Promieniotwórczość - wykorzystanie i związane z nią zagrożenia.

Promieniotwórczość

Zjawisko promieniotwórczości zaobserwował po raz pierwszy francuski uczony Henri Becquerel. 23 listopada 1986r. zawiadomił Akademię Nauk, że kawałki soli uranowej, przechowywane przez sześć miesięcy w zupełnej ciemności wysyłają promienie. Pod wpływem tego promieniowania gazy stają się przewodnikami elektryczności. Było to zjawisko zupełnie dotąd nie znane. Nowe promienie, które nazwano promieniami uranowymi, z miejsca wzbudziły ogromne zainteresowanie fizyków.
Dokładniejszym zbadaniem tego zjawiska zajęli się Maria Curie-Skłodowska i Piotr Curie. Odkryli oni promieniotwórczość uranu i toru oraz pierwiastki polon i rad. Pierwiastki przez nich odkryte i zbadane należą do najważniejszych naturalnych pierwiastków promieniotwórczych. W 1903 roku H. Becquerel, M. Skłodowska-Curie oraz jej mąż P. Curie zostali uhonorowani Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie radioaktywności i badania w tej dziedzinie.
W 1934 roku Córka państwa Curie(Irena Joliot- Curie) i jej mąż Fryderyk dokonali odkrycia sztucznej promieniotwórczości. Przeprowadzili doświadczenie polegające na bombardowaniu atomów glinu jądrami helu, w wyniku, czego powstawały atomy fosforu. Rok później otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za to odkrycie.
Promieniotwórczość polega na samorzutnym rozpadzie - rozszczepieniu - jąder atomów niektórych pierwiastków. Pierwiastki, których atomy ulegają rozszczepieniu, nazywane są pierwiastkami promieniotwórczymi. Istnieją dwa rodzaje pierwiastków promieniotwórczych: te, które rozszczepiając się, tworzą nowy pierwiastek i wysyłają tzw. cząstki α, oraz te, które rozszczepiając się, tworzą też nowy pierwiastek, ale wysyłają cząstki β. Jeżeli nowo powstały atom pierwiastka jest trwały, wówczas nie następuje dalszy rozpad. Jeśli zaś jest to nietrwały atom, to on z kolei rozpada się i proces trwa dalej, dopóki nie powstanie trwały atom. Podczas rozpadu alfa wypromieniowywana jest cząstka alfa złożona z 2 protonów i 2 neutronów. Podczas rozpadu beta wypromieniowana jest cząstka beta – elektron. Promieniowana te mają charakter masowy. Promieniowani gamma ma charakter falowy i towarzyszy poprzednim rozpadom.


Wyróżnia się dwa rodzaje promieniotwórczości:

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ

- SZTUCZNA
zjawisko promieniotwórczości obserwowane dla izotopów promieniotwórczych innych niż występujące w naturalnym środowisku ziemi, otrzymanych najczęściej w wyniku aktywacji izotopów stabilnych.

- NATURALNA
zjawisko obecności w środowisku naturalnym substancji promieniotwórczych niezależnie od działalności człowieka (w odróżnieniu od skażeń promieniotwórczych). W środowisku można zaobserwować ponad 60 izotopów promieniotwórczych.

Wyróżnia się trzy rodzaje promieniowania naturalnego:
Promieniowanie α
Promieniowanie β
Promieniowanie γ

Skutki działania promieniowana jądrowego na organizmy żywe zależą od dawki pochłoniętej przez organizm. Promieniowanie gamma jest najbardziej niebezpieczne dla żywych organizmów. Dzięki swojemu charakterowi falowemu może przenikać poprzez różne przeszkody. Osłoną przeciw niemu może być np. gruba ściana ołowiu. Z kolei przed promieniowaniem alfa można się ochronić kartką papieru, a przed beta np. grubą deską.

Biologiczne skutki promieniowania
Rozróżnia się bezpośrednie i pośrednie skutki pochłaniania energii promieniowania w żywych tkankach.
Wielkość skutków biologicznych zależy od wielu czynników: wielkości dawki (na przykład jednorazowa dawka większa od 0,75 Sv powoduje objawy choroby popromiennej), rodzaju promieniowania, czasu biologicznego połowicznego zaniku radioizotopu, mocy dawki, rodzaju napromieniowanej tkanki (różne narządy i tkanki wykazują rozmaitą wrażliwość na działanie promieniowania), sposobu ekspozycji (zewnętrznej lub wewnętrznej) - skażenie wewnętrzne powoduje zdecydowanie większe szkody w organizmie, ogólnego stanu organizmu, czasu pochłaniania (dawka jednorazowa czy też kilka mniejszych),
Skutki bezpośrednie występują wtedy, gdy cząstki promieniowania zrywają wiązania molekularne w ważnych cząsteczkach na przykład kwasu nukleinowego. Skutki pośrednie polegają na rozbiciu mniej ważnych molekuł wody (tzw. radioliza wody), co prowadzi do powstania aktywnych jonów i wolnych rodników.
Szkodliwe skutki dzieli się na somatyczne, ujawniające się bezpośrednio u osoby napromieniowanej (choroba popromienna) i genetyczne, ujawniające się dopiero w następnym pokoleniu.
Skutki somatyczne dalej można podzielić na wczesne i późne oraz stochastyczne (odznaczają się tym, że ich wystąpienie zależne jest od wielkości dawki, ale stopień ich nasilenia nie zależy od dawki; należą do nich białaczka lub inne nowotwory) i niestochastyczne (stopień nasilenia tych skutków zwiększa się wraz z dawką pochłoniętą).
Skutki te dotknęły naszą rodaczkę Marię Skłodowską-Curie, która była jedną z pierwszych ofiar promieniowania. W jej czasach początkowo nie zdawano sobie sprawy z biologicznych skutków dużych dawek promieniowania.

WYKORZYSTANIE

Głównie promieniotwórczość wykorzystuje się w medycynie(diagnoza chorób, wpływ leków na organizm), celach militarnych (bomby atomowe), elektrownie jądrowe(pozyskanie ogromnych ilości energii, którą można zastosować jako napęd do wielu pojazdów), datowaniu, czyli określania wieku minerałów, skał, Ziemi, wykopalisk archeologicznych, zabytków starożytnych kultur itp., sterylizacji żywności, farmacja jądrowa.
W medycynie:
Aparatura rentgenowska – zasada jej działania jest bardzo prosta i polega na tym, że wiązka promieni X przenikając przez badany narząd ulega osłabieniu, ponieważ część promieni zostaje pochłonięta przez tkankę. Narządy zbudowane z tkanek o różnej gęstości, w różnym stopniu pochłaniają wiązkę promieniowania. Niejednorodnie osłabiona wiązka promieni X trafia na kliszę fotograficzną i powoduje jej zaciemnienie proporcjonalnie do stopnia osłabienia. W ten sposób na kliszy fotograficznej uzyskujemy obraz badanego narządu.
Jednym z ważniejszych osiągnięć techniki rentgenowskiej jest tomografia komputerowa. Sterowany komputerem proces wykonywania kolejnych zdjęć badanego narządu w różnych płaszczyznach i pod różnym kątem pozwala uzyskiwać warstwowy obraz, przedstawiający bardzo dokładne nawet niewielkie zmiany chorobowe. Innym ważnym zastosowaniem promieniowania w medycynie jest radioterapia. Stosuje się ją w przypadku nowotworów szczególnie czerniaka (nowotwór skóry). Izotopy promieniotwórcze używane są do diagnozowania wielu chorób i to nie tylko w formie diagnostyki rentgenowskiej. Bada się nimi na przykład wpływ leków na organizm (na przykład izotop 99Tc w postaci związku chemicznego wprowadza się do organizmu i śledzi jego drogę przez poszczególne narządy. W ten sposób bada się funkcjonowanie tych narządów). Do leczenia nowotworów stosuje się naświetlanie wysyłane przez izotopy Cs, Co, Ra (tzw. bomba kobaltowa, igły radowe). W uzdrowiskach znajdziemy je w stosowaniu balneologii (na przykład leczniczych kąpieli lub inhalacji z zastosowaniem Rn).

Farmacja jądrowa - odpowiedzialna jest za przygotowanie i kontrolę preparatów promieniotwórczych w lekach oraz analityczne metody jądrowe stosowane do kontroli "zwykłych" leków.


Szczególnie popularną technologią stało się napromieniowanie żywności. Stosuje się ją by móc dłużej przechowywać żywność. Na podstawie badań okazało się, że żywność utrwalana radiacyjnie nie jest toksyczna ani też radioaktywna, jednak podobnie jak i inne procesy utrwalające radiacja powoduje pewne zmiany chemiczne w żywności. Ich rodzaj i zasięg zależą od chemicznego składu produktu, dawki promieniowania, temperatury oraz dostępu światła i tlenu podczas napromieniania. Pod wpływem promieniowania jonizującego tworzą się między innymi wolne rodniki i zmniejsza się o 20-60% zawartość witamin A, B1,C i E. Trzeba jednak pamiętać, że podobne zmiany zachodzą w żywności pod wpływem termicznej obróbki lub długotrwałego jej przechowywania.

Kolejne zastosowanie promieniotwórczości znajdziemy w przemyśle militarnym. Skonstruowanie bomby atomowej jest prostsze od zbudowania reaktora jądrowego! Dotychczas stworzono bomby jądrowe (atomowe - 1945) wykorzystujące reakcje rozszczepienia jąder 233U lub 239Pu; bomby termojądrowe (wodorowe - 1952), opierające się na syntezie jąder helu z izotopów wodoru i litu (tutaj zwykła bomba jądrowa stanowi tylko zapalnik inicjujący reakcję termojądrową); bomby neutronowe (lata siedemdziesiąte), emitującą większą część energii w postaci promieniowania neutronowego, nieniszczącego obiektów materialnych, ale zabijającą istoty żywe.

W elektrowniach jądrowych uzyskuje się ogromne ilości energii w wyniku reakcji jądrowych rozpadu takich pierwiastków, jak 235U i 239Pu. Elektrownie te istnieją już w 34 krajach świata i produkują 17% energii. Energia jądrowa zastosowała również zastosowanie jako napęd wielu pojazdów, np. w transporcie wodnym. (Pierwszy statek o napędzie atomowym zbudowali Amerykanie w 1954 roku). Reaktory jądrowe montuje się nie tylko w jednostkach wojskowych, takich jak największy na świecie lotniskowiec Enterprise, ale również w statkach, na przykład lodołamaczach. Niestety, reaktory takie mogą w przypadku zatopienia okrętu stanowić potencjalne źródło poważnego skażenia środowiska pierwiastkami promieniotwórczymi stanowiącymi ich paliwo.

Izotop węgla 14C zastosowano jako zegar archeologiczny. Izotop ten występuje w określonym stężeniu w przyrodzie, jest asymilowany przez rośliny wraz z węglem napromieniowanym w postaci, CO2. Wchodzi on także w skład organizmów zwierzęcych i ludzkich, w wyniku spożywania produktów pochodzenia roślinnego. Na podstawie znajomości pierwotnego stężenia tego izotopu (węgiel 14C) oraz okresu połowiczego rozpadu, określa się wiek wykopalisk, w których znajdują się szczątki zawierające związki węgla.

Techniki radiacyjne stosowane są w różnych gałęziach przemysłu. Wykorzystuje się je do sterylizacji sprzętu medycznego, modyfikacji polimerów, materiałów oraz przyrządów półprzewodnikowych, do barwienia tkanin, szkła i sztucznych, a nawet naturalnych kamieni. Na świecie ilość produktów wytwarzanych lub modyfikowanych radiacyjnie sięga milionów ton rocznie i ciągle wzrasta.
Zasada stosowania technik radiacyjnych polega na napromieniowaniu materiałów i gotowych wyrobów za pomocą wiązki elektronów lub promieniowania gamma. Przykładem wykorzystania technik radiacyjnych są termokurczliwe rurki i taśmy, które doskonale sprawdzają się jako izolacja elektryczna.
Znajdują one zastosowanie wszędzie tam, gdzie trzeba wykonać trwałe i szczelne połączenia elementów.
Techniki radiacyjne stosuje się w technologii oczyszczania gazów odlotowych z instalacji spalających m. in. węgiel. Napromieniowanie gazów wiązką elektronów powoduje zredukowanie emisji dwutlenku siarki o 95%, a tlenków azotu o 80%.
Oprócz tego promieniowanie stosuje się w tzw. aparaturze radiometrycznej, którą stanowią różnego rodzaju mierniki, czujniki, detektory i regulatory. W przemyśle metalurgicznym i chemicznym wykorzystuje się grubościomierze. Natomiast mierniki poziomu materiałów ciekłych i sypkich, gęstościomierze umożliwiające zdalną kontrolę i automatyczną regulację procesów technologicznych ( np. bezkontaktowy pomiar stężenia kwasu siarkowego) znalazły zastosowanie również w wielu innych gałęziach przemysłu. Jedną z ważniejszych metod wykorzystujących promieniowanie jonizujące - a stosowanych w przemyśle - jest tzw. analiza aktywacyjna, czyli jądrowa analiza składu materiałów. Za pomocą tej metody można określić lub wykryć zanieczyszczenia, określić ilościową zawartość metali ciężkich w odpadach, azotu w ziarnach, nawozach sztucznych itd. Jej zaletą jest możliwość oznaczania jednocześnie wielu pierwiastków.
Zastosowanie izotopów promieniotwórczych:
Pierwiastek – Izotop – promieniowanie - Czas półrozpadu (T1/2) –Zastosowanie
Ameryk – 241 – alfa - 432,7 lat - czujniki dymu(instalacje przeciwpożarowe)
Cez - 137 – gamma - 30 lat radiografia przemysłowa, bomba cezowa, pomiary grubości
Iryd - 192 - gamma - 73,8 - lat radiografia przemysłowa
Jod – 131 - gamma - 8 dni - badanie tarczycy (medycyna)
Kobalt - 60 - gamma - 5,3 lat - bomba kobaltowa (medycyna),radiografia przemysłowa, urządzenia radiacyjne, waga izotopowa, sprzęt do pomiaru: grubości, poziomu cieczy w zbiornikach.
Pluton - 238 - alfa - 87,7 lat - stymulatory serca, czujniki dymu
Pluton – 239 - alfa - 24000 lat - czujniki dymu
Rad - 226 - gamma - 1600 lat - aplikatory radowe
Tal - 204 - beta - 3,8 lat - sprzęt do pomiaru grubości
Wodór – 3 – beta - 12,3 lat - farby świecące

ZAGROŻENIA

Reakcje rozszczepienia jąder pierwiastków promieniotwórczych przebiegają w sposób niekontrolowany wykorzystuje się je do produkcji broni masowego rażenia. W czasie wybuchu uwalnia się ogromna energia. Podczas zrzucenia bomb na Hiroszimę i Nagasaki wiele osób zmarło od razu, a u innych choroba popromienna rozwinęła się po kilku latach. Dlatego też produkcja i stosowanie izotopów powinna się odbywać pod ścisłą międzynarodową kontrolą.

Pierwiastki promieniotwórcze negatywnie działają na organizmy, również na człowieka. W wyniku pochłonięcia przez organizm dużych dawek promieniowania może wystąpić białaczka – nowotwór krwi, katarakta – choroba oczu, oraz choroba popromienna objawiająca się biegunką i nudnościami.

Awarie w elektrowniach jądrowych mogą być przyczyną katastrof, np. w 1986 roku wybuch w Czarnobylu nastąpiła awaria reaktora jądrowego, która doprowadziła do wybuchu, w efekcie, czego do atmosfery dostały się radioaktywne izotopy 131I oraz 137Cs, skażając znaczną część Europy.

Duży problem w wypadku energetyki jądrowej stanowią także odpady promieniotwórcze, powstające jako efekty działania reaktorów. ( Istnieje niebezpieczeństwo, że dostaną się do środowiska).

Poważne niebezpieczeństwo dla środowiska ma też nieodpowiedzialne unieszkodliwianie i gromadzenie odpadów przemysłowych zawierających substancje promieniotwórcze, głównie w hutnictwie. (Składowanie na hałdach, mogą przedostać się do powietrza i do wody, a wraz z jej obiegiem do gleby i organizmów).

Podsumowanie

Z wymienionych korzyści i zagrożeń, jakie dla ludzkości i świata wynikają z istnienia zjawiska promieniotwórczości naturalnej i możliwości wywołania sztucznej, wypływa wniosek, że wszystko zależy od człowieka. Dzięki rozwijającej się cywilizacji, wyposażony w coraz doskonalszą aparaturę badawczą i wiedzę naukowców całego świata, ma szanse na znowelizowanie złych skutków promieniotwórczości i wykorzystanie energii jądrowej dla dobra przyszłości naszej planety.