Cztery tysiące kwadrylionów atomów w Twoim ciele!

Nasze kości zawierają radioaktywny polon i rad. W naszych mięśniach znajduje się promieniotwórczy węgiel i potas, a w naszych płucach są radioaktywne gazy szlachetne. Te i inne naturalne substancje napromieniowują nasz organizm od środka. W taki sposób zostaliśmy stworzeni przez naturę. Źródłem promieniowania jonizującego oddziałującego na nasz organizm są również radioaktywne izotopy zawarte w tym, co jemy i pijemy.

Każdego dnia znajdujemy się także w polu promieniowania jonizującego docierającego do nas z gleby i kosmosu. Emitowane jest ono przez izotopy powstałe podczas prób atomowych, jego źródłem są także elektrownie węglowe i jądrowe oraz materiały budowlane, z których zbudowane są nasze domy. Jesteśmy okazjonalnie poddawani działaniu promieniowania X, podczas wykonywania zdjęć rentgenowskich czy mammografii. Czasami badania czy terapia medyczna wymaga radioaktywnej substancji, która jest wprowadzana do naszego organizmu.

Wiele osób spotyka się z substancjami promieniotwórczymi podczas swojej pracy, np. w przemyśle papierniczym, metalowym czy spożywczym, w nauce, szpitalach, laboratoriach. W przemyśle jądrowym, w kopalniach czy lotnictwie ludzie są narażeni na co dzień na działanie promieniowania jonizującego.

Powyższe przykłady jasno pokazują, że nie zawsze promieniowanie jonizujące jest niebezpieczne. Z drugiej strony prawdą jest, że może być ono przyczyną chorób lub śmierci. Wszyscy powinniśmy wiedzieć, kiedy należy być ostrożnym wykorzystując radioaktywne substancje, a kiedy nie należy się niczego obawiać. Co jest prawdą, a co jest mitem? Czy wszystkie informacje przekazywane w mediach są na pewno prawdziwe?

Na początek zajmijmy się samym atomem. Wszystko wokół nas oraz my sami jesteśmy zbudowani z atomów. Oczywiście w naszych organizmach znajdują się molekuły, hormony czy płytki krwi. Ale one wszystkie stanowią właśnie grupy wielu atomów. Jeśli zaczniesz liczyć, okaże się, że nasz organizm składa się 4000 000 000 000 000 000 000 000 000 atomów. Ta liczba ma 28 cyfr, jest to inaczej cztery tysiące kwadrylionów (inaczej cztery kwadryliardy)! Ty, Twoje życie, uczucia są tylko upakowanymi atomami tlenu, węgla, wodoru, azotu, fosforu, potasu i innych pierwiastków.

Rys. 1 Struktura materii – substancja – cząsteczka – atom (źródło: fotolia.pl)

Rys. 1 Struktura materii – substancja – cząsteczka – atom (źródło: fotolia.pl)

Atom jest bardzo mały, dlatego Twoje ciało składa się z tysięcy razy większej liczby atomów niż jest kropel wody we wszystkich oceanach świata. Niemniej jednak atom ma swoją wewnętrzną strukturę. W praktyce cała jego masa skupiona jest w jądrze, które zlokalizowane jest w środku atomu. Przestrzeń dookoła jądra jest praktycznie próżnią. Jedynie maleńkie obiekty zwane elektronami, krążą dookoła jądra atomowego (rys. 1). To one determinują własności chemiczne danego pierwiastka. Ale nie mają nic wspólnego z promieniotwórczością, która jest zależna od struktury jądra.

Cały świat żywych istot zbudowany jest z węgla. Każda komórka czy to ludzka, zwierzęca czy roślinna składa się z atomów węgla. Jemy węgiel podczas każdego posiłku, wdychamy go do płuc. Przyjrzyjmy się zatem z uwagą atomowi węgla.

Skąd taki atom węgla wie, że ma być właśnie atomem węgla a nie innego pierwiastka?

Dlaczego nie jest tlenem, fosforem czy złotem? Odpowiedź znajduje się we wnętrzu jądra atomu, zbudowanego z nukleonów. Znamy dwa ich typy: protony i neutrony. Jeżeli liczba protonów wzrasta otrzymujemy coraz cięższe jądro. Jeżeli ich liczba wynosi 90 otrzymujemy pierwiastek tor, jeśli 91 – protaktyn, jeżeli jest ich 92 – uran. Jeżeli na przykład jądro uranu ulegnie rozszczepieniu na dwa fragmenty, otrzymamy dwa różne atomy o mniejszej masie, np. cez (55 protonów) i rubid (37 protonów).

Z kolei liczba neutronów określa, czy dana substancja jest radioaktywna czy nie. Dla tego samego pierwiastka (czyli stała liczba protonów) ilość neutronów w jądrze może być różna. Atomy tego samego pierwiastka o różnej liczbie neutronów w jądrze nazywamy izotopami. Np. większość atomów węgla zawiera sześć lub siedem neutronów. Niektóre jądra atomowe są stabilne, tzn. nie są promieniotwórcze. Ale te, które mają nieodpowiednią liczbę neutronów są „niespokojne”. Posiadają bowiem nadwyżkę energii. W takim stanie są jądra atomów węgla, jeśli posiadają mniej niż sześć lub więcej niż siedem neutronów. Wcześniej czy później takie jądra wyemitują nadwyżkę energii i prawdopodobnie uwolnią jedną lub więcej cząstek w tym samym czasie.

Jądro atomu węgla z sześcioma protonami i sześcioma neutronami nazywamy węglem-12 lub C-12. Liczba 12 mówi nam, jaka jest całkowita liczba nukleonów w jądrze. Z kolei atom z siedmioma neutronami określamy jako C-13. Oba jądra C-12 i C-13 są stabilne, pozostałe izotopy węgla są radioaktywne.

Jądro atomu węgla, które posiada pięć neutronów, czyli inaczej C-11, może utrzymywać swój stan przez około 20 minut, C-10 przez około 19 sekund, a C-9 126 milisekund. Zdecydowanie dłużej przetrwają w swoim stanie izotopy z jednym nadmiarowym neutronem. Węgiel C-14, którego jądro ma osiem neutronów, może pozostać niezmieniony przez tysiące lat. Z kolei jądro, które posiada trzy dodatkowe neutrony nerwowo rozpada się w przeciągu sekundy.

Rys. 2 Budowa atomu (źródło: fotolia.pl)

Rys. 2 Budowa atomu (źródło: fotolia.pl)

Jądro atomu węgla, które posiada pięć neutronów, czyli inaczej C-11, może utrzymywać swój stan przez około 20 minut, C-10 przez około 19 sekund, a C-9 126 milisekund. Zdecydowanie dłużej przetrwają w swoim stanie izotopy z jednym nadmiarowym neutronem. Węgiel C-14, którego jądro ma osiem neutronów, może pozostać niezmieniony przez tysiące lat. Z kolei jądro, które posiada trzy dodatkowe neutrony nerwowo rozpada się w przeciągu sekundy.

Wszystko to, czego nauczyliśmy się o węglu nie dotyczy tylko dla tego pierwiastka. Takie same prawa fizyki odnoszą się do żelaza, złota, azotu, tlenu, uranu, radu i wszystkich pozostałych pierwiastków. Jeżeli liczba neutronów w jądrze jest odpowiednia, izotop jest stabilny, jeżeli nie, jest radioaktywny.

Każdy izotop charakteryzuje okres połowicznego rozpadu. Jest to czas, po którym ilość danego izotopu zmniejsza się o połowę (rys. 2). Po kolejnym, takim samym okresie czasie, pozostanie już tylko 25 % początkowej liczby izotopów itd. Te czasy są bardzo różne dla różnych izotopów – od nanosekund do miliardów lat. Dla węgla C-11 ten okres wynosi ok. 20 minut, dla C-14, 5730 lat.

Izotopy rozpadając się, tzn. przekształcając się w inny izotop, emitują promieniowanie jonizujące korpuskularne, czyli strumień cząstek (rys. 4). Promieniowanie elektromagnetyczne – gamma (czyli strumień bezmasowych fotonów) towarzyszy zwykle tym rozpadom. Najczęściej mamy do czynienia z promieniowaniem alfa – czyli jądrem helu, beta minus – czyli elektronem (warto zwrócić uwagę, że nie są to elektrony, które krążą wokół jądra), beta plus, czyli pozyton (inaczej elektron o ładunku dodatnim), a także promieniowanie neutronowe, z którym mamy do czynienia głównie w reaktorze jądrowym.

Rys. 3. Okres połowicznego rozpadu – po czasie T pozostaje średnio 50 % izotopów promieniotwórczych, po kolejnym okresie T już tylko 25 %, itd… (źródło: fotolia.pl)

Rys. 3. Okres połowicznego rozpadu – po czasie T pozostaje średnio 50 % izotopów promieniotwórczych, po kolejnym okresie T już tylko 25 %, itd… (źródło: fotolia.pl)

Groźnym i niebezpiecznym dla człowieka jest promieniowanie alfa. Mimo że najłatwiej jest je zatrzymać, ponieważ wystarczy tylko kartka papieru, to, gdy połkniemy substancję, która emituje cząstki alfa, promieniowanie to niszczy nasze komórki, gdyż jest to realna, duża cząstka. Najgroźniejsze jest jednak promieniowanie neutronowe, chociaż nie mamy z nim do czynienia na co dzień. Neutrony powodują aktywację izotopów i gdybyśmy stanęli w polu promieniowania neutronowego, nasze atomy staną się promieniotwórcze i my sami zaczniemy emitować promieniowanie jonizujące, przez co staniemy się niebezpieczni dla otoczenia.

Rys. 4 Rodziaje promieniowania jonizującego (źródło: fotolia.pl)

Rys. 4 Rodzaje promieniowania jonizującego (źródło: fotolia.pl)

Należy przy tym pamiętać, że czymś innym jest napromieniowanie, a czymś innym skażenie. Są to dwa często mylone pojęcia, szczególnie w mediach. Coś, co zostało napromieniowane (nie dotyczy to przypadku naświetlenia neutronami) nie jest promieniotwórcze! W takim przypadku dochodzi tylko np. do zniszczenia wiązań chemicznych ośrodka. Ten efekt wykorzystuje się np. do sterylizacji żywności, kosmetyków, czy przyrządów medycznych w szpitalach. Jeżeli jednak wchłoniemy izotop promieniotwórczy do naszego organizmu lub na pewnym obszarze zostaną rozpylone radioaktywne nuklidy, to my lub ten teren będziemy skażeni! Te izotopy będą emitowały promieniowanie i stwarzały potencjalne niebezpieczeństwo. Dlatego ważne jest rozróżnienie tych pojęć.

Powtórzmy – napromieniowany to nie jest to samo, co skażony!

Promieniowanie jako fenomen jest tak stare jak cały nasz wszechświat. Jest normalną częścią naszego życia. W każdej chwili przenika przez nasze ciało. Wszystko, co wiemy o promieniowaniu, nauczyliśmy się głównie z prasy, mediów, ale dziennikarze to także laicy. Ktoś kiedyś powiedział, że wszyscy boją się promieniowania oprócz ekspertów. I to jest zrozumiałe, każda nieznana rzecz czy sytuacja wzbudza strach. Promieniowanie jest niewidoczne, nie można go usłyszeć, powąchać, dotknąć, czy poczuć. Ludzkie zmysły nie są w stanie wykryć promieniowanie. Ale jest ono łatwe do zmierzenie, głównie przez specjalistów, którzy mają dostęp do odpowiednich urządzeń. Pamiętaj o tym, promieniowanie było i będzie z nami zawsze. To nie jest wynalazek, którego człowiek dokonał ponad 100 lat temu, a odkrycie fenomenalnego zjawiska, które wpłynęło na nasze życie.


Bibliografia:
Opracowano na podstawie B. Wahlstroem „Radiation… in everyday language”, Loviisa 1997

Łukasz Koszuk

mgr Łukasz Koszuk – współzałożyciel i prezes Fundacji FORUM ATOMOWE. Absolwent fizyki na Uniwersytecie Warszawskim, specjalność fizyka jądrowa; specjalista w Zakładzie Energetyki Jądrowej w Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Świerku, w Zespole Analiz Neutronowych Rdzenia.

Skomentuj

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *