Wiadomości wstępne

Promieniotwórczość reakcja samorzutnej przemiany jądra atomowego w inne jądro. Procesowi towarzyszy wysyłanie promieniowania jądrowego.

Zjawisko to zostało po raz pierwszy odkryte przez Francuza H. Becquerela w listopadzie 1896 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.

Piotr Curie oraz jego żona Maria zainteresowali się nowym zjawiskiem. Odkryli rad oraz polon. Rozpisali promieniotwórczość toru oraz uranu. Pierwiastki te należą do najbardziej popularnych oraz najważniejszych naturalnych pierwiastków radioaktywnych.

Maria Curie- Skłodowska, Piotr Curie oraz H. Becquerel w 1903r. otrzymali Nagrodę Nobla za odkrycie promieniotwórczości oraz przeprowadzone badania w tym zakresie.

Fryderyk Joliot- Curie oraz jego żona Irena odkryli promieniotwórczość sztuczną w 1934r. Otrzymali oni fosfor w wyniku bombardowania jądrami helu atomów glinu. Otrzymali Nagrodę Nobla w 1935r. za swoje osiągnięcia w tej dziedzinie.

Radioaktywność to samoistny rozpad jąder atomowych pierwiastków. Rozpadowi ulęgają tylko pierwiastki radioaktywne. Ludzie już od bardzo dawna byli narażeni na działanie promieniowania pochodzącego ze środowiska naturalnego. Promieniowanie naturalne istnieje już od bardzo dawna na Ziemi i może występować bez wpływu człowieka.

Pierwiastki radioaktywne możemy podzielić na dwa rodzaje:

- pierwiastki ulegające rozkładowi i emitujące cząstkę alfa;

- pierwiastki ulegające rozkładowi i emitujące cząstkę beta.

Rozpad promieniotwórczy trwa do momentu utworzenia pierwiastka stabilnego, który nie ulega już rozszczepieniu.

W czasie rozpadu alfa emitowana jest cząstka alfa składająca się z dwóch neutronów i dwóch protonów.

W czasie rozpadu beta emitowany jest elektron.

W przeciwieństwie do promieniowania gamma, promieniowania te mają charakter masowy. Promienie gamma to fale, ale towarzysza rozpadom alfa oraz beta.

Rodzaje promieniotwórczości

Człowiek przez cały okres swojego życia jest narażony na promieniowanie. Szkodliwość dawki promieniowania jest uzależniona od składników mineralnych gruntu oraz jego miejsca pobytu oraz także od wysokości n.p.m.

Wyróżniamy promieniotwórczość sztuczna oraz naturalną.

Promieniotwórczość sztuczna występuje w izotopach promieniotwórczych, które nie występują w środowisku naturalnym. Powstają w wyniku bombardowania cząstkami jąder atomowych pierwiastków stabilnych. Promieniotwórczość sztuczną odkryli w 1934 roku Irena i Fryderyk Joliot-Curie.

Promieniotwórczość naturalna występuje w substancjach promieniotwórczych występujących w środowisku naturalnym. Mamy do czynienia z 60 izotopami radioaktywnymi. Promieniotwórczość naturalna została odkryta przez A.H. Becquerela. Ten francuski naukowiec stwierdził, że związki uranu mogą powodować zaczernienie kliszy fotograficznej. Kolejne badania były prowadzone przez M. Curie- Skłodowską oraz jej męża Piotra. Ta para wybitnych naukowców stwierdziła promieniotwórczość toru oraz odkryła rad i polon. W późniejszym okresie rozróżniono trzy rodzaje promieniowania, tj. alfa, beta oraz gamma. Dokonali tego: P. Villard oraz F. Rutherford.. Soddy oraz Rutherford stwierdzili, zanik aktywności radioaktywnej jest wykładniczy.

Stężenie promieniowania naturalnego jest uzależnione od wysokości, szerokości geograficznej oraz składu podłoża.

Sztuczne źródła promieniowania są stosowane w różnych gałęziach przemysłu oraz medycyny. Promieniotwórczość sztuczna powstaje w reaktorach jądrowym, w wyniku napromieniowania neutronami lub w wyniku bombardowania ciężkimi cząstkami (cząstka alfa). Substancje radioaktywne otrzymane w sposób sztuczny maja większe zastosowanie niż substancje radioaktywne występujące w środowisku naturalnym. Wynika to z dużej gamy właściwości: energii promieniowania, masy cząstek emitowanych, typu promieniowania oraz czasu połowicznego rozpadu.

Promieniowanie naturalne możemy podzielić na:

  1. promieniowanie alfa (charakter masowy);
  2. promieniowanie beta (charakter masowy);
  3. promieniowanie gamma (charakter falowy).

Szkodliwe skutki promieniowania jonizującego na organizmy żywe są uzależnione od pochłoniętej dawki oraz rodzaju promieniowania.

Promieniowanie gamma jest szczególnie niebezpieczne. Jest w stanie przenikać przez różnego rodzaju substancje. Zatrzymać je może tylko gruba ściana ołowiana. Promieniowanie alfa jest w stanie zatrzymać kartka papieru, zaś promieniowanie beta gruba deska.

Na radioaktywność pierwiastków nie ma wpływu: pole magnetyczne, temperatura, stan skupienia substancji promieniotwórczej.

Biologiczne konsekwencje promieniowania

Biologiczne konsekwencje promieniowania zależą od:

-rodzaju promieniowania;

- czasu biologicznego półrozpadu;

- ilości dawki (chorobę popromienna powoduje dawka przekraczająca 0,75Sv);

 - natężenie dawki;

- sposobu ekspozycji (wewnętrznej lub zewnętrznej);

- typu tkanki napromieniowanej (poszczególne tkanki oraz narządy maja różna wrażliwość na promieniowanie);

- aktualnego stanu organizmu;

- czasu pochłaniania (pojedyncza dawka lub kilka o mniejszym natężeniu).

Skażenie wewnętrzne jest znacznie groźniejsze od skażenie zewnętrznego.

Konsekwencje promieniowania możemy podzielić na:

- konsekwencje bezpośrednie, które mają miejsce wówczas, gdy promieniowanie niszczy wiązania cząsteczkowe (kwasy nukleinowe);

- konsekwencje pośrednie, które mogą spowodować radiolizę wody (rozbijanie cząsteczek wody). W wyniku tek reakcji powstają wolne rodniki oraz aktywne jony.

Biologiczne szkodliwe konsekwencje promieniowania możemy podzielić na:

- somatyczne, które są widoczne bezpośrednio u osoby, która uległa napromieniowaniu (choroba popromienna);

- genetyczne, które są dziedziczone w kolejnym pokoleniu.

Biologiczne szkodliwe konsekwencje somatyczne dzielimy na: wczesne oraz późne, stochastyczne oraz niestochastyczne.

Konsekwencje stochastyczne uzależnione są od ilości dawki, lecz stopień ich nasilenia ma inną przyczynę, i nie jest uzależniony od ilości promieniowania (białaczka oraz nowotwory).

Konsekwencje niestochastyczne charakteryzują się tym, że wraz z e wzrostem dawki pochłoniętej rośnie stopień nasilenia.

Maria Curie-Skłodowska umarła w wyniku późnych konsekwencji somatycznych. Pracując nad substancjami radioaktywnymi nie zdawała sobie sprawy ze szkodliwych biologicznych następstw, które mogą wystąpić w późniejszych latach.

Główne zastosowanie promieniowania

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 SA 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).

Izotopy pierwiastków promieniotwórczych są stosowane w metodach diagnostycznych wielu chorób (m.in. diagnostyka rentgenowska). 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 oraz igły radowe są stosowane w leczeniu chorób nowotworowych. W tym przypadku stosuje się naświetlenie, które jest wysyłane przez izotopy Ra, Co, Cs. Dużą popularność zyskuje balneologia, stosowana w uzdrowiskach. Są to kąpiele lecznicze i inhalacje. Stosowany jest w tych zabiegach Rn.

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.

Pierwiastki radioaktywne mogą być stosowane do produkcji bomby atomowej. Dotychczas stosowane bomby wykorzystywały reakcję rozpadu jądra uranu o liczbie masowej 233, ewentualnie plutonu o liczbie masowej 239. W bombach termojądrowych (wodorowych) ma miejsce synteza jąder helu z izotopów litu oraz wodoru. Jako zapalnik stosowana jest bomba jądrowa. Inicjuje ona reakcje termojądrową. Bomby neutronowe emitują ogromne ilości energii pod postacią promieniowania neutronowego. Zabijają one organizmy żywe oszczędzając obiekty materialne.

W elektrowniach jądrowych wytwarzana jest ogromna ilość energii pochodząca z reakcji jądrowych. Reakcje te polegają na rozpadzie promieniotwórczym (239Pu oraz 235U). 34 państwa mogą pochwalić się obecnością na swoim terenie elektrowni jądrowych. Sumarycznie elektrownie te wytwarzają 17% całkowitej ilości energii. W wielu pojazdach stosowana jest energia jądrowa jako napęd (transport wodny). W roku 1954 Stany Zjednoczone zbudowały jako pierwsze zbudowały statek podwodny z napędem atomowym. Elektrownie jądrowe, które są montowane na statkach (lodołamacze) są potencjalnym źródłem ogromnych skażeń środowiska. Ich paliwo stanowią pierwiastki radioaktywne.

Promieniotwórczy izotop węgla 14C jest stosowany w badaniach archeologicznych. Występuje on w środowisku naturalnym w określonej ilości. Ulega asymilacji przez rośliny wspólnie z węglem promieniotwórczym pod postacią dwutlenku węgla. Znaczne jego ilości występują w organizmach ludzkich oraz zwierzęcych na skutek spożywania żywności pochodzenia roślinnego. Izotop ten jest stosowany do określenia wieku szczątków zawierających węgiel (liczne wykopaliska). Wiek ten jest określany na podstawie okresu półrozpadu oraz ilości węgla 14C.

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 oddziaływanie pierwiastków radioaktywnych

A) Uszkodzenia elektrowni jądrowych

Defekty elektrowni jądrowych doprowadzają do awarii. W roku 1986 w Czarnobylu miało miejsce uszkodzenie reaktora jądrowego. W wyniku wybuchu atmosfera ziemska została skażona izotopami promieniotwórczymi (137Cs i 131I). Duża część Europu uległa skażeniu promieniotwórczemu.

B) Gromadzenie szkodliwych odpadów przemysłowych

Taka działalność niesie ze sobą duże niebezpieczeństwo dla środowiska naturalnego. Odpady takie mogą zawierać materiały radioaktywne. Głównym źródłem tych zanieczyszczeń jest hutnictwo. Występujące w hałdach izotopy promieniotwórcze mogą przedostać się do wody oraz powietrza.

C) Organizm ludzki

Pochłanianie dużych ilości promieniowania jonizującego może wywołać nowotwory krwi (białaczkę), chorobę popromienną, chorobę oczu (katarakta). Objawy choroby popromiennej to: mdłości oraz biegunka.

D) Broń masowego rażenia

Rozpad jąder pierwiastków radioaktywnych jest wykorzystywany do produkcji broni masowego rażenia. Podczas wybuchu uwalniana bardzo duża ilość energii. W czasie II wojny światowej nas Nagasaki oraz Hiroszimę została zrzucona bomba atomowa. Wiele osób poniosło śmierć, wiele miało objawy choroby popromiennej. Procesy produkcyjne nad bombami atomowymi oraz otrzymywanie izotopów muszą być kontrolowane przez organizacje międzynarodowe.

  1. Odpady promieniotwórcze

Odpady niosą ze sobą bardzo duże niebezpieczeństwo, gdyż mogą dostać się do środowiska naturalnego.

Nieustannie rozwijająca się cywilizacja, coraz lepszy sprzęt badawczy, nieograniczony dostęp do informacji, coraz większa wiedza naukowców sprawia, że jesteśmy na dobrej drodze do zlikwidowania szkodliwych skutków promieniowania oraz bardziej wydajniej wykorzystywać energię jądrową do dobrych celów.