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.

Promieniujące oblicze Greja

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
.