Zastosowanie promieniowania jądrowego i energii jądrowej
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.
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:
Promieniowanie jądrowe alfa, beta i gammaPromieniowanie jądrowe alfa, beta i gamma,
Przemiany jądrowePrzemiany jądrowe,
Reakcje jądroweReakcje jądrowe.
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. RadioizotopyRadioizotopy 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.
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.
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 1 i Voyager 2.
Sonda Pioneer 10, wystrzelona z Ziemi w r., w połowie r. znalazła się w odległości ponad miliarda kilometrów od Słońca. Ostatnie sygnały pochodzące z tej sondy odebrano w r., czyli ponad lat po jej starcie. Jest to pierwsza sonda, która dotarła do zewnętrznych obszarów Układu SłonecznegoUkładu 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 SłonecznegoUkładu 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.
Sonda Voyager 2, wystrzelona w r., w połowie r. znalazła się w odległości ponad 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 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 , którego okres połowicznego zaniku wynosi prawie lat. Ten izotop charakteryzuje się niskim poziomem emisji promieniowania , 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.
W medycynie wykorzystywane są tzw. znaczniki (markery), które m.in. pozwalają określić, czy przepływ płynu rdzeniowo‑mózgowegopłynu 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 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 .
Szerokie zastosowanie do niszczenia guzów nowotworowych znalazła bomba kobaltowa.
Jest to głowica zawierająca próbkę promieniotwórczego izotopu kobaltu , który ze względów bezpieczeństwa jest umieszczony w ołowianej komorze. Reakcja rozpadu kobaltu przybiera postać:
Reakcji rozpadu kobaltu towarzyszą emisja promieniowania beta (), emisja antyneutrina elektronowego () oraz uwolnienie dwóch wysokoenergetycznych kwantów gamma. W terapii antynowotworowej wykorzystywane jest właśnie promieniowanie gamma. Aktywność izotopu kobaltu zawiera się w granicach , co czyni go wydajnym źródłem promieniowania , 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 radiowęglowymdatowaniu radiowęglowym – jest użyteczna zwłaszcza w badaniach archeologicznych. W atmosferze wytwarzany jest izotop węgla . Powstaje z niego dwutlenek węgla, który miesza się z zawierającym zwykły węgiel i właśnie taką mieszankę pobierają rośliny. Jeżeli organizm umiera, to pobieranie węgla 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 w atmosferze ziemskiej na przestrzeni minionych wieków.
Do wyznaczania wieku skał wykorzystuje się radioaktywny potas , który jeśli ulegnie rozpadowi, przekształca się w izotop argonu . Okres połowicznego zaniku potasu wynosi mld lat.
Załóżmy, że w pewnej próbce skały zawarte jest potasu i argonu pochodzącego z rozpadu potasu. Dane te wskazują, że liczba atomów argonu jest 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 razy więcej niż obecnie. Wynika z tego, że od rozpoczęcia procesu rozpadu upłynęły okresy połowicznego zaniku, a więc rozpad rozpoczął się 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 .
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 wojny światowej. sierpnia r. nad miastem Hiroszima w Japonii została zdetonowana bomba, której wybuch zabił ponad tysięcy osób. Trzy dni później powtórzono atak w Nagasaki, gdzie życie straciło ponad tysięcy mieszkańców.
Czas połowicznego rozpadu węgla wynosi około lat. Ze znalezionego drewnianego narzędzia wyizolowano węgiel o masie grama. Stwierdzono, że aktywność tej próbki węgla jest cztery razy słabsza od aktywności 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 w atmosferze była taka sama jak dziś.
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 ).
Energia wyzwalana podczas przemian i reakcji jądrowych wykorzystywana jest w elektrowaniach jądrowych, gdzie pozyskuje się energię elektryczną.
Zadania podsumowujące moduł
Dlaczego nie możemy zastosować metody datowania węglem C-14 w przypadku monet?
Prawda | Fałsz | |
Ponieważ monety zawierają zbyt dużo tego izotopu i nie istnieją mierniki umożliwiające pomiar aktywności tak dużej ilości izotopu węgla. | □ | □ |
Ponieważ monety nie powstały z materii ożywionej. | □ | □ |
Ponieważ monety nie składają się z tkanek biologicznych. | □ | □ |
Ponieważ monety są za małe i nie możemy uzyskać z nich wystarczającej ilości węgla do badań. | □ | □ |
Poszukaj i przeczytaj informacje o lotach sond kosmicznych wymienionych w tym rozdziale. Ewentualne notatki możesz zapisać w polu poniżej.
Poszukaj i przeczytaj informacje o zjawisku termoelektrycznym i jego zastosowaniu do wytwarzania energii elektrycznej w sondach kosmicznych. Ewentualne notatki możesz zapisać w polu poniżej.
Oszacuj, jaki jest wiek drewnianego antyku, jeśli natężenie promieniowania węgla stanowi w tym antyku natężenia promieniowania w próbce kontrolnej wykonanej z drewna pochodzącego ze świeżo ściętego drzewa.
Węgiel radioaktywny powstaje w górnych warstwach atmosfery. Promienie kosmiczne zderzają się z jądrami atomów gazu i wytwarzają neutrony, które w zderzeniach z jądrami azotu powodują powstanie jąder węgla . Zapisz równanie tej reakcji.
Kiedy węgiel radioaktywny
Słownik
metoda wykorzystywana do szacowania wieku znalezisk archeologicznych wykonanych z materiałów biologicznych, wykorzystująca czas połowicznego rozpadu izotopu
choroba tarczycy, polegająca na wydzielaniu przez tarczycę nadmiernej ilości hormonów.
bezbarwna ciecz, która wypełnia kanał rdzenia kręgowego i komory mózgu.
izotop promieniotwórczy.
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.