznego i kupić saletrę potasową (KNO3), nadmanganian (KMnO4), jodek (KI) albo chlorek (KCl). Nie potrzeba dużej ilości tych związków, wystarczy 50-100 g, najważniejsze, by pokryć całą powierzchnię czynną detektora. Eksperyment jest łatwy do przeprowadzenia, do pomiaru można użyć Polarona, Sosny czy RKSB-104 - ważne, by miernik miał zdejmowalną osłonę odcinającą promieniowanie beta. Biełła, Master-1, Fon, Raton-901 i inne dozymetry z zakrytymi detektorami nie nadadzą się do tego celu. Jeszcze lepsze wyniki osiągniemy za pomocą EKO-C czy RKB-20.01 Beta, mających okienkowy licznik G-M z okienkiem mikowym czy sondy okienkowej współpracującej z radiometrem uniwersalnym. Poniżej RKB-20.01 Beta - 100 g saletry dało wynik 12 cps (impulsów na sekundę) a ekstrakt z popiołu 6,6 cps przy tle naturalnym rzędu 2,5 cps.

Oczywiście, im większa ilość danej substancji, tym wyższy odczyt, jednak znaczny wzrost występuje tylko do pewnej granicy, ponieważ później dochodzi absorpcja w samym materiale. Krótko mówiąc, worek saletry da zdecydowanie wyższy wynik niż mała paczuszka, jednak pięć worków nie da dużo większego wzrostu wskazań niż przy jednym. Pamiętajmy też, by kupić saletrę POTASOWĄ, nie sodową ani amonową. Ostatecznie po prostu weźcie dozymetr do sklepu z nawozami i znajdźcie nawozy potasowe. Poniżej moc dawki od 100 g saletry potasowej - 0,078 mRh czyli 0,78 µSv/h:

Pewnie zastanawiacie się, czy skoro wszyscy zawieramy potas-40, to czy jego promieniowanie da się tak samo zmierzyć kieszonkowym dozymetrem jak w przypadku woreczka z saletrą? Odpowiedź jest oczywiście negatywna - koncentracja potasu-40 w naszym ciele jest na tyle mała, że wspomniane wyżej mierniki nie będą w stanie jej wykryć. W dużym uproszczeniu, aktywność taka jak w powyższym woreczku saletry jest rozproszona dość równomiernie po naszych tkankach, więc mały detektor przyłożony do ręki czy nogi nie będzie w stanie jej zmierzyć. Istnieją jednak odpowiednie metody pomiarowe. Stosuje się w tym celu tzw. liczniki całego ciała, umieszczone w grubych ekranach ołowianych, często pod ziemią, aby ograniczyć wpływ promieniowania kosmicznego. Liczniki takie stosuje się też do pomiarów bardzo małych aktywności izotopów, które wniknęły do organizmu, zarówno na skutek skażenia, jak i w celach medycznych. Układ pomiarowy wygląda następująco - tutaj zastosowano detektor scyntylacyjny, umożliwiający badanie spektrometryczne widma promieniowania, a co za tym idzie - identyfikację izotopów:

https://www.quora.com/Does-human-body-contain-radioactive-elements-How-do-they-affect-our-body

Na uzyskanym spektrogramie widać wyraźny pik od naturalnego potasu-40, a obok pik sztucznego cezu-137. W ten sposób można wykryć też inne izotopy, zawarte w ciele człowieka, oczywiście powyżej pewnego progowego stężenia, które zależy od czułości i wydajności detektora. Przy tego typu pomiarach bardzo istotne jest jak najskuteczniejsze wyeliminowanie innych źródeł promieniowania - więcej w notce o biegu własnym detektora [LINK]

I na koniec pytanie, jakie praktyczne znaczenie może mieć dla nas potas-40?  Przede wszystkim jest argumentem w dyskusji nad szkodliwością promieniowania. Dla mnie informacja o radioaktywnym izotopie zawartym w ciele człowieka nie była szokiem, a jedynie logiczną konsekwencją naszego składu pierwiastkowego, postawcie się jednak w miejscu typowego Kowalskiego, mającego o fizyce i chemii mgliste pojęcie.
Drugim zastosowaniem jest łatwo dostępne źródło do testowania aparatury dozymetrycznej. Związki potasu można nabyć wszędzie, w ostateczności wystarczy nawet sól spożywcza bezsodowa. Przetestujemy w ten sposób wszystkie radiometry beta-gamma, czyli z odsłoniętymi licznikami G-M, jak również część tych, gdzie detektory są zakryte. Pozwoli nam to zbadać czułość przyrządu, która przekłada się na możliwość mierzenia innych słabych źródeł, jak np. szkła ołowiowego, granitu czy niskoaktywnej ceramiki i szkła uranowego. Wbrew pozorom niektóre radiometry z osłoniętym detektorem również są w stanie wykryć promieniowanie potasu-40, są to głównie przyrządy, gdzie licznik G-M nie jest owinięty folią ołowianą dla wyrównania charakterystyki energetycznej.

PS. Eksperyment ze związkami potasu, prezentowany na wspomnianym wykładzie, zapoczątkował moją przygodę z fizyką jądrową - zapraszam do pierwszej notki na blogu.