Z pewnością obiły Ci się o uszy nazwy takie jak grej, siwert czy rad. Najprawdopodobniej kojarzysz je z promieniotwórczością - i słusznie. Warto jednak dowiedzieć się, co one dokładnie znaczą.
Wszystkie poprzednie nazwy są nazwami jednostek związanymi z mierzeniem różnych wielkości dotyczących promieniowania jonizującego. Najważniejsze wielkości związane z promieniowaniem to:
- Aktywność promieniotwórcza (A [Bq])
- Napromienienie (X [C/kg])
- Dawka pochłonięta (D [Gy])
- Odpowiednik dawki pochłoniętej (H [Sv])
Aktywność
Aktywność promieniotwórcza jest miarą radioaktywności próbki materiału promieniotwórczego, mierzoną w częstotliwości zachodzących rozpadów promieniotwórczych w jednostce czasu. Jako wielkość fizyczną oznacza się ją literą A.
A - aktywność próbki; n - liczba rozpadów; t - jednostka czasu
m - masa izotopu promieniotwórczego w próbce; nA - liczba Avogadra; M - masa molowa izotopu promieniotwórczego; τ1/2 - okres półtrwania izotopu
Pierwszą jednostką aktywności był curie (Ci). Próbka o aktywności 1 curie była zdefiniowana jako próbka ulegająca rozpadowi z taką szybkością, jak 1 gram radu. Obecnie jednak definicja jest bardziej precyzyjna - 1 curie to aktywność próbki, w której następuje 3,7 · 1010 rozpadów na sekundę. W systemie SI jednostką aktywności jest bekerel (Bq), który odpowiada jednemu rozpadowi promieniotwórczemu na sekundę (1 · s-1). Bekerel jest jednostką bardzo małą, dlatego częściej używa się jednostek wielokrotnych, takich jak MBq, GBq, TBq czy PBq.
1 Ci = 37 GBq
Aktywność promieniotwórcza rzecz jasna może odnosić się tylko do określonej próbki badanej w określonym czasie, ponieważ wielkość ta zmienia się z czasem.
Aktywność promieniotwórczą danej próbki możemy łatwo obliczyć, znając jej skład izotopowy i okresy półtrwania poszczegółnych izotopów. W tym celu pierwszą rzeczą jest zamiana okresu półtrwania na sekundy. Jeśli podany jest on w latach, mnożymy go przez 31555008 (= 365,22 · 24 · 60 · 60), jeśli w dniach - przez 86400. Następnie obliczamy stałą rozpadu λ :
λ = ln 2 / τ1/2
gdzie τ1/2 oznacza okres półtrwania w sekundach. Następnie, aby otrzymać aktywność pojedyńczego izotopu wchodzącego w skład próbki, Mnożymy otrzymaną masę przez liczbę atomów danego izotopu występujących w próbce. Liczba atomów izotopu jest równa jest masie izotopu w próbce podzielonej przez jego liczbę masową i pomnożonej przez liczbę Avogadra (6,02 · 1023). Sumaryczną aktywność próbki obliczamy dodając wartości otrzymane dla pojedyńczych izotopów.
Przykładowe aktywności promieniotwórcze najważniejszych radionuklidów
Wartość aktywności podana w trzeciej kolumnie to aktywność molowa (aktywność jednego mola nuklidu), a podana w czwartej - aktywność jednego grama nuklidu.
| Nuklid | Okres półtrwania* | λ (s-1) | Aktywność (mol-1 · s-1) | Aktywność (g-1 · s-1) |
|---|---|---|---|---|
| 14C | 5715 a | 3,84 · 10-12 | 2312 GBq | 165 GBq |
| 40K | 1,26 · 109 a | 1,74 · 10-17 | 10478 kBq | 262 kBq |
| 90Sr | 29,2 a | 7,52 · 10-10 | 453 TBq | 5032 GBq |
| 131I | 8,070 d | 9,94 · 10-7 | 599 PBq | 4569 TBq |
| 137Cs | 30,0 a | 7,32 · 10-10 | 441 TBq | 3219 GBq |
| 222Rn | 3,823 d | 2,10 · 10-6 | 1264 PBq | 5692 TBq |
| 226Ra | 1599 a | 1,37 · 10-13 | 8268 GBq | 36585 kBq |
| 238U | 4,47 · 109 a | 4,91 · 10-18 | 2959 MBq | 12434 Bq |
| 244Pu | 8,00 · 107 a | 2,75 · 10-16 | 165 MBq | 678 kBq |
*) d = dzień, a = rok
Napromienienie
Napromienienie (napromieniowanie) jest miarą jonizacji powietrza, a co za tym idzie energii pochodzącej od promieniowania gamma i X pochłoniętej przez powietrze. Oznacza się ją literą X.
X - napromienienie; q - ładunek obecnych jonów; m - masa badanego powietrza
Tradycyjna jednostka promieniowania - rentgen (R) - jest określona jako ilość energii fotonowej potrzebnej do wytworzenia 1,610 · 1012 par jonów w 1 cm3 suchego powietrza w temperaturze 0°C. Jednostką układu SI dla napromienienia jest kulomb na kilogram (C · kg-1, C/kg).
1 C · kg-1 = 3875,97 R
Napromienienie można łatwo zmierzyć, jednak jego wielkość dostarcza niewielu informacji o potencjalnych efektach promieniowania dla człowieka. Ponadto wielkość ta nie uwzględnia promieniowania o energii mniejszej od 3 MeV, gdyż promieniowanie o niższej energii nie powoduje powstawania jonów przy przechodzeniu przez powietrze.
Dawka pochłonięta
Dawka pochłonięta to energia zaabsorbowana przez dany obiekt (np. organizm żywy, budowlę itp.) na jednostkę masy w postaci promieniowania. Dawkę pochłoniętą oznacza się literą D.
D - dawka pochłonięta; E - energia promieniowania pochłoniętego przez ciało; m - masa ciała
Tradycyjną jednostką dawki pochłoniętej jest rad, który odpowiada pochłonięciu energii 100 ergów przez 1 gram materii. Jednostką SI jest grej (Gy), który odpowiada pochłonięciu energii 1 J przez 1 kg materii.
1 Gy = 100 rad
Dawka pochłonięta jest wielkością fizyczną, lecz nie uwzględnia różnego wpływu różnych rodzajów promieniowania i różnych wrażliwości poszczególnych części ciała. Z tego powodu rzadko używa się ją do mierzenia promieniowania. Użyta jest jednak w definicji niewielkiej dawki promieniowania, która jest rozumiana dwojako:
- Dawka, przy której nie da się jeszcze wykryć złego wpływu na stan zdrowotny człowieka (200 mGy)
- Dawka niższa od średniego światowego tła naturalnego (5 mGy)
Za pomocą dawki pochłoniętej mierzy się także tło naturalne, przy czym wyraża się je w mGy/a (miligrejach na rok) lub μGy/a (mikrogrejach na rok). Może ono być różne w zależności od miejsca.
Przykładowe tła naturalne
| Ramsar, Iran | 10,2 mGy/a |
| Guarapari, Brazylia | 5,5 mGy/a |
| Kerala, Indie | 3,8 mGy/a |
| Yangjiang, Chiny | 3,51 mGy/a |
| Hongkong, Chiny | 670 μGy/a |
| Norwegia | 630 μGy/a |
| Francja | 600 μGy/a |
| Chiny | 540 μGy/a |
| Włochy | 500 μGy/a |
| Indie | 480 μGy/a |
| Niemcy | 480 μGy/a |
| Japonia | 430 μGy/a |
| USA | 400 μGy/a |
| Austria | 370 μGy/a |
| Irlandia | 360 μGy/a |
| Dania | 330 μGy/a |
Dawka równoważna
Dawka równoważna nie jest jednostką fizyczną, lecz toksykologiczną. Jest używana do mierzenia promieniowania pod względem efektów wywoływanych w organizmach żywych. Oznacza się ją literą H. W równaniu tym D jest równe dawce pochłoniętej wyrażonej w grejach, Q to mnożnik zależny od rodzaju promieniowania, a N od typu gatunku organizmu i napromieniowanej części ciała. W przypadku napromieniowania wielu części ciała całkowita dawka równoważna (nazywana dawką skuteczną) jest równa sumie dawek równoważnych dla poszczególnych części ciała. Jednostką dawki równoważnej i skutecznej jest siwert (Sv). Wymiarem siwerta jest m2 · s2 (J · kg-1) - tak samo jak w przypdaku dawki pochłoniętej Aby odróżnić dawkę równoważną i skuteczną od dawki pochłoniętej należy wyrażać ją w odpowiednich jednostkach (siwertach i grejach). Dawniej jako jednostkę dawki równoważnej stosowano także rem. 1 Sv = 100 rem Przyjęcie w krótkim okresie czasu dawki 1 Sv promieniowania prowadzi do zmian w krwi. Dawka 2-5 Sv powoduje wymioty, zaczerwienie skóry, biegunkę i objawy zatrucia. Dawka 6 Sv zazwyczaj powoduje śmierć w ciągu 2 miesięcy od jej przyjęcia.
Wartości Q dla różnych rodzajów promieniowania
| Rodzaj promieniowania | Q |
|---|---|
| Fotony (o dowolnej energii) | 1 |
| Elektrony i muony (o dowolnej energii) | 1 |
| Neutrony, energia < 10 keV | 5 |
| Neutrony, energia 10-100 keV | 10 |
| Neutrony, energia 100 keV - 2 MeV | 20 |
| Neutrony, energia 2-20 MeV | 10 |
| Neutrony, energia > 20 MeV | 5 |
| Protony, energia > 2 MeV | 5 |
| Cząstki alfa i inne jądra atomowe | 20 |
Wybrane wartości N
| Tkanka / organ / organizm | N |
|---|---|
| Tkanki i organy ludzkie | |
| Gonady | 0,20 |
| Jelito grube, płuca, szpik kostny, żołądek | 0,12 |
| Jelito cienkie, macica, mięśnie, mózg, nerki, pęcherz moczowy, piersi, przełyk, śledziona, tarczyca, trzustka, wątroba |
0,05 |
| Skóra, powierzchnia kości | 0,01 |
| Całe organizmy | |
| Bakterie, pierwotniaki | 0,03-0,0003 |
| Owady | 0,1-0,002 |
| Mięczaki | 0,06-0,006 |
| Rośliny | 2-0,02 |
| Ryby | 0,75-0,03 |
| Płazy | 0,4-0,14 |
| Gady | 1-0,075 |
| Ptaki | 0,6-0,15 |
| Człowiek | 1 |