Interacțiunea radiațiilor și dozimetrie

Radiațiile ionizante pot desprinde electroni din atomi sau molecule atunci când interacționează cu materia. Dacă aceasta este țesut viu, schimbările pot afecta celulele. Dozimetria urmărește câtă energie este depusă și ce înseamnă expunerea pentru un material sau o persoană. Nu este suficient să spui doar că „există radiație”: trebuie să știi ce fel, câtă, cât timp și ce parte a corpului este expusă.

Activitatea unei surse indică numărul de dezintegrări pe unitatea de timp. Doza absorbită indică energia depusă de radiație pe unitatea de masă a materialului expus. Cele două mărimi au unități diferite, iar trecerea de la activitate la doză cere informații despre radiație, geometrie și interacțiunea cu materia.

Radiațiile alfa, beta și gama interacționează diferit. Particulele alfa depun multă energie pe distanțe scurte și pot fi oprite de materiale subțiri, dar devin deosebit de relevante dacă sursa ajunge în organism. Radiația gama pătrunde mai mult și necesită măsuri de ecranare potrivite. Nici grosimea unui ecran, nici distanța față de sursă nu se aleg printr-o regulă unică pentru toate radiațiile.

În medicină, radiațiile pot ajuta la diagnostic sau tratament, în condiții controlate. Decizia practică privind expunerea aparține specialiștilor. Pentru un elev este important să distingă mărimile fizice, să citească unitățile și să înțeleagă de ce comparația riscurilor cere context.

Detecție. Un contor Geiger–Müller detectează ionizările produse de radiație în gazul din tub, fiecare particulă ionizantă producând un impuls electric numărat de aparat; el indică numărul de particule pe secundă, nu energia lor. Un dozimetru individual urmărește expunerea purtătorului, iar un film fotografic poate înregistra expunerea prin înnegrire. Camera cu ionizare și detectorul cu scintilație măsoară și energia depusă, nu doar numărul de impulsuri.

Efectele interacțiunii radiațiilor cu substanța. Particulele încărcate (alfa, beta) și fotonii gama își cedează energia materiei prin ionizare, adică smulgerea de electroni din atomi și molecule, prin excitarea atomilor și, în final, prin încălzirea ușoară a substanței. Aceleași procese rup legături chimice: în materialele organice se formează radicali liberi, iar în plastic și în sticlă radiația modifică în timp proprietățile materialului, de exemplu sticla se colorează. În țesutul viu, ionizările apar în molecule de apă și în moleculele celulei. Efectul poate fi direct, când este lovită molecula de ADN, sau indirect, prin radicalii liberi formați din apă, care atacă apoi ADN-ul. Celula poate repara leziunile mici, dar leziunile mari o omoară sau o fac să se înmulțească necontrolat. La doze mari, primite într-un timp scurt, apar efecte somatice care se manifestă la persoana expusă, cum sunt arsurile pielii, scăderea numărului de celule din sânge și boala de iradiere, iar gravitatea crește odată cu doza. La doze mici crește doar probabilitatea unor efecte tardive, de exemplu cancerul, iar leziunile din celulele reproductive pot produce efecte genetice, care apar la descendenți.

Mărimi și unități. Doza absorbită este $D=E_{\mathrm{dep}}/m$ și se exprimă în gray, $1\mathrm{Gy}=1\mathrm{J}\mathrm{k}{\mathrm{g}}^{-1}$. Doza echivalentă este $H=w_{R}D$ și se exprimă în sievert, $1\mathrm{Sv}=1\mathrm{J}\mathrm{k}{\mathrm{g}}^{-1}$; factorul de ponderare radiologică $w_R$ ține seama de tipul radiației: este $1$ pentru fotoni (raze X și gama) și electroni, $2$ pentru protoni și $20$ pentru particule alfa, care produc ionizare densă. Doza efectivă este suma dozelor echivalente pe organe înmulțite cu factorii de ponderare tisulară $w_T$, care reflectă sensibilitatea diferitelor țesuturi. Dacă $0,004\mathrm{J}$ se depun uniform în $2\mathrm{kg}$ de material, $D=0,002\mathrm{Gy}$. Această valoare singură nu determină un efect biologic precis; trebuie cunoscute distribuția, tipul radiației și condițiile expunerii. Activitatea în Bq nu se convertește direct în Gy fără geometrie și interacțiuni.

Protecția. Se organizează prin trei mijloace: reducerea timpului de expunere, mărirea distanței față de sursă și alegerea unei ecranări potrivite tipului și energiei radiației. Pentru o sursă punctiformă, intensitatea radiației scade cu pătratul distanței. Un strat de ecranare cu grosimea de înjumătățire reduce intensitatea gama la jumătate, iar $n$ astfel de straturi o reduc de $2^n$ ori. Limita anuală de doză efectivă pentru public este de $1\mathrm{mSv}$ peste fondul natural, iar pentru lucrătorii expuși profesional este de $20\mathrm{mSv}$ pe an, în medie pe cinci ani consecutivi; fondul natural de radiații este în medie de câțiva mSv pe an.

Exemplu rezolvat 1 — doza absorbită și doza echivalentă. Un țesut de masă $m=0,50\mathrm{kg}$ absoarbe energia de radiație $E=2,0\mathrm{mJ}=0,002\mathrm{J}$.

1. Doza absorbită este $D=E/m=0,002/0,50=0,004J/kg=4\mathrm{mGy}$.
2. Dacă radiația este fotonică, cu factor de ponderare radiologică $w_R=1$, doza echivalentă este $H=w_{R}D=4\mathrm{mSv}$.
3. Pentru o radiație cu alt factor, aceeași energie absorbită nu înseamnă aceeași doză echivalentă.

Exemplu rezolvat 2 — aceeași doză absorbită, alt tip de radiație. Un țesut pulmonar primește o doză absorbită $D=2,0\mathrm{mGy}$ de la particule alfa ($w_R=20$), apoi aceeași doză de la raze gama ($w_R=1$).

1. Pentru radiația alfa, $H_{\alpha }=20\cdot 2,0=40\mathrm{mSv}$.
2. Pentru radiația gama, $H_{\gamma }=1\cdot 2,0=2,0\mathrm{mSv}$.
3. Efectul biologic probabil este de $20$ de ori mai mare în primul caz, deși energia depusă pe kilogram este aceeași; de aceea sursele alfa sunt periculoase mai ales dacă sunt inhalate sau ingerate.

Exemplu rezolvat 3 — timp, distanță, ecran. O sursă gama punctiformă produce la $1,0\mathrm{m}$ un debit al dozei de $80\mu Sv/h$. O persoană rămâne $2,0$ ore la $4,0\mathrm{m}$ distanță.

1. Distanța fiind de patru ori mai mare, debitul scade de $4^2=16$ ori: $80/16=5,0\mu Sv/h$.
2. În două ore, doza este $5,0\cdot 2,0=10\mu \mathrm{Sv}$.
3. Dacă între sursă și persoană se montează un ecran cu două grosimi de înjumătățire, doza scade de $2^2=4$ ori, la $2,5\mu \mathrm{Sv}$.

Greșeli frecvente

• Greșit: a folosi Bq și Gy ca și cum ar măsura aceeași mărime.
  Corect: Bq măsoară activitatea (dezintegrări pe secundă), Gy doza absorbită (J/kg).
• Greșit: a deduce riscul numai din existența unei surse, ignorând expunerea.
  Corect: riscul depinde de doza primită (tip de radiație, distanță, durată, ecranare).
• Greșit: a crede că orice ecran oprește la fel radiațiile alfa, beta și gama.
  Corect: radiația alfa e oprită de o foaie de hârtie, beta de câțiva milimetri de aluminiu, gama e doar atenuată de straturi groase de plumb sau beton.
• Greșit: la aceeași doză absorbită, orice radiație produce același efect biologic.
  Corect: efectul depinde de tipul radiației, pentru că radiația alfa produce ionizări foarte dese și deci leziuni mai grave; de aceea se folosește doza echivalentă, în sievert.

Înainte și după