Promieniotwórczość naturalna, jej charakterystyka i zastosowanie

Promieniotwórczość

Promieniotwórczość - to zjawisko samorzutnego rozpadu jąder połączone z emisją cząstek beta, cząstek alfa, promieniowania gamma. Na przemianę jądra nie mają wpływu czynniki zewnętrzne takie jak: temperatura, pole magnetyczne czy skupienie materiału promieniotwórczego.

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).

Najkrócej i najprościej mówiąc promieniowanie jest to wysyłanie i przekazywanie energii na odległość. Trzy główne rodzaje promieniowania: elektromagnetyczne, jądrowe, energii fal sprężystych.

Historia

W 1895 roku Wilhelm Roentgen odkrył promienie elektromagnetyczne mające zdolność przenikania ciała stałego. Ze względu na ich tajemniczość nazwał je promieniami X.

W 1896 roku francuski fizyk Antoine Henri Becquerel, badając związek uranu, zauważył, że klisza fotograficzna znajdująca się w pobliżu tego związku ściemniała, mimo braku promieni słonecznych. Wyciągnął, więc wniosek, iż związki uranu wysyłają promieniowanie same z siebie. Stwierdził on również, że uran metaliczny jest źródłem niewidzialnego promieniowania.

Dokładniejszym zbadaniem tego zjawiska zajęli się Maria Curie-Skłodowska i Piotr Curie. Odkryli oni promieniotwórczość uranu i toru oraz pierwiastki polon i rad. Pierwiastki przez nich odkryte i zbadane należą do najważniejszych naturalnych pierwiastków promieniotwórczych. W 1903 roku Henri Becquerel, Maria Curie-Skłodowska oraz jej mąż Piotr Curie zostali uhonorowani Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie radioaktywności i badania w tej dziedzinie.
W 1934 roku Córka państwa Curie Irena Joliot-Curie i jej mąż Fryderyk Joliot dokonali odkrycia sztucznej promieniotwórczości. Przeprowadzili doświadczenie polegające na bombardowaniu atomów glinu jądrami helu, w wyniku, czego powstawały atomy fosforu. Rok później otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za to odkrycie.

Właściwości promieniotwórczości

Wspomniany wcześniej Henri Becquerel wykrył niewidoczne dla oka, bardzo słabe promieniowanie wysyłane przez ciała zawierające uran. Ciała te nazwano promieniotwórczymi lub radioaktywnymi. Pierwiastki radioaktywne (w tym uran) mają następujące właściwości:
a) zaczerniają klisze fotograficzne
b) Pierwiastki promieniotwórcze wysyłają ciepło, a w stanie czystym świecą w ciemności
c) Wywołują luminescencję niektórych substancji na przykład siarczku cyjanku.
d) Wywołują działanie chemiczne, pod wpływem promieniowania na przykład tlen zamienia się w ozon, woda czy chlorowodór ulegają rozkładowi

Naturalne źródła promieniowania

Przez całe życie nasze organizmy ludzkie są narażone na systematyczne aczkolwiek niezbyt duże promieniowanie naturalne.
Na naturalne źródła promieniowania składają się:
a) Ziemia, jest naturalnym źródłem promieniowania, które jest związane z występowaniem w skorupie ziemskiej i glebie naturalnych izotopów promieniotwórczych
b) Nieodpowiednie materiały budowlane użyte przy budowie domów, budynków. Takim materiałem jest na przykład granit. Nieodpowiednie jest także dodawanie do tych materiałów popiołów i żużlów hutniczych zawierających zagęszczone ilości radioaktywnego węgla.
c) Radon (gaz szlachetny, Rn) w powietrzu, emitowany z niektórych rodzajów wód na przykład mineralnych.
d) Radon w budynkach, wydzielany z gleby i gromadzący się w niewietrzonych pomieszczeniach. Ze wszystkich źródeł naturalnych daje największą dawkę promieniowania. Dlatego mieszkania bezwzględnie należy wietrzyć.
e) Promieniotwórcze jądra atomów zawartych w organizmie człowieka: 40K, 226Ra, 218Po.
f) Izotop uranu, używany między innymi w reaktorach atomowych.
g) Izotop węgla, który pomaga w określeniu wieku skamieniałości.
h) Izotop kryptonu, który jest wysoce promieniotwórczy i szkodliwy. (dotychczas nie znalazł zastosowania)

Rodzaje i charakterystyka promieniowania

Promieniowanie jak już wcześniej wspominałem jest to wysyłanie i przekazywanie energii na odległość. Oto kilka przykładów promieniowania:
a) Radiowe (radiowe fale), promieniowanie elektromagnetyczne, fale o długości 10–4–105m
(mikrofale 10–4-1 m, ultrakrótkie 1-10m, krótkie 10-100m, średnie 100-1000m, długie 1k-100km). Źródłem fal radiowych są nadajniki radiowe i radioźródła. Fale radiowe stosowane są w radiokomunikacji, grzejnictwie, medycynie.
b) Mikrofalowe, fale elektromagnetyczne z zakresu fal radiowych, o długości od 1m do około 0,1 mm. Częstotliwość od 300 MHz do około 3000 GHz. Promieniowanie mikrofalowe jest wykorzystywane w komunikacji, grzejnictwie elektrycznym, medycynie a także radiolokacji.
c) Podczerwone, (podczerwień, promieniowanie infraczerwone, promieniowanie IR) promieniowanie elektromagnetyczne o fali długości około 0,76-2000 μm. Obszar promieniowania infraczerwonego umownie dzieli się (wraz z rosnącą długością fali) na podczerwień bliską, średnią i daleką. Promieniowanie IR jest emitowane przez ogrzane ciała i niektóre lampy żarowe i wyładowcze. Podczerwień jest wykorzystywana między innymi do suszenia.
d) Jonizujące powstaje w wielu procesach, między innymi w pierwiastkach promieniotwórczych na skutek przemian jądrowych (zmiana nukleonów w jądrze). Nie każde izotopy zdolne są do takich przemian, zdolne są tylko te o nieodpowiedniej liczbie neutronów w jądrze atomowym. Liczba neutronów w jądrze atomu powinna być nieco wyższa od liczby protonów po to aby siły oddziaływania jądrowego mogły utrzymać jądro w stabilności, gdy liczba neutronów w jądrze jest zbyt duża to atom dąży do pozbycia się ich i dochodzi do promieniowania (uwalnia się energia).
e) Alfa, powstaje w wyniku rozpadu jąder atomowych (zazwyczaj ciężkich). Promieniowanie to polega na emisji jąder helu He, składających się z dwóch protonów i dwóch neutronów.
f) Beta, jest to strumień elektronów (negatonów bądź pozytonów) powstający w wyniku rozpadu beta, który polega na uwolnieniu strumienia elektronów z jądra atomowego. Rozróżniamy dwa promieniowania beta:
1) Promieniowanie beta minus (elektronów z ładunkiem ujemnym) powstające w wyniku przemiany neutronu w proton w jądrze atomowym. W tym przypadku liczba atomowa (liczba protonów) powstałego atomu jest zawsze o jeden większa od liczby atomowej jądra macierzystego.
2) Promieniowanie beta plus (elektronów z ładunkiem dodatnim). Z tym promieniowaniem mamy do czynienia kiedy w jądrze atomowym dochodzi do zamiany protonu w neutron. W czasie tej przemiany dochodzi właśnie do powstania promieniowania beta plus, po tej przemianie liczba atomowa powstałego atomu jest zawsze o jeden mniejsza od liczby atomowej atomu macierzystego. Jeśli cząstki promieniowania beta plus (elektrony z ładunkiem dodatnim) spotkałyby się z cząstkami promieniowania beta minus (elektrony z ładunkiem ujemnym) doszłoby do natychmiastowej anihilacji, czyli zamiany materii w energię, a także do uwolnienia promieniowania gamma.
g) Gamma to krótkofalowe, elektromagnetyczne promieniowanie. Długość fali jest zazwyczaj mniejsza od 10–11 m, emitowane jest przez promieniotwórcze bądź wzbudzone jądra atomowe, a także w wyniku anihilacji pary elektron (negaton)-pozyton
h) Rentgenowskie (promienie Roentgena, promienie X), jest to przenikliwe promieniowanie elektromagnetyczne. Fale długości około 0,0001-100 nm, dzieli się na twarde (bardziej przenikliwe) i miękkie (mniej przenikliwe). Źródłami promieni rentgenowskich są pierwiastki promieniotwórcze, lampy rentgenowskie a także akceleratory cząstek (służące do przyspieszania cząstek i rozbijania ich). Promienie X wykorzystywane są w medycynie (prześwietlenia), a także w badaniach struktury kryształów.
i) Nadfioletowe (nadfiolet, promieniowanie ultrafioletowe, ultrafiolet, promieniowanie UV), elektromagnetyczne, niewidzialne promieniowanie. Fale o długości od 10 do 400 nm. Obszar promieniowania ultrafioletowego umownie dzieli się na 4 zakresy (zgodnie z malejącą długością fal) A, B, C, i nadfiolet próżniowy. Największym i najsilniejszym źródłem tych fal jest Słońce.
j) Kosmiczne (odkryte w 1912 roku) - strumień cząstek dobiegających do zewnętrznych warstw atmosfery Ziemi z przestrzeni kosmicznej. Składa się głównie z protonów, cząstek i jąder innych pierwiastków. Te zaś, zderzając się z atomami i cząsteczkami zawartymi w atmosferze, wytwarzają kaskady protonów, elektronów, pozytonów, neutrin (tzw. promieniowanie wtórne), dobiegających do powierzchni Ziemi, a także wnikających pod powierzchnię. Jego skutek to wzrost jonizacji powietrza oraz powstanie izotopów o znaczeniu biologicznym (trytu, 7Be, 14C, 22Na).
k) Słoneczne, w postaci strumienia fal elektromagnetycznych i cząstek elementarnych, do Ziemi dociera ze Słońca. Około 30% fal promieniowania słonecznego jest odbijane od atmosfery, 20% jest przez nią pochłaniane, a 50% dociera do powierzchni Ziemi
l) Promieniowanie reliktowe (promieniowanie tła), mikrofalowe promieniowanie stanowiące pozostałość po wczesnych etapach ewolucji Wszechświata. Przyjęło nazwę reliktowe bądź szczątkowe falowe promieniowanie. Nie jest ono związane z cząstkami materii, lecz wypełnia Wszechświat w postaci kwantów.

Zastosowanie promieniotwórczości (ogólnie)

We współczesnym świecie promieniotwórczość ma szerokie zastosowanie, jest praktycznie niezbędna do poznania i zrozumienia mikro i makro świata, a także ewolucji Wszechświata.

Enrico Fermi, włoski fizyk, jako pierwszy człowiek w historii ludzkości (1942r.) wykorzystał rozszczepienie atomu i promieniotwórczość do zbudowania reaktora jądrowego i doprowadził do pierwszej kontrolowanej reakcji łańcuchowej. Dzięki tej reakcji możliwe stało się utworzenie bomby atomowej, gdzie wykorzystywana jest reakcja rozszczepiania jąder plutonu-239 lub uranu-233. To z kolei pozwoliło na stworzenie bomby termojądrowej, która zawiera bombę jądrową w celu utworzenia odpowiedniej temperatury (107K). Ta temperatura pozwala na syntezę jąder helu z izotopami wodoru i litu (reakcja podobnej do tej na słońcu). Po wybuchu takiej bomby mamy do czynienia ze skażeniem popromiennym.

Na całe szczęście dla ludzkości promieniotwórczość znalazła zastosowanie nie tylko w produkcji niszczycielskiej broni. Reaktory jądrowe są wykorzystywane do napędzania ogromnych statków na przykład lodołamaczy, okrętów wojskowych (lotniskowiec Enterprise), jak i łodzi podwodnych. Takie jednostki mogą osiągać dużo większe prędkości i dłużej pływać. Są to duże korzyści jednak w przypadku zatonięcia danej jednostki skutki w stosunku środowiska będą katastrofalne.

Promieniotwórczość znalazła także swoje zastosowanie w medycynie. Urządzenie o nazwie bomba kobaltowa służące do napromieniowywania organizmów żywych bądź przedmiotów. Pierwiastkiem promieniotwórczym jest tam kobalt-60 lub cez-137, pierwiastek ten znajduje się osłonie biologicznej (ołowianej kuli). Takowa osłona posiada specjalne kanały służące do wyprowadzania promieniowania gamma na zewnątrz. Bomba kobaltowa służy do sterylizacji żywności, leczenia nowotworów, celów diagnostycznych (na przykład wykrywania uszkodzeń kości).

Kolejnym zastosowaniem promieniotwórczości jest datowanie, czyli określanie wieku na przykład skał, czy wykopalisk. Stosowany jest dla przykładu „zegar helowy”, ale najpopularniejszym jednak „zegarem archeologicznym” jest izotop węgla-14. Jest on przyswajany przez rośliny, które z kolei są zjadane przez organizmy zwierzęce. W tych organizmach po obumarciu spada poziom izotopu węgla-14 co powoduje zmniejszenie intensywności jego promieniowania, co pozwala na określenie wieku badanych szczątków.

Zastosowanie różnego rodzaju promieniowania

a) Promieniowanie X jest wykorzystywane do pozyskiwania zdjęć rentgenowskich, które pozwalają na diagnostykę złamań kości.
b) Promieniowanie IR jest używane na przykład do ogrzewania ciała, leczenia klinicznego, opalania, badań lekarskich. Lampy podczerwone coraz częściej używane są w salonach fryzjerskich do suszenia włosów, gdyż nie hałasują tak jak standardowe suszarki i łatwo i szybko da się zmieniać temperaturę
c) Promieniowanie jonizujące jest bardzo przydatne w rolnictwie do zwalczania różnego rodzaju szkodników. Polega to na tym, że oddziela się (jeśli to możliwe) samce szkodników od samic i poddaje się ich działaniu promieniowania jonizującego, co powoduje ich wysterylizowanie. Wysterylizowane samce po kopulacji z samicami powodują to, iż samice nie mogą wydawać potomstwa, co prowadzi do całkowitego wyniszczenia danej populacji szkodników na danym terenie.
d) Promieniowania mikrofalowego używa się w kuchenkach mikrofalowych, zwanych potocznie mikrofalówkami. W takiej kuchence zastosowana jest lampa elektronowa, która to generuje mikrofale o częstotliwości około 2,4 GHz, co pozwala na podgrzewanie, czy też gotowanie jedzenia. Promieniowanie to działa na cząsteczki wody, które zaczynają drgać pod jego wpływem, co powoduje wytwarzanie ciepła. Mikrofal używa się do transmisji danych do satelitów, ponieważ nie są one pochłaniane przez atmosferę. Używane są także do transmisji danych w telewizji kablowej.

Promieniotwórczość ma wiele zalet, może być wykorzystana tak jak pisałem do napędzania okrętów, do leczenia, prześwietlania, lub do stworzenia potężnej śmiercionośnej broni np. bomba atomowa, termojądrowa, kobaltowa. Moim zdaniem powinna być wykorzystywana jedynie w dobrych celach (choć to niemożliwe).