Promieniotwórczość Zagadnienie promieniotwórczości związane jest z niestabilnością konstrukcji jąder niektórych atomów: jeśli proporcje nukleonów (tj. protonów (p) i neutronów (n)) są niewłaściwe, wówczas jądro ulega rozpadowi- staje się promieniotwórcze. Niewłaściwe proporcje polegają na liczebnej przewadze jednego rodzaju cząstek (p lub n) lub zbyt dużej (w ogóle) liczbie nukleonów. W takich przypadkach siły jądrowe, które utrzymują konstrukcję jądra w całości (wbrew elektrostatycznemu odpychaniu się protonów)- przestają być wystarczające i rozpoczyna się proces rozpadu, który w przypadku jąder o bardzo dużej liczbie nukleonów trwa dopóty, dopóki jądro nie osiągnie rozmiarów możliwych do opanowania przez siły jądrowe. RYSUNEK: Ścieżka stabilności Ścieżka stabilności obrazuje liniową w przybliżeniu- zależność liczby neutronów (N) od liczby atomowej (Z): dla Z<20 stabilne są atomy, w których N w przybliżeniu równe jest Z, dla większych Z widoczna jest zwiększająca się przewaga neutronów (N>Z), co powoduje rozpad β + lub β -, dla najcięższych jąder zachodzi głównie rozpad α. Promieniotwórczość jest więc wynikiem: przemian (transformacji) w jądrach (procesy pierwotne), oddziaływań cząstek już istniejących z atomami ośrodka (oddziaływania wtórne). Sama natura stworzyła konfiguracje jąder, które choć dozwolone z punktu widzenia reguł fizyki- są niewygodne dla materii i dlatego nietrwałe! Prawo rozpadu promieniotwórczego matematycznie opisuje proces zaniku atomów promieniotwórczych w następstwie ich rozpadu (dla osiągnięcia stanu stabilności ): dn λt A = = λn = A0e ln2 0.693 dt T1/ 2 = = λ λ 1 τ = λ A- aktywność źródła promieniotwórczego, T 1/2 okres połowicznego rozpadu, Τ średni czas życia jądra promieniotwórczego. Aktywność wyrażamy w bekerelach: 1Bq= 1rozpad/s. Wielkość ta jest miarą ilości danego pierwiastka promieniotwórczego.
Rodzaje rozpadów: Rozpad α A Z X -- α --> A-4 z-2y (Zawsze spełnione są zasady zachowania masy i ładunku elektrycznego.) Emitowane są cząstki α o energiach rzędu kilku MeV, charakterystyczne dla konkretnej reakcji. Przykłady izotopów w ten sposób rozpadających się: 238 92U, 226 88Ra, 222 86Rn Rozpad β W zależności od liczby neutronów i protonów w jądrze zachodzi jeden z 3 rodzajów rozpadów beta: a) β - : gdy za dużo jest neutronów: n p+ e - +antyneutrino elektronowe A Z X β - --> A z+1y Elektrony mają ciągłe widmo energetyczne (podaje się E MAX ); Przykłady izotopów w ten sposób rozpadających się: 3 H, 14 C, 90 Sr b) β + : gdy za mało neutronów: p n+ e + +neutrino elektronowe A Z X β + --> A z-1y Przykłady izotopów w ten sposób rozpadających się: 11 C, 15 O, 18 F c) wychwyt elektronu (EC- electron capture): gdy w jądrze za mało neutronów wówczas jeden z protonów łapie e - z powłoki elektronowej, a z jądra wyemitowane zostaje neutrino elektronowe: p+e - n + neutrino elektronowe Przykłady izotopów w ten sposób rozpadających się: 57 Co, 111 In, 123 I. Promieniowanie γ także powstaje w wyniku przemian zachodzących w jądrach atomów; często towarzyszy ono rozpadom α i β: Promieniowanie to jest falą elektromagnetyczną o częstotliwości>10 19 Hz. Emisja kwantu γ następuje, gdy jądro przechodzi na niższy poziom energetyczny: E 1 E 2 =hf (często towarzyszy rozpadom α lub β, gdy jądro jest w stanie wzbudzonym); h stała Plancka (6.626x10-34 Js). Wartości energii kwantów γ są ściśle określone zasadami fizyki (prawo zachowania energii w rozpadzie jądra) i dlatego wartość ta pozwala zidentyfikować pierwiastek, z którego pochodzi kwant γ. Promieniowanie γ jest także pośrednio jonizującym.
Izotopy to odmiany konkretnego pierwiastka różniące się miedzy sobą liczbą neutronów w jądrze. Pierwiastek może mieć wiele izotopów: część z nich jest stabilna, a inne - promieniotwórcze. Izotopy promieniotwórcze mogą pochodzić ze źródeł naturalnych lub- sztucznych. Odkąd poznano zjawisko promieniotwórczości człowiek naśladując naturę- nauczył się produkować izotopy promieniotwórcze. Ocenia się, iż obecnie jedynie ok. 300 na 3000 izotopów jest trwałych (stabilnych); pozostałe -to izotopy promieniotwórcze, z czego większość wytwarzana jest sztucznie w reakcjach jądrowych : z cząstkami naładowanymi (w akceleratorach), z neutronami (w reaktorach jądrowych), z fotonami. Przykładem jest produkcja indu (In) w cyklotronie ( 111 48Cd+ 1 1p 111 49In+ 1 0n). W reaktorach jądrowych izotopy promieniotwórcze produkowane są poprzez rozszczepienie (fission) jąder uranu przez neutrony termiczne. Przykładem jest produkcja molibdenu wykorzystywanego powszechnie w generatorach technetowych używanych w medycynie nuklearnej: ( 235 92U+ 1 0n 236 92U 99 42Mo+ 135 50Sn+2 1 0n) wychwyt neutronu przez jądro tarczy ( 98 42Mo (n,γ) 99 42Mo 99 42 Mo jest β - promieniotwórczy z T 1/2 =67 godz. a w wyniku rozpadu powstaje izobar 99m 43 Tc metastabilny z T 1/2 =6 godz dla medycyny nuklearnej. Innego rodzaju reakcje jądrowe są wywołane przez fotony (tzw. reakcje fotojądrowe); zachodzą one wówczas, gdy energia fotonu jest wyższa od energii progowej dla danego jądra (klika-kilkanaście MeV). Źródłem takich fotonów jest promieniowanie hamowania w akceleratorze padające na tarczę z materiału o wysokiej liczbie atomowej. 109 Przykład reakcji: 47 Ag (γ,n) 108 47Ag z E PR =9.3 MeV. Obecność izotopów promieniotwórczych w środowisku może powodować narażenie radiacyjne dla populacji. Poniżej przedstawiono możliwe drogi przenikania i sposoby ewentualnej ekspozycji populacji na promieniowanie jonizujące. Źródła promieniowania jonizującego dzielimy ze względu na miejsce występowania na naturalne i sztuczne. Źródła naturalne: mogą powodować przede wszystkim ekspozycję zewnętrzną, ale możliwa jest także wewnętrzna. Ekspozycja zewnętrzna jest spowodowana promieniowaniem docierającym do nas z kosmosu oraz obecnością pierwiastków promieniotwórczych w skorupie ziemskiej.
Promieniowanie kosmiczne- zawiera głównie protony i cząstki alfa, które oddziaływują z górnymi warstwami atmosfery tworząc kaskady cząstek wtórnych. Cząstki elementarne ważne ze względów dozymetrycznych : miony, neutrony, elektrony, pozytony i fotony. Natężenie promieniowania kosmicznego zależy głównie od wysokości n.p.m.; słabo zmienia się z szerokością geograficzną. W niskich warstwach atmosfery i na poziomie morza zależność od 11.letniego cyklu aktywności Słońca jest słabo zauważalna. Średnia roczna dawka efektywna od prom kosmicznego na poziomie morza wynosi ok. 240µSv (przy zał.80% czasu w pomieszczeniach). Radionuklidy pochodzenia kosmicznego (powstają w wyniku oddziaływań cząstek elementarnych w atmosferze) 3 H, 7 Be, 14 C, 22 Na 14 C największy wkład do dawki (12µSv): emiter cząstek β (średnia energia ok.50kev), T 1/2 =5730 lat; Powstaje także podczas eksplozji jądrowych i pracy reaktorów (tez przy instalacjach przetwarzających zużyte paliwo jądrowe). Powstaje głównie w wyniku reakcji neutronów z atomami tlenu i azotu. (Tlen- w moderatorach i chłodziwach wodnych, w chłodziwach z CO 2 oraz w paliwach utlenionych np. UO 2.) Radionuklidy w skorupie ziemskiej: 40 K, 232 Th i 238 U (tez: 87 Rb, 138 La, 147 Sm, 176 Lu w b.małych ilościach); więcej w skałach wulkanicznych (granit, bazalt) oraz w fosforanowych, mniej w osadowych (wapień). Szereg 238 U: tor, proaktyn, uran, tor,rad (226),radon (222), polon,ołów, bizmut, polon, ołów,bizmut, polon, ołów (206); Szereg 232 Th:rad, aktyn tor,rad (228), radon (220), polon, ołów, bizmut, polon, tal, ołów(208); Zewnętrzna ekspozycja:od emitujących γ izotopów z szeregu U lub Th; jednakowy wkład do dawki na zewnątrz i w pomieszczeniach. Radionuklidy w skorupie ziemskiej są także źródłem ekspozycji wewnętrznej, poprzez: inhalację (rozpylone cząstki gleby, radon; wchłanianie (zależy od żywności i wody cyklu żywienia, różne w regionach); W środowisku naturalnym obecne są także Radionuklidy pochodzące z wybuchów jądrowych, tj. głównie 90 Sr i jod. 90 Sr jest alkalicznym pierwiastkiem ziem rzadkich, wykazującym chemiczne podobieństwo do wapnia, baru i radu. Nie metabolizuje jak wapń odkłada się w kościach. Stront rozpada się poprzez emisję β do stabilne 90 Zr. T 1/2 = 29 lat. Uwolniony w eksplozjach przedostaje się do organizmu w cyklu pokarmowym (woda, pokarm), a czas retencji jest długi.
Jod jest pierwiastkiem lotnym, wykazującym dużą ruchliwość w środowisku; posiada ok.25 izotopów; poza 127 I wszystkie są radioaktywne; najważniejsze 131 I i 129 I- produkowane przez rozszczepienie; 131 I- rozpada się poprzez emisję β (0.81MeV) i γ (gł.640kev). T 1/2 =8d. 131 I łatwo uwalniany jest podczas awarii jądrowych. Sztuczne źródła promieniowania jonizującego, to: źródła promieniowania jonizującego stosowane w medycynie, energetyka jądrowa, wydobycie i przetwarzanie materiałów promieniotwórczych, wydobycie oraz spalanie paliw organicznych, wydobycie i wykorzystywanie minerałów fosforanowych. Źródła wymienione wyżej związane są z pokojowym wykorzystaniem energii jądrowej; wszelkie próby militarne z bronią jądrową mogą być bardzo istotnym choć zakazanym- sztucznym źródłem promieniowania dla populacji świata. W warunkach pokoju -najistotniejszą rolę w narażeniu populacji odgrywają sztuczne źródła promieniowania stosowane w medycynie i związane z energetyką jądrową. Wykorzystanie tego rodzaju źródeł w innych gałęziach przemysłu sprowadza się głównie do celów kontrolno-pomiarowych (np. defektoskopy rentgenowskie i izotopowe, wskaźniki, bramki kontrolne, czujki dymu, itd.). Sztuczne źródła promieniowania używane są także w wielu placówkach naukowo-badawczych. Sztuczne źródła promieniowania jonizującego można podzielić bardzo ogólnie na dwa rodzaje: aparaturę rentgenowską i izotopy promieniotwórcze. Do aparatury rentgenowskiej zaliczamy zarówno diagnostyczne i terapeutyczne medyczne aparaty rentgenowskie, jak i kineskopy telewizyjne, prostowniki próżniowe średnich i wielkich mocy, betatrony, akceleratory, itp.. Radioizotopy wykorzystywane są powszechnie jako: silne źródła promieniowania w terapii ( bomby kobaltowe lub cezowe, igły radowe, itd.), różnego rodzaju mierniki lub czujniki w przemyśle (gęstościomierze, pojemnościomierze, wagi izotopowe, czujki dymu, itd.), podstawniki (zamienniki) stabilnych izotopów danego pierwiastka w tzw. technice znakowania radioizotopowego. Ostatni sposób użycia radioizotopów wymaga nieco szerszego omówienia. Ponieważ właściwości chemiczne radioizotopu są takie same, jak właściwości stabilnych izotopów danego pierwiastka, to w związkach chemicznych atom radioizotopu może zastąpić atom stabilny. Dzięki tej operacji (zwanej znakowaniem) użycie
odpowiedniego detektora promieniowania jonizującego pozwala na odszukanie interesującego nas związku chemicznego w badanym materiale. Technikę znakowania szeroko stosuje się w diagnostyce medycznej (medycyna nuklearna- badania in vivo i in vitro), w farmakologii oraz w wielu technologiach przemysłowych i technikach naukowo-badawczych. (Wyżej wymienione zastosowania radioizotopów nie obejmują oczywiście celów militarnych.) Każdy radioizotop charakteryzuje się parametrem nazywanym okresem połowicznego zaniku (rozpadu) (T 1/2 ): określa on czas potrzebny do samoistnego rozpadu połowy atomów pierwiastka.