3.9. Oddziaływanie promieniowania jądrowego z materią; jego detekcja i jego wpływ na organizmy żywe

Słowa promieniowanie i radiacja zrobiły w XX wieku oszałamiającą karierę; można by rzec, że „trafiły 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, inne wywołują obawę o zdrowie. Wiele z tych pojęć należy też do świata pseudonauki; te są używane w celu zaimponowania innym lub wręcz osiągnięcia korzyści finansowych.

Wspólnym źródłem braku zrozumienia i związanych z tym obaw jest nieuchwytny charakter wielu rodzajów promieniowania. Nie jest ono rejestrowane przez ludzkie zmysły, oddziałuje jednak na ludzki organizm (są od tego wyjątki: na przykład promieniowanie elektromagnetyczne z odpowiedniego zakresu częstotliwości jest rejestrowane przez zmysł wzroku, z innego zakresu jest rejestrowane przez zmysł dotyku, ale światła widzialnego i podczerwieni się nie boimy, gdyż jesteśmy do nich przyzwyczajeni). 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 wieku po odkryciu drobnoustrojów wywołujących choroby. Bakterie i wirusy są postrzegane jako coś, co człowiekowi zagraża, czego powinniśmy unikać i co wymaga tępienia. Takie przekonania są często podtrzymywane – wbrew ustaleniom naukowym – wskutek zwyczajnej niewiedzy lub z chęci osiągania korzyści. Człowiek wykształcony doskonale zdaje sobie sprawę, że taka postawa jest błędna – obecność bakterii i wirusów w naszym biotopie (także w ludzkim organizmie) jest niezbędna do prawidłowego jego funkcjonowania.

Ilustracja 3.83. Znaki ostrzegawcze

Podobnie jest z promieniowaniem. Nie unikniemy jego obecności w naturalnym biotopie, a w XXI wieku – także w technice i innych dziedzinach ludzkiej działalności. Im więcej o nim wiemy, tym mniej się go boimy i tym lepiej i bezpieczniej potrafimy je wykorzystać do naszych celów. Może warto więc zacząć od uświadomienia sobie, że dwa znaki przedstawione na il. 3.83 mają ze sobą wiele wspólnego: oba to znaki ostrzegawcze. Ich rolą nie jest wzbudzenie strachu przed nieznanym, lecz zapowiedzenie konieczności zwrócenia szczególnej uwagi na to, co przed nami czy wokół nas i zachowania większej niż zwykle ostrożności przy tym, co będziemy robić. Mówi o tym znane wśród „fizyków-jądrowców” porzekadło: „Jeden gram rozumu często stanowi lepszą osłonę przed promieniowaniem niż dziesięć ton ołowiu”.

Rodzaje promieniowania jądrowego

Promieniowanie to nic innego jak rozchodzący się ze źródła strumień cząstek lub rozchodząca się fala. Gdy mowa o promieniowaniu jądrowym, zwanym też jonizującym, mamy na myśli strumień cząstek powstałych w wyniku przemian i reakcji jądrowych. Do tej kategorii zaliczamy także promieniowanie rentgenowskie oraz każdy strumień cząstek pochodzących z akceleratora. Podobne znaczenie ma określenie promieniowanie kosmiczne – różnica polega na tym, że reakcje, w których powstają docierające do Ziemi cząstki tego promieniowania, zachodzą w Słońcu lub obiektach spoza Układu Słonecznego. Nie mamy też wpływu na skład ani na energię cząstek w promieniowaniu kosmicznym, podczas gdy potrafimy wytworzyć, niezależnie jeden od drugiego, kilka rodzajów promieniowania jądrowego:

alfa (czyli jądra helu $_{2}^{4}He$ , podobne właściwości wykazuje strumień protonów, który jednak nie ma swej własnej nazwy);
beta (czyli elektrony $e^{-}$ lub pozytony $e^{+}$ );
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 je zatrzymuje? Czy wszystkie rodzaje promieniowania mają takie same własności przenikania przez różne materiały? Czy i dlaczego promieniowanie to może być dla nas szkodliwe i do czego możemy je wykorzystać? Jak się przed nim chronić, a jak przeprowadzać zaplanowaną ekspozycję na promieniowanie? Jak możemy sprawdzić, że jakaś substancja jest źródłem takiego czy innego promieniowania, czyli czy jest promieniotwórcza? Pytań jest wiele; spróbujmy na nie odpowiedzieć.

Oddziaływanie promieniowania jądrowego z materią

Na ilustracji poniżej (il. 3.84) symbolicznie przedstawiono, przez co przenikają różne rodzaje promieniowania emitowanego przez źródła promieniotwórcze, a co je zatrzymuje.

Promieniowanie $\alpha$ jest zatrzymywane przez naskórek ręki (podobnie jak wiązka protonów), choć wsuwanie ręki w wiązkę promieniowania nie zawsze jest dobrym pomysłem.
Promieniowanie $\beta$ jest pochłaniane przez płytkę aluminiową.
Do osłabienia natężenia wiązki promieniowania $\gamma$ potrzebna jest płyta z ołowiu.
Do spowolnienia neutronów potrzebna jest gruba warstwa betonu.

Ilustracja 3.84. **Przenikanie przez materie różnych rodzajów promieniowania jądrowego**

Gdy mówimy o zatrzymywaniu czy pochłanianiu promieniowania jonizującego przez materię, to musimy pamiętać, że każdy rodzaj materii osłabia wiązkę promieniowania stopniowo. Osłabienie jest tym większe, im grubsza jego warstwa, przez którą promieniowanie przenika. Zależność natężenia wiązki

I

od grubości

d

warstwy materii może mieć różny charakter. Wpływa na to przede wszystkim rodzaj promieniowania. Dla promieniowania

\gamma

zależność taka ma charakter wykładniczy. Można przy tym wprowadzić pojęcie „grubości połowicznego zaniku"

d_{1/2}

, na podobieństwo czasu połowicznego zaniku próbki promieniotwórczej. Pokazuje to wykres na il. 3.85, na którym symbolem

I_{0}

oznaczono początkowe natężenie wiązki.

Ilustracja 3.85. Wykładniczy zanik natężenia wiązki promieniowania $\gamma$ w funkcji grubości warstwy pochłaniającej

Każdy materiał charakteryzuje się inną wartością $d_{1/2}$ dla różnych rodzajów promieniowania. Analogicznie, każdy rodzaj promieniowania charakteryzuje się mniejszą lub większą przenikliwością, czyli inną wartością $d_{1/2}$ dla różnych materiałów. Z wykresu na il. 3.84 można więc odczytać, że cząstki $\alpha$ mają najmniejszą wartość $d_{1/2}$ (są najmniej przenikliwe), promienie $\beta$ i $\gamma$ mają odpowiednio coraz większe wartości $d_{1/2}$ , zaś neutrony (najbardziej przenikliwe) mają największą wartość $d_{1/2}$ .

Z czego wynikają różnice?

Przyczyną jest fakt, że każdy rodzaj promieniowania w inny sposób oddziałuje z materią. Każdy wymaga więc oddzielnego omówienia. Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią zależy od jej własności oraz od energii niesionej przez cząstki. Na potrzeby naszego porównania przyjmiemy, że energia ta jest charakterystyczna dla procesów zachodzących samoistnie na Ziemi (np. naturalnych rozpadów promieniotwórczych) i że nie przekracza kilku megaelektronowoltów na cząstkę. Przedstawimy teraz skrótowy opis tego oddziaływania; pełny opis znajdziesz w drugiej części rozdziału – wiadomości bardzo ciekawe, choć nadobowiązkowe.

Jonizacja materii i jej biologiczne skutki

Promieniowanie jądrowe oddziałuje z elektronami materii. Neutrony takiej zdolności praktycznie nie mają – przede wszystkim ze względu na zerowy ładunek elektryczny. Mogą powodować jonizację atomów i cząsteczek (odrywanie elektronów od macierzystych atomów) lub ich wzbudzanie (przenoszenie elektronów na wyższe poziomy energetyczne w atomie lub cząsteczce). Takie procesy mogą prowadzić do rozpadu związków chemicznych, także do powstawania cząsteczek, rodników lub jonów silnie reaktywnych chemicznie.

Pojedyncza cząstka promieniowania jądrowego może wywołać wielokrotnie takie procesy. Wynika to z zasobów jej energii – rzędu megaelektronowoltów – wiele razy większych niż energia potrzebna do jonizacji atomów czy cząsteczek, która jest rzędu elektronowoltów. Jednak trzeba mieć na uwadze, że nawet milion $10^{6}$ aktów jonizacji spowodowanych przez pojedynczą cząstkę to niewiele wobec liczby cząsteczek w ciele człowieka, którą można szacować na ok. $10^{25}$ .

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

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

Wtórne reakcje elektromagnetyczne i jądrowe w materii

Przejściu promieniowania jądrowego przez materię mogą towarzyszyć różnego rodzaju skutki wtórne. Neutrony mogą wnikać do jąder atomowych, wywołując reakcje jądrowe. Produkty tych reakcji (np. fotony $\gamma$ czy protony) rozchodzą się w materii, powodując jonizację. Podobnie, cząstki promieniowania $\beta^{+}$ , czyli pozytony, oddziałują z elektronami materii – w tzw. procesie anihilacji $e^{+}$ $e^{-}$ produkowane są fotony $\gamma$ . Może też zajść proces odwrotny: foton (o energii rzędu 1 MeV i więcej) może w zderzeniu z jądrem atomowym wyprodukować parę elektron-pozyton.

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

Detekcja i rejestracja promieniowania jądrowego

Jak wspomnieliśmy wcześniej, człowiek nie jest wyposażony w zmysł, który rejestrowałby promieniowanie jonizujące. Takiego promieniowania nie możemy ani zobaczyć, ani usłyszeć, dotknąć, posmakować czy powąchać, niezależnie od tego czy pochodzi ono z przemian jądrowych, sztucznych czy naturalnych, czy też dociera do nas z kosmosu.

Stan ten jest wynikiem setek milionów lat ewolucji w środowisku, w którym promieniowanie to było od zawsze obecne, ale nie stanowiło – ze względu na niską intensywność – zagrożenia dla organizmów żywych. Drugim powodem niewykształcenia zmysłu odbierającego promieniowanie jonizujące może być niewielka ilość informacji, jakie ono niesie z punktu widzenia dostosowania się organizmów do środowiska.

Jednak w ciągu ostatnich stu lat promieniowanie jądrowe pojawia się coraz częściej wskutek działalności człowieka. Jest ono przedmiotem badań naukowych oraz jest wykorzystywane w wielu dziedzinach nauki, techniki, medycyny itd. Jest więc niezwykle ważne, by równolegle z wykorzystaniem opracowywać coraz nowsze i skuteczniejsze metody detekcji i rejestrowania tego promieniowania.

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

Na il. 3.86 pokazano najprostszy schemat detektora jonizacyjnego. W niewielkim naczyniu wypełnionym gazem znajdują się dwie elektrody podłączone do źródła napięcia $U$ przez opornik o dużej wartości $R$ . W obwodzie prąd nie płynie, bowiem elektrody nie są ze sobą połączone, więc napięcie na oporniku $R$ wynosi zero.

Kiedy jednak przez detektor przebiegnie cząstka jonizująca, to uwolnione wskutek jonizacji elektrony zaczną poruszać się w kierunku elektrody dodatniej, a dodatnio naładowane jony w kierunku elektrody ujemnej.

Spowoduje to krótkotrwały przepływ prądu i pojawienie się różnicy potencjałów na oporniku $R$ . Ten krótkotrwały impuls napięciowy zostanie zarejestrowany między punktami $A$ i $B$ , połączonymi z oscyloskopem lub innym, odpowiednio czułym urządzeniem. Obecność kondensatora $C$ ma znaczenie „techniczne” – służy on do zablokowania tzw. składowej stałej napięcia elektrycznego.

Zastosowania promieniowania jądrowego

Naturalne oraz wytwarzane sztucznie źródła promieniotwórcze, strumienie neutronów z reaktorów jądrowych, wiązki cząstek naładowanych przyspieszanych w akceleratorach, wiązki promieniowania rentgenowskiego i promieniowanie gamma są unikatowymi narzędziami, którymi można sięgać w niedostępne miejsca i które w związku z tym znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach działalności człowieka. 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 gazów spalinowych pochodzących z elektrowni konwencjonalnych i ciepłowni;

przemysł – aparatura radiometryczna: pomiar gęstości, stężenia, składu chemicznego, masy, grubości, szczelności itd., poszukiwania ropy naftowej, gazu i innych surowców mineralnych, profilowanie odwiertów, defektoskopia, czyli poszukiwania ukrytych wad w materiałach konstrukcyjnych;

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

Drogowskaz pokazuje różne zastosowania promieniowania jądrowego — Ilustracja 3.87. **Drogowskaz pokazujący różne zastosowania promieniowania jądrowego**

Wymienione tu zastosowania to tylko przykłady, a nie pełna lista. Bardziej szczegółowo omówimy podstawy radioterapii wykorzystywane w leczeniu choroby nowotworowej oraz podstawy tomografii komputerowej, jako metody diagnostyki obrazowej. Wiele innych przykładów zastosowania promieniowania jądrowego zamieszczono w drugiej części rozdziału. Tam też omówiono działanie dwóch urządzeń, dzięki którym dysponujemy wiązkami cząstek (akceleratory) oraz źródłami promieniotwórczymi (reaktory).

Radioterapia to wykorzystanie promieniowania jonizującego w celach leczniczych. W chorobie nowotworowej leczonej radioterapią zasadniczym zadaniem fizyków medycznych jest takie zaplanowanie zabiegu, by zniszczyć nowotwór, ale nie uszkodzić organów zdrowych. Możliwość taką przedstawia wykres na il. 3.88. Tkanka nowotworowa będąca w trakcie rozwoju jest bardziej podatna na działanie promieniowania niż tkanka zdrowa. Należy wiec tak dobrać dawkę, by prawdopodobieństwo zniszczenia nowotworu (na rysunku – guz), było jak największe, zaś uszkodzenia zdrowej tkanki – jak najmniejsze.

Ilustracja 3.88. **Prawdopodobieństwo wyleczenia guza lub uszkodzenia zdrowej tkanki w funkcji zaaplikowanej dawki promieniowania**

Jak widać na il. 3.88, nie jest to zadanie łatwe. Dawka „A” jest za słaba – daje niewielkie szanse na zniszczenie nowotworu, choć nie powoduje praktycznie żadnych uszkodzeń tkanki zdrowej. Dawka „C” jest za silna, choć praktycznie zapewnia wyleczenie guza, ale przy ogromnym, bo 75-procentowym, zagrożeniu uszkodzenia zdrowej tkanki.

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

Ilustracja 3.89. **Akcelerator medyczny w Centrum Onkologii – Oddział Gliwice**

Zasadniczo wyróżnia się dwa typy radioterapii.

Teleterapia – to aplikowanie dawki promieniowania z zewnątrz. Źródłem wiązek promieniowania gamma (fotonów) lub elektronów o energii od kilku do kilkudziesięciu MeV są obecnie akceleratory. Widok takiego akceleratora pokazany jest na fotografii (il. 3.89). W ostatnich latach rozwija się intensywnie terapia z pomocą wiązek protonów lub ciężkich jonów. Ten rodzaj terapii zwany jest terapią hadronową.

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

Tomografia komputerowa jest obecnie powszechnie stosowaną metodą diagnostyczną. 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 się układ wielu detektorów promieniowania rentgenowskiego, ułożonych w kształcie pierścienia. Liczba detektorów może sięgać kilku tysięcy.

Ilustracja 3.90. **Uproszczony schemat tomografu komputerowego**

Wewnątrz nieruchomego układu detektorów porusza się po okręgu lampa emitująca promieniowanie rentgenowskie, które rejestrowane jest przez detektory umieszczone po przeciwnej stronie. Promieniowanie, pochłaniane przez narządy wewnętrzne pacjenta, tworzy wiele obrazów odpowiadających danej konfiguracji kątowej. Zarejestrowana seria obrazów rentgenowskich opracowywana jest z pomocą programu komputerowego, który wykonuje rekonstrukcję przestrzenną elementów pochłaniających promieniowanie, czyli narządów wewnętrznych pacjenta. Na il. 3.91 pokazano wygląd tomografu oraz przykładowy obraz zrekonstruowany tomografem komputerowym.

Ilustracja 3.91. Z lewej – tomograf komputerowy tak, jak widzi go pacjent; z prawej – obraz z tomografu komputerowego wraz z naniesionym planem przyszłych naświetlań terapeutycznych

Na tym kończymy podstawowy przegląd zagadnień związanych z promieniowaniem jądrowym. Zachęcamy jednak wszystkich, by choćby pobieżnie zapoznali się z dodatkowymi informacjami, prezentowanymi poniżej. Dają one znacznie szerszy wgląd w kwestie właściwości promieniowania jądrowego, jego wytwarzania i wykorzystania, a także ochrony przed niepożądanymi jego skutkami. Przedstawiają także nieporuszone dotąd zagadnienia, jak pomiar intensywności promieniowania i pochłoniętych jego dawek.

Uzupełnienie i rozszerzenie wiadomości o promieniowaniu jądrowym (materiał nadobowiązkowy)

Rozliczne zastosowania promieniowania jądrowego nie mogą dziś polegać, jak przed wiekiem, na naturalnych źródłach promieniotwórczych. Podobnie, badania prowadzone w dziedzinie fizyki jądrowej i cząstek elementarnych muszą mieć w eksperymentach znacznie większą energię niż dostarczają zjawiska naturalne. Potrzebny jest więc „budulec” w postaci sztucznych źródeł promieniotwórczych, których aktywność można regulować, oraz specjalnie przygotowanych wiązek cząstek naładowanych, fotonów i neutronów, którymi można sterować. Do tego celu służą dwa największe urządzenia fizyki i techniki jądrowej: reaktor jądrowy i akcelerator. Zapoznajmy się nieco bliżej z tymi urządzeniami.

Reaktor jądrowy to urządzenie, w którym następują reakcje jądrowe w sposób kontrolowany przez człowieka. Są to głównie reakcje rozszczepienia, ale w trakcie uruchamiania i testów są też reaktory termojądrowe, w których zachodzą reakcje syntezy. Omawialiśmy już, w dwóch poprzednich rozdziałach, budowę i działanie reaktorów dostarczających ciepło do produkcji energii elektrycznej. Mogą one służyć do napędu okrętów, do celów militarnych.

Istnieją również reaktory jądrowe stosowane do celów badawczych i gospodarczych, niezwiązanych bezpośrednio z energetyką. Wykorzystuje się je przede wszystkim jako źródło intensywnych strumieni neutronów. Pamiętamy, że neutrony pozbawione ładunku elektrycznego mogą łatwo wnikać do jąder atomowych i wywoływać tam reakcje jądrowe. Odpowiednie sterowanie wiązką neutronów i wywołanymi przez nie procesami pozwala uzyskać wiele różnych efektów.

Obecnie w Polsce działa jeden tylko reaktor jądrowy – „Maria” – w Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Świerku w pobliżu Warszawy. Jest to reaktor badawczy, 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 basenie z wodą (il. 3.92), która spełnia tam potrójną rolę: spowalniacza neutronów, chłodziwa oraz osłony przed promieniowaniem. Więcej o NCBJ, prowadzonych tam badaniach i o samym reaktorze „Maria” dowiesz się na stronie www.ncbj.gov.pl. Warto też pamiętać, że zwiedzanie reaktora może być ciekawym i wartościowym celem szkolnej wycieczki.

Fotografia reaktora badawczego Maria — Ilustracja 3.92. **Fotografia reaktora badawczego „Maria” w Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Świerku**

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

Akcelerator to urządzenie do przyspieszania cząstek elektrycznie naładowanych. Kiedy taka cząstka znajdzie się w polu elektrycznym, będzie przyspieszana wzdłuż linii sił pola, a zwrot siły zależeć będzie od znaku ładunku. Kiedy cząstka znajdzie się w polu magnetycznym prostopadłym do kierunku jej ruchu, będzie poruszać się po okręgu, którego promień będzie proporcjonalny do pędu cząstki. Te zasady fizyki, które bardziej szczegółowo poznasz w trakcie nauki w starszych klasach, stały się podstawą działania akceleratorów kołowych.

Schemat takiego akceleratora, zwanego cyklotronem, pokazany jest na il. 3.93. Cząstki wprowadzane są do akceleratora ze źródła $Z$ . Ich tor zakrzywia się w polu magnetycznym, jak pokazuje symbol $1$ . Po zatoczeniu połowy okręgu cząstka wpada do obszaru $2$ , zwanego szczeliną, w której panuje pole elektryczne wytwarzane przez generator $D$ . Cząstka doznaje przyspieszenia i wpadając do obszaru $3$ , ma już większy pęd niż w obszarze $1$ . Dzięki temu porusza się ona po okręgu o większym promieniu. Cały ten proces powtarza się wielokrotnie, aż w punkcie $W$ przyspieszona cząstka zostaje wyprowadzona z akceleratora.

Ilustracja 3.93. **Schemat cyklotronu; pole magnetyczne skierowane jest prostopadle do ekranu**

Akceleratory służą wyłącznie celom badawczym i gospodarczym. Są one źródłem wiązek promieniowania jądrowego różnego typu; właściwości tych wiązek – 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 Uniwersytetu Warszawskiego. Może on przyspieszać jony różnych pierwiastków do energii 10 MeV na nukleon. Akcelerator ten służy głownie do badań naukowych, prowadzonych przez zespoły z całej Polski, także przy współpracy naukowców zagranicznych. Więcej informacji o pracy tego laboratorium znajdziesz pod adresem http://www.slcj.uw.edu.pl/. Podobnie jak w przypadku reaktora „Maria”, zwiedzanie ŚLCJ i pracującego tam cyklotronu może znakomicie uatrakcyjnić szkolną wycieczkę.

Ilustracja 3.94. **Fotografia akceleratora w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu Warszawskiego**

Oddziaływanie promieniowania jądrowego z materią

Promieniowanie alfa

Jak pamiętamy, promieniowanie $\alpha$ to jądra atomów helu składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Są to więc cząstki naładowane, o ładunku dodatnim, równym dwom ładunkom elementarnym. Masa cząstek $\alpha$ jest ponad siedem tysięcy razy większa od masy elektronu. Opisując oddziaływanie z materią cząstek $\alpha$ , zaliczamy je do klasy ciężkich cząstek naładowanych.

Ilustracja 3.95. **Schematyczne przedstawienie cząstki alfa**

Aby zrozumieć mechanizm oddziaływania cząstek $\alpha$ , przypomnijmy sobie atomową 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 jednej dziesiątej części milimetra to dla cząstek $\alpha$ materiał składający się z około miliona warstw atomowych. Z drugiej strony, jądra atomowe rozmieszczone są w odległościach wielu tysięcy razy większych niż rozmiary cząstki $\alpha$ , a wiec jest możliwe, że cząstka przeleci przez kartkę, nie trafiając w żadne jądro.

A co z elektronami, które wypełniają przestrzeń między atomami? Mają one ładunek ujemny i będą przyciągane przez cząstki $\alpha$ . W rezultacie mogą zostać oderwane od atomów, z którymi były związane. Tak się rzeczywiście dzieje, a proces ten nazywamy jonizacją. W wyniku jonizacji neutralny atom zmienia się w dodatnio naładowany jon, a elektron staje się swobodny i może przemieszczać się w materiale. Oczywiście, cząstka $\alpha$ traci na jonizację część swej energii. Ma ona podwójny ładunek, więc silnie jonizuje i szybko wytraca swą energię. To jest właśnie powodem, że zasięg cząstek $\alpha$ w materiałach jest niewielki i kartka papieru jest w stanie całkowicie zatrzymać strumień cząstek $\alpha$ emitowanych przez źródło promieniotwórcze. Trzeba też mieć na uwadze, że masa cząstek $\alpha$ jest kilka tysięcy razy większa niż masa elektronu, zatem cząstki $\alpha$ nieznacznie zmieniają swój kierunek przy przechodzeniu przez materię. Mówimy, że słabo się rozpraszają.

Promieniowanie beta

Promieniowanie $\alpha$ to strumień elektronów bądź pozytonów, cząstek naładowanych ujemnie lub dodatnio, o masach takich samych jak masy elektronów ośrodka, przez które cząstki się przemieszczają. Wiadomo już, że cząstki te będą powodować jonizację, chociaż jonizować będą słabiej niż cząstki $\alpha$ , bo ładunek ich jest dwukrotnie mniejszy. Natomiast będą się bardzo silnie rozpraszać, bo ich masa jest znacznie mniejsza niż masa atomów ośrodka.

Ilustracja 3.96. **Dwa rodzaje promieniowania beta**

Trzeba też wspomnieć o jeszcze jednej zależności, dotychczas nieomawianej. Wszystko, co do tej pory omawialiśmy, odnosiło się do promieniowania emitowanego przez źródła promieniotwórcze. Energia tego promieniowania nie przekracza kilku MeV. Od zarania dziejów jesteśmy jednak poddani działaniu promieniowania kosmicznego, które stanowią cząstki o energii liczonej w milionach MeV i większych; umiemy też przyspieszać cząstki naładowane do wysokiej energii z pomocą akceleratorów. Mówiąc o oddziaływaniu promieniowania jądrowego z materią, trzeba więc uwzględniać 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, które stanowią kwanty promieniowania elektromagnetycznego, czyli fotony o szerokim zakresie energii. Tylko mała część energii tracona jest wtedy na jonizację.

Na koniec wspomnimy o jeszcze jednym zjawisku, dotyczącym wyłącznie promieniowania $\beta^{+}$ . Pozytony oddziałują z elektronami materii w tzw. reakcji anihilacji:

e^{+}+e^{-}\rightarrow\gamma+\gamma

Skutkiem jej jest powstanie dwóch kwantów promieniowania $\gamma$ , które rozchodzą się w materii i mogą powodować jej jonizację.

Promieniowanie gamma – fotony

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

E_{\gamma}=h\nu

gdzie $E_{\gamma}$ – energia fotonu, $h$ – stała Plancka, $\nu$ – częstotliwość fali elektromagnetycznej. Jako fala elektromagnetyczna, foton porusza się z prędkością światła.

Foton oddziałuje z obiektami naładowanymi elektrycznie – elektronami i jądrami atomowymi. Skutkiem tych oddziaływań może być odrywanie elektronów od ich macierzystych atomów, które zostają w ten sposób zjonizowane. Najczęściej zachodzące oddziaływania to:

efekt fotoelektryczny, czyli pochłonięcie fotonu w atomie i wybicie elektronu z powłoki atomowej, zachodzące najczęściej przy stosunkowo niskiej energii fotonów;
zjawisko Comptona, czyli zderzenie z elektronem fotonu o energii na tyle dużej (rzędu dziesiątków i setek keV), że elektron jest odrzucany od atomu, 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 jądrem atomowym (jest to reakcja odwrotna do opisanej wyżej reakcji anihilacji):

$\gamma+jądro atomowe\rightarrow jądro atomowe+e^{+}+e^{-}$

reakcja ta wymaga, by foton $\gamma$ miał minimalną energię równą podwojonej energii spoczynkowej elektronu, czyli około 1,022 MeV; jądro atomowe nie ulega przemianie w tej reakcji, musi jednak w niej uczestniczyć – inaczej nie byłoby możliwe jednoczesne spełnienie zasady zachowania energii i zasady zachowania pędu w tej reakcji.

Na rysunku poniżej (il. 3.97) przedstawiono przykład oddziaływania fotonów i elektronów z materią. Foton niosący ogromną energię (rzędu GeV) spowodował utworzenie pary $e^{+};\, e^{-}$ pokazanej po lewej stronie zdjęcia. Powstałe elektrony i pozytony wysyłają promieniowanie hamowania, czyli kolejne fotony. Te zaś tworzą drugą generację par $e^{+};\, e^{-}$ , dalej powstają kolejne, aż do wyczerpania energii oryginalnego fotonu. W ten sposób powstaje tzw. kaskada elektronowo-fotonowa, widoczna na fotografii.

Ilustracja 3.97. **Fotografia komory pęcherzykowej wypełnionej ciekłym ksenonem z kaskadą fotonowo-elektronową**

Wiązka neutronów

Neutron jest cząstką elektrycznie obojętną, nie wywołuje więc procesów jonizacji. Z tego samego jednak względu może łatwo wnikać do jąder atomowych i wywoływać reakcje jądrowe – wspominaliśmy już o tym wcześniej. Pamiętamy, że jądra atomowe znajdują się w odległościach tysiące razy większych niż rozmiary samych jąder, neutrony mogą więc znacznie łatwiej przenikać przez materię niż inne cząstki.

Prawdopodobieństwo wywoływania przez neutrony reakcji jądrowych w materiałach i sam rodzaj reakcji zależą bardzo silnie od energii neutronów i rodzaju materiału. Poznaliśmy już reakcje rozszczepienia uranu, które powodowane 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 jądrach atomowych, na podobieństwo zderzenia się dwóch kulek. Wynik takiego zderzenia zależy od masy jądra, z którym zderza się neutron. Jeśli jest to jądro ciężkie, czyli o masie wielokrotnie większej od masy neutronu (np. jądro atomu ołowiu, którego masa jest ponad 200 razy większa od masy neutronu), to neutron odbije się jak piłka od ściany, zmieni kierunek swojego ruchu, ale wartość jego prędkości zmaleje w niewielkim stopniu. Jeśli jednak neutron zderza się z jądrem o masie porównywalnej z jego własną (np. z jądrem atomu wodoru, czyli z protonem), to w wyniku zderzenia neutron nawet może się zatrzymać, a dalej poleci proton, który jest cząstką jonizującą. Jeżeli więc chcemy osłabiać wiązkę neutronów i skutecznie je spowalniać, musimy używać do tego materiałów zawierających lekkie pierwiastki, takie jak wodór.

Przyzwyczailiśmy się do myśli, że przed promieniowaniem jądrowym trzeba odgradzać się ciężkimi płytami ołowiu. Warto więc przyjrzeć się fotografii na il. 3.98. Pokazana jest na niej osłona przed promieniowaniem emitowanym w miejscu, gdzie zatrzymywana jest wiązka jonów. Z tyłu z lewej strony widać ciemną warstwę ołowiu, a przed nią grubą ściankę płytek z… parafiny. Pierwsza warstwa chroni przed promieniowaniem jonizującym – fotonami $\gamma$ i cząstkami naładowanymi, druga przed neutronami. W skład parafiny wchodzą bowiem węgiel i wodór.

Ilustracja 3.98. **Osłona zakończenia jonowodu w laboratorium GANIL we Francji**

Rejestracja promieniowania jonizującego

Wspomnieliśmy już o detektorach jonizacyjnych promieniowania jądrowego (istnieje jeszcze wiele innych metod detekcji tego promieniowania; każda ma swe specyficzne cechy oraz zastosowania). W niektórych wykorzystuje się zdolność cząstek promieniowania do jonizacji atomów ośrodka, w którym się one przemieszczają. Liczbę uwolnionych ładunków można „policzyć”, na przykład umieszczając materiał poddany działaniu promieniowania w polu elektrycznym i mierząc wywołany przepływem tych ładunków krótkotrwały impuls elektryczny. Działające na tej zasadzie urządzenia należą do klasy detektorów jonizacyjnych. Przypomnij sobie schemat takiego detektora, przedstawionego na il. 3.86 oraz jego działanie.

Bardzo podobne rozwiązanie stosowane jest w detektorach półprzewodnikowych. Rolę gazu między elektrodami spełnia złącze półprzewodnikowe spolaryzowane w kierunku zaporowym – jest to „obszar czynny” detektora. Jonizacja atomów w tym obszarze powoduje krótkotrwały przepływ prądu przez złącze, czyli powstanie impulsu elektrycznego.

Istnieje wiele odmian detektorów jonizacyjnych. Zauważmy najpierw, że impuls napięciowy będzie tym większy, im więcej jonów pojawi się w detektorze wskutek jonizacji, czyli im więcej energii straci cząstka na jonizację w detektorze. To bardzo cenna informacja, która może pomóc w rozpoznaniu rodzaju promieniowania, z jakim mamy do czynienia, bo straty energii zależą zarówno od właściwości cząstki, jak i od jej energii. Na takiej zasadzie działają komory jonizacyjne.

Możliwe jest także wzmocnienie impulsu na wyjściu detektora przez przyłożenie do elektrod napięcia na tyle dużego, by przyspieszone elektrony spowodowały 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 jego wysokość nie będzie już proporcjonalna do energii straconej przez cząstkę w detektorze. Działające na tej zasadzie układy to liczniki Geigera-Millera.

Efektem jonizacji atomów w niektórych materiałach jest powstawanie pojedynczych krótkotrwałych błysków świetlnych. W detektorach scyntylacyjnych są one rejestrowane z pomocą fotopowielacza, który wzmacnia efekt błysku przez zwielokrotnianie elektronów wybijanych z fotokatody. Taki detektor przedstawiony jest na fotografii (il. 3.99). Pokazuje ona wyposażenie stanowiska pomiarowego promieniowania $\gamma$ w pracowni studenckiej. Sygnały z detektora rejestrowane są przez układy elektroniczne, pokazywane na ekranie oscyloskopu. Wykresy energii zarejestrowanych cząstek można oglądać na ekranie monitora.

Ilustracja 3.99. Stanowisko pomiarów promieniowania $\gamma$ w studenckim Laboratorium Fizyki i Techniki Jądrowej na Wydziale Fizyki Politechniki Warszawskiej

Detektory śladowe

Jonizacja materii oznacza uwalnianie w niej swobodnych ładunków elektrycznych. Uwalnianie to następuje wzdłuż drogi, którą przebyła cząstka w 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 się sposób na utrwalenie tej zmiany, można zobaczyć ślad cząstki. Urządzenia pozwalające na zarejestrowanie śladów cząstki w materiale nazywamy detektorami śladowymi. Są one używane w fizyce jądrowej i fizyce cząstek elementarnych od początku XX wieku i od tego czasu ogromnie się zmieniły: od stosunkowo prostych w konstrukcji i działaniu komór Wilsona do niezmiernie rozbudowanych i skomplikowanych elektronicznych systemów detektorów.

W emulsjach jądrowych można było rejestrować ślady cząstek na podobnej zasadzie, jak wykonuje się zdjęcia na kliszy fotograficznej. Technika ta była szczególnie przydatna w badaniu promieniowania kosmicznego – niewielkie i lekkie skrzyneczki z emulsją łatwo było umieścić w balonie i wysłać w górne warstwy atmosfery. W laboratoriach technikę tę stosowano do końca lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku. Za jej pomocą polscy fizycy, Marian Danysz i Jerzy Pniewski, odkryli w 1952 roku pierwsze tzw. hiperjądro, zawierające oprócz protonów i neutronów egzotyczną cząstkę $\Lambda$ .

Ilustracja 3.100. **Pierwsza rejestracja hiperjąder+ w emulsji jądrowej**

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

Ilustracja 3.101. **Fotografia komory pęcherzykowej wypełnionej ciekłym wodorem i naświetlonej wiązką protonów**

Ślady cząstek zapisuje się elektronicznie w pozycyjnych detektorach półprzewodnikowych i w komorach projekcji czasowej (TPC) na podobieństwo zapisu informacji w cyfrowych aparatach fotograficznych.

Ilustracja 3.102. Tysiące śladów cząstek zarejestrowanych elektronicznie w komorze projekcji czasowej detektora ALICE w Europejskim Laboratorium Fizyki Jądrowej CERN w pobliżu Genewy

Bezpieczeństwo jądrowe. Dozymetria

Promieniowanie jonizujące towarzyszy nam od zarania dziejów. Pochodzi ono zarówno z przestrzeni kosmicznej, jak i z wnętrza naszego globu. Promieniowanie jest obecne wokół nas i wewnątrz nas, bo przecież oddychamy i spożywamy posiłki, a zarówno w powietrzu, jak i w środkach spożywczych zawarte są substancje promieniotwórcze. Przykładem może być izotop węgla $_{6}^{14}C$ , obecny w każdym żywym organizmie. Czasami mówi się o „naturalnym tle” promieniowania, w którym żyjemy. Człowiek także wytwarza źródła promieniowania jonizującego do celów naukowych, technicznych, medycznych a także – co najbardziej kontrowersyjne – militarnych.

Ilustracja 3.103. **Promieniowanie kosmiczne to strumień cząstek o bardzo wysokiej energii, głównie protonów, które docierają do atmosfery ziemskiej**

W efekcie zachodzących tam oddziaływań, zarówno elektromagnetycznych, jak i jądrowych, tworzone jest promieniowanie wtórne, 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 innymi cząsteczek DNA, które odgrywają ważną rolę w funkcjonowaniu komórki, a także zawierają informacje genetyczne. Wprawdzie uszkodzenia cząsteczek DNA mogą być powodowane także przez inne czynniki, a w organizmach żywych istnieją mechanizmy naprawcze, ale zbyt duże dawki promieniowania są niewątpliwie niebezpieczne dla zdrowia.

Ilustracja 3.104. **W skorupie ziemskiej znajdują się pierwiastki radioaktywne**

Jednym z produktów rozpadu jąder tych pierwiastków jest promieniotwórczy gaz radon, który przedostaje się do atmosfery i znajduje się w powietrzu, którym oddychamy. Koncentracja radonu jest większa w pomieszczeniach zamkniętych niż na zewnątrz, dlatego warto jest 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 dawki promieniowania, określenie dopuszczalnych dawek, które nie zagrażają zdrowiu, oraz znajomość możliwych skutków w przypadku przekroczenia dawek dopuszczalnych są niezbędnymi elementami kompleksowego systemu bezpiecznego obchodzenia się z substancjami radioaktywnymi.

Znak ostrzeżenia przed substancjami promieniotwórczymi — Ilustracja 3.105. **Znak ostrzegający przed substancjami promieniotwórczymi**

Ma on postać tzw. „koniczynki” czerwonego lub czarnego koloru na żółtym tle. Warto go znać – ostrzega przed obecnością promieniowania i substancjami promieniotwórczymi. Znaki takie umieszcza się na opakowaniach transportowanych materiałów promieniotwórczych, na drzwiach pomieszczeń, gdzie stosowane są materiały promieniotwórcze itp.

Ilościowe określenie dawki promieniotwórczej

W celu ilościowego określenia wpływu promieniowania jonizującego na organizmy żywe zostały zdefiniowane wielkości charakteryzujące otrzymane dawki i ich biologiczne skutki dla organizmu. Jest to dość rozbudowany system wielkości fizycznych, z którym trzeba zapoznać się krok po kroku. Miarą dawki jest energia wydzielona wskutek różnorodnych procesów oddziaływania promieniowania z materią. Ilość wydzielonej w materiale energii zależy od rodzaju i energii promieniowania oraz od własności materiału, w którym energia jest wydzielana.

Podstawową wielkością fizyczną jest aktywność źródła promieniotwórczego. Określa ona liczbę rozpadów promieniotwórczych zachodzących w tym źródle w jednostce czasu. Jednostką aktywności jest jeden bekerel: 1 Bq odpowiada aktywności źródła, w którym następuje jeden rozpad na sekundę. Jednak z punktu widzenia dozymetrii aktywność opisuje jedynie potencjalne zagrożenie napromieniowaniem organizmu żywego.

Skutki napromieniowania opisuje dawka pochłonięta przez organizm. Ma ona związek z aktywnością źródła, ale mierzy nie liczbę cząstek, które przeszły, przykładowo, przez ciało ludzkie, lecz wydzieloną przy tym przejściu całkowitą energię. Dodatkowo energia ta jest dzielona przez masę ciała. Jeden grej (jednostka dawki pochłoniętej) jest więc równy energii jednego dżula pochłoniętej przez ciało o masie jednego kilograma $1\, Gy=1\, J/kg$ .

Okazuje się jednak, że jednoznaczne określenie wartości dawki pochłoniętej nie wystarcza do określenia jej skutku biologicznego z punktu widzenia konkretnego organizmu. Istotną rolę odgrywa przy tym wiele innych czynników. Jedne są obiektywne, np. rodzaj pochłoniętego promieniowania (alfa, beta czy gamma), rozkład dawki w czasie czy rodzaj napromieniowanego narządu. Inne są indywidualne, jak wiek, płeć i szeroko rozumiany stan zdrowia człowieka. Z tego powodu wprowadzono pojęcie dawki skutecznej, która uwzględnia wspomniane czynniki i lepiej oddaje rzeczywiste zagrożenie dla wybranego organizmu. Jednostką dawki skutecznej jest siwert $1\, Sv=1\, J/kg$ . Wymiar tej dawki jest taki sam jak dawki pochłoniętej, ale wartość jest na ogół inna, bowiem dawka ta uwzględnia wspomniane powyżej i inne czynniki. Na przykład, tzw. czynnik wagowy dla promieniowania $\alpha$ wynosi 20, a dla promieniowania $\beta$ i $\gamma$ równy jest 1. Dlatego dawce pochłoniętej od promieniowania $\alpha$ (wyrażonej w grejach) odpowiada dwudziestokrotnie większa dawka skuteczna wyrażona w siwertach. Obie dawki są natomiast jednakowe w przypadku promieniowania beta i gamma. Więcej informacji na ten temat znaleźć można na stronie WWW Państwowej Agencji Atomistyki.

Ilustracja 3.106. **Stacja monitoringu ASS-500 w CLOR**

Agencja ta czuwa nad bezpieczeństwem radiacyjnym naszego kraju. W Polsce działa bez przerwy kilkanaście stacji monitoringu promieniowania jonizującego, rozrzuconych po terytorium kraju. Fotografia (il. 3.106) przedstawia stację ASS-500 zainstalowaną w Centralnym Laboratorium Ochrony Radiologicznej, CLOR w Warszawie. Dane rejestrowane przez stacje badane są systematycznie, a w przypadku nadzwyczajnego zagrożenia stacja automatycznie powiadamia osobę odpowiedzialną za monitoring radiologiczny.

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

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, dostarcza dawkę ok. 1,2 mSv rocznie (jest to ok. 36% dawki całkowitej).
Promieniowanie kosmiczne dostarcza na poziomie morza dawkę ok. 0,3–0,5 mSv/rok; kto mieszka na wysokości 3000 m n.p.m. pochłania średnio ok. 1,2 mSv rocznie; hipotetyczny mieszkaniec szczytu Mount Everest pochłaniałby ok. 10 mSv rocznie.
Diagnostyka medyczna (prześwietlenia rentgenowskie, tomografia itp.) jest źródłem – średnio – ok. 0,8 mSv rocznie, czyli prawie 25% całej dawki. Niektórzy wyprowadzają z takiego faktu „zalecenia” o bezwzględnej konieczności unikania takiej diagnostyki. Nie jest to słuszna argumentacja, bo są obszary na Ziemi (np. w Finlandii), gdzie średnia dawka skuteczna pochodząca 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 działanie promieniowania 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 jonizującego z materią ma charakter statystyczny, losowy. Dotyczy to także skutków tego oddziaływania. Po otrzymaniu bardzo dużych dawek bez wątpienia pojawi się skutek, najczęściej zachorowanie na tzw. chorobę popromienną. Skutki takie nazywamy deterministycznymi. Można przyjąć, że wszystkie takie zachorowania wśród ludzi mieszkających w bezpośredniej bliskości czarnobylskiego reaktora były skutkiem tej katastrofy.

Inaczej jest przy mniejszych dawkach. Wzrostowi otrzymanej dawki towarzyszy, owszem, wzrost prawdopodobieństwa wystąpienia skutku (np. zachorowania). Nie można jednak jednoznacznie powiązać stwierdzonej zmiany chorobowej w organizmie z konkretnym przypadkiem napromienienia. Skutki takie nazywamy stochastycznymi (czyli losowymi). Dlatego słyszane często stwierdzenia, że ktoś, na przykład w Polsce, zachorował na pewno z powodu katastrofy w Czarnobylu, bo choroba została zdiagnozowana pół roku po katastrofie, są – z naukowego punktu widzenia – nieuzasadnione. Możemy nigdy się nie dowiedzieć, co było przyczyną konkretnego zachorowania. Skutki stochastyczne możemy stwierdzić jedynie za pomocą metod statystycznych, na przykład przez określenie liczby zachorowań na 1000 osób z danego terenu i porównując to z podobną liczbą wyznaczoną dla innego obszaru lub w innym czasie.

Naukowcy stawiają dwie hipotezy związku między dawką a skutkiem; do tej pory nie udało się jednoznacznie rozstrzygnąć, która z nich jest słuszna. Jedna to tzw. hipoteza liniowa, według której prawdopodobieństwo wystąpienia skutku jest proporcjonalne do otrzymanej dawki, poczynając od dawek najmniejszych. Drugą jest hipoteza hormezy radiacyjnej, według której małe dawki mają wręcz pozytywny skutek dla zdrowia, zwiększając m.in. odporność organizmu, a skutki negatywne pojawiają się – także z określonym prawdopodobieństwem – dopiero po przekroczeniu określonej dawki granicznej. Druga hipoteza nieco przypomina zasadę działania lekarstw. Jedna lub dwie tabletki aspiryny bez wątpienia pomogą w opanowaniu przeziębienia, ale gdyby połknąć na raz całe opakowanie, skutek mógłby być niebezpieczny dla zdrowia i życia.

Co chroni przed niepożądanym napromieniowaniem?

Jak należy postępować, by w przypadku zagrożenia otrzymać jak najmniejszą dawkę? Jedna zasada jest bardzo prosta – przebywać jak najdalej od źródła promieniowania. Fizycy ujmują to lapidarnym stwierdzeniem: „Najlepszą osłoną antyradiacyjną jest jeden nad r kwadrat”. Wyjaśniono to na il. 3.107. Przy zwiększaniu odległości $r$ od źródła intensywność promieniowania zmniejsza się jak $1/r^{2}$ . Przykładowo, jeśli oddalimy się na dwukrotnie większą odległość od źródła, to intensywność docierającego do nas promieniowania czterokrotnie zmaleje; przy trzykrotnym zwiększeniu odległości uzyskamy dziewięciokrotne obniżenie natężenia promieniowania itd.

Ilustracja 3.107. **Ilustracja zależności $1/r^{2}$**

Przy dwukrotnym wzroście odległości od źródła powierzchnia obejmowana tym samym kątem czterokrotnie wzrośnie, więc dawka na jednostkę powierzchni zmaleje czterokrotnie

W przypadkach zagrożenia na ogół nie ma czasu na rozglądanie się za ołowianą osłoną. Za to warto pamiętać, że zwykły mur z cegły czy betonu nieźle pochłania promieniowanie 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 jądrowego

Na koniec naszego rozszerzonego przeglądu przedstawimy kilka mało znanych przykładów wykorzystywania promieniowania jonizującego w różnych dziedzinach.

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

Z jednej strony pojemnika (il. 3.108) umieszczamy w górnej części źródło promieniotwórcze, z drugiej strony u dołu umieszczamy detektor. Ciecz w pojemniku powoduje absorpcję promieniowania. Wystarczy raz wyskalować zależność mierzonej intensywności promieniowania od poziomu cieczy w zbiorniku i miernik jest gotowy do użytku.

Ilustracja 3.108. **Schemat działania miernika poziomu cieczy w zamkniętym naczyniu**

Im wyższy poziom cieczy, tym słabsza wiązka dociera od źródła do detektora

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

Sonda zawierająca źródło promieniotwórcze oraz detektor (il. 3.109) mierzy intensywność promieniowania rozproszonego przez badany materiał. Gdy struktura materiału jest jednorodna, sygnał utrzymuje się na tym samym poziomie. Wszelkie niejednorodności sygnalizuje zmiana rejestrowanego przez detektor promieniowania.

Ilustracja 3.109. **Badanie defektoskopowe rurociągu**

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

Badany materiał napromieniamy strumieniem cząstek naładowanych lub neutronów (il. 3.110). Materiał ulega aktywacji – niewielka część jego atomów lub jąder atomowych wysyła promieniowanie, najczęściej $X$ lub $\gamma$ . Każdy atom czy jądro atomowe ma inne, specyficzne dla siebie widmo promieniowania. Wykonujemy, za pomocą spektrometru, pomiar widma, analizujemy otrzymane wyniki i wyznaczamy skład atomowy badanego materiału.

Ilustracja 3.110. **Dwa etapy analizy aktywacyjnej**

Sterylizacja radiacyjna materiałów medycznych, czyli niszczenie wszelkich mikroorganizmów w tych materiałach z pomocą wiązki elektronów przyspieszonych w akceleratorze, umożliwia wykonanie tej operacji bez wyjmowania materiałów z opakowania. W niektórych przypadkach jest to bardzo istotne z punktu widzenia użytkowego. Wielkość dawki można zmieniać dobierając intensywność wiązki i prędkość przesuwania pudełek z materiałami pod głowicą układu sterowania wiązką, co ilustruje fotografia (il. 3.111).

Ilustracja 3.111. **Sterylizacja materiałów medycznych w Instytucie Chemii i Techniki Jądrowej w Warszawie**

Pionowa czerwona strzałka pokazuje początkowy kierunek ruchu wiązki elektronów, pozioma strzałka pokazuje zakres „przemiatania” poziomego. Strzałka zielona pokazuje ruch pudełek z materiałami medycznymi

Pomiar zapylenia powietrza atmosferycznego stanowi ważny element ochrony środowiska naturalnego.

Zasada pomiaru (il. 3.112) polega na wyznaczeniu masy osadzonego na filtrze pyłu z przepuszczonego przez filtr powietrza. Objętość powietrza określa czas przepompowywania powietrza przez filtr. Masa osadzonego pyłu wyznaczona jest przez pomiar osłabiania promieniowania beta pochodzącego ze źródła promieniotwórczego, którym jest izotop węgla $_{6}^{14}C$ .

Ilustracja 3.112. **Izotopowy Miernik Zapylenia Powietrza AMIZ produkowany w Instytucie Chemii i Techniki Jądrowej**

Strzałka czerwona pokazuje wlot pompowanego powietrza. Strzałka zielona pokazuje próbki pyłu zebranego na filtrze. Symbol $_{6}^{14}C$ wskazuje miejsce, gdzie znajduje się izotop promieniotwórczy. Symbolem $D$ oznaczono detektor. Filtr w postaci taśmy przesuwa się automatycznie po zebraniu próbki pyłu, umożliwiając bezobsługową pracę urządzenia

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

Historycznie najstarszą metodą stanowią prześwietlenia promieniami Roentgena. Przenikliwość tego promieniowania maleje wraz ze wzrostem liczby atomowej pierwiastka, zawartego w materii. Różne rodzaje tkanek zawierają różne pierwiastki (np. kości zawierają niemało wapnia i fosforu), więc pochłaniają promienie $X$ w różnym stopniu. Pozwala to na zobrazowanie rozmieszczenia narządów wewnętrznych.
Tomografia komputerowa, tzw. CT – pozwala uzyskać przekrojowe obrazy wnętrza obiektu (ciała) w rezultacie komputerowego opracowania wielu obrazów rentgenowskich wykonanych z różnych kierunków.
Pozytonowa tomografia emisyjna, tzw. PET, różni się od tomografii komputerowej tym, że źródło promieniowania (najczęściej izotop $\beta^{+}$ –promieniotwórczy) znajduje się wewnątrz organizmu, w miejscach, gdzie mogą być chorobowo zmienione organy wewnętrzne. Jest to bardzo pomysłowe zastosowanie zjawiska anihilacji pozytonu emitowanego w przemianie $\beta^{+}$ .
Scyntygrafia polega na wprowadzeniu do organizmu takiego farmaceutyka, który będzie gromadził się w badanym narządzie, a wraz z nim izotopu promieniotwórczego, który przez emisję promieniowania, rejestrowanego następnie układem detektorów, dostarczy informacji dotyczących położenia i struktury badanego organu.
Metoda rezonansu magnetycznego nie należy wprawdzie do metod radiacyjnych, ale wykorzystuje zjawisko jądrowego rezonansu magnetycznego. Badana próbka (narząd, organ) poddana jest działaniu silnego pola magnetycznego i fal elektromagnetycznych wywołujących zjawisko rezonansu. Proces ten zależy od typu tkanki, co umożliwia lokalizację organów wewnętrznych.

EXE Ćwiczenie: Osłabienie promieniowania gamma przy przechodzeniu przez materię

Pytania i problemy

Omów zasadę działania wybranego detektora promieniowania jonizującego.
Wytłumacz, na czym polega biologiczne oddziaływanie promieniowania jądrowego.
Uzasadnij konieczność rozróżniania dawki pochłoniętej i dawki skutecznej.
Często stosuje się pojęcie mocy dawki, czyli dawki otrzymanej w jednostce czasu, np. w ciągu godziny. Podaj jednostkę mocy dawki oraz wzór pozwalający wyznaczyć dawkę całkowitą za pomocą mocy dawki i czasu napromieniania.
Opisz wybrane zastosowanie promieniowania jądrowego.
Uzasadnij, dlaczego ochrona przed promieniowaniem jonizującym jest inna niż przed strumieniem neutronów.