Wypracowania

IZOTOPY I PROMIENIOWANIE

Pojęcie atomu

Słowa atom używano już w IV wieku p.n.e.. Po raz pierwszy użył go Demokryt, grecki filozof

z Abwery. Pochodzi od „Athomos” znaczy niepodzielny w języku greckim. Dopiero w XIX udowodniono, że atom zbudowany jest z jeszcze mniejszych cząstek.

Postulaty teorii Daltona

John Dalton, angielski uczony, opracował w 1804r. tezę atomistyczno - cząsteczkową budowy materii. We współczesnej formie jest ona aktualna do dzisiaj.

Jej postulaty zakładają, że:

Pierwiastek chemiczny złożony jest z bardzo małych cząstek, które nazwano atomami.
Wszystkie atomy danego pierwiastka wykazują identyczne właściwości chemiczne.
Atomy należące do różnych pierwiastków cechują się odrębnymi własnościami fizycznymi oraz chemicznymi. W przyrodzie jest tyle atomów ile pierwiastków.
Atom określonego pierwiastka nie ulega przekształceniu w innego rodzaju atom (który charakteryzuje inny pierwiastek) w wyniku standardowej reakcji chemicznej.
Tworzenie związków chemicznych przez pierwiastki jest związane z łączeniem różnych atomów (należących do różnych pierwiastków) w wyniku czego powstają cząsteczki.
Związek chemiczny składa się cząsteczek. Cząsteczki, wchodzące w skład związku chemicznego,
są identyczne pod względem budowy i właściwości.
Rozkład związku chemicznego następuje w wyniku rozpadu cząsteczek na atomy pierwiastków.
Atomy należące do tego samego pierwiastka również mogą tworzyć cząsteczki.

Modele budowy atomu:

Rutherforda - atom składa się z dodatnio naładowanego jądra oraz umieszczonych „jak rodzynki w cieście” elektronów

Bohra – atom posiada dodatnie jądro oraz elektrony krążące po orbitach o określonej energii. Przejście z jednej na drugą orbitę związane jest z emisją kwantu energii (najmniejsza porcja energii), a gdy jest nią świetlna energia, następuje emisja fotonu:

E=hV,

Gdzie h – stała Plancka

V- częstość

Bohr stwierdził, że jeśli elektrony znajdują się na najniższych możliwych poziomach to mamy do czynienia ze staniem podstawowym (stacjonarnym).

Przeskok z jednego (1) stanu do drugiego (2) jest zawsze związane z emisją albo absorpcją energii wynoszącej E=E ₂ - E ₁.

Alotropia

Pierwiastki mogą występować w paru różnych odmianach, różniących się strukturą oraz własnościami fizycznymi. Zjawisko to określa się wielopostaciowością albo alotropią.

Przykłady:

Odmiany tlenu:
- - O₂
  - O₃

Odmiany węgla:
- - Grafit
  - Diament
  - Fulleren

Budowa atomu

Atom jest najmniejszą częścią pierwiastka chemicznego. Jako układ elektrycznie obojętny, posiada dodatnio naładowane jądro oraz elektrony niosące ładunek ujemny.

Jądro atomowe składa się z nukleonów, w skład których wchodzą protony i neutrony. Neutrony oraz protony znacznie przewyższają masę od elektronów ok. 2000 razy, dlatego decydują one o masie prawie całego atomu (ok. 99,9%).

Proton posiada elementarny ładunek dodatni, a jego masa wynosi 1,007 u.

Neutron został odkryty w 1932r. przez brytyjskiego chemika Jamesa Chadwicka. Ta cząstka elementarna wchodzi w skład jąder atomowych wszystkich pierwiastków, w różnej ilości, poza jednym z izotopów wodoru. Charakteryzuje się ponadto tym, że jest elektrycznie obojętny elektrycznie, a jego masa wynosi 1,009 u. Neutrony występujące w jądrach atomowych wykazują się znaczną trwałością, w odróżnieniu od neutronów wolnych, które ulegają rozpadowi na protony, elektrony oraz antyneutrina. Średni okres połowicznego rozpadu neutronów swobodnych waha się w granicach 700 s.

Za trwałość jądra odpowiadają siły jądrowe działające pomiędzy nukleonami, charakteryzują się bardzo małym zasięgiem (rzędu 10^{-13 cm) oraz brakiem związku z ładunkiem. Neutrony oraz protony mogą wymieniać ładunek między sobą na wskutek zderzeń. Energia związana z oddziaływaniami między składnikami jądra została określona jako energia wiązania jądra. Można wyznaczyć ją z różnicy masy przewidywanej np. w atomie helu (2p, 2n) wynoszącej 4,0319 u oraz doświadczalnej 4,0015 u. Wartość 0,03039 u nazwano defektem (inaczej niedoborem) masy. Energię wylicza się z równania Einsteina:}

E = mc²

Jej wartość wskazuje na to jaka energia musi być dostarczona, by rozbić jądro albo jaka ilość jest wydzielona podczas jego tworzenia. Wzrost energii wiązania oraz defektu masy czyni jądro bardziej trwałe stabilne.

Jądra trwałe to takie, które:

Posiadają równe ilości protonów i neutronów
Posiadają parzyste ilości protonów oraz neutronów
Stosunek protonów do neutronów wynosi 2 : 3

W pozostałych przypadkach następuje samorzutny rozpad.

Ostatnimi cząstkami, wchodzącymi w skład jądra atomowego, są elektrony. Charakteryzują się masą spoczynkową równą 0,000548 u (czyli ok. 1/1836 masy protonu) oraz elementarnym ładunkiem ujemnym wynoszącym -1,6x10^{-19C. Ponieważ, jak już wspomniano atom jest układem elektrycznie obojętnym, liczba protonów jest równa liczbie elektronów. W przypadku metali pewna ilość elektronów istnieje w postaci nie związanej z danym jądrem i dlatego może poruszać się w całym obszarze kryształu.}

W Tabeli 1 podsumowano własności fizyczne cząstek elementarnych.

nazwa

Symbol

Masa [u]

Ładunek elektryczny

proton

1,0073

neutron

1,0087

elektron

0,00055

-1

Tabela 1. Charakterystyka cząstek elementarnych

Skład atomowy charakteryzują dwie liczby: atomowa (Z) i masowa (A):

Liczba atomowa jest równa ilości protonów znajdujących się w jądrze atomowym. Stanowi ona zarazem liczbę porządkową.

Liczba masowa stanowi sumę nukleonów jądra atomowego.

Pierwiastek jest zbiorem atomów o identycznej liczbie atomowej.

Pierwiastki mogą występować a postaci różnych izotopów (są to atomy danego pierwiastka o różnej masie, co spowodowane jest różną ilością neutronów wchodzących w skład jądra). Terminem nuklidy określa się rodzaj atomów o określonym jądrze, to znaczy o określonej liczbie protonów i neutronów w jądrze.

Masy atomowe i cząsteczkowe

Masy atomów bądź cząsteczek wyrażone są w specjalnych jednostkach masy unitach [u]. 1u odpowiada 1/12 masie atomu węgla izotopu ₁₂C. Przy obliczaniu stosuje się przeliczniki:

1 u = 0,166 * 10^{-23 g}

1 g = 6,023 * 10 ²³ u

Masa bezwzględna jest podawana w gramach.

Masa atomowa danego pierwiastka jest wyrażona w jednostkach masy atomowe [u], stanowi masę atomu tego pierwiastka.

Masa cząsteczkowa danego pierwiastka jest wyrażona w jednostkach masy atomowe [u], stanowi masę cząsteczki tego pierwiastka.

Masa cząsteczkowa danego związku chemicznego wyrażona jest w jednostkach masy atomowe [u], stanowi masę tego związku, jest sumą składników wchodzących w skład związku.

Każda reakcja chemiczna podlega prawu zachowania masy, mówiącym, że masa substratów reakcji jest równa masie produktów tej reakcji.

Izotopy, izotony, izobary

Izotopy to odmiany atomów tego samego pierwiastka, o takiej samej liczbie atomowej, a różnej liczbie masowej, czyli o tej samej liczbie protonów, różniące się liczbą neutronów w jądrze. Pierwiastki charakteryzujące się nieparzystą liczbą atomową posiadają maksymalnie dwa izotopy (wyjątkami są wodór oraz potas), zaś – parzystą mają więcej niż dwa izotopy. Rekordzistą jest cyna posiadająca 10 odmian. Niektóre pierwiastki nie posiadają izotopów tak jak: glin, sód, beryl, fluor. Jedynie atomy wodoru oznacza się innymi symbolami (P, D, T). Zbiór atomów określonego izotopu nazywa się nuklidem. Izotopy charakteryzują się jednakowymi własnościami chemicznymi, a odmiennymi fizycznymi.

Masę atomową danego pierwiastka wyraża średni skład procentowy jego izotopów występujących w naturze:

gdzie:

%m₁, %m₂ - procentowy udział izotopów

A₁, A₂ - liczby masowe izotopów

Izobary posiadają identyczną liczbę masową, a różną atomową, zatem stanowią atomy różnych pierwiastków.

Izotony stanowią atomy różnych pierwiastków posiadających identyczną liczbę neutronów.

Struktura elektronowa atomów

Ilość elektronów określa liczba atomowa. Cząstka ta posiada dwoistą naturę: raz zachowuje się jak korpuskuła (cząstka), innym razem jako fala (badania de Broglie’a). Elektron znajduje się w przestrzeni wokół jądra, ale nie da się określić dokładnie jego położenia. O zależności pędu od położenia elektronu mówi zasada nieoznaczoności Heisenberga. Jeśli jedna z tych wartości jest wyznaczona precyzyjniej to druga posiada dużą rozpiętość wartości.

Dlatego można mówić o prawdopodobieństwie znalezienia elektronu w przestrzeni międzyjądrowej.

Stan elektronu opisuje funkcja falowa (zwana także orbitalem), a kwadrat jej wartości stanowi gęstość elektronową.

Każdy elektron charakteryzowany jest prze cztery liczby kwantowe:

Główna liczba kwantowa (n)

n = 1,2,3,4... , n

n jest równe numerowi powłoki, a maksymalna liczba elektronów na danej powłoce wyraża wzór:

2n²

Poszczególne powłoki oznacza się za pomocą liter:

Nr powłoki

Symbol

Główna liczba kwantowa odpowiada za energię całkowitą elektronu:

E = - 1/n² * E1

Gdzie: n - główna liczba kwantowa

E1 = 13,6 eV - bezwzględna wartość elektronu wodoru w stanie podstawowym

Wartość energii zwiększa się w miarę wzrostu odległości elektronu od jądra.

Stan atomu, w którym elektrony dążą do osiągnięcia jak najmniejszej energii, nazywa się stanem podstawowym. Stan wzbudzony atomu jest związany z pochłonięciem energii.

Od wartości głównej liczby kwantowej zależy rozmiar orbitalu (wzrost n powoduje wzrost obszaru orbitalnego).

Poboczna liczba kwantowa (l)

Nazywana także orbitalną liczbą kwantową. Od jej wartości zależy liczba podpowłok, wchodzących w skład powłoki.

Przyjmuje ona wartości:

0 ≤ l ≤ (n -1)

Wartości pobocznej liczby kwantowej dla poszczególnych powłok kształtują się następująco:

podpowłoka

Wartość pobocznej liczby kwantowej wpływa na kształt orbitalu oraz moment pędu elektronu.

Poniżej przedstawiono kształty orbitali.

Magnetyczna liczba kwantowa (m)

Jej wartość mieści się w granicach:

-l < m < l

Określa ona przestrzenne rozmieszczanie orbitalu. Jej wartość mówi o liczbie orbitali znajdujących się w danej podpowloce. Poniżej przedstawiono orbitale dla poszczególnych podpowłok.

Podpowłoka

Liczba orbitali

Typ orbitali

px , py , pz

Spinowa liczba kwantowa (m_s)

Decyduje o orientacji spiniu elektronu, przyjmuje jedynie dwie wartości:

m_s = +1/2 lub

m_s = -1/2

Ponieważ na każdym orbitalu znajdują 2 elektrony, zatem na poszczególnych podpowłokach znajduje odpowiednia ilość elektronów:

Podpowłoka

Liczba elektronów

W układach wieloelektronowych należy wziąć pod uwagę oddziaływania pomiędzy jądrem a elektronami oraz odpychaniem elektronu z innymi elektronami. Gdy elektrony rozpatruje się oddzielnie to mamy do czynienia

z przybliżeniem jednoelektronowym.

Konfiguracja elektronowa

Konfiguracją elektronową nazywamy lokalizację elektronów na poszczególnych powłokach

i podpowłokach.

Elektrony rozmieszczone są zgodnie z dwoma regułami:

Zakazem Pauliego mówiącym, że elektrony różnią się pomiędzy sobą przynajmniej jedna liczbą kwantową
Reguła Hunda dotyczy konfiguracji poziomów energetycznych: elektrony rozmieszczone są w taki sposób, by liczba elektronów niesparowanych była jak największa, wykazywały one jednakowy spin

Elektrony sparowane, to takie, które posiadają orientacje przeciwną, różnią się liczbą m_s.

Opisując stan elektronowy w atomie stosuje się powyższe zasady:

Ilość powłok jest równa numerowi okresu
Liczba elektronów walencyjnych ( na ostatniej powłoce) jest równa numerowi grupy dla grup 1 i 2,
a dla grup 13-18 wynosi nr grupy – 10
Pierwiastki grup 1,2,13,14,15,16,17,18 zapełniają ostatnią powłokę, grup 3-12 przedostatnia,
a lantanowce i aktynowce – drugą od końca
Pierwiastki łącząc się w związki chemiczne, dążą do uzyskania konfiguracji najbliższego gazu szlachetnego, a więc uzyskania dubletu lub oktetu elektronowego

Elektrony umieszcza się na orbitalach wykazujących możliwą najniższą energię:

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 5d 4f 6p itd.

Konsekwencje struktury elektronowej:

Dla pierwiastków grup 1 i 2 jej numer określa liczbę elektronów walencyjnych, w przypadku grup 13 – 18 liczba ta wynosi nr grupy – 10

Numer okresu jest równy ilości powłok elektronowych

Liczba atomowa określa liczbę protonów (elektronów)

Liczbę neutronów wyznacza się z zależności:

n = A – Z

Promieniotwórczość

Pewne atomy, a ściślej mówiąc ich jądra, maja zdolność do spontanicznych rozpadów, przy czym na zewnątrz emitują pewne cząstki. Takie zjawisko jest znane jako promieniotwórczość. Ojcem tego zjawiska został ogłoszony francuski uczony Henri Becquerel. Odkrył je w 1896 roku, gdy podczas badania zjawiska fosforescencji przez przypadek włożył próbkę soli uranowej i nie wywołaną kliszę filmową. Współpracowali z nim Maria Skłodowska – Curie i jej mąż Piotr Curie, i za badania nad promieniotwórczością dostali nagrodę Nobla. Mimo, że wielu uczonych zajęło się tym zjawiskiem, odkrywano ciągle nowe pierwiastki, które promieniują, jednak jeszcze przez wiele lat nie wiedziano dokładnie, na czym ono polega.

Obecnie znamy trzy typy promieniotwórczości:

Promieniowanie alfa jest strumieniem trwałych cząstek, o takim samym składzie jak ma jądro pierwiastka helu, a więc posiada dwa neutrony oraz dwa protony;

Promieniowanie beta jest to przemiana jądrowa, a w zależności, jaka to jest przemiana możemy wyróżnić:

Promieniowanie b^- (beta minus), charakteryzuje się tym, iż do otoczenia są emitowane elektrony pochodzące z przeobrażenia neutronu w proton;

Promieniowanie b⁺ (beta plus), podczas przemiany protonu w neutron dochodzi do emisji tzw. pozytonu - antyelektronu; promieniowanie to jest cechą charakterystyczną dla sztucznych pierwiastkach promieniotwórczych, powstałych w wyniku reakcji jądrowych;

Promieniowanie gamma w przeciwieństwie do poprzednich typów promieniowania, ono nie jest uzależnione z przeobrażeniem się jąder (transmutacja) w nowe; promieniowanie g powstaje poprzez emisję promieniowania elektromagnetycznego, podobnego do promieniowania rentgenowskiego (X) czy też światła widzialnego, ale charakteryzującego się znacznie większą energią; może ono występować oddzielnie, ale także równocześnie z emisją promieniowania alfa i beta;

Na podstawie wieloletnich badań stwierdzono, że promieniotwórcze są naturalne pierwiastki należące do szeregu od polonu 84 do uranu 92, podczas ich rozpadu tworzą się także lekkie radioizotopy.

Promieniotwórcze izotopy emitują promieniowanie mające zdolność do jonizacji środowiska, przez które przechodzi, jest to tzw. promieniowanie jonizujące. Promieniowanie to charakteryzuje się tym, że podczas przechodzenia przez materię oddaje jej cząstką energię, w wyniku, czego powstają jony.

Wszystkie trzy rodzaje promieniowania posiadają cechy jonizacji materii. Promieniowanie alfa, beta i gamma przenikając przez materię, wybijają elektrony z jej atomów. Utrata elektronów powoduje, że atomy stają się cząstkami naładowanymi dodatnio, gdyż mają nadmiar liczby protonów względem elektronów. Gdy oderwany elektron połączy się z innym obojętnym atomem, powoduje nadmiar liczby elektronów a więc powstaje na nim ujemny ładunek. I tak na przykład przejście cząsteczki alfa przez materię tworzy się para jonów: atom naładowany ujemnie i atom naładowany dodatnio.

Jonizacja jest bardzo istotną cechą. Może ona spowodować, np. zmianę właściwości fizycznych takich jak przewodnictwo elektryczne. Napromieniowanie substancji mających cechy dobrego izolatora powoduje powstanie bardzo dobrego przewodnika. Zjawisko to jest wykorzystywane przy budowie urządzeń wykrywających emisję promieni jądrowych.

Poszczególne rodzaje promieniowania radioaktywnego mają różny zasięg: I tak cząsteczki alfa posiadają bardzo krótki zasięg wynoszący około 2,5 – 11,5 cm, a więc nawet nie są w stanie przeniknąć przez kartkę papieru. Cząsteczki promieniowania przechodząc przez materię zderzają się ze znacznie większymi cząsteczkami ośrodka i trącą bardzo szybko energię a wiec są coraz bardziej spowalniane aż do całkowitego zatrzymania, maksymalnie po kilkunastu centymetrach.

Promieniowanie beta posiada już znacznie większy zasięg i jest to około kilka metrów. Wynika z tego, że cząsteczki beta (elektrony) mają mniejszą zdolność jonizacji materii, a więc przy przejściu przez ośrodek tracą mniej energii, czyli ich przenikliwość w porównaniu z alfa jest znacznie większa. Strumień elektronów jest w stanie przeniknąć ok. 1cm w głąb tkanki organizmu żywego.

Zależnie od pierwiastka prędkość cząstek beta jest różna i waha się w zakresie 0,3 –0,99 prędkości światła. Natomiast cząsteczki alfa mają prędkość około 20 tys. km/s, czyli 1/5 prędkości światła.

Najsłabszą jonizację powoduje promieniowanie gamma. Ich działanie polega na wybiciu małej ilości elektronów, które to wybijają większą liczbę następnych elektronów, a więc następuje jonizacja kolejnych atomów materii.

Każde promieniowanie: alfa, beta, gamma można wykryć metodami rejestrującymi poziom właśnie wtórnych elektronów.

Jak już wspomniano promieniowanie a jest zatrzymywane już przez normalną kartkę papieru, promieniowanie b nie jest w stanie przechodzić przez blachę aluminiową, zaś promieniowanie g nie jest w stanie przeniknąć dopiero dość grubej płyty ołowianej.

Pierwiastki promieniotwórcze ułożone są w trzech szeregach:

Szereg uranowo-radowy (pochodzi od ²³⁸₉₂U)
Szereg torowy (pochodzi od ²³²₉₀Th)
Szereg uranowo-aktynowy (pochodzi od ²³⁵₉₂U)

Szeregi promieniotwórcze zakończone są trwałymi izotopami ołowiu. Pierwiastki radioaktywne mają określony okres półtrwania (t_0,5), czyli czas potrzebny do rozpadu połowy izotopów.

Izotopy

Izotopy zwane nuklidami są to atomy zawierające taką samą liczbę protonów – liczbę Z, ale odmienną liczbą masową, a wiec różnią się liczbą neutronów – liczba N. Pojęcie to zostało wprowadzone przez angielskiego uczonego Fredericka Soddyego. Izotopy tego samego pierwiastka różnią się nieznacznie masą atomową, a także mają bardzo podobne właściwości chemiczne. Jednak subtelna różnica masy atomowej wpływa na zmianę właściwości fizycznych takich jak np.: gęstość, temperatura wrzenia czy topnienia.

Przykładem jest atom chloru, posiada on dwa izotopy, charakteryzujące się zapisem:

³⁵₁₇Cl - izotopy mające liczbę Z równą 17 zaś liczbę A = 35 a więc N = 18
³⁷₁₇Cl - izotopy mające taką sama liczbę Z zaś liczbę A = 37 a więc N = 20

Innym przykładem jest wodór mający trzy izotopy:

¹H prot (najwięcej jest go w przyrodzie) - posiada jądro złożone z jednego protonu
²H deuter (jest około setnych części procenta) - posiadający jądro zbudowane z jednego protonu i jednego neutronu;
³H tryt (w przyrodzie występuje znacznie rzadziej niż deuter) - jego jądro składa się z jednego protonu i dwóch neutronów;

Zastosowanie izotopów

Metody datowania atomowego – wykorzystywanego w archeologii, geologii i mineralogii; polegająca na obserwacji zawartości konkretnych izotopów promieniotwórczych w porównaniu ze stabilnych;

najbardziej znaną jest metoda węgla ¹⁴C, zwana inaczej zegara izotopowego ze wskaźnikiem izotopowym węgla 14; opracowana W. F. Libby’ego (nagroda Nobla z chemii w 1960 roku); za pomocą tej metody można określić wiek materiału organicznego od 200 – 30000 lat (±30 lat); radioizotop węgla C14 charakteryzujący się czasem połowicznego rozpadu t_1/2 = 5730 lat powstaje cały czas w górnych warstwach atmosfery (stratosfera) w wyniku bombardowania atomów azotu ¹⁴N przez cząstki (protonów) promieniowania kosmicznego o wysokiej energii; jest on przyswajany wraz z węglem C12 przez organizm żywy, po śmierci urywa się wymiana węgla ze środowiskiem, w wyniku rozpadu jego stężenie w tkankach organicznych zanika; w celu stwierdzenia wieku danego materiału pochodzenia organicznego mierzy się w nim stosunek obu izotopów ¹⁴C / ¹²C

w mineralogii głownie jest wykorzystywana metoda ołowiowa, urnowo-ołowiowa oraz potasowo-argonowa,

od początku odkrycia izotopów stosowano je w medycynie; używa się ich w onkologii, neurologii czy też endokrynologii; pokazując każde patologiczne zmiany w organach. W kardiologii ułatwiają wykrycie zakrzepów albo stan niedokrwienia serca czy też określenie objętości krążącej krwi; jest to metoda dokładna i powtarzalna, dzięki czemu można sprawdzić wyniki operacji; izotopy głównie potasu ⁴¹K i technetu ⁹⁹Tc oraz gaz szlachetny ksenon ¹³³ Xe; są wstrzykiwane do organizmu a następnie poprzez detektory promieniowania można obserwować ich przebieg i ewentualne patologiczne zmiany; radioizotopy jodu znalazły zastosowanie w diagnostyce oraz leczeniu chorób tarczycy; część izotopów promieniotwórczych mające zdolność do przechodzenia do zakończeń nerwowych mogą powodować uśmierzenie bólu, np. w przypadku przerzutów nowotworu do kości;

tzw. izotopy cyklotronowe, które mogą się rozpadać po bardzo krótkim czasie, znalazły zastosowanie w medycynie nuklearnej; w badaniach biochemicznych używa się izotopy węgla, wodoru oraz fosforu;

Energia jądrowa

W wyniku rozszczepienia ciężkich jąder takich jak uran, pluton, polon, rad, tor, czy też z syntezy lekkich pierwiastków, takich jak lit, hel, jest uwalniana energia atomowa, zwana także energią wiązania jądrowego o bardzo dużej mocy. Rozszczepienie 1 gramu uranu daje tyle energii, co spalenie ponad 2 ton węgla. Taki podział jądrowy może być w pełni kontrolowane (np. w reaktorach węglowych), ale także w sposób niekontrolowany (broń jądrowa rozszczepieniowa oraz termojądrowa). Możliwość rozszczepienia jądra atomowego odkryto w 1938 roku, w wyniku tego prace nad uzyskaniem w ten sposób energii były wykonywane w wojskowych projektach badawczych podczas Drugiej Wojny Światowej, np. Manhattan Project a także podczas trwania tzw. zimnej wojny. Na podstawie tych przedsięwzięć oparła się w latach 50-tych inżynieria jądrowa, która jest działem techniki, zajmującym się metodami wybuchów jądrowych na powierzchni ziemi i ich wykorzystaniem, np. do tworzenia nowych sztucznych jezior, kanałów żaglowych, odwrócenie biegu rzek. Niestety szybko okazało się, że wyniku eksplozji jądrowych następuje silne skażenie opadem radioaktywnym dużego dość obszaru, oraz zachodzą olbrzymie zaburzenia w klimacie na całym globie.

Na obszarze skażonym, powstałym, np. przy poligonach atomowych, albo po awariach reaktorów jądrowych, wśród ludzi i zwierząt zachodzą częściej mutacje, zwiększona liczba wad genetycznych a także większa zachorowalność na nowotwory. Bardzo duże dawki promieniowania jonizującego mogą powodować śmierć organizmu. Typową chorobą, powstałą pod wpływem silnego napromieniowania jonizującego jest białaczka, nowotwór krwi. Innym schorzeniem jest choroba popromienna z następującymi objawami w zależności od wielkości napromieniowania: wymioty, biegunka, zaburzenia gospodarki elektrolitów, odwodnienie, porażenie mózgowe czy też śmierć.

Jeśli dawka promieniowania przekroczy 100 siwertów następuje szybka śmierć, zaś po dawce rzędu 3-4 s organizm wykańcza się powoli i umiera w przeciągu kilku tygodni.

Niestety energia jądrowa nie była zawsze wykorzystana w celu dostarczenia ludziom energii, ale została także użyta do produkcji broni masowego rażenia, tzw. broń jądrowa, inaczej atomowa. Broń taka, w formie bomb, pocisków artyleryjskich i min, może być transportowana przez samoloty wojskowe, rakiety. Jej olbrzymia moc polega na połączeniu tzw. fali uderzeniowej o wysokiej temperaturze, promieniowania cieplnego, przenikliwego oraz napromieniowania znacznych obszarów poprzez opad promieniotwórczy.

Zastosowanie promieniowania

Globalny opad promieniotwórczy, to jest skażenie promieniotwórcze całej kuli ziemskiej, wywołane poprzez testy broni atomowej, przeprowadzone w atmosferze w latach 1945 – 1962. Jest to jedyne źródło skażeń w Polsce do czasu zaistnienia awarii reaktora w Czarnobylu.

Dawka skuteczna, którą przeciętny człowiek otrzymuje w okresie całego życia w wyniku promieniowania pochodzącego z izotopów promieniotwórczych, czy też z globalnego opadu może wynieść około 4,5 mSv z tym, że połowa tej wielkości pochodzi od coraz większej koncentracji węgla C14.

Dzięki opadowi promieniotwórczemu powstałemu globalnie albo też poprzez awarie, zaczęto kłaść dość duże naciski na zagrożenie, wzmożono przedsięwzięcie środków bezpieczeństwa, oraz zaczęto naciskać na świadomość ekologiczną wielkich mocarstw.

Odkryty przez Marię Skłodowską izotop radu, nie jest w stanie się rozłożyć poprzez reakcje chemiczne, tylko w wyniku samorzutnego rozpadu o czasie połowicznego zaniku wynosi 1590 dni, (czas, w którym połowa innych ciał znika połowa). Pierwiastek radu emituje promieniowanie alfa, a więc cząsteczki o konfiguracji jak hel.

Izotop radu 226 znalazł już zastosowanie w farmaceutycznym i kosmetycznym przemyśle, w 1915 roku był znany jako środek wzmacniający. Stosowano ją również w maściach, czy też kremach odmładzających skórę. Niestety okazało się, że ten lek przynosi duże straty poprzez zaistnienie większej ilości nowotworów.

Izotopy jodu 131 używane są do badań tarczycy, pierwszy raz użyto je w 1931 roku i to zapoczątkowało powstanie oraz rozwój tzw. scyntygrafii. Metoda ta polega na tym, że obraz tkanek i narządów można uzyskać dzięki wprowadzonym radioizotopom. Obok jodu wykorzystywanymi pierwiastkami w tej metodzie to:

ksenon 133,
gal 67 – w obszarze w onkologii
krypton 85 - w obszarze mózgu;
selen 75 - w obszarze przytarczycy oraz kory nadnerczy;

Obecnie nadal wykonywane są badania scyntygraficzne i skutki uboczne powstałe z promieniotwórczości praktycznie są już wyeliminowane. I tak w trakcie badań pacjent jest narażony na 0.01 – 0.1 Gy, gdzie dopuszczalna dawka wynosi 0.15 do 1.25 Gy. Niestety trzeba uważać, jeśli badania są wykonywane wielokrotnie wówczas dawka ta może przekroczyć dany zakres.

Należy zawsze zwrócić uwagę na fakt, iż małe dzieci są bardziej podatne na promieniowanie, ale ich dopuszczalne dawki są mniejsze.

Sławni uczeni, którzy przyczynili się do poznania i zgłębienia zjawiska promieniotwórczości

Herni Becquerel - został okrzyknięty ojcem promieniotwórczości;

Maria Curie – Skłodowska i jej mąż Piotr Curie – dokonali odkrycia pierwiastków promieniotwórczych polonu i radu;

James Chadwick – jako pierwszy odkrył istnienie neutronu;

Irena Joliot-Curie i jej mąż Fryderyk Joliot - stwierdzili, że jądra niektórych pierwiastków pod wpływem promieniowania cząstkami przeobrażają się w inne;

Ernest Rutherford badał zjawisko promieniotwórczości; przedstawił historyczny model atomu;

Niels Bohr - badał zjawisko promieniotwórczości; zapoczątkował rozwój mechaniki kwantowej;

Od momentu, gdy Maria i Piotr Curie zaczęli zajmować się zjawiskiem promieniotwórczości i jako pierwsi odkryli pierwiastki promieniotwórcze, uczeni całego świata skierowali swoje wysiłki w stronę poznania przemian pierwiastków. Głównym problemem tej analizy było pytanie, w jaki sposób zbudowane są atomy, jakie są ich elementarne cząstki i jak są one rozmieszczone. Na to pytanie częściowo odpowiedzieli w 1911 roku badacze Ernest Rutherford i Niels Bohr.

Badanie zjawiska promieniotwórczości skierowano także na jądro atomu, co pomogło zgłębić jego naturę. A do tego w bardzo dużym stopniu przyczyniła się nasza fenomenalna uczona Maria Skłodowska ‑ Curie.

MARIA SKŁODOWSKA - CURIE (ur. 1867 – zm. 1934 roku)

Była to wybitna polska uczona w dziedzinie fizyki i chemii, żyła i pracowała we Francji, została pierwszym profesorem – kobietą na uniwersytecie Sorbony, doktorantka prof. Herni Becquerel, wyszła za mąż za francuskiego uczonego Piotra Curie i wraz z nim dokonała odkrycia pierwiastków promieniotwórczych: radu oraz polonu; dwa razy otrzymała Nagrodę Nobla:

po raz pierwszy w 1903 roku wraz z mężem oraz Becqurelem: z dziedziny fizyki za badania nad zjawiskiem promieniotwórczości naturalnej;
po raz drugi w 1911 roku, już sama z dziedziny chemii za odkrycie czystego radu;

Od epokowego odkrycia zjawiska promieniowania pierwiastków, badacze poznawali drobiazgowo mechanizmy i prawa promieniotwórczości oraz jej przemian. Dodatkowo nauczono się wykonywać sztuczne rozpady jąder pod wpływem promieniowania. Właśnie tego wspaniałego odkrycia dokonała, wraz ze swoim mężem Fryderykiem, Irena Curie – Joliot, córka Marii Skłodowskiej Curie, w 1934 roku.

Od momentu jak nauczono się rozkładać atomy, zaczęto tworzyć nowe sztuczne atomy, poprzez łączenie się neutronów, protonów oraz elektronów; te nowo stworzone pierwiastki nie są spotykane w przyrodzie. Dzięki tym epokowym odkryciom człowiek mógł wejść i poznać świat atomów i pierwiastków.

W laboratoriach sztucznie otrzymano, a więc nie występujących w przyrodzie, 13 pierwiastków, tzw. transuranowych albo pozauranowych, czyli pierwiastków o liczbach atomowych większych od 92 uranu. Atomy tych pierwiastków posiadają liczby atomowe z zakresu 93 - 105, a więc większą liczbę protonów w porównaniu z pierwiastkami naturalnymi. W tej dziedzinie duże zasługi ma Amerykanin Seaborg.

Przy okazji zjawiska promieniotwórczego rozszczepienia jąder atomowych, odkryto nowe bardziej wydajne źródło energii. Odkrycie to przyniosło za sobą największe skutki XX wieku. Stwierdzono wówczas, że masa jest to jeden z rodzajów energii i w wyniku ubytku masy następuje wydzielenie energii. To zjawisko zmniejszenia masy danej substancji w wyniku wydzielania energii jest znane jako defekt masy.

Defekt masy jest opisany tzw. prawem równoważności masy oraz energii, opisanym przez genialnego uczonego Alberta Einsteina w 1905 roku. Jest to prawo matematyczne, opisane równaniem:

E = m*c²

przy czym E jest to energia [J] - dżul

m to masa [kg] - kilogram

c to prędkość światła [m/s] – metr na sekundę

Dzięki temu równaniu można obliczyć, że 1 g materii przemienia się w energię o wartości 9*10¹⁴ J, jako ciekawostkę należy przytoczyć przykład, że spalenie całkowite 1g węgla dostarcza energii jedynie 3,06*10³ J, czyli jest to około 30 miliardów razy mniejsza wartość.

Właśnie taki ubytek masy wypromieniowany w postaci energii zachodzi podczas przemian izotopów promieniotwórczych wywołanych przez człowieka.

Promieniotwórczość oraz zastosowanie promieniowania do tworzenia broni masowego rażenia oraz do tworzenia czystej energii atomowej przyczyniły się w znacznym stopniu do olbrzymiego rozwoju nauki i świata, ale także przyniosły wielkie obawy i zagrożenia dla pokoju na świecie.