PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ
PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ
Zastosowanie izotopów promieniotwórczych
Pierwiastek Izotop Wykorzystywanepromieniowanie Czas półrozpadu (T1/2) Zastosowanie
Ameryk 241Am alfa 432,7 lat czujniki dymu (instalacje przeciwpożarowe)
Cez 137Cs gamma 30 lat radiografia przemysłowa,bomba cezowa, pomiary grubości
Iryd 192Ir gamma 73,8 lat radiografia przemysłowa
Jod 131I gamma 8 dni badanie tarczycy (medycyna)
Kobalt 60Co gamma 5,3 lat bomba kobaltowa (medycyna),radiografia przemysłowa, urządzeniaradiacyjne, waga izotopowa, sprzętdo pomiaru: grubości, poziomucieczy w zbiornikach.
Pluton 238Pu alfa 87,7 lat stymulatory serca,czujniki dymu
Pluton 239Pu alfa 24000 lat czujniki dymu
Rad 226Ra gamma 1600 lat aplikatory radowe
Tal 204Tl beta 3,8 lat sprzęt do pomiaru grubości
Wodór 3H beta 12,3 lat farby świecące
Pierwiastki chemiczne, których wszystkie izotopy są promieniotwórcze. Są to: technet (symbol Tc) o liczbie atomowej Z=43, promet (symbol Pm) o liczbie atomowej Z=61, polon (symbol Po) o liczbie atomowej Z=84 oraz wszystkie pierwiastki położone w układzie okresowym za polonem. Pierwiastki promieniotwórcze położone za uranem noszą nazwę pierwiastków transuranowych lub transuranów, które są jednocześnie aktynowcami (aktynowce mają liczbę atomową od 89 do 103, transuranowce mają liczbę atomową większą niż 92, aktynowce o liczbie atomowej mniejszej niż 92 są nazywane cisuranowcami, a o liczbie większej od 95 - kiurowcami). Z pierwiastków radioaktywnych występujących w przyrodzie tylko uran U (Z=92), tor Th (Z=90) i protaktyn Pa (Z=91), mają izotopy o długim czasie życia, porównywalnym z geologicznym wiekiem Ziemi (wskutek czego nie zdążyły się rozpaść) - są więc jedynymi pierwotnymi pierwiastkami promieniotwórczymi, to znaczy takimi, które istnieją na Ziemi od chwili jej powstania. Śladowe ilości neptunu Np (Z=93), czy plutonu Pu (Z=94) spotyka się w niektórych minerałach uranu, gdzie tworzą się pod wpływem neutronów promieniowania kosmicznego. Inne pierwiastki promieniotwórcze powstają w wyniku przemiany pierwiastków radioaktywnych pierwotnych lub zostały otrzymane sztucznie w reakcjach jądrowych, tak jak np. technet, promet oraz transurany, czyli: ameryk, kiur, berkel, kaliforn, ajnsztajn, ferm, mendelew, nobel, lorens.
Pierwiastki promieniotwórcze dzielą się na:
pierwiastki naturalne, występujące w przyrodzie, tak jak: aktyn, astat, frans, neptun, polon, pluton, radon, rad, protaktyn, tor, uran i
pierwiastki sztuczne, nie występujące w przyrodzie, jak np. ajnsztajn, ameryk, kiur, lorens, berkel, ferm, kaliforn, mendelew, nobel promet, technet, pierwiastek 104, pierwiastek 105, pierwiastek 106, pierwiastek 107:
AJNSZTAJN - symbol Es (z łac. einsteinum)
Aktynowiec z III grupy układu okresowego. Jest pierwiastkiem transuranowym. Powstaje z izotopu uranu 238U w cyklotronie pod wpływem bombardowania jonami N6+ (liczba atomowa 99, masa atomowa [254]). Ajnsztajn ma własności zasadowe, w związkach jest trójwartościowy. Es otrzymuje się sztucznie w znikomych ilościach. W przyrodzie nie występuje.
AKTYN - symbol Ac (z łac. actinium)
Pierwiastek z III grupy aktynowców. Powstaje w wyniku rozpadu promieniotwórczego z izotopu uranu 235U, sam ulega kolejnym przemianom promieniotwórczym tworząc nie promieniotwórczy izotop ołowiu. Aktyn ma własności chemiczne podobne do lantanu. Jest srebrzystobiałym metalem o temperaturze topnienia: 1050° C i o ciężarze właściwym: 10,06. W minimalnych ilościach - 300 razy mniejszych niż rad - towarzyszy minerałom uranu.
AMERYK - symbol Am (z łac. americium)
Pierwiastek z III grupy aktynowców. Izotop 241Am powstaje z izotopu uranu 238U bombardowanego bardzo prędkimi cząstkami alfa. Ameryk jest pierwiastkiem transuranowym o liczbie atomowej 95 i masie atomowej [243] oraz srebrzystobiałym metalem o temperaturze topnienia: ok. 830° C i ciężarze właściwym 11,9. Ameryk otrzymuje się sztucznie, w przyrodzie nie występuje.
ASTAT - symbol At (z łac. astatinum)
Chlorowiec z VII grupy układu okresowego (liczba atomowa 85, masa atomowa [210]). Izotopy astatu występują jako ogniwa naturalnych szeregów promieniotwórczych. Sam astat ulega przemianie promieniotwórczej, najdłuższy okres połowicznego rozpadu 8,3 godz. ma izotop 210At. W związkach może występować jako jedno- i pięciowartościowy, pod względem chemicznym mało podobny do pozostałych chlorowców, przypomina polon. Podobieństwo do jodu wyraża się w dość łatwej lotności i jednakowym działaniu fizjologicznym - astat gromadzi się w gruczole tarczycowym ssaków.
BERKEL - symbol Bk (z łac. berkelium)
Aktynowiec z III grupy układu okresowego. Jest pierwiastkiem transuranowym o liczbie atomowej 97 i masie atomowej [247]. Berkel nie występuje w przyrodzie - jest otrzymywany sztucznie i ma własności zasadowe. W związkach jest trój-, rzadko czterowartościowy.
FERM - symbol Fm (z łac. ferminum)
Aktynowiec z III grupy układu okresowego. Ferm jest pierwiastkiem transuranowym o liczbie atomowej 100 i masie atomowej [235]. Otrzymuje się go sztucznie w reaktorze jądrowym (np. izotop 250Fm w reakcji 238U z jądrami tlenu 16O), w przyrodzie nie występuje. Ferm ma własności zasadowe, w związkach jest trójwartościowy.
FRANS - symbol Fr (z łac. francium)
Potasowiec z I grupy głównej układu okresowego (liczba atomowa 87, masa atomowa [223]. Powstaje w wyniku rozpadu promieniotwórczego z aktynu. Sam frans wysyła promienie , przechodząc w aktyn X z okresem połowicznego rozpadu 21 min. Własności chemiczne ma podobne do cezu.
Frans występuje śladowo w minerałach uranu.
KALIFORN - symbol Cf (z łac. californium)
Aktynowiec z III grupy układu okresowego. Jest to pierwiastek transuranowy o liczbie atomowej 98 i masie atomowej [251]. Pierwszy poznany izotop 244Cf powstał w cyklotronie przez bombardowanie cząstkami izotopu kiuru 212Cm. Kaliforn otrzymuje się sztucznie, w przyrodzie nie występuje.
KIUR - symbol Cm (z łac. curium)
Aktynowiec z III grupy układu okresowego, pierwiastek transuranowy o liczbie atomowej 96 i masie atomowej [247]. Izotop 242Cm powstaje z ameryku w wyniku przemiany promieniotwórczej, sam odznacza się silnym promieniowaniem - około tysiąc razy silniejszym od radu!!! - przekształcając się w pluton 238Pu. Kiur ma własności zasadowe, w związkach jest trójwartościowy. Jest srebrzystobiałym metalem o ciężarze właściwym ok. 7. W przyrodzie nie występuje.
LORENS - symbol Lw (z łac. lawrentium)
Aktynowiec z III grupy układu okresowego (liczba atomowa 103, masa atomowa [257], okres połowicznego rozpadu ok. 8 sek.).
MENDELEW - symbol Md (dawniej Mv) (z łac. mendelevium)
Aktynowiec z III grupy układu okresowego. Jest to pierwiastek transuranowy o liczbie atomowej 101 i masie atomowej [256]). Powstaje z ajnsztajnu pod wpływem bombardowania cząstkami w cyklotronie. W przyrodzie nie występuje.
NEPTUN - symbol Np (z łac. neptunium)
Aktynowiec z III grupy układu okresowego. Jest to pierwiastek transuranowy o liczbie atomowej 93 i masie atomowej [237]. Powstaje z izotopu uranu 238U pod wpływem bombardowania neutronami, sam ulega przemianie w pluton. Izotop 237Np jest produktem ubocznym podczas otrzymywania plutonu. Neptun ma własności zasadowe, w związkach jest trój-, cztero-, pięcio- i sześciowartościowy (na najwyższych stopniach utleniania - amfoteryczny). Związki neptunu są podobne do związków uranu. Neptun jest srebrzystobiałym metalem o temperaturze topnienia 640° C i ciężarze właściwym 20,45, chemicznie dość aktywny. Minimalne ilości tego pierwiastka występują w minerałach uranu.
NOBEL - symbol No (z łac. nobelium)
Aktynowiec z III grupy układu okresowego. Pierwiastek transuranowy o liczbie atomowej 102 i masie atomowej [253]. Powstaje z kiuru w cyklotronie pod wpływem bombardowania jądrami węgla. W przyrodzie nie występuje.
PLUTON - symbol Pu (z łac. plutonium)
Aktynowiec z III grupy układu okresowego. Pierwiastek transuranowy o liczbie atomowej 94 i masie atomowej [244], izotop 239Pu powstaje z uranu 238U poprzez neptun 239Np pod wpływem neutronów, sam ulega przemianie w uran 235U. Pluton ma własności zasadowe, w związkach jest dwu- do sześciowartościowy. Pluton jest srebrzystobiałym metalem o temperaturze topnienia 639,5° C i ciężarze właściwym 19,73. Tworzy 6 odmian alotropowych. Jest metalem dość aktywnym (powoli reaguje z wodą). Pluton i jego związki są bardzo trujące - dopuszczalne stężenie w powietrzu jest 107 razy mniejsze niż cyjanowodoru.
Pluton towarzyszy rudom uranu.
Bomba jądrowa zrzucona na Nagasaki 9.VIII.1945r. miała ładunek z plutonu.
POLON - symbol Po (z łac. polonium)
Promieniotwórczy pierwiastek chemiczny VI grupy głównej układu okresowego (l. at. 84, m. at. [210]), o własnościach zasadowych, w związkach dwu- i czterowartościowy.
NAJWAŻNIEJSZE ZWIĄZKI:
dwuchlorek polonu PoCl2,
żółty dwutlenek polonu PoO2,
różowy czterochlorek polonu PoCl4,
czerwony czterobromek polonu PoBr4,
czarny czterojodek polonu PoJ4.
Z metalami tworzy polonki - np. PbPo.
Polon występuje w dwóch odmianach alotropowych i , ciężar właściwy ok. 9,4. Polon powstaje w wyniku przemian promieniotwórczych, okres połowicznego rozpadu 210Po wynosi 138,3 dni, otrzymano sztucznie 209Po o okresie połowicznego rozpadu 200 lat.
Występowanie: polon towarzyszy rudom uranowym w ilości ok. 0,1 mg na 1 tonę.
Otrzymywanie: metaliczny polon przez elektrolizę roztworów jego soli.
Zastosowanie: w chemii radiacyjnej jako źródło cząstek , zmieszany z berylem jako źródło neutronów.
PROMET - symbol Pm (z łac. promethium)
Lantanowiec, pierwiastek chemiczny podgrupy w III grupie układu okresowego o liczbie atomowej = 61 i masie atomowej = [145], własnościach zasadowych. Promet w związkach jest trójwartościowy (zielone jony Pm3+). Najważniejsze związki: tlenek prometu Pm2O3 i wodorotlenek prometu Pm(OH)3. Najdłuższy okres połowicznego rozpadu ma izotop 145Pm, wynosi on ok. 18 lat, znaczenie techniczne ma izotop 147Pm - 2,64 lat. Promet otrzymywany jest w ilościach gramowych w wyniku rozszczepienia jąder uranu w reaktorze jądrowym. W przyrodzie nie występuje.
PROTAKTYN - symbol Pa (z łac. protactinium)
Aktynowiec z III grupy układu okresowego (liczba atomowa 91, masa atomowa [231]). Powstaje w wyniku rozpadu promieniotwórczego uranu 235U, sam ulega przemianie w aktyn (okres połowicznego rozpadu izotopu 231Pa wynosi 34 000 lat). Protaktyn ma własności zasadowe, w związkach jest pięciowartościowy.
NAJWAŻNIEJSZE ZWIĄZKI: pięciotlenek Pa2O5, bezbarwny pięciochlorek protaktynu PaCl5.
Związki protaktynu przypominają własnościami związki tantalu. Protaktyn jest srebrzystobiałym metalem o temperaturze topnienia 1600° C i ciężarze właściwym 15,37. Nie ulega działaniu czynników atmosferycznych. Występuje w przyrodzie, lecz jest pierwiastkiem bardzo rzadkim - towarzyszy uranowi w jego rudach w minimalnych ilościach (na tonę uranu przypada 129 mg protaktynu.
RAD - symbol Ra (z łac. radium)
Promieniotwórczy pierwiastek chemiczny II grupy głównej wapniowców. Liczba atomowa 88, masa atomowa [226], o własnościach zasadowych. W związkach dwuwartościowych - bezbarwne jony Ra2+.
Najważniejsze związki: wodorotlenek radowy Ra(OH)2, rozpuszczalny w wodzie, mocna zasada, chlorek radu RaCl2 i bromek radu RaBr2, trudno rozpuszczalny węglan radowy RaCO3, i siarczan radowy RaSO4. Związki radu są chemicznie podobne do odpowiednich związków baru.
Rad jest srebrzystobiałym metalem o temperaturze topnienia 960° C, temperaturze wrzenia 1140° C i ciężarze właściwym 6. Bardzo aktywny chemicznie. Rad jest jednym z produktów rozpadu promieniotwórczego uranu. Okres połowicznego rozpadu wynosi ok. 1590 lat, sam rad przechodzi w radon. Sole radu barwią płomień na karminowo. Rad występuje we wszystkich rudach uranowych jako produkt rozpadu promieniotwórczego uranu. Najważniejszym źródłem radu są: blenda uranowa i karnotyt występujące w Turkiestanie, Kolorado, Kanadzie.
W karnotytach afrykańskich zawartość rudy wynosi 1 g na 40 ton rudy, w kanadyjskich 1 g na 6-7 ton rudy. Dotychczasowa światowa produkcja wynosi ok. 4 kg. Metaliczny rad otrzymuje się przez elektrolizę stopionego bromku radu. Zastosowanie: do celów leczniczych (w formie chlorku lub bromku) i do celów naukowych.
RADON - symbol Rn (z łac. radon)
Promieniotwórczy pierwiastek chemiczny, w układzie okresowym położony w grupie 0, w grupie głównej helowców. Odkryty dopiero w XX w. Poszczególne izotopy zostały odkryte przez różnych uczonych: w 1900r. - toron przez E. Rutherforda, w 1901r. - radon przez F. E. Dorna i w 1903r. - aktynon przez A. L. Debierna i Giesela. Początkowo nazywano je emanacjami, obecnie już nie używa się tej nazwy.
Radon jest bezbarwnym gazem bez smaku i zapachu, tworzącym się w produktach przemiany promieniotwórczej radu, toru i uranu. (Temperatura topnienia: - 71° C, temperatura wrzenia: - 62° C, gęstość 9,73 g/cm3).
Zestalony radon świeci brylantowo-niebieskim światłem. Znane są izotopy radonu o liczbach masowych od 204 do 224. Wśród nich największe znaczenie mają 219Rn, 220Rn i 222Rn, występujące w naturalnych szeregach promieniotwórczych. W śladowych ilościach są one obecne w powietrzu i w niektórych wodach mineralnych, dokąd przechodzą z minerałów uranu.
Radon jest gazem szlachetnym biernym chemicznie. Podobnie jak inne helowce, tworzy tylko klatraty z wodą, fenolem, toluenem, oraz niezbyt trwały fluorek RnF4. Ze względu na krótki czas życia izotopów nie został otrzymany w ilościach wagowych.
W medycynie są stosowane tzw. kąpiele radonowe - z naturalnych wód zawierających radon lub nasyconych nim sztucznie - do leczenia zachorowań związanych z przemianą materii, chorób stawów i obwodowego układu nerwowego.
TECHNET - symbol Tc (z łac. technetium)
Pierwiastek chemiczny podgrupy w VII grupie układu okresowego. Manganowiec o liczbie atomowej Z=43, masie atomowej [97]. Powstaje w wyniku sztucznych przemian promieniotwórczych z molibdenu. Izotop 99Tc ma okres połowicznego rozpadu ok. 2,12 · 105 lat. Własności chemiczne podobne do renu, tworzy tlenki TcO2 i Tc2O7, pochodnymi Tc2O7 są sole nadtechnetcjany, np. NH4TcO4. Związki technetu siedmiowartościowego redukują się łatwo do czterowartościowego. Technet jest metalem szlachetniejszym od manganu, nie rozpuszcza się w kwasach. W skorupie ziemskiej nie występuje.
TOR - symbol Th (z łac. thorium)
Aktynowiec z III grupy układu okresowego. Jest to pierwiastek radioaktywny o bardzo długim okresie połowicznego rozpadu - rzędu 10 mld lat, wykazujący podobieństwo do pierwiastków podgrupy w IV grupie, o własnościach zasadowych (liczba atomowa 90, masa atomowa 232,038). W związkach jest czterowartościowy.
NAJWAŻNIEJSZE ZWIĄZKI:
dwutlenek toru ThO2
oraz łatwo rozpuszczalne w wodzie sole:
czterochlorek toru ThCl4, siarczan torowy Th(SO4)2 i azotan torowy Th(NO3)4.
Tor jest srebrzystobiałym metalem, niezbyt twardym i ciągliwym o temperaturze topnienia 3500° C, temperaturze wrzenia 4500° C i ciężarze właściwym 11,3 (metal ciężki). Jest odporny na działanie czynników atmosferycznych i kwasów.
DO MINERAŁÓW WŁASNYCH TORU NALEŻĄ:
toryt występujący w rejonie Oslo w Norwegii;
torianit (Th,U)O2 występujący na Cejlonie.
Towarzyszy też minerałom innych pierwiastków, jak: monacyt (złoża brazylijskie), cyrkon, samarskit.
Metaliczny tor stosuje się do powlekania drucików wolframowych w lampach elektronowych i jako adsorbent gazów w aparatach wysokopróżniowych. Szersze zastosowanie ma dwutlenek toru, który służy jako katalizator w procesie otrzymywania syntetycznej benzyny i do wyrobu siatek Auera - wykonanych w 99% z dwutlenku toru i w 1% z dwutlenku ceru, rozżarzających się w płomieniu gazowym i dających intensywne, białe światło.
URAN - symbol U (z łac. uranium)
Promieniotwórczy pierwiastek chemiczny podgrupy w III grupie układu okresowego, należący do aktynowców, o bardzo długim okresie połowicznego rozpadu rzędu 1 mld lat, wykazujący podobieństwo chemiczne do chromowców. (Liczba atomowa: 92, masa atomowa: 238,03). Jest to pierwiastek o własnościach amfoterycznych. W związkach trój-, cztero-, pięcio- (pięciotlenek uranu U2O5) i sześciowartościowy.
Uran jest matalem srebrzystobiałym, niezbyt twardym, o temperaturze topnienia 1133° C i temperaturze wrzenia 3900° C oraz ciężarze właściwym 18,7 (metal ciężki). Na powietrzu ulega utlenieniu, rozpuszczalny w kwasach.
Występowanie: istnieje ok. 100 minerałów uranu, z których tylko 10 ma znaczenie praktyczne. Najważniejszym minerałem uranu jest blenda uranowa. Inne minerały to m.in.: karnotyt, łyszczki uranowe, autunit, tiujamunit, uraninit; minerały torowe oraz monacyt. Największe złoża rud uranu znajdują się w: Kongo (Katanga), Północnej Kanadzie, USA (Utah, Kolorado), w Jachimowie, Turkiestanie, Tiuji Mujun.
Metaliczny uran o dużej czystości znajduje zastosowanie w reaktorach jądrowych do otrzymywania energii jądrowej byłoby niemożliwe.
Reaktory jądrowe wytwarzają olbrzymie ilości izotopów promieniotwórczych. Izotopy promieniotwórcze powstają z nuklidów nie radioaktywnych poddanych głównie działaniu neutronów, które wnikając do jąder atomowych tworzą nowe jądra tego samego lub innego pierwiastka. Nuklidy promieniotwórcze wytwarzane sztucznie znalazły najróżnorodniejsze zastosowanie, szczególnie jako źródła promieniowania jonizującego, wskaźniki izotopowe i generatory energii wydzielonej w czasie rozpadu promieniotwórczego.
Zastosowanie izotopów promieniotwórczych
Większość pierwiastków chemicznych występuje w postaci dwu lub większej liczbie typów atomów, różniących się między sobą liczbą atomów w jądrze. Wyróżniamy np. trzy typy atomów wodoru (H), pięć typów atomów węgla (C) oraz 16 typów ołowiu (Pb) .Te różne typy atomów jednego i tego samego pierwiastka nazywane są IZOTOPAMI (isos = równy, topos = miejsce), ponieważ zajmują one to samo miejsce w układzie okresowym pierwiastków. Wszystkie izotopy danego pierwiastka mają taką samą liczbę protonów, lecz różnią się liczbą neutronów w jądrze.
Aczkolwiek izotopy danego pierwiastka mają takie same właściwości chemiczne, można je rozróżnić stosując właściwości fizyczne. Niektóre są radioaktywne, wobec tego można je wykrywać i określić ilościowo na podstawie intensywności promieniowania. Inne izotopy można rozróżniać na podstawie nieznacznych różnic w masie atomowej spowodowanych obecności dodatkowego neutronu w jądrze. Substancje zawierające w jądrze izotop 15N (ciężki azot), zamiast zwykłego 14N lub 2H (ciężki wodór, deuter) w miejsce 1H mają większą masę, co można wykryć za pomocą spektrometru masowego.
Ogromny postęp w badaniach nad wyjaśnieniem szczegółów metabolicznej aktywności komórek zawdzięczamy zastosowaniu substancji „znakowanych” izotopami, np. cukru znakowanego przez wprowadzenie na miejsce zwykłego węgla (12C) węgla promieniotwórczego (11C lub 14C) bądź węgla ciężkiego (13C). Znakowaną substancję podaje się lub wstrzykuje badanemu zwierzęciu lub roślinie, bądź też hoduje się w jej roztworze komórki, a następnie izoluje się i bada znakowane produkty powstające w wyniku normalnego przebiegu procesów metabolicznych tych organizmów lub komórek. Doświadczenie takie pozwalają dokładnie prześledzić, etap po etapie, kolejne reakcje, jakim podlega dany związek oraz określić, w jakiej postaci znaczone atomy zostają ostatecznie wydzielone z komórki bądź organizmu. Dzięki zastosowaniu np. promieniotwórczego wapnia (45Ca) można zbadać szybkość tworzenia się substancji kostnej oraz wpływ na ten proces witaminy D i hormonu wydzielanego przez gruczoły przytarczyczne. Metoda ta pozwala na rozwiązanie wielu problemów biologicznych, które nie dałyby się rozwikłać w żaden inny sposób.
BOMBA KOBALTOWA
Urządzenie do napromieniowywania przedmiotów lub organizmów żywych promieniami emitowanymi przez izotop kobaltu 60Co o aktywności rzędu 1013-1014 Bq. Ze względu na dużą przenikliwość promieniowania, aktywny kobalt jest otoczony grubą osłoną biologiczną (warstwą ołowiu), w której znajdują się kanały wyprowadzające na zewnątrz wiązkę promieniowania. Bomba kobaltowa może też być wyposażona w mechanizm umożliwiający zdalną manipulację próbkami bez narażania otoczenia na promieniowanie. Bomba kobaltowa jest stosowana w lecznictwie do zwalczania chorób nowotworowych, w defektoskopii, do sterylizacji żywności oraz w chemii radiacyjnej do badań procesów fizykochemicznych zachodzących podczas napromieniowywania wysokoenergetycznymi kwantami prostych i złożonych układów chemicznych.
BROŃ JĄDROWA
Broń masowego rażenia, w której wykorzystuje się reakcję rozszczepienia jąder lub reakcję jądrową do wyzwalania w krótkim czasie wielkich ilości energii (wybuch jądrowy). Wyróżnia się następujące rodzaje broni jądrowej:
1. Bomba jądrowa (atomowa) -składa się z urządzenia detonującego, konwencjonalnego materiału wybuchowego (trotyl) i materiału rozszczepialnego (uran 235U lub pluton 239Pu), podzielonego na dwie lub więcej części, każda o masie mniejszej niż masa krytyczna. Wybuch bomby jądrowej następuje po odpaleniu ładunku prochowego i szybkim skupieniu wszystkich części materiału rozszczepialnego, co inicjuje niekontrolowaną reakcję rozszczepienia, trwającą aż do rozproszenia materiału rozszczepialnego. Moc bomby jądrowej może osiągnąć kilkaset kiloton TNT
2. Bomba termojądrowa (wodorowa) -składa się z substancji czynnej (prawdopodobnie mieszaniny deuteru i trytu lub deuterku litu 6LiD), połączonej z bombą jądrową i pełniącą funkcje zapalnika. Wybuch bomby jądrowej wytwarza temperaturę rzędu 107 K, niezbędna do zapoczątkowania niekontrolowanej reakcji termojądrowej. Moc bomby termojądrowej może dochodzić do 100 mln ton TNT.
3. Bomba kobaltowa -bomba jądrowa lub termojądrowa umieszczona w płaszczu z metalicznego kobaltu. W czasie wybuchu tej bomby powstaje w dużych ilościach izotop 60Co emitujący promieniowanie g, co powoduje znaczne skażenia promieniotwórcze terenu. Jak dotychczas, taka bomba nie była wypróbowana.
4. Bomba neutronowa -bomba termojądrowa, której główną część energii wybuchu unosi strumień neutronów szybkich. Niszczy przede wszystkim organizmy żywe.
Zastosowanie izotopów promieniotwórczych jako źródła promieniowania
Szeroką dziedzinę zastosowania izotopów promieniotwórczych stanowi radiografia. Metoda analizy radiograficznej polega na badaniu wewnętrznej struktury materiałów i wyrobów za pomocą promieniowania jonizującego (rentgenowskiego, gamma). W odlewach bardzo często tworzą się niepożądane pęcherze, luki i pęknięcia, pochłaniające promieniowanie jonizujące w inny sposób niż materiał, z którego został wykonany badany obiekt. W rezultacie na radiogramie, czyli na kliszy fotograficznej umieszczonej po przeciwległej stronie, w stosunku do źródła promieniowania badanego obiektu lub na ekranie fluoryzującym, są widoczne szczegóły badanego przedmiotu. W hutach i w fabrykach często stosuje się prześwietlanie konstrukcji aparatami rentgenowskimi (defektoskopia rentgenowska). Bardziej opłacalna jest metoda defektoskopii izotopowej, polegająca na wykorzystaniu Co, Cs, Ir, Tm lub mieszaniny Eu i Eu jako źródeł promieniowania gamma (defektoskopia gamma).
Izotopem promieniotwórczym jest zwykle kobalt 60 lub cez 137 znajdujący się w grubej osłonie biologicznej, najczęściej w kształcie kuli („bomby\") z okienkiem przepuszczającym promienie gamma. Aparat nosi nazwę bomby kobaltowej lub cezowej. Termin „bomba kobaltowa” jest również stosowany do bomby jądrowej.
Defektoskopia izotopowa jest stosowana przede wszystkim w metalurgii, przemyśle maszynowym, stoczniowym, lotniczym i chemicznym. Bomby kobaltowe i cezowe są stosowane w medycynie do celów diagnostycznych (wykrywanie uszkodzeń kości) i w leczeniu nowotworów.
ZASTOSOWANIE IZOTOPÓW W NAUCE I TECHNICE
Obecnie jest już znanych ok. 1000 nietrwałych, promieniotwórczych izotopów pierwiastków chemicznych (radioizotopów) oraz ok. 300 trwałych. Wyodrębnienie, rozdzielenie i badanie chemiczne pierwiastków promieniotwórczych obejmuje dziedzina nauk chemicznych zwaną radiochemią. Ze względu na łatwość wykrywania izotopów promieniotwórczych, nawet z większej odległości, są one szeroko stosowane do badań analitycznych oraz do badania procesów fizycznych i chemicznych, jak dyfuzja w cieczach i ciałach stałych, rozpuszczalność, strącanie osadów, określanie poziomu cieczy w zbiornikach itp.
Radioizotopy oddają cenne usługi w defektoskopach służących do wykrywania wad w wyrobach metalowych. Promieniowanie y radioizotopu 60Co prześwietla stal o grubości 15 cm dając na kliszy obraz pęknięć i innych uszkodzeń wewnętrznych. W porównaniu do niewielkiego zasobnika z preparatem promieniotwórczym lampy rentgenowskie wymagałyby kosztownej i niewygodnej w użyciu dodatkowej aparatury.
Metody radiometryczne umożliwiają śledzenie wędrówki izotopów w organizmach, dzięki czemu można dziś znacznie dokładniej niż za pomocą klasycznych metod chemicznych poznać i zrozumieć metabolizm, czyli procesy przyswajania i przemiany materii w organizmie. W ten sposób stwierdzono np. gromadzenie się fluoru w zębach, prześledzono za pomocą izotopu fosforu 32P (T1/2= 14,5 dnia) procesy trawienne, dzięki izotopom jodu 131I (T1/2= 8 dni) gromadzącym się w tarczycy opanowano diagnostykę choroby Basedowa.
Ważną dziedziną, w której znalazły zastosowanie izotopy, jest badanie mechanizmu reakcji chemicznych za pomocą wskaźników izotopowych, czyli atomów znaczonych. Używając np. do reakcji estryfikacji alkoholu znaczonego izotopem tlenu 18O (nie promieniotwórczy, ale różni się masą od zwykłego tlenu) można ustalić, który z dwóch możliwych mechanizmów:
* *
I. RCOOH + HOCH3= RCOOCH3 - H2O
* *
II. RCOOH + HOCH3= RCOOCH3 + H2O
ma miejsce w rzeczywistości (tlen znaczony zaznaczono gwiazdką). Okazało się, że w ogromnej większości tego typu reakcji znaczony tlen pozostaje w cząsteczce estru, a zatem słuszny jest mechanizm I.
Zastosowanie izotopów w lecznictwie
Inne zastosowanie znajdują izotopy w lecznictwie. Tak na przykład choroby raka można leczyć przez naświetlanie promieniami X lub g. Do czasu odkrycia radioizotopów stosowano w tym celu promieniowanie rentgenowskie lub promieniowanie g radu. Obecnie coraz częściej stosuje się promieniowanie g emitowane przez kobalt 60 (energia fotonów gamma 1,1 - 1,3 MeV). W celu ochrony ludzi obsługujących aparaturę z kobaltem 60 umieszcza go się w bardzo grubej osłonie.
Promieniowanie g kobaltu 60 lub irydu 192 służy też tzw. defektoskopii gamma. Zasada działania jest analogiczna jak defektoskopii rentgenowskiej.
Podane tu przykłady nie wyczerpują oczywiście bardzo licznych, wzrastających z roku na rok, zastosowań radioizotopów.
Od czasów Marii Skłodowskiej - Curie i Gyórgy Hevesy\'ego uczeni, inżynierowie i technicy znajdują ciągle nowe możliwości wykorzystania promieniowania jonizującego w różnych dziedzinach działalności człowieka.
Nie sposób wymienić wszystkich zastosowań promieniowania jonizującego. Jest wykorzystywane w rolnictwie, konserwacji żywności, poszukiwaniu źródeł wody, diagnostyce i terapii medycznej, sterylizacji sprzętu medycznego, a także w wykrywaniu i usuwaniu zanieczyszczeń środowiska naturalnego.
Promieniowanie jonizujące wykorzystuje się również do zmiany struktury chemicznej materiałów, konstruowania niezwykle czułych detektorów (czujek) dymu, a także badania skażenia rzek, zbiorników wodnych i wód gruntowych
Techniki jądrowe (izotopowe) znalazły zastosowanie w górnictwie, geologii, archeologii. Pozwalają one m.in. precyzyjnie określić wiek badanych skał czy minerałów, a także wiek szczątków żywych organizmów.
Promieniowanie i techniki jądrowe stosuje się szczególnie szeroko w przemyśle. Nie można sobie wyobrazić nowoczesnej produkcji przemysłowej bez izotopowych mierników grubości, defektoskopów, analizatorów składu substancji, poziomomierzy, gęstościomierzy itp. Funkcjonowanie nowoczesnej gospodarki bez udziału technik jądrowych byłoby niemożliwe.