کمیت ها و یکاهای اندازه گیری تشعشع در دزیمترها

کمیت ها و یکاهای اندازه گیری تشعشعات رادیواکتیو

هسته یک اتم در برخی مواد ناپایدار است و بدون وجود محرک، منجر به انتشار یا تابش خود به خودی می شود. این فرایند به عنوان رادیواکتیویته یا واپاشی رادیواکیتو شناخته می شود که طی آن پرتوزایی اتفاق می افتد و به این پرتوها، پرتوهای رادیوکتیو می گویند.. به بیان دقیق تر، واپاشی هسته ای محموعه فرایندهایی است که طی آن هسته های اتم های ناپایدار پس از مدت زمان تصادفی به هسته های کوچک تر و معمولا پایدارتر تبدیل می شوند و ماده اولیه به تدریج از بین می رود. جرم ماده جدید به میزان اندکی کمتر از ماده اولیه خواهد بود و مقداری انرژی آزاد می شود. این انرژی می تواند به صورت نیروی هسته ای مهار شود و یا به صورت مهار نشده در طبیعت رها شود و آلودگی هسته ای تولید کند که برای محیط زیست بسیار مخاطره آمیز خواهد بود. این فرایند یک فرایند غیر قابل پیش بینی و احتمالی (probability theory) است؛ به این معنی که زمان دقیق واپاشی هسته یک اتم به طور دقیق مشخص نیست. اما نیمه عمر مواد پرتوزا قابل تعیین است.

نیمه عمر اصطلاحی است که در کنار رادیواکتیویته به چشم می خورد. نیمه عمر مدت زمانی است که طول می کشد تا نیمی از هسته های یک نمونه واپاشی شود. نیمه عمر به ثابت زمانی لامبدا (λ) مرتبط است که مقدار آن وابسته به ماده نمونه است و فرمول آن عبارت از است:

t(half life) = ln2/lmbda = 0.693/λ

عناصر با بیش از عدد اتمی 82 (83 و بالاتر) که بیش از 82 پروتون در هسته خود دارند رادیواکتیو هستند و همچنین ایزوتوپ ها (عناصری که هسته آن ها تعداد نوترون متفاوتی دارد) نیز ممکن است ناپایدار باشند. هسته عناصر ناپایدار ذرات آلفا، بتا و گاما منتشر می کنند. در ادامه شما را با این ذرات پرتوزا آشنا می کنم.

ذرات آلفا

ذرات آلفا که به آن تابش آلفا یا پرتو آلفا نیز می گویند که از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده و مشابه با هسته هلیم-4 است. به طور معمول در فرایند واپاشی آلفا تولید می شوند اما از طریق های دیگر نیز می توانند تولید شوند. ذرات آلفا بر اساس اولین حرف از الفبای یونانی (alpha) نامگذاری شده اند و نماد ذرات آلفا α یا α⁺² است. به دلیل شباهت آن ها با هسته اتم هلیم به عنوان ⁺²H نیز نوشته می شود. اگر این ذرات آلفا از محیط الکترون بگیرند به اتم هلیم نرمال یا خنثی از نظر بار الکتریکی تبدیل می شود.

منبع شناخته شده ذرات آلفا از واپاشی آلفا در اتم های سنگین تر از اورانیوم 106 است. ذرات آلفا معمولاً توسط همه هسته های رادیواکتیو بزرگتر مانند اورانیوم ، توریم ، اکتینیوم و رادیوم و همچنین عناصر تراریخته(transuranic) منتشر می شوند.

ذرات بتا

ذرات بتا که به آن تابش بتا یا پرتو بتا (نماد β) نیز می گویند، الکترون یا پوزیترون های با انرژی و سرعت بالا هستند که توسط واپاشی های رادیواکتیو یک هسته اتم طی فرایند واپاشی بتا ساطع می شوند. دو فرم از واپاشی β+ و β- وجود دارد که به ترتیب الکترون و پوزیترون تولید می کنند. اگر ذرات بتا دارای انرژی 0.5 MeV باشند محدوده ای حدود 1 متر در هوا دارند؛ فاصله گفته شده به انرژی ذره وابسته است. ذرات بتا بر اساس دومین حرف از الفبای یونانی (Beta) نامگذاری شده اند.

ذرات بتا از نوع تابش یونیزه هستند و حفاظت تابش آنها نسبت به پرتو گاما بیشتر ولی نسبت به پرتو آلفا کمتر است. هر چقدر که اثر یونیزه بالاتر باشد، آسیب به بافت زنده بیشتر است.

ذرات گاما

پرتو گاما یا تابش گاما (نماد γ)، یک تابش الکترومغناطیسی نافذ است که ناشی از واپاشی رادیواکتیو هسته های اتمی است. این تابش از کوتاهترین موج های الکترومغناطیس طول موج ها تشکیل شده است. بنابراین بالاترین انرژی فوتونی را به خود اختصاص می دهد. پاول ویلارد (Paul Villard) شیمیدان و فیزیکدان فرانسوی در سال 1900 هنگام مطالعه پرتوهای ساطع شده توسط رادیوم، اشعه گاما را کشف کرد. در سال 1903 ارنست رادرفورد (Ernest Rutherford) این پرتوهای گاما را بر اساس نفوذ نسبتا قوی در ماده، گاما نامید. وی قبلا دو نوع پرتو با قدرت نفوذ کمتر تحت عنوان پرتوهای آلفا و گاما را به ترتیب نفوذ تابش های آن ها ناگذاری کرده بود.

پرتوهای گاما طی همجوشی هسته ای (Nuclear Fission) در انفجارهای هسته ای ساطع می شوند. 

*از دیگر انواع پرتوهای یون ساز می توان به نوترون ها، ذرات باردار سنگین، الکترون های سریع و پرتوهای ایکس اشاره کرد.

پرتوهای ایکس

پرتوهای ایکس، پرتوهای الكترومغناطيس گسيل شده توسط ذرات باردار (معمولا الكترون) در نتيجة تغيير سطوح انرژي اتمييا كند شدن در يك ميدان كولني هستند.

 توجه: يك فوتون ايكس و گاما با يك انرژي كوانتومي معين كه خواص همساني دارند، تنها در منشأ تفاوت دارند. در گذشته گاهی تمام انرژي هاي پايين فوتوني را اشعه x و انرژي هاي بالاي آن را اشعه γ  مي ناميدند، اما اين مبناي تفكيك، اكنون كنار گذاشته شده است. در حال حاضر، گستره هاي انرژي پرتو ايكس غالباً بر مبناي ولتاژ مولد آن به ایکس انرژی پایین، ایکس تشخیصی، ایکس اورتولتاژ، ایکس انرژی میانی و ایکس مگاولتاژ تفکیک می شود.

کمیت های مرتبط با تابش یونیزه

به طور کلی 4 کمیت مهم در زمینه پرتوزایی رادیواکیتو و  رادیواکتیویته وجود دارد که شامل فعالیت [Activity-A]، تابش پرتوی [Exposure-E]، دوز جذبی [Absorbed dose-D] و دوز معادل [Equivalent dose-H] می شود. هر کدام از این کمیت ها واحدهای مخصوص به خود را دارند که در ادامه شرح داده می شود. همچنین تمام این کمیت های واحدهای قدیمی نیز دارند که می توانید در جدولی که در ادامه خواهد آمد آنها را مشاهده نمایید.

داده های تکنیکال کمیت ها و تبدیل واحد آنها به یکدیگر

فعالیت یا فعالیت ویژه

فعالیت ویژه یا (Specific Activity (A، فعالیت مقداری از رادیونوکلئیدها است یک ویژگی فیزیکی رادیونوکلئیدها محسوب می شود. فعالیت کمیتی مرتبط با رادیواکتیویته است که واحد SI آن بکرل (Becquerel) می باشد. بکرل به عنوان تعداد تحولات رادیواکتیو در ثانیه که در یک رادیونوکلئید خاص اتفاق می افتد تعریف شده است. واحد قدیمی تر و غیر SI آن، کوری (Ci) می باشد که معادل 3.7×10¹⁰  تحول در ثانیه است.

از آنجا که واپاشی های رادیواکتیو برای یک رادیونوکلئید مشخص، مقدار فیزیکی ثابتی است، تعداد واپاشی های اتفاق افتاده در زمان مشخص برای تعداد معینی از اتم ها نیز ثابت است.

بکرل چیست؟

بکرل واحد SI برای رادیواکتیویته است. یک بکرل، فعالیت مقدار مشخصی از مواد رادیواکیتو تعریف می شود که یک هسته در یک ثانیه واپاشی شود. واحد بکرل به نام هنری بکرل (Henri Becquerel) نامگذاری شده است که در سال 1903 میلادی برای کشف رادیواکتیویته جایزه نوبل فیزیک را با پیر و ماری کوری (Pierre and Marie Curie) به اشتراک گذاشت. 

در سیستم بین المللی واحدها (SI)، در صورتی که یک واحد بر اساس نام یک شخص نامگذاری شود حرف اول آن باید با حرف بزرگ باشد (Bq). با این حال اگر واحد به طور کامل در انگلیسی نوشته شود باید حتما با حروف کوچک باشد (becquerel) مگر اینکه در ابتدای جمله بیاید. 

 Bq = 1 s^-1

تابش پرتوی

تابش پرتوی یا (Radiation Exposure (R یک روش اندازه گیری هوای یونیزه شده به تابش یونیزه از فوتون هاست؛ یعنی پرتوهای گاما و اشعه ایکس. تابش پرتوی به عنوان بار الکتریکی آزاد شده توسط چنین تابشی در حجم مشخصی از هوا تقسیم بر جرم آن هوا تعریف شده است.

واحد SI تابش پرتوی کلمب بر کیلوگرم (C/kg) است که تا حد زیادی جایگزین رونتگن (R) شده است. یک رونتگن معادل 0.000258C/kg است. تابش پرتوی یک کلمب بر کیلوگرم معادل 3876 رونتگن است. مفهوم دوز جذب شده [Absorbed Dose] به عنوان یک اندازه گیری آسیب در معرض تابش قرار گرفتن، جایگزین شده که ویژگی های جذب در ماده هدف را در نظر می گیرد.

دوز جذبی

دوز جذبی یا جذب شده، مقدار دوزی است که اندازه گیری انرژی ذخیره شده در ماده با تشعشع یونیزه در هر جرم واحد است. دوز جذب شده در محاسبه جذب دوز در بافت زنده هم در محافظت در برابر اشعه (کاهش اثرات مضر) و هم رادیولوژی (اثرات مفید احتمالی به عنوان مثال در درمان سرطان) استفاده می شود. همچنین برای مقایسه مستقیم تاثر تابش بر غیرجانداران مانند سخت شدن پرتوی (تابش) از آن استفاده می شود. واحد SI اندازه گیری دوز جذبی گری یا (gray (Gy است که به عنوان یک ژول انرژی جذب شده در هر کیلوگرم ماده تعریف می شود.

دوز معادل

دوز معادل، مقدار دوزی (H) است که اثرات سلامتی تصادفی سطح با تابش یونسزاسیون کم را بر بدن انسان نشان می دهد. این کمیت احتمال بروز سرطان ناشی از اشعه و آسیب های ژنتیکی را نشان می دهد. در واقع این کمیت از کمیت دوز جذب شده (D) بدست می آید با این تفاوت که اثرات بیولوژیکی تابش را نیز در نظر می گیرد که به نوع و انرژی تابش وابسته است. در واحد SI واحد اندازه گیری آن سیورت (Sv) است.

رای اینکه امکان در نظر گرفتن خطر سلامتی تصادفی در نظر گرفته شود، محاسباتی انجام می شود تا مقدار فیزیکی دوز جذب شده را به دوز معادل تبدیل کند، که جزئیات آن بستگی به نوع تابش دارد. برای برنامه های کاربردی حفاظت در برابر اشعه و ارزیابی دزیمتری، کمیسیون بین المللی حفاظت رادیولوژی(ICRP) و کمیسیون بین المللی واحدها و اندازه گیری های تابش (ICRU) توصیه ها و داده هایی را در مورد نحوه محاسبه دوز معادل از دوز جذب شده منتشر کرده اند.