Promieniotwórczość

Promieniotwórczość jest ciekawym tematem, który ludzkość zaczęła zgłębiać dopiero od 1934 roku, dzięki geniuszowi państwa Joliot-Curie. Nie mogę jednak zacząć tego tematu, bez wspomnienia, czym właściwie jest promieniotwórczość.

Skrócona definicja encyklopedyczna tego pojęcia brzmi: „Emisja promieniowania jądrowego w wyniku rozpadu promieniotwórczego jąder atomów.” Ponieważ jest to dość skomplikowane tłumaczenie, śpieszę wyjaśnić, iż promieniotwórczość jest energią wytwarzaną prze niektóre izotopy. Promieniotwórcze są izotopy niestabilne, czyli takie, których jądro nie trzyma się mocno razem. Izotopy te maja liczbę atomową większą - równą 82. Jest wiele odmian promieniotwórczości. Jest promieniotwórczość naturalna, sztuczna, kosmiczna etc.

Do najpopularniejszych naturalnych źródeł promieniotwórczości należą: izotop uranu, używany m.in. w reaktorach atomowych, izotop węgla, który pomaga w określeniu wieku skamieniałości i izotop kryptonu, który jest całkowicie niepotrzebny, ale za to bardzo szkodliwy. Promieniowanie zawsze było, jest i będzie nieodłączną częścią naszego życia, bo wszędzie jest z nami. Dlatego w mojej pracy chce omówić zjawisko promieniowania sztucznego, chce omówić skutki, przedstawić jego główne źródła. Jednocześnie chce ostrzec i uświadomić, że promieniowanie niesie ze sobą wiele zagrożeń. I właśnie w mojej pracy chce przekazać i nauczyć jak możemy bezpiecznie korzystać ze zjawiska promieniotwórczości.

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.

Maria Skłodowska poszukiwała wówczas właśnie tematu pracy doktorskiej. Zaciekawienie odkryciem Becquerela, zaowocowało rozpoczęciem badań mających na celu ustalenie, czy inne ciała nie posiadają podobnie jak związki uranu własności emitowania promieni. I rzeczywiście, jednocześnie z niemieckim fizykiem G. C. Schmidtem odkryła analogiczne zjawisko dla toru, przy czym okazało się, że metal ten jest aktywniejszy od uranu. Okazało się, że promieniowanie nie jest bynajmniej swoistą cechą uranu. Trzeba więc nazwać to zjawisko bardziej ogólnie. Skłodowska proponuje miano: promieniotwórczość (radioaktywność), a pierwiastki, które posiadają tę dziwną własność promieniowania (uran i tor) - nazywa promieniotwórczymi (radioelementami).
Maria Curie-Skłodowska. W lipcu 1898r. polska uczona wraz z mężem ogłosiła odkrycie promieniotwórczego pierwiastka, który Maria nazwała polonem na cześć swojej ukochanej Ojczyzny. W grudniu 1898r. natomiast, poinformowali oni Akademię Nauk o odkryciu radu - pierwiastka śladowego, silnie promieniującego. Choć istnienie radu nie ulegało już wątpliwości, sam pierwiastek w postaci czystej nie został jeszcze wydzielony. Dopiero w czasie dalszej, czteroletniej mozolnej pracy udało im się wyizolować, z wielu ton importowanego z Czech uranitu, 1/10 grama czystego pierwiastka.
W ciągu lat 1899 i 1900 Piotr i Maria Curie ogłaszają komunikat dotyczący odkrycia "elektryczności indukowanej", którą wywołuje rad, i drugi - o ładunku elektrycznym przenoszonym przez promienie. Poza tym redagują na Kongres fizyków w roku 1900 sprawozdanie ogólne o ciałach promieniotwórczych, które wznieca wśród europejski fizyków niezwykłe zainteresowanie.

Rozwój nowej nauki o promieniotwórczości postępuje coraz szybciej - wprost błyskawicznie. Zbadane przez Piotra Curie działanie magnetyczne wskazywało, że niektóre promienie emitowane przez rad niosą ładunki dodatnie, inne ujemne, a jeszcze inne nie reagują na działanie magnesu.

W późniejszym czasie (ok.1900r.) zrodzona we Francji, promieniotwórczość szybko zdobywa inne kraje. W szeregu państw uczeni rzucają się w pogoń za nowymi pierwiastkami promieniotwórczymi. Jej rezultatem jest odkrycie mezotoru, radiotoru, jonu, protaktynu, radioołowiu. W 1900r. Niemiec - Otto Walkhoff jako pierwszy stwierdził, że pochodzące od radu promieniowanie radioaktywne może niszczyć tkanki biologiczne. Jak się okazało, rad emituje: promieniowanie alfa (ok. 75% ogółu promieniowania), które bardzo trudno daje się odchylać magnetycznie i jest absorbowane przez powietrze i ciała stałe; promieniowanie beta (ok. 20%), które zachowuje się podobnie jak promienie katodowe, ale jest bardziej przenikliwe; promieniowanie gamma (ok. 5%), które przenika nawet płytę stalową o grubości 10 cm. Jest ono fizjologicznie szczególnie niebezpieczne. Promieniowanie gamma zabija bakterie i powoduje oparzenia skóry.

Zainteresowało to Piotra Curie, który nie zważając na niebezpieczeństwo, natychmiast poddaje próbom swoje ramię. Wkrótce wystąpiło na powierzchni jego ręki uszkodzenie skóry, śledzi je, bada jego rozwój. Uderzony zdumiewającą mocą tych promieni, zaczyna badać wpływ radu na organizm zwierząt, współpracując w tym zakresie ze znamienitymi lekarzami: prof. Bourchardem i prof. Balthazardem. Po krótkim już czasie udaje im się stwierdzić, że rad, niszcząc chore komórki, leczy: niektóre guzy i pewne formy raka. Ta gałąź lecznictwa otrzymała nazwę radioterapii, a lekarze francuscy (Doulos, Wickam, Dominci, Degrais i in.) pierwsi zaczynają ją stosować z dobrymi wynikami u ludzi, używając do tego tubek z emanacją radową.
W tym samym roku H. Becquerel na podstawie wyników eksperymentów stawia hipotezę, iż promieniowanie beta to strumień elektronów.

W 1903r. dwaj uczeni angielscy, Ramsay i Soddy, wykazują, że rad wydziela stale małą ilość pewnego gazu - helu. Jest to pierwszy znany przykład przemiany atomów. Cokolwiek później, również w Anglii, Rutherford i Soddy, nawiązują do hipotezy, o której Maria Curie wspominała już w 1900 r., ogłaszają pociągającą "teorię przemian promieniotwórczych". Oznajmiają, że z uranu powstaje powstaje nowy pierwiastek, kiedy odłączy się od niego cząsteczka alfa. Atom (z grec. "atomos" = "niepodzielny") niespodziewanie okazał się podzielny i utracił status najmniejszej cząstki materii. Rutherford stwierdził, że pierwiastki dzięki wysyłanemu promieniowaniu rozpadają się tworząc inne pierwiastki o mniejszych atomach, te z kolei tworzą jeszcze inne itd. Łańcuch rozpoczyna uran a kończy ołów. Rutherford dzięki swemu odkryciu stał się "ojcem fizyki atomowej".

W 1909r. E. Rutherford i T. Royds doświadczalnie dowiedli, iż cząstki alfa to dwukrotnie zjonizowane atomy helu (jądra helu).

W 1914r. E. Rutherford i E. N. Andrade uzyskali doświadczalne potwierdzenie ugięcia promieniowania gamma w krysztale. Dokładne badania wykazały, że promieniowanie gamma jest promieniowaniem elektromagnetycznym o większej częstotliwości (mniejszej długości fali) niż promieniowanie rentgenowskie.

W 1934r. małżeństwu Fryderykowi i Irenie Joliot-Curie udaje się przekształcenie atomów w atomy o wyższej liczbie porządkowej. Po odkryciu Wernera Heisenberga, który stwierdził, że jądra atomu składają się z protonów i neutronów, prostsze stało się przekształcanie jego elementów przez bombardowanie cząstkami. Gdy poprzez oddziaływanie cząstki alfa proton wyparty jest z jądra atomowego, wtedy jego liczba porządkowa i masowa zmniejsza się o jeden. Gdy atom traci jedną (składającą się z dwóch protonów i dwóch neutronów) cząsteczkę alfa, wtedy jego liczba porządkowa zmniejsza się o dwa, a liczba masowa o cztery. Joliot-Curie ostrzeliwując atomy boru, aluminium i magnezu cząstkami alfa stwierdzili wzrost masy. Na przykład atomy aluminium 27 przekształcają się w radioaktywne atomy izotopu fosforu z liczbą masową 30. Ponieważ jednak aluminium ma liczbę porządkową 13, a fosfor 15, jądro aluminium przejmuje w tej reakcji z cząstki alfa dwa protony i jeden neutron. W przyrodzie nie występuje fosfor 30. W ten sposób małżeństwu Joliot-Curie udaje się po raz pierwszy sztuczne wytworzenie pierwiastka radioaktywnego.

W 1981r. naukowiec Towarzystwa Badań Schweriona w Darmstadt odkrył czwartą formę radioaktywnej przemiany: radioaktywność protonów. Do tej pory znano tylko radioaktywne procesy wysyłania promieni alfa, beta, gamma. Nowo odkryte przekształcenie jądra pozwala na obserwowanie jąder ciężkiego atomu podczas ostrzału protonami. W momencie rozpadu wysyłają one proton przez co zmniejsza się ich liczba atomowa o jeden.

PROMIENIOWANIE

Charakterystyka promieniowania

Najkrócej rzecz ujmując promieniowanie jest to wysyłanie i przekazywanie energii na odległość. Promieniowanie dzieli się na dwie zasadnicze grupy: jonizujące oraz niejonizujące. Do tej ostatniej możemy zaliczyć promieniowanie radiowe, mikrofalowe, podczerwone, a także światło widzialne. Promieniowanie jonizujące natomiast powstaje gdy od niestabilnego atomu odłączają się niektóre nukleony przy jednoczesnym wydzieleniu się energii. Nie każdy jednak pierwiastek jest zdolny do takiego rozpadu. Taką cechę posiadają jedynie izotopy, o nieodpowiedniej liczbie neutronów w jądrze.
Liczba neutronóww konkretnym nuklidzie, powinna być jedynie nieco wyższa od liczby protonów, gdyż tylko wówczas oddziaływania jądrowego będą na tyle silne, by żaden nuklid nie mógł się odłączyć. Gdy jednak liczba neutronów jest nieodpowiednia, atom dąży do pozbycia się zbędnych cząstek, a zarazem i energii, którą to nazywamy promieniowaniem. Promieniowanie jonizujące podzielić możemy na promieniowanie a , b , g , X(Roentgena), a także w niektórych przypadkach promieniowanie UV.

Promieniowanie a , jest to strumień jąder atomów helu, czyli struktur składająca się z dwóch protonów oraz z dwóch neutronów. Promieniowanie to powstaje najczęściej podczas rozpadu ciężkich jąder.
Promieniowanie b jest to strumień elektronów(negatonów lub pozytonów), które to powstają podczas rozpadu b . Elektron emitowany jest podczas przemiany, nazywanej beta(b-), polegającej na przemianie jednego z neutronów jądrowych w proton. Wówczas to w jądrze następuje przemiana neutronów w proton. W tym przypadku liczba atomowa nowo powstałego jądra jest większa o jeden od liczby atomowej jądra macierzystego. Pozyton natomiast emitowany jest podczas przemiany nazywanej beta( b+).W jądrze następuje przemiana protonu w neutron, a liczba atomowa nowo powstałego jądra jest mniejsza o jeden od liczby atomowej jądra macierzystego. Takie przeobrażenia zachodzą w sztucznych jądrach promieniotwórczych powstających w reakcjach jądrowych, oraz przez występujący w naszym środowisku, w niewielkiej ilości kosmopochodny izotop sodu 22Na.

Promieniowanie g, X oraz UV, różnią się od pozostałych. Nie są one związane z przemianami jądra, a jedynie z emitowaniem promieniowania elektromagnetycznego o dużej energii. Mogą one być połączone z emisją cząstek a i b.

Jednostki fizyczne charakteryzujące promieniowanie.

Jedną z cech substancji promieniotwórczej jest jej intensywność promieniowania zwana aktywnością promieniotwórczą. Aktywność materiału promieniotwórczego jest równa co do wartości liczbie jąder atomowych, które ulegają rozpadowi w czasie 1 sekundy. Jednostką aktywności jest bekerel [Bq]. (Wcześniej używaną jednostką był kiur Ci. Określano jego wartość przyjmując za wzorzec aktywność 1g radu, co odpowiada 3,7 * 1010 rozpadów promieniotwórczych w ciągu sekundy). Przykłady: 1 litr mleka- ok. 60 Bq, 1 gram radu-37 mld Bq, pięcioletnie dziecko-ok. 600 Bq, dorosły człowiek o wadze 70 kg-ok. 10 tys. Bq, 1 tona skały granitowej-ok. 7 mln Bq, 1 litr wody morskiej-ok. 12 Bq.

Skąd pochodzi promieniowanie na Ziemi

Jedynie 30% ogółu promieniowania na Ziemi pochodzi ze źródeł sztucznych (wytworzonych przez człowieka). Większość stanowią źródła naturalne takie jak promieniowanie kosmiczne czy pierwiastki występujące w glebie.
Napromieniowanie ze źródeł naturalnych - 2,4 mSv
1. Promieniowanie kosmiczne -0,4mSv
2. Promieniowanie z gleby - 0,4 mSv
3. Pierwiastki radioaktywne wchłaniane lub wdychane - 1,6 mSv
Napromieniowanie ze źródeł sztucznych - 1,1 mSv
4. Napromieniowanie pochodzenia medycznego - 1 mSv
5. Działalność przemysłowa - 0,1 mSv
Napromieniowanie pochodzenia medycznego stanowi przeciętną dawkę około 1 mSv bardzo nierównomiernie rozłożoną w populacji. Promieniowanie to pochodzi przede wszystkim z prześwietleń rentgenowskich, czy radioterapii.
Działalność przemysłowa odpowiada przeciętnej dawce około 0,1 mSv, w tym jedynie 0,02 mSv przypada na energię jądrową.

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.
Trzeba przy tym pamiętać, że wpływ promieniowania na organizmy żywe może być negatywny lub pozytywny:

Negatywny, gdyż może powodować odwracalne 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 — białaczka);

Pozytywny, bo nauczono się nie tylko, jak chronić organizmy przed skutkami nadmiernego napromieniowania, ale także w jaki sposób je wykorzystywać, np. do leczenia chorób nowotworowych i diagnostyki medycznej i przemysłowej oraz jako ogromnego i niewyczerpywal-nego źródła energii.

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 łata, np. notatki Marii Skłodowskiej-Curie są ciągle skażone preparatami promieniotwórczymi mimo, że od odkrycia radu minęło 100 lat!
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):

1. Płuca – rad 222, uran 233, pluton 239, krypton 85;
2. Tarczyca – jod 131;
3. Wątroba – kobalt 60;
4. Mięśnie – potas 40, cez 137;
5. Kości – rad 226, stront 90, fosfor 32, węgiel 14.

W medycynie izotopów promieniotwórczych używa się do diagnozowania wielu chorób. Do leczenia nowotworów stosuje się naświetlanie promieniowaniem wysyłanym przez izotop cezu kobaltu i radu (używając np. tzw. bomby kobaltowej, czy igieł radowych).
Oznaczając zawartości uranu lub toru w badanych materiałach w stosunku do ilości pośrednich lub końcowych produktów rozpadu promieniotwórczego uczeni określają wiek minerałów, skał, Ziemi. Badania zawartości izotopu promieniotwórczego węgla 14C pomagają w określeniu wieku wykopalisk archeologicznych i zabytków starożytnych kultur.

Izotopy promieniotwórcze służą do oznaczenia cieków wodnych, biegu podziemnych strumyków i pęknięć w rurociągach. Pomagają też w sprawdzeniu szczelności kadłubów statków i wykryciu wad materiałów konstrukcyjnych.
Podczas rozpadu niektórych jąder pierwiastków promieniotwórczych uwalnia się znacznie większa niż w innych ilość energii. Proces ten znalazł zastosowanie do produkcji energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych. Na wiosnę 1986 r. doszło do bardzo poważnej awarii elektrowni atomowej w Czarnobylu na Ukrainie. Powodem była błędna decyzja człowieka, a efektem wyemitowanie do atmosfery olbrzymich ilości substancji promieniotwórczych, które skaziły całą Europę. Ta awaria stała się przyczyną olbrzymiej niechęci społeczeństw w wielu krajach do budowania nowych elektrowni jądrowych.

Pierwiastki promieniotwórcze już podczas II wojny światowej zostały wykorzystane do produkcji nowego rodzaju broni — bomby atomowej o działaniu milion razy silniejszym od znanych wówczas bomb. Skutki wybuchu takiej bomby odczuli Japończycy w 1945 roku. Zostały wówczas zniszczone dwa miasta: Hiroszima i Nagasaki - zginęło setki tysięcy ludzi a równie wielu zostało ciężko okaleczonych. Wiele osób zmarło od razu, a u wielu choroba popromienna rozwinęła się dopiero po kilku latach. Także w pobliżu terenów, gdzie były po wojnie przeprowadzane próby nuklearne obserwowano skażenie terenu. Wśród napromieniowanych roślin zwierząt pojawiły się osobniki różniące się od organizmów macierzystych (mutanty). Zaobserwowano zwiększoną liczbę dzieci urodzonych z wrodzonymi wadami.
Groźba użycia broni nuklearnej jest ciągle aktualna, zwłaszcza, że broń ta znalazła się w posiadaniu rządów państw trzeciego świata, krajów biednych, żyjących w stałych zatargach ze swoimi sąsiadami, jak np. India i Pakistan. Próby z ładunkami nuklearnymi przeprowadzone przez Pakistan w maju 1998 roku były odpowiedzią na podobne przeprowadzone wcześniej przez Indię.
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.
Zastosowanie izotopów promieniotwórczych:

1. Określanie wieku wykopalisk archeologicznych, skał i minerałów,
2. Kontrola jakości wyrobów konstrukcyjnych,
3. Energetyka jądrowa i termojądrowe reaktory,
4. Radioterapia i diagnostyka medyczna,
5. Broń jądrowa i termojądrowa,
6. Kontrolowana synteza termojądrowa.
SYTUACJA RADJACYJNA

Ogólną sytuację radiacyjną w środowisku charakteryzują obecnie następujące wielkości podstawowe:
· poziom promieniowania gamma, obrazujący narażenie zewnętrzne ludzi od
· naturalnych i sztucznych źródeł promieniowania jonizującego, istniejących w
· środowisku lub wprowadzonych sztucznie przez człowieka;
· stężenia naturalnych i sztucznych izotopów promieniotwórczych w komponentach
· środowiska, a w konsekwencji w artykułach spożywczych, obrazujące narażenie
· wewnętrzne ludzi w wyniku wchłonięcia izotopów drogą pokarmową.

Poziom promieniowania gamma

Średnia wartość mocy dawki ziemskiego tła promieniowania gamma w 1996r. wynosiła dla Polski 47,4 nGy/h. Dla poszczególnych punktów pomiarowych waha się w granicach od 18,8 do 86,0 nGy/h. Podobne wartości rejestrowano w latach 1990 -1995 (tabela 1) i w okresie przed katastrofą w Czarnobylu. Wyższe wartości mocy dawki występują głównie w południowych regionach kraju. Jest to związane z lokalnymi warunkami geologicznymi tych regionów.