Em quase todas as conversas sobre radioatividade com um leigo, verifica-se que o interlocutor tem, em um grau ou outro, uma vaga idéia de unidades de medida. Então, quando publiquei um artigo no laboratório radioquímico, um dos leitores me queixou na MP que ele tinha várias unidades encontradas em livros e artigos sobre radioatividade - raios-X, rems, rems, contentes, cinzentos, sievert, curie, becquerel e até grama equivalente de rádio - minha cabeça está girando e pedi para escrever sobre isso. Eu cumpro o seu pedido.
Sim, no KDPV - cônjuges Maria Sklodovskaya-Curie e Pierre Curie.
Um pouco de história
Em 1895, Wilhelm Konrad Roentgen descobriu uma radiação que possuía propriedades surpreendentes: agindo como luz em placas fotográficas e estimulando o brilho das telas luminescentes, ela penetrava facilmente através de obstáculos opacos. Pouco tempo se passou, a fonte dessa radiação não é apenas um tubo de Crookes em funcionamento, como nos experimentos com raios-X, mas também substâncias contendo urânio, que, além disso, emitem essa radiação continuamente, invariavelmente e sem nenhum suprimento de energia. do lado de fora. Isto foi seguido literalmente por uma avalanche de descobertas. A descoberta de rádio, polônio e, em seguida, um monte de novos elementos radioativos, estabelecendo a conexão do decaimento radioativo com a conversão de um elemento em outro, as primeiras reações nucleares realizadas ... Em geral, o experimento surpreendentemente simples de Becquerel com sal de urânio em uma placa fotográfica embrulhada em papel preto literalmente imprimiu uma "panela - não cozinhe ”novos conhecimentos. A conversa sobre essas descobertas é o tema de outro artigo (e não de um), e agora vou dizer que já nos primeiros meses e anos desse "boom do rádio", as medidas não puderam ser dispensadas.
O primeiro dispositivo de medição para determinar a intensidade da radiação ionizante foi um eletroscópio ou eletrômetro comum, que foi descarregado sob a influência da radiação, e a velocidade dessa descarga foi proporcional à sua intensidade. E o primeiro padrão foi ...
Miligrama de ampola de rádio como medida de radioatividade
Essa ampola não era apenas o primeiro padrão para a calibração de eletrômetros e câmaras de ionização - era uma medida da quantidade de radioatividade. Uma propriedade incrível do rádio era a constância excepcional de sua radiação: sua intensidade dependia apenas da quantidade de rádio. Portanto, depois de colher uma amostra de 1 mg de rádio e selá-la em uma ampola de platina, tornou-se possível nunca pesar o rádio novamente. Ao comparar a intensidade da radiação gama de uma ampola de referência e uma amostra colocada em uma ampola com a mesma espessura de parede, foi possível determinar a quantidade de rádio nela com alta precisão. Assim, as ampolas com rádio tomaram seu devido lugar nas câmaras de pesos e medidas próximas aos padrões de metros, quilogramas
e cavalos esféricos .
A rigor, a fonte de radiação gama não é o rádio. E é precisamente com isso que a
ampola selada era o padrão. O fato é que o rádio 226 não emite raios gama durante a decomposição. Emite uma partícula alfa, transformando-se em radônio-222, que foi então chamado de
emanação de rádio . Este último, sendo também alfa-ativo, passa por uma série de decaimentos com a emissão de partículas alfa e beta, algumas das quais são acompanhadas por radiação gama. O rádon não tem para onde ir de uma ampola selada, e
o equilíbrio secular é estabelecido entre o rádio e seus produtos de decaimento radioativo: quanto de rádon (e cada membro subsequente da série radioativa) se formou, tanto decai.
Ao comparar a radioatividade de outros elementos descobertos posteriormente com a radiação, eles começaram a usar uma unidade como o
equivalente em miligrama de rádio , igual à quantidade de substância radioativa que fornece a mesma intensidade de radiação gama que os miligramas de rádio à mesma distância.
O equivalente em miligrama de rádio, como unidade de radioatividade, tem a desvantagem óbvia de que a radiação gama, em geral, é um tipo de efeito colateral do decaimento radioativo. Em muitos casos, está ausente ou não em todos os atos de decadência. Portanto, passamos de comparar as intensidades de radiação gama ao conceito de
atividade como uma medida do número de eventos de decaimento em uma preparação por unidade de tempo . O padrão permaneceu a mesma ampola com rádio e, a partir daqui, uma unidade
curie apareceu, definida como a atividade de uma substância radioativa na qual tantos átomos decaem por unidade de tempo (ou seja,
peças), quantos átomos de rádio-226 decaem em um grama dele.
A unidade curie agora é considerada obsoleta, como todas as unidades que não são do sistema. No sistema SI, o
becquerel o substitui - essa é a atividade da droga, na qual ocorre em média uma deterioração por segundo. Assim, 1 Ki =
Bq.
Eletrômetro e dose de exposição
O primeiro dispositivo para medir a intensidade da radiação radioativa, como eu disse, foi um eletrômetro, que foi descarregado sob a influência de raios de rádio. Ele se tornou o precursor da câmara de ionização - uma câmara com dois eletrodos carregados de maneira oposta, que possibilitou determinar a quantidade de íons formados no ar que enche a câmara. Esses íons em um campo elétrico dentro da câmara de ionização começam a se mover em direção aos eletrodos e, atingindo-os, descarregam-nos. A magnitude da diminuição da carga dos eletrodos pode determinar o número de pares de íons formados no ar sob a influência da radiação. E medindo a corrente que flui através da câmara no circuito de uma fonte de tensão externa, é possível determinar o número de pares de íons gerados na câmara por unidade de tempo, proporcional à intensidade da radiação.
O valor assim medido foi chamado de
dose de exposição da radiação. E a unidade de medida era
raio-x . Em uma dose de exposição de 1 raio-x em um centímetro cúbico de ar seco, uma unidade de HSE é formada (
C) carga de cada um dos íons, o que corresponde a
pares de íons. A propósito, nossa referência 1 mg de rádio em uma ampola de platina a uma distância de 1 cm por uma hora cria uma dose de exposição de 8,4 raios-X (geralmente nesse caso, eles dizem que a
taxa de dose de exposição é de 8,4 R / h).
Não existe uma unidade especial de dose de exposição no sistema SI e a unidade é pendente por quilograma.
1 C / kg = 3875,97 R. No entanto, atualmente, esta unidade é usada muito raramente devido à rejeição do próprio conceito de dose de exposição. A razão para esta falha é que essa quantidade facilmente mensurável é de pouca utilidade para aplicação prática. Normalmente, não estamos interessados em quantos íons se formaram no ar, mas na ação que irradiou a substância ou o tecido vivo.
Dose absorvida
A idéia de considerar a energia absorvida nessa substância como uma medida do efeito da radiação radioativa em uma substância é bastante óbvia. Esta é a
dose absorvida , cuja medida é a energia de radiação absorvida por uma unidade de massa da substância. A unidade de medida da dose absorvida no SI é
cinza : 1 Gy = 1 J / kg. Anteriormente, outra unidade era usada -
feliz . 1 rad = 100 erg / g = 0,01 Gy. Na dose de exposição de 1 P, a dose absorvida no ar é de 0,88 rad. Na maioria dos casos, esses 0,88 são arredondados para a unidade, equiparando rad a raios-x (embora na verdade sejam quantidades físicas diferentes) e cinza (e sievert, descritos abaixo) a 100 raios-x.
Mas a dose em várias substâncias com a mesma dose de exposição será diferente dependendo do tipo e energia da radiação e das propriedades do absorvedor. É por esse motivo que o conceito de dose de exposição foi abandonado. Na prática, é muito mais correto medir não a dose de exposição, mas usar um detector cujo número atômico médio é igual ao número atômico médio de tecido biológico (neste caso, falamos de um
detector equivalente ao tecido ) e medir a dose absorvida nele. Então, com um certo grau de precisão, pode-se supor que a dose absorvida no detector será igual à dose absorvida no tecido biológico.
Todos os tipos de doses diferentes
Mas acontece que diferentes tipos de radiação radioativa agem de maneira diferente nos tecidos vivos. Radiação alfa, prótons e nêutrons na mesma dose absorvida causam muito mais danos do que radiação gama e partículas beta. Nesse sentido, juntamente com a dose absorvida, surge outro tipo de dose - a
dose equivalente . É igual à dose de radiação gama, que causa
o mesmo efeito biológico que a dose dessa radiação.
A unidade de dose equivalente é
sievert . A unidade antiga da dose equivalente é o
equivalente biológico de raio-x ou
rem , em inglês
REM (às vezes na literatura traduzida e radiologistas, é possível encontrar a unidade “rem” - esse é o mesmo rem). 1 Sv = 100 rem.
Para converter a dose absorvida em equivalente, é necessário multiplicar a dose absorvida pelo chamado
fator de qualidade . Esse coeficiente para fótons, elétrons e múons é igual à unidade, para partículas alfa é considerado igual a 20, para prótons de acordo com várias fontes é de 2 a 5 e para nêutrons é muito dependente de energia, chegando a 20 na faixa de energia de 100 keV a 2 MeV ( veja a imagem).
Além do equivalente, também é considerada uma dose eficaz. Ele leva em conta não apenas um grau diferente de nocividade da radiação, mas também um grau diferente de nocividade da irradiação de uma ou outra parte do corpo ou órgão ao irradiar não apenas todo o corpo, mas sua parte. Os fatores de pesagem são atribuídos a cada tecido e órgão de forma que a soma seja igual a um. Com exposição uniforme a todo o corpo, a dose efetiva é equivalente. É medido nas mesmas unidades que o equivalente.
Vou parar por aqui: não vou confundir e dizer qual querma, a dose ambiente equivalente e muitas outras coisas.
E como isso tudo mede?
Para medir a dose de exposição, como eu disse, você precisa tomar uma certa quantidade de ar, coletar os íons formados nela e determinar sua quantidade, que pode ser resolvida com sucesso usando uma câmara de ionização. É com base nas câmaras de ionização que é feita a maior parte dos dosímetros acumulativos do tipo "lápis".
E para medir a dose absorvida, você deve medir a quantidade de energia liberada na substância. E aqui reside a principal dificuldade. Medir diretamente essa energia é muito difícil, pois na maioria dos casos é muito pequeno. Um cinza (e essa é uma dose séria, já causando doença da radiação) é apenas um joule por quilograma. Se tentarmos medir essa dose, por exemplo, calorimetricamente - pela mudança de temperatura, por exemplo, o alumínio aquecerá pouco mais de um milésimo de grau.
Portanto, todos os métodos para medir a dose absorvida ou seu poder são indiretos. Eles consistem no fato de observarmos um determinado processo causado pela irradiação e exigir gastos de energia e assumirmos que a "saída" desse processo dependerá linearmente da contribuição energética da radiação absorvida para ele.
O principal ato de interação da radiação ionizante com a matéria é quase sempre a própria ionização. Um quantum de raios gama ou outra partícula emitida por uma substância radioativa geralmente possui uma energia muito maior que a energia necessária para extrair um elétron de um átomo. Portanto, não termina com um ato de ionização. Ao longo de toda a trajetória da partícula, elétrons livres e íons carregados positivamente são gerados na substância, cujas energias geralmente excedem a energia de ionização, o que leva ao desenvolvimento de toda uma cascata de processos para a formação de elétrons e íons livres, até que sua energia seja comparável à energia da ligação química , com as primeiras energias de ionização etc. E esses elétrons e íons já exercem diretamente o efeito sobre a substância característica dos raios ionizantes: excitam a luminescência, iniciam reações químicas, destroem estruturas biológicas e se tornam portadores de corrente elétrica. Tanto a quantidade quanto a energia total são proporcionais à dose absorvida (estritamente falando - menos a energia dos elétrons que saem da substância), e eles já “não sabem nada” sobre o que lhes deu origem.
Historicamente, um dos primeiros dosímetros era um filme comum embrulhado em um material à prova de luz. O grau de escurecimento após a manifestação depende aproximadamente da dose absorvida e da exposição à luz visível comum: há uma região de dependência linear limitada pela flexão na região de baixa dose e saturação (com subsequente solarização - diminuição da densidade) na região de alta dose. O filme é um dosímetro barato e bastante sensível, mas não muito confiável, uma vez que pequenos desvios nos regimes de tratamento podem causar erros visíveis na determinação da dose. O filme fotográfico é um dos primeiros representantes da família de dosímetros químicos, em que o valor da dose é determinado pela quantidade de uma substância formada ou consumida durante a reação: colorida, paramagnética ou possuindo outra propriedade facilmente mensurável. Pode ser uma solução em uma ampola que escurece ou mancha sob a influência da radiação (por exemplo, devido à oxidação do ferro (II) em ferro (III) com a formação subsequente de tiocianato vermelho colorido), vidro ou cristal em que a chamada radiação defeitos absorvendo a luz. Os dosímetros químicos possibilitam determinar a dose de radiação com alta precisão e dentro de uma faixa muito ampla - desde aquelas que não causam danos especiais a pessoas que as matam em um minuto. Mas, como regra, eles não permitem medir a taxa de dose.
A luminescência permite detectar até o ato de absorção de uma única partícula ou raio gama, o que leva ao aparecimento de um flash de luz curto no material do detector - a cintilação. Esse princípio baseia-se na ação de detectores de cintilação, que permitem medir fluxos de radiação ainda muito fracos, dezenas e centenas de vezes mais fracos que o fundo natural da radiação. O sensor de radiação de cintilação, ao contrário dos detectores químicos, permite determinar a potência da dose absorvida pelo detector em tempo real. Obviamente, para obter o valor da dose, ou taxa de dose, é necessário não apenas contar o número de pulsos, mas resumir e integrar a luz emitida pelo cintilador.
Um tipo especial de tais detectores são os chamados detectores termoluminescentes. Eles usam material luminescente, que, em vez de piscar cada partícula com um flash de luz, retém as cargas livres formadas por ela na forma de defeitos de treliça carregados existentes há muito tempo. Quando aquecidos, esses defeitos “curam”, e os elétrons e orifícios liberados se recombinam, transferindo energia para os centros de luminescência. E integrando o pulso de luz que ocorre quando o termoluminóforo é aquecido, determinaremos a dose acumulada por ele.
Finalmente, podemos "capturar" não os efeitos secundários causados pela ionização, mas os próprios íons - assim como na câmara de ionização, somente essa câmara é preenchida não com gás, mas com um semicondutor - germânio, silício, telureto de cádmio e, finalmente, diamante. A corrente média através do detector será proporcional à potência da dose absorvida por ele.
Mas e o conhecido contador Geiger? Mas ele não mede a dose. Ele só pode reagir com impulso à passagem de partículas através dela, sem entender o que voou para ela, nem que tipo de energia ela possuía. Ou seja, ele pode medir uma característica do fluxo de partículas como a
fluência : quantas partículas voaram por uma determinada área. Um detector de cintilação ou semicondutor funcionará exatamente da mesma maneira se apenas registrarmos o fato da aparência de um pulso, ignorando sua amplitude.
Dose em diferentes materiais e curso com rigidez
No parágrafo sobre a dose absorvida, mencionei de passagem que, na mesma corrente de radiação, a dose absorvida por diferentes materiais será diferente e dependerá da energia dos quanta e das propriedades da substância. No caso da radiação gama, sua absorção é determinada pela única característica do material - o número atômico médio (ou efetivo)
. A radiação gama transmite para substâncias com o mesmo
a mesma energia ao passar por uma camada com a mesma massa por unidade de área. Assim, um material com a mesma composição atômica bruta que o tecido vivo absorve os raios gama de qualquer energia da mesma maneira que o tecido vivo e, portanto, a dose absorvida em um detector feito desse material será igual à dose absorvida no corpo humano. . E se fizermos um detector a partir de iodeto de césio (um dos cintiladores mais usados), podemos calibrá-lo para qualquer energia, e em outras energias ele estará. Essa mudança nas leituras de um dispositivo dosimétrico, dependendo da energia de radiação, é chamada de “golpe com rigidez” ou a
dependência de energia da sensibilidade à dose do detector .
A figura (do New Handbook of a Chemist and Technologist, vol. 11, p. 111) mostra as dependências energéticas da sensibilidade à dose dos detectores feitos com base em diferentes cintiladores.
À esquerda, são comparados o antraceno (mais leve em peso atômico médio do que o tecido vivo) e iodeto de sódio (significativamente mais "pesado" que o anterior). Pode-se observar que, em uma certa faixa de energia, o detector à base de iodeto de sódio superestima a dose em 10 vezes! E no gráfico à direita, é mostrado que, ao usar uma mistura de cintiladores orgânicos - mais “leves” e mais “pesados” que os tecidos vivos, você pode quase completamente eliminar o “movimento com rigidez”.Outra maneira de eliminar o “golpe com rigidez” é selecionar filtros que absorvem a radiação na área onde a sensibilidade do detector é excessiva.Conclusão
Concluindo, darei um pequeno prato, que resume as principais quantidades consideradas no artigo.
E para uma familiarização mais completa com o tópico, recomendo as palestras do professor Igor Nikolaevich Bekman , Universidade Estadual de MoscouTodos os artigos da série
Radiação: vida cotidiana do laboratório radioquímicoRadiação: fontesRadiação: riscos, segurança, proteção