Zjawisko promieniotwórczości WPROWADZENIE TROCHĘ HISTORII PROMIENIOWANIE JONIZUJĄCE IZOTOPY ROZPADY PROMIENIOTWÓRCZE 1 1 1

ZJAWISKO PROMIENIOTWÓRCZOŚCI - WPROWADZENIE Naturalna promieniotwórczość jest częścią Wszechświata od momentu jego powstania. Jest obecna na Ziemi, wewnątrz materii nieożywionej i żywych organizmów. Atomy wielu pierwiastków ulegają przemianom, którym towarzyszy promieniowanie. O tym czy atom jest promieniotwórczy decyduje między innymi 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). 2 2 2

TROCHĘ HISTORII 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. W 1895 roku Roentgen zaobserwował, że lampa katodowa powoduje na odległość świecenie papieru pokrytego związkiem baru. Lampa wysyłała nieznane wówczas promieniowanie, które było przyczyną świecenia. Roentgen nazwał "promieniami X". Jego odkrycie, za które został wyróżniony w 1901 roku Nagrodą Nobla, zrewolucjonizowało medycynę, umożliwiając "spojrzenie" do wnętrza ludzkiego ciała. Wilhelm Roentgen     (1845-1923) Antoine Henri Becquerel (1852-1908) Za badania zjawiska promieniotwórczości otrzymał w 1903 r. wraz ze swoimi współpracownikami Piotrem Curie i Marią Skłodowską-Curie Nagrodę Nobla.   3 3 3

Promieniotwórczość naturalna 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. Fizyk francuski. Mąż Marii Skłodowskiej-Curie. Od 1904 r. profesor Sorbony. Od 1905 r. członek Francuskiej Akademii Nauk. Prowadził badania dotyczące fizyki kryształów, magnetyzmu, promieniotwórczości. piezoelektrryczne. Badał zależność magnetycznych własności ciał od temperatury (prawo Curie, podatność magnetyczna; punkt Curie). Od 1897 r. Curie zajmował się badaniem promieniotwórczości: w 1898 r., wraz z żoną, odkrył dwa nowe pierwiastki promieniotwórcze - polon i rad. Wprowadził pojęcie okresu połowicznego rozpadu, badał działanie promieniowania na organizmy żywe. Za prace nad promieniotwórczością w 1903 r. wraz z żoną otrzymał Nagrodę Nobla.     Maria Skłodowska – Curie urodziła się w Warszawie. Studiowała na Sorbonie, gdzie w 1906r. objęła po swoim mężu, katedrę. Była pierwszą kobietą, która otrzymała tytuł profesora. Prowadziła szerokie badania zjawiska promieniotwórczości - badała i mierzyła promieniowanie uranu, przebadała wszystkie znane wówczas pierwiastki ze względu na promieniotwórczość, odkryła i wydzieliła polon i rad. Otrzymała Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1903r. i w dziedzinie chemii w 1911r. Zmarła na białaczkę spowodowaną nadmiernym napromieniowaniem. Maria Skłodowska-Curie   (1867-1934) Piotr Curie (1859 - 1906) 4 4 4

Jean Frederic Joliot (1900-1958) Sztuczna promieniotwórczość W 1934 r. Frederic Joliot i Irene Joliot-Curie zaobserwowali, że w wyniku bombardowania cząstkami α folii aluminiowej zaczyna ona emitować cząstki wtórnie jonizujące powietrze. Strumień tych cząstek nie zanikał od razu, lecz zmniejszał się wykładniczo, z okresem połowicznego rozpadu. Wkrótce potem stwierdzono, że był to strumień pozytonów odkrytych dwa lata wcześniej w promieniowaniu kosmicznym przez Carla D. Andersona. Fakty te świadczyły, że w glinie, bombardowanym cząstkami α, tworzy się izotop promieniotwórczy. Jean Frederic Joliot   (1900-1958) Irene Joliot-Curie     (1897-1956) 5 5 5

PROMIENIOWANIE JONIZUJĄCE Promieniowanie jonizujące jest szczególnym rodzajem promieniowania. Może mieć ono postać promieniowania korpuskularnego (cząstki α, β, neutrony) albo elektromagnetycznego (promieniowanie X i γ). 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. Kwant promieniowania γ 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. 6 6 6

Przykład izotopów wodoru Izotopy Wszystkie atomy, których jądra mają jednakową liczbę protonów tworzą określony pierwiastek chemiczny. Atomy tego samego pierwiastka mają taką samą liczbę protonów i elektronów, ale mogą się różnić liczbą neutronów. Mówimy wtedy o różnych izotopach tego samego pierwiastka. A więc izotop danego pierwiastka jest określony przez całkowitą liczbę jego nukleonów, tj. sumę protonów i neutronów. Przykład izotopów wodoru 7 7 7

Przenikliwość promieniowania jonizującego Promieniowanie wykazuje różny stopień przenikliwości przez materię. Do pochłonięcia promieniowania α wystarczy cienka warstwa materiału np. kartka papieru, ponieważ cząstki α są dużo cięższe niż pozostałe nośniki promieniowania i dużo bardziej energetyczne. Te własności pozwalają cząstkom α silnie oddziaływać z napotkaną materią, nawet z powietrzem, wywołując jonizację na bardzo małych dystansach. Cząstki α przebywają w powietrzu drogę nie dłuższą niż kilka centymetrów. Promieniowanie β pochłaniają grubsze materiały np. folia aluminiowa, a do pochłonięcia promieniowania γ należy użyć grubszych osłon z ołowiu. Do ich pochłonięcia neutronów stosuje się natomiast osłony wodne tak jak w przypadku reaktorów jądrowych. Najbardziej przenikliwe są neutrina, ponieważ przenikają przez każdą materię i niezmiernie rzadko oddziałują z materią. Powoduje to bardzo poważne problemy przy próbach ich detekcji. Przenikliwość promieniowania jonizującego 8 8 8

Rozpady promieniotwórcze Jądro atomowe może znajdować się w stanie podstawowym tj. w stanie, w którym ma najniższą energię całkowitą (a więc i najmniejszą masę), lub w stanie wzbudzonym. Moment wyemitowania przez niestabilny atom nadmiaru energii nazywany jest rozpadem promieniotwórczym. Jądra lekkie, posiadające kilka protonów i neutronów, stają się stabilne po jednym rozpadzie. Kiedy ciężkie jądro, takie jak rad lub uran ulegnie rozpadowi, może być nadal niestabilne, a stan równowagi osiągnie dopiero po wielu rozpadach. Na przykład uran-238, który ma 92 protony i 146 neutronów podczas każdego rozpadu traci 2 protony i 2 neutrony. Liczba protonów pozostająca w jądrze po rozpadzie uranu-238 wynosi 90. Jądro z 90 protonami to pierwiastek tor. Oznacza to, że z jądra uranowego powstało jądro toru-234, które również jest niestabilne i zmieni się w protaktyn przy kolejnym rozpadzie. Stabilne jądro - ołów - powstaje dopiero po czternastu rozpadach. U 238 92 Th 234 90 He 4 2 234 238 4 U Th + He 92 2 90 9 9 9

ROZPAD JĄDRA spowodowany bombardowaniem neutronami. 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 γ), reaktory jądrowe (promieniowanie X, γ, neutrony), akceleratory i sztuczne izotopy promieniotwórcze (promieniowanie α, β, γ) wykorzystywane w medycynie i gospodarce lub uwalniane do środowiska w wyniku prób jądrowych albo awarii jądrowych. ROZPAD JĄDRA spowodowany bombardowaniem neutronami. 10 10 10

Promieniowanie beta ( ) - emisja elektronu (β-), pozytonu (β+), lub Wyróżnia się kilka rodzajów promieniowania jonizującego: - Promieniowanie gamma ( ) - emisja kwantu γ ze wzbudzonego jądra: Ten typ promieniowania jest falą elektromagnetyczną tak jak światło tylko, o znacznie wyższej energii. Podobnie jak kwanty promieniowania widzialnego kwanty γ nie posiadają masy ani ładunku. Podczas tej przemiany jest emitowany kwant γ ze wzbudzonego jądra. Liczba protonów i neutronów pozostaje niezmieniona. Promieniowanie beta ( ) - emisja elektronu (β-), pozytonu (β+), lub wychwyt elektronu (wychwyt K) Przemiana (β-): Przemiana (β+): Wychwyt K: Rozpad β jest procesem, podczas którego z jądra radioaktywnego atomu następuje emisja elektronu (β-) lub pozytonu (β+) w raz z jednoczesną emisją cząstki zwanej antyneutrinem elektronowym lub neutrinem elektronowym. Neutrino i antyneutrino są cząstkami praktycznie nie posiadającymi masy, ale podczas emisji unoszą ze sobą część energii wyzwolonej podczas procesu rozpadu. Ponieważ emitowany elektron powstaje z przemiany jądrowej, nazywamy go cząstką β dla odróżnienia go od elektronu orbitującego wokół jądra. 11 11 11

- Promieniowanie alfa ( ) - emisja cząstki alfa: Podczas rozpadu α następuje emisja strumienia jąder atomów helu; cząstka α to stabilna struktura składająca się z 2 protonów i 2 neutronów.  Promieniowanie α towarzyszy jedynie przemianom jąder ciężkich, takich jak: (U), (Th) i (Ra). Jądra tych atomów są niezmiernie bogate w neutrony (posiadają ich dużo więcej niż protonów).  - Promieniowanie neutronowe - polega na uwolnieniu energii z atomu w formie neutralnych elektrycznie, choć obarczonych względnie sporą masą cząstek. Neutrony mogą być emitowane podczas reakcji rozszczepienia jąder atomowych oraz w procesie rozpadu niektórych radionuklidów. 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. Akcelerator kołowy 12 12 12

Szeregi promieniotwórcze Szeregi promieniotwórcze - grupy pierwiastków, z których kolejne rozpady alfa i beta "przeprowadzają" jeden pierwiastek w drugi. Przemiana β nie zmienia liczby masowej jądra a przemiana α zmienia tę liczbę o 4. Mogą istnieć cztery różne rodziny promieniotwórcze, których jądra mają liczby masowe odpowiednio równe: 4n (szereg torowy), 4n+1 (szereg neptunowy), 4n +2 (szereg uranowo-radowy) i 4n+3 (szereg uranowo-aktynowy), gdzie n jest liczbą całkowitą. Produktami końcowymi łańcucha przemian w szeregach promieniotwórczych  są pierwiastki trwałe izotopy ołowiu oraz - dla szeregu neptunowego izotop bizmutu. Właśnie z tymi przemianami wiąże się obfite występowanie ołowiu w niektórych złożach i rudach, w których stwierdzono promieniotwórczość. 13 13 13

Reaktory, akceleratory Wytworzone sztucznie przez człowieka promieniowanie jest identyczne z tym pochodzącym ze źródeł naturalnych. Różnica polega na tym, że jądra emitujące promieniowanie powstają, m.in. w reaktorach i akceleratorach. Reaktory W Polsce pracuje jeden reaktor badawczy Maria w Instytucie Energii Atomowej w Świerku. Moc maksymalna tego reaktora wynosi 33 MW. Wykorzystywany jest do badań naukowych, produkcji izotopów na potrzeby przemysłu i medycyny. Reaktor Maria 14 14 14

Akceleratory Sztucznymi źródłami promieniowania są m.in. akceleratory. Wytwarzają one wiązkę promieniowania np. elektronów, poprzez przyspieszanie naładowanych cząstek w polu elektromagnetycznym. W Polsce akceleratory stosuje się w szpitalach do leczenia nowotworów. Do celów naukowych wykorzystywany jest cyklotron (rodzaj akceleratora), który znajduje się w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu Warszawskiego. Jest to najlepsze tego typu urządzenie w Europie Środkowowschodniej. Cyklotron ma średnicę dwóch metrów i może przyspieszać jony węgla do energii 10 MeV na jeden nukleon. Umożliwia to badanie reakcji jądrowych przy średnich energiach. Może być również wykorzystywany do produkcji izotopów niezbędnych w medycynie i przemyśle. Jak sądzisz w jakiej odległości od Ciebie znajduje się do najbliższy akcelerator? Odpowiedź: około 60-100 centymetrów! Tak, Twój monitor ma wbudowany akcelerator elektronów, które przyspieszane napięciem ok 20000 woltów uderzają w luminofor i w ten sposób tworzą obraz. Oczywiście dotyczy to monitorów i telewizorów klasycznych tzn. nie LCD (ciekłokrystalicznych). 15 15 15

3. W miejsce liter X, Y, Z wpisz konkretne nuklidy: 23492U X Y ZADANIA: Oblicz po ile protonów, neutronów i elektronów znajduje się w atomach następujących pierwiastków: 10 B, 14 N, 40 Ca. Oblicz średnią masę atomową tlenu, jeżeli wiesz, że pierwiastek ten zawiera trzy izotopy o liczbach masowych 16, 17 i 18, przy czym zawartość 16 O wynosi 99,76%, 17 O – 0,048%, a 18 O – 0,2%. 3. W miejsce liter X, Y, Z wpisz konkretne nuklidy: 23492U X Y 146C Z 4. Okres półtrwania promieniotwórczego izotopu platyny 193Pt wynosi 50 lat. Oblicz masę tego izotopu, która pozostanie po 200 latach, jeżeli masa początkowa próbki wyniosła 4 g. 5. Przedstaw w formie kilku zdań najważniejsze wydarzenia z życia Marii Skłodowskiej – Curie. α Β- Β- 16 16 16