Promieniotwórczość

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ

Badania nad strukturą atomów różnych pierwiastków doprowadziło do odkrycia nowego zjawiska fizyczno-chemicznego, promieniotwórczości. Miało to miejsce pod koniec XIX w.
Należy wyróżnić:
A) promieniotwórczość naturalną: zjawisko obecności w środowisku naturalnym substancji promieniotwórczych niezależnie od działania człowiek. W środowisku można zaobserwować ponad 60 izotopów promieniotwórczych. Ze względu na pochodzenie izotopy te dzieli się na trzy kategorie:
- pierwotne izotopy promieniotwórcze posiadające czasy połowicznego zaniku (T1/2) powyżej 0,5 mld lat, które powstały wraz ze stabilną materią tworzącą Ziemię i nie zdążyły się jeszcze całkiem rozpaść - najbardziej istotnymi (tj. najbardziej rozpowszechnionymi i mającymi znaczący udział w dawce od tła naturalnego) izotopami w tej klasie są: 40K (1,28 mld lat), 238U (4,5 mld lat), 232Th (14 mld lat), mniej istotne to 235U (0,71 mld lat), 87Rb (48 mld lat) oraz alfa promieniotwórcze pierwiastki ziem rzadkich, np. 147Sm (105 mld lat), a także kilkanaście innych.
- wtórne izotopy promieniotwórcze, które pochodzą z sekwencyjnych rozpadów niektórych izotopów należących do kategorii pierwszej - łącznie jest to grupa ponad trzydziestu izotopów, wśród nich najistotniejsze są izotopy radu: 226Ra i 228Ra, radonu: 222Rn i 220Rn, polonu: 210Po, i ołowiu: 210Pb.
- kosmogenne pierwiastki promieniotwórcze, czyli grupa ponad dziesięciu izotopów promieniotwórczych lekkich pierwiastków, powstających ciągle, głównie w górnych warstwach atmosfery ziemskiej w reakcjach jądrowych (tzw. Reakcje spalacji) wywołanych przez protony promieniowania kosmicznego najbardziej istotne wśród nich to: 14C (5,7 tys. lat), 7Be (54 dni), 10Be (1,7 mln lat), 3H (12 lat), mniej istotne to wybrane izotopy siarki, chloru, fosforu, aluminium.

Promieniotwórczość naturalna - typowe aktywności wybranych naturalnych pierwiastków promieniotwórczych

Izotop
Rodzaj materiału Aktywność
40K mleko 40 Bq/l
40K tkanki mięśniowe 50 Bq/kg
40K gleba 200-1000 Bq/kg
238U gleba 30-60 Bq/kg
222Rn powietrze na otwartej przestrzeni ok. 5 Bq/m3
222Rn powietrze w pomieszczeniach od 20 do 50000 Bq/m3 (jaskinie)
14C całe ciało człowieka ok. 3000 Bq
7Be powietrze 2-5 mBq/m3

B) Promieniotwórczość sztuczną: zjawisko promieniotwórczości obserwowane dla izotopów promieniotwórczych innych niż występujące w naturalnym środowisku ziemi, otrzymanych najczęściej w wyniku aktywacji izotopów stabilnych. Tylko 272 ze znanych około trzech tysięcy rodzajów jąder atomowych ma zadziwiającą własność: są stabilne czyli nie ulegają spontanicznie rozpadowi. Pozostałe rozpadają się, czyli są promieniotwórcze. Typowemu rozpadowi towarzyszy emisja jednego z dwóch rodzajów promieniowania jądrowego: alfa lub beta. Często powstała w wyniku rozpadu konfiguracja neutronów i protonów w nowym jądrze atomowym posiada pewien nadmiar energii potencjalnej. Nowe jądro pozbywa się jej emitując natychmiast po swoim powstaniu kwant promieniowania gamma unoszący tą energię. Czasem emisja kwantu gamma jest utrudniona przez pewne prawa kwantowej fizyki i zachodzi po pewnym czasie. Wtedy mówimy o tzw. przejściu izomerycznym lub rozpadzie gamma. Przy rozpadach alfa i beta jądra zmieniają się w jądra innych pierwiastków, przy tzw. rozpadzie gamma pozostaje jądrem tego samego pierwiastka. Wyjątkowym rozpadem jest rozszczepienie spontaniczne, w którym jądro rozpada się na dwa fragmenty będące też jądrami atomowymi i emituje neutrony. Podstawowy opis zjawiska rozpadu promieniotwórczego nie zależy od rodzaju rozpadu.
Zanim nie nastąpi rozpad jądro promieniotwórcze nie różni się od jądra stabilnego, bez przeszkód wchodzi, więc w skład atomu. Nie można przewidzieć momentu rozpadu danego jądra atomu, a prawdopodobieństwo jego rozpadu jest stałe w czasie, praktycznie niezależne od żadnych czynników zewnętrznych i ściśle określone dla danego rodzaju jądra. Określa się je symbolem λ i nosi nazwę stałej rozpadu. Stałość prawdopodobieństwa rozpadu danego rodzaju jądra (izotopu promieniotwórczego) prowadzi do tego, że ilość rozpadów zachodzących w jednostce czasu w zbiorze jednakowych atomów promieniotwórczych jest proporcjonalna do liczby nie rozpadniętych jeszcze atomów pozostających w tym zbiorze. Matematycznie zależność tą opisuje prawo rozpadu promieniotwórczego (prawo określające zmianę w czasie ilości jąder substancji promieniotwórczej na skutek rozpadu promieniotwórczego. Można to określić następującym wzorem: -dN(t)/dt = λN(t), gdzie: N(t)- chwilowa liczba jąder danego izotopu promieniotwórczego, λ – stała rozpadu). Zgodnie z nim aktywność źródła promieniotwórczego spada wykładniczo. Tempo spadku aktywność charakteryzuje tzw. czas połowicznego zaniku (lub czas połowicznego rozpadu) T1/2 równy T1/2 = ln(2)/λ, gdzie λ - stała rozpadu. Jest to czas, po którym ilość atomów danego izotopu promieniotwórczego (aktywność źródła) spada do połowy swojej początkowej wartości. Czasy połowicznego zaniku różnych izotopów promieniotwórczych różnią się znacznie.







Promieniowanie jądrowe emitowane przez pierwiastki promieniotwórcze składa się z trzech rodzajów promieniowania (α, β, ), przy czym każde z nich ma inne własności:
A) promieniowanie gamma: to cząstki obojętne (nie działa na nie pole magnetyczne i elektryczne). Ma za to największy zasięg i największą przenikalność (chronią przed nim kilku cm osłony ołowiowe)
Promieniowanie gamma

Promieniowanie gamma: A) jądro, B) promienie gamma.

B) promieniowanie beta: to ujemnie naładowane cząstki. Ma znacznie większy zasięg niż promieniowanie alfa i jest bardziej przenikliwy przez materię (zatrzymuje je dopiero blacha np. aluminiowa)
C) promieniowanie alfa: tworzą dodatnio naładowane cząstki. Ma ono najmniejszą przenikalność (zatrzymuje je już kartka papieru) i najmniejszy zasięg (w powietrzu kilka cm)







Zdolność przenikania promieniowania jądrowego przez różne osłony

ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY
Tylko 272 ze znanych około trzech tysięcy rodzajów jąder atomowych ma zadziwiającą własność: są stabilne, czyli nie ulegają spontanicznie rozpadowi. Pozostałe rozpadają się, czyli są promieniotwórcze. Typowemu rozpadowi towarzyszy emisja jednego z dwóch rodzajów promieniowania jądrowego: alfa lub beta. Często powstała w wyniku rozpadu konfiguracja neutronów i protonów w nowym jądrze atomowym posiada pewien nadmiar energii potencjalnej. Nowe jądro pozbywa się jej emitując natychmiast po swoim powstaniu kwant promieniowania gamma unoszący tą energię. Czasem emisja kwantu gamma jest utrudniona przez pewne prawa kwantowej fizyki i zachodzi po pewnym czasie. Wtedy mówimy o tzw. przejściu izomerycznym lub rozpadzie gamma. Przy rozpadach alfa i beta jądra zmieniają się w jądra innych samego pierwiastka. Wyjątkowym rozpadem jest rozszczepienie spontaniczne, w którym jądro rozpada się na dwa fragmenty będące też jądrami atomowymi i emituje neutrony. Podstawowy opis zjawiska rozpadu promieniotwórczego nie zależy od rodzaju rozpadu. Zanim nie nastąpi rozpad jądro promieniotwórcze nie różni się od jądra stabilnego, bez przeszkód wchodzi, więc w skład atomu. Nie można przewidzieć momentu rozpadu danego jądra atomu, a prawdopodobieństwo jego rozpadu jest stałe w czasie, praktycznie niezależne od żadnych czynników zewnętrznych i ściśle określone dla danego rodzaju jądra. Określa się je symbolem λ i nosi nazwę stałej rozpadu. Stałość prawdopodobieństwa rozpadu danego rodzaju jądra (izotopu promieniotwórczego) prowadzi do tego, że ilość rozpadów zachodzących w jednostce czasu w zbiorze jednakowych atomów promieniotwórczych jest proporcjonalna do liczby nierozpadniętych jeszcze atomów pozostających w tym zbiorze. Matematycznie zależność tą opisuje prawo rozpadu promieniotwórczego (dane, o czym mówi to prawo jest zawarte w części o promieniotwórczości sztucznej). Zgodnie z nim aktywność źródła promieniotwórczego spada wykładniczo. Tempo spadku aktywność charakteryzuje tzw. czas połowicznego zaniku (lub czas połowicznego rozpadu) T1/2 równy T1/2 = ln(2)/λ, gdzie λ - stała rozpadu. Jest to czas, po którym ilość atomów danego izotopu promieniotwórczego (aktywność źródła) spada do połowy swojej początkowej wartości. Czasy połowicznego zaniku różnych izotopów promieniotwórczych różnią się znacznie.
Beta rozpad, rozpad jądra promieniotwórczego, w wyniku, którego z jądra emitowany jest (rozpad beta minus) elektron (negaton) i antyneutrino elektronowe lub (rozpad beta plus) pozyton i neutrino elektronowe. W pierwszym przypadku liczba atomowa Z nowo powstałego jądra jest większa o jeden od Z jądra macierzystego, w drugim - zmniejsza się o jeden. Liczba masowa jądra A nie ulega zmianie w rozpadzie beta. Odkryto też odwrotny rozpad beta, tzn. reakcję zmiany „Z” jądra wywołaną oddziaływaniem neutrina (lub antyneutrina) z emisją cząstki beta jako produktu reakcji. Rozpad β obserwuje się również dla cząstek elementarnych, np. rozpad neutronu na proton, elektron i antyneutrino elektronowe. Ze względu na emisję dwóch ciał (cząstka beta i neutrino) z jądra w rozpadzie beta obserwuje się ciągłe widmo energii emitowanych cząstek beta o, typowej dla danego rozpadu, energii maksymalnej. Rozpady beta zachodzą poprzez oddziaływanie słabe (jedno z czterech fundamentalnych oddziaływań fizycznych, występujące pomiędzy wszystkimi podstawowymi fermionami. Ma ograniczony zasięg).

Alfa rozpad, rozpad jądra atomowego z emisją cząstki alfa. Po rozpadzie alfa powstaje jądro atomowe o liczbie masowej A mniejszej o 4 i liczbie atomowej Z mniejszej od 2 względnym tych liczb dla jądra pierwotnego. Rozpadowi alfa ulegają najczęściej ciężkie pierwiastki promieniotwórcze oraz niektóre izotopy promieniotwórcze pierwiastków ziem rzadkich. Rozpad alfa polega na przeniknięciu przez barierę potencjału istniejącą wokół jądra, cząstki alfa uformowanej uprzednio w jądrze. Przeniknięcie takie możliwe jest dzięki efektowi tunelowemu. Cząstki alfa emitowane przez dane jądro promieniotwórcze mają ściśle określone energie.

ZASTOSOWANIE PIERWIASTKÓW PROMIENIOTWÓRCZYCH I ICH WPŁYW NA ORGANIZMY ŻYWE
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, . Trzeba przy tym pamiętać, że wpływ promieniowania może być:
· negatywny, gdyż może powodować zmiany w strukturze genów (prowadzące do pojawienia się mutacji), osłabienia układu immunologicznego, a w rezultacie zakłócenia podstawowych funkcji organizmu, a także wywoływać powstanie nowotworów (szczególnie nowotworów krwi- białaczkę)
· pozytywny, bo nauczono się nie tylko jak chronić organizmy przed skutkami nadmiernego napromieniowania ale także w jaki sposób wykorzystywać, np. do leczenia chorób nowotworowych i diagnostyki medycznej i przemysłowej oraz jako ogromnego i niewyczerpalnego źródła energii.
Skutki promieniowania zależą od pochłoniętej przez organizm dawki, tzn. od ilości substancji promieniotwórczej oraz od odległości i czasu przebywania w jej pobliżu. Pierwiastki promieniotwórcze mogą być bardzo szkodliwe i nawet miligramowe ilości izotopu promieniotwórczego mogą być dla człowieka śmiertelne. Skażenie substancjami promieniotwórczymi może się utrzymywać przez długie lata, np. notatki Marii Curie Skłodowskiej są ciągle skażone preparatami promieniotwórczymi, mimo, że od okrycia radu minęło ponad 100 lat.
Okazało się, ż są izotopy promieniotwórcze, które w nieznacznych ilościach towarzyszą nam przez całe życie nie szkodząc nam przy tym.
Takim izotopem jest potas 40K, który stanowi 0,0118% potasu naturalnego. Do organizmu człowieka trafia wraz z pożywieniem. Rośliny czerpią go z gleby.
W przyrodzie występuje bardzo wiele izotopów promieniotwórczych. W dużym rozproszeniu znajdują się w skałach, minerałach, powietrzu, wodzie, glebie oraz w organizmach żywych. Polska jest jednym z wielu rejonów świata gdzie jest podwyższona zawartość niektórych pierwiastków promieniotwórczych.
Izotopy promieniotwórcze występują w części surowców mineralnych, dlatego nie poleca się ich do przemysłu budowniczego (np. granitu). Rezygnuje się też również z dodawanych materiałów budowlanych żużli i popiołów powstałych w procesie spalania węgla, ponieważ zawartość pierwiastków promieniotwórczych zwiększ się.
Obecnie pierwiastki promieniotwórcze mają ogromne znaczenie np. w medycynie gdzie używa się ich do diagnostyki. Nowotwory leczy się za pomocą naświetleń i chemioterapii, w których ważne znaczenie odgrywają pierwiastki promieniotwórcze.
Podczas rozpadu jądra pierwiastka promieniotwórczego wydobywa się wielka ilość energii. Proces ten wykorzystywały elektrownie jądrowe do produkcji energii elektrycznej. W 1986r. doszło do wybuchu elektrowni w Czarnobylu na Ukrainie. Spowodowało to, że ogromna ilość szkodliwych dla nas substancji promieniotwórczej wyemitowała w atmosferę i skaziło to całą Europę, co było przyczyną śmierci bardzo dużej ilości ludzi. Do tej pory ludzie mieszkający na najbliższym terenie Czarnobyla chorują na przedziwne choroby a dzieci rodzą się z upośledzeniem. To spowodowało, że do tej pory niechętnie stawia się nowe elektrownie jądrowe.
Pierwiastki promieniotwórcze zostały wykorzystane już podczas
II wojny światowej gdzie wyprodukowano nową broń- bomby atomowe o działaniu milionowo silniejszym od znanych wówczas bomb. W 1945r. skutki wybuchu takiej bomby odczuli Japończycy gdzie zniszczono dwa miasta: Hiroszimę i Nagasaki. Wtedy zginęło wielu ludzi i również jak w przypadku katastrofy w Czarnobylu ludzie chorowali na chorobę popromienną spowodowaną tymi niebezpiecznymi pierwiastkami.
Niektóre kraje ciągle grożą użyciem broni nuklearnej- szczególnie są to kraje biedne (tzw. kraje trzeciego świata), które nie są w najlepszych stosunkach ze swoimi sąsiadami (np. Indie i Pakistan).
Współczesny człowiek żyjący w epoce szybko rozwijającej się cywilizacji, wyposażony w coraz doskonalszą aparaturę badawczą i wiedzę naukowców całego świata ma szansę na zniszczenie złych skutków promieniotwórczości i wykorzystanie energii jądrowej dla dobra przyszłości naszej planety.

Skażenie promieniotwórcze środowiska,
1) pojawienie się w środowisku naturalnym sztucznych pierwiastków promieniotwórczych. Głównymi źródłami skażenia promieniotwórczego środowiska jest opad promieniotwórczy globalny, powstały w wyniku testów z bronią jądrową (głównie w latach 1958-1963), katastrofy jądrowe (Czarnobyl, katastrofy w rejonie Czelabińska na Uralu w 1957 i 1967), przeróbka paliwa jądrowego (w tym radziecki program produkcji broni jądrowej uchodzący obecnie za największą katastrofę jądrową w dziejach), rutynowe i awaryjne wycieki radioaktywne w trakcie eksploatacji urządzeń jądrowych, wycieki ze składowisk opadów promieniotwórczych, wypadki rozszczelnień źródeł promieniotwórczych wykorzystywanych w geologii, medycynie, przemyśle, itp.
Głównymi sztucznymi długożyciowymi izotopami promieniotwórczymi, znajdującymi się obecnie w środowisku naturalnym na całej kuli ziemskiej, są m.in. (w nawiasach rodzaje emitowanego promieniowania
i orientacyjny czas połowicznego zaniku): 137Cs (gamma, beta 30 lat), 90Sr (beta, 28 lat), 239Pu (alfa, 24 tys. lat), 240Pu (alfa, 8 tys. lat).
2) wzrost koncentracji naturalnych pierwiastków promieniotwórczych w środowisku, wywołany działalnością człowieka. Ten rodzaj skażeń związany jest głównie z eksploatacją kopalin i to nie tylko uranu - również kopalnictwo węgla prowadzi do lokalnych, niekiedy znacznych
skażeń radioaktywnych związanych z gromadzeniem się radu w osadach z wód kopalnianych. Do tej klasy zaliczyć należy ok. trzykrotny wzrost stężenia izotopu węgla 14C w całej biosferze, będący wynikiem testów z bronią jądrową.

POSTACI, KTÓRE PRRZYCINIŁY SIĘ DO ROZWOJU BADAŃ ZWIĄZANYCH Z PROMIENIOTWÓRCZOŚCIĄ.

Maria Skłodowska-Curie (1867-1934), wybitna fizyczka i chemiczka polska żyjąca i pracująca we Francji, pierwsza kobieta będąca profesorem Sorbony, żona P. Curie. Wraz z nim w 1898 odkryła
rad i polon. Dwukrotna laureatka Nagrody Nobla- w 1903 wraz z mężem (dziedzina fizyka) za badania nad odkrytym przez
H. Becquerela zjawiskiem promieniotwórczości naturalnej, oraz w 1911 (z chemii) za wydzielenie czystego radu. W 1914 założyła Instytut Radowy w Paryżu. Z jej inicjatywy powstał Instytut Radowy w Warszawie (1932).


Pierre Curie (1859-1906), wybitny fizyk francuski, profesor uniwersytetu w Paryżu. Badał własności magnetyczne i elektryczne kryształów (w 1880 odkrył zjawisko piezoelektryczności) oraz prawidłowości promieniotwórczości naturalnej i jej oddziaływanie na organizmy żywe. Wspólnie z żoną, M. Curie-Skłodowską odkrył w 1898 polon i rad. W 1903, wraz z żoną, został laureatem Nagrody Nobla za badania nad odkrytym przez H. Becquerela zjawiskiem promieniotwórczości naturalnej

Henri Antoine Becquerel (1852-1908), wybitny chemik i fizyk francuski, wnuk Antoine’a Cesara, od 1895 profesor cole Polytechnique w Paryżu. 1892-95 prof. fizyki stosowanej w Departamencie Historii Naturalnej Muzeum Paryskiego, od 1895 prof. cole Polytechnique w Paryżu. Od 1889 członek Francuskiej AN oraz jej długoletni przewodniczący, członek Królewskiej AN w Berlinie. Przed 1896 autor prac z zakresu polaryzacji światła i jego przenikania przez kryształy, interesował się magnetyzmem ziemskim oraz fosforescencją powstającą pod wpływem promieniowania podczerwonego. Badając luminescencję soli uranu (1896), odkrył zjawisko promieniotwórczości naturalnej, za co otrzymał w 1903 Nagrodę Nobla (za badania nad odkrytym przez niego zjawiskiem nagrodę otrzymali również M. Curie-Skłodowska i P. Curie).
1899-1900 mierząc odchylenie promieniowania beta w polu magnetycznym i elektrycznym, zidentyfikował je jako strumień elektronów odkrytych w tym czasie przez J. J. Thomsona. Dla uczczenia jego pamięci jednostka aktywności źródła promieniotwórczego w układzie SI nazwana została jego nazwiskiem (bekerel)

SPIS TREŚCI

·Promieniotwórczość
- Naturalna
- Sztuczna
- Promieniowanie gamma
- Promieniowanie beta
- Promieniowanie alfa
- Zdolność przenikania promieniowania jądrowego przez różne osłony
·Rozpad promieniotwórczy
- Beta rozpad
- Alfa rozpad
·Zastosowanie pierwiastków promieniotwórczych i ich wpływ na organizmy żywe
·Skażenie promieniotwórcze środowiska
·Postaci, które przyczyniły się do rozwoju badań związanych z promieniotwórczością
- Maria Skłodowska-Curie
- Pierre Curie
- Henri Antoine Becquerel

Przy realizacji korzystano z Encyklopedi Multimedialnej, podręcznika do chemii OPERON w liceum oraz notatek własnych.