Promieniotwórczość

Początki badań promieniotwórczości.

Zjawisko promieniotwórczości po raz pierwszy zostało zaobserwowane ponad 100 lat. Wielkiego odkrycia, które zapoczątkowało dalsze badania fizyków i chemików, dokonał francuski uczony Henri Becquerel. 23 listopada 1896 roku wyjął on z szuflady kawałek rudy uranowej, którą przechowywał zawiniętą w kliszę fotograficzną od ponad pół roku. Okazało się, iż na kliszy pojawiły się charakterystyczne ślady. Uznał, że ruda wykazuje nową, dotąd nie znaną cechę, którą nazwał promieniotwórczością. Promienie te oddziaływały również na gazy. Pod ich wpływem wykazywały zdolność do przewodzenia elektryczności. O tych zjawiskach Becquerel niezwłocznie powiadomił Akademię Nauk, która żywo zainteresowała się jego odkryciem.

Nowo odkryte zjawisko promieniotwórczości spowodowało, iż wielu naukowców rozpoczęło badania. Wśród nich znaleźli się m.in. Piotr Curie i Maria Skłodowska – Curie. Przeprowadzili oni dokładną analizę próbek rud uranowych i znaleźli w nich nowe, dotąd nie wyizolowane pierwiastki chemiczne. Zostały one nazwane: Polonem oraz Radem. Ponadto udowodnili promieniotwórczość wcześniej poznanych pierwiastków: uranu i toru. Za odkrycia na rzecz rozwoju fizyki Henri Becquerel oraz Maria Skłodowska – Curie i jej mąż Piotr Curie zostali nagrodzeni prestiżową Nagrodą Nobla w roku 1903. Było to uroczyste zwieńczenie ich wysiłków.

Dalszy rozwój techniki jądrowej zawdzięczamy pracy naukowej córki Marii Skłodowskiej Curie – Irenie Joliot Curie oraz jej mężowi Fryderykowi. Udało im się dokonać pierwszej w historii reakcji jądrowej. W wyniku ostrzeliwania atomów glinu strumieniem cząstek α, uzyskali oni atomy, których właściwości były charakterystyczne dla fosforu. Wyczyn ten sprawił, że powstała nowa gałąź fizyki i chemii zajmująca się promieniotwórczością sztuczną. Również to odkrycie zostało uhonorowane Nagrodą Nobla. Otrzymali ja w roku 1934.

Rodzaje promieniotwórczości.

Jak już wspomniano wyżej wyróżnia się dwa rodzaje promieniotwórczości: promieniotwórczość naturalną oraz promieniotwórczość sztuczną.

Promieniotwórczość naturalna to zdolność atomu określonego pierwiastka do samoistnych, a więc bez udziału człowieka, przemian w jądro innego pierwiastka. Zjawisku temu towarzyszy wysyłanie promieniowania Do dziś poznanych jest ok. 60 nuklidów, czyli jąder atomowych, które ulegają samorzutnym przemianom jądrowym.

Promieniotwórczość sztuczna to się zjawisko, polegające na możliwości inicjowania reakcji jądrowych. Dokonuje się ich na wiele sposobów. Jednym z nich jest bombardowanie atomów cząstkami elementarnymi. Promieniotwórczość sztuczna, w przeciwieństwie do promieniotwórczości naturalnej wymaga działalności człowieka.

Przy okazji opisu rodzajów promieniotwórczości warto zaznaczyć, iż w wyniku sztucznej reakcji jądrowej można otrzymać zarówno izotop stabilny, czyli taki, który nie będzie samorzutnie ulegał dalszym rozpadom lub izotop niestabilny, podlegający zjawisku promieniotwórczości naturalnej.

W trakcie dokładnych badań nad promieniotwórczością odkryto, iż w skład naturalnych promieni wchodzą trzy rodzaje promieniowania. Zostały one nazwane kolejnymi literami alfabetu greckiego: promieniowaniem α, promieniowaniem β oraz promieniowaniem γ. Wszystkie te promienie wykazywały podobne właściwości. Ich poznanie pozwoliło na scharakteryzowanie każdego z nich:

Promieniowanie α:

Promieniowanie to stanowi strumień cząstek α, czyli dodatnio naładowanych jąder helu, w skład których wchodzą dwa protony i dwa elektrony. Ich energia wynosi od ok. 4MeV do ok. 9MeV. W celu ochrony przed tym rodzajem promieniowania wystarczy zaledwie kartka papieru. Skutecznie zatrzyma ona cząstki α.

Promieniowanie β:

Promieniowanie β jest strumieniem cząstek o ujemnym ładunku elektrycznym i masie znacznie mniejszej od cząstek α, którą się określa za równą zeru. Jak wykazały dalsze badania, są to strumienie elektronów, które zostały odkryte przez Thomsona. Promieniowanie β może mieć różną energię. Mimo to, aby się przed nim zabezpieczyć wystarczy przeszkoda wykonana z drewna.

Promieniowanie γ:

Promieniowanie γ jest w swej naturze podobne do promieniowania odkrytego przez Roentgena. Zalicza się go do promieniowania elektromagnetycznego. W odróżnieniu od promieni X charakteryzuje się wyższa energią, w związku z czym jest bardziej przenikliwe. Zazwyczaj towarzyszy rozpadom, w trakcie których powstają zarówno cząstki α, jak i cząstki β. Zalicza się go do najbardziej przenikliwego promieniowania, ze względu na jego charakter falowy. Ochronę przeciwko niemu może stanowić jedynie gruba warstwa metali ciężkich.

Wpływ promieniowanie na środowisko naturalne:

Ogromna energia, jaka wydziela się w trakcie przeprowadzania energii jądrowych ma różnoraki wpływ na organizmy żywe. Biologiczne skutki napromieniowania są zależne od wielu czynników. Wśród nich można wyróżnić następujące:

- wielkość dawki pochłoniętej przez organizm podczas jednorazowego napromieniowania. Uznaje się, iż otrzymanie dawki powyżej 750 mSv powoduje początek choroby popromiennej.

- rodzaj promieniowania oddziałującego na organizm. Przykładowo: inne skutki wywoła napromieniowanie promieniami γ, a inne promieniami β.

- okres połowicznego rozpadu danego izotopu promieniotwórczego.

- rodzaj tkanki lub narządu, który został poddany napromieniowaniu. Niektóre tkanki są bardziej wrażliwe na promieniowanie niż inne.

- sposób poddania organizmu napromieniowaniu. Biologiczny wpływ ma, czy dana część ciała została napromieniowana od zewnątrz, czy tez od wewnątrz. Ekspozycja wewnętrzna jest zdecydowanie bardziej niebezpieczna od ekspozycji zewnętrznej.

- okres czasu, w którym była przez organizm pochłaniana określona dawka. Inny wpływ ma naświetlanie przeprowadzane w kilku dawkach, a inne podawane jednorazowo.

Negatywne skutki promieniowania, które odbijają się na organizmach żywych  można podzielić na dwa rodzaje: skutki somatyczne oraz skutki genetyczne. O następstwach somatycznych mówi się, gdy dany organizm bezpośrednio doświadczył skutków promieniowania, a więc zmarł, objawiła się u niego choroba popromienna lub doznał innych następstw chorobowych. Jedną z pierwszych ofiar szkodliwych promieni była Maria Skłodowska – Curie. W czasach, kiedy prowadziła ona swoje badania nie znano jeszcze wpływu promieniotwórczości na organizm ludzki, w związku z tym nie zabezpieczała się odpowiednio podczas wykonywanej pracy. Z kolei skutki genetyczne objawiają się dopiero w następnym pokoleniu zazwyczaj występują u wady genetyczne, sprawiające, że młode osobniki rodzą się nie sprawne lub zmutowane.

Somatyczne skutki promieniowania, objawiające się u organizmów żywych również można sklasyfikować. Wyróżnia się dwa różne sposoby ich podziału. Według pierwszego z nich istnieją skutki wczesne i późne. Wczesne następują zaraz po napromieniowaniu, natomiast późne mogą wystąpić nawet po wielu latach. Drugi podział wymienia skutki stochastyczne i nie stochastyczne. O skutkach stochastycznych mowa jest wtedy, gdy ich objawienie jest zależne od uzyskania odpowiedniej dawki napromieniowania, natomiast nie wzmaga się pod wpływem dawek większych. Jako przykład można podać występowanie białaczek oraz innych chorób nowotworowych. W przypadku skutków stochastycznych stopień zaawansowania następstw promieniowania zwiększa się wraz z otrzymana przez organizm dawką.

Należy jeszcze wyjaśnić istotę negatywnych bezpośrednich i pośrednich skutków oddziaływania na organizmy promieniowania. Skutki bezpośrednie związane są ze zmianami w ważnych cząstkach budujących tkanki i organy. Następują one np. na skutek reakcji chemicznych ważnych molekuł – białek, kwasów nukleinowych, które zmieniają ich aktywność biologiczną. Skutki pośrednie wiążą się z rozkładem mniej ważnych cząstek. Prowadzą najczęściej do powstania jonów i wolnych rodników, które następnie są odpowiedzialne za wywołanie dalszych zmian w organizmie.

Współczesne zastosowanie promieniotwórczości:

•   Medycyna:

Jednym z pierwszych wynalazków opartym na fizyce jądrowej i promieniotwórczości były aparatury rentgenowskie. Służą one przeprowadzania  prześwietleń, na podstawie których można wyciągnąć wiele wniosków na temat stanu zdrowia człowieka. Zasada działania tych urządzeń nie jest skomplikowana. Wiązka promieni Roentgena natrafiając na ciało człowieka zostaje pochłonięta. Jak się jednak okazuje tkanki o różnej gęstości, w różny stopniu pochłaniają to promieniowanie. Po przejściu przez ciało człowieka, wiązka promieni pada na kliszę fotograficzną, pozostawiając na niej obraz. Na zdjęciach Roentgena widać, w jakim stopniu promieniowanie zostało pochłonięte przez dany rodzaj tkanki.

Współcześnie za pomocą techniki rentgenowskiej możliwe jest uzyskanie dokładnego obrazu ciała człowieka za pomocą tzw. tomografii komputerowej.

Kolejnym ważnym osiągnięciem fizyki, które znalazło praktyczne zastosowanie w medycynie są radioterapie. Wykorzystuje się tutaj promieniotwórcze izotopy, najczęściej kobaltu, radu i cezu, do naświetlań nowotworów.

Za pomocą niestabilnych jąder pierwiastków promieniotwórczych można diagnozować różne choroby. Przykładowo bada się wchłanianie fosforu przez kości, czy jodu przez tarczycę.

Wykorzystuje się również promieniotwórcze izotopy w sanatoriach i uzdrowiskach do zabiegów inhalacyjnych i leczniczych kąpieli w tzw. balneologii. Stosuje tutaj się m.in. radon.

•   Przemysł spożywczy:

Współcześnie promieniowania znajduje zastosowanie do konserwowania żywności. Badania wykazały, że jedzenie, które zostało napromieniowane dłużej zachowuje świeżość. Co ważne, jednocześnie nie jest szkodliwa dla człowieka. Nie udowodniono w żaden sposób, żeby żywność taka była toksyczna lub radioaktywna. Może jedynie zawierać mniejsze ilości witamin (o ok. 20 do 60 %) szczególnie A, C, E i B₁. Spowodowane jest to zachodzeniem różnych reakcji chemicznych w żywności, na skutek działania promieniowania jonizującego. W efekcie powstają wolne rodniki, przyczyniające się rozkładu wielu składników, zwłaszcza tych wrażliwych, a więc głównie witamin. Należy jednak pamiętać, iż żywność traci w równym stopniu składniki odżywcze, także na skutek działania wysokiej temperatury.

•   Wojsko:

Zjawisko promieniotwórczości zostało wykorzystane przez człowieka do stworzenia najgroźniejszej w dziejach ludzkości broni – bomby jądrowej. Paradoksalnie, wynalazek ten nie jest trudny do skonstruowania, łatwiej zbudować bombę jądrową niż reaktor atomowy. Pierwsza bomba atomowa została stworzona w czasie drugiej wojny światowej, w roku 1945. Do jej budowy wykorzystano promieniotwórczość izotopów uranu ²³⁵U, ²³³U i plutonu ²³⁹Pu. W tym samym roku została użyta do zniszczenia japońskich miast: Hiroszimy i Nagasaki.

Mimo ogromnej tragedii, do jakiej dopuszczono, nadal kontynuowano badania nad bronią jądrową. W roku 1952 udało się skonstruować pierwszą bombę termojądrową. Jej działanie opierało się na wykorzystaniu energii wydzielającej się w czasie syntez jąder helu z wodoru i litu. W latach siedemdziesiątych posunięto się do stworzenia najbardziej śmiercionośnej broni – bomby neutronowej. W wyniku jej wybuchu wydziela się energia w postaci promieniowania neutronowego. Promieniowanie to posiada właściwości uśmiercania organizmów żywych, przy jednoczesnym nie niszczeniu budynków i innych obiektów.

•   Energetyka:

Rozpadom promieniotwórczym towarzyszy wydzielanie ogromnych ilości energii. Zjawisko to zastało wykorzystane do budowy reaktorów jądrowych, dzięki którym możliwe jest pozyskiwanie energii elektrycznej, tak ważnej we współczesnym świecie. Obecnie elektrownie atomowe znajdują się już w 34 państwach, a ich liczba stale rośnie. W obliczu kończących się tradycyjnych źródeł energii, coraz częściej ludzie decydują się na budowę reaktorów jądrowych. Dziś dostarczają one aż 17 % światowej produkcji energii. Energetyka jądrowa oceniana jest jako niskoodpadowa i nie zanieczyszczająca środowiska naturalnego toksycznymi gazami. Jedyne niebezpieczeństwo stanowią składowane na dnie oceanów radioaktywne odpady.

•   Badania archeologiczne:

Promieniotwórczy izotop węgla ¹⁴C wykorzystuje się do określania wieku wykopalisk archeologicznych. W przyrodzie ożywionej stosunek węgla ¹⁴C i trwałego węgla ¹²C jest stały. Szczątki nie mają możliwości uzyskiwania nowych porcji promieniotwórczego izotopu węgla, więc zaburzają się proporcje obu izotopów. Znając czas połowicznego rozpadu (dla ¹⁴C wynosi on 5600 lat), można z dość dużą dokładnością wyznaczyć okres, z którego pochodzi dane wykopalisko organiczne.

•   Techniki radiacyjne:

Technika radiacyjna to technika polegającą na napromieniowywaniu określonych przedmiotów, materiałów itp. promieniami γ lub promieniowaniem elektronowym. Służy ona do uzyskiwania specyficznych właściwości wytwarzanych materiałów. Przykładami mogą być izolatory, polimery, szkła i kamienie. Ponadto technikę radiacyjna wykorzystuje się do dezynfekcji sprzętu medycznego, do zabarwiania tkanin i innych materiałów oraz do oczyszczania gazów przemysłowych. Wykazano, iż w efekcie napromieniowania gazów odpadowych promieniowaniem elektronowym można wyeliminować nawet 95% tlenku siarki (IV) oraz ok. 80% różnych tlenków azotu.

•   Analiza:

Promieniowanie wykorzystywane jest także do budowy różnorakich urządzeń pomiarowych, służących głównie przemysłowi chemicznemu, ceramicznemu i metalurgicznemu. Wśród takich urządzeń można wymienić: grubościomierze, czujniki, detektory, regulatory i inne mierniki.

Dzięki wykorzystaniu technologii jądrowej można przeprowadzać tzw. analizę aktywacyjną. Polega ona zastosowaniu promieniowania jonizującego i służy do określania składu badanego materiału. W efekcie można wykryć ewentualne zanieczyszczenia lub wyznaczyć zawartość innych substancji.