Elektromanyetik Alanların Biyolojik Etkileri - 1

Yazdır Elektromanyetik Alanların Biyolojik Etkileri - 1

Bu yazı dizimizde halk tabiriyle "Cep telefonları kanser yapar mı?" sorusuna detaylı şekilde cevap vermeye çalışacak, manyetik alanların insan vücudu üzerine etkilerine değineceğiz. Biraz uzun bir yazı olacak fakat içerik yalın ve herkesin anlayabileceği dilde, bu yüzden yazının uzunluğuna aldırmadan okumaya başlayabilirsiniz. İlk olarak aşağıdaki tabloya göz atalım. Burada elektromanyetik kirlilik tanımını açtık ve neler olduğunu sizlere sunduk.

 

Çevremizdeki alan Kaynakları İçin Sayısal Değerler:

Normal havada statik elektrik alan değeri 120-150 V/m değerindedir. Yağmurlu ve şimşekli havalarda bu değer 10.000 V/m'ye çıkabilir. Yeryüzünün DC geomanyetik akısı 0.5 Gauss, AC değeri yaklaşık 10-5 Gauss değerindedir. Vücudumuzda, kalp bölgesinde 10-7  Gauss, Karın bölgesinde 10-6  Gauss, ciğerimizde ise 10-5  Gauss değerlerinde DC manyetik akı söz konusudur. Elektrikli traş makinesinde bu değer 25 Gauss, flüoresan lambalarda 5-10 Gauss, renkli TV ve bilgisayar ekranında (CRT'li ekranlar) 1-5 Gauss değerine ulaşabilir.

Aşağıdaki örnekte bir evin değişik kısımlarındaki elektrik alan şiddeti (V/m) seviyelerini veriyorum.

  • Yemek odası: 2
  • Banyo: 2,5-3
  • Mutfak:  5-6
  • Yatak odası: 5-16
  • Oturma odası: 7
  • Giriş (hol): 26

* Size bir soru: Sizce neden giriş en yüksek değere sahip?

Aşağıdaki örnekte ise ev aletlerinin 30 cm uzağındaki elektrik alan şiddeti seviyeleri V/m (230V'luk şebeke gerilim için);

  •   Elektrikli battaniye: 500
  •   Su ısıtıcısı: 260
  •   Müzik seti: 180
  •   Buzdoabı: 120
  •   Tost makinesi: 80
  •   Ütü: 120
  •   Saç kurutma makinesi: 80

Az sonra sizlere bazı ev aletlerinin 230V gerilimi için farklı uzaklıklardaki manyetik akı yoğunluğu tablosunu vereceğim. Öncelikle manyetik akı nedir buna bakalım.

 

Φ harfiyle gösterilen manyetik akı, toplam manyetizmanın ölçüsüdür ve bu yönüyle elektrik yükün manyetik karşılığıdır. Manyetik akı yoğunluğu ise B harfiyle gösterilir ve birim kesit alandan geçen manyetik akı miktarının ölçüsüdür. Peki aralarındaki ilişki nedir?

Mıknatıs içinde manyetik akı yönü mıknatısın güney kutbundan kuzey kutbuna doğrudur. Mıknatıs dışında ise ise akı yönü kuzey kutuptan güney kutbuna doğrudur. Bu sebepten manyetik akı mıknatıs içinde ve dışındaki yol boyunca kapalı bir devre oluşturur. Manyetik akı ve manyetik akı yoğunluğu arasındaki ilişki:

\Phi_m = \int \!\!\!\! \int_S \mathbf{B} \cdot d\mathbf S

Burada S ile manyetik akı çizgilerinin geçtiği yüzey alanı gösterilmiştir. Integral işaretindeki S ise integralin yüzey integral olduğunu göstermektedir. Bu genel formüldür. Şayet manyetik akı yoğunluğu sabit ve yüzey alanı da düz ise formül basitleşir.

\displaystyle \Phi_m = B\cdot A \cdot \cos \theta

Burada A toplam yüzey alanı ve θ de akı yönü ile yüzey normal vektörü (yani yüzey ile arasında 900 olan vektör) arasındaki açıdır. Şayet yüzey manyetik akı çizgilerine dik ise formül daha da basitleşir:

\displaystyle \Phi_m = B\cdot A 

* Kafanız karıştıysa, bu videoyu izleyebilirsiniz.

Gördüğünüz gibi manyetik alan yoğunluğu mesafe arttıkça azalmış. Örneğin sizlere hep söylenen büyük sözü vardır "televizyonu uzaktan izle"elbette bunu iyi niyetle söylüyor büyüklerimiz (gözlerimiz bozulmasın diye) fakat daha önemli bir şey var eski tüplü televizyonlarda ör: 2 metrede 1 birim radyasyon var ise 4 metrede 0,25 radyasyon olur. Yani uzaklığın karesi ile ters orantılı. Bu yüzden uzakta olmamız her zaman bizim için iyi olacaktır. Yazı dizim devam edecek lütfen bu aşağıdaki spekturumu yazıcıdan çıkartın ve duvarınıza asın. Eminim çok faydasını göreceksiniz .

Önceki yazıma kaldığım yerden devam ediyorum. Elektromanyetik alanların canlı dokular üzerindeki olası etkilerini inceleyen bilim dalına Biyo-elektromanyetik (BEM) adı verilir.

BEM mühendisliğinin amacı;

  1. Elektromanyetik enerjinin canlı dokularda yaracağı kısa, orta ve uzun süreli etkileri incelemek.
  2. Elektromanyetik enerjinin canlı dokulara yarattığı olumsuz etkileri en aza indirmek.

Elektromanyetik spektrum ve BEM konusu farklı frekanslarda farklı olarak ele alınır. Bunlardan en önemlileri;

  • Alcak frekanslar ve yüksek gerilim hatları
  • Gezgin iletişim ve GSM şebekeleri
  • Mikrodalga ısıtmadır.

1) Alçak frekanslar ve yüksek gerilim hatları:

Çok düşük frekanslar bölgesinde en önemli BEM konusu 50Hz ve 60Hz'lerdeki yüksek gerilim hatlarıdır. Yüksek gerilim hatları ve BEM problemleri uzun süredir inceleme ve araştırma konusu olmuştur. Bilimsel deney ve bulgular yanında sağlıklı istatistiksel veri toplanabilecek kadar uzun ve süreli ve geniş katılımlı çalışmalar gerçekleştirilmiştir.

2) Gezgin İletişim ve GSM şebekeleri Mikrodalga Isıtma:

GSM şebekelerinde durum farklıdır. Cep telefonları ve GSM yer (baz) istasyonlarının yaşantımıza girmesi henüz çok yenidir ve insan sağlığı üzerindeki etkileri konusunda sağlıklı bilimsel temellerde tartışacak ve hüküm verecek ne süre ne de istatistiki veri söz konusudur. Bu yüzden gezgin iletişim dediğimiz haberleşme sistemlerinde 900Mhz ve 1.8GHz frekans bölgesinde sınırlı bandlar kullanılabildiğinden sistem küçük küçük hücrelerin yan yana gelmesi ve dolayısıyla aynı frekans bandının farklı hücrelerde tekrar kullanılması prensibine dayanır.

Aynı şekilde evlerde, sanayide kullanılan mikrodalga fırınlar BEM açısından önemli bir alt başlıktır fakat burda fazla değinmeyeceğim.

Burada kilit nokta şudur. O da BEM açısından EM spektrumunun 2 sınıfa ayrılabilir olmasıdır:

  1. İyonlaştırmayan ışınım (EM ışınım, o-300 GHz)
  2. İyonlaştırıcı ışınım (> 1015)

Günümüzde elektromanyetik spekturumun iyonlaştırmayan kısmı teknolojik uygulamalar tarafından adeta işgal edilmiştir. Bir sonraki yazımda görüşmek üzere bilim dostları..

Uzun soluklu olacağa benzeyen yazı dizimizin bu bölümünde BEM (Biyo-Elektromanyetik) ile ilgili kuruluşlara göz atacağız.

* BEM ile ilgili Kuruluşlar *

-1974 yılında IRPA (Internationa Radiation Protection Association) Uluslararası Işınımdan Koruma Kurulu, NIR (Non-Lonizing Radiation) yani İyonlaştırmayan Işınım Çalışma Grubu'nu oluşturdu ve DC -300 GHz arasında BEM konusunu incelemekle görevlendirildi.

-1977 yılında Paris'te yapılan IRPA kongresinde bu çalışma grubu INIRC (International Non-Lonizing Radiation Committe) Uluslararası İyonlaştırmayan Işınım Komitesi'ne dönüştürüldü.

- IRPA/INIRC kurumu WHO (World Health Organization) Dünya Sağlık Örgütü'nün çevre sağlık birimi ile birlikte bazı kriterleri oluşturdu. Bu dökümanda iyonlaştırmayan ışınım konusunda

* Problemin fiziği

* Kaynaklar

* Ölçü teknikleri ve cihazları vb. bilgiler derlendi.

Bu bilgilerin sürekli olarak gözden geçirilmesi, yenilenmesi ile birlikte zamanla konuşulan temel ve türetilmiş limitlerin kaynağını oluşturdu. IRPA'nın 1992 yılında Kanada'da yapılan sekizinci kongresinde bağımsız ICNIRP yani Uluslararası İyonlaştırmayan Işınımdan Koruma Komitesi kuruldu ve bu kurul IRPA/INIRC kurumunun yerini aldı. Bu konuyla ile ilgili diğer kuruluşlar ise;

- ANSI (American National Standards Instute)

- NRPB (National Radiological Protection Board) vb.

Şimdi bunların neye yaracağını merak etmiş olabilirsiniz, hatta okurken sıkılmış bile olabilirsiniz. Buradaki önemli olan şey tarihleri ve kuruluş isimlerini ezberlemek değil. İşin ne kadar ciddi seviyelerde, bağımsız olduğuna inanmak zorunda olduğumuz kuruluşlar tarafından yapıldığını görmemiz açısından önemli. Yani öyle her önüne gelenin "cep telefonları, baz istasyonları kanser yapar" sözlerine itibar etmemek gerekiyor (bu yapmadığı anlamına da gelmez tabii ki, biz yine de temkinli olacağız)

Şimdi gelelim bu son haliyle ICNIRP kuruluşunun görevlerine.

  • İyonlaştırmayan ışınım konusunda bağımsız, bilimsel çalışmalar yapmak, ulusal ve uluslararası sağlık kuruluşları ve örgütleri ile ortak çalışmalar yapmak ve ilgili çalışmaları izlemek, bunların sonunda elde edilen verilere dayanarak iyonlaştırmayan ışınım konusunda insan ve toplum sağlığı kılavuzları hazırlamak.
  • Bilimsel verilere dayanarak ilgi ve yükümlülük alanına giren konularda öneriler hazırlamak.
  • Uluslararası ve ulusal programların oluşturulması konularında prensipleri belirlemek.
  • Uluslararası çalışma örgütünün ve dünya sağlık örgütünün tanıdığı hükümetler üstü bağımsız kuruluştur.
  • IRPA ve onun uzman kişi ve kurumları ile sıkı işbirliği içerisindedir.
  • Çalışmalarını ulusal ve uluslararası sağlık kurumları, araştırma laboratuvarları, üniversiteler ve akademik enstitülerle birlikte yürütmek.
  • Epidemiyoloji (istatistiksel), biyoloji, fizik ve optik alt komiteleri oluşturulmuştur ve üyeleri fizik, biyoloji, epidemiyoloji, tıp ve mühendislik alanlarından seçilmektedir.

   

EM radyasyonun Fiziksel Yönleri:

Hemen radyasyon kelimesini duyar duymaz korkuya kapılmayın burdaki durum biraz daha farklı. EM radyasyonlar, herhangi bir maddesel ortama ihtiyaç duymadan enerji taşımanın bir biçimidir. Enerjiyi iletme ve maddeyle etkileşme (özellikle de biyolojik dokuyla etkileşme) yönleriyle;

*EM Dalgalar (Dalga Modeli)

*Fotok Akısı (Parçacık Modeli)

olarak tanımlanırlar. Statik elektrik ve manyetik alanlar da biyolojik dokularla etkileşir ancak yayılmazlar ve dolayısıyla bir dalga yayılımı veya foton akısı ifade etmezler. Şimdi bu modelleri inceleyelim;

1) DALGA MODELİ

Yukarda görmüş olduğunuz gif Düzlem EM dalgaların gösterimidir. Maxwell denklemleri ile açıklanabilen dalga modeli EM dalga kavramını esas alır. Bir EM dalga, bir elektrik alan (E, V/m) ile ona dik olan bir manyetik alanın (H, A/m) birleşimidir.

Bu iki alan, aynı hızda (dalga hızı) yayılır ve yayılma yönü E ve H'nin oluşturduğu düzleme diktir. Elektrik alan ve manyetik alanın genlikleri, aynı frekans ve fazlı olarak, zamanla sinüs biçimli bir değişime sahiptir. Elektrik alan ve manyetik alan düzlem dalga oluşturur. Düzlem dalga, boşlukta düz bir çizgi boyunca ve ışık hızında yayılır. Yayılıma Elektrik ve Manyetik alan ile oran bir (birim yüze başına) enerji akısı eşlik eder.

2) PARÇACIK MODELİ

Em radyasyonun atom veya molekül boyutlarındaki sistemlerle bazı etkileşmeleri dalga modeli ile açıklanamamaktadır. Örneğin fotoelektrik etki gibi olayların açıklanmasında, EM enerjiyi, foton adı verilen süreksiz enerji paketleri şeklinde göz önüne almamız gerekmektedir. Bir foton, vakumda düz bir hat boyunca ve ışık hızında düzlem EM dalga gibi yayılır. Foton, kuantum adı verilen ve dalganın frekansı ile orantılı temel bir enerji miktarına sahiptir.  Buna göre EM radyasyonunun şiddeti iki faktöre bağlıdır. 1) Fotonun Enerjisine  2) Foton Sayısına

E=h * v

Burada;

E: Enerji, Joule (J) biriminde,

h: Planck sabiti, J·s biriminde,

v (hız sembolü değildir): taneciğin frekansı, s-1 birimindedir.

Hız, dalga boyu ve frekans arasındaki bağlantıyı gösteren:

c = v * lambda

formülünü endeks olarak alırsak dalga boyu ile frekans ters orantılıdır.

O halde:

E = h * c / lambda

Burada;

c: ışık hızı, metre bölü saniye biriminde,

lamda:  taneciğin dalga boyu, metre birimindedir.

Taneciğin enerjisinin "Elektron-volt" cinsinden hesaplanması

E = h * c / lambda

Burada;

h ve c: "h" ve "c" sabit sayılardır, değeri: 12400\, eV·Å'dür.

lambda: taneciğin dalga boyu, Ångström (Å) birimindedir.

 

3) PARÇACIK - DALGA İKİLİLİĞİ

Parçacık ve dalga modelleri, teorik olarak EM radyasyonun herhangi bir tipine uyarlanabilir, ancak kullanımları, açıklanmak istenen olaylara bağlıdır. Düşük frekanslı makroskobik olaylar ve radyasyonların foto enerjileri, madde ile etkileşmek için çok düşüktür ve dolayısıyla bu radyasyon tipine dalga olarak göz önüne almak daha uygun olur. Öte yandan, çok yüksek enerjili EM radyasyonun atomlarla veya moleküllerle etkileşmeleri, parçacık yaklaşımı ile en iyi açıklanır. Çok yüksek enerjili fotona sahip dalgalar, atomik boyutlarda dalga boyludurlar ve kırılma indisleri 1'e yakındır. Bu durumda çoğunluk dalga modeli kullanılamaz ve sadece parçacık yönü dikkate alınmalıdır.

 

Dalga Madde Etkileşmeleri:

Bir EM radyasyon ve madde arasındaki etkileşme, enerji transferi veya frekans değişimi olmadan, enerjisinin bir kısmını veya tamamını transfer ederek, difüzyona yol açabilir (elastik difüzyon). Enerjinin bir kısmı maddeye aktarıldığında, gelen enerji madde tarafından kısmen soğurulur ve kısmen difüze olarak, daha düşük enerjili yeni bir EM radyasyon meydana getirir (elastik olmayan difüzyon). Soğurulan kısım; biyolojik bir etki oluşturabilir, bir enerji geçişine veya ısıl etkiye yol açabilir.

* Enerji geçişleri: Atom veya moleküllerden enerji seviyeleri ile ilgilidir. 12 eV enerjiye sahip radyasyon (100 nm dalga boyundaki radyasyona denk gelir), bir molekülün (veya atomun) iyonlaşması için eşik değerdir.

* Isıt etkiler: Gelen EM radyasyonun frekansı ne olursa olsun meydana gelen etkilerdir. RF gibi düşük enerjili radyasyonlarla etkileşme durumunda ısıt etkiler, yüklerin ve dipollerin salınması sebebiyle Joule etkisinin sonucu olarak dalga modeliyle yorumlanır. Bu durumda soğurulan enerji (veya güç) birim kütle başına güç tarafından tanımlanır. 

* İyonlaştırmayan ışınım (EM ışınım 0-300 GHz)

* İyonlaştırıcı ışınım (<10^15)

Tanecik akışı olanlar

  • Alfa ışıması: İki nötron ve iki protondan meydana gelen, +2 yüklü bir Helyum çekirdeği yaymaktır. Bu ışıma sonucunda, proton ve nötron sayıları 2'şer birim azalır. Bu tanecikler +2 yüklü oldukları için elektromanyetik çekime de yakalanırlar. Bu ışımaların durdurulması çok kolaydır. Örneğin bir kâğıt yaprak bile yeterli olur.
  • Beta ışıması: Pozitron veya elektron yayımıdır. Pozitron, elektronun antimaddesidir ve elektron yayımlamanın tam tersi olarak gerçekleşir. Beta ışımaları alfa taneciklerine göre daha hızlıdır. Durdurulmaları daha zordur. Yüklü oldukları için manyetik alanda sapma gösterirler.
  • γ (Gamma) ışıması: Bir çekirdeği uyarılmış bir halden, daha az uyarılmış veya kararlı hale getiren bir foton yayımıdır. Foton olduğu için ışık hızında ilerler. Kuvvetli nüfuz eder. Durdurulması çok güçtür. Yüksüz olduğu için manyetik alanda sapma göstermez. Foton olduğu için bir etkin kütlesi vardır ve bu kütle sayesinde kütle çekimine yakalanır. Radyoaktif dönüşümler az veya çok hızlı olurlar. Göz önüne alınan element çekirdeğin yarısının parçalanması için gerekli süreye Periyot (radyoaktiflik) veya yarılanma süresi denir. Çekirdeğin yapısı, en önemli unsurdur. Bir saniyenin milyarda birinin binde biri (10-12) kadar süren periyotlar olduğu gibi 1017 yıla ulaşan periyotlar olduğu bilinmektedir. Nükleer tepkimelerde, doğada bulunmayan radyoaktif çekirdekler elde edilebilir. Bu olaya suni radyoaktiflik denir.

Yüksek enerjili (frekanslı) EM dalga şeklindeki ışınımlar:

  •  X ışınları
  •  Gamma Işınları

Peki ışınım sözcüğü ne anlama gelir?

Işınım sözcüğü, madde içine nüfuz edebilen ışınlar anlamında kullanılır. Türleri ve kaynakları farklı olan ışınların tek ortak yönü, maddeye ve canlı dokulara nüfuz edebilme özelliğidir (giricilikleri).  Çeşitli ışınımların değişik ortamlara giricilikleri farklıdır. Fakat belli bir ışınım türü için giricilik enerji ile ilgili bir özelliktir. Düşük enerjili ışınlar, ör: görünür ışık, girici değildir. Fakat x ışını ve gamma ışını, özellikleri görünür ışıkla tamamen aynı olmakla beraber giricilik yönüyle onlardan ayrılır. Çünkü enerjileri yüksek, dalga boyları kısadır. Aşağıda denklemde de görüyorsunuz.

İyonlaştırıcı Işınım (> 1015 Hz):

İyonlaştırıcı ışınım, atom ve molekülllerden elektron koparabilen ışınımlardır. Nükleer radyasyon olarak da bilinir. Bu kopmanın mümkün olabilmesi için gerekli bir minimum kuantum enerjisi vardır. İnsan vücudunun çoğu sudan ibaret olduğundan dolayı, minimum enerji seviyesi, su molekülerine göre belirlenmektedir. Bu sınıfa giren değişik frekanslar 12eV ile 35eV arasında değişen değerler vermektedir. Bir frekansa karşılık gelen enerji yukarıdaki bağıntıdan hesaplanabilir.

12 eV mor ötesi spektrumundaki 1,03 x 10-7 m'lik dalga boyuna karşılık gelmektedir. Taşıdığı enerji hesaplandığında 300 Ghz 0,00125 eV enerjiye karşılık geldiği ve iyonlaşmaya sebebiyet vermek için çok küçük olduğu görülür. Bununla birlikte örneğin radyo vericilerinde kullanılan yüksek besleme gerilimleri X ışınları şeklinde iyonlaştırıcı ışınıma yol açmaktadır. Kesinlikle bilinmelidir ki, RF enerjisi iyonlaştıran ışınımı kapsamaz, fakat daha çok her iki ışınım tipi de (iyonlaştıran, iyonlaştırmayan) kullanılan aletlerde mevcuttur ve RF mühendis ve teknisyenleri tehlikelerin farkında olmalıdır.

* 1eV: Bir elektrona 1 voltluk potansiyel kazandırmak için gerekli olan enerji miktarıdır.

 

Peki Radyoaktivite ve Radyasyon nedir?

Nüklidlerin (aynı sayıda protona sahip farklı sayıda nötronu olan) çoğu kararlıdır; fakat kararsız olanları da vardır. Kararlılık, temelde bir çekirdeğin içerdiği nötronların sayısı ile protonların sayısı arasındaki denge ile belirlenir. Kararsız bir çekirdek, aşırı enerjiye sahiptir ve bu fazlalığı radyasyon yayarak rastgele anlık ışımalar şeklinde azaltır. Farklı çekirdekler enerjilerini farklı şekillerde yayarlar. Çekirdeğin bu anlık ışımaları radyoaktivite ve yayılan fazla enerjiye ise radyasyon denir. Çekirdeğin anlık ışımalarla enerji yayma sürecine radyoaktif bozunma ve radyasyon yayarak bozunan kararsız nüklide radyonüklid denir. Bu radyonüklidler yaydıkları radyasyon tipi ve/veya enerjisi, yarı-ömür gibi kendilerine özgü özellikler ile birbirinden ayrılırlar.

 

İyonlaştırıcı Işınımın Kaynakları Nelerdir?

Elektronik devreler ve sistemler: Röntgen cihazları ( x-ışını), Positron Emission Tomography (PET), hızlandırıcılar, tüplü televizyon

Radyoaktivite: Alfa, Beta ve Gamma olmak üzere üç tür ışınım kaynaklanır. İnsanoğlu radyoaktivite denen temel fiziksel olayı etkileyememektedir. Radyoaktivite durdurulamaz, yavaşlatılamaz, hızlandırılamaz. Ancak kendiliğinden malzemeye özgür bir zamanla zayıflar. Radyoaktif kaynakların, yani radyoizotopların yaydığı ışınımın artık istenmediği zaman kesilememesi onlarla çalışmanın en büyük güçlüğüdür. Bu tür ışınımdan korunmak için yapılabilecek tek şey, onları ışınım geçirmeyecek kadar kalın cidarlı kaplar içine koyup mümkün olduğu kadar insanlardan uzakta saklamaktır.

Nükleer reaksiyonlar: Fisyon (parçalanma), füzyon (birleşme) ve dönüşüm reaksiyonları sırasında çeşitli ışınımlar açığa çıkar. Reaksiyon durunca, doğrudan oluşan ışınım da durur. İşte bunların salmakta olduğu ışınım, nükleer reaksiyon durduktan sonra da devam eder. Nükleer reaktörlerin, bu yüzden çalışırken sahip olduğu çok büyük ışınım tehlikesini durduktan sonra da devam ettirirler.

Uzay (gök cisimleri): Güneş'in ve yıldızların korkunç büyüklükteki enerjilerinin nükleer reaksiyonlardan kaynaklandığını biliyoruz. Dolayısıyla onlardan uzaya ısı ve ışıkla birlikte nükleer radyasyonlar da yayılır. Dünya'mıza uzaydan ulaşan bu tür yayına kozmik ışınım adı verilir. Kalın atmosferimiz ışınımları soğurarak oldukça zayıflamış halde yeryüzüne ulaşmasını sağlar. Fakat astronotlar veya yüksekte uçanlar radyasyondan büyük ölçüde etkilenir.

 

Bir sonraki yazımızda görüşmek üzere...

0 Yorum

Giriş




Tavsiye Edilenler

Bilim Eğlencelidir!

En Aktif Yazanlar

İnsan Türüyle İlgili Gerçekler