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. 

Rodzaje promieniowania jonizującego: alfa, beta i gamma

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.

Detekcja promieniowania jonizującego przez licznik Geigera

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.

Liczniki Geigera posługują się siwertami

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.

Detekcja promieniowania jonizującego

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.

Źródła promieniowania wokół nas

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].
Nobel za optyczną pęsetę – krótko i niezbyt przejrzyście TBBT: 7 poważnych pytań postawionych w niepoważnym serialu 5 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o misji statku Crew Dragon