MGP – PIERWIASTKI PROMIENIOTWÓRCZE WOKÓŁ NAS

Dane INFORMACYJNE Nazwa szkoły: Zespół Szkół Leśnych im. Jana Kloski w Goraju, Liceum Ogólnokształcące im. Bogusława X w Białogardzie ID grupy: 97/85_MF_G2 97/58_MF_G2 Opiekun: Katarzyna Mituta Jerzy Nowosielski Kompetencja: matematyczno - fizyczna Temat projektowy: AS TK 75 „Pierwiastki promieniotwórcze wokół nas” Semestr/rok szkolny: Semestr III / rok szkolny 2010/2011

promieniowanie jonizujące? Co to jest promieniowanie jonizujące? Promieniowanie to zjawisko wysyłania przez substancję energii w postaci cząstek bądź fal elektromagnetycznych. Promieniowanie jonizujące jest promieniowaniem wywołującym jonizację ośrodka, przez który przechodzi. Zamienia obojętne atomy budujące materię w jony obdarzone ładunkiem. Substancję zdolną do emisji takiego promieniowania nazywamy substancją promieniotwórczą. Źródłem promieniowania jonizującego są przemiany jądrowe zachodzące w jądrze atomowym i wyzwalające energię odpowiedzialną za proces jonizacji.

Źródła promieniowania Materia składa się z atomów. Atomy tego samego pierwiastka mogą się jednak różnić masą, są to izotopy. Jądra niektórych izotopów są nietrwałe, ulegają samorzutnemu rozpadowi wysyłając przy tym promieniowanie i przekształcając się w nowe jądra innego pierwiastka. Są to izotopy promieniotwórcze (radioaktywne) zwane nuklidami promieniotwórczymi lub radionuklidami. Znanych jest około 60 naturalnych izotopów promieniotwórczych, które są obecne w środowisku człowieka. Należą do nich min. węgiel-14, potas-40, oraz izotopy tzw. szeregów promieniotwórczych uranu-238 i toru-232. Sztuczne izotopy wytwarza się przez bombardowanie jąder stabilnych izotopów strumieniem neutronów, protonów lub jądrami lekkich pierwiastków. Powstają wtedy izotopy innych pierwiastków, najczęściej naturalnie nie występujących w przyrodzie.

Naturalne izotopy promieniotwórcze Główne izotopy naturalne obecne w skorupie ziemskiej, charakteryzujące się czasem połowicznego rozpadu zbliżonym do wieku Ziemi, to tor 232Th, uran 238U oraz uran 235U. Izotopy te dają początek szeregom promieniotwórczym (ciągom przemian jądrowych, w wyniku których powstają inne naturalne radionuklidy). Istnieją trzy szeregi promieniotwórcze: torowy, uranowo-radowy i uranowo-aktynowy. Wszystkie one kończą się trwałymi izotopami ołowiu Pb. W skład tych trzech szeregów promieniotwórczych wchodzą izotopy odpowiadające 12 pierwiastkom. Są to tal Tl, ołów Pb, bizmut Bi, polon Po, astat At, radon Rn, frans Fr, rad Ra, aktyn Ac, tor Th, protaktyn Pa i uran U. Tylko jeden z nich jest gazem (radon), pozostałe to metale ciężkie. Izotopami promieniotwórczymi powstającymi pod wpływem promieniowania kosmicznego są np. tryt 3H, węgiel 14C.

Sztuczne izotopy promieniotwórcze Zjawisko sztucznej promieniotwórczości odkryte zostało w 1934 roku. Reakcją prowadzącą do tego odkrycia była reakcja  105B +42He -› 137N + 10n Produkt tej reakcji ulegał dalszej przemianie 137N -› 136C + e+. Sztuczne radioizotopy można otrzymywać w laboratorium, gdzie powstaje nowy pierwiastek oraz dochodzi do emisji kwantów gamma, cząstek α, protonów lub neutronów. Przykładem są transuranowce położone w układzie okresowym za uranem oraz inne izotopy wytwarzane jedynie w laboratoriach. Najpowszechniej stosowane sztuczne radioizotopy to: ameryk 241Am, kobalt 60Co, tal 204Tl. Inne znane radionuklidy otrzymywane sztucznie to neptun Np, pluton Pu, kiur Cm, berkel Bk, kaliforn Cf, nobel No, lorens Lr. Izotopy te z racji bardzo zróżnicowanych właściwości znajdują niezwykle szerokie zastosowanie.

Rodzaje przemian jądrowych Wyróżniamy następujące podstawowe przemiany jądrowe: Przemiana α, przemiana ß, wychwyt K, przemiana gamma. Efektem tych przemian są cząstki różniące się energią i przenikalnością, a przez to również szkodliwością dla organizmów żywych. Największą przenikalnością cechuje się promieniowanie gamma, średnią promieniowanie ß, zaś najmniejszą promieniowanie α. Poszczególne rodzaje promieniowania są też zróżnicowane pod względem zdolności do jonizacji napotykanego ośrodka. Najbardziej jonizujące jest promieniowanie gamma, najmniej promieniowanie α. Przemiany naturalne Przemiany sztuczne Rozpad α Reakcje jądrowe Rozpad β Rozszczepienia jądrowe inne Fuzje jądrowe

Promieniowanie α Przemianie α ulegają przede wszystkim ciężkie jądra atomowe np. 238U, 226Ra, 232Th, 210Po, 241Am.  Emitują one wskutek rozpadu cząstki α będące dodatnimi jonami helu He2+, czyli cząstkami zawierającymi 2 neutrony i 2 protony. Cząstki α mają bardzo krótki zasięg, rzędu kilku cm, co jest wynikiem ich dużych rozmiarów (kartka papieru czy naskórek całkowicie je zatrzymują). Cząstki α mają jednak dużą energię: 4-9 MeV. Energia emitowanej cząstki jest charakterystyczna dla danego rozpadu. Duża energia cząstek α sprawia, że α -promieniotwórcze izotopy są niebezpieczne w bezpośrednim kontakcie z komórkami ciała ludzkiego (bardzo silnie jonizują tkanki, co prowadzi do ich poważnych uszkodzeń i choroby popromiennej). Wskutek emisji cząstki α , liczba masowa pierwiastka ulega zmniejszeniu o cztery jednostki masowe, a liczba atomowa zmniejsza się o dwie jednostki. Przemiana ? Przemianie ? ulegają przede wszystkim ciężkie jądra atomowe np. 238U, 226Ra, 232Th, 210Po, 241Am.  Cząstki ? mają bardzo krótki zasięg, rzędu kilku cm, co jest wynikiem ich dużych rozmiarów. Kartka papieru czy naskórek całkowicie je zatrzymują. Cząstki ? mają jednak dużą energię, 4-9 MeV. Energia emitowanej cząstki jest charakterystyczna dla danego rozpadu. Emitowana jest cząstka o ściśle określonej energii bądź emitowane są leżące blisko siebie pasma energetyczne. Widmo promieniowania ? jest więc widmem dyskretnym (pasmowym). Duża energia cząstek ? sprawia, że ?-promieniotwórcze izotopy są niebezpieczne w bezpośrednim kontakcie z komórkami ciała ludzkiego np. po połknięciu danego radionuklidu. Powstające wewnątrz organizmu cząstki ? bardzo silnie jonizują tkanki, co prowadzi do ich poważnych uszkodzeń i choroby popromiennej. Znanym przykładem skażenia organizmu pierwiastkiem ?-promieniotwórczym jest przypadek otrucia Aleksandra Litwinienki polonem-210. Emitują one wskutek rozpadu cząstki ? będące dodatnimi jonami helu He2+, czyli cząstkami zawierającymi 2 neutrony i 2 protony. Wskutek emisji cząstki ?, liczba masowa pierwiastka ulega zmniejszeniu o cztery jednostki masowe, a liczba atomowa zmniejsza się o dwie jednostki. Atom, który uległ przemianie jądrowej, znajduje się w stanie wzbudzonym i dlatego cząstkom ? często towarzyszy emisja kwantu ? związana z powrotem atomu do stanu podstawowego. Przykładem przemiany ? jest rozpad radu-226, w wyniku którego powstaje radon-222. 22688Ra › 22286Rn + 42He

Promieniowanie β Przemiany ß polegają na zmianie składu jądra atomowego w celu zwiększenia jego stabilności. Wyróżniamy kilka typów tych przemian: ß-, ß+, wychwyt K. Pierwiastki promieniotwórcze występujące naturalnie w środowisku ulegają przemianie ß- oraz wychwytowi K. Przemiana ß+ jest charakterystyczna przede wszystkim dla radionuklidów otrzymywanych sztucznie. Promieniowanie β minus Przemiana ß- polega na rozpadzie neutronu na proton, elektron i antyneutrino. 10n -› 11p + 0-1e + v  Ulegają jej jądra atomowe z liczbą neutronów większą od liczby protonów. Dzięki tej przemianie jądra atomowe zmniejszają nadmiar neutronów. W wyniku przemiany ß- liczba masowa pierwiastka promieniotwórczego nie zmienia się, liczba atomowa natomiast zwiększa się o jeden. AZX -›  AZ+1Y + ß-  Przykładem przemiany ß- jest przemiana trytu (izotop wodoru 3H) w hel lub węgla-14 w azot.

Promieniowanie β Promieniowanie β plus Przemiana ß+ polega na przemianie protonu w neutron, pozyton(dodatni elektron) i neutrino. Zachodzi w jądrach z nadmiarem protonów. 11p › 10n + e+ + v  W wyniku tej przemiany liczba masowa pierwiastka nie zmienia się, zaś liczba atomowa zwiększa się o jeden. Wychwyt K Wychwyt K to przemiana polegająca na wychwyceniu przez jądro elektronu, który znajduje się na orbicie najbliższej jądra (zwykle jest to orbita K, czasami L). Przemiana prowadzi do zamiany jednego protonu w neutron, czego wynikiem jest zmniejszenie liczby atomowej pierwiastka o jeden.

Promieniowanie gamma Promieniowanie gamma powstaje podczas powrotu atomu ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego. W czasie emisji kwantu gamma nie dochodzi do zmiany masy ani ładunku jądra atomowego. W czasie tego przejścia emisji ulegają kwanty gamma o energii charakterystycznej dla danego pierwiastka promieniotwórczego. Promieniowanie gamma towarzyszy innym przemianom jądrowym. Jego źródłem są również procesy: rozpadu jąder, syntezy jąder oraz anihilacji . Cechuje się dużym zasięgiem. Nazywane jest z tego względu promieniowaniem przenikliwym. Oddziałuje z materią w trojaki sposób poprzez: zjawisko fotoelektryczne, efekt Comptona, utworzenie par elektron-pozyton.

Sztuczne przemiany promieniotwórcze Rozszczepienie jądra atomowego  to przemiana jądrowa polegająca na rozpadzie jądra na dwa (rzadziej na więcej) fragmenty o zbliżonych masach. Zjawisku towarzyszy emisja neutronów, a także kwantów gamma, które unoszą znaczne ilości energii. Największe praktyczne znaczenie ma rozszczepienie wymuszone wywołane zderzeniem z neutronami (w energetyce i wojskowości). Rozszczepienie samorzutne są istotne w metodach datowania radioizotopowego.  

Sztuczne przemiany promieniotwórcze Fuzja jądrowa: Reakcja termojądrowa, synteza jądrowa lub fuzja jądrowa – zjawisko polegające na złączeniu się dwóch lżejszych jąder w jedno cięższe, w wyniku fuzji mogą powstawać obok nowych jąder też wolne neutrony, protony, cząstki elementarne i cząstki alfa. Przedrostek termo pochodzi od głównego sposobu, w jaki wywoływana jest ta reakcja w gwiazdach i bombie wodorowej, czyli przez podniesienie temperatury do kilkunastu milionów kelwinów. W skali atomowej oznacza to bardzo dużą energię zderzenia cząstek. Istnieje hipoteza, że synteza jądrowa może zachodzić również w niższych temperaturach (zimna fuzja).

Mała czy duża radioaktywność? Aktywność nuklidu promieniotwórczego to liczba rozpadów promieniotwórczych, jakim ulega dany radionuklid w jednostce czasu. Aktywność wyrażana jest w bekerelach [Bq], jeden Bq to jeden rozpad na sekundę. Kiedyś aktywność wyrażano w kiurach Ci (1Ci = 37GBq). Często używa się też jednostki zwanej aktywnością właściwą, która oznacza liczbę rozpadów promieniotwórczych przypadającą na daną masę substancji w jednostce czasu i wyrażana jest w Bq/kg. Oto przykłady: Przykład Aktywność (Bq/kg) cez-137 w mleku (w 1996r.) 0,2-10 potas-40 w mleku (w 1996r) 40 Woda w Wiśle 0,1 1 kg nawozu ( superfosfat) 500 Ciało człowieka (ok.70 kg) 3500 1 t popiołu ze spalania węgla 2 MBq

Czy aktywność jest niezmienna? Substancje promieniotwórcze ulegają rozpadowi – ich aktywność zmniejsza się z upływem czasu. Czas po upływie, którego aktywność maleje do połowy nazywa się okresem połowicznego rozpadu (T1/2). Różne radioizotopy charakteryzują się różnymi okresami połowicznego rozpadu. Przykłady Radioizotop T1/2 Radon-222 91 godz. Kobalt-60 5,3 roku Stront-90 28 lat Cez-137 30 lat Rad-226 1600 lat Potas-40 Miliard lat

Okres połowicznego rozpadu Ilustracja ubytku masy od czasu dla radioizotopu jodu-131 o okresie połowicznego rozpadu 8 dni. t (dni) m 160 8 80 16 40 24 20 32 10 5 48 2,5 56 1,25

Dawki promieniowania Promieniowanie jonizujące przechodząc przez ciało żywych istot czy ośrodki nieożywione jest w nim pochłaniane – oddaje mu swoją energię. Miarą pochłaniania promieniowania jonizującego jest dawka pochłonięta, jednostką jest grej (Gy). Dawka pochłonięta wynosi 1 Gy, gdy 1 kg materii pochłania energię 1 dżula. Moc dawki pochłoniętej to wartość dawki w jednostce czasu, to szybkość przekazywania energii ośrodkowi materialnemu. Jednostką jest 1 Gy/h. Moc dawki w Polsce utrzymuje się w przedziale 50 – 125 nGy/h. Do oceny skutków biologicznych napromieniowania organizmu człowieka nie wystarcza informacja o dawce pochłoniętej, skutki biologiczne zależą od rodzaju promieniowania, narządu oraz rodzaju tkanki. (dawka skuteczna mierzona w siwertach (Sv))  Za najbardziej wrażliwe na promieniowanie jonizujące organy uznaje się gonady i szpik kostny. Statystyczny Polak otrzymuje w ciągu roku od naturalnych źródeł promieniowania dawkę 2,7 mSv, a ze źródeł sztucznych (medycznych)- dodatkowo 0,9 mSv. – norma to nie więcej niż 1 mSv na rok!!!

Skutki napromieniowania ciała ludzkiego w zależności od pochłoniętej dawki Dawka (Sv) Skutki napromieniowania 0,25 Brak wykrywalności skutków klinicznych 0,25 - 0,50 Zmiany obrazu krwi 0,50 – 1,00 Mdłości, zmęczenie 1,00 – 2,00 Mdłości, wymioty, zmniejszona żywotność, 2,00 – 4,00 Mdłości , wymioty, pewna liczba zgonów 4,00 – 6,00 50% zgonów w ciągu 2 – 6 tygodni 6,00 i więcej Prawie 100% zgonów

Jak chronić się przed promieniowaniem? Ochrona radiologiczna to zapobieganie narażeniu ludzi i środowiska, a w przypadku braku możliwości zapobieżenia takim sytuacjom. Zasada ALARA (As Low As Reasonably Achievable) – „Tak mało jak to jest rozsądnie osiągalne”. dawka promieniowania, jaką otrzymujemy jest zależna od czasu ekspozycji na działanie promieniowania a natężenie promieniowania jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości od źródła promieniowania. promieniowanie jest pochłaniane (całkowicie bądź częściowo) przez osłony, czyli materiał umieszczony pomiędzy źródłem promieniowania a człowiekiem. Podstawowe zasady ochrony radiologicznej: Im krótszy czas narażenia tym mniejsza dawka promieniowania! Im dalej tym bezpieczniej! Osłona osłabia promieniowanie!

Osłony radiologiczne: W przypadku promieniowania α wystarczy odsunąć się od źródła na 10 cm. W celu ochrony przed promieniowaniem ß stosuje się osłony ze szkła, aluminium lub tworzywa sztucznego np. ekran z pleksiglasu. Przed promieniowaniem gamma ochroni nas osłona ołowiana. Ochronę przed neutronami stanowi osłona z kadmu lub osłona betonowa z dodatkiem soli baru bądź żelaza. W celu spowolnienia neutronów zanim dotrą one do osłony stosuje się parafinę. Przy konstrukcji osłon ważna jest grubość zastosowanego materiału oraz jego trwałość. Grubość powinna być tak dobrana, by energia promieniowania zużywała się na jonizację osłony, a promieniowanie nie docierało do człowieka znajdującego się za osłoną. Podczas pracy z izotopami promieniotwórczymi należy zakładać odzież ochronną (fartuch, rękawiczki) oraz okulary. Odzież ta nie może być wynoszona na zewnątrz pracowni, w której pracujemy. Nie zbliżamy się do przedmiotów i urządzeń oznaczonych odpowiednim piktogramem :

Promieniowanie jonizujące wróg czy przyjaciel? Promieniowanie traktowane jest jako źródło zagrożenia dla człowieka i środowiska. Promieniowanie kojarzy się na ogół ze szkodliwym wpływem na organizm ludzki. Stąd ogromny strach przed nim i niechęć do elektrowni jądrowych. Negatywny stosunek do broni jądrowej. Niechęć do odpadów radioaktywnych. Nie można jednak zapominać o zastosowaniu promieniowania w medycynie do naświetleń komórek nowotworowych, sterylizacji urządzeń, tomografii komputerowe, archeologii i innych. Promieniowanie wykorzystywane jest również do napromieniowania żywności w celu przedłużenia jej przydatności do spożycia.

Zastosowanie radionuklidów: Chrom-51 Badanie krwi Ameryk-241 Czujniki dymu Fluor-18 FPET – diagnostyka nowotworów Fosfor-32 Jod-123 Diagnostyka chorób tarczycy Kobalt-60 Bomba kobaltowa w terapii nowotworowej, sterylizacja narzędzi, konserwacja żywności, Rad-226 Radioterapia z igłami radowymi Tal-204 Grubościomierze do pomiaru grubości materiału Technet-99 Medycyna nuklearna - radioizotop Tryt-3 Badania metabolizmu, farby luminescencyjne Uran-235 Paliwo w elektrowniach jądrowych Węgiel-14 Zegar archeologiczny Wapń-47 Wykrywanie nowotworu kości

Energetyka jądrowa Elektrownia jądrowa – obiekt przemysłowo-energetyczny (elektrownia cieplna), wytwarzający energię elektryczną poprzez wykorzystanie energii pochodzącej z rozszczepienia jąder atomów, najczęściej uranu (uranu naturalnego lub nieco wzbogaconego w izotop 235U), w której ciepło konieczne do uzyskania pary wodnej, jest otrzymywane z reaktora jądrowego. Elektrownia jądrowa- Kashiwazaki Kariwa (Japonia) 5 x 1067 MWe i 2 x 1315 MWe Elektrownia jądrowa w Cattenom, Francja)

Energetyka jądrowa Historia elektrowni atomowej: Pierwsza elektrownia jądrowa, o mocy 5 MW powstała w 1954 r. w Obnińsku (ZSRR). Produkcja prądu nie była jednak w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych głównym zadaniem elektrowni jądrowych. Pierwszoplanowym celem ich budowy była produkcja wzbogaconego materiału rozszczepialnego do produkcji broni atomowej. W latach siedemdziesiątych zaczęło gwałtownie przybywać bloków energetycznych z reaktorami atomowymi. Na świecie uruchamiano kilkanaście reaktorów rocznie (dla porównania w latach 1980-1989 średnio 22, a 1990-2004 – 5). Obecnie przeciętne elektrownie mają moc ok. 1000-2000 MW.

Energetyka jądrowa Energetyka Jądrowa w Polsce: W Polsce planuje się uruchomienie do 2022 roku pierwszej elektrowni jądrowej, a do roku 2030 mają powstać elektrownie o łącznej mocy co najmniej 6000 MWe.

Energetyka jądrowa za i przeciw Wyczerpanie się paliw kopalnych. Niskie koszty wytwarzania energii. Z uranu produkuje się więcej energii niż z takiej samej ilości węgla. Nie produkuje się popiołu gazów zanieczyszczających środowisko. Przeciw: Wysokie koszty budowy. Ryzyko awarii prowadzącej do skażenia środowiska. Niebezpieczeństwo składowania odpadów radioaktywnych i związane z tym ryzyko skażenia środowiska. Zmiany w ekosystemach spowodowane odprowadzaniem do rzek ciepłej wody ( użytej w procesie technologicznym).

Zakończenie Dziękujemy za uwagę Promieniowanie było zawsze. Wtedy, gdy tworzyła się Ziemia, gdy powstawało życie na Ziemi, jest obecne i będzie nadal. Nie uda się całkowicie uniknąć oddziaływania promieniowania, jesteśmy na nie skazani. Promieniowanie stwarza zagrożenie, ale przynosi też wielkie korzyści. Im mniej wiemy o jakimś zjawisku, tym większy budzi w nas lęk. Warto wiedzieć więcej!!!! Dziękujemy za uwagę