Promieniowanie. Część 3: Dawka, moc dawki, gdzie znajdziemy dane

Z poprzednich odcinków dowiedzieliście się, czym jest promieniowanie i jak to jest z tym półrozpadem (czasem półtrwania). Dziś chciałbym opowiedzieć trochę o sprawach praktycznych, w tym o jednostkach związanych z promieniowaniem. Pisał o tym dość obszernie Lucas. Już tam mogliście się zorientować, że jest z tym duże zamieszanie. Są jakieś rentgeny, rady, bekerele, greje, siwerty, remy, repy. Ba, mamy też różne dawki: równoważną, skuteczną, efektywną, progową i wiele innych. Żeby wszystko było bardziej zagmatwane, mamy też takie pojęcia, jak moc dawki i jej jednostki. Każdy, kto miał wykłady z chemii albo fizyki jądrowej czy też radiochemii, zapewne pamięta uczenie się tych definicji. Nie, nie zamierzam was tym wszystkim katować, bo to nie ma żadnego sensu.

Kwestiami związanymi z pomiarami promieniowania zajmuje się dozymetria. Jest to dział fizyki jądrowej obejmujący przede wszystkim pomiary, ale też obliczenia dawek promieniowania.

Zacznijmy od podstaw. Jednostką promieniowania w układzie SI jest bekerel (Bq). Nazwa pochodzi oczywiście od pana Becquerela, jednego z odkrywców promieniowania. Próbka, w której zachodzi jeden rozpad na sekundę, ma aktywność 1 Bq. Jest to niezwykle mała wartość, zwykle mamy wartości rzędu MBq czy nawet GBq. Przykładowo: 1 gram radu ma aktywność 36,6 GBq. Aktywność wynikająca z obecności w naszym organizmie potasu-40 (pisałem w odcinku #1 o bananach) wynosi 4 kBq.

Kolejną ważną jednostką jest grej (Gy). W grejach mierzy się dawkę pochłoniętą, np. przez organizm człowieka. 1 grej to dawka promieniowania o energii 1 dżula na 1 kg masy (1 Gy = 1 J/kg). Im większa dawka, tym więcej szkód – sprawa jest prosta. Wystarczy kilka grejów, aby efekt był porażający (pamiętacie naukowców i strażaków wymiotujących po kilku minutach obecności w Czarnobylu?). 6-8 grejów powoduje zwykle śmierć w ciągu 2-4 tygodni, jeśli człowiek pochłonie więcej niż 30 Gy, praktycznie nie ma szans, aby przeżyć więcej niż 2 dni.

Jeśli mówimy o ryzyku pochodzącym od promieniowania jonizującego, posługujemy się siwertami (Sv). Wiadomo, że każdy nasz organ inaczej reaguje na promieniowanie. Dlatego też wprowadzono pojęcie dawki równoważnej, której jednostką jest właśnie siwert. W praktyce jest to dawka w grejach pomnożona przez tzw. współczynnik wagowy, a więc tu mamy też 1 J/kg. Uwaga: siwert jest dawką bardzo dużą. Uznaje się, że człowiek, który pochłonął dawkę 1 Sv, ma niewielką szansę, aby przeżyć, jeśli natychmiast nie otrzyma specjalistycznej pomocy lekarskiej.

Opis wydarzeniaDawka
Zjedzenie banana0,10 µSv
Mieszkanie przez rok w pobliżu elektrowni jądrowej0,11 µSv
Mieszkanie przez rok w pobliżu elektrowni węglowej0,38 µSv
Lot przez Atlantykok. 100 µSv
Rentgen klatki piersiowejok. 100 µSv
Mammografiaok. 400 µSv
Tomografia klatki piersiowejok. 7 mSv
Bezpieczna roczna dawka1 mSv
Roczna dawka astronauty420 mSv
Choroba popromienna1 Sv
Śmierć w ciągu kilku godzin100 Sv

Tu muszę wspomnieć o jeszcze jednej jednostce. Obecnie w zasadzie nie używa się jej, ale wszystkie starsze pomiary były podawane w rentgenach (R). Można zapamiętać, że 1 rentgen to w przybliżeniu 10 mSv.

Ale dawka to jedno, a czas ekspozycji na promieniowanie też ma znaczenie. Dlatego też mamy jedno bardzo ważne pojęcie – moc dawki. Można ją określić jako natężenie promieniowania. Jednostką jest Sv/h. Zwracam uwagę na to, że jest to także olbrzymia jednostka. Jeśli spojrzymy na udostępnianą przez Państwową Agencję Atomistyki (PAA) mapę sytuacji radiacyjnej w kraju, możemy zobaczyć aktualne wartości mocy dawki promieniowania gamma.
Znajdziemy tam dane dotyczące mocy dawki promieniowania gamma mierzone przez kilkadziesiąt stacji pomiarowych. Większość z nich pokazuje wartości mniejsze niż 0,1 µSv/h. Jeśli będą nieco większe, nadal nie ma problemu – tak się dzieje np. w przypadku opadów deszczu. Pyły radioaktywne, które są zawsze w powietrzu, opadają z kroplami i podwyższają te wartości, oczywiście tylko czasowo. PAA dba o nasze bezpieczeństwo – jeśli będzie jakieś zagrożenie, zostaniecie poinformowani.

No dobrze, a poza Polską? Tu mamy do pomocy mapy unijne. Kliknięcie niebieskiego punktu pokazuje nie tylko aktualną moc dawki dla danej stacji (w nSv. Wyjaśnienie: 1 µSv = 1000 nSv), ale także dane z ostatniego tygodnia. Rzućcie okiem na te dane 2-3 dni po opadach, zobaczycie wzrost i spadek mocy dawki. Uwaga: naprawdę warto prześledzić te dane – zobaczycie, że jest wiele miejsc, w których promieniowanie jest kilkakrotnie większe niż w Polsce.

No dobrze, macie już wiedzę o jednostkach. Ale dane muszą się skądś brać. Jakich urządzeń używa się do pomiaru promieniowania? Zacznijmy od najstarszych. Niemal sto lat temu Geiger (uczeń Rutherforda) wraz z Müllerem opracowali urządzenie do detekcji promieniowania. Jest to zamknięty szklany pojemnik wypełniony gazem obojętnym, najczęściej argonem. Wewnątrz mamy metalową anodę, a katodę stanowi metalowa rurka wewnątrz szklanego pojemnika. Do elektrod jest podłączone napięcie stałe, zwykle ok. 500 V. Jeśli do środka dociera promieniowanie, wywołuje ono jonizację, czyli wyrywa elektrony z atomów argonu. Elektrody są pod napięciem, a pomiar polega na wykryciu impulsu napięcia. Reszta to detekcja – słychać trzaski (to pewnie znacie z filmów – jak zaczyna mocno trzaskać, trzeba uciekać), wskazówka licznika się wychyla albo wskaźnik pokazuje wartość liczbową. I tyle. Dzisiejsze liczniki działają na podobnej zasadzie.

Zapewne byliście kiedyś prześwietlani. Każdy z techników i lekarzy pracujących w tych warunkach nosi dozymetr osobisty. Kiedyś był to taki mały biały płaski prostopadłościan przypinany do kitla. To tzw. dozymetr fotometryczny. Wykorzystuje on zjawisko zaczernienia błony fotograficznej promieniowaniem. Po określonym czasie odsyła się go do laboratorium, skąd dostaje się wynik, określający tzw. dawkę skumulowaną. Jest to najbardziej prymitywne, niedokładne urządzenie. Dziś obsługa RTG i podobnych urządzeń ma do dyspozycji małe dozymetry osobiste, które na bieżąco pokazują (zwykle na wyświetlaczu LCD) skumulowaną dawkę przyjętą przez pracownika.

Ale na rynku mamy dziesiątki modeli dozymetrów, niektóre z nich są naprawdę wyrafinowanymi urządzeniami elektronicznymi. Są one dostępne komercyjnie, można je kupić w wielu miejscach za kilkaset złotych. Jeśli ktoś bardzo chce, może to zrobić, ale… no właśnie, tańsze urządzenia nie są skalibrowane i podają wyniki znacząco różniące się od rzeczywistych. Rzetelne urządzenia to koszt tysięcy złotych, a i tak powinny one co jakiś czas być profesjonalnie kalibrowane (wzorcowane). W Polsce zajmuje się tym m.in. Centralne Laboratorium Ochrony Radiologicznej (CLOR).

A na sam koniec: jeśli chcecie się dowiedzieć o rozmaitych niebezpieczeństwach na świecie, zajrzyjcie na tę stronę. Można tam znaleźć informacje z całego świata: o wypadkach, trzęsieniach ziemi, zagrożeniach radiacyjnych, biologicznych i chemicznych oraz wielu innych. Naprawdę masa cennych danych.

W kolejnym odcinku napiszę głównie o tym, co robić w przypadku skażenia promieniotwórczego.

Promieniowanie. Część 2: Czas półtrwania

Mówiąc o promieniowaniu, trzeba wspomnieć o jednym z parametrów, które charakteryzują izotopy promieniotwórcze, czyli czasie półtrwania (zwanym niekiedy czasem połowicznego rozpadu, oznaczanym jako t1/2 albo τ1/2). I tu bardzo istotna uwaga, ponieważ to pojęcie jest często niewłaściwie interpretowane. Jeśli mamy pojedynczy atom, nie jesteśmy w stanie odpowiedzieć, kiedy się rozpadnie, nawet jeśli znamy jego czas połowicznego rozpadu. Może się rozpaść po sekundzie, a może też po milionie lat, tego się nie da przewidzieć. Czas półtrwania jest pojęciem statystycznym, a więc dotyczy wielkiego zbioru atomów. Czyli możemy powiedzieć, że jeśli mamy dużą próbkę danego pierwiastka promieniotwórczego, to po czasie równym czasowi półtrwania jego aktywność promieniotwórcza zmaleje o połowę.

Rozpad promieniotwórczy. Wykres spadku aktywności próbki w zależności od czasu
Oś y – % pierwotnej aktywności, oś x – czas. Czas półtrwania – 1 rok.
źródło: Wikimedia, licencja CC BY SA 3.0

I tu kolejna ważna uwaga: dotyczy to aktywności, czyli „siły” promieniowania, a nie masy! Nie jest tak, że np. ze 100 g pierwiastka zostanie 50 g. Przyjrzyjmy się temu dokładniej. Jest sobie atom, powiedzmy uranu-238. Ma on czas półtrwania 4,46 mld lat, a rozpada się, emitując promieniowanie α, przy czym sam zmienia się w tor-234. Masa atomu zmienia się o 4 jednostki, które ulatują w przestrzeń. Oznacza to tyle, że zmiana wynosi niecałe 1,7%. Wniosek: po 4,46 mld lat z próbki 100 g pozostanie nie 50 g, ale 98,3 g – niewielka różnica. Będzie ona jeszcze mniejsza w przypadku izotopów emitujących promieniowanie β. Przykładowo: jod-131 (pamiętamy Czarnobyl!) emitując cząstkę beta (elektron) przekształca się w ksenon-131, przy czym t1/2 wynosi ok. 8 dni. Masa atomu praktycznie się nie zmienia, bo z jądra wyleciał 1 elektron. Policzmy dokładniej. Jeden elektron ma mniej więcej 1/2000 masy protonu, a więc atom stracił (1/2000)/131=0,00038%. Tyle co nic!

Tak naprawdę nie wiemy, dlaczego jedne izotopy rozpadają się szybciej, a inne wolniej. To wielka tajemnica natury. A zakres tych czasów jest niezwykle szeroki. Egzotyczne izotopy (wodór-5, lit-4, hel-10) mają czas półrozpadu rzędu joktosekund (10-24s). Na drugim końcu mamy czasy rzędu niewyobrażalnych kwettasekund (1030s), wielokrotnie przekraczający wiek wszechświata.

Kolejną sprawą jest fakt, że czas połowicznego rozpadu jest wartością stałą dla każdego izotopu. Jest zupełnie niezależny od początkowej ilości danego izotopu, jak też od warunków zewnętrznych, takich jak temperatura czy ciśnienie. Nie potrafimy przyśpieszyć ani spowolnić tego procesu. Trzeba to mieć na uwadze w przypadku skażenia promieniotwórczego. Nie istnieje magiczny sposób na likwidację tego promieniowania. Dlatego np. w okolicach Czarnobyla pracowicie zbierano wierzchnią warstwę gleby, po czym była ona składowana w specjalnych miejscach.

Warto zapamiętać regułę, że siedmiokrotna wartość czasu półtrwania to czas, po którym aktywność danego izotopu spada o 99%. Oznacza to, że czarnobylski opad promieniotwórczy na terenie Polski można zaniedbać, jeśli chodzi o jod-131 (7∙t½ wynosi niecałe 2 miesiące). Inaczej ma się rzecz z cezem-137. Jego t½ to 30 lat, a więc 7∙30 = 210 lat!
Ważna uwaga: czasami stosujemy pojęcie czasu półtrwania w farmakologii, biochemii czy chemii, mając na myśli procesy inne niż rozpad nietrwałych jąder atomowych (lub cząstek subatomowych). Ten czas półtrwania zależy od wielu czynników, m.in. dawki czy temperatury.

W kolejnym odcinku opiszę, jak się mierzy promieniowanie i gdzie można sprawdzić aktualny poziom radiacji w kraju i Europie.

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.