Promieniotwórczość

Promieniotwórczość - to zjawisko samorzutnego rozpadu jąder połączone z emisją cząstek alfa, cząstek beta, promieniowania gamma.
Na przemianę jądra nie maja wpływu czynniki zewnętrzne takie jak: temperatura, pole magnetyczne czy skupienie materiału promieniotwórczego.
Wilhelm Roentgen w 1895 roku odkrył promienie elektromagnetyczne mające zdolność przenikania ciała stałego. Ze względu na ich tajemniczość nazwał je promieniami X.

W 1896 roku francuski fizyk Becquerel, badając związek uranu, zauważył, że klisza fotograficzna znajdująca się w pobliżu tego związku ściemniała, mimo braku promieni słonecznych. Wyciągnął, więc wniosek, iż związki uranu wysyłają promieniowanie same z siebie. Stwierdził on również, że uran metaliczny jest źródłem niewidzialnego promieniowania.
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.

Źródła promieniowania.
Przez całe życie jesteśmy narażeni na wprawdzie niezbyt intensywne, ale systematyczne oddziaływanie promieniowania na nasz organizm. Różnice w dawkach tego promieniowania zależą od miejsca pobytu i składu mineralnego gruntu oraz wysokości nad poziomem morza.
Promieniotwórczość możemy podzielić na promieniotwórczość naturalną (towarzysząca przemianom jądrowym izotopów występujących w przyrodzie) i promieniotwórczość sztuczną (zachodzącą w jądrach atomów otrzymywanych sztucznie - poprzez bombardowanie jąder trwałych pierwiastków cząstkami alfa oraz beta).
Na naturalne źródła promieniowania, emitujące tzw. promieniowanie tła, składają się:
- Promieniowanie kosmiczne (odkryte w 1912 roku) - strumień cząstek dobiegających do zewnętrznych warstw atmosfery Ziemi z przestrzeni kosmicznej; składa się głównie z protonów, cząstek i jąder innych pierwiastków. Te zaś, zderzając się z atomami i cząsteczkami zawartymi w atmosferze, wytwarzają kaskady protonów, elektronów, pozytonów, neutrin (tzw. promieniowanie wtórne), dobiegających do powierzchni Ziemi, a także wnikających pod powierzchnię. Jego skutek to wzrost jonizacji powietrza oraz powstanie izotopów o znaczeniu biologicznym (trytu, 7Be, 14C, 22Na).
- Ziemskie promieniowanie , związane z występowaniem w skorupie ziemskiej i glebie naturalnych izotopów promieniotwórczych (w dużym rozproszeniu).
- Promieniowanie w budynkach, spowodowane użyciem nieodpowiednich materiałów budowlanych, na przykład granitów, dodawaniem do tych materiałów popiołów i żużlu z pieców hutniczych (zawierających zagęszczone ilości radioaktywnego węgla).
- Radon (gaz szlachetny, Rn) w powietrzu, emitowany z niektórych rodzajów wód (na przykład mineralnych).
- Radon w budynkach, wydzielany z gleby i gromadzący się w niewietrzonych pomieszczeniach (z wszystkich źródeł naturalnych daje największą dawkę promieniowania! - Dlatego mieszkania bezwzględnie należy wietrzyć).
- Radionuklidy zawarte w organizmie człowieka: 40K, 226Ra, 218Po.
Na sztuczne źródła promieniowania składają się:
- Diagnostyka rentgenowska.
- Radioterapia.
- Telewizja - promieniowane kineskopu.
- Loty samolotami (zwiększona ekspozycja na promieniowanie kosmiczne).
- Używanie gazu ziemnego w gospodarstwach domowych.
- Zanieczyszczenia w pobliżu elektrowni węglowych - obecnie elektrownie takie powodują większe radioaktywne skażenie terenu niż sprawne elektrownie jądrowe!
- Narażenie zawodowe (pracowników naukowych, obsługi aparatów rentgenowskich).
- Palenie papierosów, zawierających skumulowane w liściach tytoniu izotopy 210Po i 210Pb - najnowsze badania wykazały, że substancje te są wprowadzane do organizmu wraz z dymem i stanowią znaczącą przyczynę między innymi raka płuc.

Promieniotwórczość sztuczna - promieniotwórczość trwałych pierwiastków chemicznych wywołana w sposób sztuczny przez napromieniowanie ich neutronami w reaktorze jądrowym lub przez "zbombardowanie" ich ciężkimi cząstkami, takimi jak na przykład protony, cząstki alfa i inne.
Ze względu na ogromną różnorodność właściwości (rodzaj promieniowania, energia promieniowania, czas życia, masa emitowanych cząstek i inne) substancje promieniotwórcze otrzymywane sztucznie znajdują znacznie szersze zastosowanie niż naturalne substancje promieniotwórcze. W związku z odkryciem promieniotwórczości sztucznej możliwa okazała się realizacja marzeń średniowiecznych alchemików o przemianie jednych pierwiastków chemicznych w inne, a dokładniej - w złoto.
W ślad za tym odkryciem uczeni w różnych krajach zaczęli poddawać bombardowaniu cząstkami jądrowymi formalnie wszystkie pierwiastki chemiczne układu okresowego. Okazało się przy tym, że prawie wszystkie pierwiastki mogą tworzyć nowe sztuczne izotopy promieniotwórcze. W stosunkowo krótkim okresie czasu liczba takich sztucznych źródeł promieniowania doszła do tysiąca i z każdym rokiem wciąż wzrasta.
Promieniotwórczość protonowa - do niedawna w nauce znano następujące podstawowe rodzaje rozpadu promieniotwórczego jąder atomowych. Trzy z nich: emisja cząstek alfa (jąder atomów helu), cząstek beta (elektronów) i promieniowania gamma - były znane jeszcze w czasach Marii i Piotra Curie. Jeszcze jeden rodzaj rozpadu - samorzutne (spontaniczne) rozczepienie jąder atomów uranu z emisją neutronów, elektronów i kwantów gamma - odkryli uczeni radzieccy Flerow i Pietrzak w 1940 roku. Następnie odkryto emisję neutronów przez produkty rozczepienia jąder uranu (emisja neutronów opóźnionych) w krótkim czasie już po zajściu rozczepienia. Swego czasu na podstawie badań teoretycznych przewidziano istnienie jeszcze jednego rodzaju rozpadu. Polegać on miał na tym, że jądro wzbudzonego atomu, to znaczy - jądro atomu, które pochłonęło dostarczaną mu skądś z zewnątrz pewną ilość energii, miało emitować proton - dodatnio naładowaną cząstkę elementarną. Ta tak zwana promieniotwórczość protonowa została odkryta przez uczonych radzieckich w 1962 roku. Istnieje jeszcze kilka innych rodzajów rozpadu: wychwyt K, przemiany izomeryczne, rozpad pozytonowi, emisja opóźnionych protonów i inne.

Promieniotwórcze rodziny - łańcuch pierwiastków, które samorzutnie powstają jeden z drugiego w wyniku rozpadu promieniotwórczego, nazywa się rodziną promieniotwórczą. Istnieją cztery takie rodziny. Obejmują one wszystkie znane naturalne pierwiastki promieniotwórcze.
"Założycielem rodu" pierwszej rodziny jest uran-238, którego łańcuch kończy się na izotopie zwykłego.Ołowiu-206.
Drugą rodzinę zaczyna tor-232, który w ostatecznym efekcie przekształca się w izotop ołowiu -208.Trzeci łańcuch - aktynu-235 (aktyno-uranu-235) - kończy się na ołowiu - 207.

Czwartą rodzinę promieniotwórczą zapoczątkowuje sztucznie otrzymany pierwiastek "za-uranowy" (inaczej - transuranowy), a mianowicie pluton-241, który przekształca się w uran-235 dając w ten sposób początek drugiej rodzinie uranu, kończącej się na trwałym talu-205.
Angielscy fizycy Rutherfod i Soddy ustalili, że promieniowanie zachodzi, kiedy jądro atomowe jest nietrwałe, niestabilne w skutek, czego nieuchronnie musi ulegać ciągłemu rozpadowi. Emitując cząstki alfa (jądra atomów helu) i cząstki beta (elektrony) przekształcają się one tym samym w jądra atomów nowych, lżejszych pierwiastków. Po jednym lub kilku następujących po sobie aktach rozpadu przechodzą w jądra trwałe. Na przykład, w wyniku emisji cząstki alfa ( ) i utracenia przez to dwóch ładunków dodatnich i czterech jednostek masy rad-226 ( )przekształca się w nowy pierwiastek - gazowy radon-222( ). W efekcie powstają, więc atomy już dwóch nowych pierwiastków - radonu i helu. Jednakże proces rozpadu pierwotnego pierwiastka promieniotwórczego na tym się nie kończy. Nowo powstały radon-222 jest także nietrwały i po wyeliminowaniu cząstki alfa przekształca się z kolei w nowy, również nietrwały pierwiastek promieniotwórczy - rad A, to znaczy - polon-218( ). Ten proces powstawania i rozpadu wszystkich następnych pokoleń pierwiastków promieniotwórczych ustaje dopiero wówczas, gdy cała początkowa ilość radu przekształci się w ostatecznym efekcie w zwykły ołów, a dokładniej - w jeden z jego izotopów, a mianowicie - w ołów-206 ( ).

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.
Blaski promieniotwórczości (zastosowanie).
- 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.
- Izotopy cezu 137Cs i kobaltu, 60Co mogą służyć do diagnostyki stanu technicznego wykrywania wad urządzeń przemysłowych, nawet w trudno dostępnych miejscach. Izotopy pozwalają również śledzić przebieg złożonych procesów chemicznych i biologicznych, np. działanie leków na organizm.
- Kobalt jest używany do sterylizacji żywności.
-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.



Okres połowicznego rozpadu- Jest to czas, po którym połowa pierwiastka ulega rozpadowi, a równocześnie połowę zmniejsza się ilość promieniowania.

- 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.
- Medycyna- to następny obszar zastosowania promieniotwórczości. 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.
- W technice izotopy stosuje się w precyzyjnych badaniach grubości materiałów, do wykrywania wad materiałowych (na przykład pęknięć w murach, rurociągach, szczelności kadłubów statków). Wykrywają cieki wodne, podziemne strumyki, itp. Umieszczane są również w czujnikach dymu w urządzeniach alarmowych. Wykorzystuje się je do sterylizacji żywności, opakowań, sprzętu medycznego i laboratoryjnego.
- W chemii pomagają izotopy w badaniach nad mechanizmami wielu skomplikowanych reakcji. "Znaczy" się konkretne atomy i śledzi ich wędrówkę z substratów do produktów (reakcje estryfikacji, reakcje z H2O2).
- Instytuty badawcze prowadzą wiele prac z wykorzystaniem radioizotopów - w celu ich wykorzystania w nowych gałęziach przemysłu. Na przykład opracowano technologię wyrobów termokurczliwych, radiacyjną modyfikację półprzewodników, uszlachetnianie folii do opakowań...

Cienie promieniotwórczości (Negatywne skutki oddziaływania pierwiastków promieniotwórczych).

- 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).


Budowa atomu – negatywny wpływ pierwiastków promieniotwórczych na różne narządy organizmu człowieka:
-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.

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).


Notatka
Promieniotwórczość - to zjawisko samorzutnego rozpadu jąder połączone z emisją cząstek alfa, cząstek beta, promieniowania gamma.
Na przemianę jądra nie maja wpływu czynniki zewnętrzne takie jak: temperatura, pole magnetyczne czy skupienie materiału promieniotwórczego.
Promieniotwórczość możemy podzielić na promieniotwórczość naturalną (towarzysząca przemianom jądrowym izotopów występujących w przyrodzie) i promieniotwórczość sztuczną (zachodzącą w jądrach atomów otrzymywanych sztucznie - poprzez bombardowanie jąder trwałych pierwiastków cząstkami alfa oraz beta).
Zastosowanie pierwiastków wykorzystanie pierwiastków promieniotwórczych.
- Elektrownie jądrowe(pozyskanie ogromnych ilości energii, którą można zastosować jako napęd do wielu pojazdów).
- Medycyna(diagnoza chorób, wpływ leków na organizm).
- Przemysł militarny( Konstrukcja bomb).
- Datowanie, czyli określanie wieku minerałów, skał, Ziemi, wykopalisk archeologicznych, zabytków starożytnych kultur itp.
- Sterylizacja żywności
- Farmacja jądrowa

Negatywne skutki oddziaływania pierwiastków promieniotwórczych:
- Odpady promieniotwórcze – efekty działania reaktorów, mogą dostać się do środowiska.
- Odpady przemysłowe – nieodpowiednio gromadzone mogą przedostać się do powietrza, wody, organizmów.
- Awarie w elektrowniach jądrowych – przyczyny katastrof.
- Broń masowego rażenia – podczas wybuchu zostaje uwolniona ogromna energia szkodliwa dla człowieka.
- negatywne działanie pierwiastków promieniotwórczych na człowieka powoduje różne choroby, m.in. białaczkę, kataraktę, oraz chorobę popromienną objawiającą się biegunką i nudnościami.