Φαντάσου ότι πετάς μια πέτρα σε μια λίμνη. Τα κύματα που σχηματίζονται γύρω-γύρω είναι ενέργεια που ταξιδεύει μέσα στο νερό. Κάπως έτσι λειτουργεί και η ακτινοβολία, μόνο που αντί για νερό, η ενέργεια ταξιδεύει μέσα στον αέρα ή ακόμα και στο κενό του διαστήματος. Μπορεί να είναι «κύμα» όπως το φως που βλέπουμε με τα μάτια μας, ή να είναι μικροσκοπικά σωματίδια, τόσο μικρά που δεν μπορούμε να τα δούμε, όπως τα ηλεκτρόνια. Τώρα, μερικά από αυτά τα κύματα ή τα σωματίδια είναι πιο «ήρεμα»• μοιάζουν με απαλό αεράκι που σε χαϊδεύει χωρίς να σε πειράζει. Αυτά είναι οι μη ιοντίζουσες ακτινοβολίες, όπως το ραδιόφωνο, το Wi‑Fi ή το φως του ήλιου. Άλλα όμως είναι πιο «δυνατά», σαν μια δυνατή καταιγίδα που μπορεί να χτυπήσει τα μόρια μέσα μας και να βγάλει ηλεκτρόνια από τη θέση τους. Αυτές είναι οι ιοντίζουσες ακτινοβολίες, όπως οι ακτίνες Χ και οι ακτίνες γάμμα. Άρα, ακτινοβολία σημαίνει: ενέργεια που ταξιδεύει, άλλοτε ήρεμη και άλλοτε πολύ δυνατή.

Με τον όρο ακτινοβολία (radiation) εννοούμε τη μεταφορά ενέργειας μέσω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (όπως το φως) ή μέσω υποατομικών σωματιδίων (όπως ηλεκτρόνια, πρωτόνια, νετρόνια). Η διάκριση μεταξύ ιοντίζουσας και μη ιοντίζουσας ακτινοβολίας γίνεται ανάλογα με το αν η ενέργεια των φωτονίων ή των σωματιδίων επαρκεί για να προκαλέσει ιονισμό—δηλαδή απομάκρυνση ηλεκτρονίων από τα άτομα. Οι μη ιοντίζουσες ακτινοβολίες προκαλούν κυρίως θέρμανση ή διεγέρσεις, ενώ οι ιοντίζουσες μπορούν να τροποποιήσουν άμεσα την ατομική δομή, κάτι που έχει ιδιαίτερη σημασία για την ιατρική, τη βιολογία και την ακτινοπροστασία.

Φαντάσου ότι έχεις δύο διαφορετικά είδη φώτων: ένα μικρό φακό τσέπης και έναν μεγάλο προβολέα θεάτρου. Ο φακός φωτίζει απαλά, χωρίς να σε πειράζει, ενώ ο προβολέας είναι τόσο δυνατός που μπορεί να σε ζαλίσει αν τον κοιτάξεις κατάματα. Κάπως έτσι είναι και η ακτινοβολία. Η μη ιοντίζουσα είναι σαν τον φακό• μπορεί να μεταφέρει ενέργεια αλλά δεν έχει τη δύναμη να «σπάσει» τα άτομα μέσα μας. Αυτή είναι η ακτινοβολία από το ραδιόφωνο, το Wi-Fi ή το φως. Αντίθετα, η ιοντίζουσα είναι σαν τον προβολέα• τόσο δυνατή που μπορεί να χτυπήσει τα άτομα και να βγάλει ηλεκτρόνια από τις τροχιές τους. Αυτό μπορεί να αλλάξει τον τρόπο που λειτουργούν τα κύτταρά μας.

Η διάκριση βασίζεται στην ενέργεια του φωτονίου. Εάν το φωτόνιο έχει ενέργεια μικρότερη από 10 eV περίπου, όπως στα ραδιοκύματα, τα μικροκύματα και το ορατό φως, τότε δεν μπορεί να προκαλέσει ιονισμό — αυτές είναι οι μη ιοντίζουσες ακτινοβολίες. Αν όμως η ενέργεια υπερβεί αυτό το όριο, όπως στις ακτίνες Χ ή γ, τότε η αλληλεπίδραση με την ύλη μπορεί να οδηγήσει σε φαινόμενα όπως το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, η σκέδαση Compton ή η παραγωγή ζεύγους, που είναι μηχανισμοί ιονισμού.

Σκέψου ένα σακουλάκι με καλαμπόκι στο φούρνο μικροκυμάτων. Κάθε τόσο, κάποιο σποράκι «σκάει» και γίνεται ποπ-κορν. Αν μετράς πόσα σποράκια σκάζουν κάθε δευτερόλεπτο, τότε μετράς κάτι που μοιάζει με τη δραστηριότητα στη ραδιενέργεια. Όσο περισσότερα σποράκια σκάσουν, τόσο πιο μεγάλη είναι η δραστηριότητα. Έτσι, αν πούμε ότι ένα υλικό έχει δραστηριότητα 1000 Bq, σημαίνει ότι 1000 άτομα μέσα του «σπάνε» κάθε δευτερόλεπτο.

Η δραστηριότητα (activity, A) ορίζεται ως A = λN, όπου λ είναι η σταθερά διάσπασης και N ο αριθμός των ραδιενεργών πυρήνων. Η μονάδα SI είναι το Becquerel (Bq), που ισοδυναμεί με μία διάσπαση ανά δευτερόλεπτο. Ιστορικά χρησιμοποιούνταν και το Curie (Ci), όπου 1 Ci = 3.7 × 10¹⁰ Bq.

Φαντάσου ότι έχεις μια σακούλα με 100 καραμέλες, αλλά κάθε 10 λεπτά οι μισές εξαφανίζονται μαγικά. Στα πρώτα 10 λεπτά μένουν 50, στα επόμενα μένουν 25, μετά 12, και πάει λέγοντας. Αυτό είναι ο χρόνος ημιζωής: ο χρόνος που χρειάζεται ώστε η ποσότητα ενός ραδιενεργού υλικού να μειωθεί στο μισό.

Ο χρόνος ημιζωής (T½) δίνεται από τη σχέση T½ = ln2/λ, όπου λ είναι η σταθερά διάσπασης. Είναι χαρακτηριστική ιδιότητα κάθε ραδιονουκλεΐδιου και ανεξάρτητη από εξωτερικές συνθήκες. Χρησιμοποιείται για να περιγράψει την εκθετική μείωση της δραστηριότητας με τον χρόνο.

Σκέψου ότι στέκεσαι στον ήλιο. Όταν κάθεσαι λίγα λεπτά, το δέρμα σου ζεσταίνεται λίγο. Αν μείνεις ώρες, νιώθεις να «καίγεσαι». Αυτό που νιώθεις είναι ενέργεια που μπαίνει στο σώμα σου. Η απορροφώμενη δόση είναι ένας τρόπος να μετρήσουμε πόση ενέργεια από την ακτινοβολία μπαίνει μέσα σε έναν οργανισμό ανά κιλό σώματος. Έτσι μπορούμε να ξέρουμε πόσο «φορτίστηκε» το σώμα με ακτινοβολία.

Η απορροφώμενη δόση (D) ορίζεται ως D = dE/dm, δηλαδή η ενέργεια που κατατίθεται ανά μονάδα μάζας. Η μονάδα είναι το Gray (Gy), όπου 1 Gy = 1 Joule ανά κιλό. Πρόκειται για καθαρά φυσικό μέγεθος που δεν λαμβάνει υπόψη τη βιολογική επίδραση.

Φαντάσου ότι κρατάς δύο φακούς. Και οι δύο δίνουν φως, αλλά ο ένας είναι τόσο δυνατός που σε τυφλώνει ενώ ο άλλος είναι ήπιος και δεν σε ενοχλεί. Αν και οι δύο φακοί στέλνουν την ίδια «ποσότητα» φωτός, ο πρώτος είναι πιο επικίνδυνος για τα μάτια σου. Κάτι αντίστοιχο συμβαίνει και με την ακτινοβολία. Μπορεί δύο είδη ακτινοβολίας να δώσουν την ίδια απορροφώμενη δόση, αλλά το ένα να είναι πιο βλαβερό από το άλλο. Για αυτό οι επιστήμονες χρησιμοποιούν την έννοια της ισοδύναμης δόσης. Μετρά όχι μόνο πόση ενέργεια απορροφήθηκε, αλλά και πόσο επικίνδυνη είναι αυτή η ενέργεια, ανάλογα με το είδος της ακτινοβολίας.

Η ισοδύναμη δόση (H_T) υπολογίζεται από τον τύπο H_T = Σ_R w_R·D_T,R, όπου w_R είναι ο συντελεστής στάθμισης ακτινοβολίας (π.χ. 1 για φωτόνια, 20 για α-σωμάτια) και D_T,R η απορροφώμενη δόση στον ιστό Τ από την ακτινοβολία R. Η μονάδα είναι το Sievert (Sv).

Σκέψου το σώμα σου σαν μια πόλη με πολλά διαφορετικά κτίρια. Αν πέσει μια δυνατή βροχή, κάποια κτίρια αντέχουν καλύτερα, ενώ άλλα παθαίνουν ζημιές πιο εύκολα. Έτσι και στο σώμα: μερικά όργανα είναι πιο ευαίσθητα στην ακτινοβολία από άλλα. Η αποτελεσματική δόση είναι ένα μέτρο που συνδυάζει την ισοδύναμη δόση με το πόσο ευαίσθητος είναι κάθε ιστός. Έτσι έχουμε έναν αριθμό που μας λέει τη συνολική επίδραση της ακτινοβολίας στο σώμα μας.

Η αποτελεσματική δόση (E) ορίζεται ως E = Σ_T w_T·H_T, όπου w_T είναι ο συντελεστής στάθμισης ιστού. Είναι μέγεθος που χρησιμοποιείται κυρίως για σκοπούς ακτινοπροστασίας και εκφράζει τον συνολικό στοχαστικό κίνδυνο για έναν «μέσο» άνθρωπο. Μονάδα: Sievert (Sv).

Φαντάσου να γεμίζεις ένα μπαλόνι με νερό. Αν το γεμίζεις σιγά-σιγά, το μπαλόνι φουσκώνει αργά. Αν όμως ανοίξεις απότομα τη βρύση, το ίδιο μπαλόνι μπορεί να σκάσει γιατί γεμίζει πολύ γρήγορα. Το ίδιο ισχύει και με την ακτινοβολία: η ίδια «ποσότητα» μπορεί να δοθεί σιγά-σιγά ή απότομα. Ο ρυθμός δόσης λέει πόσο γρήγορα παίρνουμε τη δόση, π.χ. σε μιλισίβερτ ανά ώρα (mSv/h).

Ο ρυθμός δόσης ορίζεται ως dD/dt ή dE/dt. Χρησιμοποιείται σε περιβαλλοντικές μετρήσεις, σε ιατρικές εξετάσεις αλλά και σε καταστάσεις πυρηνικής ασφάλειας. Η χρονική κατανομή (fractionation, protraction) επηρεάζει σημαντικά τη βιολογική επίδραση.

Φαντάσου ότι στέκεσαι κάτω από ένα ντους. Δεν σε νοιάζει μόνο πόσο νερό σε χτυπάει συνολικά, αλλά και πόσο νερό πέφτει πάνω σου κάθε στιγμή. Το air kerma είναι σαν να μετράμε πόση ενέργεια αφήνουν τα φωτόνια στον αέρα ανά κιλό αέρα. Έτσι μπορούμε να υπολογίσουμε καλύτερα τι συμβαίνει όταν μια ακτινοβολία περνά από το περιβάλλον μας.

Το air kerma (K) ορίζεται ως η ενέργεια που μεταφέρεται από φωτόνια σε φορτισμένα σωματίδια ανά μονάδα μάζας αέρα: K = dE_tr/dm. Η μονάδα είναι το Gray (Gy). Η «έκθεση» (X), σε C/kg, χρησιμοποιούνταν ιστορικά και αφορά το φορτίο ιόντων στον αέρα.

Φαντάσου ότι κρατάς μια πετσέτα στη βροχή. Αν περάσουν 10 σταγόνες, η πετσέτα βρέχεται λίγο. Αν περάσουν 1000, βρέχεται πολύ. Η ροή σωματιδίων (fluence) είναι σαν να μετράμε πόσα σωματίδια «πέφτουν» πάνω σε μια επιφάνεια. Έτσι ξέρουμε πόσο «πυκνή» είναι η δέσμη.

Η ροή σωματιδίων (Φ) ορίζεται ως Φ = dN/da, δηλαδή αριθμός σωματιδίων που περνούν από μια επιφάνεια ανά μονάδα εμβαδού. Είναι χρήσιμη για να υπολογίζουμε πιθανότητες αλληλεπιδράσεων μέσω της μικροσκοπικής διατομής σ.

Φαντάσου ότι ρίχνεις δύο διαφορετικές μπάλες πάνω σε μια σειρά από κουτάκια. Η πρώτη μπάλα είναι μικρή και περνάει ανάμεσα χωρίς να ρίξει πολλά. Η δεύτερη είναι βαριά και σε κάθε βήμα ρίχνει πολλά κουτάκια. Το ίδιο κάνει και η ακτινοβολία. Κάποια σωματίδια αφήνουν λίγη ενέργεια όσο περνούν μέσα από το σώμα μας, ενώ άλλα αφήνουν πάρα πολλή σε κάθε μικρό βήμα. Αυτό λέγεται γραμμική μεταφορά ενέργειας (LET). Όσο πιο μεγάλο το LET, τόσο πιο «συμπυκνωμένη» είναι η ζημιά που μπορεί να κάνει.

Το LET εκφράζει την απώλεια ενέργειας ανά μονάδα μήκους διαδρομής (dE/dx), συνήθως σε keV/μm. Είναι σημαντική παράμετρος στην ακτινοβιολογία, γιατί συνδέεται με το Relative Biological Effectiveness (RBE): ακτινοβολίες με υψηλό LET (π.χ. α-σωμάτια) έχουν μεγαλύτερη βιολογική αποτελεσματικότητα από χαμηλού LET (π.χ. φωτόνια).

Σκέψου ένα αυτοκίνητο που μπαίνει σε λάσπη. Όσο πιο πυκνή η λάσπη, τόσο πιο γρήγορα το αυτοκίνητο χάνει ταχύτητα και σταματά. Η ικανότητα πέδησης είναι κάτι παρόμοιο αλλά για σωματίδια: δείχνει πόσο γρήγορα χάνουν ενέργεια όταν περνούν μέσα από ένα υλικό.

Η stopping power ορίζεται ως S = −(1/ρ)(dE/dx), σε μονάδες MeV•cm²/g. Χωρίζεται σε ηλεκτρονική και πυρηνική συνιστώσα. Για φορτισμένα σωματίδια μέσων ενεργειών περιγράφεται από την εξίσωση Bethe–Bloch.

Φαντάσου έναν φακό που φωτίζει έναν τοίχο. Αν βάλεις ένα λεπτό χαρτί μπροστά, το φως περνά σχεδόν όλο. Αν βάλεις ένα χοντρό βιβλίο, περνάει πολύ λιγότερο. Αυτό είναι η εξασθένηση: το «σβήσιμο» της δέσμης καθώς περνά από ένα υλικό.

Η ένταση I(x) μιας δέσμης μειώνεται εκθετικά: I(x) = I₀•e^(−μx), όπου μ ο γραμμικός συντελεστής εξασθένησης. Η μαζική εξασθένηση δίνεται από μ/ρ. Χρησιμοποιούνται επίσης πρακτικά μεγέθη όπως HVL (Half Value Layer) και TVL (Tenth Value Layer).

Φαντάσου ένα κερί που καίγεται. Στην αρχή είναι μεγάλο, αλλά όσο περνάει ο χρόνος μικραίνει, και μικραίνει με έναν προβλέψιμο τρόπο. Το ίδιο συμβαίνει και με τα ραδιενεργά άτομα. Στην αρχή έχεις πολλά, αλλά με τον χρόνο γίνονται όλο και λιγότερα. Αυτό είναι ο νόμος της ραδιενεργού διάσπασης.

Ο αριθμός των πυρήνων Ν(t) που απομένουν με τον χρόνο περιγράφεται από τον τύπο: N(t) = N₀•e^(−λt), όπου Ν₀ είναι οι αρχικοί πυρήνες και λ η σταθερά διάσπασης. Η δραστηριότητα Α(t) ακολουθεί επίσης εκθετική μείωση.

Σκέψου μια κιθάρα. Όταν γρατζουνάς μια χορδή, πάλλεται και βγάζει ήχο. Αν πάλλεται γρήγορα, ο ήχος είναι πιο ψηλός• αν πάλλεται αργά, είναι πιο βαθύς. Αυτή η «ταχύτητα» του κύματος λέγεται συχνότητα. Στην ακτινοβολία, η συχνότητα δείχνει πόσες φορές επαναλαμβάνεται το κύμα κάθε δευτερόλεπτο.

Η συχνότητα f δίνεται από τη σχέση f = c/λ για κύματα στο κενό, όπου c η ταχύτητα του φωτός και λ το μήκος κύματος. Μονάδα μέτρησης: Hertz (Hz).

Φαντάσου τα κύματα στη θάλασσα. Η απόσταση από την κορυφή ενός κύματος μέχρι την κορυφή του επόμενου λέγεται μήκος κύματος. Μικρά κύματα που έρχονται γρήγορα έχουν μικρό μήκος κύματος. Τα μεγάλα, αργά κύματα έχουν μεγάλο μήκος. Στην ακτινοβολία συμβαίνει το ίδιο: το φως που βλέπουμε έχει πολύ μικρά μήκη κύματος (νανομέτρα), ενώ τα ραδιοκύματα έχουν τεράστια μήκη κύματος, ακόμα και χιλιόμετρα.

Το μήκος κύματος (λ) σχετίζεται με τη συχνότητα f μέσω της σχέσης λ = c/f (στο κενό). Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα καλύπτει από μήκη κύματος χιλιομέτρων (ραδιοκύματα) έως νανομέτρων (υπεριώδη, ακτίνες Χ).

Φαντάσου να βγαίνεις στον ήλιο. Αν κρατάς μια μικρή ομπρέλα, μαζεύει λίγη από την ενέργεια του ήλιου. Αν κρατάς μια μεγάλη, μαζεύει περισσότερη. Η ένταση της ακτινοβολίας λέει πόση ενέργεια φτάνει σε μια επιφάνεια κάθε δευτερόλεπτο. Όσο πιο δυνατός ο ήλιος, τόσο μεγαλύτερη η ένταση.

Η irradiance (ή power density) ορίζεται ως ισχύς ανά μονάδα επιφάνειας: S = dP/dA, με μονάδα W/m². Για επίπεδα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, S = |E×H|. Χρησιμοποιείται σε οπτικά και μη ιοντίζοντα πεδία.

Φαντάσου ότι βάζεις το χέρι σου κοντά σε ένα ζεστό καλοριφέρ. Το δέρμα σου ζεσταίνεται γιατί απορροφά ενέργεια. Κάτι παρόμοιο συμβαίνει και με τα κινητά τηλέφωνα ή άλλες συσκευές που εκπέμπουν ραδιοκύματα. Το σώμα μας απορροφά ένα μέρος αυτής της ενέργειας. Το μέτρο που δείχνει πόση ενέργεια απορροφάται ανά κιλό σώματος λέγεται SAR.

SAR = σ•|E|²/ρ, όπου σ η ηλεκτρική αγωγιμότητα του ιστού, Ε το ηλεκτρικό πεδίο και ρ η πυκνότητα. Η μονάδα είναι W/kg. Χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση έκθεσης σε RF πεδία, με διεθνή όρια που ορίζονται από ICNIRP/IEC.

Φαντάσου ότι έχεις μια μικροσκοπική σφεντόνα που πετάει ένα ηλεκτρόνιο. Αν το ηλεκτρόνιο περάσει από μια «μπαταρία» 1 Volt, αποκτά λίγη ενέργεια — αυτή η ενέργεια λέγεται 1 ηλεκτρονιοβόλτ. Είναι μια πολύ μικρή μονάδα ενέργειας, χρήσιμη για να μετράμε πράγματα που γίνονται στον μικρόκοσμο, όπως τα φωτόνια και τα άτομα.

1 eV = 1.602×10⁻¹⁹ J. Χρησιμοποιείται για την ενέργεια φωτονίων, δεσμών και σωματιδίων. Πολλαπλάσια: keV, MeV, GeV. Συνδέεται με το μήκος κύματος μέσω της σχέσης E = hc/λ.

Σκέψου ότι ρίχνεις μπαλάκια σε έναν στόχο. Όσο πιο μεγάλος είναι ο στόχος, τόσο πιο εύκολο να τον πετύχεις. Η «πιθανότητα» να συμβεί μια αλληλεπίδραση σωματιδίου με έναν πυρήνα μετριέται με το μέγεθος που λέγεται διατομή. Για να μετράμε επίσης το πόσο βαριά είναι τα άτομα, χρησιμοποιούμε μια ειδική μονάδα που λέγεται ατομική μονάδα μάζας (amu ή u), γιατί τα κιλά είναι πολύ μεγάλα για τον μικρόκοσμο.

Η μικροσκοπική διατομή (σ) εκφράζεται σε barn (1 b = 10⁻²⁸ m²) και συνδέεται με ρυθμούς αντίδρασης μέσω R = Φ•σ•N. Η ενοποιημένη ατομική μάζα (u) ορίζεται ως 1/12 της μάζας του ¹²C ≈ 1.66×10⁻²⁷ kg.