IZOTOPY.

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ

NATURALNA.

1

IZOTOPY

2

Trochę historii…

W

1912

roku

J.J. Thomson

, podczas badań

promieniowania katodowego (promienie wysyłane
przez

katodę)

w

polu

elektrycznym

i

magnetycznym,

stwierdził występowanie dwóch rodzajów neonu
(Z = 10), jednego o masie około 20 razy, a

drugiego

około 22 razy większej od protonu.
Nazwano je izotopami, od greckich słów

isos – taki

sam

i

tops- miejsce

(w układzie okresowym).

3

Izotopy

Odmiany

pierwiastka

chemicznego

różniące się liczbą neutronów w
jądrze atomu (z definicji atomy

tego

samego pierwiastka mają tę

samą

liczbę protonów w jądrze).

Izotopy tego samego pierwiastka
różnią się liczbą masową (łączną

liczbą

neutronów i protonów w jądrze),
ale mają tę samą liczbę atomową
(liczbę protonów w jądrze).

4

Własności i podział izotopów

Izotopy tego samego pierwiastka na ogół
mają zbliżone własności fizyczne i
chemiczne.

Jednak

im większa jest różnica mas

atomowych izotopów, tym większe mogą
być różnice

ich własności fizycznych lub

chemicznych.

Izotopy danego pierwiastka mogą mieć

inną

gęstość, temperaturę wrzenia, topnienia i
sublimacji

.

Różnice te występują także w
związkach chemicznych tworzonych przez

te

izotopy.

IZOTOPY

trwałe

(nie ulegają

samorzutnej

przemianie na

izotopy tego

samego lub

innych

pierwiastków),

nietrwałe,

zwane

izotopami

promieniotwórczy

mi (ulegają

samorzutnej

przemianie na

inne izotopy,

zazwyczaj innego

pierwiastka).

5

Izotopy wodoru

Pierwiastki mogą mieć po

kilka, a nawet kilkanaście
izotopów.

Przykładowo wodór ma trzy

izotopy:

•

prot:

1

H

–

ma jeden proton i nie ma

neutronów; trwały,

•

deuter:

2

H (D)

–

ma jeden proton i jeden

neutron; trwały,

•

tryt:

3

H (T)

–

ma jeden proton i dwa

neutrony; nietrwały

.

6

Zastosowanie izotopów

promieniotwórczych

Izotopy promieniotwórcze znalazły zastosowanie w wielu dziedzinach

życia. Jedną z ich

zalet jest fakt, że nawet niewielkie ich ilości mogą być wystarczającym

źródłem

promieniowania. Ponadto nie wymagają do tego celu energii z

zewnątrz.



W medycynie

stosowane są w diagnostyce oraz leczeniu niektórych schorzeń.

Przykładowo jako znacznika do diagnozy choroby nerek, płuc, kości, mózgu i
tarczycy używa się technetu ⁹⁹Tc.



Izotop plutonu Pu

zasila stymulatory serca

.



Izotopy promieniotwórcze stosowane są również jako

znaczniki przy uprawie

roślin.



Izotopy promieniotwórcze znalazły także zastosowanie

w archeologii

do

określania wieku obiektów.



Promieniowanie wysyłane przez izotopy promieniotwórcze, na przykład kobalt Co,
wykorzystywane jest

do utrwalania żywności.



W przemyśle

izotopy są niezwykle przydatne, między innymi

w urządzeniach

przeciwpożarowych

oraz do

wykrywania wewnętrznych pęknięć w konstrukcjach

.

Ponadto są stosowane do

pomiarów grubości różnych materiałów

, na przykład

folii, papieru, blach.

7

W tabelce przedstawiono wykorzystanie izotopów

promieniotwórczych.

8

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ

NATURALNA

9

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ NATURALNA

Promieniotwórczość naturalna

jest to samorzutna przemiana jądra
atomowego w inne, połączone z
wysyłaniem promieniowania α, β, γ.

Promieniowanie jądrowe lub
radioaktywne zostało odkryte przez
H. Becquerela w 1896 roku, M. Skłodowską - Curie

i

jej męża Piotra Curie, za co w 1903 roku otrzymali
nagrodę Nobla.

10

Emisja ciał promieniotwórczych nie zależy od jakichkolwiek
zewnętrznych czynników fizycznych czy chemicznych.

Nie można jej przyśpieszyć ani zwolnić.

Promieniowanie wysyłane przez pierwiastki radioaktywne

mają następujące cechy:



Zaczerniają kliszę fotograficzną.



Wywołuje działanie chemiczne: pod wpływem tego
promieniowania tlen zamienia na ozon; woda, chlorowodór
ulega rozkładowi.



Wywołuje luminescencję niektórych substancji np. siarczku
cyjanku.



Pierwiastki promieniotwórcze stałe wysyłają ciepło, w stanie
czystym świecą w ciemności.

11

Główne źródła tego typu

promieniowania

naturalnego to

:



przestrzeń kosmiczna



źródła ziemskie (pierwiastki
radioaktywne)

12

Częstotliwość promieniowania naturalnego na Ziemi
w skali rocznej ma wartość od kilku dziesięciu do stu
kilkudziesięciu mm . Po odpowiednim przeliczeniu
otrzymamy wartość około 7 remów wciągu życia
ludzkiego.

Stężenie promieniowania naturalnego jest uzależnione od wysokości,
szerokości geograficznej oraz składu podłoża.

Źródła naturalne stanowi około 70% promieniowania na Ziemi.
Dawka równoważna dla promieniowania naturalnego wynosi 2,4
mSv.

Skutki i przenikliwość

Promieniowanie to wywołuje
efekty fizyczne i chemiczne:

- przewodnictwo elektryczne

powietrza

- zamienia tlen w ozon
- wodę w tlen i wodór
- rozkład bromku srebra
- jest przenikliwe
- pobudza do świecenia niektóre

związki

Zjawisko promieniotwórczości sprowadza się do przemian
zachodzących w jądrach ciężkich od Z = 81 do Z = 92

Przenikliwość

13

Promieniowanie alfa (α)

Promieniowanie alfa

to rodzaj promieniowania jonizującego cechującego się

małą przenikalnością. Promieniowanie alfa jest to strumień jąder helu.

Promieniowanie alfa jest bardzo silnie pochłaniane. Nawet kilka centymetrów powietrza
stanowi całkowitą osłonę przed tym promieniowaniem. Podobnie kartka papieru, albo
naskórek pochłania całkowicie promienie alfa. Jednak w przypadku pokarmów lub
wdychanego powietrza promieniowanie alfa może być zabójcze. Kiedy już radioaktywny
materiał znajdzie się w ciele człowieka wytwarzane przez niego cząstki alfa bardzo silnie
jonizują tkanki. Prowadzi to do poważnych uszkodzeń i choroby popromiennej.

Cząstki te mają prędkość rzędu 14000 - 20000 i energię 4 - 10,5

MeV.

Podczas rozpadu promieniotwórczego spełnione są wtedy zachowanie:

- masy (liczby A)
- ładunku (liczby Z)
- energii i pędu

14

CZĄSTKA ALFA

Cząstka alfa (helion)

składa się z dwóch protonów i

dwóch

neutronów. Ma ładunek dodatni i jest identyczna z jądrem
atomu izotopu

4

He, więc często oznacza się ją jako He

2+

.

Nazwa pochodzi od greckiej litery α.

Cząstki alfa są wytwarzane przez jądra pierwiastków
promieniotwórczych, jak uran (pierwiastek) i rad

(pierwiastek).

Proces ten określa się jako rozpad alfa.

Przykładowa reakcja rozpadu alfa:

15

Schemat rozpadu α

Nowo powstałe jądro znajduje się w układzie
okresowym 2 miejsca przed pierwiastkiem
macierzystym.

16

Promieniowanie beta (β)

Promieniowanie beta

(promieniowanie β) - to jeden z

rodzajów

promieniowania jonizującego wysyłanego przez

promieniotwórcze jądra

atomowe podczas przemiany jądrowej.

Mają naturę korpuskularną

- są strumieniem elektronów

poruszających

się z prędkościami bliskimi prędkościom światła

Promieniowanie to odpowiada

przeobrażeniu w jądrze

neutronu w

proton:

17

Promieniowanie beta powstaje podczas rozpadu beta, jest
strumieniem elektronów lub pozytonów poruszających się z
prędkością zbliżoną do prędkości światła.
Zostaje ono silnie pochłaniane przez materię, przez którą

przechodzi.

Promieniowanie to jest zatrzymywane już przez miedzianą blachę.

Ładunek elektryczny cząstki jest równy -1,
masa spoczynkowa jest równa masie
elektronu, czyli
1/1840u.

Przykład przemiany, w której następuje
emisja promieniowania beta:

18

Schemat rozpadu β

Pierwiastek powstały w wyniku przemiany β - znajduje się w
układzie okresowym o jedno miejsce dalej za macierzystym.

19

PROMIENIOWANIE GAMMA

Promieniowanie gamma – wysokoenergetyczna forma
Promieniowania elektromagnetycznego.

Długości fali mniejszej od 124 pm. Zakres ten częściowo
pokrywa się z zakresem promieniowania rentgenowskiego.

Promieniowanie gamma wytwarzane jest w wyniku przemian jądrowych

albo zderzeń

jąder lub cząstek subatomowych, a promieniowanie rentgenowskie, w

wyniku zderzeń

elektronów z atomami

.

Promieniowanie gamma jest promieniowaniem jonizującym i

przenikliwym.

Nazwa promieniowania gamma pochodzi od greckiej litery γ.

20

Źródła promieniowania
gamma

Reakcja jądrowa

– jądra atomowe izotopów

promieniotwórczych po rozpadzie znajdują się w
stanie wzbudzonym. Powrót do stanu podstawowego,
o niższej energii, powoduje emisję fotonu gamma.

Nukleosynteza

– dwa jądra

atomowe

zderzają się, tworząc nowe jądro w

stanie

wzbudzonym. Jego przejściu do

stanu

podstawowego może towarzyszyć

emisja

jednego

lub

wielu

kwantów

gamma.

Anihilacja

– zderzenie cząstki i

antycząstki, np. elektronu i pozytonu,
powoduje zniknięcie obu tych cząstek i
emisję co najmniej dwóch fotonów
gamma.

21

Emisja cząstek α lub β może pozostawić jądro w stanie

wzbudzonym,

tzn., w wyższym stanie energetycznym. Przejściu jądra do

stanu

Podstawowego towarzyszy emisja krótkofalowego

promieniowania

gamma -

γ

. Jest to przenikliwe promieniowanie

elektromagnetyczne o

długości

22

ZASTOSOWANIE



Promienie gamma mogą służyć do sterylizacji sprzętu

medycznego,



jak również produktów spożywczych.



W medycynie używa się ich w radioterapii (tzw. bomba
kobaltowa) do leczenia raka,



diagnostyce np. pozytonowa emisyjna tomografia
komputerowa.



Ponadto promieniowanie gamma ma zastosowanie w
przemyśle oraz nauce, np. pomiar grubości gorących blach
stalowych, pomiar grubości papieru, wysokości ciekłego
szkła w wannach hutniczych,



w geologii otworowej (poszukiwania ropy i gazu ziemnego),



w badaniach procesów przemysłowych (np. przepływu
mieszanin wielofazowych, przeróbki rudy miedzi).

23

W wybuchu jądrowym

Podczas wybuchu jądrowego bomby atomowej około 5% energii

wybuchu zamienia

się na promieniowanie jonizujące w tym i na promieniowanie gamma.

Skutki oddziaływania promieniowania gamma powstałego podczas

wybuchu są

mniejsze niż efekty wywołane falą uderzeniową i promieniowaniem

cieplnym.

Większym problemem jest skażenie promieniotwórcze, powstaje opad

radioaktywny,

który wprowadza promieniotwórcze substancje do wody i żywności.

Promieniowanie gamma powstające podczas rozpadu pochłoniętych

przez istoty

żywe izotopów promieniotwórczych niemalże w całości jest

pochłaniane przez

organizm powoduje wzrost dawki promieniowania. W związku z tym

miejsce

eksplozji jest skażone i przez długi czas nie nadaje się do życia.

Szacuje się, że w

Hiroszimie liczba osób, które umarły w wyniku napromieniowania, jest

porównywalna z liczbą osób jakie zmarły w wyniku wybuchu.

24

Wpływ promieniowania na

organizmy

Izotopy promieniotwórcze w zetknięciu z organizmem żywym

mogą

oddziaływać niekorzystnie poprzez:



Napromieniowanie żywej tkanki promieniowaniem jądrowym –

promieniowanie typu jonizującego lub neutronowego.



Skażenia izotopami promieniotwórczymi, które dostały się do wnętrza
organizmu lub znalazły się w kontakcie zewnętrznym.

Promieniowanie jądrowe α, β i γ oraz promieniowanie Roentgena,
noszą nazwę promieniowania jonizującego

, gdyż poprzez oddanie

swojej energii wytwarzają jony. Dla organizmów żywych te jony
mogą być szkodliwe, gdyż prowadzi to do zakłócenia przemian
biochemicznych warunkujących prawidłowe funkcjonowanie
organizmu i do zmian strukturalnych komórek.

Promieniowanie jonizujące

powoduje radiolizę wody

, czyli jej rozkład

na jony pod wpływem promieniowania. W wyniku tego procesu
powstają wolne rodniki, które mogą reagować ze związkami
wchodzącymi w skład komórki, powodując zakłócenia w jej
funkcjonowaniu.

25

Najczulsze są organy krwiotwórcze i tkanki rozrodcze, najmniej czułe są

mózg i

mięśnie

. Jeśli ułożyć tkanki według zmniejszającej się czułości, to

otrzymamy

kolejno następujący szereg: tkanka limfatyczna, nabłonek jąder, szpik

kostny,

nabłonek żołądkowo - jelitowy, jajniki, skóra, tkanka łączna, kości, wątroba,
trzustka, nerki, nerwy, mózg i mięśnie.



Typowym skutkiem poważnych uszkodzeń jest

choroba popromienna

.

Składają się na nią między innymi mdłości, bóle i zawroty głowy, ogólne
osłabienie organizmu, zmiany we krwi, biegunki, niedokrwistość,
obniżenie odporności i wypadanie włosów.



Promieniowanie jonizujące może powodować

uszkodzenia genetyczne

polegające na zmianie struktury chromosomów wchodzących w skład
komórek rozrodczych. Ich następstwem są mutacje.



Innym następstwem ekspozycji żywego organizmu na napromieniowanie
jest

powstawanie nowotworów

. Częstym schorzeniem osób narażonych

na duże dawki promieniowania jest białaczka, czyli nowotwór krwi.



Innym skutkiem promieniowania jest

choroba oczu – katarakta

, która nie

leczona powoduje zanik widzenia.

26



U osób stykających się z pyłem związków pochodzących z naturalnych
szeregów promieniotwórczych uranu i toru stwierdzono ciężkie
schorzenia układu krwionośnego, nowotwory płuc i schorzenia nerek.
Innym pierwiastkiem jest pluton, który wchłonięty przez drogi
oddechowe, może przedostać się do kości i spowodować powstanie
nowotworów.

Badania na zwierzętach i roślinach wskazują, że małe dawki

promieniowania

skutkują zerowymi lub pozytywnymi ze względu na zdrowie skutkami.

Należą do

nich np.:



Zmniejszenie liczby nowotworów,



Zwiększenie średniego czasu życia,



Zwiększenie szybkości wzrostu,



Wzrost wielkości i masy ciała,



Wzrost płodności i zdolności reprodukcyjnych,



Zredukowana liczba mutacji

.

27

Na dodatkowe napromieniowanie swojego organizmu narażeni są palacze,
którzy wraz z dymem papierosowym, wprowadzają do płuc radioaktywny
polon – 210, który ulega dalszym przemianom w promieniotwórcze izotopy
ołowiu, bizmutu i talu.

Nie bez znaczenia są również dawki promieniowania, które otrzymujemy w
czasie prześwietleń rentgenowskich różnych narządów i części ciała.
Kobiety w ciąży powinny się wystrzegać prześwietleń, ponieważ płód ludzki
jest bardzo wrażliwy na promieniowanie.

Zasadniczą rolę podczas napromieniowania odgrywa czas, w ciągu którego
organizm pochłonął określoną dawkę promieniowania oraz rodzaj
organizmu.

28

Jeśli mówimy o naturalnych źródłach promieniowania, to pozornie można sądzić, że
nie mamy na nie żadnego wpływu. Oddziaływanie tych źródeł zostało zakłócone

przez

działalność człowieka. Przyczyną tych zakłóceń jest np. spalanie węgla i stosowanie
nawozów sztucznych, w których zawarte są śladowe ilości uranu i radu. Pyły

emitowane

do atmosfery w wyniku spalania węgla, zwiększają stężenie naturalnych substancji
promieniotwórczych w powietrzu, w glebie i roślinach.

Nie da się całkowicie uniknąć oddziaływania promieniowania, jesteśmy na nie
skazani.

Promieniowanie jonizujące stwarza zagrożenia, ale też przynosi ogromne

korzyści

.

29

Autor prezentacji:

Karolina Wojciechowska

Literatura:



Czerwiński - ,,Blaski i cienie
promieniotwórczości”, Warszawa 1995



Czerwiński - ,,Energia jądrowa i
promieniotwórczość”, Warszawa 1998



L. Dobrzyński - ,,Raport Działu Szkolenia
i Doradztwa Instytutu Problemów
Jądrowych im. A. Sułtana, Świerk 2001



http:// wikipedia.pl/



http://dydaktyka.fi zyka.umk.pl/

30