Jak se chránit před ionizujícím zářením?

Kdo uteče, ten vyhraje, před radioaktivitou se ale dá chránit i jinak. Dá se odstínit. Co nás chrání před fotonovým zářením? (délka blogu 15 min.)  

V minulých blozích jsem rozebírala působení “radioaktivity” na živé organismy. Je jen logické, že nás nejvíce zajímá, jaké škody napáchá ionizující záření na našem zdraví.

Jeho interakce s neživou hmotou je ale neméně zajímavá. Dovoluje nám totiž, abychom se před radioaktivitou ochránili. Dnes už  naštěstí nejsme vydáni ionizujícímu záření na milost a nemilost, jak tomu bylo v dobách prvních vědeckých pokusů před sto lety. Víme, jakým způsobem snížit intenzitu škodlivého záření až na určitou málo nebezpečnou hodnotu.

Kdo uteče, ten vyhraje

Představte si následující situaci. Na silnici leží divný předmět, o kterém víte, že je silně radioaktivní. Co uděláte? Existuje jen jedna správná odpověď. Zachováte klid a … spořádaně utečete.

Důvod je jednoduchý - a může za něj (koho to překvapí?) fyzika. V případě bodového zdroje (za ten můžeme s trochou fantazie považovat i onen pomyslný zvláštní předmět, ležící na vozovce) se záření může šířit všemi volnými směry. Intenzita záření je pak závislá na výkonu zdroje a geometrii prostoru, který je v našem vesmíru třírozměrný.

Na obrázku vidíte příslušný matematický vzorec. Výkon zdroje ionizujícího záření je znázorněný písmenem P, intenzita záření v určité vzdálenosti písmenem I. Z geometrie třírozměrného prostoru vyplývá, že se intenzita záření zmenšuje s druhou mocninou vzdálenosti.

Ze vzorce pak dále vyplývá, že se intenzita dá změnit dvěma různými způsoby: snížením výkonu zářiče (což je v případě radioaktivního předmětu spíše nepravděpodobné), nebo zvětšením vzdálenosti od něj. Zvýšení vzdálenosti na dvojnásobek dokonce pomůže snížit intenzitu hned čtyřikrát. Základní pravidlo se tedy dá shrnout jednou jednoduchou větou:

Kdo uteče - ten vyhraje.

Co ale dělat v situaci, kdy není možné jen tak utéct?

Například tehdy, když je zdroj ionizujícího záření užitečný a jeho zničení nebo odstranění není žádoucí? Co dělat v případě, kdy zdroj ionizujícího záření vykonává nějakou užitečnou práci a musí být obsluhován personálem? Pak nezbývá nic jiného, než záření odstínit, aby nepůsobilo (a neškodilo) tam, kde působit nemá.

Stínění ionizujícího záření

Tímto se konečně dostáváme se k pestrému a velice zajímavému tématu. Rozmanité je proto, že i ionizující záření může mít různý charakter (alfa a beta částice, neutrony, elektromagnetické vlnění) a zajímavé především proto, že nám pomáhá dostat se z role ubohé oběti do role toho, kdo může ionizující záření využívat pro své cíle - aniž by přitom musel nutně zemřít kvůli škodám, které toto záření nutně zanechává na jeho organismu.

Z mého úhlu pohledu je interakce mezi neživou hmotou a ionizujícím zářením dokonce na celém tématu “radioaktivity” nejzajímavější. Rozeberu tedy různé druhy záření a jejich chování trochu podrobněji. Pomůže to vysvětlit jak se ionizující záření ve stínícím materiálu “ztrácí”, případně proč se ztrácet nechce.

Fotonové záření

Fotony jsou elementární částice, které mají jak charakter vlny tak i pevné částice. Mívají určitou vlnovou délku, frekvenci a energii a mohou vznikat a zanikat při interakcích.

Podle toho, kolik v sobě nesou energie se dají fotony ionizujícího záření (tedy ty, o které se zajímáme) zhruba rozdělit na rentgenové (relativně menší energie) a gama (vysoká energie) záření.

Aby nebyla situace moc jednoduchá, reaguje rentgenové záření nebo záření gama s neživou hmotou hned několika různými způsoby. To je rozhodně dobrá zpráva. Může se totiž přitom odklánět do jiného směru než ze kterého přichází, ztrácet energii nebo se dokonce materiálem pohltit. To všechno znamená, že se intenzita původního záření při interakci s pevnou hmotou (stínícím materiálem) může snižovat. I tady ovšem platí - jak kdy, jak kde a jak moc.

Fotoefekt

Pro fotony s relativně nízkou energií je dominantním procesem tzv. fotoefekt. Foton přitom reaguje s elektrony z elektronového obalu atomu.

Za předpokladu, že má foton dostatečně vysokou energii, může přitom elektron z atomového obalu “vyrazit” (za minimální se považuje energie 511 keV).

Jedná se přitom většinou o elektrony z jádru blízkých elektronových “slupek” (na obrázku znázorněn červenou šipkou). Atomu takové elektrony samozřejmě chybí a vzniklý stav se mu nelíbí - a tak na jejich místo přeskočí elektrony, pocházející z vrchních slupek elektronového obalu. Přitom se uvolňuje určité množství energie. Vyzáří se pak ve formě nového fotonu nebo přechází na jiný elektron (Auerův jev).

Pravděpodobnost, se kterou dojde k fotoefektu je závislá na energii fotonu a druhu atomu, se kterým foton reaguje. Klesá s narůstající energií záření a narůstá naopak s hmotností jádra. Jinými slovy - relativně nízká energie fotonů zaručuje vyšší šanci na uskutečnění právě této interakce. Když má totiž foton energii daleko vyšší, může dojít i k jiným, exotičtějším jevům. K těm patří například…

Tvorba párů částic a antičástic - elektronu a pozitronu

Ano, pomocí fotonu s vysokou energií se dají skutečně vytvořit částice hmoty a antihmoty. Taková antihmota se dá “vyždímat” ovšem jen v přítomnosti jiné hmoty. Ve vakuu vznikající páry virtuálních částic nemají s tímto jevem nic společného.

Aby mohl z interakce vzejít částicový pár (pozitron - elektron), musí energie fotonu logicky překročit hodnotu, která odpovídá dvojnásobku klidové energie elektronu - tj. kolem 1,022 MeV. Pokud měl původní foton vyšší energii, předá její zbytek jako kinetickou energii obou vzniklých částic. Protože jsou elektrony a pozitrony na rozdíl od fotonu elektricky nabité, mohou v určitých podmínkách svou kinetickou energii ztrácet. Zabrzděné pozitrony pak rády reagují s elektronem - zatímco se tvoří dva fotony s energií 511 keV.

Pravděpodobnost, že dojde k tvorbě páru elektron a pozitron se zvyšuje s narůstající energií fotonu. U lehčích prvků je nižší než u těžších.

Rozptylové procesy

Rozptyl fotonového záření může prakticky probíhat dvěma způsoby. Koherentně (rozptýlené záření má stejnou vlnovou délku jako dopadající záření) nebo inkoherentně (analogicky s novou vlnovou délkou).

Při nízkých energiích fotonů dochází spíše ke koherentnímu tzv. Rayleighovu rozptylu. Nehledě na to je ovšem při těchto energiích (méně než 100 keV) hlavním procesem fotoefekt.

Rayleighův rozptyl

K Rayleighově rozptylu dochází na molekulách plynu případně na jiných částicích podstatně menších než vlnová délka světla. Důsledkem Rayleighova rozptylu v atmosféře Země je modrá barva oblohy. Jak už bylo zmíněno výše - při Rayleighově rozptylu se frekvence záření nemění.

Při vyšších energiích je pravděpodobnějším rozptylovým procesem tzv. Comptonův jev.

Comptonův jev

Také tento jev se týká fotonu a elektronu (podobně jako u fotoefektu). Tentokrát ale reaguje foton v materiálu se slabě navázaným nebo dokonce volným elektronem. Část energie fotonu se předá elektronu a část fotonu zůstane. Mění se tím vlnová délka původního fotonu ionizujícího záření. Foton pak změní směr pohybu a pokračuje dále jiným směrem.

Sklon ke comptonovu rozptylu se snižuje se zvyšující se energií fotonového záření.

Jaderný fotoefekt

Při energiích vyšších než 2,18 MeV může docházet k jadernému fotoefektu, tzv. foto(indukované) dezintegraci. Foton přitom reaguje s jádrem atomu - a rozbije ho na menší části.

Shrnutí: Co se tedy děje se zářením, když dopadá na určitý materiál?

Reaguje s jeho atomy - buď s jádry nebo s jejich elektronovým obalem.

Fotony s nižší energií vyvolávají “prostý” fotoefekt. Při energiích kolem 1 MeV už je důležitějším procesem Comptonův rozptyl, zatímco při vysokých energiích převládá tvorba párů pozitronů a elektronů.

Tyto interakce mají logicky různé následky. Mohou to být z materiálu “vyražené” elektrony, změna vlnové délky původního záření, změna směru, kterým se ubírá - nebo dokonce uvolnění nového záření s určitou konkrétní charakteristikou.

Není tedy divu, že nás při  odstínění ionizujícího fotonového záření (gama a rentgenové záření) zajímá nejen samotný stínící materiál - důležitá je i energie samotného záření.

To je dobře vidět na dvou následujících grafech. Znázorňují tloušťku různých druhů materiálu, snižující dávku gama záření o polovinu.

Grafy ukazují závislost na energii dopadajícího záření. Nejen že nejsou lineární - některé z nich mají dokonce i určité maximum. Prakticky to znamená, že v maximu křivky je pohlcení záření materiálem méně dokonalé a na to, aby se záření snížilo na polovinu, je potřeba silnější vrstva pohlcujícího materiálu,  než při jiných hodnotách energie fotonů.

Může se tedy stát, že stejný druh záření (například gama) vyžaduje různou tloušťku ochranné vrstvy stínícího materiálu. Záleží na totiž nejen na druhu - ale také na energii samotného záření, které se chystáme odstínit. Přitom není zdaleka samozřejmé, že vyšší energie zároveň vyžaduje silnější vrstvu stínícího materiálu.

 

Proto není nikdy na škodu vědět, před čím se chceme chránit, abychom mohli kompetentně rozhodnout, jak bude taková ochrana vypadat.