PROMIENIOWANIE JONIZUJĄCE

Mechanizmy powstawania promieniowania jonizującego

Promieniowanie jonizujące uwalniane jest podczas przemian jądrowych, czyli reakcji polegających na przekształceniu jądra atomowego, której towarzyszy emisja nośnika promieniowania w postaci cząstki lub fotonu energii. Nazwa przemiany pochodzi zazwyczaj od nazwy emitowanej cząstki.

Przemiana jądrowa α (rozpad α)

Rys. Przemiana jądrowa z emisją cząstki α na przykładzie przemiany jądra U-235 w Th-231

Rozpad α jest procesem, podczas którego cząsteczka zawierająca 2 neutrony i 2 protony jest emitowana z jądra atomu radioaktywnego. Cząsteczka ta jest identyczna z jądrem atomu helu. W rezultacie nowo powstałe jądro ma liczbę masową mniejszą o 4, a liczbę atomową mniejszą o 2:

Promieniowanie α pojawia się jedynie podczas przemian jąder bardzo ciężkich, jak U, Th i Ra. Jądra tych atomów są niezmiernie bogate w neutrony (posiadają dużo więcej neutronów niż protonów). Emitowane podczas tej przemiany cząsteczki α posiadają ładunek elektryczny dodatni ze względu na zawarte w nich 2 protony. Są to cząsteczki dużo cięższe niż pozostałe nośniki promieniowania i dużo bardziej energetyczne.

Te własności pozwalają cząsteczkom α silnie oddziaływać z napotkaną materią, nawet z powietrzem, wywołując jonizację na bardzo krótkich dystansach. Typowe cząsteczki α przebywają w powietrzu drogę nie dłuższą niż kilka centymetrów, a zatrzymuje je nawet kartka papieru. Stąd określenie promieniowania α jako słabo przenikliwe i silnie jonizujące.

Przemiana jądrowa ß (rozpad ß)

Rozpad ß jest procesem, podczas którego z jądra radioaktywnego atomu następuje emisja elektronu lub pozytonu wraz z jednoczesną emisją cząstki zwanej antyneutrinem elektronowym lub neutrinem elektronowym. Neutrin i antyneutrin są cząsteczkami praktycznie nieposiadającymi masy, ale podczas emisji unoszą ze sobą część energii wyzwolonej podczas procesu rozpadu. Ponieważ emitowany elektron powstaje

z przemiany jądrowej, nazywamy go cząstką ß dla rozróżnienia go od elektronu orbitującego wokół jądra. Ponieważ Rys. 1.3. obrazuje jedynie przemianę ß-, poniższe reakcje przedstawiają wszystkie możliwe przypadki zajścia rozpadu ß:

Podczas przemiany ß, po wyemitowaniu elektronu lub pozytonu, liczba atomowa zmienia się o 1 (wzrasta lub maleje) a liczba masowa pozostaje bez zmian. Za przemianę ß uważa się także wychwyt przez jądro elektronu e-at z głębokiej powłoki atomowej, jak pokazuje reakcja (3).

Podobnie, jak przemiana α, przemiana ß zachodzi w izotopach bogatych w neutrony. Atomy podlegające przemianom ß są wytwarzane w reaktorach atomowych. W momencie, gdy jądro wyrzuca cząstkę ß-, jeden z neutronów znajdujących się w jądrze zostaje przekształcony w proton i odwrotnie w przypadku emisji ß+. Cząstki ß posiadają ładunek elektryczny ujemny lub dodatni a ich masa jest oczywiście masą elektronu, czyli jest dużo mniejsza od masy cząstki α. Stąd promieniowanie ß, mimo, iż nadal dość przenikliwe i słabo jonizujące, posiada mniejszą skłonność do oddziaływania z materią.

W zależności od energii cząstki ß (zależnej od rodzaju atomu radioaktywnego), cząsteczka taka pokonuje dystans do kilku metrów w powietrzu, a zatrzymywana jest przez warstwę metalu czy plastiku.

Promieniowanie ß przechodzące przez wodę czasem wyzwala tzw. promieniowanie Czerenkowa w postaci niebieskiej łuny, np. wokół paliwa lub reaktorów [5]. Jądra powstające w wyniku przemian α lub ß znajdują się zwykle w stanie wzbudzonym. Oznacza to, że posiadają one nadmiar energii, której mogą się pozbywać. Przechodząc do stanu podstawowego emitują kwant promieniowania γ, czyli foton. Ulegają więc przemianie γ [6].

Przemiana jądrowa γ

Podobnie jak wszystkie formy promieniowania elektromagnetycznego, promieniowanie γ nie posiada ani masy, ani ładunku. Oddziałuje ono z materią poprzez zderzenia z elektronami znajdującymi się na zrębach atomowych. Energia promieniowania wytracana jest powoli w materii, dając promieniowaniu możliwość przenikania w głąb materii do momentu całkowitego zatrzymania się. W zależności od energii wyjściowej, promieniowanie γ pokonuje dystanse od 1 do setek metrów w powietrzu i przenika bez przeszkód przez organizm człowieka.

Równania przedstawione powyżej opisują możliwe przemiany γ. Równanie (1) opisuje emisję kwantu γ ze wzbudzonego energetycznie jądra, natomiast równanie (2) przedstawia inny przykład przemiany γ, kiedy wzbudzone jądro atomowe emituje elektron (konwersja wewnętrzna). Obie liczby, atomowa i masowa, pozostają niezmienione, zmienia się natomiast energia wzbudzenia jądra.

Promieniowanie Rentgenowskie X

W wysokiej próżni po przyłożeniu dużego napięcia między elektrody (drut stanowiący anodę oraz katoda zbudowana z ciężkiego metalu), elektrony przyciągane w kierunku anody posiadają niezmiernie wysoką energię. Kiedy uderzają one w materiał anody, niektóre z nich docierają do jądra atomowego metalu, gdzie zostają odchylone w wyniku działania przeciwnych ładunków. Spada energia elektronów i uwalnia się ona w postaci wysokoenergetycznego promieniowania X. Istnieją dwa mechanizmy odpowiedzialne za emisję promieniowania X. Pierwszym jest emisja promieniowania hamowania, charakterystyczna dla elektronów przyspieszanych. Promieniowanie hamowania posiada ciągły rozkład energii fotonów a jego górną granicę wyznacza energia elektronów wyhamowywanych. Im większa energia elektronów, tym większa energia wyemitowanych fotonów. Wiedząc, że energia cząstek naładowanych w polu elektrycznym jest równa iloczynowi ładunku i różnicy potencjałów pomiędzy początkowym i końcowym punktem ruchu cząstki, wiemy, że maksymalna energia fotonów emitowanych przez lampę rentgenowską zależy od napięcia przyłożonego między katodą i anodą tej lampy. Drugi mechanizm to emisja tzw. promieniowania charakterystycznego w widmie dyskretnym. Mechanizm emisji tego promieniowania wiąże się z procesami wzbudzenia i jonizacji atomów ośrodka absorbującego przez uderzające w anodę elektrony.

Oddziaływanie promieniowania Roentgena z materią opisywane jest tymi samymi zjawiskami, co oddziaływanie wcześniej omawianego promieniowania elektromagnetycznego γ. Różnica między tymi promieniowaniami polega jedynie na różniących je długościach fali, czyli również innych energiach kwantów wypromieniowywanych.

Promieniowanie neutronowe

Promieniowanie neutronowe polega na uwolnieniu energii atomu w formie neutralnych elektrycznie, choć obarczonych względnie sporą masą, cząsteczek. Neutrony mogą być emitowane podczas reakcji rozszczepienia jąder atomowych oraz w procesie rozpadu pewnych radionuklidów, zazwyczaj powstałych naturalnie. Ogromnym źródłem naturalnego promieniowania neutronowego jest promieniowanie kosmiczne jak i jądra powstałe w procesach rozpadu α. Typowe sztuczne źródło emisji neutronów to akceleratory. Promieniowanie neutronowe może być absorbowane lub rozpraszane przez jądra atomów, z którymi oddziałuje. W przypadku absorpcji neutronów możliwe są reakcje jądrowe z częstą emisją promieniowania wtórnego. W ten sposób neutrony wywołują pośredni efekt emisji podobnej do wyżej omówionych rodzajów promieniowania.

Podsumowanie

Podsumowując, ciężkie i obarczone podwójnym ładunkiem dodatnim cząstki α szybko tracą swoją energię. Zatrzymywane są już przez kartkę papieru czy powierzchnię skóry. Uważane są za niebezpieczne dla zdrowia jedynie, jeżeli dostaną się do organizmu poprzez pochłonięcie wraz z pożywieniem bądź przez wdychanie z powietrzem. Cząsteczki ß- oraz ß+ są już dużo mniejsze i posiadają ładunek pojedynczy ujemny lub dodatni, co sprawia, że nieco wolniej oddziałują z materią. Są efektywnie powstrzymywane przez arkusz blachy i również uważane są za niebezpieczne jedynie w przypadku dostania się do wewnątrz organizmu. Promieniowanie γ towarzyszy zawsze promieniowaniu α i ß. Promienie X powstają, gdy elektrony zmieniają orbitę atomową lub pochodzą ze źródła zewnętrznego i zostają odchylone przez jądro atomu, na który oddziałują. Promienie γ i X są dobrze zatrzymywane przez cienkie warstwy ołowiu lub innych gęstych materiałów i zagrażają zdrowiu nawet, gdy ich źródło znajduje się na zewnątrz organizmu.

Neutrony z kolei, jako neutralne elektrycznie cząstki o masie porównywalnej z masą protonu, bardzo słabo oddziałują z materią, zazwyczaj przenikając ją bez znacznych strat energii. Nie oznacza to jednak, że są nieszkodliwe. Wręcz przeciwnie, przenikając przez materię żywą wywołują w niej drastyczne, często tragiczne w skutkach zmiany. Zjawisko jonizacji może prowadzić do wielu różnorodnych procesów, będących podstawą detekcji cząstek. Metody wykorzystywane współcześnie

• Świecenie (scyntylacja)
• Liczniki scyntylacyjne
• Przepływ prądu
• Liczniki gazowe
• Detektory półprzewodnikowe

Detektorami półprzewodnikowymi, a dokładniej krzemowymi zajmiemy się dokładnie w rozdziale drugim.

Podstawowe wielkości i jednostki dozymetryczne

Nasza planeta zawiera wiele źródeł promieniowania, które powodują stałe napromienianie żywych organizmów. Źródłami tymi są naturalne radionuklidy w skorupie i w atmosferze Ziemi oraz promieniowanie kosmiczne. Ponadto rozwojowi cywilizacji towarzyszy wytwarzanie i stosowanie w medycynie i technice źródeł promieniotwórczych.

Liczba atomów pierwiastka promieniotwórczego N maleje z czasem t zgodnie z prawem rozpadu:

Każdy z promieniotwórczych pierwiastków ma inny czas połowicznego rozpadu. Może on być mierzony w sekundach a nawet w milionach lat.

Podstawową wielkością istotną z punktu widzenia oddziaływania promieniowania jonizującego z materią jest aktywność źródła, wyrażająca liczbę rozpadów promieniotwórczych w jednostce czasu.

Przez aktywność właściwą rozumiana jest aktywność jednostki masy, objętości lub powierzchni emitujących promieniowanie. Może być ona wyrażana w Bq/kg, Bq/m2 lub Bq/m3.

Kolejną niezmiernie istotną wielkością jest dawka pochłonięta D. Średnią dawką pochłoniętą D przez daną substancję nazywamy energię promieniowania E przekazaną jednostce masy tej substancji.

Wyrażana jest np. w mGy/h. Moc dawki pochłoniętej to szybkość przekazywania energii ośrodkowi. Oprócz pojęcia dawki pochłoniętej występuje w dozymetrii pojęcie dawki ekspozycyjnej, dotyczące pochłaniania energii promieniowania fotonowego. Jest to ładunek jonów wytworzonych przez promieniowanie elektromagnetyczne w jednostce masy napromienianej substancji

Jak wiadomo cząstki nienaładowane, np. neutrony, nie wytwarzają jonów bezpośrednio, ale wywołując odrzut jądra, z którym reagują, stwarzają wtórne, naładowane źródła jonizacji. Podobnie jest ze źródłami promieniowania elektromagnetycznego - wybijane w procesach ich oddziaływań elektrony są źródłem jonizacji wtórnej.

Do oceny skutków biologicznych napromienienia organizmu człowieka nie wystarcza informacja o dawce pochłoniętej. Skutki biologiczne zależą, bowiem także od rodzaju promieniowania, narządu, jaki został napromieniony i rodzaju tkanki. Miarą uśrednioną uwzględniającą rodzaj promieniowania oraz rodzaj tkanki jest dawka skuteczna.

Jednostką dawki skutecznej jest siwert. Jest to jednostka stosunkowo duża, dlatego często używa się jej pochodnych (np. mSv).

Źródła

• The Health Physics Society, University of Michigan, 2004
• Wikipedia
• Atom The Incredible World
• UIC- Uranium Information Center, Melbourne, Australia