Tom I / Rozdział 3. Fizyka jądrowa/ 3.9. Oddziaływanie promieniowania jądrowego z materią; jego detekcja i jego

wpływ na organizmy żywe

3.9. Oddziaływanie promieniowaniajądrowego z materią; jego detekcjai jego wpływ na organizmy żyweSłowa promieniowanie i radiacja zrobiły w XX wieku oszałamiającą karierę; możnaby rzec, że „tra ły pod strzechy”. Nie zawsze jednak są one właściwie rozumiane,głównie ze względu na towarzyszące im określenia (np. promieniowanie jonizujące)– jedne kojarzą się ze zniszczeniem, wywołanym wybuchem bomby atomowej, innewywołują obawę o zdrowie. Wiele z tych pojęć należy też do świata pseudonauki; tesą używane w celu zaimponowania innym lub wręcz osiągnięcia korzyścifinansowych.

Wspólnym źródłem braku zrozumienia i związanych z tym obaw jestnieuchwytny charakter wielu rodzajów promieniowania. Nie jest onorejestrowane przez ludzkie zmysły, oddziałuje jednak na ludzki organizm (są odtego wyjątki: na przykład promieniowanie elektromagnetycznez odpowiedniego zakresu częstotliwości jest rejestrowane przez zmysłwzroku, z innego zakresu jest rejestrowane przez zmysł dotyku, ale światławidzialnego i podczerwieni się nie boimy, gdyż jesteśmy do nichprzyzwyczajeni). Owa możliwość oddziaływania w połączeniu z„niewidzialnością” ma znamiona magii; zaś strach przed magią i jej„dysponentami” jest zakorzeniony w ludzkiej kulturze od zarania dziejów.

Warto zauważyć, że podobny problem pojawił się w drugiej połowie XIX wiekup o odkryciu drobnoustrojów wywołujących choroby. Bakterie i wirusy sąpostrzegane jako coś, co człowiekowi zagraża, czego powinniśmy unikać i cowymaga tępienia. Takie przekonania są często podtrzymywane – wbrewustaleniom naukowym – wskutek zwyczajnej niewiedzy lub z chęci osiągania

1/40

korzyści. Człowiek wykształcony doskonale zdaje sobie sprawę, że takapostawa jest błędna – obecność bakterii i wirusów w naszym biotopie (takżew ludzkim organizmie) jest niezbędna do prawidłowego jego funkcjonowania.

Ilustracja 3.83.

Podobnie jest z promieniowaniem. Nie unikniemy jego obecności w naturalnymbiotopie, a w XXI wieku – także w technice i innych dziedzinach ludzkiejdziałalności. Im więcej o nim wiemy, tym mniej się go boimy i tym lepieji bezpieczniej potra my je wykorzystać do naszych celów. Może warto więczacząć od uświadomienia sobie, że dwa znaki przedstawione na il. 3.83 mają zesobą wiele wspólnego: oba to znaki ostrzegawcze. Ich rolą nie jest wzbudzeniestrachu przed nieznanym, lecz zapowiedzenie konieczności zwróceniaszczególnej uwagi na to, co przed nami czy wokół nas i zachowania większejniż zwykle ostrożności przy tym, co będziemy robić. Mówi o tym znane wśród„ zyków-jądrowców” porzekadło: „Jeden gram rozumu często stanowi lepsząosłonę przed promieniowaniem niż dziesięć ton ołowiu”.

Rodzaje promieniowania jądrowegoPromieniowanie to nic innego jak rozchodzący się ze źródła strumień cząstek lubrozchodząca się fala. Gdy mowa o promieniowaniu jądrowym, zwanym teżjonizującym, mamy na myśli strumień cząstek powstałych w wyniku przemiani reakcji jądrowych. Do tej kategorii zaliczamy także promieniowanie rentgenowskieoraz każdy strumień cząstek pochodzących z akceleratora. Podobne znaczenie maokreślenie promieniowanie kosmiczne – różnica polega na tym, że reakcje,

Znaki ostrzegawcze

2/40

w których powstają docierające do Ziemi cząstki tego promieniowania, zachodząw Słońcu lub obiektach spoza Układu Słonecznego. Nie mamy też wpływu na składani na energię cząstek w promieniowaniu kosmicznym, podczas gdy potra mywytworzyć, niezależnie jeden od drugiego, kilka rodzajów promieniowaniajądrowego:

alfa (czyli jądra helu , podobne właściwości wykazuje strumień protonów,który jednak nie ma swej własnej nazwy);beta (czyli elektrony lub pozytony );gamma (fotony, m.in. promienie rentgenowskie);strumień neutronów (nie ma on swojej własnej nazwy).

Co dzieje się z tym promieniowaniem po emisji? Przez co przenika, a co jezatrzymuje? Czy wszystkie rodzaje promieniowania mają takie same własnościprzenikania przez różne materiały? Czy i dlaczego promieniowanie to może być dlanas szkodliwe i do czego możemy je wykorzystać? Jak się przed nim chronić, a jakprzeprowadzać zaplanowaną ekspozycję na promieniowanie? Jak możemysprawdzić, że jakaś substancja jest źródłem takiego czy innego promieniowania,czyli czy jest promieniotwórcza? Pytań jest wiele; spróbujmy na nie odpowiedzieć.

Oddziaływanie promieniowania jądrowegoz materiąNa ilustracji poniżej (il. 3.84) symbolicznie przedstawiono, przez co przenikają różnerodzaje promieniowania emitowanego przez źródła promieniotwórcze, a co jezatrzymuje.

Promieniowanie jest zatrzymywane przez naskórek ręki (podobnie jak wiązkaprotonów), choć wsuwanie ręki w wiązkę promieniowania nie zawsze jestdobrym pomysłem.Promieniowanie jest pochłaniane przez płytkę aluminiową.Do osłabienia natężenia wiązki promieniowania potrzebna jest płytaz ołowiu.Do spowolnienia neutronów potrzebna jest gruba warstwa betonu.

3/40

Ilustracja 3.84.

Gdy mówimy o zatrzymywaniu czy pochłanianiu promieniowaniajonizującego przez materię, to musimy pamiętać, że każdy rodzaj materiiosłabia wiązkę promieniowania stopniowo. Osłabienie jest tym większe, imgrubsza jego warstwa, przez którą promieniowanie przenika. Zależnośćnatężenia wiązki od grubości warstwy materii może mieć różny charakter.Wpływa na to przede wszystkim rodzaj promieniowania. Dla promieniowania zależność taka ma charakter wykładniczy. Można przy tym wprowadzićpo jęcie „grubości połowicznego zaniku" , na podobieństwo czasupołowicznego zaniku próbki promieniotwórczej. Pokazuje to wykres na il. 3.85,na którym symbolem oznaczono początkowe natężenie wiązki.

Przenikanie przez materie różnych rodzajówpromieniowania jądrowego

4/40

Ilustracja 3.85.

Każdy materiał charakteryzuje się inną wartością dla różnych rodzajówpromieniowania. Analogicznie, każdy rodzaj promieniowania charakteryzujesię mniejszą lub większą przenikliwością, czyli inną wartością dla różnychmateriałów. Z wykresu na il. 3.84 można więc odczytać, że cząstki mająnajmniejszą wartość (są najmniej przenikliwe), promienie i mająodpowiednio coraz większe wartości , zaś neutrony (najbardziejprzenikliwe) mają największą wartość .

Z czego wynikają różnice?

Przyczyną jest fakt, że każdy rodzaj promieniowania w inny sposób oddziałujez materią. Każdy wymaga więc oddzielnego omówienia. Oddziaływaniepromieniowania jonizującego z materią zależy od jej własności oraz od energiiniesionej przez cząstki. Na potrzeby naszego porównania przyjmiemy, że energia tajest charakterystyczna dla procesów zachodzących samoistnie na Ziemi (np.naturalnych rozpadów promieniotwórczych) i że nie przekracza kilkumegaelektronowoltów na cząstkę. Przedstawimy teraz skrótowy opis tegooddziaływania; pełny opis znajdziesz w drugiej części rozdziału – wiadomościbardzo ciekawe, choć nadobowiązkowe.

Wykładniczy zanik natężenia wiązki promieniowania w funkcji grubości warstwy pochłaniającej

5/40

Jonizacja materii i jej biologiczne skutkiPromieniowanie jądrowe oddziałuje z elektronami materii. Neutrony takiejzdolności praktycznie nie mają – przede wszystkim ze względu na zerowy ładunekelektryczny. Mogą powodować jonizację atomów i cząsteczek (odrywanieelektronów od macierzystych atomów) lub ich wzbudzanie (przenoszenieelektronów na wyższe poziomy energetyczne w atomie lub cząsteczce). Takieprocesy mogą prowadzić do rozpadu związków chemicznych, także dopowstawania cząsteczek, rodników lub jonów silnie reaktywnych chemicznie.

Pojedyncza cząstka promieniowania jądrowego może wywołać wielokrotnie takieprocesy. Wynika to z zasobów jej energii – rzędu megaelektronowoltów – wielerazy większych niż energia potrzebna do jonizacji atomów czy cząsteczek, którajest rzędu elektronowoltów. Jednak trzeba mieć na uwadze, że nawet milion aktów jonizacji spowodowanych przez pojedynczą cząstkę to niewiele wobec liczbycząsteczek w ciele człowieka, którą można szacować na ok. .

Skutki procesów jonizacji i wzbudzania w materii nieorganicznej na ogół nie sąistotne. Inaczej jest w przypadku materii organicznej – może w niej dojść doistotnych zmian składu chemicznego komórek. Prowadzi to na ogół do śmiercikomórek; w przypadku masowego zaniku komórek może dojść do śmierci całejtkanki, narządu, a wskutek tego nawet całego organizmu. Może także nastąpićzmiana w funkcjonowaniu komórek wskutek zmian w ich kodzie genetycznym –takie zmiany noszą nazwę mutacji.

Nie wszystkie opisane tu skutki muszą być niekorzystne dla człowieka. Jakoprzykład korzyści można wymienić sterylizację (narzędzi w szpitalach, żywności).Więcej przykładów podajemy w uzupełnieniu na końcu rozdziału.

Wtórne reakcje elektromagnetyczne i jądrowew materiiPrzejściu promieniowania jądrowego przez materię mogą towarzyszyć różnegorodzaju skutki wtórne. Neutrony mogą wnikać do jąder atomowych, wywołującreakcje jądrowe. Produkty tych reakcji (np. fotony czy protony) rozchodzą sięw materii, powodując jonizację. Podobnie, cząstki promieniowania , czylipozytony, oddziałują z elektronami materii – w tzw. procesie anihilacji produkowane są fotony . Może też zajść proces odwrotny: foton (o energii rzędu 1MeV i więcej) może w zderzeniu z jądrem atomowym wyprodukować parę elektron-pozyton.

6/40

We wszystkich takich procesach powstają jednak znane nam cząstkipromieniowania jądrowego – nie powstają żadne inne, nowe obiekty, któreoddziaływałyby z materią inaczej, niż zostało tu opisane.

Detekcja i rejestracja promieniowaniajądrowegoJak wspomnieliśmy wcześniej, człowiek nie jest wyposażony w zmysł, któryrejestrowałby promieniowanie jonizujące. Takiego promieniowania nie możemy anizobaczyć, ani usłyszeć, dotknąć, posmakować czy powąchać, niezależnie od tegoc z y pochodzi ono z przemian jądrowych, sztucznych czy naturalnych, czy teżdociera do nas z kosmosu.

Stan ten jest wynikiem setek milionów lat ewolucji w środowisku, w którympromieniowanie to było od zawsze obecne, ale nie stanowiło – ze względu na niskąintensywność – zagrożenia dla organizmów żywych. Drugim powodemniewykształcenia zmysłu odbierającego promieniowanie jonizujące może byćniewielka ilość informacji, jakie ono niesie z punktu widzenia dostosowania sięorganizmów do środowiska.

Jednak w ciągu ostatnich stu lat promieniowanie jądrowe pojawia się coraz częściejwskutek działalności człowieka. Jest ono przedmiotem badań naukowych oraz jestwykorzystywane w wielu dziedzinach nauki, techniki, medycyny itd. Jest więcniezwykle ważne, by równolegle z wykorzystaniem opracowywać coraz nowszei skuteczniejsze metody detekcji i rejestrowania tego promieniowania.

Przedstawimy tutaj opis najprostszego detektora jonizacyjnego, będącego podstawąbudowy wielu typów detektorów, w tym znanego licznika Geigera-Müllera.Pełniejszy opis takich detektorów, a także detektorów śladowych, zamieszczony jestw drugiej części paragrafu.

N a il. 3.86 pokazano najprostszy schemat detektora jonizacyjnego. W niewielkimnaczyniu wypełnionym gazem znajdują się dwie elektrody podłączone do źródłanapięcia przez opornik o dużej wartości . W obwodzie prąd nie płynie, bowiemelektrody nie są ze sobą połączone, więc napięcie na oporniku wynosi zero.

7/40

Ilustracja 3.86.

Kiedy jednak przez detektor przebiegnie cząstka jonizująca, to uwolnione wskutekjonizacji elektrony zaczną poruszać się w kierunku elektrody dodatniej, a dodatnionaładowane jony w kierunku elektrody ujemnej.

Spowoduje to krótkotrwały przepływ prądu i pojawienie się różnicy potencjałów naoporniku . Ten krótkotrwały impuls napięciowy zostanie zarejestrowany międzypunktami i , połączonymi z oscyloskopem lub innym, odpowiednio czułymurządzeniem. Obecność kondensatora ma znaczenie „techniczne” – służy on dozablokowania tzw. składowej stałej napięcia elektrycznego.

Zastosowania promieniowania jądrowegoNaturalne oraz wytwarzane sztucznie źródła promieniotwórcze, strumienieneutronów z reaktorów jądrowych, wiązki cząstek naładowanych przyspieszanychw akceleratorach, wiązki promieniowania rentgenowskiego i promieniowaniegamma są unikatowymi narzędziami, którymi można sięgać w niedostępne miejscai które w związku z tym znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach działalnościczłowieka. Symbolizuje to drogowskaz (il. 3.87), pokazujący niektóre z kierunków,gdzie metody i urządzenia jądrowe znajdują praktyczne zastosowania. Są to:

medycyna – radiodiagnostyka i radioterapia, sterylizacja radiacyjna;

rolnictwo – dekontaminacja, czyli odkażanie środków spożywczych;

ochrona środowiska – pomiar zapylenia powietrza, czujniki przeciwpożarowe,radioznacznikowe badanie rozchodzenia się zanieczyszczeń, oczyszczanie gazówspalinowych pochodzących z elektrowni konwencjonalnych i ciepłowni;

przemysł – aparatura radiometryczna: pomiar gęstości, stężenia, składu

Schemat detektora jonizacyjnego

8/40

chemicznego, masy, grubości, szczelności itd., poszukiwania ropy naftowej, gazui innych surowców mineralnych, pro lowanie odwiertów, defektoskopia, czyliposzukiwania ukrytych wad w materiałach konstrukcyjnych;

geologia i archeologia – datowanie obiektów ceramicznych i krzemiennych,skamielin i szczątków organicznych, badanie wieku, struktury i składu pokładówskalnych.

Ilustracja 3.87.

Wymienione tu zastosowania to tylko przykłady, a nie pełna lista. Bardziejszczegółowo omówimy podstawy radioterapii wykorzystywane w leczeniu chorobynowotworowej oraz podstawy tomogra i komputerowej, jako metody diagnostykiobrazowej. Wiele innych przykładów zastosowania promieniowania jądrowegozamieszczono w drugiej części rozdziału. Tam też omówiono działanie dwóchurządzeń, dzięki którym dysponujemy wiązkami cząstek (akceleratory) orazźródłami promieniotwórczymi (reaktory).

Radioterapia to wykorzystanie promieniowania jonizującego w celach leczniczych.W chorobie nowotworowej leczonej radioterapią zasadniczym zadaniem fizykówmedycznych jest takie zaplanowanie zabiegu, by zniszczyć nowotwór, ale nieuszkodzić organów zdrowych. Możliwość taką przedstawia wykres na il. 3.88.Tkanka nowotworowa będąca w trakcie rozwoju jest bardziej podatna na działanie

Drogowskaz pokazujący różne zastosowaniapromieniowania jądrowego

9/40

promieniowania niż tkanka zdrowa. Należy wiec tak dobrać dawkę, byprawdopodobieństwo zniszczenia nowotworu (na rysunku – guz), było jaknajwiększe, zaś uszkodzenia zdrowej tkanki – jak najmniejsze.

Ilustracja 3.88.

Jak widać na il. 3.88, nie jest to zadanie łatwe. Dawka „A” jest za słaba – dajeniewielkie szanse na zniszczenie nowotworu, choć nie powoduje praktycznieżadnych uszkodzeń tkanki zdrowej. Dawka „C” jest za silna, choć praktyczniezapewnia wyleczenie guza, ale przy ogromnym, bo 75-procentowym, zagrożeniuuszkodzenia zdrowej tkanki.

Dobór dawki musi więc być precyzyjny. Dlatego do dokładnego zlokalizowania guzawykorzystuje się tomogra ę komputerową. Następnie wykonuje się szeregnaświetlań (frakcji) z różnych kierunków. Guz naświetlany jest za każdym razem,a zdrowa tkanka jest naświetlana tylko raz. W ten sposób zdrowa tkanka otrzymujedawkę, która jej nie zniszczy, a guz otrzymuje dawkę niszczącą.

Prawdopodobieństwo wyleczenia guza lub uszkodzeniazdrowej tkanki w funkcji zaaplikowanej dawki promieniowania

10/40

Ilustracja 3.89.

Zasadniczo wyróżnia się dwa typy radioterapii.

Teleterapia – to aplikowanie dawki promieniowania z zewnątrz. Źródłem wiązekpromieniowania gamma (fotonów) lub elektronów o energii od kilku dokilkudziesięciu MeV są obecnie akceleratory. Widok takiego akceleratora pokazanyjest na fotogra i (il. 3.89) . W ostatnich latach rozwija się intensywnie terapiaz pomocą wiązek protonów lub ciężkich jonów. Ten rodzaj terapii zwany jestterapią hadronową.

Akcelerator medyczny w Centrum Onkologii – OddziałGliwice

11/40

Brachyterapia – to leczenie z pomocą źródeł promieniotwórczych wprowadzanychdo ciała pacjenta bezpośrednio do nowotworu lub w jego pobliżu. Metoda ta mawiele zalet: jest bardziej precyzyjna i przez to mało szkodliwa dla zdrowych tkanek.Jest jednak trudniejsza w realizacji i nie zawsze może być stosowana.

Tomogra a komputerowa jest obecnie powszechnie stosowaną metodądiagnostyczną. Pozwala ona zobaczyć w przekrojach wnętrze badanego obiektu (np.ciała człowieka) bez potrzeby wykonywania operacji.

Uproszczony schemat tomografu pokazano na il. 3.90. Wokół pacjenta znajduje sięukład wielu detektorów promieniowania rentgenowskiego, ułożonych w kształciepierścienia. Liczba detektorów może sięgać kilku tysięcy.

Ilustracja 3.90.

Wewnątrz nieruchomego układu detektorów porusza się po okręgu lampa emitującapromieniowanie rentgenowskie, które rejestrowane jest przez detektoryumieszczone po przeciwnej stronie. Promieniowanie, pochłaniane przez narządywewnętrzne pacjenta, tworzy wiele obrazów odpowiadających danej kon guracjikątowej. Zarejestrowana seria obrazów rentgenowskich opracowywana jest

Uproszczony schemat tomografu komputerowego

12/40

z pomocą programu komputerowego, który wykonuje rekonstrukcję przestrzennąelementów pochłaniających promieniowanie, czyli narządów wewnętrznychpacjenta. Na il. 3.91 pokazano wygląd tomografu oraz przykładowy obrazzrekonstruowany tomografem komputerowym.

Ilustracja 3.91.

Na tym kończymy podstawowy przegląd zagadnień związanych z promieniowaniemjądrowym. Zachęcamy jednak wszystkich, by choćby pobieżnie zapoznali sięz dodatkowymi informacjami, prezentowanymi poniżej. Dają one znacznie szerszywgląd w kwestie właściwości promieniowania jądrowego, jego wytwarzaniai wykorzystania, a także ochrony przed niepożądanymi jego skutkami. Przedstawiajątakże nieporuszone dotąd zagadnienia, jak pomiar intensywności promieniowaniai pochłoniętych jego dawek.

Uzupełnienie i rozszerzenie wiadomościo promieniowaniu jądrowym (materiałnadobowiązkowy)Rozliczne zastosowania promieniowania jądrowego nie mogą dziś polegać, jakprzed wiekiem, na naturalnych źródłach promieniotwórczych. Podobnie,badania prowadzone w dziedzinie zyki jądrowej i cząstek elementarnychmuszą mieć w eksperymentach znacznie większą energię niż dostarczajązjawiska naturalne. Potrzebny jest więc „budulec” w postaci sztucznych źródełpromieniotwórczych, których aktywność można regulować, oraz specjalnieprzygotowanych wiązek cząstek naładowanych, fotonów i neutronów, którymi

Z lewej – tomograf komputerowy tak, jak widzi go pacjent;z prawej – obraz z tomografu komputerowego wraz z naniesionym planemprzyszłych naświetlań terapeutycznych

13/40

można sterować. Do tego celu służą dwa największe urządzenia zykii techniki jądrowej: reaktor jądrowy i akcelerator. Zapoznajmy się nieco bliżejz tymi urządzeniami.

Reaktor jądrowy to urządzenie, w którym następują reakcje jądrowe w sposóbkontrolowany przez człowieka. Są to głównie reakcje rozszczepienia, alew trakcie uruchamiania i testów są też reaktory termojądrowe, w którychzachodzą reakcje syntezy. Omawialiśmy już, w dwóch poprzednichrozdziałach, budowę i działanie reaktorów dostarczających ciepło do produkcjienergii elektrycznej. Mogą one służyć do napędu okrętów, do celówmilitarnych.

Istnieją również reaktory jądrowe stosowane do celów badawczychi gospodarczych, niezwiązanych bezpośrednio z energetyką. Wykorzystuje sięje przede wszystkim jako źródło intensywnych strumieni neutronów.Pamiętamy, że neutrony pozbawione ładunku elektrycznego mogą łatwownikać do jąder atomowych i wywoływać tam reakcje jądrowe. Odpowiedniesterowanie wiązką neutronów i wywołanymi przez nie procesami pozwalauzyskać wiele różnych efektów.

Obecnie w Polsce działa jeden tylko reaktor jądrowy – „Maria” – w NarodowymCentrum Badań Jądrowych w Świerku w pobliżu Warszawy. Jest to reaktorbadawczy, który służy też do celów praktycznych, takich jak:

produkcja radioizotopów do celów medycznych i technicznych;wytwarzanie strumieni neutronów do zastosowań medycznych;neutronowe domieszkowanie materiałów półprzewodnikowych;modyfikacja własności materiałów strumieniami neutronów;badania neutronograficzne, np. badania dzieł sztuki (obrazów);badania materiałowe i technologiczne.

Moc reaktora „Maria” wynosi 30 MW. Reaktor znajduje się w dużym baseniez wodą (il. 3.92), która spełnia tam potrójną rolę: spowalniacza neutronów,chłodziwa oraz osłony przed promieniowaniem. Więcej o NCBJ, prowadzonychtam badaniach i o samym reaktorze „Maria” dowiesz się na stroniewww.ncbj.gov.pl. Warto też pamiętać, że zwiedzanie reaktora może byćciekawym i wartościowym celem szkolnej wycieczki.

14/40

Ilustracja 3.92.

Z lewej strony widoczne są pręty regulacyjne, a rdzeń reaktoraznajduje się poniżej, pod siedmiometrową warstwą wody.

Akcelerator to urządzenie do przyspieszania cząstek elektrycznienaładowanych. Kiedy taka cząstka znajdzie się w polu elektrycznym, będzieprzyspieszana wzdłuż linii sił pola, a zwrot siły zależeć będzie od znakuładunku. Kiedy cząstka znajdzie się w polu magnetycznym prostopadłym dokierunku jej ruchu, będzie poruszać się po okręgu, którego promień będzieproporcjonalny do pędu cząstki. Te zasady zyki, które bardziej szczegółowopoznasz w trakcie nauki w starszych klasach, stały się podstawą działaniaakceleratorów kołowych.

Schemat takiego akceleratora, zwanego cyklotronem, pokazany jest na il. 3.93.Cząstki wprowadzane są do akceleratora ze źródła . Ich tor zakrzywia sięw polu magnetycznym, jak pokazuje symbol . Po zatoczeniu połowy okręgucząstka wpada do obszaru , zwanego szczeliną, w której panuje poleelektryczne wytwarzane przez generator . Cząstka doznaje przyspieszeniai wpadając do obszaru , ma już większy pęd niż w obszarze . Dzięki temuporusza się ona po okręgu o większym promieniu. Cały ten proces powtarza sięwielokrotnie, aż w punkcie przyspieszona cząstka zostaje wyprowadzonaz akceleratora.

Fotografia reaktora badawczego „Maria” w NarodowymCentrum Badań Jądrowych w Świerku

15/40

Ilustracja 3.93.

Akceleratory służą wyłącznie celom badawczym i gospodarczym. Są oneźródłem wiązek promieniowania jądrowego różnego typu; właściwości tychwiązek – natężenie, energia, gęstość cząstek w wiązce – mogą być zmieniane,w zależności od przeznaczenia, w dość szerokim zakresie.

Największym w Polsce akceleratorem ciężkich jonów jest cyklotron (il. 3.94)użytkowany w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów UniwersytetuWarszawskiego. Może on przyspieszać jony różnych pierwiastków do energii10 MeV na nukleon. Akcelerator ten służy głownie do badań naukowych,prowadzonych przez zespoły z całej Polski, także przy współpracy naukowcówzagranicznych. Więcej informacji o pracy tego laboratorium znajdziesz podadresem http://www.slcj.uw.edu.pl/. Podobnie jak w przypadku reaktora„Maria”, zwiedzanie ŚLCJ i pracującego tam cyklotronu może znakomicieuatrakcyjnić szkolną wycieczkę.

Schemat cyklotronu; pole magnetyczne skierowane jestprostopadle do ekranu

16/40

Ilustracja 3.94.

Oddziaływanie promieniowania jądrowegoz materiąPromieniowanie alfa

Jak pamiętamy, promieniowanie to jądra atomów helu składające się z dwóchprotonów i dwóch neutronów. Są to więc cząstki naładowane, o ładunkudodatnim, równym dwom ładunkom elementarnym. Masa cząstek jest ponadsiedem tysięcy razy większa od masy elektronu. Opisując oddziaływaniez materią cząstek , zaliczamy je do klasy ciężkich cząstek naładowanych.

Ilustracja 3.95.

Fotogra a akceleratora w ŚrodowiskowymLaboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu Warszawskiego

Schematyczne przedstawienie cząstki alfa

17/40

Aby zrozumieć mechanizm oddziaływania cząstek , przypomnijmy sobieatomową strukturę materii. Pamiętamy, że materia widziana „oczami”atomów, jąder atomowych i cząstek elementarnych, wygląda zupełnie inaczej,niż gdy my na nią patrzymy naszymi oczami. Kartka papieru o grubości jednejdziesiątej części milimetra to dla cząstek materiał składający się z okołomiliona warstw atomowych. Z drugiej strony, jądra atomowe rozmieszczone sąw odległościach wielu tysięcy razy większych niż rozmiary cząstki , a wiecjest możliwe, że cząstka przeleci przez kartkę, nie trafiając w żadne jądro.

A co z elektronami, które wypełniają przestrzeń między atomami? Mają oneładunek ujemny i będą przyciągane przez cząstki . W rezultacie mogą zostaćoderwane od atomów, z którymi były związane. Tak się rzeczywiście dzieje,a proces ten nazywamy jonizacją. W wyniku jonizacji neutralny atom zmienias i ę w dodatnio naładowany jon, a elektron staje się swobodny i możeprzemieszczać się w materiale. Oczywiście, cząstka traci na jonizację częśćswej energii. Ma ona podwójny ładunek, więc silnie jonizuje i szybko wytracaswą energię. To jest właśnie powodem, że zasięg cząstek w materiałach jestniewielki i kartka papieru jest w stanie całkowicie zatrzymać strumień cząstek

emitowanych przez źródło promieniotwórcze. Trzeba też mieć na uwadze,ż e masa cząstek jest kilka tysięcy razy większa niż masa elektronu, zatemcząstki nieznacznie zmieniają swój kierunek przy przechodzeniu przezmaterię. Mówimy, że słabo się rozpraszają.

Warto zapamiętać, że cząstki emitowane przez źródłapromieniotwórcze silnie jonizują i mają stosunkowo mały zasięgw materiałach – rzędu dziesiątych części milimetra.

Promieniowanie beta

Promieniowanie to strumień elektronów bądź pozytonów, cząsteknaładowanych ujemnie lub dodatnio, o masach takich samych jak masyelektronów ośrodka, przez które cząstki się przemieszczają. Wiadomo już, żecząstki te będą powodować jonizację, chociaż jonizować będą słabiej niżcząstki , bo ładunek ich jest dwukrotnie mniejszy. Natomiast będą się bardzosilnie rozpraszać, bo ich masa jest znacznie mniejsza niż masa atomówośrodka.

18/40

Ilustracja 3.96.

Trzeba też wspomnieć o jeszcze jednej zależności, dotychczas nieomawianej.Wszystko, co do tej pory omawialiśmy, odnosiło się do promieniowaniaemitowanego przez źródła promieniotwórcze. Energia tego promieniowanianie przekracza kilku MeV. Od zarania dziejów jesteśmy jednak poddanidziałaniu promieniowania kosmicznego, które stanowią cząstki o energiiliczonej w milionach MeV i większych; umiemy też przyspieszać cząstkinaładowane do wysokiej energii z pomocą akceleratorów. Mówiąco oddziaływaniu promieniowania jądrowego z materią, trzeba więcuwzględniać także zależność tego oddziaływania od energii cząstki.

Warto na to zwrócić uwagę, omawiając oddziaływanie elektronów z materią,bowiem elektrony o energiach rzędu MeV i większych, oddziałując z materią,tracą energię głównie przez emisję tzw. promieniowania hamowania, którestanowią kwanty promieniowania elektromagnetycznego, czyli fotonyo szerokim zakresie energii. Tylko mała część energii tracona jest wtedy najonizację.

Na koniec wspomnimy o jeszcze jednym zjawisku, dotyczącym wyłączniepromieniowania . Pozytony oddziałują z elektronami materii w tzw. reakcjianihilacji:

Skutkiem jej jest powstanie dwóch kwantów promieniowania , którerozchodzą się w materii i mogą powodować jej jonizację.

Warto zapamiętać, że cząstki silnie jonizują tylko w zakresiestosunkowo niskiej energii i że są bardziej przenikliwe od promieniowania

.

Promieniowanie gamma – fotony

Foton, czyli porcja (kwant) promieniowania elektromagnetycznego,pozbawiony jest ładunku elektrycznego i masy, ale niesie energię polaelektromagnetycznego, którą umiemy związać z częstotliwościąodpowiadającej mu fali elektromagnetycznej związkiem:

Dwa rodzaje promieniowania beta19/40

gdz i e – energia fotonu, – stała Plancka, – częstotliwość falielektromagnetycznej. Jako fala elektromagnetyczna, foton porusza sięz prędkością światła.

Foton oddziałuje z obiektami naładowanymi elektrycznie – elektronamii jądrami atomowymi. Skutkiem tych oddziaływań może być odrywanieelektronów od ich macierzystych atomów, które zostają w ten sposóbzjonizowane. Najczęściej zachodzące oddziaływania to:

efekt fotoelektryczny, czyli pochłonięcie fotonu w atomie i wybicieelektronu z powłoki atomowej, zachodzące najczęściej przy stosunkowoniskiej energii fotonów;zjawisko Comptona, czyli zderzenie z elektronem fotonu o energii na tyledużej (rzędu dziesiątków i setek keV), że elektron jest odrzucany odatomu, niemal nie odczuwając jego obecności; w efekcie powstaje jon,a foton traci część swej energii i zmienia kierunek lotu;reakcja tworzenia par elektron-pozyton w oddziaływaniu z jądrematomowym (jest to reakcja odwrotna do opisanej wyżej reakcji anihilacji):

reakcja ta wymaga, by foton miał minimalną energię równą podwojonejenergii spoczynkowej elektronu, czyli około 1,022 MeV; jądro atomowe nieulega przemianie w tej reakcji, musi jednak w niej uczestniczyć – inaczejni e byłoby możliwe jednoczesne spełnienie zasady zachowania energiii zasady zachowania pędu w tej reakcji.

Na rysunku poniżej (il. 3.97) przedstawiono przykład oddziaływania fotonówi elektronów z materią. Foton niosący ogromną energię (rzędu GeV)spowodował utworzenie pary pokazanej po lewej stronie zdjęcia.Powstałe elektrony i pozytony wysyłają promieniowanie hamowania, czylikolejne fotony. Te zaś tworzą drugą generację par , dalej powstająkolejne, aż do wyczerpania energii oryginalnego fotonu. W ten sposóbpowstaje tzw. kaskada elektronowo-fotonowa, widoczna na fotografii.

Ilustracja 3.97.

ą ą

Fotogra a komory pęcherzykowej wypełnionej ciekłym

20/40

Warto zapamiętać, że promieniowanie jest najbardziej przenikliwymrodzajem promieniowania jonizującego. Jest ono najefektywniejpochłaniane przez materię w stanie skupienia stałym o możliwie dużejliczbie atomowej; typowo używanym materiałem jest ołów.

Wiązka neutronów

Neutron jest cząstką elektrycznie obojętną, nie wywołuje więc procesówjonizacji. Z tego samego jednak względu może łatwo wnikać do jąderatomowych i wywoływać reakcje jądrowe – wspominaliśmy już o tymwcześniej. Pamiętamy, że jądra atomowe znajdują się w odległościach tysiącerazy większych niż rozmiary samych jąder, neutrony mogą więc znaczniełatwiej przenikać przez materię niż inne cząstki.

Prawdopodobieństwo wywoływania przez neutrony reakcji jądrowychw materiałach i sam rodzaj reakcji zależą bardzo silnie od energii neutronówi rodzaju materiału. Poznaliśmy już reakcje rozszczepienia uranu, którepowodowane są przez neutrony o niewielkiej energii; poznaliśmy też reakcję,w której produkowany jest tryt wskutek oddziaływania neutronu z jądrem litu.Neutrony o wysokiej energii głównie rozpraszają się elastycznie na jądrachatomowych, na podobieństwo zderzenia się dwóch kulek. Wynik takiegozderzenia zależy od masy jądra, z którym zderza się neutron. Jeśli jest to jądrociężkie, czyli o masie wielokrotnie większej od masy neutronu (np. jądro atomuołowiu, którego masa jest ponad 200 razy większa od masy neutronu), toneutron odbije się jak piłka od ściany, zmieni kierunek swojego ruchu, alewartość jego prędkości zmaleje w niewielkim stopniu. Jeśli jednak neutronzderza się z jądrem o masie porównywalnej z jego własną (np. z jądrem atomuwodoru, czyli z protonem), to w wyniku zderzenia neutron nawet może sięzatrzymać, a dalej poleci proton, który jest cząstką jonizującą. Jeżeli więcchcemy osłabiać wiązkę neutronów i skutecznie je spowalniać, musimyużywać do tego materiałów zawierających lekkie pierwiastki, takie jak wodór.

Przyzwyczailiśmy się do myśli, że przed promieniowaniem jądrowym trzebaodgradzać się ciężkimi płytami ołowiu. Warto więc przyjrzeć się fotogra i nail. 3.98. Pokazana jest na niej osłona przed promieniowaniem emitowanymw miejscu, gdzie zatrzymywana jest wiązka jonów. Z tyłu z lewej strony widaćciemną warstwę ołowiu, a przed nią grubą ściankę płytek z… parafiny. Pierwsza

ksenonem z kaskadą fotonowo-elektronową21/40

warstwa chroni przed promieniowaniem jonizującym – fotonami i cząstkaminaładowanymi, druga przed neutronami. W skład para ny wchodzą bowiemwęgiel i wodór.

Ilustracja 3.98.

Warto zapamiętać, że strumień neutronów jest najbardziejprzenikliwym składnikiem promieniowania jądrowego. Neutronypraktycznie nie wywołują jonizacji ośrodka, ale wzbudzają w nim wtórnereakcje jądrowe. Dlatego też symboliczny „pojemnik z wodą” stanowiskuteczniejszą ochroną przed neutronami niż osłona z ołowiu.

Rejestracja promieniowania jonizującegoWspomnieliśmy już o detektorach jonizacyjnych promieniowania jądrowego(istnieje jeszcze wiele innych metod detekcji tego promieniowania; każda maswe specy czne cechy oraz zastosowania). W niektórych wykorzystuje sięzdolność cząstek promieniowania do jonizacji atomów ośrodka, w którym sięone przemieszczają. Liczbę uwolnionych ładunków można „policzyć”, naprzykład umieszczając materiał poddany działaniu promieniowania w poluelektrycznym i mierząc wywołany przepływem tych ładunków krótkotrwały

Osłona zakończenia jonowodu w laboratorium GANILwe Francji

22/40

impuls elektryczny. Działające na tej zasadzie urządzenia należą do klasydetektorów jonizacyjnych. Przypomnij sobie schemat takiego detektora,przedstawionego na il. 3.86 oraz jego działanie.

Bardzo podobne rozwiązanie stosowane jest w detektorachpółprzewodnikowych. Rolę gazu między elektrodami spełnia złączepółprzewodnikowe spolaryzowane w kierunku zaporowym – jest to „obszarczynny” detektora. Jonizacja atomów w tym obszarze powoduje krótkotrwałyprzepływ prądu przez złącze, czyli powstanie impulsu elektrycznego.

Istnieje wiele odmian detektorów jonizacyjnych. Zauważmy najpierw, żeimpuls napięciowy będzie tym większy, im więcej jonów pojawi sięw detektorze wskutek jonizacji, czyli im więcej energii straci cząstka najonizację w detektorze. To bardzo cenna informacja, która może pomócw rozpoznaniu rodzaju promieniowania, z jakim mamy do czynienia, bo stratyenergii zależą zarówno od właściwości cząstki, jak i od jej energii. Na takiejzasadzie działają komory jonizacyjne.

Możliwe jest także wzmocnienie impulsu na wyjściu detektora przezprzyłożenie do elektrod napięcia na tyle dużego, by przyspieszone elektronyspowodowały wtórne akty jonizacji. Układy z takim wzmocnieniem gazowym –to liczniki proporcjonalne.

Przyłożenie jeszcze wyższego napięcia spowoduje lawinową jonizację ośrodka.Impuls na wyjściu będzie wtedy duży i łatwy do zarejestrowania, ale jegowysokość nie będzie już proporcjonalna do energii straconej przez cząstkęw detektorze. Działające na tej zasadzie układy to liczniki Geigera-Millera.

Efektem jonizacji atomów w niektórych materiałach jest powstawaniepo j edyncz ych krótkotrwałych błysków świetlnych. W detektorachscyntylacyjnych są one rejestrowane z pomocą fotopowielacza, którywzmacnia efekt błysku przez zwielokrotnianie elektronów wybijanychz fotokatody. Taki detektor przedstawiony jest na fotogra i (il. 3.99). Pokazujeona wyposażenie stanowiska pomiarowego promieniowania w pracownistudenckiej. Sygnały z detektora rejestrowane są przez układy elektroniczne,pokazywane na ekranie oscyloskopu. Wykresy energii zarejestrowanychcząstek można oglądać na ekranie monitora.

23/40

Ilustracja 3.99.

Detektory śladoweJonizacja materii oznacza uwalnianie w niej swobodnych ładunkówelektrycznych. Uwalnianie to następuje wzdłuż drogi, którą przebyła cząstkaw materiale, a zjonizowane atomy to ślady pozostawione przez cząstkę,podobnie jak ślady pozostawione na śniegu przez przechodzącego.Zjonizowane atomy zmieniają lokalnie strukturę materiału i jeśli znajdzie sięsposób na utrwalenie tej zmiany, można zobaczyć ślad cząstki. Urządzeniapozwalające na zarejestrowanie śladów cząstki w materiale nazywamydetektorami śladowymi. Są one używane w zyce jądrowej i zyce cząstekelementarnych od początku XX wieku i od tego czasu ogromnie się zmieniły:od stosunkowo prostych w konstrukcji i działaniu komór Wilsona doniezmiernie rozbudowanych i skomplikowanych elektronicznych systemówdetektorów.

W emulsjach jądrowych można było rejestrować ślady cząstek na podobnejzasadzie, jak wykonuje się zdjęcia na kliszy fotogra cznej. Technika ta byłaszczególnie przydatna w badaniu promieniowania kosmicznego – niewielkiei lekkie skrzyneczki z emulsją łatwo było umieścić w balonie i wysłać w górne

Stanowisko pomiarów promieniowania w studenckim Laboratorium Fizyki i Techniki Jądrowej na Wydziale

Fizyki Politechniki Warszawskiej

24/40

warstwy atmosfery. W laboratoriach technikę tę stosowano do końca latsześćdziesiątych ubiegłego wieku. Za jej pomocą polscy zycy, Marian Danyszi Jerzy Pniewski, odkryli w 1952 roku pierwsze tzw. hiperjądro, zawierająceoprócz protonów i neutronów egzotyczną cząstkę .

Ilustracja 3.100.

W komorach pęcherzykowych wytworzone są takie warunki temperaturyi ciśnienia, że wrzenie cieczy wypełniającej komorę rozpoczyna się na atomachzjonizowanych przez przechodzące przez komorę naładowane cząstki.Komory są na ogół umieszczone w polu magnetycznym, dzięki czemu torycząstek są zakrzywione. Pozwala to odtworzyć pęd cząstki, a dodatkoweinformacje pozwalają określić także jej prędkość i ją zidentyfikować.

Pierwsza rejestracja hiperjąder+ w emulsji jądrowej

25/40

Ilustracja 3.101.

Ślady cząstek zapisuje się elektronicznie w pozycyjnych detektorachpółprzewodnikowych i w komorach projekcji czasowej (TPC) na podobieństwozapisu informacji w cyfrowych aparatach fotograficznych.

Ilustracja 3.102.

Bezpieczeństwo jądrowe. DozymetriaPromieniowanie jonizujące towarzyszy nam od zarania dziejów. Pochodzi onozarówno z przestrzeni kosmicznej, jak i z wnętrza naszego globu. Promieniowanie

Fotogra a komory pęcherzykowej wypełnionej ciekłymwodorem i naświetlonej wiązką protonów

Tysiące śladów cząstek zarejestrowanychelektronicznie w komorze projekcji czasowej detektora ALICEw Europejskim Laboratorium Fizyki Jądrowej CERN w pobliżuGenewy

26/40

jest obecne wokół nas i wewnątrz nas, bo przecież oddychamy i spożywamy posiłki,a zarówno w powietrzu, jak i w środkach spożywczych zawarte są substancjepromieniotwórcze. Przykładem może być izotop węgla , obecny w każdymżywym organizmie. Czasami mówi się o „naturalnym tle” promieniowania, w którymżyjemy. Człowiek także wytwarza źródła promieniowania jonizującego do celównaukowych, technicznych, medycznych a także – co najbardziej kontrowersyjne –militarnych.

Ilustracja 3.103.

W efekcie zachodzących tam oddziaływań, zarównoelektromagnetycznych, jak i jądrowych, tworzone jest promieniowaniewtórne, które dociera do powierzchni Ziemi

Promieniowanie jonizujące wywołuje w komórkach organizmów żywych zmiany,które na ogół nie są obojętne dla zdrowia. Zmiany te dotyczą między innymicząsteczek DNA, które odgrywają ważną rolę w funkcjonowaniu komórki, a takżezawierają informacje genetyczne. Wprawdzie uszkodzenia cząsteczek DNA mogą

Promieniowanie kosmiczne to strumień cząstek o bardzowysokiej energii, głównie protonów, które docierają do atmosferyziemskiej

27/40

być powodowane także przez inne czynniki, a w organizmach żywych istniejąmechanizmy naprawcze, ale zbyt duże dawki promieniowania są niewątpliwieniebezpieczne dla zdrowia.

Ilustracja 3.104.

Jednym z produktów rozpadu jąder tych pierwiastków jestpromieniotwórczy gaz radon, który przedostaje się do atmosferyi znajduje się w powietrzu, którym oddychamy. Koncentracja radonu jestwiększa w pomieszczeniach zamkniętych niż na zewnątrz, dlatego wartojest często wietrzyć pomieszczenia, w których przebywamy

Możliwie ścisłe określenie pojęcia „dawki promieniowania” jest więc bardzo ważne.Zajmuje się tym dozymetria. Posiadanie urządzeń, które mogłyby mierzyć dawkipromieniowania, określenie dopuszczalnych dawek, które nie zagrażają zdrowiu,o r a z znajomość możliwych skutków w przypadku przekroczenia dawekdopuszczalnych są niezbędnymi elementami kompleksowego systemubezpiecznego obchodzenia się z substancjami radioaktywnymi.

W skorupie ziemskiej znajdują się pierwiastkiradioaktywne

28/40

Ilustracja 3.105. Ma on postać tzw. „koniczynki” czerwonego lub czarnego koloru na

żółtym tle. Warto go znać – ostrzega przed obecnością promieniowaniai substancjami promieniotwórczymi. Znaki takie umieszcza się naopakowaniach transportowanych materiałów promieniotwórczych, nadrzwiach pomieszczeń, gdzie stosowane są materiały promieniotwórczeitp.

Ilościowe określenie dawki promieniotwórczej

W celu ilościowego określenia wpływu promieniowania jonizującego na organizmyż yw e zostały zde niowane wielkości charakteryzujące otrzymane dawki i ichbiologiczne skutki dla organizmu. Jest to dość rozbudowany system wielkości

zycznych, z którym trzeba zapoznać się krok po kroku. Miarą dawki jest energiawydzielona wskutek różnorodnych procesów oddziaływania promieniowaniaz materią. Ilość wydzielonej w materiale energii zależy od rodzaju i energiipromieniowania oraz od własności materiału, w którym energia jest wydzielana.

Podstawową wielkością fizyczną jest aktywność źródła promieniotwórczego. Określaona liczbę rozpadów promieniotwórczych zachodzących w tym źródle w jednostceczasu. Jednostką aktywności jest jeden bekerel: 1 Bq odpowiada aktywności źródła,w którym następuje jeden rozpad na sekundę. Jednak z punktu widzenia dozymetriiaktywność opisuje jedynie potencjalne zagrożenie napromieniowaniem organizmużywego.

Skutki napromieniowania opisuje dawka pochłonięta przez organizm. Ma onazwiązek z aktywnością źródła, ale mierzy nie liczbę cząstek, które przeszły,przykładowo, przez ciało ludzkie, lecz wydzieloną przy tym przejściu całkowitąenergię. Dodatkowo energia ta jest dzielona przez masę ciała. Jeden grej (jednostkadawki pochłoniętej) jest więc równy energii jednego dżula pochłoniętej przez ciało omasie jednego kilograma .

Okazuje się jednak, że jednoznaczne określenie wartości dawki pochłoniętej niewystarcza do określenia jej skutku biologicznego z punktu widzenia konkretnegoorganizmu. Istotną rolę odgrywa przy tym wiele innych czynników. Jedne sąobiektywne, np. rodzaj pochłoniętego promieniowania (alfa, beta czy gamma),rozkład dawki w czasie czy rodzaj napromieniowanego narządu. Inne sąindywidualne, jak wiek, płeć i szeroko rozumiany stan zdrowia człowieka. Z tegopowodu wprowadzono pojęcie dawki skutecznej, która uwzględnia wspomnianeczynniki i lepiej oddaje rzeczywiste zagrożenie dla wybranego organizmu. Jednostkądawki skutecznej jest siwert . Wymiar tej dawki jest taki sam jakdawki pochłoniętej, ale wartość jest na ogół inna, bowiem dawka ta uwzględniawspomniane powyżej i inne czynniki. Na przykład, tzw. czynnik wagowy dla

Znak ostrzegający przed substancjami promieniotwórczymi

29/40

promieniowania wynosi 20, a dla promieniowania i równy jest 1. Dlategodawce pochłoniętej od promieniowania (wyrażonej w grejach) odpowiadadwudziestokrotnie większa dawka skuteczna wyrażona w siwertach. Obie dawki sąnatomiast jednakowe w przypadku promieniowania beta i gamma. Więcej informacjina ten temat znaleźć można na stronie WWW Państwowej Agencji Atomistyki.

Ilustracja 3.106.

Agencja ta czuwa nad bezpieczeństwem radiacyjnym naszego kraju. W Polsce działab e z przerwy kilkanaście stacji monitoringu promieniowania jonizującego,rozrzuconych po terytorium kraju. Fotogra a (il. 3.106) przedstawia stację ASS-500

Stacja monitoringu ASS-500 w CLOR

30/40

zainstalowaną w Centralnym Laboratorium Ochrony Radiologicznej, CLORw Warszawie. Dane rejestrowane przez stacje badane są systematycznie, a wprzypadku nadzwyczajnego zagrożenia stacja automatycznie powiadamia osobęodpowiedzialną za monitoring radiologiczny.

Warto też wiedzieć, jakie dawki są duże, a jakie małe. By oswoić się niecoz jednostką siwert, przytoczymy kilka danych; dotyczą one w większości terenówPolski.

Według danych Państwowej Agencji Atomistyki dawka skuteczna (całkowita)otrzymana przez statystycznego Polaka w 2011 roku wyniosła 3,30 mSv(milisiwerta); dla innych lat dawki średnie były podobne.Promieniotwórczy radon, który wdychamy wraz z powietrzem, dostarczadawkę ok. 1,2 mSv rocznie (jest to ok. 36% dawki całkowitej).Promieniowanie kosmiczne dostarcza na poziomie morza dawkę ok. 0,3–0,5mSv/rok; kto mieszka na wysokości 3000 m n.p.m. pochłania średnio ok. 1,2mSv rocznie; hipotetyczny mieszkaniec szczytu Mount Everest pochłaniałbyok. 10 mSv rocznie.Diagnostyka medyczna (prześwietlenia rentgenowskie, tomogra a itp.) jestźródłem – średnio – ok. 0,8 mSv rocznie, czyli prawie 25% całej dawki.Niektórzy wyprowadzają z takiego faktu „zalecenia” o bezwzględnejkonieczności unikania takiej diagnostyki. Nie jest to słuszna argumentacja, bosą obszary na Ziemi (np. w Finlandii), gdzie średnia dawka skutecznapochodząca ze źródeł naturalnych jest kilkakrotnie większa niż w Polsce,a średnia długość życia mieszkańca jest większa niż w naszym kraju.Dawka otrzymywana ze sztucznych źródeł to ok. 0,9 mSv na rok.Dopuszczalna dawka dla osób zawodowo narażonych na działaniepromieniowania jonizującego wynosi 6 mSv rocznie lub 20 mSv rocznie,zależnie od kategorii pracowników, do której są zakwalifikowani.

Dawka promieniowania a jej skutki

Wspominaliśmy już, że proces oddziaływania promieniowania jonizującegoz materią ma charakter statystyczny, losowy. Dotyczy to także skutków tegooddziaływania. Po otrzymaniu bardzo dużych dawek bez wątpienia pojawi sięskutek, najczęściej zachorowanie na tzw. chorobę popromienną. Skutki takienazywamy deterministycznymi. Można przyjąć, że wszystkie takie zachorowaniawśród ludzi mieszkających w bezpośredniej bliskości czarnobylskiego reaktora byłyskutkiem tej katastrofy.

Inaczej jest przy mniejszych dawkach. Wzrostowi otrzymanej dawki towarzyszy,owszem, wzrost prawdopodobieństwa wystąpienia skutku (np. zachorowania). Niemożna jednak jednoznacznie powiązać stwierdzonej zmiany chorobowej

31/40

w organizmie z konkretnym przypadkiem napromienienia. Skutki takie nazywamystochastycznymi (czyli losowymi). Dlatego słyszane często stwierdzenia, że ktoś,na przykład w Polsce, zachorował na pewno z powodu katastrofy w Czarnobylu, bochoroba została zdiagnozowana pół roku po katastro e, są – z naukowego punktuwidzenia – nieuzasadnione. Możemy nigdy się nie dowiedzieć, co było przyczynąkonkretnego zachorowania. Skutki stochastyczne możemy stwierdzić jedynie zapomocą metod statystycznych, na przykład przez określenie liczby zachorowań na1000 osób z danego terenu i porównując to z podobną liczbą wyznaczoną dlainnego obszaru lub w innym czasie.

Naukowcy stawiają dwie hipotezy związku między dawką a skutkiem; do tej porynie udało się jednoznacznie rozstrzygnąć, która z nich jest słuszna. Jedna to tzw.hipoteza liniowa, według której prawdopodobieństwo wystąpienia skutku jestproporcjonalne do otrzymanej dawki, poczynając od dawek najmniejszych. Drugąj e s t hipoteza hormezy radiacyjnej, według której małe dawki mają wręczpozytywny skutek dla zdrowia, zwiększając m.in. odporność organizmu, a skutkinegatywne pojawiają się – także z określonym prawdopodobieństwem – dopiero poprzekroczeniu określonej dawki granicznej. Druga hipoteza nieco przypominazasadę działania lekarstw. Jedna lub dwie tabletki aspiryny bez wątpienia pomogąw opanowaniu przeziębienia, ale gdyby połknąć na raz całe opakowanie, skutekmógłby być niebezpieczny dla zdrowia i życia.

Co chroni przed niepożądanym napromieniowaniem?

Jak należy postępować, by w przypadku zagrożenia otrzymać jak najmniejsządawkę? Jedna zasada jest bardzo prosta – przebywać jak najdalej od źródłapromieniowania. Fizycy ujmują to lapidarnym stwierdzeniem: „Najlepszą osłonąantyradiacyjną jest jeden nad r kwadrat”. Wyjaśniono to na il. 3.107. Przyzwiększaniu odległości od źródła intensywność promieniowania zmniejsza się jak

. Przykładowo, jeśli oddalimy się na dwukrotnie większą odległość od źródła, tointensywność docierającego do nas promieniowania czterokrotnie zmaleje; przytrzykrotnym zwiększeniu odległości uzyskamy dziewięciokrotne obniżenienatężenia promieniowania itd.

32/40

Ilustracja 3.107.

Przy dwukrotnym wzroście odległości od źródła powierzchniaobejmowana tym samym kątem czterokrotnie wzrośnie, więc dawka najednostkę powierzchni zmaleje czterokrotnie

W przypadkach zagrożenia na ogół nie ma czasu na rozglądanie się za ołowianąosłoną. Za to warto pamiętać, że zwykły mur z cegły czy betonu nieźle pochłaniapromieniowanie jądrowe – lepiej więc przebywać w domu niż na wolnym powietrzu.Przeciętny człowiek czy nawet grupa ludzi niczego więcej nie są w stanie zrobić –odpowiednie działania mogą podjąć tylko wyspecjalizowane służby.

Zastosowania promieniowania jądrowegoNa koniec naszego rozszerzonego przeglądu przedstawimy kilka mało znanychprzykładów wykorzystywania promieniowania jonizującego w różnychdziedzinach.

Aparatura radiometryczna. Jak wyznaczyć poziom cieczy w zbiorniku, niemając dostępu (w „klasycznym” rozumieniu) do jego wnętrza?

Z jednej strony pojemnika (il. 3.108) umieszczamy w górnej części źródłopromieniotwórcze, z drugiej strony u dołu umieszczamy detektor. Cieczw pojemniku powoduje absorpcję promieniowania. Wystarczy raz wyskalowaćzależność mierzonej intensywności promieniowania od poziomu cieczyw zbiorniku i miernik jest gotowy do użytku.

Ilustracja zależności

33/40

Ilustracja 3.108.

Im wyższy poziom cieczy, tym słabsza wiązka dociera od źródłado detektora

Defektoskopia przemysłowa. Jak zbadać szczelność rurociągu w terenie, czylijak sprawdzić jakość zespawanych połączeń?

Sonda zawierająca źródło promieniotwórcze oraz detektor (il. 3.109) mierzyintensywność promieniowania rozproszonego przez badany materiał. Gdystruktura materiału jest jednorodna, sygnał utrzymuje się na tym samympoziomie. Wszelkie niejednorodności sygnalizuje zmiana rejestrowanego przezdetektor promieniowania.

Ilustracja 3.109.

Analiza aktywacyjna. Jak zbadać skład chemiczny nieznanych materiałów bezwykonywania skomplikowanej analizy chemicznej?

Badany materiał napromieniamy strumieniem cząstek naładowanych lubneutronów (il. 3.110). Materiał ulega aktywacji – niewielka część jego atomów

Schemat działania miernika poziomu cieczyw zamkniętym naczyniu

Badanie defektoskopowe rurociągu

34/40

lub jąder atomowych wysyła promieniowanie, najczęściej lub . Każdy atomczy jądro atomowe ma inne, specy czne dla siebie widmo promieniowania.Wykonujemy, za pomocą spektrometru, pomiar widma, analizujemy otrzymanewyniki i wyznaczamy skład atomowy badanego materiału.

Ilustracja 3.110.

Sterylizacja radiacyjna materiałów medycznych, czyli niszczenie wszelkichmikroorganizmów w tych materiałach z pomocą wiązki elektronówprzyspieszonych w akceleratorze, umożliwia wykonanie tej operacji bezwyjmowania materiałów z opakowania. W niektórych przypadkach jest tobardzo istotne z punktu widzenia użytkowego. Wielkość dawki możnazmieniać dobierając intensywność wiązki i prędkość przesuwania pudełekz materiałami pod głowicą układu sterowania wiązką, co ilustruje fotogra a(il. 3.111).

Dwa etapy analizy aktywacyjnej

35/40

Ilustracja 3.111.

Pionowa czerwona strzałka pokazuje początkowy kierunek ruchuwiązki elektronów, pozioma strzałka pokazuje zakres „przemiatania”poziomego. Strzałka zielona pokazuje ruch pudełek z materiałamimedycznymi

Pomiar zapylenia powietrza atmosferycznego stanowi ważny elementochrony środowiska naturalnego.

Zasada pomiaru (il. 3.112) polega na wyznaczeniu masy osadzonego na ltrzepyłu z przepuszczonego przez ltr powietrza. Objętość powietrza określa czasprzepompowywania powietrza przez ltr. Masa osadzonego pyłu wyznaczonajest przez pomiar osłabiania promieniowania beta pochodzącego ze źródłapromieniotwórczego, którym jest izotop węgla .

Sterylizacja materiałów medycznych w InstytucieChemii i Techniki Jądrowej w Warszawie

36/40

Ilustracja 3.112.

Strzałka czerwona pokazuje wlot pompowanego powietrza.Strzałka zielona pokazuje próbki pyłu zebranego na filtrze. Symbol

wskazuje miejsce, gdzie znajduje się izotop promieniotwórczy.Symbolem oznaczono detektor. Filtr w postaci taśmy przesuwasię automatycznie po zebraniu próbki pyłu, umożliwiającbezobsługową pracę urządzenia

Bardzo ważną dziedziną zastosowania metod radiacyjnych i aparaturyjądrowej jest medycyna. Wspominaliśmy już o radiodiagnostyce i radioterapii.Oto kilka innych, powszechnie dziś stosowanych metod radiograficznychprowadzących do obrazowania medycznego. Każdy z krótkich opisów jestilustrowany obrazem uzyskanym dzięki opisywanej metodzie.

Izotopowy Miernik Zapylenia Powietrza AMIZprodukowany w Instytucie Chemii i Techniki Jądrowej

37/40

Historycznie najstarszą metodąstanowią prześwietleniapromieniami Roentgena.Przenikliwość tego promieniowaniamaleje wraz ze wzrostem liczbyatomowej pierwiastka, zawartegow materii. Różne rodzaje tkanekzawierają różne pierwiastki (np.kości zawierają niemało wapniai fosforu), więc pochłaniająpromienie w różnym stopniu.Pozwala to na zobrazowanierozmieszczenia narządówwewnętrznych.

Tomografia komputerowa, tzw. CT– pozwala uzyskać przekrojoweobrazy wnętrza obiektu (ciała)w rezultacie komputerowegoopracowania wielu obrazówrentgenowskich wykonanychz różnych kierunków.

Pozytonowa tomografia emisyjna,tzw. PET, różni się od tomografiikomputerowej tym, że źródłopromieniowania (najczęściej izotop

–promieniotwórczy) znajduje sięwewnątrz organizmu, w miejscach,gdzie mogą być chorobowozmienione organy wewnętrzne. Jestto bardzo pomysłowe zastosowaniezjawiska anihilacji pozytonuemitowanego w przemianie .

38/40

Scyntygrafia polega nawprowadzeniu do organizmu takiegofarmaceutyka, który będziegromadził się w badanym narządzie,a wraz z nim izotopupromieniotwórczego, który przezemisję promieniowania,rejestrowanego następnie układemdetektorów, dostarczy informacjidotyczących położenia i strukturybadanego organu.

Metoda rezonansu magnetycznegonie należy wprawdzie do metodradiacyjnych, ale wykorzystujezjawisko jądrowego rezonansumagnetycznego. Badana próbka(narząd, organ) poddana jestdziałaniu silnego polamagnetycznego i falelektromagnetycznychwywołujących zjawisko rezonansu.Proces ten zależy od typu tkanki, coumożliwia lokalizację organówwewnętrznych.

Ilustracja 3.113.

XNo compatible source was found for this video.

Osłabienie gamma

39/40

Ćwiczenie: Osłabienie promieniowania gamma przy przechodzeniu przezmaterię

Pytania i problemy1. Omów zasadę działania wybranego detektora promieniowania

jonizującego.2. Wytłumacz, na czym polega biologiczne oddziaływanie promieniowania

jądrowego.3. Uzasadnij konieczność rozróżniania dawki pochłoniętej i dawki skutecznej.4. Często stosuje się pojęcie mocy dawki, czyli dawki otrzymanej w jednostce

czasu, np. w ciągu godziny. Podaj jednostkę mocy dawki oraz wzórpozwalający wyznaczyć dawkę całkowitą za pomocą mocy dawki i czasunapromieniania.

5. Opisz wybrane zastosowanie promieniowania jądrowego.6. Uzasadnij, dlaczego ochrona przed promieniowaniem jonizującym jest inna

niż przed strumieniem neutronów.

40/40