Promieniotwórczość – podstawowe pojęcia, definicje i zjawiska. Krótka historia promieniotwórczości i pokojowego wykorzystania energii jądrowej.

(Dla chętnych mogę również udostępnić prezentację dotyczącą danego opracowania)

Aby dobrze zrozumieć tematykę naszych dzisiejszych zajęć, na początku przypomnę podstawowe informacje dotyczące budowy atomu. Jak wiemy, atomy składają się z trzech rodzajów cząstek: protonów, neutronów i elektronów. Protony i neutrony (tworzące grupę nukleonów) upakowane są w jądrze, które zajmuje w atomie pozycję centralną, elektrony zaś okrążają jądro. Taki planetarny model atomu przedstawiony jest na załączonym rysunku.

W jądrach wszystkich atomów danego pierwiastka chemicznego znajduje się taka sama liczba protonów, mają również taką samą liczbę elektronów, możliwa jest natomiast różna liczba neutronów. Atomy z taką samą liczbą protonów, zawierające różne liczby neutronów nazywamy izotopami. A więc izotop danego pierwiastka jest określony przez całkowitą liczbę jego nukleonów, tj. sumę protonów i neutronów. Na danym slajdzie mamy przedstawiony przykład izotopów wodoru.

Naturalna promieniotwórczość jest częścią Wszechświata od momentu jego powstania. Jest obecna na Ziemi, wewnątrz materii nieożywionej i żywych organizmów.

O tym czy atom jest promieniotwórczy decyduje liczba neutronów. W stabilnym jądrze protony i neutrony powiązane są ze sobą przez siły jądrowe tak mocno, że żadna z cząstek nie zdoła się odłączyć, a jądro pozostanie zrównoważone i spokojne. Jeśli jednak liczba neutronów nie jest zrównoważona, to jądro ma nadmiar energii, którą wcześniej czy później wyemituje. Takie atomy samorzutnie (niezależnie od jakichkolwiek czynników zewnętrznych) rozpadają się uwalniając energię w postaci fal elektromagnetycznych i/lub strumieni cząstek, którą nazywamy promieniowaniem. Samo zjawisko nazywamy promieniotwórczością (radioaktywnością).

Materiał promieniotwórczy to właśnie taki, w którym znajdują się jądra wysyłające promieniowanie jonizujące. Po pozbyciu się nadmiaru energii jądra atomów stają się na ogół trwałe (stabilne) i już dalej nie ulegają przemianom (rozpadowi). Promieniotwórcze izotopy danego pierwiastka nazywamy radionuklidami (jądro atomu = nuklid). Obok około 90 naturalnych izotopów promieniotwórczych, stale obecnych w naszym środowisku, potrafimy wytwarzać wiele izotopów promieniotwórczych drogą wywoływania reakcji jądrowych. Izotopy takie nazywamy sztucznymi. Nie jest rzeczą możliwą przewidzenie chwili, w której nastąpi rozpad pojedynczego jądra atomowego, gdyż proces ten ma charakter statystyczny. Można jedynie podać czas, w którym ulega przemianie średnio połowa jąder promieniotwórczych. Czas ten jest znany dla danego izotopu i nosi nazwę czasu połowicznego rozpadu lub okresu półrozpadu (oznaczany symbolem T1/2). Może on być niezwykle krótki - ułamek nanosekundy (jednej miliardowej części sekundy), ale może też wynosić miliony i miliardy lat. Np. izotop jodu 131I, który często stosowany jest w medycynie, ma czas połowicznego rozpadu wynoszący około 8 dni (8,04 dnia), podczas gdy dla izotopu cezu 137Cs, który łatwo możemy znaleźć w wypalonym paliwie jądrowym, okres ten wynosi około 30 lat(30,17), a dla węgla 14C, (używanego dla określania wieku znalezisk organicznych) aż 5730 lat. Rozpad jądra nie zawsze oznacza przejście do jadra trwałego. Często rozpadające się jądro przechodzi w inne, również promieniotwórcze, a to z kolei może przejść w kolejne jadro promieniotwórcze, tworząc w ten sposób tzw. szereg promieniotwórczy. Izotopy promieniotwórcze występują w naszym środowisku i w nas samych. Jeżeli wszystkie izotopy danego pierwiastka są promieniotwórcze, to taki pierwiastek nazywamy promieniotwórczym – takimi są: technet, promet, rad, tor czy uran. Jako składnik biosfery jesteśmy stale pod wpływem działania promieniowania radionuklidów, niezależnie od tego, czy są one naturalne, czy wytworzone sztucznie przez człowieka.

Szczególnym rodzajem promieniowania jest promieniowanie jonizujące. Może mieć ono postać promieniowania korpuskularnego (cząstki alfa, beta, neutrony) albo elektromagnetycznego (promieniowanie X i gamma (&gamma)). Promieniowanie jonizujące nie oddziałuje na nasze zmysły, natomiast przenikając przez materię wywołuje w obojętnych elektrycznie atomach i cząstkach – zmiany ich ładunków elektrycznych, czyli tzw. jonizację.

W naszym przykładzie kwant promieniowania gamma przekazuje swoją energię elektronowi. Jeżeli ilość przekazanej energii jest większa niż siła oddziaływań jądro-elektron, następuje oderwanie elektronu od jądra atomu i rozdzielenie ładunków elektrycznych czyli jonizacja.

Materiały promieniotwórcze nieodłącznie towarzyszą człowiekowi. Znajdują się one w jego środowisku, nie wyłączając własnego ciała człowieka. Materiały te stale wysyłają promieniowanie jonizujące, które stanowi, jak mówimy, tło promieniowania. Obecność promieniowania jonizującego może więc być jedynie ograniczana, a nie całkowicie eliminowana.

Źródła promieniowania jonizującego dzieli się na naturalne i sztuczne

Promieniowanie jonizujące pochodzące ze źródeł naturalnych stale oddziałuje na człowieka i jego środowisko. Przenika na Ziemię z kosmosu. Jego źródłem są także naturalne substancje promieniotwórcze znajdujące się w skorupie ziemskiej, materiałach budowlanych, wodzie, powietrzu, żywności, a także w naszym organizmie.

Na człowieka oddziałuje również promieniowanie jonizujące ze źródeł sztucznych. Należą do nich aparaty rentgenowskie (promieniowanie X), tzw. bomby kobaltowe (promieniowanie gamma), reaktory jądrowe (promieniowanie X, gamma, neutrony), akceleratory i sztuczne izotopy promieniotwórcze (promieniowanie alfa, beta, gamma) wykorzystywane w medycynie i gospodarce lub uwalniane do środowiska w wyniku prób jądrowych albo awarii jądrowych.

Omówienie diagramu:

Około 74% całego promieniowania pochodzi od samej przyrody! Reszta, tj. ok. 26% wiąże się z wykorzystaniem źródeł promieniotwórczych w medycynie i przemyśle wytwarzającym produkty codziennego użytku.

Największe źródło naturalne, pochodzące z szeregów promieniotwórczych uranu i toru, stanowi radon: bezwonny i bezbarwny alfapromieniotwórczy gaz szlachetny, wdychany przez człowieka, wydobywający się z gleby i skał, a przez to również z materiałów budowlanych. Zagrożenie radonem zależy od struktury gleby i skał znajdujących się poniżej budynków. Promieniowanie kosmiczne bombarduje naszą Ziemię w sposób nieprzerwany. Promieniowanie to, złożone pierwotnie z wysokoenergetycznych protonów (80%) i cz¹stek alfa (20%), przechodząc przez atmosferę zmienia swój skład. Do powierzchni Ziemi dochodzi wtórne promieniowanie kosmiczne. Mieszkańcy wybrzeża morskiego chronieni są przez grubszą warstwę atmosfery niż ci, którzy żyją w górach; dochodzące do nich promieniowanie jest więc bardziej osłabione. Konsekwentnie, poruszanie się na dużych wysokościach, jak np. przy locie samolotem, nieuchronnie wiąże się z obcowaniem ze zwiększonym, w stosunku do powierzchni Ziemi, poziomem promieniowania. Wewnętrzne promieniowanie w ciele każdego człowieka to ten składnik dawki, który budzi na ogół największe zdziwienie. Jego źródłem są substancje promieniotwórcze zawarte w powietrzu, którym oddychamy, w jedzeniu, które spożywamy i wodzie, którą pijemy. Promieniowanie jonizujące stosowane w medycynie, wiąże się przede wszystkim z rutynowymi badaniami rentgenowskimi, takimi jak wykonywanie zdjęć stomatologicznych, klatki piersiowej lub złamań kości. Reszta jest związana z tzw. medycyną nuklearną, w której używa się izotopów promieniotwórczych do diagnozy lub do terapii.

Nasza biosfera nasycona jest promieniowaniem różnego rodzaju, a wszystkie rodzaje promieniowania są nośnikami określonej energii. Fale radiowe, światło widzialne, mikrofale stosowane w kuchenkach mikrofalowych i telefonach “komórkowych”, promieniowanie nadfioletowe (dzięki któremu nasze ciało staje się opalone), promieniowanie podczerwone (którego ciepło wyraźnie czujemy), wreszcie promieniowanie rentgenowskie (które pozwala ‘’zobaczyć” złamaną w wypadku kość to wszystko przykłady promieniowania elektromagnetycznego, którego bogate widmo przedstawiłam na slajdzie. Z rysunku widać, jak niewielką część widma promieniowania elektromagnetycznego możemy bezpośrednio zobaczyć dzięki zmysłowi wzroku, czy poczuć dzięki wrażliwości skóry na ciepło. Do wykrywania większości zakresów znanego nam promieniowania elektromagnetycznego musimy używać aparatury pomiarowej dostosowanej do konkretnego zakresu widmowego. Dotyczy to równie¿ promieniowania jonizującego. Promieniowanie o energii większej niż promieniowanie rentgenowskie nazywane jest promieniowaniem gamma (γ). Promieniowanie gamma w naszej biosferze pochodzi bądź z rozpadów promieniotwórczych różnych radionuklidów, bądź jest jednym ze składników docierającego do nas promieniowania kosmicznego. Rozpad γ polega na emisji przez jądro wysokoenergetycznej fali elektromagnetycznej, zwanej także fotonem bądź kwantem gamma. Zjawisko to następuje w sytuacji, gdy jądro przechodzi ze stanu wzbudzonego do stanu o energii niższej, podczas którego różnica w energii emitowana jest właśnie w postaci fotonu. Taki rozpad nie zmienia liczby masowej ani atomowej jądra. Procesy fizyczne, zachodzące przy przechodzeniu promieniowania gamma przez materię, powodują głównie zmianę jego intensywności. Rozpad β polega na przekształceniu znajdującego się w jądrze neutronu w proton lub, rzadziej, protonu w neutron. W pierwszym przypadku (β-) emitowany jest ujemnie naładowany elektron i antyneutrino, w drugim (β+) dodatnio naładowany pozyton (zwany antyelektronem) i neutrino. Elektron lub pozyton, emitowane przez jądro, nazywane są cząstkami beta. Rozpad β zmniejsza (β+) lub zwiększa (β-) liczbę atomową jądra, nie zmieniając jego liczby masowej. Rozpad α jest charakterystyczny przeważnie dla jąder ciężkich, u których wraz ze wzrostem liczby masowej maleje energia wiązania pojedynczego nukleonu. Rozpad ten polega na emisji z jądra cząstki α, czyli jądra helu-4, składającego się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Dzięki temu liczba masowa jądra zmniejsza się o 4. Innym oprócz omówionych wyżej rodzajów promieniowania jonizującego jest promieniowanie neutronowe, którego głównym źródłem są reaktory jądrowe. Neutrony są cząstkami elektrycznie obojętnymi, nie jonizują więc ośrodka bezpośrednio. Są one z reguły bardzo przenikliwe. Oddziałując z jadrami materii mogą wywołać reakcje jądrowe, w wyniku których powstaną cząstki naładowane lub fotony γ, a te z kolei mogą wywołać jonizację danego ośrodka. Neutrony mogą wiec jonizować ośrodek pośrednio, a nie bezpośrednio, jak w wypadku promieniowania alfa lub beta. Ogromnym źródłem naturalnego promieniowania neutronowego jest promieniowanie kosmiczne, jak i jądra powstałe w procesach rozpadu alfa. Sztuczne źródło emisji neutronów to przede wszystkim reaktory i akceleratory.

Promieniowanie wykazuje różny stopień przenikliwości przez materię. I tak do pochłonięcia promieniowania alfa wystarczy cienka warstwa materiału np. kartka papieru, ponieważ cząstki alfa są dużo cięższe niż pozostałe nośniki promieniowania i dużo bardziej energetyczne. Te własności pozwalają cząstkom alfa silnie oddziaływać z napotkaną materią, nawet z powietrzem, wywołując jonizację na bardzo małych dystansach. Cząstki alfa przebywają w powietrzu drogę nie dłuższą niż kilka centymetrów. Promieniowanie beta pochłaniają grubsze materiały np. folia aluminiowa, a do pochłonięcia promieniowania gamma należy użyć grubszych osłon z ołowiu. Inaczej jest z neutronami, które ulegają rozproszeniu w ciałach stałych. Do ich pochłonięcia stosuje się więc osłony wodne tak jak w przypadku reaktorów jądrowych. Najbardziej przenikliwe są neutrina, ponieważ przenikają przez każdą materię i niezmiernie rzadko oddziałują z materią.

Ponieważ promieniowanie jonizujące może być szkodliwe dla naszych tkanek, jest bardzo ważną rzeczą umieć je wykryć. Detekcja tego promieniowania stanowi więc istotną umiejętność w ochronie ludzi i środowiska przed niechcianym promieniowaniem. Ilość energii promieniowania przyjęta przez tkankę nazywa się dawką pochłoniętą. W gruncie rzeczy jest to miara energii pochłoniętej przez tkankę, gdyż energia promieniowania jonizującego, tracona na jonizację atomów, może powodować uszkodzenia tkanki. Nie oznacza to wcale, ¿e promieniowanie jonizujące musi zawsze wywrzeć taki skutek. Proces jego oddziaływania z atomami ośrodka jest bowiem procesem statystycznym i może się zdarzyć, że promieniowanie nie wywoła jonizacji ośrodka, tym bardziej więc nie będzie mogło spowodować zniszczenia tkanki. Z powyższego wynika, że przede wszystkim musimy wiedzieć, jaką energię niesie samo promieniowanie. Możemy ją mierzyć na dwa sposoby i stosownie do tego wynikiem pomiaru będzie: dawka, tj. ilość energii, która dociera do powierzchni danego obiektu w określonym przedziale czasu lub średnia dawka pochłonięta, DT, która oznacza energię promieniowania pochłoniętą przez jednostkę masy materii (tkanki), przez którą to promieniowanie przeszło. Jednostką dawki pochłoniętej jest grej (Gy). Wcześniej korzystano z innej, sto razy mniejszej jednostki – radu. Dawka pochłonięta nie jest jednakże wielkością, która mówi nam wszystko o możliwych skutkach napromieniowania, gdyż dla różnych rodzajów promieniowania jonizującego efekty biologiczne mogą być - i w rzeczywistości są - różne. Inaczej mówiąc, pochłonięcie odpowiedniej porcji energii promieniowania alfa wywołuje skutki odmienne od pochłonięcia takiej samej porcji energii promieniowania beta czy gamma. Dlatego też istotna dla ludzi jest nie tyle dawka pochłonięta, ile tzw. dawka równoważna HT, która dotyczy jednakowych skutków różnych rodzajów promieniowania. Dawkę równoważną mierzymy w siwertach (wcześniejszą jednostką był rem. Pomimo dużej użyteczności tej jednostki, jednostką standardową przyjętą przez społeczność międzynarodową - poza publikacjami z USA, gdzie nadal korzysta się z jednostek Ci (kiur), rad, rem - jest obecnie siwert (Sv)13, równy 100 rem). Skuteczność dawki zależy nie tylko od rodzaju użytego promieniowania, ale także i od rodzaju narządu, który pochłonął odpowiednią dawkę równoważną HT. Dlatego też o spodziewanym efekcie biologicznym mówi nam więcej wielkość nazywana dawką skuteczną. Jest to dawka zsumowana po rodzajach napromieniowanych tkanek, po pomnożeniu dawki równoważnej w danym narządzie przez współczynnik WT , opisujący wpływ promieniowania na daną tkankę. Zalecana wartość graniczna dawki skutecznej powyżej naturalnego tła promieniowania dla całego ciała dla ogółu ludności (z wyłączeniem osób zawodowo narażonych na napromieniowanie, którzy mają odrębne normy w pracy) jest ustalona na 1 mSv/rok. Jest to poziom ponad dwukrotnie niższy od naturalnej dawki w Polsce i blisko 500 razy niższy od naturalnych dawek otrzymywanych przez ludność Iranu. Rysunek poniżej przedstawia poszczególne dawki graniczne.(wg. Państwowej Agencji Atomistyki)

HISTORIA

W roku 1896 francuski fizyk Henri Becquerel zauważył, że próbka soli uranylowej wysyła niewidzialne promieniowanie działające na klisze fotograficzne podobnie jak światło. Okazało się wkrótce, że również uran metaliczny jest źródłem takiego promieniowania. Odkrycie to nie wywołało jednak większego zainteresowania wśród fizyków zafascynowanych wówczas promieniami X odkrytymi w 1895 r. przez niemieckiego fizyka Wilhelma Konrada Roentgena.

Nie wiadomo, jak by się dalej potoczyła historia fizyki, gdyby nie Maria Skłodowska-Curie i jej mąż Piotr Curie, którzy rozpoczęli systematyczne badania nad promieniotwórczością uranu. W 1898 r. odkryli dwa inne pierwiastki emitujące podobne promieniowanie, które nazwali polonem i radem. Opisali oni zjawisko powstawania promieniowania i nazwali je radioaktywnością (promieniotwórczością). Podobne badania rozpoczął w Anglii fizyk nowozelandzki Ernest Rutherford.

W 1899 r. Rutherford stwierdził, że "promienie uranowe" mają dwie składowe różniące się znacznie przenikliwością. Składową mniej przenikliwą określił jako promieniowanie alfa (α), a bardziej przenikliwą jako promieniowanie beta (β).

W 1900 r. francuski fizyk Paul Villard odkrył jeszcze trzecią, najbardziej przenikliwą, składową promieni uranowych. Nazwał ją promieniowaniem gamma. (γ)

((W 1902 r. Ernest Rutheford i Frederic Soddy zaobserwowali, że emisji promieniowania alfa lub beta towarzyszy zawsze przekształcanie się określonych pierwiastków w inne. Jednakże dopiero po odkryciu jądra atomowego zrozumiano, że promieniowanie alfa jest to strumień jąder atomów helu, promieniowanie beta to strumień elektronów pochodzenia jądrowego, a promieniowanie gamma to fotony krótkofalowego promieniowania elektromagnetycznego.

Naładowane dodatnio cząstki alfa stały się wkrótce znakomitym narzędziem w dalszych badaniach struktury materii i zachodzących w niej przemian. Śledząc rozpraszanie tych cząstek na folii ze złota zauważono, że niektóre z nich przelatywały przez folię, nie zmieniając kierunku lotu, inne zaś ulegały rozproszeniom pod różnymi kątami. Po analizie wyników takich doświadczeń Rutheford w 1911 r. doszedł do wniosku, że wewnątrz atomów muszą istnieć jakieś, prawie punktowe, centra rozproszeń cząstek alfa (α), w których skupiony jest cały ładunek dodatni i prawie cała masa atomu. W ten sposób nastąpiło odkrycie jąder atomowych.))

W 1919 r. E. Rutheford, bombardując cząstkami alfa różne substancje, doprowadził do przemiany jądra azotu w jądra tlenu. Była to pierwsza w historii transmutacja jednego pierwiastka w inny dokonana przez człowieka.

W 1934 r. Frederic Joliot i Irene Joliot-Curie zaobserwowali, że w wyniku bombardowania cząstkami alfa folii aluminiowej zaczyna ona emitować cząstki wtórne jonizujące powietrze. Strumień tych cząstek nie zanikał od razu, lecz zmniejszał się wykładniczo, z okresem połowicznego rozpadu około 3 minuty. Wkrótce potem stwierdzono, że był to strumień pozytonów odkrytych dwa lata wcześniej w promieniowaniu kosmicznym przez Carla D. Andersona. Fakty te świadczyły, że w aluminium, bombardowanym cząstkami alfa, tworzy się izotop promieniotwórczy.

Neutrony stały się dla fizyków kolejnym ważnym narzędziem badawczym. Dzięki swojej neutralności elektrycznej nie są odpychane przez pole kulombowskie jąder atomowych, w odróżnieniu od cząstek alfa. Wykorzystał to włoski fizyk Enrico Fermi bombardując neutronami jądra prawie wszystkich znanych wówczas pierwiastków. W ten sposób udało mu się wytworzyć sztucznie wiele nowych izotopów promieniotwórczych. W wyniku doświadczeń nad oddziaływaniem neutronów z jądrami uranu, z końcem 1938 r. odkryto zjawiska rozszczepiania tych jąder. Odkrycie to otworzyło drogę do wyzwalania energii "utajonej" w jądrach atomowych.

W 1942 r. Enrico Fermi i Leo Szilard doprowadzili do kontrolowanej reakcji łańcuchowej rozszczepień jąder uranu, a w 1945 r. pierwsze bomby jądrowe wybuchły nad Hiroszimą i Nagasaki.

Po zakończeniu II wojny światowej ukonstytuowała się w USA Komisja Energii Atomowej, mająca za zadanie promowanie osiągnięć fizyki jądrowej dla celów pokojowych. Wkrótce też, bo już w latach pięćdziesiątych, uruchomiono pierwsze elektrownie jądrowe w ZSRR, USA, Wielkiej Brytanii i Francji.

W 1955 r. w Genewie, pod auspicjami ONZ, odbyła się pierwsza międzynarodowa konferencja poświęcona pokojowemu wykorzystaniu energii atomowej "Atomy dla pokoju". Podczas konferencji ujawniono wiele szczegółów dotyczących badań jądrowych prowadzonych dotąd w tajnych ośrodkach badawczych. Tak rozpoczęła się era techniki jądrowej.

Podsumowując:

promieniotwórczość jest ogólnym pojęciem określającym zdolność do spontanicznej emisji promieniowania przez jądro atomowe. Materiały promieniotwórcze nieodłącznie towarzyszą człowiekowi. Znajdują się one w jego środowisku, nie wyłączając własnego ciała człowieka. Materiały te stale wysyłają promieniowanie jonizujące, które stanowi, jak mówimy, tło promieniowania. Obecność promieniowania jonizującego może więc być jedynie ograniczana, a nie całkowicie eliminowana. Nasza biosfera nasycona jest promieniowaniem różnego rodzaju, a wszystkie rodzaje promieniowania są nośnikami określonej energii. Fale radiowe, światło widzialne, mikrofale stosowane w kuchenkach mikrofalowych i telefonach “komórkowych”, promieniowanie nadfioletowe (dzięki któremu nasze ciało staje się opalone), promieniowanie podczerwone (którego ciepło wyraźnie czujemy), wreszcie promieniowanie rentgenowskie (które pozwala ‘’zobaczyć” złamaną w wypadku kość to wszystko przykłady promieniowania elektromagnetycznego, Promieniowanie o energii większej niż promieniowanie rentgenowskie nazywane jest promieniowaniem gamma (γ) i jest jednym z rodzajów promieniowania jonizującego, są nimi również promieniowanie alfa i beta. Wszystkie opisane rodzaje promieniowania jonizującego mogą być wytwarzane w urządzeniach służących medycynie, nauce i technice i zazwyczaj jest to promieniowanie o energii wielokrotnie wyższej, niż energia stale istniejącego w biosferze promieniowania naturalnego.