Promieniotwórczość

Promieniotwórczość polega na samorzutnym
rozpadzie - rozszczepieniu - jąder atomów
niektórych pierwiastków.

Pierwiastki, których atomy ulegają rozczepianiu,
nazwane są pierwiastkami promieniotwórczymi
Wyróżnia się dwa rodzaje promieniotwórczości:

1. Naturalna

2. Sztuczna

Naukowcy

Odkrycia

Herni Becquerel (1896), (1903)

Odkrycie zjawiska promieniotwórczości,
otrzymał Nagrodę Nobla

Maria Skłodowska

i Piotr Curie

(1911 - II nagroda Nobla)

Badanie i odkrycie pierwiastków
promieniotwórczych: rad i polon

James Chadwick (1932, 1935 )

Dokonał fundamentalnego odkrycia w
dziedzinie fizyki nuklearnej, na podstawie
jego eksperymentów odkrył i opisał nową
cząstkę w jądrze, która została nazwana
neutronem. Za swoje epokowe odkrycie
otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie
fizyki.

Irena oraz Fryderyk Joliot – Curie, (1934)

Odkryli promieniotwórczość sztuczną -
Zdolność pierwiastków
napromieniowanych w odpowiedni
sposób do rozpadu

Ernest Rutherford (1911)

Studia nad promieniotwórczością

Niels Bohr (1911)

Studia nad promieniotwórczością

IZOTOPY

Izotopy są to pierwiastki, które

charakteryzują się niestabilnością tj.

rozpadaniem się (okres połowicznego

rozpadu).

Rodzaje izotopów

•

Izotopy dzielimy na :

· Trwałe (stabilne) - to takie atomy, których jądra nie ulegają

samorzutnym przemianom w inne.

· Naturalne - izotopy występujące w przyrodzie

· Promieniotwórcze (radioizotopy) - nietrwałe, są to atomy ulegające

samorzutnym przemianom jądrowym.

· Sztuczne - otrzymane przez człowieka na drodze przemian

promieniotwórczych.

•

Nuklidy ulegające rozpadowi promieniotwórczemu noszą nazwę
promieniotwórczych albo radioaktywnych.

•

Rozpady promieniotwórcze dzieli się na poszczególne typy w
zależności od rodzaju cząstek emitowanych w rozpadzie lub od
zmiany liczby atomowej i masowej.

RODZAJE PROMIENIOWANIA.

Ze względu na istotę promieniowania jonizującego i

właściwości ujawniające się przy oddziaływaniu z
materią, można je podzielić na dwa zasadnicze
rodzaje:

• 1)

promieniowanie korpuskularne,

• 2)

promieniowanie elektromagnetyczne.

Do pierwszej kategorii zalicza się promieniowanie

jonizujące, w którym nośnikiem energii są cząstki
elementarne lub złożone o różnej budowie, masie,
ładunku elektrycznym i szybkościach, jak np.:
neutrony, protony, cząstki alfa, cząstki beta itp.

• Promieniowanie neutronowe i protonowe składa się

z cząstek o prawie identycznej masie

(mn - 1,008665 j.m.a., mp - 1,007276 j.m.a.).

• Zasadnicza różnica tych dwóch rodzajów

promieniowania polega na tym, że protony
posiadają jednostkowy dodatni ładunek
elektryczny.

• Wskutek tego zdolność reagowania protonów ze

składnikami materii jest większa, a zasięg –
mniejszy w porównaniu z oddziaływaniem
pozbawionych ładunku elektrycznego neutronów.

Promieniowanie jonizującego

• Istotą drugiego rodzaju promieniowania

jonizującego są fale elektromagnetyczne o
bardzo małej długości, czyli bardzo wysokiej
częstotliwości.

• Zaliczamy tutaj:
- promieniowanie γ powstaje w wyniku

przemian w jądrach atomowych

- promieniowanie X, powstaje poza jądrem

atomowym na skutek hamowania elektronów

Różnice

pomiędzy tymi dwoma rodzajami
promieniowania dotyczą jedynie sposobu i
miejsca powstawania, nie zaś istoty i
właściwości.

• Ze względu na brak masy spoczynkowej

promieniowanie X i γ o dostatecznie dużej
energii posiada stosunkowo niewielką
zdolność jonizacji i duży zasięg w materii.

Rodzaje promieniotwórczości

Promieniowanie α

• Jest to strumień cząstek α, czyli jąder helu. Zasięg

tego rodzaju promieniowania jest dość mały i
wynosi 2,5 - 11,5 cm. Stosunkowo duże cząstki α
szybko tracą energię podczas oddziaływania z
cząsteczkami powietrza czy ośrodka. Prędkość
jąder helu wynosi ok. 0,2 prędkości światła.

• W wyniku rozpadu α powstaje jądro o liczbie

masowej (A-4) i liczbie atomowej (Z-2), co zapisuje
się następująco:

•

Z

A

X

Z-2

A-4

Y +

2

4

He +Q

• gdzie: Q-energia rozpadu

Promieniowanie β

Rozpad β

-

• Jest strumieniem elektronów o mniejszej jonizacji niż

promieniowanie omawiane powyżej. Charakteryzuje się zasięgiem
w granicach paru metrów oraz dość dużej prędkości od 0,3 do
0,99 c (prędkości światła). Promieniowanie β przenika na
głębokość 1 cm organizmów żywych.

• W tej przemianie z jądra emitowany jest elektron oraz antyneutrino

elektronowe o masie spoczynkowej równej zero i nie posiadające
ładunku elektrycznego. W wyniku przemiany liczba atomowa
powstałego jądra zwiększa się o jeden, a liczba masowa pozostaje bez
zmiany.

•

Z

A

X

Z+1

A

Y + e

-

+ ν

e

+Q

Rozpad β+ polega na wysłaniu z jądra pozytonu i neutrina

elektronowego. W rozpadzie tym liczba atomowa powstałego jądra
zmniejsza się o jeden, a liczba masowa nie ulega zmianie.

•

Z

A

X

Z-1

A

Y + e+ + ν

e

+Q

Promieniowanie γ

• Ten rodzaj promieniowania, choć słabo

zjonizowanego, charakteryzuje się
bardzo dużą przenikalnością zasięgiem
oraz energią. Jest to strumień kwantów
promieniowania (hv).

• Może on wywołać fluorescencję

niektórych związków, zredukować
związki srebra czy zjonizować gazy.

Wychwyt elektronu

• Wychwyt elektronu polega na wchłonięciu

przez jądro jednego elektronu z powłoki
atomowej, najczęściej z najbliższej jądru
powłoki K. Stąd też proces ten nazywany
jest także wychwytem K. Liczba atomowa
jądra końcowego podobnie jak w
rozpadzie beta plus zmniejsza się o jeden
a liczba masowa nie ulega zmianie.

•

Z

A

X + e

Z-1

A

Y + ν

e

+Q

Deekscytacja

•

Deekscytacja jądra atomowego jest przejściem jądra od stanu
wzbudzonego do stanu o niższej energii, którym może być zarówno
stan podstawowy jak i wzbudzony. Często rozpad α lub β prowadzi
nie do stanu podstawowego, lecz do stanu wzbudzonego jądra.
Przy przejściu ze stanu wzbudzonego do stanu o niższej energii
jądro emituje kwant γ.

•

•

Z

A

X*

Z

A

X + hν

•

Czasem deekscytacja stanu wzbudzonego nie następuje przez
emisję promieni γ, lecz przez bezpośrednie przekazanie energii
wzbudzenia elektronowi orbitalnemu, który wylatuje z energią równą
energii przekazanej pomniejszonej o energię wiązania elektronu na
orbicie. Zjawisko to nosi nazwę zjawiska konwersji wewnętrznej.

CZAS POŁOWICZNEGO

ROZPADU

• liczba rozpadających się jąder na jednostkę

czasu jest wprost proporcjonalna do liczby
wszystkich jąder w próbce. Wielkość, która
oznaczała ilość rozpadów na czas, w którym
te rozpady nastąpiły nazywamy aktywnością
źródła promieniotwórczego:

• A = N/t

• Jednostką A jest 1 bekerel (1 Bq). źródło ma

aktywność jednego bekerela, gdy w ciągu jednej
sekundy ulega rozpadowi jedno jądro.

• Liczba jąder promieniotwórczych w wyniku

rozpadu alfa maleje wykładniczo z upływem
czasu.

• Czas, po którym dwukrotnie maleje liczba jąder

promieniotwórczych danego pierwiastka,
nazywamy połowicznym czasem rozpadu (T)
danego pierwiastka promieniotwórczego.

• N = N

0

/2

NATURALNE SZEREGI

PROMIENIOTWÓRCZE.

• Planeta nasza zawiera liczne pierwiastki promieniotwórcze

rozproszone w glebie, powietrzu i wodzie, które przyczyniają
się do powiększenia tła promieniowania wywołanego przez
promieniowanie kosmiczne.

• Warunkiem, aby jakiś nuklid mógł występować w naturze,

jest, aby jego czas życia lub czas życia jednego z
poprzedzających go w szeregu promieniotwórczym nuklidów
był porównywalny z wiekiem Ziemi.

• Występujące w naturze pierwiastki promieniotwórcze

przeważnie powiązane są ze sobą genetycznie w tak
zwane szeregi lub rodziny promieniotwórcze.
Powiązania te pozwalają m. in. na oznaczanie wieku
minerałów.

• Wykorzystywany jest tutaj fakt, iż naturalne szeregi

promieniotwórcze toru i uranu kończą się na trzech
różnych trwałych izotopach ołowiu

206

Pb,

207

Pb i

208

Pb. Oznaczenie zawartości uranu lub toru w

minerale w stosunku do ilości ołowiu umożliwia
określenie jego wieku.

• Tą metodą oszacowano wiek Ziemi na 4,5 mld lat.

• Przynależność nuklidu do pewnej rodziny

promieniotwórczej stwierdzić możemy na podstawie
jego liczby masowej. Ponieważ po rozpadzie
promieniotwórczym liczba masowa zmienia się tylko
przy emisji cząstki α, czyli zmienia się tylko o 4,
nuklidy należące do danej rodziny mają liczby
masowe różniące się między sobą o 4. Liczby te
przedstawić można wzorem

• A = 4n + m
gdzie n jest liczbą całkowitą,

m może przyjmować wartości 0, 1, 2, 3 i charakteryzuje

daną rodzinę promieniotwórczą.

Odpowiednio do tych czterech wartości m otrzymujemy

cztery szeregi promieniotwórcze

W przyrodzie jednak występują tylko trzy

rodziny promieniotwórcze:

- szereg torowy,
- szereg uranowo-radowy
- szereg uranowo-aktynowy.

Czwarty szereg promieniotwórczy tzn.

szereg neptunowy (A=4n+1) nie istnieje już
w naturze, ponieważ jego najdłużej żyjący
pierwiastek Np ma czas połowicznego
zaniku T=2,2·10(6)lat, a więc ok. 2000 razy
krótszy od wieku Ziemi.

Wszystkie pierwiastki tego szeregu zostały

zatem wytworzone sztucznie. Szereg ten
kończy się na trwałym izotopie bizmutu Bi.

Szeregi promieniotwórcze.

• Liczby masowe pierwiastków szeregu

torowego można opisać ogólnym wzorem
4n.

• Drugi zaczyna się od uranu (238U) i

kończy się na izotopie ołowiu (206Pb).
Odpowiednia zależność dla szeregu
drugiego: 4n+2.

• Trzeci szereg zaczyna się od izotopu

(235U) i kończy się izotopem ołowiu
(207Pb). Odpowiednia zależność dla
szeregu trzeciego: 4n+3

Szereg promieniotwórczy izotopu

(238U)

Szereg torowy

1. A=4n (m=0). Nazwa tego szeregu

pochodzi od najdłużej żyjącego
pierwiastka

232

Th, o czasie połowicznego

zaniku T=1,41·10(10)lat. Pewne krócej
żyjące pierwiastki promieniotwórcze tego
szeregu zostały wytworzone sztucznie.
Szereg ten kończy się na stabilnym
izotopie ołowiu Pb (

208

Pb).

Krzywa zaniku promieniotwórczego

PROMIENIOWANIE KOSMICZNE.

• Promieniowanie kosmiczne pochodzące z przestrzeni

międzygwiezdnych, odznacza się bardzo dużą
przenikliwością oraz dużą energią. Pierwotne
promieniowanie kosmiczne, docierające do górnych
warstw atmosfery składa się z przenikliwych cząstek o
średnich energiach rzędu 10eV, przy czym maksymalne
energie cząstek sięgają 10eV.

• W skład pierwotnego promieniowania kosmicznego w

stratosferze na wysokości ponad 25 km wchodzą
protony (87%), cząstki α (11%), ciężkie jony od Be do Fe
(ok. 1%) i elektrony (ok. 1%).

• Pomimo to, iż protony stanowią 87% promieniowania

kosmicznego, jedynie 0.05% z nich dociera do
powierzchni Ziemi.

• W wyniku oddziaływania pierwotnego promieniowania

kosmicznego na nuklidy powietrza atmosferycznego, w
atmosferze Ziemskiej powstaje promieniowanie wtórne.
Składnikami tego promieniowania są cząstki o różnym
czasie trwania i różnej masie spoczynkowej.

• W reakcjach jądrowych ze składnikami atmosfery,

zawartymi w niej pyłami i powierzchniowymi warstwami
litosfery powstaje ponad 30 izotopów dwudziestu kilku
pierwiastków od

3

H do

205

Bi. W napromieniowaniu

żywych organizmów znaczącą rolę mają jednak tylko
cztery z nich:

3

H,

7

Be,

14

C i

23

Na.

•

Tryt H i węgiel C powstają m.in. w wyniku bombardowania azotu
atmosferycznego neutronami wtórnego promieniowania kosmicznego.

• Pierwsza reakcja jest endotermiczna,

powstaje w niej węgiel C-12 oraz
radioaktywny tryt H-3, druga reakcja jest
jeszcze silniej endotermiczna, w trzeciej
reakcji powstaje radioaktywny węgiel C-14
i wodór H-1.

Tryt i radiowęgiel ulegają rozpadowi

promieniotwórczemu odpowiednio na hel albo

azot.

Procesowi temu towarzyszy emisja elektronu i

neutrina elektronowego.

Promieniotwórczość sztuczna

• Jądra izotopów niepromieniotwórczych mogą

ulegać przemianom pod działaniem
bombardujących je cząstek o dostatecznie dużej
energii.

• Do takich celów stosowane bywają protony

1

1

H,

deuterony

2

1

H, cząsteczki , neutrony, a także

promienie , których strumieniowi nadaje się
odpowiednią energię w cyklotronie.

Jeżeli cząstka bombardująca trafia w atakowane jądro,

to wywołuje reakcję jądrową. Produktem takiej reakcji

może być jądro zdolne następnie do samorzutnego

rozpadu, tj. jądro izotopu promieniotwórczego.

•

31

15

P +

2

1

H ->

32

15

P +

1

1

H

•

9

4

Be +

4

2

He ->

12

6

C +

1

0

n

• W 1934 r Irena i Fryderyk Joliot – Curie

otrzymali pierwszy sztuczny pierwiastek

promieniotwórczy:

•

27

13

Al +

4

2

He ->

30

15

P +

1

0

n

• Nietrwałe jądro fosforu ulegało

rozpadowi na stabilne jądro krzemu:

•

30

15

P ->

30

14

Si +

0

+1

e

Szczególny rodzaj przemian jądrowych może wywołać
pochłonięcie neutronu, który nie mając ładunku
elektrycznego nie podlega oddziaływaniom
elektrostatycznym, a więc może stosunkowo łatwo
przeniknąć do wnętrza jądra.

•

14

7

N +

1

0

n ->

14

6

C +

1

1

H

59

27

Co +

1

0

n ->

60

27

Co + 

Hahn i Strassman zaobserwowali, że produktami

bombardowania neutronami uranu są nuklidy o

liczbach masowych od 70 do 160 (krypton, bar)

oraz 2 lub 3 neutrony.

• Przebieg reakcji jest następujący.

•

235

92

U +

1

0

n --->

236

92

U --->

146

56

Ba +

90

36

Kr

146

56

Ba --->

145

56

Ba +

1

0

n

145

56

Ba --->

144

56

Ba +

1

0

n

90

36

Kr --->

89

36

Kr +

1

0

n

Okres półtrwania

• Dla każdego pierwiastka promieniotwórczego

charakterystyczny jest tzw. okres półtrwania
(t

1/2

), czyli przedział czasu, w którym pierwotna

liczba jąder N

o

maleje do połowy, tj. gdy: N =

N

o

/2

• Dla naturalnych pierwiastków okres półtrwania

zawarty jest między 10

-11

sekundy a 1,3 x 10

10

lat.

Reakcje łańcuchowe

a)

Niekontrolowana reakcja w bombie jądrowej.

b)

Kontrolowana reakcja jądrowa w reaktorze

1.Jądra nowych pierwiastków

2.Jądro atomowe

3.Aktywne neutrony

4.Utracone neutrony

Zastosowanie pierwiastków

promieniotwórczych

Energia jądrowa

• Pochodzi ona z rozczepienia ciężkich jąder takich

jak: uran, pluton czy tor albo z syntezy pierwiastków
o małej masie, np. lit, hel. Energia ta związana jest z
pękaniem wiązań jądrowych.

• Jedynie w węglowych reaktorach udało się

kontrolować proces, natomiast w pozostałych
przypadkach reakcja jądrowa jest niekontrolowana.

• W 1938r. odkryto, że niektóre izotopy ulegają

rozczepieniu. Bazując na tym zjawisku prowadzono
badawcze projekty militarne, np. Manhattan Project,
podczas II Wojny Światowej prowadzące do
powstania bomby atomowej.

• Energia jądra atomowego pochodzi z energii

zużytej podczas formowania się

pewnych

pierwiastków (np. uran) na wytworzenie wiązań
jądrowych - sił utrzymujących jądro ciężkie w
stabilnej całości.

• Energia ta może wyzwalać się na dwa sposoby:

- przy rozszczepienia większego jądra na lżejsze

- w reakcjach syntezy - łączenia się jąder.

Energia wyzwalana w tych procesach jest znaczna.

Dla przykładu: w rozczepieniu jąder 1 kg uranu

otrzymać

można przeciętnie energie rzędu

energii wyprodukowanych przy spalaniu ponad 2
tys.ton węgla kamiennego.

• Po wojnie, w latach 50 i 60

podejmowano próby, w ramach
inżynierii jądrowej, tworzenia żelowych
kanałów na terenie Ameryki Środkowej,
odwrócenia biegu syberyjskich rzek
czy powstawania sztucznych jezior.

• Paliwem w elektrowniach jądrowych są

radioaktywne izotopy, które mogą
napędzać także statki, podwodne łodzie
czy samoloty

PIERWIASTKI PROMIENIOTWÓRCZE W

SKORUPIE ZIEMSKIEJ.

•

Datowanie jądrowe

• Metoda ta polega na określaniu wieku znalezisk

archeologicznych, minerałów na podstawie stosunku
zawartości izotopów określonego pierwiastka.

• Najpowszechniejsza jest metoda węgla

14

C polegająca na

oznaczeniu stosunku izotopów

14

C i

12

C. Pierwszy z nich

wykazuje tendencje do rozpadu. Tworzy się on w
warstwie górnej stratosfery z promieniowania
kosmicznego oraz jąder

14

N. Jego połowiczny zanik

wynosi T ½ = 5730 lat. Stężenie tego izotopu w powietrzu
w zasadzie nie zależy od działalności Słońca.

• Niestety wybuchy jądrowe, które miały miejsce w XX

wielu, zaburzyły ten stan i należy je uwzględnić przy
wyznaczaniu stosunku izotopowego węgla.

• Żywe organizmy posiadają w sobie obydwa

rodzaje węgla, w zawartości takiej, jaka jest w
środowisku.

• Po śmierci następuje powolny rozkład

14

C. Ten

proces pozwala oznaczyć wiek ciał,
przedmiotów organicznego pochodzenia
mającego od 200 do 30000 z dokładnością do 30
lat.

• W 1960r. Libby za metodę zegara izotopowego z

wykorzystaniem izotopu

14

C jako wskaźnika,

dostał Nagrodę Nobla z chemii.

• Za pomocą w/w sposobów określa się skały

mające od parędziesięciu milionów do paru
miliardów lat.

Scyntygrafia - obrazowa metoda diagnostyczna,

polegająca na wprowadzeniu do organizmu

farmaceutyków znakowanych radioaktywnymi

izotopami, cyfrowej rejestracji ich rozpadu i

graficznym przedstawieniu ich rozmieszczenia.

•

Do leczenia oraz diagnozy chorób tarczycy stosuje się izotopy

jodu, wytworzone w sposób sztuczny. Zastosowanie

131

I

odkryto w 1931 r. - umożliwia uzyskanie obrazu narządów na
podstawie „obrazu” promieniowania wprowadzonych
izotopów.

• Ponadto w medycynie używa się:

–

133

Xe i 85Kr - badania perfuzji mózgu

–

67

Ga - w onkologii

–

75

Se - diagnostyka przytarczyc oraz kory nadnerczy

• Obecnie techniki scyntygraficzne są bezpieczne dla pacjentów.

Za maksymalną dawkę promieniowania przyjmuje się 0,15 –
1,25 Gy (grej – jednostka dawki pochłoniętej), a ilość
promieniowania stosowanego w lecznictwie wynosi 0,01 –
0,1Gy. Częstość badania, szczególnie u dzieci (są bardziej
wrażliwe na promieniowanie) ustala lekarz biorąc pod uwagę
korzyści medyczne.

Negatywne skutki promieniotwórczości

Broń jądrowa

• Inaczej zwana jest bronią masowego rażenia.

Energia atomowa pochodzi z rozczepienia albo
syntezy. Broń nuklearną transportuje się w
samolotach, rakietach, w postaci min. Szkodliwe dla
wszystkich organizmów są efekty działania tych
środków:

promieniowania cieplnego i

przenikliwego, fali uderzeniowej, a także
opadu promieniotwórczego.

• Ten ostatni wywołuje skażenie globalne,

szczególnie w wyniku prób nuklearnych w
1945 – 1962r. Jak wynika z badań przeciętny
mieszkaniec Ziemi w wyniku globalnego
opadu promieniotwórczego otrzymał dawkę
promieniowania o wartości 4,5 mSv (Siwert –
do promieniowania jonizującego), a 50% jest
związana z podwyższeniem zawartości 14C.

• Takie potencjalne zagrożenia zwróciły uwagę

obrońców środowiska naturalnego, którzy
doprowadzili do zaprzestania prób jądrowych
i ograniczenia stosowania elektrowni
atomowych

Zakłócenie równowagi w przyrodzie

•

Badania nuklearne prowadzą do zaburzenia ekosystemu zmieniając
warunki klimatyczne i rozwój organizmów.

•
Wpływ na organizmy żywe
•

Wszystkie istoty ziemskie narażone są na promieniowanie jonizujące.
Zmiany, jakie powoduje takie promieniowanie zależą od:

•

rodzaju i natężenia promieniowania,

•

jego energii,

•

lokalizacji źródła promieniowania,

•

czasu ekspozycji

•

rodzaju tkanki.

Za dawkę wywołującą śmierć w 50% uważa się 4 silwerty. Skutkami są

zaburzenia przemian zachodzących w organizmie. Bywa, że ujawniają
się one w jakiś czas po napromieniowaniu dotyczy to zwłaszcza
struktury DNA oraz zmian w chromosomach.

Skutkiem ekspozycji na promieniowanie są: białaczka (następuje

uszkodzenie szpiku kostnego), złośliwe nowotwory skóry oraz kości,
zaburzenia układu pokarmowego, a także zaćma. Radiacja wywołuje
liczne zaburzenia genetyczne.