Wiadomości wstępne

Radioaktywność to samoistny rozpad jąder atomowych pierwiastków. Rozpadowi ulęgają tylko pierwiastki radioaktywne. Promieniotwórczość niekorzystną dla zdrowia ludzkiego wykazują pierwiastki ciężkie, które występują w 7 okresie, ale także promet, astat, polon, radon oraz technet.

Promieniotwórczość naturalną odkrył H. Becquerel, zaś promieniotwórczość sztuczna odkryła Irena oraz Fryderyk Joliot-Curie.

Historia radioaktywności

Zjawisko to zostało po raz pierwszy odkryte przez Francuza H. Becquerela w listopadzie 1986 roku. Naukowiec powiadomił Akademie Nauk, że sól uranowa, która przez pól roku była przechowywana w ciemności wysyła promienie. W wyniku tego promieniowania gazy są w stanie przewodzić prąd. Dla świata nauki było to wielkie zaskoczenie. Zaobserwowane promienie nazwano promieniami uranowymi. Były obiektem zainteresowania przez kilkanaście lat wielu wybitnych fizyków.

Nasza rodaczka Maria Curie-Skłodowska zainteresowała się odkryciem Francuza. Rozpoczęła eksperymenty, które miały odpowiedzieć na pytanie, czy inne substancje nie posiadają równie ciekawych właściwości emitowania promieni, jak było w przypadku uranu.

Wraz z G.C. Schmidtem dokonała odkrycia zjawiska dla toru, wykazała jednocześnie, że tor jest znacznie aktywniejszy niż uran. Stwierdziła, że promieniowanie nie jest tylko cecha uranu. Może być stosowane do innych pierwiastków.

Maria Curie Skłodowska jako pierwsza użyła nazwy promieniotwórczość, zaś pierwiastki wykazujące taką własność nazwała pierwiastkami promieniotwórczymi (radioaktywnymi). Były to, jak wcześniej wspomniano, uran oraz tor

M. Curie-Skłodowska w lecie 1898 roku wspólnie z mężem dokonała odkrycia pierwiastka promieniotwórczego. Pierwiastek ten otrzymał nazwę- Polon. Nazwa może sugerować kraj, z którego pochodzi Maria.

Rodzaje promieniowania

  1. Promieniowanie alfa to cząstki złożone z dwóch protonów oraz dwóch neutronów. Promieniowanie to jest jądrem helu. Wysyłane jest w wyniku przemian, które zachodzą w jądrze danego atomu. Zasięg tego promieniowania jest uzależniony od energii cząstek, ale także od danego rodzaju ośrodka. Ten typ promieniowania może być zatrzymany przez zrogowaciałą warstewkę naskórka oraz kartkę papieru. Zewnętrzne zagrożenie jest dosyć niewielkie. Po przedostaniu się do organizmu człowieka substancji, która jest w stanie emitować cząstki alfa, występuje duże niebezpieczeństwo dla wewnętrznych narządów oraz najbliższego otoczenia. Promieniowanie alfa w porównaniu z innym typem promieniowania (promieniowanie beta, X, gamma) wykazuje największą zdolność do jonizacji, dlatego też powoduje dosyć spore uszkodzenia w organizmie człowieka.
  1. Promieniowanie beta jest strumieniem cząstek (elektrony) dodatnich lub ujemnych, które są emitowane przez jądra atomów radioaktywnych. W przypadku emisji cząstki ze znakiem minus mamy do czynienia z przemiana neutronu w proton. Promieniowanie beta wykazuje większą przenikliwość substancji niż promieniowanie alfa. Przenikliwość uzależniona jest od mocy energii promieniowania. Ten typ promieniowanie powoduje znacznie mniej szkód w tkankach niż ma to miejsce w przypadku promieniowanie alfa. W wyniku większej przenikliwości, podczas przechodzenia przez skórę powoduje uszkodzenie narządów, które leżą głębiej. Zagrożenie zewnętrzne w przypadku promieniowania beta jest znacznie większe niż w przypadku promieniowania alfa. Promieniowanie beta możemy zatrzymać blacha aluminiową.
  1. Promieniowanie X oraz promieniowanie gamma mają zasięg większy niż poprzednie typy promieniowania. Promieniowanie gamma oraz promieniowanie X nie jest promieniowaniem cząstkowym, jak w przypadku promieniowania alfa lub beta, jednakże zasięg tego promieniowania jest znacznie większy. Do osłabienia promieniowania X oraz gamma stosowane są grube osłony z ołowiu, żeliwa, betonu oraz barytu. Promieniowanie rentgenowskie nie jest dostrzegalne dla oka, jest prostolinijne, może przenikać ludzkie ciało, powoduje reakcje redukcji związków srebra, działa destrukcyjnie na żywa tkankę, potrafi zjonizować gaz oraz spowodować fluorescencje substancji.

Jednostki fizyczne, które stosujemy w badaniach substancji radioaktywnych

  1. Aktywność promieniotwórcza

Aktywność promieniotwórcza (intensywność promieniowania) określonej substancji radioaktywnej to liczba jąder atomowych ulegających rozpadowi w ciągu jednej sekundy. Bekerel jest jednostka aktywności promieniotwórczej [Bq]. Dawniej obowiązującą jednostka aktywności promieniotwórczej był Ci (Kiur). Wzorcem była aktywność jednego grama radu (odpowiada to 3,7*1010 rozpadów promieniotwórczych/ sekundę).

Aktywność promieniotwórcza w przykładach:

- 1g radu = 37mld Bq;

- 1dm3 mleka = 60Bq;

- dorosły mężczyzna (70kg) = 10 000Bq;

- kilkuletnie dziecko = 600Bq;

- 1dm3 wody morskiej = 12Bq;

- 1t skały granitowej = 7000000Bq.

  1. Dawka pochłonięta

Ilość dawka pochłoniętej ma wpływ na skutki promieniowania. Jej miarą jest energia, która jest pochłaniana przez substancje napromieniowania. Otrzymujemy wynik w jednostkach masy. Grej [Gy] to jednostka dawki pochłoniętej, to ilość promieniowania przekazująca kg substancji energię jednego dżula. Wzór: 1Gy = 1J/1kg.

Rad [rd] był używaną dawniej jednostka dawki pochłoniętej. 1rd = 100 ergów energii, która jest pochłaniana przez 1g materii.

  1. Dawka równoważna

Oddziaływanie promieniowania na organizm ludzki jest uzależnione nie tylko od ilości pochłoniętej energii przez substancje, ale także od typu promieniowania (promieniowanie alfa, beta, gamma). 1Gy promieniowania gamma lub beta jest 20 razy mniej niebezpieczny, niż taka sama dawka dla promieniowania alfa. Sivert [Sv] to jednostka dawki równoważnej. Gdy mamy do czynienia z promieniowaniem gamma, beta lub rentgenowskim, to 1Gy=1Sv. Współczynnik przeliczenia wynosi jeden. Jeśli mamy do czynienia z promieniowanie neutronowym lub alfa, to współczynnik ma wartość 10 lub 25. 1Sv=1/20 Gy.

  1. Czas połowicznego rozpadu

Czas półtrwania nazywany także okresem połowicznego rozpadu, to okres, w którym 0,5 atomów badanego pierwiastka ulega rozpadowi. Czas połowicznego zaniku ma bardzo różne wartości dla określonych pierwiastków radioaktywnych.

Przykłady czasów półtrwania:

- tlen (liczba masowa 15)- 2 minuty;

- kobalt (liczba masowa 60)- 5,3 lat;

- polon (liczba masowa 214)- 0, 164qms;

- jod (liczba masowa 131)- 8 dni;

- węgiel (liczba masowa 14) -5730 lat.

  1. Źródła promieniowania

1. Źródła sztuczne stanowią 30 procent promieniowania występującego na Ziemi. Źródło napromieniowania pochodzące z branży medycznej jest nieregularnie rozłożone w populacji. W skład tego źródła (1mSv) wchodzi radioterapia i prześwietlenia rentgenowskie. W skład źródła przemysłowego (0,1mSv) wchodzi energia jądrowa energia jądrowa (0.02mSv). Dawka równoważna dla źródła sztucznego ma wartość (1,1 mSv).

2. Źródła naturalne stanowi około 70% promieniowania na Ziemi. Dawka równoważna dla promieniowania naturalnego wynosi 2,4 mSv.

W skład źródła sztucznego wchodzi: promieniowanie kosmiczne, promieniowanie pierwiastków wchodzących w skład gleby (0,4 mSv) oraz pierwiastki promieniotwórcze, które wdychamy oraz wchłaniamy (1,6mSv).

Promieniowanie kosmiczne, które swoje źródło ma w przestrzeni kosmicznej, to promieniowanie emitowane na powierzchni Słonica w wyniku reakcji jądrowych. Wysokość wpływa na dawkę tego promieniowania.

Pierwiastki promieniotwórcze wchodzące w skład gleby (potas, tor oraz uran) dają dawkę, która zależy w dużym stopniu od typu gleby.

Pierwiastkiem promieniotwórczym, który wdychamy oraz wchłaniamy z przyjmowanym pożywieniem może być radon o liczbie masowej 222. Jest on gazem powstałym w wyniku reakcji rozpadu uranu. Pierwiastkiem takim może być także potas, który gromadzi się w naszym organizmie i może spowodować napromieniowanie dawką wynoszącą 1,6 mSv w skali roku.

Korzyści wynikające z promieniowania jonizującego

Obok szkodliwych skutków, jakie wywołuje, przy odpowiednim dawkowaniu, promieniowanie jonizujące może być wykorzystywane do różnych celów. Promieniowanie ma bardzo duże zastosowanie w medycynie, przy m.in. prześwietleniach rentgenowskich. Jak przebiega, i na czym polega prześwietlenie rentgenowskie? Otóż strumień promieniowania X ulega osłabieniu podczas przenikania przez określony narząd, gdyż promieniowanie to zostaje pochłaniane przez tkanki. Ilość promieniowania pochłonięta przez tkanki jest uzależniona od ich gęstości. Następnie osłabiony strumień promieni X pada na kawałek kliszy fotograficznej powodując jej zaczernienie, które jest proporcjonalne do osłabienia promieni rentgenowskich. W taki właśnie sposób otrzymujemy zdjęcie rentgenowskie badanej części ciała.

Tomografia komputerowa, ostatnio bardzo popularna, wywodzi się z technologii rentgenowskiej. Polega ona na tym, że wykonywane są zdjęcia badanej części ciała pod różnymi kątami i płaszczyznami. Wszystko jest zrobione komputerowo. Wynikiem tych działań jest warstwowy obraz, który jest w stanie zobrazować niewielkie, początkowe zmiany chorobowe.

Promieniowanie jest wykorzystywane w medycynie także w radioterapii. Szczególne zastosowanie ma w przypadku raka skóry (czerniaka).

Są prowadzone badania mające na celu wykazać wpływ lekarstw na organizm ludzki. Izotop 99Tc jest wprowadzany do organizmu człowieka w postaci związku chemicznego. Będąc w organizmie jest nieustannie monitorowany. Dzięki temu możemy zbadać funkcjonowanie określonych narządów.

Radioizotopy są wykorzystywane do śledzenia różnych procesów. Za przykład może posłużyć radiofosfor 15P, który emituje promieniowanie beta. Czas połowicznego rozpadu tego radioizotopu wynosi 14 dni. Radiofosfor, który jest izotopem fosforu wykazuje chemiczne właściwości jak fosfor, dlatego też może tworzyć identyczne związki chemiczne, jak zwykły fosfor. Radioizotop ten jest promieniotwórczy, a jego promieniowanie jest łatwe do wykrycia. Za pomocą specjalnego urządzenia (licznika Geigera - Mullera) jesteśmy w stanie śledzić wędrówkę fosforu w wewnątrz organizmu.

Promieniotwórczy wodór 1H, nazywany trytem (T), także jest wykorzystywany w podobnych celach. W tym przypadku jesteśmy w stanie można śledzić wędrówkę wód podziemnych. Jest to bardzo istotne w kopalniach. Wprowadzana jest do płynącej wody, wodę trytową", czyli T2O, która wysyła promieniowanie. Możemy śledzić wędrówkę wody. Musimy pobierać próbki wody z rożnych miejsc, ponieważ pomiar pośredni jest dosyć trudny. Dzieje się tak, dlatego że mamy do czynienia z małą przenikliwością emitowanego promieniowania.

Radioizotop 16S, który emituje promieniowanie beta może badać ścieralność opon, które są używane w samochodach. W czasie wyrabiania opon dodawana jest pewna ilość radiosiarki, aby później można było zmierzyć promieniotwórczość śladu opon na drogach (podczas hamowania).

Radiografia, która polega na badaniu wewnętrznych struktur przedmiotów oraz materiałów. Metoda ta wykorzystuje prześwietlenia promieniowaniem jonizującym. Powstały obraz jest nazywany radiogramem.

Dużą popularność zyskuje od niedawna medycyna nuklearna, która wykorzystuje radioaktywne izotopy, wprowadzane do organizmu ludzkiego. Pozwalają one śledzić procesy zachodzące w środku, wykrywać schorzenia oraz znajdować odpowiednie metody leczenia.

Jod 131 jest stosowany w leczeniu tarczycy. Niekorzystny wzrost tkanki tarczycowej może spowodować nadczynność tarczycy. Wydzielana jest nadmierna ilość hormonów. W czasie leczenie wstrzykiwany jest izotop jodu (tarczyca jest w stanie wchłaniać jod) ze znanym okresem połowicznego rozpadu. Zniszczeniu ulega nadmiar tkanki.

Są prowadzone badania mające na celu wykazać wpływ lekarstw na organizm ludzki. Izotop 99Tc jest wprowadzany do organizmu człowieka w postaci związku chemicznego. Będąc w organizmie jest nieustannie monitorowany. Dzięki temu możemy zbadać funkcjonowanie określonych narządów.

Bomba kobaltowa, to popularna nazwa sprzętu służącego do nowotworowej radioterapii chorej tkanki za pomocą naświetlań dużymi dawkami promieniowania gamma. Występuje aktywność rzędu 1014 Bq.

Waga izotopowa. Jest to radiometryczny przyrząd, miernik grubości, który jest wykorzystywany do zmierzenia gęstości powierzchniowej. W jego skład wchodzi: źródło promieniotwórcze, detektor promieniowania (licznika Geigera-Mullera) oraz przelicznik. Pomiaru dokonujemy poprzez wyznaczanie absorpcji promieniowania (najczęściej beta) w badanej substancji. Kalibracja przyrządu sprawia, że jesteśmy w stanie odczytać masę absorbenta lub jego grubość.

Powszechną stosowaną metodą jest promieniowanie żywności, po to, aby mogła być przechowywana dłużej. Badania wykazały, że produkty żywnościowe, które zostały napromieniowane w celu utrwalenia nie są toksyczne ani promieniotwórcze. Jednakże wywołują procesy chemiczne. Zasięg oraz typ tych zmian jest uzależniony od składu chemicznego badanego produktu, temperatury, dawki napromieniowania, dostępu tlenu oraz światła w czasie napromieniowania. Skutkiem napromieniowania są powstające rodniki i zmniejszająca się zawartość witamin: B1, A, E, C do ilości około 20-60% mniejszej niż w przypadku takiego samego produktu nienapromieniowanego. Nie trzeba się tym aż tak bardzo sugerować, gdyż genetyczne zmiany w żywności zachodzą w wyniku termicznej obróbki oraz w wyniku długiego czasu jej przechowywania.

Utrwalone promieniotwórczo produkty żywnościowe mogą być napromieniowane w stabilnym promieniowaniu, co uniemożliwia wtórne skażenie. Dobrze dobrane opakowanie umożliwia napromieniowanie żywności w odpowiednich warunkach (atmosfera beztlenowa, niska temperatura, próżnia). W ten sposób możemy uniknąć start w zawartości witamin, ale także zmian wartości smakowych (dotyczy to produktów ze znaczna zawartością tłuszczów). W procesie napromieniowania produktów żywnościowych wykorzystujemy: promieniowanie X, promieniowanie g, oraz przyspieszone elektrony. Przy dawce 1kGy jesteśmy w stanie zatrzymać dojrzewanie oraz kiełkowanie w produktach roślinnych, unieszkodliwiać pasożyty, szkodniki.

Przy dawce 10kGy jesteśmy w stanie wyeliminować bakterie, mikroflorę patogenna, dlatego zwiększamy trwałość produktów oraz zmniejszamy ryzyko zatrucia pokarmowego.

Przy dawkach napromieniowania 10-50kGy jesteśmy w stanie wysterylizować produkty żywnościowe.

Metody promieniotwórcze znalazły zastosowanie w przemyśle. Są wykorzystywane w procesie sterylizacji sprzętu wykorzystywanego w medycynie, w procesie barwienia tkanin, elektronika (elementy półprzewodnikowe), modyfikacji polimerów lub innych substancji, w procesie zabarwiania szkła oraz sztucznych i naturalnych kamieni.

Liczba produktów, które są wytwarzane i modyfikowane promieniotwórczo wynosi rocznie około 1mln ton, i nieustannie wzrasta.

Technika promieniotwórcza stosowana do napromieniowania substancji oraz już gotowych produktów to nic innego jak wykorzystanie elektronów, ewentualnie promieniowania gamma.

Termokurczliwe taśmy oraz rurki (stosowane w izolacji elektrycznej) powstają w wyniku napromieniowania. Są wykorzystywane w procesie łączenia elementów.

Metody promieniotwórcze są wykorzystywane w procesie oczyszczania gazów wylotowych, powstające z rożnych instalacji spalających (węgiel). W wyniku tego procesu jesteśmy w stanie zmniejszyć wydzielenie SO2 oraz tlenków azotu o odpowiednio: 95% i 80%.

Metody radiacyjne są wykorzystywane w sprzęcie promieniotwórczym (reaktory, mierniki, czujniki oraz regulatory).

Branża metalurgiczna oraz chemiczna wykorzystuje promieniotwórczość w grubościomierzach, gęstościomierzach, miernikach odczytujących poziom materiałów sypkich oraz ciekłych.

Inna metodą radiacyjną wykorzystywaną w przemyśle jest analiza radiacyjna (analiza jądrowa składu substancji). Stosując te technikę jesteśmy w stanie określić zanieczyszczenie ilościowe metalami ciężkimi w odpadach oraz azotu w nawozach sztucznych. Możliwa jest analiza jakościowa w tym samym czasie kilku pierwiastków.

W tabelce przedstawiono wykorzystanie izotopów promieniotwórczych.

Izotop promieniotwórczy

Czas połowicznego rozpadu

Rodzaj promieniowania

Zastosowanie

3H

12,3 lat

beta

Błyszczące farby

238Pu

87,7 lat

alfa

Stymulatory mięśnia sercowego,

204 Tl

3,8 lat

beta

Aparatura pomiaru grubości

241Am

432 lata

alfa

Czujniki przeciwpożarowe

226Ra

1600 lat

gamma

Aplikatury radowe

60Co

5, 3 lat

gamma

Radiografia, sprzęt radiacyjny, bomba kobaltowa, aparatura pomiarowa (grubość, poziom cieczy, waga)

239Pu

24000

alfa

Czujniki przeciwpożarowe

131I

8 dni

gamma

Badanie tarczycy

182Ir

73,8 lat

gamma

radiografia

Cs137

30 lat

gamma

radiografia, pomiary grubości, bomba cezowa

Negatywne skutki promieniowania

Niekorzystne biologiczne oddziaływanie promieniowania na organizm ludzki wynika z jonizacji cząstek powstałych w skutek promieniowania. Pod wpływem procesu jonizacji w tkankach człowiek powstają pary jonów, które są bardzo reaktywnymi chemicznie rodnikami. Powoduje to zniszczenie naturalnej struktury cząstek, w wyniku ich rozrywania lub zlepiania.

Przemiany biochemiczne, które są odpowiedzialne za funkcjonowanie organizmu ludzkiego, ulega zmianie także struktura komórek.

Promieniotwórczość jest w coraz większym stopniu stosowana w produkcjach przemysłowych, reaktorach, dlatego tez liczba osób narażonych na szkodliwe działanie promieniowania wciąż wzrasta. Jeśli zmiany nie są zbyt duże, to organizm ludzki potrafi w odpowiedni sposób się bronić (autoregulacyjne właściwości). Jeśli dawka promieniowania jest duża, to prowadzi do licznych nieodwracalnych zmian oraz niszczy strukturę komórek.

Promieniowanie powoduje zaburzenia biochemiczne, które spowodowane są zmianą składu chemicznego oraz mechanizmu zachodzącego w procesie przemiany materii. Wrażliwość ludzkiej tkanki na promieniowanie jest zmienna w szerokim zakresie. Wykazano upośledzone wchłaniania tłuszczu z układu pokarmowego, zaburzenia w procesie przemiany białkowej, uszkodzenie wydzielania niektórych enzymów oraz wzrost aktywności pozostałych, upośledzenie syntezy kwasu dezoksyrybonukleinowego (najważniejszy składnik wszystkich komórek). Największa wrażliwość wykazuje układ krwionośny oraz rozrodczy. Najbardziej wrażliwymi tkankami na promieniowanie są: szpik kostny, tkanka limfatyczna nabłonek jąder, nabłonek żołądka. Mniejszą wrażliwość wykazują: tkanka łączna, skóra, narządy rozrodcze kobiet, kości, trzustka, wątroba. Zdecydowanie najmniejsza wrażliwość wykazują układ mięśniowy, układ nerwowy oraz mózg.

Promieniowanie wywołuje rozmnażania komórek nowotworowych (rak skóry, kości, narządów wewnętrznych). Promieniowanie alfa, beta oraz gamma powoduje oparzenia skóry, (rumień, pęcherze oraz martwica). Rany te są trudne do wygojenia. Kobiety mają problem z miesiączkowaniem oraz ciążą. Komórki, które wykazują znaczna podatność na rozmnażanie są szczególnie narażone na promieniowanie jonizujące. Gdy mamy do czynienia z sytuacja, że promieniowanie dociera do bardzo ważnych cząsteczek, odpowiedzialnych za funkcje życiowe (DNA) zmiany zachodzące w komórce są znacznie większe i niebezpieczniejsze.

Promienie rentgenowskie w większych dawkach wywołuje zapalenie rogówek, jaskrę, zaćmę.

Promieniowanie wchłonięte wraz z powietrzem (pary, pyły izotopów strontu, wapnia, ale także skażenia skóry oraz błon śluzowych) nie ulega rozkładowi równomiernie w tkankach. Odkłada się w tkankach o największym powinowactwie. Izotop wapnia oraz strontu ulegają odkładaniu w kościach, żelaza w erytrocytach, jodu w tarczycy. Ma miejsce emitowanie promieniowania, porcjami charakterystycznymi dla rozpadu naturalnego tego izotopu. Izotopy radioaktywne pierwiastków słabo rozpuszczających się soku ustrojowym, po dostaniu się do ludzkiego organizmu wraz z powietrzem zostają po adsorpcji w płucach przez jakiś czas. Nabłonek dróg oddechowych wykazuje szczególną wrażliwość na promieniowanie, dlatego też w oskrzelach mogą powstawać nowotwory złośliwe.