Wstęp

Od roku 1934 zjawisko promieniotwórczości wśród naukowców zyskało wielka popularność w tym właśnie roku Fryderyk oraz Irena Joliot-Curie przekształcają atomy pierwiastków w atomy o wyższej liczbie porządkowej.

Promieniotwórczość zgodnie z definicja encyklopedyczna to: "Emisja promieniowania jądrowego w wyniku rozpadu promieniotwórczego jąder atomów". Prościej mówiąc jest to energia, która powstaje w wyniku rozpadu atomów pierwiastków promieniotwórczych. Stabilność izotopów jest uzależniona od oddziaływań, które zachodzą w jądrze atomowym. Izotopy niestabilne charakteryzują się liczba atomową większa od 82. Promieniotwórczość dzielimy na:

- promieniotwórczość naturalną;

- promieniotwórczość sztuczna.

Najpopularniejsze, najczęściej stosowane źródła promieniotwórczości to: izotop węgla (niezbędny do badania szczątków organicznych oraz skamieniałości), izotop uranu (stosowany w reaktorach atomowych), izotop kryptonu (bardzo szkodliwy).

Promieniowanie towarzyszy nam przez całe życie. W niniejszej pracy zostanie dokładnie opracowane zjawisko promieniowania, skutki oraz główne źródła. Zostaną także wskazane szkody, jakie powoduje promieniowanie, a także jak wykorzystywać zalety promieniotwórczości.

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. W zimie 1898 roku Maria odkrywa inny pierwiastek promieniotwórczy- rad, który silnie promieniuje, choć jest pierwiastkiem śladowym. Udało się Marii z uranitu wyizolować 0,1 grama idealnie czystego pierwiastka. W ostatnich latach Xix wieku Maria wspólnie z mężem odkrywają elektryczność indukowaną. Na Międzynarodowym Kongresie Fizyków 1900 roku w swoim sprawozdaniu o substancjach promieniotwórczych wzbudza duże zainteresowanie fizyków.

Piotr Curie wykazał, że część promieni emitowanych przez pierwiastek promieniotwórczy (rad) ma ładunek dodatni, część ma ładunek ujemny oraz w ogóle nie jest obdarzona ładunkiem. ładunkiem początkiem XX wieku zjawisko promieniotwórczości zyskało znaczną popularność. W tym czasie odkryto: radiotor, radioołów, mezotor, protaktyn.

Niemiecki badacz Otto Walkhoff stwierdza, ze emitowane przez rad promieniowanie działa destrukcyjnie na tkanki. Stwierdził, że rad jest w stanie emitować:

- cząstki alfa (jądra helu) w 75% i mogą być absorbowane przez ciała stałe oraz powietrze;

- cząstki beta w 20%, które wykazują cechy zbliżone do promieni katodowych, jednak wykazują większą przenikliwość.

- promieniowanie gamma w 5%, które jest w stanie przeniknąć przez 10 centymetrową płytę stalową. Jest to najbardziej szkodliwe promieniowanie, z tych trzech wymienionych. Może spowodować rany na skórze, śmierć bakterii.

Pod wlewem impulsu Piotr Curie poddaje promieniowaniu swoje ramię nie licząc się z niebezpieczeństwem. Po jakimś czasie obserwuje zmiany na skórze oraz bada ich rozwój. Zdziwiony mocą nowo odkrytych promieni rozpoczyna eksperymenty mające na celu zbadać wpływ radu na funkcjonowanie organizmu.

Wraz z lekarzami: prof. Balthazardem oraz prof. Bourchardem Piotr stwierdzają, że rad może spowodować zniszczenie chorych komórek i morze być wykorzystywany w leczeniu raka. Ta metoda (radioterapia) zostaje wprowadzona w lecznictwie i daje zaskakująco dobre wyniki.

H. Becquerel stwierdza, że promieniowanie beta jest strumieniem elektronów.

Soddy oraz Ramsey stwierdzają, że rad emituje pewna ilość gazu (hel). Mamy do czynienia z przemianą atomów.

Kilka lat później okazało się, że atom jest podzielny.

Rutherford oraz Soddy stwierdzają, że w wyniku przemiany uranu może powstać nowy pierwiastek (emitowana jest także cząstka alfa). Rutherford dokonuje następnych odkryć, i stwierdza, że pierwiastki dzięki swojej zdolności promieniowania mogą rozpadać się na inne pierwiastki o mniejszych masach atomowych.

Wspólnie z T. Roydsem Rutherford w 1909 roku odkrywa, że cząstka alfa to jądra helu.

Pięć lat później Rutherford wraz z E.N.Andrade stwierdzili, że promieniowanie gamma ugina się w krysztale. Stwierdzono także, że ten typ promieniowania jest pewnym rodzajem promieniowania elektromagnetycznego. Charakteryzuje się znaczną częstotliwością, a co za tym idzie mniejszą długością fali, niż w przypadku promieniowania rentgenowskiego.

Fryderyk i Irena Joliot-Curie w 1934 roku dokonują przekształcenia atomów z mniejsza liczbą atomową, w atomy z zwiększą liczbą porządkową. W. Heisenberg odkrywa, że jądro atomu zbudowane jest z neutronów i protonów. Gdy atom traci z jądra atomowego proton, wówczas liczba atomowa oraz masowa ulega zmniejszeniu. Gdy atom pozbawiony jest jednej cząstki alfa, wówczas liczba atomowa ule zmniejszeniu o 2, a liczba masowa o 4.

Podczas bombardowania atomu boru, magnezu oraz aluminium cząstkami alfa, Joliot Curie stwierdziła wzrost masy atomu. W przypadku działania cząstkami alfa na atom aluminium (liczba masowa 27), pierwiastek ten ulega przekształceniu w izotop fosforu (liczba masowa 30). W tej reakcji jądro aluminium jest wzbogacone o dwa protony oraz jeden neutron. Izotop fosforu (liczba masowa 30) jest pierwszym pierwiastkiem radioaktywnym wytworzonym sztucznie.

W 1981 roku odkryta została promieniotwórczość protonów. Jądra bardzo ciężkich atomów są atakowane protonami, i w momencie rozszczepienia zmniejsza się ich liczba atomowa.

Czym jest promieniowanie

Najprostsza odpowiedz, która się nasuwa, jest ta, że promieniowanie, to pewien sposób przekazywanie i wysyłania energii na pewna odległość.

Promieniowanie możemy podzielić na dwa rodzaje:

1. Promieniowanie jonizujące

Promieniowanie jonizujące może powstać, gdy niestabilne jądro atomowe emituje nukleony i w procesie tym wydzielana jest energia. Takie właściwości posiadają izotopy o odpowiedniej ilości neutronów w jądrze atomowym. Wszystkie te pierwiastki są zdolne ulec takiemu rozpadowi. Ilość neutronów w jądrze atomowym musi być większa od ilości protonów. Tylko w takim wypadku są możliwe silne oddziaływania jądrowe, po to, aby niemożliwe było oderwanie się nuklidu. W przypadku, gdy ilość neutronów jest inna, to atom zmuszony jest do wyemitowania niepotrzebnych cząstek i energii. Taki proces nazywamy promieniowaniem jonizującym.

Podział promieniowania jonizującego:

  1. Promieniowanie alfa

Promieniowanie alfa to emitowane jądra atomu helu, które składają się z dwóch neutronów oraz dwóch protonów. Promieniowanie alfa może powstać w wyniku rozpadu tylko ciężkich jąder.

  1. Promieniowanie beta

Promieniowanie beta tworzą elektrony ( pozytony lub negatony) powstałe w wyniku rozpadu jądra atomowego. W reakcji, w której neutron ulega przemianie w proton emitowany jest elektron, a przemianę nazywamy beta minus. Liczba atomowa nowego jądra zwiększa się o jeden, w stosunku do liczby atomowej macierzystego jądra.

Jeżeli w jądrze mamy do czynienia z powstaniem nautronu z protonu, to reakcji towarzyszy emisja pozytonu, a przemiana ta to promieniowanie beta plus. Liczba atomowa nowego pierwiastka jest mniejsza od liczby atomowej macierzystego jądra.

Promieniowanie beta może zachodzić w sztucznych jądrach pierwiastków radioaktywnych, które powstają w licznych reakcjach jądrowych, ale także w środowisku naturalnym z izotopu sodu (liczba masowa 22).

  1. Promieniowanie gamma, UV, X

Promieniowania te nie powodują rozpadu jądra, tylko wywołują emitowanie promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowania te charakteryzują się znaczną energią. Mogą temu towarzyszyć emisje cząstek alfa oraz beta.

2. Promieniowanie niejonizujące

W skład promieniowania niejonizującego wchodzi promieniowanie:

- podczerwone;

- radiowe;

- mikrofalowe;

- światło widzialne.

Jednostki fizyczne, które są wykorzystywane w parametrach promieniotwórczych

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.

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 (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).

Wpływ promieniowania jonizującego

Ciekawość Piotra Curie spowodowała, że naukowiec ten przyłożył do swojej ręki substancje radioaktywną i spostrzegł, że warstwa skóry uległa zmianie. Powstała w wyniku tego eksperymentu rana goiła się bardzo długo. Przeprowadzone doświadczenie dało impuls innym naukowcom do zajęcia się zjawiskiem promieniotwórczości, i jego wpływem na organizmy żywe. Wpływ ten może być pozytywny lub negatywny. Promieniowanie jonizujące w istotnym stopniu uzależnione jest od rodzaju i energii promieniowania.

Wyróżniamy promieniowanie alfa, gamma, beta, promieniowanie X oraz neutronowe.

Promieniowanie negatywne prowadzi do licznych zmian w budowie genów, prowadzących do niekorzystnych mutacji, ale także promieniowanie szkodzi w prawidłowym funkcjonowaniu organizmu, przeszkadza w pracy układowi immunologicznemu, może także spowodować choroby nowotworowe (najczęściej białaczkę-nowotwór krwi). Promieniowanie może także być w pozytywny sposób wykorzystane do diagnostyki medycznej, w leczeniu nowotworów, ale także w branży przemysłowej (niewyczerpalne źródło energii).

Należy zachować szczególna ostrożność w pracy z substancjami promieniotwórczymi, gdyż nawet bardzo małe ilości mogą spowodować skutki śmiertelne. Skażenie pierwiastkami radioaktywnymi jest w stanie utrzymać się przez wiele lat (prace Marii Curie- Skłodowskiej są nadal skażone substancjami radioaktywnymi pomimo upływu stu lat.

Skutki promieniowania mogą być różnorakie. W dużej mierze zależą od ilości pochłoniętej dawki przez organizm człowieka, ale także od czasu i odległości przebywania w otoczeniu substancji radioaktywnej.

W tabelce przedstawiono części ciała, które są narażone na szkodliwą działalność pierwiastków radioaktywnych pochodzące ze źródła sztucznego (wybuchy jądrowe, reakcje jądrowe zachodzące w reaktorach, odpady promieniotwórcze, uszkodzenia reaktorów).

Część ciała

Izotop promieniotwórczy

Tarczyca

131I

Wątroba

60Co

Kości

226Ra, 90Sr, 14C, 32P

Mięśnie

40K, 137Cs

Płuca

233U, 222Ra, 85Kr, 239Pu

Izotopy radioaktywne są wykorzystywane w medycynie w celach diagnostycznych, w zwalczaniu nowotworów, w naświetlaniu promieniowaniem, które wysyłane jest przez izotopy kobaltu, radu oraz cezu, przy użyciu bomby kobaltowej lub igły radowej.

Aktualnie jesteśmy w stanie określić wiek skał, Ziemi, minerałów, na podstawie zawartości toru lub uranu, w badanych substancjach. Bierzemy pod uwagę stosunek ilości końcowych lub pośrednich produktów rozpadu radioaktywnego. Izotop radioaktywny węgla (liczba masowa 14) jest wykorzystywany w oznaczeniu wieku szczątków organicznych, wykopalisk archeologicznych oraz różnych zabytków.

Izotopy radioaktywne mogą także służyć do wyznaczenia przebiegu podziemnych strumyków, cieków wodnych oraz pęknięć występujących w rurociągach. Jesteśmy także w stanie skontrolować szczelność kadłubów w statkach oraz dostrzec ewentualne wady konstrukcyjne.

W wyniku reakcji promieniotwórczych z jąder emitowane są duże ilości energii, dzięki temu jesteśmy w stanie produkować energię elektryczną w elektrowniach jądrowych. Duży rozgłos zyskała katastrofa elektrowni atomowej w 1986 roku w Czarnobylu (Ukraina). W tym przypadku zawinił człowiek. W wyniku jego błędu do atmosfery dostały się bardzo duże ilości substancji radioaktywnych. Spowodowało to skażenie całej Europy. Po tej tragedii w społeczeństwie narosła niechęć w stosunku do planu budowy innych elektrowni jądrowych.

Podczas II wojny światowej substancje radioaktywne były wykorzystywane w produkcji bomby atomowej. Siła rażenia takiej bomby była około 1mln razy silniejsza od znanych dotychczas. W 1945 roku amerykanie zrzucili bomby atomowe na dwa miasta japońskie: Nagasaki oraz Hiroszimę. Bomba spowodowała śmierć ogromnej ilości ludzi, wiele osób zostało rannych oraz zachorowało po kilku latach na chorobę popromienną. Po wojnie były przeprowadzone próby nuklearne, które spowodowały skażenie terenu, śmierć zwierząt oraz roślin. Pewne gatunki roślin i zwierzą t znacząco odbiegały pod względem wyglądu od organizmów macierzystych, były to tzw. mutanty.

Negatywne skutki wybuchów jądrowych dosięgły także, dopiero co narodzone dzieci, które przyszły na świat z wadami genetycznymi.

Aktualnie broń nuklearna jest w posiadaniu wielu państw (np. Pekistan, Indie). Zagrożenie tych bomb jest dosyć duże, gdyż wiele z tych państwa żyje we wzajemnym konflikcie. Próby nuklearne są nadal przeprowadzane, pomimo protestów różnych organizacji oraz ogólnej dezaprobaty społeczeństwa.

Energia jądrowa, w wyniku postępu cywilizacyjnego, jest także wykorzystywana w dobrych celach.

Zastosowanie izotopów radioaktywnych

  1. Reakcja syntezy termojądrowej.
  2. Oznaczanie wieków szczątków organicznych, minerałów, wykopalisk archeologicznych, skał.
  3. Energia jądrowa oraz reaktory termojądrowe.
  4. Bomby atomowe oraz bron termojądrowa.
  5. Metody diagnostyczne oraz radioterapia.
  6. Kontrolowanie elementów konstrukcyjnych.

Poziom radiacyjny

Poziom radiacyjny w środowisku naturalnym uzależniony jest od następujących wielkości podstawowych:

- poziomu promieniowania g, które przedstawia możliwe zewnętrzne szkody ludzi, wynikające ze sztucznych oraz naturalnych źródeł promieniowania, a występujących w przyrodzie lub uzyskanych sztucznie z ingerencją człowieka;

- ilość sztucznych oraz naturalnych izotopów pierwiastków radioaktywnych w produktach spożywczych, przedstawia możliwe szkody wewnątrz organizmu człowieka, powstałe przez wchłanianie izotopów promieniotwórczych przez układ pokarmowy.

Średnia ilość tła promieniowania g na ziemi polskiej w roku 1996 wynosiła 47,4nGy/h. Bardzo zbliżone wartości były w latach 1990-1995 oraz w czasie przed wybuchem elektrowni jądrowej w Czarnobylu. Niższe wartości promieniowania występują w północnych rejonach kraju. Ma to związek z czynnikami geologicznymi.