Gdy promieniowanie pada na ludzi lub rzeczy

Co się dzieje, gdy promieniowanie pada na ludzi lub rzeczy? Dlaczego mierzymy promieniowanie?

Poznaliśmy różne rodzaje promieniowania jonizującego, od cząstek alfa, które nie przejdą przez skórę, do przenikliwych promieni gamma przechodzących przez warstwę metalu. Zanim zdecydujemy, czy jakieś określone źródło promieniowania jest niebezpieczne lub nie, musimy znaleźć sposób opisania, ile promieniowania wytwarza.

Również lekarze radioterapeuci, decydując, jaką dawkę promieniowania zaaplikują pacjentowi, muszą umieć ją zmierzyć.

Ile promieniowania zaaplikować pacjentowi?

Zdjęcie pokazuje badania techniką emisyjnej tomografii pozytonowej (PET): promieniowanie ze źródeł w pacjencie pada na kryształ (crystal) scyntylatora, a powstające błyski są przetwarzane na impulsy elektryczne dzięki fotopowielaczom (photomultiplier tubes)

Ilość promieniowania - "aktywność" i "dawka"

Rozpoczniemy od podania dwóch nowych pojęć:

• aktywności źródła promieniowania,
• dawki promieniowania.

Jednostkami aktywności i dawki pochłoniętej są odpowiednio „bekerel” i „grej”, które wyjaśnimy później.

Wtedy też wyjaśnimy, co się dzieje, gdy promieniowanie jądrowe pada na materię, żywą lub nie. Pozwoli to nam zrozumieć, czemu pewne dawki ratują życie, a inne mogą być śmiertelne.

Na koniec, ponieważ potrzebujemy określać dawkę, wyjaśnimy również, w jaki sposób wykrywa się i mierzy promieniowanie jądrowe.

Skaner PET z pierścieniowym detektorem  do pomiaru promieniowania gamma powstającego w głowie pacjenta (opis PET - patrz materiał poświęcony zastosowaniom promieniowania w medycynie). Urządzenie z ATOMKI w Debreczynie (Węgry).

Jak aktywne jest źródło promieniowania? Ile jąder atomowych rozpada się w ciągu sekundy?

Ile razy jądra atomowe ulegają rozpadowi promieniotwórczemu, emitowane są cząstki alfa lub beta. O źródle, w którym zachodzi wiele rozpadów w ciągu sekundy mówimy, że ma dużą aktywność.

Jednostką aktywności jest bekerel (skrót: Bq), nazwaną tak od odkrywcy promieniotwórczości.

Z definicji 1 Bq = 1 rozpad promieniotwórczy na sekundę.

Tak więc, jeśli mam źródło promieniotwórcze, opisane jako posiadające aktywność 100 000 Bq ¹³⁷Cs, oznacza to, że w każdej sekundzie rozpadowi beta ulega 100000 jąder ¹³⁷Cs.  Za każdym razem, kiedy jądro się rozpada, emitowana jest cząstka beta-minus i jądro ¹³⁷Cs zamienia się w jądro ¹³⁷Ba. Emitowane, choć nie rejestrowane, jest również neutrino. Ponadto rozpadowi beta izotopu ¹³⁷Cs towarzyszy jeszcze emisja promieni gamma z „pochodnego” jądra ¹³⁷Ba.

Jądro cezu, ¹³⁷Cs, przechodzi rozpad beta-minus emitując elektron i niemal niewykrywalne antyneutrino. Powstaje wtedy jądro ¹³⁷Ba, które ma pewien nadmiar energii (mówimy, że jest w "stanie wzbudzonym"), którego szybko pozbywa się emitując foton gamma. Ostatecznie tworzy się stabilne (stable) jądro ¹³⁷Ba.

Jeden gram radu, wysoce aktywnego pierwiastka odkrytego przez Marię Skłodowską-Curie, wykazuje 3,7•10¹⁰ rozpadów na sekundę (tzn. ma aktywność 3,7•10¹⁰ Bq). Przez wiele lat, zanim wprowadzono bekerela jako jednostkę aktywności, używaną jednostką był Ci (kiur).

1 Ci jest aktywnością 1 grama radu, a więc jest on równy 3,7•10¹⁰ Bq.

Odniesienia do tej jednostki znajdziesz w podręcznikach lub na stronach internetowych. Na przykład, jeżeli czytałeś(aś), że opad ¹³⁷Cs w niektórych okolicach Norwegii po pożarze w Czernobylu osiągał 3 Ci/km², to możesz obliczyć, że odpowiadał on około 100 kBq/m², a więc 10⁵ Bq/m².

Dla porównania – średnia aktywność wody z oceanu wynosi około 12 Bq/litr (czyli 1,2•10⁴ Bq/m³). Około 96% tej aktywności pochodzi od promieniowania gamma z ⁴⁰K, a reszta pochodzi od uranu, rubidu i innych izotopów promieniotwórczych.

Jaka jest Twoja aktywność?

Zanieczyszczenie oceanów pochodzące od prób nuklearnych zwiększyło promieniotwórczość wody o około 1 Bq/l. To jest bardzo mało w porównaniu z naturalną i nieuniknioną promieniotwórczością każdej istoty ludzkiej, która wynosi 40-70 Bq na kilogram masy ciała. Tworzy ją głównie ⁴⁰K.

W istocie rzeczy, Twoja promieniotwórczość pochodzi także z ¹⁴C i innych izotopów.

Aktywność źródła zależy od 2 czynników:

• ilości promieniotwórczego izotopu (lub izotopów),
• prawdopodobieństwa, że jakiś nuklid rozpadnie się w określonym czasie.

Prawdopodobieństwo to zależy od okresu połowicznego zaniku. Jeżeli dla danego izotopu okres połowicznego zaniku jest bardzo długi, prawdopodobieństwo jego rozpadu będzie niewielkie, co pokazuje diagram.

Krzywa A pokazuje tempo rozpadu jądra o krótszym okresie połowicznego rozpadu niż okres rozpadu jądra B.

Jądro typu A ma zatem większe prawdopodobieństwo rozpadnięcia się w czasie 1 sekundy niż jądro typu B.

Czuła aparatura pozwala mierzyć źródła o aktywności zaledwie 10 Bq czy 100 Bq, a więc rozpad 10 lub 100 jąder na sekundę. To bardzo mała liczba w porównaniu z liczbą atomów w drobince kurzu. Promieniotwórczość daje nam niezwykle czuły sposób wykrywania i pomiaru małych ilości substancji, dużo mniejszych niż można by wykryć używając wagi!

Niektóre źródła mają aktywność znacznie większą niż kilka bekereli! Źródła stosowane w medycynie lub przemyśle, np. do sterylizacji narzędzi chirurgicznych, mogą mieć tysiące bilionów Bq.

Jeżeli kupisz kilogram wodorotlenku potasu, KOH (czasami używanego w produkcji mydła), zafundujesz sobie aktywność 21 800 Bq, pochodzącą z ⁴⁰K. Aktywność taką łatwo wykryć, ale oczywiście nie nadaje się ona do wyjaławiania narzędzi. Większość tego promieniowania jest promieniowaniem beta o małej przenikliwości, które z trudem przechodzi przez opakowanie; częścią całości promieniowania jest tu jednak jeszcze promieniowanie gamma (około 10%).

To niewielkie źródlo ⁶⁰Co może być wykorzystane do badania narzędzi, które muszą wytrzymać promieniowanie w kosmosie. Wykorzystywane jest także w radiografii tam, gdzie potrzebne są małe źródła przenośne, kiedy to równoważne źródła promieni X byłyby ogromne i niemożliwe do łatwego transportowania.

Większość jąder powstałych w stanie wzbudzonym traci swoją energię z reguły w ciągu jednej milionowej części sekundy w drodze emisji promieniowania gamma. Jak się okazuje, dla izotopu ¹³⁷Ba w stanie wzbudzonym okres połowicznego zaniku wynosi około 2,5 minuty, co można zmierzyć przy pomocy prostych przyrządów. W tym celu przez źródło ¹³⁷Cs przepuszcza się pewien rozpuszczalnik, wewnątrz którego w sposób ciągły będzie tworzył się izotop ¹³⁷Ba. Następnie ustawia się roztwór z gamma-promieniotwórczym ¹³⁷Ba w pobliżu licznika Geigera i mierzy się natężenie emitowanego promieniowania w funkcji czasu. Poniższe zdjęcia pokazują omawianą tu aparaturę.

Poziomy, czarny walec, to licznik Geigera, połączony przewodem elektrycznym ze skrzynką, która pozwala na zliczanie promieni gamma w ściśle określonych interwałach czasowych. Butelka zawiera rozpuszczalnik.

Pionowy walec zawiera plastikowy pojemnik z rozpadającym się ¹³⁷Ba w roztworze. Osłona przed promieniowaniem została, dla lepszego pokazania całości aparatury, odsunięta na bok.

Dawka jest miarą zdeponowanej energii.

Aktywność źródła, podana w bekerelach, nie przesądza o tym jaką dawkę możesz z tego źródła otrzymać. Na przykład, gdy źródło będzie w ołowianym pudełku, otrzymasz dużo mniejszą dawkę. Potężne źródło, które jest w sąsiednim budynku, może dać Ci mniejszą dawkę niż bardzo słabe źródło trzymane w kieszeni.

Pamiętajmy, że energię mierzymy w dżulach [J] . Pochłonięta dawka promieniowania określana jest ilością energii zdeponowanej w jakiejś masie np. ciała ludzkiego. Jednostką tej dawki jest grej [Gy].

Z definicji:

1 grej = 1 dżul pochłonięty przez 1 kilogram: 1 Gy = 1 J/kg

To znaczy, że przy tym samym natężeniu promieniowania padającego na każdą część ciała, im większą masz masę, tym większą energię (w dżulach) pochłonie Twoje ciało.

Każdy rodzaj promieniowania może przenieść energię do Twojego ciała ... co możesz łatwo odczuć opalając się. Promieniowanie jonizujące, jak promienie X i promieniowanie jądrowe, również przenoszą energię, choć ich efekt jest nieco inny niż efekt promieniowania słonecznego. Promieniowanie oddaje energię kiedy przenika materię i jonizuje przy tym jej cząsteczki. Oddana energia zamienia się ostatecznie na ciepło.

Czy promieniowanie jonizujące powoduje wrażenie ciepła?

W przypadku promieniowania jonizującego, 1 Gy jest dużą dawką, której nie chciałoby się nigdy otrzymać. Ale 1 J energii podgrzewa 1 kg wody zaledwie o ułamek stopnia, możesz mieć więc nadzieję, że nigdy nie odczujesz cieplnego efektu promieniowania jonizującego.

Pochłonięta energia to nie wszystko ... przedstawiamy jednostkę 1 siwert

Różne rodzaje promieniowania działają odmiennie. Na przykład pojedyncza cząstka alfa działa intensywniej na żywą komórkę niż promienie gamma. Oznacza to, że energia przekazana komórce nie jest dobrą miarą skutku biologicznego. Z tego powodu wprowadza się wielkość siwerta [Sv] jako jednostkę tzw. dawki skutecznej.

Dla promieni gamma lub beta 1 Sv odpowiada dawce pochłoniętej 1 Gy. Dla promieni alfa dawka 1 Gy daje 20 Sv.

Główną informacją, jaką należy zapamiętać, jest to, że biologiczny efekt promieniowania zależy od otrzymanej dawki skutecznej, mierzonej w siwertach. Podamy wiele przykładów dawek otrzymywanych w różnych sytuacjach oraz otrzymywanej od tła promieniowania, więc zdobędziesz wyczucie co jest dużą, a co małą dawką.

Jeśli mamy do czynienia ze źródłem promieniotwórczym i chcemy dowiedzieć się, jaką dawkę otrzymamy z tego źródła, możemy w tym celu użyć specjalnie wykalibrowanego licznika Geigera. Dawka, jaką otrzymamy zależy zarówno od rodzaju źródła, jak i czasu naświetlania. Chcielibyśmy wiedzieć ile otrzymamy siwertów na godzinę. Liczniki Geigera jednak nie są na ogół wykalibrowane w takich jednostkach: siwert na godzinę, to bardzo wiele i częściej liczniki kalibruje się w mikrosiwertach na godzinę.

Na zdjęciu mamy licznik Geigera mierzący promieniowanie wydobywające się z maleńkiej torebeczki zawierającej rudę uranową - blendę smolistą.

Powiedzieliśmy wcześniej, że grej jest dużą jednostką, a więc i siwert też. Z tego powodu częściej używaną jednostką jest milisiwert [mSv] - jedna tysiączna siwerta.

Jest wiele powodów aby mierzyć promieniowanie i wiele sposobów pomiaru. Możemy potrzebować tylko ostrzeżenia o obecności promieniowania z jakąś miarą jego natężenia. Do tego celu wystarczy mieć licznik Geigera.

Możemy również chcieć poznać dawkę jaką otrzymuje osoba, która np. w szpitalu stosuje promieniowanie jonizujące, w określonym przedziale czasu (powiedzmy przez tydzień). Taki pracownik będzie zapewne nosił przypiętą do fartucha kasetkę z błoną dozymetryczną. Naświetlenie błony będzie analizowane po okresie jej noszenia i pozwoli ocenić sumaryczną dawkę, którą otrzymał pracownik w okresie pomiarowym.

Często musimy znać dokładnie rodzaj promieniowania, energię różnych emitowanych cząstek, oraz określić kierunek z którego nadchodzą.

Poniżej pokazana jest fotografia pacjenta i układu głowic kamery scyntygraficznej (gamma kamery - zespołu liczników scyntylacyjnych) stosowanej w zakładach medycyny nuklearnej. Istnieje wiele innych detektorów promieniowania niż scyntylacyjne, używanych w badaniach jądra atomowego i jego składników.

Dwa duże zestawy detektorów promieniowania gamma dają szczegółowy obraz funkcjonowania serca lub innych narządów. Pacjentowi podaje się preparat znakowany izotopem promieniotwórczym i gromadzący się w badanej okolicy. Użycie dużej liczby detektorów scyntylacyjnych osłoniętych ołowianym kolimatorem pozwala na dokładne zlokalizowanie źródeł promieniowania. Na zdjęciu pokazana jest aparatura z Walsgrave Hospital, Coventry, Anglia.

(Photomultiplier tubes - fotopowielacze; Collimator and crystal - kolimator i kryształ scyntylatora)

O technice SPECT - patrz część opisującą zastosowania promieniowania w medycynie.