Promieniotwórczość

Promieniotwórczość (radioaktywność)
zdolność emitowania przez pewne pierwiastki promieniowania jądrowego wskutek rozpadu promieniotwórczego ich jąder atomów. Promieniotwórczość pierwiastków występujących w przyrodzie jest nazywana promieniotwórczością naturalną, otrzymywanych zaś w wyniku reakcji jądrowych - promieniotwórczością sztuczną. Promieniotwórczość naturalna została odkryta przez A.H. Becquerela (fiz. fr. 1852-1908) i miała bardzo istotne znaczenie dla rozwoju fizyki atomowej i jądrowej. Jądra podlegające rozpadowi promieniotwórczemu są jądrami nietrwałymi. Emitując spontanicznie albo cząstki α (jądra helu), albo cząstki β (elektrony) pozbywają się w ten sposób energii i zamieniają się w jądra bardziej stabilne. Bardzo często po emisji cząstek α czy β powstaje jądro wzbudzone, które traci swoją energię wzbudzenia przez emisję kwantów g (fotonów).


Promieniowanie naturalne
Ludzkość – od początku swego istnienia – narażona była na działanie promieniowania ze źródeł naturalnych. Promieniowanie naturalne jest to promieniowanie, które normalnie i stale istnieje na Ziemi i jest niezależne od działalności człowieka. Pochodzi głównie z dwóch źródeł: z przestrzeni kosmicznej oraz ze źródeł ziemskich, którymi są naturalne pierwiastki promieniotwórcze. Wielkość naturalnego napromieniowania w większości okolic na Ziemi wynosi od kilkudziesięciu do stu kilkudziesię-ciu milimetrów na rok, co odpowiada wartości około 3 remów na jedno pokolenie ludzkie i około 7 remów w ciągu średniego życia ludzkiego. Poziom naturalnego promieniowania zależy od szerokości geograficznej, składu podłoża, wysokości nad poziomem morza i szeregu innych czynników.

Sztuczne źródła promieniowania jonizującego
Oprócz źródeł naturalnych występujących w przyrodzie na coraz większą skalę stosowane są w różnych dziedzinach przemysłu i medycyny sztuczne źródła promieniowania, które można sklasyfikować jako:
1. Aparaturę rentgenowską lub inną, lecz wytwarzającą promieniowanie jonizujące na podobnej zasadzie. W aparaturze tego typu promieniowanie rentgenowskie jest wytwarzane przez hamowanie na metalowych elektrodach lub szklanych ekranach strumienia elektronów rozpędzanych uprzednio w silnym polu elektrycznym, zazwyczaj w odpowiedniej komorze próżniowej. Aparatura tego typu to przede wszystkim lampy rentgenowskie, a także kineskopy telewizyjne, prostowniki próżniowe, beta-trony, akceleratory itp.
2. Izotopy promieniotwórcze. Izotopami nazywane są atomy pierwiastków, które mają tę samą liczbę protonów w jądrze atomu, a różną liczbę neutronów. Izotopy tego samego pierwiastka mają te same właściwości chemiczne, różnią się jedynie masą atomową. Izotopy promieniotwórcze charakteryzują się również właściwością wysyłania promieniowania α, β, γ.

Rodzaje promieniowania jonizującego:

Promieniowanie α
Jest to strumień cząstek złożonych z 2 neutronów i 2 pro-tonów (jądra helu) wysyłanych w następstwie przemian zachodzą-cych w jądrze. Jeżeli atom emituje cząstkę α, to z jego jądra ubywają 4 nukleony. Energia kinetyczna cząstek α wynosi od 3 do 10 MeV w zależności od rodzaju nuklidu promieniotwórczego. Cząstka α traci swą energię głównie wskutek jonizacji atomów ośrodka przenikanego. Zasięg promieniowania α zależy od ener-gii cząstek oraz od rodzaju ośrodka. Wynosi on od kilku do kilkunastu mg/cm2.

Promieniowanie β
Jest to strumień cząstek β (elektronów dodatnich lub ujemnych) emitowanych przez jądra atomów promieniotwórczych. Emisja cząstki β minus występuje przy przemianie neutronu w pro-ton. Przemianie tej towarzyszy emisja antyneutrino. Pierwiastek pochodny ma więc tę samą liczbę masową A, a liczbę atomową Z większą o 1. Emisja cząstki β plus występuje przy przemianie protonu w neutron z emisją neutrino. Pierwiastek pochodny ma wtedy tę samą liczbę masową A, natomiast liczbę atomową Z mniejszą o 1. Cząstki β przenikając materię tracą swą energię kinetyczną wskutek jonizacji lub wzbudzania atomów przenikane-go ośrodka oraz w wyniku hamowania w polach elektrostatycznych jąder.

Promieniowanie γ
Jest to promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez jądra wzbudzonych atomów promieniotwórczych. Długość fali promieniowania γ wynosi do cm. W przeciwieństwie do promieniowania cząstkowego, zasięg promieniowania elektromagnetycznego jest duży. Kwanty promieniowania γ przenikając ośrodek materialny tracą swą energię w wyniku zjawiska fotoelektrycz-nego, zjawiska Comptona, zjawiska tworzenia par, a dla dużych energii wskutek występowania reakcji jądrowych.
Promieniowanie α zatrzymuje nawet cienka kartka papieru, przeszkodą dla promieni β jest blacha aluminiowa, natomiast za-porę dla promieni γ stanowi dopiero gruba płyta ołowiana.


Promieniowanie rentgenowskie (X)
Jest również strumieniem kwantów promieniowania elektromagnetycznego, powstającym w wyniku oddziaływania (hamowania) strumienia elektronów z jądrami atomów materii. Promieniowanie rentgenowskie jest niewidzialne dla oka, przebiega prostolinijnie, ma wybitną zdolność przenikania ciał, wywołuje fluorescencję pewnych substancji, redukuje chemicznie związki srebra, jonizuje gazy i wywiera działanie niszczące na tkankę żywą.

Promieniowanie neutronowe (N)
Jest strumieniem neutronów powstających w wyniku procesu tzw. rozszczepienia jąder atomowych ciężkich pierwiastków, np. uranu i pierwiastków transuranowych. Ładunek neutronu równy jest zero, a masa wynosi g.

Poza wymienionymi wyżej rodzajami promieniowania istnieją jeszcze inne rodzaje promieniowania, takie jak np. protony lub tzw. fragmenty rozszczepienia jąder atomowych. Mogą one powstawać w wyniku skomplikowanych reakcji jądrowych i bardzo rzadko stanowią źródło realnego zagrożenia radiacyjnego

Okres półrozpadu
to czas po którym połowa początkowej ilości jąder danego nuklidu uległa rozpadowi. Okres półrozpadu zależy tylko od ilości danej próbki i od rodzaju danego nuklidu. Jest on charakterystyczny dla danego izotopu. Dzięki okresowi półrozpadu możemy obliczyć wiek danej próbki.

Reakcja łańcuchowa
Gdy neutrony spowodują rozszczepienie jądra nuklidu rozszczepialnego (np. Uran – 235) powstają dwa nowe jądra oraz kilka nowych neutronów. Neutrony wyzwolone podczas rozszczepienia jądra uranu 235U tzw. neutrony wtórne, maja prędkość dużo większą od neutronów wywołujących rozszczepienie. I te neutrony wtórne również mogą wywołać rozszczepienie innych jąder uranu, dzięki temu powstają nowe neutrony zdolne do bombardownia dalszych jąder uranu i w ten sposób może powstać nie zanikająca reakcja, zwana łańcuchową. Urządzenie zawierające materiał ulegający rozszczepieniu i materiał nierozszczepialny, tworzą układ, w którym można wytworzyć reakcję łancuchową w sposób kontrolowany , nazywa się reaktorem jądrowym

Szereg promieniotwórczy
promieniotwórcza rodzina, zespół pierwiastków promieniotwórczych, z których każdy następny powstaje z rozpadu promieniotwórczego jąder pierwiastka poprzedniego (macierzystego). Znane są trzy szeregi naturalne: uranowy (uranowo - radowy) aktynowy(uranowo - aktynowy) i torowy, oraz jeden sztuczny neptunowy. Każdy szereg rozpoczyna nuklid o długim okresie półtrwania przez co każdy pierwiastek całego szeregu występuje ciągle pomimo krótkiego okresu rozpadu. Każdy szereg kończy nuklid trwały, w szeregach naturalnych jest to izotop ołowiu (ołów – 206, ołów – 207, ołów -208), a w szeregu neptunowym jest to bizmut – 209.


Człowiek oraz wszystkie żyjące na Ziemi organizmy są stale narażone na wpływ promieniowania jonizującego. Na skutek oddziaływania promieniowania na tkankę żywą, zachodzą w niej pewne zmiany. Zależą one od rodzaju promieniowania, jego natężenia i energii, a także rodzajów tkanki, położenia źródła promieniowania i czasu ekspozycji. Promieniowanie jonizujące oddziałując z tkanką żywą powoduje jonizację atomów i zmianę przebiegu biologicznych procesów w komórce. Nie wszystkie zmiany w strukturach biologicznych, zwłaszcza w cząsteczkach kwasów nukleinowych (DNA) i chromosomach ujawniają się w organiźmie od razu po napromieniowaiu, wiele następstw ma miejsce w znacznie późniejszym czasie, jako tzw. zmiany późne. I może to być białaczka (w wyniku uszkodzenia szpiku kostnego), nowotwory złośliwe skóry, kości, zaćma czy zaburzenia przewodu pokarmowego (w wyniku dysfunkcji jelit). Ogólnie, mogą to być zmiany somatyczne, trwałe dla danego organizmu, jak również zmiany genetyczne, przekazywane następnym pokoleniom. Niszczące działanie promieniowania jądrowego jest wykorzystywane w terapii nowotworowej. Skutki biologiczne promieniowania jądrowego można obserwować przy napromieniowaniu zewnętrznym, kiedy źródło jest na zewnątrz organizmu, lub wewnętrznym, kiedy źródło jest wewnątrz organizmu. Szczególnie niebezpieczne jest właśnie to napromieniownie wewnętrzne, gdyż nawet mało przenikliwe promieniowanie jest bardzo skutecznie jonizujące. Najczęstszymi drogami przedostawania się radioizotopów do wnętrza organizmu człowieka są drogi oddechowe, układ pokarmowy oraz skóra. Skażenie powieżchni ciała jest znacznie mniej groźne, bo jest możliwe do usunięcia, np. przez umycie ciała.

Skutki i następstwa promieniowania zależą przede wszystkim od dawki promieniowania, tzn. rodzaju, czasu ekspozycji i natężenia promieniowania. Dla człowieka dopuszczalne dawki są różne, zależnie od wieku, stanu zdrowia i organu napromieniowanego. Przyjmuje się dawkę 4 siwertów jako dawkę powodującą śmierć w 50% wypadków przy napromieniowaniu całego ciała.

W ostatnich latach zwrócono uwagę na skutki działania promieniowania elektromagnetycznego niejonizującego, w szczególności promieniowania o wysokiej częstotliwości. Działanie tego promieniowania na organizmy żywe, a także na organizm ludzki, nie jest dokładnie rozpoznane; uważa się je obecnie za jedno z powszechnych zanieczyszczeń środowiska. Promieniowanie o wysokiej częstotliwości powstaje w wyniku działania zespołów sieci i urządzeń elektrycznych w pracy oraz w domu (np. kuchenki mikrofalowe, żelazka, lodówki, odkurzacze, pralki, telewizory), urządzeń elektromechanicznych do badań diagnostycznych i zabiegów fizykoterapeutycznych, stacji nadawczych, urządzeń energetycznych, telekomunikacyjnych, rakiolokacyjnych czy radionawigacyjnych.

Negatywny wpływ energii elektromagnetycznej przejawia się tzw. udarem cieplnym, co może powodować dodatkowe zmiany biologiczne, np. zmianę właściwości koloidalnych w tkankach, a nawet doprowadzić do śmierci termicznej. Szczególnie szkodliwe oddziaływanie na środowisko mają linie wysokiego napięcia, w pobliżu których wytwarzają się napięcia i prądy niebezpieczne dla zdrowia i życia ludzi. Pole elektromagnetyczne wytwarzane przez silne źródło niekorzystnie zmienia warunki bytowania człowieka, wpływa na przebieg procesów życiowych organizmu; mogą wystąpić zaburzenia funkcji ośrodkowego układu krwionośnego oraz narządów słuchu i wzroku. Najbardziej narażeni są ludzie zatrudnieni przy obsłudze urządzeń emitujących tego rodzaju promieniowanie. Przeprowadzone badania lekarskie tej grupy pracowników ujawniły, że najczęstszymi ich dolegliwościami były: pieczenie pod powiekami i łzawienie, bóle głowy, drażliwość nerwowa, wypadanie włosów, suchość skóry, oczopląs, arytmia serca, objawy nerwicowe, zaburzenie błędnika. Zespół wymienionych objawów określa się ogólnym pojęciem "choroby radiofalowej" lub "choroby mikrofalowej". Biologiczne skutki skażeń elektromagnetycznych nie są możliwe do wykrycia za pomocą zmysłów, nie są też one od razu odczuwalne, a mogą wystąpić dopiero po wielu latach.

Obecnie prawie wszyscy ludzie podlegają ekspozycji promieniowania elektromagnetycznego pochodzącego ze źródeł sztucznych. Poziom tej ekspozycji zależy od stopnia uprzemysłowienia danego regionu, koncentracji stacji nadawczych i liczby odbiorników, liczby lotnisk, portów morskich czy rozwoju sieci energetycznej. Obecność pół elektromagnetycznych o częstotliwości 50Hz ma także degenerujący wpływ na rośliny i zwierzęta. U roślin obserwuje się opóźniony wzrost i zmiany w budowie zewnętrznej, u zwierząt natomiast zaburzenia neurologiczne oraz zaburzenia w krążeniu, zakłócenia wzrostu, żywotności i płodności.

Każdy mieszkaniec Ziemi otrzymuje przeciętnie w ciągu roku dawkę 2,4 milisiwertów związaną z naturalnym tłem promieniowania. Za bezpieczną dawkę roczną przyjmuje się 3 milisiwerty. Ludność Polski do 1986 roku otrzymywała od tła naturalnego równoważnik dawki promieniowania wynoszący średnio 2 milisiwerty. Wybuchy jądrowe prowadzone przez mocarstwa atomowe w latach 1945-80 spowodowały wprowadzenie do biosfery wielkich ilości radioizotopów. Szczególne nasilenie eksperymentów atomowych miało miejsce w latach 1962-63, kiedy to w Polsce średnioroczne skażenie opadem całkowitym wynosiło ok. 40 kilobekereli na metr kwadratowy, a skażenie powietrza - 110 milibekereli na metr sześcienny. Dalsze lata ujawniły, że oprócz wybuchów jądrowych równie groźne dla środowiska są awarie elektrowni jądrowych.

Szczególnie groźna, także dla Polski, była katastrofa reaktora jądrowego w Czarnobylu na Ukrainie w 1986 roku. W wyniku wybuchu, w okresie od 26 kwietnia do 6 maja 1986 roku, do środowiska zostały uwolnione jod-131 i cez-137 oraz w niewielkich ilościach stront-90. Łącznie aktywność substancji promieniotwórczych uwolnionych w czasie awarii wynosiła 2 miliardy gigabekereli. Była to największa i najtragiczniejsza awaria reaktora jądrowego, która pochłonęła wiele ofiar. Skażenie powietrza w Polsce przed awarią wynosiło ok. 1 milibekerel na metr sześcienny, natomiast po awarii - przeciętnie 100 kilobekereli na metr sześcienny, a wód powierzchniowych ok. 10 bekereli na decymetr sześcienny. Ocenia się, że 25% powierzchni Polski zostało silnie skażonych; największe skażenie dotknęło północno-wschodnie oraz częściowo południowe regiony kraju. Skutki tej awarii mają różnorodny charakter. Skażenie jodem ustąpiło szybko, na skutek krótkotrwałego okresu połowicznego rozpadu tego izotopu. Pozostał problem skażenia izotopami cezu i strontu, których okresy połowicznego rozpadu wynoszą prawie 30 lat.

Izotop strontu (stront-90), podobnie jak wapń jest składnikiem nieorganicznym kości. Gdy wraz z pokarmem dostanie się do organizmu, działa jonizująco na żywe komórki krwi. Emitując promienie beta powoduje niebezpieczne zmiany nowotworowe w tkance kostnej i szpiku kostnym (rak kości).

Izotop cezu (cez-137) jest stosunkowo dobrze rozpuszczalny i podobny pod względem właściwości chemicznych do potasu. W przeciwieństwie do strontu nie jest kumulowany w organiźmie, lecz szybko usuwany. Cez łatwo dostaje się do organizmu ludzkiego ze spożywanym mlekiem, mięsem czy warzywami. Emitując promienie ma możliwości wywołania zmian genetycznych w gonadach.

Katastrofa w Czarnobylu była wynikiem błędów popełnionych podczas eksperymentu. Od tej pory jednak zaczął narastać w Polsce sprzeciw społeczeństwa wobec decyzji zakończenia budowy elektrowni jądrowej w Żarnowcu i projektowanej budowy elektrowni w Klempiczu.