11.7: Виявлення та вимірювання випромінювання
- Page ID
- 21895
Цілі навчання
- Визначте одиниці вимірювання радіаційного опромінення
Радіоактивність визначається шляхом вимірювання кількості процесів розпаду в одиницю часу. Мабуть, найпростіший спосіб - це просто визначити кількість лічильників/хвилину, при цьому кожен підрахунок вимірює один процес розпаду, такий як викид\(\alpha\) -частинки. Конкретний ізотоп може мати активність 5,000 рахунків/хвилину в\(\left( \text{cpm} \right)\) той час як інший ізотоп може мати тільки\(250 \: \text{cpm}\). Величина активності дає грубу вказівку на кількість присутнього радіоізотопу - чим вище активність, тим більше радіоактивного ізотопу в зразку.
Вимірювання впливу радіоактивності важливо для тих, хто має справу з радіоактивними матеріалами на регулярній основі. Мабуть, найпростішим приладом є персональний дозиметр - плівковий значок, який буде запотівати при впливі випромінювання (рис.\(\PageIndex{1}\)). Кількість запотівання пропорційна кількості присутнього випромінювання. Ці пристрої не дуже чутливі до низьких рівнів випромінювання. Більш чутливі системи використовують кристали, які певним чином реагують на радіоактивність, реєструючи кількість викидів за даний час. Ці системи, як правило, більш чутливі та надійніші, ніж плівкові значки.
Коли альфа, бета- або гамма-частинки стикаються з мішенню, частина енергії в частинці передається мішені, як правило, призводить до просування електрона до «збудженого стану». У багатьох «мішенях», особливо в газах, це призводить до іонізації. Лічильник Гейгера (або лічильник Гейгера-Мюллера) використовує це для виявлення цих частинок (рис.\(\PageIndex{2}\)). У трубці Гейгера електрон, вироблений іонізацією неполоненого газу, рухається до анода і зміна напруги виявляється приєднаною схемою.
Більшість лічильників такого типу призначені для того, щоб видавати чутний «клацання» у відповідь на зміну напруги, а також показувати його на цифровому або аналоговому лічильнику.
Раніше ми використовували масу для позначення кількості присутньої радіоактивної речовини. Однак це лише одна з декількох одиниць, що використовуються для вираження кількості випромінювання. Деякі одиниці описують кількість радіоактивних подій, що відбуваються в одиницю часу, а інші виражають величину опромінення людини. Для вимірювання різних аспектів випромінювання використовуються різноманітні одиниці (табл.\(\PageIndex{1}\)).
| Мета вимірювання | Одиниця | Виміряна кількість | Опис |
|---|---|---|---|
| діяльність джерела | Беккерель (Bq) | радіоактивні розпади або викиди | кількість вибірки, яка зазнає 1 розпад на секунду |
| Кюрі (Ci) | кількість проби, яка проходить\(\mathrm{3.7 \times 10^{10}\; decays/second}\) | ||
| поглинена доза | сірий (Gy) | енергія, що поглинається на кг тканини | 1 Гр = 1 Дж/кг тканини |
| радіаційна поглинена доза (рад) | 1 рад = 0,01 Дж/кг тканини | ||
| біологічно ефективна доза | Зіверт (Sv) | пошкодження тканин | Sv = РБ × Гб |
| рентгенівський еквівалент для людини (rem) | Рем = RBE × рад |
Рентгеновий еквівалент для людини (rem) - це одиниця радіаційного ураження, яка найчастіше використовується в медицині (1 rem = 1 Sv). Зверніть увагу, що одиниці пошкодження тканин (rem або Sv) включають енергію дози опромінення (rad або Gy) разом з біологічним фактором, який називається RBE (для відносної біологічної ефективності), який є приблизною мірою відносного пошкодження, нанесеного випромінюванням. Вони пов'язані:
\[ \text{number of rems}=\text{RBE} \times \text{number of rads} \label{Eq2}\]
з RBE приблизно 10 для α випромінювання, 2 (+) для протонів і нейтронів і 1 для β і γ випромінювання.
Блок Беккереля
Можливо, прямим способом повідомлення про радіоактивність є кількість радіоактивних розпадів в секунду. Один розпад в секунду називається одним беккерелем (Bq). Однак навіть у невеликій масі радіоактивного матеріалу трапляються тисячі і тисячі розпаду або розпаду в секунду. Беккерель названий на честь Анрі Беккереля, який відкрив радіоактивність в 1896 році.
Одиниця Кюрі
Кюрі\(\left( \text{Ci} \right)\) - одна міра швидкості розпаду (названа на честь П'єра і Марії Кюрі). Одне кюрі еквівалентно\(3.7 \times 10^{10}\) розпадів в секунду. Оскільки це, очевидно, велике і громіздке число, випромінювання часто виражається в мілікуріях або мікрокуріях (все ще дуже великих чисел). Кюрі названо на честь польського вченого Марії Кюрі, яка провела деякі початкові дослідження радіоактивних явищ на початку 1900-х років. Кюрі можна використовувати замість грамів для опису кількості радіоактивного матеріалу. Як приклад, кількість америцію в середньому детекторі диму має активність 0,9 мкCi.
Рентгенська одиниця
Існує багато різних способів вимірювання радіаційного опромінення або дози. Рентген (R), який вимірює кількість енергії, поглиненої сухим повітрям, може бути використаний для опису кількісного впливу. Названий на честь німецького фізика Вільгельма Рентгена (1845—1923; Нобелівська премія з фізики, 1901), який виявив рентгенівські промені. Рентген фактично визначається як кількість випромінювання, необхідне для отримання електричного заряду 2,58 × 10 −4 С в 1 кг сухого повітря. Пошкодження біологічних тканин, однак, пропорційно кількості енергії, що поглинається тканинами, а не повітрям.
Рад блок
Найбільш поширеною одиницею, яка використовується для вимірювання впливу радіації на біологічну тканину, є рад (поглинена радіацією доза); еквівалент СІ - сірий (Gy). Рад визначається як кількість випромінювання, яке призводить до поглинання 0,01 Дж енергії на 1 кг речовини, а сірий визначається як кількість випромінювання, яке призводить до поглинання 1 Дж енергії на кілограм:
\[1\: rad = 0.010 \: J/kg \quad 1\: Gy = 1\: J/kg \label{Eq3}\]
Таким чином, 70 кг людина, яка отримує дозу 1,0 рад над усім тілом, поглинає 0,010 Дж/70 кг = 1,4 × 10 −4 Дж, або 0,14 мДж. Щоб поставити це в перспективі, 0,14 мДж - це кількість енергії, що передається вашій шкірі крапелькою окропу 3,8 × 10 −5 г. Оскільки енергія крапельки води переноситься на відносно велику площу тканини, вона нешкідлива. Радіоактивна частинка, однак, передає свою енергію одній молекулі, що робить її атомним еквівалентом кулі, випущеної з потужної гвинтівки.
Сірий блок
Ще однією одиницею поглинання випромінювання є сірий (Gy):
1 Гр = 100 рад
Рад зустрічається частіше. Щоб отримати уявлення про кількість енергії, яку це представляє, врахуйте, що поглинання 1 рад на 70 000 г H 2 O (приблизно така ж маса, як у 150 фунтів людини) збільшить його температуру лише на 0,002° C Це може здатися не дуже багато, але енергії достатньо, щоб зламати приблизно 1 × 10 21 молекулярні зв'язки С—С в організмі людини. Така сума збитку не була б бажаною.
Одиниця Рем
Оскільки частинки α мають набагато більшу масу і заряд, ніж β частинки або γ промені, різниця в масі між частинками α і β аналогічна удару м'ячем для боулінгу замість м'яча для настільного тенісу, що рухається з однаковою швидкістю. При цьому кількість пошкоджень тканин, спричинених 1 рад α частинок, набагато більше, ніж пошкодження, спричинене 1 радом β частинок або γ променів. Таким чином, одиниця під назвою rem (еквівалент рентгену у людини) була розроблена для опису фактичної кількості пошкодження тканин, спричиненого заданою кількістю випромінювання. Число ремс випромінювання дорівнює числу рад, помноженому на коефіцієнт RBE (відносна біологічна ефективність):
\[em = rad × RBE\]
де RBE - відносний коефіцієнт біологічної ефективності - це число більше або дорівнює 1, що враховує тип радіоактивного випромінювання, а іноді і тип тканини, що піддається впливу. Для бета-частинок коефіцієнт RBE дорівнює 1. Для альфа-частинок, що вражають більшість тканин, коефіцієнт дорівнює 10, а ось для очної тканини - 30. Більшість радіоактивних викидів, які люди піддаються впливу знаходяться на порядку кілька десятків міліремів (мрем) або менше; медичний рентгенівський промінь становить близько 20 мкм.
Підрозділ «Зіверт»
Сіверт (Sv) пов'язаний з одиницею rem і визначається як 100 rem. Оскільки фактичні дози опромінення, як правило, дуже малі, більшість вимірювань повідомляється в міліремах (1 мрем = 10 −3 rem).
Оцінка впливу радіаційного опромінення
Одним з найбільш спірних питань державної політики, що обговорюються сьогодні, є те, чи становить радіаційне опромінення штучних джерел у поєднанні з впливом природних джерел значний ризик для здоров'я людини. Вплив разових доз опромінення різної величини на людину наведено в табл\(\PageIndex{2}\). Через безліч факторів, що беруть участь у радіаційному опроміненні (тривалість опромінення, інтенсивність джерела, енергія та тип частинки), важко кількісно оцінити конкретні небезпеки одного радіоізотопу проти іншого. Тим не менш, деякі загальні висновки щодо впливу радіаційного опромінення загальноприйняті як дійсні.
| Доза (rem) | Симптоми/Ефекти |
|---|---|
| < 5 | відсутність спостережуваного ефекту |
| 5—20 | можливі хромосомні пошкодження |
| 20—100 | тимчасове зниження кількості лейкоцитів |
| 50-100 | тимчасова стерильність у чоловіків (до року) |
| 100—200 | легка променева хвороба, блювота, діарея, втома; імунна система пригнічена; ріст кісток у дітей затриманий |
| > 300 | постійна стерильність у жінок |
| > 500 | летальний результат до 50% протягом 30 днів; руйнування кісткового мозку і кишечника |
| > 3000 | смертельний протягом декількох годин |
Дози опромінення 600 rem і вище незмінно смертельні, тоді як доза 500 rem вбиває половину опромінених протягом 30 днів. Менші дози (≤ 50 rem), здається, викликають лише обмежені наслідки для здоров'я, хоча вони відповідають десяткам років природного випромінювання. Однак це не означає, що такі дози не мають негативних наслідків; вони можуть спричинити довгострокові проблеми зі здоров'ям, такі як рак або генетичні зміни, які впливають на потомство. Можливі згубні наслідки набагато менших доз, що відносяться до штучних джерел (< 100 мрем/рік), важче оцінити.
Тканини, які найбільше постраждали від великого впливу всього тіла, - це кістковий мозок, кишкова тканина, волосяні фолікули та репродуктивні органи, всі вони містять швидко діляться клітини. Сприйнятливість швидко діляться клітин до радіаційного опромінення пояснює, чому рак часто лікується радіацією. Оскільки ракові клітини діляться швидше, ніж звичайні клітини, вони переважно руйнуються радіацією. Тривалі дослідження радіаційного опромінення на плодових мух показують лінійну залежність між кількістю генетичних дефектів і величиною дози та часом експозиції. Навпаки, подібні дослідження на мишах показують набагато меншу кількість дефектів, коли задана доза опромінення поширюється протягом тривалого періоду часу, а не отримується відразу. Що з двох може бути застосовано до людини?
Згідно з однією гіпотезою, миші мають дуже низький ризик від низьких доз, оскільки їхні тіла мають способи боротьби зі шкодою, спричиненою природним випромінюванням. При набагато більш високих дозах, однак, їх природні механізми відновлення перевантажені, що призводить до незворотних пошкоджень. Оскільки миші біохімічно набагато більше схожі на людину, ніж дрозофіли, багато вчених вважають, що ця модель стосується і людини. На відміну від цього, лінійна модель передбачає, що все опромінення є іскрозним і говорить про необхідність жорсткого регулювання низького рівня радіаційного опромінення. Який вид більш точний? Відповідь - хоча ще невідома - має надзвичайно важливі наслідки для регулювання радіаційного опромінення.
Резюме
Одиницею СІ для швидкості радіоактивного розпаду є беккерель (Bq), з 1 Bq = 1 розпаду в секунду. Кюрі (Ci) і мілікюрі (MCi) є набагато більшими одиницями і часто використовуються в медицині (1 кюрі = 1 Ci\(3.7 \times 10^{10}\) = розпади в секунду). Одиницею СІ для вимірювання дози опромінення є сіра (Gy), при цьому 1 Гр = 1 Дж енергії, що поглинається на кілограм тканини. У медичних додатках частіше використовується поглинена радіацією доза (рад) (1 рад = 0,01 Гр; 1 рад призводить до поглинання 0,01 Дж/кг тканини). Одиницею СІ, що вимірює пошкодження тканин, спричинене випромінюванням, є зіверт (Sv). При цьому враховуються як енергетичні, так і біологічні ефекти типу випромінювання, що беруть участь в дозі опромінення.