Promieniotworczość

Promieniotworczość

Promieniotwórczość jest to samorzutna przemiana jąder atomów jednego rodzaju w jądra innego rodzaju połączona z wysyłaniem promieniowana jądrowego (alfa, beta, gamma). Podczas rozpadu alfa wypromieniowywana jest cząstka alfa złożona z 2 protonów i 2 neutronów. Podczas rozpadu beta wypromieniowana jest cząstka beta – elektron. Promieniowana te mają charakter masowy. Promieniowani gamma ma charakter falowy i towarzyszy poprzednim rozpadom.
Pierwiastki promieniują naturalnie wtedy gdy ich jądro jest duże i siły wzajemnego odpychania nukleonów w jądrze są silniejsze od sił przyciągania. Pierwiastki promieniotwórcze to te, których liczba atomowa Z jest większa od 83, a liczba masowa A większa od 209.
Pierwiastki promieniotwórcze oraz ich związki nazywane są substancjami promieniotwórczymi lub radioaktywnymi.
Skutki działania promieniowana jądrowego na organizmy żywe zależą od dawki pochłoniętej przez organizm. Promieniowanie gamma jest najbardziej niebezpieczne dla żywych organizmów. Dzięki swojemu charakterowi falowemu może przenikać poprzez różne przeszkody. Osłoną przeciw niemu może być np. gruba ściana ołowiu. Z kolei przed promieniowaniem alfa można się ochronić kartką papieru, a przed beta np. grubą deską. Wyróżnia się promieniotwórczości naturalną (naturalne szeregi promieniotwórcze) występująca w przyrodzie oraz promieniotwórczość sztuczną uzyskaną wskutek sztucznie wywołanej reakcji jądrowej.
Głównie promieniotwórczość wykorzystuje się w medycynie, energetyce (energia jądrowa) i celach militarnych (bomby atomowe). W medycynie jest stosowana do radioterapii schorzeń skóry, oraz naświetlania „bombą” kobaltową. Do naświetleń tego typu używa się 60Co.

Naturalne szeregi promieniotwórcze są to rodziny nuklidów promieniotwórczych kolejno przekształcających się jedne w drugie na drodze sekwencyjnych rozpadów alfa lub beta. Nuklid jest to atom określonego rodzaju, scharakteryzowany jednoznacznie przez liczbę atomową, liczbę masową oraz poziom energetyczny. Tradycyjnie wyróżnia się cztery szeregi promieniotwórcze, a każdy zapoczątkowywany jest rozpadem innego bardzo długo życiowego izotopu promieniotwórczego:

- szereg promieniotwórczy uranowo-radowy. Rozpoczyna się rozpadem alfa 238U, a kończy na stabilnym 206Pb. Łącznie ma 18 nuklidów, najważniejsze to: 238U, 234U, 226Ra, 222Rn, 210Po, 210Pb
- szereg promieniotwórczy torowy. Rozpoczyna się od rozpadu alfa 232Th, a kończy na stabilnym 208Pb. Łącznie ma 12 nuklidów, najważniejsze to: 232Th, 228Th, 228Ra, 220Rn
- szereg promieniotwórczy uranowo-aktynowy. Rozpoczyna się rozpadem alfa 235U, a kończy na stabilnym 207Pb. Łącznie ma 15 nuklidów, najważniejsze to: 235U, 231Pa i 223Ra
- szereg promieniotwórczy neptunowy. Rozpoczyna się rozpadem alfa 237Np, a kończy na stabilnym 209Bi. Łącznie ma 13 nuklidów, najważniejsze to: 237Np, 233U, 229Th

Trzy z nich (szereg uranowy, torowy i aktynowy) występują w środowisku naturalnym, przy czym ze względu na krótszy czas połowicznego rozpadu 235U (713 mln lat) w stosunku do analogicznych czasów dla 238U i 232Th (odpowiednio 4,49 i 13,9 mld lat), nuklidy szeregu aktynowego w porównaniu z nuklidami szeregu uranowego i torowego obecne są tu w ilościach śladowych.
Czwarty szereg promieniotwórczy (neptunowy) występował we wczesnym okresie istnienia Ziemi. Czas połowicznego rozpadu 237Np równy jest 2,2 mln lat. W śladowych ilościach pojawił się jednak ostatnio ponownie na skutek skażeń promieniotwórczych izotopem 241Pu, ponieważ rozpada się on na 241Am, a następnie 237Np, co zapoczątkowuje wspomniany szereg.
W układzie izolowanym, po dostatecznie długim czasie, substancje promieniotwórcze należące do danego szeregu promieniotwórczego osiągają stan równowagi promieniotwórczej (tzw. wiekowej), w środowisku naturalnym stan taki na ogół nie występuje.

Reakcje jądrowe są to procesy oddziaływania jąder atomowych z innymi jądrami lub z cząstkami elementarnymi. Cząstki elementarne to podstawowy składnik materii jak np. jądra atomów, atomy. W trakcie reakcji jądrowej, jądro i oddziałująca cząstka mogą przekazywać sobie energię, pęd i ładunek elektryczny, przy czym obowiązują odpowiednie zasady zachowania.
Zależnie od rodzaju oddziaływania wyróżnia się rozproszenia elastyczne, nieelastyczne lub głęboko nieelastyczne, wzbudzenia, rozszczepienia i fragmentacje.

Jako wyniki reakcji otrzymuje się jądro lub jądra wtórne i zazwyczaj cząstki elementarne. Prawdopodobieństwo zajścia w danych warunkach danej reakcji określa jej przekrój czynny.
Stosuje się dwie notacje dla reakcji jądrowych:
- pełną o postaci a+A=B+c1+...+cn+E, gdzie: a i A - substraty reakcji np. padająca cząstka i jądro, B - nowe, powstałe w wyniku reakcji jądro, c1,...,cn - powstałe cząstki, E - wydzielona energia, jeśli energia jest pochłonięta w reakcji, to E<0
- oraz tzw. skróconą o postaci A(a,c1...cn)B przy oznaczeniach jak wyżej.

Wyróżniamy kilka typów reakcji jądrowych. Należą d nich: reakcja łańcuchowa, reakcja fotojądrowa.
Reakcja łańcuchowa polega na tym, że cząstka obojętna elektrycznie (np. neutron) może wnikać do jądra (i np. wywoływać rozszczepienie) posiadając nawet bardzo małą energię kinetyczną. Pojedynczy akt rozszczepienia jądra atomowego może w sprzyjających warunkach indukować (poprzez emitowane neutrony) dalsze rozszczepienia, prowadząc do reakcji łańcuchowej, co znalazło zastosowanie w reaktorze jądrowym i broni jądrowej. Reakcje jądrowe z udziałem dwóch jąder mogą zachodzić jedynie przy dużych energiach kinetycznych potrzebnych do pokonania odpychającego oddziaływania elektromagnetycznego obu jąder. W tym celu stosuje się akceleratory cząstek naładowanych.
Reakcja fotojądrowa jest to tzw. fotorozpad jądrowy. Reakcja ta jest wywołana pochłonięciem przez jądro kwantu promieniowania elektromagnetycznego dużej energii (do 1000 MeV).

Reakcja rozszczepienia jądra atomowego jest to rodzaj rozpadu promieniotwórczego wzbudzonego jądra atomowego ciężkich pierwiastków na ogół na dwa, czasem na więcej fragmentów, również będących jądrami atomowymi. Zjawisku towarzyszy emisja neutronów i promieni gamma oraz wydzielenie znacznej ilości energii. Powstałe w wyniku rozszczepienia jądra atomowego fragmenty mają nadmiar neutronów, które emitowane są z tych jąder po rozszczepieniu (część jako neutrony opóźnione). Rozkłady mas powstających w rozszczepieniu fragmentów mają charakterystyczny kształt z dwoma maksimami odpowiadającymi w przybliżeniu liczbom masowym A ≈ 100 i 140.
Istnieją rozszczepienia jądra atomowego spontaniczne (samorzutne), gdy jądro ulega rozszczepieniu po spontanicznym wzbudzeniu o charakterze fluktuacji - zjawisko występuje w przypadku bardzo ciężkich jąder, charakteryzuje go właściwy danemu izotopowi czas połowicznego rozpadu, oraz rozszczepienia jądra atomowego wymuszone, gdy wzbudzenie jądra wynika z absorpcji protonu, neutronu. Zjawisko rozszczepienia jądra atomowego odkryli w 1938 O. Hahn z F. Strassmanem.
Z praktycznego punktu widzenia największe znaczenie mają własności rozszczepienia jąder uranu i plutonu, gdyż izotopy 235U, 233U oraz 239Pu ulegają rozszczepieniu już przy bombardowaniu neutronami o dowolnie małej energii, podczas gdy większość izotopów ciężkich pierwiastków ulega rozszczepieniu od pewnej progowej energii bombardującego neutronu.
W naturze reakcje jądrowe zachodzą głównie w gwiazdach, gdzie energia ruchu cieplnego w temperaturach ponad 107K jest wystarczająca do pokonania odpychania ładunków elektrycznych jąder.

Energia jądrowa jest to energia uzyskiwana z rozszczepienia bardzo ciężkich jąder (uran, pluton, tor) lub z syntezy lekkich pierwiastków (hel, lit). W obu przypadkach uwalniana jest energia wiązania jądrowego, która ma największą wartość dla jąder o średnich masach np. przy rozszczepieniu 1 g uranu uzyskuje się tyle energii, co przy spaleniu ponad 2 t węgla.
Energię jądrową można uzyskiwać w sposób kontrolowany - energia z rozszczepienia w reaktorach jądrowych lub niekontrolowany - broń jądrowa (rozszczepieniowa i termojądrowa). Prace nad uzyskiwaniem energii jądrowej rozpoczęto po odkryciu 1938 rozszczepienia jądra atomowego, głównie w ramach militarnych projektów badawczych w czasie II wojny światowej (Manhattan Project) i w latach zimnej wojny.

Reaktor jądrowy inaczej reaktor atomowy, stos atomowy. Jest to urządzenie służące do wytwarzania kontrolowanej reakcji łańcuchowej, tj. ciągłego pozyskiwania energii z rozszczepiania jąder atomowych.
Stan kontrolowanej reakcji jądrowej podtrzymującej się samoczynnie na ustalonym poziomie nazywany jest stanem krytycznym. Jeśli intensywność reakcji narasta, to stan jest nadkrytyczny, gdy wygasa, to stan jest podkrytyczny.
Stan krytyczny uzyskuje się, gdy efektywny współczynnik mnożenia neutronów κ = 1, tzn. gdy strumień neutronów pochodzących z rozszczepienia jąder atomowych kompensuje straty neutronów wynikające z ich rozproszenia i pochłonięcia. Odchylenie stanu reaktora jądrowego od stanu krytycznego opisuje tzw. reaktywność ρ = (κ-1)/κ.
Reaktor jest sterowalny i bezpieczny, gdy ma małą, dodatnią reaktywność związaną z neutronami opóźnionymi. Typowy reaktor jądrowy zbudowany jest z rdzenia, reflektora neutronów oraz osłon biologicznych. Sam rdzeń zawiera pręty paliwowe, pręty regulacyjne, pręty bezpieczeństwa, moderator, kanały chłodzenia i kanały badawcze.
Podstawowym elementem reaktora jądrowego są pręty paliwowe, które zawierają paliwo jądrowe w formie fizykochemicznej i o stopniu wzbogacenia dostosowanym do konstrukcji reaktora jądrowego.
Materiał spowalniający, spowalniacz, moderator to substancje zawierające lekkie jądra atomowe o małej liczbie porządkowej Z np. woda, ciężka woda, grafit stosowane w reaktorach jądrowych do spowalniania neutronów (zmniejszania ich prędkości), co następuje w wyniku wielokrotnych zderzeń neutronów z lekkimi jądrami.
Pręty regulujące i pręty bezpieczeństwa zbudowane są z substancji pochłaniających neutrony (np. bor, kadm), przy czym pręty regulacyjne służą do precyzyjnej zmiany strumienia neutronów, podczas gdy pręty bezpieczeństwa mają za zadanie całkowite przerwanie reakcji łańcuchowej w sytuacji awaryjnej - oba te rodzaje prętów wsuwa się i wysuwa z rdzenia w miarę potrzeby.
Przez kanały chłodzące przepompowuje się chłodziwo tzw. pierwszego obiegu (typowym chłodziwem jest woda, powietrze, azot, ciekły sód). Kanały badawcze służą do kontrolowania poziomu strumienia neutronów, wykonywania naświetlań.

Ze względu na zastosowanie rozróżnia się:
- reaktory jądrowe badawcze o małej, tzw. zerowej mocy, wykorzystywane w badaniach naukowych jako silne źródła neutronów
- reaktory jądrowe produkcyjne służące do wytwarzania sztucznych pierwiastków promieniotwórczych na drodze aktywacji, głównie do produkcji plutonu - szczególną klasę tych reaktorów stanowią tzw. reaktory jądrowe powielające, w których paliwo jądrowe w trakcie wypalania przekształca się w inny rodzaj paliwa jądrowego
- reaktory jądrowe energetyczne wytwarzające energię cieplną przekształcaną w energię mechaniczną w napędach nuklearnych okrętów lub w energię elektryczną w energetyce jądrowej
- reaktory jądrowe doświadczalne - prototypy nowych rozwiązań technicznych stosowanych w reaktorach jądrowych

Częstym kryterium klasyfikacji reaktorów jądrowych jest rodzaj zastosowanego moderatora i chłodziwa - istnieją zatem reaktory jądrowe wodno-wodne, ciężkowodno-wodne, grafitowo-wodne, grafitowo-powietrzne, grafitowo-sodowe.
Innym rodzajem klasyfikacji reaktorów jądrowych jest podział ze względu na wykorzystywaną energię neutronów lub wielkość ich strumienia - cechy te określają rodzaj paliwa i wiele innych parametrów reaktora. Zgodnie z tym kryterium rozróżnia się:

- reaktory jądrowe wysokostrumieniowe
- reaktory jądrowe prędkie
- reaktory jądrowe pośrednie
- reaktory jądrowe termiczne
- reaktory jądrowe epitermiczne

Pierwszy reaktor jądrowy zbudowano w ramach Manhattan Project, obecnie na świecie eksploatowanych jest ich kilka tysięcy, w większości są one reaktorami badawczymi. W Polsce istnieje jeden badawczy reaktor jądrowy „Maria” w Świerku. W poprzednich latach istniały jeszcze dwa reaktory „Ewa” i „Agata”, obecnie są one zlikwidowane.
Masa krytyczna jest to najmniejsza ilość materiału rozszczepialnego, dla której zachodzi spontaniczna reakcja łańcuchowa. Masa krytyczna nie jest pojęciem ścisłym, zależy od formy geometrycznej bryły materiału, czystości oraz innych czynników.




BLASKI I CIENIE PROMIENIOTWÓRCZOŚCI

Zjawisko promieniotwórczości zaobserwował po raz pierwszy francuski uczony Henri Becquerel. 23 listopada 1986r. zawiadomił Akademię Nauk, że kawałki soli uranowej, przechowywane przez sześć miesięcy w zupełnej ciemności wysyłają promienie. Pod wpływem tego promieniowania gazy stają się przewodnikami elektryczności. Było to zjawisko zupełnie dotąd nie znane. Nowe promienie, które nazwano promieniami uranowymi, z miejsca wzbudziły ogromne zainteresowanie fizyków.

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 H. Becquerel, M. Skłodowska-Curie oraz jej mąż P. Curie zostali uhonorowani Nagroda 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 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.

Promieniotwórczość polega na samorzutnym rozpadzie - rozszczepieniu - jąder atomów niektórych pierwiastków. Pierwiastki, których atomy ulegają rozszczepieniu, nazywane są pierwiastkami promieniotwórczymi. Istnieją dwa rodzaje pierwiastków promieniotwórczych: te, które rozszczepiając się, tworzą nowy pierwiastek i wysyłają tzw. cząstki α, oraz te, które rozszczepiając się, tworzą też nowy pierwiastek, ale wysyłają cząstki β. Jeżeli nowo powstały atom pierwiastka jest trwały, wówczas nie następuje dalszy rozpad. Jeśli zaś jest to nietrwały atom, to on z kolei rozpada się i proces trwa dalej, dopóki nie powstanie trwały atom. Podczas rozpadu alfa wypromieniowywana jest cząstka alfa złożona z 2 protonów i 2 neutronów. Podczas rozpadu beta wypromieniowana jest cząstka beta – elektron. Promieniowana te mają charakter masowy. Promieniowani gamma ma charakter falowy i towarzyszy poprzednim rozpadom.

Wyróżnia się dwa rodzaje promieniotwórczości:

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ

- SZTUCZNA
zjawisko promieniotwórczości obserwowane dla izotopów promieniotwórczych innych niż występujące w naturalnym środowisku ziemi, otrzymanych najczęściej w wyniku aktywacji izotopów stabilnych.

- NATURALNA
zjawisko obecności w środowisku naturalnym substancji promieniotwórczych niezależnie od działalności człowieka (w odróżnieniu od skażeń promieniotwórczych). W środowisku można zaobserwować ponad 60 izotopów promieniotwórczych.

Wyróżnia się trzy rodzaje promieniowania naturalnego:

Promieniowanie α
Promieniowanie β
Promieniowanie γ


Skutki działania promieniowana jądrowego na organizmy żywe zależą od dawki pochłoniętej przez organizm. Promieniowanie gamma jest najbardziej niebezpieczne dla żywych organizmów. Dzięki swojemu charakterowi falowemu może przenikać poprzez różne przeszkody. Osłoną przeciw niemu może być np. gruba ściana ołowiu. Z kolei przed promieniowaniem alfa można się ochronić kartką papieru, a przed beta np. grubą deską.

Biologiczne skutki promieniowania:

Rozróżnia się bezpośrednie i pośrednie skutki pochłaniania energii promieniowania w żywych tkankach.
Wielkość skutków biologicznych zależy od wielu czynników: wielkości dawki (na przykład jednorazowa dawka większa od 0,75 Sv powoduje objawy choroby popromiennej), rodzaju promieniowania, czasu biologicznego połowicznego zaniku radioizotopu, mocy dawki, rodzaju napromieniowanej tkanki (różne narządy i tkanki wykazują rozmaitą wrażliwość na działanie promieniowania), sposobu ekspozycji (zewnętrznej lub wewnętrznej) - skażenie wewnętrzne powoduje zdecydowanie większe szkody w organizmie, ogólnego stanu organizmu, czasu pochłaniania (dawka jednorazowa czy też kilka mniejszych),
Skutki bezpośrednie występują wtedy, gdy cząstki promieniowania zrywają wiązania molekularne w ważnych cząsteczkach na przykład kwasu nukleinowego. Skutki pośrednie polegają na rozbiciu mniej ważnych molekuł wody (tzw. radioliza wody), co prowadzi do powstania aktywnych jonów i wolnych rodników.
Szkodliwe skutki dzieli się na somatyczne, ujawniające się bezpośrednio u osoby napromieniowanej (choroba popromienna) i genetyczne, ujawniające się dopiero w następnym pokoleniu.
Skutki somatyczne dalej można podzielić na wczesne i późne oraz stochastyczne (odznaczają się tym, że ich wystąpienie zależne jest od wielkości dawki, ale stopień ich nasilenia nie zależy od dawki; należą do nich białaczka lub inne nowotwory) i niestochastyczne (stopień nasilenia tych skutków zwiększa się wraz z dawką pochłoniętą).
Skutki te dotknęły naszą rodaczkę Marię Skłodowską-Curie, która była jedną z pierwszych ofiar promieniowania. W jej czasach początkowo nie zdawano sobie sprawy z biologicznych skutków dużych dawek promieniowania.

WYKORZYSTANIE

Głównie promieniotwórczość wykorzystuje się w medycynie(diagnoza chorób, wpływ leków na organizm), celach militarnych (bomby atomowe), elektrownie jądrowe(pozyskanie ogromnych ilości energii, którą można zastosować jako napęd do wielu pojazdów), datowaniu, czyli określania wieku minerałów, skał, Ziemi, wykopalisk archeologicznych, zabytków starożytnych kultur itp., sterylizacji żywności, farmacja jądrowa.

W medycynie:
Aparatura rentgenowska – zasada jej działania jest bardzo prosta i polega na tym, że wiązka promieni X przenikając przez badany narząd ulega osłabieniu, ponieważ część promieni zostaje pochłonięta przez tkankę. Narządy zbudowane z tkanek o różnej gęstości, w różnym stopniu pochłaniają wiązkę promieniowania. Niejednorodnie osłabiona wiązka promieni X trafia na kliszę fotograficzną i powoduje jej zaciemnienie proporcjonalnie do stopnia osłabienia. W ten sposób na kliszy fotograficznej uzyskujemy obraz badanego narządu.
Jednym z ważniejszych osiągnięć techniki rentgenowskiej jest tomografia komputerowa. Sterowany komputerem proces wykonywania kolejnych zdjęć badanego narządu w różnych płaszczyznach i pod różnym kątem pozwala uzyskiwać warstwowy obraz, przedstawiający bardzo dokładne nawet niewielkie zmiany chorobowe. Innym ważnym zastosowaniem promieniowania w medycynie jest radioterapi.. Stosuje się ją w przypadku nowotworów szczególnie czerniaka (nowotwór skóry). Izotopy promieniotwórcze używane są do diagnozowania wielu chorób i to nie tylko w formie diagnostyki rentgenowskiej. Bada się nimi na przykład wpływ leków na organizm (na przykład izotop 99Tc w postaci związku chemicznego wprowadza się do organizmu i śledzi jego drogę przez poszczególne narządy. W ten sposób bada się funkcjonowanie tych narządów). Do leczenia nowotworów stosuje się naświetlanie wysyłane przez izotopy Cs, Co, Ra (tzw. bomba kobaltowa, igły radowe). W uzdrowiskach znajdziemy je w stosowaniu balneologii (na przykład leczniczych kąpieli lub inhalacji z zastosowaniem Rn).

Szczególnie popularną technologią stało się napromieniowanie żywności. Stosuje się ją by móc dłużej przechowywać żywność. Na podstawie badań okazało się, że żywność utrwalana radiacyjnie nie jest toksyczna ani też radioaktywna, jednak podobnie jak i inne procesy utrwalające radiacja powoduje pewne zmiany chemiczne w żywności. Ich rodzaj i zasięg zależą od chemicznego składu produktu, dawki promieniowania, temperatury oraz dostępu światła i tlenu podczas napromieniania. Pod wpływem promieniowania jonizującego tworzą się między innymi wolne rodniki i zmniejsza się o 20-60% zawartość witamin A, B1,C i E. Trzeba jednak pamiętać, że podobne zmiany zachodzą w żywności pod wpływem termicznej obróbki lub długotrwałego jej przechowywania.

Kolejne zastosowanie promieniotwórczości znajdziemy w przemyśle militarnym. Skonstruowanie bomby atomowej jest prostsze od zbudowania reaktora jądrowego! Dotychczas stworzono bomby jądrowe (atomowe - 1945) wykorzystujące reakcje rozszczepienia jąder 233U lub 239Pu; bomby termojądrowe (wodorowe - 1952), opierające się na syntezie jąder helu z izotopów wodoru i litu (tutaj zwykła bomba jądrowa stanowi tylko zapalnik inicjujący reakcję termojądrową); bomby neutronowe (lata siedemdziesiąte), emitującą większą część energii w postaci promieniowania neutronowego, nieniszczącego obiektów materialnych, ale zabijającą istoty żywe.

W elektrowniach jądrowych uzyskuje się ogromne ilości energii w wyniku reakcji jądrowych rozpadu takich pierwiastków, jak 235U i 239Pu. Elektrownie te istnieją już w 34 krajach świata i produkują 17% energii. Energia jądrowa zastosowała również zastosowanie jako napęd wielu pojazdów, np. w transporcie wodnym. (Pierwszy statek o napędzie atomowym zbudowali Amerykanie w 1954 roku). Reaktory jądrowe montuje się nie tylko w jednostkach wojskowych, takich jak największy na świecie lotniskowiec Enterprise, ale również w statkach, na przykład lodołamaczach. Niestety, reaktory takie mogą w przypadku zatopienia okrętu stanowić potencjalne źródło poważnego skażenia środowiska pierwiastkami promieniotwórczymi stanowiącymi ich paliwo.

Izotop węgla 14C zastosowano jako zegar archeologiczny. Izotop ten występuje w określonym stężeniu w przyrodzie, jest asymilowany przez rośliny wraz z węglem napromieniowanym w postaci, CO2. Wchodzi on także w skład organizmów zwierzęcych i ludzkich, w wyniku spożywania produktów pochodzenia roślinnego. Na podstawie znajomości pierwotnego stężenia tego izotopu (węgiel 14C) oraz okresu połowiczego rozpadu, określa się wiek wykopalisk, w których znajdują się szczątki zawierające związki węgla.


Techniki radiacyjne stosowane są w różnych gałęziach przemysłu. Wykorzystuje się je do sterylizacji sprzętu medycznego, modyfikacji polimerów, materiałów oraz przyrządów półprzewodnikowych, do barwienia tkanin, szkła i sztucznych, a nawet naturalnych kamieni. Na świecie ilość produktów wytwarzanych lub modyfikowanych radiacyjnie sięga milionów ton rocznie i ciągle wzrasta.

Zasada stosowania technik radiacyjnych polega na napromieniowaniu materiałów i gotowych wyrobów za pomocą wiązki elektronów lub promieniowania gamma. Przykładem wykorzystania technik radiacyjnych są termokurczliwe rurki i taśmy, które doskonale sprawdzają się jako izolacja elektryczna.

Znajdują one zastosowanie wszędzie tam, gdzie trzeba wykonać trwałe i szczelne połączenia elementów.
Techniki radiacyjne stosuje się w technologii oczyszczania gazów odlotowych z instalacji spalających m. in. węgiel. Napromieniowanie gazów wiązką elektronów powoduje zredukowanie emisji dwutlenku siarki o 95%, a tlenków azotu o 80%.
Oprócz tego promieniowanie stosuje się w tzw. aparaturze radiometrycznej, którą stanowią różnego rodzaju mierniki, czujniki, detektory i regulatory. W przemyśle metalurgicznym i chemicznym wykorzystuje się grubościomierze. Natomiast mierniki poziomu materiałów ciekłych i sypkich, gęstościomierze umożliwiające zdalną kontrolę i automatyczną regulację procesów technologicznych ( np. bezkontaktowy pomiar stężenia kwasu siarkowego) znalazły zastosowanie również w wielu innych gałęziach przemysłu. Jedną z ważniejszych metod wykorzystujących promieniowanie jonizujące - a stosowanych w przemyśle - jest tzw. analiza aktywacyjna, czyli jądrowa analiza składu materiałów. Za pomocą tej metody można określić lub wykryć zanieczyszczenia, określić ilościową zawartość metali ciężkich w odpadach, azotu w ziarnach, nawozach sztucznych itd. Jej zaletą jest możliwość oznaczania jednocześnie wielu pierwiastków.

Zastosowanie izotopów promieniotwórczych:
Pierwiastek – Izotop – promieniowanie - Czas półrozpadu (T1/2) –Zastosowanie
Ameryk – 241 – alfa - 432,7 lat - czujniki dymu(instalacje przeciwpożarowe)
Cez - 137 – gamma - 30 lat radiografia przemysłowa, bomba cezowa, pomiary grubości
Iryd - 192 - gamma - 73,8 - lat radiografia przemysłowa
Jod – 131 - gamma - 8 dni - badanie tarczycy (medycyna)
Kobalt - 60 - gamma - 5,3 lat - bomba kobaltowa (medycyna),radiografia przemysłowa, urządzenia radiacyjne, waga izotopowa, sprzęt do pomiaru: grubości, poziomu cieczy w zbiornikach.
Pluton - 238 - alfa - 87,7 lat - stymulatory serca, czujniki dymu
Pluton – 239 - alfa - 24000 lat - czujniki dymu
Rad - 226 - gamma - 1600 lat - aplikatory radowe
Tal - 204 - beta - 3,8 lat - sprzęt do pomiaru grubości
Wodór – 3 – beta - 12,3 lat - farby świecące

ZAGROŻENIA

Reakcje rozszczepienia jąder pierwiastków promieniotwórczych przebiegają w sposób niekontrolowany wykorzystuje się je do produkcji broni masowego rażenia. W czasie wybuchu uwalnia się ogromna energia. Podczas zrzucenia bomb na Hiroszimę i Nagasaki wiele osób zmarło od razu, a u innych choroba popromienna rozwinęła się po kilku latach. Dlatego też produkcja i stosowanie izotopów powinna się odbywać pod ścisłą międzynarodową kontrolą.

Pierwiastki promieniotwórcze negatywnie działają na organizmy, również na człowieka. W wyniku pochłonięcia przez organizm dużych dawek promieniowania może wystąpić białaczka – nowotwór krwi, katarakta – choroba oczu, oraz choroba popromienna objawiająca się biegunką i nudnościami.

Awarie w elektrowniach jądrowych mogą być przyczyną katastrof, np. w 1986 roku wybuch w Czarnobylu nastąpiła awaria reaktora jądrowego, która doprowadziła do wybuchu, w efekcie, czego do atmosfery dostały się radioaktywne izotopy 131I oraz 137Cs, skażając znaczną część Europy.

Duży problem w wypadku energetyki jądrowej stanowią także odpady promieniotwórcze, powstające jako efekty działania reaktorów. ( Istnieje niebezpieczeństwo, że dostaną się do środowiska).

Poważne niebezpieczeństwo dla środowiska ma też nieodpowiedzialne unieszkodliwianie i gromadzenie odpadów przemysłowych zawierających substancje promieniotwórcze, głównie w hutnictwie. (Składowanie na hałdach, mogą przedostać się do powietrza i do wody, a wraz z jej obiegiem do gleby i organizmów).

PODSUMOWANIE

Z wymienionych korzyści i zagrożeń, jakie dla ludzkości i świata wynikają z istnienia zjawiska promieniotwórczości naturalnej i możliwości wywołania sztucznej, wypływa wniosek, że wszystko zależy od człowieka. Dzięki rozwijającej się cywilizacji, wyposażony w coraz doskonalszą aparaturę badawczą i wiedzę naukowców całego świata, ma szanse na znowelizowanie złych skutków promieniotwórczości i wykorzystanie energii jądrowej dla dobra przyszłości naszej planety.


PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ (przemiana promieniotwórcza, rozpad promieniotwórczy, radioaktywność), samorzutna przemiana jednego jądra atom. (nuklidu) w inne, której towarzyszy emisja promieniowania jądrowego. Emitowanymi cząstkami promieniowania mogą być: elektron i antyneutrino lub pozyton i neutrino (w wyniku tzw. rozpadu ), jądro helu 42H (rozpad a), neutrino (wychwyt elektronu), foton (tzw. rozpad g), nukleon (rozpad protonowy), cięższe jądro, np. 14C (rozpad egzotyczny); w pewnych wypadkach może nastąpić rozpad jądra na fragmenty (najczęściej 2), zwykle o porównywalnych masach i ładunkach (tzw. rozszczepienie jądra atom.). W przypadku rozpadu a emitowany z jądra elektron powstaje z rozpadu neutronu na proton, elektron i antyneutrino, zaś pozyton — z rozpadu protonu na neutron, pozyton i neutrino. W wyniku emisji z jądra elektronu powstaje jądro nowego pierwiastka (o tej samej liczbie masowej) zawierające 1 proton więcej, tzn. położonego w układzie okresowym pierwiastków o jedno miejsce za pierwiastkiem wyjściowym, w wyniku emisji pozytonu lub wychwytu elektronu — jądro pierwiastka (o tej samej liczbie masowej) zawierające jeden proton mniej, tzn. położonego przed pierwiastkiem wyjściowym, w wyniku rozpadu protonowego — również jądro pierwiastka położonego przed pierwiastkiem wyjściowym lecz o mniejszej o 1 liczbie masowej, zaś rozpadu a — jądro pierwiastka o liczbie masowej mniejszej o 4, położone 2 miejsca przed pierwiastkiem wyjściowym (reguła przesunięć Soddy’ego–Fajansa). Rozpad promieniotwórczy jest procesem statyst. — nie można przewidzieć, kiedy dane jądro atom. się rozpadnie; w jądrze zachodzą ciągłe zmiany rozkładu energii i w każdej chwili może zdarzyć się taka konfiguracja, jaka jest konieczna do wystąpienia rozpadu promieniotwórczego. Można zatem określić jedynie prawdopodobieństwo zajścia rozpadu w danym czasie. Dla b. dużej liczby jąder słuszne jest prawo rozpadu promieniotwórczego, mówiące że szybkość rozpadu, czyli tzw. aktywność promieniotwórcza, jest proporcjonalna do liczby jąder mogących ulec rozpadowi. Wielkościami charakteryzującymi rozpad promieniotwórczy danego rodzaju jąder jest średni czas życia tego jądra i stała rozpadu. P. jąder atom. występujących w przyrodzie nazywa się p. naturalną, natomiast p. jąder otrzymanych w wyniku różnych reakcji jądr. — p. sztuczną. Wszystkie jądra pierwiastków począwszy od polonu są promieniotwórcze. Tworzą one "s">=="s">szeregi (rodziny) promieniotwórcze, których członami są jądra pierwiastków, będące produktami kolejno po sobie następujących przemian (np. 235 U 231Th 231Pa 227Ac ...207Pb). Znane są 3 naturalne szeregi promieniotwórcze: szereg torowy (zaczynający się 232Th a kończący 208Pb), szereg uranowy (zw. też radowym, zaczynający się 238U a kończący 206Pb) i szereg aktynowy (zaczynający się 235U a kończący 207Pb) oraz jeden szereg zaczynający się od sztucznie wytworzonego jądra 241Pu (kończy się 209Bi), zw. szeregiem neptunowym (od najdłużej żyjącego składnika). Obecnie jest znanych ponad 1800 różnych nuklidów promieniotwórczych (radionuklidów), w tym tylko ok. 50 powstaje w sposób naturalny w przyrodzie, pozostałe zostały otrzymane w wyniku reakcji jądrowych. P. naturalną odkrył A.H. Becquerel, który stwierdził, że różne związki uranu wywołują zaczernienie emulsji fot.; systematyczne badania tego zjawiska podjęte przez M. Skłodowską-Curie i P. Curie doprowadziły do stwierdzenia p. toru i odkrycia 1898 nowych promieniotwórczych pierwiastków: polonu i radu. Dalsze prace nad p. doprowadziły do rozróżnienia 3 składowych promieniowania: a, b i g (E. Rutherford, P. Villard i in.) oraz ich identyfikacji (Becquerel, S.T. Meyer, E. von Schweidler, Rutherford), a następnie do odkrycia, że zanik aktywności promieniotwórczej ma charakter wykładniczy (Rutherford, F. Soddy). Sztuczną p. odkryli 1934 I. i F.J. Joliot-Curie.
IZOTOPY [gr.], jądra atom. tego samego pierwiastka chem. różniące się masą atom.; zawierają jednakową liczbę protonów, lecz różne liczby neutronów (np. 168O, 178O, 188O); jedne i. są trwałe, inne promieniotwórcze — tzw. radioizotopy; niektóre występują w przyrodzie, większość jest otrzymywana sztucznie w wyniku reakcji jądrowych; i. promieniotwórcze mają liczne zastosowania, gł. w technice, medycynie, biologii, fizyce; są wykorzystywane m.in. do zwalczania nowotworów, wykrywania wad materiałów, pomiarów grubości, jako wskaźniki izotopowe (wskaźników izotopowych metoda) oraz do określania wieku szczątków org. i minerałów (datowanie izotopowe).

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ ATMOSFERY, aktywność promieniotwórcza atmosfery ziemskiej spowodowana obecnością w niej substancji promieniotwórczych naturalnych (gł. radonu, toru, aktynu, izotopów berylu, węgla) i sztucznie wytworzonych (gł. produktów rozszczepienia izotopów uranu i plutonu).

NUKLID [łac.], jądro atom. o określonym składzie, tj. określonej liczbie protonów i neutronów; np. jądro węgla, złożone z 6 protonów i 8 neutronów.

PROMIENIOTWÓRCZE RODZINY, szeregi promieniotwórcze, grupy powiązanych ze sobą genetycznie promieniotwórczych nuklidów, z których każdy powstaje przez rozpad a lub b poprzedniego. W przyrodzie występują 3 naturalne rodziny promieniotwórcze, rozpoczynające się nuklidami o b. długim czasie połowicznego zaniku i kończące trwałymi izotopami ołowiu: rodzina torowa (232Th– 208Pb), rodzina aktynowa (235U–207Pb), rodzina uranowa (238U–206Pb). Istnieje również czwarta rodzina promieniotwórcza zaczynająca się od sztucznie wytworzonego nuklidu 241Pu i nazwana od swego najbardziej długowiecznego składnika 237Np — rodziną neptunową (kończy się na 209Bi).

SODDY’EGO–FAJANSA REGUŁA PRZESUNIĘĆ: wskutek promieniotwórczego rozpadu a powstaje pierwiastek o liczbie masowej mniejszej o 4, znajdujący się w układzie okresowym o 2 miejsca przed pierwiastkiem wyjściowym, wskutek zaś rozpadu b — pierwiastek o takiej samej liczbie masowej, znajdujący się o jedno miejsce za pierwiastkiem wyjściowym; sformułowana 1913.
PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ (przemiana promieniotwórcza, rozpad promieniotwórczy, radioaktywność), samorzutna przemiana jednego jądra atom. (nuklidu) w inne, której towarzyszy emisja promieniowania jądrowego. Emitowanymi cząstkami promieniowania mogą być: elektron i antyneutrino lub pozyton i neutrino (w wyniku tzw. rozpadu ), jądro helu 42H (rozpad a), neutrino (wychwyt elektronu), foton (tzw. rozpad g), nukleon (rozpad protonowy), cięższe jądro, np. 14C (rozpad egzotyczny); w pewnych wypadkach może nastąpić rozpad jądra na fragmenty (najczęściej 2), zwykle o porównywalnych masach i ładunkach (tzw. rozszczepienie jądra atom.). W przypadku rozpadu a emitowany z jądra elektron powstaje z rozpadu neutronu na proton, elektron i antyneutrino, zaś pozyton — z rozpadu protonu na neutron, pozyton i neutrino. W wyniku emisji z jądra elektronu powstaje jądro nowego pierwiastka (o tej samej liczbie masowej) zawierające 1 proton więcej, tzn. położonego w układzie okresowym pierwiastków o jedno miejsce za pierwiastkiem wyjściowym, w wyniku emisji pozytonu lub wychwytu elektronu — jądro pierwiastka (o tej samej liczbie masowej) zawierające jeden proton mniej, tzn. położonego przed pierwiastkiem wyjściowym, w wyniku rozpadu protonowego — również jądro pierwiastka położonego przed pierwiastkiem wyjściowym lecz o mniejszej o 1 liczbie masowej, zaś rozpadu a — jądro pierwiastka o liczbie masowej mniejszej o 4, położone 2 miejsca przed pierwiastkiem wyjściowym (reguła przesunięć Soddy’ego–Fajansa). Rozpad promieniotwórczy jest procesem statyst. — nie można przewidzieć, kiedy dane jądro atom. się rozpadnie; w jądrze zachodzą ciągłe zmiany rozkładu energii i w każdej chwili może zdarzyć się taka konfiguracja, jaka jest konieczna do wystąpienia rozpadu promieniotwórczego. Można zatem określić jedynie prawdopodobieństwo zajścia rozpadu w danym czasie. Dla b. dużej liczby jąder słuszne jest prawo rozpadu promieniotwórczego, mówiące że szybkość rozpadu, czyli tzw. aktywność promieniotwórcza, jest proporcjonalna do liczby jąder mogących ulec rozpadowi. Wielkościami charakteryzującymi rozpad promieniotwórczy danego rodzaju jąder jest średni czas życia tego jądra i stała rozpadu. P. jąder atom. występujących w przyrodzie nazywa się p. naturalną, natomiast p. jąder otrzymanych w wyniku różnych reakcji jądr. — p. sztuczną. Wszystkie jądra pierwiastków począwszy od polonu są promieniotwórcze. Tworzą one "s">=="s">szeregi (rodziny) promieniotwórcze, których członami są jądra pierwiastków, będące produktami kolejno po sobie następujących przemian (np. 235 U 231Th 231Pa 227Ac ...207Pb). Znane są 3 naturalne szeregi promieniotwórcze: szereg torowy (zaczynający się 232Th a kończący 208Pb), szereg uranowy (zw. też radowym, zaczynający się 238U a kończący 206Pb) i szereg aktynowy (zaczynający się 235U a kończący 207Pb) oraz jeden szereg zaczynający się od sztucznie wytworzonego jądra 241Pu (kończy się 209Bi), zw. szeregiem neptunowym (od najdłużej żyjącego składnika). Obecnie jest znanych ponad 1800 różnych nuklidów promieniotwórczych (radionuklidów), w tym tylko ok. 50 powstaje w sposób naturalny w przyrodzie, pozostałe zostały otrzymane w wyniku reakcji jądrowych. P. naturalną odkrył A.H. Becquerel, który stwierdził, że różne związki uranu wywołują zaczernienie emulsji fot.; systematyczne badania tego zjawiska podjęte przez M. Skłodowską-Curie i P. Curie doprowadziły do stwierdzenia p. toru i odkrycia 1898 nowych promieniotwórczych pierwiastków: polonu i radu. Dalsze prace nad p. doprowadziły do rozróżnienia 3 składowych promieniowania: a, b i g (E. Rutherford, P. Villard i in.) oraz ich identyfikacji (Becquerel, S.T. Meyer, E. von Schweidler, Rutherford), a następnie do odkrycia, że zanik aktywności promieniotwórczej ma charakter wykładniczy (Rutherford, F. Soddy). Sztuczną p. odkryli 1934 I. i F.J. Joliot-Curie.
IZOTOPY [gr.], jądra atom. tego samego pierwiastka chem. różniące się masą atom.; zawierają jednakową liczbę protonów, lecz różne liczby neutronów (np. 168O, 178O, 188O); jedne i. są trwałe, inne promieniotwórcze — tzw. radioizotopy; niektóre występują w przyrodzie, większość jest otrzymywana sztucznie w wyniku reakcji jądrowych; i. promieniotwórcze mają liczne zastosowania, gł. w technice, medycynie, biologii, fizyce; są wykorzystywane m.in. do zwalczania nowotworów, wykrywania wad materiałów, pomiarów grubości, jako wskaźniki izotopowe (wskaźników izotopowych metoda) oraz do określania wieku szczątków org. i minerałów (datowanie izotopowe).

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ ATMOSFERY, aktywność promieniotwórcza atmosfery ziemskiej spowodowana obecnością w niej substancji promieniotwórczych naturalnych (gł. radonu, toru, aktynu, izotopów berylu, węgla) i sztucznie wytworzonych (gł. produktów rozszczepienia izotopów uranu i plutonu).

NUKLID [łac.], jądro atom. o określonym składzie, tj. określonej liczbie protonów i neutronów; np. jądro węgla, złożone z 6 protonów i 8 neutronów.

PROMIENIOTWÓRCZE RODZINY, szeregi promieniotwórcze, grupy powiązanych ze sobą genetycznie promieniotwórczych nuklidów, z których każdy powstaje przez rozpad a lub b poprzedniego. W przyrodzie występują 3 naturalne rodziny promieniotwórcze, rozpoczynające się nuklidami o b. długim czasie połowicznego zaniku i kończące trwałymi izotopami ołowiu: rodzina torowa (232Th– 208Pb), rodzina aktynowa (235U–207Pb), rodzina uranowa (238U–206Pb). Istnieje również czwarta rodzina promieniotwórcza zaczynająca się od sztucznie wytworzonego nuklidu 241Pu i nazwana od swego najbardziej długowiecznego składnika 237Np — rodziną neptunową (kończy się na 209Bi).

SODDY’EGO–FAJANSA REGUŁA PRZESUNIĘĆ: wskutek promieniotwórczego rozpadu a powstaje pierwiastek o liczbie masowej mniejszej o 4, znajdujący się w układzie okresowym o 2 miejsca przed pierwiastkiem wyjściowym, wskutek zaś rozpadu b — pierwiastek o takiej samej liczbie masowej, znajdujący się o jedno miejsce za pierwiastkiem wyjściowym; sformułowana 1913.