Radiación: unidades



Con casi todas las conversaciones sobre la radiactividad con un laico, resulta que el interlocutor tiene, en un grado u otro, una vaga idea de unidades de medida. Entonces, cuando publiqué un artículo sobre el laboratorio radioquímico, uno de los lectores se quejó conmigo en la tarde de que tenía muchas unidades encontradas en libros y artículos sobre radioactividad: rayos X, rems, rems, alegres, grises, sievert, curie, becquerel e incluso equivalentes de gramo de radio: mi cabeza da vueltas y me pide que escriba al respecto. Cumplo su pedido.

Sí, en KDPV - cónyuges Maria Sklodovskaya-Curie y Pierre Curie.

Un poco de historia


En 1895, Wilhelm Konrad Roentgen descubri√≥ la radiaci√≥n que ten√≠a propiedades sorprendentes: actuando como la luz en las placas fotogr√°ficas y excitando el brillo de las pantallas luminiscentes, penetraba f√°cilmente a trav√©s de obst√°culos opacos. No pas√≥ mucho tiempo, result√≥ que la fuente de dicha radiaci√≥n no es solo un tubo de Crookes que funciona, como en los experimentos de rayos X, sino tambi√©n sustancias que contienen uranio, que, adem√°s, emiten esta radiaci√≥n de forma continua, invariable y sin ning√ļn suministro de energ√≠a. desde el exterior Esto fue seguido literalmente por una avalancha de descubrimientos. El descubrimiento de radio, polonio y luego un mont√≥n de nuevos elementos radiactivos, estableciendo la conexi√≥n de la desintegraci√≥n radiactiva con la conversi√≥n de un elemento a otro, las primeras reacciones nucleares llevadas a cabo ... En general, el experimento sorprendentemente simple de Becquerel con sal de uranio en una placa fotogr√°fica envuelta en papel negro literalmente imprimi√≥ un "pote- no cocine ‚ÄĚnuevo conocimiento. La conversaci√≥n sobre estos descubrimientos es el tema de otro art√≠culo (y no uno), y ahora solo dir√© que ya en los primeros meses y a√Īos de este "auge del radio", las mediciones no pudieron prescindirse.

El primer dispositivo de medición para determinar la intensidad de la radiación ionizante fue un electroscopio o electrómetro ordinario, que se descargó bajo la influencia de la radiación, y la velocidad de esta descarga fue proporcional a su intensidad. Y el primer estándar fue ...

Miligramo de ampolla de radio como medida de radiactividad


Esta ampolla no solo fue el primer estándar para la calibración de electrómetros y cámaras de ionización, sino que fue una medida de la cantidad de radiactividad. Una propiedad sorprendente del radio era la constancia excepcional de su radiación: su intensidad dependía solo de la cantidad de radio. Por lo tanto, una vez que tomó una muestra de 1 mg de radio y la selló en una ampolla de platino, fue posible no pesar nunca más el radio. Al comparar la intensidad de la radiación gamma de una ampolla de referencia y una muestra colocada en una ampolla con el mismo grosor de pared, fue posible determinar la cantidad de radio con alta precisión. Por lo tanto, las ampollas con radio tomaron su lugar legítimo en las cámaras de pesas y medidas junto a los estándares de metros, kilogramos y caballos esféricos .

Estrictamente hablando, la fuente de radiaci√≥n gamma no es el radio. Y es precisamente con esto que la ampolla sellada era el est√°ndar. El hecho es que el radio-226 no emite rayos gamma durante la descomposici√≥n. Emite una part√≠cula alfa, convirti√©ndose en rad√≥n-222, que luego se llamaba la emanaci√≥n de radio . Este √ļltimo, que tambi√©n es alfa-activo, sufre una serie de desintegraciones con la emisi√≥n de part√≠culas alfa y beta, algunas de las cuales est√°n acompa√Īadas por radiaci√≥n gamma. El rad√≥n no tiene a d√≥nde ir desde una ampolla sellada, y se establece un equilibrio secular entre el radio y sus productos de desintegraci√≥n radiactiva: cu√°nto rad√≥n (y cada miembro posterior de la serie radiactiva) se ha formado, tanta desintegraci√≥n.

Al comparar la radiactividad de otros elementos descubiertos posteriormente con la radiación, comenzaron a utilizar una unidad como el equivalente en miligramos de radio , igual a la cantidad de sustancia radiactiva que proporciona la misma intensidad de radiación gamma que miligramos de radio a la misma distancia.

El equivalente en miligramos de radio, como unidad de radioactividad, tiene el inconveniente obvio de que la radiaci√≥n gamma, en general, es un tipo de efecto secundario de la desintegraci√≥n radiactiva. En muchos casos, est√° ausente o no en cada acto de descomposici√≥n. Por lo tanto, pasamos de comparar las intensidades de radiaci√≥n gamma al concepto de actividad como una medida del n√ļmero de eventos de descomposici√≥n en una preparaci√≥n por unidad de tiempo . El est√°ndar permaneci√≥ en la misma ampolla con radio, y a partir de aqu√≠ apareci√≥ una unidad curie , definida como la actividad de una sustancia radiactiva en la que se descomponen tantos √°tomos por unidad de tiempo (es decir, 3.7 cdot1010piezas), cu√°ntos √°tomos de radio-226 se descomponen en un gramo.

La unidad curie ahora se considera obsoleta, como todas las unidades que no son del sistema. En el sistema SI, el becquerel lo reemplaza: esta es la actividad de la droga, en la cual ocurre en promedio una descomposici√≥n por segundo. Por lo tanto, 1 Ki = 3.7 cdot1010Bq.

Electrómetro y dosis de exposición


El primer dispositivo para medir la intensidad de la radiaci√≥n radiactiva, como dije, fue un electr√≥metro, que se descarg√≥ bajo la influencia de los rayos de radio. Se convirti√≥ en el precursor de la c√°mara de ionizaci√≥n, una c√°mara con dos electrodos con carga opuesta, lo que permiti√≥ determinar la cantidad de iones formados en el aire que llena la c√°mara. Estos iones en un campo el√©ctrico dentro de la c√°mara de ionizaci√≥n comienzan a moverse hacia los electrodos y, una vez que los alcanzan, los descargan. La magnitud de la disminuci√≥n en la carga de los electrodos puede determinar el n√ļmero de pares de iones que se forman en el aire bajo la influencia de la radiaci√≥n. Y midiendo la corriente que fluye a trav√©s de la c√°mara en el circuito de una fuente de voltaje externa, puede determinar el n√ļmero de pares de iones generados en la c√°mara por unidad de tiempo, proporcional a la intensidad de la radiaci√≥n.

El valor as√≠ medido se llam√≥ dosis de exposici√≥n de la radiaci√≥n. Y la unidad de medida era la radiograf√≠a . A una dosis de exposici√≥n de 1 radiograf√≠a en un cent√≠metro c√ļbico de aire seco, se forma una unidad de HSE ( 3.33‚čÖ10‚ąí10C) carga de cada uno de los iones, que corresponde a 2,082 cdot109pares de iones Por cierto, nuestra referencia de 1 mg de radio en una ampolla de platino a una distancia de 1 cm durante una hora crea una dosis de exposici√≥n de 8.4 rayos X (generalmente en este caso dicen que la tasa de dosis de exposici√≥n es 8.4 R / h).

No hay una unidad especial de dosis de exposici√≥n en el sistema SI y la unidad es colgante por kilogramo. 1 C / kg = 3875.97 R. Sin embargo, en la actualidad esta unidad se usa muy raramente debido al rechazo del concepto mismo de dosis de exposici√≥n. La raz√≥n de esta falla es que esta cantidad f√°cilmente medible es de poca utilidad para la aplicaci√≥n pr√°ctica. Por lo general, no estamos interesados ‚Äč‚Äčen cu√°ntos iones se formaron en el aire, sino en la acci√≥n que irradiaba la sustancia o el tejido vivo.

Dosis absorbida


La idea de considerar la energía absorbida en esta sustancia como una medida del efecto de la radiación radiactiva en una sustancia es bastante obvia. Esta es la dosis absorbida , cuya medida es la energía de radiación absorbida por una unidad de masa de la sustancia. La unidad de medida de la dosis absorbida en SI es gris : 1 Gy = 1 J / kg. Anteriormente, se utilizaba otra unidad, me alegro . 1 rad = 100 erg / g = 0.01 Gy. A una dosis de exposición de 1 P, la dosis absorbida en el aire es de 0,88 rad. En la mayoría de los casos, estos 0.88 se redondean a la unidad, lo que equivale a rad a rayos X (aunque en realidad son cantidades físicas diferentes), y gris (y sievert, que se describe a continuación) a 100 rayos X.

Pero la dosis en varias sustancias a la misma dosis de exposici√≥n ser√° diferente seg√ļn el tipo y la energ√≠a de la radiaci√≥n y las propiedades del absorbente. Es por esta raz√≥n que ahora se ha abandonado el concepto de dosis de exposici√≥n. En la pr√°ctica, es mucho m√°s correcto medir no la dosis de exposici√≥n, sino tomar un detector cuyo n√ļmero at√≥mico promedio es igual al n√ļmero at√≥mico promedio de tejido biol√≥gico (en este caso hablamos de un detector equivalente de tejido ) y medir la dosis absorbida en √©l. Luego, con cierto grado de precisi√≥n, se puede suponer que la dosis absorbida en el detector ser√° igual a la dosis absorbida en el tejido biol√≥gico.

Todo tipo de dosis diferentes.


Pero resulta que diferentes tipos de radiaci√≥n radioactiva act√ļan de manera diferente en el tejido vivo. La radiaci√≥n alfa, los protones y los neutrones a la misma dosis absorbida le causan mucho m√°s da√Īo que la radiaci√≥n gamma y las part√≠culas beta. En este sentido, junto con la dosis absorbida, surge otro tipo de dosis: la dosis equivalente . Es igual a la dosis de radiaci√≥n gamma, que causa el mismo efecto biol√≥gico que la dosis de esta radiaci√≥n.
La unidad de dosis equivalente es sievert . La unidad anterior de la dosis equivalente es el equivalente biológico de rayos X o rem , en inglés REM (a veces en la literatura y los radiólogos traducidos puede encontrar la unidad "rem", este es el mismo rem). 1 Sv = 100 rem.

Para traducir la dosis absorbida en el equivalente, debe multiplicar la dosis absorbida por el llamado factor de calidad . Este coeficiente para fotones, electrones y muones es igual a la unidad, para part√≠culas alfa se supone que es igual a 20, para protones seg√ļn diversas fuentes es de 2 a 5, y para neutrones depende mucho de la energ√≠a, llegando a 20 en el rango de energ√≠a de 100 keV a 2 MeV ( ver foto).



Adem√°s del equivalente, tambi√©n se considera una dosis efectiva. Tiene en cuenta no solo un grado diferente de da√Īo de la radiaci√≥n, sino tambi√©n un grado diferente de da√Īo de la irradiaci√≥n de una u otra parte del cuerpo u √≥rgano cuando se irradia no solo todo el cuerpo, sino tambi√©n su parte. Los factores de pesaje se atribuyen a cada tejido y √≥rgano de tal manera que la suma es igual a uno. Con una exposici√≥n uniforme a todo el cuerpo, la dosis efectiva es equivalente. Se mide en las mismas unidades que el equivalente.

Me detendré aquí: no te confundiré y te diré qué es kerma, la dosis equivalente ambiental y muchas cosas más.

¬ŅY c√≥mo se mide todo?


Para medir la dosis de exposición, como dije, debe tomar una cierta cantidad de aire, recolectar los iones formados en ella y determinar su cantidad, que puede resolverse con éxito usando una cámara de ionización. Es sobre la base de las cámaras de ionización que se hizo la mayor parte de los dosímetros acumulativos del tipo "lápiz".

Y para medir la dosis absorbida, debe medir la cantidad de energ√≠a liberada en la sustancia. Y aqu√≠ radica la principal dificultad. La medici√≥n directa de esta energ√≠a es muy dif√≠cil, ya que en la mayor√≠a de los casos es muy peque√Īa. Un gris (y esta es una dosis grave, que ya causa enfermedad por radiaci√≥n) es solo un julio por kilogramo. Si intentamos medir esta dosis, por ejemplo, calorim√©tricamente, por cambio de temperatura, entonces, por ejemplo, el aluminio se calentar√° un poco m√°s de una mil√©sima de grado.

Por lo tanto, todos los métodos para medir la dosis absorbida o su potencia son indirectos. Consisten en el hecho de que observamos un cierto proceso causado por la irradiación y que requiere gastos de energía, y suponemos que la "salida" de este proceso dependerá linealmente de la contribución de energía de la radiación absorbida.

El acto primario de interacción de la radiación ionizante con la materia es casi siempre la ionización misma. Un cuántico de rayos gamma u otra partícula emitida por una sustancia radiactiva generalmente tiene una energía que es mucho más alta que la energía necesaria para arrancar un electrón de un átomo. Por lo tanto, no termina con un solo acto de ionización. A lo largo de toda la trayectoria de la partícula, se generan electrones libres e iones cargados positivamente en la sustancia, cuyas energías generalmente exceden la energía de ionización, lo que lleva al desarrollo de una cascada completa de procesos para la formación de electrones e iones libres, hasta que su energía sea comparable con la energía del enlace químico , con las primeras energías de ionización, etc. Y estos electrones e iones ya llevan a cabo directamente el efecto sobre la sustancia característica de los rayos ionizantes: excitan la luminiscencia, inician reacciones químicas, destruyen estructuras biológicas y se convierten en portadores de corriente eléctrica. Tanto su cantidad como su energía total son proporcionales a la dosis absorbida (estrictamente hablando, menos la energía de los electrones que salen de la sustancia), y ya "no saben nada" sobre lo que les dio origen.
Hist√≥ricamente, uno de los primeros dos√≠metros fue una pel√≠cula ordinaria envuelta en un material resistente a la luz. El grado de ennegrecimiento despu√©s de la manifestaci√≥n depende aproximadamente de la dosis absorbida, as√≠ como de la exposici√≥n a la luz visible ordinaria: hay una regi√≥n de dependencia lineal limitada por la flexi√≥n en la regi√≥n de dosis baja y por saturaci√≥n (con posterior solarizaci√≥n - disminuci√≥n de la densidad) en la regi√≥n de dosis alta. La pel√≠cula es un dos√≠metro barato y bastante sensible, pero no muy confiable, ya que peque√Īas desviaciones en los reg√≠menes de tratamiento pueden dar errores notables en la determinaci√≥n de la dosis. La pel√≠cula fotogr√°fica es uno de los primeros representantes de la familia de dos√≠metros qu√≠micos en los que el valor de la dosis est√° determinado por la cantidad de una sustancia formada o consumida durante la reacci√≥n: coloreada, paramagn√©tica o que posee otra propiedad f√°cilmente medible. Puede ser una soluci√≥n en una ampolla que se oscurece o se mancha bajo la influencia de la radiaci√≥n (por ejemplo, debido a la oxidaci√≥n del hierro (II) a hierro (III) con la posterior formaci√≥n de tiocianato rojo de colores brillantes), vidrio o un cristal en el que la llamada radiaci√≥n Defectos que absorben la luz. Los dos√≠metros qu√≠micos permiten determinar la dosis de radiaci√≥n con alta precisi√≥n y dentro de un rango muy amplio, desde aquellos que no causan da√Īo especial a una persona hasta aquellos que lo matan en un minuto. Pero, como regla, no permiten medir la tasa de dosis.

La luminiscencia permite detectar incluso el acto de absorci√≥n de una sola part√≠cula o rayo gamma, lo que provoca la aparici√≥n de un breve destello de luz en el material del detector: centelleo. Este principio se basa en la acci√≥n de los detectores de centelleo, que permiten medir incluso flujos de radiaci√≥n muy d√©biles, que son decenas y cientos de veces m√°s d√©biles que el fondo de radiaci√≥n natural. El sensor de radiaci√≥n de centelleo, a diferencia de los detectores qu√≠micos, le permite determinar la potencia de la dosis absorbida por el detector en tiempo real. Por supuesto, para obtener el valor de dosis, o la tasa de dosis, es necesario no solo contar el n√ļmero de pulsos, sino resumir e integrar la luz emitida por el centelleador.

Un tipo especial de tales detectores son los llamados detectores termoluminiscentes. Utilizan material luminiscente que, en lugar de emitir cada partícula con un destello de luz, retiene las cargas libres formadas por este en forma de defectos reticulados cargados de larga duración. Cuando se calientan, estos defectos "sanan", y los electrones y agujeros liberados se recombinan, transfiriendo energía a los centros de luminiscencia. E integrando el pulso de luz que ocurre cuando se calienta el termoluminóforo, determinaremos la dosis acumulada por él.

Finalmente, podemos "captar" no los efectos secundarios causados ‚Äč‚Äčpor la ionizaci√≥n, sino los iones mismos, al igual que en la c√°mara de ionizaci√≥n, solo esta c√°mara no est√° llena de gas, sino de un semiconductor: germanio, silicio, telururo de cadmio y, finalmente, diamante. La corriente promedio a trav√©s del detector ser√° proporcional a la potencia de la dosis absorbida por √©l.

Pero, ¬Ņqu√© pasa con el conocido contador Geiger? Pero √©l no mide la dosis. Solo puede reaccionar con impulso al paso de part√≠culas a trav√©s de √©l, sin comprender qu√© vol√≥ hacia √©l, ni qu√© tipo de energ√≠a ten√≠a. Es decir, puede medir una caracter√≠stica del flujo de part√≠culas como la fluencia : cu√°ntas part√≠culas volaron a trav√©s de un √°rea determinada. Un detector de centelleo o semiconductor funcionar√° exactamente de la misma manera si solo registramos el hecho de la aparici√≥n de un pulso, ignorando su amplitud.

Dosis en diferentes materiales y trazo con rigidez


En el p√°rrafo sobre la dosis absorbida, mencion√© de pasada que la dosis absorbida por diferentes materiales en el mismo flujo de radiaci√≥n ser√° diferente y depender√° de la energ√≠a de los cuantos y las propiedades de la sustancia. En el caso de la radiaci√≥n gamma, su absorci√≥n est√° determinada por la √ļnica caracter√≠stica del material: el n√ļmero at√≥mico promedio (o efectivo) Zeff. La radiaci√≥n gamma se transfiere a sustancias con el mismo Zeffla misma energ√≠a cuando pasa a trav√©s de una capa con la misma masa por unidad de √°rea. Por lo tanto, un material que tenga la misma composici√≥n at√≥mica bruta que el tejido vivo absorber√° los rayos gamma a cualquier energ√≠a de la misma manera que el tejido vivo, y por lo tanto la dosis absorbida en un detector hecho de este material ser√° igual a la dosis absorbida en el cuerpo humano . Y si hacemos un detector con yoduro de cesio (uno de los centelleadores m√°s utilizados), entonces podemos calibrarlo para cualquier energ√≠a, y en otras energ√≠as yacer√°. Tal cambio en las lecturas de un dispositivo dosim√©trico que depende de la energ√≠a de radiaci√≥n se denomina "accidente cerebrovascular con rigidez" o la dependencia energ√©tica de la sensibilidad a la dosis del detector .



La figura (del New Handbook of a Chemist and Technologist, vol. 11, p. 111) muestra las dependencias energéticas de la sensibilidad a la dosis de los detectores fabricados en base a diferentes centelleadores.A la izquierda, se compara el antraceno (más ligero en peso atómico promedio que el tejido vivo) y el yoduro de sodio (significativamente más "pesado" que el anterior). ¡Se puede ver que en un cierto rango de energía, el detector a base de yoduro de sodio sobreestima la dosis en 10 veces! Y en el gráfico de la derecha se muestra que tomando una mezcla de centelleadores orgánicos, más "ligero" y más "pesado" que el tejido vivo, puede eliminar casi por completo el "movimiento con rigidez".

Otra forma de eliminar el "golpe con rigidez" es seleccionar filtros que absorban la radiación en el área donde la sensibilidad del detector es excesiva.

Conclusión


En conclusi√≥n, dar√© un plato peque√Īo, que resume las principales cantidades consideradas en el art√≠culo.



Y para una familiarizaci√≥n m√°s completa con el tema, recomiendo las conferencias del profesor Igor Nikolaevich Bekman , Universidad Estatal de Mosc√ļ.

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Source: https://habr.com/ru/post/440916/


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