Promieniotwórczość

Rozróżnia się promieniotwórczość naturalną i sztuczną.

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ NATURALNA – wysyłanie promieniowań alfa a, beta β, gamma γ przez izotopy, które występują w przyrodzie. Pierwiastki promieniotwórcze stanowią źródło tzw. naturalnego tła promieniotwórczego. Obejmują one pierwiastki, o czasie połowicznego rozpadu  porównywalnym z czasem życia Ziemi. Do najważniejszych można zaliczyć izotopy uranu U i toru T o czasach połowicznego zaniku rzędu 108-1010 lat, które tworzą naturalne szeregi promieniotwórcze oraz izotop potasu 40K.

Pierwiastki promieniotwórcze

Pierwiastki, których atomy samorzutnie rozpadają się emitując przy tym cząstki lub promienie, nazywamy promieniotwórczymi. Każdy pierwiastek promieniotwórczy staje się po rozpadzie innym pierwiastkiem, który często z kolei rozpada się dalej. Rozpadowi promieniotwórczemu towarzyszy wydzielanie się ciepła z pierwiastka, którego temperatura jest zawsze wyższa od temperatury otoczenia. Pierwiastki promieniotwórcze są także źródłami światła, wprawdzie nikłego, jednak dostrzegalnego w ciemności. Niektóre z nich wydzielają gazy szlachetne jako produkty rozpadu. Pochodzące od danego pierwiastka produkty procesu promieniotwórczego są najczęściej również źródłami dalszego promieniowania; grupę takich pierwiastków, stale się rozpadających i przechodzących w inne pierwiastki aż do pewnego końcowego produktu już niepromieniotwórczego, nazywa się rodziną pierwiastków promieniotwórczych. Znane są cztery rodziny naturalnych pierwiastków promieniotwórczych, których nazwy pochodzą od pierwiastków macierzystych: torowce, neptunowce, uranowce i aktynowce.

URAN – jest to rodzaj promieniotwórczego, metalicznego  pierwiastka należącego do rodziny aktynowców. Pierwiastek ten został określony mianem promieniotwórczego po raz pierwszy przez francuskiego fizyka Henriego Becquerela w roku 1896.  Znane są trzy formy krystaliczne uranu. Jako radioaktywny pierwiastek rodziny aktynowców jest zdolny do tworzenia wielu związków, które z reguły odznaczają się dużą nietrwałością.  Ze stopni utlenienie znane są cztery: trzeci, czwarty, piąty i szósty. Natomiast jeśli chodzi o izotopy to do tej pory poznano izotopy uranu o masach atomowych z przedziału od 222 do 242. Pochodzący z naturalnego środowiska uran, który jest czystym pierwiastkiem występuje pod postacią trójki izotopów: pierwszy  z nich nierozszczepialny 238U występuje w 99%, kolejno rozszczepialny 235U występujący w ilości ok. 1%, znane są również śladowe ilości 234U. Można także otrzymywać sztuczne izotopy uranu.  Nie do końca poznano pochodzenie ziemskiego uranu. Zdaniem badaczy uran mógł powstać na skutek z rozpadu superciężkich jąder, wchodzących niegdyś  w udział  materii budującej Układ Słoneczny. Ze względu na promieniowanie uran i jego związki zaliczane są do wysoce niebezpiecznych. Uran jako metal w naturze obecny jest w postaci związków. W porównaniu z rtęcią, antymonem czy srebrem  jest pierwiastkiem bardziej rozpowszechnionym w przyrodzie. Tradycyjne metody uzyskiwania uranu  polegają na miażdżeniu blendy uranowej, którą następnie miesza z kwasem azotowym czy siarkowym. Pod koniec dodaje się gorący roztwór sody kaustycznej, co powoduje wytrącanie się uranu. W niektórych krajach jak np. w Japonii uran uzyskiwany jest z wody morskiej.

Uran jako pierwiastek nie posiadał  większego znaczenia technicznego, zanim nie odkryto jego właściwości rozszczepiających. Głównym jego zastosowaniem dawniej było wyzyskiwanie uranu do  barwienia szkła.  Był również okres, kiedy uran zyskał znaczenie strategiczne, mianowicie podczas trwania drugiej wojny światowej, stał się obiektem zdolnym do utworzenia bomb o niespotykanej sile niszczenia. Jednak aby wyprodukować bombę, należy dysponować rozszczepialnym izotopem uranu 235U. Do produkcji bomb atomowych konieczny jest rozszczepialni izotop 235U. militarnych czasach dzisiejszych militarnych służbach militarnych jest dość powszechnie zastępowany plutonem. Uran służy także jako substrat do wytwarzania energii elektrycznej, metodą kontrolowanego rozpadu łańcuchowego, jest on bardzo wydajnym źródłem energii, zastosowaniach jednego kilograma uranu można wyprodukować energię odpowiadającą energii powstałej zastosowaniach tysięcy ton węgla. Innym zastosowaniem reaktorów atomowych jest wyzyskiwanie ich  do napędzania statków, co jest niejednokrotnie stosowane  w krajach rozwiniętych. Kolejnym elementem zastosowania uranu, a mianowicie jego nierozszczepialnego izotopu ²³⁸U jest wyzyskiwanie go do produkcji rozszczepialnego plutonu, jest także czynnikiem datującym izotopowo wiek starych skał.

Skorupa ziemska złożona jest z około sześćdziesięciu jąder stanowiących naturalne jądra  promieniotwórcze. Nierzadko występują też lokalne zwiększone skupiska niektórych naturalnych jąder promieniotwórczych  zwłaszcza na obszarach  związanych z działalnością człowieka, a więc na obszarach silnie zmienionych antropogenicznie.

Poziom naturalnego tła promieniotwórczego na dowolnym terenie może się zmieniać, ze względu na wydobywanie różnego rodzaju paliw, a co z tym związane magazynują się odpady zawierające niektóre pierwiastki promieniotwórcze, pierwiastków to one mają wpływ na poziom naturalnego tła promieniotwórczego. Jako typowe odpady kopalniane przy procesie wydobywania węgla, pojawiają się również spore ilości zasolonych wód dołowych, zawierających niejednokrotnie izotopy pierwiastków promieniotwórczych, a mianowicie izotop Radu 226Ra, który stanowi silnie toksyczny emitor promieniowania alfa. Te odpady kopalniane są wypompowywane na powierzchnię i są dalej transportowane w postaci rozpuszczonej, co powoduje zanieczyszczenia wód gruntowych i wszelkich powierzchni. Wytrącają się także siarczany składowane na dnie zbiorników, mających za zadanie oczyszczanie tworzonych przez kopalnie wód kopalnianych z zanieczyszczeń stałych. Duże ilości radu można także odnaleźć w popiele, żużlu, dlatego należy je magazynować na specjalnie do tego przygotowanych miejscach, zwanych hałdami, gdyż stanowią materiał, którego nie można dalej wykorzystywać. Jednakże są one używane w drogownictwie, kolejnictwie, z nich usypywane są wały przeciwpowodziowe oraz produkowane materiały budowlane mogące być przyczyną podwyższonej mocy dawki promieniowania w bezpośrednim otoczeniu człowieka.

Radioaktywność, czyli inne określenie promieniotwórczości oznacza, że jądra atomowe ulegają procesom samorzutnej przemiany, prowadzącej do w inne jądro, procesowi temu towarzyszy emisja promieniowania alfa, beta lub gamma.

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ SZTUCZNA – wysyłanie promieniowań alfa a, beta β, gamma γ przez izotopy, które zostały otrzymane na drodze sztucznej. Otrzymać sztucznie pierwiastki można na różnych drogach. Pierwszej takiej  sztucznej przemiany dokonał Rutherford w roku 1919, kiedy to  poddał gazowy azot pod działanie strumienia cząstek alfa a, przez co uzyskał tlen i wodór.

Krótko ¹⁴N (a, p) ¹⁷O ( w nawiasie zapisujemy symbol cząstek bombardujących jądro i po przecinku cząstki symbol cząstki wybitej).

W 1934 roku F. i I. Curie wywnioskowali, że pod wpływem bombardowania cząstkami a powstaje izotop promieniotwórczy, który można również otrzymać bombardując tarczę z materiału, który ulega przemianie, przy pomocy strumienia naładowanych cząstek, które są  przyspieszane wysokim napięciem elektrycznym, innym sposobem jest także  działanie neutronami na materiał nieaktywny przy zastosowaniu źródła neutronów, lub też poprzez umieszczenie próbki w kanałach  reaktorze jądrowym. Dla odróżnienia promieniotwórczości sztucznej od naturalnej podaje się sposób otrzymywania substancji promieniotwórczej, jako że część izotopów promieniotwórczych występujących w skorupie ziemskiej można dodatkowo uzyskać sztucznie.

Zastosowania medyczne

W żywej tkance biologicznej zachodzą relacje pomiędzy różnego typu promieniowaniem jądrowym a materią. Z przebiegiem procesów zachodzących w komórkach związane jest zjawisko jonizacji atomów materii pod wpływem działania cząstek naładowanych. W zależności od rodzaju i intensywności promieniowania następuje może nastąpić uszczerbek lub całkowita destrukcja komórek albo modyfikacje elementach będących odpowiedzial­nymi za nadawanie cech komórkom podczas podziałów (mówimy tutaj o zmianach genetycznych).

Stąd możemy wnioskować o niebezpieczeństwie promieniowania wobec żywych istot.  Zdarzyło się zaraz po odkryciu promieniotwórczości, wskazanie na wyzyskiwanie promieniotwórczości w różnych dziedzinach medycyny. Do dzisiejszych czasów zachowały się ważne i cenne wykorzystania promieniowania do degradacji komórek rakowych, stosowane w terapii zwanej radioterapią nowotworową. Oprócz tego zdarzyły się także oszustwa, polegające na reklamowaniu cudownych kremów z radem, mających zapewnić wspaniałą cerę.

Należy uzmysłowić sobie, że rodzaj i energia promieniowania zastosowanego do terapii nowotworowej jest zależna od zależy od rozmiarów i lokalizacji nowotworu. Promieniowanie degradacji nowotworów skóry, promieniowanie wówczas absorbowane jest jako całość w chorobowo zmienionym  miejscu.  Natomiast promieniowanie o wyższej energii należy zastosować w przypadku, kiedy nowotwór zlokalizowany jest głębiej, związane jest to z drogą jaką musi przebyć to promieniowanie przez zdrową tkankę, poprzedzające zniszczenie chorobowo zmienionego miejsca. W tym przypadku najlepsze zastosowanie mają ciężkie cząstki o zasięgu tak dobranym, aby zadziałały konkretnie na chorobowo zmienione miejsce,  gdzie zjawisko jonizacji zachodzi najsilniej. Jednakże powoduje to uszkodzenie także zdrowej tkanki, przez którą przechodzi promieniowanie. Dlatego najlepszym rozwiązaniem będzie stosowanie małych źródeł promieniowania, mogących zostać umieszczonymi bezpośrednio w rakowo zmienionym miejscu. Znane są też metody, w których płynny preparat zawierający jądra promieniotwórcze zostaje umieszczony w odpowiednim miejscu, przy zastosowaniu zastrzyku lub też uczestniczą tutaj procesy biologiczne organizmu.

Radioterapia to nie jedyne zastosowanie medyczne promieniowania jąder izotopowych. Izotopy promieniotwórcze wyzyskiwane są także przy badaniach różnych przebiegów  mających miejsce w organizmach a także stosowane przy rozpoznawaniu różnego typu schorzeń i uszkodzeń.

W aparatach rentgenowskich wytwarza się promieniowa­nie elektromagnetyczne, posiadające częstotliwość znacznie większą niż częstotliwość światła widzialnego. Przenikając przez organizm promieniowanie to powoduje zaczernienie klisz fotograficznych, w ten sposób powstaje zdjęcie rentgenowskie ukazujące wnętrze ciała człowieka i powstałe chorobowo zmienione miejsca. Izotopy promieniotwórcze wysyłające promieniowanie z wnętrza organizmu dostarczają bardziej precyzyjne informacje na temat powstałych zmian, kiedy to zostają zarejestrowane przy pomocy specjalnych detektorów, wyjściu poza organizm.

Otrzymywane są cenne informacje które pokazują rozchodzenie się w organizmie substancji, zmodyfikowanej poprzez zmieszanie z  izotopem  pro­mieniotwórczym. Możliwa jest więc  bezpośrednia rejestracja szybkości prze­mieszczania się izotopu z krwiobiegiem czy też w układzie pokarmowym. Umożliwia to zbadanie prawidłowego działania organów wewnętrznych bądź też szczelność zastawek, zbadanie żołądka i nerek pod katem właściwego trawienia, czy filtrowania pokarmu i napojów. Wyzyskiwane są w tym przypadku tak słabe źródła promieniowania, nie uszkadzające zdrowych miejsc, podczas przechodzenia przez tkanki.  Oprócz promieniowania jonizującego niszczący wpływ na tkanki żywe posiadają także cząstki neutralne, jak fotony i neutrony, które powodują wybicie z atomów materii cząstek nałado­wanych, powodując powstawanie podobnych reakcji. Nie ulega wątpliwości istnienie niebezpieczeństwa związanego z napromieniowaniem ludzi.

Stosunek energii przekazywanej do tkanki przez promieniowanie do jej masy stanowi miarę dawki promieniowania. Wyrażona jest w jednostkach grej - l Gy = l J/kg. Nie wspomina się tutaj o wszystkich biologicznych aspektach napromieniowania, związanych z rodzajem użytego promieniowania i jego energią, stąd zaproponowano biologiczną dawkę promieniowania, będącą iloczynem dawki i współczynnika skuteczności biologicznej, o wartościach od jedności (przypisywanej promieniowaniu γ o niskich energiach) do 10 (wartości przypisywana szybkim neutronom). Gdy mówmy o dawce biologicznej stosujemy jednostki siwerty (Sv). Podczas jed­norazowego napromieniowania dawka śmiertelna dla człowieka wynosi oko­ło 7 Sv. Trudno natomiast ustalić dawkę bezpieczną, co jest spowodowane różnicami w naturalnej promieniotwórczości na różnych terenach Ziemi, różnice te mogą nawet wynosić 100. Przyjmuje się zatem w różnych krajach różne dopuszczalne dawki. Jednakże nie dopuszcza się przekroczenia kilku milisiwertów miesięcznie.

Osoby mające na co dzień kontakt z podwyższonym promieniowaniem muszą dokonywać kontroli ciągle, sprawdzając czy nie zostali nadmiernie napromieniowani. Zaopatrzeni zostają w urządzenia, tzw. dozyme­try - do mierzenia dawek promieniowania, posiadają je osoby pracujące w laboratoriach czy fabrykach, gdzie mają kontakt  z promieniowaniem. Pomiary dozymetryczne dokonywane są nieustannie, sygnalizując ewentualne skażenie radioaktywne na terenie kraju.