Promieniotwórczość wokół nas

Przedtem uran znano jako piękny, żółty barwnik dodawany w małych ilościach do szkła. Poźniej jednak, bardziej współcześnie, promieniotwórczośc uranu została powiązana z problemami energetyki jądrowej lub strasznych bomb.

Jakkolwiek by nie patrzeć - jesteśmy otoczeni promieniowaniem!

Henri Becquerel (1852-1908)

Antoine Henri Becquerel urodził się w Paryżu w dniu 15 grudnia 1852 r. w szanowanej rodzinie nauczycieli i uczonych. W roku 1896 dokonał odkrycia zjawiska naturalnej promieniotwórczości. Po ojcu odziedziczył dostawy soli uranu, które fosforyzowały po wystawieniu na światło. Umieszczając sole blisko płyty fotograficznej zawiniętej w nieprzezroczysty papier okazało się, że płyta uległa zaczernieniu. Tę samą własność wykazywały różne sole uranu, z czego wywnioskowano, że jest to cecha atomów uranu. Następnie Becquerel wykazał, że wysyłane z uranu promienie, które jeszcze długo później były nazywane imieniem ich odkrywcy, jonizują gazy i różnią się tym od promieni X, że mogą być odchylane w polu elektrycznym lub magnetycznym. Za odkrycie samorzutnej promieniotwórczości otrzymał w roku 1903 Nagrodę Nobla z fizyki, równolegle do nagrody przyznanej Piotrowi i Marii Curie za ich badania nad promieniami Becquerela. Antoine Henri Becquerel zmarł w Le Croisic 25 sierpnia 1908 r.

Promieniowanie, które Becquerel wykrył jako pochodzące z uranu, pochodzi również ze skał, przestrzeni pozaziemskiej, powietrza, jakim oddychamy, wody, którą pijemy, z morza, w którym pływamy i z naszych własnych ciał.

Fakt, że nasze ciała są promieniotwórcze może was dziwić... czy może to mieć jakiś związek ze współczesnością? Ależ nie! Od kiedy istnieje życie na Ziemi, wszystkie rośliny i zwierzęta były "promieniotwórcze". Może nie tak silnie, jak bryłka uranu, ale zawsze promieniowały. To część historii życia na Ziemi. Nota bene powstało ono w warunkach znacznie wyższego promieniowania niż obecne.

Odkąd powstało życie na Ziemi towarzyszyło mu promieniowanie

Promieniotwórczość można wykryć na wiele sposobów, co będzie wyjaśnione w innym miejscu, na razie jednak myślcie o tym, jako o czymś, co powoduje trzaski w głośniku małego, bateryjnego urządzenia zwanego licznikiem Geigera.

Nie jest niespodzianką, że kiedy zbliżamy licznik do niektórych skał, zawierających trochę uranu, słyszymy wiele trzasków. Tu możecie usłyszeć dźwięk, jaki otrzymamy zbliżając licznik do kawałka granitu z Waldviertel (Austria). Gdy oddalę licznik od skały, liczba trzasków się zmniejszy ... ale nigdy całkowicie nie ustaną. Prawie każdy rodzaj gleby zawiera trochę uranu i izotopów promieniotwórczych^*) innych pierwiastków. Niektóre z nich ulatują do atmosfery.

^{*) Z pojęciem izotopów spotkamy się w części E wykładu}

Poniżej można posłuchać jak na minerał zawierający uran reaguje licznik Geigera

Uran pojawia się w wielu minerałach i oto kilka z nich.

Torbenit (Metatorbenite) - próbka ta pochodzi z St.Just w Kornwalii (Anglia); jest to uwodniony uranylo-fosforan miedzi.

Gummit (Gummite) - próbka z La Crouzille, Francja; jest ona mieszaniną tlenków uranu.

Pirochlor uranu (Uranpyrochlore) - próbka z Hybla, Ontario w Kanadzie. Jest ona złożonym minerałem zawierającym wapń, cer, uran, tantal, nikiel i tlen.

Pitchblende - prawdopodobnie najbardziej znany minerał uranowy; próbka z St.Just - głównie dwutlenek uranu.

Blenda uranowa powoduje największe wychylenie wskazówki licznika Geigera. Dzieje się tak pomimo faktu, że proszek tego minerału znajduje się w woreczku plastikowym. W dalszej części dowiemy się, co to nam mówi o rodzaju cząstek rejestrowanych przez licznik Geigera.

Średnio, skały zawierają około trzech miligramów uranu na każdy kilogram skały (więcej jest w granicie) ... jest on tak samo powszechny, jak cyna, cynk, czy wolfram.

Powyżej mamy fotografię 10. kilogramowego odważnika, obok którego leżą trzy druciki miedziane o łącznej wadze 30 miligramów. Daje to wyobrażenie o tym, ile uranu znajduje się średnio w skałach i glebie. Źródło: Behacker & Partner.

Inny pierwiastek promieniotwórczy - tor, spotykany jest w Ziemi trzykrotnie częściej niż uran. W XIX. wieku, zanim jeszcze światło elektryczne zwyciężyło w konkurencji z oświetleniem gazowym, w lampach gazowych używano tlenku toru dla zwiększenia jasności świecenia. W wieku XXI. tor może stać się paliwem w elektrowniach jądrowych.

Jeśli nawet oddalę się z licznikiem Geigera od jakiegokolwiek uranu, licznik będzie dalej trzeszczał. Skąd pochodzi to promieniowanie?

Istota sprawy polega na następującej rzeczy. Jeśli zabierzemy licznik na szczyt wysokiej góry, nawet nie będącej z granitu, usłyszymy więcej trzasków. Licznik Geigera wykrywa promieniowanie pochodzące z przestrzeni pozaziemskiej, z naszej Galaktyki lub galaktyk dalszych. Rejestruje promieniowanie kosmiczne.

Im wyżej wejdziesz, tym większy będzie poziom promieniowania kosmicznego

Promieni kosmicznych trudno uniknąć. Uczeni chcą czasem zmierzyć bardzo nikłe promieniowanie. Mogą chcieć to robić, aby zrozumieć, co dzieje się w gwiazdach lub czemu Wszechświat rozszerza się w taki, a nie inny sposób. Pomiar bardzo słabego promieniowania na powierzchni Ziemi byłby w zasadzie niemożliwy ... byłoby ono kompletnie "zagłuszone" przez promieniowanie kosmiczne. Z tej właśnie przyczyny prowadzi się szereg eksperymentów w kopalniach o głębokości półtora kilometra lub więcej ... pamiętając jednak, aby unikać obecności granitu, zawierającego mnóstwo uranu.

Pokazany na zdjęciu detektor w Laboratorium Podziemnym w Gran Sasso we Włoszech umieszczony jest w tunelu znajdującym się 1,4 km pod szczytem góry. Źródło: INFN

Rzeki, przepływając przez skały i glebę, zabierają ze sobą wszystkie rodzaje soli rozpuszczalnych w wodzie. Z czasem, jako że woda paruje w słońcu, roztwór soli się zagęszcza. Ponieważ większość skał zawiera uran, nie jest niespodzianką, że woda morska zawiera również sole uranu. Promieniotwórczość wody morskiej pochodzi jednak głównie od ⁴⁰K. Ten izotop potasu jest również głównym składnikiem naszego ciała, odpowiadającym za jego promieniotwórczość.

Woda morska zawiera średnio 3 mg uranu na metr sześcienny. To niewiele, ale uważa się, że gdyby koszt uzyskania uranu z wody mógł być zredukowany o 90%, to uran można byłoby wydobywać z morza z zyskiem! Jeśli kiedyś obecne złoża uranu wyczerpią się, reaktory jądrowe będą mogły być zasilane paliwem uranowym wydobytym z wody morskiej.

Powietrze, którym oddychamy, zawiera małe ilości promieniotwórczego izotopu węgla, znanego jako ¹⁴C (co wymawiamy jako węgiel-14. W niektórych podręcznikach stosowany jest właśnie taki sposób zapisu, a nie ¹⁴C ). Powstaje on w wysokich warstwach atmosfery w wyniku oddziaływania promieniowania kosmicznego z jądrami atomów azotu. Rośliny pobierają węgiel-14 z dwutlenkiem węgla w czasie fotosyntezy, tworząc cukier i celulozę, a my przyswajamy go jedząc rośliny albo zwierzęta, które zjadły rośliny (albo zwierzęta, które zjadły zwierzęta, które jadły rośliny!).

Fakt, że wszystkie żywe istoty pobierają ¹⁴C do chwili śmierci, może być wykorzystany do datowania (określania wieku) znalezisk pochodzących od istot spoczywających w ziemi setki lub tysiące lat!

W zbiorze lekcji poświęconych zastosowaniom promieniowania jonizującego można znaleźć znacznie więcej informacji o tym, w jaki sposób można zatrudnić promieniotwórczość do takich własnie celów.

Nasze własne ciała lekko promieniują. Dlaczego?

Pożywienie zjadane każdego dnia zawiera dwa lub trzy gramy potasu (który częściowo odkłada się w naszym ciele - przyp. tłum.). Z tego wynika, że w każdym kilogramie naszego ciała w czasie 1 sekundy około 50 atomów potasu wysyła promieniowanie. Pamiętajmy również, że zjadając rośliny (lub mięso zwierząt roślinożernych), pobieramy ¹⁴C, który jest promieniotwórczy. W pożywieniu znajdą się także śladowe ilości innych promieniotwórczych izotopów, np. uranu. Jeżeli zdarzy się Wam wypić łyk wody morskiej, otrzymacie małą porcję uranu, gdyż każda woda morska zawiera uran. 
 

Ziemia jest nieustannie bombardowana promieniowaniem kosmicznym. Średnio około pół miliona cząstek tego pochodzenia uderza w nas co godzinę. Gdy pierwotne promieniowanie kosmiczne oddziałuje z atomami składników atmosfery, wytwarza wtórne promieniowanie  kosmiczne (niektóre z cząstek tego promieniowania - neutrony - oznaczone są na rysunku literą n). Kiedy wysokoenergetyczny neutron zderza się z jądrem atomu azotu, przekształca je w  promieniotwórczą postać węgla, zwaną węglem-14, którą zapisujemy ¹⁴C, a ponadto powstaje proton, oznaczany literą  p.  Powstały atom ¹⁴C może wejść w skład cząsteczki dwutlenku węgla, która może być absorbowana przez rośliny zielone i przetworzona w węglowodany, wchodząc tym samym w skład łańcucha pokarmowego.

Bardzo duże dawki promieniowania jonizującego mogą być śmiertelne i były przyczyną śmierci wielu ludzi w wyniku bomb jądrowych zrzuconych na Japonię w 1945 roku. Niedawno,    w roku 1986, 31 osób zginęło (w tym 28 wskutek promieniowania - przyp. tłum.) podczas wybuchu elektrowni jądrowej w Czarnobylu na Ukrainie.

Dawka promieniowania, która mogłaby być szkodliwa jest wielokrotnie wyższa niż dawki otrzymywane ze źródeł naturalnych, jak promieniowanie kosmiczne, ziemskie itd.

Wiemy, ze rośliny i zwierzęta żyły i rozwijały się przez miliardy lat w obecności promieniowania jonizującego. To, czy promieniowanie jest niebezpieczne, czy nie, zależy od ilości otrzymanego promieniowania. Nawet nadmiar soli kuchennej może być zabójczy dla ludzi zagubionych na oceanie i umierających z pragnienia!

Reaktor w Czarnobylu musiał zostać po wybuchu przykryty specjalnym "sarkofagiem", aby nie zagrażał środowisku

Dalsze informacje znajdziecie w tematach "Energia jądrowa" oraz "Fizyka i technika jądrowa - wojna i pokój".

Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy wcześniej zmierzyć ilość promieniowania.

Jak to jednak zrobić? Zanim rzecz wyjaśnimy, musimy sobie uświadomić, czym jest promieniotwórczość, co czyni promieniowanie (promienie wysyłane ze źródeł promieniotwórczych), gdy przez nas przechodzi i w jaki sposób się je mierzy.

W trakcie tego kursu, zatytułowanego "Promieniotwórczość" otrzymacie wiedzę pozwalającą Wam już coś powiedzieć na te tematy. Jednocześnie odkryjecie fakty dotyczące wewnętrznej struktury wszystkiego, co nas otacza, włączając organizmy żywe.