W wyniku promieniotwórczości, czyli samorzutnego rozpadu jąder mamy do czynienia z emitowaniem cząstek alfa, beta oraz promieniowaniem gamma.

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

Promieniowanie elektromagnetyczne mogące przeniknąć ciało stałe odkrył w 1895r. W. Roentgen. Naukowiec ten był bardzo zaskoczony odkryciem, i nowie promieniowanie nazwał promieniami X.

H. Becquerel w 1896r. podczas badania uranu dostrzegł, że klisza fotograficzna leżąca obok tego pierwiastka uległa ściemnieniu, choć nie miała dostępu do promieni słonecznych. Francuski fizyk doszedł do wniosku, że uran jest w stanie wysyłać promieniowanie. Ogłosił, że pierwiastek ten w stanie metalicznym może być źródłem promieniowania.

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.

Główne źródła promieniowania

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.

Promieniotwórczość dzielimy na:

- promieniotwórczość naturalna, która następuje w czasie przemian jądrowych izotopów radioaktywnych występujących w środowisku naturalnym;

- promieniotwórczość sztuczna, która zachodzi w jądrach atomów pierwiastków radioaktywnych otrzymywanych sztucznie. Ma miejsce bombardowanie cząstkami alfa oraz beta jąder stabilnych pierwiastków.

Źródła promieniowania naturalnego (promieniowanie tła):

- promieniowanie ziemskie, które ma miejsce, w wyniku występowania w skorupie ziemskiej izotopów pierwiastków promieniotwórczych;

- promieniowanie kosmiczne, o którym po raz pierwszy dowiedziano się w roku 1912. Jest to strumień protonów, jąder innych pierwiastków oraz cząstek, których w dalekiej przestrzeni kosmosu dobiega do zewnętrznych warstwy atmosfery. Dochodzi do zderzenia cząstek występujących w atmosferze z cząsteczkami dobiegającymi z kosmosu. Powstają kaskady elektronów, protonów, neutronów oraz neutrin. Uzyskiwane są w ten sposób izotopy promieniotwórcze o dużym znaczeniu biologicznym (22Na, 7Be, 14C);

- promieniowanie pochodzące z budynków, które wynika z użycia złych materiałów budowlanych (granit). Do materiałów budowlanych dodajemy żużel oraz popiół z pieców, które zawierają pewne ilości promieniotwórczego węgla;

- radon, który gromadzi się w nieprzewietrzanych budynkach. Wydziela się z gleby. Z tego źródła uzyskujemy dużą dawkę promieniowania, dlatego zalecane jest wietrzenie pomieszczeń;

- radon zawarty w powietrzu, który może być emitowany z wód mineralnych;

- radionuklidy, które występują w organizmie ludzkim (226Ra, 40K, 218Po).

Źródła promieniowania sztucznego:

- radioterapia;

- podróże samolotami (promieniowanie kosmiczne);

- metody diagnostyczne (prześwietlania rentgenowskie);

- odbiorniki telewizyjne (promieniowanie pochodzące z kineskopu);

- niebezpieczne zawody (pracownicy naukowi mający do czynienia z aparatami rentgenowskimi);

- gaz ziemny stosowany w gospodarstwie domowym;

- wyroby tytoniowe, które zawierają izotopy promieniotwórcze (210Pb, 210Po). Substancje te mogą powodować nowotwór płuc. Są dostarczane do organizmu podczas palenia wspólnie z dymem;

- szkodliwe zanieczyszczenia emitowane z elektrowni jądrowych.

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.

Wraz z odkryciem zjawiska promieniotwórczości możliwe stało się przemienienie jednego pierwiastka w inny. Wielu badaczy, pod wpływem tego odkrycia, zajęło się badaniami mającymi na celu bombardowanie cząstkami jądrowymi wszystkich znanych pierwiastków.

Większość pierwiastków jest w stanie tworzyć izotopy promieniotwórcze. Ilość sztucznych źródeł jest większa niż tysiąc i rośnie nieustannie.

Podstawowe typy rozpadu promieniotwórczego to: cząstki alfa (jądra helu), cząstki beta (elektrony) oraz promieniowanie gamma. Wszystkie te typy były już znane na początku XX wieku.

W roku 1940 Pietrzak oraz Flerow odkryli reakcje samorzutnego rozszczepienia jąder atomów uranu. W wyniku tej reakcji ma miejsce emisja elektronów, neutronów oraz kwantów gamma.

Kilka lat później odkryto reakcje emitowania neutronów opóźnionych, która ma miejsce po rozszczepieniu. Zachodzi w produktach rozpadu jądra uranu.

W 1962r. odkryto promieniotwórczość protonową, która polegała na emisji protonu przez wzbudzone jądro atomu, które pochłonęło energię zewnętrznego źródła.

Inne rodzaje rozpadu jądra atomowego to: przemiany izomeryczne, emitowanie opóźnionych protonów, wychwyt K, rozpad pozytonami.

Szeregi promieniotwórcze

Szeregiem promieniotwórczym nazywamy układ pierwiastków powstających samorzutnie jeden po drugim, na skutek rozpadu radioaktywnego. Szereg promieniotwórczy nazywany jest często rodzina promieniotwórczą. Możemy wyróżnić cztery szeregi promieniotwórcze. W skład tych szeregów wchodzą wszystkie poznane pierwiastki radioaktywne. Pierwszy szereg rozpoczyna uran o liczbie masowej 238, a kończy ołów o liczbie masowej 206. Drugi szereg rozpoczyna tor (liczba masowa 232), a kończy ołów o liczbie masowej 208. trzeci szereg rozpoczyna aktyn o liczbie masowej 235, i kończy się ołowiem o liczbie masowej 237. Czwarty szereg promieniotwórczy rozpoczyna 241Pu- pierwiastek transuranowy, który ulega przekształceniu w 235U. Szereg kończy się na izotopie talu (liczba masowa 205).

Soddy oraz Rutherford doszli do wniosku, że promieniowanie może zachodzić tylko w nietrwałych jądrach atomowych, które ulegają rozszczepieniu. Przy emitowaniu cząstek alfa (jądra helu) lub cząstek beta (elektronów) ulegają izotopy promieniotwórcze przekształceniu w jądra atomów charakteryzujących się niższą masa atomową.

W wyniku kilku rozpadów promieniotwórczych mających miejsce jeden po drugim otrzymujemy jądra stabilne.

Przykładowa reakcja rozszczepienia jądra atomowego: Rad o liczbie masowej 226 ulega przekształceniu w radon (liczba masowa 222) oraz emitowana jest cząstka alfa (cztery jednostki masy i dwa ładunki dodatnie). W wyniku tej reakcji otrzymujemy dwa różne pierwiastki (radon oraz hel). Relacja rozpadu promieniotwórczego ma dalszy ciąg. 222Ra ulega przekształceniu w 218Po oraz emitowana jest cząstka alfa. Powstający pierwiastek także ulega rozszczepieniu promieniotwórczemu. Na samym końcu otrzymujemy izotop ołowiu o liczbie masowej 206, który nie ulega już rozpadowi radioaktywnemu.

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.

Zastosowanie promieniowania

  1. Medycyna

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.

  1. Kontrolowanie stanu technicznego urządzeń przemysłowych

Izotop kobaltu (liczba masowa 60) oraz cezu (liczba masowa 137) są wykorzystywane w tym celu. Dzięki nim jesteśmy w stanie wykryć określone wady urządzeń stosowanych w przemyśle, nawet w bardzo niesprzyjających warunkach.

  1. Technika

Izotopy promieniotwórcze mogą być stosowane w badaniach grubości substancji, znajdowania wad technicznych (kadłuby statków, rurociągi, budynki). Izotopy te są zdolne do wykrywania cieków wodnych oraz podziemnych strumyczków. Wykorzystujemy je także w czujnikach przeciwpożarowych (czujniki dymu), w procesie sterylizacji żywności, sprzętu laboratoryjnego, medycznego oraz różnego rodzaju opakowań.

  1. Elektrownie jądrowe

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.

5. Farmaceutyka jądrowa

Ten dział farmaceutyki odpowiada za przygotowanie oraz kontrolę radioaktywnych substancji zawartych w lekach. Stosowane są także metody analityczne do kontrolowania innych (w których nie ma składników promieniotwórczych) leków.

  1. Chemia

Promieniotwórczość jest wykorzystywana w chemii w doświadczeniach mających na celu ustalenie mechanizmu reakcji chemicznych. Oznakowane atomy są monitorowane od stanu substratu do stanu produktu (reakcja H2O2, estryfikacji).

  1. Sterylizacja produktów spożywczych

Izotopy promieniotwórcze kobaltu są wykorzystywane do tego typu procesów.

  1. Instytuty badawcze

W tego typu instytutach prowadzone są projekty mające na celu ustalenie metod wykorzystujących pierwiastki promieniotwórcze w różnych gałęziach przemysłu. Przykładowe zastosowania: modyfikacja promieniotwórcza półprzewodników, metoda uszlachetniania folii w opakowaniach, technologia wyrobów termokurczliwych.

  1. Przemysł militarny

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.

  1. Archeologia

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.

Okres półrozpadu, to okres w którym 0,5 pierwiastka promieniotwórczego ulega rozszczepieniu, przy jednoczesnym zmniejszeniu o połowę ilości promieniowania.

Szkodliwe oddziaływanie pierwiastków radioaktywnych

1. 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.

2. 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.

3. Organizm ludzki

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

4. 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.

W tabelce przedstawiono niekorzystny wpływ pierwiastków radioaktywnych na poszczególne narządy w organizmie człowieka.

Narząd

Pierwiastek radioaktywny

mięśnie

40K, 137Cs

wątroba

60Co

tarczyca

131I

płuca

222Ra, 85Kr, 239Pu, 233U

kości

14C, 90Sr, 226Ra, 90Sr

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.

Skrót zawartości tekstu:

  1. Promieniotwórczość to proces samorzutnego rozpadu jąder.
  1. W czasie rozpadu mamy do czynienia z emitowaniem cząstek alfa, beta oraz promieniowaniem gamma.
  1. Na radioaktywność pierwiastków nie ma wpływu: pole magnetyczne, temperatura, stan skupienia substancji promieniotwórczej.
  1. Promieniotwórczość dzielimy na: promieniotwórczość naturalną, która następuje w czasie przemian jądrowych izotopów promieniotwórczych występujących w środowisku naturalnym oraz promieniotwórczość sztuczną, która zachodzi w jądrach atomów pierwiastków radioaktywnych otrzymywanych sztucznie. Ma miejsce bombardowanie cząstkami alfa oraz beta jąder stabilnych pierwiastków.
  2. Sposoby zastosowania promieniowania:
  1. kontrolowanie stanu technicznego urządzeń przemysłowych;
  2. medycyna;
  3. archeologia;
  4. przemysł militarny;
  5. chemia;
  6. instytuty badawcze;
  7. Sterylizacja produktów spożywczych;
  8. farmaceutyka jądrowa;
  9. elektrownie jądrowe;
  10. technika.
  1. Szkodliwe oddziaływanie pierwiastków radioaktywnych:

a) uszkodzenia elektrowni jądrowych;

b) gromadzenie szkodliwych odpadów przemysłowych;

c) organizm ludzki;

d) broń masowego rażenia;

e) odpady promieniotwórcze.