Dengan hampir setiap percakapan tentang radioaktivitas dengan orang awam, ternyata lawan bicaranya, pada tingkat tertentu, memiliki gagasan yang kabur tentang satuan ukuran. Jadi ketika saya menerbitkan sebuah artikel di laboratorium radiokimia, salah satu pembaca mengeluh kepada saya di PM bahwa dia memiliki banyak unit yang ditemukan di buku dan artikel tentang radioaktivitas - sinar-X, rem, rem, senang, abu-abu, sievert, curie, becquerel dan bahkan gram ekuivalen radium - kepala saya berputar dan diminta untuk menulis tentang hal itu. Saya memenuhi permintaannya.
Ya, di KDPV - pasangan Maria Sklodovskaya-Curie dan Pierre Curie.
Sedikit sejarah
Pada tahun 1895, Wilhelm Konrad Roentgen menemukan radiasi yang memiliki sifat luar biasa: bertindak seperti cahaya pada pelat fotografi, dan menarik cahaya layar neon, dengan mudah menembus melalui hambatan buram. Tidak banyak waktu berlalu, ternyata sumber radiasi tersebut bukan hanya tabung Crookes yang berfungsi, seperti dalam percobaan sinar-X, tetapi juga zat yang mengandung uranium, yang, di samping itu, memancarkan radiasi ini terus menerus, tanpa kecuali dan tanpa pasokan energi. dari luar. Ini diikuti secara harfiah oleh longsoran penemuan. Penemuan radium, polonium, dan kemudian sejumlah besar unsur radioaktif baru, membangun hubungan peluruhan radioaktif dengan konversi satu unsur ke unsur lainnya, reaksi nuklir pertama kali dilakukan ... Secara umum, eksperimen mengejutkan sederhana Becquerel dengan garam uranium pada piring foto yang dibungkus kertas hitam secara harfiah dicetak "pot- jangan memasak ”pengetahuan baru. Percakapan tentang penemuan-penemuan ini adalah topik dari artikel lain (dan bukan artikel), dan sekarang saya akan mengatakan itu saja, pada bulan-bulan dan tahun-tahun pertama dari "boom radium" ini, pengukuran tidak dapat diabaikan.
Alat pengukur pertama untuk menentukan intensitas radiasi pengion adalah electroscope atau electrometer biasa, yang dikeluarkan di bawah pengaruh radiasi, dan kecepatan pelepasan ini sebanding dengan intensitasnya. Dan standar pertama adalah ...
Miligram ampul radium sebagai ukuran radioaktivitas
Ampul ini bukan hanya standar pertama untuk kalibrasi elektrometer dan ruang ionisasi - itu adalah ukuran jumlah radioaktivitas. Sifat radium yang menakjubkan adalah keteguhan radiasi yang luar biasa: intensitasnya hanya bergantung pada jumlah radium. Oleh karena itu, setelah mengambil sampel 1 mg radium dan menyegelnya dalam ampul platinum, menjadi mungkin untuk tidak pernah menimbang radium lagi. Dengan membandingkan intensitas radiasi gamma dari ampul referensi dan sampel yang ditempatkan dalam ampul dengan ketebalan dinding yang sama, adalah mungkin untuk menentukan jumlah radium di dalamnya dengan akurasi tinggi. Jadi ampul dengan radium mengambil tempat yang selayaknya di ruang bobot dan ukuran di sebelah standar meter, kilogram
dan kuda bulat .
Sebenarnya, sumber radiasi gamma bukanlah radium. Dan justru dengan inilah
ampul yang disegel adalah standar. Faktanya adalah radium-226 tidak memancarkan sinar gamma selama peluruhan. Ini memancarkan partikel alfa, berubah menjadi radon-222, yang kemudian disebut
emanasi radium . Yang terakhir, yang juga alfa-aktif, kemudian mengalami serangkaian peluruhan dengan emisi partikel alfa dan beta, beberapa di antaranya disertai dengan radiasi gamma. Radon tidak memiliki tempat lain untuk keluar dari ampul yang disegel, dan
keseimbangan sekuler terbentuk antara radium dan produk peluruhan radioaktifnya: berapa banyak radon (dan setiap anggota berikutnya dari rangkaian radioaktif) telah terbentuk, begitu banyak peluruhan.
Ketika membandingkan radioaktivitas unsur-unsur lain yang ditemukan kemudian dengan radiasi, mereka mulai menggunakan unit seperti
setara dengan miligram radium , sama dengan jumlah zat radioaktif yang memberikan intensitas radiasi gamma yang sama dengan miligram radium pada jarak yang sama.
Setara miligram radium, sebagai unit radioaktivitas, memiliki kelemahan jelas bahwa radiasi gamma, secara umum, adalah semacam efek samping dari peluruhan radioaktif. Dalam banyak kasus, tidak ada atau tidak ada dalam setiap tindakan pembusukan. Oleh karena itu, kami beralih dari membandingkan intensitas radiasi gamma dengan konsep
aktivitas sebagai ukuran jumlah peristiwa peluruhan dalam persiapan per satuan waktu . Standar tetap ampul yang sama dengan radium, dan dari sini unit
curie muncul, didefinisikan sebagai aktivitas zat radioaktif di mana sebanyak atom membusuk per satuan waktu (yaitu,
potongan), berapa banyak atom radium-226 yang membusuk dalam satu gramnya.
Unit curie sekarang dianggap usang, seperti semua unit non-sistem. Dalam sistem SI,
becquerel menggantikannya - ini adalah aktivitas obat, di mana rata-rata terjadi satu kali pembusukan per detik. Jadi, 1 Ki =
Bq.
Elektrometer dan dosis paparan
Perangkat pertama untuk mengukur intensitas radiasi radioaktif, seperti yang saya katakan, adalah sebuah elektrometer, yang dikeluarkan di bawah pengaruh sinar radium. Dia menjadi cikal bakal ruang ionisasi - ruang dengan dua elektroda yang bermuatan berlawanan, yang memungkinkan untuk menentukan jumlah ion yang terbentuk di udara yang mengisi ruang tersebut. Ion-ion ini dalam medan listrik di dalam ruang ionisasi mulai bergerak menuju elektroda dan, setelah mencapai mereka, melepaskannya. Besarnya penurunan muatan elektroda dapat menentukan jumlah pasangan ion yang terbentuk di udara di bawah pengaruh radiasi. Dan dengan mengukur arus yang mengalir melalui ruang dalam rangkaian sumber tegangan eksternal, dimungkinkan untuk menentukan jumlah pasangan ion yang dihasilkan dalam ruang per unit waktu, sebanding dengan intensitas radiasi.
Nilai yang diukur dengan demikian disebut
dosis paparan radiasi. Dan unit pengukurannya adalah
x-ray . Pada dosis paparan 1 x-ray dalam satu sentimeter kubik udara kering, satu unit HSE terbentuk (
C) mengisi masing-masing ion, yang sesuai dengan
pasang ion. Omong-omong, referensi kami 1 mg radium dalam ampul platinum pada jarak 1 cm selama satu jam menciptakan dosis pajanan 8,4 sinar-X (biasanya dalam kasus ini mereka mengatakan
tingkat dosis pajanan adalah 8,4 R / jam).
Tidak ada unit khusus dosis paparan dalam sistem SI dan unit liontin per kilogram.
1 C / kg = 3875,97 R. Namun, saat ini unit ini sangat jarang digunakan karena penolakan konsep dosis paparan. Alasan kegagalan ini adalah bahwa kuantitas yang agak mudah diukur ini tidak banyak berguna untuk aplikasi praktis. Biasanya, kita tidak tertarik pada berapa banyak ion yang terbentuk di udara, tetapi pada aksi yang menyinari zat atau jaringan hidup.
Dosis yang diserap
Gagasan untuk mempertimbangkan energi yang diserap dalam zat ini sebagai ukuran efek radiasi radioaktif pada suatu zat cukup jelas. Ini adalah
dosis yang diserap , yang ukurannya adalah energi radiasi yang diserap oleh satuan massa zat. Unit pengukuran dosis yang diserap dalam SI
berwarna abu -
abu : 1 Gy = 1 J / kg. Sebelumnya, unit lain digunakan -
senang . 1 rad = 100 erg / g = 0,01 Gy. Pada dosis paparan 1 P, dosis yang diserap di udara adalah 0,88 rad. Dalam sebagian besar kasus, 0,88 ini dibulatkan menjadi satu, menyamakan rad ke x-ray (walaupun sebenarnya jumlah fisiknya berbeda), dan abu-abu (dan sievert, yang dijelaskan di bawah) menjadi 100 x-ray.
Tetapi dosis dalam berbagai zat pada dosis paparan yang sama akan berbeda tergantung pada jenis dan energi radiasi dan sifat-sifat penyerap. Karena alasan inilah konsep dosis pajanan sekarang telah ditinggalkan. Dalam praktiknya, jauh lebih tepat untuk mengukur bukan dosis paparan, tetapi untuk mengambil detektor yang jumlah atom rata-rata sama dengan jumlah atom rata-rata jaringan biologis (dalam hal ini kita berbicara tentang
detektor setara jaringan ) dan mengukur dosis yang diserap di dalamnya. Kemudian, dengan tingkat akurasi tertentu, dapat diasumsikan bahwa dosis yang diserap dalam detektor akan sama dengan dosis yang diserap dalam jaringan biologis.
Segala macam dosis berbeda
Tetapi ternyata berbagai jenis radiasi radioaktif bekerja pada jaringan hidup secara berbeda. Radiasi alfa, proton dan neutron pada dosis yang diserap sama menyebabkannya lebih berbahaya daripada radiasi gamma dan partikel beta. Dalam hal ini, bersama dengan dosis yang diserap, jenis dosis lain muncul -
dosis yang setara . Ini sama dengan dosis radiasi gamma, yang menyebabkan
efek biologis yang sama dengan dosis radiasi ini.
Satuan dosis setara adalah
sievert . Satuan lama dari dosis ekuivalen adalah
ekuivalen biologis dari sinar-X atau
rem , dalam bahasa Inggris
REM (kadang-kadang dalam literatur yang diterjemahkan dan ahli radiologi Anda dapat menemukan satuan "rem" - ini adalah rem yang sama). 1 Sv = 100 rem.
Untuk menerjemahkan dosis yang diserap menjadi setara, Anda perlu melipatgandakan dosis yang diserap dengan apa yang disebut
faktor kualitas . Koefisien untuk foton, elektron, dan muon ini sama dengan kesatuan, untuk partikel alfa diasumsikan sama dengan 20, untuk proton menurut berbagai sumber, dari 2 hingga 5, dan untuk neutron sangat bergantung pada energi, mencapai 20 dalam kisaran energi dari 100 keV ke 2 MeV ( lihat gambar).
Selain setara, dosis efektif juga dipertimbangkan. Ini memperhitungkan tidak hanya tingkat bahaya yang berbeda dari radiasi, tetapi juga tingkat bahaya yang berbeda dari iradiasi bagian tubuh atau organ tertentu ketika menyinari tidak hanya seluruh tubuh, tetapi bagiannya. Faktor penimbangan dikaitkan dengan setiap jaringan dan organ sedemikian rupa sehingga jumlahnya sama dengan satu. Dengan paparan seragam ke seluruh tubuh, dosis efektifnya setara. Ini diukur dalam satuan yang sama dengan yang setara.
Saya akan berhenti di sini: Saya tidak akan membingungkan Anda dan memberi tahu Anda apa yang kerma, setara dengan dosis ambien, dan banyak hal lainnya.
Dan bagaimana semuanya mengukur?
Untuk mengukur dosis paparan, seperti yang saya katakan, Anda perlu mengambil sejumlah udara, mengumpulkan ion yang terbentuk di dalamnya dan menentukan jumlah mereka, yang dapat berhasil diselesaikan dengan menggunakan ruang ionisasi. Atas dasar ruang ionisasi inilah dibuat sebagian besar dosimeter akumulatif dari jenis "pensil".
Dan untuk mengukur dosis yang diserap, Anda harus mengukur jumlah energi yang dilepaskan dalam zat tersebut. Dan di sinilah letak kesulitan utamanya. Mengukur energi ini secara langsung sangat sulit, karena dalam banyak kasus sangat kecil. Satu abu-abu (dan ini adalah dosis serius, sudah menyebabkan penyakit radiasi) hanya joule per kilogram. Jika kita mencoba mengukur dosis ini, misalnya, secara kalori - dengan perubahan suhu, maka, misalnya, aluminium akan memanas hanya sedikit lebih dari seperseribu derajat.
Oleh karena itu, semua metode untuk mengukur dosis yang diserap atau kekuatannya tidak langsung. Mereka terdiri dari fakta bahwa kami mengamati proses tertentu yang disebabkan oleh iradiasi dan membutuhkan pengeluaran energi dan menganggap bahwa "output" dari proses ini akan secara linear tergantung pada kontribusi energi dari radiasi yang diserap padanya.
Tindakan utama interaksi radiasi pengion dengan materi hampir selalu adalah ionisasi itu sendiri. Sebuah kuantum sinar gamma atau partikel lain yang dipancarkan oleh zat radioaktif biasanya memiliki energi yang jauh lebih tinggi dari energi yang dibutuhkan untuk merobek elektron dari atom. Karena itu, tidak berakhir dengan satu aksi ionisasi. Di sepanjang seluruh lintasan partikel, elektron bebas dan ion bermuatan positif dihasilkan dalam substansi, energi yang biasanya melebihi energi ionisasi itu sendiri, yang mengarah pada pengembangan kaskade seluruh proses untuk pembentukan elektron dan ion bebas, hingga energinya sebanding dengan energi ikatan kimia. , dengan energi ionisasi pertama, dll. Dan sudah elektron dan ion ini langsung melakukan efek pada zat yang merupakan ciri khas dari sinar pengion: mereka merangsang pendaran, memulai reaksi kimia, menghancurkan struktur biologis, dan menjadi pembawa arus listrik. Kuantitas dan energi totalnya sebanding dengan dosis yang diserap (secara tegas - dikurangi energi elektron yang terbang keluar dari zat), dan mereka sudah “tidak tahu apa-apa” tentang apa yang memunculkannya.
Secara historis, salah satu dosimeter pertama adalah film biasa yang dibungkus dengan bahan anti cahaya. Tingkat kehitaman setelah manifestasinya kira-kira tergantung pada dosis yang diserap dan juga pada paparan cahaya tampak biasa: ada daerah ketergantungan linier yang dibatasi dengan menekuk di daerah dosis rendah dan saturasi (dengan solarisasi berikutnya - penurunan kepadatan) di wilayah dosis tinggi. Film ini adalah dosimeter yang murah dan agak sensitif, tetapi tidak terlalu dapat diandalkan, karena penyimpangan kecil dalam rezim pengobatan dapat memberikan kesalahan penentuan dosis yang nyata. Film fotografi adalah salah satu perwakilan pertama dari keluarga dosimeter kimia di mana nilai dosis ditentukan oleh jumlah zat yang terbentuk atau dikonsumsi selama reaksi: berwarna, paramagnetik, atau memiliki sifat mudah diukur lainnya. Ini dapat menjadi solusi dalam ampul yang menggelapkan atau noda di bawah pengaruh radiasi (misalnya, karena oksidasi besi (II) menjadi besi (III) dengan pembentukan selanjutnya tiosianat merah berwarna cerah), gelas atau kristal yang disebut radiasi. cacat menyerap cahaya. Dosis kimia memungkinkan untuk menentukan dosis radiasi dengan akurasi tinggi dan dalam kisaran yang sangat luas - dari yang tidak menyebabkan bahaya khusus pada orang hingga yang membunuhnya dalam satu menit. Tapi, sebagai aturan, mereka tidak memungkinkan untuk mengukur tingkat dosis.
Luminescence memungkinkan untuk mendeteksi bahkan aksi penyerapan partikel tunggal atau sinar gamma, yang mengarah pada munculnya flash cahaya pendek dalam bahan detektor - kilau. Prinsip ini didasarkan pada aksi detektor kilau, yang memungkinkan untuk mengukur fluks radiasi yang bahkan sangat lemah, yang puluhan dan ratusan kali lebih lemah daripada latar belakang radiasi alami. Sensor radiasi kilau, tidak seperti detektor kimia, memungkinkan Anda untuk menentukan kekuatan dosis yang diserap oleh detektor secara real time. Tentu saja, untuk mendapatkan nilai dosis, atau laju dosis, perlu tidak hanya menghitung jumlah pulsa, tetapi juga untuk meringkas dan mengintegrasikan cahaya yang dipancarkan oleh sintilator.
Jenis khusus dari detektor tersebut adalah detektor termoluminesen. Mereka menggunakan bahan luminescent, yang, bukannya berkedip setiap partikel dengan kilatan cahaya, mempertahankan muatan gratis yang dibentuk olehnya dalam bentuk cacat kisi yang telah lama diisi. Ketika dipanaskan, cacat ini "sembuh", dan elektron dan lubang yang dilepaskan bergabung kembali, mentransfer energi ke pusat pendaran. Dan mengintegrasikan pulsa cahaya yang terjadi ketika termoluminofor dipanaskan, kita akan menentukan dosis yang terakumulasi olehnya.
Akhirnya, kita dapat "menangkap" bukan efek sekunder yang disebabkan oleh ionisasi, tetapi ion itu sendiri - seperti halnya dalam ruang ionisasi, hanya ruang ini diisi bukan dengan gas, tetapi dengan semikonduktor - germanium, silikon, kadmium telluride, dan akhirnya - berlian. Arus rata-rata melalui detektor akan sebanding dengan kekuatan dosis yang diserap olehnya.
Tapi bagaimana dengan gerai Geiger yang terkenal? Tapi dia tidak mengukur dosisnya. Dia hanya bisa bereaksi dengan dorongan ke partikel yang melaluinya, tidak memahami apa yang terbang ke dalamnya, atau jenis energi yang dimilikinya. Artinya, ia dapat mengukur karakteristik fluks partikel seperti
fluence : berapa banyak partikel yang terbang melalui area tertentu. Sebuah kilau atau detektor semikonduktor akan bekerja dengan cara yang persis sama jika kita hanya merekam fakta penampilan sebuah pulsa, mengabaikan amplitudonya.
Dosis dalam bahan dan stroke berbeda dengan kekakuan
Dalam paragraf tentang dosis yang diserap, saya menyebutkan secara bersamaan bahwa dosis yang diserap oleh bahan yang berbeda dalam fluks radiasi yang sama akan berbeda dan akan tergantung pada energi kuanta dan sifat-sifat zat tersebut. Dalam kasus radiasi gamma, penyerapannya ditentukan oleh satu-satunya karakteristik bahan - jumlah atom rata-rata (atau efektif)
. Radiasi gamma mentransmisikan ke zat yang sama
energi yang sama ketika melewati lapisan dengan massa yang sama per satuan luas. Jadi, bahan yang memiliki komposisi atom kotor yang sama dengan jaringan hidup akan menyerap sinar gamma pada energi apa pun dengan cara yang sama seperti jaringan hidup, dan dengan demikian dosis yang diserap dalam detektor yang terbuat dari bahan ini akan sama dengan dosis yang diserap dalam tubuh manusia. . Dan jika kita membuat detektor dari cesium iodide (salah satu scintillator yang paling umum digunakan), maka kita dapat mengkalibrasi untuk salah satu energi, dan pada energi lain ia akan berbohong. Perubahan dalam pembacaan alat dosimetri tergantung pada energi radiasi disebut "stroke dengan kekakuan" atau
ketergantungan energi dari sensitivitas dosis detektor .
Gambar (dari New Handbook of a Chemist and Technologist, vol. 11, hal. 111) menunjukkan ketergantungan energi pada sensitivitas dosis detektor yang dibuat berdasarkan berbagai sintilator yang berbeda.
Di sebelah kiri, antrasena (lebih ringan dalam berat atom rata-rata dari jaringan hidup) dan natrium iodida (secara signifikan lebih "berat" dari yang terakhir) dibandingkan. Dapat dilihat bahwa dalam rentang energi tertentu, detektor berbasis natrium iodida melebih-lebihkan dosis 10 kali lipat! Dan pada grafik yang tepat ditunjukkan bahwa dengan mengambil campuran sintilasi organik - lebih "ringan" dan lebih "berat" daripada jaringan hidup, Anda hampir dapat sepenuhnya menghilangkan "bergerak dengan kekakuan".Cara lain untuk menghilangkan "stroke dengan kekakuan" adalah dengan memilih filter yang menyerap radiasi di daerah di mana sensitivitas detektor berlebihan.Kesimpulan
Sebagai kesimpulan, saya akan memberikan piring kecil, yang merangkum jumlah utama yang dipertimbangkan dalam artikel.
Dan untuk pengenalan topik yang lebih lengkap, saya merekomendasikan kuliah Profesor Igor Nikolaevich Bekman , Universitas Negeri MoskowSemua artikel dalam seri
Radiasi: Kehidupan sehari-hari laboratorium radiokimiaRadiasi: sumberRadiasi: risiko, keselamatan, perlindungan