Promieniowanie. Część 1: Wstęp

Promieniowanie to słowo, które u wielu ludzi zapala czerwoną migającą lampkę. Pojawiają się zaraz obrazy Hiroszimy, Czarnobyla czy Fukushimy. Do pewnego stopnia można to zrozumieć. To nie są żadne toksyczne śmierdzące opary, które można wyczuć. Promieniowania niestety nie widać i człowiek zmysłami nie jest w stanie go wyczuć. Właśnie dlatego warto chyba co nieco dowiedzieć się o tym, czym jest promieniowanie, gdzie może występować i jak się przed nim chronić w sytuacjach, w których może nam ono zagrażać.

Zacznijmy od podstaw. Promieniowanie to strumień cząstek albo fal. Jesteśmy cały czas zanurzeni w promieniowaniu, choćby tym cieplnym, emitowanym przez każde ciało fizyczne o temperaturze wyższej niż 0 K. Na całe szczęście większość promieniowania, które dociera do nas, jest promieniowaniem niejonizującym, a więc takim, które w normalnych warunkach nie jest jakoś znacząco szkodliwe dla organizmu człowieka. Zupełnie inaczej ma się rzecz z promieniowaniem jonizującym i właśnie o nim będę pisał.

Promieniowanie jonizujące, jak sama nazwa wskazuje, to takie promieniowanie, które powoduje jonizację materii. O co chodzi? Otóż, jeśli promieniowanie ma dużą energię, potrafi wybić elektrony z atomów, co z kolei wywołuje w komórkach kaskadę zdarzeń wpływających negatywnie na organizm ludzki. Mówiąc popularnie, potrafi ono naprawdę zdemolować organizm.

W wersji najprostszej promieniowanie jonizujące dzieli się na trzy rodzaje, nazwane od pierwszych liter alfabetu greckiego. Omówię je po kolei.

Pierwszym jest promieniowanie alfa (α), będące po prostu jądrami helu, składającymi się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Każda cząstka tego promieniowania ma ładunek +2. Emitowane jest ono z niektórych atomów promieniotwórczych, takich jak uran-238, rad-223 czy pluton-238. Niesie ono bardzo dużą energię, a więc może wywołać wiele szkód. Na szczęście jego zasięg jest niewielki, a do tego jest ono blokowane nawet przez cienki arkusz papieru. Uwaga: to promieniowanie jest bardzo niebezpieczne w przypadku, gdy substancja promieniotwórcza dostanie się do płuc. W takiej sytuacji delikatne tkanki są bezpośrednio narażone na promieniowanie alfa.

Drugim jest promieniowanie beta (β), czasami nazywane przenikliwym promieniowaniem beta. Jest to strumień elektronów albo antyelektronów (pozytonów). Ma znacznie większy zasięg niż promieniowanie alfa, ale jest bez problemu zatrzymywane nawet przez cienką folię aluminiową lub kilkumilimetrową warstwę plastiku czy też szkła.

Powyższe rodzaje promieniowania nazywamy korpuskularnymi (cząsteczkowym). Inaczej rzecz się ma z trzecim rodzajem, a mianowicie promieniowaniem gamma (γ). Jest to wysokoenergetyczne promieniowanie elektromagnetyczne (czyli w zasadzie podobne do światła widzialnego czy fal radiowych), które z łatwością przenika przez wiele materiałów. Zatrzymuje je warstwa ołowiu o grubości kilku centymetrów albo betonu o grubości kilku metrów. Jest ono bardziej energetycznie niż znane wszystkim promieniowanie rentgenowskie, a więc bardzo niebezpieczne. Z drugiej strony mamy do pewnego stopnia szczęście, ponieważ izotopy emitujące promieniowanie gamma mają zwykle znacznie krótsze czasy półrozpadu (będzie o nim następny odcinek), a więc szybciej przestają być niebezpieczne.

Co zatrzyma promieniowanie?

źródło: Wikimedia, licencja: GNU 1.2

Jeśli izotop emituje promieniowanie alfa lub beta, w rezultacie przemiany powstaje zupełnie nowy izotop innego pierwiastka. Jeśli jednak mowa o izotopie emitującym promieniowanie gamma, mamy do czynienia z jednym i tym samym pierwiastkiem. Zmianie ulega tylko jego stan energetyczny.

To bardzo trudne pytanie. Przede wszystkim trzeba sobie uświadomić, cały czas przenika nas promieniowanie, a więc nasze organizmy są do pewnego stopnia przyzwyczajone do niego. Gdy formowała się Ziemia, trafiały tutaj pierwiastki promieniotwórcze, takie jak np. uran-238. Jest on wszędzie, a ponieważ promieniuje bardzo, bardzo powoli, jesteśmy na niego skazani przez najbliższe miliardy lat. Trzeba też zdawać sobie sprawę, że Ziemia cały czas jest bombardowana wysokoenergetycznymi cząstkami z przestrzeni kosmicznej. Do pewnego stopnia jest ono pochłaniane przez atmosferę ziemską. Tu jednak w wyniku procesów jądrowych powstają także cały czas izotopy promieniotwórcze. Klasycznym przykładem jest tutaj promieniotwórczy izotop węgla, a mianowicie węgiel-14. Powstaje on w górnych warstwach atmosfery w wyniku pochłonięcia neutronu przez izotop 14N, po czym ulega utlenieniu do dwutlenku węgla. Rozprzestrzeniając się w atmosferze, wchodzi on do klasycznego cyklu węglowego, a więc także wbudowuje się w nasz organizm. Izotop 14C jest promieniotwórczy, a rozpadając się, emituje promieniowanie beta (elektrony), przekształcając się z powrotem w izotop 14N – cykl się zamyka. Można więc stwierdzić, że nasze ciało także jest promieniotwórcze. Rzecz jasna nie jest to jedyny izotop promieniotwórczy obecny w naszym organizmie. Najwięcej znajdziemy tutaj potasu-40, ale w mniejszych ilościach spotkamy też tryt (wodór-3), rubid-87 czy polon-210. Wszystkie te izotopy są obecne naturalnie w przyrodzie, a więc w pewnym sensie ciało człowieka traktuje je jako składnik naturalny.
Jako ciekawostkę można tu dodać, że potas-40 w ciele człowieka emituje promieniowanie beta minus (czyli elektrony), ale też w niewielkim stopniu beta plus (pozytony, czyli elektrony dodatnie). Tak więc jesteśmy w jakimś sensie źródłem antymaterii!

Uwaga – antymateria!

źródło: Wikimedia, licencja: CC BY SA 3.0

Poza tymi izotopami docierają do nas z zewnątrz inne, w tym przede wszystkim radon-222, pochodzący z rozpadu naturalnego uranu obecnego w skorupie ziemskiej. Pisałem na ten temat w tym tekście. Nadal w atmosferze ziemskiej pozostają ślady licznych wybuchów jądrowych, które wiele krajów przeprowadzało w XX wieku. Jako ciekawostkę można tu dodać, że niektóre izotopy (konkretnie cez-137), powstałe w czasie tamtych wybuchów są bazą dla wykrywania fałszerstw wina.

Przez miliony lat do pewnego stopnia przystosowaliśmy się do promieniowania. Ewentualne szkodliwe mutacje bardzo często naprawiają się same, pozostawiając nasz materiał genetyczny bez zmian. Ale to działa tylko do pewnego poziomu. Powyżej niego sytuacja się komplikuje. W skrajnym przypadku nasz organizm reaguje gwałtownie. Pisałem choćby o smutnych historiach Daghliana i Slotina, którzy zapadli na ostrą chorobę popromienną. Opowiadałem też o zabójczym bloku w Rosji.
Dlatego należy jednak czuć respekt przed promieniowaniem.

Kiedyś w szkołach uczono dość szczegółowo o obronie przed bronią masowego rażenia, w tym jądrową. Dziś bywa z tym różnie. Zamierzam napisać osobny tekst na ten temat. Tu napiszę tylko skrótowo. Pamiętajmy o podstawowej sprawie: promieniowania nie da się rozłożyć. A więc podstawowa rada brzmi: odizoluj się od niego. Znajdź izolowane miejsce: jakąś piwnicę czy inne miejsce za murami. Jeśli na ubraniu masz pył pochodzący z eksplozji jądrowej, natychmiast musisz się go pozbyć. Ciało możesz spłukać wodą. Przed pyłem promieniotwórczym chroni zwykła maseczka, pod warunkiem, że często jest zmieniana. To wiedza podstawowa. Rozwinę ją za jakiś czas.

7 thoughts on “Promieniowanie. Część 1: Wstęp

  1. Promieniowanie gamma, podobnie jak i rentgenowskie ma działanie jonizujące i na tym polega jego szkodliwość, w wyniku bowiem owej jonizacji zachodzi w naszych komórkach szereg “destrukcyjnych” reakcji chemicznych. Nieco podobnie działa promieniowanie ultrafioletowe – ono też może wywołać w komórkach głównie skóry reakcje chemiczne, które jeśli nie w nadmiarze, są pożyteczne, w nadmiarze natomiast szkodliwe (dlatego owszem, opalać się, ale zdecydowanie bez przesady). Można jednak spotkać się z twierdzeniami, że równie szkodliwe jest “promieniowanie” telefonów komórkowych. Fakt, to też są fale elektromagnetyczne, podobnie jak wyżej wspomniane promieniowania. Różnica jedna jest decydująca – energia kwantów tego promieniowanie jest za mała, żeby wybijać elektrony z ich orbit, więc nie zachodzi jonizacja i wynikłe z niej reakcje chemiczne. Jedyny skutek tych fal to wydzielanie w pochłaniającej je materii ciepło. Trzeba jednak zdawać sobie sprawę, że ilość ciepła jakie może wydzielić w naszym organizmie nadająca komórka jest tak znikomo mała, że więcej go dostarczymy np. podczas czesania włosów, a nikt chyba z tego powodu nie zamierza chodzić rozczochrany.

  2. We wstępie jest alternatywa: cząstek albo fal. Pytanie laika: Czy fale promieniowania mają także charakter korpuskularny, więc czy to jest alternatywa? Prośba o przykład fali promieniowania nie mającej charakteru cząsteczkowego. Poza falami grawitacyjnymi – ich charakteru na dziś , o ile wiem, nie znamy.

    • To nie jest alternatywa wykluczająca. Raczej kwestia tego, jaki sposób opisu jest w danym przypadku wygodniejszy. Promieniowanie elektromagnetyczne można opisywać jako fale lub jako strumień fotonów. Myślimy o fotonach jak o indywidualnych cząstkach wtedy, kiedy np. biorą udział w oddziaływaniach z innymi cząstkami, natomiast kiedy propagują się w przestrzeni, dominuje ich natura falowa. Ale i pojedynczy foton też można opisywać jako falę – na przykład może on interferować sam z sobą w klasycznym eksperymencie z dwiema szczelinami. Z kolei swobodny elektron podróżuje jako zwarty pakiet falowy i w skali opisu, jakiej wtedy używamy, ma dobrze określoną trajektorię, zachowuje się jak “cząstka” i można pominąć jego naturę falową. Ale elektron jako składnik atomu albo w eksperymentach interferencyjnych zachowuje się z kolei jak fala.

      Cząstka alfa to obiekt w porównaniu z elektronem duży (około 7000 razy cięższy) i złożony (składa się z czterech nukleonów, które też mają wewnętrzną strukturę i składniki). W tej skali znacznie trudniej zmusić obiekt, żeby zademonstrował swoją naturę falową, choć nie jest to niemożliwe. Co więcej, sam rozpad alfa jest możliwy dzięki tzw. tunelowaniu kwantowemu. Cząstka alfa ucieka z jądra, choć z klasycznego punktu widzenia nie powinna mieć dość energii, żeby pokonać siły jądrowe, trzymające razem nukleony mimo wzajemnego odpychania elektrostatycznego protonów. Ale ponieważ zachowuje się także jako fala, z pewnym prawdopodobieństwem może się zlokalizować na tyle daleko od pozostałych nukleonów, że odpychanie kulombowskie staje się silniejsze niż przyciąganie sił jądrowych. Kiedy jednak już ucieknie i leci sobie przez przestrzeń, wygodniej jest widzieć w niej cząstkę.

      2
      • W języku logiki “albo” to jest właśnie alternatywa wykluczająca, inaczej XOR (exclusive OR). Do wyrażenia alternatywy zwykłej służy spójnik “lub”, czyli operator logiczny OR. Dualizm korpuskularno-falowy to jest właśnie przykład alternatywy zwykłej, promieniowanie jest falą lub cząstką lub i falą, i cząstką, czyli faląstką (termin powstał w latach 90. i był używany w publikacjach PTF) . W języku potocznym obie konstrukcje są używane zamiennie, chyba, że chcemy wyrazić kategorycznie logiczne wykluczenie, wtedy używamy konstrukcji “albo… albo”.

        1
        • W języku logiki formalnej może tak, ale niekoniecznie w języku naturalnym, a takiego używa Autor.

          2
        • Słowo faląstka jest o kilkadziesiąt lat starsze. Spotkałem się z nim we wczesnych latach 70. w książce Gamowa “Mister Tompkins w krainie czarów” wydanej chyba w latach 60.

          2
          • Pierwsze wydanie książki (1960) roku było tłumaczone przez Barbarę Wojtowicz-Natanson, doktora fizyki z Instytutu Technologii Elektronowej CEMI, więc to ona jest prawdopodobnym “wynalazcą” tego terminu.

            1

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *