— Objavljeno 20/09/2026 / Bug.hr.
Na kraju serijala ostaje nam vidjeti kako čestice djeluju na živu tvar, kako znanje o njima primjenjujemo te kako nam njihovo istraživanje pomaže razumjeti svijet od najmanje do najveće skale
Kao najavu ove teme, u prethodnom tekstu bio sam napisao: „Upravo zbog tih velikih energija nuklearno zračenje može ionizirati tvar i pri dovoljno velikim dozama ozbiljno oštetiti živo tkivo.” U toj se rečenici nalaze dva pojma koja su u grubim crtama svima poznata, ali su zapravo strukovni nazivi koji imaju vrlo preciznu definiciju: ionizacija i doza. Ionizacija je proces u kojem čestice ili elektromagnetsko zračenje imaju dovoljno energije da izbace elektron iz atoma. Takav ionizirani atom ponaša se drukčije od prvobitnog, neutralnog atoma. Posebno, ako je ionizirani atom unutar molekule, cijela molekula može promijeniti svojstva. Ako je ta molekula dio žive tvari, onda drukčije funkcioniranje takvih oštećenih molekula može poremetiti biološki sustav. S druge strane, živi sustav može sam sebe popravljati pa malobrojna oštećenja ne moraju nanijeti trajnu štetu. Problem je ako oštećenja ima puno ili ako je tempo nastanka novih oštećenja veći od tempa popravljanja postojećih. To se događa kad je doza zračenja velika. Zračenje koje ionizira tvar nazivamo ionizirajućim zračenjem, a apsorbirana doza fizička je veličina koja govori koliko je energije zračenje predalo jedinici mase ozračene tvari.
Biološki učinci zračenja
Dakle, ozračeno tijelo prima energiju od zračenja. Kad tu primljenu energiju podijelimo s masom, unutar koje se energija zračenja apsorbirala, dobijemo apsorbiranu dozu. Nju mjerimo u grejima, a jedan grej je jedan džul po kilogramu. No, za biološke učinke nije važna samo apsorbirana doza. Važna je i vrsta zračenja, primjerice alfa, beta ili gama. Pri istoj apsorbiranoj dozi različite vrste ionizirajućeg zračenja imaju različite učinke na organizam. Zato uvodimo radijacijski težinski faktor, broj koji pokazuje relativni biološki učinak različitih vrsta ionizirajućeg zračenja. Umnožak radijacijskog težinskog faktora i apsorbirane doze nazivamo ekvivalentnom dozom, a nju mjerimo u sivertima.
Svatko od nas godišnje prosječno primi oko 2,4 milisiverta od prirodnog ionizirajućeg zračenja iz okoline. Dva su glavna izvora tog zračenja: prirodna radioaktivnost i kozmičko zračenje. Prirodna radioaktivnost potječe od dugoživućih radioaktivnih izotopa koji se nalaze u Zemljinoj kori, primjerice uranija-238, torija-232 i kalija-40 te njihovih produkata raspada. Među produktima je posebno važan radon-222, radioaktivni plin koji nastaje u lancu raspada uranija i koji iz tla može dospjeti u zrak koji udišemo. Upravo radon i njegovi produkti raspada daju najveći doprinos prosječnoj prirodnoj dozi. Kozmičko zračenje, pak, dolazi na Zemlju iz svemira i u atmosferi neprekidno stvara nove radioaktivne izotope, kao ugljik-14. U nekim su zanimanjima ljudi dodatno izloženi ionizirajućem zračenju, recimo radiološko osoblje, radnici u nuklearnim postrojenjima ili članovi letačkih posada. Za profesionalno izložene osobe preporučena ekvivalentna doza ne bi smjela biti viša od 0,02 siverta godišnje, računato kao prosijek tijekom pet godina. Velike primljene doze imaju ozbiljne posljedice: doza od nekoliko siverta primljena cijelim tijelom može izazvati tešku radijacijsku bolest, a doze od približno 4 do 5 siverta bez odgovarajućeg liječenja smrtonosne su za približno polovicu izloženih ljudi. Pri još većim dozama vjerojatnost smrti naglo raste.
Je li ionizirajuće zračenje štetno ili korisno, ovisi o kontekstu. Upravo njegova sposobnost da oštećuje žive stanice može se iskoristiti za uništavanje stanica tumora. U radioterapiji se tumor namjerno izlaže velikoj dozi ionizirajućeg zračenja. Suvremene metode omogućuju vrlo precizno usmjeravanje zračenja pri čemu se prostorna raspodjela doze prilagođava obliku tumora. Poseban je primjer radiokirurgija koja, unatoč imenu, ne uključuje doslovno kirurški rez. Umjesto toga, nekoliko vrlo precizno usmjerenih snopova zračenja koncentrira veliku dozu na malo ciljano područje, uz minimalno ozračivanje okolnog zdravog tkiva. Danas se takvi tretmani mogu izvoditi s preciznošću manjom od milimetra.
Energija iz nuklearnih reakcija fisije i fuzije
Osim medicinskih primjena, od dijagnostike do terapije, razumijevanje čestica i zračenja ima veliku primjenu u energetici. Kao što se u kemijskim reakcijama preraspodjeljuju atomi i njihove veze, tako se u nuklearnim reakcijama mijenjaju atomske jezgre i preraspodjeljuju nukleoni. U oba slučaja preraspodjelu čestica prati i razmjena energije: neke reakcije oslobađaju energiju, dok je drugima energiju potrebno dovesti. One koje oslobađaju energiju nazivamo egzotermnim reakcijama. Tipična takva kemijska reakcija je gorenje za koje iz iskustva znamo da oslobađa toplinu. Tipične nuklearne reakcije koje oslobađaju energiju su fisija i fuzija, a količina energije koju oslobađaju po pojedinoj reakciji milijunima je puta veća nego kod tipičnih kemijskih reakcija.
Zašto fisija i fuzija oslobađaju toliko energije možemo razumjeti iz energije vezanja atomske jezgre. Nukleoni u atomskoj jezgri međusobno su vezani pa je za njihovo potpuno razdvajanje potrebno dovesti energiju. Što je energija vezanja po nukleonu veća, jezgra je čvršće vezana. Zanimljivo je da energija vezanja po nukleonu nije jednaka za sve jezgre: raste od lakših prema srednje teškim jezgrama, a zatim postupno opada prema najtežim jezgrama. Zato se energija može osloboditi na dva načina: ili spajanjem lakih jezgara, odnosno fuzijom, ili cijepanjem vrlo teških jezgara, odnosno fisijom. U oba slučaja nastaju produkti u kojima su nukleoni čvršće vezani, a razlika u energiji vezanja očituje se kao razlika u masi sustava, u skladu s Einsteinovom relacijom E = Δmc2. Ukupna masa produkata manja je od ukupne mase reaktanata i ta razlika mase, Δm, pomnožena s kvadratom brzine svjetlosti odgovara oslobođenoj energiji. Usput, to je jedna od posljedica posebne teorije relativnosti, što je Einstein shvatio i objavio još 1905. godine.
Što nam proučavanje najmanjih sastavnica govori o svemiru
Premda znanstvenici sebe vole doživljavati larpurlartistički – da spoznavaju radi spoznaje same, iz čiste znatiželje – stvarnost je puno pragmatičnija. Znanost je društvena djelatnost: društvo financira znanstvena istraživanja pa s pravom očekuje i rezultate koji su korisni. Zato sam najprije naveo medicinske i energetske primjene znanja o česticama. Pa nakon što sam se tako osigurao mogu si dopustiti odmak od korisnih primjena i usmjeriti znanje o česticama na veličanstvenu temu nastanka svijeta. Mislim, naravno, na fizičku kozmologiju – znanost o podrijetlu, razvoju, strukturi i dinamici svemira. Njezine vodeće teorije, one koje se danas najbolje slažu s opažanjima, skupljene su u standardni kozmološki model čiji je ključni dio teorija velikog praska. Za opis najranijih faza razvoja svemira, tijekom prvih djelića sekunde, neophodna su nam znanja iz fizike elementarnih čestica, a za opis nešto kasnije faze, tijekom prvih minuta, neophodna su nam znanja iz nuklearne fizike. I naravno, za puni opis svega što je kasnije nastalo, i što danas opažamo, treba nam cijela fizika. Da bi naš interes za svemir bio produktivan, a ne tek entuzijazam bez pokrića, da bi nam donio razumijevanje objekata i procesa oko nas, prvenstveno moramo razumjeti osnove fizike. To je bila nit vodilja ovog ciklusa Abeceda fizike.
One koje rastuži kraj knjige možda mogu utješiti s najavom Abecede astronomije.