Już jutro rocznica jednej z największych katastrof w historii energetyki jądrowej, która wryła się w masową pamięć, powodując lęk przed elektrowniami jądrowymi i wszystkim, co jest z nimi związane. Prawdę mówiąc, to samo promieniowanie ma nie najlepszą prasę, co składam na karb filmów takich jak “Chiński syndrom” i celebrytów walczących z tym, co akurat wpłynie pozytywnie na ich rozpoznawalność, czego przykładem była Jane Fonda i jej kampania.

Samo odkrycie zjawiska promieniotwórczości to zasługa kiepskiej pogody w dniu, w którym niejaki H. Becquerel owinął próbkę rudy uranu kliszą fotograficzną i wyjrzał przez okno. Becquerel badał zjawisko znane jako fosforescencja, zapewne znane każdemu z zabawek które “świecą w ciemnościach” po uprzednim naświetleniu pod lampą czy Słońcem. Uczony badał różne minerały, aby ustalić które z nich posiadają tę cechę, a które nie, poprzez naświetlanie ich światłem słonecznym, a następnie obserwowaniu, czy klisza uległa zaczernieniu. Gdy chciał przeprowadzić podobne doświadczenie z rudą uranu, zauważył pokrywę chmur, wrzucił więc fragment rudy do kieszeni fartucha, by o nim zapomnieć. Gdy go odnalazł, zauważył, że klisza uległa sczernieniu w miejscach, w których dotykała fragmentów uranowej rudy. Becquerel nie bardzo wiedział, jak zinterpretować to zjawisko, ale przeprowadził liczne eksperymenty, na podstawie których ustalił zależność pomiędzy ilością uranu a efektami na kliszy. Problem pojawił się w przypadku kilku kawałków rudy, które z jakiegoś powodu były bardziej promieniotwórcze niż powinny. Rozwiązanie tego problemu przerastało jego możliwości, więc postanowił skorzystać z pomocy pewnej osoby w ramach jej pracy doktorskiej, a mowa tu o Marii Skłodowskiej-Curie.

Maria wraz z mężem szybko “zauważyła”, że przesłana jej ruda zawiera jeszcze jeden pierwiastek, znany nam jako rad. Jej żmudne próby wyizolowania radu metodami chemicznymi oczywiście się powiodły, a dokładne badania pozwoliły ustalić, iż radioaktywność to tak naprawdę trzy rodzaje promieniowania, znane jako alfa, beta i gamma o których więcej w dalszej części tekstu, a efektem tego zjawiska jest przemiana radu w gazowy radon. Pamiątką z tamtych czasów są jednostki, których używamy do określenia radioaktywności danej próbki: kiur i bekerel. 1 Ci czyli kiur miał odpowiadać aktywności 1g ²²⁶Ra. Jednostka ta ma znaczenie właściwie wyłącznie ze względów historycznych, a obecnie posługujemy się bekerelem, który jest banalnie prosty do zrozumienia. Próbka o aktywności 1 Bq to taka, w której w czasie jednej sekundy następuje jeden rozpad radioaktywny. Dla przykładu radioaktywny izotop potasu ⁴⁰K zawarty w naszym ciele (o czym wspominałem w tekście Atomowy kalendarzyk – czyli o związku okresu z rozpadem) ma aktywność ok. 4kBq czyli około 4000 rozpadów na sekundę. Jeśli komuś chciałoby się przeliczać bekerele na kiury, to przelicznik jest banalny: 1 Ci = 3,66·10¹⁰ Bq = 36,6 GBq. Z tym że kiur i bekerel tak naprawdę niewiele nam mówią, bo co to właściwie oznacza dla nas, że w próbce zachodzą dwa lub cztery rozpady, zwłaszcza że promieniowanie promieniowaniu nierówne?

Przewidzieć, co będzie produktem takiego rozpadu, można bardzo łatwo posługując się regułą Fajansa (Fajansa, nie fajansu) znaną również jako prawo Soddy’ego. Mówi ona, że jeżeli w jądrze następuje rozpad alfa, to produktem będzie pierwiastek znajdujący się w układzie okresowym o dwa miejsca w lewo, np. ₉₂U → ₉₀Th, czego łatwo się domyślić, biorąc pod uwagę, iż cząstki alfa są tożsame z jądrami ⁴He, to jest składają się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Czyli jeśli rozważamy rozpad alfa, to wystarczy pamiętać, że jego produktem jest cząstka alfa i jądro o liczbie atomowej mniejszej o dwa i liczbie masowej mniejszej o cztery w stosunku do oryginalnego jądra. W ramach ciekawostki dodam, że rozpad alfa jest odpowiedzialny za około połowę naturalnej promieniotwórczości, a prędkość cząstki emitowanej w wyniku takiego rozpadu wynosi około 15 000 km/s. Jeśli rozważamy rozpad beta, który polega na przemianie neutronu w proton lub na odwrót i emisji odpowiednio elektronu lub pozytonu, to sprawa jest równie banalna. W przypadku rozpadu beta minus, tj. gdy emitowany jest elektron, to przesuwamy się w układzie okresowym o jedno miejsce w prawo, a w przypadku rozpadu beta plus o jedno miejsce w lewo. Tyle że wiedza o produkcie rozpadu absolutnie nie mówi nam o tym, jaki będzie jego efekt dla nas. Bo przecież każdy chyba słyszał o przypadku A. Litwinienki, który został otruty izotopem polonu. Polon emituje cząstki alfa, dla których wystarczająca zaporą jest zwykły papier toaletowy, a jednak ów człowiek zmarł.

fot. domena publiczna

To urządzenie i wydawane przez nie złowrogie trzaski zapewne kojarzycie z filmów, których producenci zwykli posługiwać się jednostkami takimi jak rad, grej, rentgen, siwert, rem czy nawet (sic!) farad dość dowolnie i bez zrozumienia istoty tego co ów licznik właściwie zlicza. To zoo jednostek związanych z promieniowaniem jest trochę konsekwencją tego, że układem SI posługujemy się od 1960, a konieczność obliczania takich rzeczy pojawiła się znacznie wcześniej. Cóż, w przypadku promieniowania, tak jak w każdym innym przypadku, ważna jest dawka. Dawka energii, jaką promieniowanie przekazało obiektowi, które je pochłania; stąd logicznym wydaje się obliczenie dawki ekspozycyjnej, która dotyczy jonizacji powietrza. Skoro jonizacja polega na wytwarzaniu ładunków elektrycznych w pewnej masie, to oczywistym jest użycie jednostek takich jak kulomb i kilogram związanych z ładunkiem elektrycznym i masą. A więc jeśli w masie 1,293 mg powietrza (ok. 1cm³) powstanie tyle par jonów, że ich ładunek będzie równy 3,335*10⁻¹⁰ C, to mówimy o dawce ekspozycyjnej równej 1 rentgenowi (R). Jest to jednostka o tyle niewygodna, że nie rozróżnia tego, jak różne materiały pochłaniają samo promieniowanie, stąd w przypadku promieniowania pochłoniętego przez człowieka stosowano jednostkę znaną jako “rem” tj. “roentgen equivalent in man”. Co ważne, pojęcie dawki ekspozycyjnej ma zastosowanie tylko w przypadku promieniowania X związanego z hamowaniem elektronów i promieniowaniem gamma, czyli fotonami o wysokich energiach. Aby mówić o dawce pochłoniętej, musimy obliczyć, ile energii zostało pochłonięte w pewnej masie. Logicznym wydaje się więc sięgnięcie po jednostki takie jak dżul i kilogram. Tym samym, jeżeli kilogram materiału pochłonie jeden dżul energii promieniowania, to mówimy o dawce pochłoniętej równej 1 grejowi (Gy). Jednorazowe pochłonięcie dawki 5 Gy generalnie prowadzi do śmierci, stąd łatwo obliczyć, że do zabicia człowieka o masie około 75 Kg potrzeba energii około 375 J. W niektórych opracowaniach i starszych artykułach można jeszcze natrafić na jednostki znane jako “rad”, tj. “radiation absorbed dose”, którą przeliczamy wg wzoru 1 rad = 0.01 Gy. Z tym, że ekspozycja na promieniowanie czy nawet pochłonięcie jakiejś dawki nadal nie mówi nam o jego skutkach dla nas i o niuansach związanych choćby z różną budową naszych organów wewnętrznych. Tu należy sięgnąć po pojęcia dawki równoważnej i dawki skutecznej.

Bo chyba wszyscy zgodzimy się, że różne efekty da wchłonięcie tych samych dawek promieniowania, które będą się różniły jakościowo, np. cząsek alfa alfa i fotonów, stąd dla obliczenia dawki równoważnej musimy sięgnąć do tabeli wyznaczającej tzw. współczynnik jakości. I tak dla fotonów wynosi on 1, a np. dla protonu o energii mniejszej niż 2 MeV – 5 itp. Wzór jest prostym iloczynem dawki pochłoniętej i współczynnika jakości. Aby rozróżnić tkanki, których dotyczy napromieniowanie, musimy do tego iloczynu dodać kolejny czynnik opisujący różnice pomiędzy narządami, który również odczytamy z tabelki (wartości te są pomnożone przez 100). No to spójrzmy:

Weźmy dla przykładu sytuację, w której płucami pochłoniemy dawkę 30 mGy spowodowaną strumieniem cząstek alfa. Stąd mamy 30*20*0.12=72, tylko czego? Jednostką dawki równoważnej oraz skutecznej jest siwert , a owe 72 to 72 milisiwerty (mSv). Czy to dużo, czy mało? Przeciętne zdjęcie rentgenowskie to około 5 µSv czyli 5 mikrosiwertów. Dawka jednego siwerta przyjęta jednorazowo jest wystarczająca do wywołania ostrej choroby popromiennej, więc jak widać, zdjęcia RTG z dawkami rzędu 0.01 – 2.5 mGy nie stanowią zagrożenia. W ramach ciekawostki dodam, że mieszkaniec Polski tylko w wyniku naturalnej promieniotwórczości w ciągu roku otrzymuje dawkę około 2,5 mSv. Pamiętajcie również o obecności radioaktywnego potasu w naszym ciele, który jest związany z dawką 390 µSv. Słyszeliście może o tym, że lecąc samolotem również jesteśmy narażenia na większe dawki promieniowania? To prawda, aczkolwiek wynoszą one dla lotu na odległość Warszawa – Lizbona około 40 µSv. Lubicie banany? To pamiętajcie, że każdorazowe spożycie banana wiąże się z przyjęciem dawki około 0.10 µSv. Śpicie z drugą osobą? No to każdej nocy jesteście narażeni na połowę z poprzedniej dawki.

Promieniowanie, jak widać, jest wszędzie i cały czas je pochłaniamy – ważne są jedynie czas i dawka. W ramach ćwiczeń możecie policzyć dawki skuteczne dla różnych narządów i różnych rodzajów promieniowania 🙂

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.