Promieniotwórczość

Co to jest promieniotwórczość?

Promieniotwórczość naturalną odkrył A.H. Becquerel ,
który stwierdził, że różne związki uranu wywołują zaczernienie emulsji fot. Systematyczne badania tego zjawiska podjęte
przez Marię Skłodowską-Curie i P. Curie doprowadziły
do stwierdzenia promieniotwórczości toru i odkrycia w 1898 roku nowych promieniotwórczych pierwiastków: polonu i radu. Dalsze prace
nad promieniotwórczością doprowadziły do rozróżnienia 3 składowych promieniowania: alfa, beta i gama (E. Rutherford, P. Villard i inni)
oraz ich identyfikacji (Becquerel, S.T. Meyer, E. von Schweidler, Rutherford), a następnie do odkrycia, że zanik aktywności promieniotwórczej ma charakter wykładniczy (Rutherford, F. Soddy). Sztuczną promieniotwórczość odkryli w 1934 I. i F.J. Joliot-Curie.
Promieniotwórczość jest to samorzutna przemiana jednego jądra atomowego (nuklidu) w inne, której towarzyszy emisja promieniowania jądrowego.
Emitowanymi cząstkami promieniowania mogą być: elektron
i antyneutrino lub pozyton i neutrino jądro helu (42H),
neutrino , foton, nukleon, cięższe jądro, np. 14C. W pewnych wypadkach może nastąpić rozpad jądra na fragmenty (najczęściej 2), zwykle o porównywalnych masach i ładunkach (tzw. rozszczepienie jądra atom.).
W przypadku rozpadu emitowany z jądra elektron powstaje
z rozpadu neutronu na proton, elektron i antyneutrino, zaś pozyton
— z rozpadu protonu na neutron, pozyton i neutrino. W wyniku emisji
z jądra elektronu powstaje jądro nowego pierwiastka (o tej samej liczbie masowej) zawierające jeden proton więcej, tzn. położonego
w układzie okresowym pierwiastków o jedno miejsce za pierwiastkiem wyjściowym, w wyniku emisji pozytonu lub wychwytu elektronu
— jądro pierwiastka (o tej samej liczbie masowej) zawierające jeden proton mniej, tzn. położonego przed pierwiastkiem wyjściowym,
w wyniku rozpadu protonowego — również jądro pierwiastka położonego przed pierwiastkiem wyjściowym lecz o mniejszej
o 1 liczbie masowej, zaś rozpadu — jądro pierwiastka o liczbie masowej mniejszej o 4, położone 2 miejsca przed pierwiastkiem wyjściowym (reguła przesunięć Soddy’ego–Fajansa ).
Rozpad promieniotwórczy jest procesem statystycznym
— nie można przewidzieć, kiedy dane jądro atomowe się rozpadnie.
Można określić jedynie prawdopodobieństwo zajścia rozpadu
w danym czasie. Dla bardzo dużej liczby jąder słuszne jest prawo rozpadu promieniotwórczego, mówiące że szybkość rozpadu,
czyli tzw. aktywność promieniotwórcza, jest proporcjonalna do liczby jąder mogących ulec rozpadowi. Wielkościami charakteryzującymi rozpad promieniotwórczy danego rodzaju jąder jest średni czas życia tego jądra i stała rozpadu. Promieniotwórczość jąder atomowych występujących w przyrodzie nazywa się promieniotwórczością naturalną, natomiast promieniotwórczość jąder otrzymanych
w wyniku różnych reakcji jądrowych — promieniotwórczością sztuczną.
Wszystkie jądra pierwiastków począwszy od polonu
są promieniotwórcze. Tworzą one \"s\">==\"s\">szeregi (rodziny) promieniotwórcze, których członami są jądra pierwiastków,
będące produktami kolejno po sobie następujących przemian
(np. 235 U 231Th 231Pa 227Ac ...207Pb). Znane są 3 naturalne szeregi promieniotwórcze: szereg torowy (zaczynający się 232Th, a kończący 208Pb), szereg uranowy (zw. też radowym, zaczynający się 238U,
a kończący 206Pb) i szereg aktynowy (zaczynający się 235U,
a kończący 207Pb) oraz jeden szereg zaczynający się od sztucznie wytworzonego jądra 241Pu (kończy się 209Bi), zwany szeregiem neptunowym (od najdłużej żyjącego składnika). Obecnie jest znanych ponad 1800 różnych nuklidów promieniotwórczych (radionuklidów),
w tym tylko ok. 50 powstaje w sposób naturalny w przyrodzie, pozostałe zostały otrzymane w wyniku reakcji jądrowych.
Co to są izotopy?

Izotopy są to nuklidy o tej samej liczbie protonów, a różnej liczbie neutronów, tj. o jednakowej liczbie atomowej Z i różnej liczbie masowej A, np. .
Ze względu na taką samą strukturę powłoki elektronowej zajmują to samo miejsce w okresowym układzie pierwiastków.
Izotopy mogą być naturalne (występujące w przyrodzie)
lub sztuczne (otrzymane w reakcjach jądrowych), trwałe (jest ich 272), lub promieniotwórcze (radioizotopy; jest ich około 2000).
Poszczególne pierwiastki mogą nie mieć żadnego trwałego izotopu (np. promet, technet, pierwiastki o liczbie atom. Z > 83),
mogą też mieć ich kilka (najwięcej 10, ma cyna).
Obecnie są znane wszystkie izotopy trwałe, liczba poznanych (wytworzonych) izotopów nietrwałych większości pierwiastków wciąż rośnie. Dla niektórych z nich (np. rtęć) przekracza już 20.
Izotopy tego samego pierwiastka mają różne właściwości
(masy, rozmiary, całkowite energie wiązania, spiny,
rodzaje statystyki, momenty magnet. itd.), co z kolei powoduje pewne różnice właściwości fiz. substancji o odmiennych składach izotopowych (tzw. efekty izotopowe, jak np. przesunięcie izotopowe linii widmowych, efekt izotopowy w nadprzewodnictwie, różnice gęstości, współczynnika załamania światła, współczynnika dyfuzji,
ciepła przemian fazowych i inne).
Właściwości chemiczne substancji w praktyce nie zależą
od składu izotopowego, gdyż są uwarunkowane strukturą zewnętrznych powłok elektronowych. Metody rozdzielania izotopów
oraz wzbogacania danego pierwiastka w określony izotop opierają się przede wszystkim na wykorzystaniu różnicy mas; stąd rozdzielanie lekkich izotopów jest na ogół znacznie prostszym zagadnieniem technicznym niż rozdzielanie izotopów ciężkich.
Izotopy promieniotwórcze są szeroko stosowane w wielu dziedzinach nauki, techniki, w medycynie, głównie jako wskaźniki izotopowe, a także jako źródła promieniowania jądrowego w radioterapii, defektoskopii, kontroli procesów przem.,
do automatycznej regulacji procesów technologicznych, w ogniwach izotopowych, analizie aktywacyjnej, a także do sterylizacji, określania wieku substancji i in.
Odkrycie zjawiska izotopii wiąże się z odkryciem promieniotwórczości; termin izotopy wprowadził F. Soddy,
zaś istnienie izotopów stwierdził doświadczalnie J.J. Thomson .






Izotopy otrzymane sztucznie i naturalnie

Jedne są trwałe, inne promieniotwórcze — tzw. radioizotopy. Niektóre występują w przyrodzie, większość jest otrzymywana sztucznie w wyniku reakcji jądrowych. Izotopy promieniotwórcze mają liczne zastosowania:
 w technice,
 medycynie,
 biologii,
 fizyce,
 do zwalczania nowotworów,
 wykrywania wad materiałów,
 pomiarów grubości, jako wskaźniki izotopowe,
 oraz do określania wieku szczątków org. i minerałów (datowanie izotopowe ).
W dzisiejszych czasach możemy rozróżnić kilka rodzajów izotopów:
 Trwałe – inaczej nazywane stabilne; znajdują się w przyrodzie;
 Promieniotwórcze – inaczej nietrwałe; ich jądra nie ulegają samorzutnym zmianom;
 Naturalne – występują w przyrodzie, czyli nikt ich nie stworzył tylko same z biegiem czasu powstały;
 Sztuczne – otrzymane na drodze przemian promieniotwórczych przez człowieka; charakterystyczne dla nich jest, że wszystkie pierwiastki otrzymane w ten sposób nie posiadają trwałych izotopów;





Pozytywne i negatywne promieniowanie



Promieniowanie w atmosferze ziemskiej jest to promieniowanie dochodzące do dowolnego punktu atmosfery od Słońca,
Ziemi i gwiazd.
Głównym źródłem promieniowania w atmosferze ziemskiej
jest strumień energii wysyłany przez Słońce.
Promieniowanie słoneczne docierające do górnych warstw atmosfery to głównie krótkofalowe promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali 0,1–4 µm (9% przypada na nadfiolet,
45% na promieniowanie widzialne, 46% na podczerwień). Promieniowanie o długości fali mniejszej od 0,1 µm i większej od 4 µm, a także promieniowanie korpuskularne stanowi ok. 1% promieniowania wysyłanego przez tarczę słoneczną. Wielkością określającą promieniowanie jest jego natężenie , tj. ilość energii otrzymywanej w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni ustawioną prostopadle do kierunku padania promieni. Natężenie promieniowania słonecznego dochodzącego do górnej granicy atmosfery
jest nazywane stałą słoneczną i wynosi 1,388 J/(cm2•s). Promieniowanie słoneczne przechodzące przez atmosferę ziemską ulega w niej pochłanianiu, odbiciu i rozpraszaniu.
Ta część promieniowania, która dociera do powierzchni Ziemi bezpośrednio od tarczy słonecznej nosi nazwę promieniowania bezpośredniego.
Do powierzchni Ziemi dociera również część promieniowania rozproszonego w atmosferze, a suma obu promieniowań stanowi
tzw. promieniowanie całkowite. Promieniowanie padające
na powierzchnię Ziemi jest przez nią w przeważającej części pochłaniane. Pozostała część jest odbijana w różnym stopniu zależnie od rodzaju podłoża. Atmosfera pochłania średnio 15% promieniowania dochodzącego od Słońca, Ziemia — średnio 43%. W górnych warstwach atmosfery jest pochłaniane gł. promieniowanie nadfioletowe (przez cząsteczki ozonu i atomy tlenu),
w dolnych — gł. promieniowanie widzialne i podczerwone
(przez cząsteczki pary wodnej i dwutlenku węgla oraz kropelki wody w chmurach i cząstki pyłów). Odbicie promieniowania w atmosferze następuje przede wszystkim od dużych w porównaniu z długością jego fali cząstek chmurowych, rozpraszanie natomiast zachodzi głównie
na cząsteczkach gazu i cząstkach aerozolu atmosferycznego. Rozpraszanie promieniowania jest tym większe, im mniejsza
jest długość fali i stąd niebieska barwa nieba, która jest barwą światła rozproszonego.
Energia promieniowania pochłoniętego przez Ziemię i atmosferę
jest zamieniana na ciepło i z powrotem wypromieniowywana. Powierzchnia Ziemi promieniuje w przybliżeniu tak,
jak ciało doskonale czarne o średniej temp. 15C, emitując promieniowanie długofalowe w zakresie 4–80 µm (maksimum
10–12 µm). Promieniowanie to jest pochłaniane przez atmosferę,
gł. przez cząsteczki pary wodnej (prawie w całym zakresie widma oprócz dł. 8,5–11 µm) i dwutlenku węgla (najintensywniej w zakresie 13–17 µm), oraz w dużo mniejszym stopniu przez cząsteczki ozonu
(gł. w pasmie 9,6 µm), a także przez chmury i pyły.
Promieniowanie atmosfery to promieniowanie długofalowe skierowane bądź (w ok. 70%) w stronę Ziemi (tzw. promieniowanie zwrotne),
bądź w przestrzeń okołoziemską (w ok. 30%).
Atmosfera działa więc jak filtr, który w znacznym stopniu przepuszcza do powierzchni Ziemi krótkofalowe promieniowanie słoneczne, a zatrzymuje emitowane przez nią promieniowanie długofalowe. Powoduje to utrzymywanie średniej temperatury powietrza przy powierzchni Ziemi na poziomie dużo wyższym
(o ok. 30C) niż miałoby to miejsce w nieobecności atmosfery.
Ten efekt, związany z istnieniem atmosfery, nosi nazwę efektu cieplarnianego lub szklarniowego. Istnieje obawa, że zanieczyszczenia przedostające się do atmosfery w wyniku działalności gosp. człowieka i biorące udział w pochłanianiu promieniowania ziemskiego
(dwutlenek węgla, metan i in.) mogą spowodować stopniowy wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi i wpłynąć na zmianę klimatu na kuli ziemskiej.
Promieniowanie w atmosferze ziemskiej mierzy się różnego rodzaju przyrządami (aktynometr , heliograf , pyrgeometr , pyrheliometr , pyranometr , pyrradiometr ). Badaniem promieniowania w atmosferze ziemskiej zajmuje się aktynometria.