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 promieniotwórczymiizotopy promieniotwórczeizotopami 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 ($\text{Z = 43}$) i promet ($\text{Z = 61}$) oraz pierwiastki o liczbie atomowej większej niż 82.

ReJoArc215aWc1

Ilustracja przedstawia schemat ilustrujący podział pierwiastków występujących w przyrodzie. Schemat rozwija się od lewej do prawej strony na kolejne bloki. Najbardziej podstawowy typ podziału to pierwiastki trwałe, których liczba atomowa jest mniejsza niż 83 (z wyjątkiem technetu i prometu o liczbach atomowych odpowiednio 43 i 61) oraz pierwiastki promieniotwórcze, czyli takie, których liczba atomowa jest większa niż 82 plus technet i promet. W przypadku pierwiastków promieniotwórczych w schemacie następuje uszczegółowienie cech charakterystycznych: składają się tylko z izotopów nietrwałych, czyli promieniotwórczych, zwanych też radioizotopami i z tego powodu ulegają rozpadowi w różnym czasie. W przypadku pierwiastków trwałych schemat przewiduje dalszy podział: na te, które zawierają jeden trwały izotop, czego przykładem są glin i kobalt oraz mieszaniny różnych izotopów. Ta druga grupa podlega dalszemu, ostatniemu już podziałowi: na mieszaniny składające się tylko z izotopów trwałych oraz takie, w których obok izotopów trwałych pojawiają się niewielkie ilości izotopów nietrwałych.

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.

Rz3qXOWyhLtyv1

Porównanie stopnia rozpadu wybranych izotopów promieniotwórczych

Porównanie stopnia rozpadu wybranych izotopów promieniotwórczych

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Porównanie stopnia rozpadu wybranych izotopów promieniotwórczych

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.

RIQ1ZB3TSW86P1

Ilustracja przedstawia tabelę opisującą trzy rodzaje promieniowania jądrowego. Składa się ona z trzech wierszy. Licząc od góry są to: rodzaj promieniowania, model graficzny oraz rodzaj cząstki wchodzącej w skład promieniowania. Pierwszy rodzaj to promieniowanie cząstek alfa, które mają postać jąder atomów helu 4, czyli zawierających dwa protony i dwa neutrony. Drugi rodzaj promieniowania, beta, to po prostu pojedyncze elektrony. Trzeci typ, czyli promieniowanie gamma to promieniowanie elektromagnetyczne.

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.

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.

R1vj0FvkMVW4W1

Prezentacja wideo ilustruje przenikalność promieniowania cząstek alfa, beta i gamma. Po lewej stronie kadru znajduje się żółte pudełko oznaczone symbolem promieniotwórczości symbolizujące źródło promieniowania. Po prawej, znajdują się kolejno kartka papieru, arkusz blachy aluminiowej i gruba płyta ołowiana. Następuje emisja promieniowania alfa symbolizowana czerwoną strzałką, która zatrzymuje się na kartce papieru. Emisja promieniowania beta symbolizowana niebieską strzałką przenika przez papier i zatrzymuje się na arkuszu aluminium. Emisja promieniowania gamma symbolizowana zieloną strzałką przenika papier oraz blachę i jest pochłaniana dopiero przez ołowianą płytę.

Prezentacja wideo ilustruje przenikalność promieniowania cząstek alfa, beta i gamma. Po lewej stronie kadru znajduje się żółte pudełko oznaczone symbolem promieniotwórczości symbolizujące źródło promieniowania. Po prawej, znajdują się kolejno kartka papieru, arkusz blachy aluminiowej i gruba płyta ołowiana. Następuje emisja promieniowania alfa symbolizowana czerwoną strzałką, która zatrzymuje się na kartce papieru. Emisja promieniowania beta symbolizowana niebieską strzałką przenika przez papier i zatrzymuje się na arkuszu aluminium. Emisja promieniowania gamma symbolizowana zieloną strzałką przenika papier oraz blachę i jest pochłaniana dopiero przez ołowianą płytę.

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Prezentacja wideo ilustruje przenikalność promieniowania cząstek alfa, beta i gamma. Po lewej stronie kadru znajduje się żółte pudełko oznaczone symbolem promieniotwórczości symbolizujące źródło promieniowania. Po prawej, znajdują się kolejno kartka papieru, arkusz blachy aluminiowej i gruba płyta ołowiana. Następuje emisja promieniowania alfa symbolizowana czerwoną strzałką, która zatrzymuje się na kartce papieru. Emisja promieniowania beta symbolizowana niebieską strzałką przenika przez papier i zatrzymuje się na arkuszu aluminium. Emisja promieniowania gamma symbolizowana zieloną strzałką przenika papier oraz blachę i jest pochłaniana dopiero przez ołowianą płytę.

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.

RLZc7S1ydonR41

Film poświęcony życiu i pracy naukowej Marii Skłodowskiej-Curie. Rozpoczyna go plansza z czarno-białym zdjęciem młodej Marii, imionami i nazwiskiem panieńskim oraz datą urodzenia. Następuje zmiana zdjęcia na przedstawiające dorosłą kobietę. Zmiana ujęcia na mapę dziewiętnastowiecznej Europy. Zaznaczone są na niej dwa miasta: Warszawa i Paryż oraz strzałka wiodąca od pierwszego do drugiego. Zmiana widoku na zdjęcie przedstawiające budynek Wydziału Nauk Ścisłych Sorbony. Pojawia się lista przedmiotów studiowanych tam przez Marię. Kolejne pojawiające się napisy dotyczą uzyskania licencjatu z fizyki w 1893 roku i licencjatu z matematyki w 1894 roku. Następuje zmiana planszy na rysunek przedstawiający uczoną przy stole laboratoryjnym z małą kolbą w lewej ręce. Zmiana na podpisane zdjęcie Marii z mężem Piotrem. Zmiana planszy na zdjęcie Marii w laboratorium, podpis dotyczy rozpoczęcia pracy doktorskiej w 1897 roku. Zmiana ujęcia na zdjęcie przedstawiające wnętrze laboratorium i trzy znajdujące się w nim osoby. Licząc od lewej: stojący i patrzący w obiektyw Henri Becquerel, Piotr Curie oraz Maria Skłodowska-Curie siedząca przy stole i patrząca w lewo poza kadr. Zdjęcie ulega wygaszeniu, na jego tle pojawiają się prostokąty z napisami Rad oraz Polon. Pod nazwą Polon pojawia się mapa Polski. Zmiana planszy na przedstawiającą trzy zdjęcia: Marii Skłodowskiej-Curie, Piotra Curie i Henriego Becquerela. Zmiana ujęcia na planszę przedstawiającą reprodukcję potwierdzenia uzyskania nagrody Nobla dla Marii i Piotra Curie. Zmiana planszy na zdjęcie Marii z córkami. Zmiana ujęcia na dwa zdjęcia przedstawiające Marię przy pracy. Zmiana planszy na podpisane nazwiskiem zdjęcie przedstawiające Marię w średnim wieku na pustym tle. Obok pojawia się podpis: 1911 rok, druga Nagroda Nobla za badania nad radem. Zmiana planszy, pojawia się zdjęcie upamiętniające rozpoczęcie budowy Instytutu Radowego w Paryżu z Marią otwierającą uroczyście budowę. Zmiana planszy na rysunek budynku z napisem Universite de Paris. Zmiana planszy na zawierającą zdjęcie Marii Skłodowskiej-Curie za kierownicą samochodu dostawczego będącego w rzeczywistości mobilną stacją do wykonywania prześwietleń oraz rysunek dwóch osób w fartuchach lekarskich w jasnym wnętrzu. Zmiana planszy na zdjęcie Marii i stojącej obok niej czarnowłosej kobiety, córki Ireny przy pracy. Zmiana planszy na zawierającą zdjęcie starszej Marii siedzącej przy biurku. Zmiana planszy na zdjęcie krypty Marii Curie-Skłodowskiej wraz z informacją tekstową o jej dacie śmierci.

Film poświęcony życiu i pracy naukowej Marii Skłodowskiej-Curie. Rozpoczyna go plansza z czarno-białym zdjęciem młodej Marii, imionami i nazwiskiem panieńskim oraz datą urodzenia. Następuje zmiana zdjęcia na przedstawiające dorosłą kobietę. Zmiana ujęcia na mapę dziewiętnastowiecznej Europy. Zaznaczone są na niej dwa miasta: Warszawa i Paryż oraz strzałka wiodąca od pierwszego do drugiego. Zmiana widoku na zdjęcie przedstawiające budynek Wydziału Nauk Ścisłych Sorbony. Pojawia się lista przedmiotów studiowanych tam przez Marię. Kolejne pojawiające się napisy dotyczą uzyskania licencjatu z fizyki w 1893 roku i licencjatu z matematyki w 1894 roku. Następuje zmiana planszy na rysunek przedstawiający uczoną przy stole laboratoryjnym z małą kolbą w lewej ręce. Zmiana na podpisane zdjęcie Marii z mężem Piotrem. Zmiana planszy na zdjęcie Marii w laboratorium, podpis dotyczy rozpoczęcia pracy doktorskiej w 1897 roku. Zmiana ujęcia na zdjęcie przedstawiające wnętrze laboratorium i trzy znajdujące się w nim osoby. Licząc od lewej: stojący i patrzący w obiektyw Henri Becquerel, Piotr Curie oraz Maria Skłodowska-Curie siedząca przy stole i patrząca w lewo poza kadr. Zdjęcie ulega wygaszeniu, na jego tle pojawiają się prostokąty z napisami Rad oraz Polon. Pod nazwą Polon pojawia się mapa Polski. Zmiana planszy na przedstawiającą trzy zdjęcia: Marii Skłodowskiej-Curie, Piotra Curie i Henriego Becquerela. Zmiana ujęcia na planszę przedstawiającą reprodukcję potwierdzenia uzyskania nagrody Nobla dla Marii i Piotra Curie. Zmiana planszy na zdjęcie Marii z córkami. Zmiana ujęcia na dwa zdjęcia przedstawiające Marię przy pracy. Zmiana planszy na podpisane nazwiskiem zdjęcie przedstawiające Marię w średnim wieku na pustym tle. Obok pojawia się podpis: 1911 rok, druga Nagroda Nobla za badania nad radem. Zmiana planszy, pojawia się zdjęcie upamiętniające rozpoczęcie budowy Instytutu Radowego w Paryżu z Marią otwierającą uroczyście budowę. Zmiana planszy na rysunek budynku z napisem Universite de Paris. Zmiana planszy na zawierającą zdjęcie Marii Skłodowskiej-Curie za kierownicą samochodu dostawczego będącego w rzeczywistości mobilną stacją do wykonywania prześwietleń oraz rysunek dwóch osób w fartuchach lekarskich w jasnym wnętrzu. Zmiana planszy na zdjęcie Marii i stojącej obok niej czarnowłosej kobiety, córki Ireny przy pracy. Zmiana planszy na zawierającą zdjęcie starszej Marii siedzącej przy biurku. Zmiana planszy na zdjęcie krypty Marii Curie-Skłodowskiej wraz z informacją tekstową o jej dacie śmierci.

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Film poświęcony życiu i pracy naukowej Marii Skłodowskiej-Curie. Rozpoczyna go plansza z czarno-białym zdjęciem młodej Marii, imionami i nazwiskiem panieńskim oraz datą urodzenia. Następuje zmiana zdjęcia na przedstawiające dorosłą kobietę. Zmiana ujęcia na mapę dziewiętnastowiecznej Europy. Zaznaczone są na niej dwa miasta: Warszawa i Paryż oraz strzałka wiodąca od pierwszego do drugiego. Zmiana widoku na zdjęcie przedstawiające budynek Wydziału Nauk Ścisłych Sorbony. Pojawia się lista przedmiotów studiowanych tam przez Marię. Kolejne pojawiające się napisy dotyczą uzyskania licencjatu z fizyki w 1893 roku i licencjatu z matematyki w 1894 roku. Następuje zmiana planszy na rysunek przedstawiający uczoną przy stole laboratoryjnym z małą kolbą w lewej ręce. Zmiana na podpisane zdjęcie Marii z mężem Piotrem. Zmiana planszy na zdjęcie Marii w laboratorium, podpis dotyczy rozpoczęcia pracy doktorskiej w 1897 roku. Zmiana ujęcia na zdjęcie przedstawiające wnętrze laboratorium i trzy znajdujące się w nim osoby. Licząc od lewej: stojący i patrzący w obiektyw Henri Becquerel, Piotr Curie oraz Maria Skłodowska-Curie siedząca przy stole i patrząca w lewo poza kadr. Zdjęcie ulega wygaszeniu, na jego tle pojawiają się prostokąty z napisami Rad oraz Polon. Pod nazwą Polon pojawia się mapa Polski. Zmiana planszy na przedstawiającą trzy zdjęcia: Marii Skłodowskiej-Curie, Piotra Curie i Henriego Becquerela. Zmiana ujęcia na planszę przedstawiającą reprodukcję potwierdzenia uzyskania nagrody Nobla dla Marii i Piotra Curie. Zmiana planszy na zdjęcie Marii z córkami. Zmiana ujęcia na dwa zdjęcia przedstawiające Marię przy pracy. Zmiana planszy na podpisane nazwiskiem zdjęcie przedstawiające Marię w średnim wieku na pustym tle. Obok pojawia się podpis: 1911 rok, druga Nagroda Nobla za badania nad radem. Zmiana planszy, pojawia się zdjęcie upamiętniające rozpoczęcie budowy Instytutu Radowego w Paryżu z Marią otwierającą uroczyście budowę. Zmiana planszy na rysunek budynku z napisem Universite de Paris. Zmiana planszy na zawierającą zdjęcie Marii Skłodowskiej-Curie za kierownicą samochodu dostawczego będącego w rzeczywistości mobilną stacją do wykonywania prześwietleń oraz rysunek dwóch osób w fartuchach lekarskich w jasnym wnętrzu. Zmiana planszy na zdjęcie Marii i stojącej obok niej czarnowłosej kobiety, córki Ireny przy pracy. Zmiana planszy na zawierającą zdjęcie starszej Marii siedzącej przy biurku. Zmiana planszy na zdjęcie krypty Marii Curie-Skłodowskiej wraz z informacją tekstową o jej dacie śmierci.

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.

R1SOWsHnKn8IE1

Zdjęcia przedstawiające dawne pielęgniarki i lekarzy używający radu do leczenia guzów i zmian na ówczesnych sprzętach do radioterapii

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.

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.

RWjGAQ3j0pOLn1

Prezentacja interaktywna opisująca zagadnienie promieniotwórczości występującej na Ziemi. Ma ona postać serii ilustracji z elementami, których kliknięcie powoduje pojawienia się dodatkowych danych oraz przycisku Dalej umożliwiającego przejście do kolejnej planszy. Pierwsza plansza opisuje promieniowanie kosmiczne i przedstawia sylwetkę człowieka stojącego na łące pod gołym niebem. Promieniowanie kosmiczne sprawia, że w skład atmosfery wchodzą izotopy węgiel‑14 oraz tryt. Kolejna plansza to zawartość radioizotopów w organizmie człowieka. W jej skład wchodzi tabela ilustrująca zawartość izotopów trytu, węgla‑14, potasu‑40, radu‑226 oraz uranu‑238 w ciele człowieka o masie 70 kg. Ilości te dla danego pierwiastka są w przybliżeniu stałe. Kolejna plansza, powstała z obniżenia się kamery tak, że człowiek na łące pokazywany jest wraz z wycinkiem gleby na której stoi, to promieniotwórczość naturalna związana z izotopami występującymi w przyrodzie od początku istnienia Ziemi. Kolejna plansza, to promieniotwórczość w łańcuchu pokarmowym, ilustrowana obrazkiem krowy oraz strzałką prowadzącą od niej do sylwetki człowieka, zawierającej produkty mleczne: masło, ser i mleko. Ten rodzaj promieniotwórczości związany jest z przenoszeniem się radioizotopów z gleby przez rośliny do organizmów żywych. Ważnym wnioskiem z tej części demonstracji jest to, że każdy składnik przyrody ożywionej i nieożywionej zawiera izotopy promieniotwórcze. Kolejna plansza dotyczy obecności w naszym życiu radonu - jedynego gazowego pierwiastka promieniotwórczego, powstającego w wyniku szeregu przemian z uranu i toru. Wydobywa się on ze skał poprzez szczeliny, z wodą wodociągową i gazem ziemnym, przejawiając tendencję do zalegania w domach. Ostatnią z prezentowanych plansz jest omówienie technologii atomowych ze szczególnym uwzględnieniem prób eksplozji nuklearnych oraz awarii w elektrowniach jądrowych, takich jak wybuch w Czernobylu 1986 roku oraz wyciek w Fukushimie w 2011 roku. Wspomniane są też urządzenia promieniotwórcze stosowane w diagnostyce medycznej, przemyśle i badaniach naukowych.

Prezentacja interaktywna opisująca zagadnienie promieniotwórczości występującej na Ziemi. Ma ona postać serii ilustracji z elementami, których kliknięcie powoduje pojawienia się dodatkowych danych oraz przycisku Dalej umożliwiającego przejście do kolejnej planszy. Pierwsza plansza opisuje promieniowanie kosmiczne i przedstawia sylwetkę człowieka stojącego na łące pod gołym niebem. Promieniowanie kosmiczne sprawia, że w skład atmosfery wchodzą izotopy węgiel‑14 oraz tryt. Kolejna plansza to zawartość radioizotopów w organizmie człowieka. W jej skład wchodzi tabela ilustrująca zawartość izotopów trytu, węgla‑14, potasu‑40, radu‑226 oraz uranu‑238 w ciele człowieka o masie 70 kg. Ilości te dla danego pierwiastka są w przybliżeniu stałe. Kolejna plansza, powstała z obniżenia się kamery tak, że człowiek na łące pokazywany jest wraz z wycinkiem gleby na której stoi, to promieniotwórczość naturalna związana z izotopami występującymi w przyrodzie od początku istnienia Ziemi. Kolejna plansza, to promieniotwórczość w łańcuchu pokarmowym, ilustrowana obrazkiem krowy oraz strzałką prowadzącą od niej do sylwetki człowieka, zawierającej produkty mleczne: masło, ser i mleko. Ten rodzaj promieniotwórczości związany jest z przenoszeniem się radioizotopów z gleby przez rośliny do organizmów żywych. Ważnym wnioskiem z tej części demonstracji jest to, że każdy składnik przyrody ożywionej i nieożywionej zawiera izotopy promieniotwórcze. Kolejna plansza dotyczy obecności w naszym życiu radonu - jedynego gazowego pierwiastka promieniotwórczego, powstającego w wyniku szeregu przemian z uranu i toru. Wydobywa się on ze skał poprzez szczeliny, z wodą wodociągową i gazem ziemnym, przejawiając tendencję do zalegania w domach. Ostatnią z prezentowanych plansz jest omówienie technologii atomowych ze szczególnym uwzględnieniem prób eksplozji nuklearnych oraz awarii w elektrowniach jądrowych, takich jak wybuch w Czernobylu 1986 roku oraz wyciek w Fukushimie w 2011 roku. Wspomniane są też urządzenia promieniotwórcze stosowane w diagnostyce medycznej, przemyśle i badaniach naukowych.

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/Dq1XLas6H

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 siwertemsiwert [Sv]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.

R1WymSDiMAx9O1

Ilustracja przedstawia pierścieniowy wykres kołowy ilustrujący udział różnych źródeł promieniowania w średniej rocznej dawce otrzymanej przez mieszkańca Polski w 2011 roku. Głównym źródłem jest obecność w atmosferze gazowego radonu 222, którego udział w wykresie to nieco ponad 35%, bo 1,201 milisiwertów rocznie. Drugie miejsce zajmuje diagnostyka medyczna z wynikiem 0,850 milisiwertów, trzecie i czwarte to kolejno promieniowanie gamma (0,462 milisiwertów) i promieniowanie kosmiczne (0,390 milisiwertów). Znacznie mniejszy udział mają promieniowanie wewnętrzne (0,279 milisiwertów) oraz tor (0,101 milisiwertów). A rozmaite awarie oraz inne źródła to wartości śladowe poniżej 0,01 milisiwerta.

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 ${}^{\text{222}}\text{Rn}$ – 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.

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).

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.

RaTVAB1gCiRIp1

Film zaczyna się od animacji przedstawiającej jądro uranu-235 składającego się z niebieskich oraz żółtych kulek symbolizujących neutrony i protony. Zza krawędzi kadru do jądra zbliża się wolny neutron w postaci czerwonej kulki i uderza przylegając do niego. Jądro na animacji zaczyna emitować promieniowanie gamma ilustrowane żółtą poświatą, a po chwili rozpada się z wydzieleniem energii na jądro kryptonu-92 i baru-141 oraz trzy wolne neutrony.

Film zaczyna się od animacji przedstawiającej jądro uranu-235 składającego się z niebieskich oraz żółtych kulek symbolizujących neutrony i protony. Zza krawędzi kadru do jądra zbliża się wolny neutron w postaci czerwonej kulki i uderza przylegając do niego. Jądro na animacji zaczyna emitować promieniowanie gamma ilustrowane żółtą poświatą, a po chwili rozpada się z wydzieleniem energii na jądro kryptonu-92 i baru-141 oraz trzy wolne neutrony.

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Film zaczyna się od animacji przedstawiającej jądro uranu-235 składającego się z niebieskich oraz żółtych kulek symbolizujących neutrony i protony. Zza krawędzi kadru do jądra zbliża się wolny neutron w postaci czerwonej kulki i uderza przylegając do niego. Jądro na animacji zaczyna emitować promieniowanie gamma ilustrowane żółtą poświatą, a po chwili rozpada się z wydzieleniem energii na jądro kryptonu-92 i baru-141 oraz trzy wolne neutrony.

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 · 10Indeks górny 7⁷kJ) 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.

Rfagj7vz2zgX41

Działanie elektrowni jądrowej

Działanie elektrowni jądrowej

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Działanie elektrowni jądrowej

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.

R1LthFjTXS8aI1

Ilustracja przedstawia fotografię reaktora Maria w Instytucie Energii Atomowej w Świerku oglądanego od góry. Rdzeń reaktora zanurzony jest w wodzie pełniącej rolę chłodziwa i otacza go jasna niebieska poświata zwana promieniowaniem Czerenkowa.

Podsumowanie

• Pierwiastki promieniotwórcze stanowią mieszaniny nietrwałych izotopów; są to pierwiastki o liczbie atomowej większej niż 82 oraz technet ($\text{Z = 43}$) i promet ($\text{Z = 61}$).

• 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 (${}_{\text{2}}{}^{\text{4}}\text{He}$, 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.

Słowniczek

Maria Salomea Skłodowska‑Curie

R17X6CsnON8q71

Zdjęcie przedstawia Marię Skłodowską-Curie, polską fizyczkę i chemiczkę pracującą we Francji, jedyną dwukrotną laureatkę nagrody Nobla, a zarazem jedynego uczonego w historii, który otrzymał tę nagrodę w dwóch różnych dziedzinach nauk przyrodniczych. Zdjęcie przedstawia ją z profilu podczas odbierania nagrody Nobla z fizyki w 1903 roku.

Maria Salomea Skłodowska-Curie

7.11.1867–4.07.1934

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