Z jedną jednostką służącą do opisu promieniowania być może niektórzy z Was już się spotkali – z elektronowoltem, przy pomocy którego można opisać energię w atomistyce – energię molekuł, atomów, cząstek czy fotonów.

Aby zrozumieć, jak powstała jednostka „elektronowolt”, wystarczy przypomnieć sobie ruch elektronu w polu elektrycznym kondensatora płaskiego:

• odległość pomiędzy okładkami i kondensatora wynosi L metrów;
• jeżeli napięcie pomiędzy okładkami kondensatora wynosi U woltów, to natężenie pola elektrycznego E_kond = U/L;
• na pojedynczy ładunek o wartości q działa siła elektrostatyczna F_kond = q × E_kond = q × U/L;
• jeżeli ładunek q, w wyniku działania siły F_kond (na drodze L „przeskoczy” pomiędzy okładkami, to jego energia wzrośnie o wielkość wykonanej pracy, wynoszącej: praca = siła × droga = L × F_kond = q × U;
• jeżeli ładunek q jest ładunkiem elementarnym e, a U wynosi 1 Volt, to energia elektronu wzrasta o 1 eV.

Ogrom jednostek…

Istnieje jednak jeszcze wiele innych jednostek używanych do opisu własności promieniowania jonizującego i skutków jego działania na organizmy żywe: grej, rad, rem, mikrosievert… Łatwo zauważyć: nigdzie w fizyce nie panuje taka różnorodność jednostek i wielkości mierzonych jak w dziedzinie radioaktywności i dawek radiacyjnych. Dawka absorbowana (pochłonięta) jest czymś innym niż dawka równoważna obciążająca, aktywność czymś innym niż aktywność właściwa. Dodatkowe różnice powstają po uwzględnieniu wszystkich okoliczności działania promieniowania jonizującego – musimy uwzględnić „okoliczności” – czy promieniowanie przenika przez próżnię we Wszechświecie, przez płuco człowieka, czy tez przez duże palce u jego stóp. Kto w tym wszystkim ma się jeszcze orientować? Po prostu: my wszyscy. Jeśli przerobimy niniejszy moduł, będziemy ekspertami od pomiaru i oceniania działania promieniowania jonizującego. Życzymy przy tym wiele radości i satysfakcji!

Aktywność

Jedno z najprostszych urządzeń do określania aktywności zostało wynalezione przez Geigera i Müllera. Jest to łatwy w budowie licznik, który dokładnie robi to, na co wskazuje jego nazwa: liczy, ile razy w danym czasie obecność promieniowania jonizującego powoduje powstanie impulsów prądowych wewnątrz przyrządu. Zakładając, że podczas każdego rozpadu promieniotwórczego powstaje dokładnie jedna cząstka lub jeden kwant i, że dana cząstka lub dany kwant dostaje się do licznika, wywołując w nim jonizację, to wskazania licznika odpowiadają dokładnie liczbie radioaktywnych rozpadów w próbce. Do takich rozpadów dochodzi w naszym otoczeniu (i wewnątrz nas) bezustannie – w każdym ludzkim ciele o masie ok. 70 kg rozpada się 9000 jąder atomowych na sekundę.

Wszystko jasne. Czy nie? Istnieje jednak mały „haczyk”: radioaktywna próbka nie promieniuje grzecznie w kierunku licznika, a, niestety, we wszelkie możliwe kierunki. A także nie każda cząstka i nie każdy kwant promieniowania po wniknięciu do licznika powoduje w nim efekt jonizacji. Dlatego, aby ustalić rzeczywistą liczbę rozpadów, trzeba liczbę cząstek, które wpadły do licznika i zostały zarejestrowane, pomnożyć przez określony czynnik.

Aktywność można w prosty sposób wyrazić wzorem:

Liczba przemian jądrowych, ustalona na podstawie liczby zliczonych cząstek podzielona przez czas pomiaru wyrażony w sekundach, daje aktywność próbki. Jednostka aktywności ma wymiar 1/s.

Jednostka o wymiarze 1/s występuje także w nauce o falach i drganiach, gdzie określa częstotliwość i nazywa się „herc” [Hz]. W odniesieniu do aktywności fizycy nadali tej jednostce nazwę „bekerel” [Bq] – od nazwiska francuskiego fizyka i odkrywcy promieniotwórczości, Henri’ego Becquerela.

Pochodne jednostki aktywności

Kto stwierdza: „Materiał XY posiada aktywność 120 Bq”, ten nie mówi nic o „radioaktywności” tego materiału. Gdyż oczywiście zasadnicze znaczenie ma ilość promieniotwórczego materiału znajdującego się pod licznikiem Geigera-Müllera – 120 Bq w dużym kawale skały to praktycznie „żadna” radioaktywność, 120 Bq w jednym pikogramie (1 pg = 10^-12 grama) skały to już bardzo dużo. Więcej materiału oznacza większą ilość rozpadów w jednostce czasu. Podanie tylko czystej aktywności byłoby czymś w rodzaju napisania przepisu na potrawę, jednak bez informacji dotyczących ilości poszczególnych składników. Dlatego wprowadzono pojęcie aktywności właściwej: „aktywność przeliczona na jednostkę masy”. Jej jednostką jest Bq/kg. Obok aktywności właściwej, odnoszącej się do masy, istnieje stężenie aktywności, które z kolei odnosi się do objętości cieczy i gazów. Podaje się je np. w Bq/l lub Bq/cm³.

Dawka

Aktywność (właściwa) może co prawda zdradzić, ile rozpadów na sekundę zachodzi w materiale, ale chciałoby się również wiedzieć, jakie promieniowanie emituje ten materiał. W module „Promieniowanie jonizujące” można się na przykład dowiedzieć, że w rozpadach promieniotwórczych zazwyczaj obserwujemy trzy rodzaje promieniowania: promieniowanie alfa, beta i gamma. Czy wystarczy więc powiedzieć: „Materiał XY emituje promieniowanie gamma”? Niestety, nie – to tak, jakby powiedzieć: „Ten T-Shirt ma kolor”.

Różne energie

Promieniowanie gamma ma, podobnie jak światło widzialne, różne „kolory”, czyli energie. Również promieniowanie alfa i beta może mieć różnorakie energie. Sposób pomiaru takiej energii jest w zasadzie zawsze taki sam: energię przenosi się na inny materiał i mierzy, jak bardzo się on pod jej wpływem zmienia. Odpowiednie wartości mierzone mają w swej nazwie zawsze coś z „dawką”, np. „dawka pochłonięta”.

Dawka pochłonięta

Pojęcie „dawki” wchodzi zawsze wtedy w grę, gdy promieniowanie jonizujące oddziałuje na jakiś materiał oraz gdy pragnie się wykryć i opisać rodzaj i skutki tego działania. Na początku należy zatem koniecznie określić ilość energii oddanej materiałowi podczas napromieniowania – dawkę pochłoniętą.

Dawka pochłonięta D to zatem:

Jej jednostką jest dżul/kg; fizycy nadali jej określenie grej (Gy; od nazwiska brytyjskiego badacza Louisa Harolda Grey’a, który w szczególności zajmował się wpływem promieniowania jonizującego na systemy biologiczne).

Promieniowanie jonizujące natrafia na ciało

Wcześniej omówiona dawka pochłonięta określa tylko, jaka ilość energii zostaje przekazana podczas napromieniowania materiału – jednak jak działa promieniowanie na ludzkie ciało? Odpowiedź: różnie. Ważną miarą jest tutaj przekaz energii promieniowania jonizującego na jednostkę drogi w ciele. Dla promieniowania alfa (cząstki alfa to jądra helu) przekaz energii na mikrometr (1 μm to jedna milionowa część metra, czyli 10^{– 6} m albo 10^{– 3} mm) drogi w tkance jest wielokrotnie większy niż przy promieniowaniu beta (cząstki beta to elektrony) czy fotonach gamma. W przypadku cząstek alfa skutki biologiczne skupiają się na małej odległości od powierzchni tkanki, czyli w małej objętości, kumulując się w ten sposób, podczas gdy skutki biologiczne, będące rezultatem jonizacji przez promieniowanie beta, są bardziej rozproszone. Z tego względu mogą zostać zniwelowane poprzez naturalne mechanizmy obronne organizmu.

Różne organy, różne skutki biologiczne

Z reguły promieniowanie jonizuje w komórkach bezpośrednio lub pośrednio atomy i molekuły oraz wytwarza przy tym chemicznie agresywne „trucizny komórkowe” – przykładowo wolne rodniki, które między innymi mogą zmienić funkcje plazmy zarodkowej. Jednak istotne jest, jaki organ ulega napromieniowaniu. Skóra, która i tak ma ciągle kontakt z promieniowaniem słonecznym UV (nadfiolet), wciąż się regeneruje i złuszcza, ze szkodami wyrządzonymi przez promieniowanie poradzi sobie lepiej niż płuca. Ważnym czynnikiem jest także czas trwania oddziaływania promieniowania jonizującego.

Współczynniki skuteczności

Aby przy pomocy wzorów i liczb wyrazić, jak bardzo niebezpieczne jest dane promieniowanie jonizujące oraz jaką promienioczułość mają różne organy i tkanki, Międzynarodowa Komisja Ochrony Radiologicznej (ICRP) wprowadziła w 1991 roku tzw. „współczynniki skuteczności”: dla różnych rodzajów promieniowania – „współczynnik skuteczności promieniowania” i dla różnych tkanek biologicznych – „współczynnik względnej skuteczności biologicznej”. Wzór jest prosty: aby określić skutek działania promieniowania jonizującego typu A na organ B, należy pomnożyć dawkę pochłoniętą tego promieniowania po prostu przez współczynnik skuteczności promieniowania dla promieniowania typu A, a następnie przez współczynnik względnej skuteczności biologicznej dla organu B – gotowe. W ten sposób uśrednione dawki pochłonięte można teraz porównać, aby ocenić zagrożenie. Jako nazwę jednostki biologicznego równoważnika dawki używa się siwerta (Sv), od nazwiska szwedzkiego fizyka i lekarza Rolfa Sieverta (1896-1966). Ze względu na to, że dawka jednego siwerta oznacza bardzo duże zagrożenie, a otrzymanie tak dużej dawki przez typowego mieszkańca Ziemi jest mało prawdopodobne – w ochronie radiologicznej rozpatrywane są wartości dawki rzędu milisiwertów (tzn. tysiąc razy mniejsze).

Dawka równoważna

Przy pomocy następujących współczynników skuteczności promieniowania (jednostka Sv/Gy) można wyliczyć dawkę równoważną H_T (dawka, która deponuje się w organach) z dawki pochłoniętej D.

Wzór do tego jest następujący:

Czyli dawka D_R promieniowania typu R działa na tkankę T.

A co w przypadku, gdy chodzi o większą ilość rodzajów promieniowania? Wtedy po prostu sumuje się iloczyny poszczególnych dawek pochłoniętych i współczynniki skuteczności promieniowania:

Przykład: Ile wynosi dawka równoważna z mieszaniny 0,01 Gy promieniowania gamma i promieniowania neutronowego o energii równej 1 MeV?

Promieniowanie gamma składa się, podobnie jak światło, z fotonów i dlatego czynnik wagowy wynosi 1 Sv/Gy, dla promieniowania neutronowego o energii neutronów równej 1 MeV czynnik wagowy wynosi z kolei 20 Sv/Gy – czyli razem:

0,01 Gy x 1 Sv/Gy + 0,01 Gy + 20 Sv/Gy =

0,01 Sv + 0,2 Sv =

0,21 Sv.

Dawka skuteczna

Teraz wybieramy się w głąb ciała: następująca tabelka pokazuje, ile wynoszą czynniki wagowe, wyrażające stosunek prawdopodobieństwa skutków wywołanych napromieniowaniem narządu lub tkanki T do prawdopodobieństwa takich skutków, gdzie całe ciało napromieniowane jest równomiernie przy takiej samej wartości dawki. Służą one do wyliczenia dawki skutecznej E. Wzór przedstawia się następująco:

Historyczne jednostki aktywności i dawki

Dawkę ekspozycyjną, której się już nie stosuje, dawniej podawano w rentgenach (R). 1 R odpowiada 2,58 x 10^–4 C/kg (C – kulomb).

Dawkę pochłoniętą dawniej podawano w radach (rd) – nazwa wywodzi się od „radiation absorbed dose”. Przeliczenie na greje jest proste: 1 rd = 0,01 Gy.

Dla promieniowania gamma przyjmuje się w przybliżeniu: 1R ~ 1 rd.

Dawkę równoważną podawano dawniej w jednostce zwanej rem (nazwa wywodzi się od „roentgen equivalent man”).

1 rem = 0,01 Sv. Jednostek rem i milirem (1 rem = 1 000 mrem) używa się dziś jeszcze w Stanach Zjednoczonych.

Aktywność, którą obecnie mierzy się w bekerelach, dawniej określano jednostką zwaną kiurem (Ci). 1 Ci = 3,7 x10¹⁰ Bq, ta jednostka nadal jest stosowana w USA.