• PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ

Promieniotwórczość to zjawisko samorzutnego rozpadu jąder połączone z emisją cząstek beta, cząstek alfa, promieniowania gamma. Na przemianę jądra nie mają wpływu czynniki zewnętrzne takie jak: temperatura, pole magnetyczne czy skupienie materiału promieniotwórczego.

Promieniotwórczość możemy podzielić na promieniotwórczość naturalną (towarzysząca przemianom jądrowym izotopów występujących w przyrodzie) i promieniotwórczość sztuczną (zachodzącą w jądrach atomów otrzymywanych sztucznie - poprzez bombardowanie jąder trwałych pierwiastków cząstkami alfa oraz beta).

Najkrócej i najprościej mówiąc promieniowanie jest to wysyłanie i przekazywanie energii na odległość. Trzy główne rodzaje promieniowania: elektromagnetyczne, jądrowe, energii fal sprężystych.

• WŁAŚCIWOŚCI PROMIENIOTWÓRCZOŚCI

Pierwiastki radioaktywne mają następujące właściwości:

a) zaczerniają klisze fotograficzne

b) wysyłają ciepło, a w stanie czystym świecą w ciemności

c) Wywołują luminescencję niektórych substancji na przykład siarczku cyjanku.

d) Wywołują działanie chemiczne, pod wpływem promieniowania np tlen zamienia się w ozon, woda czy chlorowodór ulegają rozkładowi

• PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ NATURALNA

Jest to zjawisko obecności w środowisku naturalnym substancji promieniotwórczych niezależnie od działalności człowieka (w odróżnieniu od skażeń promieniotwórczych). W środowisku można zaobserwować ponad 60 izotopów promieniotwórczych.

Ze względu na pochodzenie izotopy te dzieli się na trzy kategorie:

1) pierwotne izotopy promieniotwórcze, posiadające czasy połowicznego zaniku (T1/2) powyżej 0,5 mld lat, które powstały wraz ze stabilną materią tworzącą Ziemię (nukleogeneza) i nie zdążyły się jeszcze całkiem rozpaść - najbardziej istotnymi (tj. najbardziej rozpowszechnionymi i mającymi znaczący udział w dawce od tła naturalnego) izotopami w tej klasie są: 40K (1,28 mld lat), 238U (4,5 mld lat), 232Th (14 mld lat), mniej istotne to 235U (0,71 mld lat), 87Rb (48 mld lat) oraz alfa promieniotwórcze pierwiastki ziem rzadkich, np. 147Sm (105 mld lat), a także kilkanaście in.

2) wtórne izotopy promieniotwórcze, które pochodzą z sekwencyjnych rozpadów niektórych izotopów należących do kategorii pierwszej (szeregi promieniotwórcze) - łącznie jest to grupa ponad trzydziestu izotopów, wśród nich najistotniejsze są izotopy radu: 226Ra i 228Ra, radonu: 222Rn i 220Rn, polonu: 210Po, i ołowiu: 210Pb.

3) kosmogenne pierwiastki promieniotwórcze, czyli grupa ponad dziesięciu izotopów promieniotwórczych lekkich pierwiastków, powstających ciągle, głównie w górnych warstwach atmosfery ziemskiej, w reakcjach jądrowych (tzw. reakcje spalacji) wywołanych przez protony promieniowania kosmicznego - najbardziej istotne wśród nich to: 14C (5,7 tys. lat), 7Be (54 dni), 10Be (1,7 mln lat), 3H (12 lat), mniej istotne to wybrane izotopy siarki, chloru, fosforu, aluminium.

• NATURALNE ŹRÓDŁA PROMIENIOWANIA

Na naturalne źródła promieniowania składają się:

a)Pierwiastki promieniotwórcze w skorupie ziemskiej

Istotnym źródłem promieniowania jonizującego na powierzchni Ziemi są pierwiastki promieniotwórcze występujące w skorupie ziemskiej. Uważa się, że pierwotnym ich źródłem było kilka rodzajów długożyciowych pierwiastków, które powstały w wyniku syntezy jąder jeszcze przed ukształtowaniem się Ziemi jako osobnego ciała niebieskiego. Oczywiście, zsyntezowane zostało wtedy wiele różnych pierwiastków, jednak uległy one rozpadowi i do naszych czasów pozostały tylko te, których czas rozpadu wynosi co najmniej kilka miliardów lat.

40K, 50V, 87Rb, 115In, 138La, 144Nd, 147Sm, 176Lu, 187Re, 235U, 238U, 232Tr

Istotne znaczenie ze względu na oddziaływanie na organizmy żywe mają tylko niektóre z nich tj. Rad-226, Uran-238, Tor-232 i Potas-40.

Najbardziej interesującą sprawą z punktu widzenia narażenia ludności jest cienka warstwa gleby uprawnej, gdyż poza nią pierwiastki te są prawie wyłączone z obiegu materii.

b) Radionuklidy w powietrzu

Powszechnie uważa się, że jedynym źródłem skażenia powietrza substancjami promieniotwórczymi są wybuchy bomb jądrowych oraz tzw. przemysł jądrowy, to znaczy laboratoria, reaktory itp. urządzenia.

Ogromną rolę w skażeniu powietrza odgrywają również pierwiastki naturalnie promieniotwórcze, które znajdują się w ziemi. Obecność ich w powietrzu datuje się od tysiącleci, a ludzkość była poddawana ich działaniu, choć nie zdawała sobie z tego sprawy.

Na szczególną uwagę tutaj, zasługują dwa pierwiastki powszechnie występujące w ziemi tzn. rad i tor. Powstałe w wyniku ich rozpadu gazy szlachetne toron i radon migrują z gleby i dostają się do atmosfery.

c) Pierwiastki promieniotwórcze zawarte w wodzie

Zbiorniki wodne (powierzchniowe, gruntowe, głębinowe) stanowią ogromny magazyn pierwiastków promieniotwórczych. Same tylko morza i oceany, pokrywają aż 70% powierzchni kuli ziemskiej. Ocenia się, że przeciętna aktywność jednego litra wody morskiej wynosi ok. 15 Bq.

Promieniotwórczość zbiorników wodnych jest olbrzymia, głównie dzięki zawartości radu, toru i potasu. Źródłem tych pierwiastków jest zarówno podłoże z którego mogą one wnikać do wody, jak również działalność człowieka.

Potas 40K stanowi istotny składnik radioaktywności naturalnej wody. Stanowi on generalnie 0,0118% zawartości potasu w środowisku wodnym. Pod względem radioaktywności potas K40 należy do grupy izotopów o niskiej toksyczności. Tor Th228 jest natomiast radioizotopem silnie toksycznym emitującym cząstki alfa.

Zwiększone stężenia tych izotopów w zbiornikach wodnych mogą być spowodowane pyłami przemysłowymi jak również stosowaniem nawozów potasowych i fosforowych do upraw. W 1992 roku średni poziom radioaktywności wód powierzchniowych, powodowanej przede wszystkim obecnością potasu K40, wynosił ok. 0,3 Bq/l

Innym pierwiastkiem zasługującym na uwagę jest cez-137. Pochodzenie tego izotopu wiąże się jednoznacznie ze skażeniem powierzchni terenu po katastrofie w Czarnobylu. Od 1994 prowadzone są w Polsce oznaczenia między innymi Cs137 w wodach powierzchniowych i w osadach dennych

d) Promieniotwórcze jądra atomów zawartych w organizmie człowieka: 40K, 226Ra, 218Po.

e) Promieniowanie kosmiczne (w wyniku którego powstają głównie tryt, beryl i izotop węgla 14C)

• NATURALNE SZEREGI PROMIENIOTWÓRCZE

Występujące w naturze pierwiastki promieniotwórcze przeważnie powiązane są ze sobą genetycznie w tak zwane szeregi lub rodziny promieniotwórcze. Powiązania te pozwalają m. in. na oznaczanie wieku minerałów. Wykorzystywany jest tutaj fakt, iż naturalne szeregi promieniotwórcze toru i uranu kończą się na trzech różnych trwałych izotopach ołowiu 206Pb, 207Pb i 208Pb. Oznaczenie zawartości uranu lub toru w minerale w stosunku do ilości ołowiu umożliwia określenie jego wieku. Tą metodą oszacowano wiek Ziemi na 4,5 mld lat.

Warunkiem, aby jakiś nuklid mógł występować w naturze, jest, aby jego czas życia lub czas życia jednego z poprzedzających go w szeregu promieniotwórczym nuklidów był porównywalny z wiekiem Ziemi, to znaczy był rzędu 10⁹ lat.

Przynależność nuklidu do pewnej rodziny promieniotwórczej stwierdzić możemy na podstawie jego liczby masowej. Ponieważ

w rozpadzie promieniotwórczym liczba masowa zmienia się tylko przy emisji cząstki α, czyli zmienia się tylko o 4, nuklidy należące do danej rodziny mają liczby masowe różniące się między sobą o 4. Liczby te przedstawić można wzorem

A = 4n + m

gdzie n jest liczbą całkowitą, a m może przyjmować wartości 0, 1, 2, 3

i charakteryzuje daną rodzinę promieniotwórczą. Odpowiednio do tych czterech wartości m otrzymujemy cztery szeregi promieniotwórcze.

W przyrodzie jednak występują tylko trzy rodziny promieniotwórcze: szereg torowy, szereg uranowo-radowy i szereg uranowo-aktynowy. Czwarty szereg promieniotwórczy tzn. szereg neptunowy (A=4n+1) nie istnieje już w naturze, ponieważ jego najdłużej żyjący pierwiastek ²³⁹Np ma czas połowicznego zaniku T=2,2∙10⁶ lat, a więc ok. 2000 razy krótszy od wieku Ziemi. Wszystkie pierwiastki tego szeregu zostały zatem wytworzone sztucznie. Szereg ten kończy się na trwałym izotopie bizmutu ²⁰⁹Bi. (W jego skład wchodzi 13 nuklidów, m.in. 229Th. 237Np, 233U)

1. Szereg torowy A=4n (m=0). Nazwa tego szeregu pochodzi od najdłużej żyjącego pierwiastka ²³²Th, o czasie połowicznego zaniku T=1,41∙10¹⁰ lat. Pewne krócej żyjące pierwiastki promieniotwórcze tego szeregu zostały wytworzone sztucznie. W jego skład wchodzi 12 nuklidów, m.in. 232Th, 228Ra, 220Rn,228Th. Szereg ten kończy się na stabilnym izotopie ołowiu ²⁰⁸Pb.

2. Szereg uranowo-radowy A=4n+2 (m=2). Najdłużej żyjącym pierwiastkiem tego szeregu jest występujący w naturze izotop uranu ²³⁸U o czasie połowicznego zaniku T=4.47∙10⁹ lat. W jego skład wchodzi 18 nuklidów, m.in. 210Pb, 238U, 226Ra, 210Po, 234U, 222Rn. Szereg ten kończy się na trwałym ²⁰⁶Pb.

3. Szereg uranowo-aktynowy A=4n+3 (m=3). Najdłużej żyjącym pierwiastkiem szeregu jest uran ²³⁷U, mający czas połowicznego zaniku T=7,04∙10⁸ lat. W jego skład wchodzi 15 nuklidów, m.in. 223Ra;235U, 231Pa. Szereg kończy się na trwałym ²⁰⁸Pb.

• PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ SZTUCZNA

Jest to zjawisko promieniotwórczości obserwowane dla izotopów promieniotwórczych innych niż występujące w naturalnym środowisku ziemi, otrzymanych najczęściej w wyniku aktywacji izotopów stabilnych.

• REAKCJE ROZSZCZEPIENIA

Jądra izotopów niepromieniotwórczych mogą ulegać przemianom pod działaniem bombardujących je cząstek o dostatecznie dużej energii. Do takich celów stosowane bywają protony 11H, deuterony 21H, cząsteczki a, neutrony, a także promienie g, których strumieniowi nadaje się odpowiednią energię w cyklotronie.

Jeżeli cząstka bombardująca trafia w atakowane jądro, to wywołuje reakcję jądrową. Produktem takiej reakcji może być jądro zdolne następnie do samorzutnego rozpadu, tj. jądro izotopu promieniotwórczego. Na przykład bombardowanie jąder niepromieniotwórczego izotopu fosforu 3115P deuteronami 21H wywołuje reakcję

3115P + 21H -> 3215P + 11H

Produktem tej przemiany jądrowej jest promieniotwórczy izotop fosforu 3215P o okresie półtrwania 14,3 dni oraz proton 11H.

Inny przykład

94Be + 42He -> 126C + 10n

Powyższe przykłady mają ogromne znaczenie praktyczne, służą między innymi do produkcji izotopów promieniotwórczych. Znajdują one zastosowanie w wielu gałęziach nauki i techniki.

Szczególny rodzaj przemian jądrowych może wywołać pochłonięcie neutronu, który nie mając ładunku elektrycznego nie podlega oddziaływaniom elektrostatycznym, a więc może stosunkowo łatwo przeniknąć do wnętrza jądra.

147N + 10n -> 146C + 11H

5927Co + 10n -> 6027Co + g

Przemianą tego typu, która stała się początkiem ery nuklearnej, było odkryte przez F.Strassmana i O.Hahna (1939) rozszczepienie jądra 23592U, zachodzące wskutek pochłonięcia neutronu o znikomej energii. Hahn i Strassman zaobserwowali, że produktami bombardowania neutronami uranu są nuklidy o liczbach masowych od 70 do 160 (krypton, bar) oraz 2 lub 3 neutrony. Przebieg reakcji jest następujący.

23592U + 10n ---> 23692U ---> 14656Ba + 9036Kr

14656Ba ---> 14556Ba + 10n

14556Ba ---> 14456Ba + 10n

9036Kr ---> 8936Kr + 10n

Uwolnione w czasie rozpadu neutrony mogą być wykorzystane do wywołania dalszych rozpadów (rys.12). Reakcja ta przebiega bez kontroli podczas wybuchu bomby atomowej. Jeśli podda się ją kontroli i zezwoli sie tylko jednemu uwalniających się neutronów zderzyć z następnym jądrem uranu, wówczas nie rozprzestrzeni się ona w sposób niekontrolowany i może być wykorzystana w stosie atomowym do wytwarzania energii cieplnej. Jest to proces silnie egzotermiczny, wywołany tzw. defektem masy.

Rys. 12 Reakcje łańcuchowe.

a) Niekontrolowana reakcja w bombie jądrowej.

b) Kontrolowana reakcja jądrowa w reaktorze

1.Jądra nowych pierwiastków 2.Jądro atomowe 3.Aktywne neutrony 4.Utracone neutrony

• SYNTEZA TERMOJĄDROWA

Reakcja termojądrowa, synteza jądrowa lub fuzja jądrowa - zjawisko polegające na złączeniu się dwóch lżejszych jąder w jedno cięższe, w wyniku fuzji mogą powstawać obok nowych jąder też wolne neutrony, protony, cząstki elementarne i cząstki alfa.

Różne jądra atomowe mają różną energię wiązania przypadającą na nukleon. Największą energię wiązania przypadającą na jeden nukleon ma żelazo.

W wyniku reakcji egzotermicznej wydzielona energia (w postaci energii kinetycznej produktów i promieniowania gamma), zostaje rozproszona na otaczających atomach i przekształca się na energię cieplną. Energię wydzielającą się podczas reakcji można wyznaczyć bez przeprowadzania reakcji na podstawie deficytu masy, czyli różnicy mas składników i produktów reakcji.

Jądra atomowe mają dodatni ładunek elektryczny i dlatego się odpychają - aby doszło do ich połączenia muszą zbliżyć się na tyle, aby siły oddziaływań jądrowych pokonały odpychanie elektrostatyczne. Niezbędnym warunkiem do tego jest prędkość (energia kinetyczna) jąder. Wysoką energię jąder uzyskuje się w bardzo wysokich temperaturach lub rozpędzając jądra w akceleratorach cząstek.

Przedrostek termo pochodzi od głównego sposobu, w jaki wywoływana jest ta reakcja, w gwiazdach i bombie wodorowej, czyli przez podniesienie temperatury do kilkunastu milionów kelwinów, reakcja może też przebiegać w wyniku zderzania rozpędzonych jąder atomowych, wówczas nazywana jest zimną fuzją.

Reakcja termojądrowa jest głównym, poza energią grawitacyjną, źródłem energii gwiazd.

Kontrolowana synteza termojądrowa

Jest to reakcja termojądrowa, która miałaby podlegać kontrolowanemu przebiegowi np. w celu uzyskania energii. Jednym z możliwych przebiegów paliwowych reakcji jest przebieg oparty na syntezie jąder deuteru i trytu. W tym procesie mogą wystąpić następujące reakcje:

2H + 2H → 3H + p + 4,03 MeV

2H + 2H → 3He + n + 3,27 MeV

2H + 3H → 4He + n + 17,59 MeV

W przypadku powodzenia ludzkość uzyskałaby niewyczerpujące się źródło energii, mimo że w zwykłej wodzie jest tylko 0,015% D2O. Energia uzyskana z syntezy deuteru zawartego w 1 dm3 wody byłaby równa energii uwolnionej w procesie spalania 500 kg węgla kamiennego.

Niestety przeprowadzenie kontrolowanej syntezy termojądrowej nie jest tak łatwe jak konstrukcja reaktora jądrowego. Podstawową trudnością jest utrzymanie deuteru w temperaturze 108 K przez dostatecznie długi czas, żeby bilans energetyczny był dodatni. W takiej temperaturze gaz znajduje się w stanie plazmy, czyli zjonizowanego gazu będącego mieszaniną jonów dodatnich i elektronów.

Reakcja fuzji termojądrowej, jądra deuteru i trytu łączą się, powstaje jądro helu, neutron i wydzielana jest energia.

Reakcje termojądrowe przeprowadzano na Ziemi dotychczas tylko w formie niekontrolowanej - podczas wybuchów bomb wodorowych. W bombie wodorowej temperaturę niezbędną do syntezy jądrowej wytwarza wybuch bomby atomowej.

---