Zespół Szkół Technicznych w Pleszewie DANE INFORMACYJNE ` Nazwa szkoły: ID grupy: Kompetencja: 97/90_MF_G1 Matematyczno-fizyczna Temat projektowy: Semestr/rok szkolny: IV semestr / rok szkolny 2011/2012 Zespół Szkół Technicznych w Pleszewie RADIOAKTYWNOŚĆ

Cel projektu Poznanie natury radioaktywności. Omówienie zastosowań radioaktywności w medycynie, archeologii i technice. Poznanie negatywnych skutków napromieniowania człowieka oraz skutków awarii reaktorów. Doskonalenie umiejętności wyszukiwania, selekcjonowania i prezentowania informacji. Poszerzania kompetencji matematyczno-fizycznych w zakresie radioaktywności.

RADIOAKTYWNOŚĆ

Spis treści 1. Dlaczego atomy są promieniotwórcze? 2. Promienie , i . 3. Naturalne i sztuczne przemiany. 4. Okres połowicznego rozpadu. 5. Izotopy promieniotwórcze. 6. Radon. 7. Szeregi promieniotwórcze. 8. Zastosowanie radioaktywności. 9. Radiacyjne utrwalanie żywności. 10. Promieniowanie kosmiczne. 11. Rozszczepienie jąder, energia jądrowa. 12. Katastrofa w Czarnobylu. 13. Bomba atomowa. 14. Bomba wodorowa. 15. Skutki działania promieniowania na organizm ludzki. 16. Podsumowanie. 17. Źródła wiedzy.

Dlaczego atomy są promieniotwórcze? Trwałość jądra atomu jest uwarunkowana odpowiednim stosunkiem liczby neutronów do liczby protonów. Niestabilność jąder niektórych pierwiastków wynika ze zbyt dużej lub zbyt małej liczby neutronów w jądrze. Siły wzajemnego przyciągania się nukleonów (siły jądrowe) są wtedy mniejsze niż siły odpychania się protonów i jądro ulega samorzutnemu rozpadowi. Zjawisko to nazywa się promieniotwórczością (radioaktywnością).

Promienie alfa Rozpad alfa polega na emitowaniu promieniowania α przez jądra atomowe. Promieniowanie α jest strumieniem cząstek dodatnich składających się z dwóch protonów i dwóch neutronów - są to jądra helu. Jeżeli jądro atomu wyrzuci cząstkę alfa to liczba atomowa tego pierwiastka maleje o dwa, a liczba masowa o cztery.

Promienie beta i gamma Promieniowanie beta powstają podczas rozpadu beta, są strumieniem elektronów lub pozytonów poruszających się z prędkością zbliżoną do prędkości światła. Promieniowanie gamma to wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego. Wytwarzane jest w wyniku przemian jądrowych albo zderzeń jąder lub cząstek subatomowych.

Porównanie przenikliwości promieniowania ,  i 

Promieniotwórczość naturalna to wysyłanie promieniowania , β, γ przez izotopy, które występują w przyrodzie. Pierwiastki promieniotwórcze stanowią źródło tzw. naturalnego tła promieniotwórczego. Obejmują one pierwiastki, o czasie połowicznego rozpadu  porównywalnym z czasem życia Ziemi. Pierwiastki promieniotwórcze, których atomy samorzutnie rozpadają się emitując przy tym cząstki lub promienie, nazywamy promieniotwórczymi. Każdy pierwiastek promieniotwórczy staje się po rozpadzie innym pierwiastkiem, który często z kolei rozpada się dalej. Do najważniejszych pierwiastków promieniotwórczych można zaliczyć izotopy uranu U i toru T o czasach połowicznego zaniku rzędu 108-1010 lat, które tworzą naturalne szeregi promieniotwórcze oraz izotop potasu 40K.

Promieniotwórczość naturalna Zjawisko promieniotwórczości odkrył francuski fizyk Becquerel w 1896 roku. Dokładniejszym zbadaniem tego zjawiska zajęli się Maria Skłodowska-Curie i Piotr Curie. Odkryli oni promieniotwórczość uranu i toru oraz pierwiastki polon i rad. Henri Becquerel małżeństwo Curie

Promieniotwórczość sztuczna – wysyłanie promieniowania a, β, γ przez izotopy, które zostały otrzymane na drodze sztucznej. Otrzymać sztucznie pierwiastki można na różnych drogach. Pierwszej takiej  sztucznej przemiany dokonał Rutherford w roku 1919, kiedy to  poddał gazowy azot pod działanie strumienia cząstek a, przez co uzyskał tlen i wodór. W 1934 roku F. i I. Curie wywnioskowali, że pod wpływem bombardowania cząstkami a powstaje izotop promieniotwórczy. Można go również otrzymać bombardując tarczę z materiału, który ulega przemianie, przy pomocy strumienia naładowanych cząstek, które są  przyspieszane wysokim napięciem elektrycznym.

Okres połowicznego rozpadu Czas połowicznego rozpadu (zaniku), okres połowicznego rozpadu - czas, w ciągu którego liczba nietrwałych obiektów lub stanów zmniejsza się o połowę. Czas ten, oznaczany symbolem T1/2, zgodnie z definicją musi spełniać zależność: gdzie N(t) – liczba obiektów pozostałych po czasie t, N0 – początkowa liczba obiektów.

Okres połowicznego rozpadu Przypuśćmy, że początkowo jest N0 cząstek nietrwałych, po czasie t ich ilość zmniejsza się do N(t). Prawdopodobieństwo przeżycia przez cząstkę czasu t jest opisywane przez funkcję postaci W związku z tym prawdopodobieństwo p(t) = 1/2, odpowiada czasowi gdzie  to stała rozpadu promieniotwórczego.

Izotopy promieniotwórcze Izotopy promieniotwórcze, radioizotopy – pierwiastki lub odmiany pierwiastków (izotopy), których jądra atomów są niestabilne i samorzutnie ulegają przemianie promieniotwórczej. W wyniku tej przemiany powstają inne atomy, cząstki elementarne, a także uwalniana jest energia w postaci promieniowania gamma i energii kinetycznej produktów przemiany.

Pierwiastki promieniotwórcze dzielą się na: pierwiastki naturalne, występujące w przyrodzie, tak jak: aktyn, astat, frans, neptun, polon, pluton, radon, rad, protaktyn, tor, uran, pierwiastki sztuczne, nie występujące w przyrodzie, jak np. ajnsztajn, ameryk, kiur, lorens, berkel, ferm, kaliforn, mendelew, nobel, promet, technet.

Radon jako promieniotwórczy produkt rozpadu uranu od wielu lat jest obiektem dość dużego zainteresowania naukowców. Radon to efekt przemiany alfa radu. Występuje we wszystkich trzech istniejących w przyrodzie szeregach promieniotwórczych. Najpopularniejszy jest izotop 222Rn, z szeregu uranowo-radowego, którego czas połowicznego rozpadu wynosi prawie cztery dni. Radon

Szeregi promieniotwórcze Ciężkie nuklidy mogą być powiązane ze sobą genetycznie w tzw. szeregi lub rodziny promieniotwórcze.

Szereg promieniotwórczy uranowo-radowy

Występowanie radonu w środowisku Powstający wskutek rozpadu radu atom radonu posiadając energię odrzutu może zostać uwolniony z sieci krystalicznej minerału. Dyfundujac następnie przez mikropory i uszkodzenia sieci krystalicznej skał, przemieszcza się stopniowo na zewnątrz minerału. Zjawisko to nazywamy emanacją. Prekursorem 222Rn jest izotop 226Ra występujący powszechnie w skałach, glebach i wodach a w szczególności wodach podziemnych. Uwolniony gaz bądź przedostaje się do atmosfery bądź też może zostać rozpuszczony w krążących w skałach wodach podziemnych.

Występowanie radonu w środowisku Głównym źródłem radonu w budynkach jest gleba, a ponadto materiały budowlane, woda i gaz ziemny. . Wewnątrz domu powstaje różnica ciśnień „wysysająca” radon z gruntu, tzw. „efekt kominowy”. Budowa domu wymaga „przebicia” wierzchniej warstwy i dotarcia do głębszych warstw gleby o wyższym stężeniu radonu

Zastosowanie radioaktywności w medycynie Leczenie nowotworów poprzez napromieniowanie promieniowaniem jonizującym. Do tego celu wykorzystywana jest „bomba kobaltowa”, która wykorzystuje izotop kobaltu 60Co do napromieniowania złośliwych tkanek. Izotopy strontu 89Sr, fosforu 32P oraz samaru 153Sm, po wprowadzeniu bezpośrednio do organizmu pacjenta, pomagają leczyć niektóre, niepodatne na inne metody leczenia nowotwory, jednocześnie zmniejszając ból, który im towarzyszy.

Inne zastosowania radioaktywności Wykrywanie wewnętrznych wad metali i ich stopów, czyli tzw. defektoskopia, co ma kluczowe znaczenie np. przy konstrukcji i testowaniu samolotów. Datowanie wykopalisk archeologicznych, paleontologicznych oraz próbek geologicznych. Ocenia się proporcje pomiędzy radioizotopem 14C, a trwałymi izotopami węgla w badanej próbce. Po śmierci organizmu, ilość izotopów trwałych pozostaje stała, natomiast zmianie na skutek rozpadu, ulega ilość izotopu promieniotwórczego. Znając zatem czas połowicznego rozpadu izotopu 14C, który wynosi ok. 5700 lat, oraz stosunek izotopu trwałego do izotopu 14C, możliwe staje się określenie wieku badanego materiału.

Radiacyjne utrwalanie żywności Technologia konserwacji żywności, polegająca na wystawieniu jej na działanie promieniowania jonizującego, którego właściwości powodują unieszkodliwienie znajdujących się w żywności drobnoustrojów, wirusów i owadów. Proces radiacyjnego utrwalania żywności może być też stosowany w celu przedłużenia okresu ważności produktów spożywczych (powstrzymanie dojrzewania owoców, kiełkowania warzyw, hamowanie procesów gnilnych).

Promieniowanie kosmiczne Promieniowanie kosmiczne to promieniowanie docierające do Ziemi z otaczającej ją przestrzeni kosmicznej. Źródłem promieniowania kosmicznego mogą być również gwałtowne procesy mające miejsce w centrum naszej Galaktyki, jak również w centrum Grupy Lokalnej Galaktyk. Według powszechnie przyjętych teorii uważa się, że większość promieniowania kosmicznego pochodzi z wybuchów gwiazd nowych i supernowych. Gwiazdy te emitują naładowane cząstki, które w przestrzeniach międzygwiazdowych mogą być rozpędzane przez istniejące pola magnetyczne i elektryczne.

Promieniowanie kosmiczne

Rozszczepienie jąder atomowych Rozszczepienie jąder atomowych to reakcja, w wyniku której z jednego ciężkiego jądra na skutek zderzenia z neutronem powstają dwa mniejsze jądra o prawie takiej samej masie, które uzyskują wielką szybkość i tym samym ogromną energię kinetyczną. W tym procesie emitowane są dodatkowo dwa lub trzy swobodne neutrony, które zderzając się z kolejnymi jądrami wywołują lawinowo ich rozszczepienie.

Energia jądrowa Energia jądrowa, energia uzyskiwana z rozszczepienia bardzo ciężkich jąder (uran, pluton, tor) lub z syntezy lekkich pierwiastków (hel, lit). W obu przypadkach uwalniana jest energia wiązania jądrowego, która ma największą wartość dla jąder o średnich masach, np. przy rozszczepieniu 1 g uranu uzyskuje się tyle energii, co przy spaleniu ponad 2 t węgla. W reaktorze zachodzi reakcja rozszczepienia Synteza zachodzi na Słońcu

Elektrownia jądrowa w Czarnobylu Elektrownia wykorzystująca radionuklidy jako paliwo, uruchomiona na terenie Ukrainy, niedaleko granicy z Białorusią. Elektrownia leży 3 km od opuszczonego obecnie miasta Prypec, 15 km od miasta Czarnobyl i 110 km od stolicy Ukrainy - Kijowa. Elektrownia została całkowicie zamknięta w 2000 roku ze względów bezpieczeństwa.

Katastrofa jądrowa w Czarnobylu Katastrofa ta miała miejsce 26 kwietnia 1986 r. Prypeć na dzień katastrofy liczył ok. 45 tys. mieszkańców. Elektrownia atomowa „Czarnobyl” im. W.Lenina Prypeć

Katastrofa jądrowa w Czarnobylu Doszło do eksplozji, tak potężnej, że pokrywa ważąca 1200 t zachowała się jak kartka papieru. W reaktorze rozpętało się piekło. Radioaktywna chmura dostała się do atmosfery roznosząc się we wszystkie strony na wiele kilometrów. Rozpoczął się wyścig z czasem. Trzeba było jak najszybciej ugasić pożar i zapobiec rozprzestrzenianiu się promieniotwórczości. Zniszczony reaktor nr 4

Katastrofa jądrowa w Czarnobylu W reaktor zrzucono w sumie ok. 6 tys. ton piasku i kwasu bornego. Dokonano łącznie 410 przelotów nad reaktorem. Ok. 3,5 tys. biorobotów (ludzi w specjalnych ołowianych zbrojach) sprzątali okolice z radioaktywnego gruzu. Przeprowadzono także akcje górniczą, trzeba było bowiem zabezpieczyć grunt pod reaktorem. Wypompowano stamtąd wodę i stworzono betonową poduszkę na którą spadły szczątki reaktora i są tam do dzisiaj. Akcja gaśniczo-zabezpieczająca była bardzo trudna...

„Przyjechaliśmy za 10 czy 15 druga w nocy „Przyjechaliśmy za 10 czy 15 druga w nocy... Widzieliśmy porozrzucany wokoło grafit. "Co to jest grafit?" – zapytał Misza. Kopnąłem leżący na drodze kawałek, ale jeden ze strażaków podniósł go. "Jest gorący" – powiedział. Kawałki grafitu były różnych rozmiarów. Jedne wielkie, inne tak małe, że dało się je podnieść... O promieniowaniu nie wiedzieliśmy prawie nic. Nawet ci, co pracowali tu wcześniej, nie mieli pojęcia. W pojazdach nie było wody, więc Misza napełnił zbiorniki i wycelowaliśmy strumień w górę. Potem ci chłopcy, którzy niedługo potem umarli, poszli na dach – Waszczyk Kolia, Wołodia Prawik i inni... Wspięli się po drabinie... i nie widziałem ich więcej”

Katastrofa jądrowa w Czarnobylu Wiele osób straciło życie, kilkaset odczuwało skutki promieniowania wiele lat po. Miasto Prypeć i okoliczne miejscowości ewakuowano, utworzono strefę zamkniętą wokół elektrowni mającą łącznie 2,5 tysiąca km2 . Do dzisiaj na terenie zony przebywają tylko pracujący naukowcy i żołnierze. Okolica stała się rezerwatem gdzie człowiek od prawie 30 lat nic nie zmienia.

Katastrofa jądrowa w Czarnobylu Liczba ofiar (oficjalnie): 2 strażaków umiera w nocy 26.04.1986 kolejnych 28 umiera w ciągu kilku miesięcy oficjalna liczba zgonów wynosi 51 ofiar Liczba ofiar (nieoficjalnie): 600 pilotów śmigłowców co 4 z górników zmarł przed 40 rokiem życia; ok. 2,5 tys. ok. 20 tys. likwidatorów zmarło do 2005 roku; ok. 200 tys. jest inwalidami łączna liczba ofiar wg różnych źródeł jest szacowana od 60 osób nawet do kilkunastu tysięcy.

Katastrofa jądrowa w Czarnobylu Sarkofag: 170m długości, 66m wysokości. Budowę sarkofagu rozpoczęto w sierpniu 1986 r. Likwidatorzy na znak wygranej 'bitwy o Czarnobyl' zatknęli flagę na kominie. Do dzisiaj 3 tys. likwidatorów czuwa nad stanem rozpadającego się sarkofagu.

Katastrofa jądrowa w Czarnobylu Katastrofa jądrowa w Czarnobylu Sama katastrofa spowodowała dyskusje na temat bezpieczeństwa jądrowego. Wiele osób zaczęło się panicznie bać potęgi atomu. Trzeba jednak wziąć pod uwagę przyczynę tej katastrofy. Katastrofa ta nie powstała sama z siebie. Próbowano zwiększyć wydajność reaktora, bez odpowiedniego przygotowania. Jednak korzyści czerpane z elektrowni jądrowej przyćmiewają negatywne skutki, o które nawet nie trzeba się martwić jeżeli wszystko jest odpowiednio przeprowadzane.

Reaktor nr 4 po wybuchu Widok na sarkofag reaktora nr 4

Sterownia

Bomba atomowa Bomba atomowa czerpie swoją energię z reakcji rozszczepienia ciężkich jąder atomowych (np. uranu lub plutonu) na lżejsze pod wpływem bombardowania neutronami. Rozpadające się jądra emitują kolejne neutrony, które bombardują inne jądra, wywołując reakcję łańcuchową. Zasada działania bomby atomowej polega na wytworzeniu/przekroczeniu w jak najkrótszym czasie masy krytycznej ładunku jądrowego.

Schemat dwóch metod detonowania ładunku jądrowego Przekroczenie masy krytycznej zazwyczaj uzyskuje się na jeden z dwóch sposobów: poprzez połączenie kilku porcji materiału rozszczepialnego (tzw. metoda działa) zapadnięcie materiału uformowanego w powłokę (tzw. metoda implozyjna).

Bomba termojądrowa Bomba wodorowa zwana jest też bombą termojądrową. Zasada działania bomby wodorowej opiera się na wykorzystaniu reakcji syntezy termojądrowej, czyli łączenia się lekkich jąder atomowych (np. wodoru lub helu) w cięższe, czemu towarzyszy wydzielanie ogromnej ilości energii. Synteza termojądrowa

Bomba termojądrowa Bomba wodorowa zawiera ładunek rozszczepialny (pierwszy stopień), którego detonacja inicjuje fuzję w ładunku drugiego stopnia. Ciśnienie uzyskane z pierwszego stopnia kompresuje drugi stopień, otoczony płaszczem ze zubożonego uranu. Zawarty wewnątrz rdzeń ze wzbogaconego uranu w wyniku implozji osiąga masę krytyczną i staje się bardzo silnym źródłem neutronów.

Użycie bojowe broni atomowej: 6 sierpnia 1945 – Hiroszima 9 sierpnia 1945 – Nagasaki

Co się dzieje w organizmie człowieka po napromieniowaniu? Uogólnione skutki napromieniowania dużą dawką radioizotopów określa się mianem choroby popromiennej. Dochodzi do przerwania wiązań chemicznych, które łączą atomy pierwiastków oraz wewnątrz nici DNA. Zaburzenie struktury białek wpływa na zahamowanie reakcji wymagających pośrednictwa enzymów, zniszczenie struktury DNA uniemożliwia odbudowę i mnożenie się komórek. Na poziomie subkomórkowym dochodzi do tzw. radiolizy wody, czyli rozszczepu cząstek wody pod wpływem działania promieniowania.

Narządy narażone narażone na działanie pierwiastków promieniotwórczych

Skutki napromieniowania organizmu ludzkiego Najbardziej wrażliwymi na promieniowanie jonizujące komórkami ludzkiego ciała są limfocyty– komórki obronne. W wyniku napromieniowania ich liczba we krwi obwodowej drastycznie spada, powodując ogólne osłabienie. Jeżeli doszło do przyjęcia dawki 4–8 Gy, choroba popromienna przyjmuje tzw. postać jelitową. Dochodzi do zachwiania równowagi wodno-elektrolitowej, objawiającej się obrzękami, a także do krwawych biegunek, wywołanych uszkodzeniem nabłonka układu pokarmowego. Śmierć może ponieść od 50 do 100% chorych. W przypadku pochłonięcia stosunkowo niskiej dawki promieniowania, rzędu 0,5-4 Gy są to jedyne objawy, a śmiertelność nie przekracza 25% przypadków z pogranicza tej skali. Gy – grey, jednostka dawki pochłoniętej

Skutki napromieniowania organizmu ludzkiego Silne napromieniowanie, dawką od 8 do 50 Gy wywołuje porażenie komórek nerwowych. Tuż po napromieniowaniu dochodzi do drgawek i utraty przytomności. Jest to tzw. postać mózgowa, śmiertelność wynosi 100%. Najcięższą postacią choroby popromiennej, będącą efektem napromieniowanie ogromną dawką powyżej 50 Gy jest tzw. postać enzymatyczna. W wyniku rozerwania wiązań chemicznych w strukturach białek dochodzi do natychmiastowej śmierci. Historia wypadków radiacyjnych zna kilka takich ekstremalnych przypadków – w 1964 r. podczas eksplozji w elektrowni atomowej w Wood River, Rhode Island, USA, operator został napromieniowany dawką 100 Gy i zmarł po 49 godzinach.

Skutki skażenia radioaktywnego Najtragiczniejsze w skutkach skażenie radioaktywne w historii było efektem zrzucenia bomby atomowej na miasta Hiroszima i Nagasaki. W Hiroszimie zginęło 70-90 tys. ludzi (30% mieszkańców), w Nagasaki kolejne 70 tys. Setki ludzi zmarło po latach na nowotwory krwi oraz różnych organów wewnętrznych, stwierdzono również, że trzydzieścioro dzieci urodziło się z upośledzeniem umysłowym.

Podsumowanie Poznaliśmy przyczyny radioaktywności pierwiastków. Dowiedzieliśmy się, jakie są zastosowania radioaktywności w medycynie, archeologii, przemyśle spożywczym i technice. Poznaliśmy negatywne skutki napromieniowania człowieka oraz skutki awarii reaktorów. Udoskonaliliśmy nasze umiejętności wyszukiwania, selekcjonowania i prezentowania informacji. Poszerzyliśmy nasze kompetencje matematyczno-fizyczne.

„Człowiek nigdy nie ogląda się na to, co zrobione, ale na to patrzy, co ma przed sobą do zrobienia.” Maria Skłodowska-Curie Dwukrotna laureatka nagrody Nobla: w dziedzinie fizyki za odkrycie i badania nad promieniotwórczością. w dziedzinie chemii za odkrycie polonu i radu.

Źródła wiedzy http://czarnobyl.cba.pl/fakty_i_mity/ http://rakteam.wordpress.com/page/3/ http:// thestoneguru.com http://library.thinkquest.org/28383/nowe_teksty/html/2_27.html http://elektrownia-jadrowa.pl/Zastosowanie-promieniotworczosci-i-energii-jadrowej.html http://open.agh.edu.pl/mod/resource/view.php?id=491 http:// wikipedia.pl

Dziękujemy