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. Promieniowania te mają charakter masowy. Promieniowanie 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 promieniowania 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 promieniotwórczość 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 60oC.
Wyróżnia się dwa rodzaje promieniotwórczości:
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 kilkudziesięciu 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.
Wyróżnia się trzy rodzaje promieniowania naturalnego:
Promieniowanie - alfa α
Promieniowanie - beta β
Promieniowanie - gamma γ
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)
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 promieniotwórczości
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.
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.
Promieniotwórczość sztuczna
Promieniotwórczość sztuczna - promieniotwórczość trwałych pierwiastków chemicznych wywoływana w sposób sztuczny poprzez napromieniowanie trwałych pierwiastków neutronami w reaktorze jądrowym lub poprzez "bombardowanie" tych pierwiastków ciężkimi cząstkami, takimi jak na przykład protony, cząstki alfa i inne. Ze względu na wielce zróżnicowane właściwości (rodzaj promieniowania, energia promieniowania, czas życia, masa emitowanych cząstek i inne) promieniotwórczość sztuczna znajduje znacznie szersze zastosowania w przeciwieństwie do naturalnych substancji promieniotwórczych.
Jądra atomów pierwiastków trwałych zawierają korzystną energetycznie liczbę protonów i neutronów. Pierwiastki takie albo nie ulegają przemianom jądrowym, albo proces ich rozpadu jest niezmiernie powolny. Takie jądra można wyprowadzić ze stanu stabilnego przez zmianę stosunku neutronów do protonów. Wzbudzone jądra dążą do uzyskania korzystniejszej konfiguracji, stają się więc promieniotwórcze.
Proces uzyskiwania wybranych izotopów jest bardzo skomplikowany. Polega on na umieszczeniu wybranego atomu w reaktorze atomowym, pomiędzy dwoma izotopami (najczęściej uranu) i, za pomocą specjalistycznej aparatury, kontrolowaniu przepływu promieniotwórczości przez ten atom.
Teraz warto wspomnieć coś o przydatności sztucznych izotopów we współczesnym życiu. Najbardziej obrazowym przykładem jest użycie w medycynie, ale nie jest to jedyny zakres.
Przykłady
1. Nadczynność tarczycy-jak wiadomo, nadczynność tarczycy jest choroba spowodowana nadmiernym przyrostem tkanki tarczycowej. Powoduje ona nadmierna produkcje hormonów. Wiadomo również, ze tarczyca wchłania jod. W ramach leczenie, wstrzykuje się odpowiednia ilość izotopu jodu z określonym okresem półrozpadu, który niszczy nadmiar tkanki. Często pozwala to kobiecie na normalny poród i unikniecie ciecia cesarskiego. Dlaczego akurat izotopy sztuczne? Ponieważ medycyna jest działem w którym nie ma kompromisów. Tutaj wszystko musi być optymalne, gdyż może to zawsze uratować czyjeś życie.
2. Sterylizacja - zarówno sprzęt medyczny, jak i żywność można sterylizować, za pomocą napromieniowania. Wiadomo ze promieniotwórczość zabija organizmy żywe. Dla sprzętu medycznego jest ważne, żeby był jak najsłabiej napromieniowany, gdyż nie sprzyja pacjentowi duża dawka promieniotwórcza, natomiast przy żywności, należy pamiętać ze takie produkty jak owoce, czy warzywa, będą przez nas później jedzone.
Sztuczne źródła promieniowania można sklasyfikować jako:
1. Aparaturę rentgenowską lub inna, 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 maja te sama liczbę protonów w jądrze atomu, a rożną liczbę neutronów. Izotopy tego samego pierwiastka mają te same właściwości chemiczne, różnią się jedynie masa atomowa.
Aczkolwiek izotopy danego pierwiastka maja takie same właściwości chemiczne, można je rozróżnić stosując właściwości fizyczne. Niektóre są radioaktywne, wobec tego można je wykrywać i określić ilościowo na podstawie intensywności promieniowania. Inne izotopy można rozróżniać na podstawie nieznacznych różnic w masie atomowej spowodowanych obecności dodatkowego neutronu w jądrze. Substancje zawierające w jądrze izotop 15N (ciężki azot), zamiast zwykłego 14N lub 2H (ciężki wodór, deuter) w miejsce 1H maja większa masę, co można wykryć za pomocą spektrometru masowego.
Ogromny postęp w badaniach nad wyjaśnieniem szczegółów metabolicznej aktywności komórek zawdzięczamy zastosowaniu substancji "znakowanych" izotopami, np. cukru znakowanego przez wprowadzenie na miejsce zwykłego węgla (12C) węgla promieniotwórczego (11C lub 14C) bądź węgla ciężkiego (13C). Znakowana substancje podaje się lub wstrzykuje badanemu zwierzęciu lub roślinie, bądź tez hoduje się w jej roztworze komórki, a następnie izoluje się i bada znakowane produkty powstające w wyniku normalnego przebiegu procesów metabolicznych tych organizmów lub komórek. Doświadczenie takie pozwalają dokładnie prześledzić, etap po etapie, kolejne reakcje, jakim podlega dany związek oraz określić, w jakiej postaci znaczone atomy zostają ostatecznie wydzielone z komórki bądź organizmu. Dzięki zastosowaniu np. promieniotwórczego wapnia (45Ca) można zbadać szybkość tworzenia się substancji kostnej oraz wpływ na ten proces witaminy D i hormonu wydzielanego przez gruczoły przytarczyczne. Metoda ta pozwala na rozwiązanie wielu problemów biologicznych, które nie dałyby się rozwikłać w żaden inny sposób.
Historia promieniotwórczości
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
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 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).
