Λύσεις ασκήσεων κεφαλαίου 11 (σελ. 301-305) – ΦΥΣΙΚΗ Γ΄ ΕΠΑΛ
Λύσεις ασκήσεων κεφαλαίου 11
Αναλυτικές λύσεις των 40 ερωτήσεων-ασκήσεων του κεφαλαίου 11 (Ακτινοβολίες και Περιβάλλον).
Άσκηση 1 — Ορισμός της ραδιενέργειας
Ερώτηση: Τι ονομάζουμε ραδιενέργεια;
Απάντηση:
-
Ο ορισμός: ραδιενέργεια ονομάζουμε το φαινόμενο της αυτόματης εκπομπής ακτινοβολίας από ορισμένα στοιχεία, όπως το Ουράνιο, το Ράδιο και το Πολώνιο.
Η διατύπωση του βιβλίου (σελ. 279): Γι' αυτό, το φαινόμενο της εκπομπής αυτής της ακτινοβολίας το ονόμασαν ραδιενέργεια, τα δε στοιχεία όπως το Ουράνιο, το Ράδιο, το Πολώνιο και άλλα που ανακαλύφθηκαν αργότερα και εμφάνιζαν το φαινόμενο της ραδιενέργειας, ονομάστηκαν ραδιενεργά.
Η ιστορία της ανακάλυψης (σελ. 279): · 1896 — Becquerel: παρατήρησε τυχαία ότι διάφορα ορυκτά που περιείχαν στη σύνθεσή τους ουράνιο παρήγαγαν μια αόρατη ακτινοβολία που μπορούσε να διαπεράσει τα στερεά αδιαφανή τοιχώματα ενός κουτιού και να προκαλέσει αμαύρωση φωτογραφικών πλακών. · Η ίδια ακτινοβολία προκαλούσε έντονο ιοντισμό του αέρα και γρήγορη εκφόρτιση ενός ηλεκτροσκοπίου. · Pierre και Marie Curie: ανακάλυψαν το Πολώνιο (Ζ = 84) και το Ράδιο (Ζ = 88), πολύ πιο δραστήρια από το ουράνιο.
Το εντυπωσιακό της χρονολογίας: ο Becquerel ανακάλυψε τη ραδιενέργεια 15 ολόκληρα χρόνια πριν ο Rutherford συμπεράνει την ύπαρξη του πυρήνα των ατόμων (σελ. 279) — δηλαδή παρατήρησε ένα καθαρά πυρηνικό φαινόμενο χωρίς να γνωρίζει καν ότι υπάρχει πυρήνας. Τα ραδιενεργά στοιχεία (σελ. 279): Ουράνιο, Ράδιο, Πολώνιο, Θόριο, Ακτίνιο — και Όλα τα ραδιενεργά στοιχεία βρίσκονται στο τέλος του περιοδικού πίνακα. Η κρίσιμη διαφορά από κάθε χημικό φαινόμενο: η ραδιενέργεια είναι πυρηνικό φαινόμενο. Δεν επηρεάζεται από τη θερμοκρασία, την πίεση, τη χημική ένωση στην οποία βρίσκεται το στοιχείο — τίποτε από όσα επηρεάζουν τις χημικές αντιδράσεις.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ραδιενέργεια ονομάζουμε το φαινόμενο της αυτόματης εκπομπής ακτινοβολίας από ορισμένα στοιχεία, όπως το ουράνιο, το ράδιο και το πολώνιο, τα οποία γι' αυτόν τον λόγο ονομάστηκαν ραδιενεργά. Ανακαλύφθηκε τυχαία το χίλια οκτακόσια ενενήντα έξι από τον Becquerel, ο οποίος παρατήρησε ότι ορυκτά που περιείχαν ουράνιο παρήγαγαν αόρατη ακτινοβολία, ικανή να διαπεράσει τα στερεά αδιαφανή τοιχώματα ενός κουτιού και να προκαλέσει αμαύρωση φωτογραφικών πλακών, ενώ προκαλούσε και έντονο ιοντισμό του αέρα με ταχεία εκφόρτιση ηλεκτροσκοπίου. Στη συνέχεια το ζεύγος Curie ανακάλυψε το πολώνιο και το ράδιο, πολύ πιο δραστήρια από το ουράνιο. Εντυπωσιακό είναι ότι η ανακάλυψη έγινε δεκαπέντε ολόκληρα χρόνια πριν ο Rutherford συμπεράνει την ύπαρξη του πυρήνα. Όλα τα ραδιενεργά στοιχεία βρίσκονται στο τέλος του περιοδικού πίνακα, ενώ το φαινόμενο, ως καθαρά πυρηνικό, δεν επηρεάζεται από τη θερμοκρασία, την πίεση ή τη χημική ένωση στην οποία βρίσκεται το στοιχείο.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 2 — Σε τι οφείλεται η ραδιενέργεια
Ερώτηση: Που οφείλεται η ραδιενέργεια;
Απάντηση:
-
Η απάντηση αυτολεξεί από το βιβλίο (σελ. 280): Η ραδιενέργεια των ραδιενεργών στοιχείων, οφείλεται στην αστάθεια που παρουσιάζουν μερικοί πυρήνες με μεγάλο ατομικό αριθμό (που ονομάζονται νουκλίδια). Οι πυρήνες αυτοί (νουκλίδια) διασπώνται αυτόματα και σε τελείως τυχαίες χρονικές στιγμές, παράγουν ένα καινούριο νουκλίδιο (άλλο χημικό στοιχείο) και ταυτόχρονα εκπέμπουν θραύσματα που σαν να είναι «βλήματα» κινούνται με μεγάλη ταχύτητα.
Τα τρία στοιχεία της απάντησης:
1. ΑΙΤΙΑ: η ΑΣΤΑΘΕΙΑ πυρήνων με ΜΕΓΑΛΟ ατομικό αριθμό 2. ΤΡΟΠΟΣ: αυτόματη διάσπαση σε ΤΥΧΑΙΕΣ χρονικές στιγμές 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ: ΝΕΟ νουκλίδιο + εκπομπή σωματιδίων/ακτινοβολίαςΓιατί είναι ασταθείς οι βαρείς πυρήνες: μέσα στον πυρήνα ανταγωνίζονται δύο δυνάμεις — οι ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις, που έλκουν αλλά έχουν πολύ μικρή εμβέλεια, και οι ηλεκτρικές απωστικές δυνάμεις ανάμεσα στα πρωτόνια, που δρουν σε μεγαλύτερες αποστάσεις. Όσο μεγαλώνει ο πυρήνας, οι απωστικές δυνάμεις υπερισχύουν και ο πυρήνας γίνεται ασταθής. (Το βιβλίο περιγράφει την ίδια αντιπαράθεση δυνάμεων και στη σχάση, σελ. 293: η έλξη των ακραίων περιοχών του μέσω των μικρής εμβέλειας ισχυρών πυρηνικών δυνάμεων εξασθενίζει, λόγω της αυξημένης απόστασης, και οι ηλεκτρικές απωστικές δυνάμεις επικρατούν.) Η τυχαιότητα: δεν μπορούμε να προβλέψουμε πότε θα διασπαστεί ένας συγκεκριμένος πυρήνας — μόνο στατιστικά, μέσω του χρόνου υποδιπλασιασμού Τ. Το βιβλίο το εξηγεί με το παράδειγμα των θεατών που στρίβουν νόμισμα λέγοντας «κορώνα μένω – γράμματα φεύγω» (σελ. 286). Η μεταστοιχείωση (σελ. 286): αφού ο πυρήνας χάνει πρωτόνια, το στοιχείο αλλάζει — π.χ. ²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He. Πραγματοποιείται στις διασπάσεις α και β, όχι στην γ.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Η ραδιενέργεια οφείλεται στην αστάθεια που παρουσιάζουν μερικοί πυρήνες με μεγάλο ατομικό αριθμό, οι οποίοι ονομάζονται νουκλίδια. Οι πυρήνες αυτοί διασπώνται αυτόματα και σε τελείως τυχαίες χρονικές στιγμές, παράγουν ένα καινούριο νουκλίδιο, δηλαδή άλλο χημικό στοιχείο, και ταυτόχρονα εκπέμπουν θραύσματα που κινούνται με μεγάλη ταχύτητα σαν βλήματα. Η αστάθεια των βαρέων πυρήνων οφείλεται στον ανταγωνισμό ανάμεσα στις ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις, που έλκουν αλλά έχουν πολύ μικρή εμβέλεια, και στις ηλεκτρικές απωστικές δυνάμεις ανάμεσα στα πρωτόνια, οι οποίες υπερισχύουν όσο μεγαλώνει ο πυρήνας. Η διαδικασία είναι τυχαία, δηλαδή δεν μπορούμε να προβλέψουμε πότε θα διασπαστεί ένας συγκεκριμένος πυρήνας παρά μόνο στατιστικά, μέσω του χρόνου υποδιπλασιασμού. Επειδή ο πυρήνας μεταβάλλεται, προκύπτει μεταστοιχείωση, η οποία συμβαίνει στις διασπάσεις άλφα και βήτα αλλά όχι στην εκπομπή ακτίνων γάμμα.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 3 — Οι συνιστώσες της ραδιενεργού ακτινοβολίας
Ερώτηση: Ποιες είναι οι συνιστώσες της ραδιενεργού ακτινοβολίας;
Απάντηση:
-
Οι τρεις συνιστώσες είναι η α, η β και η γ.
Πώς αποκαλύφθηκαν (σελ. 280): μικρή ποσότητα ραδιενεργού υλικού τοποθετείται σε μολύβδινο κουτί με μικρή τρύπα, ώστε να σχηματιστεί λεπτή δέσμη. Η δέσμη εισέρχεται σε μαγνητικό πεδίο κάθετο στη διεύθυνσή της. Τότε — αυτολεξεί από το βιβλίο — Παρατηρούμε τότε ότι η ραδιενεργός δέσμη αναλύεται σε τρεις «συνιστώσες» καθεμιά από τις οποίες σχηματίζει διαφορετική κηλίδα στη φωτογραφική πλάκα.
φωτογραφική πλάκα β γ α │ │ │ × × ×│× ×│× ×│× μαγνητικό πεδίο ╲ │ ╱ ╲ │ ╱ ╲│╱ ───────── τρύπα ┌──────●──────┐ │ ραδιενεργό │ μολύβδινο κουτί └─────────────┘Το κριτήριο διαχωρισμού (σελ. 280-281): · α: εκτρέπεται από το μαγνητικό πεδίο σε τέτοια κατεύθυνση που συμπίπτει με την κατεύθυνση που θα εκτρέπονταν θετικά φορτισμένα κινούμενα σωματίδια· · β: εκτρέπεται πολύ πιο έντονα από το μαγνητικό πεδίο σε αντίθετη κατεύθυνση, ως εάν αποτελείται από αρνητικά φορτισμένα κινούμενα σωματίδια· · γ: παραμένει ανεπηρέαστη από την ύπαρξη του μαγνητικού πεδίου, σαν να την αποτελούσαν ουδέτερα σωματίδια σαν να ήταν ηλεκτρομαγνητικά κύμα.
Η σύνδεση με το κεφάλαιο 1: η εκτροπή οφείλεται στη δύναμη Laplace πάνω σε κινούμενο φορτίο — F = Β·q·υ. Η φορά της εξαρτάται από το πρόσημο του φορτίου (γι' αυτό α και β εκτρέπονται αντίθετα), ενώ το μέτρο της εκτροπής εξαρτάται από τον λόγο q/m. Επειδή το ηλεκτρόνιο έχει πολύ μικρότερη μάζα από τον πυρήνα ηλίου, η β εκτρέπεται πολύ εντονότερα. Η ισοδύναμη διάταξη (σελ. 281): Την ίδια συμπεριφορά θα έδειχναν και οι τρεις συνιστώσες, αν αντί μαγνητικού πεδίου χρησιμοποιούσαμε ηλεκτρικό πεδίο. Γιατί χρειάζεται ο μόλυβδος: η ακτινοβολία αποκόπτεται σχεδόν πλήρως από μια πλάκα μολύβδου πάχους μερικών εκατοστών (4-5 cm) (σελ. 280) — έτσι εξασφαλίζεται ότι μόνο η λεπτή δέσμη της τρύπας φτάνει στην πλάκα.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι συνιστώσες της ραδιενεργού ακτινοβολίας είναι τρεις, η άλφα, η βήτα και η γάμμα. Αποκαλύφθηκαν με ένα πείραμα στο οποίο μικρή ποσότητα ραδιενεργού υλικού τοποθετείται σε μολύβδινο κουτί με μικρή τρύπα, ώστε να σχηματιστεί λεπτή δέσμη, η οποία εισέρχεται σε μαγνητικό πεδίο κάθετο στη διεύθυνσή της· τότε η δέσμη αναλύεται σε τρεις συνιστώσες, καθεμιά από τις οποίες σχηματίζει διαφορετική κηλίδα στη φωτογραφική πλάκα. Η άλφα εκτρέπεται σαν να αποτελείται από θετικά φορτισμένα κινούμενα σωματίδια, η βήτα εκτρέπεται πολύ εντονότερα και προς την αντίθετη κατεύθυνση, δηλαδή σαν αρνητικά σωματίδια, ενώ η γάμμα παραμένει ανεπηρέαστη, σαν να πρόκειται για ουδέτερα σωματίδια ή ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Η εκτροπή οφείλεται στη δύναμη που ασκείται σε κινούμενο φορτίο και η ένταση της εκτροπής εξαρτάται από τον λόγο φορτίου προς μάζα, γι' αυτό η βήτα εκτρέπεται εντονότερα. Την ίδια συμπεριφορά θα έδειχναν οι τρεις συνιστώσες και σε ηλεκτρικό πεδίο.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 4 — Τι είδους είναι η κάθε συνιστώσα
Ερώτηση: Τι είδους είναι η κάθε συνιστώσα της ραδιενεργού ακτινοβολίας;
Απάντηση:
-
Η απάντηση κατά συνιστώσα (σελ. 281-282):
α. Η ακτινοβολία α αποτελείται από σωματίδια α τα οποία είναι πυρήνες ηλίου (⁴₂He). Όλα εκπέμπονται με την ίδια αρχική ταχύτητα — Από το γεγονός ότι όλα τα σωματίδια α που εκπέμπονται από ένα ραδιενεργό πυρήνα καμπυλώνονται το ίδιο από το μαγνητικό πεδίο προκύπτει ότι όλα εκπέμπονται με την ίδια αρχική ταχύτητα.
β. Η ακτινοβολία β αποτελείται από ηλεκτρόνια. Με διαφορετικές ταχύτητες: τα ηλεκτρόνια της ακτινοβολίας β εκπέμπονται κατά τη διάσπαση του πυρήνα με διαφορετικές ταχύτητες, που μπορεί να είναι από πολύ μικρές (σχεδόν μηδενικές) μέχρι πολύ μεγάλες (σχεδόν ίσες με την ταχύτητα του φωτός).
γ. Η ακτινοβολία γ αποτελείται από (φωτόνια) ηλεκτρομαγνητικά κύματα, που έχουν μήκος κύματος μικρότερο και από τις πιο «σκληρές» ακτίνες Roentgen.
ΣΥΝΙΣΤΩΣΑ ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΦΟΡΤΙΟ ΜΑΖΑ ──────────────────────────────────────────────────── α πυρήνες ηλίου +2e 4 u β ηλεκτρόνια −e 1/1836 u γ φωτόνια (Η/Μ) 0 0Οι δύο σημαντικές «Προσοχή» του βιβλίου: 1. (σελ. 281) Τα ηλεκτρόνια της β δεν προϋπάρχουν: ο πυρήνας διαθέτει μόνο πρωτόνια και νετρόνια. Τα ηλεκτρόνια της ακτινοβολίας β παράγονται κατά τη στιγμή της διάσπασης με τη βοήθεια της ασθενούς αλληλεπίδρασης που μετατρέπει ένα νετρόνιο σε πρωτόνιο (που παραμένει στον πυρήνα), σε ένα ηλεκτρόνιο που εκτινάσσεται και σε ένα άλλο στοιχειώδες σωματίδιο που ονομάζεται αντινετρίνο. 2. (σελ. 282) Ούτε τα φωτόνια γ προϋπάρχουν: ο θυγατρικός πυρήνας μένει διεγερμένος και, Επανερχόμενος στη συνέχεια στη θεμελιώδη κατάσταση, εκπέμπει την πλεονάζουσα ενέργεια υπό μορφή φωτονίου ακτινοβολίας γ. Γιατί το φάσμα της β είναι συνεχές: η ενέργεια της διάσπασης μοιράζεται ανάμεσα στο ηλεκτρόνιο και στο αντινετρίνο — γι' αυτό το ηλεκτρόνιο μπορεί να πάρει οποιοδήποτε μέρος της. Αντίθετα, στη διάσπαση α το σωματίδιο παίρνει πάντα την ίδια ενέργεια, άρα την ίδια ταχύτητα. Η σύνδεση με το κεφάλαιο 7: οι ακτίνες γ βρίσκονται στο άκρο του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος — πέρα από τις ακτίνες Χ, με μεγαλύτερη συχνότητα και μικρότερο μήκος κύματος.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Η ακτινοβολία άλφα αποτελείται από σωματίδια άλφα, τα οποία είναι πυρήνες ηλίου, και όλα εκπέμπονται με την ίδια αρχική ταχύτητα, όπως προκύπτει από το ότι καμπυλώνονται όλα το ίδιο μέσα στο μαγνητικό πεδίο. Η ακτινοβολία βήτα αποτελείται από ηλεκτρόνια, τα οποία όμως εκπέμπονται με διαφορετικές ταχύτητες, από σχεδόν μηδενικές μέχρι σχεδόν ίσες με την ταχύτητα του φωτός. Η ακτινοβολία γάμμα αποτελείται από φωτόνια, δηλαδή ηλεκτρομαγνητικά κύματα, με μήκος κύματος μικρότερο ακόμη και από τις πιο σκληρές ακτίνες Roentgen. Το βιβλίο επισημαίνει δύο σημεία προσοχής: ότι τα ηλεκτρόνια της βήτα δεν προϋπάρχουν στον πυρήνα αλλά παράγονται τη στιγμή της διάσπασης, όταν η ασθενής αλληλεπίδραση μετατρέπει ένα νετρόνιο σε πρωτόνιο, ηλεκτρόνιο και αντινετρίνο, και ότι ούτε τα φωτόνια γάμμα προϋπάρχουν, αφού εκπέμπονται από τον διεγερμένο θυγατρικό πυρήνα όταν επανέρχεται στη θεμελιώδη κατάσταση.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 5 — Πώς διαπιστώνουμε το είδος κάθε συνιστώσας
Ερώτηση: Με ποιο τρόπο μπορούμε να διαπιστώσουμε το είδος της κάθε συνιστώσας της ραδιενεργού ακτινοβολίας;
Απάντηση:
-
Οι δύο βασικές μέθοδοι είναι η εκτροπή σε πεδίο και η μελέτη της διεισδυτικότητας.
Α. Η εκτροπή σε μαγνητικό (ή ηλεκτρικό) πεδίο (σελ. 280-281) Η δέσμη περνά μέσα από πεδίο κάθετο στη διεύθυνσή της και καταγράφεται σε φωτογραφική πλάκα:
ΕΚΤΡΟΠΗ ΠΡΟΣ ΤΗ ΜΕΡΙΑ ΤΩΝ ΘΕΤΙΚΩΝ, ΜΙΚΡΗ → α (θετικά, βαριά) ΕΚΤΡΟΠΗ ΑΝΤΙΘΕΤΑ, ΠΟΛΥ ΕΝΤΟΝΗ → β (αρνητικά, ελαφρά) ΚΑΜΙΑ ΕΚΤΡΟΠΗ → γ (ουδέτερα, Η/Μ)Το μέτρο της εκτροπής δίνει και τον λόγο q/m: η β εκτρέπεται πολύ πιο έντονα από την α, γιατί το ηλεκτρόνιο είναι χιλιάδες φορές ελαφρύτερο από τον πυρήνα ηλίου.
Β. Η διεισδυτικότητα — παρεμβολή απορροφητών (σελ. 282-283) Τοποθετούμε διαδοχικά φύλλα διαφορετικού υλικού και πάχους ανάμεσα στην πηγή και τον απαριθμητή Geiger:
ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΗΣ ΤΙ ΣΤΑΜΑΤΑ ───────────────────────────────────────────────────── φύλλο χαρτιού / ασημόχαρτο σταματά την α μερικά mm αργιλίου σταματά και τη β αρκετά cm μολύβδου εξασθενεί και την γΟι τιμές εμβέλειας του βιβλίου (σελ. 282-283): α στον αέρα έως 10 cm και αρκεί ένα φύλλο από χαρτί ή ένα φύλλο ασημόχαρτου, όπως αυτά που υπάρχουν στα κουτιά των τσιγάρων, για να σταματήσει πλήρως τη δέσμη των σωματίων α · β στον αέρα μερικά μέτρα και μέσα δε στο αργίλιο (αλουμίνιο) τα μερικά mm · γ — η πιο διεισδυτική, που περνάει μέσα από τοίχους και χρειάζεται φύλλο μολύβδου πάχους αρκετών cm, για να τη σταματήσει τελείως.
Γ. Ο ιοντισμός που προκαλούν Η α προκαλεί πολύ έντονο ιοντισμό αλλά σε μικρό μήκος διαδρομής· η β λιγότερο· η γ ελάχιστο ανά μονάδα μήκους. Ο αντίστροφος συσχετισμός ιοντισμού και εμβέλειας είναι χαρακτηριστικός: όσο περισσότερο ιοντίζει μια ακτινοβολία, τόσο γρηγορότερα χάνει την ενέργειά της και τόσο μικρότερη είναι η εμβέλειά της. Η πρακτική σημασία: ακριβώς αυτός ο συνδυασμός εξηγεί γιατί η α είναι σχεδόν ακίνδυνη έξω από το σώμα (τη σταματά και το δέρμα) αλλά εξαιρετικά επικίνδυνη αν εισπνευστεί ή καταποθεί — τότε αποθέτει όλη την ενέργειά της σε λίγα κύτταρα (πρβλ. QF = 10-20 για την α, σελ. 291).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το είδος κάθε συνιστώσας διαπιστώνεται κυρίως με δύο τρόπους. Πρώτον, με την εκτροπή σε μαγνητικό ή ηλεκτρικό πεδίο κάθετο στη δέσμη: η άλφα εκτρέπεται λίγο και προς τη μεριά που θα εκτρέπονταν θετικά φορτία, η βήτα εκτρέπεται πολύ εντονότερα και αντίθετα, ενώ η γάμμα δεν εκτρέπεται καθόλου· το μέτρο της εκτροπής δίνει και τον λόγο φορτίου προς μάζα, γι' αυτό η ελαφριά βήτα εκτρέπεται εντονότερα. Δεύτερον, με τη διεισδυτικότητα, παρεμβάλλοντας απορροφητές ανάμεσα στην πηγή και σε έναν απαριθμητή: ένα φύλλο χαρτιού ή ασημόχαρτου σταματά την άλφα, μερικά χιλιοστά αργιλίου σταματούν τη βήτα και χρειάζονται αρκετά εκατοστά μολύβδου για τη γάμμα. Τρίτον, ο ιοντισμός που προκαλούν είναι αντιστρόφως συνδεδεμένος με την εμβέλειά τους, αφού όσο περισσότερο ιοντίζει μια ακτινοβολία τόσο γρηγορότερα χάνει την ενέργειά της. Γι' αυτό η άλφα είναι σχεδόν ακίνδυνη εκτός σώματος αλλά εξαιρετικά επικίνδυνη αν εισπνευστεί ή καταποθεί.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 6 — Περιγραφή του απαριθμητή Geiger
Ερώτηση: Περιγράψτε έναν απαριθμητή Geiger.
Απάντηση:
-
Η περιγραφή αυτολεξεί από το βιβλίο (σελ. 284): Ο απαριθμητής Geiger αποτελείται από ένα μικρό μεταλλικό σωλήνα στον άξονα του οποίου υπάρχει πολύ λεπτό μεταλλικό σύρμα απομονωμένο από τα τοιχώματα του σωλήνα. Στο σύρμα εφαρμόζεται μια θετική τάση περίπου 600 - 1000 V ως προς το μεταλλικό του περίβλημα. Μέσα στο σωλήνα υπάρχει αδρανές αέριο σε υποπίεση (περίπου 1/3 της ατμοσφαιρικής). Ο σωλήνας κλείνεται εμπρός με ένα πολύ λεπτό παράθυρο από μαρμαρυγία (μίκα) με επιφανειακή πυκνότητα μικρότερη από 10 mg/cm².
παράθυρο μίκας (< 10 mg/cm²) │ σωμάτια → ▓┌────────────────────────┐ ▓│ · · · · · · · · │ αδρανές αέριο ▓│────────────────────────│← κεντρικό ΣΥΡΜΑ (+) ▓│ · · · · · · · · │ ▓└────────────────────────┘ μεταλλικός σωλήνας (−) │ ├──[ R ]──┐ │ │ ενισχυτής πηγή 600-1000 V │ απαριθμητική διάταξη + μεγάφωνοΤα πέντε συστατικά μέρη: 1. Μεταλλικός σωλήνας — λειτουργεί ως κάθοδος (αρνητικός ηλεκτρικά). 2. Λεπτό κεντρικό σύρμα — η άνοδος· επειδή είναι πολύ λεπτό, το ηλεκτρικό πεδίο γύρω του είναι πολύ ισχυρό, ώστε να προκληθεί χιονοστιβάδα ιοντισμού. 3. Αδρανές αέριο σε υποπίεση — το μέσο που ιοντίζεται. 4. Παράθυρο μίκας — πολύ λεπτό, ώστε Οι ακτίνες α μπορούν να διαπεράσουν αυτό το παράθυρο χωρίς σημαντική απώλεια στην ενέργειά τους (σελ. 284). 5. Αντίσταση R (τάξης 10⁹ Ω) — πάνω της εμφανίζεται η παλμική πτώση τάσης που καταγράφεται.
Η αρχή στην οποία στηρίζεται (σελ. 283): η βασική ιδιότητα των ραδιενεργών ακτινοβολιών α, β και γ, όπως και της ακτινοβολίας X και της υπεριώδους, είναι ότι προκαλούν ιοντισμό στα άτομα μέσα από τα οποία διέρχονται. Τα δύο απλά πειράματα που προηγούνται (σελ. 283): ραδιενεργή πηγή κοντά σε φορτισμένο πυκνωτή τον εκφορτίζει, γιατί ο χώρος ανάμεσα στους οπλισμούς γίνεται αγώγιμος· και ραδιενεργό παρασκεύασμα κοντά σε φορτισμένο ηλεκτροσκόπιο κάνει τα φύλλα του να κλείσουν πολύ γρήγορα. Το ηχητικό αποτέλεσμα (σελ. 285): Με τον απαριθμητή μπορεί να συνδεθεί και ένα μεγάφωνο οπότε κάθε εκκένωση θα ακούγεται σαν ένας απότομος χτύπος — το γνωστό «τικ-τικ» των ταινιών.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο απαριθμητής Geiger αποτελείται από έναν μικρό μεταλλικό σωλήνα, στον άξονα του οποίου υπάρχει πολύ λεπτό μεταλλικό σύρμα απομονωμένο από τα τοιχώματα. Στο σύρμα εφαρμόζεται θετική τάση περίπου εξακοσίων έως χιλίων βολτ ως προς το μεταλλικό περίβλημα, ενώ μέσα στον σωλήνα υπάρχει αδρανές αέριο σε υποπίεση, περίπου στο ένα τρίτο της ατμοσφαιρικής. Ο σωλήνας κλείνεται εμπρός με πολύ λεπτό παράθυρο από μαρμαρυγία, δηλαδή μίκα, με επιφανειακή πυκνότητα μικρότερη από δέκα χιλιοστόγραμμα ανά τετραγωνικό εκατοστό, ώστε ακόμη και οι ακτίνες άλφα να το διαπερνούν χωρίς σημαντική απώλεια ενέργειας. Ο σωλήνας λειτουργεί ως κάθοδος και το λεπτό σύρμα ως άνοδος, γύρω από την οποία το πεδίο είναι πολύ ισχυρό. Σε σειρά υπάρχει αντίσταση, πάνω στην οποία εμφανίζεται η παλμική πτώση τάσης που οδηγείται σε ενισχυτή και σε απαριθμητική διάταξη, ενώ μπορεί να συνδεθεί και μεγάφωνο, οπότε κάθε εκκένωση ακούγεται σαν απότομος χτύπος.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 7 — Η λειτουργία του απαριθμητή Geiger
Ερώτηση: Εξηγείστε με λίγα λόγια τη λειτουργία του απαριθμητή Geiger.
Απάντηση:
-
Ο κύκλος λειτουργίας σε πέντε βήματα (σελ. 284-285):
1. ΕΙΣΟΔΟΣ: σωματίδιο μπαίνει από το παράθυρο μίκας 2. ΙΟΝΤΙΣΜΟΣ: ιοντίζει το αδρανές αέριο 3. ΕΚΚΕΝΩΣΗ: τα ιόντα κινούνται στο ισχυρό πεδίο → ΡΕΥΜΑ 4. ΣΒΗΣΙΜΟ: U = I·R πάνω στην R → η τάση του σωλήνα πέφτει → η εκκένωση ΣΤΑΜΑΤΑ 5. ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ: ο παλμός → ενισχυτής → απαριθμητική διάταξηΤα βήματα με τα λόγια του βιβλίου (σελ. 284): Κάθε σωμάτιο α ή β που θα εισέλθει στο σωλήνα προκαλεί ιοντισμό του αερίου με αποτέλεσμα να δημιουργηθεί εκκένωση. Τα θετικά ιόντα που δημιουργούνται κινούνται προς τα αρνητικά φορτισμένα εσωτερικά τοιχώματα του σωλήνα από όπου αναπληρώνουν τα ηλεκτρόνια που έχουν χάσει. Το παραγόμενο στιγμιαίο ρεύμα διέρχεται μέσα από την αντίσταση R.
Το κρίσιμο σημείο — γιατί σβήνει η εκκένωση (σελ. 285): Όταν δεν υπάρχει εκκένωση, μεταξύ σύρματος και μεταλλικού σωλήνα εφαρμόζεται ολόκληρη η τάση της πηγής. Με την εκκένωση και τη δίοδο ρεύματος από την αντίσταση, επέρχεται σ' αυτή πτώση τάσης, U = IR, η οποία αφαιρείται από την τάση στα άκρα του απαριθμητή, με αποτέλεσμα να σταματά η εκκένωση και η τάση να επανακτά την αρχική της τιμή. Έτσι, ο θάλαμος του Geiger είναι πάλι έτοιμος για μια νέα εκκένωση.
Γιατί αυτό είναι απαραίτητο: αν η εκκένωση δεν έσβηνε, ο σωλήνας θα «κολλούσε» σε συνεχή αγωγιμότητα και δεν θα μπορούσε να καταγράψει τίποτε άλλο. Ο αυτο-σβεννύμενος μηχανισμός μέσω της R είναι που κάνει τον Geiger απαριθμητή — και όχι απλό ανιχνευτή. Η καταγραφή (σελ. 285): Η απότομη αλλαγή τάσης, που γίνεται στα άκρα της αντίστασης με κάθε εκκένωση, μεταβιβάζεται σ' έναν ενισχυτή και από εκεί σε μια ηλεκτρονική απαριθμητική διάταξη. Έτσι απαριθμείται κάθε σωματίδιο που θα διέλθει με μεγάλη ταχύτητα μέσα από το σωλήνα του Geiger, προκαλώντας ιονισμό. Τι μετρά και τι δεν μετρά ο Geiger: μετρά τον αριθμό των σωματιδίων (τον ρυθμό κρούσεων), όχι την ενέργειά τους — κάθε παλμός είναι ίδιος, ανεξάρτητα από το πόσο ενεργητικό ήταν το σωματίδιο. Γι' αυτό ο Geiger μετράει ενεργότητα, όχι δόση. Ο νεκρός χρόνος: όσο διαρκεί η εκκένωση και το σβήσιμό της (τυπικά 10⁻⁴ s), ο σωλήνας είναι «τυφλός». Σε πολύ ισχυρές πηγές αυτό οδηγεί σε υποεκτίμηση του πραγματικού ρυθμού.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Η λειτουργία του απαριθμητή Geiger εξελίσσεται σε πέντε βήματα. Κάθε σωμάτιο άλφα ή βήτα που εισέρχεται από το παράθυρο ιοντίζει το αδρανές αέριο και προκαλεί εκκένωση· τα θετικά ιόντα κινούνται προς τα αρνητικά φορτισμένα τοιχώματα του σωλήνα, από όπου αναπληρώνουν τα ηλεκτρόνια που έχουν χάσει, και το στιγμιαίο ρεύμα που παράγεται διέρχεται μέσα από την αντίσταση. Κρίσιμο είναι ότι η πτώση τάσης πάνω στην αντίσταση, ίση με το γινόμενο έντασης επί αντίσταση, αφαιρείται από την τάση στα άκρα του απαριθμητή, οπότε η εκκένωση σταματά και η τάση επανακτά την αρχική της τιμή, ώστε ο θάλαμος να είναι έτοιμος για νέα εκκένωση. Η απότομη αυτή αλλαγή τάσης μεταβιβάζεται σε ενισχυτή και από εκεί σε ηλεκτρονική απαριθμητική διάταξη, οπότε κάθε σωματίδιο απαριθμείται. Σημειώνεται ότι ο Geiger μετρά τον αριθμό των σωματιδίων και όχι την ενέργειά τους, ενώ κατά τον νεκρό χρόνο της εκκένωσης παραμένει τυφλός.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 8 — Συμπλήρωση κενών για τη διάκριση της κοσμικής ακτινοβολίας
Ερώτηση: Η κοσμική …………… διακρίνεται σε ………………… και δευτερογενή. Συμπληρώστε τα κενά.
Απάντηση:
-
Το συμπληρωμένο κείμενο — αυτολεξεί από το βιβλίο (σελ. 285):
«Η κοσμική ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ διακρίνεται σε ΠΡΩΤΟΓΕΝΗ και δευτερογενή.»
Πώς ανακαλύφθηκε (σελ. 285): με απαριθμητή Geiger συνδεδεμένο με μεγάφωνο — Αν απομακρύνουμε από κοντά του κάθε πηγή ραδιενέργειας, κι αν ακόμη τον καλύψουμε με φύλλα μολύβδου αρκετού πάχους, θα διαπιστώσουμε ότι σε ακανόνιστα χρονικά διαστήματα εξακολουθεί να δίνει κρούσεις στο μεγάφωνο. Το συμπέρασμα (σελ. 285): Η προέλευση αυτής της ακτινοβολίας δεν είναι γήινη και γι' αυτό ονομάστηκε κοσμική ακτινοβολία ή κοσμικές ακτίνες.
ΔΙΑΣΤΗΜΑ ↓ ΠΡΩΤΟΓΕΝΗΣ (πρωτόνια, πυρήνες) ╭──────────────────────────────────╮ │ ανώτερη ατμόσφαιρα │ ← ΣΥΓΚΡΟΥΣΕΙΣ │ ↓ ↙ ↘ ↓ │ με τα μόρια του αέρα │ ΔΕΥΤΕΡΟΓΕΝΗΣ (καταιγισμός) │ ╰──────────────────────────────────╯ επιφάνεια της ΓηςΗ ένταση στην επιφάνεια (σελ. 285): στο ύψος της επιφάνειας της θάλασσας από 1 m² ανά δευτερόλεπτο διέρχονται περίπου ένα με δύο σωματίδια οφειλόμενα στις κοσμικές ακτίνες. Ο αριθμός αυτός αυξάνει προς τους πόλους σε συνάρτηση και με την απόσταση από την επιφάνεια της θάλασσας. Γιατί αυξάνει προς τους πόλους: το μαγνητικό πεδίο της Γης εκτρέπει τα φορτισμένα σωματίδια (κεφ. 1) και τα κατευθύνει προς τους πόλους, όπου οι δυναμικές γραμμές είναι κατακόρυφες. Το ίδιο φαινόμενο ευθύνεται και για το σέλας. Γιατί αυξάνει με το υψόμετρο: όσο ψηλότερα βρισκόμαστε, τόσο λιγότερη ατμόσφαιρα έχει απορροφήσει την ακτινοβολία. Γι' αυτό τα πληρώματα των αεροπλάνων εμφανίζονται στον πίνακα 11.4 (σελ. 300) ανάμεσα στα επαγγέλματα με πρόσθετη έκθεση. Η σημασία για τη Φυσική: μέχρι την κατασκευή των επιταχυντών, οι κοσμικές ακτίνες ήταν η μοναδική πηγή σωματιδίων πολύ υψηλής ενέργειας. Μέσα από αυτές ανακαλύφθηκαν το ποζιτρόνιο και το μιόνιο — και τα δύο αναφέρονται στη σύσταση της δευτερογενούς ακτινοβολίας (άσκηση 9).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το συμπληρωμένο κείμενο είναι: η κοσμική ακτινοβολία διακρίνεται σε πρωτογενή και δευτερογενή. Η ύπαρξή της αποκαλύπτεται με απαριθμητή Geiger συνδεδεμένο με μεγάφωνο, αφού ακόμη και όταν απομακρύνουμε κάθε πηγή ραδιενέργειας και τον καλύψουμε με φύλλα μολύβδου αρκετού πάχους εξακολουθεί να δίνει κρούσεις σε ακανόνιστα χρονικά διαστήματα· επειδή η προέλευση της ακτινοβολίας αυτής δεν είναι γήινη, ονομάστηκε κοσμική. Στην επιφάνεια της θάλασσας διέρχονται περίπου ένα με δύο σωματίδια ανά τετραγωνικό μέτρο και ανά δευτερόλεπτο, αριθμός που αυξάνει προς τους πόλους και με το υψόμετρο. Η αύξηση προς τους πόλους οφείλεται στο μαγνητικό πεδίο της Γης, που εκτρέπει τα φορτισμένα σωματίδια, ενώ η αύξηση με το υψόμετρο οφείλεται στη μικρότερη απορρόφηση από την ατμόσφαιρα, γι' αυτό και τα πληρώματα των αεροπλάνων εκτίθενται σε πρόσθετη ακτινοβολία.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 9 — Συμπλήρωση κενών για τη σύσταση της κοσμικής ακτινοβολίας
Ερώτηση: Η …………… κοσμική ακτινοβολία αποτελείται κυρίως από ………… ενώ η ………… αποτελείται από ένα καταιγισμό ………………, ποζιτρονίων, ………, ……………, …………… και φωτονίων. Συμπληρώστε τα κενά.
Απάντηση:
-
Το συμπληρωμένο κείμενο — αυτολεξεί από το βιβλίο (σελ. 285):
«Η ΠΡΩΤΟΓΕΝΗΣ κοσμική ακτινοβολία αποτελείται κυρίως από ΠΡΩΤΟΝΙΑ ενώ η ΔΕΥΤΕΡΟΓΕΝΗΣ αποτελείται από ένα καταιγισμό ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ, ποζιτρονίων, ΠΡΩΤΟΝΙΩΝ, ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ, ΜΙΟΝΙΩΝ και φωτονίων.»
Η πλήρης διατύπωση του βιβλίου (σελ. 285): Η πρωτογενής κοσμική ακτινοβολία αποτελείται κυρίως από πρωτόνια αλλά και διάφορους άλλους πυρήνες, που κινούμενοι ανάμεσα στα άστρα αποκτούν τεράστιες ταχύτητες. Στη συνέχεια, εισερχόμενοι στην ανώτερη ατμόσφαιρα συγκρούονται με τα μόρια του αέρα και προκαλούν πυρηνικές αντιδράσεις. Έτσι, στα κατώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας φτάνει η δευτερογενής κοσμική ακτινοβολία.
ΠΡΩΤΟΓΕΝΗΣ ΔΕΥΤΕΡΟΓΕΝΗΣ ─────────────────────────────────────────────────────── πρωτόνια (κυρίως) ηλεκτρόνια και άλλοι πυρήνες ποζιτρόνια πρωτόνια έξω από την ατμόσφαιρα νετρόνια μιόνια φωτόνια ── στα κατώτερα στρώματα ──Ο μηχανισμός του «καταιγισμού»: ένα μοναδικό πρωτόνιο τεράστιας ενέργειας που συγκρούεται με τα μόρια του αέρα παράγει δεκάδες σωματίδια, καθένα από τα οποία συγκρούεται ξανά — και έτσι δημιουργείται μια αλυσιδωτή παραγωγή που φτάνει σε εκατομμύρια σωματίδια στο έδαφος (ατμοσφαιρικός καταιγισμός). Η ατμόσφαιρα ως ασπίδα: ολόκληρη η ατμόσφαιρα ισοδυναμεί με 10 μέτρα νερού ή 1 μέτρο μολύβδου από άποψη θωράκισης. Χωρίς αυτήν, η επιφάνεια της Γης θα δεχόταν τη σκληρή πρωτογενή ακτινοβολία και η ζωή, όπως τη γνωρίζουμε, δεν θα ήταν δυνατή. Δύο ιστορικές ανακαλύψεις μέσα από την κοσμική ακτινοβολία: το ποζιτρόνιο (Anderson, 1932) — το πρώτο σωματίδιο αντιύλης που παρατηρήθηκε ποτέ — και το μιόνιο, ένα «βαρύ ηλεκτρόνιο». Και τα δύο αναφέρονται ρητά στη σύσταση της δευτερογενούς ακτινοβολίας από το βιβλίο. Η σχέση με τη ραδιοχρονολόγηση: τα νετρόνια της δευτερογενούς κοσμικής ακτινοβολίας παράγουν στην ατμόσφαιρα το ραδιενεργό ¹⁴C από το άζωτο — αυτό ακριβώς είναι το ισότοπο της ραδιοχρονολόγησης που αναφέρει το βιβλίο στη σελ. 297.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το συμπληρωμένο κείμενο είναι: η πρωτογενής κοσμική ακτινοβολία αποτελείται κυρίως από πρωτόνια, ενώ η δευτερογενής αποτελείται από έναν καταιγισμό ηλεκτρονίων, ποζιτρονίων, πρωτονίων, νετρονίων, μιονίων και φωτονίων. Κατά το βιβλίο, η πρωτογενής περιλαμβάνει και διάφορους άλλους πυρήνες, οι οποίοι κινούμενοι ανάμεσα στα άστρα αποκτούν τεράστιες ταχύτητες και, εισερχόμενοι στην ανώτερη ατμόσφαιρα, συγκρούονται με τα μόρια του αέρα και προκαλούν πυρηνικές αντιδράσεις, οπότε στα κατώτερα στρώματα φτάνει η δευτερογενής. Ο μηχανισμός είναι αλυσιδωτός, αφού ένα μόνο πρωτόνιο τεράστιας ενέργειας παράγει καταιγισμό εκατομμυρίων σωματιδίων. Η ατμόσφαιρα λειτουργεί ως ασπίδα ισοδύναμη με δέκα μέτρα νερού. Μέσα από την κοσμική ακτινοβολία ανακαλύφθηκαν ιστορικά το ποζιτρόνιο και το μιόνιο, ενώ τα νετρόνια της παράγουν στην ατμόσφαιρα το ραδιενεργό άνθρακα δεκατέσσερα της ραδιοχρονολόγησης.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 10 — Οι τέσσερις παράμετροι μιας ραδιοακτινοβόλησης
Ερώτηση: Ποιες είναι οι τέσσερις βασικές παράμετροι που χαρακτηρίζουν μια ραδιοακτινοβόληση;
Απάντηση:
-
Η απάντηση αυτολεξεί (σελ. 288): Τέσσερις κυρίως βασικές παράμετροι πρέπει να καθοριστούν σε μια περίπτωση ραδιοακτινοβόλησης: η ενεργότητα (Α), η έκθεση, η απορροφηθείσα δόση και η βιολογικά ισοδύναμη δόση.
ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΣ ΤΙ ΜΕΤΡΑ ΜΟΝΑΔΕΣ ───────────────────────────────────────────────────────────── 1. ΕΝΕΡΓΟΤΗΤΑ (Α) ρυθμός διασπάσεων Ci · Bq → αφορά την ΠΗΓΗ 2. ΕΚΘΕΣΗ ποσό ιοντισμού R · C/kg → αφορά τη ΔΕΣΜΗ (μόνο ακτίνες Χ και γ) 3. ΑΠΟΡΡΟΦΗΘΕΙΣΑ ενέργεια ανά μάζα rad · Gy ΔΟΣΗ (D) → αφορά το ΥΛΙΚΟ που δέχεται την ακτινοβολία 4. ΒΙΟΛΟΓΙΚΑ δόση × QF rem · Sv ΙΣΟΔΥΝΑΜΗ ΔΟΣΗ → αφορά τη ΒΛΑΒΗ στον ζωντανό οργανισμόΗ λογική αλυσίδα των τεσσάρων: κάθε παράμετρος απαντά σε διαφορετικό ερώτημα: 1. Πόσο «δραστήρια» είναι η πηγή; → ενεργότητα 2. Πόσο ιοντίζει τον αέρα η δέσμη; → έκθεση 3. Πόση ενέργεια πήρε το υλικό; → απορροφηθείσα δόση 4. Πόσο ζημιώθηκε ο οργανισμός; → βιολογικά ισοδύναμη δόση
Η κρίσιμη διάκριση 2-3 (σελ. 289): η απορροφηθείσα δόση εξαρτάται από τις ιδιότητες του υλικού και της ακτινοβολίας, ενώ η έκθεση καθορίζεται από τα χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας μόνο. Ο περιορισμός της έκθεσης (σελ. 289): Η έκθεση ορίζεται μόνο για τις ακτίνες X και τις ακτίνες γ με ενέργειες μέχρι 3 MeV και όχι για άλλες μορφές ακτινοβολίας. Αντίθετα, η απορροφηθείσα δόση χρησιμοποιείται για όλα τα είδη των ακτινοβολιών. Γιατί χρειάζεται η τέταρτη: η ίδια απορροφηθείσα δόση προκαλεί διαφορετική βλάβη ανάλογα με το είδος της ακτινοβολίας — Είναι προφανές ότι άλλη επίδραση θα έχει σε ένα ζωντανό ιστό η ακτινοβολία α από ότι η β, έστω και αν έχουν την ίδια ενέργεια, διότι η ακτινοβολία β είναι πολύ περισσότερο διεισδυτική (σελ. 290). Τη διαφορά αυτή τη «διορθώνει» ο συντελεστής ποιότητας QF. Το χρήσιμο για την πράξη: μια πηγή μπορεί να έχει τεράστια ενεργότητα και να μας προκαλέσει μηδενική δόση, αν είναι θωρακισμένη ή μακριά. Η ενεργότητα χαρακτηρίζει την πηγή· η δόση χαρακτηρίζει εμάς.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι τέσσερις βασικές παράμετροι που πρέπει να καθοριστούν σε μια περίπτωση ραδιοακτινοβόλησης είναι η ενεργότητα, η έκθεση, η απορροφηθείσα δόση και η βιολογικά ισοδύναμη δόση. Η ενεργότητα είναι ο ρυθμός των διασπάσεων και αφορά την πηγή, με μονάδες το curie και το becquerel. Η έκθεση δείχνει το ποσό του ιοντισμού και αφορά τη δέσμη, με μονάδες το roentgen και το κουλόμπ ανά χιλιόγραμμο, ορίζεται δε μόνο για ακτίνες Χ και γάμμα με ενέργειες μέχρι τρία μεγαηλεκτρονιοβόλτ. Η απορροφηθείσα δόση είναι η ενέργεια ανά μονάδα μάζας και αφορά το υλικό, με μονάδες το rad και το gray, και χρησιμοποιείται για όλα τα είδη ιοντιζουσών ακτινοβολιών. Τέλος, η βιολογικά ισοδύναμη δόση ισούται με την απορροφηθείσα δόση επί τον συντελεστή ποιότητας και αφορά τη βλάβη στον ζωντανό οργανισμό, με μονάδες το rem και το sievert. Η ανάγκη της τέταρτης παραμέτρου προκύπτει επειδή η ίδια δόση προκαλεί διαφορετική βλάβη ανάλογα με το είδος της ακτινοβολίας.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 11 — Συμπλήρωση κενών για την ενεργότητα
Ερώτηση: Ενεργότητα είναι ο …………… διασπάσεων των πυρήνων ενός …………… υλικού. Συμπληρώστε τα κενά.
Απάντηση:
-
Το συμπληρωμένο κείμενο — αυτολεξεί από το βιβλίο (σελ. 288):
«Ενεργότητα είναι ο ΡΥΘΜΟΣ διασπάσεων των πυρήνων ενός ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΟΥ υλικού.»
Η πλήρης διατύπωση: Η ενεργότητα ή ραδιενέργεια είναι ο ρυθμός διασπάσεων των πυρήνων ενός ραδιενεργού υλικού και παλιότερα μετριόταν σε κιουρί (curie).
Ο μαθηματικός ορισμός (σελ. 288, σχέση 11.4):
|ΔΝ| 0,693 0,693 Α = ──── = λ·Ν = ───── ·Ν = ───────── ·n·N Δt Τ Τ A όπου Τ = χρόνος υποδιπλασιασμού λ = 0,693/Τ (σταθερά διάσπασης) n = αριθμός γραμμομορίων N = 6,02 x 10^23 mol^-1 (σταθερά Avogadro) AΗ σημασία της σχέσης: η ενεργότητα είναι αντιστρόφως ανάλογη του χρόνου υποδιπλασιασμού και ανάλογη του αριθμού των πυρήνων. Άρα: · στοιχείο με μικρό Τ → πολύ δραστήριο, αλλά εξαντλείται γρήγορα· · στοιχείο με τεράστιο Τ (π.χ. το ²³⁸U με 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια) → ασθενής ενεργότητα, αλλά αιώνια. Αυτό εξηγεί και γιατί τα πυρηνικά απόβλητα με μεγάλους χρόνους υποδιπλασιασμού είναι τόσο δύσκολο πρόβλημα (σελ. 300): είναι λιγότερο δραστήρια αλλά παραμένουν επικίνδυνα για χιλιάδες χρόνια.
Οι μονάδες (σελ. 288):
1 Ci = 3,7 x 10^10 διασπάσεις/s (παλιά μονάδα) 1 Bq = 1 διάσπαση/s (μονάδα SI) ⇒ 1 Ci = 3,7 x 10^10 BqΗ προέλευση του curie (σελ. 288): Το ράδιο ενεργότητας 1 Ci αντιστοιχεί σε μάζα ραδίου περίπου 1 g — η μονάδα ορίστηκε δηλαδή ώστε να αντιστοιχεί σε ένα γραμμάριο ραδίου, προς τιμήν του ζεύγους Curie. Το παράδειγμα 11.1 του βιβλίου (σελ. 288): πηγή ⁶⁰Co ενεργότητας 1000 Ci, με Τ = 5,27 χρόνια = 1,66 × 10⁸ s, έχει n = 0,0147 mol, άρα μάζα m = 0,882 g — λιγότερο από ένα γραμμάριο για μια πηγή ακτινοθεραπείας! Η προσοχή: η ενεργότητα δεν λέει τίποτε για την επικινδυνότητα — εξαρτάται από το είδος της ακτινοβολίας, την ενέργειά της, την απόσταση και τη θωράκιση.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το συμπληρωμένο κείμενο είναι: ενεργότητα είναι ο ρυθμός διασπάσεων των πυρήνων ενός ραδιενεργού υλικού. Μαθηματικά, η ενεργότητα ισούται με το γινόμενο της σταθεράς διάσπασης επί τον αριθμό των πυρήνων, όπου η σταθερά διάσπασης ισούται με μηδέν κόμμα εξακόσια ενενήντα τρία διά τον χρόνο υποδιπλασιασμού. Επομένως η ενεργότητα είναι αντιστρόφως ανάλογη του χρόνου υποδιπλασιασμού και ανάλογη του αριθμού των πυρήνων, οπότε στοιχείο με μικρό χρόνο υποδιπλασιασμού είναι πολύ δραστήριο αλλά εξαντλείται γρήγορα, ενώ στοιχείο με τεράστιο χρόνο έχει ασθενή αλλά μακροχρόνια ενεργότητα, γεγονός που εξηγεί τη δυσκολία διαχείρισης των πυρηνικών αποβλήτων. Μονάδες είναι το curie, ίσο με τρία κόμμα επτά επί δέκα στη δέκατη διασπάσεις ανά δευτερόλεπτο, και το becquerel του διεθνούς συστήματος, ίσο με μία διάσπαση ανά δευτερόλεπτο. Το curie ορίστηκε ώστε να αντιστοιχεί περίπου σε ένα γραμμάριο ραδίου.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 12 — Συμπλήρωση κενών για την έκθεση
Ερώτηση: Έκθεση είναι το ποσό του …………………… που προκαλείται λόγω …………………… σ' ένα υλικό. Συμπληρώστε τα κενά.
Απάντηση:
-
Το συμπληρωμένο κείμενο:
«Έκθεση είναι το ποσό του ΙΟΝΤΙΣΜΟΥ που προκαλείται λόγω ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΗΣΗΣ σ' ένα υλικό.»
Η διατύπωση του βιβλίου (σελ. 289): Η έκθεση δείχνει το ποσό του ιοντισμού που προκαλείται σε ένα υλικό, ενώ η απορροφηθείσα δόση εκφράζει την ενέργεια που απορρόφησε το υλικό από την ακτινοβολία που δέχθηκε.
Η κρίσιμη διάκριση (σελ. 289): η απορροφηθείσα δόση εξαρτάται από τις ιδιότητες του υλικού και της ακτινοβολίας, ενώ η έκθεση καθορίζεται από τα χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας μόνο.
ΕΚΘΕΣΗ ΑΠΟΡΡΟΦΗΘΕΙΣΑ ΔΟΣΗ ──────────────────────────────────────────────────── ΙΟΝΤΙΣΜΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ανά μάζα μόνο ακτίνες Χ και γ ΟΛΕΣ οι ιοντίζουσες ενέργειας < 3 MeV ακτινοβολίες εξαρτάται ΜΟΝΟ από εξαρτάται από ΥΛΙΚΟ την ακτινοβολία ΚΑΙ ακτινοβολία R · C/kg rad · GyΟ περιορισμός (σελ. 289): Η έκθεση ορίζεται μόνο για τις ακτίνες X και τις ακτίνες γ με ενέργειες μέχρι 3 MeV και όχι για άλλες μορφές ακτινοβολίας. Γιατί αυτός ο περιορισμός: η έκθεση ορίζεται μέσω του ιοντισμού του αέρα. Για να έχει νόημα η μέτρηση, η ακτινοβολία πρέπει να διαπερνά τον αέρα και να τον ιοντίζει ομοιόμορφα. Τα σωματίδια α και β σταματούν σε λίγα εκατοστά ή μέτρα — δεν μπορεί να οριστεί για αυτά «ποσό ιοντισμού ανά kg αέρα» με τον ίδιο τρόπο. Πάνω από 3 MeV επίσης η μέτρηση παύει να είναι αξιόπιστη. Οι μονάδες (σελ. 289): παλιά το roentgen (R) = 2,58 × 10⁻⁴ C/kg· σήμερα η μονάδα του SI, το κουλόμπ ανά χιλιόγραμμο (C/kg). Η πρακτική χρήση: η έκθεση είναι το μέγεθος που μετρούν τα όργανα των ακτινολογικών εργαστηρίων, γιατί ο ιοντισμός του αέρα είναι πολύ πιο εύκολο να μετρηθεί από την ενέργεια που απορρόφησαν οι ιστοί. Η γέφυρα ανάμεσα στα δύο μεγέθη (σελ. 289): Έκθεση 1 R σε ακτίνες X ή ακτίνες γ προκαλεί απορροφηθείσα δόση σε μαλακούς ιστούς περίπου 1 rad — μια εξαιρετικά βολική αντιστοιχία για την πράξη (άσκηση 25).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το συμπληρωμένο κείμενο είναι: έκθεση είναι το ποσό του ιοντισμού που προκαλείται λόγω ακτινοβόλησης σε ένα υλικό. Κρίσιμη είναι η διάκριση από την απορροφηθείσα δόση, αφού η δόση εξαρτάται από τις ιδιότητες του υλικού και της ακτινοβολίας, ενώ η έκθεση καθορίζεται μόνο από τα χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας. Επιπλέον, η έκθεση ορίζεται μόνο για ακτίνες Χ και γάμμα με ενέργειες μέχρι τρία μεγαηλεκτρονιοβόλτ και όχι για άλλες μορφές ακτινοβολίας, επειδή ορίζεται μέσω του ιοντισμού του αέρα, τον οποίο τα σωματίδια άλφα και βήτα δεν διαπερνούν ομοιόμορφα. Μονάδα της ήταν παλαιότερα το roentgen, ίσο με δύο κόμμα πενήντα οκτώ επί δέκα εις την μείον τέταρτη κουλόμπ ανά χιλιόγραμμο, ενώ σήμερα χρησιμοποιείται το κουλόμπ ανά χιλιόγραμμο του διεθνούς συστήματος. Πρακτικά, έκθεση ενός roentgen σε ακτίνες Χ ή γάμμα προκαλεί απορροφηθείσα δόση σε μαλακούς ιστούς περίπου ενός rad.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 13 — Συμπλήρωση κενών για την απορροφηθείσα δόση
Ερώτηση: Απορροφηθείσα δόση είναι η …………………… που απορρόφησε το …………………… από την …………………… που δέχθηκε. Συμπληρώστε τα κενά.
Απάντηση:
-
Το συμπληρωμένο κείμενο — αυτολεξεί από το βιβλίο (σελ. 289):
«Απορροφηθείσα δόση είναι η ΕΝΕΡΓΕΙΑ που απορρόφησε το ΥΛΙΚΟ από την ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ που δέχθηκε.»
Η πλήρης πρόταση: Η έκθεση δείχνει το ποσό του ιοντισμού που προκαλείται σε ένα υλικό, ενώ η απορροφηθείσα δόση εκφράζει την ενέργεια που απορρόφησε το υλικό από την ακτινοβολία που δέχθηκε.
Η μορφή για τους ζωντανούς οργανισμούς (σελ. 289): Η απορροφηθείσα δόση D είναι η ενέργεια που αποδόθηκε στους ιστούς ενός οργανισμού ανά μονάδα μάζας των ιστών (άσκηση 21).
ενέργεια που απορροφήθηκε D = ───────────────────────── μάζα 1 rad = 0,01 J/kg (radiation absorbed dose) 1 Gy = 1 J/kg (gray, μονάδα SI) ⇒ 1 Gy = 100 radΤο πεδίο εφαρμογής (σελ. 289): Αντίθετα με την έκθεση, η απορροφηθείσα δόση χρησιμοποιείται για όλα τα είδη των ακτινοβολιών που μπορούν να προκαλέσουν ιοντισμό και όχι μόνο για τις ακτίνες X και τις ακτίνες γ με ενέργεια μικρότερη από 3 MeV.
Το εντυπωσιακό παράδειγμα 11.2 (σελ. 289-290): οι ζωντανοί ιστοί καταστρέφονται τελείως με 10.000 rad. Πόσο θα ανέβει η θερμοκρασία τους με 1000 rad;
ΔQ/m = 1000 x 0,01 J/kg = 100 J/kg ΔΤ = (ΔQ/m)·(1/c) = 100 / 4180 = 0,0239 KΤο συμπέρασμα του βιβλίου (σελ. 290): Παρατηρούμε ότι η αύξηση της θερμοκρασίας είναι ασήμαντη. Πώς εξηγείται τότε η θανατηφόρα δράση της ακτινοβολίας; Η απάντηση είναι ότι η ενέργεια της ακτινοβολίας δεν κατανέμεται ομοιόμορφα σε όλη την έκταση του ιστού και ότι η δράση των ακτινοβολιών δε σχετίζεται μόνο με την αύξηση της θερμοκρασίας αλλά και με χημικές και πυρηνικές μετατροπές στα άτομα των κυττάρων. Αντίθετα, η ενέργεια λαμβάνεται σε σχετικά μεγάλες ποσότητες από μεμονωμένα άτομα σε συγκεκριμένες τυχαίες θέσεις με αποτέλεσμα την αποσύνθεση κρίσιμων βιολογικών μορίων. Το δίδαγμα: η επικινδυνότητα της ακτινοβολίας δεν είναι θερμικό φαινόμενο — μια δόση που ανεβάζει τη θερμοκρασία λιγότερο από το ένα τριακοστό του βαθμού μπορεί να είναι θανατηφόρα, γιατί η ενέργεια συγκεντρώνεται σε μεμονωμένα μόρια.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το συμπληρωμένο κείμενο είναι: απορροφηθείσα δόση είναι η ενέργεια που απορρόφησε το υλικό από την ακτινοβολία που δέχθηκε. Για τους ζωντανούς οργανισμούς ορίζεται ως η ενέργεια που αποδόθηκε στους ιστούς ανά μονάδα μάζας των ιστών. Μονάδες είναι το rad, ίσο με μηδέν κόμμα μηδέν ένα τζάουλ ανά χιλιόγραμμο, και το gray του διεθνούς συστήματος, ίσο με ένα τζάουλ ανά χιλιόγραμμο, οπότε ένα gray ισούται με εκατό rad. Σε αντίθεση με την έκθεση, η απορροφηθείσα δόση χρησιμοποιείται για όλα τα είδη ιοντιζουσών ακτινοβολιών. Χαρακτηριστικό είναι το παράδειγμα του βιβλίου, όπου δόση χιλίων rad ανεβάζει τη θερμοκρασία των ιστών μόλις κατά μηδέν κόμμα μηδέν διακόσια τριάντα εννέα βαθμούς· η θανατηφόρα δράση εξηγείται επειδή η ενέργεια δεν κατανέμεται ομοιόμορφα αλλά λαμβάνεται σε μεγάλες ποσότητες από μεμονωμένα άτομα σε τυχαίες θέσεις, με αποτέλεσμα την αποσύνθεση κρίσιμων βιολογικών μορίων.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 14 — Τι μονάδα είναι το Ci
Ερώτηση: Το 1 Ci είναι μονάδα: α) Απορροφηθείσας δόσης, β) Ενεργότητας, γ) Έκθεσης. Σημειώστε το σωστό.
Απάντηση:
-
Σωστή απάντηση: β) Ενεργότητας.
Η τεκμηρίωση (σελ. 288): Η ενεργότητα ή ραδιενέργεια είναι ο ρυθμός διασπάσεων των πυρήνων ενός ραδιενεργού υλικού και παλιότερα μετριόταν σε κιουρί (curie).
Το όνομα: curie (Ci) — προς τιμήν του ζεύγους Pierre και Marie Curie, που ανακάλυψαν το ράδιο και το πολώνιο (σελ. 279). Ο ορισμός (σελ. 288, σχέση 11.3): 1 curie = 1 Ci = 3,7 x 10^10 διασπάσεις / s Η φυσική προέλευση της τιμής: Το ράδιο ενεργότητας 1 Ci αντιστοιχεί σε μάζα ραδίου περίπου 1g — γι' αυτό ο αριθμός φαίνεται τόσο «περίεργος»: δεν επιλέχθηκε στρογγυλός, αλλά ώστε να αντιστοιχεί σε ένα γραμμάριο ραδίου.
ΜΟΝΑΔΑ ΤΙ ΜΕΤΡΑ ΟΡΙΣΜΟΣ ───────────────────────────────────────────────────── Ci ΕΝΕΡΓΟΤΗΤΑ ✔ 3,7 x 10^10 διασπ./s Bq ΕΝΕΡΓΟΤΗΤΑ (SI) 1 διάσπαση/s R έκθεση 2,58 x 10^-4 C/kg rad απορροφηθείσα δόση 0,01 J/kg Gy απορροφηθείσα δόση(SI) 1 J/kg rem, Sv βιολογικά ισοδύναμη QF x δόσηΗ μνημονική βοήθεια: το Ci και το Bq μετρούν και τα δύο ενεργότητα — το πρώτο είναι η παλιά, το δεύτερο η σύγχρονη μονάδα του SI. Οι ασκήσεις 14-17 του βιβλίου εξετάζουν ακριβώς αυτό το ζεύγος. Η αναγωγή: 1 Ci = 3,7 × 10¹⁰ Bq — δηλαδή το curie είναι τεράστια μονάδα. Γι' αυτό στην πράξη συναντάμε mCi (χιλιοστά) και μCi (εκατομμυριοστά), ή kBq και MBq στο SI. Η προσοχή: το Ci χαρακτηρίζει την πηγή και όχι τον κίνδυνο για τον άνθρωπο. Δύο πηγές του ίδιου Ci μπορούν να είναι εντελώς διαφορετικά επικίνδυνες, ανάλογα με το αν εκπέμπουν α (που σταματά το δέρμα) ή γ (που περνά μέσα από τοίχους).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Σωστή είναι η απάντηση β, δηλαδή το curie είναι μονάδα ενεργότητας. Ενεργότητα ή ραδιενέργεια είναι ο ρυθμός διασπάσεων των πυρήνων ενός ραδιενεργού υλικού και παλαιότερα μετριόταν σε curie, μονάδα που πήρε το όνομά της από το ζεύγος Curie. Ένα curie ισούται με τρία κόμμα επτά επί δέκα στη δέκατη διασπάσεις ανά δευτερόλεπτο, τιμή που φαίνεται περίεργη επειδή δεν επιλέχθηκε στρογγυλή αλλά ώστε να αντιστοιχεί περίπου σε ένα γραμμάριο ραδίου. Ενεργότητα μετρά και το becquerel, που είναι η σύγχρονη μονάδα του διεθνούς συστήματος και ισούται με μία διάσπαση ανά δευτερόλεπτο, οπότε ένα curie ισούται με τρία κόμμα επτά επί δέκα στη δέκατη becquerel. Επειδή το curie είναι τεράστια μονάδα, στην πράξη χρησιμοποιούνται υποπολλαπλάσιά του. Σημειώνεται ότι η ενεργότητα χαρακτηρίζει την πηγή και όχι τον κίνδυνο για τον άνθρωπο.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 15 — Πόσο ισούται το 1 Ci
Ερώτηση: Το 1 Ci ισούται με: α) 7,3 x 10^6 διασπάσεις / s, β) 3,7 x 10^10 διασπάσεις / s γ) 7,3 x 10^20 διασπάσεις / s . Σημειώστε το σωστό
Απάντηση:
-
Σωστή απάντηση: β) 3,7 x 10^10 διασπάσεις / s.
Η τεκμηρίωση (σελ. 288, σχέση 11.3): 1 curie = 1 Ci = 3,7 x 10^10 διασπάσεις / s
Πόσο μεγάλος είναι αυτός ο αριθμός: 37 δισεκατομμύρια διασπάσεις κάθε δευτερόλεπτο — από ένα δείγμα ενός μόλις γραμμαρίου ραδίου.
1 Ci = 37.000.000.000 διασπάσεις κάθε δευτερόλεπτο Για σύγκριση: 1 Bq = 1 διάσπαση / s ⇒ 1 Ci = 3,7 x 10^10 BqΠώς επιβεβαιώνεται η τιμή με υπολογισμό — από τη σχέση Α = 0,693·n·N_A/Τ (σελ. 288) για 1 g ραδίου-226 (Τ ≈ 1600 χρόνια ≈ 5,05 × 10¹⁰ s, n = 1/226 mol):
Α = 0,693 x (1/226) x 6,02x10^23 / (5,05x10^10) ≈ 3,7 x 10^10 διασπάσεις/s ✔Ακριβώς η τιμή του ορισμού — γιατί έτσι ορίστηκε η μονάδα. Γιατί αποκλείονται οι άλλες: οι τιμές 7,3 x 10^6 και 7,3 x 10^20 είναι απλώς παραπλανητικές παραλλαγές, με τα ίδια ψηφία σε αντεστραμμένη σειρά και λάθος τάξη μεγέθους — η μία 10.000 φορές μικρότερη, η άλλη 10 δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη. Η πρακτική σημασία: επειδή το curie είναι τεράστια μονάδα, στην ιατρική χρησιμοποιούνται mCi και μCi. Ένα διαγνωστικό σπινθηρογράφημα χρησιμοποιεί τυπικά λίγα mCi, ενώ οι πηγές ακτινοθεραπείας φτάνουν τα χιλιάδες Ci — όπως στο παράδειγμα 11.1 του βιβλίου (1000 Ci ⁶⁰Co, μάζας μόλις 0,882 g). Η μνημονική: 3,7 και 10 — «τρία-εφτά, δέκα». Ο αριθμός 3,7 × 10¹⁰ εμφανίζεται και στον πίνακα 11.2 (σελ. 291) ως ο ορισμός του curie.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Σωστή είναι η απάντηση β, δηλαδή ένα curie ισούται με τρία κόμμα επτά επί δέκα στη δέκατη διασπάσεις ανά δευτερόλεπτο, όπως ορίζει το βιβλίο. Πρόκειται για τριάντα επτά δισεκατομμύρια διασπάσεις κάθε δευτερόλεπτο, από δείγμα ενός μόλις γραμμαρίου ραδίου. Η τιμή επιβεβαιώνεται και υπολογιστικά από τη σχέση της ενεργότητας, αν πάρουμε ένα γραμμάριο ραδίου διακόσια είκοσι έξι με χρόνο υποδιπλασιασμού περίπου χίλια εξακόσια χρόνια, ακριβώς επειδή έτσι ορίστηκε η μονάδα. Οι άλλες δύο επιλογές είναι παραπλανητικές παραλλαγές με τα ίδια ψηφία σε αντεστραμμένη σειρά και λανθασμένη τάξη μεγέθους. Επειδή το curie είναι τεράστια μονάδα, στην ιατρική χρησιμοποιούνται υποπολλαπλάσιά του για τη διάγνωση, ενώ οι πηγές ακτινοθεραπείας φτάνουν τα χιλιάδες curie, όπως στο παράδειγμα του βιβλίου με πηγή κοβαλτίου εξήντα χιλίων curie και μάζας μόλις μηδέν κόμμα οκτακόσια ογδόντα δύο γραμμαρίων.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 16 — Τι μονάδα είναι το Bq
Ερώτηση: Το 1 Bq είναι μονάδα: α) Ενεργότητας, β) Απορροφηθείσας δόσης, γ) Έκθεσης. Σημειώστε το σωστό.
Απάντηση:
-
Σωστή απάντηση: α) Ενεργότητας.
Η τεκμηρίωση (σελ. 288): Η μονάδα ενεργότητας που χρησιμοποιείται σήμερα και ανήκει στο SI (Διεθνές Σύστημα Μονάδων) είναι το becquerel (Bq) και ισούται με μια διάσπαση ανά δευτερόλεπτο.
Το όνομα: becquerel — προς τιμήν του Antoine Henri Becquerel (1852-1908), που ανακάλυψε τη ραδιενέργεια το 1896 (σελ. 279).
ΔΥΟ ΜΟΝΑΔΕΣ ΓΙΑ ΤΟ ΙΔΙΟ ΜΕΓΕΘΟΣ (ΕΝΕΡΓΟΤΗΤΑ) ΠΑΛΙΑ: 1 Ci = 3,7 x 10^10 διασπάσεις/s ΣΗΜΕΡΑ(SI): 1 Bq = 1 διάσπαση/s ⇒ 1 Ci = 3,7 x 10^10 BqΤο σκεπτικό της αλλαγής: το SI προτιμά ορισμούς απλούς και θεμελιώδεις. Το Bq είναι ο απλούστερος δυνατός ορισμός — μία διάσπαση το δευτερόλεπτο — ενώ το Ci στηριζόταν σε ένα αυθαίρετο δείγμα (1 g ραδίου). Το ίδιο σκεπτικό οδήγησε και στην αντικατάσταση του rad από το Gy και του rem από το Sv. Η πρακτική συνέπεια: επειδή το Bq είναι πάρα πολύ μικρή μονάδα, στις μετρήσεις συναντάμε kBq, MBq, GBq, TBq. Για σύγκριση:
το ανθρώπινο σώμα ≈ 4.000 - 8.000 Bq (κυρίως λόγω του φυσικού ⁴⁰K) 1 kg εδάφους ≈ λίγες εκατοντάδες Bq διαγνωστική δόση ραδιοϊσοτόπου ≈ 100 - 800 MBqΤο εντυπωσιακό συμπέρασμα: κάθε άνθρωπος είναι μια ραδιενεργός πηγή μερικών χιλιάδων Bq — και το βιβλίο το επισημαίνει με τον δικό του τρόπο (σελ. 296): Όλοι οι κάτοικοι του πλανήτη είμαστε κατά κάποιο τρόπο πειραματόζωα αφού καθημερινά δεχόμαστε αρκετές ποσότητες ραδιενέργειας που εκπέμπεται από φυσικές και τεχνητές πηγές. Η προσοχή: το γεγονός ότι το Bq είναι μικρό δεν σημαίνει ότι είναι ακίνδυνο μέγεθος — απλώς η ενεργότητα από μόνη της δεν αρκεί για την εκτίμηση του κινδύνου· χρειάζεται και η δόση (rad/Gy) και ο συντελεστής ποιότητας (rem/Sv).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Σωστή είναι η απάντηση α, δηλαδή το becquerel είναι μονάδα ενεργότητας. Όπως αναφέρει το βιβλίο, είναι η μονάδα ενεργότητας που χρησιμοποιείται σήμερα, ανήκει στο διεθνές σύστημα και ισούται με μία διάσπαση ανά δευτερόλεπτο. Πήρε το όνομά του από τον Becquerel, που ανακάλυψε τη ραδιενέργεια το χίλια οκτακόσια ενενήντα έξι. Μετρά το ίδιο μέγεθος με το curie, με ένα curie να ισούται με τρία κόμμα επτά επί δέκα στη δέκατη becquerel· η αντικατάσταση έγινε επειδή το διεθνές σύστημα προτιμά απλούς και θεμελιώδεις ορισμούς αντί για ορισμούς που στηρίζονται σε αυθαίρετα δείγματα, όπως το ένα γραμμάριο ραδίου. Επειδή το becquerel είναι πολύ μικρή μονάδα, στην πράξη χρησιμοποιούνται πολλαπλάσιά του. Χαρακτηριστικό είναι ότι το ίδιο το ανθρώπινο σώμα αποτελεί πηγή μερικών χιλιάδων becquerel, κυρίως λόγω του φυσικού καλίου σαράντα.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 17 — Πόσο ισούται το 1 Bq
Ερώτηση: Το 1 Bq ισούται με: α) 1000 διασπάσεις /s, β) 1 διάσπαση /s, γ) 10 διασπάσεις /s. Σημειώστε το σωστό.
Απάντηση:
-
Σωστή απάντηση: β) 1 διάσπαση /s.
Η τεκμηρίωση (σελ. 288): το becquerel ισούται με μια διάσπαση ανά δευτερόλεπτο. Το ίδιο καταγράφεται και στον πίνακα 11.2 (σελ. 291): becquerel (Bq) — 1 διάσπαση/s.
Η απλότητα του ορισμού: το Bq είναι η απλούστερη δυνατή μονάδα ενεργότητας — ένα πυρηνικό γεγονός ανά δευτερόλεπτο. Διαστατικά, μάλιστα, είναι απλώς s⁻¹:
διασπάσεις [Bq] = ──────────── = s^-1 sΗ σχέση με το curie:
1 Ci = 3,7 x 10^10 Bq (το Ci είναι ΤΕΡΑΣΤΙΟ) 1 Bq = 2,7 x 10^-11 Ci (το Bq είναι ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΟ)Η σημασία της αλλαγής μονάδας για την επικοινωνία: επειδή το Bq είναι τόσο μικρό, οι ίδιες ποσότητες ραδιενέργειας εκφράζονται με τεράστιους αριθμούς. Ένα δείγμα 1 μCi (μια ασήμαντη ποσότητα) είναι 37.000 Bq. Αυτό συχνά παραπλανά το κοινό, που ακούει «χιλιάδες becquerel» και υποθέτει κίνδυνο. Η σωστή ανάγνωση ενός αριθμού σε Bq: πρέπει πάντοτε να συνοδεύεται από: · το είδος του ισοτόπου (και άρα την ακτινοβολία που εκπέμπει)· · τον χρόνο υποδιπλασιασμού του· · τον τρόπο έκθεσης (εξωτερική ακτινοβόληση ή κατάποση). Παράδειγμα: 1000 Bq ενός εκπομπού α που καταπίνεται είναι πολύ πιο επικίνδυνα από 1.000.000 Bq ενός εκπομπού β χαμηλής ενέργειας που βρίσκεται έξω από το σώμα (πρβλ. QF = 10-20 για την α, σελ. 291). Η σύνδεση με τα υπόλοιπα μεγέθη: η ενεργότητα (Bq) λέει πόσα πυρηνικά γεγονότα συμβαίνουν· η δόση (Gy) λέει πόση ενέργεια φτάνει σε εμάς· η ισοδύναμη δόση (Sv) λέει πόσο μας βλάπτει. Και τα τρία χρειάζονται για μια σωστή εκτίμηση.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Σωστή είναι η απάντηση β, δηλαδή ένα becquerel ισούται με μία διάσπαση ανά δευτερόλεπτο. Πρόκειται για την απλούστερη δυνατή μονάδα ενεργότητας, που διαστατικά ισοδυναμεί με αντίστροφο δευτερόλεπτο. Σε σχέση με το curie, ένα curie ισούται με τρία κόμμα επτά επί δέκα στη δέκατη becquerel, δηλαδή το becquerel είναι εξαιρετικά μικρή μονάδα. Αυτό έχει σημασία για την επικοινωνία, γιατί ποσότητες εντελώς ασήμαντες εκφράζονται με πολύ μεγάλους αριθμούς, όπως το ένα μικροcurie που ισούται με τριάντα επτά χιλιάδες becquerel, και συχνά παραπλανούν. Ένας αριθμός σε becquerel πρέπει πάντοτε να συνοδεύεται από το είδος του ισοτόπου, τον χρόνο υποδιπλασιασμού και τον τρόπο έκθεσης, αφού χίλια becquerel ενός εκπομπού άλφα που καταπίνεται είναι πολύ πιο επικίνδυνα από ένα εκατομμύριο becquerel ενός εκπομπού βήτα εκτός σώματος.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 18 — Τι μονάδα είναι το roentgen
Ερώτηση: Το R (roentgen) είναι μονάδα: α) Ενεργότητας, β) Έκθεσης, γ) Απορροφηθείσας δόσης. Σημειώστε το σωστό.
Απάντηση:
-
Σωστή απάντηση: β) Έκθεσης.
Η τεκμηρίωση (σελ. 289): Μονάδα έκθεσης παλαιότερα ήταν το roentgen (R) που ορίζεται ως το ποσό του θετικού φορτίου από ιοντισμό που προκαλείται σε ένα χιλιόγραμμο ξηρού αέρα υπό κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας (1 atm, 0 °C).
Το όνομα: roentgen — προς τιμήν του Wilhelm Conrad Röntgen, που ανακάλυψε τις ακτίνες Χ το 1895 (κεφ. 7). Είναι απολύτως εύλογο η μονάδα να φέρει το όνομά του, αφού η έκθεση ορίζεται αποκλειστικά για ακτίνες Χ και γ.
ΜΕΓΕΘΟΣ ΠΑΛΙΑ ΜΟΝΑΔΑ ΜΟΝΑΔΑ SI ──────────────────────────────────────────────────── Ενεργότητα Ci Bq ΕΚΘΕΣΗ R ✔ C/kg Απορροφηθείσα δόση rad Gy Βιολογικά ισοδύναμη rem SvΟ περιορισμός (σελ. 289): Η έκθεση ορίζεται μόνο για τις ακτίνες X και τις ακτίνες γ με ενέργειες μέχρι 3 MeV και όχι για άλλες μορφές ακτινοβολίας. Η σημερινή μονάδα (σελ. 289): Σήμερα, χρησιμοποιείται η μονάδα του SI που είναι 1 κουλόμπ/χιλιόγραμμο, δηλαδή 1 C/kg. Γιατί το R μετρά «έκθεση» και όχι «δόση»: μετρά τον ιοντισμό του ΑΕΡΑ, όχι την ενέργεια που απορρόφησε ένα σώμα. Είναι δηλαδή μέτρο του πόσο ισχυρή είναι η δέσμη στο σημείο όπου βρίσκεται κάποιος — και όχι του τι έπαθε αυτός. Η γέφυρα προς τη δόση (σελ. 289): Έκθεση 1 R σε ακτίνες X ή ακτίνες γ προκαλεί απορροφηθείσα δόση σε μαλακούς ιστούς περίπου 1 rad. Αυτή η σχεδόν ένα-προς-ένα αντιστοιχία είναι εξαιρετικά βολική στην ακτινολογία και εξηγεί γιατί τα δύο μεγέθη μπερδεύονται τόσο συχνά. Η πρακτική χρήση σήμερα: το R επιβιώνει στα παλαιότερα δοσίμετρα και στην ακτινοπροστασία, αν και έχει επισήμως αντικατασταθεί από το C/kg. Πολύ πιο συχνά στη σύγχρονη πρακτική χρησιμοποιούμε απευθείας mSv για την εκτίμηση της έκθεσης του προσωπικού. Η μνημονική: R όπως Röntgen και όπως ακτίνες Χ — και οι δύο συνδέονται αποκλειστικά με τη διεισδυτική ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Σωστή είναι η απάντηση β, δηλαδή το roentgen είναι μονάδα έκθεσης. Ορίζεται ως το ποσό του θετικού φορτίου από ιοντισμό που προκαλείται σε ένα χιλιόγραμμο ξηρού αέρα υπό κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, δηλαδή σε μία ατμόσφαιρα και μηδέν βαθμούς Κελσίου. Πήρε το όνομά του από τον Röntgen, που ανακάλυψε τις ακτίνες Χ, γεγονός εύλογο αφού η έκθεση ορίζεται αποκλειστικά για ακτίνες Χ και γάμμα με ενέργειες μέχρι τρία μεγαηλεκτρονιοβόλτ. Σήμερα χρησιμοποιείται η μονάδα του διεθνούς συστήματος, δηλαδή το κουλόμπ ανά χιλιόγραμμο. Το roentgen μετρά τον ιοντισμό του αέρα και όχι την ενέργεια που απορρόφησε ένα σώμα, είναι δηλαδή μέτρο της ισχύος της δέσμης και όχι της βλάβης. Βολική γέφυρα προς τη δόση αποτελεί το ότι έκθεση ενός roentgen προκαλεί σε μαλακούς ιστούς απορροφηθείσα δόση περίπου ενός rad.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 19 — Συμπλήρωση κενών για τον ορισμό του roentgen
Ερώτηση: Το R (roentgen) ορίζεται ως το ……………… του ……………… φορτίου από ……………… που προκαλείται σε 1 kg ξηρού ……………… υπό ……………… συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Συμπληρώστε τα κενά.
Απάντηση:
-
Το συμπληρωμένο κείμενο — αυτολεξεί από το βιβλίο (σελ. 289):
«Το R (roentgen) ορίζεται ως το ΠΟΣΟ του ΘΕΤΙΚΟΥ φορτίου από ΙΟΝΤΙΣΜΟ που προκαλείται σε 1 kg ξηρού ΑΕΡΑ υπό ΚΑΝΟΝΙΚΕΣ συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας.»
Οι κανονικές συνθήκες διευκρινίζονται στην ίδια πρόταση: (1 atm, 0 °C).
Η αριθμητική τιμή (σελ. 289, σχέση 11.6):
1 roentgen (ρέντγκεν) = 1 R = 2,58 x 10^-4 C/kgΗ επεξήγηση του βιβλίου: Δηλαδή, 1 R ακτίνων X ή ακτίνων γ παράγει 2,58 x 10^-4 C θετικών φορτίων σε ένα χιλιόγραμμο ξηρού αέρα υπό κανονικές συνθήκες και φυσικά ένα ίσο κατά μέτρο ποσό αρνητικών ιόντων.
Γιατί κάθε λέξη του ορισμού έχει σημασία: · «θετικού φορτίου»: μετράται μόνο η μία «μεριά» των ζευγών ιόντων. Ο ιοντισμός παράγει ίσα ποσά θετικού και αρνητικού φορτίου — αν τα μετρούσαμε και τα δύο, θα διπλασιαζόταν ο αριθμός. · «ξηρού αέρα»: η υγρασία αλλάζει την πυκνότητα και τη σύσταση του αέρα, άρα και τον ιοντισμό. Ο ορισμός απαιτεί πρότυπες συνθήκες. · «κανονικές συνθήκες» (1 atm, 0 °C): για να είναι καθορισμένη η πυκνότητα του αέρα, αφού ο ορισμός αναφέρεται σε μάζα (1 kg). · «αέρα»: το πρότυπο υλικό είναι ο αέρας και όχι ο ιστός — γι' αυτό η έκθεση δεν εξαρτάται από το ποιος ή τι βρίσκεται εκεί.
1 R → σε 1 kg ξηρού αέρα (Κ.Σ.) → 2,58 x 10^-4 C ΘΕΤΙΚΩΝ ιόντων → ΚΑΙ 2,58 x 10^-4 C αρνητικών ⇒ αντιστοιχεί σε ≈ 1,6 x 10^15 ζεύγη ιόντων ανά kg αέραΗ σύνδεση με το κεφάλαιο 3: το φορτίο 2,58 × 10⁻⁴ C διαιρεμένο με το στοιχειώδες φορτίο e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C δίνει περίπου 1,6 × 10¹⁵ ιονισμένα άτομα ανά χιλιόγραμμο — ένας τεράστιος αριθμός, που όμως αντιστοιχεί σε ελάχιστο κλάσμα των ατόμων του αέρα. Η σημερινή αντικατάσταση: 1 C/kg στο SI — δηλαδή 1 C/kg ≈ 3876 R. Η νέα μονάδα είναι πολύ μεγαλύτερη.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το συμπληρωμένο κείμενο είναι: το roentgen ορίζεται ως το ποσό του θετικού φορτίου από ιοντισμό που προκαλείται σε ένα χιλιόγραμμο ξηρού αέρα υπό κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, δηλαδή σε μία ατμόσφαιρα και μηδέν βαθμούς Κελσίου. Αριθμητικά, ένα roentgen ισούται με δύο κόμμα πενήντα οκτώ επί δέκα εις την μείον τέταρτη κουλόμπ ανά χιλιόγραμμο, ενώ παράγεται και ίσο κατά μέτρο ποσό αρνητικών ιόντων. Κάθε λέξη του ορισμού έχει σημασία: μετράται μόνο το θετικό φορτίο, ώστε να μη διπλομετρηθούν τα ζεύγη ιόντων· ο αέρας πρέπει να είναι ξηρός, γιατί η υγρασία αλλάζει τη σύσταση και τον ιοντισμό· οι συνθήκες πρέπει να είναι κανονικές, ώστε να είναι καθορισμένη η πυκνότητα, αφού ο ορισμός αναφέρεται σε μάζα· και το πρότυπο υλικό είναι ο αέρας και όχι ο ιστός, γι' αυτό η έκθεση δεν εξαρτάται από το τι βρίσκεται στη θέση αυτή. Σήμερα η μονάδα έχει αντικατασταθεί από το κουλόμπ ανά χιλιόγραμμο.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 20 — Πόσο ισούται το roentgen
Ερώτηση: Ένα R (roentgen) ισούται με: α) 5,5 x 10^-5 C/kg, β) 2,58 x 10^-4 C/kg, γ) 3,72 x 10^-6 C/kg. Σημειώστε το σωστό.
Απάντηση:
-
Σωστή απάντηση: β) 2,58 x 10^-4 C/kg.
Η τεκμηρίωση (σελ. 289, σχέση 11.6): 1 roentgen (ρέντγκεν) = 1 R = 2,58 x 10^-4 C/kg Το ίδιο επιβεβαιώνεται και στον πίνακα 11.2 (σελ. 291): roentgen (R) — 2,58 x 10^-4 C·kg⁻¹ σε ξηρό αέρα (Κ.Σ.).
Τι σημαίνει πρακτικά ο αριθμός: σε ένα χιλιόγραμμο ξηρού αέρα, 1 R παράγει 0,000258 C θετικού φορτίου — και ίσο ποσό αρνητικού.
2,58 x 10^-4 C ───────────────── ≈ 1,6 x 10^15 ζεύγη ιόντων ανά kg αέρα 1,6 x 10^-19 CΓιατί ο αριθμός δεν είναι στρογγυλός: το roentgen δεν ορίστηκε από τη θεωρία αλλά ιστορικά, από τα πρώτα ακτινολογικά όργανα. Ο αρχικός ορισμός αφορούσε 1 cm³ αέρα και έδινε 1 esu φορτίου· η μετατροπή σε C/kg παράγει τον «περίεργο» συντελεστή 2,58. Το ίδιο μοτίβο παρατηρείται και στις άλλες παλιές μονάδες: 1 Ci = 3,7 × 10¹⁰ (ένα γραμμάριο ραδίου), 1 rad = 0,01 J/kg. Και οι τρεις ήταν πρακτικές, εμπειρικές μονάδες — γι' αυτό το SI τις αντικατέστησε με απλούς ορισμούς: 1 Bq, 1 C/kg, 1 Gy. Γιατί αποκλείονται οι άλλες: οι τιμές 5,5 × 10⁻⁵ και 3,72 × 10⁻⁶ είναι αυθαίρετες παραλλαγές· η δεύτερη μάλιστα χρησιμοποιεί τα ψηφία 3,7, που ανήκουν στον ορισμό του curie — μια συνηθισμένη παγίδα σύγχυσης ανάμεσα στις δύο μονάδες. Η αντιστροφή: 1 C/kg = 1/(2,58 × 10⁻⁴) ≈ 3876 R — η μονάδα του SI είναι δηλαδή σχεδόν 4000 φορές μεγαλύτερη από το roentgen. Γι' αυτό στην πράξη γράφουμε mC/kg ή μC/kg. Η χρήσιμη αντιστοιχία για την πράξη (σελ. 289): Έκθεση 1 R σε ακτίνες X ή ακτίνες γ προκαλεί απορροφηθείσα δόση σε μαλακούς ιστούς περίπου 1 rad — άρα, πρακτικά, 1 R ≈ 1 rad ≈ 0,01 Gy = 10 mGy για τους μαλακούς ιστούς.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Σωστή είναι η απάντηση β, δηλαδή ένα roentgen ισούται με δύο κόμμα πενήντα οκτώ επί δέκα εις την μείον τέταρτη κουλόμπ ανά χιλιόγραμμο, όπως ορίζει το βιβλίο και επιβεβαιώνει ο σχετικός πίνακας. Πρακτικά, σε ένα χιλιόγραμμο ξηρού αέρα παράγονται περίπου μηδέν κόμμα μηδέν μηδέν μηδέν διακόσια πενήντα οκτώ κουλόμπ θετικού φορτίου και ίσο ποσό αρνητικού, δηλαδή περίπου ένα κόμμα έξι επί δέκα στη δέκατη πέμπτη ζεύγη ιόντων. Ο αριθμός δεν είναι στρογγυλός επειδή η μονάδα ορίστηκε ιστορικά, από τα πρώτα ακτινολογικά όργανα, με αρχικό ορισμό που αφορούσε ένα κυβικό εκατοστό αέρα. Το ίδιο ισχύει και για τις άλλες παλιές μονάδες, γι' αυτό και το διεθνές σύστημα τις αντικατέστησε με απλούστερους ορισμούς. Σημειώνεται ότι η μονάδα του διεθνούς συστήματος είναι περίπου τέσσερις χιλιάδες φορές μεγαλύτερη από το roentgen.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 21 — Συμπλήρωση κενών για την απορροφηθείσα δόση στους οργανισμούς
Ερώτηση: Προκειμένου για ζωντανούς οργανισμούς η απορροφηθείσα δόση είναι η ……………… που απεδόθη στους ……………… τους οργανισμούς ανά ……………… μάζας των ιστών. Συμπληρώστε τα κενά.
Απάντηση:
-
Το συμπληρωμένο κείμενο:
«Προκειμένου για ζωντανούς οργανισμούς η απορροφηθείσα δόση είναι η ΕΝΕΡΓΕΙΑ που απεδόθη στους ΙΣΤΟΥΣ τους οργανισμούς ανά ΜΟΝΑΔΑ μάζας των ιστών.»
Η διατύπωση του βιβλίου (σελ. 289): Η απορροφηθείσα δόση D είναι η ενέργεια που αποδόθηκε στους ιστούς ενός οργανισμού ανά μονάδα μάζας των ιστών.
ενέργεια που απορροφήθηκε από τους ιστούς D = ───────────────────────────────────────── μάζα των ιστών 1 rad = 0,01 J/kg · 1 Gy = 1 J/kg ⇒ 1 Gy = 100 radΗ ονομασία rad (σελ. 289): 1 rad (radiation absorbed dose) — «δόση απορροφηθείσας ακτινοβολίας». Γιατί ορίζεται «ανά μονάδα μάζας»: η ίδια ενέργεια, αν κατανεμηθεί σε μεγάλη μάζα, είναι ακίνδυνη· αν συγκεντρωθεί σε λίγα γραμμάρια ιστού, μπορεί να είναι καταστροφική. Γι' αυτό η δόση είναι ειδικό (ανά μάζα) και όχι ολικό μέγεθος. Το εντυπωσιακό συμπέρασμα του παραδείγματος 11.2 (σελ. 290): δόση 1000 rad ανεβάζει τη θερμοκρασία των ιστών μόλις κατά 0,0239 K — και όμως, 10.000 rad τους καταστρέφουν τελείως. Το βιβλίο εξηγεί: η ενέργεια της ακτινοβολίας δεν κατανέμεται ομοιόμορφα σε όλη την έκταση του ιστού και … η ενέργεια λαμβάνεται σε σχετικά μεγάλες ποσότητες από μεμονωμένα άτομα σε συγκεκριμένες τυχαίες θέσεις με αποτέλεσμα την αποσύνθεση κρίσιμων βιολογικών μορίων. Γιατί η δόση δεν αρκεί για τους οργανισμούς (σελ. 290): τα αποτελέσματα της ακτινοβολίας σε ένα ζωντανό ιστό εξαρτώνται από το είδος της ακτινοβολίας και από την ενέργειά της. Γι' αυτό ορίζεται η βιολογικά ισοδύναμη δόση — η τέταρτη παράμετρος — μέσω του συντελεστή QF (ασκήσεις 26-32). Η κλίμακα των τιμών για τον άνθρωπο (σελ. 298-299): < 25 rem χωρίς παρατηρήσιμες συνέπειες · 100 rem βλάβη στον μυελό των οστών · > 500 rem θάνατος σε ημέρες ή εβδομάδες.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το συμπληρωμένο κείμενο είναι: προκειμένου για ζωντανούς οργανισμούς η απορροφηθείσα δόση είναι η ενέργεια που απεδόθη στους ιστούς τους οργανισμούς ανά μονάδα μάζας των ιστών. Μονάδες της είναι το rad, δηλαδή μηδέν κόμμα μηδέν ένα τζάουλ ανά χιλιόγραμμο, και το gray του διεθνούς συστήματος, ίσο με ένα τζάουλ ανά χιλιόγραμμο. Η ονομασία rad προέρχεται από τα αρχικά της αγγλικής φράσης που σημαίνει δόση απορροφηθείσας ακτινοβολίας. Ο ορισμός ανά μονάδα μάζας είναι απαραίτητος, γιατί η ίδια ενέργεια είναι ακίνδυνη αν κατανεμηθεί σε μεγάλη μάζα και καταστροφική αν συγκεντρωθεί σε λίγα γραμμάρια ιστού. Χαρακτηριστικό είναι ότι δόση χιλίων rad ανεβάζει τη θερμοκρασία μόλις κατά δύο εκατοστά του βαθμού, ενώ δέκα χιλιάδες rad καταστρέφουν τελείως τους ιστούς, επειδή η ενέργεια δεν κατανέμεται ομοιόμορφα αλλά συγκεντρώνεται σε μεμονωμένα άτομα και αποσυνθέτει κρίσιμα βιολογικά μόρια.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 22 — Τι μονάδα είναι το rad
Ερώτηση: Το rad είναι μονάδα: α) Ενεργότητας, β) Απορροφηθείσας δόσης, γ) Έκθεσης. Σημειώστε το σωστό.
Απάντηση:
-
Σωστή απάντηση: β) Απορροφηθείσας δόσης.
Η τεκμηρίωση (σελ. 289): Μονάδα της απορροφηθείσης δόσης ήταν παλαιότερα το 1 rad (radiation absorbed dose).
Η ονομασία: rad = radiation absorbed dose — τα ίδια τα αρχικά δηλώνουν τι μετρά η μονάδα, κάτι που τη διακρίνει από τις υπόλοιπες που φέρουν ονόματα επιστημόνων (Curie, Becquerel, Röntgen, Gray, Sievert).
1 rad = 0,01 J/kg (παλιά μονάδα) 1 Gy = 1 J/kg (μονάδα SI, gray) ⇒ 1 Gy = 100 radΟ πλήρης πίνακας των μονάδων (πίνακας 11.2, σελ. 291):
ΜΕΓΕΘΟΣ ΜΟΝΑΔΑ ΟΡΙΣΜΟΣ ────────────────────────────────────────────────────────── Ενεργότητα curie 3,70 x 10^10 διασπ./s becquerel 1 διάσπαση/s Έκθεση (ακτίνες Χ ή γ) roentgen 2,58 x 10^-4 C/kg ΑΠΟΡΡΟΦΗΘΕΙΣΑ ΔΟΣΗ rad ✔ 0,01 J/kg gray 1 J/kg Βιολογικά ισοδύναμη rem QF x (δόση σε rads) sievert QF x (δόση σε grays)Το πεδίο εφαρμογής (σελ. 289): η απορροφηθείσα δόση χρησιμοποιείται για όλα τα είδη των ακτινοβολιών που μπορούν να προκαλέσουν ιοντισμό — σε αντίθεση με την έκθεση, που ορίζεται μόνο για ακτίνες Χ και γ μέχρι 3 MeV. Η προσοχή στη σύγχυση rad – rem: μοιάζουν στην ονομασία αλλά μετρούν διαφορετικά μεγέθη:
rad → ΑΠΟΡΡΟΦΗΘΕΙΣΑ δόση (φυσικό μέγεθος: ενέργεια/μάζα) rem → ΒΙΟΛΟΓΙΚΑ ΙΣΟΔΥΝΑΜΗ (βιολογικό: rad x QF)Για ακτίνες Χ 200 keV (όπου QF = 1) οι δύο συμπίπτουν αριθμητικά — γι' αυτό συχνά μπερδεύονται. Η γέφυρα με την έκθεση (σελ. 289): Έκθεση 1 R σε ακτίνες X ή ακτίνες γ προκαλεί απορροφηθείσα δόση σε μαλακούς ιστούς περίπου 1 rad — άρα, για μαλακούς ιστούς και ακτίνες Χ, ισχύει η βολική τριπλή αντιστοιχία 1 R ≈ 1 rad ≈ 1 rem.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Σωστή είναι η απάντηση β, δηλαδή το rad είναι μονάδα απορροφηθείσας δόσης, όπως αναφέρει το βιβλίο. Η ίδια η ονομασία προέρχεται από τα αρχικά της αγγλικής φράσης που σημαίνει δόση απορροφηθείσας ακτινοβολίας, σε αντίθεση με τις υπόλοιπες μονάδες που φέρουν ονόματα επιστημόνων. Ένα rad ισούται με μηδέν κόμμα μηδέν ένα τζάουλ ανά χιλιόγραμμο, ενώ η μονάδα του διεθνούς συστήματος είναι το gray, ίσο με ένα τζάουλ ανά χιλιόγραμμο, οπότε ένα gray ισούται με εκατό rad. Η απορροφηθείσα δόση χρησιμοποιείται για όλα τα είδη ιοντιζουσών ακτινοβολιών, σε αντίθεση με την έκθεση που ορίζεται μόνο για ακτίνες Χ και γάμμα. Χρειάζεται προσοχή στη σύγχυση με το rem, που μετρά τη βιολογικά ισοδύναμη δόση και ισούται με το rad επί τον συντελεστή ποιότητας· για ακτίνες Χ διακοσίων κιλοηλεκτρονιοβόλτ οι δύο μονάδες συμπίπτουν αριθμητικά.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 23 — Πόσο ισούται το 1 rad
Ερώτηση: Το 1 rad ισούται με: α) 0,1 J/kg, β) 0,01 J/kg, γ) 0,001 J/kg Σημειώστε το σωστό.
Απάντηση:
-
Σωστή απάντηση: β) 0,01 J/kg.
Η τεκμηρίωση (σελ. 289, σχέση 11.7): 1 rad = 0,01 J/kg — και το ίδιο στον πίνακα 11.2 (σελ. 291): rad — 0,01 J·kg⁻¹.
Η σχέση με το gray:
1 Gy = 1 J/kg 1 rad = 0,01 J/kg = 1/100 Gy ⇒ 1 Gy = 100 rad · 1 rad = 10 mGy = 1 cGy(Στην ακτινοθεραπεία μάλιστα χρησιμοποιείται συχνά το cGy, ακριβώς επειδή 1 cGy = 1 rad — έτσι οι παλιές συνταγές μεταφέρθηκαν στο SI χωρίς αλλαγή αριθμών.)
Πόσο «λίγη» ενέργεια είναι: 0,01 J σε ένα ολόκληρο κιλό ιστού. Για σύγκριση, ένα φλιτζάνι καφέ περιέχει εκατοντάδες χιλιάδες τζάουλ θερμικής ενέργειας. Και όμως, όπως δείχνει το παράδειγμα 11.2 του βιβλίου (σελ. 289-290), δόση 10.000 rad — δηλαδή μόλις 100 J/kg — καταστρέφει τελείως τους ιστούς. Ο υπολογισμός του βιβλίου για 1000 rad:
ΔQ/m = 1000 x 0,01 J/kg = 100 J/kg ΔΤ = (ΔQ/m)/c = 100 / 4180 = 0,0239 KΤο βαθύ δίδαγμα (σελ. 290): η δράση των ακτινοβολιών δε σχετίζεται μόνο με την αύξηση της θερμοκρασίας αλλά και με χημικές και πυρηνικές μετατροπές στα άτομα των κυττάρων. Η ζημιά δεν είναι θερμική αλλά μοριακή — η ενέργεια δεν «απλώνεται» ομοιόμορφα, αλλά χτυπά συγκεκριμένα μόρια, όπως το DNA. Γιατί αποκλείονται οι άλλες: το 0,1 J/kg και το 0,001 J/kg διαφέρουν κατά έναν παράγοντα 10 προς τα πάνω και προς τα κάτω — τυπική παγίδα τάξης μεγέθους. Ο σωστός αριθμός θυμάται εύκολα ως το εκατοστό του gray. Η μνημονική αλυσίδα των μονάδων του SI:
1 Gy = 1 J/kg → 1 rad = 1/100 Gy 1 Sv = QF x Gy → 1 rem = 1/100 SvΤο 100 συνδέει τις παλιές με τις νέες μονάδες και στα δύο ζεύγη.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Σωστή είναι η απάντηση β, δηλαδή ένα rad ισούται με μηδέν κόμμα μηδέν ένα τζάουλ ανά χιλιόγραμμο, όπως ορίζει το βιβλίο. Επειδή το gray ισούται με ένα τζάουλ ανά χιλιόγραμμο, ένα gray αντιστοιχεί σε εκατό rad, ενώ ένα rad ισούται με ένα εκατοστόgray, γι' αυτό και στην ακτινοθεραπεία χρησιμοποιείται συχνά το εκατοστόgray. Εντυπωσιακό είναι πόσο μικρή ενέργεια είναι αυτή, αφού ακόμη και δέκα χιλιάδες rad αντιστοιχούν σε μόλις εκατό τζάουλ ανά χιλιόγραμμο και όμως καταστρέφουν τελείως τους ιστούς· ο υπολογισμός του βιβλίου δείχνει ότι χίλια rad ανεβάζουν τη θερμοκρασία μόλις κατά μηδέν κόμμα μηδέν διακόσια τριάντα εννέα βαθμούς. Το δίδαγμα είναι ότι η ζημιά δεν είναι θερμική αλλά μοριακή, αφού η ακτινοβολία προκαλεί χημικές και πυρηνικές μετατροπές στα άτομα των κυττάρων. Οι άλλες δύο επιλογές αποτελούν παγίδες τάξης μεγέθους.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 24 — Τι μονάδα είναι το gray
Ερώτηση: Το Gy (gray) είναι μονάδα: α) Ενεργότητας, β) Έκθεσης, γ) Απορροφηθείσας δόσης. Σημειώστε το σωστό.
Απάντηση:
-
Σωστή απάντηση: γ) Απορροφηθείσας δόσης.
Η τεκμηρίωση (σελ. 289): Η μονάδα που χρησιμοποιείται σήμερα και ανήκει στο (SI) είναι το gray (γκρέι) — 1 gray (Gy) = 1 J/kg.
Το όνομα: προς τιμήν του Louis Harold Gray, Βρετανού φυσικού, πρωτοπόρου της ραδιοβιολογίας.
ΤΑ ΤΕΣΣΕΡΑ ΖΕΥΓΗ ΜΟΝΑΔΩΝ (παλιά → SI) Ενεργότητα Ci → Bq Έκθεση R → C/kg ΑΠΟΡΡΟΦΗΘΕΙΣΑ ΔΟΣΗ rad → Gy ✔ Βιολογικά ισοδύναμη rem → SvΗ ισοδυναμία: 1 Gy = 1 J/kg = 100 rad. Το gray είναι δηλαδή εκατό φορές μεγαλύτερο από το rad. Η κρίσιμη διάκριση Gy – Sv: και τα δύο έχουν διαστάσεις J/kg, αλλά μετρούν διαφορετικά πράγματα:
Gy → ΦΥΣΙΚΟ μέγεθος: πόση ενέργεια απορροφήθηκε ανά kg Sv → ΒΙΟΛΟΓΙΚΟ μέγεθος: πόση ΒΛΑΒΗ προκλήθηκε (Gy x QF)Παράδειγμα: 1 Gy ακτίνων γ δίνει περίπου 1 Sv (QF ≈ 1), ενώ 1 Gy σωματιδίων α δίνει 10 έως 20 Sv (QF = 10-20, πίνακας 11.1, σελ. 291) — ίδια ενέργεια, δεκαπλάσια ή εικοσαπλάσια βλάβη. Οι τυπικές τιμές που πρέπει να έχει κανείς στο μυαλό του:
ακτινογραφία θώρακα ≈ 0,0001 Gy (0,1 mGy) αξονική τομογραφία ≈ 0,01 Gy (10 mGy) συνεδρία ακτινοθεραπείας ≈ 2 Gy (στοχευμένα!) ολόσωμη δόση θανατηφόρα ≈ 4-5 GyΗ καθοριστική σημασία της «στόχευσης»: στην ακτινοθεραπεία χορηγούνται δόσεις πολλαπλάσιες της θανατηφόρας ολόσωμης — αλλά μόνο στον όγκο, με προσεκτικό αποκλεισμό των υγιών ιστών. Αυτό εκμεταλλεύεται ακριβώς την παρατήρηση του βιβλίου (σελ. 298) ότι Τα καρκινικά κύτταρα πολλαπλασιάζονται πολύ πιο γρήγορα και αυτό ακριβώς εκμεταλλευόμαστε, για να τα καταπολεμήσουμε με την ακτινοβόληση.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Σωστή είναι η απάντηση γ, δηλαδή το gray είναι μονάδα απορροφηθείσας δόσης και ανήκει στο διεθνές σύστημα, ισούται δε με ένα τζάουλ ανά χιλιόγραμμο. Πήρε το όνομά του από τον Βρετανό φυσικό Louis Harold Gray, πρωτοπόρο της ραδιοβιολογίας. Ένα gray ισούται με εκατό rad, δηλαδή είναι εκατό φορές μεγαλύτερο από την παλιά μονάδα. Κρίσιμη είναι η διάκριση από το sievert, γιατί και τα δύο έχουν διαστάσεις τζάουλ ανά χιλιόγραμμο, αλλά το gray είναι φυσικό μέγεθος και δηλώνει πόση ενέργεια απορροφήθηκε, ενώ το sievert είναι βιολογικό και δηλώνει πόση βλάβη προκλήθηκε, αφού προκύπτει από το γινόμενο της δόσης επί τον συντελεστή ποιότητας. Έτσι ένα gray ακτίνων γάμμα δίνει περίπου ένα sievert, ενώ ένα gray σωματιδίων άλφα δίνει δέκα έως είκοσι sievert. Στην ακτινοθεραπεία χορηγούνται δόσεις πολλαπλάσιες της θανατηφόρας ολόσωμης, αλλά στοχευμένα μόνο στον όγκο.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 25 — Συμπλήρωση κενών για την αντιστοιχία roentgen και rad
Ερώτηση: Έκθεση 1 R σε ακτίνες ……………… ή ακτίνες ……………… προκαλεί απορροφηθείσα ……………… σε μαλακούς ……………… περίπου ……………… . Συμπληρώστε τα κενά.
Απάντηση:
-
Το συμπληρωμένο κείμενο — αυτολεξεί από το βιβλίο (σελ. 289):
«Έκθεση 1 R σε ακτίνες Χ ή ακτίνες γ προκαλεί απορροφηθείσα ΔΟΣΗ σε μαλακούς ΙΣΤΟΥΣ περίπου 1 rad.»
Τα πέντε κενά: 1. Χ · 2. γ · 3. δόση · 4. ιστούς · 5. 1 rad.
Γιατί αυτή η αντιστοιχία είναι τόσο σημαντική: γεφυρώνει δύο μεγέθη διαφορετικής φύσης:
ΕΚΘΕΣΗ (R) ΑΠΟΡΡΟΦΗΘΕΙΣΑ ΔΟΣΗ (rad) ιοντισμός στον ΑΕΡΑ ⟶ ενέργεια στους ΙΣΤΟΥΣ ό,τι ΜΕΤΡΑΜΕ εύκολα ό,τι μας ΕΝΔΙΑΦΕΡΕΙ 1 R ≈ 1 rad (μαλακοί ιστοί, ακτίνες Χ και γ)Η πρακτική αξία: τα όργανα μετρούν τον ιοντισμό του αέρα — είναι πολύ ευκολότερο από το να μετρήσει κανείς την ενέργεια που απορρόφησε ένας ιστός. Χάρη στη σχέση αυτή, η μέτρηση στον αέρα μεταφράζεται κατευθείαν σε δόση για τον ασθενή. Γιατί ισχύει: οι μαλακοί ιστοί αποτελούνται κυρίως από νερό και έχουν ενεργό ατομικό αριθμό πολύ κοντά σε αυτόν του αέρα. Άρα απορροφούν την ακτινοβολία Χ και γ με παρόμοιο τρόπο. Για το οστό (με ασβέστιο, μεγαλύτερο Ζ) η αντιστοιχία δεν ισχύει το ίδιο — απορροφά περισσότερο. Η τριπλή αντιστοιχία που προκύπτει: για ακτίνες Χ 200 keV (όπου εξ ορισμού QF = 1, σελ. 291):
1 R ≈ 1 rad = 1 rem (έκθεση) (δόση) (βιολογικά ισοδύναμη δόση)Γι' αυτό στα παλιά κείμενα οι τρεις μονάδες χρησιμοποιούνταν σχεδόν εναλλάξ — μια πηγή σύγχυσης που το SI έλυσε με τις σαφώς διακριτές μονάδες C/kg, Gy και Sv. Ο περιορισμός να μην ξεχαστεί: η αντιστοιχία ισχύει μόνο για ακτίνες Χ και γ (τα μόνα είδη για τα οποία ορίζεται η έκθεση, σελ. 289) και μόνο για μαλακούς ιστούς.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το συμπληρωμένο κείμενο είναι: έκθεση ενός roentgen σε ακτίνες Χ ή ακτίνες γάμμα προκαλεί απορροφηθείσα δόση σε μαλακούς ιστούς περίπου ενός rad. Η αντιστοιχία αυτή είναι σημαντική γιατί γεφυρώνει δύο μεγέθη διαφορετικής φύσης, δηλαδή τον ιοντισμό στον αέρα, που μετριέται εύκολα με όργανα, και την ενέργεια που απορροφούν οι ιστοί, που είναι εκείνο που πραγματικά μας ενδιαφέρει. Ισχύει επειδή οι μαλακοί ιστοί αποτελούνται κυρίως από νερό και έχουν ενεργό ατομικό αριθμό κοντά σε αυτόν του αέρα, οπότε απορροφούν παρόμοια τις ακτίνες Χ και γάμμα· για το οστό, που περιέχει ασβέστιο, η αντιστοιχία δεν ισχύει το ίδιο. Επειδή για ακτίνες Χ διακοσίων κιλοηλεκτρονιοβόλτ ο συντελεστής ποιότητας είναι μονάδα, προκύπτει η τριπλή αντιστοιχία ενός roentgen, ενός rad και ενός rem. Ο περιορισμός είναι ότι ισχύει μόνο για ακτίνες Χ και γάμμα και μόνο για μαλακούς ιστούς.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 26 — Συμπλήρωση κενών για τον ορισμό του συντελεστή ποιότητας
Ερώτηση: Ο συντελεστής ποιότητας (QF) μιας συγκεκριμένης ………………… ορίζεται από τη σύγκριση των ………………… αποτελεσμάτων προς εκείνα μιας ………………… ακτινοβολίας που συνήθως είναι η ακτινοβολία …………………, ενέργειας ………………… Συμπληρώστε τα κενά.
Απάντηση:
-
Το συμπληρωμένο κείμενο — αυτολεξεί από το βιβλίο (σελ. 290):
«Ο συντελεστής ποιότητας (QF) μιας συγκεκριμένης ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ορίζεται από τη σύγκριση των ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ της αποτελεσμάτων προς εκείνα μιας ΠΡΟΤΥΠΗΣ ακτινοβολίας, που συνήθως είναι η ακτινοβολία Χ ενέργειας 200 keV.»
Γιατί χρειάζεται ο QF (σελ. 290): τα αποτελέσματα της ακτινοβολίας σε ένα ζωντανό ιστό εξαρτώνται από το είδος της ακτινοβολίας και από την ενέργειά της. Είναι προφανές ότι άλλη επίδραση θα έχει σε ένα ζωντανό ιστό η ακτινοβολία α από ότι η β, έστω και αν έχουν την ίδια ενέργεια, διότι η ακτινοβολία β είναι πολύ περισσότερο διεισδυτική.
Ο πίνακας 11.1 — Τυπικές τιμές του QF (σελ. 291), με Εξ ορισμού QF = 1 για ακτίνες X 200 keV:
ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ QF ──────────────────────────────────────────────── ⁶⁰Co ακτίνες γ (1,17 και 1,33 MeV) 0,7 4-MeV ακτίνες γ 0,6 Ακτίνες β 1,0 Πρωτόνια (1-10 MeV) 2,0 Νετρόνια 2-10 Ακτίνες α 10-20Γιατί η α έχει τον μεγαλύτερο QF (σελ. 291): Τα θετικά ιόντα (σωματίδια α), που αποδίδουν περισσότερη ενέργεια ανά μονάδα μήκους διαδρομής τους από ό,τι οι ακτίνες β (ηλεκτρόνια) και οι ακτίνες γ (φωτόνια), γενικά προκαλούν μεγαλύτερη βιολογική καταστροφή από ότι η ίδια η απορροφηθείσα δόση ακτίνων β ή γ. Η ουσιαστική εξήγηση: η πυκνότητα της ενέργειας κατά μήκος της διαδρομής είναι το κρίσιμο. Η α αποθέτει όλη την ενέργειά της σε μικροσκοπική απόσταση — άρα σε λίγα κύτταρα, τα οποία υφίστανται πολλαπλά, μη επιδιορθώσιμα χτυπήματα. Η γ «σκορπίζει» την ίδια ενέργεια σε πολλά κύτταρα, καθένα από τα οποία μπορεί να επιδιορθωθεί. Η σημαντική επιφύλαξη του βιβλίου (σελ. 291): Εντούτοις, η επίδρασή τους συχνά περιορίζεται στην επιφάνεια των ιστών, διότι έχουν πολύ μικρή εμβέλεια. Δηλαδή η α είναι επικίνδυνη κυρίως όταν η πηγή βρεθεί μέσα στον οργανισμό. Οι τιμές QF < 1: το ⁶⁰Co (0,7) και οι 4-MeV ακτίνες γ (0,6) είναι λιγότερο βλαπτικές από την πρότυπη ακτινοβολία Χ των 200 keV — γιατί, όντας πιο διεισδυτικές, αφήνουν λιγότερη ενέργεια ανά μονάδα διαδρομής.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το συμπληρωμένο κείμενο είναι: ο συντελεστής ποιότητας μιας συγκεκριμένης ακτινοβολίας ορίζεται από τη σύγκριση των βιολογικών της αποτελεσμάτων προς εκείνα μιας πρότυπης ακτινοβολίας, που συνήθως είναι η ακτινοβολία Χ ενέργειας διακοσίων κιλοηλεκτρονιοβόλτ. Ο συντελεστής χρειάζεται επειδή τα αποτελέσματα της ακτινοβολίας σε ζωντανό ιστό εξαρτώνται από το είδος και την ενέργειά της, αφού άλλη επίδραση έχει η άλφα και άλλη η βήτα, ακόμη και με την ίδια ενέργεια. Κατά τον πίνακα του βιβλίου, ο συντελεστής είναι μονάδα εξ ορισμού για τις ακτίνες Χ διακοσίων κιλοηλεκτρονιοβόλτ, μονάδα για τις ακτίνες βήτα, δύο για τα πρωτόνια, δύο έως δέκα για τα νετρόνια και δέκα έως είκοσι για τις ακτίνες άλφα, ενώ για τις ακτίνες γάμμα του κοβαλτίου εξήντα είναι μικρότερος της μονάδας. Η άλφα έχει τον μεγαλύτερο συντελεστή γιατί αποδίδει περισσότερη ενέργεια ανά μονάδα μήκους διαδρομής, αν και η επίδρασή της περιορίζεται συχνά στην επιφάνεια των ιστών λόγω της μικρής εμβέλειας.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 27 — Συμπλήρωση κενών για την εξάρτηση του συντελεστή ποιότητας
Ερώτηση: Ο συντελεστής ποιότητας (QF) εξαρτάται από το ………………… της ακτινοβολίας και την ………………… της από το ………………… είδος και το ……………………… φαινόμενο που εξετάζουμε. Συμπληρώστε τα κενά.
Απάντηση:
-
Το συμπληρωμένο κείμενο — αυτολεξεί από το βιβλίο (σελ. 290):
«Ο συντελεστής ποιότητας (QF) εξαρτάται από το ΕΙΔΟΣ της ακτινοβολίας και την ΕΝΕΡΓΕΙΑ της από το ΖΩΤΙΚΟ είδος και το ΒΙΟΛΟΓΙΚΟ φαινόμενο που εξετάζουμε.»
Οι τέσσερις παράγοντες:
1. ΕΙΔΟΣ ακτινοβολίας α, β, γ, νετρόνια, πρωτόνια 2. ΕΝΕΡΓΕΙΑ ακτινοβολίας π.χ. γ 1,17 MeV → 0,7 γ 4 MeV → 0,6 3. ΖΩΤΙΚΟ ΕΙΔΟΣ άνθρωπος, ζώο, φυτό, βακτήριο 4. ΒΙΟΛΟΓΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ καταρράκτης; καρκίνος; μετάλλαξη; θάνατος κυττάρου;Γιατί καθένας από τους τέσσερις έχει σημασία: 1. Το είδος καθορίζει την πυκνότητα ιοντισμού κατά μήκος της διαδρομής. Η α αποθέτει ενέργεια πολύ πυκνά (QF 10-20), η γ πολύ αραιά (QF ≈ 1 ή και λιγότερο). 2. Η ενέργεια: ο πίνακας 11.1 (σελ. 291) το δείχνει καθαρά — για τις ίδιες ακτίνες γ, ο QF πέφτει από 0,7 (⁶⁰Co, 1,17-1,33 MeV) σε 0,6 (4 MeV). Όσο μεγαλύτερη η ενέργεια, τόσο πιο διεισδυτική η ακτινοβολία και τόσο λιγότερη ενέργεια αφήνει ανά μονάδα μήκους. 3. Το ζωτικό είδος: διαφορετικοί οργανισμοί έχουν διαφορετική ανθεκτικότητα. Τα βακτήρια αντέχουν δόσεις χιλιάδες φορές μεγαλύτερες από τα θηλαστικά — γι' αυτό η αποστείρωση με ακτινοβολία απαιτεί τεράστιες δόσεις. 4. Το βιολογικό φαινόμενο: η ίδια ακτινοβολία μπορεί να έχει διαφορετικό QF ανάλογα με το τι μετράμε. Το βιβλίο δίνει το παράδειγμα του καταρράκτη (σελ. 291): μπορεί να σχηματιστεί καταρράκτης στα μάτια είτε με 1 rad ακτίνων X ενέργειας 200 KeV είτε με 0,1 rad νετρονίων, δηλαδή 1 rem. — δηλαδή για αυτό το φαινόμενο, τα νετρόνια έχουν QF = 10.
Το βαθύτερο δίδαγμα: ο QF δεν είναι φυσική σταθερά αλλά εμπειρικός βιολογικός συντελεστής. Γι' αυτό οι πίνακες δίνουν εύρη τιμών (2-10 για νετρόνια, 10-20 για α) και όχι μοναδικούς αριθμούς — κάτι που αντικατοπτρίζει ακριβώς την παραδοχή του βιβλίου (σελ. 296): Κανένας στην πραγματικότητα δεν ξέρει σε πόση ραδιενέργεια και για πόσο χρονικό διάστημα μπορεί να εκτεθεί ο ανθρώπινος οργανισμός χωρίς σοβαρό κίνδυνο.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το συμπληρωμένο κείμενο είναι: ο συντελεστής ποιότητας εξαρτάται από το είδος της ακτινοβολίας και την ενέργειά της, από το ζωτικό είδος και το βιολογικό φαινόμενο που εξετάζουμε. Το είδος καθορίζει την πυκνότητα του ιοντισμού κατά μήκος της διαδρομής, γι' αυτό η άλφα έχει συντελεστή δέκα έως είκοσι και η γάμμα περίπου μονάδα ή μικρότερο. Η ενέργεια έχει επίσης σημασία, αφού για τις ίδιες ακτίνες γάμμα ο συντελεστής πέφτει από μηδέν κόμμα επτά για το κοβάλτιο εξήντα σε μηδέν κόμμα έξι για τα τέσσερα μεγαηλεκτρονιοβόλτ, επειδή η πιο διεισδυτική ακτινοβολία αφήνει λιγότερη ενέργεια ανά μονάδα μήκους. Το ζωτικό είδος επίσης διαφοροποιεί το αποτέλεσμα, αφού τα βακτήρια αντέχουν δόσεις χιλιάδες φορές μεγαλύτερες από τα θηλαστικά. Τέλος, το βιολογικό φαινόμενο έχει σημασία, όπως δείχνει το παράδειγμα του καταρράκτη, όπου ένα rad ακτίνων Χ ισοδυναμεί με μηδέν κόμμα ένα rad νετρονίων. Ο συντελεστής επομένως δεν είναι φυσική σταθερά αλλά εμπειρικός βιολογικός συντελεστής, γι' αυτό δίνεται σε εύρη τιμών.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 28 — Η μονάδα της βιολογικά ισοδύναμης δόσης
Ερώτηση: Η μονάδα μέτρησης της βιολογικά ισοδύναμης δόσης είναι: α) 1 ram, β) 1 rem , γ) 1 rom Σημειώστε το σωστό.
Απάντηση:
-
Σωστή απάντηση: β) 1 rem.
Η τεκμηρίωση (σελ. 291): Η βιολογικά ισοδύναμη δόση σε rem (roentgen equivalent for man = ισοδύναμο της ακτινοβολίας roentgen για τον άνθρωπο).
Η ονομασία αναλυτικά:
r → roentgen e → equivalent m → (for) man «ισοδύναμο της ακτινοβολίας roentgen για τον άνθρωπο»Γιατί αυτό το όνομα: το rem απαντά στο ερώτημα «πόσα roentgen ακτίνων Χ θα προκαλούσαν την ίδια βλάβη σε άνθρωπο;». Είναι δηλαδή μια μονάδα που ανάγει κάθε είδος ακτινοβολίας στην πρότυπη ακτινοβολία Χ των 200 keV (άσκηση 30). Ο ορισμός (σελ. 291): Σε κάθε περίπτωση η βιολογικά ισοδύναμη δόση (σε rem) ισούται με την απορροφηθείσα δόση (σε rad) επί το συντελεστή ποιότητας QF.
rem = QF x (δόση σε rad) Sv = QF x (δόση σε Gy) [μονάδα SI] 1 Sv = 100 remΓιατί αποκλείονται οι άλλες: το ram και το rom δεν υπάρχουν — είναι απλώς φωνητικές παραλλαγές που ελέγχουν αν ο μαθητής θυμάται τη σωστή ονομασία και τη σημασία των αρχικών της. Θυμούμενος τη φράση roentgen equivalent for man, το e στη μέση είναι βέβαιο. Το παράδειγμα του βιβλίου (σελ. 291): μπορεί να σχηματιστεί καταρράκτης στα μάτια είτε με 1 rad ακτίνων X ενέργειας 200 KeV είτε με 0,1 rad νετρονίων, δηλαδή 1 rem.
ακτίνες Χ: 1 rad x QF=1 = 1 rem νετρόνια: 0,1 rad x QF=10 = 1 rem → ΙΔΙΑ ΒΛΑΒΗΗ σημερινή μονάδα: το sievert (Sv), από τον Σουηδό φυσικό Rolf Sievert, πρωτοπόρο της ακτινοπροστασίας (άσκηση 31). Στην πράξη χρησιμοποιούνται τα mSv — όπως στον πίνακα 11.3 του βιβλίου (σελ. 300), όπου η ετήσια μέγιστη επιτρεπόμενη δόση για κάθε άνθρωπο δίνεται ως 5 mSv και ο θάνατος επέρχεται στα 10.000 mSv.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Σωστή είναι η απάντηση β, δηλαδή το rem. Η ονομασία προέρχεται από την αγγλική φράση roentgen equivalent for man, δηλαδή ισοδύναμο της ακτινοβολίας roentgen για τον άνθρωπο, και απαντά στο ερώτημα πόσα roentgen ακτίνων Χ θα προκαλούσαν την ίδια βλάβη. Κατά το βιβλίο, η βιολογικά ισοδύναμη δόση σε rem ισούται με την απορροφηθείσα δόση σε rad επί τον συντελεστή ποιότητας, ενώ στο διεθνές σύστημα η αντίστοιχη μονάδα είναι το sievert, ίσο με εκατό rem. Οι επιλογές ram και rom δεν υπάρχουν και αποτελούν απλώς φωνητικές παραλλαγές. Χαρακτηριστικό είναι το παράδειγμα του βιβλίου, όπου καταρράκτης στα μάτια σχηματίζεται είτε με ένα rad ακτίνων Χ διακοσίων κιλοηλεκτρονιοβόλτ είτε με μηδέν κόμμα ένα rad νετρονίων, δηλαδή και στις δύο περιπτώσεις με ένα rem.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 29 — Συμπλήρωση κενών για τη σχέση rem, rad και QF
Ερώτηση: Σε κάθε περίπτωση η βιολογικά ……………………… δόση (σε rem) ……………………… με την ……………………………… δόση (σε rad) επί τον ……………………… ποιότητας (QF). Συμπληρώστε τα κενά.
Απάντηση:
-
Το συμπληρωμένο κείμενο — αυτολεξεί από το βιβλίο (σελ. 291):
«Σε κάθε περίπτωση η βιολογικά ΙΣΟΔΥΝΑΜΗ δόση (σε rem) ΙΣΟΥΤΑΙ με την ΑΠΟΡΡΟΦΗΘΕΙΣΑ δόση (σε rad) επί τον ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ποιότητας (QF).»
Η θεμελιώδης σχέση του κεφαλαίου:
ΒΙΟΛΟΓΙΚΑ ΙΣΟΔΥΝΑΜΗ = ΑΠΟΡΡΟΦΗΘΕΙΣΑ x QF ΔΟΣΗ ΔΟΣΗ rem = QF x rad (παλιές μονάδες) Sv = QF x Gy (μονάδες SI)Η σημασία της φράσης «σε κάθε περίπτωση»: η σχέση ισχύει για οποιοδήποτε είδος ακτινοβολίας και για οποιαδήποτε ενέργεια — αρκεί να χρησιμοποιηθεί ο σωστός QF από τον πίνακα 11.1 (σελ. 291).
Παραδείγματα εφαρμογής:
ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΔΟΣΗ QF ΙΣΟΔΥΝΑΜΗ ΔΟΣΗ ───────────────────────────────────────────────────── ακτίνες Χ 200 keV 2 rad 1 2 rem ακτίνες β 2 rad 1,0 2 rem πρωτόνια 2 rad 2,0 4 rem νετρόνια 2 rad 2-10 4 - 20 rem ακτίνες α 2 rad 10-20 20 - 40 remΤο κρίσιμο συμπέρασμα: η ίδια απορροφηθείσα ενέργεια μπορεί να αντιστοιχεί σε δεκαπλάσια ή εικοσαπλάσια βιολογική βλάβη, ανάλογα με το είδος της ακτινοβολίας. Γιατί ο QF είναι «καθαρός αριθμός»: είναι λόγος δύο βιολογικών αποτελεσμάτων — άρα αδιάστατος. Γι' αυτό οι μονάδες rem και rad (ή Sv και Gy) έχουν τις ίδιες διαστάσεις (J/kg) και διαφέρουν μόνο στην ερμηνεία. Η σύγχυση που πρέπει να αποφευχθεί:
rad / Gy → ΦΥΣΙΚΟ μέγεθος (τι απορροφήθηκε) rem / Sv → ΒΙΟΛΟΓΙΚΟ (τι βλάβη προκλήθηκε) Οι διαστάσεις ΤΑΥΤΙΖΟΝΤΑΙ — το ΝΟΗΜΑ όχι.Η σύνδεση με τον πίνακα 11.3 (σελ. 300): όλες οι τιμές των επιπτώσεων στον άνθρωπο δίνονται σε mSv — δηλαδή σε βιολογικά ισοδύναμη δόση, γιατί αυτή είναι που καθορίζει τη βλάβη, όχι η απορροφηθείσα ενέργεια από μόνη της.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το συμπληρωμένο κείμενο είναι: σε κάθε περίπτωση η βιολογικά ισοδύναμη δόση σε rem ισούται με την απορροφηθείσα δόση σε rad επί τον συντελεστή ποιότητας. Η ίδια σχέση ισχύει και στο διεθνές σύστημα, όπου τα sievert ισούνται με τα gray επί τον συντελεστή ποιότητας. Η φράση σε κάθε περίπτωση σημαίνει ότι η σχέση ισχύει για οποιοδήποτε είδος ακτινοβολίας και οποιαδήποτε ενέργεια, αρκεί να χρησιμοποιηθεί ο σωστός συντελεστής. Έτσι, δόση δύο rad αντιστοιχεί σε δύο rem για ακτίνες Χ ή βήτα, σε τέσσερα rem για πρωτόνια και σε είκοσι έως σαράντα rem για ακτίνες άλφα. Επειδή ο συντελεστής ποιότητας είναι λόγος βιολογικών αποτελεσμάτων, είναι αδιάστατος, γι' αυτό και οι μονάδες rem και rad έχουν τις ίδιες διαστάσεις τζάουλ ανά χιλιόγραμμο και διαφέρουν μόνο στην ερμηνεία: το rad είναι φυσικό μέγεθος και το rem βιολογικό.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 30 — Σε τι αντιστοιχεί ένα rem
Ερώτηση: Ένα rem οποιοσδήποτε ακτινοβολίας προκαλεί την ίδια βιολογική φθορά μ' αυτή που προκαλείται από: α) 1 rad ακτινών - X - 100 KeV β) 1 rad ακτινών - X - 200 KeV γ) 1 rad ακτινών - X - 500 KeV δ) Τίποτα από τα προηγούμενα. Σημειώστε το σωστό.
Απάντηση:
-
Σωστή απάντηση: β) 1 rad ακτινών - X - 200 KeV.
Η τεκμηρίωση αυτολεξεί (σελ. 291): Ένα rem οποιασδήποτε ακτινοβολίας προκαλεί την ίδια βιολογική φθορά με αυτή που προκαλείται από ένα rad ακτίνων X ενέργειας 200 KeV.
Γιατί ακριβώς τα 200 keV: γιατί αυτή είναι η πρότυπη ακτινοβολία με βάση την οποία ορίστηκε ο συντελεστής ποιότητας. Ο πίνακας 11.1 (σελ. 291) το δηλώνει ρητά: Εξ ορισμού QF = 1 για ακτίνες X 200 keV.
ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΤΥΠΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ (ακτίνες Χ 200 keV): QF = 1 ⇒ rem = 1 x rad ⇒ 1 rem = 1 rad ΓΙΑ ΚΑΘΕ ΑΛΛΗ: 1 rem = (1/QF) rad δηλαδή ΛΙΓΟΤΕΡΑ rad για την ίδια βλάβη, όταν QF > 1Το νόημα της ισοδυναμίας: το rem είναι, εξ ορισμού, μονάδα σύγκρισης. Λέγοντας «ο εργαζόμενος δέχθηκε 5 rem» εννοούμε: «υπέστη τη βλάβη που θα του προκαλούσαν 5 rad ακτίνων Χ 200 keV» — ανεξάρτητα από το ποια ακτινοβολία δέχθηκε πραγματικά. Η επαλήθευση με το παράδειγμα του βιβλίου (σελ. 291): μπορεί να σχηματιστεί καταρράκτης στα μάτια είτε με 1 rad ακτίνων X ενέργειας 200 KeV είτε με 0,1 rad νετρονίων, δηλαδή 1 rem.
ακτίνες Χ 200 keV: 1 rad x QF = 1 = 1 rem νετρόνια: 0,1 rad x QF = 10 = 1 rem ───────────────────────────────────────────────── ΤΟ ΙΔΙΟ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ: καταρράκτηςΓιατί αποκλείονται οι άλλες: τα 100 keV και τα 500 keV είναι μη πρότυπες ενέργειες. Η επιλογή του προτύπου είναι σύμβαση — αλλά σταθερή και διεθνής σύμβαση, χωρίς την οποία ο QF δεν θα είχε νόημα. Η προσοχή στη διατύπωση «οποιασδήποτε ακτινοβολίας»: αυτή ακριβώς είναι η αξία του rem — ανάγει α, β, γ, νετρόνια και πρωτόνια σε έναν κοινό παρονομαστή, ώστε δόσεις διαφορετικών ειδών να μπορούν να αθροιστούν και να συγκριθούν με όρια ασφαλείας (πίνακας 11.3, σελ. 300).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Σωστή είναι η απάντηση β, δηλαδή ένα rad ακτίνων Χ ενέργειας διακοσίων κιλοηλεκτρονιοβόλτ, όπως αναφέρει αυτολεξεί το βιβλίο. Ο λόγος είναι ότι αυτή είναι η πρότυπη ακτινοβολία με βάση την οποία ορίστηκε ο συντελεστής ποιότητας, ο οποίος εξ ορισμού ισούται με μονάδα για ακτίνες Χ διακοσίων κιλοηλεκτρονιοβόλτ· επομένως για την πρότυπη ακτινοβολία το ένα rem ταυτίζεται με το ένα rad. Το νόημα της ισοδυναμίας είναι ότι το rem αποτελεί μονάδα σύγκρισης, οπότε λέγοντας ότι κάποιος δέχθηκε ορισμένα rem εννοούμε τη βλάβη που θα του προκαλούσαν ισάριθμα rad της πρότυπης ακτινοβολίας, ανεξάρτητα από το τι δέχθηκε πραγματικά. Το επαληθεύει και το παράδειγμα του βιβλίου με τον καταρράκτη, όπου ένα rad ακτίνων Χ και μηδέν κόμμα ένα rad νετρονίων δίνουν και τα δύο ένα rem. Οι ενέργειες των εκατό και των πεντακοσίων κιλοηλεκτρονιοβόλτ δεν είναι πρότυπες.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 31 — Η μονάδα SI της βιολογικά ισοδύναμης δόσης
Ερώτηση: Στο διεθνές σύστημα μονάδων η βιολογικά ισοδύναμη δόση μετράται σε: α) rem β) rad γ) bq δ) Sv Σημειώστε το σωστό.
Απάντηση:
-
Σωστή απάντηση: δ) Sv.
Η τεκμηρίωση (σελ. 291): Στο διεθνές σύστημα μονάδων η βιολογικά ισοδύναμη δόση μετράται σε sievert (Sv - σίβερ) και ισούται με την απορροφηθείσα δόση σε (Gy) επί τον συντελεστή ποιότητας (QF).
Το όνομα: sievert — προς τιμήν του Σουηδού ιατρικού φυσικού Rolf Maximilian Sievert, πρωτοπόρου της ακτινοπροστασίας και της μέτρησης των βιολογικών επιδράσεων της ακτινοβολίας.
Sv = QF x (δόση σε Gy) 1 Sv = 100 rem · 1 rem = 0,01 Sv = 10 mSvΓιατί αποκλείονται οι άλλες: α) rem: μετρά το ίδιο μέγεθος, αλλά είναι η παλιά μονάδα — όχι του SI. Είναι η πιο επικίνδυνη επιλογή, γιατί είναι «μισο-σωστή». β) rad: μετρά απορροφηθείσα δόση (και είναι επίσης παλιά μονάδα). γ) bq: μετρά ενεργότητα — εντελώς διαφορετικό μέγεθος.
ΜΕΓΕΘΟΣ ΠΑΛΙΑ SI ────────────────────────────────────── Ενεργότητα Ci Bq Έκθεση R C/kg Απορροφηθείσα δόση rad Gy ΒΙΟΛΟΓΙΚΑ ΙΣΟΔΥΝΑΜΗ rem Sv ✔Το κρίσιμο σημείο: Gy και Sv έχουν και τα δύο διαστάσεις J/kg — και όμως είναι διαφορετικές μονάδες, γιατί το Sv ενσωματώνει τον βιολογικό παράγοντα QF. Η διάκριση αυτή είναι θεμελιώδης στην ακτινοπροστασία: όταν διαβάζουμε ότι μια εξέταση «δίνει 10 mSv», η τιμή αυτή περιλαμβάνει ήδη τη βαρύτητα του είδους της ακτινοβολίας. Οι τιμές που δίνει το βιβλίο σε mSv (πίνακας 11.3, σελ. 300):
5 mSv ετήσια μέγιστη επιτρεπόμενη δόση για κάθε άνθρωπο 50 mSv ετήσιο ανεκτό όριο για ασθενείς και εργαζομένους 1000 mSv ραδιοασθένεια 1500 mSv μείωση σπερματοζωαρίων και ωαρίων (στειρότητα) 2500 mSv στείρωση για πάνω από δύο χρόνια 4000 mSv πιθανότητα θανάτου 50% 10000 mSv θάνατοςΗ σύνδεση με την καθημερινότητα (σελ. 296): ο μέσος Ευρωπαίος εκτίθεται κάθε χρόνο σε συνολική ακτινοβολία 100 - 200 mrem, που αντιστοιχεί σε 10 - 20 ακτινογραφίες — δηλαδή 1-2 mSv ετησίως.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Σωστή είναι η απάντηση δ, δηλαδή το sievert. Όπως αναφέρει το βιβλίο, στο διεθνές σύστημα μονάδων η βιολογικά ισοδύναμη δόση μετράται σε sievert και ισούται με την απορροφηθείσα δόση σε gray επί τον συντελεστή ποιότητας. Η μονάδα πήρε το όνομά της από τον Σουηδό ιατρικό φυσικό Rolf Sievert, πρωτοπόρο της ακτινοπροστασίας, και ισούται με εκατό rem. Το rem μετρά το ίδιο μέγεθος αλλά είναι η παλιά μονάδα, το rad μετρά απορροφηθείσα δόση και το becquerel μετρά ενεργότητα, γι' αυτό και αποκλείονται. Κρίσιμο είναι ότι το gray και το sievert έχουν και τα δύο διαστάσεις τζάουλ ανά χιλιόγραμμο, διαφέρουν όμως επειδή το sievert ενσωματώνει τον βιολογικό συντελεστή ποιότητας. Κατά τον πίνακα του βιβλίου, τα πέντε χιλιοστόsievert είναι η ετήσια μέγιστη επιτρεπόμενη δόση, τα χίλια προκαλούν ραδιοασθένεια, τα τέσσερις χιλιάδες δίνουν πιθανότητα θανάτου πενήντα τοις εκατό και τα δέκα χιλιάδες θάνατο.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 32 — Συμπλήρωση των σχέσεων ανάμεσα στις μονάδες
Ερώτηση: Συμπληρώστε σωστά τις ακόλουθες σχέσεις: α) Rem = QF x (…………), β) …… = QF x (Gy) γ) …… = QF x (rad), δ) Sv = QF x (……)
Απάντηση:
-
Οι συμπληρωμένες σχέσεις:
α) rem = QF x (rad) β) Sv = QF x (Gy) γ) rem = QF x (rad) δ) Sv = QF x (Gy)Παρατήρηση: οι τέσσερις σχέσεις είναι ανά δύο ταυτόσημες — τα (α) και (γ) εκφράζουν την ίδια σχέση στις παλιές μονάδες, τα (β) και (δ) την ίδια σχέση στις μονάδες του SI. Η άσκηση ελέγχει αν ο μαθητής μπορεί να συμπληρώσει τη σχέση από όποια πλευρά κι αν του δοθεί.
Η τεκμηρίωση από τον πίνακα 11.2 (σελ. 291):
ΜΕΓΕΘΟΣ ΜΟΝΑΔΑ ΟΡΙΣΜΟΣ ─────────────────────────────────────────────────────── Βιολογικά ισοδύναμη δόση rem QF x (δόση σε rads) sievert QF x (δόση σε grays)Και η διατύπωση του κειμένου (σελ. 291): Σε κάθε περίπτωση η βιολογικά ισοδύναμη δόση (σε rem) ισούται με την απορροφηθείσα δόση (σε rad) επί το συντελεστή ποιότητας QF και Στο διεθνές σύστημα μονάδων η βιολογικά ισοδύναμη δόση μετράται σε sievert (Sv) και ισούται με την απορροφηθείσα δόση σε (Gy) επί τον συντελεστή ποιότητας (QF).
Ο κανόνας που δεν πρέπει να παραβιαστεί — μην αναμειγνύετε συστήματα:
ΣΩΣΤΑ: rem = QF x rad ✔ (παλιό ζεύγος) Sv = QF x Gy ✔ (ζεύγος SI) ΛΑΘΟΣ: rem = QF x Gy ✘ Sv = QF x rad ✘Κάθε παλιά μονάδα «ταιριάζει» με την παλιά και κάθε μονάδα του SI με την αντίστοιχη του SI. Αν αναμειχθούν, το αποτέλεσμα σφάλλει κατά παράγοντα 100. Οι μετατροπές που τα συνδέουν:
1 Gy = 100 rad · 1 Sv = 100 remΤο ίδιο «100» και στα δύο — ακριβώς γιατί ο QF είναι αδιάστατος και δεν αλλάζει με την αλλαγή μονάδων. Το παράδειγμα εφαρμογής: δόση 0,5 Gy νετρονίων με QF = 10:
SI: 0,5 Gy x 10 = 5 Sv παλιά: 50 rad x 10 = 500 rem έλεγχος: 5 Sv = 500 rem ✔ (αφού 1 Sv = 100 rem)
Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι συμπληρωμένες σχέσεις είναι: rem ίσον συντελεστής ποιότητας επί rad, sievert ίσον συντελεστής ποιότητας επί gray, rem ίσον συντελεστής ποιότητας επί rad και sievert ίσον συντελεστής ποιότητας επί gray. Οι τέσσερις σχέσεις είναι ανά δύο ταυτόσημες, αφού η πρώτη και η τρίτη εκφράζουν την ίδια σχέση στις παλιές μονάδες και η δεύτερη με την τέταρτη στις μονάδες του διεθνούς συστήματος· η άσκηση ελέγχει αν ο μαθητής μπορεί να συμπληρώσει τη σχέση από όποια πλευρά και αν του δοθεί. Ο κανόνας που δεν πρέπει να παραβιαστεί είναι να μην αναμειγνύονται τα δύο συστήματα, δηλαδή το rem πηγαίνει με το rad και το sievert με το gray, γιατί διαφορετικά το αποτέλεσμα σφάλλει κατά παράγοντα εκατό. Οι μετατροπές είναι ένα gray ίσον εκατό rad και ένα sievert ίσον εκατό rem, το ίδιο δηλαδή εκατό και στα δύο, ακριβώς επειδή ο συντελεστής ποιότητας είναι αδιάστατος.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 33 — Ποια συνέπεια δεν προκαλούν οι ραδιενεργές ακτινοβολίες
Ερώτηση: Στους ζωντανούς οργανισμούς οι ραδιενεργές ακτινοβολίες μπορεί να έχουν πολύ σοβαρές συνέπειες διότι: α) Υπό ορισμένες προϋποθέσεις μπορεί να προκαλέσουν τον άμεσο θάνατο. β) Κάτω από άλλες προϋποθέσεις μπορεί να προκαλέσουν την εμφάνιση και ανάπτυξη καρκίνου. γ) Μπορεί να προκαλέσουν γενετικές ανωμαλίες λόγω πρόκλησης μεταλλάξεων. δ) Προκαλούν μεταδοτικές ασθένειες. Σημειώστε το λάθος.
Απάντηση:
-
Το ΛΑΘΟΣ είναι το δ) «Προκαλούν μεταδοτικές ασθένειες». (Προσοχή: η εκφώνηση ζητά να σημειωθεί το λάθος, όχι το σωστό.)
Γιατί είναι λάθος: οι μεταδοτικές (λοιμώδεις) ασθένειες προκαλούνται από παθογόνους μικροοργανισμούς — ιούς, βακτήρια, μύκητες, παράσιτα — και μεταδίδονται από άτομο σε άτομο. Η ακτινοβολία δεν είναι ζωντανός οργανισμός και δεν μεταδίδεται: ένας ακτινοβοληθείς άνθρωπος δεν «κολλάει» τη βλάβη σε κανέναν. Η μοναδική επιφύλαξη: η ακτινοβολία μπορεί να εξασθενήσει το ανοσοποιητικό σύστημα (καταστρέφοντας τον μυελό των οστών, σελ. 298), κάνοντας το άτομο πιο ευάλωτο σε λοιμώξεις. Αυτό όμως είναι έμμεση συνέπεια — δεν σημαίνει ότι η ακτινοβολία προκαλεί μεταδοτική ασθένεια.
Γιατί τα α, β, γ είναι σωστά (σελ. 298-299): α) Άμεσος θάνατος: Για δόση μεγαλύτερη από 500 rem ο θάνατος επέρχεται μετά από διάστημα μερικών ημερών ή εβδομάδων. β) Καρκίνος: Μη θανατηφόρες δόσεις, δόσεις μικρής διάρκειας και δόσεις που ελήφθησαν σταδιακά σε μακρά χρονικά διαστήματα, μπορεί να προκαλέσουν καρκίνο μετά από μια λανθάνουσα περίοδο μερικών χρόνων, κατά τη διάρκεια της οποίας δεν είναι ανιχνεύσιμα σημάδια ασθένειας. γ) Γενετικές ανωμαλίες: Κάθε αύξηση στο ρυθμό μεταλλάξεων του γενετικού υλικού των κυττάρων σημαίνει περισσότερους θανάτους εμβρύων αλλά και περισσότερες γεννήσεις ανθρώπων με εκ γενετής ανωμαλίες.
Ο βασικός μηχανισμός βλάβης (σελ. 298): Όταν ακτινοβολία διέρχεται από ζωντανά κύτταρα, μπορεί να αλλάξει ή να καταστρέψει τη δομή σημαντικών μορίων, με αποτέλεσμα τη δυσλειτουργία ή και το θάνατο των κυττάρων αυτών και τελικά ολόκληρου του οργανισμού.
ΤΡΕΙΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΣΥΝΕΠΕΙΩΝ ΑΜΕΣΕΣ (οξείες) μεγάλη δόση σε λίγο χρόνο → ραδιοασθένεια, θάνατος ΟΨΙΜΕΣ (σωματικές) μικρές ή σταδιακές δόσεις → καρκίνος μετά από χρόνια ΓΕΝΕΤΙΚΕΣ βλάβη στο γενετικό υλικό → μεταλλάξεις στους ΑΠΟΓΟΝΟΥΣΗ σημαντικότερη διαφορά ανάμεσα στις τρεις: οι γενετικές συνέπειες δεν αφορούν το ίδιο το άτομο αλλά τους απογόνους του — και το βιβλίο επισημαίνει τον μακροχρόνιο κίνδυνο σταδιακού εκφυλισμού του ανθρώπινου γένους λόγω συσσώρευσης ελαττωματικών γονιδίων (σελ. 299).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το λάθος είναι η επιλογή δ, δηλαδή ότι οι ραδιενεργές ακτινοβολίες προκαλούν μεταδοτικές ασθένειες, αφού η εκφώνηση ζητά να σημειωθεί το λάθος. Οι μεταδοτικές ασθένειες προκαλούνται από παθογόνους μικροοργανισμούς και μεταδίδονται από άτομο σε άτομο, ενώ η ακτινοβολία δεν μεταδίδεται και ένας ακτινοβοληθείς άνθρωπος δεν μπορεί να μεταδώσει τη βλάβη· η μόνη επιφύλαξη είναι ότι η ακτινοβολία, καταστρέφοντας τον μυελό των οστών, εξασθενεί το ανοσοποιητικό και καθιστά το άτομο ευάλωτο σε λοιμώξεις, πράγμα όμως έμμεσο. Οι υπόλοιπες τρεις επιλογές είναι σωστές: για δόση μεγαλύτερη από πεντακόσια rem ο θάνατος επέρχεται μέσα σε ημέρες ή εβδομάδες, μικρότερες ή σταδιακές δόσεις μπορεί να προκαλέσουν καρκίνο μετά από λανθάνουσα περίοδο ετών, ενώ η αύξηση του ρυθμού μεταλλάξεων οδηγεί σε θανάτους εμβρύων και σε γεννήσεις με εκ γενετής ανωμαλίες.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 34 — Πότε διπλασιάζεται η πιθανότητα θανάτου από καρκίνο
Ερώτηση: Η πιθανότητα θανάτου από καρκίνο διπλασιάζεται όταν η δόση βρίσκεται ανάμεσα: α) 10 και 50 rem, β) 50 και 100 rem, γ) 100 και 500 rem. Σημειώστε το σωστό.
Απάντηση:
-
Σωστή απάντηση: γ) 100 και 500 rem.
Η τεκμηρίωση αυτολεξεί (σελ. 299): Η πιθανότητα θανάτου από καρκίνο διπλασιάζεται, όταν η δόση βρίσκεται μεταξύ των 100 και 500 rem.
Η κλίμακα των δόσεων και των επιπτώσεων (σελ. 298-299):
ΔΟΣΗ (rem) ΕΠΙΠΤΩΣΗ ──────────────────────────────────────────────────── < 25 καμία παρατηρήσιμη συνέπεια 100 βλάβη στο μυελό των οστών 100 - 500 ΔΙΠΛΑΣΙΑΣΜΟΣ πιθανότητας θανάτου ✔ από καρκίνο > 500 θάνατος μετά από ημέρες ή εβδομάδες > 800 διαταραχές στο γαστροπεπτικό σύστημαΤο πλαίσιο (σελ. 299): Μη θανατηφόρες δόσεις, δόσεις μικρής διάρκειας και δόσεις που ελήφθησαν σταδιακά σε μακρά χρονικά διαστήματα, μπορεί να προκαλέσουν καρκίνο μετά από μια λανθάνουσα περίοδο μερικών χρόνων, κατά τη διάρκεια της οποίας δεν είναι ανιχνεύσιμα σημάδια ασθένειας.
Η κρίσιμη επισήμανση για τη γραμμικότητα (σελ. 299): Από πολλά πειράματα σε ζώα και από τα διαθέσιμα στοιχεία παρατηρήσεων σε ανθρώπους συνάγεται το συμπέρασμα ότι η αύξηση στην πιθανότητα εμφάνισης καρκίνου είναι ευθέως ανάλογη της συνολικά συσσωρευμένης δόσης κάθε μορφής (ακτινοβολία -X-, ακτινοβολία υπεριώδη, α, β, γ, κοσμική). Οι δύο βαρυσήμαντες συνέπειες αυτής της γραμμικότητας: 1. Η δόση συσσωρεύεται σε όλη τη ζωή — δεν «ξεχνιέται». Δέκα εκθέσεις των 10 rem έχουν τον ίδιο κίνδυνο με μία των 100 rem. 2. Κάθε μορφή ιοντίζουσας ακτινοβολίας προστίθεται στο ίδιο άθροισμα — ιατρική, φυσική, κοσμική. Η προέλευση των δεδομένων (σελ. 298): Η περιορισμένη γνώση που έχουμε για τις άμεσες συνέπειες που έχει στους ανθρώπους η ραδιενεργός ακτινοβόληση σε μεγάλες δόσεις προέρχεται μόνο από την παρατήρηση των θυμάτων των ατομικών βομβών της Χιροσίμα και του Ναγκασάκι και των ατυχημάτων που έχουν συμβεί στους πυρηνικούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας. Η σύγκριση με τα καθημερινά μεγέθη (σελ. 296): ο μέσος Ευρωπαίος δέχεται 100-200 mrem τον χρόνο — δηλαδή 0,1-0,2 rem. Χρειάζονται 500 έως 5000 χρόνια τέτοιας έκθεσης για να συγκεντρωθεί δόση στην περιοχή των 100-500 rem.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Σωστή είναι η απάντηση γ, δηλαδή η πιθανότητα θανάτου από καρκίνο διπλασιάζεται όταν η δόση βρίσκεται ανάμεσα στα εκατό και τα πεντακόσια rem, όπως αναφέρει αυτολεξεί το βιβλίο. Στην ίδια κλίμακα, δόσεις κάτω των είκοσι πέντε rem δεν έχουν παρατηρήσιμες συνέπειες, τα εκατό rem προκαλούν βλάβη στον μυελό των οστών, πάνω από πεντακόσια rem επέρχεται θάνατος μέσα σε ημέρες ή εβδομάδες και πάνω από οκτακόσια εμφανίζονται διαταραχές στο γαστροπεπτικό σύστημα. Ο καρκίνος εμφανίζεται μετά από λανθάνουσα περίοδο ετών, χωρίς ανιχνεύσιμα σημάδια στο μεσοδιάστημα. Κρίσιμη είναι η επισήμανση ότι η αύξηση της πιθανότητας εμφάνισης καρκίνου είναι ευθέως ανάλογη της συνολικά συσσωρευμένης δόσης κάθε μορφής, οπότε η δόση αθροίζεται σε όλη τη ζωή και από όλες τις πηγές. Τα δεδομένα προέρχονται από τα θύματα της Χιροσίμα και του Ναγκασάκι και από τα πυρηνικά ατυχήματα.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 35 — Η δόση που διπλασιάζει τον ρυθμό μεταλλάξεων
Ερώτηση: Η δόση που διπλασιάζει το ρυθμό μεταλλάξεων βρίσκεται ότι είναι ανάμεσα στα: α) 5 - 10 rem, β) 10 - 25 rem, γ) 25 - 150 rem. Σημειώστε το σωστό.
Απάντηση:
-
Σωστή απάντηση: γ) 25 - 150 rem.
Η τεκμηρίωση αυτολεξεί (σελ. 299): Η δόση που διπλασιάζει το ρυθμό μεταλλάξεων είναι ανάμεσα στα 25 και 150 rem.
Το πλαίσιο των γενετικών επιπτώσεων (σελ. 299): Αν και οι γενετικές μεταλλάξεις που συνέβησαν στα βιολογικά είδη κατά τη διάρκεια εκατομμυρίων χρόνων μαζί με τη φυσική επιλογή απετέλεσαν τον κύριο μηχανισμό για την εμφάνιση του ανθρώπινου είδους στη σημερινή μορφή του, οι περισσότερες αιφνίδιες μεταλλάξεις είναι επιβλαβείς.
Οι συνέπειες της αύξησης του ρυθμού μεταλλάξεων (σελ. 299): Κάθε αύξηση στο ρυθμό μεταλλάξεων του γενετικού υλικού των κυττάρων σημαίνει περισσότερους θανάτους εμβρύων αλλά και περισσότερες γεννήσεις ανθρώπων με εκ γενετής ανωμαλίες. Ο μακροχρόνιος κίνδυνος (σελ. 299): με την αυξημένη σήμερα ικανότητα της ιατρικής επιστήμης να διατηρεί τους ανθρώπους αυτούς ζωντανούς μέχρι την πιθανή αναπαραγωγή τους, αυξάνεται και η συσσώρευση ελαττωματικών γονιδίων στη γενετική δεξαμενή του ανθρώπινου γένους, με αποτέλεσμα το σταδιακό εκφυλισμό του.
Τρεις σημαντικές διευκρινίσεις του βιβλίου (σελ. 299): 1. Οι μεταλλάξεις, εκτός από τη ραδιενεργό ακτινοβόληση, μπορεί να αυξηθούν πάνω από το μέσο όρο και από άλλες αιτίες π.χ. αυξημένη θερμοκρασία, λήψη χημικών ουσιών κτλ. — δηλαδή η ακτινοβολία δεν είναι η μοναδική αιτία. 2. Οι μεταλλάξεις που προκαλούνται από την ακτινοβόληση είναι όμοιες με αυτές που συμβαίνουν φυσιολογικά — δηλαδή δεν υπάρχουν «ειδικές» μεταλλάξεις από ακτινοβολία που να μπορούν να ξεχωριστούν. 3. Σήμερα, είναι αποδεκτό ότι ο ρυθμός τους είναι ανάλογος προς την απορροφούμενη δόση, ανεξάρτητα από το πόσο μικρή είναι, και δεν υφίσταται όριο ασφαλείας ή μηχανισμός αποκατάστασης.
ΤΑ ΔΥΟ ΚΡΙΣΙΜΑ ΕΥΡΗ ΤΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ 100 - 500 rem → διπλασιασμός πιθανότητας ΘΑΝΑΤΟΥ από ΚΑΡΚΙΝΟ (άσκηση 34) 25 - 150 rem → διπλασιασμός ρυθμού ΜΕΤΑΛΛΑΞΕΩΝ (άσκηση 35) ✔Η σημασία της σύγκρισης: το εύρος για τις μεταλλάξεις ξεκινά πολύ χαμηλότερα (25 rem) από εκείνο για τον καρκίνο (100 rem). Οι γενετικές επιπτώσεις εμφανίζονται δηλαδή σε μικρότερες δόσεις — και αφορούν τους απογόνους, όχι το ίδιο το άτομο. Η προσοχή: τα 25 rem είναι ακριβώς και το όριο κάτω από το οποίο δεν παρατηρούνται σωματικές συνέπειες (σελ. 298) — δηλαδή γενετικές βλάβες μπορεί να συμβαίνουν χωρίς καμία ορατή ένδειξη στο άτομο.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Σωστή είναι η απάντηση γ, δηλαδή η δόση που διπλασιάζει τον ρυθμό μεταλλάξεων βρίσκεται ανάμεσα στα είκοσι πέντε και τα εκατόν πενήντα rem, όπως αναφέρει αυτολεξεί το βιβλίο. Το πλαίσιο είναι ότι, αν και οι γενετικές μεταλλάξεις μαζί με τη φυσική επιλογή αποτέλεσαν τον κύριο μηχανισμό εξέλιξης, οι περισσότερες αιφνίδιες μεταλλάξεις είναι επιβλαβείς και οδηγούν σε περισσότερους θανάτους εμβρύων και σε γεννήσεις με εκ γενετής ανωμαλίες, ενώ μακροχρόνια απειλούν με συσσώρευση ελαττωματικών γονιδίων και σταδιακό εκφυλισμό. Το βιβλίο διευκρινίζει ότι οι μεταλλάξεις μπορούν να αυξηθούν και από άλλες αιτίες, όπως η αυξημένη θερμοκρασία και οι χημικές ουσίες, ότι είναι όμοιες με τις φυσιολογικές και ότι ο ρυθμός τους είναι ανάλογος της δόσης, χωρίς όριο ασφαλείας ή μηχανισμό αποκατάστασης. Σημαντικό είναι ότι το εύρος αυτό ξεκινά χαμηλότερα από εκείνο του καρκίνου, δηλαδή οι γενετικές επιπτώσεις εμφανίζονται σε μικρότερες δόσεις και αφορούν τους απογόνους.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 36 — Υπάρχει όριο ασφαλείας για τις μεταλλάξεις
Ερώτηση: Σήμερα όσον αφορά την πρόκληση μεταλλάξεων είναι γενικά αποδεκτό ότι: α) Είμαστε ασφαλείς εφόσον η συνολική απορροφηθείσα δόση είναι μικρότερη από: i) 200 rem ii) 100 rem iii) 10 rem β) Δεν υφίσταται όριο ασφαλείας και γι' αυτό πρέπει να αποφεύγουμε ακόμη και την παρατεταμένη έκθεση στην υπεριώδη ακτινοβολία του Ήλιου. Σημειώστε το σωστό.
Απάντηση:
-
Σωστή απάντηση: β) Δεν υφίσταται όριο ασφαλείας και γι' αυτό πρέπει να αποφεύγουμε ακόμη και την παρατεταμένη έκθεση στην υπεριώδη ακτινοβολία του Ήλιου.
Η τεκμηρίωση αυτολεξεί (σελ. 299): Σήμερα, είναι αποδεκτό ότι ο ρυθμός τους είναι ανάλογος προς την απορροφούμενη δόση, ανεξάρτητα από το πόσο μικρή είναι, και δεν υφίσταται όριο ασφαλείας ή μηχανισμός αποκατάστασης.
Η φυσική σημασία της γραμμικότητας χωρίς κατώφλι:
ΜΕ ΟΡΙΟ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ ΧΩΡΙΣ ΟΡΙΟ (η πραγματικότητα) κίνδυνος κίνδυνος │ ╱ │ ╱ │ ╱ │ ╱ │____╱ │ ╱ └──┬─────── δόση └─╱──────── δόση κατώφλι 0 («κάτω από αυτό ΚΑΘΕ δόση, όσο μικρή, είμαστε ασφαλείς») αυξάνει τον κίνδυνοΟι δύο συνέπειες που αναφέρει ρητά το βιβλίο: 1. «ανεξάρτητα από το πόσο μικρή είναι» — καμία δόση δεν είναι μηδενικού κινδύνου. 2. «ή μηχανισμός αποκατάστασης» — ο οργανισμός δεν «επιδιορθώνει» πλήρως τη γενετική βλάβη· αυτή συσσωρεύεται για μια ζωή.
Γιατί η αναφορά στην υπεριώδη ακτινοβολία του Ήλιου: γιατί το βιβλίο έχει ήδη ορίσει (σελ. 296) ότι Λέγοντας ακτινοβολίες εννοούμε τις α, τις β, τις γ. Σ' αυτές μπορούμε να συμπεριλάβουμε και τις ακτίνες -X- καθώς και την υπεριώδη ακτινοβολία. Όλες οι προηγούμενες ακτινοβολίες, επειδή μπορούν να προκαλέσουν ιοντισμό των ατόμων της ύλης που συναντούν στη διαδρομή τους, ονομάζονται ιοντίζουσες ακτινοβολίες. Η υπεριώδης είναι δηλαδή ιοντίζουσα — και ο ήλιος μια καθημερινή, δωρεάν και αναπόφευκτη πηγή της. Η σύνδεση με τον καρκίνο (σελ. 299): η αύξηση στην πιθανότητα εμφάνισης καρκίνου είναι ευθέως ανάλογη της συνολικά συσσωρευμένης δόσης κάθε μορφής (ακτινοβολία -X-, ακτινοβολία υπεριώδη, α, β, γ, κοσμική) — η υπεριώδης αναφέρεται ρητά στη λίστα. Η αρχή ALARA: ακριβώς επειδή δεν υπάρχει κατώφλι ασφαλείας, η διεθνής ακτινοπροστασία στηρίζεται στην αρχή ότι κάθε έκθεση πρέπει να διατηρείται «όσο χαμηλά είναι λογικά εφικτό». Το ίδιο σκεπτικό εκφράζει και το βιβλίο με το «πρέπει να αποφεύγουμε». Η πρακτική εφαρμογή στην καθημερινή ζωή: αντηλιακή προστασία, αποφυγή του ήλιου τις μεσημβρινές ώρες, αποφυγή περιττών ακτινογραφιών — και οπωσδήποτε στις εγκύους (άσκηση 37).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Σωστή είναι η απάντηση β, δηλαδή δεν υφίσταται όριο ασφαλείας και γι' αυτό πρέπει να αποφεύγουμε ακόμη και την παρατεταμένη έκθεση στην υπεριώδη ακτινοβολία του Ήλιου. Το βιβλίο αναφέρει ρητά ότι ο ρυθμός των μεταλλάξεων είναι ανάλογος προς την απορροφούμενη δόση, ανεξάρτητα από το πόσο μικρή είναι, και ότι δεν υφίσταται όριο ασφαλείας ή μηχανισμός αποκατάστασης. Αυτό σημαίνει δύο πράγματα: ότι καμία δόση δεν είναι μηδενικού κινδύνου και ότι η γενετική βλάβη δεν επιδιορθώνεται πλήρως αλλά συσσωρεύεται σε όλη τη ζωή. Η αναφορά στην υπεριώδη ακτινοβολία γίνεται επειδή το βιβλίο τη συμπεριλαμβάνει στις ιοντίζουσες ακτινοβολίες, ενώ ο ήλιος αποτελεί καθημερινή και αναπόφευκτη πηγή της· η υπεριώδης αναφέρεται ρητά και στη λίστα των ακτινοβολιών που συσσωρευτικά αυξάνουν την πιθανότητα καρκίνου. Πρακτικά, η αρχή αυτή οδηγεί σε αντηλιακή προστασία και αποφυγή περιττών ακτινογραφιών.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 37 — Γιατί οι έγκυες δεν πρέπει να κάνουν ακτινογραφία
Ερώτηση: Ο λόγος για τον οποίο οι έγκυες γυναίκες δεν πρέπει να βγάζουν ούτε μια ακτινογραφία είναι: α) Μπορεί να ζαλιστούν. β) Μπορεί να λιποθυμήσουν. γ) Γιατί τα κύτταρα του εμβρύου που πολλαπλασιάζονται είναι πολύ πιο ευαίσθητα στην ακτινοβόληση. Σημειώστε το σωστό.
Απάντηση:
-
Σωστή απάντηση: γ) Γιατί τα κύτταρα του εμβρύου που πολλαπλασιάζονται είναι πολύ πιο ευαίσθητα στην ακτινοβόληση.
Η τεκμηρίωση (σελ. 298): Συνήθως, τα κύτταρα που αναπτύσσονται ή διαιρούνται πιο γρήγορα είναι τα πλέον ευαίσθητα στη ραδιενεργό ακτινοβόληση. … Για τον ίδιο λόγο τα έμβρυα και τα νήπια είναι πολύ πιο ευπρόσβλητα στην ακτινοβόληση από ό,τι οι ενήλικες. Αυτός είναι και ο λόγος που δεν πρέπει οι έγκυες γυναίκες να εκτίθενται στην ακτινοβόληση ακόμη και μιας απλής ακτινογραφίας.
Ο μηχανισμός: κατά τη διαίρεση το κύτταρο αντιγράφει το DNA του. Τη στιγμή αυτή το γενετικό υλικό είναι εκτεθειμένο και ευάλωτο — μια βλάβη που θα μπορούσε να επιδιορθωθεί σε ένα κύτταρο σε ηρεμία, αντιγράφεται και παγιώνεται. Επιπλέον, στο έμβρυο ένα και μόνο κατεστραμμένο κύτταρο μπορεί να είναι ο πρόγονος ενός ολόκληρου οργάνου.
ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΔΙΑΙΡΕΣΗΣ → ΕΥΑΙΣΘΗΣΙΑ ΣΤΗΝ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΠΟΛΥ ΕΥΑΙΣΘΗΤΑ: έμβρυο, νήπια, μυελός των οστών, γεννητικά κύτταρα, καρκινικά κύτταρα ΑΝΘΕΚΤΙΚΑ: νευρικά και μυϊκά κύτταρα (δεν διαιρούνται)Η ίδια αρχή εξηγεί και τη θεραπεία του καρκίνου (σελ. 298): Τα καρκινικά κύτταρα πολλαπλασιάζονται πολύ πιο γρήγορα και αυτό ακριβώς εκμεταλλευόμαστε, για να τα καταπολεμήσουμε με την ακτινοβόληση. Ένας και μοναδικός νόμος — ότι τα ταχέως διαιρούμενα κύτταρα είναι τα πιο ευάλωτα — εξηγεί και τον κίνδυνο για το έμβρυο και το όφελος της ακτινοθεραπείας.
Γιατί αποκλείονται οι α και β: η ζάλη και η λιποθυμία δεν είναι συνέπειες μιας απλής ακτινογραφίας. Οι δόσεις της διαγνωστικής ακτινολογίας είναι ελάχιστες (κλάσματα του mSv) και δεν προκαλούν οξεία συμπτωματολογία — αυτή εμφανίζεται από χίλια mSv και πάνω (ραδιοασθένεια, πίνακας 11.3, σελ. 300). Οι επιλογές αυτές συγχέουν το φαινόμενο με ψυχολογικές αντιδράσεις ή με παρενέργειες φαρμάκων. Η σύνδεση με την απουσία ορίου ασφαλείας (άσκηση 36): επειδή δεν υφίσταται όριο ασφαλείας, ακόμη και η ελάχιστη δόση μιας ακτινογραφίας ενέχει μη μηδενικό κίνδυνο για το έμβρυο. Στην έγκυο, ο κανόνας γίνεται απόλυτος, γιατί το όφελος για τη μητέρα δεν ισοσταθμίζει τον κίνδυνο για το έμβρυο. Η πρακτική στη σύγχρονη ιατρική: ερώτηση για πιθανή εγκυμοσύνη πριν από κάθε ακτινολογική εξέταση, χρήση μολύβδινης ποδιάς και προτίμηση σε μεθόδους χωρίς ιοντίζουσα ακτινοβολία (υπέρηχοι, μαγνητική τομογραφία).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Σωστή είναι η απάντηση γ, δηλαδή γιατί τα κύτταρα του εμβρύου που πολλαπλασιάζονται είναι πολύ πιο ευαίσθητα στην ακτινοβόληση. Όπως αναφέρει το βιβλίο, τα κύτταρα που αναπτύσσονται ή διαιρούνται πιο γρήγορα είναι τα πλέον ευαίσθητα, γι' αυτό τα έμβρυα και τα νήπια είναι πολύ πιο ευπρόσβλητα από τους ενήλικες και οι έγκυες δεν πρέπει να εκτίθενται ούτε στην ακτινοβόληση μιας απλής ακτινογραφίας. Ο μηχανισμός είναι ότι κατά τη διαίρεση το γενετικό υλικό αντιγράφεται και είναι εκτεθειμένο, οπότε η βλάβη παγιώνεται, ενώ στο έμβρυο ένα μόνο κατεστραμμένο κύτταρο μπορεί να είναι ο πρόγονος ολόκληρου οργάνου. Η ίδια αρχή εξηγεί και το όφελος της ακτινοθεραπείας, αφού τα καρκινικά κύτταρα πολλαπλασιάζονται ταχύτερα. Η ζάλη και η λιποθυμία αποκλείονται, γιατί οι δόσεις της διαγνωστικής ακτινολογίας είναι ελάχιστες και δεν προκαλούν οξεία συμπτωματολογία, η οποία εμφανίζεται από χίλια χιλιοστόsievert και πάνω.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 38 — Συμπλήρωση κενών για τον ορισμό της σχάσης
Ερώτηση: Σχάση ονομάζουμε το φαινόμενο κατά το οποίο ένας ……………… πυρήνας ………………… σε δύο άλλους ………………… πυρήνες. Συμπληρώστε τα κενά.
Απάντηση:
-
Το συμπληρωμένο κείμενο:
«Σχάση ονομάζουμε το φαινόμενο κατά το οποίο ένας ΒΑΡΥΣ πυρήνας ΔΙΑΣΠΑΤΑΙ σε δύο άλλους ΕΛΑΦΡΟΤΕΡΟΥΣ πυρήνες.»
Η διατύπωση του βιβλίου (σελ. 292): οι Hahn και Strassman Βρήκαν ότι το ουράνιο –235, όταν βομβαρδιστεί με νετρόνια, χωρίζεται σε δύο μικρότερους πυρήνες με το μισό περίπου μέγεθος από αυτό του αρχικού πυρήνα. Το νέο αυτό φαινόμενο ονομάστηκε σχάση (fission) και παρατηρείται πιο συχνά στο ουράνιο –235 από ό,τι στο πιο γνωστό ουράνιο –238.
Το μοντέλο της σταγόνας (σελ. 292-293): το νετρόνιο που απορροφάται από τον πυρήνα του ²³⁵₉₂U του αυξάνει την εσωτερική ενέργεια (όπως αν θερμάνουμε τη σταγόνα) → ο πυρήνας αποκτά επίμηκες σχήμα → η έλξη των ακραίων περιοχών του μέσω των μικρής εμβέλειας ισχυρών πυρηνικών δυνάμεων εξασθενίζει, λόγω της αυξημένης απόστασης, και οι ηλεκτρικές απωστικές δυνάμεις επικρατούν. Έτσι, ο πυρήνας θραύεται σε δύο πυρήνες, ενώ συγχρόνως εκτινάσσονται και μερικά νετρόνια.
● → ⬭ → ⬬ → ● ● n + U-235 U-236 επιμήκυνση δύο πυρήνες (διεγερμένο) + νετρόνιαΗ τυπική αντίδραση (σελ. 293):
¹₀n + ²³⁵₉₂U → ²³⁶₉₂U* → ¹⁴¹₅₆Ba + ⁹²₃₆Kr + 3¹₀nαν και πάρα πολλές άλλες μπορούν να συμβούν. Η ταχύτητα του φαινομένου (σελ. 293): Ο σύνθετος πυρήνας σε διεγερμένη κατάσταση παραμένει για χρόνο λιγότερο από 10⁻¹² s. Το κλειδί της αλυσιδωτής αντίδρασης: κάθε σχάση παράγει περισσότερα νετρόνια απ' όσα κατανάλωσε (στο παράδειγμα: 1 μπαίνει, 3 βγαίνουν). Καθένα από αυτά μπορεί να προκαλέσει νέα σχάση — και έτσι δημιουργείται η αυτοσυντηρούμενη αλυσιδωτή αντίδραση (σελ. 294) που περισσότερες από 10²⁴ τέτοιες διασπάσεις μπορούν να συμβούν σε εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου. Η ιστορία (σελ. 292 και 294): ανακάλυψη από τους Otto Hahn και Fritz Strassman· ο Fermi και οι συνεργάτες του κατασκεύασαν τον πρώτο πυρηνικό αντιδραστήρα το 1942. Η διάκριση από τη σύντηξη (άσκηση 40): η σχάση σπάει έναν βαρύ πυρήνα, η σύντηξη ενώνει δύο ελαφρούς — είναι ακριβώς αντίστροφες διαδικασίες, και αμφότερες ελευθερώνουν ενέργεια.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το συμπληρωμένο κείμενο είναι: σχάση ονομάζουμε το φαινόμενο κατά το οποίο ένας βαρύς πυρήνας διασπάται σε δύο άλλους ελαφρότερους πυρήνες. Το βιβλίο αναφέρει ότι το ουράνιο διακόσια τριάντα πέντε, όταν βομβαρδιστεί με νετρόνια, χωρίζεται σε δύο μικρότερους πυρήνες με το μισό περίπου μέγεθος από αυτό του αρχικού. Κατά το μοντέλο της σταγόνας, το νετρόνιο που απορροφάται αυξάνει την εσωτερική ενέργεια, ο πυρήνας αποκτά επίμηκες σχήμα, η έλξη των ακραίων περιοχών μέσω των ισχυρών πυρηνικών δυνάμεων εξασθενεί λόγω της αυξημένης απόστασης, επικρατούν οι ηλεκτρικές απωστικές δυνάμεις και ο πυρήνας θραύεται σε δύο, εκτινάσσοντας συγχρόνως μερικά νετρόνια. Επειδή κάθε σχάση παράγει περισσότερα νετρόνια απ' όσα κατανάλωσε, είναι δυνατή η αυτοσυντηρούμενη αλυσιδωτή αντίδραση. Το φαινόμενο ανακαλύφθηκε από τους Hahn και Strassman, ενώ ο Fermi κατασκεύασε τον πρώτο πυρηνικό αντιδραστήρα το χίλια εννιακόσια σαράντα δύο.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 39 — Συμπλήρωση κενών για την ενέργεια της σχάσης
Ερώτηση: Η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη σχάση προέρχεται από τη ……………………… μάζας σε ……………………… σύμφωνα με τη σχέση ………………………, διότι το ……………………… των μαζών των ……………………… της σχάσης είναι ……………………… από την αρχική μάζα του ……………………… πυρήνα. Συμπληρώστε τα κενά.
Απάντηση:
-
Το συμπληρωμένο κείμενο:
«Η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη σχάση προέρχεται από τη ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ μάζας σε ΕΝΕΡΓΕΙΑ σύμφωνα με τη σχέση Ε = mc², διότι το ΑΘΡΟΙΣΜΑ των μαζών των ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ της σχάσης είναι ΜΙΚΡΟΤΕΡΟ από την αρχική μάζα του ΔΙΕΓΕΡΜΕΝΟΥ πυρήνα.»
Η διατύπωση του βιβλίου (σελ. 293): Τεράστια ποσά ενέργειας απελευθερώνονται κατά τη διάρκεια της σχάσης. Η ενέργεια αυτή προέρχεται από τη μετατροπή μάζας σε ενέργεια, σύμφωνα με τη σχέση του Αϊνστάιν Ε = mc². Το άθροισμα των μαζών των προϊόντων της σχάσης είναι μικρότερο από την αρχική μάζα του διεγερμένου πυρήνα.
Το έλλειμμα μάζας:
m − Σm = Δm → E = Δm·c² αρχική προϊόντων Η «χαμένη» μάζα ΔΕΝ χάθηκε — ΜΕΤΑΤΡΑΠΗΚΕ σε ενέργεια.Γιατί ο συντελεστής c² κάνει τη διαφορά: το c² ≈ 9 × 10¹⁶ m²/s² είναι τεράστιο. Ακόμη και ελάχιστη μάζα δίνει τεράστια ενέργεια — γι' αυτό μια μικροσκοπική διαφορά μάζας στον πυρήνα παράγει ενέργεια εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από κάθε χημική αντίδραση. Η φυσική ερμηνεία του ελλείμματος (σελ. 293): Η μάζα που μετατρέπεται σε ενέργεια ισούται με την επιπλέον ενέργεια που χρειάζεται ένας ογκώδης πυρήνας, σαν αυτόν του ουρανίου, για να συγκρατήσει τα πρωτόνιά του, και ισούται περίπου με 3,2 x 10^11 J. Η κλίμακα (σελ. 293): Εκ πρώτης όψεως η ενέργεια αυτή φαίνεται ασήμαντη. Αλλά, αν σκεφτούμε ότι με τη διαδικασία της αλυσιδωτής αντίδρασης περισσότερες από 10²⁴ τέτοιες διασπάσεις μπορούν να συμβούν σε εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου, καταλαβαίνουμε ότι τεράστια ποσά ενέργειας και ισχύος είναι διαθέσιμα σε αξιοποιήσιμο επίπεδο. Η ίδια αρχή στη σύντηξη (σελ. 295): και εκεί η ενέργεια προέρχεται από έλλειμμα μάζας — ο Ήλιος μετατρέπει σε ενέργεια κάθε δευτερόλεπτο περίπου 4,4 x 10^6 τόνους μάζας, την οποία ακτινοβολεί στο διάστημα. Η σύνδεση με τα δύο άκρα του περιοδικού πίνακα: ενέργεια ελευθερώνεται όταν οι πυρήνες κινούνται προς τον σίδηρο — δηλαδή με σχάση των πολύ βαρέων και με σύντηξη των πολύ ελαφρών. Ο σίδηρος είναι ο σταθερότερος πυρήνας: πέρα από αυτόν, καμία από τις δύο διαδικασίες δεν αποδίδει ενέργεια.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το συμπληρωμένο κείμενο είναι: η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη σχάση προέρχεται από τη μετατροπή μάζας σε ενέργεια, σύμφωνα με τη σχέση του Αϊνστάιν ενέργεια ίσον μάζα επί την ταχύτητα του φωτός στο τετράγωνο, διότι το άθροισμα των μαζών των προϊόντων της σχάσης είναι μικρότερο από την αρχική μάζα του διεγερμένου πυρήνα. Η διαφορά αυτή είναι το έλλειμμα μάζας, το οποίο δεν χάθηκε αλλά μετατράπηκε σε ενέργεια· επειδή το τετράγωνο της ταχύτητας του φωτός είναι τεράστιο, ακόμη και ελάχιστη μάζα δίνει τεράστια ενέργεια, εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από κάθε χημική αντίδραση. Κατά το βιβλίο, η μάζα που μετατρέπεται ισούται με την επιπλέον ενέργεια που χρειάζεται ένας ογκώδης πυρήνας για να συγκρατήσει τα πρωτόνιά του και η ενέργεια που ελευθερώνεται φαίνεται εκ πρώτης όψεως ασήμαντη, γίνεται όμως τεράστια χάρη στην αλυσιδωτή αντίδραση. Η ίδια αρχή ισχύει και στη σύντηξη, όπου ο Ήλιος μετατρέπει σε ενέργεια εκατομμύρια τόνους μάζας κάθε δευτερόλεπτο.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 40 — Συμπλήρωση κενών για τον ορισμό της σύντηξης
Ερώτηση: Σύντηξη ονομάζουμε το φαινόμενο κατά το οποίο δύο ……………………… πυρήνες ενώνονται σε ένα ……………………… πυρήνα. Συμπληρώστε τα κενά
Απάντηση:
-
Το συμπληρωμένο κείμενο:
«Σύντηξη ονομάζουμε το φαινόμενο κατά το οποίο δύο ΕΛΑΦΡΟΙ πυρήνες ενώνονται σε ένα ΒΑΡΥΤΕΡΟ πυρήνα.»
Η διατύπωση του βιβλίου (σελ. 295): η αντίστροφη ακριβώς διαδικασία της σχάσης που είναι η σύντηξη δύο ελαφρών πυρήνων σε ένα βαρύτερο.
Οι δύο αντίστροφες διαδικασίες:
ΣΧΑΣΗ: ΒΑΡΥΣ → δύο ΕΛΑΦΡΟΤΕΡΟΙ (+ ενέργεια) ΣΥΝΤΗΞΗ: δύο ΕΛΑΦΡΟΙ → ΒΑΡΥΤΕΡΟΣ (+ ενέργεια)Τα πλεονεκτήματα της σύντηξης (σελ. 295): Η πυρηνική σύντηξη αποτελεί πολύ περισσότερο ελκυστική λύση ως μέθοδος παραγωγής ενέργειας, τόσο διότι τα υλικά που χρησιμοποιούνται είναι πρακτικά ανεξάντλητα όσο και διότι τα τελικά προϊόντα της είναι σταθερά και δεν παρουσιάζουν τα γνωστά προβλήματα διάθεσης των πυρηνικών αποβλήτων της σχάσης. Η δυσκολία (σελ. 295): Εν τούτοις η επίτευξη της ελεγχόμενης σύντηξης και η λήψη από αυτή χρήσιμης ισχύος είναι ακόμη και σήμερα μια μεγάλη επιστημονική και τεχνολογική πρόκληση.
Οι αντιδράσεις στις οποίες επικεντρώνονται οι προσπάθειες (σελ. 295), με ισότοπα του υδρογόνου, το δευτέριο (²₁Η) και το τρίτιο (³₁Η):
α) ²₁H + ²₁H → ³₁H + ¹₁p (4 MeV κινητική ενέργεια) β) ³₁H + ²₁H → ⁴₂He + ¹₀n (17,6 MeV κινητική ενέργεια)Γιατί χρειάζονται εκατομμύρια βαθμοί (σελ. 295): Και στις δύο περιπτώσεις οι θετικοί πυρήνες πρέπει, για να πλησιάσουν τόσο πολύ ώστε να δράσουν οι ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις και να τους ενώσουν, να υπερνικήσουν τις ισχυρές απωστικές ηλεκτρικές δυνάμεις. Για να το επιτύχουν αυτό, χρειάζονται να έχουν κινητική ενέργεια τουλάχιστον 0,2 MeV. Το φυσικό «εργοστάσιο» σύντηξης (σελ. 295): Ο Ήλιος και τα άλλα άστρα έχουν θερμοκρασία αρκετών εκατομμυρίων βαθμών στο εσωτερικό τους και έτσι μπορούν και συντηρούν αντιδράσεις σύντηξης. Όλη η ενέργεια που εκπέμπει ο Ήλιος προέρχεται από τη διαδικασία της σύντηξης. Ο Ήλιος με τη διαδικασία της σύντηξης μετατρέπει σε ενέργεια κάθε δευτερόλεπτο περίπου 4,4x10^6 τόνους μάζας, την οποία ακτινοβολεί στο διάστημα. Το τελικό μήνυμα του κεφαλαίου (σελ. 295): Πρέπει, επομένως, να καταβάλουμε συνεχή και συστηματική προσπάθεια για εξοικονόμηση και ορθολογική χρήση των διαθέσιμων ενεργειακών πηγών, και ακόμη για την εκμετάλλευση και την αξιοποίηση στο μέγιστο δυνατό βαθμό των ανανεώσιμων μορφών ενέργειας (αιολική, ηλιακή, γεωθερμική κτλ.).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το συμπληρωμένο κείμενο είναι: σύντηξη ονομάζουμε το φαινόμενο κατά το οποίο δύο ελαφροί πυρήνες ενώνονται σε έναν βαρύτερο πυρήνα. Πρόκειται για την ακριβώς αντίστροφη διαδικασία της σχάσης, με το κοινό χαρακτηριστικό ότι και οι δύο ελευθερώνουν ενέργεια. Η σύντηξη είναι πολύ πιο ελκυστική ως μέθοδος παραγωγής ενέργειας, τόσο επειδή τα υλικά που χρησιμοποιούνται είναι πρακτικά ανεξάντλητα όσο και επειδή τα τελικά προϊόντα της είναι σταθερά και δεν παρουσιάζουν τα προβλήματα διάθεσης των πυρηνικών αποβλήτων· η επίτευξη ελεγχόμενης σύντηξης παραμένει όμως μεγάλη επιστημονική και τεχνολογική πρόκληση. Οι προσπάθειες επικεντρώνονται σε αντιδράσεις μεταξύ δευτερίου και τριτίου, οι οποίες απαιτούν κινητική ενέργεια τουλάχιστον μηδέν κόμμα δύο μεγαηλεκτρονιοβόλτ, ώστε οι θετικοί πυρήνες να υπερνικήσουν τις απωστικές ηλεκτρικές δυνάμεις, δηλαδή θερμοκρασίες εκατομμυρίων βαθμών. Τέτοιες θερμοκρασίες υπάρχουν στο εσωτερικό του Ήλιου, ο οποίος μετατρέπει σε ενέργεια περίπου τέσσερα κόμμα τέσσερα εκατομμύρια τόνους μάζας κάθε δευτερόλεπτο.
Κριτήρια αξιολόγησης:
