Promieniotwórczość naturalna(1), Chemia(1)

Badając budowę jąder atomowych odkryto zjawisko nazwane defektem masy. Defekt masy polega na większej sumie mas protonów i neutronów w jądrze niż w rzeczywistości.

Np. zmierzona masa istniejących jąder wynosi 2,015 u. podczas gdy suma wyznaczonych eksperymentalnie mas protonów i neutronów wynosi 2,017 u.

Niektóre pierwiastki mają zdolność do samorzutnego rozpadu jąder, takie pierwiastki nazywamy promieniotwórczymi. W czasie rozpadu ich jąder emitowane jest promieniowanie:

Promieniowanie α - jest to strumień cząstek α (jąder helu 42He) pędzący z prędkością nawet kilkunastu tys. km/s.

Promieniowanie β - jest to strumień elektronów pędzący z prędkością od kilkudziesięciu tys. km/s do niewiele mniejszej od prędkości światła.

Promieniowanie γ - jest to promieniowanie elektro-magnetyczne o długości fali 10-11m pędzące z prędkością światła.

Podczas przemian α i β powstaje całkiem nowy pierwiastek chemiczny. Przykładem tego może być przemiana α jądra uranu w jądro toru:

23892U → 23490Th + 42He

Przemianom promieniotwórczym zawsze towarzyszy jonizacja otoczenia, gdyż rozpędzone jądro helu musi przebić się przez chmurę elektronową. Pędzące jądro narusza chmurę i powstają dwa jony: toru i helu. Dążą one do tego aby znów stać się atomami i starają się zdobyć brakujące elektrony. Przemiana α zachodzi tylko w atomach o dostatecznie dużych jądrach, wyrzucenie jadra zbudowanego z dwóch protonów i elektronów powoduje zmniejszenie masy jądra atomu macierzystego. Opisuje to równanie:

AZX → A-4Z-2Y + 42He

Podczas przemiany β przez jądro emitowany jest elektron i powstaje inny pierwiastek. Oprócz elektronu powstaje także neutrino, przebudowywane są również powłoki elektronowe powstającego atomu.

neutrino - jest to cząstka pozbawiona ładunku obojętna elektrycznie, o masie prawdopodob-

nie równej zero.

Atomy posiadające dużą liczbę masową i nadmiar neutronów, próbują naturalnym sposobem zmniejszyć ilość neutronów przez zamianę go w proton.

neutron → proton + elektron

n0 → p+ + e-

W wyniku tej przemiany elektron wyrzucany jest z jądra, masa jądra nie ulega zmianie lecz rośnie jego ładunek a zarazem i liczba atomowa.

AZX → AZ + 1Y + e-

Promieniowanie ma różny charakter i dlatego promieniowanie α i β, strumień protonów i neutronów nazywamy promieniowaniem korpuskularnym a promieniowanie γ promieniowaniem falowym lub jonizującym. Działanie biologiczne określonego promieniowania zależy od jego natężenia i czasu oddziaływania na organizm. Promieniowanie α może zostać zatrzymane przez kartkę papieru, promieniowanie β minie kartkę papieru ale zatrzyma się na kawałku aluminium, natomiast γ zostanie pochłonięta dopiero przez ołów.

Stwierdzono, iż z czasem ilość jąder spada o połowę w stosunku do początkowej ilości jąder. Nazwano to czasem połowicznego rozpadu (czas półtrwania) i oznacza się go przez T1/2. Na przykład dwa laboratoria zgromadzą odpowiednio po 1 kg i 0,5 kg radio aktywnego toru którego T1/2 wynosi np. 24 h. po 24 h pierwsze laboratorium będzie miało 0,5 kg toru, drugie 0,25 kg toru. W ten sposób określono wiek całunu turyńskiego na podstawie zawartości radio aktywnego węgla 146C.

Ze względu na czas połowicznego rozpadu podzielono nuklidy na:

nuklid trwały - T1/2 jest większy niż 109 lat

nuklid nietrwały - T1/2 jest mniejszy niż 109 lat

Szereg promieniotwórczy jest to rodzina promieniotwórcza: łańcuch pierwiastków promieniotwórczych, z których każdy powstaje w wyniku przemiany promieniotwórczej α lub β z poprzedniego, rozpoczynający się długożyciowym izotopem promieniotwórczym, a kończący pierwiastkiem trwałym np. pomiędzy uranem a najbliższym mu pierwiastkiem trwałym - ołowiem. Ważniejsze pierwiastki powstające przez rozpad pierwiastków nietrwałych to odkryty przez Marię Skłodowską-Curie i jej męża Piotra Curie rad oraz otrzymany w 1903 r. przez Williama Ramsay i Fredericka Soddy radon. Rad stosowany był w radioterapii w celu leczenia nowotworów. Radon jest bezbarwnym, ciężkim gazem powstającym w wyniku rozpadu radu.

W 1919 r. E. Rutherford poraz pierwszy otrzymał sztucznie pierwiastek. Strumień cząstek α przepuścił przez azot i otrzymał rzadki izotop tlenu 178O, oraz zauważył pojawienie się nowych cząstek - jąder wodoru (protonów).

147N + 42He → 178O + 11H (proton)

Powstający proton posiadał dużo energii i uzyskiwał prędkość kilkudziesięcy tysięcy km/s tworząc podobne do α promieniowanie protonowe. Jest to realizacja głównej myśli alchemii - tworzenia jednego pierwiastka z drugiego. Wkrótce zaczęto produkować rzadkie nietrwałe nuklidy niektórych pierwiastków np.

2713Al + 42He → 3015P + 10n

Fosfor powstający w tej reakcji rozpadał się dalej w przemianie β na krzem.

3015P → 2814Si + e-

Była to pierwsza w historii sztucznie otrzymana promieniotwórczość odkryta przez córkę Marii Skłodowskiej-Curie Irenę Joliot-Curie i jej męża Fryderyka. Przemiany promieniotwórcze wykorzystuje się w:

- archeologii do określania wieku próbek zawierających węgiel

- do określania wieku skał i minerałów

- w medycynie do badania stanu niektórych narządów

- do niszczenia tkanek nowotworowych

- w urządzeniach mierniczych (defektoskopach, czujnikach, grubościomierzach)

- jako źródło prądu

- w energetyce jądrowej w reaktorach jądrowych

- jako broń nuklearna o niesłychanie wielkiej mocy

Próbowano stworzyć sztucznie również złoto i dokonano tego w 1950 r. używając izotopu rtęci. Naświetlano ją neutronami i wyniku przemiany β+ powstało najtrwalszy istniejący nuklid złota.

19780Hg → 19779Au + e-

Za niebezpieczną dla życia uważa się dawkę 1000 mSv.

1 mSv (milisiwert) - to jednostka równoważnika pochłoniętej dawki promieniowania γ.

Zasada działania jakiejkolwiek elektrowni jądrowej jest taka sama - kontrolowanie reakcji jądrowej. Sposób funkcjonowania elektrowni jest bardzo prosta. Jej sercem jest reaktor, w którym znajdują się na przemian pręty kadmowe i uranowe zanurzone w ciężkiej wodzie. Woda ta bardzo się rozgrzewa i musi być chłodzona izolowanym wymiennikiem ciepła - zwykłą wodą. Powstająca para wodna obraca turbiną a ta z kolei napędza generator prądu. Następnie para wodna jest chłodzona kolejnym izolowanym układem z zimną wodą. Schłodzona woda jest dalej przemieszczana za pomocą pompy z powrotem do reaktora. Pręty kadmowe silnie pochłaniają swobodne neutrony przemieszczające się w ciężkiej wodzie i mają za zadanie regulować intensywność rozpadu uranu, ciężka woda również pochłania część energii neutronów i spowalnia je, ale sama bardzo się nagrzewa.