Promieniotwórczość - to zjawisko samorzutnego rozpadu jąder połączone z emisją cząstek alfa, cząstek beta, promieniowania gamma.

Promieniotwórczość pierwotnie zwana radioaktywnością. Wiążemy ją przede wszystkim z Polką - odkrywczynią tego zjawiska - Marią Curie-Skłodowską. Małżonkowie Curie dostali nagrodę Nobla za odkrycie radu. Pierwiastka od którego zaczęto ponownie uzupełniać układ okresowy, który dał chemii nowy dział.

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ NATURALNA - wysyłanie promieniowań alfa a, beta β, gamma γ przez izotopy, które występują w przyrodzie. Pierwiastki promieniotwórcze stanowią źródło tzw. naturalnego tła promieniotwórczego. Obejmują one pierwiastki, o czasie połowicznego rozpadu  porównywalnym z czasem życia Ziemi. Do najważniejszych można zaliczyć izotopy uranu U i toru T o czasach połowicznego zaniku rzędu 108-1010 lat, które tworzą naturalne szeregi promieniotwórcze oraz izotop potasu 40K. Pierwiastki promieniotwórcze, których atomy samorzutnie rozpadają się emitując przy tym cząstki lub promienie, nazywamy promieniotwórczymi. Każdy pierwiastek promieniotwórczy staje się po rozpadzie innym pierwiastkiem, który często z kolei rozpada się dalej.

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ SZTUCZNA - wysyłanie promieniowań alfa a, beta β, gamma γ przez izotopy, które zostały otrzymane na drodze sztucznej. Otrzymać sztucznie pierwiastki można na różnych drogach. Pierwszej takiej  sztucznej przemiany dokonał Rutherford w roku 1919, kiedy to  poddał gazowy azot pod działanie strumienia cząstek alfa a, przez co uzyskał tlen i wodór.

Krótko ¹⁴N (a, p) ¹⁷O ( w nawiasie zapisujemy symbol cząstek bombardujących jądro i po przecinku cząstki symbol cząstki wybitej). W 1934 roku F. i I. Curie wywnioskowali, że pod wpływem bombardowania cząstkami a powstaje izotop promieniotwórczy, który można również otrzymać bombardując tarczę z materiału, który ulega przemianie, przy pomocy strumienia naładowanych cząstek, które są  przyspieszane wysokim napięciem elektrycznym, innym sposobem jest także  działanie neutronami na materiał nieaktywny przy zastosowaniu źródła neutronów, lub też poprzez umieszczenie próbki w kanałach  reaktorze jądrowym. Dla odróżnienia promieniotwórczości sztucznej od naturalnej podaje się sposób otrzymywania substancji promieniotwórczej, jako że część izotopów promieniotwórczych występujących w skorupie ziemskiej można dodatkowo uzyskać sztucznie.

Izotopy - odmiany pierwiastka chemicznego różniące się liczbą neutronów w jądrze atomu (z definicji atomy tego samego pierwiastka mają tę samą liczbę protonów w jądrze). Izotopy tego samego pierwiastka różnią się liczbą masową (łączną liczbą neutronów i protonów w jądrze), ale mają tę samą liczbę atomową (liczbę protonów w jądrze).

Izotopy tego samego pierwiastka na ogół mają zbliżone własności fizyczne i chemiczne. Jednak im większa jest różnica mas atomowych izotopów, tym większe mogą być różnice ich własności fizycznych lub chemicznych. Izotopy danego pierwiastka mogą mieć inną gęstość, temperaturę wrzenia, topnienia i sublimacji. Różnice te występują także w związkach chemicznych tworzonych przez te izotopy.

Różnice mas atomowych izotopów powodują występowanie niewielkich różnic w reaktywności izotopów. Nie ma ona wpływu na kierunek reakcji chemicznych, w których one uczestniczą, ale wpływa na szybkość przebiegu tych reakcji. Zjawisko to nazywa się efektem izotopowym i wykorzystuje się w badaniu mechanizmów reakcji chemicznych. Te niewielkie różnice w szybkości reakcji wywołują zmiany w składzie izotopowym związków chemicznych powstających w różnych reakcjach (zjawisko to wykorzystywane jest np. do rozróżniania, czy węgiel zawarty w danym związku chemicznym brał udział w reakcji fotosyntezy).

Izotopy dzielą się na:

• trwałe (nie ulegają samorzutnej przemianie na izotopy tego samego lub innych pierwiastków),

• nietrwałe, zwane izotopami promieniotwórczymi (ulegają samorzutnej przemianie na inne izotopy, zazwyczaj innego pierwiastka).

Pierwiastki występują naturalnie zwykle jako mieszanina izotopów. Jest to główna przyczyna, dla której masy atomowe pierwiastków nie są liczbami całkowitymi (zob. też deficyt masy).

Izotopy nie mają oddzielnych nazw, z wyjątkiem izotopów wodoru. Oznacza się je symbolem pierwiastka chemicznego z liczbą masową u góry po lewej stronie, np. ²⁰⁸Pb.

Pierwiastki mogą mieć po kilka, a nawet kilkanaście izotopów. Przykładowo wodór ma trzy izotopy:

• prot: ¹H - ma jeden proton i nie ma neutronów; trwały,

• deuter: ²H (D) - ma jeden proton i jeden neutron; trwały,

• tryt: ³H (T) - ma jeden proton i dwa neutrony; nietrwały.

Czas połowicznego rozpadu (zaniku) (okres połowicznego rozpadu) jest to czas, w ciągu którego liczba nietrwałych obiektów lub stanów zmniejsza się o połowę. Czas ten, oznaczany symbolem T_1/2, zgodnie z definicją musi spełniać zależność

gdzie

N(t) - liczba obiektów pozostałych po czasie t,

N₀ - początkowa liczba obiektów.

Pierwotnie czas ten dotyczył nietrwałych jąder atomowych pierwiastków (promieniotwórczych). W tym przypadku po czasie połowicznego rozpadu aktywność promieniotwórcza próbki zmniejsza się również o połowę. Okres połowicznego rozpadu dotyczy również nietrwałych cząstek. Może być wyznaczony z wykładniczego charakteru rozpadu, który w przypadku izotopów promieniotwórczych nosi nazwę prawa rozpadu naturalnego.

Promieniowanie alfa to rodzaj promieniowania jonizującego cechującego się małą przenikalnością. Promieniowanie alfa jest to strumień jąder helu.

Cząstka alfa (helion) składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Ma ładunek dodatni i jest identyczna z jądrem atomu izotopu ⁴He, więc często oznacza się ją jako He²⁺. Nazwa pochodzi od greckiej litery α.

Cząstki alfa są wytwarzane przez jądra pierwiastków promieniotwórczych, jak uran (pierwiastek) i rad (pierwiastek). Proces ten określa się jako rozpad alfa. Przykładowa reakcja rozpadu alfa:

Jądro, które wyemituje cząstkę alfa pozostaje zwykle w stanie wzbudzonym, co wiąże się z dodatkową emisją kwantu gamma. W rozpadzie alfa udział biorą oddziaływania silne.

Promieniowanie alfa jest bardzo silnie pochłaniane. Nawet kilka centymetrów powietrza stanowi całkowitą osłonę przed tym promieniowaniem. Podobnie kartka papieru, albo naskórek pochłania całkowicie promienie alfa. Jednak w przypadku pokarmów lub wdychanego powietrza promieniowanie alfa może być zabójcze. Kiedy już radioaktywny materiał znajdzie się w ciele człowieka wytwarzane przez niego cząstki alfa bardzo silnie jonizują tkanki. Prowadzi to do poważnych uszkodzeń i choroby popromiennej.

Większość detektorów dymu zawiera niewielkie ilości wytwarzającego promieniowanie alfa izotopu promieniotwórczego ²⁴¹Am. Jest to bardzo toksyczny materiał, jeżeli zostanie wchłonięty z powietrzem. Jednak w zamknięciu nie stanowi żadnego zagrożenia. Osoba, która zetknęła się z materiałem wytwarzającym promieniowanie alfa, powinna poddać się dekontaminacji.

Prędkość cząstek wynosi około 90 000 km/s, masa spoczynkowa: 4u, a ładunek elektryczny cząstek wynosi +2.

Absorpcja promieniowania alfa - pochłanianie promieniowanie alfa przez substancję przez którą przechodzi promieniowanie. Absorpcja zachodzi wskutek wzbudzania i jonizacji atomów napromieniowywanego ciała. Zachodzi głównie przez oddziaływanie kulombowskie między cząstkami α a elektronami substancji przenikanej. Rzadziej, przez reakcje jądrowe i rozpraszanie na jądrach atomowych. Podczas absorpcji, z uwagi na dużą masę cząstki α, jej tor pozostaje praktycznie niezmieniony. Stratę energii na jednostkę długości przez cząstkę α (zdolność hamowania materiału) określa proporcja:

.

Gdy cząstka α utraci całą swoją energię kinetyczną, zwykle przyłącza do siebie dwa elektrony i staje się atomem helu.

Promieniowanie beta (promieniowanie β) - to jeden z rodzajów promieniowania jonizującego wysyłanego przez promieniotwórcze jądra atomowe podczas przemiany jądrowej.

Promieniowanie beta powstaje podczas rozpadu beta, jest strumieniem elektronów lub pozytonów poruszających się z prędkością zbliżoną do prędkości światła. Zostaje ono silnie pochłaniane przez materię, przez którą przechodzi. Promieniowanie to jest zatrzymywane już przez miedzianą blachę.

Ładunek elektryczny cząstki jest równy -1, masa spoczynkowa jest równa masie elektronu, czyli 1/1840u.

Przykład przemiany, w której następuje emisja promieniowania beta:

Absorpcja promieniowania beta - proces pochłaniania promieniowania β, czyli strumienia elektronów lub pozytonów, przez napromieniowywaną substancję. Jest skutkiem oddziaływania promieniowania beta z materią: wzbudzania i jonizacji atomów, oddziaływania kulombowskiego z elektronami substancji, emisji promieniowania hamowania. Straty energii cząstek beta dzielimy zwykle na cześć kolizyjną (c, straconą w wyniku zderzeń) i radiacyjną (r, wypromieniowaną):

,
,

gdzie: W - energia potrzebna na wytworzenie pary jonów, I - liczba wytworzonych par jonów, Z - liczba atomowa pochłaniającej substancji, E - energia cząstki β, N - gęstość atomów substancji pochłaniającej.

Ze względu na małą masę elektronów i pozytonów, podczas absorpcji tracą one nie tylko energię, ale także zmienia się ich tor ruchu. Oznacza to, że wiązka równoległych cząstek beta po wniknięciu w substancję ulega znacznemu rozproszeniu, a każda z cząstek ma inny tor, często o bardzo różnej długości.

Należy także zaznaczyć, że tor antyelektronów (tzn. pozytonów) w normalnej substancji będzie zawsze dłuższy od toru elektronu. Jest to spowodowane jednoimiennością ładunków antyelektronu i jądra atomowego - odpychają się one powodując mniejszą utratę energii kinetycznej przez antyelektron. Pochłanianie antyelektronu w normalnej materii kończy się jego anihilacją przy zetknięciu z elektronem.

Rozpad beta to przemiana nukleonu w inny nukleon, zachodząca pod wpływem oddziaływania słabego. Wyróżniamy dwa rodzaje tego rozpadu: rozpad β ⁻ (beta minus) oraz rozpad β ⁺ (beta plus).

Rozpad β ⁻ polega na przemianie neutronu w proton poprzez emisję bozonu pośredniczącego W ⁻ przez jeden z kwarków d neutronu. W ⁻ rozpada się następnie na elektron i antyneutrino elektronowe według schematu:

Rozpadowi beta minus towarzyszy emisja promieniowania beta (elektronów), promieniowania gamma i antyneutrin elektronowych.

Rozpad β ⁺ polega na przemianie protonu w neutron, jednak aby reakcja ta mogła zaistnieć, konieczne jest dostarczenie energii z zewnątrz. Proton przemienia się w neutron poprzez emisję bozonu W ⁺ , który rozpada się na pozyton oraz neutrino elektronowe według równania:

Rozpad β ⁻ występuje częściej, ponieważ jest to przemiana cięższego neutronu w lżejszy proton. Może on więc zajść w próżni, w przeciwieństwie do rozpadu β ⁺ , który zachodzi tylko wewnątrz materii jądrowej.

W 1935 roku Maria Goeppert-Mayer przewidziała istnienie procesu podwójnego rozpadu beta, a 1939 roku Wendell H. Furry zaproponował istnienie podwójnego rozpadu beta bez emisji neutrin (tzw. podwójny bezneutrinowy rozpad beta)

Promieniowanie gamma - wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego. Za promieniowanie gamma uznaje się promieniowanie o energii kwantu większej od 10 keV, co odpowiada częstotliwości większej od 2,42 EHz, a długości fali mniejszej od 124 pm. Zakres ten częściowo pokrywa się z zakresem promieniowania rentgenowskiego. W wielu publikacjach rozróżnienie promieniowania gamma oraz promieniowania X opiera się na ich źródłach, a nie na długości fali. Promieniowanie gamma wytwarzane jest w wyniku przemian jądrowych albo zderzeń jąder lub cząstek subatomowych, a promieniowanie rentgenowskie, w wyniku zderzeń elektronów z atomami. Promieniowanie gamma jest promieniowaniem jonizującym i przenikliwym. Nazwa promieniowania gamma pochodzi od greckiej litery γ.

Źródła promieniowania gamma

• Reakcja jądrowa - jądra atomowe izotopów promieniotwórczych po rozpadzie znajdują się w stanie wzbudzonym. Powrót do stanu podstawowego, o niższej energii, powoduje emisję fotonu gamma.

• Nukleosynteza - dwa jądra atomowe zderzają się, tworząc nowe jądro w stanie wzbudzonym. Jego przejściu do stanu podstawowego może towarzyszyć emisja jednego lub wielu kwantów gamma.

• Anihilacja - zderzenie cząstki i antycząstki, np. elektronu i pozytonu, powoduje zniknięcie obu tych cząstek i emisję co najmniej dwóch fotonów gamma

Oddziaływanie z materią

Promieniowanie gamma przechodząc przez materię ulega pochłanianiu (wielkość pochłaniania zależy od energii promieniowania). Za pochłanianie promieniowania gamma odpowiadają następujące zjawiska:

1. wewnętrzny efekt fotoelektryczny (Photo) w wyniku którego promieniowanie gamma oddaje energię elektronom odrywając je od atomów lub przenosząc na wyższe poziomy energetyczne,

2. rozpraszanie komptonowskie (Compton) słabo związane lub swobodne elektrony doznają przyspieszenia w kierunku rozchodzenia się promieniowania. W pojedynczym akcie oddziaływania następuje niewielka zmiana energii kwantu gamma. W wyniku oddziaływania z wieloma elektronami kwant gamma wytraca swą energię. Jest to najważniejszy sposób oddawania energii przez promieniowanie gamma.

3. kreacja par elektron-pozyton (Pair), kwant gamma uderzając o jądro atomowe powoduje powstanie par cząstka-antycząstka (warunkiem zajścia zjawiska jest energia kwantu gamma > 1,02 MeV - dwukrotnej wartości masy spoczynkowej elektronu),

4. reakcje fotojądrowe - niezwykle rzadkie, występuje przy odpowiednio dużej energii promieniowania (E_γ>18,6 MeV). W tym oddziaływaniu promieniowanie gamma oddaje energię jądrom atomowym wzbudzając je. Wzbudzone jądro atomowe może wypromieniować kwant gamma, ulec rozpadowi lub rozszczepieniu.

W wybuchu jądrowym

Podczas wybuchu jądrowego bomby atomowej około 5% energii wybuchu zamienia się na promieniowanie jonizujące w tym i na promieniowanie gamma. Skutki oddziaływania promieniowania gamma powstałego podczas wybuchu są mniejsze niż efekty wywołane falą uderzeniową i promieniowaniem cieplnym. Większym problemem jest skażenie promieniotwórcze, powstaje opad radioaktywny, który wprowadza promieniotwórcze substancje do wody i żywności. Promieniowanie gamma powstające podczas rozpadu pochłoniętych przez istoty żywe izotopów promieniotwórczych niemalże w całości jest pochłaniane przez organizm powoduje wzrost dawki promieniowania. W związku z tym miejsce eksplozji jest skażone i przez długi czas nie nadaje się do życia. Szacuje się, że w Hiroszimie liczba osób, które umarły w wyniku napromieniowania, jest porównywalna z liczbą osób jakie zmarły w wyniku wybuchu.

Grubość warstwy materiału redukującej natężenie promieniowania gamma o połowę
Materiał	Grubość mm
		Energia 662 keV	Energia 284 keV
Ołów	63,5	35,6
Stal	172,7	94,0
Beton	533,4	355,6

Zastosowania

Promienie gamma mogą służyć do sterylizacji sprzętu medycznego, jak również produktów spożywczych. W medycynie używa się ich w radioterapii (tzw. bomba kobaltowa) do leczenia raka, oraz w diagnostyce np. pozytonowa emisyjna tomografia komputerowa. Ponadto promieniowanie gamma ma zastosowanie w przemyśle oraz nauce, np. pomiar grubości gorących blach stalowych, pomiar grubości papieru, wysokości ciekłego szkła w wannach hutniczych, w geologii otworowej (poszukiwania ropy i gazu ziemnego), w badaniach procesów przemysłowych (np. przepływu mieszanin wielofazowych, przeróbki rudy miedzi).

Zastosowania izotopów radioaktywnych w medycynie

Zastosowania izotopów radioaktywnych w medycynie - diagnostyka izotopowa:

• In vivo (Scyntygrafia, PET, SPECT)

• In vitro (Radioimmunoassay)

• Terapia (Radioterapia, Radioimmunoterapia)

Wyróżnia się stosowane w medycynie:

• izotop 131

Radioaktywność (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).

Szczególnym rodzajem promieniotwórczości jest rozszczepienie jądra atomowego, podczas którego radioaktywne jądro rozpada się na dwa fragmenty oraz emituje liczne cząstki, między innymi neutrony, które mogą indukować kolejne rozszczepienia. Zjawisko takiej reakcji łańcuchowej jest wykorzystane w elektrowniach jądrowych oraz w bombach jądrowych.

Promieniowanie towarzyszące przemianom jądrowym (zarówno elektromagnetyczne jak i w postaci strumienia cząstek) przechodząc przez substancję ośrodka powoduje jonizację (wybijanie elektronów z atomów). Promieniowanie to, po przekroczeniu pewnego poziomu, ma szkodliwy wpływ na organizm ludzki. Pochłonięcie jego dużej dawki może spowodować chorobę popromienną.

Źródłami radioaktywności są niestabilne izotopy pierwiastków, zarówno występujących w naturze, jak i wytworzonych przez człowieka. Do najbardziej znaczących należą:

• ³H, wytwarzany m.in. w wyniku eksperymentów termojądrowych, a także w wyniku reakcji jądrowych zachodzących w atmosferze

• ¹⁴C, stale produkowany przez promieniowanie kosmiczne w górnych warstwach atmosfery, obecny we wszystkich organizmach żywych, w tym w ciele człowieka

• ⁴⁰K, obecny m.in. w minerałach i kościach, stanowiący 0,0117% całej zawartości potasu

• Rn, krótko żyjący element tzw. szeregów promieniotwórczych; jest gazem, więc może uwalniać się z miejsca powstania, np. z gleby, materiałów budowlanych itp.; największe znaczenie ma ²²²Rn, pochodzący z szeregu ²³⁸U, jego okres połowicznego zaniku wynosi 3,8 dnia

• Ra, także pierwiastek występujący w szeregach promieniotwórczych; największe znaczenie ma izotop ²²⁶Ra z szeregu ²³⁸U, którego okres połowicznego zaniku wynosi 1620 lat

• ²³²Th, długo żyjący izotop obecny w niektórych minerałach i w glebie

• U, występujący w minerałach i w glebie; największe znaczenie mają: ²³⁸U, mniej obfity izotop ²³⁵U oraz sztucznie uzyskany ²³³U - dzięki podatności na rozszczepienie są wykorzystywane w reaktorach i bombach jądrowych

• Pu, uzyskiwany sztucznie z uranu; izotop ²³⁹Pu, także podatny na rozszczepienie, stosowany jest podobnie jak uran.

Radioaktywność tych i wielu innych izotopów ma zastosowania w medycynie (diagnostyka, terapia nowotworów), archeologii i geologii (datowanie izotopowe), technice oraz badaniach naukowych.

Jednostką radioaktywności w układzie SI jest bekerel (Bq), 1 Bq = 1 rozpad na sekundę. Dawniej używaną, obecnie nie zalecaną jednostką był kiur (Ci), 1 Ci = 3,7
10¹⁰ Bq.

Promieniowanie jonizujące - wszystkie rodzaje promieniowania, które wywołują jonizację ośrodka materialnego, tj. oderwanie przynajmniej jednego elektronu od atomu lub cząsteczki albo wybicie go ze struktury krystalicznej. Za promieniowanie elektromagnetyczne jonizujące uznaje się promieniowanie, którego fotony mają energię większą od energii fotonów światła widzialnego.

Promieniowanie może jonizować materię dwojako: bezpośrednio lub pośrednio.

Promieniowanie jonizujące bezpośrednio to obiekty posiadające ładunek elektryczny - jonizują głównie przez oddziaływanie kulombowskie. Najważniejsze przykłady: promieniowanie alfa (α, jądra helu; ładunek elektryczny +2e), promieniowanie beta (β^-, β⁺, elektron i antyelektron, ładunek elektryczny -e, +e, odpowiednio).

Promieniowanie jonizujące pośrednio to promieniowanie składające się z obiektów nieposiadających ładunku elektrycznego. Jonizuje ono materię poprzez oddziaływania inne niż kulombowskie (np. rozpraszanie komptonowskie, efekt fotoelektryczny, kreację par elektron - pozyton). Najważniejsze przykłady: promieniowanie neutronowe (n), promieniowanie elektromagnetyczne (promieniowanie rentgenowskie (X), promieniowanie gamma (γ); o energiach wyższych od energii promieniowania ultrafioletowego).

Promieniowanie jonizujące, ze względu na jego destrukcyjne oddziaływanie z żywą materią, jest przedmiotem zainteresowania radiologii - w celu ochrony przed nim (ochrona radiologiczna), w celach leczniczych i diagnostycznych (radioterapia, medycyna nuklearna).

Substancje emitujące promieniowanie jonizujące nazywamy promieniotwórczymi.

Względną szkodliwość biologiczną danego rodzaju promieniowania jonizującego opisuje bezwymiarowa wielkość zwana współczynnikiem wagowym promieniowania w_R, przeliczająca dawkę pochłoniętą w grejach (J/kg) na dawkę równoważną w siwertach (ICRP 60). Dawniej do tego celu stosowany był współczynnik jakości promieniowania Q (ang. Quality Factor, QF, ICRP 26), przy czym różnice między tymi wielkościami (w_R i Q) nie polegają wyłącznie na różnych wartościach przypisanych różnym rodzajom promieniowania.

Promieniowanie jonizujące można wykrywać jedynie metodami pośrednimi. Detektory promieniowania jonizującego rejestrują zmianę energii promieniowania na formę mierzalną (reakcje chemiczne, światło, prąd elektryczny, ciepło).

Promieniowanie jonizujące jest stale obecne w środowisku człowieka, zawsze i wszędzie. Jest to spowodowane głównie wszechobecnością radioizotopów różnych pierwiastków w przyrodzie oraz promieniowaniem kosmicznym. Jest wysoce prawdopodobne, że naturalne promieniowanie jonizujące środowiska jest głównym sprawcą mutacji w genach organizmów żywych, czyli jednym z czynników ewolucyjnych, którym zawdzięczamy faunę i florę taką, jaką znamy.

Statystyczna roczna dawka promieniowania naturalnego wynosi 2,4 mSv (wg. UNSCEAR, 1988).

---