2.6. Promieniotwórczość

Czy promieniotwórcze pierwiastki to wymysł współczesnego człowieka? Czy jest możliwe uniknięcie kontaktu z promieniowaniem jądrowym?

Już wiesz: 

  • że jądro atomowe składa się z protonów i neutronów;
  • że większość pierwiastków występujących w przyrodzie stanowi mieszaninę izotopów o stałym składzie;
  • że izotopy są to atomy tego samego pierwiastka, które mają jednakową liczbę protonów i elektronów oraz różną liczbę neutronów;
  • że izotopy mogą być trwałe lub nietrwałe (ulegają rozpadowi, któremu towarzyszy promieniowanie).

Nauczysz się: 

  • wyjaśniać pojęcia: izotop (pierwiastek) promieniotwórczy, radioizotop;
  • wymieniać rodzaje promieniowania jądrowego i określać ich przenikliwość;
  • wskazywać w układzie okresowym pierwiastki promieniotwórcze;
  • omawiać najważniejsze dokonania Marii Skłodowskiej-Curie;
  • wyjaśniać pochodzenie radioizotopów w środowisku.

1. Co to są izotopy promieniotwórcze?

Znaczna część pierwiastków występuje w przyrodzie w postaci mieszaniny izotopów. Izotopy te mogą być trwałe lub nietrwałe. Za nietrwałe uważa się takie, które rozpadają się samorzutnie i przekształcają w izotopy innych pierwiastków. Mówi się o nich, że są niestabilne i nazywa izotopami promieniotwórczymi lub radioizotopami. Pierwiastki mogą być mieszaniną izotopów trwałych lub nietrwałych (promieniotwórczych) bądź też zawierać oba ich rodzaje. Pierwiastki, które składają się tylko z izotopów promieniotwórczych (radioizotopów), nazywa się pierwiastkami promieniotwórczymi. W przyrodzie występuje niewiele pierwiastków promieniotwórczych. Należą do nich: technet () i promet () oraz pierwiastki o liczbie atomowej większej niż 82.
Wszystkie izotopy promieniotwórcze rozpadają się z różną, charakterystyczną dla danego izotopu promieniotwórczego szybkością. Proces ten może trwać ułamki sekund, ale zdarza się, że trwa dłużej niż 1 000 000 000 lat.
W wyniku rozpadu jąder izotopów promieniotwórczych powstają zawsze atomy innego pierwiastka. Jeśli są one nadal niestabilne, to ulegają kolejnym przemianom. Pierwiastki promieniotwórcze często muszą przejść kilka, a nawet kilkanaście przemian jądrowych, zanim ulegną przeobrażeniu w trwałe izotopy innych pierwiastków. Czas trwania poszczególnych przemian zależy od rozpadającego się na danym etapie radioizotopu.

2. Co to jest promieniowanie jądrowe?

Procesowi rozpadu jąder atomowych zawsze towarzyszy promieniowanie, które określa się mianem promieniowania jądrowego lub jonizującego. Gdy prowadzono badania nad promieniowaniem wysyłanym przez rozpadające się jądra atomowe, brakowało odpowiedniej aparatury i wiedzy, które umożliwiłyby naukowcom dokładną identyfikację jego składników. Stwierdzono wtedy, że izotopy promieniotwórcze mogą emitować trzy rodzaje promieniowania, które nazwano promieniowaniem α (czyt. alfa), β (czyt. beta) i γ (czyt. gamma). Dalsze badania wykazały, że cząstkami α są jądra helu, zawierające 2 protony i 2 neutrony, natomiast promieniowanie β to strumień elektronów.
Jedne izotopy promieniotwórcze podczas rozpadu wydzielają cząstki α, inne – cząstki β. Często emisji tych cząstek towarzyszy także promieniowanie γ. Nieodłącznym elementem rozpadu jest wydzielenie się dużej ilości energii.

Polecenie 2.6.1.

Zastanów się, jaki ładunek (ujemny czy dodatni) mają cząstki α, a jaki – cząstki β?
Każdy rodzaj promieniowania wytwarzany przez substancje radioaktywne ma inny zasięg i przenikliwość przez materiały. Promieniowanie α ma najmniejszy zasięg i może zostać zatrzymane już przez kartkę papieru. Do zatrzymania cząstek β jest potrzebna nieco grubsza warstwa innego materiału, np. cienka blacha z ołowiu lub aluminium. Promieniowanie γ jest najbardziej przenikliwe – do ochrony przed nim są potrzebne kilkucentymetrowej grubości osłony z ołowiu.

3. Jak odkrywano promieniotwórczość?

Odkrycie promieni X (promieni Roentgena) przez Wilhelma Roentgena (czyt. wilhelma rentgena) w 1895 roku zapoczątkowało serię badań, które doprowadziły do uzyskania promieniotwórczych pierwiastków. Rok po ogłoszeniu przez Roentgena swojego odkrycia Henri Becquerel (czyt. ąri bekrel) podał do wiadomości informacje o istnieniu promieniowania wysyłanego przez uran. Niedługo po tym wydarzeniu Polka Maria Skłodowska-Curie (czyt. kjuri), w ramach swojej pracy doktorskiej, rozpoczęła badania nad promieniotwórczością uranu. Wraz z mężem Piotrem Curie, który dołączył do tych prac, odkryła dwa nowe pierwiastki i nazywała je: polon oraz rad. Prace badaczy zostały uhonorowane najwyższym wyróżnieniem w świecie nauki – w 1903 roku małżonkowie wraz z Henri Becquerelem otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za badania nad promieniotwórczością oraz odkrycie polonu i radu. Po śmierci męża w 1906 roku Maria kontynuowała działalność naukową i została pierwszą kobietą profesorem na paryskiej Sorbonie. W 1911 roku Szwedzka Akademia Nauk przyznała jej po raz drugi, tym razem samodzielnie, Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za prace nad radem.

Ciekawostka

Po odkryciu rad zaczęto wykorzystywać w lecznictwie. Najważniejszym jego zastosowaniem było niszczenie nowotworów. Idea tej terapii, nazywanej w owym czasie „curieterapią”, jest wykorzystywana nadal w radioterapii. Stała się ona w bardzo krótkim czasie łatwo dostępna nie tylko we Francji, ale także w wielu innych krajach. To upowszechnienie nastąpiło tylko dlatego, że małżeństwo Curie zrezygnowało z praw do patentu oraz związanych z tym zysków i udostępniło światu sposób wytwarzania radu.
Taki czyn jest rzadkością w świecie medycznym. Obecnie firmy farmaceutyczne, twórcy nowych leków lub terapii chronią swoje wytwory patentem. Przez okres 20 lat mają wyłączne prawo do ich produkcji i rozpowszechniania. Z uwagi na to, że nie ma w tym względzie żadnej konkurencji, cena oferowanego przez firmy produktu jest zazwyczaj bardzo wysoka. Na przykład miesięczny koszt terapii nowymi lekami pacjenta z chorobą zwaną stwardnieniem rozsianym (schorzeniem, które nieleczone, w krótkim czasie prowadzi do inwalidztwa) wynosi kilkanaście tysięcy złotych. Zapobieganie skutkom innej dolegliwości, chorobie Pompego, której towarzyszy między innymi zanik mięśni, kosztuje kilkaset tysięcy złotych. Chorych zazwyczaj nie stać na pokrycie kosztów leczenia lekami nowej generacji. Często są wspierani przez rodzinę, ludzi dobrej woli i państwo, a ich codzienne życie sprowadza się głównie do walki o zdobycie kolejnych funduszy na leczenie.

4. Czy pierwiastki promieniotwórcze są w naszym otoczeniu?

W przyrodzie występuje wiele różnego rodzaju radioizotopów, które są stałymi składnikami wody, powietrza i gleby. Są one źródłem promieniowania zwanego promieniotwórczością naturalną. W skorupie ziemskiej istnieje wiele izotopów promieniotwórczych. Część z nich występuje w niej od początku istnienia Ziemi. Należą do nich na przykład rubid-87 czy potas-40. Inne zaś powstały na skutek rozpadu niektórych izotopów promieniotwórczych, które muszą przejść kilka przemian jądrowych, zanim powstaną z nich trwałe izotopy. Przedstawicielami tego rodzaju substancji są tor i uran. Z ich rozpadu powstają zaś kolejne radioizotopy, między innymi rad, polon, radon.
Radioizotopy znajdujące się w skałach przemieszczają się do gleby, po czym są przyswajane przez rośliny, skąd następnie trafiają do organizmów żywych. Każdy składnik przyrody ożywionej i nieożywionej zawiera izotopy promieniotwórcze.
W przyrodzie występują także izotopy promieniotwórcze, które powstają w atmosferze ziemskiej w wyniku oddziaływania promieniowania kosmicznego (neutronów) na składniki atmosfery ziemskiej. Należą do nich między innymi tryt, węgiel-14.
Tabela 1. Zawartość niektórych radioizotopów w organizmie człowieka o masie ciała 70 kg
RadioizotopLiczba atomów
2,0 · 1010
7,5 · 1014
2,4 · 1020
2,0 · 1011
5,0 · 1016
Z uwagi na obecność radioizotopów w skorupie ziemskiej wszelkie przedmioty wykonane z naturalnych materiałów czy wydobyte z wnętrza Ziemi także zawierają radioizotopy. Z tego samego względu promieniotwórcze są przykopalniane hałdy, dymy z elektrowni węglowych, a nawet dym z ogniska czy wody mineralne.
Do środowiska naturalnego dostały się także sztuczne radioizotopy, które są emiterami promieniowania alfa, beta i gamma. Ich źródło stanowią wybuchy jądrowe przeprowadzane w atmosferze (szczególnie w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku), awaria elektrowni jądrowej w Czarnobylu w 1986 roku oraz awaria elektrowni jądrowej Fukushima w Japonii w 2011 roku. Większość radioizotopów rozpadła się w krótkim czasie po zaistnieniu zdarzenia. Jednak niektóre, takie jak cez-137, stront-90, pluton-239 czy pluton-240, w dalszym ciągu są obecne w środowisku.
Innym źródłem radioaktywności pochodzenia sztucznego w przyrodzie jest promieniowanie generowane przez różnego rodzaju urządzenia stosowane w diagnostyce medycznej, przemyśle oraz badaniach naukowych.

5. Czy można zmierzyć promieniowanie jądrowe?

Wielkość pochłoniętej przez materię dawki promieniowania z uwzględnieniem jej wpływu na organizmy żywe opisuje się za pomocą jednostki nazywanej siwertem (Sv). W Polsce dawka pochodząca od wszystkich naturalnych źródeł promieniowania, zarówno naturalnych, jak i sztucznych wynosi około 3,3 mSv (milisiwertów) w ciągu roku.
Promieniowanie wywodzące się z radioizotopów pochodzenia naturalnego często określa się mianem tła. Naturalne tło promieniowania ma zwykle zmienne wartości w różnych miejscach na świecie. Zależy ono przede wszystkim od lokalnej budowy geologicznej gruntu i średniego stężenia gazu szlachetnego – promieniotwórczego radonu – w atmosferze. W Polsce średnia dawka roczna promieniowania emitowanego przez wszystkie naturale źródła wynosi niecałe 2,5 mSv. W Szwecji jest dwukrotnie większa niż w Polsce, a w Finlandii – ponad 2,5 razy większa. Ekstremalne wartości tła naturalnego w miejscach zamieszkałych przez ludzi są ponad dwieście razy większe od wartości tła naturalnego w Polsce. Nigdzie jednak nie zaobserwowano zmian chorobowych wśród bytujących tam ludzi w porównaniu z mieszkańcami innych regionów.
Tabela 2. Porównanie rocznych dawek promieniowania z różnych źródeł naturalnych i sztucznych [mSv]
 [mSv]
Roczna dawka w przypadku kosmonauty przebywającego na orbicie okołoziemskiej420
Roczna dawka promieniowania naturalnego w Ramsar (Iran)260
Roczna dawka w niewietrzonym domu na podłożu granitowym20
Roczna dawka promieniowania naturalnego na wysokości 1500 m n.p.m.3,6
Średnia roczna dawka promieniowania na Ziemi emitowanego przez źródla naturalne2,4
Dawka otrzymywana przy prześwietleniu rentgenowskim płuc0,7
Dawka od promieniowania kosmicznego podczas lotu Warszawa - Nowy Jork - Warszawa0,06
Dawka otrzymywana podczas tygodniowego pobytu na nartach w górach< 0,01
Roczna dawka promieniowania w najbliższym sąsiedztwie elektrowni jądrowej< 0,01
Szkodliwość promieniowania zależy od jego rodzaju, natężenia (mocy) i czasu działania. Zbyt duże dawki promieniowania mogą pokonać mechanizmy obronne organizmu i wywołać ciężkie choroby, a nawet śmierć. Tę właściwość promieniowania wykorzystuje się do niszczenia komórek nowotworowych u ludzi.
Organizmy żywe różnią się pod względem odporności na promieniowanie. Jednorazowa dawka śmiertelna dla człowieka tysiąckrotnie przekracza średnią roczną dawkę tła i wynosi 3–4 Sv (3000–4000 mSv).
Tabela 3. Dawka śmiertelna promieniowania dla różnych organizmów żywych
OrganizmyJednorazowa dawka śmiertelna [Sv]
(połowa populacji umiera
po 30 dniach od przyjęcia dawki)
pantofelek (pierwotniak)3000
ślimak80–200
mucha800
nietoperz150
żółw15
szczur6–10
świnia3,5–4,5
małpa5–6
człowiek3–4
Niektóre badania naukowe wskazują, że małe dawki promieniowania stymulują układ odpornościowy i zmniejszają zapadalność na choroby nowotworowe. Wieloletnie badania prowadzone na grupach ludzi, którzy z racji swej pracy lub zamieszkania byli narażeni na dodatkowe, określone w pewnym zakresie (1–500 mSv, czyli 0,001–0,5 Sv) dawki promieniowania jądrowego, wskazują, że nastąpiło zmniejszenie śmiertelności wśród napromienianej małymi dawkami populacji w porównaniu z grupą ludzi, która takich dawek nie otrzymywała.

6. Jak wykorzystujemy energię promieniowania jądrowego?

Człowiek wykorzystuje izotopy promieniotwórcze w różny sposób. Przede wszystkim znalazł dla nich zastosowanie w medycynie – do obrazowania tkanek i narządów oraz niszczenia komórek nowotworowych – a także w badaniach naukowych i przemyśle. Innym ważnym zastosowaniem izotopów jest wykorzystanie ich do pozyskiwania energii jądrowej do produkcji energii elektrycznej w tak zwanych elektrowniach jądrowych (atomowych). Zastosowanie znalazł w nich uran-235. W warunkach naturalnych pierwiastek ten rozpada się powoli, ale pod wpływem uderzenia neutronami rozpad jąder jego atomów zachodzi bardzo szybko. Wydziela się przy tym ogromna ilość energii. Towarzyszy temu pojawienie się wolnych neutronów, które z kolei atakują następne atomy uranu, zmuszając je do rozpadu. W ten sposób reakcja przebiega dalej.
Opisaną przemianę rozpadu atomów uranu prowadzi się w tak zwanych reaktorach. Ich konstrukcja pozwala na kontrolowanie przebiegu reakcji. Uzyskane ciepło ogrzewa wodę, która przechodzi w stan pary, a ta z kolei uruchamia turbinę i generator elektryczności.
Elektrownie jądrowe są wydajniejsze od elektrowni węglowych. Spalenie 1 g metanu (składnika gazu ziemnego) powoduje wydzielenie na sposób ciepła około 50 kJ energii, natomiast reakcja jądrowa 1 g uranu-235 jest źródłem 81 000 000 kJ (8 · 107kJ) energii.
Największym problemem związanym z pracą elektrowni jądrowej są odpady, które zawierają promieniotwórcze izotopy. Postępuje się z nimi na dwa sposoby. Pierwszy z nich polega na zamykaniu odpadów w pojemnikach z miedzi i stali, a następnie umieszczeniu ich głęboko pod ziemią, gdzie pozostaną przez tysiące lat. Drugą metodą jest recykling zużytego paliwa, który polega na odzyskaniu niezużytych jeszcze materiałów promieniotwórczych nadających się do powtórnego użycia jako paliwo. Pozostałość po tym procesie kieruje się do przechowywania.
W Polsce pracuje jeden reaktor badawczy Maria w Instytucie Energii Atomowej w Świerku. Jego moc maksymalna wynosi 33 MW. Wykorzystuje się go do badań naukowych oraz produkcji izotopów na potrzeby przemysłu i medycyny.

Podsumowanie

  • Pierwiastki promieniotwórcze stanowią mieszaniny nietrwałych izotopów; są to pierwiastki o liczbie atomowej większej niż 82 oraz technet () i promet ().
  • Izotopy nietrwałe (niestabilne, promieniotwórcze) samorzutnie rozpadają się i przeobrażają w izotopy innych pierwiastków z różną, charakterystyczną dla danego izotopu, szybkością.
  • Izotopy promieniotwórcze mogą emitować trzy rodzaje promieniowania: α (, jądra atomu helu), β (szybko poruszające się elektrony) i γ (promieniowanie elektromagnetyczne).
  • W przyrodzie występuje wiele radioizotopów, które są stałym składnikiem wody, powietrza i gleby. Są one źródłem promieniowania zwanego promieniotwórczością naturalną.
  • Szkodliwość promieniowania zależy od jego rodzaju, natężenia (mocy) i czasu działania.

Praca domowa

Polecenie 2.6.2.

Problem 1.
Sprawdź, w jakiej odległości w linii prostej od twojego miejsca zamieszkania znajduje się najbliższa elektrownia jądrowa.
Problem 2.
Wyszukaj w Internecie strony lub artykuły prasowe poświęcone dyskusji na temat budowy w Polsce elektrowni jądrowej. Znajdź wypowiedzi ludzi, którzy opowiadają się za istnieniem w naszym kraju elektrowni jądrowej i tych, którzy są jej przeciwni. Oceń przytaczane przez nich argumenty. Czy podają oni fakty i liczby, czy też używają sformułowań odwołujących się do emocji?
Problem 3.
Przeprowadź w swoim najbliższym otoczeniu wywiad z dorosłymi osobami na temat promieniotwórczości. Dowiedz się, z czym kojarzy się im pojęcie izotopy promieniotwórcze, i czy wiedzą, jakie są ich źródła i zastosowania.

Słowniczek

izotopy promieniotwórcze

radionuklidy; izotopy, których jądra samorzutnie zmieniają swą strukturę i emitują promieniowanie

promieniotwórczość

radioaktywność, zdolność do spontanicznej emisji promieniowania przez jądro atomowe

siwert [Sv]

jednostka tzw. dawki efektywnej promieniowania jonizującego; obrazuje całkowite narażenie organizmu zarówno przy równomiernym, jak i nierównomiernym napromienieniu narządów i tkanek

Biogram 

Maria Salomea Skłodowska-Curie
Data urodzenia 
1867 r.
Data śmierci 
1934 r.
Fizyk, Polka pracująca we Francji, dwukrotna laureatka Nagrody Nobla.
Polka, która karierę naukową rozwinęła we Francji, pracując z promieniotwórczymi pierwiastkami. Wraz z mężem Piotrem Curie odkryła dwa nowe pierwiastki promieniotwórcze: polon i rad. Za swoje dokonania małżeństwo wraz z Henri Becquerelem wspólnie otrzymało w 1903 roku Nagrodę Nobla. Maria Skłodowska-Curie opracowała i udoskonaliła metody rozdzielania izotopów. Za pracę nad radem została w 1911 roku po raz drugi uhonorowana Nagrodą Nobla przez Szwedzką Akademię Nauk. Przyczyniła się do rozwoju radioterapii, mającej na celu leczenie nowotworów za pomocą radu.

Zadania

Zadanie 2.6.1.

Zadanie 2.6.2.

Zadanie 2.6.3.

Zadanie 2.6.4.

Zadanie 2.6.5.

Zadanie 2.6.6.