Toxicological Profile for Plutonium

PLUTONIUM 
D-5 
APPENDIX D 
Mass, charge, and velocity of a particle, as well as the electron density of the material with which it 
interacts, all affect the rate at which ionization occurs.  The higher the charge of the particle and the lower 
the velocity, the greater the propensity to cause ionization.  Heavy, highly charged particles, such as alpha 
particles, lose energy rapidly with distance and, therefore, do not penetrate deeply.  The result of these 
interaction processes is a gradual slowing down of any incident particle until it is brought to rest or 
"stopped" at the end of its range. 
D.2.4  Characteristics of Emitted Radiation 
D.2.4.1  Alpha Emission. 
In alpha emission, an alpha particle consisting of two protons and two 
neutrons is emitted with a resulting decrease in the atomic mass number by four and reduction of the 
atomic number of two, thereby changing the parent to a different element.  The alpha particle is identical 
to a helium nucleus consisting of two neutrons and two protons.  It results from the radioactive decay of 
some heavy elements such as uranium, plutonium, radium, thorium, and radon.  All alpha particles 
emitted by a given radioisotope have the same energy.  Most of the alpha particles that are likely to be 
found have energies in the range of about 4 to 8 MeV, depending on the isotope from which they came. 
The alpha particle has an electrical charge of +2.  Because of this double positive charge and their size, 
alpha particles have great ionizing power and, thus, lose their kinetic energy quickly.  This results in very 
little penetrating power.  In fact, an alpha particle cannot penetrate a sheet of paper.  The range of an 
alpha particle (the distance the charged particle travels from the point of origin to its resting point) is 
about 4 cm in air, which decreases considerably to a few micrometers in tissue.  These properties cause 
alpha emitters to be hazardous only if there is internal contamination (i.e., if the radionuclide is inside the 
body). 
D.2.4.2  Beta Emission. 
A beta particle () is a high-velocity electron ejected from a disintegrating 
nucleus.  The particle may be either a negatively charged electron, termed a negatron (-) or a positively 
charged electron, termed a positron (+).  Although the precise definition of "beta emission" refers to 
both - and +, common usage of the term generally applies only to the negative particle, as distinguished 
from the positron emission, which refers to the + particle. 
D.2.4.2.1  Beta Negative Emission. 
Beta particle (-) emission is another process by which a 
radionuclide, with a neutron excess achieves stability.  Beta particle emission decreases the number of 
neutrons by one and increases the number of protons by one, while the atomic mass number remains 
unchanged.
1 
This transformation results in the formation of a different element.  The energy spectrum of 
beta particle emission ranges from a certain maximum down to zero with the mean energy of the 
spectrum being about one-third of the maximum.  The range in tissue is much less.  Beta negative 
emitting radionuclides can cause injury to the skin and superficial body tissues, but mostly present an 
internal contamination hazard. 
D.2.4.2.2  Positron Emission. 
In cases in which there are too many protons in the nucleus, positron 
emission may occur.  In this case a proton may be thought of as being converted into a neutron, and a 
positron (+) is emitted.
1 
This increases the number of neutrons by one, decreases the number of protons 
by one, and again leaves the atomic mass number unchanged.  The gamma radiation resulting from the 
annihilation (see glossary) of the positron makes all positron emitting isotopes more of an external 
radiation hazard than pure  emitters of equal energy. 
D.2.4.2.3  Gamma Emission. 
Radioactive decay by alpha, beta, or positron emission, or electron 
capture often leaves some of the energy resulting from these changes in the nucleus.  As a result, the 
1 
Neutrinos also accompany negative beta particles and positron emissions 

---

PLUTONIUM 
D-6 
APPENDIX D 
nucleus is raised to an excited level.  None of these excited nuclei can remain in this high-energy state. 
Nuclei release this energy returning to ground state or to the lowest possible stable energy level.  The 
energy released is in the form of gamma radiation (high energy photons) and has an energy equal to the 
change in the energy state of the nucleus.  Gamma and x rays behave similarly but differ in their origin; 
gamma emissions originate in the nucleus while x rays originate in the orbital electron structure or from 
rapidly changing the velocity of an electron (e.g., as occurs when shielding high energy beta particles or 
stopping the electron beam in an x ray tube). 
D.3  ESTIMATION OF ENERGY DEPOSITION IN HUMAN TISSUES 
Two forms of potential radiation exposures can result: internal and external.  The term exposure denotes 
physical interaction of the radiation emitted from the radioactive material with cells and tissues of the 
human body.  An exposure can be "acute" or "chronic" depending on how long an individual or organ is 
exposed to the radiation.  Internal exposures occur when radionuclides, which have entered the body (e.g., 
through the inhalation, ingestion, or dermal pathways), undergo radioactive decay resulting in the 
deposition of energy to internal organs.  External exposures occur when radiation enters the body directly 
from sources located outside the body, such as radiation emitters from radionuclides on ground surfaces, 
dissolved in water, or dispersed in the air.  In general, external exposures are from material emitting 
gamma radiation, which readily penetrate the skin and internal organs.  Beta and alpha radiation from 
external sources are far less penetrating and deposit their energy primarily on the skin's outer layer. 
Consequently, their contribution to the absorbed dose of the total body dose, compared to that deposited 
by gamma rays, may be negligible. 
Characterizing the radiation dose to persons as a result of exposure to radiation is a complex issue.  It is 
difficult to:  (1) measure internally the amount of energy actually transferred to an organic material and to 
correlate any observed effects with this energy deposition; and (2) account for and predict secondary 
processes, such as collision effects or biologically triggered effects, that are an indirect consequence of 
the primary interaction event. 
D.3.1  Dose/Exposure Units 
D.3.1.1  Roentgen. 
The roentgen (R) is a unit of x or gamma-ray exposure and is a measured by the 
amount of ionization caused in air by gamma or x radiation.  One roentgen produces 2.58x10
-4
 coulomb 
per kilogram of air.  In the case of gamma radiation, over the commonly encountered range of photon 
energy, the energy deposition in tissue for a dose of 1 R is about 0.0096 joules (J) /kg of tissue. 
D.3.1.2  Absorbed Dose and Absorbed Dose Rate. 
The absorbed dose is defined as the energy 
imparted by the incident radiation to a unit mass of the tissue or organ.  The unit of absorbed dose is the 
rad; 1 rad = 100 erg/gram = 0.01 J/kg in any medium.  An exposure of 1 R results in a dose to soft tissue 
of approximately 0.01 J/kg.  The SI unit is the gray which is equivalent to 100 rad or 1 J/kg.  Internal and 
external exposures from radiation sources are not usually instantaneous but are distributed over extended 
periods of time.  The resulting rate of change of the absorbed dose to a small volume of mass is referred 
to as the absorbed dose rate in units of rad/unit time. 
D.3.1.3  Working Levels and Working Level Months. 
Working level (WL) is a measure of the 
atmospheric concentration of radon and its short-lived progeny.  One WL is defined as any combination 
of short-lived radon daughters (through polonium-214), per liter of air, that will result in the emission of 
1.3x10
5
 MeV of alpha energy.  An activity concentration of 100 pCi radon-222/L of air, in equilibrium 
with its daughters, corresponds approximately to a potential alpha-energy concentration of 1 WL.  The 
WL unit can also be used for thoron daughters.  In this case, 1.3x10
5 
MeV of alpha energy (1 WL) is 
released by the thoron daughters in equilibrium with 7.5 pCi thoron/L.  The potential alpha energy 

---