Zastosowanie i wpływ pierwiastków promieniotwórczych na organizmy żywe.

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.
Promieniotwórczość pierwiastków występujących w przyrodzie jest nazywana promieniotwórczością naturalna, otrzymywanych zaś w wyniku reakcji jądrowych - promieniotwórczością sztuczna.
Istnienie promieniotwórczości w przyrodzie (promieniotwórczość naturalna, tło promieniowania przenikliwego) odkrył w 1896 H.A.Becquerel, pierwszymi jej badaczami byli M. Curie-Skłodowska i P.Curie – stwierdzili oni brak wpływu czynników fizykochemicznych (ciśnienia, temperatury, postaci chemicznej, pola elektromagnetycznego itp.) na przebieg zjawisk promieniotwórczości. Pierwsze sztuczne (nie występujące w przyrodzie ) substancje promieniotwórcze wytworzyli I.i F. Joliot-Curie (promieniotwórczość sztuczna).
Pierwiastki promieniotwórcze mają szerokie zastosowanie we współczesnym świecie. Dziś liczba zastosowań promieniotwórczości stale rośnie, zwłaszcza w dziedzinie chemii, biologii, w medycynie, archeologii, naukach o Ziemi i Wszechświecie, przemyśle spożywczym itp.
Energia zawarta w jądrach atomowych wykorzystywana jest do produkcji energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych. Podczas rozpadu niektórych jąder pierwiastków promieniotwórczych uwalnia się znacznie większa niż w innych ilość energii. W elektrowniach jądrowych uzyskuje się ogromne ilości energii w wyniku reakcji jądrowych rozpadu takich pierwiastków, jak 235U (uran) i 239Pu (pluton).
Elektrownie te istnieją już w 34 krajach świata i produkują 17% energii. Elektrownie takie wytwarzają tanią (znacznie mniejsze zapotrzebowanie na paliwo od elektrowni węglowych) i czystą energię. Wbrew pozorom ilość emitowanych przez nie izotopów promieniotwórczych jest znacznie mniejsza od ilości emitowanych przez wspomniane już elektrownie węglowe, które dodatkowo dostarczają do atmosfery m.in. miliony ton SO2, a także metali ciężkich takich jak: ołów, arsen czy kadm. Jedynym minusem elektrowni jądrowych jest fakt wytwarzania odpadów promieniotwórczych, których dziś człowiek nie potrafi zniszczyć. Przechowywane są one więc w pojemnikach stalowych, prasuje z materiałami żywicznym i umieszcza na przykład w nieczynnych kopalniach lub specjalnych podziemnych składowiskach.
Reaktory jądrowe używane są również jako źródła napędu statków i okrętów. Jest to korzystne ze względu na długość przebywania pod powierzchnia wody - mogą one przebywać w zanurzeniu przez czas praktycznie nieokreślony oraz osiągać znacznie większe rozmiary od tych napędzanych tradycyjnie. Takie źródła napędu znajdziemy nie tylko w okrętach.
wojskowych (takich jak np. 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.
Medycyna - to następny obszar zastosowania promieniotwórczości, a jej odkrycie wywołało prawdziwą rewolucję, a obecna medycyna w wielu dziedzinach opiera się na promieniotwórczej zdolności pierwiastków. 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 (Cez), Co (Kobalt), Ra (Rad) (tzw. bomba kobaltowa, igły radowe). W uzdrowiskach znajdziemy je w stosowaniu balneologii (na przykład leczniczych kąpieli lub inhalacji z zastosowaniem Rn (Radon)).
Różne izotopy tego samego pierwiastka mają takie same własności chemiczne. Zatem zastąpienie w cząsteczce jednego izotopu innym nie zmienia jej funkcji. Natomiast promieniowanie emitowane przez izotop umożliwia jego wykrycie, zlokalizowanie i śledzenie ruchu, a nawet pomiar jego stężenia bez ingerencji z zewnątrz. Metoda znaczników izotopowych pozwala zatem badać funkcjonowanie żywego organizmu, poczynając od poszczególnych jego komórek po cały narząd.
Dzięki temu dowiedziano się o gromadzeniu fluoru w zębach, prześledzono procesy trawienne (na podstawie fosforu-32), rozwinięto wiedze nt. choroby Basedowa, dzięki izotopom jodu 131I, gromadzącym się w tarczycy. Dzięki zastosowaniu promieniotwórczego wapnia-45 istnieje możliwość zbadania szybkości tworzenia się substancji kostnej oraz wpływ na ten proces witaminy D i hormonu wydzielanego przez gruczoły przytarczyczne.Wielu przełomowych odkryć naukowych w drugiej połowie dwudziestego wieku dokonano dzięki wykorzystaniu promieniotwórczości m.in. odkryto funkcjonowanie genotypu, metabolizm komórek, fotosyntezę, mechanizm wysyłania chemicznych informacji (hormony, neuromediatory) wewnątrz organizmu.
Metoda znaczenia ma zastosowanie także w chemii. Za pomocą „znakowania” pewnych atomów można śledzić ich wędrówkę w reakcjach chemicznych, np. reakcji estryfikacji.
Farmacja jądrowa - odpowiedzialna jest za przygotowanie i kontrolę preparatów promieniotwórczych w lekach oraz analityczne metody jądrowe stosowane do kontroli "zwykłych" leków.
Następnym zastosowaniem promieniotwórczości jest tzw. „datowanie”, polegające na określaniu wieku m.in. skał, wykopalisk archeologicznych, Ziemi. Stosuje się np.„zegar helowy”, na podstawie zawartości helu w badanym obiekcie, ale najczęściej „zegarem archeologicznym” jest izotop węgla 14C. Jest on asymilowany przez rośliny i staje się składnikiem żywych organizmów zwierzęcych, po spożyciu przez nie pokarmu roślinnego. Po obumarciu owego organizmu 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.
Inne metody datowania, w których wykorzystuje się kombinacje różnych izotopów pozwalają określić wiek zdarzeń opisujących historię Ziemi, jej klimatu i istot żywych, które ją zamieszkują do tej pory.
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.
Poza tym utrwalana radiacyjnie żywność może być napromieniana w trwałym opakowaniu, co skutecznie zapobiega jej wtórnemu skażeniu. Zastosowanie odpowiednich opakowań pozwala napromieniać żywność w różnych warunkach, między innymi w atmosferze beztlenowej, w próżni i niskiej temperaturze. Dobierając odpowiednio warunki w jakich dokonuje się proces napromieniania można np. zmniejszyć straty witamin lub uniknąć niekorzystnych zmian smakowych w produktach o dużej zawartości tłuszczów. Do napromieniania żywności wykorzystuje się promieniowanie g, przyspieszone elektrony, a niekiedy promieniowanie X. Stosując dawki promieniowania do 1kGy można opóźnić dojrzewanie lub zahamować kiełkowanie w produktach pochodzenia roślinnego, zwalczać szkodniki oraz pasożyty. Napromienianie żywności dawkami do 10kGy inaktywuje bakterie, pleśnie, drożdże i mikroflorę patogenną, co sprawia, że wydłuża się okres jej trwałości i zmniejsza liczba zatruć pokarmowych. Dawki w przedziale 10-50kGy stosowane są do sterylizacji produktów żywnościowych.
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 (Uran) lub 239Pu (Pluton); 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, nie niszczącego obiektów materialnych, ale zabijającą istoty żywe.
Izotopy promieniotwórcze maja zastosowanie w radiografii. Metoda analizy radiograficznej polega na wykorzystaniu promieniowania jonizującego (rentgenowskiego, gamma) do badania struktury materiałów i wyrobów. Na kliszy fotograficznej, umieszczonej po przeciwnej stronie w stosunku do źródła promieniowania badanego obiektu lub na ekranie fluoryzującym są widoczne szczegóły badanego przedmiotu. Pozwala to wykryć uszkodzenia wewnętrzne przedmiotu. Jest to możliwe ze względu na to, że pęknięcia, szczeliny w odlewach inaczej pochłaniają promieniowanie jonizujące niż materiał, z którego dany obiekt został wykonany.
Defektoskopia zajmuje się natomiast wykrywaniem pęknięć i innych uszkodzeń w metalu. (rozróżnia się m. in. defektoskopie rentgenowską). Defektoskopia jest stosowana także w przemyśle maszynowym, stoczniowym, lotniczym i chemicznym. W hutach i fabrykach stosuje się prześwietlanie rentgenowskie, jednak bardziej opłacalna jest metoda defektoskopii izotopowej. Promieniowanie radioizotopu kobaltu Co60 pozwala na prześwietlenia stali na grubości do 15 cm .
Radioizotopy (czyli izotopy promieniotwórcze) posłużyły tez do opracowania technologii wyrobów termokurczliwych czy uszlachetnienia folii do opakowań.

Ale to nadal nie wszystkie zastosowania promieniotwórczości. Należy wymienić także wykrywanie zbiorników wodnych i wód gruntowych, wykorzystanie w czujnikach dymu, gęstościomierzach, miernikach grubości i wykrywaniu skażenia wód i zanieczyszczenia środowiska oraz jego usuwaniu, sterylizacji sprzętu medycznego, modyfikacji polimerów, materiałów oraz przyrządów półprzewodnikowych, do barwienia tkanin, szkła i sztucznych, a nawet naturalnych kamieni. Promieniowanie izotopowe wpłynęło też na rozwój górnictwa. Na świecie ilość produktów wytwarzanych lub modyfikowanych radiacyjnie sięga milionów ton rocznie i ciągle wzrasta.
Już Piotr Curie przykładając do swojego ramienia substancję promieniotwórczą zauważył, że skóra została zniszczona, a rana goiła się długo. Te obserwacje skłoniły uczonych do badania wpływu promieniowania na organizmy żywe.
W trakcie dalszych badań stwierdzono, że wpływ jaki na organizmy żywe, a więc i na człowieka, wywiera promieniowanie zależy od jego rodzaju, a także energii jaką z sobą niesie — wiemy, że mogą to być m.in. cząstki α, β, γ. 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.
Podstawą szkodliwego biologicznego działania promieniowania na organizmy leżą procesy jonizacji molekuł organizmu wywoływane przez promieniowanie. W wyniku tych procesów w tkankach tworzą się pary jonów stanowiących wysokie aktywne chemicznie rodniki oraz następuje uszkodzenie struktury dużych cząstek przez ich rozrywanie lub zlepianie. Prowadzi to do zakłóceń biochemicznych , warunkujących prawidłowe funkcjonowanie organizmu i do zmian strukturalnych komórek. Czułość tkanki ludzkiej na promieniowanie jonizujące zmienia się w szerokich granicach. Najczulsze są organy krwiotwórcze i tkanki rozrodcze, najmniej czułymi są mózg i mięśnie.
W wyniku pochłonięcia przez organizm dużych dawek promieniowania mogą nastąpić uszkodzenia popromienne, które dzielimy na: somatyczne, tj. wpływające na procesy odpowiedzialne za utrzymanie organizmu przy życiu, oraz genetyczne tj. naruszające zdolność organizmu do prawidłowego przekazywania cech swemu potomstwu. Typowym skutkiem poważnych uszkodzeń somatycznych jest choroba popromienna. Składają się na nią mdłości , bóle i zawroty głowy, ogólne osłabienie, zmiany we krwi, a następnie biegunki , czasami krwawe z powodu owrzodzeń jelit, skłonności do krwawych wybroczyn w tkankach, niedokrwistość, wrzodziejące zapalenie gardła, obniżenie odporności organizmu i wypadanie włosów. W zależności od stopnia uszkodzeń może zakończyć się śmiercią lub przejść w fazę przewlekłą ze stopniowym wyniszczeniem organizmu zakończonym najczęściej białaczką lub anemia aplastyczną i ostatecznie opóźnioną śmiercią. Jednakże nawet po słabych objawach choroby popromiennej po wielu latach mogą wystąpić tzw. skutki późne. Są to: przedwczesne starzenie, skrócenie życia, niedokrwistość, białaczka, nowotwory, zaćma.
Uszkodzenia genetyczne polegają na zmianie struktury chromosomów wchodzących w skład komórek rozrodczych. Ich następstwem są mutację przejawiające się w zmianie dziedziczonych przez potomstwo cech ustroju. Uszkodzenia chromosomów, a właściwie zmiany w składających się na nie genach, są kopiowane przez następne generację komórek.
Zmieniony nieprawidłowy kod genetyczny może być tak samo stabilny i czynny jak jego poprawny odpowiednik. Powoduje to różnego rodzaju wady dziedziczne potomstwa w kolejnych pokoleniach.
Skutki promieniowania zależą od pochłoniętej przez organizm dawki, tzn. od ilości substancji promieniotwórczej oraz od odległości i czasu przebywania w jej pobliżu.
Narządy ciała narażone na działanie pierwiastków promieniotwórczych wytworzonych sztucznie (próbne wybuchy jądrowe, odpady promieniotwórcze, awarie reaktorów, syntezy jądrowe w reaktorach i innych urządzeniach tego typu):
- płuca – rad 222, uran 233, pluton 239, krypton 85;
- tarczyca – jod 131;
- wątroba – kobalt 60;
- mięśnie – potas 40, cez 137;
- kości – rad 226, stront 90, fosfor 32, węgiel 14.

Pierwiastki promieniotwórcze, jak wykazałam powyżej, mają bardzo szerokie zastosowanie i znacznie wpływają na jakość naszego życia. Mają też niestety bardzo negatywny wpływ w przypadku użycia ich w celach militarnych (Hiroszima, Nagasaki) lub nieprzestrzeganiu szczególnych zasad w ich użytkowaniu (awaria elektrowni jądrowej w Czarnobylu) i przechowywaniu. Z istnienia zjawiska promieniotwórczości naturalnej i możliwości wywołania sztucznej, wypływa wniosek, że wszystko zależy od człowieka. Współczesny człowiek żyjący w epoce szybko rozwijającej się cywilizacji, wyposażony w coraz doskonalszą aparaturę badawczą i wiedzę naukowców całego świata, ma szansę na zniwelowanie złych skutków promieniotwórczości i wykorzystanie energii jądrowej dla dobra przyszłości naszej planety.