W dawnych czasach, kiedy to praktykowano jeszcze alchemię, wiele osób zajmujących się substancjami chemicznymi, próbowało na różne sposoby przemienić żelazo w złoto. Jednak nie udało się to. Potem powstała hipoteza istnienia pierwiastków, fundamentalnych substancji występujących w naturze, z których stworzone są wszystkie inne substancje złożone. Przy czym twierdzono, że pierwiastki są niepodzielne. Jednak jak się potem okazało tak nie jest. Jedną z konsekwencji podzielności pierwiastków i ich atomów jest występowanie zjawiska promieniotwórczości. Otóż promieniowanie radioaktywne polega na oderwaniu się pewnych części jąder atomów pierwiastka, wskutek czego powstaje strumień określonych cząstek, który jest w skrócie nazywany promieniowaniem radioaktywnym. Promieniowanie także może istnieć w postaci fal elektromagnetycznych, wtedy to nie kawałki atomów są emitowane, ale ich energia w postaci fotonów. Na skutek promieniowania korpuskularnego, czyli takiego gdzie emitowane są cząstki obdarzone masą, atom który dokonuje emisji rozpada się i staje się innym pierwiastkiem lub izotopem.

W przyrodzie występują pierwiastki trwałe jak i promieniotwórcze. Istnieją także odmiany pierwiastków różniące się od siebie liczbą neutronów, nazywane są izotopami. Praktycznie wszystkie pierwiastki mają swoje izotopy, które także mogą być trwałe lub nie trwałe i być źródłami promieniowania. Takie naturalne pierwiastki i izotopy promieniotwórcze są źródłami promieniowania alfa, lub beta. W niektórych przypadkach dochodzi nawet do jednoczesnej emisji przez źródło promieniowania alfa i beta.

Sam rozpad promieniotwórczy jest zjawiskiem, w którym nie możliwym jest dokładne określenie czasu rozpadu pojedynczego jądra. Jednak charakteryzuje się różnego rodzaju pierwiastki promieniotwórcze podając ich czas połowicznego rozpadu. Wielkość ta opisuje czas, po którym połowa danej ilości pierwiastka ulegnie rozpadowi. Przy czym czas ten w żaden sposób nie zależy od jakichkolwiek czynników zewnętrznych, a jest tylko i wyłącznie związany z wewnętrzną budową danego jądra atomowego.

Jeśli spojrzeć w przeszłość, to można zauważyć, że zjawisko promieniotwórczości naturalnej zostało odkryte w 1896 roku. Wtedy to jako pierwsi je odkryli i opisali Becquerel, oraz małżeństwo Curie. Jednak jeszcze dużo czasu upłynęło zanim zjawisko zostało dokładnie opisane i wyjaśnione. Najciekawsze natomiast jest to, że odkrycie zjawiska promieniowania pierwiastków, nastąpiło jeszcze zanim dokładnie określono strukturę atomu, a także zanim stwierdzono istnienie jądra atomowego.

Czasami pada określenie promieniotwórczości sztucznej, co jest raczej określeniem nieprawdziwym. Sam proces promieniotwórczości, jest czymś jak najbardziej naturalnym. Jednak można wytworzyć izotopy pierwiastków które nie występują w przyrodzie, a które będą źródłami promieniowania. Najczęściej w przypadkach takich izotopów promieniotwórczych wytworzonych w sposób "sztuczny" mamy do czynienia z promieniowanie beta +, a w przypadku izotopów "naturalnych" z promieniowaniem beta -. Jeśli chodzi o promieniowanie beta +, to jest to emisja pozytonów i towarzyszących im neutrin, natomiast w przypadku promieniowanie beta -, mamy do czynienie z emisją elektronów i towarzyszących im antyneutrin.

Człowiek z biegiem czasu, nauczył się coraz szerzej wykorzystywać promieniowanie. Wykorzystuje się je np. jako swoistego rodzaju wskaźniki, przy czym korzysta się tutaj z niezmienności właściwości chemicznych izotopów trwałych czy nietrwałych. Jeśli wprowadzimy taki nietrwały izotop do obiektu który chcemy przebadać, nie spowoduje to żadnych zmian w jego budowie wewnętrznej. A z drugiej strony dzięki promieniowaniu bardzo łatwo wykryć i znaleźć taki znacznik. Prowadzi to do wykorzystania takich znaczników w śledzeniu przebiegu różnych procesów. Wykorzystuje się je min. w badaniu działania określonych leków na organizm ludzki, a także podczas wykrywania wszelkich nieszczelności zapór wodnych. Promieniowanie jak wiemy bywa także niebezpieczne ponieważ może prowadzić do zniszczenia komórek. Jednak i ten fakt został także wykorzystany z korzyścią dla ludzkości. Promieniowanie jest bowiem także używane do niszczenia komórek nowotworowych. Wtedy jednak jest stosowane promieniowanie o znacznej energii.

Same izotopy promieniotwórcze, mogą być także wykorzystywane jako specyficzne źródło energii. Co prawda charakteryzuje się ono małą intensywnością, jednak może znaleźć zastosowanie jako swoistego rodzaju akumulator na różnego rodzaju satelitach, czy w świetlnych znacznikach oznaczających drogę kabla położonego pod wodą.

Wpływ promieniowania na człowieka

Od momentu kiedy człowiek zdał sobie sprawę z tego, czym naprawdę jest promieniowanie, nieustannie się mów o jego szkodliwości na zdrowie człowieka. Powstają zastępy ekologów, którzy walczą z każdą próbą wybudowania elektrowni jądrowej, czy innego urządzenia wykorzystującego i emitującego promieniowanie. W ogólnej świadomości istnieje tylko obraz promieniowania szkodliwego, takie jakie jest emitowane w przypadku wybuchu bomby atomowej, lub awarii elektrownii jądrowej.

W przypadku bomby atomowej wydzielane są ogromne ilości energii powstającej na skutek rozszczepienia ciężkich jąder ( np. uranu neptunu, czy plutonu). W czasie wybuchu powstaje potężna fala uderzeniowa, która niesie ze sobą ogromne zniszczenia. Niesie ze sobą także olbrzymie ilości promieniowania jonizującego i materiału promieniotwórczego, co prowadzi do wieloletniego skażenia terenu. Niektóre kraje od czasu do czasu przeprowadzają tzw. próby jądrowe w czasie których testują bomby atomowe. Po wybuchu teren na którym odbywały się takie próby, całkowicie nie nadaje się do użytkowania. Cała faunaflora żyjąca na nim dotychczas praktycznie w całości wymiera. Źródłem zniszczeń mogą być także awarie elektrowni jądrowych, jak to miało w przypadku elektrowni jądrowej w Czernobylu na Ukrainie, gdzie w 1986 roku doszło do wybuchu reaktora jądrowego. Do atmosfery wówczas zostały uwolnione olbrzymie ilości szkodliwych pierwiastków promieniotwórczych w wyniku czego skażeniu uległa oprócz samej Ukrainy, także Białoruś, Polska, a także inne kraje Europy. Doprowadziło to do powstania wielu chorób u ludności.

Obawę także budzą inne urządzenia wykorzystujące w tak dużym stopniu energię jądrową. Są to np. okręty podwodne napędzane napędem atomowym, czy rakiety wyposażone w głowice jądrowe, które ponoć składowane są na dnie oceanu.

Oddziaływanie promieniowania jonizującego na organizmy żywe jest ściśle związane z jego bezpośrednim wpływem na komórki. W przypadku gdy promieniowanie jonizujące będzie oddziaływać na komórki zawierające materiał genetyczny, może dojść do fatalnych skutków. Najbardziej narażone na działanie promieniowania są komórki szybko rozmnażające się, ponieważ jeśli jedna komórka zostanie poważnie uszkodzona to komórki powstałe z niej także mogą narodzić się jako uszkodzone. Na szczęście komórki posiadają zdolność regeneracji, dzięki czemu zanim powstaną nowe komórki z komórki uszkodzonej ona sama może się naprawić.

Tak więc w przypadku kontaktu promieniowania jonizującego z materiałem komórkowym mamy do czynienia z następującymi skutkami i efektami:

- może dojść do całkowitego zniszczenia komórki, wskutek którego nie będzie ona mogła spełniać już swoich dotychczasowych funkcji

- komórka można stracić swoje zdolności do reprodukcji, jednak ona sama nadal będzie działać

- zostanie uszkodzony materiał genetyczny znajdujący się w komórce

Jednak człowiek nauczył się wykorzystywać promieniotwórczość w pożyteczny sposób. Powstało mnóstwo urządzeń, które działają dzięki istnieniu promieniotwórczości. Oto kilka z nich:

Zegar atomowy

Innym bardzo użytecznym przykładem wykorzystania zjawiska promieniotwórczości są zegary atomowe. Pomiar czasu w takim zegarze opiera się na rejestracji połowicznego rozpadu danej substancji promieniotwórczej. Czas takiego rozpadu jest ściśle określony i nie zależy od żadnych czynników zewnętrznych, tak, więc staje się idealną jednostką czasową. Fakt ten także został wykorzystany w archeologii, gdzie mierzy się zawartość izotopów węgla C14 i C12. Pierwszy z nich jest izotopem trwałym, natomiast drugi podlega zjawisku promieniowania, przez co jego ilość zmienia się z biegiem czasu. To w zestawieniu z faktem, że w każdym organizmie żywym, ilość tych dwóch izotopów jest taka sama, daje nam doskonałą metodę pozwalającą na określenie wieku danego materiału.

Promieniowanie X - promieniowanie rentgenowskie.

Promieniowanie rentgenowskie, także określane jako promieniowanie X. Jest to promieniowanie elektromagnetyczne, wysokoenergetyczne o długości fali z zakresu 0,1 pm do ok. 50 nm. Zakres ten mieści się pomiędzy promieniowaniem ultrafioletowym a promieniowaniem gamma, które po części pokrywa się z dolną granicą promieniowania rentgenowskiego. Skoro promieniowanie gamma to też promieniowanie elektromagnetyczne, to, na czym polega różnica pomiędzy nimi. Otóż promieniowanie gamma, jak już wspomniano wynika z przejść energetycznych jądra atomowego. Natomiast promieniowanie rentgenowskie wynika z przejść elektronów pomiędzy powłokami - zmiany energetycznych stanów elektronów, a konkretniej przechodzeniu elektronów do niższych poziomów energetycznych. W wyniku takich przejść następuje emisja powstałej nadwyżki energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego - fotonów. Jeśli chodzi o widmo energetyczne takiego promieniowania, to może mieć ono charakter ciągły, oraz dyskretny. Rozkład dyskretny energii promieniowania rentgenowskiego, wynika ze ściśle określonych poziomów energetycznych, a co za tym idzie ściśle określonych energii emitowanych fotonów:

hω= E­i - Ef

gdzie h oznacza stałą Plancka, ω oznacza częstość promieniowania emitowanego, a E­i , Ef odpowiednio energię poziomu energetycznego wyższego, oraz energię poziomu energetycznego niższego, pomiędzy którymi elektron przechodzi. Natomiast ciągłe widmo energetyczne powstaje na skutek promieniowania hamowania.

Obecnie promieniowanie rentgenowskie oprócz tego, że jest szeroko wykorzystywane w medycynie, to także znalazło zastosowanie w badaniach nad strukturą materii - tzw. rentgenowska analiza strukturalna, oraz w badaniach dotyczących pierwiastkowego składu chemicznego substancji - tzw. rentgenowska analiza widmowa. Wykorzystanie promieniowania rentgenowskiego w medycynie opiera się na fakcie, że tkanka kostna znacznie lepiej pochłania promieniowanie rentgenowskie niż pozostałe tkanki człowiek, przez co na kliszy fotograficznej w miejscach gdzie dotarła mniejsza ilość promieniowania widoczne są białe ślady odwzorowujące strukturę kości człowieka.

Broń jądrowa

Opadające na ziemie pyły promieniotwórcze, spadają również pod postacią opadów powstające głównie podczas wybuchów bomb jądrowych, są groźne dla środowiska i organizmów w nim żyjących, ponieważ wraz z wodą deszczową spływają do rzek, mórz i oceanów powodując zatrucie środowiska wodnego. Eksplozje jądrowe wytwarzają zarówno bezpośrednie jak i opóźnione w czasie skutki destrukcyjne. Efekty bezpośrednie powodują poważne zniszczenia w ciągu sekund lub minut po wybuchu nuklearnym. Efekty opóźnione (opad radioaktywny oraz inne efekty środowiskowe) działają przez dłuższy okres- począwszy od godzin, aż do wieków- oraz mogą spowodować straty nawet na obszarach bardzo oddalonych od miejsca detonacji. Istnieją trzy kategorie efektów bezpośrednich: fala uderzeniowa, radiacja cieplna(termiczna) oraz promieniowanie jonizujące. Ich relatywne znaczenie zmienia się w zależności od siły eksplozji bomby. Przy małych ładunkach wszystkie trzy mogą być znaczącym źródłem zniszczeń. Przy sile około 2,5kt te trzy efekty są sobie równe- są zdolne do dokonywania znacznych zniszczeń na odległości 1 km. 20 megatonowa bomba może spowodować poparzenia trzeciego stopnia w odległości 40km, gdzie fala uderzeniowa może co najwyżej wybić szyby i spowodować drobne straty. Zniszczenia Hiroszimy i Nagasaki wywołane bombardowaniem atomowym były o jeden lub dwie wielkości większe, niż te spowodowane konwencjonalnymi nalotami dywanowymi na inne japońskie miasta. W tych dwóch miastach zginęło 200000 ludzi. Jest to ważne, ponieważ bomby te zadały tak poważne straty w ludności i budynkach momentalnie i bez żadnego ostrzeżenia- dokonując tego przy pomocy trzech efektów. Z tego powodu powszechne obrażenia były natychmiastowe i bardzo dużo ludzi było niezdolnych do ucieczki z ogarniętych pożarami, nagle zrujnowanych miast. W porównaniu do tego konwencjonalne rajdy bombowe spowodowały kilka bezpośrednich zniszczeń, a godziny mijające od rozpoczęcia nalotu do czasu, gdy pożary ogarniały wszystko, umożliwiały ludności ucieczkę. Zasadniczym opóźnionym efektem eksplozji jądrowych jest wyprodukowanie dużych ilości materiałów promieniotwórczych o dużym okresie półrozpadu. Głównym źródłem tych produktów są resztki pozostałe po reakcji rozczepienia. Znaczącym drugorzędnym źródłem jest absorpcja neutronów przez nie radioaktywne izotopy zarówno z bomby jak i środowiska zewnętrznego. Proces rozszczepienia atomów może przebiegać na około 80 różnych sposobów, w których powstać może około 80 różnych izotopów. Różnią się one zasadniczo właściwościami fizycznymi- w tym trwałości- niektóre są całkowicie stabilnie podczas gdy inne mają okresy półrozpadu rzędu części sekundy. Rozpadające izotopy mogą pozostawić po sobie inne stabilne lub niestabilne izotopy. Promieniowanie cieplne, fala uderzeniowa czy promieniowanie jonizujące jest stała niezależnie od mocy eksplozji, jednak zmienia się dramatycznie w zależności od otoczenia.

Energetyka jądrowa

Jako, że paliwa kopalne nie będą nieskończenie wydobywane z Ziemii i wkrótce skończą się ich zasoby, powstają inne sposoby otrzymywania energii. Najbardziej przyszłościową metodą tutaj, jest wykorzystywanie energii jądrowej. Człowiek w tym wypadku wykorzystuje energię jądrową, jaką posiada każdy atom. Energia jądrowa jest źródłem wszelkich procesów obserwowanych we Wszechświecie. To min. dzięki niej gwiazdy świecą. Sposób jej otrzymywania opiera się na fakcie, iż podczas rozszczepienia jądra atomu, uwalniana jest energia, która utrzymywała całe to jądro w całości. Energia ta jest ogromna i może zostać wydzielona w postaci ciepła, które z kolei można wykorzystać do innych celów, co się robi w elektrowniach jądrowych. Jednak nie wszystko tak pięknie wygląda. Otóż w wypadku rozszczepienia jądra atomowego, powstają dwa inne jądra. Jądra te najczęściej są jądrami pierwiastków promieniotwórczych, które dla człowieka są wysoce szkodliwe. Pierwiastki tak powstałe, są określane mianem odpadów promieniotwórczych, odpady takie mogą być szkodliwe dla człowieka przez bardzo długi czas, nawet przez tysiące lat. Głównym problemem jest znalezienie odpowiedniego miejsca dla składowania takich odpadów. Istnieje także ryzyko wystąpienia awarii, która może prowadzić do katastrofalnych zmian w środowisku naturalnym, tak jak to było w przypadku awarii elektrowni jądrowej w Czernobylu. Jednak proces otrzymywania energii w ten sposób przy odpowiednim składowaniu odpadów i kontroli elektrowni jest bardzo czysty i bezpieczny. Dlatego też wykorzystanie energii jądrowej, jawi się jako przyszłość ludzkości.

Już w latach 40 XX wieku, zdano sobie sprawę z tego, jak duże ilości energii można otrzymać z procesów jądrowych zachodzących we wnętrzu jąder atomowych. Pierwsze doświadczenia z produkcją energii jądrowej skończyły się fatalnie dla ludzkości, bo została ona wykorzystana do produkcji bomby atomowej. Jednak dalsze próby zaowocowały w powstaniu pierwszych elektrowni jądrowych. Zasadniczym elementem takiej elektrowni jądrowej jest reaktor jądrowy. Istnieje kilka typów takich reaktorów, są to reaktory ciśnieniowe, wodne, jednorodne, powielające, wrzące, czy wysoko temperaturowe. Zasada działania elektrowni jądrowej zasadniczo różni się od działania zwykłej elektrowni, w której energię pozyskuje się poprzez spalanie paliw kopalnych. W przypadku elektrowni jądrowej, energię pozyskuje się w wyniku rozszczepień jąder atomowych. Proces rozszczepienia jest reakcją łańcuchową, która jeśli nie kontrolowana może prowadzić do fatalnych skutków (tak jak w przypadku bomby atomowej). Jednak w przypadku reaktora jądrowego, jest on całkowicie kontrolowany i tak przeprowadzany, aby dostarczył ściśle określonej ilości energii.

W dzisiejszych czasach, elektrownie jądrowe zostały już wybudowane w 31 krajach i jest ich w sumie 437. Energia jaką produkują to 17% energii jaka jest wykorzystywana przez te kraje. Elektrownie te powstają w większości w krajach dalekiego wschodu. Mimo, że elektrownie jądrowe są najefektywniejszymi dostarczycielami energii, to ludzkość nadal im nie zaufała na tyle, żeby całkowicie dokonać "przesiadki" na ten sposób otrzymywania energii. Pewnym problemem związanym z elektrowniami jądrowymi jest problem składowania odpadów radioaktywnych. Są to substancje promieniotwórcze, które nie nadają się już do ponownego wykorzystania. Powstają one w wyniku wydobywania i oczyszczaniu rud uranu, stanowią zużyte paliwo jądrowe wykorzystywane w reaktorach jądrowych, a także powstają w wyniku obróbki i przetwarzania izotopów promieniotwórczych.

Odpady radioaktywne można podzielić na kilka rodzajów, ze względu na to, w jakim stanie skupienia się znajdują, jaka jest ich aktywność, a także, w jakiej formie chemicznej się znajdują. Podstawowo można je podzielić na substancje o niskiej i wysokiej aktywności.

Odpady promieniotwórcze o wysokiej aktywności najczęściej przechowywane są w miejscach gdzie zostały wytworzone. Zwykle są one składowane przez okres kilku lat. Przechowuje się je w specjalnych zabezpieczonych opakowaniach, które z kolei zatopione są w specjalnie do tego celu przeznaczonych basenach. Wykorzystuje się tutaj fakt, że woda odbiera ciepło, jakie powstaje w wyniku rozpadów promieniotwórczych. Po tym procesie poddaje się je obróbce, która ma na celu przede wszystkim zmniejszenie ich objętości.

W przypadku odpadów promieniotwórczych charakteryzujących się niską aktywnością postępuje się z nimi w trochę odwrotny sposób. A mianowicie zwiększa się ich objętość poprzez rozcieńczanie substancjami nieaktywnymi. W wyniku takiej operacji powstają substancje, które charakteryzują się aktywnością porównywalną z aktywnością środowiska naturalnego. Dlatego też, można tak przygotowane substancje wprowadzić bez niebezpieczeństwa do środowiska. Jednak w większości przypadków odpady nisko aktywne umieszcza się w specjalnie do tego przygotowanych, szczelnych pojemnikach i składuje na zamkniętych składowiskach odpadów promieniotwórczych. Jak już wcześniej wspomnieliśmy, jedno z takich polskich składowisk znajduje się w miejscowości Różana. W przypadku materiałów o bardzo długich czasach życia umiejscawia się je na składowiskach, które położone są na terenach asejsmicznych i do tego głęboko zakopanych w ziemi, jednak w taki sposób, aby żadne podziemne wody przez nie, nie przenikały. Jednak w przypadku tego rodzaju odpadów, ich czas składowania może wynosić nawet kilka milionów lat. Nie zapominajmy o tym, że z tym także związane są olbrzymie koszty, które to wynikają z odpowiedniego utrzymania takiego składowiska. Dlatego też główny problem z jakim boryka się energetyka jądrowa, to właśnie kłopotliwe odpady promieniotwórcze i wysokie koszta ich składowania.