PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ (radioaktywność)

Zjawisko samorzutnego rozpadu jąder połączone z emisją cząstek alfa, cząstek beta, promieniowania gamma. Na przemianę jądra nie mają wpływu czynniki zewnętrzne takie jak: temperatura, pole magnetyczne czy skupienie materiału promieniotwórczego.

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ NATURALNA

Promieniowanie naturalne to promieniowanie jonizujące pochodzące wyłącznie ze źródeł naturalnych. W środowisku można zaobserwować ponad 60 izotopów promieniotwórczych.

Źródeł tego promieniowania nie da się uniknąć – są obecne m.in. w ścianach domów, w których mieszkamy, w pokarmie, który spożywamy, wodzie, którą pijemy i w powietrzu, którym oddychamy. Promieniowanie może stwarzać zagrożenia dla zdrowia, lecz może stwarzać też korzyści – dzięki zjawisku hormezy radiacyjnej(zmniejszeniu prawdopodobieństwa zachorowania na nowotwory złośliwe i inne choroby o podłożu genetycznym) o istnienie której toczą się spory w świecie naukowym.

Promieniowanie naturalne możemy podzielić na trzy rodzaje:

• alfa

• beta

• gamma

Najniebezpieczniejsze jest promieniowania gamma, ponieważ łatwo przenika przez różne substancje, a zatrzymać może je tylko ołowiana ściana. Promieniowania alfa i beta są mniej niebezpieczne, ponieważ ich przenikalność jest stosunkowo mała. Promieniowanie beta może zatrzymać gruba deska, a promieniowanie alfa nie przedostanie się nawet przez kartkę papieru.

 Cechy promieniowania wysyłanego przez pierwiastki radioaktywne

• Zaczernia klisze fotograficzne (zawinięte w gruby czarny papier i przechowywane w ciemnym pomieszczeniu), przenika przez niezbyt grube warstwy różnych materiałów i cienkie warstwy metali.

• Wywołuje przemiany chemiczne - pod wpływem tego promieniowania tlen zamienia się w ozon, a woda, chlorowodór, AgBr₂ (w emulsjii fotograficznej) ulegają rozpadowi.

• Wywołuje fluorescencję niektórych substancji (luminoforów) np.: siarczku cynku.

• Pierwiastki promieniotwórcze w sposób ciągły wydzielają ciepło, w stanie czystym świecą w ciemności.

REAKCJE ROZSZCZEPIENIA

Jądra izotopów niepromieniotwórczych mogą ulegać przemianom pod działaniem bombardujących je cząstek o dostatecznie dużej energii.

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. Uwolnione w czasie rozpadu neutrony mogą być wykorzystane do wywołania dalszych rozpadów.

Reakcja ta przebiega bez kontroli podczas wybuchu bomby atomowej. Jeśli podda się ją kontroli i zezwoli sie tylko jednemu uwalniających się neutronów zderzyć z następnym jądrem, wówczas nie rozprzestrzeni się ona w sposób niekontrolowany i może być wykorzystana w stosie atomowym do wytwarzania energii cieplnej. Jest to proces silnie egzotermiczny, wywołany tzw. defektem masy.

a) Niekontrolowana reakcja w bombie jądrowej.

b) Kontrolowana reakcja jądrowa w reaktorze.

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ SZTUCZNA

Wysyłanie promieniowań alfa a, beta β, gamma γ przez izotopy, które zostały otrzymane na drodze sztucznej.

Podstawowe sztuczne źródła promieniowania sztucznego to:

• elektroenergetyczne linie napowietrzne wysokiego napięcia,

• stacje radiowe i telewizyjne,

• łączność radiowa, w tym CB radio, radiotelefony i telefonia komórkowa,

• stacje radiolokacyjne i radionawigacyjne,

• stacje transformatorowe,

• sprzęt gospodarstwa domowego i powszechnego użytku oraz instalacje elektryczne

HISTORIA PROMIENIOTWÓRCZOŚCI

Promieniowanie elektromagnetyczne mająca zdolność przenikania ciała stałego odkrył w 1895 roku Wilhelm Roentgen. 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.

Maria Skłodowska - Curie nazwała to zjawisko radioaktywnością.

Odkryli również pierwiastki polon i rad. Należą one 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.

Następnie Irena Curie (córka Marii i Piotra Curie) z mężem odkrywają zjawisko sztucznej promieniotwórczości.

Włoski fizyk Enrico Fermi otrzymuje około 50 sztucznych izotopów promieniotwórczych.

Niemieccy chemicy - Otto Hahn i Fritz Strassmann odkrywają reakcje rozpadu jądra uranu przy pomocy neutronów. Dają tym samym początek energetyce jądrowej. W 1942r. przebywający w U.S.A Enrico Fermi zostaje głównym twórcą pierwszego reaktora jądrowego.

W U.S.A sławni uczeni (A.Einstein, N.Bohr, Leo Szilard, A.Oppenheimer) biorą udział w procesie konstrukcji pierwszej bomby atomowej.

Program konstrukcji bomby atomowej określany jest jako projekt Manhattan (ang.Manhattan Project). Program ten opracowano na polecenie ówczesnego prezydenta U.S.A - F.D.Roosvelta. Konstrukcje bomby dopracowano ostatecznie w Los Alamos w 1945 roku, 16 lipca tego roku przeprowadzono jej próbna detonację (na poligonie wojskowym w stanie Nowy Meksyk). Siła wybuchu przekroczyła oczekiwania wszystkich. Niestety, 6 i 9 sierpnia tego samego roku, dwie podobnej konstrukcji bomby, wykorzystano przeciwko Japonii (Hiroszima, Nagasaki).

KATASTROFY NUKLEARNE

1945 r.- wybuch bomb atomowych zrzuconych na japońskie miasta - Hiroszimę i Nagasaki (nazwy bomb - "fat man" i "little boy"), uświadamiają po raz pierwszy naukowcom i ludziom całego świata, straszliwe konsekwencje jakie może wywołać promieniowanie radioaktywne.

Badania środowiska skażonego radioizotopami wykazały ze promieniowanie rozprzestrzenia sie w całym ekosystemie, jest trujące dla wszystkich organizmów żywych, kumuluje sie w materii żywej i martwej.

Hiroszima przed i po zrzuceniu bomby atomowej.

Rozszczepienie jądra atomowego może być wykorzystywane do produkcji ogromnej ilości energii (co wykorzystać można w celach pokojowych i niestety - militarnych). Powstał nowy problem - awarii elektrowni jądrowych.

Po II wojnie światowej zaczęto wykorzystywać energię jądrową do produkcji prądu elektrycznego.1951r. - w U.S.A uruchomiono pierwszą instalacją elektryczną, której źródłem energii był reaktor jądrowy.1954r.-w Obmińsku na terenie byłego ZSRR, oddano do użytku pierwszą elektrownie jądrową. Była to elektrownia o charakterze doświadczalnym. 1956r.-w Calder Hall (Wlk.Bryt) zaczęła pracować elektrownia jądrowa wytwarzająca energię elektryczną na skalę przemysłową.

Do ważnych katastrof nuklearnych zaliczamy:

1.1943-46 (Semipatałyńsk, Kazachstan)około 10 000 osób ucierpiało z powodu skazenia radioaktywnego w rejonie ośrodka prób nuklearnych. Testowano tutaj pierwszą radziecką bombę A i przeprowadzano liczne próby nuklearne w atmosferze.

2.IX.1957 r.-katastrofa nuklearna koło Swierdłowska (południowy Ural). Wybuch w ośrodku składowania odpadów nuklearnych powoduje śmierć ponad 100 osób i zmusił do opuszczenia swych domostw około 10 000 osób.

3.X.1957 - wypadek w ośrodku wytwarzającym pluton do celów militarnych w Sellafield (Wielka Brytania). Zostaje całkowicie zniszczony rdzeń reaktora, wypadek otrzymuje "5" w 7-mio stopniowej skali katastrof nuklearnych.

4.1968 - samolot B-52 rozbija się w pobliżu Thule (Grenlandia), 400 g plutonu 239, pochodzącego z głowicy nuklearnej przedostaje sie do atmosfery

5.VIII.1969 -poważny wypadek w chińskim kompleksie atomowym, około 10 robotników zostaje skażonych wyższą od normalnej dawką promieniowania

6.styczeń i luty 1974 oraz październik 1975-wypadki w elektrowni w Leningradzie. Co najmniej 3 ofiary śmiertelne. Substancje radioaktywne przedostają się do środowiska.

7.III.1979 -uszkodzenie rdzenia reaktora i duże skażenie w elektrowni atomowej Three Mile Island (U.S.A). Wypadek 5 stopnia. Nie było ofiar ale 140 000 osób zostaje czasowo ewakuowanych.

8.VIII.1979 -podczas wycieku uranu w tajnym ośrodku nuklearnym w U.S.A, koło Erwin (stan Tennessee), dochodzi do skażenia około 1000 osób

9.I-III 1979 -4 wycieki radioaktywne w elektrowni atomowej w Tsuruga (Japonia). Napromieniowaniu ulega 278 osób.

10.26 kwietnia 1986-najpowazniejsza w dziejach elektrowni atomowych katastrofa w Czarnobylu (Ukraina). Wypadek ma miejsce w niezabezpieczonym reaktorze. Według oficjalnego bilansu, około 200 osób zostało poważnie napromieniowanych, 32 z nich zmarły w ciągu 3 miesięcy po katastrofie. Wypadek uznany został za katastrofę 7 stopnia.

11.kwiecień 1993 -po wybuchu w fabryce przetwarzania paliwa nuklearnego, w Tomsku-7,tajnym mieście w zachodniej Syberii, tworzy sie chmura radioaktywna. Wypadek powoduje rozprzestrzenienie sie substancji radioaktywnych.

ZASTOSOWANIE

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.

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.

Farmacja jądrowa - odpowiedzialna jest za przygotowanie i kontrolę preparatów promieniotwórczych w lekach oraz analityczne metody jądrowe stosowane do kontroli \"zwykłych\" leków.

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!

W elektrowniach jądrowych uzyskuje się ogromne ilości energii w wyniku reakcji jądrowych rozpadu takich pierwiastków, jak uran i 239Pu. Energia jądrowa zastosowała również zastosowanie jako napęd wielu pojazdów, np. w transporcie wodnym.

Izotop węgla 14C zastosowano jako zegar archeologiczny. Izotop ten występuje w określonym stężeniu w przyrodzie, jest asymilowany przez rośliny wraz z węglem napromieniowanym w postaci, CO₂. Wchodzi on także w skład organizmów zwierzęcych i ludzkich, w wyniku spożywania produktów pochodzenia roślinnego. Na podstawie znajomości pierwotnego stężenia tego izotopu (węgiel 14C) oraz okresu połowiczego rozpadu, określa się wiek wykopalisk, w których znajdują się szczątki zawierające związki węgla.

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.

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.

Zastosowanie izotopów promieniotwórczych:

Ameryk - czujniki dymu(instalacje przeciwpożarowe)
Cez - radiografia przemysłowa, bomba cezowa, pomiary grubości
Iryd - radiografia przemysłowa
Jod - badanie tarczycy (medycyna)
Kobalt - bomba kobaltowa (medycyna),radiografia przemysłowa, urządzenia radiacyjne, waga izotopowa, sprzęt do pomiaru: grubości, poziomu cieczy w zbiornikach.
Pluton - stymulatory serca, czujniki dymu
Pluton - czujniki dymu
Rad - aplikatory radowe
Tal - sprzęt do pomiaru grubości
Wodór - farby świecące

ZALETY I WADY PROMIENIOTWÓRCZOŚCI

Zalety

1.Niszczące działanie promieniowania jądrowego jest wykorzystywane w terapii nowotworowej i innych chorób.
2.Izotopy promieniotwórcze znalazły liczne zastosowanie w badaniach naukowych, technice, przemyśle, medycynie, i wielu innych dziedzinach ludzkiego działania.
3.Budując elektrownie jądrowe, które nie produkują popiołów itp. nie zanieczyszczamy środowiska.
4.Mniejsze koszty wytwarzania energii
5.Za pomocą promieniotwórczego wodoru 1H, zwanego trytem, można śledzić wędrówkę wody podziemnej, co ma duże znaczenie w kopalniach.
6.Za pomocą radioizotopu można na przykład badać ścieralność opon samochodowych.
7.Utrwalana radiacyjnie żywność może być napromieniana w trwałym opakowaniu, co skutecznie zapobiega jej wtórnemu skażeniu.
8.Promieniowanie używane jest w kuchenkach mikrofalowych.
9.Promieniowanie Rentgena pozwala nam zobaczyć, np. złamaną rękę.
10.Reaktory jądrowe używane są jako źródła napędu statków i okrętów.
11.Promieniotwórczość wykorzystuje się także do wykrywaczy dymu.

Wady

1.Promieniowanie jonizujące jest bardzo szkodliwe i niebezpieczne dla organizmu człowieka.
2.Występują wysokie koszty budowy elektrowni jądrowych
3.Ryzyko skażenia środowiska poprzez składowanie odpadów promieniotwórczych
4.Zmiany w ekosystemach spowodowane odprowadzeniem do rzek ciepłej wody
5.Emitowanie promieniotwórcze wywołane po próbach jądrowych
6.Broń jądrowa wykorzystuje energię, w wyniku której powstaje ogromna fala uderzeniowa, o wielkiej sile rażenia i burzenia, wywołująca promieniowanie cieplne tworząca oparzenia i pożary, promieniowanie jonizujące, promieniotwórcze i zostawiająca ogromne spustoszenie i zatrucie terenu.
7.Podczas rozmów przez komórkę emitowane jest szkodliwe promieniowanie , na które jest nie narażony nasz mózg.
8.Druty wysokiego napięcia wytwarzają szkodliwe promieniowanie.
9.Istnieje również ryzyko katastrofy w elektrowni jądrowej.
10.W napędzie statków wykorzystuje się promieniowanie. W wypadku zatopienia potencjalne źródło poważnego skażenia środowiska pierwiastkami promieniotwórczymi może stanowić ich paliwo