1

PROMIENIOTWÓRCZO

ŚĆ

J

ą

dra niektórych atomów s

ą

nietrwałe i podlegaj

ą

przemianie w formy bardziej trwałe
ROZPAD

PROMIENIOTWÓRCZY:

samorzutny

rozpad

wzbudzonych j

ą

der atomowych pewnych pierwiastków z

równoczesn

ą

emisj

ą

cz

ą

stek:

α

,

β

, fotonów

γ

EMISJA CZ

Ą

STKI

β

,

czyli ELEKTRONU z J

Ą

DRA

•

ładunek j

ą

dra zwi

ę

ksza si

ę

o jednostk

ę

, czyli liczba

atomowa zwi

ę

ksza si

ę

o 1;

•

liczba masowa nie zmienia si

ę

;

PRZYKŁAD PRZEMIANY

β

(jeden z trzech typów):

3

1

H, tryt, jeden z izotopów wodoru:

•

zawiera w j

ą

drze 1 proton i 2 neutrony;

•

NEUTRON

(PROTON + ELEKTRON); przemiana

zachodzi w j

ą

drze i elektron jest natychmiast

emitowany z j

ą

dra; powstaje izotop He

EMISJA CZ

Ą

STKI

α

(jon He

2+

)

•

ładunek tego j

ą

dra zmniejsza si

ę

o dwie jednostki;

dany pierwiastek ulega przemianie w pierwiastek o
liczbie atomowej mniejszej o 2 (poło

ż

ony o dwie

kolumny w lewo w tablicy układu okresowego)

•

liczba masowa (masa atomowa) zmniejsza si

ę

o 4, tj. o

mas

ę

cz

ą

stki

α

EMISJA PROMIENIOWANIA

γ

•

s

ą

to kwanty promieniowania elektromagnetycznego o

małej długo

ś

ci fali i bardzo du

ż

ej energii (1-4 MeV);

•

emisja fotonu

γ

towarzyszy przej

ś

ciu pierwiastka

promieniotwórczego ze stanu wzbudzonego do stanu
o

ni

ż

szej

energii

(mniej

wzbudzonego

lub

podstawowego); w wi

ę

kszo

ś

ci przypadków przemiana

γ

towarzyszy rozpadowi

α

lub

β

; jest wynikiem reakcji

zachodz

ą

cej w j

ą

drze atomu

•

nie powoduje ani zmiany liczby atomowej, ani masy

atomowej

2

PRAWO ROZPADU PROMIENIOTWÓRCZEGO: liczba
j

ą

der rozpadaj

ą

cych si

ę

w jednostce czasu jest

proporcjonalna do liczby j

ą

der, które jeszcze nie

uległy rozpadowi

Dane j

ą

dro (nuklid) charakteryzuje:

- stała rozpadu promieniotwórczego

λ

; okre

ś

la

prawdopodobie

ń

stwo rozpadu danego j

ą

dra

promieniotwórczego;

jest

charakterystyczn

ą

wielko

ś

ci

ą

danego j

ą

dra

- T = okres połowicznego rozpadu; czas, w
którym ulegnie rozpadowi połowa pocz

ą

tkowej

(N

0

) liczby nietrwałych j

ą

der (N)

N = N

0

e

-

λ

t

N

0

– liczba nietrwałych atomów w czasie t=0

T = 0,693/

λ

Ka

ż

dy

pierwiastek

promieniotwórczy

ma

charakterystyczny czas rozpadu; czasy te s

ą

bardzo

ró

ż

ne; zakres minuty – tysi

ą

ce lat

Jednostki promieniotwórczo

ś

ci:

•

jeden

curie

(1Ci)

dowolnej

substancji

promieniotwórczej jest to taka jej ilo

ść

, w której

w ci

ą

gu 1 sekundy ulega rozpadowi 3,7 x 10

10

atomów;

jest

to

raczej

du

ż

a

jednostka,

odpowiada 1 gramowi radu

•

w układzie SJ, jednostk

ą

promieniotwórczo

ś

ci

jest bekerel (Bq); 1Ci = 3,7x 10

10

Bq

SI

=

SYSTEME

INTERNATIONALE,

(mi

ę

dzynarodowy układ jednostek)

3

CHEMIA J

Ą

DROWA:

nauka zajmuj

ą

ca si

ę

rekcjami, które obejmuj

ą

przemiany w j

ą

drach atomowych

Trwało

ść

j

ą

der

atomowych

jest

skutkiem

specyficznych j

ą

drowych sił przyci

ą

gania mi

ę

dzy

nukleonami (nukleony: protony i neutrony)

•

siły

te

znacznie

przewy

ż

szaj

ą

siły

elektrostatycznego

odpychania

mi

ę

dzy

protonami

•

s

ą

to siły bliskiego zasi

ę

gu, działaj

ą

na

odległo

ś

ci

porównywalne

z

promieniem

nukleonu, czyli rz

ę

du 10

-15

m

•

energia wi

ą

zania w j

ą

drze (E

n

) przypadaj

ą

ca na

1 nukleon wynosi 7 MeV = 10

-12

J - dla j

ą

der

lekkich;

(wi

ą

zanie kowalencyjne: energia rz

ę

du 10

-19

J;

zasi

ę

g 10

-10

m)

•

trwało

ść

j

ą

der atomowych zale

ż

y od liczby

nukleonów (oraz od stosunku liczb neutronów
(N) i protonów (Z): N/Z

- najtrwalsze s

ą

jadra o liczbie nukleonów, A,

mi

ę

dzy 25-150

- o parzystych liczbach N i Z,
- te, w których jest tyle samo protonów, co
neutronów

•

j

ą

dra o liczbie masowej A >210 (od polonu

wł

ą

cznie) rozpadaj

ą

si

ę

– s

ą

promieniotwórcze

4

ODKRYCIE

PROMIENI

RENTGENOWSKICH

I

PROMIENIOTWÓRCZO

Ś

CI nast

ą

piło prawie w tym

samym czasie

Odkrycie promieniowania X:

•

Roentgen

(Niemcy;

1895)

–

podczas

przepuszczania pr

ą

du elektrycznego przez rur

ę

szklan

ą

, w której panuje pró

ż

nia; w miejscu, w

którym elektrony uderzaj

ą

o szkło powstaj

ą

promienie (X), które mog

ą

przenika

ć

materi

ę

nieprzenikliw

ą

dla zwyczajnego

ś

wiatła; mog

ą

powodowa

ć

wywołanie kliszy fotograficznej;

•

w ci

ą

gu kilku tygodni po ogłoszeniu tego

odkrycia promienie rentgenowskie zastosowano
w medycynie do prze

ś

wietle

ń

ko

ś

ci i innych

narz

ą

dów

Odkrycie promieniotwórczo

ś

ci:

•

Becquerel (fizyk francuski; 1896) - badał

minerały zawieraj

ą

ce uran

•

Maria

Skłodowska

–

Curie

(1867-1934):

szczegółowe badanie „promieni Becquerela”
wykazało

znacznie

wi

ę

ksz

ą

aktywno

ść

naturalnej rudy uranu ni

ż

czystego tlenku uranu

•

Maria i Piotr Curie (1859-1906) rozdzielenie

smółki uranowej: polon - 400razy aktywniejszy

•

wyodr

ę

bnienie

pierwszych

pierwiastków

promieniotwórczych

ze

smółki

uranowej

pierwiastek polon, 400 razy aktywniejszy od
uranu; w tym samym roku w raz z m

ęż

em

wyodr

ę

bnili

drugi

pierwiastek,

rad,

o

promieniotwórczo

ś

ci 3 000 000 razy wi

ę

kszej ni

ż

uran (1896)

5

DO

Ś

WIADCZENIE RUTHEFORDA

(1899)

•

Naturalne

substancje

promieniotwórcze wysyłaj

ą

promienie trzech rodzajów, działaj

ą

ce na płyt

ę

fotograficzn

ą

,

ulegaj

ą

ce

działaniu

pola

magnetycznego w ró

ż

ny sposób

•

promieniowanie uranu składa si

ę

z promieniowania

dwóch ró

ż

nych typów; nazwał je promieniowaniem

α

i

promieniowaniem

β

; wkrótce to tym Villard odkrył

trzeci typ, promieniowanie

γ

•

ROZPAD

α

: z jadra wyrzucane s

ą

j

ą

dra helu (

4

2

He

2+

=

α

); (ładunki dodatnie) energia kinetyczna emitowanych

j

ą

der wynosi 2-9 MeV

•

ROZPAD

β

: z j

ą

dra wyrzucany jest elektron (ładunek

ujemny)

•

PROMIENIE

γ

:

stanowi

ą

form

ę

energii

promieniowania, podobn

ą

do

ś

wiatła widzialnego; s

ą

identyczne z promieniami X, wytwarzanymi pod
bardzo wysokim napi

ę

ciem;

UWAGA:
promienie

γ

s

ą

emitowane przez j

ą

dro; towarzysz

ą

reakcjom j

ą

drowym

promienie X: s

ą

emitowane jako wynik reakcji elektronów z

powłok atomowych

6

PROMIENIOTWÓRCZO

ŚĆ

NATURALNA

•

w przyrodzie stwierdzono wyst

ę

powanie około

272

j

ą

der

trwałych

i

55

nietrwałych,

promieniotwórczych;

•

przewa

ż

aj

ą

ca

cz

ęść

nuklidów

promieniotwórczych

wyst

ę

puj

ą

cych

w

przyrodzie

tworzy

cztery

szeregi

promieniotwórcze:

uranowo-radowy;
uranowo-aktynowy
torowy
neptunowy

•

poza

tym

w

skorupie

ziemskiej

istnieje

kilkana

ś

cie pierwiastków promieniotwórczych;

najcz

ęś

ciej wyst

ę

puj

ą

40

19

K i

87

37

Rb

REAKCJE J

Ą

DROWE SZEREGU URANOWO -

RADOWEGO
URAN, główny izotop uranu -

238

U, stanowi 99,28%

naturalnego pierwiastka; Okres półtrwania 4,5
miliarda lat (4.5 10

9

lat)

rozpad:

•

238

U (wydzielenie cz

ą

stki

α

)









234

Th

•

(emisja cz

ą

stki

β

)









234

Pa









234

U

•

(pi

ęć

kolejnych emisji cz

ą

stek

α

)









214

Pb









206

Pb -

trwały izotop ołowiu

7

PROMIENIOTWÓRCZO

ŚĆ

SZTUCZNA

(odkryła Irena Joliot- Curie, 1934);
w warunkach laboratoryjnych otrzymano około 1000
nuklidów promieniotwórczych

•

przemian

ę

atomów

trwałych

w

atomy

promieniotwórcze

mo

ż

na

spowodowa

ć

przez

bombardowanie

cz

ą

stkami

poruszaj

ą

cymi

si

ę

z

du

ż

ymi pr

ę

dko

ś

ciami;

•

REAKCJA J

Ą

DROWA: proces oddziaływania j

ą

dra z

cz

ą

stk

ą

j

ą

drow

ą

(

α

,

β

,

γ

, proton, neutron) albo z innym

j

ą

drem, w której dochodzi do przekształcenia w j

ą

dro

innego pierwiastka lub nast

ę

puje jego rozpad na dwa

fragmenty

•

pierwsza

reakcja

j

ą

drowa

(Rutherford

1919rok,

Cambridge):

14

7

N +

4

2

He

→

17

8

O +

1

1

H

szybkimi cz

ą

stkami były cz

ą

stki

α

z

214

Bi (zwanego

radem

C);

powstałe

pierwiastki

nie

s

ą

promieniotwórcze

8

MECHANIZM ROZPADU J

Ą

DRA

•

na l

ż

ejsze mog

ą

rozpada

ć

si

ę

tylko j

ą

dra

wzbudzone, czyli bombardowane cz

ą

stkami o

odpowiedniej energii; w reaktorach j

ą

drowych

stosuje si

ę

neutrony

•

po przenikni

ę

ciu cz

ą

stki bombarduj

ą

cej do j

ą

dra

powstaje silnie wzbudzone jadro, nietrwałe (przeci

ę

tny

czas

ż

ycia 10

-15

– 10

-14

sekundy)

•

po tym czasie wzbudzone j

ą

dro ulega rozpadowi:

- na dwie cz

ęś

ci lub

-

zostaje wyrzucona cz

ą

stka:

α

, proton, neutron

lub foton

γ

i powstaje j

ą

dro ko

ń

cowe

•

je

ż

eli nowe j

ą

dro znajduje si

ę

w stanie wzbudzonym,

jest j

ą

drem promieniotwórczym

;

9

ZASTOSOWANIE:

•

znaczenie medyczne: leczenie raka – komórki

nowotworowe s

ą

bardziej wra

ż

liwe na działanie

radu ni

ż

komórki normalne; w latach 1950

zastosowano zamiast radu sztuczny izotop
promieniotwórczy, 60Co – kobalt

•

zastosowanie

izotopów

promieniotwórczych

jako

wska

ź

ników

(zwi

ą

zki

znakowane)

w

badaniach

podstawowych

(chemia,

fizyka,

biologia,

biochemia,

mikrobiologia)

i

w

medycynie

(diagnostyka);

stosuje

si

ę

najcz

ęś

ciej zwi

ą

zki zawieraj

ą

ce izotopy:

2

H,

3

H,

14

C

•

ź

ródło energii: kontrolowane uwalniane energii

j

ą

drowej:

Energia wydziela si

ę

w dwóch typach przemian

j

ą

drowych:

•

rozszczepiania ci

ęż

kich j

ą

der

np.: przy rozszczepieniu j

ą

dra uranu

235

92

U

uwalnia

si

ę

około

200MeV

(w

reakcjach

chemicznych uwalnia si

ę

2.10

8

razy mniej);

•

syntezy lekkich j

ą

der w jedno ci

ęż

sze - reakcje

termoj

ą

drowe

np.: 2

2

1

H

→

4

2

He + (24 MeV);

zachodzi w temperaturze 77.10

6

K; (

ź

ródło energii

słonecznej)

•

reakcje termoj

ą

drowe zachodz

ą

we wn

ę

trzu

Sło

ń

ca i gwiazd; na Ziemi reakcje termoj

ą

drowe

przeprowadzono w formie niekontrolowanej
podczas wybuchów bomb wodorowych;

10

•

ustalanie wieku Ziemi: pomiary wykonane na

skałach

zawieraj

ą

cych

pierwiastki

promieniotwórcze pozwalaj

ą

na oznaczenie

wieku tych skał, a wi

ę

c wieku Ziemi (czasu jaki

upłyn

ą

ł od chwili utworzenia najstarszych skał

Np.

238

U

→

8x

4

He + 1x

206

Pb

238

U okres półtrwania 4,5.10

9

lat;

po upływie tego czasu z 1g
pozostało: 0,5000 g

238

U,

powstało: 0,0674 g helu i
0,4326 g

206

Pb

takim proporcjom odpowiada wiek skały (Ziemi)
4,5.10

9

lat

Inne nuklidy wykorzystywane w tym celu:

235

U/

207

Pb,

232

Th/

208

Pb,

40

K/

40

Ar,

87

Rb/

87

Sr

wiek skorupy ziemskiej i innych cz

ęś

ci układu

słonecznego na 4,6.10

9

wiek skał znalezionych w Finlandii, Kanadzie i
Afryce, skał ksi

ęż

ycowych i meteorytów okre

ś

lono

na 4,6.10

9

lat;

11

USTALANIE WIEKU MATERIAŁÓW NA

PODSTAWIE AKTYWNO

Ś

CI

PROMIENIOTWÓRCZEJ IZOTOPU

14

C

(datowanie mo

ż

na stosowa

ć

do 50 000 lat wstecz z

dokładno

ś

ci

ą

do 200 lat)

izotop w

ę

gla powstaje w reakcji:

14

7

N +

1

0

neutron

→

14

6

C +

1

1

H

Okres

półtrwania

około

5 000

lat;

emituje

promieniowanie

β

(elektron)

Metod

ą

datowania w

ę

glem ustalono wiek kilku

tysi

ę

cy obiektów; np.:

•

ostatnie zlodowacenie na półkuli północnej –

11 400 + 700 lat temu (próbki drewna z
zasypanego ziemi

ą

lasu w stanie Wisconsin)

•

materiały organiczne, które osadziły si

ę

podczas

ostatniego zlodowacenia w Europie – 10 000 +
1 200 lat

•

ś

ladów siedzib ludzkich starszych ni

ż

30 000 lat

nie znaleziono

•

malowidła jaskini w Lascaux – 15 516 + 900 lat

(w

ę

giel drzewny z ognisk)

•

lniany pokrowiec ksi

ę

gi Izajasza, ze zwojów

znad Morza Martwego – 1917 + 200 lat

12

ZASADA OZNACZANIA

izotop w

ę

gla

14

C, tworzy si

ę

ze stał

ą

szybko

ś

ci

ą

w

wy

ż

szych warstwach atmosfery

neutrony z promieniowania kosmicznego powoduj

ą

przemian

ę

azotu w izotop

14

C

w

ę

giel radioaktywny utlenia si

ę

do CO

2

, który ulega

równomiernemu

wymieszaniu

ze

zwykłym

nieradioaktywnym

12

CO

2

; w stanie

równowagi

stosunek

14

C :

12

C = 1: 10

12

ro

ś

liny asymiluj

ą

t

ą

mieszanin

ę

CO

2,

zawieraj

ą

c

ą

1/10

12

w

ę

gla promieniotwórczego i wi

ążą

go w

swoich tkankach; podobnie zwierz

ę

ta

ż

ywi

ą

ce si

ę

ro

ś

linami w wi

ążą

w tkankach w

ę

giel zawieraj

ą

cy

1/12 w

ę

gla promieniotwórczego

martwe substancje pochodzenia zwierz

ę

cego lub

ro

ś

linnego

zawieraj

ą

promieniotwórczy

w

ę

giel;

okres półtrwania

14

C wynosi 5760 lat; po upływie

tego czasu zawarto

ść

izotopu jest o połow

ę

mniejsza, a po 11520 latach pozostaje tylko ¼
pocz

ą

tkowej radioaktywno

ś

ci;

przez oznaczenie radioaktywno

ś

ci w

ę

gla w próbce

pobranej z drewna, tkaniny, w

ę

gla drzewnego, skóry,

rogów i innych szcz

ą

tków mo

ż

na okre

ś

li

ć

czas jaki

upłyn

ą

ł od chwili pobrania CO

2

z atmosfery;

okre

ś

la si

ę

promieniowanie

β

i porównuje z

aktywno

ś

ci

ą

promieniowania

β

współczesnego

w

ę

gla, która wynosi 15,3 rozpadów na minut

ę

na

gram

13

WPŁYW PROMIENIOWANIA JONIZUJ

Ą

CEGO NA

ORGANIZM

•

PROMIENIOWANIE BEZPO

Ś

REDNIO JONIZUJ

Ą

CE -

strumienie cz

ą

stek naładowanych: elektrony, protony,

deuterony, cz

ą

stki

α

i inne

•

PROMIENIOWANIE

PO

Ś

REDNIO

JONIZUJ

Ą

CE

-

rentgenowskie i gamma– strumienie cz

ą

stek tego

promieniowania wytwarzaj

ą

promieniowanie wtórne

•

obie grupy promieniowa

ń

wywołuj

ą

podobne skutki

chemiczne i biologiczne

•

powoduj

ą

reakcje

radiobiologiczne:

oparzenia,

wypadanie włosów, za

ć

m

ę

, uszkodzenia układu

krwiotwórczego i limfatycznego, astm

ę

, skrócenie

czasu

ż

ycia, nowotwory, uszkodzenia informacji

genetycznej

•

poziom reakcji zale

ż

y od dawki pochłoni

ę

tej, obszaru

ciała napromieniowanego, mocy dawki, rodzaju
promieniowania,

koncentracji

tlenu,

stanu

fizjologicznego organizmu

Efekty radiobiologiczne wyst

ę

puj

ą

na poziomie:

•

molekularnym

(DNA,

białka

i

inne

makrocz

ą

steczki) uszkodzenie bezpo

ś

rednie lub

produktami radiolizy wody ( wolne rodniki,
nadtlenek wodoru)

•

komórkowym (

ś

mier

ć

komórki, mutacje, zmiany

nowotworowe, czasowe lub trwale upo

ś

ledzenie

niektórych funkcji)

•

organizmu: zmiany somatyczne (zespół szpikowy,

jelitowy, mózgowy) i genetyczne; ujawniaj

ą

si

ę

w

ró

ż

nym czasie po napromieniowaniu

Dawki graniczne: zarz

ą

dzenie prezesa Pa

ń

stwowej Agencji

Atomistyki z 1988r

14

FALE

I

WIDMO ELEKTROMAGNETYCZNE

•

promieniowanie elekromagnetyczne jest form

ą

energii

wywodz

ą

c

ą

si

ę

z

drga

ń

pola

magnetycznego

i

elektrycznego

•

drgaj

ą

cy

periodyczne

ładunek

promieniuje

fal

ę

elektromagnetyczn

ą

o tej samej cz

ę

sto

ś

ci

•

zdolno

ść

emitowania lub pochłaniania promieniowania jest

integraln

ą

wła

ś

ciwo

ś

ci

ą

ciał stałych, cieczy i gazów i wi

ąż

e

si

ę

ze zmianami stanu energetycznego atomów i cz

ą

stek

•

fala

elektromagnetyczna

składa

si

ę

z

wzajemnie

prostopadłych składowych pola elektrycznego i pola
magnetycznego

i

rozprzestrzenia

si

ę

w

kierunku

prostopadłym z pr

ę

dko

ś

ci

ą

c=3x10

10

cm/sek (3x10

8

m/sek)

•

długo

ść

fali,

λ

= odległo

ść

miedzy kolejnymi drganiami

znajduj

ą

cymi si

ę

w tej samej fazie

•

fala ( elektromagnetyczna, wodna, d

ź

wi

ę

kowa) przebywa

w ci

ą

gu jednej sekundy odległo

ść

równ

ą

odległo

ś

ci

przebytej w ci

ą

gu jednego drgania

λ

i liczby drga

ń

na

sekund

ę

(cz

ę

sto

ść

ν

)

•

odległo

ść

przebyta w ci

ą

gu sekundy = pr

ę

dko

ść

fali c

c =

λ

v

•

WIDMO

ELEKTROMAGNETYCZNE:

klasyfikacja

fal

według ich cz

ę

sto

ś

ci (v) (w przybli

ż

eniu

10

4

- 10

12

fale radiowe (pasmo nadawania, fale krótkie,

pasma nadawania telewizji, mikrofale
10

12

- 10

14

podczerwie

ń

4.3x10

14

– 7x10

14

ś

wiatło widzialne

10

15

- 10

17

nadfiolet

10

18

- 10

19

promienie X

10

19

- promienie

γ

15

PROMIENIOWANIE KOSMICZNE

cz

ą

stki o bardzo du

ż

ej energii, które dochodz

ą

do Ziemi

•

z przestrzeni miedzy gwiezdnej lub innych cz

ęś

ci

Wszech

ś

wiata

•

s

ą

wytwarzane w atmosferze przez promieniowanie z

przestrzeni okołoziemskiej

•

składa si

ę

z znacznej cz

ęś

ci z: mezonów, pozytonów,

elektronów i protonów wytwarzanych w reakcji szybkich
protonów i innych j

ą

der atomowych z j

ą

drami atomów w

atmosferze

•

s

ą

to cz

ą

stki o energii rz

ę

du 10

15

– 10

20

eV; cz

ą

stki

wytwarzane w akceleratorach 10

6

– 10

12

eV

•

badania promieniowania kosmicznego doprowadziły do

wykrycia wielu cz

ą

stek elementarnych