PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ

Jądra niektórych atomów są nietrwałe i podlegają przemianie w formy bardziej trwałe

ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY: samorzutny rozpad wzbudzonych jąder atomowych pewnych pierwiastków z równoczesną emisją cząstek: α, β, fotonów γ

EMISJA CZĄSTKI β, czyli ELEKTRONU z JĄDRA

• ładunek jądra zwiększa się o jednostkę, czyli liczba atomowa zwiększa się o 1;

• liczba masowa nie zmienia się;

PRZYKŁAD PRZEMIANY β (jeden z trzech typów):

³₁H, tryt, jeden z izotopów wodoru:

• zawiera w jądrze 1 proton i 2 neutrony;

• NEUTRON (PROTON + ELEKTRON); przemiana zachodzi w jądrze i elektron jest natychmiast emitowany z jądra; powstaje izotop He

EMISJA CZĄSTKI α (jon He²⁺)

• ładunek tego jądra zmniejsza się o dwie jednostki; dany pierwiastek ulega przemianie w pierwiastek o liczbie atomowej mniejszej o 2 (położony o dwie kolumny w lewo w tablicy układu okresowego)

• liczba masowa (masa atomowa) zmniejsza się o 4, tj. o masę cząstki α

EMISJA PROMIENIOWANIA γ

• są to kwanty promieniowania elektromagnetycznego o małej długości fali i bardzo dużej energii (1-4 MeV);

• emisja fotonu γ towarzyszy przejściu pierwiastka promieniotwórczego ze stanu wzbudzonego do stanu o niższej energii (mniej wzbudzonego lub podstawowego); w większości przypadków przemiana γ towarzyszy rozpadowi α lub β; jest wynikiem reakcji zachodzącej w jądrze atomu

• nie powoduje ani zmiany liczby atomowej, ani masy atomowej

PRAWO ROZPADU PROMIENIOTWÓRCZEGO: liczba jąder rozpadających się w jednostce czasu jest proporcjonalna do liczby jąder, które jeszcze nie uległy rozpadowi

Dane jądro (nuklid) charakteryzuje:

- stała rozpadu promieniotwórczego λ; określa prawdopodobieństwo rozpadu danego jądra promieniotwórczego; jest charakterystyczną wielkością danego jądra

- T = okres połowicznego rozpadu; czas, w którym ulegnie rozpadowi połowa początkowej (N₀) liczby nietrwałych jąder (N)

N = N₀e^-λt

N₀ - liczba nietrwałych atomów w czasie t=0

T = 0,693/ λ

Każdy pierwiastek promieniotwórczy ma charakterystyczny czas rozpadu; czasy te są bardzo różne; zakres minuty - tysiące lat

Jednostki promieniotwórczości:

• jeden curie (1Ci) dowolnej substancji promieniotwórczej jest to taka jej ilość, w której w ciągu 1 sekundy ulega rozpadowi 3,7 x 10¹⁰ atomów; jest to raczej duża jednostka, odpowiada 1 gramowi radu

• w układzie SJ, jednostką promieniotwórczości jest bekerel (Bq); 1Ci = 3,7x 10¹⁰ Bq

SI = SYSTEME INTERNATIONALE, (międzynarodowy układ jednostek)

CHEMIA JĄDROWA:

nauka zajmująca się rekcjami, które obejmują przemiany w jądrach atomowych

Trwałość jąder atomowych jest skutkiem specyficznych jądrowych sił przyciągania między nukleonami (nukleony: protony i neutrony)

• siły te znacznie przewyższają siły elektrostatycznego odpychania między protonami

• są to siły bliskiego zasięgu, działają na odległości porównywalne z promieniem nukleonu, czyli rzędu 10^-15 m

• energia wiązania w jądrze (E_n) przypadająca na 1 nukleon wynosi 7 MeV = 10^-12 J - dla jąder lekkich;

(wiązanie kowalencyjne: energia rzędu 10^-19 J; zasięg 10^-10m)

• trwałość jąder atomowych zależy od liczby nukleonów (oraz od stosunku liczb neutronów (N) i protonów (Z): N/Z

- najtrwalsze są jadra o liczbie nukleonów, A, między 25-150

- o parzystych liczbach N i Z,

- te, w których jest tyle samo protonów, co neutronów

• jądra o liczbie masowej A >210 (od polonu włącznie) rozpadają się - są promieniotwórcze

ODKRYCIE PROMIENI RENTGENOWSKICH I PROMIENIOTWÓRCZOŚCI nastąpiło prawie w tym samym czasie

Odkrycie promieniowania X:

• Roentgen (Niemcy; 1895) - podczas przepuszczania prądu elektrycznego przez rurę szklaną, w której panuje próżnia; w miejscu, w którym elektrony uderzają o szkło powstają promienie (X), które mogą przenikać materię nieprzenikliwą dla zwyczajnego światła; mogą powodować wywołanie kliszy fotograficznej;

• w ciągu kilku tygodni po ogłoszeniu tego odkrycia promienie rentgenowskie zastosowano w medycynie do prześwietleń kości i innych narządów

Odkrycie promieniotwórczości:

• Becquerel (fizyk francuski; 1896) - badał minerały zawierające uran

• Maria Skłodowska - Curie (1867-1934): szczegółowe badanie „promieni Becquerela” wykazało znacznie większą aktywność naturalnej rudy uranu niż czystego tlenku uranu

• Maria i Piotr Curie (1859-1906) rozdzielenie smółki uranowej: polon - 400razy aktywniejszy

• wyodrębnienie pierwszych pierwiastków promieniotwórczych ze smółki uranowej pierwiastek polon, 400 razy aktywniejszy od uranu; w tym samym roku w raz z mężem wyodrębnili drugi pierwiastek, rad, o promieniotwórczości 3 000 000 razy większej niż uran (1896)

DOŚWIADCZENIE RUTHEFORDA (1899)

• Naturalne substancje promieniotwórcze wysyłają promienie trzech rodzajów, działające na płytę fotograficzną, ulegające działaniu pola magnetycznego w różny sposób

• promieniowanie uranu składa się z promieniowania dwóch różnych typów; nazwał je promieniowaniem α i promieniowaniem β; wkrótce to tym Villard odkrył trzeci typ, promieniowanie γ

• ROZPAD α: z jadra wyrzucane są jądra helu (⁴₂ He²⁺ = α); (ładunki dodatnie) energia kinetyczna emitowanych jąder wynosi 2-9 MeV

• ROZPAD β: z jądra wyrzucany jest elektron (ładunek ujemny)

• PROMIENIE γ: stanowią formę energii promieniowania, podobną do światła widzialnego; są identyczne z promieniami X, wytwarzanymi pod bardzo wysokim napięciem;

UWAGA:

promienie γ są emitowane przez jądro; towarzyszą reakcjom jądrowym

promienie X: są emitowane jako wynik reakcji elektronów z powłok atomowych

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ NATURALNA

• w przyrodzie stwierdzono występowanie około 272 jąder trwałych i 55 nietrwałych, promieniotwórczych;

• przeważająca część nuklidów promieniotwórczych występujących w przyrodzie tworzy cztery szeregi promieniotwórcze:

uranowo-radowy;

uranowo-aktynowy

torowy

neptunowy

• poza tym w skorupie ziemskiej istnieje kilkanaście pierwiastków promieniotwórczych; najczęściej występują ⁴⁰₁₉K i ⁸⁷₃₇Rb

REAKCJE JĄDROWE SZEREGU URANOWO -RADOWEGO

URAN, główny izotop uranu - ²³⁸U, stanowi 99,28% naturalnego pierwiastka; Okres półtrwania 4,5 miliarda lat (4.5 10⁹ lat)

rozpad:

• ²³⁸U (wydzielenie cząstki α) ²³⁴Th

• (emisja cząstki β) ²³⁴Pa ²³⁴U

• (pięć kolejnych emisji cząstek α) ²¹⁴Pb ²⁰⁶Pb -trwały izotop ołowiu

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ SZTUCZNA

(odkryła Irena Joliot- Curie, 1934);

w warunkach laboratoryjnych otrzymano około 1000 nuklidów promieniotwórczych

• przemianę atomów trwałych w atomy promieniotwórcze można spowodować przez bombardowanie cząstkami poruszającymi się z dużymi prędkościami;

• REAKCJA JĄDROWA: proces oddziaływania jądra z cząstką jądrową (α, β, γ, proton, neutron) albo z innym jądrem, w której dochodzi do przekształcenia w jądro innego pierwiastka lub następuje jego rozpad na dwa fragmenty

• pierwsza reakcja jądrowa (Rutherford 1919rok, Cambridge):

¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁H

szybkimi cząstkami były cząstki α z ²¹⁴Bi (zwanego radem C); powstałe pierwiastki nie są promieniotwórcze

MECHANIZM ROZPADU JĄDRA

• na lżejsze mogą rozpadać się tylko jądra wzbudzone, czyli bombardowane cząstkami o odpowiedniej energii; w reaktorach jądrowych stosuje się neutrony

• po przeniknięciu cząstki bombardującej do jądra powstaje silnie wzbudzone jadro, nietrwałe (przeciętny czas życia 10^-15 - 10^-14 sekundy)

• po tym czasie wzbudzone jądro ulega rozpadowi:

- na dwie części lub

- zostaje wyrzucona cząstka: α, proton, neutron lub foton γ i powstaje jądro końcowe

• jeżeli nowe jądro znajduje się w stanie wzbudzonym, jest jądrem promieniotwórczym;

ZASTOSOWANIE:

• znaczenie medyczne: leczenie raka - komórki nowotworowe są bardziej wrażliwe na działanie radu niż komórki normalne; w latach 1950 zastosowano zamiast radu sztuczny izotop promieniotwórczy, 60Co - kobalt

• zastosowanie izotopów promieniotwórczych jako wskaźników (związki znakowane) w badaniach podstawowych (chemia, fizyka, biologia, biochemia, mikrobiologia) i w medycynie (diagnostyka); stosuje się najczęściej związki zawierające izotopy: ²H, ³H, ¹⁴C

• źródło energii: kontrolowane uwalniane energii jądrowej:

Energia wydziela się w dwóch typach przemian jądrowych:

• rozszczepiania ciężkich jąder

np.: przy rozszczepieniu jądra uranu ²³⁵₉₂U uwalnia się około 200MeV (w reakcjach chemicznych uwalnia się 2.10⁸ razy mniej);

• syntezy lekkich jąder w jedno cięższe - reakcje termojądrowe

np.: 2 ²₁H → ⁴₂ He + (24 MeV);

zachodzi w temperaturze 77.10⁶ K; (źródło energii słonecznej)

• reakcje termojądrowe zachodzą we wnętrzu Słońca i gwiazd; na Ziemi reakcje termojądrowe przeprowadzono w formie niekontrolowanej podczas wybuchów bomb wodorowych;

• ustalanie wieku Ziemi: pomiary wykonane na skałach zawierających pierwiastki promieniotwórcze pozwalają na oznaczenie wieku tych skał, a więc wieku Ziemi (czasu jaki upłynął od chwili utworzenia najstarszych skał

Np. ²³⁸U → 8x ⁴He + 1x ²⁰⁶Pb

²³⁸U okres półtrwania 4,5.10⁹ lat;

po upływie tego czasu z 1g

pozostało: 0,5000 g ²³⁸U,

powstało: 0,0674 g helu i

0,4326 g ²⁰⁶Pb

takim proporcjom odpowiada wiek skały (Ziemi) 4,5.10⁹ lat

Inne nuklidy wykorzystywane w tym celu: ²³⁵U/²⁰⁷ Pb, ²³²Th/²⁰⁸Pb, ⁴⁰K/⁴⁰Ar, ⁸⁷Rb/⁸⁷Sr

wiek skorupy ziemskiej i innych części układu słonecznego na 4,6.10⁹

wiek skał znalezionych w Finlandii, Kanadzie i Afryce, skał księżycowych i meteorytów określono na 4,6.10⁹ lat;

USTALANIE WIEKU MATERIAŁÓW NA PODSTAWIE AKTYWNOŚCI PROMIENIOTWÓRCZEJ IZOTOPU ¹⁴C

(datowanie można stosować do 50 000 lat wstecz z dokładnością do 200 lat)

izotop węgla powstaje w reakcji:

¹⁴₇N + ¹₀neutron → ¹⁴₆C + ¹₁H

Okres półtrwania około 5 000 lat; emituje promieniowanie β (elektron)

Metodą datowania węglem ustalono wiek kilku tysięcy obiektów; np.:

• ostatnie zlodowacenie na półkuli północnej - 11 400 + 700 lat temu (próbki drewna z zasypanego ziemią lasu w stanie Wisconsin)

• materiały organiczne, które osadziły się podczas ostatniego zlodowacenia w Europie - 10 000 + 1 200 lat

• śladów siedzib ludzkich starszych niż 30 000 lat nie znaleziono

• malowidła jaskini w Lascaux - 15 516 + 900 lat (węgiel drzewny z ognisk)

• lniany pokrowiec księgi Izajasza, ze zwojów znad Morza Martwego - 1917 + 200 lat

ZASADA OZNACZANIA

izotop węgla ¹⁴C, tworzy się ze stałą szybkością w wyższych warstwach atmosfery

neutrony z promieniowania kosmicznego powodują przemianę azotu w izotop ¹⁴C

węgiel radioaktywny utlenia się do CO₂, który ulega równomiernemu wymieszaniu ze zwykłym nieradioaktywnym ¹²CO₂ ; w stanie równowagi stosunek ¹⁴C : ¹²C = 1: 10¹²

rośliny asymilują tą mieszaninę CO_2, zawierającą 1/10¹² węgla promieniotwórczego i wiążą go w swoich tkankach; podobnie zwierzęta żywiące się roślinami w wiążą w tkankach węgiel zawierający 1/12 węgla promieniotwórczego

martwe substancje pochodzenia zwierzęcego lub roślinnego zawierają promieniotwórczy węgiel; okres półtrwania ¹⁴C wynosi 5760 lat; po upływie tego czasu zawartość izotopu jest o połowę mniejsza, a po 11520 latach pozostaje tylko ¼ początkowej radioaktywności;

przez oznaczenie radioaktywności węgla w próbce pobranej z drewna, tkaniny, węgla drzewnego, skóry, rogów i innych szczątków można określić czas jaki upłynął od chwili pobrania CO₂ z atmosfery;

określa się promieniowanie β i porównuje z aktywnością promieniowania β współczesnego węgla, która wynosi 15,3 rozpadów na minutę na gram

WPŁYW PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO NA ORGANIZM

• PROMIENIOWANIE BEZPOŚREDNIO JONIZUJĄCE - strumienie cząstek naładowanych: elektrony, protony, deuterony, cząstki α i inne

• PROMIENIOWANIE POŚREDNIO JONIZUJĄCE -rentgenowskie i gamma- strumienie cząstek tego promieniowania wytwarzają promieniowanie wtórne

• obie grupy promieniowań wywołują podobne skutki chemiczne i biologiczne

• powodują reakcje radiobiologiczne: oparzenia, wypadanie włosów, zaćmę, uszkodzenia układu krwiotwórczego i limfatycznego, astmę, skrócenie czasu życia, nowotwory, uszkodzenia informacji genetycznej

• poziom reakcji zależy od dawki pochłoniętej, obszaru ciała napromieniowanego, mocy dawki, rodzaju promieniowania, koncentracji tlenu, stanu fizjologicznego organizmu

Efekty radiobiologiczne występują na poziomie:

• molekularnym (DNA, białka i inne makrocząsteczki) uszkodzenie bezpośrednie lub produktami radiolizy wody ( wolne rodniki, nadtlenek wodoru)

• komórkowym (śmierć komórki, mutacje, zmiany nowotworowe, czasowe lub trwale upośledzenie niektórych funkcji)

• organizmu: zmiany somatyczne (zespół szpikowy, jelitowy, mózgowy) i genetyczne; ujawniają się w różnym czasie po napromieniowaniu

Dawki graniczne: zarządzenie prezesa Państwowej Agencji Atomistyki z 1988r

FALE I WIDMO ELEKTROMAGNETYCZNE

• promieniowanie elekromagnetyczne jest formą energii wywodzącą się z drgań pola magnetycznego i elektrycznego

• drgający periodyczne ładunek promieniuje falę elektromagnetyczną o tej samej częstości

• zdolność emitowania lub pochłaniania promieniowania jest integralną właściwością ciał stałych, cieczy i gazów i wiąże się ze zmianami stanu energetycznego atomów i cząstek

• fala elektromagnetyczna składa się z wzajemnie prostopadłych składowych pola elektrycznego i pola magnetycznego i rozprzestrzenia się w kierunku prostopadłym z prędkością c=3x10¹⁰ cm/sek (3x10⁸ m/sek)

• długość fali, λ = odległość miedzy kolejnymi drganiami znajdującymi się w tej samej fazie

• fala ( elektromagnetyczna, wodna, dźwiękowa) przebywa w ciągu jednej sekundy odległość równą odległości przebytej w ciągu jednego drgania λ i liczby drgań na sekundę (częstość ν)

• odległość przebyta w ciągu sekundy = prędkość fali c

c = λv

• WIDMO ELEKTROMAGNETYCZNE: klasyfikacja fal według ich częstości (v) (w przybliżeniu

10⁴ - 10¹² fale radiowe (pasmo nadawania, fale krótkie, pasma nadawania telewizji, mikrofale

10¹² - 10¹⁴ podczerwień

4.3x10¹⁴ - 7x10¹⁴ światło widzialne

10¹⁵ - 10¹⁷ nadfiolet

10¹⁸ - 10¹⁹ promienie X

10¹⁹ - promienie γ

PROMIENIOWANIE KOSMICZNE

cząstki o bardzo dużej energii, które dochodzą do Ziemi

• z przestrzeni miedzy gwiezdnej lub innych części Wszechświata

• są wytwarzane w atmosferze przez promieniowanie z przestrzeni okołoziemskiej

• składa się z znacznej części z: mezonów, pozytonów, elektronów i protonów wytwarzanych w reakcji szybkich protonów i innych jąder atomowych z jądrami atomów w atmosferze

• są to cząstki o energii rzędu 10¹⁵ - 10²⁰ eV; cząstki wytwarzane w akceleratorach 10⁶ - 10¹² eV

• badania promieniowania kosmicznego doprowadziły do wykrycia wielu cząstek elementarnych

15

---