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

Czy promieniotwórcze pierwiastki to wymysł współczesnego człowieka? Czy jest możliwe uniknięcie kontaktu z promieniowaniem jądrowym? Analiza poniższego materiału pomoże Ci odpowiedzieć na te pytania.

Rt47bF95F2prl
Międzynarodowy znak (piktogram) ostrzegający przed substancjami promieniotwórczymi
Źródło: Cary Bass, dostępny w internecie: www.ja.wikipedia.org, domena publiczna.
Aby zrozumieć poruszane w tym materiale zagadnienia, przypomnij sobie:
  • budowę jądra atomowego (rodzaje cząstek);

  • definicję izotopów;

  • podział izotopów ze względu na ich trwałość.

Nauczysz się
  • wyjaśniać pojęcia: izotop (pierwiastek) promieniotwórczy, radioizotop;

  • wymieniać rodzaje promieniowania jądrowego i porównywać ich przenikliwość;

  • wskazywać w układzie okresowym pierwiastki promieniotwórcze;

  • omawiać najważniejsze dokonania Marii Skłodowskiej‑Curie;

  • wyjaśniać pochodzenie radioizotopów w środowisku.

isVoZIblPf_d5e147

1. Co to są izotopy promieniotwórcze?

Znaczna część pierwiastków chemicznych występuje w przyrodzie w postaci mieszaniny izotopów. Pierwiastki mogą stanowić mieszaninę wyłącznie trwałych lub wyłącznie nietrwałych izotopów (promieniotwórczych), mogą również zawierać oba rodzaje izotopów – zarówno trwałe, jak i nietrwałe.

Za nietrwałe uważa się takie izotopy, 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 chemiczne, które składają się tylko z izotopów promieniotwórczych (radioizotopów), nazywa się pierwiastkami promieniotwórczymipierwiastek promieniotwórczypierwiastkami promieniotwórczymi. Tylko niektóre ze znanych pierwiastków chemicznych są pierwiastkami promieniotwórczymi. Należą do nich technet (Z=43) i promet
(Z=61) oraz pierwiastki o liczbie atomowej większej niż 83.

RmPXshtJcIIiw1
Podział pierwiastków chemicznych, występujących w przyrodzie, ze względu na ich trwałość
Źródło: Na podstawie: K. Kaznowski, K. M. Pazdro, Chemia. Podręcznik do liceów i techników. Zakres rozszerzony, t. 1, Warszawa 2019, s. 34., licencja: CC BY-SA 3.0. Na podstawie: K. Kaznowski, K. M. Pazdro, Chemia. Podręcznik do liceów i techników. Zakres rozszerzony, t. 1, Warszawa 2019, s. 34.

Wszystkie izotopy promieniotwórcze, a konkretnie ich jądra atomowe, rozpadają się z różną, charakterystyczną dla danego izotopu promieniotwórczego szybkością. Proces ten może trwać ułamki sekund, ale zdarza się, że trwa dłużej niż
1000000000 lat.

1
Polecenie 1

Izotop kobaltu Co60 ulega rozpadowi β-, przekształcając się w izotop niklu Ni60. Izotop cezu Cs137 również ulega rozpadowi β-, przekształcając się w izotop baru Ba137.

Przeanalizuj poniższą animację i ustal, który z izotopów – kobalt-60 czy cez-137 – jest izotopem o większej trwałości.

RoY9oZfKgOIEd
Na filmie ukazano porównanie stopnia rozpadu wybranych izotopów promieniotwórczych.
R1T4ae1rcFcmj
Odpowiedź: (Uzupełnij).
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

W wyniku rozpadu jąder atomowych izotopów promieniotwórczych powstają zawsze jądra atomów innego pierwiastka. Jeśli nadal są niestabilne (nietrwałe), ulegają kolejnym przemianom promieniotwórczym. 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.

Ciekawostka

Do opisywania szybkości przemian (rozpadów) promieniotwórczych, a zarazem trwałości jąder atomowych izotopów promieniotwórczych, często stosuje się tzw. czas połowicznego zanikuczas połowicznej przemianyczas połowicznego zaniku (nazywany często okresem półtrwania lub czasem połowicznego rozpadu). Czas połowicznego zaniku jest czasem, w którym połowa początkowej liczby jąder atomowych danego radionuklidu ulega rozpadowi.

Zwróć uwagę, że ze znajdującej się w poleceniu 1 animacji wynika, że połowa jąder atomowych izotopu kobaltu-60 pozostanie w próbce po około pięciu latach. Z kolei połowa jąder atomowych izotopu cezu-137 pozostanie w próbce tego radionuklidu po mniej więcej 30 latach. Czasy połowicznego zaniku analizowanych izotopów wynoszą bowiem kolejno: dla kobaltu-60 około 5,27 lat, a dla cezu-137 około 30,07 lat.

Nazwa izotopu

Czas połowicznego zaniku
(okres półtrwania)

radon-220

55 s

polon-218

3,1 min

jod-131

8 dni

stront-90

28 lat

uran-235

710000000 lat

Indeks dolny Czasy połowicznego zaniku wybranych izotopów promieniotwórczych Indeks dolny koniec
Indeks dolny Źródło: K. Kaznowski, K. M. Pazdro, Chemia. Podręcznik do liceów i techników. Zakres rozszerzony, t. 1, Warszawa 2019, s. 43. Indeks dolny koniec

Możesz spotkać się z pewnymi wątpliwościami dotyczącymi tego, czy bizmut (Z=83) faktycznie jest pierwiastkiem o trwałym jądrze atomowym. Okazuje się bowiem, że w rzeczywistości nie ma izotopów trwałych (stabilnych). Jednak czas połowicznego zaniku jednego z jego izotopów – bizmutu-209 (Bi209) – jest ponad miliard razy większy niż wiek całego wszechświata i wynosi ok. 2,01·1019 lat. Z racji na bardzo długi okres półtrwania, bizmut-209 często klasyfikuje się jako izotop trwały, tak jak to uczyniono w tym materiale.

Polecenie 2
RFTvsXvEfhgWx
Korzystając z tabeli zamieszczonej w powyższej ciekawostce, uporządkuj zawarte w niej radionuklidy wraz ze wzrastającą trwałością. Na górze umieść symbol izotopu promieniotwórczego o największej trwałości. Elementy do uszeregowania: 1. 220Rn, 2. 218Po, 3. U235, 4. 131I, 5. 90Sr
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Dla zainteresowanych
1
Polecenie 3

W próbce promieniotwórczego izotopu cezu ( 137 C s ) znajdowało się początkowo 5000 atomów tego radionuklidu. Czas połowicznego rozpadu tego izotopu wynosi 30,07 lat.

RTGzZSBtljZvq
Tabela zawierająca informacje dotyczące czasu połowicznego rozpadu promieniotwórczego izotopu cezu.
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
R1CDOs0YiuDSw
Wykres narysuj w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Polecenie 3

W próbce promieniotwórczego izotopu cezu (137Cs) znajdowało się początkowo 5000 atomów tego radionuklidu. Czas połowicznego rozpadu tego izotopu wynosi 30,07 lat.

RWeJByk2Rc2LG
Tabela zawierająca informacje dotyczące czasu połowicznego rozpadu promieniotwórczego izotopu cezu.
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
isVoZIblPf_d5e191

2. Co to jest promieniowanie jądrowe?

Procesowi rozpadu jąder atomowych zawsze towarzyszy promieniowanie, które określa się mianem promieniowania jądrowego lub, bardziej ogólnie, jonizującego.

Gdy prowadzono badania nad promieniowaniem wysyłanym przez rozpadające się jądra atomowe, brakowało odpowiedniej aparatury i wiedzy, umożliwiającej naukowcom dokładną identyfikację jego składników. Stwierdzono wtedy, że izotopy promieniotwórcze mogą emitować trzy rodzaje promieniowania, które nazwano promieniowaniem α (czyt. alfa), β- (czyt. beta minus) i γ (czyt. gamma). Dalsze badania wykazały, że cząstkami α są jądra atomu helu, zawierające po dwa protony i dwa neutrony, natomiast promieniowanie β- to strumień elektronów. Promieniowanie γ to natomiast fala elektromagnetyczna, która rozchodzi się z prędkością światła.

RZkbaY9fTlRsU
Uproszczone modele rozpadów promieniotwórczych. W modelach pominięto zmianę liczby elektronów w chmurach elektronowych radionuklidów
Źródło: Dariusz Adryan, Krzysztof Jaworski, dostępny w internecie: epodreczniki.pl, licencja: CC BY-SA 3.0.

Jądra atomowe jednych izotopów promieniotwórczych podczas rozpadu wydzielają cząstki α, innych – cząstki β-. Często emisji tych cząstek towarzyszy także promieniowanie γ. Nieodłącznym elementem rozpadu, niezależnie od rodzaju emitowanego promieniowania, jest wydzielenie się dużej ilości energii.

Dla zainteresowanych

Czy nie zastanowiło Cię, jak to możliwe, że z jądra atomowego, podczas rozpadu β-, emitowane są elektrony? Przecież jądro atomowe nie zawiera ich w swojej strukturze. Elektrony mogą powstawać w jądrach atomowych niektórych pierwiastków promieniotwórczych, na skutek odpowiedniej przemiany neutronu. Tę przemianę możemy opisać równaniem:

n01p11+e-10
neutronproton+elektron

Istotne jest to, że promieniowania jądrowego, niezależnie od jego rodzaju, nie widać. W związku z tym, bez stosownej informacji, nie jesteśmy w stanie stwierdzić, czy jesteśmy w danym momencie poddawani działaniu promieniowania jądrowego.

Każdy rodzaj promieniowania wytwarzany przez substancje radioaktywne ma jednak inny zasięg i przenikliwość przez materiały.

Polecenie 4

Przeanalizuj poniższą animację, a następnie uzupełnij zamieszczony pod nią tekst.

R1HSHaQj1pcA2
Prezentacja wideo ilustruje przenikalność promieniowania cząstek alfa, beta i gamma.
Rqge1RPKMm2bV
Promieniowanie α/β-/γ jest promieniowaniem o największej przenikliwości. Z kolei promieniowanie α/β-/γ ma najmniejszą przenikliwość.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Promieniowanie α ma najmniejszy zasięg i może nas przed nim ochronić papier. 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.

Dla zainteresowanych

Przemiany jądrowe, a ściślej rozpady promieniotwórcze α oraz β-, możemy opisywać za pomocą odpowiednich równań.

Zapisując równania przemian jądrowych (a często również omawiając przemiany jądrowe), nie uwzględnia się zmian liczby elektronów w chmurze elektronowej izotopu promieniotwórczego, który ulega odpowiedniej przemianie promieniotwórczej. Pamiętaj jednak, że zmianie liczby protonów w jądrze atomowym nietrwałego izotopu towarzyszy również zmiana liczby elektronów poruszających się wokół tego jądra.

W równaniach przemian jądrowych, jądra atomów i emitowane cząstki zapisujemy za pomocą symboli chemicznych. Przy wspomnianych symbolach, w lewym dolnym rogu zapisujemy ładunek elektryczny rozpatrywanej drobiny, a w lewym górnym rogu liczbę nukleonów. Ładunek elektryczny jądra atomowego równy jest zawartej w nim liczbie protonów (a więc liczbie atomowej), a liczba nukleonów równa jest liczbie masowej.

Na poniższej grafice zaprezentowano sposób symbolicznego opisu wybranych drobin uczestniczących w przemianach jądrowych.

R197sLsb9Kmav
Symboliczny zapis wybranych drobin uczestniczących w przemianach jądrowych. Na zielono zaznaczono liczbę nukleonów w każdej z drobin, a na fioletowo jej ładunek
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Zapisując równania przemian jądrowych, musimy stosować również dwie zasady – zasadę zachowania liczby nukleonów oraz zasadę zachowania ładunku elektrycznego. W uproszczeniu – suma liczby nukleonów, zapisanych po lewej stronie równania analizowanej przemiany, musi być równa sumie liczby nukleonów, zapisanych po prawej stronie tego równania. Podobnie postępujemy z ładunkiem elektrycznym.

Przeanalizuj poniższe przykłady. Aby przejść do określonego przykładu, rozwiń odpowiedni pasek.

RZjwvo5h0KTdQ
Równanie rozpadu α jądra radonu-222. Aby poprawnie zapisać równanie opisanej przemiany jądrowej musimy ustalić jakie jądro (jakiego pierwiastka chemicznego) powstanie w wyniku emisji cząstki α z jądra radonu-222. Odczytana z układu okresowego liczba atomowa radonu (a więc ładunek jego jądra atomowego) wynosi 86. Możemy zatem zapisać:

Rn86222XZA+α24

gdzie X - symbol pierwiastka chemicznego, w który przekształca się radon-222, A - liczba nukleonów w powstałym w wyniku przemiany jądrze atomowym, Z - ładunek powstałego jądra atomowego.
Zgodnie z zasadą zachowania liczby nukleonów możemy zapisać zależność:
222 = A + 4
Z kolei zgodnie z zasadą zachowania ładunku elektrycznego zapiszemy:
86 = Z + 2
Po odpowiednich przekształceniach wyliczymy, że A = 218, a Z = 84. Znając ładunek elektryczny powstałego w wyniku przemiany jądra atomowego, poznaliśmy zarazem liczbę atomową otrzymanego pierwiastka. Dzięki temu możemy pierwiastek ten odszukać w układzie okresowym. Pierwiastkiem o liczbie atomowej równej 84 jest polon. Równanie analizowanej przemiany jądrowej ma zatem postać:

Rn86222Po84218+α24

, Równanie rozpadu β- jądra ołowiu-214. vvmbn
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
isVoZIblPf_d5e240

3. Jak odkrywano promieniotwórczośćpromieniotwórczośćpromieniotwórczość?

Odkrycie promieni X (promieni Roentgena) przez Wilhelma Roentgena (czyt. wilhelma rentgena) w 1895 r. zapoczątkowało serię badań, które (początkowo przypadkowo) doprowadziły do uzyskania pierwiastków promieniotwórczych.

Rok po ogłoszeniu przez Roentgena swojego odkrycia, Henri Becquerel (czyt. ąri bekrel) podał do wiadomości informację o istnieniu promieniowania wysyłanego przez uran, które miało podobną przenikliwość do promieniowania X. Niedługo po tym wydarzeniu Polka Maria Skłodowska-CurieMaria Salomea Skłodowska‑CurieMaria 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 r. małżonkowie wraz z Henri Becquerelem otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za badania nad promieniotwórczością. Po śmierci męża w 1906 r., Maria kontynuowała działalność naukową i została pierwszą kobietą profesorem na paryskiej Sorbonie. W 1911 r. Szwedzka Akademia Nauk przyznała jej po raz drugi, tym razem samodzielnie, Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za odkrycie pierwiastków: radu i polonu, a także za prace nad radem i jego związkami chemicznymi.

Polecenie 5

Obejrzyj poniższy materiał filmowy, a następnie wykonaj zadanie umieszczone pod nim.

R1esAZmATlo6W
Film poświęcony życiu i pracy naukowej Marii Skłodowskiej‑Curie.
R1Cao1DArUed8
1857 Możliwe odpowiedzi: 1. śmierć, 2. uzyskanie licencjatu z matematyki, 3. uzyskanie licencjatu z fizyki, 4. ślub z Piotrem Curie, 5. Nagroda Nobla za badania nad promieniotwórczością, 6. Nagroda Nobla za odkrycie polonu i radu oraz badania nad promieniotwórczością, 7. rozpoczęcie pracy doktorskiej, 8. rozpoczęcie nauki na Sorbonie, 9. Narodziny 1891 Możliwe odpowiedzi: 1. śmierć, 2. uzyskanie licencjatu z matematyki, 3. uzyskanie licencjatu z fizyki, 4. ślub z Piotrem Curie, 5. Nagroda Nobla za badania nad promieniotwórczością, 6. Nagroda Nobla za odkrycie polonu i radu oraz badania nad promieniotwórczością, 7. rozpoczęcie pracy doktorskiej, 8. rozpoczęcie nauki na Sorbonie, 9. Narodziny 1893 Możliwe odpowiedzi: 1. śmierć, 2. uzyskanie licencjatu z matematyki, 3. uzyskanie licencjatu z fizyki, 4. ślub z Piotrem Curie, 5. Nagroda Nobla za badania nad promieniotwórczością, 6. Nagroda Nobla za odkrycie polonu i radu oraz badania nad promieniotwórczością, 7. rozpoczęcie pracy doktorskiej, 8. rozpoczęcie nauki na Sorbonie, 9. Narodziny 1894 Możliwe odpowiedzi: 1. śmierć, 2. uzyskanie licencjatu z matematyki, 3. uzyskanie licencjatu z fizyki, 4. ślub z Piotrem Curie, 5. Nagroda Nobla za badania nad promieniotwórczością, 6. Nagroda Nobla za odkrycie polonu i radu oraz badania nad promieniotwórczością, 7. rozpoczęcie pracy doktorskiej, 8. rozpoczęcie nauki na Sorbonie, 9. Narodziny 1895 Możliwe odpowiedzi: 1. śmierć, 2. uzyskanie licencjatu z matematyki, 3. uzyskanie licencjatu z fizyki, 4. ślub z Piotrem Curie, 5. Nagroda Nobla za badania nad promieniotwórczością, 6. Nagroda Nobla za odkrycie polonu i radu oraz badania nad promieniotwórczością, 7. rozpoczęcie pracy doktorskiej, 8. rozpoczęcie nauki na Sorbonie, 9. Narodziny 1897 Możliwe odpowiedzi: 1. śmierć, 2. uzyskanie licencjatu z matematyki, 3. uzyskanie licencjatu z fizyki, 4. ślub z Piotrem Curie, 5. Nagroda Nobla za badania nad promieniotwórczością, 6. Nagroda Nobla za odkrycie polonu i radu oraz badania nad promieniotwórczością, 7. rozpoczęcie pracy doktorskiej, 8. rozpoczęcie nauki na Sorbonie, 9. Narodziny 1903 Możliwe odpowiedzi: 1. śmierć, 2. uzyskanie licencjatu z matematyki, 3. uzyskanie licencjatu z fizyki, 4. ślub z Piotrem Curie, 5. Nagroda Nobla za badania nad promieniotwórczością, 6. Nagroda Nobla za odkrycie polonu i radu oraz badania nad promieniotwórczością, 7. rozpoczęcie pracy doktorskiej, 8. rozpoczęcie nauki na Sorbonie, 9. Narodziny 1911 Możliwe odpowiedzi: 1. śmierć, 2. uzyskanie licencjatu z matematyki, 3. uzyskanie licencjatu z fizyki, 4. ślub z Piotrem Curie, 5. Nagroda Nobla za badania nad promieniotwórczością, 6. Nagroda Nobla za odkrycie polonu i radu oraz badania nad promieniotwórczością, 7. rozpoczęcie pracy doktorskiej, 8. rozpoczęcie nauki na Sorbonie, 9. Narodziny 1934 Możliwe odpowiedzi: 1. śmierć, 2. uzyskanie licencjatu z matematyki, 3. uzyskanie licencjatu z fizyki, 4. ślub z Piotrem Curie, 5. Nagroda Nobla za badania nad promieniotwórczością, 6. Nagroda Nobla za odkrycie polonu i radu oraz badania nad promieniotwórczością, 7. rozpoczęcie pracy doktorskiej, 8. rozpoczęcie nauki na Sorbonie, 9. Narodziny
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
RqZ1p2MgvGkVL
Uporządkuj poszczególne wydarzenia z życia Marii Curie-Skłodowskiej, na górze powinno znaleźć się wydarzenie najwcześniejsze. Elementy do uszeregowania:
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Ciekawostka

Po odkryciu radu, zaczęto go używać w lecznictwie. Najważniejszym jego zastosowaniem było niszczenie nowotworów. Idea tej terapii, nazywanej w owym czasie „curieterapią”, jest wykorzystywana nadal w radioterapii. Stała się 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 szczegóły procesu wytwarzania radu.

RZsSIYhIDmzCE
Terapia radiologiczna
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., Ministry of Information Photo Division Photographer (http://commons.wikimedia.org), Unknown or not provided/U.S. National Archives and Records Administration (http://commons.wikimedia.org), Ikiwaner (http://commons.wikimedia.org), UNVIE U.S. Mission to International Organizations in Vienna (https://www.flickr.com), licencja: CC BY-SA 3.0.
isVoZIblPf_d5e283

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 chociażby 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 kolejne radioizotopy, m.in. rad, polon czy radon.

Radioizotopy, które znajdują się w skałach, przemieszczają się do gleby, po czym są przyswajane przez rośliny, skąd następnie trafiają do innych organizmów żywych. Każdy składnik przyrody ożywionej i nieożywionej zawiera izotopy promieniotwórcze. W związku z tym również w Twoim organizmie znajduje się pewna ilość radionuklidów.

Zawartość niektórych radioizotopów w organizmie człowieka o masie ciała 70 kg

Radioizotop

Liczba atomów

H3

2,0·1010

C14

7,5·1014

K40

2,4·1020

Ra226

2,0·1011

U238

5,0·1016

W przyrodzie występują także izotopy promieniotwórcze, które powstają w atmosferze ziemskiej w wyniku oddziaływania promieniowania kosmicznego (neutronów) na składniki atmosfery ziemskiej. Należą do nich tryt oraz 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 r. oraz awaria elektrowni jądrowej Fukushima w Japonii w 2011 r. 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.

Polecenie 6

Przeanalizuj informacje zawarte w poniższej animacji interaktywnej. Aby przejść dalej, kliknij na podświetlone w animacji elementy. Następnie uzupełnij znajdujący się pod animacją tekst. Skorzystaj z układu okresowego pierwiastków chemicznych.

R1Rq53wsF1OuU
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 Czarnobylu 1986 roku oraz wyciek w Fukushimie w 2011 roku. Wspomniane są też urządzenia promieniotwórcze stosowane w diagnostyce medycznej, przemyśle i badaniach naukowych.
Źródła promieniotwórczości na Ziemi
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
RQRNXlzVqy6kQ
Jedynym gazowym pierwiastkiem promieniotwórczym, który powstaje w wyniku odpowiednich przemian promieniotwórczych z toru i uranu jest rad/radon/gaz ziemny. Pierwiastek ten położony jest w 6/11/18 grupie oraz w 6/7/18 okresie układu okresowego.
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
isVoZIblPf_d5e336

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).

R1YwWPdrVdJX9
Źródła promieniowania pochłanianego przez człowieka. Toron jest to historyczna nazwa radonu‑220
Źródło: GroMar Sp. z o.o. opracowano na podstawie: Salamon J., Wpływ promieniowania naturalnego na zdrowie człowieka, Metody i Technologie Jądrowe w Środowisku, Przemyśle i Medycynie, Warszawa 2014, licencja: CC BY-SA 3.0.

Promieniowanie, które wywodzi 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-222 – w atmosferze.

W Polsce średnia dawka roczna promieniowania emitowanego przez wszystkie naturalne źródła wynosi ok. 2,5 mSv (źródło danych: Promieniowanie jonizujące, www.gov.pl).

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.

Rozkład dawki promieniowania w Polsce na poszczególne składowe

Rodzaj dawki

Wielkość dawki

Dawka otrzymana przy przechodzeniu przez bramkę na lotnisku

0,00007 mSv

Średnia roczna dawka dla mieszkania w pobliżu elektrowni jądrowej

0,002 mSv

Dawka otrzymana w trakcie lotu Los Angeles – Nowy Jork

0,0037 mSv

Dawka otrzymana przy prześwietleniu klatki piersiowej

0,14 mSv

Średnia skumulowana dawka życiowa dla całego ciała, jaką otrzymał statystyczny Polak po awarii w Czarnobylu

0,9 mSv

Dawka otrzymana przy badaniu mammograficznym

2 4   mSv

Dawka otrzymana przy tomografii komputerowej całego ciała

50 100   m S v

Średnia roczna dawka w przestrzeni kosmicznej

400 700   m S v

Indeks górny Źródło: Promieniowanie jonizujące w życiu codziennym, www.gov.pl. Indeks górny koniec

Szkodliwość promieniowania zależy od jego rodzaju, natężenia (mocy) i czasu działania.

Organizmy żywe różnią się pod względem odporności na promieniowanie. Jednorazowa dawka śmiertelna dla człowieka (pochłonięta w ciągu kilku lub kilkuset sekund) ponad tysiąckrotnie przekracza średnią roczną dawkę tła i wynosi ok.
34 Sv (30004000 mSv). Zapoznaj się z poniższą galerią zdjęć za pomocą strzałek umieszczonych po bokach, aby dowiedzieć się jaka jest dawka śmiertelna dla różnych mikro- i makroorganizmów.

Indeks górny Źródło: Dobrzyński L., Droste E., Wołkiewicz R., Adamowski Ł., Trojanowski W., Spotkanie z promieniotwórczością, IPJ, listopad 2010, s. 15. Indeks górny koniec

Zwróć uwagę, że wskazana w powyższej galerii jednorazowa dawka śmiertelna promieniowania może spowodować śmierć człowieka. Jeśli jednak dawka ta (a nawet znacznie wyższa) będzie przez człowieka pochłaniania stopniowo, w ciągu kolejnych lat życia, to może się okazać, że nie będzie szkodliwa.

Zbyt duże ilości promieniowania mogą pokonać mechanizmy obronne organizmu i wywołać ciężkie choroby, a nawet śmierć. Pierwsze objawy tzw. choroby popromiennej mogą pojawić się już po przyjęciu jednorazowej dawki promieniowania, równej ok. 1 Sv. Jednak niepożądane zmiany w materiale biologicznym człowieka odnotowuje się już po przyjęciu jednorazowej dawki promieniowania większej niż
0,2 Sv. Tę obserwację wykorzystuje się do niszczenia komórek nowotworowych u ludzi.

Ciekawostka

Niektóre badania naukowe wskazują, że małe dawki promieniowania stymulują układ odpornościowy i zmniejszają zapadalność na choroby nowotworowe.
Narażenie ludzi na niewielkie dawki promieniowania jądrowego było konsekwencją ich pracy lub miejsca zamieszkania. Wieloletnie analizy wskazują, że nastąpiło zmniejszenie śmiertelności wśród grupy ludzi narażonej na dodatkowe, określone w pewnym zakresie (1–500 mSv, czyli 0,001–0,5 Sv) dawki promieniowania jądrowego, w porównaniu z grupą ludzi, która takich dawek nie otrzymywała.

isVoZIblPf_d5e389

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. Wybrane zastosowania izotopów promieniotwórczych wymieniono w poniższej galerii zdjęć.

Innym ważnym zastosowaniem izotopów jest wykorzystanie ich do pozyskiwania energii jądrowej do produkcji energii elektrycznej w tzw. 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 (jest to tzw. reakcja łańcuchowa). Model procesu rozpadu jądra atomu uranu-235 przedstawiono w poniższej animacji.

RFmQ2JUQFeVud
Film ukazuje przebieg oraz produkty rozszczepienia jądrowego uranu‑235.

Zwróć uwagę, że opisany powyżej rozpad promieniotwórczy uranu-235 różni się od opisanych pokrótce rozpadów alfa i beta. Przemiany alfa, beta i gamma są bowiem przemianami naturalnymi, zachodzącymi samorzutnie. Wykorzystywana w elektrowniach jądrowych przemiana uranu-235 to sztuczna przemiana jądrowa – taka, której przebieg w opisanym przypadku wymaga interwencji człowieka.

Opisaną przemianę rozpadu atomów uranu prowadzi się w reaktorach. Ich konstrukcja pozwala na kontrolowanie przebiegu rozszczepienia jąder atomów uranu. Uzyskane ciepło ogrzewa wodę, która przechodzi w stan pary, a ta z kolei uruchamia turbinę i generator elektryczności.

Dla zainteresowanych

Zapoznaj się z informacjami zawartymi w poniższej animacji i prześledź uproszczony schemat działania reaktora jądrowego.

RoS98fm0devpB
Na filmie ukazano schemat budowy oraz działania elektrowni jądrowej.

Elektrownie jądrowe są wydajniejsze od elektrowni węglowych. Spalenie 1 g węgla powoduje wydzielenie na sposób ciepła od ok. 21 do 34 kJ energii, natomiast dla porównania, reakcja jądrowa 1 g uranu-235 jest źródłem aż 81000000 kJ (8 , 1     10 7 kJ) 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.

Ciekawostka

W Polsce pracuje jeden taki reaktor badawczy – Maria w Instytucie Energii Atomowej w Świerku. Jego maks. moc wynosi 30 MW. Wykorzystuje się go do badań naukowych oraz produkcji izotopów na potrzeby przemysłu i medycyny. Poniżej znajduje się galeria zdjęć przedstawiająca wspomniany reaktor.

isVoZIblPf_d5e441

Podsumowanie

  • Pierwiastki promieniotwórcze stanowią mieszaniny nietrwałych izotopów (tzw. izotopów promieniotwórczych lub inaczej – radioizotopów).

  • Do pierwiastków promieniotwórczych zaliczamy pierwiastki chemiczne o liczbie atomowej większej niż 83 oraz technet (Z=43) i promet (Z=61).

  • Jądra atomowe izotopów nietrwałych (niestabilnych, promieniotwórczych) samorzutnie rozpadają się i przeobrażają w jądra atomowe izotopów innych pierwiastków z różną, charakterystyczną dla danego izotopu, szybkością.

  • Izotopy promieniotwórcze mogą emitować trzy rodzaje promieniowania: α (He24), 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 m.in. od jego rodzaju, natężenia (mocy) i czasu działania.

Praca domowa
1
Polecenie 7.1

Sprawdź, w jakiej odległości w linii prostej od Twojego miejsca zamieszkania znajduje się najbliższa elektrownia jądrowa.

Dla zainteresowanych
Polecenie 7.2

Przeprowadź w swoim najbliższym otoczeniu wywiad z dorosłymi osobami na temat promieniotwórczości. Dowiedz się, z czym kojarzy im się pojęcie izotopów promieniotwórczych, i czy wiedzą, jakie są ich źródła i zastosowania. Spróbuj przedstawić zebrane informacje w formie graficznej. Jeśli masz taką możliwość, informacje uzyskane podczas wywiadu zaprezentuj na forum klasy.

Polecenie 7.2

Przeprowadź w swoim najbliższym otoczeniu wywiad z dorosłymi osobami na temat promieniotwórczości. Dowiedz się, z czym kojarzy im się pojęcie izotopów promieniotwórczych, i czy wiedzą, jakie są ich źródła i zastosowania.

Jeśli masz taką możliwość, informacje uzyskane podczas wywiadu zaprezentuj na forum klasy.

isVoZIblPf_d5e507

Słownik

izotopy promieniotwórcze
izotopy promieniotwórcze

radionuklidy; izotopy, których jądra atomowe ulegają samorzutnym rozpadom, przekształcając się w jądra atomowe innych izotopów; rozpadowi jądra atomowego izotopu promieniotwórczego zawsze towarzyszy emisja promieniowania

pierwiastek promieniotwórczy
pierwiastek promieniotwórczy

pierwiastek chemiczny, który nie ma trwałych izotopów; pierwiastek promieniotwórczy jest mieszaniną izotopów promieniotwórczych (radionuklidów)

czas połowicznej przemiany
czas połowicznej przemiany

inaczej czas połowicznego zaniku lub okres półtrwania; czas, w którym połowa początkowej liczby jąder atomowych izotopu promieniotwórczego ulega rozpadowi; każdy radionuklid (izotop promieniotwórczy) ma charakterystyczny dla siebie czas połowicznej przemiany

promieniotwórczość
promieniotwórczość

radioaktywność; zdolność do spontanicznej (samoistnej) emisji promieniowania przez jądro atomowe

siwert [Sv]
siwert [Sv]

jednostka tzw. dawki efektywnej promieniowania jonizującego; obrazuje całkowite narażenie organizmu, zarówno przy równomiernym, jak i nierównomiernym napromienieniu narządów i tkanek

Maria Salomea Skłodowska‑CuriePassy (Francja)Warszawa (Polska)
R110qhuteKyg8
Maria Skłodowska‑Curie
Źródło: dostępny w internecie: commons.wikimedia.org, domena publiczna.

Maria Salomea Skłodowska‑Curie

Fizyk, Polka pracująca we Francji, dwukrotna laureatka Nagrody Nobla.

Polka, która karierę naukową rozwinęła we Francji, badając zjawisko promieniotwórczości. Wraz z mężem Piotrem Curie odkryła dwa nowe pierwiastki promieniotwórcze: polon i rad. Za swoje dokonania, małżeństwo wraz z Henri Becquerelem wspólnie otrzymali w 1903 roku Nagrodę Nobla. Maria Skłodowska-Curie opracowała i udoskonaliła metody rozdzielania izotopów. Za odkrycie radu i polonu oraz za prace nad radem i jego związkami chemicznymi 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.

isVoZIblPf_d5e651

Ćwiczenia

Pokaż ćwiczenia:
1
Ćwiczenie 1
RQbhFrY9sowhY1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY-SA 3.0.
1
Ćwiczenie 2
RSqljuJp5At9L1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY-SA 3.0.
1
Ćwiczenie 3
R1Zfp3LWhJi7D1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY-SA 3.0.
2
Ćwiczenie 4
RjrGSMeefUVlq1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY-SA 3.0.
2
Ćwiczenie 5
R1bHaS7UfNHN61
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY-SA 3.0.
2
Ćwiczenie 6
R1LdS450wPJMB1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY-SA 3.0.
3
Ćwiczenie 7

Czas połowicznej przemiany to czas, w którym połowa początkowej liczby jąder atomowych izotopu promieniotwórczego ulega rozpadowi. Praktycznie cała masa atomu skupiona jest w jądrze atomowym. W związku z tym możemy uznać, że czas połowicznej przemiany to moment, w którym połowa masy próbki izotopu promieniotwórczego ulega odpowiedniemu rozpadowi.

Na poniższym wykresie przedstawiono zmiany masy próbek trzech izotopów promieniotwórczych (izotopu 1, izotopu 2 oraz izotopu 3) w czasie. Przeanalizuj dane zawarte na wykresie i uzupełnij znajdujący się pod nim tekst. W puste miejsca wpisz odpowiednie liczby.

R1Xhls4R1OqsC
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

W poniższych tabelach przedstawiono zmiany masy próbek trzech izotopów promieniotwórczych (izotopu 1, izotopu 2 oraz izotopu 3) w czasie. Przeanalizuj zawarte w nich dane i uzupełnij znajdujący się pod nimi tekst. W pustych miejscach wybierz odpowiednie liczby.

Izotop 1:

Masa izotopu [mg]

Czas [dni]

100

0

50

2

25

4

12,5

6

6,25

8

3,125

10

1,5625

12

Izotop 2:

Masa izotopu [mg]

Czas [dni]

100

0

50

4

25

8

12,5

12

6,25

16

3,125

20

Izotop 3:

Masa izotopu [mg]

Czas [dni]

100

0

50

3

25

6

12,5

9

6,25

12

3,125

15

1,5625

18

R1VAMaUSXGjG4
Najbardziej trwałym spośród analizowanych izotopów promieniotwórczych jest izotop numer 1. 2, 2. 3, 3. 1, 4. 4. Z kolei najmniejszą trwałością charakteryzuje się izotop numer 1. 2, 2. 3, 3. 1, 4. 4. Czas połowicznego rozpadu izotopu numer 2 wynosi 1. 2, 2. 3, 3. 1, 4. 4 dni. Izotop numer 3 charakteryzuje się czasem połowicznej przemiany równym 1. 2, 2. 3, 3. 1, 4. 4 dni.
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
3
Ćwiczenie 8
RpGVCrGWAyfHB
Na poniższej grafice zilustrowano w uproszczeniu przenikliwość poszczególnych rodzajów promieniowania. Przeanalizuj tę grafikę i w puste miejsca przeciągnij nazwy odpowiedniego promieniowania.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
R1TZdICENrsM5
Uporządkuj rodzaje promieniowania wraz z rosnącą przenikliwością. Na górze umieść najmniej przenikliwe promieniowanie. Elementy do uszeregowania: 1. beta minus radiation, 2. gamma radiation, 3. alpha radiation
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Glossary

Bibliografia

Dobrzyński L., Droste E., Wołkiewicz R., Adamowski Ł., Trojanowski W., Spotkanie z promieniotwórczością, London 2010.

Kaznowski K., Pazdro K. M., Chemia. Podręcznik do liceów i techników, cz. 1, Warszawa 2019.

bg‑gray3

Notatnik

R18dnGESt3fF0
(Uzupełnij).
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Maria Salomea Skłodowska‑CuriePassy (Francja)Warszawa (Polska)
R110qhuteKyg8
Maria Skłodowska‑Curie
Źródło: dostępny w internecie: commons.wikimedia.org, domena publiczna.

Maria Salomea Skłodowska‑Curie

Fizyk, Polka pracująca we Francji, dwukrotna laureatka Nagrody Nobla.

Polka, która karierę naukową rozwinęła we Francji, badając zjawisko promieniotwórczości. Wraz z mężem Piotrem Curie odkryła dwa nowe pierwiastki promieniotwórcze: polon i rad. Za swoje dokonania, małżeństwo wraz z Henri Becquerelem wspólnie otrzymali w 1903 roku Nagrodę Nobla. Maria Skłodowska-Curie opracowała i udoskonaliła metody rozdzielania izotopów. Za odkrycie radu i polonu oraz za prace nad radem i jego związkami chemicznymi 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.