Wstęp

Radioaktywność jest synonimem słowa promieniotwórczość. To umiejętność emitowania przez pierwiastki promieniotwórcze promieniowania jądrowego w czasie samoistnej przemiany jąder atomowych. W wyniku tego procesu powstają nowe jądra atomowe. Polon, promet, radon, technet, astat oraz pierwiastki ciężkie z 7 okresu Tablicy Mendelejewa wykazują radioaktywność niebezpieczna dla organizmu ludzkiego. Wymienione pierwiastki potrafią emitować cząstek alfa, ale także promieniowanie neutronowe (najbardziej niebezpieczne) oraz protonowe.

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.

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. Pomimo tego, że ta wybitna, a zarazem skromna, badaczka większość czasu spędziła poza granicami kraju, nigdy nie odcinała się od korzeni polskich. Do końca została patriotka i na wiele lat pozostanie w sercach wszystkich Polaków. 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. W tym przypadku zwyciężyła zwykła naukowa ciekawość. 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. Podejrzewał, że pierwiastek ten w istotny sposób może wpływać na organizm ludzki. Jak pokazała przyszłość miał całkowitą rację.

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. Pojęcie to jest niesłychanie ciekawe i absorbujące.

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

  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 promieniowania 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 promieniowania 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.

Wykorzystanie promieniowania

Nauka o radioaktywności stale się rozwija, szczególnie w takich dziedzinach jak biologia, chemia, medycyna, nauka o Ziemi, archeologia, nauka o Wszechświecie. Nowe odkrycia z dziedziny promieniotwórczości są z wielką radością przyjmowane. Każdy zdaje sobie sprawę z pożytecznych aspektów promieniowania. Oczywiście wszystkie nowe odkrycia powinny być wykorzystywane z rozwagą i w dobrej sprawie.

Energia wytwarzana w jądrze atomowym może być wykorzystana w procesie produkcyjnym energii elektrycznej, w procesie datowania.

Czas połowicznego rozpadu izotopów musi być określony. Proces datowania polega na rozpadzie izotopów pierwiastków radioaktywnych wchodzących w skład badanych materiałów.

Izotop węgla o liczbie masowej 14 jest wykorzystywany do datowania materiałów nie starszych niż 50 tysięcy lat. Inne sposoby datowania bazują na mieszance różnych izotopów. Możliwe jest określenie historii Ziemi, egzystujących na nich organizmów żywych oraz panującego klimatu. CO2 składa się z węgla o liczbie masowej 12 oraz z promieniotwórczego węgla (liczba masowa 14).

Czas połowicznego rozpadu węgla o liczbie masowej 14 wynosi 5730 lat. CO2 wchodzi w skład atmosfery, jest wykorzystywany przez wszystkie żyjące organizmy w czasie fotosyntezy, w procesie oddychania. W czasie śmierci organizmu węgiel 14 wchodzący w jego skład nie jest już odnawiany. Im mnie jest węgla o liczbie masowej 14, tym starsza okazuje się próbka pobrana w celu datowania. Izotopy pochodzące z tego samego pierwiastka charakteryzują się takimi samymi właściwościami chemicznymi. Promieniowanie, które jest emitowane przez jądro atomu pierwiastka radioaktywnego umożliwia wykrycie oraz śledzenie ruchu i pomiar stężenia bez jakiekolwiek ingerencji. Znaczniki izotopowe są w stanie śledzić funkcjonowanie każdego organizmu żywego (w tym komórki), ale także cały narząd.

Odkrycie promieniotwórczości w biologii zaowocowało kilkoma wielkimi odkryciami: metabolizm komórek, funkcjonowanie genotypu, fotosynteza, sposób przesyłania informacji chemicznych (hormony), spirala DNA.

Izotopy promieniotwórcze mogą być wykorzystywane w dziedzinie medycyny nuklearnej. W celu zapoznania się z działaniem leku, problemami w funkcjonowaniu serca, pracą mózgu, przerzutami nowotworowymi, promieniowanie jest w stanie zniszczyć chore komórki i w konsekwencji zlikwidować nowotwór. Jest to jedno z najważniejszych zastosowań zastosowania promieniotwórczości.

W Europie zachodniej około 50% przypadków zachorowań na raka jest leczonych radioterapia wraz z zabiegami chirurgicznymi i chemioterapia. Jak widać promieniotwórczość ma niezaprzeczalnie duże zalety. Jest w stanie uratować życie ludzkie. Promieniotwórczość może wyrządzić wiele szkód, ale także niesie ze sobą, o ile jest w odpowiedni sposób wykorzystana, wiele pożytku. Zjawisko radioaktywności jest wykorzystywane w kilku obszarach działalności człowieka.

Podział radioterapii:

- granulki cezu oraz przewody platynowe, które są ulokowane obok komórek raka;

- teleradioterapia, które stosuje promienie emitowane ze źródeł zewnętrznych na komórki nowotworowe;

- immunoradioterapia, która stosuje nośniki oznaczone. Ich zadaniem jest poznanie komórek nowotworowych, przyłączenie się do nich i spowodowanie ich śmierci.

Rozszczepienie jądra atomowego

Rozszczepienie jądra atomowego polega na rozpadzie, pod wpływem zewnętrznego impulsu lub samorzutnie, jądra, na atomy lżejszych pierwiastków oraz neutronów. Powstałe neutrony powodują rozszczepienie następnych jąder, mamy do czynienia z reakcją łańcuchową, w której uwalniają się duże ilości energii.

Reakcja łańcuchowa jest stosowana w elektrowniach jądrowych.  Bombach atomowych występuje zjawisko odwrotne. Najważniejsze jest wyemitowanie jak największej ilości energii.

Neutrony oraz protony połączone są siłami jądrowymi, które są źródłem dużej energii jądrowej, która uwalniana jest w procesie rozszczepienia lub w procesie fuzji.

Energia rozszczepienia to suma mas wszystkich substancji ulegających rozszczepieniu oraz wyemitowanych neutronów. Ma mniejsza masę niż masa jądrowa na początku. Defekt masy (różnica mas) zostaje przekształcony w energię w myśl równania A. Einsteina E=mc2. Przy rozszczepieniu 1kg uranu (liczba masowa 235) uzyskamy taką sama ilość energii, co w wyniku spalania 2,5 tysiąca t węgla.

Gdy dwa lekkie jądra izotopów promieniotwórczych łącza się (fuzja), i gdy w wyniku tego procesu powstaje cięższe jądro, to uwalniane są duże porcje energii. Fuzja zachodzi tylko w wyższej temperaturze 2mln 0C). Jest to reakcja termojądrowa i występuje na Słońcu oraz na gwiazdach. Proces ten ma zastosowanie podczas budowania bomby wodorowej.

W procesie fuzji powstałe jądro charakteryzuje się mniejsza masą niż masa początkowych jąder. Dzięki temu defektowi masy uzyskujemy ogromną energię. Fuzja jąder 1kg deuteru oraz trytu daje tyle samo energii, co proces spalania 10 tysięcy t węgla.

Gdybyśmy byli w stanie kontrolować proces fuzji, to mogłaby być źródłem energii.

Fuzja termojądrowa stała się głównym tematem programu badawczego, który połączył kilka krajów wysokorozwiniętych w jednym celu. Był to program ITER.

Procesy łańcuchowe podczas rozszczepienia izotopu uranu mogą być wykorzystywane w elektrowniach jądrowych, które jak choćby we Francji mogą dostarczać powyżej 75% energii elektrycznej.

W wyniku rozpadu izotopu promieniotwórczego uranu (liczba masowa 235) powstają promieniotwórcze jądra (produkty rozszczepienia). W czasie „łapania neutronów” przez izotop promieniotwórczy uranu (liczba masowa 238) powstają pewne ilości izotopu plutonu (liczba masowa 239), który jest w stanie uzyskać energię w czasie procesu rozszczepienia. Tylko mała ilość paliwa będącego w reaktorze ulega spaleniu w procesie rozszczepienia jądra atomowego. Paliwo, które nie zostało spalone oraz uzyskany pluton mogą być odzyskane i jeszcze raz wykorzystane w celu produkcji energii.

Powstałe w czasie reakcji pierwiastki ulegają obróbce i składowaniu.

Praca w obrębie zachodzenia reakcji wymaga szczególnego zachowania bezpieczeństwa dla ochrony własnego zdrowia oraz prawidłowego funkcjonowania elektrowni jądrowej. Dlatego powinna być przeprowadzana przez wyszkolonych i doświadczonych pracowników. Awaria elektrowni jądrowej w Czarnobylu powinien zaostrzyć kryteria, które są wymagane dla pracowników mających kontaktach i zajmujących się substancjami promieniotwórczymi. Nawet mały błąd, niedopatrzenie, gapiostwo może spowodować tragedie ludzkie.

Odpady promieniotwórcze dzielimy ze względu na czas połowicznego rozpadu oraz poziom aktywności (intensywność promieniowania). Odpady radioaktywne o średniej i niskiej aktywności oraz krótki czasie połowicznego rozpadu, to prawie 90% odpadów promieniotwórczych, które powstają we Francji. Natychmiast ulegają obróbce aby zmniejszyć ich objętość i umieszczane są w betonowych pojemnikach. W ten sposób są odizolowane od promieniowania. Odpady promieniotwórcze o wysokiej aktywności i długim czasie połowicznego rozpadu to prawie 10% wszystkich odpadów promieniotwórczych. Do pełnego rozpadu konieczne są tysiące lat> odpady muszą być poddane nitryfikacji oraz bitumizacji przed ich składowaniem.

 W myśl ustawy z 1991 roku we Francji składowane są odpady w głębokich częściach geologicznych i stale są kontrolowane.

Promieniowanie X (promieniowanie rentgenowskie)

Promieniowanie X (promieniowanie rentgenowskie) odkrył Wilhelm Roentgen w 1885 roku. W roku 1912 Max von Laue stwierdził, że promieniowanie rentgenowskie jest falą elektromagnetyczną, charakteryzujące się małą ilością fali i przeprowadzają proces dyfrakcji na kryształach.

Właściwości promieni X (promieni rentgenowskich):

- powodują jonizacje powietrza;

- powodują zaczernienie kliszy fotograficznej;

- rozchodzą się prostoliniowo;

- ulegają pochłonięciu podczas przechodzenia przez metal;

- powodują fluorescencje, pomimo tego, że jest niewidzialne;

- jest w stanie przeniknąć przez czarny papier, płytki metalowe oraz szkło.

Zdolność pochłaniania promieni rentgenowskich jest uzależniona od:

  1. pierwiastka, który wchodzi w skład substancji absorbującej.
  2. długości fali. Mamy do czynienia z zależnością: promieniowanie jest bardziej przenikliwe, jeżeli mamy do czynienia z krótszą długością fali.
  3. Promieniowanie nie jest uzależnione od budowy chemicznej absorbenta. Sytuacja odwrotna występuje w promieniowaniu widzialnym.

Zastosowanie promieni rentgenowskich:

  1. Zastosowanie promieniowania w przemyśle
  1. konserwowanie produktów spożywczych- zabijanie bakterii, drobnoustrojów;
  2. rentgenodefektoskopia- proces wykrywania nieszczelności urządzeń i skaz.
  1. Zastosowanie promieniowania w medycynie
  1. prześwietlanie różnych organów ludzkich, kości;
  2. metody diagnostyczne;
  3. niszczenie komórek raka, terapia promieniotwórcza.