PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ -  właściwość niektórych jąder atomowych, polegająca na  zdolności do samorzutnych przemian (rozpadu) z wysyłaniem cząstek alfa a, beta β, rozszczepienia jądra atomowego lub przemiany izomerycznej (izomeria jąder atomowych). Przemianom tym towarzyszy wysyłanie kwantu lub kwantów promieniowania gamma γ, w rozszczepieniu dodatkowo uwalniane są neutrony. Przemianami promieniotwórczymi rządzą prawidłowości o charakterze statystycznym – równanie przemian promieniotwórczych, tzw. prawo rozpadu promieniotwórczego. Jest to zależność opisująca szybkość przemian jąder promieniotwórczych za pomocą równania:

ln N/N_o = -lt

w którym N_o oznacza początkową liczbę atomów promieniotwórczych w próbce, N – liczbę tych atomów po czasie t, zaś wartość l, nazywana stałą przemiany, określa szybkość przemiany w przeliczeniu  na jeden atom. Okres, po którym liczba atomów próbki pierwiastka promieniotwórczego zmniejszy się o połowę, nosi nazwę czasu półtrwania albo okresu połowicznego rozpadu (T_1/2). W ciągu kolejnych czasów półtrwania liczba atomów promieniotwórczych maleje w stosunku 2:1:

 

 

Każdy rodzaj jąder promieniotwórczych charakteryzuje się okresem połowicznego rozpadu, tj. czasem (od ułamków sekund do miliardów lat), po którym liczba tych jąder w preparacie spada do połowy liczby początkowej. Temperatura, ciśnienie, pole elektryczne i magnetyczne, stan skupienia, rodzaj wiązania chemicznego (postać substancji prostej lub najbardziej skomplikowanego związku) praktycznie nie wpływają na te przemiany. Liczbę przemian jąder w preparacie, jego aktywność wyraża się w jednostkach curie. Energie wchodzące w grę w procesach promieniotwórczych są wielokrotnie większe od energii chemicznej i sięgają od tysięcy do setek milionów elektronowoltów. Wyzyskanie promieniotwórczości do celów wskaźnikowych, polega na tym, że już bardzo małe porcje atomów promieniotwórczych dają znać o swojej obecności w licznikach, duże ilości substancji promieniotwórczych wyzyskuje się jako źródła energii.

 

Rozróżnia się promieniotwórczość naturalną i sztuczną.

 

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ NATURALNA – wysyłanie promieniowań alfa a, beta β, gamma γ przez izotopy występujące w przyrodzie. Okresy połowicznego rozpadu pierwiastków promieniotwórczych występujących w skorupie ziemskiej wahają się w szerokich granicach. Pierwiastki promieniotwórcze o krótkich okresach połowicznego rozpadu tworzą się stale jak człony szeregów promieniotwórczych lub powstają, jak tryt, w wyniku działania promieniowania kosmicznego. Promieniowanie kosmiczne to strumienie cząstek  wielkiej energii dochodzące do Ziemi ze wszystkich kierunków z przestrzeni kosmicznej. Oddziaływanie promieniowana kosmicznego z materią prowadzi do wytworzenia cząstek elementarnych o dużej energii. Oddziaływanie to bada się najczęściej kliszami jądrowymi. Analogiczne procesy można badać w laboratoriach wytwarzając strumień wysokoenergetycznych cząstek w akceleratorach. Obecność dużych ilości naturalnych pierwiastków promieniotwórczych w skorupie ziemskiej odgrywa role w bilansie cieplnym Ziemi.

 

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ SZTUCZNA – wysyłanie promieniowań alfa a, beta β, gamma γ przez izotopy otrzymane sztucznie. Sztuczną przemianę pierwiastków można osiągnąć na różnych drogach. Pierwszą sztuczną przemianę wykonał Rutherford w roku 1919 poddając gazowy azot działaniu strumienia cząstek alfa a i uzyskując tlen i wodór:

lub krótko ¹⁴N (a, p) ¹⁷O ( w nawiasie symbol cząstki bombardującej jadro i po przecinku cząstki wybitej).

W 1934 roku F. i I. Curie stwierdzili, że w wyniku bombardowania cząstkami a może powstać izotop promieniotwórczy. Promieniotwórczość sztuczną uzyskać można również w wyniku bombardowania tarczy z materiału ulegającego przemianie strumieniem naładowanych cząstek przyspieszonych wysokim napięciem elektrycznym albo przez poddawanie materiału nieaktywnego działaniu neutronów, stosując źródło neutronów, lub lepiej umieszczając próbkę w kanałach reaktora jądrowego. Promieniotwórczość sztuczna różni się od naturalnej tylko sposobem otrzymania substancji promieniotwórczej, niektóre izotopy promieniotwórcze występujące w skorupie ziemskiej można również otrzymać sztucznie.

 

PROMIENIOWANIE RENTGENOWSKIE – (promienie X) promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali 0,06 Å do 2mm (20 Å), powstające podczas bombardowania metali elektronami przyspieszonymi napięciem rzędu 10 - 500 kV. Stosując wiązki elektronów z akceleratora liniowego o energii 10 MeV i większej można otrzymać promieniowanie elektromagnetyczne o jeszcze większej energii kwantu. Im większe jest napięcie, tym krótsza fala promieniowania (twardsze promieniowanie rentgenowskie), zbliżającego się charakterem do promieniowania gamma γ. Energię promieniowania rentgenowskiego, a więc i jego przenikliwość charakteryzuje napięcie, a jego natężenie – prąd w lampie, wyrażony w miliamperach. Krótkofalowe promieniowanie rentgenowskie różni się od promieniowania gamma γ tylko sposobem powstawania. Promieniowanie rentgenowskie działa na klisze fotograficzne. Przechodząc przez materię ulega rozproszeniu i absorpcji, tym większej, im większa jest liczba atomowa pierwiastków tworzących materię. Promieniowanie rentgenowskie ma wskutek tego zastosowanie do prześwietlania, do niszczenia żywej tkanki (rentgenoterapia), w defektoskopii, analizie rentgenograficznej.

 

W celu bezpiecznego wykorzystywania energii jonizującej i promieniowań jonizujących należy stosować ochronę przed promieniowaniem (ochrona radiologiczna). Szerokie wykorzystywanie preparatów promieniotwórczych w chemii wymaga zabezpieczeń, szczególnie przed najbardziej przenikliwym promieniowaniem gamma γ. Starannie chronione muszą być preparaty emitujące cząstki alfa a. Samo promieniowanie preparatów polonu i plutonu nie jest groźne z powodu małego zasięgu, natomiast niebezpieczeństwo przedstawia fakt wyrywania przez cząstki alfa a drobnych cząstek preparatu, który w postaci aerozolu przedostać się może do organizmu z wdychanym powietrzem. Ochronę radiologiczną źródeł zamkniętych stanowią osłony, w przypadku pracy ze źródłami otwartymi stosuje się manipulatory.

Skażenie promieniotwórcze to zanieczyszczenia atmosfery, wód, terenu i przedmiotów (np. odzieży) substancjami promieniotwórczymi. Wobec zastosowania odpowiednich metod  - ochrony radiologicznej – podczas normalnego przebiegu prac z substancjami promieniotwórczymi, skażenie promieniotwórcze może być zredukowane do minimum. Źródła promieniowania zamknięte nie wywołują skażenia promieniotwórczego, izotopy stosowane w celach wskaźnikowych są po wykonaniu pomiarów rozcieńczane do aktywności nie odbiegającej od dawki dopuszczalnej.

Dawka dopuszczalna to ustalona w drodze porozumienia międzynarodowego lub przez ustawy państwowe ilość promieniowania uznana za nieszkodliwą dla organizmu ludzkiego. Człowiek nieustannie narażony jest na działanie promieniowania naturalnych pierwiastków promieniotwórczych, znajdujących się w murach domów, glebie, atmosferze, pożywieniu, a także na działanie innych promieniowań wysokoenergetycznych (farby świecące, telewizja, kontrolne prześwietlenia rentgenowskie). Ponieważ wpływ małych dawek promieniowania nie jest łatwy do rozpoznania. dawka dopuszczalna ma charakter umownej normy, korygowanej stopniowo w miarę postępów radiobiologii. Radiobiologia jako nauka o oddziaływaniu promieniowania wysokoenergetycznego (np. promieniowania rentgenowskiego, promieniowania gamma γ) na organizmy żywe,  jest blisko spokrewniona z chemią radiacyjną i wykorzystuje jej osiągnięcia do przewidywania działania promieniowania na skomplikowane układy biologiczne. Dawka dopuszczalna zależy od energii i zdolności jonizacyjnej promieniowania, a także od płci oraz wieku osobnika.

 

Odpady promieniotwórcze powstające podczas produkcji paliwa  - paliwa jądrowego – oraz w laboratoriach radiochemicznych gorących przechowuje się w mogilnikach. Naczynia laboratoryjne i odzież osób zatrudnionych w laboratoriach radiochemicznych poddaje się odkażaniu (dekontaminacji). Szczególnie groźne są skażenia promieniotwórcze terenu i atmosfery powstające podczas wybuchów jądrowych.

 

Odpady promieniotwórcze  to wszystkie materiały promieniotwórcze powstające podczas przerobu paliwa jądrowego, rozdzielania izotopów promieniotwórczych i ich stosowania. Znaczna część izotopów promieniotwórczych powstających w reaktorach jądrowych ma krótki czas życia i przemienia się w izotopy niepromieniotwórcze. Wiele z wytworzonych w reaktorach izotopów i produktów rozszczepienia jądra atomowego znajduje zastosowanie jako źródła promieniowania. Większe ilości odpadów zbiera się z zachowaniem ostrożności w mogilnikach (miejsca przechowywania odpadów promieniotwórczych, zabezpieczone przed kontaktem z wodami gruntowymi i atmosferą).

 

Prace z użyciem izotopów promieniotwórczych i ich preparatów wykonuje się w laboratoriach radiochemicznych. Zależnie od ilości i jakości stosowanych izotopów promieniotwórczych rozróżnia się:

•        Laboratoria radiochemiczne wskaźnikowe, w których operuje się małymi aktywnościami, wystarczającymi w metodzie wskaźników promieniotwórczych

•        Laboratoria radiologiczne gorące, w których ilości stosowanych izotopów i ich rodzaj (bardzo niebezpieczny pluton) wymagają zdalnego manipulowania naczyniami, specjalnej wentylacji i filtrowania powietrza, zaopatrzenia w śluzy dla personelu, specjalne urządzenia kontrolne, itd.

Pomiędzy tymi typami laboratoriów radiochemicznych o charakterze skrajnym znajdują się liczne typy pośrednie. Zależnie od rodzaju wykonywanych prac laboratoria radiochemiczne dzielone są na kategorie, w których obowiązują odpowiednie przepisy bezpieczeństwa, ustalane przez organy państwowe.

 

Chemia radiacyjna to dział chemii obejmujący badania skutków chemicznych pochłaniania energii dowolnego promieniowania jonizującego. Chemia radiacyjna wyodrębniła się jako samodzielna dyscyplina w związku z wyzwoleniem energii jądrowej, jednak pewne obserwacje (radioliza wody) poczyniła już Maria Skłodowska  - Curie. Rozwój chemii radiacyjnej idzie w kierunku poznania mechanizmu reakcji radiacyjnych, dzięki czemu można opanować reakcje indukowane promieniowaniem, ograniczać, gdy są niepożądane, bądź uzyskiwać maksymalną wydajność, jeżeli dają produkty o cennych właściwościach. Chemia radiacyjna wiąże się z innymi gałęziami chemii i nauk niechemicznych:

•        Z chemią ogólną (wytwarzanie i umożliwianie poznawania przejściowych produktów reakcji chemicznych)

•        Z chemią fizyczną (oznaczanie bezwzględnych stałych szybkości reakcji)

•        Z radiobiologią (wyjaśnienie podstawowych procesów oddziaływania promieniowania na ustroje żywe)

•        Z technologią chemiczną (uszlachetniania mas plastycznych)

•        Z technologią środków spożywczych (radiacyjne konserwowanie żywności).

 

Metoda wskaźników promieniotwórczych to metoda śledzenia losów określonego pierwiastka lub związku chemicznego (rzadziej masy gazu, cieczy czy ciała stałego) w badanym układzie, posługująca się preparatem, w którym część atomów interesujących badacza pierwiastka zastąpiono jego promieniotwórczym izotopem (tzw. preparatem znakowanym lub znaczonym). Ponieważ własności chemiczne izotopu promieniotwórczego różnią się tylko nieznacznie od własności izotopów trwałych tegoż pierwiastka, niewielka domieszka związku znakowanego pozwala, dzięki wysyłanemu promieniowaniu, śledzić przebieg przemian, którym ulega badana substancja. Wskaźnikiem promieniotwórczym mogą być atomy jednego pierwiastka, np. żelaza w rudzie żelaza idącej do wielkiego pieca (oznaczenie czasu przebywania porcji wsadu) albo sodu w chlorku sodowym (określenie szybkości poruszania się jonu sodowego w organizmie). Metoda wskaźników promieniotwórczych umożliwia również rozwiązywanie problemów bardzo skomplikowanych, np. w związkach organicznych wprowadza się promieniotwórcze atomy węgla do określonych grup w cząsteczce, co pozwala dokładnie określić która część cząsteczki uczestniczy w określonej reakcji. Dzięki metodzie wskaźników promieniotwórczych można było rozwiązać liczne problemy mechanizmów reakcji biochemicznych.

 

Źródła promieniowania to:

1. Urządzenia, w których otrzymuje się wiązki promieniowań różnego rodzaju i o różnej energii. Najsilniejszym źródłem neutronów i promieniowania gamma γ są reaktory jądrowe, zaopatrzone w kanały, do których można wstawiać próbki (np. w celu wykonania analizy aktywacyjnej). Strumień neutronów otrzymywać można także ze źródeł radowo – berylowych lub z generatora neutronów. Źródłem silnych strumieni promieniowania gamma γ są „bomby kobaltowe” (emitorami są w nich ⁶⁰Co albo ¹³⁷Cs) lub wypalone elementy paliwowe reaktora atomowego. Do sporządzenia źródła promieniowania beta a używa się różnych emiterów promieni beta, np. ⁹⁰Sr, a do sporządzenia źródła promieniowania alfa  a  -  naturalnych izotopów promieniotwórczych, np. preparatów polonu. Wiązki wysokoenergetycznych cząstek (np. elektronów, protonów itp.) oraz promieniowania gamma γ otrzymuje się również w akceleratorach.

2. Preparaty promieniotwórcze o małej aktywności używane najczęściej jako wzorce do cechowania urządzeń pomiarowych. Takim źródłem promieniowania gamma γ jest np. preparat radu w równowadze z jego produktami rozpadu, otoczony filtrem platynowym grubości 0,5 – 1 mm ( w celu pochłonięcia promieniowania alfa a i beta β).

Analiza aktywacyjna – metoda oznaczania bardzo małych ilości domieszek (zanieczyszczeń) w różnych materiałach, polegająca na działaniu na próbkę strumieniem neutronów, rzadziej szybkich cząstek naładowanych lub promieniowaniem elektromagnetycznym o bardzo dużej energii (powyżej 3 MeV). Część atomów oznaczanego zanieczyszczenia zostaje zamieniona na izotop promieniotwórczy. Po zbadaniu aktywności powstałego promieniotwórczego preparatu i charakterystyki promieniowania można określić jakość i obliczyć ilość zanieczyszczeń w próbce. Analizę aktywacyjną można stosować jedynie do układów, w których zanieczyszczenie aktywuje się w stopniu wielokrotnie większym niż składnik główny lub jeśli okresy połowicznego rozpadu produktu aktywacji składnika głównego i zanieczyszczenia znacznie się różnią. W przypadkach, kiedy oba te warunki są spełnione czułość analizy aktywacyjnej (tzn, najmniejsze stężenie oznaczalne) jest rzędu 10^-6%. Analizę aktywacyjną stosuje się do badania preparatów chemicznych o dużym stopniu czystości, metali i stopów, m.in. niektórych materiałów półprzewodnikowych. Wykonanie analizy aktywacyjnej polega na umieszczeniu badanej próbki w określonym strumieniu neutronów w kanale reaktora jądrowego bądź źródła neutronowego  (np. radowo – berylowego), a następnie na zbadaniu aktywności próbki odpowiednimi licznikami promieniowania.