Radioaktywność

Historia

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.

Rodzaje promieniowania

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.

Główne źródła tego typu promieniowania to:

- przestrzeń kosmiczna;

- źródła ziemskie (pierwiastki radioaktywne)

Częstotliwość promieniowania naturalnego na Ziemi w skali rocznej ma wartość od kilku dziesięciu do stu kilkudziesięciu mm. Po odpowiednim przeliczeniu otrzymamy wartość około 7 remów wciągu życia ludzkiego. Stężenie promieniowania naturalnego jest uzależnione od wysokości, szerokości geograficznej oraz składu podłoża.

Obok naturalnych źródeł promieniowania jonizującego występują także sztuczne źródła, które są stosowane w różnych gałęziach przemysłu oraz medycyny.

Źródła sztuczne dzielimy na:

1. Aparatura rentgenowska, ewentualnie inne urządzenie działające w podobny sposób. W tego typu aparaturach promieniowanie rentgenowskie uzyskiwane jest w procesie hamowania na elektrodach metalowych, ewentualnie na ekranach szklanych, strumienia elektronów. Elektrony rozpędzane są wcześniej w polu elektrycznym. Zjawisko to ma miejsce w komorze próżniowej. Do aparatury rentgenowskiej należą: lampy rentgenowskie, prostowniki próżniowe, akceleratory, kineskopy telewizyjne oraz betatrony.

2. Izotopy promieniotwórcze, które są atomami pierwiastków chemicznych posiadających taka sama ilość protonów, ale inna liczbę neutronów w jądrze atomu. Izotopy danego pierwiastka różnią się masą atomową, ale posiadają identyczne właściwości chemiczne. Izotopy radioaktywne charakteryzuje właściwość wysyłania promieniowania.

Właściwości izotopów

Izotopy tego samego pierwiastka charakteryzują się takimi samymi właściwościami chemicznymi. Jesteśmy w stanie rozróżnić przy pomocy właściwości fizycznych. Pewna część izotopów charakteryzuje się promieniotwórczością, dlatego przy pomocy ich intensywności jesteśmy w stanie je odkryć i scharakteryzować ilościowo. Innym sposobem jest porównanie masy atomowej. Izotopy mogą się różnic liczbą neutronów w jądrze. W przypadku azotu możemy mieć do czynienia z ¹⁵N (azot ciężki) oraz zwykły azot- ¹⁴N. W przypadku wodoru mamy do czynienia z ²H (deuter, wodór ciężki) oraz ze zwykłym wodorem-¹H.

Różnice te możemy wykryć stosując spektrometr masowy.

W medycynie, biologii, farmaceutyce stosowane są w celach badawczych znakowane izotopami substancje. W miejsce węgla ¹²C wprowadzany jest węgiel promieniotwórczy ¹¹C, ewentualnie ¹⁴C lub węgiel ciężki ¹³C. W taki sposób oznaczona substancja jest wstrzykiwana poddawanej badaniu roślinie lub zwierzęciu. Jesteśmy w stanie wyhodować w tym celu odpowiednie komórki. Dzięki temu jesteśmy w stanie dokładnie monitorować krok po kroku kolejne procesy, którym ulega oznakowana substancja.

Promieniotwórczy izotop wapnia ⁴⁵Ca jest w stanie określić szybkość kształtowania się substancji kostnej i wpływ witaminy D na ten proces oraz hormony wydzielane z gruczołów przytarczycznych. Dzięki zastosowaniu tej metody jesteśmy w stanie rozwikłać wiele tajemnic, które kryje biologia.

Sposoby uzyskiwania izotopów promieniotwórczych

Określony atom umieszczony jest w reaktorze atomowym, między dwoma izotopami promieniotwórczymi (np. uranu). Następnie należy kontrolować strumień promieniotwórczy przepływający przez badany atom za pomocą odpowiedniej aparatury.

Zastosowanie sztucznych izotopów

A)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. Ziszczeniu ulega nadmiar tkanki. Umożliwia to kobietom bezpieczny poród. W medycynie izotopy promieniotwórcze maja szerokie zastosowanie.

B)Sprzęt medyczny, laboratoryjny oraz żywność jesteśmy w stanie sterylizować dzięki napromieniowaniu. Radioaktywność może zabić organizmy żywe. Dawka promieniowania powinna nie powinna być za duża, gdyż może zaszkodzić ludziom. Zarówno sprzęt medyczny jak i warzywa i owoce powinny być napromieniowane minimalna dawka.

Rodzaje promieniowania

1. Promieniowanie alfa

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. W wyniku emitowania cząstki alfa jądro atomowe traci 4 nukleony. Energia kinetyczna cząstek alfa ma wartość 3-10MeV. Energia ta tracona jest w wyniku jonizacji atomów danego ośrodka przenikanego. Zasięg tego promieniowania jest uzależniony od energii cząstek, ale także od danego rodzaju ośrodka. Średni zasięg wynosi do kilkunastu mg/cm². Promieniowanie alfa możemy zatrzymać cienka kartka papieru.

2. Promieniowanie beta

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. Wraz z ta reakcją ma miejsce emisja antyneutrino. W wyniku tej przemiany powstały pierwiastek ma taką samą liczbę masową, ale inna liczbą atomową. Liczba atomowa jest większa o 1. W przypadku emisji cząstki ze znakiem plus mamy do czynienia z przemiana protonu w neutron. W wyniku tej reakcji emitowany jest neutrino. Powstały w skutek tej reakcji pierwiastek charakteryzuje się taką samą liczbą masową, ale inna liczbą atomową. Liczba atomowa zmniejsza się o 1. Cząstki w wyniku przemiany beta trącą energię kinetyczną z powodu jonizacji oraz na skutek hamowania jąder w polu elektrostatycznym. Promieniowanie beta możemy zatrzymać blacha aluminiową.

3. Promieniowanie gamma

Promieniowanie gamma jest rodzajem promieniowania elektromagnetycznego powodującego emitowanie przez jądra wzbudzone atomów radioaktywnych. Promieniowanie gamma nie jest promieniowaniem cząstkowym jak w przypadku promieniowania alfa lub beta, jednakże zasięg tego promieniowania jest znacznie większy. W wyniku promieniowania gamma kwanty, które przenikają badany ośrodek zmniejszają swoja energie w wyniku takich zjawisk jak: Comptona, fotoelektryczne, tworzenia par, a także w wyniku tworzenia par. Promieniowanie gammy możemy zatrzymać tylko bardzo gruba płyta z ołowiu.

4. Promieniowanie rentgenowskie

Promieniowanie rentgenowskie jest także promieniowaniem elektrostatycznym i powstaje wskutek hamowania strumienia elektronów przez jądra atomów substancji radioaktywnych. 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.

5. Promieniowanie neutronowe

Promieniowanie neutronowe jest uzyskiwane w wyniku rozszczepienia jąder atomowych pochodzących od ciężkich pierwiastków radioaktywnych (uran) oraz pierwiastków transuranowych. Dla przypomnienia: ładunek neutronowy wynosi 0, zaś jego masa ma wartość g.

6. Inne typy promieniowania: protony, fragmenty powstałe z rozszczepienia jądra atomowego. Te typy promieniowania rzadko są źródłem zagrożenia radiacyjnego. Powstają w skutek bardzo skomplikowanych reakcji zachodzących w jądrach atomowych.

Okres połowicznego rozpadu

Okresem półrozpadu nazywamy okres, w którym 0,5 pierwotnej ilości jąder podlega rozpadowi promieniotwórczemu. Okres ten uzależniony jest od masy badanej próbki oraz także od typu badanego nuklidu. Okres półrozpadu jest cecha charakterystyczną każdego izotopu. Dzięki temu pojęciu jesteśmy w stanie oszacować wiek badanej substancji.

Reakcje łańcuchowe

W wyniku rozszczepienia jądra atomowego mogą powstać dwa różne jądra, a gdy to rozszczepienie jest spowodowane neutronem, to powstają dwa nowe neutrony. Neutrony wtórne są w stanie rozszczepić inne jądra atomowe. W wyniku tego rozpadu promieniotwórczego powstają nowe jądra danego atomu, a także nowe neutrony. Ten typ reakcji nazywamy reakcja łańcuchową. Reakcje łańcuchowe mogą zachodzić w reaktorze jądrowym. Występują tam zarówno substancje ulegające rozszczepieniu, jak i nieulegające rozszczepieniu.

Szeregi promieniotwórcze

Szereg promieniotwórczy jest to układ pierwiastków radioaktywnych tworzących rodzinę promieniotwórczą. Każdy nowy pierwiastek powstaje w wyniku rozpadu promieniotwórczego jądra atomowego pierwiastka macierzystego. Możemy wyróżnić 3 naturalne szeregi promieniotwórcze:

1. Szereg uranowy;
2. Szereg aktynowy;
3. Szereg torowy.

Występuje jeden szereg sztuczny: szereg neptunowi. Cechą charakterystyczna szeregów promieniotwórczych jest to, że zawsze rozpoczyna je nuklid, którego czas połowicznego rozpadu jest bardzo długi. W przypadku szeregów naturalnych mamy do czynienia z izotopem ołowiu (liczba masowa 206, 207, 208). W przypadku szeregu sztucznego (neptunowi) pierwiastkiem tym jest bizmut o liczbie masowej 209.

Wpływ promieniowania

Wszystkie żywe organizmy na Ziemi są zagrożone promieniowaniem jonizującym pod wpływem promieniowania w organizmie ludzkim (tkanka żywa) zachodzą zmiany. Są one uzależnione od rodzaju, natężenia, ale także od dawki energii, rodzaju tkanki, na która działają. Promieniowanie działając na żywe tkanki wywołuje jonizacje atomów oraz zmiany procesów biologicznych zachodzących w komórkach. Czasami te zmiany są bardzo poważne, i jak w przypadku DNA i chromosomów mogą być zauważalne po pewnym okresie po napromieniowaniu. Do chorób, które mogą ujawniać się w późniejszym czasie nalezą:

- choroby nowotworowe skóry;

- białaczka (uszkodzony szpik kostny);

- choroby układu pokarmowego;

- choroby kości;

- zaćma.

Generalnie są to zmiany somatyczne, ale także występują zmiany genetyczne, które są dziedziczone przez następne pokolenia. Promieniowanie jądrowe może być stosowane terapii zwalczającej raka. Źródło promieniowania jądrowego może być na zewnątrz organizmu lub wewnątrz organizmu. Drugie rodzaj źródła jest bardziej szkodliwe. Najbardziej popularną ścieżka dostania się pierwiastków promieniotwórczych do organizmu człowieka jest: układ pokarmowy, oddechowy oraz skóra człowieka. Promieniowanie zewnętrzne nie jest tak groźne jak wewnętrzne. Może być usunięte przez dokładne umycie ciała. Konsekwencje promieniowania w dużym stopniu zależą od dawki promieniowania (czas ekspozycji, rodzaj oraz natężenie promieniowania). Dawki w stosunku do człowieka uzależnione są od aktualnego stanu zdrowia, wieku oraz organu, który uległ napromieniowaniu. Dawka 4 siwertów może spowodować śmierć połowy przypadków napromieniowania.

Ostatnimi czasy zajęto się badaniem skutków działania promieniowania elektromagnetycznego, nieulegającego jonizacji, ale promieniowania o bardzo wysokiej częstotliwości. Wpływ tego promieniowania na życie organizmów nie jest jeszcze dobrze zdanie. Nie kwestionuje się jednak, że powoduje zanieczyszczenie środowiska. Ten typ promieniowania może powstać w skutek urządzeń elektrycznych wykorzystywanych w domu (lodówka, pralka, żelazko, telewizor, kuchenka mikrofalowa, radio, komputer), pracy, ale także w wykorzystywanych w badaniach diagnostycznych oraz zabiegach fizykoterapeutycznych oraz w stacjach nadawczych, urządzeniach telekomunikacyjnych, energetycznych, radionawigacyjnych i radiolokacyjnych. Niekorzystny wpływ tego typu promieniowania. Ujawnia się: bólami głowy, udarem cieplnym, zmiany biologicznymi (zmiana własności koloidalnych w odpowiednich tkankach), może spowodować także śmierć termiczną.

Bardzo niekorzystne działanie na środowisko naturalne mają wszelkiego rodzaju linie energetyczne, obok których powstają niebezpieczne dla organizmu ludzkie napięcia i prądy. Powstałe z silnego źródła niebezpieczne pole magnetyczne jest w stanie zmienić warunki życia człowieka. Wpływa także niekorzystnie na wiele procesów zachodzących w organizmie człowieka. Zmianie ulegają zadania układu krwionośnego, ale także narządach wzroku oraz słuchu. Dlatego trzeba zachować szczególna ostrożność przy obsłudze sprzętu, który emituje ten rodzaj promieniowania.

Objawami szkodliwego wpływu tego promieniowania jest: pieczenie oczu, częste bóle głowy, łzawienie, sucha skóra, arytmia serca, wypadanie włosów, nadmierna wrażliwość, uszkodzenie błędnika.

Wymienione objawy nazywamy chorobą radiofalową, ewentualnie choroba mikrofalowa.

Skutki biologiczne promieniowania elektromagnetycznego nie mogą być wykryte przy pomocy ludzkich zmysłów. Mogą objawić się po upływie wielu lat, gdyż zaraz po napromieniowaniu nie są odczuwalne. W dzisiejszych czasach wszyscy jesteśmy narażeni na promieniowanie elektromagnetyczne wywodzące się ze źródła sztucznego. Poziom tego promieniowania zależy w dużym stopniu od uprzemysłowienia. Określonego terenu, liczby odbiorników, portów morskich, ilości lotnisk, stacji nadawczych oraz od ilości sieci energetycznych. Promieniowanie elektromagnetyczne ma także destrukcyjny wpływ na życie zwierząt oraz roślin. Powoduje zahamowanie wzrostu, liczne zmiany zewnętrzne, a u zwierząt powoduje dysfunkcje w układzie krążenia, układzie nerwowym, ogólne osłabienie, spadek płodności oraz zaburzenie wzrostu.

Wszyscy ludzie na Ziemi w przeciągu roku są narażeni na dawkę 2,4mSv (naturalne tło promieniowania elektromagnetycznego). Dopuszczalna dawka wynosi 3mSv. Polska do roku do roku 1986 zanotowała średnio na rok dawkę 2 mSv. Liczne eksplozje jądrowe, które były przeprowadzone przez państwa pretendujące do miana mocarstw globalnych, wprowadziły do atmosfery ziemskiej duże ilości pierwiastków promieniotwórczych. W latach 1962-1963 liczba wybuchów jądrowych osiągnęła apogeum. W Polsce w skali roku skażenie całkowitym opadem miało wartość 40kBq/m², zaś skażenie powietrza wynosiło 110mBq/m³. w późniejszych latach najgroźniejsza była awaria reaktora na Ukrainie. Od tego czasu wszyscy kojarzą nazwę Czarnobyl ze skażeniem promieniotwórczym wywołanym awaria elektrowni jądrowej. Od tamtego wybuchu, które miało miejsce w 1986 roku do atmosfery został uwolniony Cs (liczba masowa 137), I (liczba masowa 131) oraz Sr o liczbie masowej 90. Sumaryczna aktywność pierwiastków promieniotwórczych miała wartość 2mld GB. To wywołało wiele zniszczeń, wiele osób zginęło, w późniejszych latach wiele dzieci miało objawy choroby popromiennej. W Polsce po awarii skażenie powietrza wynosiło 100kBq/ m³. Natomiast skażenie wód powierzchniowych wynosiło 10Bq/dm³. 25% całej powierzchni Polski uległo silnemu skażeniu. Oczywiście największe skażenie było na terenach najbliżej położonych Ukrainy, czyli były to obszary północno i południowo wschodnie. Skutki tej tragedii były odczuwalne przez wiele lat i miały różnorodny charakter. Skażenie jodem nie było aż tak groźne, gdyż szybko jego szkodliwe działanie szybko ustąpiło, ponieważ pierwiastek ten ma krótki okres połowicznego rozpadu. Okres półrozpadu strontu oraz cezu jest znacznie dłuższy i wynosi około 30 lat. Stront jest składnikiem kości. Gdy dostanie się do organizmu szkodzi wszystkim zdrowym komórka krwi. Emituje promienie beta i powoduje bardzo szkodliwe zmiany nowotworowe, które maja miejsce w tkance kostnej oraz szpiku kostnym (rak kości). Cez ma podobne właściwości chemiczne co potas. Jest łatwo dostarczany do organizmu. Może być spożywany wraz z warzywami, mięsem oraz mlekiem. Nie kumuluje się w organizmie i szybko może być usuwany. Emitowane promieniowanie może spowodować nieodwracalne zmiany genetyczne w gonadach. Eksplozja w Czarnobylu zahamowała budowę elektrowni jądrowych w Polsce (Żarnowiec i Klempicz).