Złowieszczy pik-pik. O promieniowaniu i jego detekcji

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.

Rodzaje promieniowania po grecku

Na dobry początek warto poznać prze­ciw­nika, a w tym przy­padku przy­biera on róż­no­raką formę. Trzy główne rodzaje 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, dość 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. 

Na koniec pozo­staje nam naj­groź­niej­szy typ: pro­mie­nie gamma. Nie składają się one z cząstek budu­ją­cych materię, tak jak powyższe, lecz z wyso­ko­ener­ge­tycz­nych fotonów. W rzeczy samej, pro­mie­nio­wa­nie 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. Właśnie dlatego możliwa jest detekcja pro­mie­nio­wa­nia. 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. 

Oczy­wi­ście 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.

Niemniej, nawet teraz, siedząc w swoim miesz­ka­niu, otrzy­mu­jesz pewne dawki różnych rodzajów 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].