Promieniotwórczość

Badania nad strukturą atomów różnych pierwiastków doprowadziły do jeszcze jednego niezwykle doniosłego odkrycia. Stwierdzono bowiem istnienie naturalnej promieniotwórczości, a z czasem nawet nauczono się celowo pobudzać jądra atomów do emitowania cząstek, czyli do uzyskiwania sztucznej promieniotwórczości. Jak się okazało miało to niezwykle ważne znaczenie w pogłębieniu wiedzy o Ziemi i Wszechświecie, ale też może zaważyć na przyszłości naszej planety.
W 1895 r. niemiecki fizyk W. Roentgen (czytaj: Rentgen) przeprowadzając eksperyment ze specjalną lampą elektryczną odkrył promieniowanie przenikliwe. Promienie nazwał promieniami X, przechodziły one przez tkankę miękką, ale były zatrzymywane przez materiały twarde, np. kości. Promieniowanie to, zwane obecnie promieniowaniem rentgenowskim, znalazło duże zastosowanie w medycynie do określenia miejsca i rodzaju złamania powstałego w kościach i do prześwietlania narządów wewnętrznych organów, np. płuc i zębów.
Prace roentgena zainspirowały innego naukowca Henri Becquerela do badań soli uranu. Doprowadziło to do stwierdzenia faktu, że uran U i jego związki emitują przenikliwe promieniowanie, nazwane wówczas promieniowaniem uranowym. Ten rodzaj promieniowania obecnie nazywa się promieniowaniem jądrowym.
Badaniem tego nowego rodzaju promieniowania zajęli się i inni uczeni, m.in. nasza rodaczka Maria Skłodowska-Curie wraz ze swym mężem Piotrem Curie oraz Ernest Rutheford.
 M. Skłodowska-Curie zaobserwowała, że to samo promieniowanie wysyła także inny pierwiastek — tor Th. Natomiast sto lat temu (17. lipca 1898 roku) małżonkowie Curie odkryli nowy pierwiastek promieniotwórczy, który na cześć rodzinnego kraju Marii nazwali polonem Po. Pierwiastek ten (po oczyszczeniu) wydzielał tak dużą ilość promieniowania, że powietrze wokół niego zaczynało świecić. W toku dalszych badań M. Skłodowska-Curie odkryła następny pierwiastek promieniotwórczy, który nazwała radem Ra (od łacińskiego słowa radiu — promień).
Odkrycia te zapoczątkowały badania nad przemianami zachodzącymi w jądrach atomowych.
 Dalsze pogłębianie wiedzy o budowie jądra atomowego doprowadziło do wniosku, że promieniotwórczość jądrowa związana jest z przemianami zachodzącymi w jądrach atomów. Efektem tych przemian jest zmiana składu i stanu energetycznego jądra — na skutek emisji promieniowania jądrowego.
Wiadomo już było w tym czasie, że promieniowanie jądrowe emitowane przez uran, tor i inne pierwiastki promieniotwórcze to promieniowanie alfa a, beta/3 i gama y, przy czym każde z nich ma inne właściwości:
 Promieniowanie α tworzą dodatnio naładowane cząstki; ma ono najmniejszą przenikalność (zatrzymuje je już kartka papieru) i najmniejszy zasięg (w powietrzu kilka centymetrów).
 Promieniowanie β to ujemnie naładowane cząstki (elektrony); ma znacznie większy zasięg niż promieniowanie a i większą przenikalność przez materię (zatrzymuje je dopiero blacha, np. aluminiowa).
 Promieniowanie γ to cząstki obojętne (nie działa na nie pole elektryczne ani magnetyczne); ma za to największy zasięg i największą przenikalność (chronią przed nim kilkucentymetrowej grubości osłony ołowiane).
Odkrycie naturalnej promieniotwórczości jądrowej i dalsze prace badawcze nad budową jądra atomowego doprowadziły do stwierdzenia, że powodem promieniotwórczości naturalnej jest dążność jądra atomu do uzyskania trwałej struktury. Nietrwała struktura wynika z różnej liczby protonów i neutronów tworzących jądra atomów — mówiliśmy już o tym poznając izotopy różnych pierwiastków:
Przy stosunku liczby neutronów N do liczby protonów Z w jądrze atomów równym l (N/Z = 1) zjawisko promieniotwórczości naturalnej nie występuje — tylko do wartości Z = 20, czyli do pierwiastka wapnia Ca (stosunek N : Z = l : 1). Jądra atomów pozostałych pierwiastków mają inną budowę — stosunek ten zwiększa się w miarę wzrostu liczby protonów w jądrze. Wiemy już, że pierwiastki mają izotopy, a wiele z nich to właśnie naturalne pierwiastki promieniotwórcze — bowiem w przypadku niekorzystnego stosunku liczby neutronów do liczby protonów jądro atomów emituje cząsteczki α lub β, a często i nadmiar energii w postaci promieniowania γ dążąc do uzyskania trwałej struktury.
W 1935 r. Irena, córka Marii i Piotra Curie wraz ze swym mężem Frede-rickiem Joliot-Curie (czytaj Żolio-Kiri) otrzymała Nagrodę Nobla za odkrycie sztucznej promieniotwórczości. Okazało się, że jądra niektórych pierwiastków, w wyniku przemian jądrowych, przekształcają się w inne, często nietrwałe izotopy, ulegające dalszemu rozpadowi.
Był to początek nowej ery w badaniach nad promieniotwórczością, energią jądrową i wykorzystaniem izotopów promieniotwórczych, które znalazły bardzo duże zastosowanie.


ZASTOSOWANIE PIERWIASTKÓW PROMIENIOTWÓRCZYCH I ICH WPŁYW NA ŻYWE ORGANIZMY

Już Piotr Curie przykładając do swojego ramienia substancję promieniotwórczą zauważył, że skóra została zniszczona, a rana goiła się długo. Te obserwacje skłoniły uczonych do badania wpływu promieniowania na organizmy żywe.
W trakcie dalszych badań stwierdzono, że wpływ jaki na organizmy żywe, a więc i na człowieka, wywiera promieniowanie zależy od jego rodzaju, a także energii jaką z sobą niesie — wiemy, że mogą to być m.in. cząstki α, β, γ.
Trzeba przy tym pamiętać, że wpływ promieniowania na organizmy żywe może być negatywny lub pozytywny:
 negatywny, gdyż może powodować odwracalne zmiany w strukturze genów (prowadzące do pojawienia się mutacji), osłabienia układu immunologicznego, a w rezultacie zakłócenia podstawowych funkcji organizmu, a także wywoływać powstanie nowotworów (szczególnie nowotworów krwi — białaczka);
 pozytywny, bo nauczono się nie tylko, jak chronić organizmy przed skutkami nadmiernego napromieniowania, ale także w jaki sposób je wykorzystywać, np. do leczenia chorób nowotworowych i diagnostyki medycznej i przemysłowej oraz jako ogromnego i niewyczerpywal-nego źródła energii.
Pierwiastki promieniotwórcze mogą być bardzo szkodliwe i nawet miligramowe ilości izotopu promieniotwórczego mogą być dla człowieka śmiertelne. Skażenie substancjami promieniotwórczymi może się utrzymywać przez długie łata, np. notatki Marii Skłodowskiej-Curie są ciągle skażone preparatami promieniotwórczymi mimo, że od odkrycia radu minęło 100 lat!
Skutki promieniowania zależą od pochłoniętej przez organizm dawki, tzn. od ilości substancji promieniotwórczej oraz od odległości i czasu przebywania w jej pobliżu.
Narządy ciała narażone na działanie pierwiastków promieniotwórczych wytworzonych sztucznie (próbne wybuchy jądrowe, odpady promieniotwórcze, awarie reaktorów, syntezy jądrowe w reaktorach i innych urządzeniach tego typu):
 płuca – rad 222, uran 233, pluton 239, krypton 85;
 tarczyca – jod 131;
 wątroba – kobalt 60;
 mięśnie – potas 40, cez 137;
 kości – rad 226, stront 90, fosfor 32, węgiel 14.
Okazało się, że są izotopy promieniotwórcze, które w nieznacznych ilościach towarzyszą nam przez całe życie nie szkodząc przy tym. Takim izotopem jest potas 40K, który stanowi 0,0118 % potasu naturalnego. Do organizmu człowieka trafia wraz z pożywieniem. Rośliny czerpią go z gleby.
W przyrodzie występuje bardzo wiele izotopów promieniotwórczych. W dużym rozproszeniu znajdują się w skałach, minerałach, powietrzu, wodzie, glebie oraz w organizmach żywych. Podwyższona zawartość pierwiastków promieniotwórczych występuje w wielu rejonach świata, np. w Polsce zwiększona zawartość promieniotwórczego radonu występuje w wodach niektórych uzdrowisk.
Izotopy promieniotwórcze występują w niektórych surowcach mineralnych, np. w granicie i węglu kopalnym. Z tego też powodu granitu nie zaleca się jako materiału budowlanego. Rezygnuje się także z dodawania do produkcji materiałów budowlanych żużli i popiołów pozostałych po spaleniu węgla, ponieważ ilość substancji promieniotwórczych w produktach spalania węgla zwiększa się. Istnieją ścisłe normy, które określają maksymalną ilość pierwiastków promieniotwórczych w żywności oraz w materiałach stosowanych w budownictwie.
Obecnie pierwiastki promieniotwórcze mają ogromne zastosowanie.
 W medycynie izotopów promieniotwórczych używa się do diagnozowania wielu chorób. Do leczenia nowotworów stosuje się naświetlanie promieniowaniem wysyłanym przez izotop cezu kobaltu i radu (używając np. tzw. bomby kobaltowej, czy igieł radowych).
 Oznaczając zawartości uranu lub toru w badanych materiałach w stosunku do ilości pośrednich lub końcowych produktów rozpadu promieniotwórczego uczeni określają wiek minerałów, skał, Ziemi. Badania zawartości izotopu promieniotwórczego węgla 14C pomagają w określeniu wieku wykopalisk archeologicznych i zabytków starożytnych kultur.
 Izotopy promieniotwórcze służą do oznaczenia cieków wodnych, biegu podziemnych strumyków i pęknięć w rurociągach. Pomagają też w sprawdzeniu szczelności kadłubów statków i wykryciu wad materiałów konstrukcyjnych.
Podczas rozpadu niektórych jąder pierwiastków promieniotwórczych uwalnia się znacznie większa niż w innych ilość energii.

(OBRAZEK W ZAŁĄCZNIKU)

Proces ten znalazł zastosowanie do produkcji energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych.
Na wiosnę 1986 r. doszło do bardzo poważnej awarii elektrowni atomowej w Czarnobylu na Ukrainie. Powodem była błędna decyzja człowieka, a efektem wyemitowanie do atmosfery olbrzymich ilości substancji promieniotwórczych, które skaziły całą Europę. Ta awaria stała się przyczyną olbrzymiej niechęci społeczeństw w wielu krajach do budowania nowych elektrowni jądrowych.
 Pierwiastki promieniotwórcze już podczas II wojny światowej zostały wykorzystane do produkcji nowego rodzaju broni — bomby atomowej o działaniu milion razy silniejszym od znanych wówczas bomb. Skutki wybuchu takiej bomby odczuli Japończycy w 1945 roku. Zostały wówczas zniszczone dwa miasta: Hiroszima i Nagasaki - zginęło setki tysięcy ludzi a równie wielu zostało ciężko okaleczonych. Wiele osób zmarło od razu, a u wielu choroba popromienna rozwinęła się dopiero po kilku latach. Także w pobliżu terenów, gdzie były po wojnie przeprowadzane próby nuklearne obserwowano skażenie terenu. Wśród napromieniowanych roślin zwierząt pojawiły się osobniki różniące się od organizmów macierzystych (mutanty). Zaobserwowano zwiększoną liczbę dzieci urodzonych z wrodzonymi wadami.
Groźba użycia broni nuklearnej jest ciągle aktualna, zwłaszcza, że broń ta znalazła się w posiadaniu rządów państw trzeciego świata, krajów biednych, żyjących w stałych zatargach ze swoimi sąsiadami, jak np. India i Pakistan. Próby z ładunkami nuklearnymi przeprowadzone przez Pakistan w maju 1998 roku były odpowiedzią na podobne przeprowadzone wcześniej przez Indię.
Współczesny człowiek żyjący w epoce szybko rozwijającej się cywilizacji, wyposażony w coraz doskonalszą aparaturę badawczą i wiedzę naukowców całego świata, ma szansę na zniwelowanie złych skutków promieniotwórczości i wykorzystanie energii jądrowej dla dobra przyszłości naszej planety.
Zastosowanie izotopów promieniotwórczych:
 określanie wieku wykopalisk archeologicznych, skał i minerałów,
 kontrola jakości wyrobów konstrukcyjnych,
 energetyka jądrowa i termojądrowe reaktory,
 radioterapia i diagnostyka medyczna,
 broń jądrowa i termojądrowa,
 kontrolowana synteza termojądrowa.