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.

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.
Już wiesz
  • wymienić rodzaje promieniowania jądrowego i podać ich właściwości;

  • opisać wpływ promieniowania jonizującego na organizm ludzki;

  • podać definicję aktywności promieniotwórczej izotopu;

  • przytoczyć treść prawa rozpadu promieniotwórczego;

  • wyjaśnić różnicę między promieniotwórczością sztuczną, a naturalną;

  • podać definicję reakcji jądrowej.

Nauczysz się
  • opisywać, jak wykorzystujemy promieniotwórczość sztuczną;

  • wymieniać sposoby wykorzystania energii wyzwalanej podczas reakcji jądrowych.

Produkcja sztucznych izotopów promieniotwórczych umożliwiła zastosowanie promieniotwórczości w życiu codziennym. Radioizotopywykorzystujemy 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.

Księżycowy „łazik”, który do ogrzewania swoich podzespołów wykorzystywał energię będącą wynikiem rozpadu promieniotwórczego polonu

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 w sondach: Pionier 10, Pionier 11, Voyager 1 i Voyager 2.

Sonda Pionier 10, wystrzelona z Ziemi w 1972 r., obecnie znajduje się w odległości ponad 14 miliardów km od Słońca. Ostatnie sygnały pochodzące z tej sondy odebrano w 2003 r., czyli ponad 30 lat po jej starcie. Jest to pierwsza sonda, która opuściłaUkład Słoneczny. Porusza się ona w kierunku gwiazdozbioru Byka i za dwa miliony lat ma szansę dotrzeć do gwiazdy Aldebaran.

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

Bezzałogowa sonda kosmiczna Voyager 2

Sonda Voyager 2, wystrzelona w 1977 r., znajduje się w odległości ponad 15 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. Jeden gram polonu produkuje energię 140Js i osiąga temperaturę ponad 500. 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 (jeżeli wykonasz drugie polecenie w zadaniu domowym, to dowiesz się na ten temat znacznie więcej).

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 przepływpłynu rdzeniowo‑mózgowegow 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 cierpiącymna 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.

Niszczenie guza nowotworowego za pomocą bomby kobaltowej

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

Co2760Ni+ e-2860+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 nadatowaniu 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.

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 1,8·10-6g potasu K194012,6·10-5g 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 do10%.

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.

Kwestią wytwarzania energii w różnych reakcjach jądrowych zajmiemy się w następnych rozdziałach.

Zniszczenie Hiroszimy i Nagasaki
Polecenie 1

Czas połowicznego rozpadu węgla 14C 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? 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.

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 14C).

  • Broń atomowa została po raz pierwszy użyta pod koniec II wojny światowej (1945 r.). Zniszczeniu uległy wówczas dwa japońskie miasta: Hiroszima i Nagasaki. W Hiroszimie na skutek uderzenia jądrowego zginęło ponad 78 tys. mieszkańców, w Nagasaki – ponad 40 tys.

Zadanie podsumowujące moduł

Ćwiczenie 1

Praca domowa

Praca domowa
Polecenie 2.1

Poszukaj w internecie informacji o lotach sond kosmicznych wymienionych w tym rozdziale.

Polecenie 2.2

Znajdź w internecie informacje o zjawisku termoelektrycznym i jego zastosowaniu do wytwarzania energii elektrycznej w sondach kosmicznych.

Polecenie 2.3

Zastanów się, jaki jest wiek drewnianego antyku, jeśli natężenie promieniowania węgla 14C stanowi w tym antyku 6% natężenia promieniowania w próbce kontrolnej wykonanej z drewna pochodzącego ze świeżo ściętego drzewa.

Polecenie 2.4

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.

Polecenie 2.5

Kiedy węgiel radioaktywny C14 się rozpada, emituje promieniowanie β. Zapisz równanie tego rozpadu.

Słowniczek

datowanie radiowęglowe (datowanie 14C)

– metoda wykorzystywana do szacowania wieku znalezisk archeologicznych wykonanych z materiałów biologicznych, wykorzystująca czas połowicznego rozpadu izotopu 14C.

nadczynność tarczycy

– choroba tarczycy; polega na wydzielaniu przez tarczycę nadmiernej ilości hormonów.

płyn rdzeniowo‑mózgowy

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

radioizotop

– izotop promieniotwórczy.

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.