Promieniotwórczość

• Budowa atomu:

Atom każdego z pierwiastków zbudowany jest z dodatniego jądra atomowego otoczonego chmurą ujemnie naładowanych elektronów. Składnikami jądra atomowego są protony, których liczbę określa tzw. liczba atomowa (liczba porządkowa Z) oraz neutrony. Liczba atomowa jest to wielkość, która decyduje o liczbie elektronów zawartych w atomie, decyduje o jego własnościach chemicznych, a więc o tym z jakim pierwiastkiem mamy do czynienia. Pierwiastek można więc określić jako substancję, która zawiera atomy o tej samej liczbie atomowej. Najmniejszą liczbę atomową ma wodór (przyjmuje ona wartość 1). Liczba atomowa helu wynosi 2, dla litu 3 itd. Sumę neutronów i protonów (czyli tzw. nukleonów, które są składnikami jądra) określa liczba masowa A. Dodatni ładunek jądra atomowego, który wynika z określonej ilości protonów, jest równoważony w obojętnym atomie przez identyczną liczbę elektronów znajdujących się poza jądrem. Ujemny ładunek elektryczny pojedynczego elektronu jest równy - 1,6022×10^{-19 C (kulomba). Elektron został odkryty w 1987 roku przez Johna Thomsona.}

Jądro atomowe jest bardzo mało w porównaniu do rozmiarów całego atomu. Praktycznie cała masa atomu skupiona jest w jego jądrze atomowym.

Substancja składająca się z atomów o tej samej liczbie atomowej to pierwiastek chemiczny. niektóre pierwiastki chemiczne tworzą odmiany alotropowe, które mają różne właściwości chemiczne i fizyczne. Właściwości chemiczne pierwiastków są zależne od struktury powłok elektronowych, które otaczają jądro atomowe. Najogólniej pierwiastki chemiczne można podzielić na metale (np. żelazo, nikiel, miedź) i niemetale (np. krzem, bor, węgiel). Istnieją także pierwiastki o właściwościach pośrednich (półmetale). Zaliczamy do nich np. tellur, selen i german.

W 1912 roku J.J. Thomson, podczas badań promieniowania katodowego (promienie wysyłane przez katodę) w polu elektrycznym i magnetycznym, stwierdził występowanie dwóch rodzajów neonu (Z = 10), jednego o masie około 20 razy, a drugiego około 22 razy większej od protonu. Nazwano je izotopami, od greckich słów isos - taki sam i topos - miejsce (w układzie okresowym).Odmiany tego samego pierwiastka, które posiadają różne masy atomowe zwane są izotopami. Atomy poszczególnych izotopów noszą nazwę nuklidów. Każdemu izotopowi odpowiada inny rodzaj nuklidów. Izotopy tego samego pierwiastka mają nuklidy o tej samej liczbie atomowej, lecz o różnej masie. Natomiast izotopy dwóch różnych pierwiastków mają nuklidy różniące się liczba atomową, najczęściej mają one także różną masę. Izotopy tego samego pierwiastka wykazują niemal te same własności fizyczne i chemiczne. Przeważająca część pierwiastków spotykanych w przyrodzie jest mieszaniną kilku izotopów zachowującą na ogół stały skład bez względu na pochodzenie danej próbki. Najprostsze jądro, czyli jądro atomowe najpospolitszego izotopu wodoru, jest zbudowane z pojedynczego protonu. Jądro wodoru ciężkiego o liczbie masowej A=2 zawiera jeden proton oraz jeden neutron. Izotop ten nosi nazwę deuter. Trzecim izotopem wodoru jest tryt, który w swoim jądrze atomowym zawiera jeden proton i dwa neutrony. Atomy różnych izotopów danego pierwiastka posiadają identyczna liczbę elektronów krążących wokół jądra. Elektrony te są przyciągane takim samym ładunkiem jądra i charakteryzują się praktycznie takim samym zachowaniem pod prawie każdym względem. Zatem izotopy tego samego pierwiastka posiadają te same właściwości chemiczne.

• Historia odkrycia promieniotwórczości:

Jądra niektórych nuklidów, zarówno występujących w przyrodzie, jak i otrzymanych sztucznie w laboratorium, wykazują zdolność do ulegania mniej lub bardziej szybkiemu samorzutnemu rozpadowi, połączonemu z emisją różnych rodzajów promieniowania. Są to jądra pierwiastków promieniotwórczych. Zjawisko promieniotwórczości zostało odkryte w 1896 roku. Dokonał tego francuski fizyk i chemik Antoine Henri Becquerel (1852-1908).

W roku 1896 przeprowadzał on doświadczenie, którego celem miało być zbadanie, czy pobudzane do fluorescencji światłem nadfioletowym różne materiały są również źródłem jakiś cząsteczek lub fal (naukowiec wiązał powstawanie promieni X z fluorescencją szkła pobudzanego przez promienie katodowe). W doświadczeniu używał płyty fotograficznej owiniętej dwoma arkuszami czarnego papieru. Papier ten był nieprzepuszczalny dla promieni świetlnych. Na tak przygotowanej płycie położył Becquerel substancję, która miała być pobudzana do fluoryzacji. Były nią kryształy siarczanu uranowo-potasowego. Następnie naukowiec naświetlał je przez kilka godzin promieniami słonecznymi. Po przeprowadzeniu doświadczenia wywołał płytę fotograficzną. Ujrzał na niej czarną sylwetkę substancji fluoryzującej.

W następnych doświadczeniach umieszczał między kryształami, a płytą fotograficzną różne przedmioty (na przykład monetę). Uzyskiwał na negatywie obrazy tych przedmiotów. Na podstawie przeprowadzonych doświadczeń Becquerel wysnuł wniosek, że badana substancja fluoryzując emituje promieniowanie, które przenika papier i oddziałuje chemicznie na płytę fotograficzną. Jednakże w kilka dni po przeprowadzeniu pierwszego doświadczenia, Becquerel odkrył, że zdjęcie zostaje zaczernione także w momencie, gdy kryształki zawierające uran, nie są pobudzane do fluorescencji przez promieniowanie świetlne. Obrazy na negatywie pojawiały się również, gdy zestaw doświadczalny był przechowywany w ciemności. Badając to zjawisko, naukowiec przeprowadził kilka doświadczeń, w których bardzo dokładnie starał się odizolować próbki kryształów uranowych od wpływu promieni różnej długości. Jak się okazało substancja nadal emitowała promieniowanie. Niedługo później Becquerel odkrył, że różne substancje zawierające domieszki uranu emitują takie promieniowanie, nie zależnie od tego czy mają one zdolność fluorescencji, czy nie. Tak, więc źródłem obserwowanego zjawiska jest uran. Becquerel odkrył zjawisko promieniotwórczości. Odkrycie Becquerela, które było właściwie odkryciem przypadkowym, poruszyło cały świat naukowy. Badacze starali się dociec jakie substancje emitują promieniowanie i jakie są cechy tego zjawiska. W 1903 roku Becquerel wraz z małżeństwem Curie został laureatem Nagrody Nobla za odkrycie promieniotwórczości.

Kolejnym bardzo ważnym krokiem było odkrycie promieniowania X. Wilhelm Conrad Roentgen, odkrywca promieni X, urodził się w 1845 r. w Lennep w Niemczech. W przeprowadzanym doświadczeniu Roentgen owinął szklaną rurę grubym, czarnym papierem, tak że nawet po włączeniu prądu elektrycznego światło z rury nie przedostawało się na zewnątrz. Kiedy Roentgen doprowadził prąd do elektrod, zobaczył, ku swemu zdziwieniu, że ekran fluorescencyjny leżący obok na stole zaczyna świecić, tak jakby padało nań światło. Wyłączył prąd, a wówczas ekran (pokryty platynocyjankiem barowym, związkiem fluorescencyjnym) przestał świecić. Roentgen bardzo szybko zdał sobie sprawę, że podczas przepływu prądu powstaje w rurze jakieś niewidzialne promieniowanie. Ze względu na tajemniczą naturę niewidzialnego promieniowania Roentgen nazwał je "promieniami X" ("X" jest zwykle stosowanym matematycznym symbolem na oznaczenie nieznanej wielkości). Roentgen był tak podniecony swoim przypadkowym odkryciem, że odstawił wszystkie inne badania i skupił się na badaniu własności promieni X. W dalszych badaniach odkrył on, że promieniowanie X wywołuje fluorescencję także i innych substancji, a nie tylko platynocyjanku baru. Promienie X przenikają przez materiały, przez które nie przenika światło widzialne. Ponadto promieniowanie X przenika przez ciało człowieka, a ajest ono pochłaniane przez kości. Ogólnie biorąc, promienie X powstają w wyniku bombardowania jakiegoś ciała szybkimi elektronami. Same promienie X nie są strumieniem elektronów, są to fale elektromagnetyczne o długości fali zawartej w przedziale od 0,1 pm do ok. 50 nm, tj. pomiędzy promieniowaniem gamma i ultrafioletowym.

Promieniowanie rentgenowskie jest wykorzystywane w przemyśle, na przykład do wykrywania wewnętrznych warstw, czy grubości ścianek. Używane są również w badaniach naukowych wielu dziedzin. Najbardziej znanym zastosowaniem promieni X jest rentgenoskopia, czyli prześwietlenia, wykorzystywana w diagnostyce lekarskiej i dentystycznej. Promienie X wykorzystywane są również w radioterapii - do niszczenia nowotworów złośliwych lub do hamowania ich rozwoju.

jesienią 1896 roku holenderski fizyk Pieter Zeeman odkrył w Lejdzie rozszczepienie linii widmowych w polu magnetycznym. Kiedy 30 października ogłoszono o tym w Holenderskiej Królewskiej Akademii Nauk, wielu fizyków od razu zdecydowało się zająć tym od dawna poszukiwanym zjawiskiem.

Trudno powiedzieć, jak potoczyłaby się historia promieniotwórczości, gdyby w końcu 1897 roku Maria Skłodowska-Curie nie zdecydowała zająć promieniowaniem uranu.

Maria Skłodowska urodziła się w Warszawie 7 listopada 1867 roku. Najszerzej znanym osiągnięciem Marii Curie było wykrycie i wyodrębnienie pierwiastka chemicznego nazwanego radem (od francuskiego słowa radie - promienisty). Przed radem Maria Curie wykryła inny pierwiastek, który nazwała polonem, od nazwy jej rodzinnego kraju, Polski. W 1903 r. Maria Curie, Piotr Curie i Antoine Henri Becquerel otrzymali wspólnie Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. W 1911 r. Maria Curie nagrodzona została po raz wtóry Nagrodą Nobla, tym razem w dziedzinie chemii; była pierwszą osobą, która otrzymała dwukrotnie Nagrodę Nobla. Pierwsze badani prowadziła w niezwykle prymitywnym laboratorium i używała oscyloskopu połączonego z komorą jonizacyjną. Badając promieniowanie związków uranu w różnorodnych warunkach stwierdziła, że pierwiastek ten emituje promieniowanie niezależnie od związku chemicznego, w skład którego wchodzi. Oddziaływania zewnętrzne jak grzanie, oziębianie, naświetlanie różnym promieniowaniem, pole magnetyczne itd. nie wywierają żadnego wpływu na własności uranu. Marii Skłodowskiej-Curie udało się także udowodnić promieniotwórczość innego pierwiastka - toru.

• Promieniotwórczość (radioaktywność):

Najogólniej promieniotwórczość możemy podzielić na promieniotwórczość naturalną (towarzysząca przemianom jądrowym izotopów występujących w przyrodzie) i promieniotwórczość sztuczną (zachodzącą w jądrach atomów otrzymywanych sztucznie - poprzez bombardowanie jąder trwałych pierwiastków cząstkami alfa oraz beta).

Rozważania dotyczące trwałości jąder atomowych wykazują, że trwałe są tylko te jądra, które maja określony stosunek liczby neutronów do liczby protonów. W jądrach o liczbach atomowych nie przekraczających 20 stosunek liczby neutronów do liczby protonów jest bliski jedności. Im większa liczba atomowa, tym bardziej stosunek ten zbliża się do wartości 1,6. Stosunek ten może się zmieniać dla izotopów danego pierwiastka tylko w wąskich granicach. Zarówno nadmierny wzrost liczby neutronów, jak i nadmierny jej spadek, powoduje, że jądro staje się nietrwałe i wcześniej lub później ulega przemianie lub nawet serii przemian prowadzących do utworzenia trwałego jądra.

Jądra atomowe niektórych pierwiastków są nietrwałe i ulegają samorzutnym przemianom typu a, b^- i b⁺. Szczególnie nietrwałe są jądra pierwiastków ciężkich, których liczba masowa jest większa niż 209, a także te, w których stosunek liczby neutronów do liczby protonów przekracza wartość 1,6.

Zmniejszenie nadmiaru elektronów dokonuje się najłatwiej przez emisję promieniowania b^-. Przemiana b^- polega na emisji elektronów, które pochodzą z rozpadu neutronu:

Przemianie tej towarzyszy emisja cząstki o znikomej masie spoczynkowej, zwanej antyneutrino, nie obdarzonej żadnym ładunkiem elektrycznym. Przemiana neutronu w proton powoduje zwiększenie liczby atomowej Z o jedną jednostkę, a więc przemianę pierwiastka. Tak więc na przykład promieniotwórczy izotop węgla ¹⁴C przemienia się w trwały izotop azotu ¹⁴N:

Tendencja do zmniejszania nadmiaru protonów wywołuje najczęściej emisję promieniowania b⁺, czyli dodatniego elektronu (pozytonu). Jest to cząstka, która różni się od elektronu tylko znakiem ładunku elektrycznego. Bezwzględna wartość ładunku oraz masy obydwu cząstek są takie same. Przemiana b⁺ to emisja dodatnich elektronów, tzw. pozytonów, które pochodzą z rozpadu protonów:

e⁺ - pozyton

Przemianie tej towarzyszy emisja neutrina, czyli cząstki o własnościach podobnych do własności antyneutrina. W wyniku tej przemiany liczba atomowa nuklidu, Z, zmniejsza się o jedną jednostkę. Liczba masowa A pozostaje, podobnie jak poprzednio, niezmieniona. Przemianę b⁺ stwierdzono tylko w przypadku przemian sztucznych izotopów promieniotwórczych.

Zmniejszenie nadmiaru protonów w jądrze wywołuje również proces, który polega na wychwyceniu przez jądro jednego z elektronów z pozajądrowej części atomu. Elektron ten jest zużywany na przemianę protonu w neutron, co daje, taka jak emisja cząstki b⁺, zmniejszenie liczby atomowej o jeden przy równoczesnym zachowaniu tej samej liczby masowej. Elektron reagujący z protonem pochodzi z najgłębiej umiejscowionej powłoki elektronowej, którą oznacza się literą K i z tego powodu cały proces nazywa się wychwytem K. Ubytek elektronu z powłoki K jest wyrównywany przez przejście na nią elektronu z którejkolwiek z dalszych powłok. Energia potencjalna elektronu, który pochodzi z dalszej powłoki do powłoki znajdującej się bliżej jądra obniża się, a różnica energii jest emitowana na zewnątrz w postaci promieniowania rentgenowskiego.

Innym czynnikiem, który decyduje o trwałości jądra atomowego jest jego masa. Jądra atomowe, które mają duże liczby masowe są nietrwałe bez względu na stosunek liczby neutronów do liczby protonów. Nie jest znane żadne trwałe jądro atomowe o liczbie masowej większej niż 209. Najcięższym znanym trwałym jądrem atomowym jest jądro izotopu bizmutu .

Jądra o masie zbyt dużej, dążąc do przemiany w jądra trwałe o mniejszej masie emitują cząstki a. Przemiana a polega na emitowaniu cząstek składających się z dwóch neutronów i dwóch protonów, czyli jąder helu. Przykładem tej przemiany może być:

n - neutrino

Emisja cząstek α powoduje zmniejszenie liczby atomowej nuklidu o dwie jednostki oraz do zmniejszenia liczby masowej o cztery jednostki.

Nuklidy, które powstają w wyniku przemian jądrowych są nuklidami innych pierwiastków niż pierwiastki wyjściowe. We wszystkich rozpatrywanych przypadkach dochodzi bowiem do zmiany liczby atomowej. Emisji cząstki α towarzyszy przesunięcie pierwiastka o dwa miejsca w lewo w układzie okresowym pierwiastków, emisji cząstki β⁺ - o jedno miejsce w lewo, natomiast emisja cząstki β^- powoduje przesunięcie pierwiastka o jedno miejsce w prawo w układzie okresowym. Twierdzenie to stanowi treść reguły Fajansa i Soddy΄ego.

Jądra, które powstają w wyniku przemian promieniotwórczych mogą czasami zawierać nadmiar energii, którego się pozbywają emitując promieniowanie elektromagnetyczne nazywane promieniowaniem γ. Promieniowanie to charakteryzuje się jeszcze mniejszą długością fali niż promieniowanie rentgenowskie. Emisji tego rodzaju promieniowania nie towarzyszy zmiana liczby masowej, ani liczby atomowej.

Atomy każdego pierwiastka ulegają przemianom z określona szybkością. Rozpad wszystkich nietrwałych jąder, zarówno naturalnych jak i otrzymanych sztucznie, przebiega w taki sposób, że jego szybkość jest w każdym momencie wprost proporcjonalna do liczby jeszcze nie rozłożonych atomów. Dla każdego pierwiastka promieniotwórczego charakterystyczny jest tzw. okres półtrwania τ_1/2 - (czas połowicznego rozpadu).Jest to okres, w którym połowa atomów danego pierwiastka promieniotwórczego ulega rozpadowi. Na przykład okres półtrwania izotopu radu wynosi 1622 lata. Po upływie takiego czasu z dowolnej ilości radu pozostanie połowa. Po upływie następnych 1622 lat ulega rozpadowi znów połowa ilości, która pozostałą, czyli czwarta część początkowej ilości itd. Wartości, jakie może przyjmować okres półtrwania różnych nuklidów, wahają się w bardzo szerokich granicach.

Znaczna część naturalnych pierwiastków promieniotwórczych ulegając rozpadowi daję jądra nowych pierwiastków, które również są nietrwałe i ulegają dalszemu rozpadowi. W taki właśnie sposób tworzą się szeregi promieniotwórcze. Szereg taki rozpoczyna się długożyciowym izotopem promieniotwórczym, a kończy izotopem trwałym. Znane są 4 szeregi, z czego 3 występują naturalnie w przyrodzie:

• torowy - rozpoczyna się ²³²Th. W szeregu tym powstaje ²²⁰Rn zwany dawniej emanacją torową lub toronem, o okresie półtrwania 54,5s.
• uranowo-aktynowy - rozpoczyna się ²³⁵U. W szeregu tym powstaje ²¹⁹Rn zwany emanacją aktynową lub aktynonem, o okresie półtrwania 3,9s.
• uranowo-radowy - rozpoczyna się ²³⁸U. W szeregu tym powstaje ²²²Rn w wyniku rozpadu alfa izotopu radu ²²⁶Ra. Z tego powodu nazwano go emanacją radową lub radonem (po odkryciu, że toron, aktynon i radon to izotopy tego samego pierwiastka, nazwę radon rozszerzono na wszystkie izotopy). Ma on najdłuższy okres półtrwania wynoszący 3,823 dnia.

Trzy naturalne szeregi promieniotwórcze kończą się trwałymi izotopami ołowiu. Szereg neptunowy, który nie jest spotykany w przyrodzie kończy się trwałym izotopem bizmutu.

Oprócz przemian naturalnych pierwiastków promieniotwórczych, tj. pierwiastków promieniotwórczych występujących w skorupie ziemskiej, bardzo wiele przemian pierwiastków, a zatem przemian jąder atomowych, można wywołać w warunkach laboratoryjnych, a nawet w pewnych przypadkach (reaktory jądrowe) w skali technicznej. Pierwszą sztuczną przemiana jądrową, która była przeprowadzona przez człowieka była przemiana przeprowadzona przez Rutherforda w 1919 roku. Poddał on azot działaniu cząstek α emitowanych przez izotop polonu . Obecnie liczba reakcji jądrowych, jakie fizycy przeprowadzają w laboratoriach, jest bardzo duża. W wyniku tych reakcji otrzymuje się izotopy, zarówno te, które występują w przyrodzie, jak i te, które w przyrodzie nie są spotykane. Ilość otrzymanych sztucznie izotopów jest znacznie większa niż liczba naturalnych izotopów.

• Reaktory jądrowe:

Reaktor jądrowy jest urządzeniem, w którym zachodzi kontrolowana, samopodtrzymująca się łańcuchowa reakcja rozszczepienia jąder pierwiastków ciężkich. W wyniku reakcji rozszczepienia w rdzeniu reaktora jądrowego wytwarza się promieniowanie jądrowe (głównie neutrony i promieniowanie gamma) oraz ciepło; tworzy się również wiele nuklidów. Reakcje rozszczepienia jąder atomowych polegają na tym, że nietrwałe jądra ciężkie naświetlane neutronami ulegają rozpadowi na dwa fragmenty o porównywalnych liczbach masowych, a równocześnie następuje emisja 2-3 neutronów. Reakcja ta została wykryta po raz pierwszy przez Hahna i Strassmanna w 1939 roku. Badacze ci wykazali, że jądra izotopu uranu ulegają rozszczepieniu pod wpływem powolnych neutronów, tj. neutronów o energii rzędu energii cząsteczek gazu w temperaturze pokojowej.

Gdy liczba neutronów powstających w reaktorze jądrowym w jednostkowym czasie w wyniku rozszczepień jest równa liczbie neutronów traconych w tym samym czasie wskutek pochłaniania i ucieczki, wówczas reaktor pracuje w stanie ustalonym (tzw. stan krytyczny). Jest to normalny stan pracy reaktora jądrowego, który można osiągnąć przy różnym poziomie produkcji i strat neutronów.

Nowe jądra powstające w trakcie rozszczepienia, zwane fragmentami rozszczepienia, dają początek łańcuchom rozpadów promieniotwórczych. Elementy tych łańcuchów stanowią produkty rozszczepienia (olbrzymia większość z nich - kilkaset - to izotopy promieniotwórcze). Aby nie dopuścić do wydostania się na zewnątrz reaktora produktów rozszczepienia, paliwo jądrowe, tj. substancja zawierająca izotopy rozszczepialne (izotopy ciężkie, których jądra łatwo ulegają rozszczepieniu w wyniku bombardowania neutronami o małych energiach - ²³⁵U, ²³³U, ²³⁹Pu, ²⁴¹Pu) jest zamknięte wewnątrz elementów paliwowych mających najczęściej postać walcowych prętów (mogą też być kuliste i płytkowe). Element taki składa się ze szczelnej cienkościennej rurki tzw. koszulki (stopy cyrkonu, stal nierdzewna) i z umieszczonych w jej wnętrzu pastylek paliwowych. Zestawy (kilkudziesięciu lub więcej) elementów paliwowych tworzą zespoły (kasety) paliwowe stanowiące zasadniczą część rdzenia reaktora.

Między prętami przepływa woda chłodząca. Przepływ jej przez reaktor jest wymuszany specjalnymi pompami wodnymi. Woda przepływa przez rdzeń i odbiera od niego wytworzone ciepło, sama podgrzewając się o kilkadziesiąt stopni Celsjusza.

W rdzeniu są umieszczone ruchome pręty regulacyjne (lub ich zespoły) wykonane z materiałów silnie pochłaniających neutrony, służące do regulacji mocy reaktora. Opuszczenie do rdzenia prętów prowadzi do zakłócenia bilansu neutronów, osłabienia lub wygaszenia reakcji łańcuchowej i w konsekwencji zmniejszenia produkcji ciepła w paliwie.

Energia wydzielająca się w reaktorze wskutek zachodzących w nim procesów jądrowych jest odprowadzana w postaci ciepła, na przykład za pośrednictwem wody znajdującej się pod wysokim ciśnieniem, stopionego metalicznego sodu lub gazowego helu, krążących w odpowiednim układzie przewodów. Ciepło unoszone przez te płyny jest wykorzystywane do pędzenia turbin parowych w elektrowniach.

Wydajność wszystkich procesów jądrowych poznanych przed odkryciem zjawiska rozszczepienia jąder uranu była niezmiernie mała. Dlatego też żadnego z nich nie można było wykorzystać do produkcji energii na skalę techniczną.

W różnych krajach wybudowano do tej pory kilka tysięcy reaktorów, z czego kilkaset służy do produkowania energii.

Każdy mieszkaniec ziemi otrzymuje przeciętnie w ciągu roku dawkę 2,4 mSv (dawka promieniowania) związaną z natu­ralnym tłem promieniowania. Za bezpie­czną dawkę roczną przyjmuje się3 mSv. Dawka śmiertelna dla człowieka wynosi 6 do 7 mSv. U podstaw szkodliwego, biologicznego działania promieniowania na organizmy leżą procesy jonizacji cząsteczek organizmu wywołane przez promieniowanie. W wyniku tych procesów w tkankach tworzą się pary jonów stanowiących bardzo aktywne chemicznie rodniki oraz następuje uszkodzenie struktury dużych cząstek przez ich rozrywanie lub zlepianie. Prowadzi to do zakłócenia przemian biochemicznych, warunkujących prawidłowe funkcjonowanie organizmu. Inne, nieodwracalne zmiany prowadzą do zwyrodnienia lub obumarcia komórek.

• Zastosowanie promieniotwórczości:

Jednym z najbardziej znanych zastosowań izotopów promieniotwórczych jest wykorzystanie radioaktywnego ¹⁴₆C do datowania zabytków archeologicznych. Promieniotwórczy izotop węgla ustawicznie się tworzy i ustawicznie rozpada. Okres półtrwania tego izotopu wynosi 5600 lat. Podstawa tej metody jest następująca: dzięki asymilacji z atmosfery, koncentracja ¹⁴C w żyjących organizmach lądowych jest stała. Po obumarciu organizmu, ubytek ¹⁴C spowodowany rozpadem promieniotwórczym nie jest dłużej równoważony przez asymilację, i ilość ¹⁴C zaczyna maleć. Porównanie stosunków ¹⁴C/¹²C w próbce obumarłej materii organicznej i w atmosferze pozwala na określenie wieku radiowęglowego. Ma on sens czasu, jaki upłynął od momentu obumarcia organizmu do chwili pomiaru. Po śmierci organizmu (rośliny i zwierzęta) wymiana ustaje i w wyniku rozpadu nuklidów ¹⁴₆C proporcja nuklidów ¹⁴₆C do ¹²₆C w szczątkach organicznych maleje w miarę upływu czasu. Opracowano bardzo precyzyjne metody określenia tej proporcji, co umożliwia datowanie szczątków organicznych nie starszych niż 10000 lat, z błędem równym kilka procent. W podobny sposób można określić wiek minerałów uranowych oznaczając w nich stosunek uranu do ołowiu, który powstał z uranu w ciągu milionów lat i stanowi zanieczyszczenie rudy uranowej.

Rozpowszechnionym zastosowaniem promieniotwórczości jest badanie mechanizmów złożonych reakcji organicznych. Na przykład stosując do asymilacji przez rośliny promieniotwórczy CO₂ (znaczony ¹⁴₆C), można było zbadać przemianę podczas fotosyntezy, od CO₂ do węglowodanów. Wskaźniki izotopowe znajdują zastosowanie w analizie chemicznej, w badaniach nad kinetyka reakcji chemicznych, adsorpcją itp. Szeroko stosuje się je w badaniach biologicznych. Użycie izotopów promieniotwórczych fosforu, azotu i węgla pozwala śledzić wędrówkę i przemiany różnych substancji w organizmach żywych.

Pluton-238, emiter a o okresie połowicznego rozpadu 86 lat, jest stosowany w długotrwałych bateriach do zasilania regulatora rytmu serca.

Izotopy promieniotwórcze można stosować także do określania rozpuszczalności substancji trudno rozpuszczalnych. Jak wiadomo nie istnieją substancje całkowicie nierozpuszczalne. Oznaczenie niezmiernie małej rozpuszczalności soli uważanych za praktycznie nierozpuszczalne sprawia trudność. Zastosowanie promieniotwórczości ułatwia to zadanie.

Bardzo szerokie zastosowanie znalazło promieniowanie rentgenowskie. Jest ono wykorzystywane w badaniach strukturalnych (rentgenowska analiza strukturalna, czyli metoda analizy struktury ciał stałych, głównie kryształów, polegająca na analizie oddziaływania promieniowania rentgenowskiego na daną materię. Struktura powstających w tym procesie obrazów interferencyjnych (rentgenogramy) wynika ze struktury kryształu. Używa się go również w badaniach pierwiastkowego składu chemicznego, a także w diagnostyce medycznej- do prześwietlania złamanych kończyn, prześwietlenia klatki piersiowej, mające na celu wczesne wykrycie chorób płuc (tj. raka, gruźlicy), wykrywanie guzów mózgu lub chorób zatok. Pomimo tak szerokiego zastosowania promieniowanie rentgenowskie ma szkodliwy wpływ na organizm człowieka, dlatego prześwietlenia powinny być wykonywane możliwie rzadko.

Promieniotwórczość wykorzystywana jest również w elektrowniach atomowych, a także do produkcji broni jądrowej dawniej zwanej bronią atomową. Broń A, jest to jeden z rodzajów broni masowej zagłady, o działaniu wybuchowym o wielkiej sile, wykorzystując energię powstającą podczas reakcji łańcuchowej rozszczepienia jąder atomów izotopów ciężkich pierwiastków, m.in. uranu lub plutonu, bądź podczas łączenia się (syntezy) jąder izotopów wodoru- deuteru i trytu (broń termojądrowa). Jeśli reakcja taka zachodzi gwałtownie to dochodzi wówczas do wybuchu, jeśli natomiast przebiega powoli- wybuchu nie ma (mówi się wówczas o bojowych środkach promieniotwórczych). Elektrownie jądrowe są bardzo przyjazne dla środowiska, gdyż nie produkują one tlenków węgla, siarki i azotu, które to powodują powstawanie kwaśnych deszczów i efektu cieplarnianego, zatruwając atmosferę ziemską.