Rozpadło się i po kłopocie? – promieniotwórczość cz. II.

To jest część druga wpisu z tematu promieniotwórczość – zanim w niej zanurkujesz, radzimy zapoznać się z częścią pierwszą.

W szeregu zbiórka!

W ostatnim odcinku rozmawialiśmy o radioaktywności. Opisałem krótko, z jakimi rodzajami rozpadów radioaktywnych mamy do czynienia i z czego one w ogóle wynikają. Pojawił się też problem wpływu promieniowania na ludzi. Dziś pociągniemy ten temat dalej: porozmawiamy o tym, co się dzieje z jądrem atomu po rozpadzie. Zastanowimy się też, jak to promieniowanie zatrzymać, zanim doleci do człowieka i zrobi mu krzywdę.

Na początku warto wspomnieć o czymś takim jak szeregi promieniotwórcze. Cóż to takiego? Wiemy już, że rozpad jądra ma prowadzić do powstania bardziej stabilnego jądra. A co, jeśli jądro, które powstanie w wyniku rozpadu, wcale nie jest stabilne? Proste – zabawa zaczyna się od początku, nasze jądro ulega kolejnemu rozpadowi, i tak dalej, i tak dalej, aż w końcu trafimy na stabilne jądro. W przypadku szeregów naturalnych często jest to jądro ołowiu. Jak to wygląda w praktyce?

Uran i reszta – promieniotwórczość

Zacznijmy of uranu, a konkretniej jego izotopu 238¹92 protony, 146 neutronów. Uran, jak wszyscy wiedzą, jest promieniotwórczy. Jak bardzo? Niezbyt mocno. Jego czas połowicznego rozpadu – czas, po którym połowa jąder ulegnie rozpadowi – wynosi 4,5 miliarda lat. Innymi słowy – jądra uranu ulegają rozpadowi bardzo, bardzo rzadko. To zresztą tłumaczy w pewnym stopniu, dlaczego ten izotop stanowi około 99% naturalnie występującego uranu. I nie, z tego izotopu nie produkuje się broni jądrowej. Nie za dobrze nadaje się też na paliwo do reaktorów. Produkuje się z niego natomiast broń konwencjonalną. Dlaczego? Ze względu na jego wysoką gęstość, 19,1 grama na centymetr sześcienny. Dla porównania – ołów to około 11 g/cm3. A nie trzeba chyba nikomu tłumaczyć, że im cięższy pocisk rozpędzimy, tym większe kuku zrobi odbiorcy.

Wróćmy jednak do naszego uranu. Powoli, bo powoli, ale się rozpada, emitując cząstkę α, czyli traci po dwa protony i neutrony. W efekcie powstaje tor-234²90 protonów, 144 neutrony. Ten ma jeszcze większy nadmiar neutronów, więc ulega rozpadowi β-, tym razem z czasem półtrwania 24 dni. W wyniku rozpadu beta minus tor zmienia się w protaktyn³Traci po drodze jeden neutron, ale zyskuje jeden proton. Ten żyje jeszcze krócej, bo z czasem półtrwania poniżej 7 godzin emituje elektron (rozpad β-), dając w efekcie… uran.

Jak? Ot, po prostu, tak działa promieniotwórczość – na początku straciliśmy dwa protony i dwa neutrony. Następnie przerobiliśmy dwa neutrony na protony⁴Protonów mamy więc znowu 92, ale neutronów tylko 142., czyli protonów mamy tyle, co na początku, a neutronów o 4 mniej. To oznacza, że mamy do czynienia z uranem-234. Ten jest znacznie bardziej stabilny niż poprzednie dwa produkty rozpadu, bo jego okres połowicznego rozpadu to około 245 tysięcy lat.

Ale oczywiście ten uran rozpada się dalej, tworząc kolejne radioaktywne pierwiastki, takie jak rad, radon czy polon. Jeśli nawet wyizolujemy jeden konkretny izotop uranu, to i tak po pewnym czasie znajdziemy w tym kawałku wszystkie inne pierwiastki z tego szeregu promieniotwórczego.

Ile nie-uranu w uranie?

A co z tego dla nas wynika? Kilka ważnych obserwacji. W kawałku naturalnej, nieprzetworzonej rudy uranu to nie uran będzie w niej głównym źródłem promieniowania! Dlaczego? Otóż, jeżeli jakiś izotop ma długi czas połowicznego rozpadu, to znaczy, że w danym czasie niewiele jego jąder ulega rozpadowi. Im czas półtrwania krótszy, tym więcej jąder w tym samym czasie się rozpadnie. Tak działa promieniotwórczość.

Jeśli weźmiemy najsłynniejszy chyba minerał uranowy, blendę smolistą⁵Jeśli komuś skojarzyła się z Marią Curie-Skłodowską, w tym momencie dopisuje sobie punkt 😊. O samej noblistce i jej badaniach porozmawiamy kiedy indziej., i zerkniemy na opublikowane dane[2], to się okaże, że jej aktywność Jest niemal trzykrotnie wyższa, niż aktywność czystego uranu. A przecież blenda smolista nie składa się z czystego uranu, tylko z jego tlenku, plus innych pierwiastków… Więc skąd ta brakująca aktywność?

Promieniotwórczość w rudzie uranu

Ano z tego wszystkiego, o czym przed chwilą czytaliście, czyli z szeregów promieniotwórczych. Uran rozpada się, produkując związki bardziej promieniotwórcze niż on sam! Produkty jego rozpadu również się rozpadają, i tak dalej, i tak dalej, dopóki nie dotrzemy do stabilnego ołowiu. To właśnie te, stosunkowo silnie radioaktywne, produkty rozpadu uranu głównie odpowiadają za radioaktywność naturalnej rudy uranu. Weźmy taki rad-226: z czasem połowicznego rozpadu 1600 lat, w każdym gramie pierwiastka zachodzi 37 miliardów rozpadów na sekundę! Najbardziej aktywny izotop w tym szeregu, polon-214, ma czas połowicznego rozpadu poniżej 165 mikrosekund! Nawet jeśli tego pierwiastka jest w rudzie uranu niewiele⁶Rad – średnio 0.14 grama na tonę!, to odpowiada on za dużo większą część aktywności, niż sam uran.⁷

Zamiast wierzyć mi na słowo, wystarczy policzyć:

Przy średniej zawartości 0.14 grama radu-226 na tonę blendy smolistej

Mamy 0.14 miligrama radu-226 na kilogram blendy…

I 0.14 mikrograma na gram.

0.14 mikrograma, czyli 0.00000014 grama, pomnożone przez 37 000 000 000 rozpadów na sekundę na gram…

Daje nam 5180 rozpadów na sekundę.

Innymi słowy: w rudzie uranu rad odpowiada za dużo większą część promieniowania niż uran. Taka zresztą była geneza odkrycia tego pierwiastka. Po dokładnym przeanalizowaniu blendy smolistej i czystego uranu liczby się po prostu nie zgadzały. Widać było, że ruda jest dużo bardziej radioaktywna, niż być powinna. To właśnie państwo Curie wpadli na to, że musi w niej być inny pierwiastek. Taki, którego jest niewiele, ale którego aktywność znacząco przewyższa aktywność samego uranu. 

Promieniotwórczość – jak to powstrzymać?

A co jeszcze dzieje się z jądrem po rozpadzie? Jeśli pamiętacie temat promieniowania choćby ze szkolnych lekcji, zapewne zauważyliście, że omówiłem promieniowanie α i β, ale nie wspomniałem nic o promieniowaniu γ. Teraz czas się nim zająć.

Na czym polega podstawowa różnica między promieniowaniem γ a pozostałymi rodzajami, o których mówiliśmy? Promieniowanie α i β to cząstki⁸W dylemat fala/cząstka chwilowo wchodzić nie będziemy., podczas gdy promieniowanie γ to fala elektromagnetyczna. Skąd się bierze? Otóż: po rozpadzie nowopowstałe jądro zwykle jest „wzbudzone” – w uproszczeniu, ma więcej energii, niż mieć normalnie powinno, i musi się jej jakoś pozbyć. Najczęściej pozbywa się jej, emitując falę elektromagnetyczną o wysokiej energii.

Promieniowanie gamma

Innymi słowy, do wszelkich problemów z innymi rodzajami promieniowania, dochodzi nam problem z promieniowaniem γ. Można to sobie wyobrazić jako drgającą strunę, która nagle zmienia się w strunę o innej grubości – a drga ciągle z tą samą częstotliwością, co przed chwilą. Przy zmianie częstotliwości drgania taka struna musi się pozbyć części energii – co w przypadku jąder oznacza właśnie promieniowanie gamma. Ta analogia jest oczywiście ułomna, ale dla świata kwantowego często nie ma dobrych odpowiedników w świecie “makro”⁹A wyobraźcie sobie, że niektóre cząstki subatomowe trzeba obrócić wokół własnej osi *dwa razy*, żeby wyglądały tak, jak na początku…

A dlaczego jest to problem? Bo, podobnie jak promieniowanie neutronowe, promienie γ są bardzo przenikliwe. Dla porównania, czego potrzeba, żeby zatrzymać różne rodzaje promieniowania?

Promieniowanie α – zatrzymuje je naskórek. Bądź kartka papieru.

Promieniowanie β – cienka warstwa metalu załatwi sprawę.

Promieniowanie γ – żeby je osłabić, potrzebna jest osłona z ołowiu o grubości 40 cm.

No więc jak się skutecznie chronić? Jest kilka możliwości. Przede wszystkim: dystans! To jest właśnie czynnik, który większość z nas chroni przed promieniowaniem. W końcu mało kto przechadza się po składowisku odpadów jądrowych, czy też po poligonie jądrowym, prawda? Taką przynajmniej mam nadzieję.

W jaki sposób ten dystans nas chroni?

W niektórych przypadkach chroni nas nawet wprost. Powietrze jest bowiem w stanie zatrzymać część promieniowania, np. cząstki α i β. Dla innych rodzajów promieniowania ten wpływ jest nieco mniej intuicyjny.

Otóż promieniowanie¹⁰jeśli się nie postaramy, korzystając z odpowiednich „luster” rozchodzi się ze swojego źródła we wszystkie strony po równo, jak światło ze słońca. Innymi słowy: cząsteczki wypromieniowane ze źródła jednocześnie możemy sobie wyobrazić jako rozszerzający się, nadmuchiwany balon.

Gdy „balon” jest mało nadmuchany, guma, z której jest zrobiony, jest stosunkowo gruba. Jest tak, ponieważ ilość cząstek w danej jednostce powierzchni balonu jest duża. Im bardziej balon nadmuchamy (im dalej się od niego odsuniemy), tym guma staje się cieńsza – tym mniej cząstek przypada na jednostkę powierzchni. Czyli: im dalej się odsuniemy od źródła, tym mniej cząstek promieniowania do nas trafi, bo więcej poleci wszędzie dookoła.

A jeśli z jakiegoś powodu musimy się do tego źródła promieniowania zbliżyć? Wtedy istotny staje się czas. Im krócej jesteśmy narażeni na promieniowanie, tym mniej go pochłoniemy. Dopiero na trzecim miejscu wśród metod ochrony mamy osłony. Stosujemy je wtedy, kiedy musimy się zbliżyć do źródła i nie możemy ograniczyć czasu ekspozycji. Dobrym przykładem jest tutaj prześwietlenie, np. klatki piersiowej. Wykorzystuje ono promienie X. Promienie te są w swojej naturze bardzo zbliżone do promieni γ (po prostu mają niższą energię). Dlatego właśnie często przy prześwietleniu dostajemy ołowiane osłony na resztę ciała. Wystawiamy prześwietlaną część ciała na promieniowanie na tak długo, jak to konieczne, a całą resztę po prostu zasłaniamy.

A co się stanie, gdy już promieniowanie do nas doleci? Jakie będzie to miało konsekwencje zdrowotne? Czy wyrośnie nam trzecia ręka? O tym w następnym odcinku.

Źródła:

https://www.wise-uranium.org/rup.html

https://www.epa.gov/radiation/radioactive-decay

https://www.epa.gov/radiation/protecting-yourself-radiation

http://webmineral.com/data/Uraninite.shtml

Zainteresowało Cię to, co czytasz? Chcesz wiedzieć więcej? Śledź nas na Facebooku, i – pozwól, że wyjaśnię!