Energetyka jądrowa, promieniotwórczość i jej zastosowanie

SPIS TREŚCI:

TEMAT I ENERGETYKA JĄDROWA
oSTRONA 1 .ENERGETYKA JĄDROWA
oSTRONA 2.REAKTORY JĄDROWE , PODZIAŁ
oSTRONA 3.BUDOWA REAKTORA
oSTRONA 4. WADY ENERGII JĄDROWEJ
oSTRONA 8. PO AWARII SKUTKI KATASTROFY
oSTRONA 12.ROZCZEPIENIE JĄDRA ATOMOWEGO
oTEMAT II PROMIENIOWANIE I ZASTOSOWANIE
oSTRONA 13. PROMIENIOWANIE KADOWE
oODKRYCIE RĘDGENA.
oSTRONA 14.ODKRYCIE PROMIENIOWANIA
oSTRONA 15. ODKRYCIE RADU I POLONU
oSTRONA 18. ODKRYCIE BECQUERELA
oSTRONA 19.ODKRYCIE RUTHERFORD
oSTRONA 20 DO KOŃCA PODSUMOWANIE TEMATÓW.

ZRÓDŁA
?prof. Ewa Mozepa
?Internetowa Encyklopedia PWN
?Podręczna Encyklopedia PWN, Wydawnictwo Naukowe PWN
?Grzegorz Fedorowski, “Człowiek istota poznana?”
?WIKIPEDIA
?Maria Litwin, Teresa Kulawik, Jan Kulawik, “Chemia dla gimnazjum, część 1″, Wydawnictwo Nowa Era.

Energetyka jądrowa – to zespół zagadnień związanych z uzyskiwaniem na skalę przemysłową energii z rozszczepienia ciężkich jąder pierwiastków (głównie uranu 235).
Energię tę pozyskuje się głownie w wyniku rozszczepienia jąder atomowych w reaktorach jądrowych w elektrowniach jądrowych i na okrętach jądrowych. W niewielkim stopniu wykorzystuje się energię rozpadów promieniotwórczych np. w zasilaczach izotopowych (SNAP). Energetyka jądrowa obejmuje również problemy związane z wydobyciem uranu, przeróbką paliwa jądrowego oraz składowaniem odpadów jądrowych. Pierwsze elektrownie jądrowe pojawiły się w latach pięćdziesiątych, dynamiczny rozwój tej dziedziny rozpoczął się w 2. połowie lat sześćdziesiątych, w związku z wzrostem kosztów energii uzyskiwanej ze spalania kopalin. Rozwój ten został prawie wstrzymany po katastrofie w Czarnobylu. W ostatnich latach obserwuje się działania świadczące o wzroście zainteresowania oraz powrót do planów rozwoju energetyki jądrowej.
Na świecie zainstalowane są elektrownie jądrowe o łącznej mocy 370[1] GW, wytwarzanej przez 435[1] bloków energetycznych. (Dla porównania: energetyka węglowa posiada moc zainstalowaną równą 1614,1 GW, elektrownie wodne 566,8 GW, dane z końca lat osiemdziesiątych). 29 bloków energetycznych jest w budowie[1]. Wielkości rocznej produkcji energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych wskazuje na większe w nich wykorzystanie zainstalowanej mocy (kolejno: jądrowe: 1560, węglowe 6350, wodne 2030 TWh). Najwięcej energii elektrycznej uzyskuje się z energetyki jądrowej w USA (rocznie 527 TWh, 103 reaktory) i Francji (260 TWh, 59 reaktorów). Potęgami są tu również Japonia (55) i Rosja (31). Największy udział energetyki jądrowej w produkowanej energii elektrycznej ma obecnie[1]: Francja (78%), Belgia (54%), Korea Południowa (39%), Szwajcaria (37%), Japonia (30%), USA (19%), Rosja (16%).
Największe kontrowersje wokół energetyki jądrowej związane są z kwestią ataków terrorystycznych (brak właściwych zabezpieczeń); rozprzestrzenianiem broni jądrowej; problemem powstawania, transportu i składowania odpadów promieniotwórczych oraz kosztów związanych z zamknięciem elektrowni i utylizacji odpadów promieniotwórczych.
Największa zaletą energetyki jądrowej jest wysokie bezpieczeństwo i nieszkodliwość dla środowiska (brak emisji CO2). Energetyka jądrowa jest także najbardziej skondensowanym źródłem energii obecnie wykorzystywanym przez człowieka. Światowe zasoby materiałów rozszczepialnych pozwalałyby na pokrycie wszelkich potrzeb energetycznych ludzkości na wiele tysięcy lat. Zasoby naturalnych surowców energetycznych są ograniczone, już obecnie podaż ropy naftowej ledwo nadąża za popytem. Szacuje się że najtańsze w eksploatacji złoża ropy są na wyczerpaniu a wysokie koszty eksploatacji pozostałych sprawią że już za kilkadziesiąt lat paliwa będą bardzo drogie. Kwestia czasu wyczerpania zasobów na świecie jest dyskusyjna. Tak zwane “Raporty Rzymskie” przewidywały wyczerpanie zasobów do roku 1992, ale nowe metody poszukiwania i eksploatacji odsunęły tę granicę na co najmniej 20 lat.

Reaktor jądrowy to urządzenie, w którym przeprowadza się z kontrolowaną szybkością reakcję rozszczepienia jąder atomowych. Reakcja rozszczepienia jąder atomowych ma przebieg lawinowy ? jedna reakcja łańcuchowa może zainicjować kilka następnych. W celu kontrolowania szybkości reakcji tak by przebiegała z jednakową prędkością (mówimy że reakcja ma przebieg łańcuchowy tzn. jedno rozszczepienie inicjuje następne rozszczepienie jądra atomowego) wprowadza się do reaktora substancje pochłaniające neutrony. Są to na przykład bor lub kadm. Substancje te umieszczone są w prętach zwanych regulacyjnymi. Moderator służy do spowalniania neutronów poprzez zderzenia neutronów z jądrami moderatora.
Podział reaktorów:

energetyczne,
reaktory wodne, ciśnieniowe (tzw. PWR i WWER), w których chłodziwem i moderatorem jest zwykła woda pod ciśnieniem (na tyle wysokim by woda nie zaczęła odparowywać podczas normalnej pracy reaktora).
wyjątkowymi reaktorami wodnymi, ciśnieniowymi są reaktory RBMK (tego typu reaktory były między innymi w Czarnobylu oraz w innych elektrowniach na terenie byłego ZSRR), chłodzone są wodą, a moderowane grafitem.
reaktory wodne, wrzące (BWR), w których chłodziwem i moderatorem jest również zwykła woda, ale wrząca,
reaktory ciężkowodne (PHWR np. CANDU ), chłodziwem i moderatorem jest ciężka woda,
reaktory gazowe (GCR, AGR, HTGR), w których chłodziwem jest gaz (dwutlenek węgla lub hel), a moderatorem grafit,
reaktory prędkie (LMFR na szybkich neutronach), pozbawione moderatora, chłodziwem są najczęściej stopione metale: sód, rzadziej ołów.
napędowe (głównie okrętów podwodnych i dużych okrętów wojennych),
militarne (wytwarzające materiał rozszczepialny do broni jądrowej),
badawcze.

Budowa reaktora

W zdecydowanej większości elektrowni jądrowych energia rozszczepienia wzbogaconego uranu jest odbierana przez wodę, która w zależności od reaktora: odparowuje (reaktory wrzące BWR) lub nie (jeśli jest pod wysokim ciśnieniem – reaktory ciśnieniowe PWR i WWER).
Najczęściej czynnik podgrzany w reaktorze, przekazuje ciepło wodzie w wytwornicy pary, która dzieli cały układ na obieg pierwotny i wtórny. Wytworzona w wytwornicy para napędza turbozespół. Typowy reaktor jądrowy zbudowany jest z rdzenia, reflektora neutronów oraz osłon biologicznych. Sam rdzeń zawiera pręty paliwowe, pręty regulacyjne (pochłaniają nadmiar neutronów), pręty bezpieczeństwa, moderator (zmniejsza energię neutronów), kanały chłodzenia i kanały badawcze.
Paliwo

W większości reaktorów (a we wszystkich lekko-wodnych) paliwo jądrowe stanowi wzbogacony uran. Wzbogacenie polega na zwiększeniu zawartości rozszczepialnego U-235 do około 3-5% (z około 0,7%), ale reaktory ciężkowodne (CANDU, PHWR) pracują przy naturalnym udziale izotopów. Reaktory prędkie wymagają jako paliwa bardziej wzbogaconego uranu (do 20%), bądź plutonu. Produkują za to, w procesie wychwytu neutronu i następujących rozpadów beta, pluton-239 z uranu U-238. Pluton może być następnie, po wydzieleniu używany jako paliwo. Przy odpowiedniej konstrukcji reaktor jest w stanie produkować w ten sposób więcej paliwa, niż go zużywa (reaktor powielający).
W przyszłości planuje się wykorzystywać jako paliwo jądrowe wzbogacony tor. W wyniku rozszczepienia toru powstają jądra atomowe o mniejszej masie niż przy rozszczepieniu uranu lub plutonu i jest wśród nich więcej jąder trwałych. Rozszczepienie toru wytwarza zbyt mało neutronów by uzyskać masę krytyczną, w związku z tym do reaktora takiego trzeba by wstrzeliwać neutrony pochodzące z zewnątrz. W celu uzyskania dużej ilości neutronów naukowcy pracują nad zastosowaniem zjawiska spalacji. W zjawisku tym jądra ciężkich pierwiastków np. ołowiu są bombardowane wiązką protonów o dużej energii (rzędu 1 GeV), w wyniku czego ulegają wzbudzeniu. Jądra pozbywają się energii wzbudzenia wyrzucając z siebie nukleony w tym i neutrony. Zjawisko spalacji może być stosowane w celu uczynienia bezpiecznymi i przedłużenia pracy paliwa obecnych reaktorów jądrowych, a także pomóc w utylizacji radioaktywnych odpadów. Obecnie Indie opracowują reaktor typu AHWR (Advanced Heavy Water Reactor) przystosowany do “spalania” toru.
Czy wiesz że?..
Pierwszy reaktor (uranowo-grafitowy) zwany CP-1 (ang. Chicago Pile no.1, “Stos chicagowski nr 1″) zbudowany został 2 grudnia 1942 na Uniwersytecie w Chicago pod kierunkiem włoskiego uczonego Enrico Fermiego.
10 listopada 2004 roku były na świecie 442 reaktory. Znamionowa moc elektryczna bloków energetycznych, w których skład wchodziły wynosiła 366,5 GW(e). Tylko 48 z tych bloków miało mniej niż 10 lat. 266 reaktorów to reaktory wodne ciśnieniowe (PWR i WWER) mogące wytworzyć 239,6 GW(e). 22 reaktory jądrowe było w budowie, z czego 12 to PWR i WWER.
Polskie reaktory:
Ewa
Maria
W Kartoszynie nad Jeziorem Żarnowieckim budowano Elektrownię Jądrową Żarnowiec, lecz w 1990 budowa została przerwana.

Wady Energii Jądrowej
rys.Czarnobyl

Katastrofa w Czarnobylu – jedna z największych katastrof przemysłowych XX wieku, oceniana jako największa katastrofa w historii energetyki jądrowej, mająca miejsce 26 kwietnia 1986, do której doszło w wyniku wybuchu wodoru[1] z reaktora jądrowego bloku nr 4 elektrowni atomowej w Czarnobylu. W wyniku awarii skażeniu promieniotwórczemu uległ obszar ok. 100 000 km2 terenu na pograniczu Białorusi, Ukrainy i Rosji, a wyemitowana z uszkodzonego reaktora chmura radioaktywna rozprzestrzeniła się po całej Europie.
Przyczyny i przebieg awarii
W dniu 26 kwietnia 1986 roku personel obsługujący reaktor czwarty w elektrowni jądrowej w Czarnobylu prowadził przygotowania do niezwykle niebezpiecznego testu, który miał polegać na znacznym zmniejszeniu mocy reaktora, następnie na zablokowaniu dopływu pary do turbin generatorów i mierzeniu czasu ich pracy po odcięciu w taki sposób zasilania. Konieczność przeprowadzenia eksperymentu wynikła ze zmian w projekcie, które nie zostały wcześniej przetestowane. Mianowicie część prądu wytwarzanego przez każdy blok była zużywana na potrzeby własne tego bloku (zasilanie pomp wody chłodzącej, systemów kontrolnych etc.); gdyby doszło do konieczności wyłączenia reaktora, energia byłaby zapewniana początkowo przez awaryjne agregaty prądotwórcze, a potem z zewnątrz (inne bloki lub elektrownie). Podczas budowy elektrowni okazało się, że awaryjne agregaty prądotwórcze uzyskują wystarczającą moc dopiero po 40 sekundach od wyłączenia reaktora, a turbogenerator po wyłączeniu reaktora dzięki sile rozpędu jest w stanie zapewniać wystarczającą moc zaledwie przez 20 sekund ? oznacza to, że przez okres 20 sekund systemy kontrolne i bezpieczeństwa reaktora nie byłyby zasilane. W związku z tym istniały 2 możliwości ? zastosowanie agregatów prądotwórczych o krótszym czasie rozruchu lub przerobienie turbogeneratorów, aby dłużej dostarczały prąd po wyłączeniu reaktora. Wybrano to drugie rozwiązanie, ale nie sprawdzono wcześniej eksperymentalnie, czy wprowadzone przeróbki istotnie spełniają swoją funkcję. Eksperyment powinien zostać przeprowadzony dwa lata wcześniej, przed oddaniem reaktora do eksploatacji. Jednak wówczas jego przeprowadzenie zagrażało przedplanowemu oddaniu reaktora do użytku i odłożono go na później, łamiąc jeden z przepisów eksploatacji reaktorów. Test miał zostać przeprowadzony następnego dnia. Eksperyment polegał na sprawdzeniu jak długo w sytuacji awaryjnej, po ustaniu napędzania turbin generatorów parą z reaktora, energia kinetyczna ich ruchu obrotowego produkuje wystarczającą ilość energii elektrycznej dla potrzeb awaryjnego sterowania reaktorem. Czas ten potrzebny jest by uruchomić system awaryjnego zasilania elektrycznego sterowania reaktorem – mały generator elektryczny napędzany przez silnik spalinowy. Dla przeprowadzenia eksperymentu potrzebne było symulowanie sytuacji awaryjnej. W ramach przygotowań do testu technicy wyłączyli niektóre z systemów kontroli pracy reaktora, m.in. system automatycznego wyłączania reaktora w razie awarii. Wyłączenie tego systemu było konieczne dla sprawnego przeprowadzenia tegoż testu. Reaktory pracujące w czarnobylskiej elektrowni to reaktory typu RBMK-1000, które są niestabilne przy małej mocy i każdy symulowany wzrost ilości wytwarzanej pary może spowodować zwiększanie ilości wytwarzanej przez reaktor energii. Wzrost energii powoduje wzrost wytwarzania pary, co w konsekwencji powoduje dalszy wzrost ilości wytwarzanej przez reaktor energii. Powoduje to niekontrolowany wzrost mocy reaktora.
Krótko po godzinie pierwszej w nocy 26 kwietnia 1986 rozpoczął się niedopracowany eksperyment. Odcięcie reaktora od parowych turbin elektroenergetycznych spowodowało wzrost ciśnienia pary w samym reaktorze i stanowiło impuls podwyższający jego niestabilność. Jednocześnie razem z olbrzymim skokiem mocy reaktora wzrosła mocno temperatura rdzenia, co spowodowało utlenienie cyrkonowych wyściółek kanałów paliwowych i bezpośredni kontakt wody z rozżarzonym moderatorem grafitowym. Według danych kanadyjskich naukowców woda w tej temperaturze najprawdopodobniej uległa termolizie w wyniku której po rozszczelnieniu się reaktora, do hali przedostała się mieszanina piorunująca (tlen wodór), która spowodowała wybuch niszcząc całkowicie reaktor i budynek w którym się znajdował).
O godzinie 01:23 jeden z techników obsługujących czwarty reaktor próbuje uruchomić system zabezpieczeń, który jednak nie zadziałał, a reaktor nie wyłączył się ? wynikło to z tego, że wskutek wysokiej temperatury uległy skrzywieniu kanały, przez które wprowadzane są do reaktora pręty z materiału pochłaniającego neutrony, które zatrzymują reakcję łańcuchową. Reakcja rozwija się nadal. Mija jeszcze kilkanaście sekund. Ilość energii produkowanej przez reaktor stukrotnie przewyższa dopuszczalny poziom. Tak gwałtowny wzrost mocy i temperatury doprowadził do potężnej eksplozji pary wodnej znajdującej się w reaktorze, w wyniku której rozsadzona zostaje ciężka, ważąca blisko 2000 ton osłona antyradiacyjna pokrywająca reaktor. Następnie w niewyjaśnionych okolicznościach nastąpił drugi nieco potężniejszy wybuch, który to zniszczył budynek czwartego reaktora (prawdopodobne jest że eksplodowała ulatująca z już rozszczelnionego reaktora mieszanina piorunująca). Wybuch ten zapoczątkował pożar grafitu (moderatora), trwający przez następne 9 dni w budynku reaktora. Do atmosfery dostaje się radioaktywny pył. Większość z 211 prętów kontrolujących pracę rdzenia reaktora stopiła się. Radioaktywne cząstki wyrzucone do atmosfery wybuchem, jak i te emitowane nadal w wyniku szalejącego pożaru grafitu tworzyły pióropusz radioaktywnych drobin o wysokości 1030 m, który następnie przemieścił się w stronę miasta Prypeć. Przypuszczalnie drugą eksplozję spowodowała mieszanina piorunująca (wodór tlen) powstała z termolizy wody, która bezpośrednio zetknęła się z rozżarzonym grafitem o temperaturze 3000 stopni Celsjusza (dotychczas bloki grafitowe były odizolowane od wody, która krążyła jedynie w kanałach paliwowych wyścielonych cyrkonowymi koszulkami). Korzystne wiatry utrzymywały chmurę radioaktywnych cząstek z dala od Prypeci, gdyby na miasto spadło bezpośrednie uderzenie, mogły zachorować bądź umrzeć tysiące ludzi. Eksplozja ta też pozwoliła na wniknięcie świeżego powietrza do wewnątrz reaktora. Spowodowało to zapłon kilku ton grafitowych bloków izolujących reaktor, które płonąc przez 9 dni uwolniły do atmosfery najwięcej izotopów promieniotwórczych. Ugaszenie płonącego grafitu było niezwykle trudne. Potrzeba było 9 dni i kilku tysięcy ton piachu, boru, dolomitu, gliny i ołowiu zrzucanych ze śmigłowców (głównie) Mi-26 zanim zdołano go ugasić. Zrzucane materiały pod wpływem żaru z reaktora stapiały się razem, tworząc zwartą masę nazywaną później “płytą grobową”. Jak się później okazało ołów zastosowany w gaszeniu reaktora, pod postacią oparów wyrządził ogromne szkody osobom gaszącym reaktor.
Kiedy wreszcie zakończono pomyślnie zrzucanie ładunków. nastąpił poważny kryzys. Reaktor był tak zbudowany, że pod jego podstawą, grubą na metr warstwą betonu, znajdował się zbiornik wody chłodzącej. Gdyby rozżarzona lawa przedostałaby się do tych zbiorników, mógłby nastąpić wybuch kilkaset razy silniejszy (o sile 3-5 Mt), powodując jeszcze większe skażenie Europy. Ponieważ prawdopodobieństwo takiego zdarzenia szacowano na 10-15%, przedsięwzięto akcję zapobiegawczą. Ściągnięto setki wozów strażackich i beczkowozów do wypompowania wody, lecz mimo dramatycznej akcji wciąż pozostawało w zbiorniku kilka hektolitrów wody. Trójka inżynierów zgłosiła się na ochotnika i ciemnymi, wąskimi korytarzami dotarli do zbiornika (brodząc po pas w skażonej wodzie), by otworzyć dwa zawory główne. Na szczęście obyło się bez większych kłopotów.
Gdy zakończyli pracę, przystąpiono do zainstalowania ogromnych agregatów chłodzących pod reaktorem. Ponieważ w trakcie prac zauważono że temperatura reaktora spadła (głównie w wyniku zastosowania zasypywania ołowiem), zamiast tego postanowiono wybudować w tym miejscu “poduszkę betonową” aby w razie przepalenia się reaktora do wnętrza nie doszło do stopienia fundamentów i silnego skażenia terenu. Ponieważ grunt był miękki (Prypeć i Czarnobyl leżą w pobliżu mokradeł), użyto techniki stosowanej w podobnych sytuacjach do budowy metra – w ukośne odwierty wlewano płynny tlenek azotu (temp. -196 *C) i doprowadzono do zamrożenia gruntu. Koparki i inne maszyny przebijały się później przez twardą ziemię, aż w końcu wykopano tunel długi na 150 metrów i założono poduszki. Po 10 dniach przepaliła się płyta betonowa i radioaktywne szczątki reaktora runęły do zbiornika, gdzie pozostają do dziś. Ich wydobycie przy obecnej technologii jest niemożliwym zadaniem.
Po awarii Rys. Pomnik ku czci ofiar Czarnobyla
Wybuch reaktora jądrowego w Czarnobylu media uznały za największą katastrofę drugiej połowy XX wieku. Dziś, po 21 latach od tego wydarzenia, raporty naukowe pokazują, że była to największa katastrofa psychologiczna, która zaważyła na rozwoju energetyki jądrowej. Spore kontrowersje budzi szacowana liczba ofiar. Najnowszy raport Komitetu Naukowego ONZ ds. Skutków Promieniowania Atomowego (UNSCEAR) stwierdza, że 134 pracowników elektrowni jądrowej i członków ekip ratowniczych było narażonych na działanie bardzo wysokich dawek promieniowania jonizującego, po których rozwinęła się ostra choroba popromienna. Dwudziestu ośmiu z nich zmarło w wyniku napromieniowania, a dwóch od poparzeń. Wielu ludzi biorących udział w akcji zabezpieczenia reaktora zginęło podczas towarzyszących akcji wypadków budowlanych. Najbardziej spektakularnym wypadkiem była uchwycona na filmie katastrofa helikoptera, którego łopatki wirnika zawadziły o liny dźwigu; cała załoga helikoptera zginęła.
Po katastrofie wyznaczono zamkniętą strefę buforową mierzącą 2,5 tysiąca km? i wysiedlono z niej wszystkich mieszkańców (choć jak wynika z aktualnych badań silnie skażony obszar w okolicach elektrowni ma powierzchnię 0,5 km?). W promieniu 10 km od elektrowni utworzono strefę “szczególnego zagrożenia”, a w promieniu 30 km strefę “o najwyższym stopniu skażenia”. Zlikwidowano 20 pobliskich kołchozów i wyłączono z uprawy rolnej 100 000 hektarów ziemi rolniczej. Ewakuowano także całą ludność miasta Prypeć, liczącą wówczas 50 000 mieszkańców. Najbardziej skutki katastrofy dotknęły terytorium Ukrainy, gdzie skażeniu uległo 9 procent obszaru tego kraju.[1]
Za wywołanie psychozy w dużej mierze odpowiedzialne są ówczesne zachodnie dzienniki, które podawały niesprawdzone informacje (m. in. na skutek cenzury informacji w ZSRR) za przykład może służyć notatka BBC: “Katastrofa jądrowa w Czarnobylu, tysiące ludzi jest chowanych w przydrożnych rowach”
Raporty o katastrofie
Forum Czarnobyla 2003-2005, w skład którego wchodziły Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej (IAEA), Światowa Organizacja Zdrowia (WHO), Program Narodów Zjednoczonych ds. Rozwoju (UNDP), inne ciała Organizacji Narodów Zjednoczonych i rządy Ukrainy, Białorusi i Rosji, udostępniło szczegółowy raport nt. skutków katastrofy reaktora.[2] Wg. opublikowanych danych, spośród 134 pracowników likwidujących awarię, u których wystąpiła ostra choroba popromienna, 28 osób zmarło z jej powodu w 1986 roku, a 19 kolejnych w latach 1987-2004 (niektóre z tych śmierci nie miały związku z napromieniowaniem). W trakcie akcji ratowniczej 2 osoby zginęły z powodów wypadków niezwiązanych z promieniowaniem, a jedna osoba zmarła z powodu zakrzepicy. W wyniku katastrofy ok. 600 000 osób narażonych zostało na wysoką dawkę promieniowania, a ok. 5 000 000 mieszkańców na dawkę umiarkowaną. Liczbę śmiertelnych nowotworów, które rozwinęły się i mogą rozwinąć się w przyszłości w grupie silnie napromieniowanej oszacowano na ok. 4 000. Ponieważ oczekiwana liczba śmiertelnych nowotworów ze wszystkich przyczyn w takiej populacji jest rzędu 100 000, bezpośrednia obserwacja wzrostu śmiertelności z powodu napromieniowania jest trudna. Wśród mieszkańców skażonych terenów wzrost ryzyka zachorowań na nowotwory inne niż tarczycy nie jest obserwowany (ze względu na długi okres rozwoju takich chorób nie można jednak wykluczyć wzrostu zachorowań w przyszłości szacowanych na <1% wzrostu śmiertelności z powodu raka). W raporcie wskazano liczbę ponad 4000 zdiagnozowanych nowotworów tarczycy, które w większości można przypisać wchłonięciu jodu-131, głównie u dzieci. Z tej przyczyny do roku 2002 zmarło 15 osób. Oczekuje się dalszego wzrostu zachorowań na raka tarczycy. Nie stwierdzono wzrostu nieprawidłowych urodzeń ani efektów dziedzicznych u osób z terenów napromieniowanych, natomiast wiele osób poszkodowanych ma problemy psychologiczne związane z wypadkiem i przesiedleniem.
Europejski Komitet do spraw Ryzyka Radiacyjnego, sponsorowany przez Europejską Partię Zielonych, uważa, że WHO i inne organizacje międzynarodowe, ignorowały lub nawet celowo zaniżały dane o ofiarach dla ochrony interesów lobby atomowego.
Raport TORCH niemieckiej eurodeputowanej z ramienia Zielonych, Rebecki Harms, uwzględniający tereny nie badane przez ONZ, a także obszary o niższym napromieniowaniu. Wynikło z niego, że liczba śmierci spowodowanych nowotworami wyniesie od 30.000 do 60.000 i wzywał on do przeprowadzenia bardziej kompleksowych badań w tym zakresie. Z kolei raport Greenpeace (co do którego wysuwano wątpliwości dotyczące metodologii) oszacował, że będziemy świadkami 270.000 nowotworów spowodowanych wybuchem w Czarnobylu, spośród których 93.000 może zakończyć się śmiercią. Do tego należy doliczyć powstałe po napromieniowaniu kłopoty z sercem, odpornością i układem krążenia, które mogą doprowadzić do kolejnych śmierci.[3]
Raport Lekarzy Przeciw Wojnie Nuklearnej szacuje ilość wypadków raka tarczycy powstałych z powodu wybuchu na 10.000 i sądzi, że istnieje możliwość kolejnych 50.000 przypadków, do tego doszło do 10.000 deformacji płodów i śmierci 5.000 niemowląt. Związek Czarnobyla, organizacja zrzeszająca likwidatorów elektrowni podaje, że 10% z 600.000 osób pracujących przy tym procesie już nie żyje, a kolejnych 165.000 jest niepełnosprawnych. Z kolei profesor Wade Allison z Uniwerytetu Oksfordzkiego oszacował ilość śmierci nowotworowych z powodu Czarnobyla na 81. Współcześnie status osoby poszkodowanej w wyniku katastrofy w Czernobylu posiada 1 milion dzieci i 2 miliony dorosłych.[1]
Polskie echa katastrofy rys. medal dla ratowników
28 kwietnia, dwa dni po katastrofie, o godz. 7 rano stacja monitoringu radiacyjnego w Mikołajkach zarejestrowała aktywność izotopów promieniotwórczych w powietrzu ponad pół miliona razy większą, niż normalnie. O 9 informację przekazano do Centralnego Laboratorium Ochrony Radiologicznej w Warszawie, które o godz. 10 ogłosiło alarm. Początkowo polscy naukowcy przypuszczali, że gdzieś nastąpiła eksplozja atomowa. Jednak analiza promieniotwórczych zanieczyszczeń jednoznacznie wskazywała, że ich źródłem może być tylko wybuch reaktora atomowego. Dopiero o godz. 18 specjaliści dowiedzieli się z radia BBC, że chodzi o Czarnobyl. Wskazuje to na mocną blokadę informacji, jaką wprowadziły sowieckie władze. Na wniosek Laboratorium, w tym znanego specjalisty radiologa Zbigniewa Jaworowskiego, już krótko po północy następnego dnia w Komitecie Centralnym PZPR ustalono, że dzieciom w województwach północno-wschodnich, nad którymi przeszła radioaktywna chmura, będzie podany płyn Lugola, czyli wodny roztwór jodku potasu i pierwiastkowego jodu, który miał zapobiegać przed kumulowaniem się w tarczycy radioaktywnego izotopu. Akcja rozpoczęła się już w nocy. W ciągu kilkudziesięciu godzin stabilny jod podano 18,5 mln osób. Postanowiono wstrzymać wypas bydła na łąkach i zalecono podawanie dzieciom mleka w proszku. Był to jeden z pierwszych w PRL przypadków, kiedy władze polskie mimo początkowych oficjalnych zaprzeczeń strony radzieckiej podjęły działania wbrew ich zaleceniom, ale w interesie własnych obywateli. Nie wydano jednak oficjalnie komunikatu o zagrożeniu radioaktywnym ani nie zamknięto szkół, a władze zachęcały do pierwszomajowych pochodów. Faktycznie pierwszego maja opad promieniotwórczy nie był już groźny dla zdrowia. Nie zarejestrowano wzrostu zachorowań na raka brodawkowatego tarczycy, typową formę raka popromiennego. Prof. Zbigniew Jaworowski po 20 latach od katastrofy wyraża pogląd, iż skutki genetyczne katastrofy w Czarnobylu wśród mieszkańców Ukrainy i Białorusi były w rzeczywistości znacznie mniejsze, niż się popularnie sądzi. Twierdzi także, że podawanie w Polsce płynu Lugola, które sam zainicjował w kwietniu 1986 roku, było w rzeczywistości zbędne, ponieważ skażenie atmosfery nad Polską radioaktywnym jodem było znacznie poniżej progu zagrożenia; z drugiej strony potwierdza, że wobec całkowitego braku rzetelnych informacji ze strony oficjalnych służb ZSRR akcja ówczesna była całkowicie uzasadniona, tym bardziej że nawet wobec braku skażenia terapia zapobiegawcza tym specyfikiem nie wywołuje negatywnych skutków ubocznych.
Tymczasem jeszcze w 1990 roku, na fali strachu przed powtórzeniem Czarnobyla w Polsce, po protestach ekologów i mieszkańców okolicy budowanej na Pomorzu elektrowni jądrowej w Żarnowcu najpierw zawieszono, a następnie definitywnie wstrzymano jej budowę, co według znacznej części naukowców jest dużo większą stratą niż dwa miliardy złotych zmarnowane na rozpoczęcie prac budowlanych.
Stan obecny
W 1991, w bloku nr 2 elektrowni w Czarnobylu wybuchł pożar. Mimo iż awaria była niegroźna, rząd niepodległej już Ukrainy wydał decyzję o natychmiastowym zamknięciu reaktora nr 2, a do 1993 wszystkich pozostałych. Z uwagi na ogromne koszta i brak możliwości zrównoważenia bilansu energetycznego Ukrainy, dopiero w 1997 wyłączono reaktor nr 1, a w grudniu 2000 zamknięto ostatni pracujący reaktor nr 3, tym samym elektrownia ostatecznie przestała funkcjonować. Problemem pozostaje wysoki koszt usunięcia szkód po katastrofie, w 1995 grupa G7, zobowiązała się przeznaczyć na likwidację elektrowni i szkód do 2,3 mld $ (w tym 498 mln jako pomoc bezzwrotna). Z kolei Unia Europejska zadeklarowała pod koniec lat 90. pomoc w wysokości ok. 430 mln ? – w tym środki na budowę 2 kolejnych elektrowni atomowych, mających rozwiązać problemy energetyczne Ukrainy i Polski związane z zamknięciem elektrowni czarnobylskiej.
Rozszczepienie jądra atomowego to przemiana jądrowa polegająca na rozpadzie jądra na dwa (rzadziej na więcej) fragmenty o zbliżonych masach. Zjawisku towarzyszy emisja neutronów, a także kwantów gamma, które unoszą znaczne ilości energii. Ponieważ jądra ulegające rozszczepieniu zwykle są jądrami ciężkimi, które posiadają więcej neutronów niż protonów, obydwa fragmenty powstałe w rozszczepieniu są jądrami neutrono-nadmiarowymi. Nadmiar neutronów jest z nich emitowany wkrótce po procesie rozszczepienia, te zjawisko nosi nazwę emisji neutronów opóźnionych.
Jądra atomowe ulegają rozszczepieniu zarówno w sposób samoistny, jak i w wymuszony. W tym drugim przypadku rozszczepiają się w wyniku bombardowania neutronami, protonami, kwantami gamma lub innymi cząsteczkami.
Największe praktyczne znaczenie ma rozszczepienie wymuszone wywołane bombardowaniem neutronami (w energetyce i wojskowości; patrz też niżej). Do istotniejszych zastosowań rozszczepień samorzutnych należą metody datowania izotopowego. Metodą łączącą oba aspekty jest analiza aktywacyjna.
Zazwyczaj rozszczepienie jądra atomowego nie jest jedyną możliwością rozpadu. Konkurują z nim inne dozwolone energetycznie procesy jądrowe takie jak emisja kwantów gamma, emisja neutronu i inne.
Przekrój czynny na rozszczepienie (prawdopodobieństwo zajścia zjawiska) w wyniku bombardowania neutronami zależy od energii neutronów oraz rodzaju jądra atomowego. Ogólnie, wraz ze wzrostem energii neutronów, zwykle następuje spadek wartości przekroju czynnego na rozszczepienie. Niektóre jądra (233U, 235U, 239Pu) rozszczepiają się przy dowolnej energii neutronów, w tym powolnych neutronów termicznych (są to jądra ciężkich pierwiastków, dla których reakcja ta jest egzoenergetyczna). Wiele innych jąder (np. 232Th, 238U) rozszczepia się gdy energia neutronów jest większa od energii progowej (są to jądra ciężkich pierwiastków, dla których reakcja ta jest endoenergetyczna). Po jej przekroczeniu (dla 238U ok. 1MeV) następuje skokowy wzrost wartości przekroju czynnego na rozszczepienie.
Pojedynczy akt rozszczepienia jądra atomowego może w sprzyjających warunkach indukować (poprzez emitowane neutrony) dalsze rozszczepienia, prowadząc do reakcji łańcuchowej, co znalazło zastosowanie w reaktorze jądrowym i bombie atomowej (pośrednio również bombie wodorowej i neutronowej ze względu na sposób inicjalizacji syntezy jądrowej w tych bombach)

Wymuszone rozszczepienie uranu
Z praktycznego punktu widzenia największe znaczenie mają własności rozszczepienia jąder, które ulegają rozszczepieniu już przy bombardowaniu neutronami o małej energii.
Zjawisko rozszczepienia jądra atomowego odkryli w 1938 r. Otto Hahn i Fritz Straßmann.

PROMIENIOWANIE I JEJ ZASTOSOWANIE

PROMIENIE KATODOWE
W ostatnich dekadach XIX stulecia w badaniach fizycznych przodowali uczeni niemieccy i brytyjscy, a nieco za nimi pozostawali Francuzi. Istniała jednak spora różnica poglądów, zwłaszcza między Niemcami i Brytyjczykami. Fizycy brytyjscy interpretowali przyrodę tak, jakby prawa zwykłej mechaniki obowiązywały nadal na poziomie mikroskopowym. Stąd, na przykład, brały się próby wyjaśniania koncepcji eteru elektromagnetycznego za pomocą modeli mechanicznych. Wielu fizyków niemieckich uznawało, że nastawienie mechanistyczne ich brytyjskich kolegów jest mylące, a przesadna skłonność do posługiwania się takimi modelami była raczej przeszkodą niż pomocą w rozwiązywaniu problemów naukowych.
Na zdjęciu: Doświadczenia z promieniami katodowymi (z podręcznika fizyki z 1892 roku)
Promienie katodowe, opisane pierwszy raz w 1867 roku przez niemieckiego fizyka Johanna Hittorfa jako Glimmstrahlen (promienie świecące), zostały tak nazwane w 1876 roku przez innego Niemca Eugena Goldsteina. Stanowiły one wdzięczny obiekt zainteresowań fizyków w wielu laboratoriach, ponieważ aparatura do badania wyładowań elektrycznych w gazach rozrzedzonych była nieskomplikowana, a piękne barwy świecących gazów cieszyły oko. Wielki rozgłos zdobyły badania przeprowadzone przez brytyjskiego uczonego Williama Crookesa, który propagował pogląd, że promienie katodowe to czwarty stan skupienia materii – materia w stanie promienistym.
Z wymienionych powodów fizycy w Niemczech nie przyjęli forsowanej przez Brytyjczyków korpuskularnej teorii promieni katodowych, lecz uznali je za pewną postać światła rozprzestrzeniającego się w eterze. Było to zgodne z przeświadczeniem, że tylko światło może wywoływać fosforescencję. Odchylenie promieni katodowych w polu magnetycznym interpretowano jako wynik gwałtownej zmiany współczynnika załamania w resztkach gazu blisko magnesu. Ta promienista teoria promieni katodowych zdawała się potwierdzać, kiedy niemiecki fizyk Philipp Lenard wykazał, że mogą one przenikać przez bardzo cienkie folie metalowe. Wydawało się wtedy niemożliwe, by materia mogła być przenikalna dla obiektów materialnych.
Badając promienie katodowe w licznych laboratoriach, prędzej czy później musiano spostrzec, że znajdujące się blisko osłoniętej rury do wyładowań światłoczułe ekrany fosforyzują, a klisze fotograficzne ulegają zaczernieniu. Znane są dwa przypadki fizyków (a pewnie było ich więcej), którzy odesłali takie zaczernione klisze do producenta, domagając się ich wymiany na nie uszkodzone. W lutym 1890 roku Goodspeed i Jennings w Filadelfii otrzymali nawet na osłoniętej kliszy, znajdującej się blisko rury do wyładowań, pierwszą fotografię przedmiotów, ale nie przywiązali do tego żadnej wagi.
ODKRYCIE ROENTGENA
Tylko Roentgen podjął systematyczne badania zauważonej przez siebie przypadkowo fluorescencji ekranu pokrytego platynocyjankiem baru i jemu przypadła sława odkrywcy niewidzialnych promieni, 28 grudnia 1895 roku ogłosił swoją pracę o niewidzialnych promieniach X.
Na zdjęciu: Wilhelm Conrad Roentgen
Na wieść o odkryciu promieni Roentgena ówczesnych uczonych ogarnął ogromny zapał. Nowe pole badań przyciągnęło także mniej kompetentnych naukowców, którzy swoimi doniesieniami potęgowali zamęt (ramka na sąsiedniej stronie). Nic więc dziwnego, że w atmosferze nie słabnącego zainteresowania promieniami X, a jednocześnie licznych doniesień o wielości źródeł przenikliwego promieniowania, niewielkie wrażenie wywołał kolejny komunikat Becquerela, który 23 maja doniósł, że uran metaliczny także wysyła niewidzialne promieniowanie, i to z natężeniem czterokrotnie większym niż wcześniej badane sole uranu.
ODKRYCIE PROMIENIOTWÓRCZOŚCI
Trudno powiedzieć, jak potoczyłaby się historia promieniotwórczości, gdyby w końcu 1897 roku Maria Skłodowska-Curie nie zdecydowała zająć się systematycznie tak “nieciekawym” zagadnieniem, jakim wydawało się wówczas promieniowanie uranu. Skończyła właśnie swoją rozprawę dyplomową na temat właściwości magnetycznych hartowanej stali i gdyby kontynuowała te badania, zapewne jej nazwisko nie przeszłoby do historii.
Na zdjęciu: Maria Skłodowska – Curie
Jej pierwsza samodzielna praca na temat promieniotwórczości – nazwa właśnie przez nią zaproponowana – to zerwanie z praktykami ówczesnych badaczy nowych promieni. Po pierwsze, Maria Skłodowska-Curie użyła do badań precyzyjnego i czułego elektrometru – zamiast metody fotograficznej, która ze względu na jakość ówczesnych klisz dawała tylko wyniki jakościowe, niepowtarzalne i często – jak widzieliśmy – błędne. Po drugie, postanowiła zbadać dostępne minerały, skały i inne substancje.
To zerwanie z przeszłością przyniosło od razu przełomowy wynik: okazało się, że natężenie promieniowania w różnych minerałach zawierających uran nie jest proporcjonalne do zawartości tego pierwiastka. Na tej podstawie wysunęła śmiałą hipotezę, że istnieje nowy, nieznany pierwiastek promieniotwórczy. Ponadto, dzięki systematycznym badaniom, stwierdziła promieniotwórczość toru; tego odkrycia dokonał niezależnie niemiecki fizyk Gerhard Schmidt, który – stosując metodę fotograficzną analogicznie do Becquerela – stwierdził ponadto, że promienie torowe ulegają załamaniu i odbiciu (rozpraszaniu), lecz nie dają się polaryzować. Utrwalił więc częściowo błędne wyniki Becquerela.
Na zdjęciu: Maria i Piotr Curie w laboratorium
Okazało się, że wyniki, do jakich mnie ta praca doprowadziła, odsłaniają widoki tak ciekawe, że pan Curie, odstępując od swych robót, będących w biegu, przyłączył się do mnie i odtąd wspólnie nasze usiłowania skierowaliśmy ku wydobyciu nowych ciał promieniotwórczych i ich zbadaniu – napisała Maria Skłodowska-Curie we wstępie do swej rozprawy doktorskiej “Badanie ciał radioaktywnych”.
Tak więc, to właśnie pierwsza jej publikacja, ogłoszona w maju 1898 roku, ponownie skierowała uwagę badaczy na promienie Becquerela. Dwa miesiące później, po niezwykle uciążliwej pracy mającej na celu wydzielenie poszukiwanej substancji z blendy smolistej, małżonkowie Curie donieśli o odkryciu nowego pierwiastka promieniotwórczego: Niektóre rudy, zawierające uran i tor (blenda smolista, chalkolit, uranit), są bardzo aktywne pod względem emisji promieni Becquerela. W poprzedniej pracy jedno z nas wykazało, że ich aktywność jest nawet większa od aktywności uranu i toru i wyraziło opinię, że fakt ten należy przypisać jakiejś innej, nadzwyczaj aktywnej substancji, która znajduje się w tych rudach w bardzo nieznacznej ilości [...] Przypuszczamy, że ciało, które wyodrębniliśmy z blendy smolistej, zawiera nieznany jeszcze metal, zbliżony do bizmutu pod względem właściwości chemicznych. Jeśli istnienie tego metalu się potwierdzi, proponujemy dla niego nazwę “polon” – od nazwy ojczyzny jednego z nas.
W okresie, gdy kobiety miały trudności z dostaniem się na wyższe uczelnie i kiedy odmawiano im wielu praw, zwłaszcza studiowania na równi z mężczyznami nauk ścisłych, wielu ludziom wydawało się mało prawdopodobne, by wspaniały pomysł systematycznego badania promieniotwórczości mógł się zrodzić samodzielnie w głowie młodej Polki.
Na zdjęciu: Laboratorium w którym Maria i Piotr odkryli rad i polon
Wśród Francuzów częste było wtedy przekonanie, że to wybitny uczony Piotr Curie podsunął swej żonie temat badań i czuwał nad nimi, a Maria spełniała tylko rolę pomocniczą. Jednak wszystkie znane fakty świadczą, że jest to przekonanie błędne i niesprawiedliwe. Maria Skłodowska-Curie, według powszechnej opinii osoba niezwykle skromna, a przy tym kochająca żona, niemal zawsze podkreślała, że odkrycia w dziedzinie promieniotwórczości są ich wspólnym dziełem. Z jednym wyjątkiem: właśnie gdy chodziło o sam pomysł zajęcia się promieniotwórczością. W swej “Autobiografii” napisała: Zdecydowałam się wreszcie na temat mojej rozprawy doktorskiej. Uwagę moją zwróciły ciekawe wyniki badań Henri Becquerela soli rzadkiego metalu – uranu.
Podobnie, Irena Joliot-Curie we wspomnieniach o swej matce i ojcu napisała wyraźnie: Moja matka… zdecydowała się podjąć badania promieni Becquerela… Nie ma więc powodu, żeby odmawiać Marii Skłodowskiej-Curie samodzielności w podjęciu decyzji, która przyniosła wyniki tak przełomowe dla nauki.
Na zdjęciu: Maria i Piotr Curie
ODKRYCIE RADU
Tymczasem małżonkowie Curie wraz z Gustavem Bémontem kontynuowali badania zmierzające do wydzielenia z blendy smolistej kolejnej nowej substancji. Odkrycie radu zostało zakomunikowane 26 grudnia 1898 roku:
Fakty każą nam przypuszczać, że w tym nowym związku promieniotwórczym znajduje się nowy pierwiastek, który proponujemy nazwać radem. Nowy ten związek zawiera na pewno bardzo znaczną ilość baru, mimo to jednak jest on silnie promieniotwórczy. Promieniotwórczość radu musi być zatem ogromna.
Odkrycia polonu i radu rozwiały wszelkie wcześniejsze wątpliwości na temat istnienia nowych pierwiastków. Teraz z kolei wielu fizyków uznało, że promieniotwórczość to bardzo fascynujący temat. Sam Becquerel po dwóch latach powrócił do badań uranu i 27 marca 1899 roku przedstawił w paryskiej Akademii Nauk komunikat, w którym odwoływał swe poprzednie doniesienia na temat załamania i polaryzacji promieni uranowych. Podał także ważny wynik, że aktywność soli uranowej w jego laboratorium pozostała nie zmieniona od maja 1896 roku.
Następny rok przyniósł nowe odkrycia. Liczba prac na temat promieniotwórczości zaczęła szybko rosnąć. W Paryżu André Debierne odkrył kolejny pierwiastek promieniotwórczy, aktyn (wyniki przedstawiono 16 października 1899 roku na posiedzeniu Akademii Nauk). Największe znaczenie dla rozwoju badań promieniotwórczości miało jednak zaangażowanie się w nie Rutherforda, który wkrótce (w 1900 roku) doniósł o odkryciu emanacji toru, a potem wraz z Frederickiem Soddym opracował pierwszą teorię przemian promieniotwórczych. W 1903 roku Becquerel oraz małżonkowie Curie otrzymali Nagrodę Nobla z fizyki. Po przedwczesnej, tragicznej śmierci Piotra Curie w 1906 roku Maria Skłodowska-Curie kontynuowała badania samodzielnie. W 1911 roku została uhonorowana drugą Nagrodą Nobla, tym razem z chemii. Trzy lata wcześniej Nagrodę Nobla z chemii otrzymał Ernest Rutherford. Wtedy było już wiadomo, że badanie promieniotwórczości prowadzi do przewrotu w nauce o budowie materii.
Na zdjęciach: Dyplomy Nagrody Nobla Marii Skłodowskiej-Curie oraz małżonków Curie
Trudno nie zgodzić się ze zdaniem amerykańskiego historyka Lawrence’a Badasha, który tak podsumował pierwsze lata promieniotwórczości: We wczesnych miesiącach 1898 roku promieniotwórczość to było “martwe pole” – istniała, ale nikt nie wiedział, co z nią zrobić. Trzeba było nie tylko odkrycia aktywności toru, najpierw przez Gerharda C. Schmidta, a potem przez Marię Curie, lecz głównie późniejszych odkryć polonu i radu przez małżonków Curie, aby powróciło zainteresowanie tą dziedziną. Wtedy bowiem stało się oczywiste, że jest to zjawisko atomowe o wielkim znaczeniu.

ODKRYCIA BECQUERELA
20 stycznia 1896 roku Henri Poincaré opowiedział o zadziwiającym odkryciu Roentgena na posiedzeniu Akademii Nauk w Paryżu. Wysunął wówczas hipotezę, że emisja promieni X ma związek ze zjawiskiem fosforescencji, czyli opóźnionym wysyłaniem światła po naświetleniu danej substancji. Obecny na posiedzeniu Becquerel postanowił sprawdzić tę hipotezę. Miał w swej pracowni minerał, siarczan uranylowo-potasowy, K2[UO2 (SO4)2] (H2O)2, znany jako substancja o silnej fosforescencji. Wystawił go więc na działanie światła słonecznego, a następnie sprawdził, że położony na pewien czas na kliszy fotograficznej, owiniętej w czarny papier, powoduje jej wyraźne zaczernienie. Na posiedzeniu Akademii Nauk 24 lutego Becquerel przedstawił ten wynik, uznając, że hipotezę Poincarégo potwierdzono.
Na zdjęciu: Henry Becquerel w swojej pracowni
Postanowił jednak kontynuować doświadczenia. Tymczasem w końcu lutego pogoda w Paryżu się popsuła i rzadko świeciło słońce. Czekając na poprawę pogody, Becquerel przechowywał mało naświetlony minerał razem z kliszą w szufladzie. Po paru dniach zdecydował się wywołać kliszę i ze zdumieniem stwierdził, że jej zaczernienie jest bardzo duże. Zrozumiał wtedy, że jego poprzedni wniosek był błędny i na następnym posiedzeniu Akademii Nauk 2 marca ogłosił, iż sól uranylowa sama z siebie wysyła nieznane przenikliwe promieniowanie. Tak więc błędna hipoteza i zbieg okoliczności doprowadziły do odkrycia, uhonorowanego potem Nagrodą Nobla.
Becquerel postanowił zbadać dokładniej właściwości nowo odkrytego promieniowania. Trzykrotnie jeszcze w marcu 1896 roku na posiedzeniach Akademii Nauk przedstawiał swoje wyniki. Najpierw, 9 marca, oznajmił, że promienie wysyłane przez siarczan uranylowo-potasowy, trzymany przez kilka dni w ciemności, powodują po przejściu przez dwumilimetrową płytkę aluminiową rozładowanie elektroskopu listkowego. Stwierdził też, że te niewidzialne promienie mogą ulegać odbiciu i załamaniu. Cały czas konsekwentnie posługiwał się kliszami fotograficznymi. W kolejnym komunikacie, 23 marca, podał dokładniejsze wyniki dotyczące zdolności jonizującej nowych promieni. Porównując skutki działania promieni Röntgena wychodzących z rury Crookesa i promieniowania soli uranowej, stwierdził, że pierwsze z nich rozładowuje elektroskop ponad 100 razy szybciej. Tydzień później Becquerel podał, że promienie uranowe ulegają podwójnemu załamaniu i polaryzacji.
Doświadczenia Becquerela były starannie przemyślane i wykonane, ale wyniki dotyczące rzekomego odbicia, załamania i polaryzacji promieni uranowych, uzyskane zawodną metodą badania zaczernienia kliszy fotograficznej, były – jak dziś wiemy – błędne i przyczyniły się do wyraźnego spadku zainteresowania nowymi promieniami.
Becquerel był znanym i cenionym fizykiem, toteż jego wyników nikt nie podawał w wątpliwość. Skoro promienie uranowe wykazywały właściwości falowe, jak zwykłe światło, uznano, że ich naturę lepiej zrozumiano niż odkrytych wcześniej, lecz nadal tajemniczych promieni Röntgena. Najlepiej świadczy o tym fakt, iż na wspomnianych trzech posiedzeniach Akademii Nauk przedstawiono ponad 30 doniesień o badaniach promieni Röntgena; w tej powodzi komunikaty Becquerela o promieniowaniu uranowym, mającym właściwości podobne do zwykłego światła, nie mogły wywołać szerszego oddźwięku.
Nie dziwmy się więc Becquerelowi, że porzucił “nieciekawy” temat, jakim zdawały się promienie uranowe, i zajął się zagadnieniem, które wówczas elektryzowało wszystkich. Mimo to ogłosił jednak jeszcze trzy krótkie komunikaty na temat “promieni uranowych” 23 listopada 1896 oraz 1 marca i 12 kwietnia 1897 roku. W tym ostatnim stwierdzał, że aktywność soli uranowej nie zmieniła się zauważalnie w ciągu roku badań. Był on w tym okresie chyba jedynym uczonym poświęcającym swój czas badaniu promieni, uznanych powszechnie za znacznie mniej ciekawe od promieni Röntgena. Dość powiedzieć, że w 1896 roku ukazało się ponad 1000 prac oraz 50 książek i broszur na temat promieni Röntgena, a tylko kilkanaście artykułów na temat “promieni uranowych” .
Następna praca Becquerela na temat promieniotwórczości została przedstawiona dopiero 27 marca 1899 roku, rok po pierwszej publikacji Marii Skłodowskiej-Curie i parę miesięcy po odkryciu polonu i radu. Właściwie cały czas od maja 1896 do wiosny 1898 roku był okresem stagnacji w badaniach promieni Becquerela.

ERNEST RUTHERFORD
Ernest Rutherford przybył do laboratorium Thomsona w Cambridge z Nowej Zelandii i początkowo zajmował się innym fascynującym wówczas tematem – wykorzystaniem odkrytych niedługo przedtem fal elektromagnetycznych do przesyłania informacji. Przez krótki okres do niego właśnie należał rekord – pobity potem przez Guglielmo Marconiego – odległości, na którą przesyłano sygnały. W styczniu 1899 roku ukazała się w “Philosophical Magazine” jego obszerna rozprawa pt. Promieniowanie radu i wywołane przez nie przewodnictwo elektryczne, wysłana do redakcji z Cambridge z datą 1 września 1898 roku. Można z niej wnioskować, że Rutherford rozpoczął badania promieniotwórczości dużo wcześniej, zapewne w podobnym czasie jak Maria Skłodowska-Curie.
Już na wstępie Rutherford przypomniał, że Becquerel stwierdził, iż promieniowanie uranu można załamywać i polaryzować, podczas gdy nie uzyskano żadnych pewnych wyników na temat polaryzacji i załamania promieni Röntgena. Mimo wielokrotnych prób nie udało się Rutherfordowi potwierdzić eksperymentalnie, iż promieniowanie uranu istotnie ulega załamaniu i polaryzacji. W omawianej pracy otrzymał ważny wynik: promieniowanie uranu ma dwie składowe, różniące się znacznie zdolnością przenikania przez materię. Składową silnie pochłanianą nazwał promieniowaniem a, a składową przenikliwą – promieniowaniem b.
Ten wynik świadczył, że promieniowanie uranu jest bardziej skomplikowane, niż to wynikało z pierwszych badań Becquerela. Pomyślał więc, iż, być może, małżonkowie Curie zbyt się pospieszyli, postulując istnienie nowej substancji: Możliwe, że odkryte przez Curie bardzo silne promieniowanie blendy smolistej jest wywołane częściowo raczej bardzo złożoną strukturą tego materiału niż tym, że próbka zawiera nową, silnie promieniującą substancję.
Charakterystyka promieniotwórczości naturalnej oraz jej zastosowanie
Wstęp
W wyniku promieniotwórczości, czyli samorzutnego rozpadu jąder mamy do czynienia z emitowaniem cząstek alfa, beta oraz promieniowaniem gamma. Na radioaktywność pierwiastków nie ma wpływu: pole magnetyczne, temperatura, stan skupienia substancji promieniotwórczej. Promieniotwórczość dzielimy na:
- promieniotwórczość naturalna, która następuje w czasie przemian jądrowych izotopów radioaktywnych występujących w środowisku naturalnym. W środowisku naturalnym występuje ponad 60 izotopów radioaktywnych. Promieniotwórczość naturalna, to tło, w którym możliwe jest życie, wywołuje jednak zmiany genetyczne. Tkanki żywe są w jednak w stanie eliminować te szkodliwe zmiany dzięki procesom naprawczym powstałym na skutek ewolucji.
- promieniotwórczość sztuczna, która zachodzi w jądrach atomów pierwiastków radioaktywnych otrzymywanych sztucznie. Ma miejsce bombardowanie cząstkami alfa oraz beta jąder stabilnych pierwiastków.
Najprostsza definicja promieniowania to: promieniowanie to wysyłanie oraz przekazywanie energii na różne odległości. Mamy do czynienia z trzema głównymi rodzajami promieniowania:
- promieniowanie elektromagnetyczne;
- promieniowanie jądrowe;
- promieniowanie energii fal sprężystych.
Zarys historyczny
Promieniowanie elektromagnetyczne mogące przeniknąć ciało stałe odkrył w 1895r. W. Roentgen. Naukowiec ten był bardzo zaskoczony odkryciem, i nowie promieniowanie nazwał promieniami X.
H. Becquerel w 1986r. podczas badania uranu dostrzegł, ze klisza fotograficzna leżąca obok tego pierwiastka uległa ściemnieniu, choć nie miała dostępu do promieni słonecznych. Francuski fizyk doszedł do wniosku, że uran jest w stanie wysyłać promieniowanie. Ogłosił, że pierwiastek ten w stanie metalicznym może być źródłem promieniowania.
Piotr Curie oraz jego żona Maria zainteresowali się nowym zjawiskiem. Odkryli rad oraz polon. Rozpisali promieniotwórczość toru oraz uranu. Pierwiastki te należą do najbardziej popularnych oraz najważniejszych naturalnych pierwiastków radioaktywnych.
Maria Curie- Skłodowska, Piotr Curie oraz H. Becquerel w 1903r. otrzymali Nagrodę Nobla za odkrycie promieniotwórczości oraz przeprowadzone badania w tym zakresie.
Fryderyk Joliot- Curie oraz jego żona Irena odkryli promieniotwórczość sztuczną w 1934r. Otrzymali oni fosfor w wyniku bombardowania jądrami helu atomów glinu. Otrzymali Nagrodę Nobla w 1935r. za swoje osiągnięcia w tej dziedzinie.
Zjawisko promieniotwórczości
H. Becquerel odkrył niewidoczne dla ludzkiego oka słabe promieniowanie, które jest wysyłane przez substancje zawierające pierwiastek uran. Substancje są nazwane radioaktywnymi lub promieniotwórczymi. Pierwiastki radioaktywne wykazują następujące właściwości:
- powodują zaczernienie kliszy fotograficznej;
- powodują wysyłanie ciepła oraz w czystym stanie mogą świecić w ciemnościach;
- powodują luminescencję substancji (np. siarczek cyjanku);
- powodują działania chemiczne, w wyniku promieniowania tlen ulega zamianie w ozon, woda i chlorowodór mogą ulec rozkładowi.
Naturalne źródło promieniowania
Człowiek przez cały okres swojego życia jest narażony na promieniowanie. Szkodliwość dawki promieniowania jest uzależniona od składników mineralnych gruntu oraz jego miejsca pobytu oraz także od wysokości n.p.m.
Źródła promieniowania naturalnego (promieniowanie tła) to:
- promieniowanie ziemskie, które ma miejsce, w wyniku występowania w skorupie ziemskiej izotopów pierwiastków promieniotwórczych;
- węgiel C14, który określa wiek skamieniałości;
- uran, który jest stosowany w reaktorach atomowych;
- promieniowanie kosmiczne, o którym po raz pierwszy dowiedziano się w roku 1912. Jest to strumień protonów, jąder innych pierwiastków oraz cząstek, których w dalekiej przestrzeni kosmosu dobiega do zewnętrznych warstwy atmosfery. Dochodzi do zderzenia cząstek występujących w atmosferze z cząsteczkami dobiegającymi z kosmosu. Powstają kaskady elektronów, protonów, neutronów oraz neutrin. Uzyskiwane są w ten sposób izotopy promieniotwórcze o dużym znaczeniu biologicznym (22Na, 7Be, 14C);
- promieniowanie pochodzące z budynków, które wynika z użycia złych materiałów budowlanych (granit). Do materiałów budowlanych dodajemy żużel oraz popiół z pieców, które zawierają pewne ilości promieniotwórczego węgla;
- radon, który gromadzi się w budynkach, które nie są przewietrzane. Wydziela się z gleby. Z tego źródła uzyskujemy dużą dawkę promieniowania, dlatego zalecane jest wietrzenie pomieszczeń;
- radon zawarty w powietrzu, który może być emitowany z wód mineralnych;
- radionuklidy, które występują w organizmie ludzkim (226Ra, 40K, 218Po);
- krypton, który jest bardzo promieniotwórczy oraz szkodliwy.
Rodzaje promieniowania
Jak już wcześniej wspomniano promieniowanie to wysyłanie oraz przekazywanie energii na różne odległości. Wyróżniamy następujące rodzaje promieniowania:
1. Promieniowanie radiowe, które jest promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali (mikrofale 10-4-1 m, fale ultrakrótkie 1-10m, fale krótkie 10-100m, fale średnie 100-1000m, fale długie 1k-100km). Głównym źródłem fal są nadajniki radiowe oraz radioźródła. Ten rodzaj promieniowania znalazł zastosowanie w medycynie, radiokomunikacji, grzejnictwie.
2. Promieniowanie mikrofalowe, które jest promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali 1m- 0,1 mm. Częstotliwość wynosi 300 MHz-3000 GHz. Ten rodzaj promieniowania znalazł zastosowanie w komunikacji, medycynie, grzejnictwie elektrycznym oraz radiolokacji.
3. Promieniowanie podczerwone, czyli podczerwień, promieniowanie IR, jest promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali od 780 nm do 1 mm. Promieniowanie podczerwone dzielimy na: promieniowanie podczerwone bliskie, promieniowanie podczerwone średnie oraz promieniowanie podczerwone dalekie. Promieniowanie podczerwone może być emitowane przez rozgrzane ciała, lampy żarowe oraz wyładowcze. Ten rodzaj promieniowania znalazł zastosowanie w min. suszeniu.
4. Promieniowanie jonizujące, które może powstawać w wyniku przemian jądrowych. Zmianie ulega liczba nukleonów w jądrze. Rozpadowi ulęgają tylko pierwiastki radioaktywne. W wyniku tej reakcji powstaje nowe pierwiastki radioaktywne odznaczające się innymi właściwościami. Rozpad radioaktywny to statystyczny proces. Nie każdy izotop zdolny jest do rozpadu. Liczba neutronów powinna być większa niż liczba protonów. Jest to warunek konieczny do spełnienia, ponieważ tylko wtedy siły wzajemnego oddziaływania jądrowego są nie są w stanie utrzymać jądra w stabilności. Tylko w takim wypadku są możliwe silne oddziaływania jądrowe. W przypadku, gdy ilość neutronów jest duża, to atom zmuszony jest do wyemitowania niepotrzebnych cząstek i energii. Taki proces nazywamy promieniowaniem jonizującym.
5. Promieniowanie alfa to emitowane jądra atomu helu, które składają się z dwóch neutronów oraz dwóch protonów. Promieniowanie alfa może powstać w wyniku rozpadu tylko ciężkich jąder. Promieniowanie to jest jądrem helu. Wysyłane jest w wyniku przemian, które zachodzą w jądrze danego atomu. W wyniku emitowania cząstki alfa jądro atomowe traci 4 nukleony.
6. Promieniowanie beta tworzą elektrony ( pozytony lub negatony) powstałe w wyniku rozpadu jądra atomowego. W reakcji, w której neutron ulega przemianie w proton emitowany jest elektron, a przemianę nazywamy beta minus. Liczba atomowa nowego jądra zwiększa się o jeden, w stosunku do liczby atomowej macierzystego jądra. Jeżeli w jądrze mamy do czynienia z powstaniem nautronu z protonu, to reakcji towarzyszy emisja pozytonu, a przemiana ta to promieniowanie beta plus. Liczba atomowa nowego pierwiastka jest mniejsza od liczby atomowej macierzystego jądra.
W przypadku emisji cząstki ze znakiem minus mamy do czynienia z przemiana neutronu w proton. Wraz z ta reakcją ma miejsce emisja antyneutrino. W wyniku tej przemiany powstały pierwiastek ma taką samą liczbę masową, ale inna liczbą atomową. Liczba atomowa jest większa o 1. W przypadku emisji cząstki ze znakiem plus mamy do czynienia z przemiana protonu w neutron. W wyniku tej reakcji emitowany jest neutrino. Powstały w skutek tej reakcji pierwiastek charakteryzuje się taką samą liczbą masową, ale inna liczbą atomową. Liczba atomowa zmniejsza się o 1.
7. Promieniowanie gamma jest rodzajem promieniowania elektromagnetycznego powodującego emitowanie przez jądra wzbudzone atomów radioaktywnych. Promieniowanie gamma nie jest promieniowaniem cząstkowym jak w przypadku promieniowania alfa lub beta, jednakże zasięg tego promieniowania jest znacznie większy. To promieniowanie krótkofalowe, elektromagnetyczne o długości fali 10-11 m. Może być emitowane przez wzbudzone lub promieniotwórcze jądra atomowe oraz w procesie anihilacji pary elektronów (negaton)-pozyton.
8. Promieniowanie rentgenowskie jest także promieniowaniem elektrostatycznym i powstaje wskutek hamowania strumienia elektronów przez jądra atomów substancji radioaktywnych. Promieniowanie rentgenowskie nie jest dostrzegalne dla oka, jest prostolinijne, może przenikać ludzkie ciało, powoduje reakcje redukcji związków srebra, działa destrukcyjnie na żywa tkankę, potrafi zjonizować gaz oraz spowodować fluorescencje substancji.
Jest to promieniowanie o długości fali wynoszącej 0,0001-100 nm. Dzielimy je na: promieniowanie twarde o większej przenikliwości oraz promieniowanie miękkie o mniejszej przenikliwości. Źródłem promieniowania rentgenowskiego mogą być: pierwiastki promieniotwórcze, akceleratory cząstek, lampy rentgenowskie. Ten rodzaj promieniowania znalazł zastosowanie w medycynie (prześwietlenia) oraz w badaniu struktury kryształów.
9. Promieniowanie nadfioletowe, czyli ultrafiolet lub promieniowanie ultrafioletowe, to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali wynoszącej 10-400 nm. Promieniowanienadfioletowe dzielimy na: promieniowanie A, promieniowanie B, promieniowanie C oraz nadfiolet próżniowy. Najsilniejszym źródłem tego promieniowania jest Słońce.
10. Promieniowanie kosmiczne, które zostało odkryte w roku 1912, to cząstki dobiegające do zewnętrznych części atmosfery ziemskiej z Kosmosu. W jego skład wchodzą: protony, cząstki oraz jądra pierwiastków. Zachodzi zderzenie z atomami oraz cząsteczkami wchodzącymi w skład atmosfery, powstają kaskady pozytonów, protonów, elektronów, neutrin ( promieniowanie wtórne), które dobiegają do powierzchni kuli ziemskiej. Wzrasta jonizacja powietrza, powstają izotopy o dużym znaczeniu biologicznym (7Be, 22Na,14C).
11. Promieniowanie słoneczne, pod postacią strumienia fal elektromagnetycznych oraz cząstek elementarnych dociera ze Słońca. 30% fal tego promieniowania ulega odbiciu od atmosfery, 20% jest pochłanianych, zaś 50% dociera do Ziemi.
12. Promieniowanie reliktowe, nazywane także promieniowaniem tła, to promieniowanie mikrofalowe, które stanowi pozostałość po etapach ewolucji. Wypełnia cały Wszechświat w postaci m.in. kwantów.
Zastosowanie promieniotwórczości
Przy odpowiednim dawkowaniu, promieniowanie jonizujące może być wykorzystywane do różnych celów. Promieniowanie ma bardzo duże zastosowanie, jest niezbędne do poznania oraz zrozumienia ewolucji Wszechświata.
Włoski naukowiec Enrico Fermi, jako pierwszy w roku 1942 wykorzystał rozszczepienie jądra atomowego oraz jego promieniotwórczość do skonstruowania reaktora jądrowego oraz doprowadził do kontrolowanej łańcuchowej reakcji. Powstała pierwsza bomba atomowa. Wykorzystano rozszczepianie jądra plutonu-239 i uranu-233. Powstała w późniejszym czasie bomba termojądrowa, która zawierała bombę jądrową. Temperatura 107K pozwala na reakcje syntezy jąder helu i izotopów wodoru oraz litu. Po eksplozji tego rodzaju bomby ma miejsce skażenie popromienne.
Promieniotwórczość znalazła także inne zastosowania. Reaktory jądrowe mogą być na szeroką skalę stosowane. Reaktory jądrowe ze względu na zastosowanie dzielimy na:
- produkcyjne, które służą m.in. do uzyskiwania plutonu za pomocą aktywacji. Ogólnie mówiąc można wytworzyć większość pierwiastków radioaktywnych;
- powielające, które charakteryzuje się tym, że paliwo jądrowe w trakcie zużycia jest przekształcane w inny rodzaj paliwa jądrowego;
- doświadczalne, które są jak na razie prototypami nowych technologii stosowanych w reaktorach jądrowych;
- badawcze, które charakteryzują się małą mocą i są chętnie wykorzystywane w różnorakich badaniach naukowych, ze względu na swoje silne źródła neutronów;
- energetyczne, które są zdolne przekształcić energię cieplną w energię mechaniczną lub elektryczną. Stosowane w napędach nuklearnych okrętów lub w elektrowniach jądrowych.
Promieniotwórczość może być także wykorzystywana w medycynie. Izotopy promieniotwórcze są stosowane w metodach diagnostycznych wielu chorób (m.in. diagnostyka rentgenowska). Są prowadzone badania mające na celu wykazać wpływ lekarstw na organizm ludzki. Izotop 99Tc jest wprowadzany do organizmu człowieka w postaci związku chemicznego. Będąc w organizmie jest nieustannie monitorowany. Dzięki temu możemy zbadać funkcjonowanie określonych narządów. Bomba kobaltowa oraz igły radowe są stosowane w leczeniu chorób nowotworowych. W tym przypadku stosuje się naświetlenie, które jest wysyłane przez izotopy Ra, Co, Cs. Dużą popularność zyskuje balneologia, stosowana w uzdrowiskach. Są to kąpiele lecznicze i inhalacje. Stosowany jest w tych zabiegach Rn. Bomba kobaltowa może służyć służy do sterylizacji żywności, w diagnostyce (wykrywania defektów w kościach).
Innym zastosowaniem promieniotwórczości jest datowanie (określanie wieku skał oraz wykopalisk).
Promieniotwórczy izotop węgla 14C jest stosowany w badaniach archeologicznych. Występuje on w środowisku naturalnym w określonej ilości. Ulega asymilacji przez rośliny wspólnie z węglem promieniotwórczym pod postacią dwutlenku węgla. Znaczne jego ilości występują w organizmach ludzkich oraz zwierzęcych na skutek spożywania żywności pochodzenia roślinnego. Izotop ten jest stosowany do określenia wieku szczątków zawierających węgiel (liczne wykopaliska). Wiek ten jest określany na podstawie okresu półrozpadu oraz ilości węgla 14C. Może być stosowany także tzw. “zegar helowy”.
Zastosowanie różnych rodzajów promieniowania
1. Promieniowanie X wykorzystywane jest w otrzymywaniu zdjęć rentgenowskich.
2. Promieniowanie IR wykorzystywane jest do leczenia klinicznego, ogrzewania ciała, opalania, różnych badań lekarskich, suszenia włosów.
3. Promieniowanie jonizujące wykorzystywane jest do zwalczania szkodników w rolnictwie. Powoduje wysterylizowanie samców. Po kopulacji samice nie wydają potomstwa, co doprowadza do wyniszczenia populacji szkodników na określonym terenie.
4. Promieniowania mikrofalowego wykorzystywane jest w mikrofalowych kuchenkach. Stosujemy lampę elektronową, która generuje mikrofale z częstotliwością 2,4 GHz. Promieniowanie działa na cząstki wody, które drgają w wyniku jego działania i wytwarzają ciepła. Promieniowania mikrofalowe używane jest także do transmisji danych. Nie ulega pochłonięciu przez atmosferę.

By.Kostucha1989 vel.Takeshi-Sante_Domeno

This entry was posted in Referaty. Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>