hrameleon

Prawdopodobnie każdy widział nagrania z Czarnobyla czy Fukushimy, na których dziesiątki żołnierzy z licznikami przeszukują strefę skażenia. Jednak wbrew pozorom nie wystarczy dostać licznik Geigera do ręki, aby stać się dozymetrystą. Pierwszym krokiem dla młodego adepta dozymetrii jest zrozumienie zawiłych reguł i jednostek rządzących tą dziedziną. Oto niektóre z nich.


Napromieniowany nie znaczy promieniotwórczy

Jednym z najtrwalszych mitów na temat radiacji jest przekonanie, że jak przedmiot zostanie napromieniowany to staje się promieniotwórczy. W rzeczywistości może tak się zdarzyć, ale tylko w nielicznych przypadkach.
Promieniowanie, a zwłaszcza promieniowanie gamma, pod wieloma względami przypomina światło słoneczne (nazywane też promieniowaniem słonecznym). Gdy zostawimy daną rzecz na słońcu może z czasem zmienić barwę, np. wypłowieć, może pozostać takie samo niezależnie jak długo będzie leżeć, a w wyjątkowych przypadkach może zacząć świecić w ciemnościach oddając pochłoniętą energię. Tak samo może wpływać promieniowanie. Niektóre przedmioty mogą ulec zauważalnym zmianom (wyblaknąć, stać się kruche). Inne materiały pochłoną promieniowanie i nic się z nimi nie stanie. Ale tylko w nielicznych przypadkach coś może stać się promieniotwórcze.

Rozwiązanie zagadki kryje się w samej nazwie. „Promieniotwórcze”, czyli takie przedmioty, w których dochodzi do rozpadów promieniotwórczych. Żeby tak się stało muszą występować w nich niestabilne atomy zwane izotopami promieniotwórczymi. Izotopy takie mogą powstać w wyniku pochłaniania promieniowania neutronowego przez zwykłe stabilne atomy. Proces ten jest niezwykle rzadki i występuje prawie wyłącznie wewnątrz reaktorów jądrowych i w trakcie eksplozji bomb atomowych.

Oczywistym pytaniem jest - czemu w takim razie po katastrofie w Czarnobylu wszystko wokoło stało się promieniotwórcze?. Odpowiedzialnym za to zjawisko było skażenie promieniotwórcze. Ogromne ilości radioaktywnych, niestabilnych izotopów znajdujących się wewnątrz reaktora nr 4 zostały wyrzucone w powietrze w trakcie eksplozji oraz późniejszego pożaru elektrowni. Uwolnione w ten sposób radioaktywne pierwiastki osiadały na ogromnych obszarach. Mierzona przez nas radiacja nie oznacza że drzewa, budynki czy ludzie stali się radioaktywni, a jedynie że osiadł na nich radioaktywny pył.

Wiele jednostek, jeden cel

Promieniowanie można mierzyć na wiele sposobów. Powoduje to, że nie występuje jedna uniwersalna jednostka, którą można by zastosować do wszystkich przypadków. Z tego powodu możemy wyróżnić dwa rodzaje pomiarów: ilościowy i jakościowy.

Pomiar ilościowy polega na określeniu do ilu rozpadów promieniotwórczych dochodzi w danym okresie. Z tego powodu podstawowymi jednostkami są cps i cpm, czyli ilość zarejestrowanych rozpadów w trakcie sekundy lub minuty (counts per second/minute).Jednostka ta jest bardzo często stosowana, gdy musimy stwierdzić, czy gdzieś dochodzi do rozpadów promieniotwórczych i w jakiej ilości, np. czy coś zostało skażone czy też nie. Jest to wygodne rozwiązanie ponieważ nie trzeba się zastanawiać co było źródłem skażenia.

Historycznie jednostka ta posiada jednak inną nazwę. 1 cpm (rozpad na sekundę) może być nazywany 1 Bq (Becquerel). Pochodzi ona od nazwiska odkrywcy promieniowania Henriego Becquerela. Skąd zatem rozróżnienie pomiędzy cps a Bq? Różnica wynika z faktu, że cps opisuje jedynie to co może zarejestrować nasz licznik, zaś Bq jest rzeczywistą ilością rozpadów do jakiej dochodzi w danej rzeczy. Przykładowo aktywność, czyli ilość rozpadów promieniotwórczych w ciele człowieka, wynosi około 60 Bq na każdy kilogram. Jednak licznik Geigera mógłby zarejestrować tylko nieliczne rozpady ponieważ mierzy ciało tylko w jednym miejscu na raz i z jednej strony. Tym samym zazwyczaj podajemy ilość Bq mierzoną w jednostce masy (np. kilogramie grzybów) albo objętości (litrze wody).

Co ciekawe Becquerele mogą służyć również do mierzenia ilości materiałów promieniotwórczych. Dla przykładu jeśli wiemy, że Jod-131 ma okres połowicznego rozpadu osiem dni to oznacza, że w danej sekundzie musi rozpaść się 0,00015% wszystkich atomów tego pierwiastka. Tym samym mając pomiar w Bq można prosto policzyć ile jest atomów Jodu-131. Brzmi skomplikowanie? To w takim razie trzeba dodać, że także Maria Skłodowska-Curie doczekała się swojej jednostki. 1 Ci (kiur) jest równe 37 miliardom Becquereli. Ta zawrotna jednostka również miała głęboki sens ponieważ dokładnie tyle wynosi liczba rozpadów w 1 gramie radu.

Jak można było zauważyć powyższe jednostki nie mówią nam nic na temat tego, czy promieniowanie jest groźne czy nie. Do tego służy drugi sposób pomiaru – jakościowy.

Najprostszym sposobem do opisania promieniowania jest ilość energii, którą przenosi. Ilość promieniowania (czyli energii) przyjętego przez organizm nazywamy dawką pochłoniętą. Jego jednostką jest 1 Gy (Grey). Oznacza to, że promieniowanie powoduje dostarczenie 1 J energii na każdy kilogram. Czyli jeśli autor tego tekstu przyjąłby dawkę 5 Gy, to każdy kilogram jego ciała przyjąłby energię około 5 J, czyli w sumie około 310 J. Nie jest to duża ilość energii. Odpowiada ona ilości energii cieplnej zawartej w kilku łykach herbaty. Lecz taka ilość energii dostarczona przez promieniowanie okazałaby się definitywnie śmiertelna. Sprawia to, że potrzebne stało się stworzenie prostej jednostki pozwalającej na określenie jaki wpływ na organizm ma promieniowanie.

Różne rodzaje promieniowania mogą różnie wpływać na organizm. Promieniowanie Alfa będzie powodowało znacznie większe zniszczenia niż promieniowanie gamma. Z tego powodu postanowiono, że należy wprowadzić tzw. współczynnik wagowy promieniowania, który ułatwia zrozumienie wyników bez potrzeby dokładnego analizowania jaki to był rodzaj promieniowania. Dodatkowo z czasem zauważono że promieniowanie inaczej będzie wpływało na różne organy. Tym samym niezbędne było stworzenie dodatkowego przelicznika (wsp. wagowy tkanki), który ujednolicił wyniki dla całego organizmu. Ten ostateczny wynik nazywamy dawką skuteczną z znaną wszystkim jednostką Sv (siwert).

Aby zrozumieć ów system przeliczników wystarczy wyobrazić sobie następującą sytuację.

Siedzimy pod drzewem i w pewnym momencie coś na nas spada. Obiektywna informacja będzie jedynie z jaką energią w nas uderzy (Grey). Jednak istotne będzie, czy spadnie na nas szyszka, jabłko czy może wiewiórka (wsp. wagowy promieniowania). Pozwoli nam to określić, czy spodziewać się siniaka, guza czy złamania (dawka równoważna – Sv). Warto określić czy coś nam spadnie na głowę czy na rękę. Wiadomo, że uderzenie szyszką w nos boli bardziej niż tą samą szyszką w ramię. Tym samym moc bólu jaki poczujemy lub wielkość siniaka będą wyrażone jako dawka skuteczna/efektywna (Sv).

Wiele osób, które miały w ręku licznik Geigera, zapewne czuje w tym momencie konsternację, ponieważ zawsze spotykali się z innymi jednostkami.

Z tego powodu warto wspomnieć jeszcze trochę o licznikach.
Większość współczesnej aparatury pomiarowej jest wyskalowana w Sivertach na godzinę, czyli hipotetycznej dawce promieniowania jaką byśmy przyjęli gdybyśmy przebywali w danym miejscu przez godzinę. Pozwala to na dość łatwą interpretację wyników jeśli chodzi o nasze bezpieczeństwo. Jednak nie jest to ani najdokładniejszy sposób pomiaru, ani tym bardziej jedyny.

Historycznie najpopularniejszą jednostką był Rentgen (w skrócie R). Rentgen był bardzo często mylony z tzw. Rad’em, czyli radiation absorbed dose (jednostką dawki pochłoniętej) oraz Rem roentgen equivalent in man (równoważnikiem dawki pochłoniętej). Jednostki te były bardzo do siebie zbliżone gdy obliczenia dotyczyły tkanek miękkich istot żywych, a bardzo różniły gdy dotyczyły tkanek twardych czy innych przedmiotów, np. powietrza. Ponieważ dozymetryści mieli w pierwszej kolejności chronić ludzkie życie, zakładano że zawsze prowadzi się pomiary dla tkanek miękkich. Czyli można było traktować Rad, Rentgen i Rem jako jedną i tę samą jednostkę. By jeszcze ułatwić zadanie wielkości te były zdefiniowane niemetrycznym systemem jednostek, przez co z czasem stały się bardzo trudne do użytku. Najłatwiejszym przelicznikiem jest założenie, że 100 radów to to samo co 1 Siwert.

Bardzo rzadkim przypadkiem jest sposób pomiaru promieniowania jest określanie jej w Amperach na kilogram (A/kg - moc dawki ekspozycyjnej), kulomb na kilogram (Q/kg – dawka ekspozycyjna). Ten sposób zapisu byłby najbardziej poprawny pod względem matematycznym, lecz byłby skrajnie trudny do zrozumienia przez dozymetrystę. Spowodowało to, że te jednostki były stosowane jedynie przez krótki okres w państwach bloku wschodniego.

Spodziewamy się, że osoby dobrze obeznane z biofizyką, dozymetrią i fizyką jądrową mogą stwierdzić, że w wielu miejscach doszło do zbyt daleko idących uogólnień. Lecz podejrzewamy, że definiowanie jednostek jako 1 esu / 0,01293g (czyli 1 Rentgen) raczej nie jest łatwe do zrozumienia.

Na koniec krótkie podsumowanie:

Jednostki ilościowe
1 cps = 60 cpm
1cps = 1 Bq
1 Ci = 37 000 000 000 Bq

Jednostki jakościowe
1 Gy = 1 Sv
1 R = 0.01 Sv
1 R = 1 Rad = 1 Rem dla tkanek miękkich
1 R = 0.86 Rad dla powietrza
1 R/h = 71,600 nA/kg