Promieniotwórc

zość

Autorzy:

Aleksandra Wiktorowicz

Paulina Dobrowolska

Żaneta Dębska

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 Henri Becquerel badając uran

położył kawałek rudy uranu na niewywołanych kliszach

fotograficznych, dla ochrony opakowanych w czarny papier. Po

wywołaniu klisz okazało się, że nieznane promieniowanie

pochodzące z rudy wytworzyło na kliszach obraz w kształcie

kawałka rudy. Wyciągnął, więc wniosek, iż związki uranu

wysyłają promieniowanie same z siebie. Stwierdził on również,

że

uran metaliczny jest źródłem niewidzialnego promieniowania

.

•

W 1898 roku Maria Skłodowska – Curie i Piotr Curie wydzielili 1 g

aktywnej substancji z ok. 1 tony blendy uranowej. Nowa

substancja została nazwana

polonem

na cześć ojczyzny Marii

Curie – Polski. W 1903 roku Maria i Piotr Curie oraz Becquerel

otrzymali za to odkrycie Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. W

1911 roku Maria Skłodowska – Curie dostała Nagrodę Nobla w

dziedzinie chemii za wydzielenie

radu – pierwiastka naturalnie

promieniotwórczego.

2

Definicja

Promieniotwórczość

– zdolność jąder

atomowych do rozpadu promieniotwórczego, który
najczęściej jest związany z emisją

cząstek alfa,

cząstek

beta

oraz

promieniowania

gamma

(promieniowanie elektromagnetyczne o bardzo dużej
energii). Na przemianę jądra nie mają wpływu czynniki
zewnętrzne takie jak: temperatura, pole magnetyczne
czy skupienie materiału promieniotwórczego.

Źródło

Aktywność

promieniotwórcza

banan

125 Bq/kg

mleko

50 Bq/l

superfosfat

500 Bq/kg

woda morska

12 Bq/l

granit

7 000 Bq/kg

popiół węglowy

2 000 Bq/kg

5-letnie dziecko

600 Bq

dorosła osoba (70kg)

10 000 Bq

3

Rodzaje

promieniotwórczości

Promieniotwórczość możemy podzielić na

promieniotwórczość

naturalną

(towarzysząca przemianom jądrowym izotopów
występujących w przyrodzie)
i

promieniotwórczość sztuczną

(zachodzącą

w jądrach atomów otrzymywanych sztucznie -
poprzez

bombardowanie

jąder

trwałych

pierwiastków cząstkami alfa oraz beta).

4

Przemiana α

5

Promienie α

są strumieniem jąder helu

, czyli

atomów helu dwukrotnie zjonizowanych. Cząstki te
mają prędkość rzędu 14000-20000 km/s i energię
rzędu kilku MeV (4-10,5 MeV).

W wyniku emisji cząstek α jądro traci dwa protony i
dwa neutrony, liczba masowa pierwiastka zmienia się o
4, liczba atomowa zaś o 2. Rozpad α symbolicznie
zapisujemy wzorem:

He

4

2

Przemiany

promieniotwórcze

Przemiana β

6

Promienie β

są elektronami poruszającymi się z prędkościami

bliskimi prędkości światła. Przemiana β jest to taka przemiana
jądrowa, w której liczba masowa pozostaje bez zmiany, a liczba
atomowa zmienia się o 1.

Rozpad β zapisujemy symbolicznie:

Z równania przemiany β wynika, że jądro emituje w tej
przemianie elektron. Skąd się bierze elektron, skoro - jak wiadomo
– jądro zawiera tylko protony i neutrony? Okazuje się, że podczas
rozpadu β w jądrze pierwiastka następuje przemiana neutronu w
proton i elektron. Proton zostaje w jądrze, a elektron jest
wyrzucony na zewnątrz.

7

Znamy właściwie dwa rodzaje rozpadów β: rozpad β

-

i rozpad

β

+

. Rozpad β

-

, gdy jądro emituje elektron ( ), i rozpad β

+

, w

którym następuje emisja pozytonu ( )

*

. Emisji elektronu z

jądra musi towarzyszyć przekształcenie neutronu w proton, ∆Z =
+1. Natomiast emisja pozytonu jest związana z przekształceniem
protonu w neutron, ∆Z = -1:

β

-

: n p

+

+ e

-

+ γ

e

β

+

: p

+

n + e

+

+ γ

e

0

1



e

0

1



Jądro może pochłonąć jeden ze swych elektronów z powłoki

orbitalnej. Jest to tzw.

wychwyt elektronów K

, ponieważ

prawdopodobieństwo absorpcji elektronu przez jądro z powłoki K,
najbliżej położonej od jadra, jest największe.

Przemiana γ

8

Promienie γ

są przenikliwym promieniowaniem

elektromagnetycznym, którego długości fal w próżni
leżą w zakresie od 0,4 do 0,005 . Podczas przemiany
γ liczba masowa i atomowa nie ulegają zmianie, a
zmienia się jedynie energetyczny stan jądra.

Jądro znajdujące się w stanie wzbudzonym *
może powrócić do stanu o niższej energii, pozbywając
się nadmiaru energii przez wysłanie fotonu γ o energii
E = hv

**

A



X

A

Z

Reguła przesunięć Fajansa

i Soddy`ego

9

Emisji cząstek α i β towarzyszą zmiany liczby atomowej Z i
liczby masowej A pierwiastka. Emisją cząstek α i β rządzi

reguła

przesunięć Fajansa i Soddy`ego

(1921 r.):

• z wyrzuceniem cząstki α jądro traci dwa ładunki dodatnie, czyli
liczba Z maleje o 2, zatem atom przesuwa się o dwa miejsca
wstecz w układzie pierwiastków, a jego liczba masowa A maleje o
cztery jednostki;

• elektrony promieniowania β powodują utratę przez jądra
atomów po jednym ładunku ujemnym, wobec czego Z rośnie o
jednostkę, liczba masowa A zaś pozostaje niezmieniona;

• promieniowanie γ nie wywołuje zmian liczby porządkowej Z i
liczby masowej A.

Zjawisko promieniotwórczości dowodzi, że

jądra atomowe

nie są niepodzielne i mogą przekształcać się jedne w
drugie.

10

http://gfx2.bryk.pl/text/00026/00026285.jpg

Emisja protonu i

neutronu

11

Emisja protonu

jest to reakcja jądrowa rozpadu jądra

atomowego, podczas której emitowany jest proton.

Przykładowy schemat rozpadu protonowego:

Emisja neutronu

jest to reakcja jądrowa rozpadu jądra

atomowego, podczas której emitowany jest neutron.

Przykładowy schemat rozpadu neutronowego:

12

Szeregi

promieniotwórcze

Wyróżniamy 4 szeregi promieniotwórcze:
• występujące naturalnie w przyrodzie:

 uranowy – wywodzący się od izotopu uranu

 aktynowy – wywodzący się od izotopu uranu

 torowy - wywodzący się od izotopu toru

• sztuczny:

 neptunowy – wywodzący się od izotopu neptunu

Nazwy szeregów pochodzą od nazw pierwszych, macierzystych

pierwiastków

.

12

U

238

92

U

235

92

Th

232

90

Np

237

93

szeregi promieniotwórcze

czyli szeregi nuklidów

promieniotwórczych przekształcających się kolejno
jedne

w

drugie

na

drodze

rozpadów

promieniotwórczych. Kolejne produkty rozpadów
promieniotwórczych tworzą szereg, który rozpoczyna
się izotopem promieniotwórczym o długim okresie
półtrwania,

a

kończy

izotopem

trwałym

(niepromieniotwórczym).

Wszystkie pierwiastki cięższe od bizmutu są

promieniotwórcze. Tworzą one:

13

Szeregi promieniotwórcze

Przemiany jądrowe zachodzące w szeregach to przemiany typu:
 alfa (α) - następuje przesunięcie pierwiastka w układzie okresowym o

dwa miejsca w lewo (zmniejszenie liczby atomowej o 2 i liczby

masowej o 4);

 beta (β) – następuje przesunięcie pierwiastka w układzie okresowym

o jedno miejsce w prawo (wzrost liczby atomowej o 1 i brak zmiany

liczby masowej).

O tym, do którego szeregu należy dany nuklid decyduje jego liczba

masowa A; ponieważ zmienia się ona tylko w przejściach α, liczby

atomowe

wszystkich

pośrednich

członków

szeregów

promieniotwórczych można opisać wzorem:

A = 4 n + m

gdzie:
n – jest liczbą całkowitą,
m – przyjmuje wartości 0, 1, 2, 3 odpowiednio dla szeregu toru,

neptuna, uranu i aktynu.

14

Szeregi promieniotwórcze

14



szereg torowy A= 4n

15

Szeregi promieniotwórcze

15

 szereg neptunowy A=4n + 1

16

Szeregi promieniotwórcze

16



szereg uranowy A= 4n + 2

17

Szeregi promieniotwórcze

17



szereg aktynowy A= 4n + 3

18

Szeregi promieniotwórcze

18

Nazwa
szeregu

A

Izotop
początkow

y

Izotop
końcowy

T

1/2

, lat

torowy

4n

232

90

Th

208

82

Pb

1.4*10

10

neptunowy

4n+1

237

93

Np

209

83

Bi

2.2*10

6

uranowy

4n+2

238

92

U

206

82

Pb

4.5*10

9

aktynowy

4n+3

238

92

U

207

82

Pb

7.2*10

8

Każdy szereg promieniotwórczy rozpoczyna się nuklidem
stosunkowo trwałym, zanikającym znacznie wolniej niż inne
nuklidy stanowiące pozostałe ogniwa szeregu. Szeregi naturalne
kończą się izotopami ołowiu, nie ulegającymi dalszym
przemianom. Szereg neptunowy natomiast kończy się trwałym
izotopem bizm

utu.

19

Kinetyka rozpadu

promieniotwórczego

Rozpad promieniotwórczy

 zjawisko spontanicznej przemiany jądra atomowego danego
izotopu w inne jądro,

 statystyczny w swej naturze,

 jest wyłączną właściwością samego jądra .

Podstawową własnością rozpadu promieniotwórczego jest brak
wpływu fizykochemicznych czynników zewnętrznych na
proces. Rozpad promieniotwórczy zachodzi zgodnie z kinetyką
I rzędu, a jego szybkość zależy od dwóch tylko czynników :

 liczby jąder w rozpatrywanej próbce,

 rodzaju tych jąder.

Ze względu na rodzaj przemiany zachodzącej w jądrze i
towarzyszące mu zjawiska wyróżnia się:

 rozpad α

 rozpad β (β

+

i β

-

)

 rozpad γ

20

Prawo rozpadu

promieniotwórczego

Prawo określające

zmianę w czasie ilości jąder

substancji

promieniotwórczej na skutek rozpadu promieniotwórczego. Jeżeli

odpowiednio duża liczba rozpadów promieniotwórczych jest obserwowana

można zaobserwować prawo rozpadu

.

Rozpad wszystkich nietrwałych jąder, zarówno naturalnych jak i

otrzymanych na drodze sztucznej, przebiega w taki sposób, że jego

szybkość jest w każdej chwili wprost proporcjonalna do liczby jeszcze nie

rozłożonych atomów N.

N

dt

dN









Szybkość tę wyrażamy następującym wzorem :

gdzie:  jest współczynnikiem proporcjonalności zwanym stałą

rozpadu,

dN – ubytek liczby atomów, które uległy rozpadowi w czasie dt,

„-” oznacza zmniejszenie się liczby atomów wskutek
rozpadu promieniotwórczego.

(1)

21

Rozdzielając zmienne i całkując je w granicach N

0

, N oraz

t=0, t

t

N

N

o







ln

lub w postaci wykładniczej :

t

o

e

N

N







gdzie:
N – liczba atomów po czasie t,
N

o

– początkowa liczba atomów,

 - stała rozpadu, t – czas.











N

N

t

t

o

tdt

N

dN



0

otrzymujemy:

(2)

(3)

(4)

Prawo rozpadu promieniotwórczego

22

Jest to czas w którym rozpada się połowa początkowej liczby atomów

N

0

danego pierwiastka.

Podstawiając do równania (3)

N= N

0

/2 oraz

t=T

1 /2

otrzymujemy:





693

,

0

2

ln

2

/

1





T

A-liczba masowa (ciężar atomowy pierwiastka
promieniotwórczego),
n- liczba atomów ulegających rozpadowi na jednostkę czasu.

gdzie: λ

- określa ułamek gramoatomu pierwiastka

promieniotwórczego, który uległ rozpadowi na jednostkę czasu

23

10

02

,

6 



An



Czas połowicznego

zaniku

23

Przebieg rozpadu promieniotwórczego można zilustrować za pomocą

krzywej rozpadu promieniotwórczego

co przedstawia Rys.1

N

0

- pierwotna liczba atomów

N – liczba atomów które nie uległy
rozpadowi po upływie czasu t
T

1/2

– okres połowicznego zaniku

λ - stała zaniku

Rys.1 Wykres funkcji rozpadu

Czas połowicznego zaniku

24

T

1/2

N

0

Rys.2 Rozpad promieniotwórczy radu

Przykład:





Ra

226

88

N

0

= 8

T

1/2

= 1622

lat

Czas połowicznego zaniku

25

Wybrane zastosowania

zjawiska

promieniotwórczości



Radioterapia

Radioterapia

R

adioterapia jest metodą leczenia polegającą na zniszczeniu

nowotworu 

za

pomocą

promieniowania

jonizującego,

czyli

promieniowania, którego energia powoduje powstawanie zmian w
strukturze atomu lub cząsteczki.

Radioterapia nowotworów jest stosowana u chorych z wykrytym i
zlokalizowanym anatomicznie guzem złośliwym.

Istotą leczniczego działania promieniowania jonizującego
stosowanego w tej metodzie leczenia jest fakt, że do zniszczenia tkanki
rakowej potrzeba niższej dawki promieniowania niż do zniszczenia tkanki
zdrowej (tkanka nowotworowa jest na ogół bardziej promieniowrażliwa
niż otaczające ją tkanki zdrowe).

Źródłem promieniowania mogą
być:

lampa

rentgenowska,

akcelerator liniowy oraz pierwiastki
i izotopy promieniotwórcze

W zależności od tego jak blisko nowotworu jest źródło promieniowania
wyróżniamy :

teleradioterapię

brachyterapię.

W leczeniu nowotworu stosowana jest również

terapia izotopowa

- polegająca na podaniu dożylnym lub doustnym izotopu
promieniotwórczego, który jest wybiórczo wychwytywany w
określonym narządzie. Stosuje się ją w takich nowotworach, w których
podany pierwiastek kumuluje się w określonych tkankach – należą do
nich przerzuty raka stercza do kości (podaje się stront 89) oraz rak
pęcherzykowy tarczycy (podaje się jod 131).



Radioterapia

Radioterapia

27



Znakowanie izotopowe

Znakowanie izotopowe

Znakowanie izotopowe jest to proces
zamiany

w

związku

chemicznym

trwałego

jądra,

wysyłającym

promieniowanie

izotopem

promieniotwórczym

tego

samego

pierwiastka, dzięki czemu można śledzić
drogę tego atomu wewnątrz układu
biologicznego lub mechanicznego

28

stosowana głównie w chemii organicznej polegająca na wymianie
wybranych atomów danego pierwiastka w cząsteczce na jego izotop

wymieniony atom jest „oznakowany”, dzięki czemu można go
obserwować rozmaitymi technikami analitycznymi

 najczęściej stosuje się izotopy promieniotwórcze, ale współczesne
techniki analityczne umożliwiają też stosowanie izotopów stabilnych.

Z

nakowanie izotopowe bywa stosowane w celu:

•badania mechanizmów reakcji chemicznych, które polegają na
stwierdzeniu obecności izotopu w produktach.

•śledzenia dróg wędrówki określonych związków chemicznych w
organizmach żywych

• metoda stosowana w biologii, mechanice i medycynie

Do śledzenia znakowanych atomów stosuje się między innymi
następujące techniki analityczne:

•spektroskopię EPR

•NMR

•spektroskopię mas



Znakowanie izotopowe