Tagi


Archiwa


Zaprzyjaźnione


/ 12

Artykuły

Złowieszczy pik-pik. O promieniowaniu i jego detekcji

1st Maj '16

Prosty sygnał polegający na przyśpieszających piknięciach lub trzaskach towarzyszy nauce oraz popkulturze od dziesięcioleci. Każdy kto oglądał materiały filmowe z Czarnobyla lub miał do czynienia z grami serii Fallout bądź STALKER, doskonale wie, że ten charakterystyczny dźwięk zwiastuje niewidzialne niebezpieczeństwo.

Promieniowanie po grecku

Na dobry początek warto poznać prze­ciw­nika, a w tym przy­padku przy­biera on róż­no­raką formę. Trzy główne typy pro­mie­nio­wania jakie wystę­pują w przy­ro­dzie – i o których, na pewno czy­tel­niku sły­szałeś – ozna­czamy pierw­szymi literami alfabetu grec­kiego. Mamy więc pro­mienie alfa, beta oraz gamma. Te pierwsze są rów­no­ważne stru­mie­niowi cząstek alfa, zaś cząstki alfa to po prostu zlepki dwóch protonów i dwóch neu­tronów. Jeżeli masz jakie­kol­wiek obycie w chemii lub fizyce, to praw­do­po­dobnie spo­strze­głeś, że taka zbitka nukle­onów jest niczym innym niż jądrem atomowym helu. Innymi słowy, skubiąc hel z elek­tronów otrzy­mu­jemy cząstki alfa. To pospo­lity rodzaj pro­mie­nio­wania, ale naprawdę łatwy do zatrzy­mania – nawet przez kartkę papieru czy ludzką dłoń.

Nieco gorzej wygląda sytuacja z pro­mie­nio­wa­niem beta. Prze­niknie ono przez więk­szość cienkich prze­szkód, ale już betonowa ściana czy kawałek blachy powinny nas uchronić. Cząstki beta są cie­kawsze, bo zali­czamy doń zarówno swo­bodnie pędzące z impetem elek­trony jaki ich anty­cząstki, czyli pozytony. 

alfa beta gammaNa koniec pozo­staje nam naj­groź­niejsze pro­mie­nio­wanie gamma. Nie składa się ono z cząstek budu­ją­cych materię, tak jak powyższe, lecz z wyso­ko­ener­ge­tycz­nych fotonów. W rzeczy samej, pro­mienie gamma to forma fali elek­tro­ma­gne­tycznej, o bardzo krótkiej długości i olbrzy­miej czę­sto­tli­wości. Jednak naj­waż­niejsze co należy o nim wiedzieć, to fakt, że promień gamma może powstrzymać jedynie solidna ściana stali i ołowiu. Niewiele mniej pro­ble­ma­tyczne wydaje się pro­mie­nio­wanie X, o nieco dłuższej długości fali. Nie­przy­pad­kowo kierując się do szpitala celem prze­świe­tlenia uszko­dzonej kończyny, więk­szość Twojego ciała pie­lę­gniarka przy­krywa płachtą obszytą ołowiem.

Prosty pomysł Geigera i Müllera

Wszystkie trzy rodzaje pro­mie­nio­wania potrafią nam poważnie zaszko­dzić, zwłaszcza w nad­miarze. Na nasze szczę­ście mają one wspólną wła­ści­wość, umoż­li­wia­jącą sto­sun­kowo proste wykrycie ich obec­ności. Mia­no­wicie, bez względu na to czy prze­strzeń prze­mie­rzają swobodne jądra helu, elek­trony, pozytony, pro­mienie gamma, czy Röntgena; będą one wchodzić w inte­rakcję z napo­tka­nymi atomami. Cząstka pro­mie­nio­wania ude­rzając z impetem w atom wybija z niego elektron, w wyniku czego traci on rów­no­wagę elek­tryczną zamie­niając się w jon. Z tego powodu, pro­mie­niowe alfa, beta i gamma możesz śmiało określać zbiorczą nazwą pro­mie­niowań joni­zu­ją­cych.

Z tej cechy radiacji fizycy zdali sobie sprawę bardzo wcześnie i wła­ściwie od końcówki XIX stulecia powsta­wały mniej lub bardziej udane sposoby jej obser­wacji. W pewnym sensie już Henri Becqu­erel, odkrywca pro­mie­nio­twór­czości, dokonał aktu detekcji. Jak głosi legenda, Francuz nie­świa­domie włożył do szuflady z kliszami foto­gra­ficz­nymi grudkę uranu, zauwa­żając później ich zaczer­nienie.
geiger zasada dzialaniaOczy­wi­ście naj­bar­dziej inte­re­su­jącym detek­torem pro­mie­nio­wania, ze względu na swą prostotę, dostęp­ność i nie­za­wod­ność, wydaje się licznik Geigera. Johannes Geiger, choć nigdy nie sięgnął po Nobla, nie­wąt­pliwie należał do naukowej eks­tra­klasy dwu­dzie­sto­lecia mię­dzy­wo­jen­nego. Pracował z takimi figurami jak Ernest Ruther­ford – odkrywca jądra atomu – i James Chadwick, który jako pierwszy uchwycił neutron. Wraz z młodszym kolegą Walterem Müllerem, już w 1928 roku przed­stawił projekt nie­wiel­kiego urzą­dzenia wska­zu­ją­cego na obecność pro­mie­nio­wania joni­zu­ją­cego. Zasada dzia­łania pre­zen­tuje się nastę­pu­jąco. Szczelnie zamknięty pojemnik napeł­niamy gazem – w powyż­szym przy­kła­dzie jest to argon – a w centrum umiesz­czamy anodę, czyli elek­trodę przez którą do urzą­dzenia wpływa prąd. Teraz, gdy przez pojemnik wysta­wimy na dzia­łanie pro­mie­nio­wania, atomy argonu w wyniku joni­zacji zaczną gubić elek­trony, natych­miast wychwy­ty­wane przez anodę. Takie zda­rzenie osta­tecznie spo­wo­duje cha­rak­te­ry­styczne pik­nięcie, toteż im większe natę­żenie pro­mie­nio­wania, tym więcej zjo­ni­zo­wa­nych atomów i częstsze trzaski.

Oczy­wi­ście ten model, choć oddaje istotę rzeczy, pozo­staje uprosz­czony do granic moż­li­wości. W rze­czy­wi­stości wybijane z orbit swoich atomów elek­trony doznają przy­śpie­szenia w polu elek­tro­ma­gne­tycznym, stając się de facto cząst­kami beta i joni­zując kolejne atomy. Mówimy o procesie lawi­nowym. Trwa on jednak tylko ułamek sekundy, bo osa­mot­nione jądra atomowe gazu formują barierę wokół cen­tralnej anody, wyha­mo­wując dalszą joni­zację. Tu z pomocą przy­chodzą ściany pojem­nika pełniące funkcję katody i odcią­ga­jące na boki jądra. Po tym zabawa zaczyna się od początku.

Niebezpieczne siwerty

Otrzy­many w ten sposób impuls jest następnie kon­wer­to­wany w odpo­wiedni sygnał dźwię­kowy oraz wska­zania miernika. Warto zatem wiedzieć, co widoczne na wyświe­tlaczu  liczby dla nas ozna­czają.
Stan­dar­dowy licznik Geigera-Müllera posłu­guje się siwer­tami. To jed­nostka okre­śla­jąca ilość energii nie­sionej przez pro­mie­nio­wanie, pochła­nianej przez tkanki orga­nizmu w relacji do skutków bio­lo­gicz­nych. Jed­nostką tą posłu­guje się również prawo, okre­ślając dawki gra­niczne pro­mie­nio­wania, których dzia­łanie może znieść bez obaw prze­ciętny człowiek. Zgodnie z roz­po­rzą­dze­niem ministra z 2005 roku, nie powin­niśmy wysta­wiać się pro­mie­nio­wanie joni­zu­jące większe niż 20 mSv (mili­si­wertów, czyli tysięcz­nych części siwerta) w skali roku. Należy także unikać radiacji większej niż 0,02 mSv w ciągu godziny, przy czym dla mniej wraż­li­wych części ciała – jak ręce i nogi – tole­rancja ta może być znacznie wyższa. To duże wartości, doty­czące przede wszystkim pra­cow­ników nauko­wych i medycz­nych, wysta­wio­nych na częsty kontakt z pro­mie­nio­twór­czo­ścią. Prze­ciętna osoba wchłonie niewiele ponad to co funduje nam pro­mie­nio­wanie kosmiczne i źródła natu­ralne, czyli 2–3 mSv rocznie.
Istnieją również inne jed­nostki służące do opisu pro­mie­nio­wania. W nie­któ­rych szpi­ta­lach możecie usłyszeć o remach. Rem jest abso­lutnie tożsamy z siwertem, lecz sto razy mniejszy i niemodny. Kiedy więc wspo­mniałem, że nie powin­niśmy otrzy­mywać więcej niż 20 mSv rocznie, mógłbym równie dobrze napisać o 2 remach. Nieco inaczej należy rozumieć obecne w układzie SI bekerele i greje. Pierwsza z tych jed­no­stek określa ilość przemian jądro­wych nastę­pu­ją­cych w każdej sekun­dzie. 100 Bq mówi nam, że bryłka pro­mie­nio­twór­czego metalu wypro­mie­nio­wała, dajmy na to 100 cząstek beta w ciągu sekundy. (W ramach cie­ka­wostki warto wymienić zastą­pioną przez bekerela jed­nostkę kiur, ochrzczoną na cześć naszej rodaczki). Grej z kolei dotyczy energii nie­sionej przez pro­mie­nio­wanie. Z 1 Gy mamy do czy­nienia, gdy kilogram materii zaab­sor­buje dawkę pro­mie­nio­wania o energii 1 dżula. Greje przy­po­mi­nają więc siwerty, ale nie biorą pod uwagę w żadnym stopniu różnic między typami pro­mie­niowań, przez co wartość bywa zwod­nicza. Liczniki Geigera muszą przecież uwzględ­niać fakt, że np. strumień cząstek alfa pozo­staje dwu­dzie­sto­krotnie bardziej szko­dliwy dla naszych komórek od cząstek beta o podobnej energii.

Promieniujemy

Aby nie mieszać, pozo­stańmy przy dzia­ła­ją­cych na wyobraźnię siwer­tach. Jeśli wycią­gniesz licznik Geigera w dużym polskim mieście, praw­do­po­dobnie odczy­tasz wartość w gra­ni­cach 0,05–0,15 µSv (mikro­si­werta, milio­nową część siwerta). W bez­po­śred­niej bli­skości sar­ko­fagu czar­no­byl­skiego reaktora nr 4, to samo urzą­dzenie zare­je­stro­wa­łoby radiację na poziomie 3,5–5 µSv. Mowa więc o wie­lo­krotnym prze­kro­czeniu norm, choć należy pamiętać, że już w oko­li­cach Prypeci, na świeżym powie­trzu, pro­mie­nio­wanie nie jest aktu­alnie wiele wyższe niż w War­szawie – z czego radośnie korzy­stają watahy turystów. Rzecz jasna zaraz po kata­strofie sytuacja miała się znacznie gorzej. Wielu likwi­da­torów zostało nara­żo­nych na eks­po­zycję powyżej dwóch siwertów (!), gdzie szybkie wchło­nięcie około 6 Sv, jest w zasadzie rów­no­znaczne z biletem do kostnicy.
zrodla promieniowania2Niemniej, nawet teraz, siedząc w swoim miesz­kaniu, otrzy­mu­jesz pewne dawki pro­mie­nio­wania. Jak wspo­mniałem wcze­śniej, każdy z nas wchłania w ciągu roku średnio dwa, trzy, a nawet więcej mili­si­wertów, i nie ma w tym fakcie niczego nie­po­ko­ją­cego. Tak naprawdę ślady pro­mie­nio­twór­czych pier­wiastków – jak izotopy renu – znaj­dziesz dosłownie wszędzie; w powie­trzu, glebie, poży­wieniu, a nawet w swoim ciele. Na powyż­szej grafice umiej­sco­wiłem naj­waż­niejsze źródła doty­ka­ją­cego nas na co dzień pro­mie­nio­wania tła, ale podane wartości musisz trak­tować jako mocne przy­bli­żenie. Wystarczy abyś należał do nie­szczę­śników często korzy­sta­ją­cych ze służby zdrowia, aby prze­świe­tlenia i skany ciała wyko­rzy­stały w miesiąc Twój roczny „limit bez­pie­czeń­stwa”. Również jeśli jesteś góralem, z racji cieńszej ochrony atmos­fery, niemal na pewno wchła­niasz wie­lo­krotnie więcej pro­mie­nio­wania kosmicz­nego niż miesz­kańcy nizin.

Można się zasta­na­wiać czy spe­cy­fiką Europy nie powinien być zwięk­szony poziom pro­mie­nio­wania po kata­strofie w Czar­no­bylu. Nawet jeśli, to na terenie Polski wartość ta pozo­staje abso­lutnie nie­groźna. W skali glo­balnej, nie mniej szko­dliwe okazały się liczne testy jądrowe ochoczo prze­pro­wa­dzane przez Ame­ry­kanów i Sowietów w latach 50. i 60. ubie­głego stulecia. Jednak nawet ich skutki giną w szumie natu­ral­nych źródeł radiacji.
Literatura uzupełniająca:
W. Mann, S. Garfinkel, Promieniotwórczość i jej badanie, Warszawa 1966;
W. Price, Detekcja promieniowania jądrowego, Warszawa 1960;
C. Sutton, Promieniotwórczość, [w:] Współczesna nauka bez tajemnic, pod red. R. Fifielda, przeł. J. Bieroń, Poznań 2000;
Jak wysoką dawkę promieniowania jesteśmy w stanie przeżyć?, [online: www.elektrosmog.pl/wplyw/jak_wysoka_dawke_promieniowania_jestesmy_w_stanie_przezyc];
Zob. też: Promieniowanie w Prypeci, [online: www.youtube.com/watch?v=rQZ7pHUj23I].
podpis-czarny

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.

  • Sta­ni­sław Mił­kowski

    Gdyby nie obecność pro­mie­nio­wania, ewolucja toczy­łaby się o wiele wolniej. Można więc zary­zy­kować tezę, że ludzie jako gatunek istnieją dzięki pro­mie­nio­waniu. Pro­mie­nio­wanie uszkadza DNA, pro­wa­dząc do mutacji a te powięk­szają znacząco bio­róż­no­rod­ność. Spoj­rzenie na pro­mie­nio­twór­czość jako dawcę życia, jest ciekawe i nie­orto­dok­syjne.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Rze­czy­wi­ście ciekawe. Warto też zauważyć kolejne „widełki”, które umoż­li­wiły bujny rozwój ziem­skiego życia. Być może, rze­czy­wi­ście brak pro­mie­nio­wania spo­wol­niłby procesy ewo­lu­cyjne; z drugiej strony brak magne­tos­fery (jak na Marsie) i bom­bar­do­wanie planety cząst­kami wiatru sło­necz­nego, nie pozwo­liłby ufor­mować się żadnej pro­te­ince. 🙂

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Sta­ni­sław Mił­kowski

        To prawda. Co za dużo, to nie­zdrowo. A naj­lepszy jest złoty środek.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • męczący

    Piszesz że 6 sivertów to bilet na cmentarz. Ale co wła­ściwie o tym decyduje, dlaczego 6 nas zanije a np 3 już nie?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Dobre pytanie. Otóż, pro­mie­nio­wanie joni­zu­jące jest groźne ponieważ dewa­stuje nasze komórki – przy czym różne komórki mają różną wytrzy­ma­łość. Tak naprawdę wiele zależy od szczę­ścia, bo nawet drobne, z pozoru nie­groźne pro­mie­nio­wanie może uszko­dzić komórkę, która da początek nowo­two­rowi. Więcej siwertów oznacza po prostu znacznie większe praw­do­po­do­bień­stwo takiego zajścia. Zaś wspo­mniane 5–6 siwertów to już wartość eks­tre­malna, która z miejsca rozwala komórki szpiku, powo­dując objawy ana­lo­giczne do ostrej bia­łaczki i zgon w ciągu kilku godzin lub dni.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Kuba

        Przy dużych dawkach pro­mie­nio­wania to już nawet nie jest kwestia szpiku czy nowo­tworu. Pro­mie­nio­wanie niszczy komórki powo­dując objawy takie same jak opa­rzenia. Ale te opa­rzenia nie są tylko na zewnątrz, ale w całej obję­tości ciała. Tak jak UV ze słońca parzy skórę, tak prze­ni­kliwe pro­mie­nio­wanie z reaktora parzy wszystkie organy w środku.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Mikołaj

    Świetny artykuł. Nigdzie nie mogłem znaleźć jakiegoś porząd­nego artykułu o tym w jakich jed­nost­kach mierzy się pro­mie­nio­wanie (wszędzie były inne jed­nostki). Świetna robota!

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • krzyszp

    Wspo­mniałbym o pro­jekcie Radioactive@Home…

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • ciekawy nie­zna­nego

    Kilka lat temu miałem obsesje na temat wybuchu w Czar­no­bylu cały czas czytałem o pro­mie­nio­waniu. Więc wyedu­ko­wałem się trochę i ten wpis jest bardzo miłym przy­po­mnie­niem wia­do­mości a także nauka nowych infor­macji. Swoja droga Czar­nobyl o którym często się mówi a cisza jest o Fuku­shimie trochę dziwne bo tamta kata­strofa wcale nie była mała. Czytałem kiedyś o zakła­dach wzbo­ga­cania i prze­twa­rzania uranu gdzie odpady wyrzu­cane były do rzeki i skażenie śro­do­wiska też było bardzo duże i nikt się tym nie przej­mował a ludzie nie mieli świa­do­mości zagro­żenia.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Damian

    Albo wkradł się błąd w jed­nost­kach albo czegoś nie zro­zu­miałem. Zdanie: „to samo urzą­dzenie zare­je­stro­wa­łoby radiację na poziomie 3,5–5 µSv. Mowa więc o wie­lo­krotnym prze­kro­czeniu norm” jest nie­zgodne ze zdaniem „Należy także unikać radiacji większej niż 0,02 mSv w ciągu godziny”. 0,02 mSv = 20µSv, więc 3,5–5µSv nie jest war­to­ścią wie­lo­krotnie większą. Pozdra­wiam.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Mylący skrót myślowy. Chodziło mi o normę, w sensie prze­ciętne, normalne pro­mie­nio­wanie jakie można spotkać w losowym miejscu na świecie. A abs­tra­hując, te 5 µSv – choć nie stanowi jakiegoś wyjąt­ko­wego nie­bez­pie­czeń­stwa – to jednak, obozu w pobliżu sar­ko­fagu bym nie rozbijał. 😉

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Damian

        W takim razie, może rozbijać obóz to nie, ale godzinne oglą­danie wydaje się być sto­sun­kowo bez­pieczne – miło 🙂

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0