Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki

Czy energia jądrowa powinna nas przerażać? Czy niesie ze sobą jedynie niszczycielską moc i zagładę? A może jest jedyną nadzieją człowieka na przetrwanie? W tym rozdziale nie znajdziesz odpowiedzi na te pytania, ale pomoże ci on wyrobić własny pogląd na to, jak odkrycie energii jądrowej wpłynęło na nasze życie.

R1DpmcqRHTeyX
Jednym z najbardziej rozpowszechnionych sposobów wykorzystania promieniowania jądrowego jest leczenie schorzeń nowotworowych. Wpływ promieniowania jonizującego na żywą tkankę stwierdzili już podczas swoich badań Maria Skłodowska‑Curie oraz Pierre Currie (który prowadził doświadczenia w tym zakresie m.in. na sobie), nazywani pionierami medycyny nuklearnej
Źródło: Staff Sgt. Russ Scalf / US Air Force, dostępny w internecie: https://www.flickr.com/ [dostęp 26.05.2022], domena publiczna.
Przed przystąpieniem do zapoznania się z tematem należy znać poniższe zagadnienia
Przed przystąpieniem do zapoznania się z tematem należy znać poniższe zagadnienia
  • rodzaje promieniowania jądrowego i ich właściwości;

  • wpływ promieniowania jonizującego na organizm ludzki;

  • aktywność promieniotwórcza izotopu;

  • prawo rozpadu promieniotwórczego;

  • różnica między promieniotwórczością sztuczną, a naturalną;

  • definicja reakcji jądrowej.

Ich opracowanie znajdziesz materiałach:

Nauczysz się
  • opisywać, jak wykorzystujemy promieniotwórczość sztuczną;

  • wskazywać, gdzie wykorzystywany jest fakt wyzwalania się energii podczas reakcji jądrowych.

Produkcja sztucznych izotopów promieniotwórczych umożliwiła zastosowanie promieniotwórczości w życiu codziennym. RadioizotopyradioizotopRadioizotopy wykorzystujemy obecnie w technice, medycynie, a nawet w rolnictwie.

W technice radioizotopy pozwalają precyzyjnie wyznaczyć grubość wytwarzanego materiału, np. papieru lub folii. Jeżeli radioizotop umieścimy pod badanym materiałem, a nad nim ustawimy detektor promieniowania, wówczas nawet najmniejsza zmiana grubości materiału spowoduje także zmianę liczby rejestrowanych cząstek.

R1UJ3LdBRcnOT
Animacja przedstawia pracę silnika.

W przemyśle motoryzacyjnym inżynierowie dodają radioizotopy do materiałów wykorzystywanych jako pokrycie wnętrza cylindrów silnika. Robią to na etapie badań, aby sprawdzić który olej jest najlepszy do smarowania silnika. Na skutek tarcia tłoków o cylindry, drobiny materiału z radioizotopem przedostają się z cylindrów do oleju silnikowego. Ilość materiału, który dostał się z silnika do oleju, możemy określić za pomocą detektorów promieniowania – im mniejsze promieniowanie oleju, tym lepiej smaruje on silnik.

RcdyhN4jFgshx
Księżycowy „łazik”, który do ogrzewania swoich podzespołów wykorzystywał energię będącą wynikiem rozpadu promieniotwórczego polonu
Źródło: Petar Milošević, dostępny w internecie: http://commons.wikimedia.org [dostęp 26.05.2022], licencja: CC BY-SA 3.0.

Ciepło wydzielane podczas rozpadów promieniotwórczych jest wykorzystywane w wielu statkach kosmicznych, zwłaszcza, gdy z powodu dużej odległości od Słońca baterie słoneczne nie mogą dać wystarczającej ilości energii lub gdy pojazd księżycowy musi działać podczas nocy trwającej dwa tygodnie.

Źródła promieniotwórcze produkujące energię zostały użyte m.in. w sondach: Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1Voyager 2.

Sonda Pioneer 10, wystrzelona z Ziemi w 1972 r., w połowie 2022 r. znalazła się w odległości ponad 19,5 miliarda kilometrów od Słońca. Ostatnie sygnały pochodzące z tej sondy odebrano w 2003 r., czyli ponad 30 lat po jej starcie. Jest to pierwsza sonda, która dotarła do zewnętrznych obszarów Układu SłonecznegoUkład SłonecznyUkładu Słonecznego. Porusza się ona w kierunku gwiazdozbioru Byka i za dwa miliony lat ma szansę mijać okolice gwiazdy Aldebaran.

Rok później wystrzelona została sonda Pioneer 11. Jej zadaniem, podobnie jak jej poprzedniczki, było zebranie danych o planetach Układu SłonecznegoUkład SłonecznyUkładu Słonecznego – Jowiszu i Saturnie – oraz o ich najbliższym otoczeniu (np. o Tytanie – największym księżycu Saturna). Po wykonaniu tej misji sonda skierowała się w stronę gwiazdozbioru Orła.

Rx12ouPJuzJo4
Tak wyglądały bliźniacze bezzałogowe sondy Voyager 1 i 2
Źródło: NASA, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org [dostęp 26.05.2022], domena publiczna.

Sonda Voyager 2, wystrzelona w 1977 r., w połowie 2022 r. znalazła się w odległości ponad 19,5 mld km od Słońca. Warto podkreślić, że zasilanie sondy w energię (realizowane z wykorzystaniem trzech tzw. radioizotopowych generatorów termoelektrycznych) nadal działa – przewidywania wskazują, że może ono działać nawet do 2025 r.

Izotop promieniotwórczy wykorzystano także jako źródło ciepła w pojeździe księżycowym Łunochod. Z  polonu produkuje się energię , osiągając temperaturę ponad . Wydajniejszym źródłem energii jest pluton Pu94238, którego okres połowicznego zaniku wynosi prawie 90 lat. Ten izotop charakteryzuje się niskim poziomem emisji promieniowania β, pochodzącym głównie z produktów rozpadu. Warto wspomnieć, że generatory energii działają na takiej samej zasadzie jak elementy chłodzące w lodówkach turystycznych – z tą różnicą, że procesy w obu urządzeniach przebiegają odwrotnie (nawiązuje do tego jedno z zadań w tym materiale).

Izotopy promieniotwórcze wykorzystujemy także do sprawdzania nieszczelności instalacji kanalizacyjnych i do wykrywania, którędy rozchodzą się zanieczyszczenia w rzekach i jeziorach.

RAJyUBOiuRXrt
Animacja sposób praktycznego wykorzystania promieniotwórczości

W medycynie wykorzystywane są tzw. znaczniki (markery), które m.in. pozwalają określić, czy przepływ płynu rdzeniowo‑mózgowegopłyn rdzeniowo‑mózgowypłynu rdzeniowo‑mózgowego w organizmie człowieka jest prawidłowy. Zaburzenia przepływu tego płynu towarzyszą chorobie Alzheimera czy padaczce. Dzięki dożylnemu podaniu znacznika można również badać krążenie krwi.

Duże ilości promieniotwórczego jodu podaje się pacjentom cierpiącym na nadczynność tarczycynadczynność tarczycyna nadczynność tarczycy. Kiedy tarczyca się rozrasta, wydziela zbyt duże ilości hormonów, które negatywnie wpływają na funkcjonowanie organizmu człowieka. Aby ograniczyć tę nadczynność, stosuje się radioizotop jodu (podawany w kapsułkach). Promieniotwórczy jod zostaje wchłonięty przez tarczycę, która miejscowo jest niszczona, co prowadzi do ograniczenia jej czynnej powierzchni, a tym samym do mniejszego wydzielania hormonów. Radioizotop jodu działa lokalnie w promieniu 2 mm.

Szerokie zastosowanie do niszczenia guzów nowotworowych znalazła bomba kobaltowa.

RzjAn74mXlOYe
Niszczenie guza nowotworowego za pomocą bomby kobaltowej
Źródło: National Cancer Institute, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org, domena publiczna.

Jest to głowica zawierająca próbkę promieniotwórczego izotopu kobaltu Co2760, który ze względów bezpieczeństwa jest umieszczony w ołowianej komorze. Reakcja rozpadu kobaltu Co2760 przybiera postać:

Co2760Ni2860+e-+v-e.

Reakcji rozpadu kobaltu towarzyszą emisja promieniowania beta (e-), emisja antyneutrina elektronowego (v-e) oraz uwolnienie dwóch wysokoenergetycznych kwantów gamma. W terapii antynowotworowej wykorzystywane jest właśnie promieniowanie gamma. Aktywność izotopu kobaltu zawiera się w granicach 10131014 Bq, co czyni go wydajnym źródłem promieniowania γ, które jeśli precyzyjnie pada na guz nowotworowy, niszczy go.

W rolnictwie izotopy wykorzystuje się do badania stopnia wchłaniania nawozów przez rośliny. Do nawozu dodaje się niewielką ilość substancji promieniotwórczej. Nawóz dostaje się do układu korzeniowego, a stamtąd – do naziemnej części rośliny. Następnie bada się poziom radioaktywności roślin i na tej podstawie można ocenić ilość wchłoniętego nawozu i oszacować jego odpowiednią dawkę.

Dzięki promieniotwórczości możemy także określać wiek niektórych substancji. Warunkiem jest jednak to, że muszą one zawierać węgiel i być częścią organizmu, który był kiedyś żywy. Metoda ta – oparta na datowaniu radiowęglowymdatowanie radiowęglowe (datowanie C14)datowaniu radiowęglowym – jest użyteczna zwłaszcza w badaniach archeologicznych. W atmosferze wytwarzany jest izotop węgla C14. Powstaje z niego dwutlenek węgla, który miesza się z CO2 zawierającym zwykły węgiel C12 i właśnie taką mieszankę pobierają rośliny. Jeżeli organizm umiera, to pobieranie węgla C14 ustaje, a jego ilość stopniowo się zmniejsza. Problematyczne w tej metodzie jest to, że zawartość węgla promieniotwórczego jest bardzo mała, a ponadto nie wiemy, czy i jak zmieniała się w starożytności zawartość tego izotopu. Ci z was, którzy interesują się historią, mogą sprawdzić, czy opisana wyżej metoda daje dobre wyniki. Często dysponujemy niezależnymi informacjami na temat wieku danego przedmiotu – przykładem mogą być próbki o dość dokładnie określonym wieku, np. fragmenty łodzi pogrzebowych faraonów, elementy ich grobowców czy drewno z sarkofagów mumii. Pozwala to na dokładniejsze wyznaczanie wieku tych przedmiotów, a nawet na wnioski dotyczące zmian zawartości węgla C14 w atmosferze ziemskiej na przestrzeni minionych wieków.

RnKShkYVNFAe1
Animacja przedstawiająca popularną metodę datowania ciał złożonych ze związków organicznych.

Do wyznaczania wieku skał wykorzystuje się radioaktywny potas K1940, który jeśli ulegnie rozpadowi, przekształca się w izotop argonu Ar1840. Okres połowicznego zaniku potasu wynosi 1,25 mld lat.

Załóżmy, że w pewnej próbce skały zawarte jest potasu K1940 argonu Ar1840 pochodzącego z rozpadu potasu. Dane te wskazują, że liczba atomów argonu jest 7 razy większa niż atomów potasu (masy atomów argonu i potasu są jednakowe). Jeżeli założymy, że wszystkie atomy argonu pochodzą z rozpadu potasu, to możemy wywnioskować, że na początku atomów potasu było 8 razy więcej niż obecnie. Wynika z tego, że od rozpoczęcia procesu rozpadu upłynęły 3 okresy połowicznego zaniku, a więc rozpad rozpoczął się 3,75 mld lat temu. Uważny czytelnik mógłby zapytać, czy wcześniej w tej skale znajdowały się atomy argonu, które nie pochodziłyby z rozpadu potasu. Do pomiarów wybierane są jednak skały pochodzenia wulkanicznego – kiedy ta skała była w stanie płynnym, cały argon się ulotnił. Ocenia się, że ta metoda pozwala na ustalenie wieku skały z dokładnością do 10%.

Produktem przemian i reakcji jądrowych są nie tylko sztuczne izotopy, lecz także energia. Energię tę możemy wyzwolić zarówno w sposób kontrolowany (w elektrowniach jądrowych, gdzie pozyskuje się energię elektryczną), jak i niekontrolowany (wybuch jądrowy). Niszczące możliwości bomby jądrowej zostały wykorzystane w końcowej fazie II wojny światowej. 6 sierpnia 1945 r. nad miastem Hiroszima w Japonii została zdetonowana bomba, której wybuch zabił ponad 78 tysięcy osób. Trzy dni później powtórzono atak w Nagasaki, gdzie życie straciło ponad 40 tysięcy mieszkańców.

RakezoASIIrWB
Zniszczenie Nagasaki
Źródło: Cpl. Lynn P. Walker, Jr. (Marine Corps), dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org [dostęp 27.05.2022], domena publiczna.
R1EmWrqj3UkCq
Film prezentujący wybuch bomby atomowej.
Ćwiczenie 1

Czas połowicznego rozpadu węgla C14 wynosi około 5700 lat. Ze znalezionego drewnianego narzędzia wyizolowano węgiel o masie 1 grama. Stwierdzono, że aktywność tej próbki węgla jest cztery razy słabsza od aktywności 1 grama węgla uzyskanego z takiego samego gatunku drzewa rosnącego obecnie. Ile lat temu powstało narzędzie? Policz. Przyjmij, że drewno, z którego je wykonano, uzyskano z drzewa ściętego w tym samym roku, a zawartość węgla C14 w atmosferze była taka sama jak dziś.

RgpLShluhvHpa
(Uzupełnij).

Podsumowanie

  • Sztuczna promieniotwórczość znalazła zastosowanie w wielu dziedzinach energetyki, medycyny, nauki, techniki i przemysłu.

  • Powszechnie stosowanym sposobem określania wieku znalezisk archeologicznych jest datowanie metodą radiowęglową (przy wykorzystaniu izotopu C14).

  • Energia wyzwalana podczas przemian i reakcji jądrowych wykorzystywana jest w elektrowaniach jądrowych, gdzie pozyskuje się energię elektryczną.

Zadania podsumowujące moduł

R6H88OXOqOn8M2
Ćwiczenie 2
Łączenie par. Dlaczego nie możemy zastosować metody datowania węglem C14 w przypadku monet? Oceń prawdziwość poniższych zdań. Przy każdym zdaniu w tabeli zaznacz Prawda albo Fałsz.. Ponieważ monety zawierają zbyt dużo tego izotopu i nie istnieją mierniki umożliwiające pomiar aktywności tak dużej ilości izotopu węgla.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Ponieważ monety nie powstały z materii ożywionej.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Ponieważ monety nie składają się z tkanek biologicznych.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Ponieważ monety są za małe i nie możemy uzyskać z nich wystarczającej ilości węgla do badań.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.
Polecenie 1

Poszukaj i przeczytaj informacje o lotach sond kosmicznych wymienionych w tym rozdziale. Ewentualne notatki możesz zapisać w polu poniżej.

Rdwb0PYnVfZ89
(Uzupełnij) .
Polecenie 2

Poszukaj i przeczytaj informacje o zjawisku termoelektrycznym i jego zastosowaniu do wytwarzania energii elektrycznej w sondach kosmicznych. Ewentualne notatki możesz zapisać w polu poniżej.

RB1IZ10LRW1eo
(Uzupełnij) .
Ćwiczenie 3

Oszacuj, jaki jest wiek drewnianego antyku, jeśli natężenie promieniowania węgla C14 stanowi w tym antyku 6% natężenia promieniowania w próbce kontrolnej wykonanej z drewna pochodzącego ze świeżo ściętego drzewa.

RRH1wnL95AeKi
(Uzupełnij) .
Polecenie 3

Węgiel radioaktywny C14 powstaje w górnych warstwach atmosfery. Promienie kosmiczne zderzają się z jądrami atomów gazu i wytwarzają neutrony, które w zderzeniach z jądrami azotu N14 powodują powstanie jąder węgla C14. Zapisz równanie tej reakcji.

R12vRhbAvhJxO
(Uzupełnij) .
Polecenie 4

Kiedy węgiel radioaktywny C14 się rozpada, emituje promieniowanie β+ (pozytony)? Zapisz równanie tego rozpadu.

RyCztIdLzx9XR
(Uzupełnij) .

Słownik

datowanie radiowęglowe (datowanie C14)
datowanie radiowęglowe (datowanie C14)

metoda wykorzystywana do szacowania wieku znalezisk archeologicznych wykonanych z materiałów biologicznych, wykorzystująca czas połowicznego rozpadu izotopu C14.

nadczynność tarczycy
nadczynność tarczycy

choroba tarczycy, polegająca na wydzielaniu przez tarczycę nadmiernej ilości hormonów.

płyn rdzeniowo‑mózgowy
płyn rdzeniowo‑mózgowy

bezbarwna ciecz, która wypełnia kanał rdzenia kręgowego i komory mózgu.

radioizotop
radioizotop

izotop promieniotwórczy.

Układ Słoneczny
Układ Słoneczny

układ planetarny składający się ze Słońca i ciał niebieskich powiązanych z nim siłami grawitacyjnymi. W skład Układu Słonecznego wchodzą: Słońce, osiem planet z ich naturalnymi satelitami, planetoidy, komety, meteoryty i inne.