Promieniotwórczość naturalna i sztuczna, zastosowanie oraz niebezpieczeństwa jakie niesie

Niektóre pierwiastki charakteryzują się zadziwiającą właściwością. W ich atomach występuje samorzutna przemiana jąder, której towarzyszy emisja promieniowania. Zjawisko to nazwano promieniotwórczością lub radioaktywnością. Wszystkie pierwiastki w przedziale od polonu (liczba atomowa 84) do uranu (liczba atomowa 92) są promieniotwórcze. W przyrodzie występują także izotopy promieniotwórcze wielu lekkich pierwiastków.
Badania uczonych zajmujących się promieniotwórczością wykazywały, że atomy pewnych pierwiastków wysyłają trzy rodzaje promieniowania.
Każde z nich charakteryzuje się różnym zasięgiem i przenikliwością, a także w inny sposób oddziałuje z polem elektrycznym. Pierwsze rodzaj promieniowania ma bardzo niewielki zasięg, wynoszący w powietrzu zaledwie kilka centymetrów. Również jego przenikliwość jest niewielka, może być zatrzymane nawet przez kartkę papieru. Jeśli znajdzie się w polu elektrycznym, odchyla się w kierunku bieguna ujemnego. Nazwano je promieniowaniem α. Promieniowanie to jest strumieniem jader helu, składającym się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Drugi rodzaj promieniowania odchyla się w polu elektrycznym w stronę bieguna dodatniego. Ma dłuższy zasięg ( w powietrzu około 2 metrów) i większą przenikliwością od promieni α. Jednak i je można stosunkowo łatwo zatrzymać. Do tego celu wystarczy płytka metalowa. Promieniowanie to nazwano promieniowaniem β. Jest ono strumieniem elektronów. Trzeci rodzaj promieniowania nie odchyla się w polu elektrycznym. Ponieważ promieniowanie to, nazwane promieniowaniem γ, może zatrzymać jedynie bezpośrednie zderzenie z atomem, wykazuje ono bardzo dużą przenikliwością. Do jego zatrzymania potrzeba płyty ołowianej grubości kilku centymetrów. Natura tego promieniowania jest inna niż poprzednio wymienionych.
Promieniowanie α i promieniowanie β mają naturę korpuskularną, podczas gdy promieniowanie γ jest promieniowaniem elektromagnetycznym o bardzo długiej długości fali, mniejszej niż promieniowanie rentgenowskie.
Co dzieje się z pierwiastkiem promieniotwórczym podczas emisji promieniowania?
Wydzielanie promieniowania α i β powinno prowadzić do zmiany składu jądra atomowego. I tak jest w istocie. Jeżeli z jądra wypromieniuje cząstka α (jądro helu), to liczba masowa zmniejszy się o 4 jednostki (2 neutrony i 2 protony). Ponieważ ubywają 2 protony, powoduje to zmniejszenie liczny atomowej o dwie jednostki. Powstaje nowy pierwiastek. W jądrach jego atomów jest o 2 protony i 2 neutrony mniej w stosunku do pierwiastka macierzystego, a nowo powstały pierwiastek będzie lokował się w układzie okresowym o dwie pozycje w lewo od pierwiastka wyjściowego.
Emisja cząstki β, związana z przemianą neutronu w proton, nie zmienia liczby masowej, ale powoduje powiększenie liczby atomowej o jeden, co jest równoznaczne z przesunięciem powstającego pierwiastka w układzie okresowym w prawo o jedno miejsce w stosunku do pierwiastka macierzystego. Prawidłowości powyższe odkryli niemal w tym samym czasie dwaj uczeni; fizykochemik amerykański pochodzenia polskiego Kazimierz Fajans oraz fizyk chemik angielski Frederick Soddy.
Emisja promieniowania izotopów promieniotwórczych zachodzi z różną, ale charakterystyczną prędkością. Szybkość rozpadu danego izotopu charakteryzuje okres połowicznego rozpadu, zwany także okresem półtrwania. Jest to czas, w ciągu którego połowa atomów substancji promieniotwórczej ulega rozpadowi. Każda substancja promieniotwórcza ma stały okres półtrwania. Dla różnych pierwiastków promieniotwórczych okresem półtrwania wahają się od ułamków sekund do miliardów lat.
W 1934 roku córka Marii Skłodowskiej- Curie, Irena, wraz z mężem Fryderykiem Joliot- Curie odkryli, że jądra pewnych pierwiastków napromieniowane cząstkami α przekształcają się w inne, często także promieniotwórcze. Naświetlanie boru cząstkami α doprowadziło do powstania promieniotwórczego izotopu azotu, podczas gdy naświetlanie glinu spowodowało powstanie promieniotwórczego fosforu. Za swoje odkrycia znane jako sztuczna promieniotwórczość małżonkowie Irena i Fryderyk otrzymali w 1935 roku Nagrodę Nobla. Kolejny wielki wkład w badania nad sztuczną promieniotwórczością wniósł włoski fizyk Enrico Fermi, który otrzymał ponad czterdzieści nowych izotopów promieniotwórczych.
Promieniowanie wydzielane przez izotopy promieniotwórcze nosi nazwę promieniowania jonizującego. Nazwa pochodzi od pewnej właściwości promieniowania, polegającej na powstawaniu jonów w przenikanej przez nie materii, które jest spowodowane oddaniem energii. Niestety, takie jony są bardzo niebezpieczne dla organizmów żywych. Konsekwencją napromieniowania mogą być mutacje i nowotwory. W wyniku mutacji pojawiają się osobniki różniące się od swoich rodziców. Na terenach skażonych (blisko poligonów atomowych czy terenów awarii reaktorów) rodzą się dzieci z wadami wrodzonymi. Częstość występowania nowotworów zwiększa się przy narażeniu organizmu na promieniowanie jonizujące, Typowym schorzeniem osób będących w kontakcie z dużymi dawkami promieniowania jest nowotwór- białaczka. Odpowiednio duże dawki promieniowania są letalne (śmiertelne). Prowadzą do tzw. choroby popromiennej, objawiającej się nudnościami, biegunką, odwodnieniem, zaburzeniami równowagi elektrolitowej, porażeniem układu nerwowego i śmiercią. Jednorazowa dawka powyżej 100 siwertów powoduje szybką śmierć. Natomiast po dawce 3-4 siwertów zgon może nastąpić w ciągu kilku tygodni. Większość ssaków wykazuje podobną do człowieka wrażliwość na promieniowanie, jedynie nietoperze oraz szczury znoszą duże jego dawki. Jeszcze mniej wrażliwe na promieniowanie są organizmy prymitywne.
Na szczęście promieniowanie ma swoje pozytywne strony, co wykorzystano w badaniach biologicznych i w radioterapii.
Jest to dział medycyny zajmujący się leczeniem chorób nowotworowych za pomocą promieniowania jonizującego. Komórki nowotworowe okazały się bardziej wrażliwe na promieniowanie od otaczających je zdrowych tkanek. Źródłami promieniowania są naturalne i sztuczne otrzymane izotopy promieniotwórcze.
Sztucznie otrzymane promieniotwórcze izotopy jodu stosuje się w diagnostyce i leczeniu chorób tarczycy. Natomiast promieniotwórcze izotopy wodoru, węgla o fosforu wykorzystuje się w badaniach biochemicznych. Ważne biologicznie związki „znakuje się”, wprowadzając do nich atomy promieniotwórcze, podaje organizmom i śledzi ich losy w przemianach metabolicznych.
Jednak najbardziej znanym współcześnie zastosowanie promieniotwórczości jest bomba atomowa. Kiedy 16 lipca 1945 roku na poligonie wojskowym w Alamogordo (stan Nowy Meksyk) w USA błysk pierwszego wybuchu atomowego rozświetlił atmosferę, jeden z twórców tej broni, Jacob Robert Oppenheimer, powiedział : „Poczułem się nędzną istotą, ośmielająca się poruczyć siły, którymi dotąd tylko Bóg Wszechmocny władał”.
Obecnie zbudowanie bomby atomowej nie stanowi poważnego problemu technicznego, pod warunkiem, że ma się do dyspozycji odpowiednią ilość materiału rozszczepialnego, takiego jak uran-235 czy pluton-239. Z tego powodu prowadzi się na świecie kontrolę materiałów rozszczepialnych, aby nie dostały się w ręce terrorystów.