Dane INFORMACYJNE (do uzupełnienia)

2. Dane INFORMACYJNE (do uzupełnienia) • Nazwa szkoły: • Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych nr 1 w Krotoszynie • ID grupy: • 97_66_mf_g1 • Kompetencja: • Matematyczno- Fizyczna • Temat projektowy: • Pierwiastki promieniotwórcze wokół nas • Semestr/rok szkolny: • 2010/2011

3. Pierwiastki promieniotwórcze wokół nas

4. Budowa atomu i jądra atomowego Kwantowy opis atomu i jądra atomowego Liczby kwantowe i ich znaczenie Efekt tunelowy i zasada nieoznaczalności Trwałość jąder Rozpady promieniotwórcze Zagrożenie promieniowaniem jonizującym Działania zapobiegawcze promieniowaniu jonizującemu Wykorzystanie promieniowania w nauce i technice Zadania dotyczące promieniowania

5. Budowa atomu i jądra atomowego Atom jest zdefiniowany jako najmniejsza, niepodzielna cząstka danej substancji zachowująca wszystkie właściwości charakterystyczne dla tej substancji. Wszystkie atomy złożone są z dużego jądra i okrążającej je chmury elektronowej. Jądro ma ładunek dodatni i , pomimo małych rozmiarów, skupia w sobie większość masy całego układu. Elektrony są dużo mniejsze od protonów i neutronowo (składników jądra) i posiadają sumaryczny ładunek elektryczny ujemny. Właściwości substancji, jaką budują atomy danego pierwiastka, zależne są w dużej mierze od liczbie protonów w jądrze atomowym. Atom jest elektrycznie obojętny, gdy ładunek ujemny elektronów znosi się z ładunkiem dodatnim jądra. Nie zawsze tak jest. Czasem liczba ładunków danego rodzaju jest różna od ładunków drugiego rodzaju i wówczas atomy stanowią ją.

6. Jądro atomowe – centralna część atomu zbudowana z jednego lub więcej protonów i neutronów, zwanych nukleonami. Jądro stanowi niewielką część objętości całego atomu, jednak to w jądrze skupiona jest prawie cała masa. Przemiany jądrowe mogą prowadzić do powstawania ogromnych ilości energii. Niewłaściwe ich wykorzystanie może stanowić zagrożenie dla środowiska. Składnikami jąder atomowych są nukleony, czyli protony i neutrony. Istnienie jąder atomowych możliwe jest dzięki siłom jądrowym łączącym ze sobą nukleony. Siły jądrowe są krótkozasięgowe i działają na bardzo małych odległościach. Są to ogromne siły, które znacznie przewyższają bardzo duże siły odpychania elektrycznego między protonami. Ich źródłem są kwarki, które są składnikami zarówno protonów, jak i neutronów. Kwarki zgodnie z dzisiejszą wiedzą nie dzielą się już na mniejsze części i są cząstkami prawdziwie elementarnymi. Liczba nukleonów w jądrze to liczba masowa A. Liczba protonów w jądrze to liczba atomowa Z, która decyduje o pozycji danego pierwiastka w układzie okresowym i która jest równa liczbie elektronów poza jądrem. Wszystkie atomy tego samego pierwiastka mają taką samą liczbę atomową, lecz mogą różnić się liczbą masową. Symbolicznie dany pierwiastek X opisujemy poprzez te liczby, jako A/ZX. Gęstość materii w jądrze jest niewyobrażalnie duża.

7. Kwantowy opis atomu i jądra atomowego Model budowy atomu Bohra – model atomu wodoru autorstwa Nielsa Bohra. Bohr przyjął wprowadzony przez Ernesta Rutherforda model atomu, według tego modelu elektron krąży wokół jądra jako naładowany punkt materialny, przyciągany przez jądro siłami elektrostatycznymi. Przez analogię do ruchu planet wokół Słońca model ten nazwano "modelem planetarnym atomu".

8. Liczby Kwantowe i ich znaczenie Pojęcie liczby kwantowej pojawiło się w fizyce wraz z odkryciem mechaniki kwantowej. Okazało się, że właściwie wszystkie wielkości fizyczne mierzone w mikroświecie atomów i cząsteczek podlegają zjawisku kwantowania, tzn. mogą przyjmować tylko pewne ściśle określone wartości. Na przykład elektrony w atomie znajdują się na ściśle określonych orbitach i mogą znajdować się tylko tam, z dokładnością określoną przez zasadę nieoznaczoności. Z drugiej strony każdej orbicie odpowiada pewna energia. Bliższe badania pokazały, że w podobny sposób zachowują się także inne wielkości np. pęd, moment pędu czy moment magnetyczny (kwantowaniu podlega tu nie tylko wartość, ale i położenie wektora w przestrzeni albo jego rzutu na wybraną oś). Wobec takiego stanu rzeczy naturalnym pomysłem było po prostu ponumerowanie wszystkich możliwych wartości np. energii czy momentu pędu. Te numery to właśnie liczby kwantowe

9. Efekt tunelowy i zasada nieoznaczalności Zjawisko tunelowe zwane też efektem tunelowym – zjawisko przejścia cząstki przez barierę potencjału o wysokości większej niż energia cząstki, opisane przez mechanikę kwantową. Z punktu widzenia fizyki klasycznej stanowi paradoks łamiący klasycznie rozumianą zasadę zachowania energii, gdyż cząstka przez pewien czas przebywa w obszarze zabronionym przez zasadę zachowania energii. Zasada nieoznaczoności (zasada nieokreśloności) mówi, że istnieją takie pary wielkości, których nie da się jednocześnie zmierzyć z dowolną dokładnością. O wielkościach takich mówi się, że nie komutują. Akt pomiaru jednej wielkości wpływa na układ tak, że część informacji o drugiej wielkości jest tracona. Zasada nieoznaczoności nie wynika z niedoskonałości metod ani instrumentów pomiaru, lecz z samej natury rzeczywistości.

10. Trwałośćjąder Tylko niektóre jądra atomowe są trwałe. Decydują o tym oddziaływania między tworzącymi je nukleonami. Większość jąder atomowych o liczbie atomowej od 1 (wodór) aż do 83 (bizmut) posiada trwałe izotopy. Cięższe pierwiastki zawsze są nietrwałe, jednak ich okresy półrozpadu są tak duże, że można znaleźć je w naturze. Najcięższym z tych pierwiastków jest posiadający liczbę atomową 94 pluton. Cięższe pierwiastki nie występują na Ziemi, jednak można je sztucznie wytworzyć w akceleratorach cząstek. Najcięższym obecnie uzyskanym jest pierwiastek o liczbie atomowej 118, o nazwie Ununoctium, który jest "ostatnim możliwym" gazem szlachetnym i który został otrzymany w Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych w Dubnej w 2002 r.

11. Rozpady promieniotwórcze Rozpad promieniotwórczy- zjawisko spontanicznej przemiany jądra atomowego danego izotopu w inne jądro. Podstawową własnością rozpadu promieniotwórczego jest brak wpływu fizykochemicznych czynników zewnętrznych na proces. Rozpad promieniotwórczy zachodzi zgodnie z kinetyką I rzędu.Ze względu na rodzaj przemiany zachodzącej w jądrze i towarzyszące mu zjawiska wyróżnia się: rozpad alfa, rozpady beta (beta plus lub beta minus), wychwyt elektronu, rozszczepienie jądra atomowego i inne, np. rozpad protonowy, hipotetyczny rozpad podwójny beta itp.Ogólne zasady rozpadu promieniotwórczego odnoszą się również do przejść izomerycznych (izomeria jądrowa) zachodzących bez przekształcenia się jądra w jądro innego izotopu. Niezależnie od rodzaju procesu fizycznego prowadzącego do rozpadu promieniotwórczego zjawisko podlega prawu rozpadu promieniotwórczego, oraz regule przesunięć Soddy'ego i Fajansa.Naturalne rozpady promieniotwórcze są obserwowane m.in. w szeregach promieniotwórczych.

12. Zagrożenie promieniowaniem jonizującym Człowiek oraz wszystkie żyjące na Ziemi organizmy są stale narażone na wpływ promieniowania jonizującego. Na skutek oddziaływania promieniowania na tkankę żywą, zachodzą w niej pewne zmiany. Zależą one od rodzaju promieniowania, jego natężenia i energii, a także rodzajów tkanki, położenia źródła promieniowania i czasu ekspozycji. Promieniowanie jonizujące oddziałując z tkanką żywą powoduje jonizację atomów i zmianę przebiegu biologicznych procesów w komórce. Promieniowanie jonizujące jest to krótkofalowe promieniowanie elektromagnetyczne oraz każde promieniowanie składające się z cząstek jonizujących bezpośrednio lub pośrednio. Promieniowanie rentgenowskie i gamma odznaczają się dużą przenikliwością, stąd też mogą one oddziaływać na procesy życiowe lub niekorzystnie wpływać na zmiany w strukturze komórki. Odpowiedniej grubości warstwa wody, betonu lub ołowiu stanowi skuteczną ochronę przed tego typu promieniowaniem, którego nie można wykryć za pomocą zmysłów. Radioaktywność to zjawisko samorzutnego przekształcania się izotopów nietrwałych danego pierwiastka w inny izotop tego samego lub innego pierwiastka, z równoczesną emisją promieniowania jądrowego.

13. Negatywny wpływ energii elektromagnetycznej przejawia się tzw. udarem cieplnym, co może powodować dodatkowe zmiany biologiczne, np. zmianę właściwości koloidalnych w tkankach, a nawet doprowadzić do śmierci termicznej. Szczególnie szkodliwe oddziaływanie na środowisko mają linie wysokiego napięcia, w pobliżu których wytwarzają się napięcia i prądy niebezpieczne dla zdrowia i życia ludzi. Pole elektromagnetyczne wytwarzane przez silne źródło niekorzystnie zmienia warunki bytowania człowieka, wpływa na przebieg procesów życiowych organizmu; mogą wystąpić zaburzenia funkcji ośrodkowego układu krwionośnego oraz narządów słuchu i wzroku. Najbardziej narażeni są ludzie zatrudnieni przy obsłudze urządzeń emitujących tego rodzaju promieniowanie.Radioaktywność może stanowić dla człowieka zagrożenie wynikające ze skażenia środowiska substancjami promieniotwórczymi

14. Działania zapobiegawcze promieniowaniu jonizującemu Nie każdy wypadek jest niebezpieczny dlatego trzeba uważnie wsłuchiwać się we wszystkie komunikaty podawane w radiu i telewizji. Nie należy ufać plotkom i wpadać w panikę, należy: ZACHOWAĆ SPOKÓJ UMYSŁU ! oraz postępować zgodnie z treścią podawanych komunikatów.

15. W razie zalecenia pozostania w domu, należy: zamknąć okna i drzwi i nie dopuścić aby do domu lub mieszkania dostało się powietrze z zewnątrz (wyłączyć wentylację, klimatyzację, ogrzewanie nawiewowe, uszczelnić zasuwy piecowe i kominowe, zabezpieczyć inne otwory w mieszkanki lub budynku); zabezpieczyć zwierzęta domowe lub hodowlane; unikać spożywania żywności z własnego ogródka, warzyw i owoców nieznanego pochodzenia, wody z kranu -pić wodę tylko butelkowaną, ale z pewnych źródeł ; żywność przechowywać w szczelnie zamkniętych pojemnikach; w przypadku wyjścia na dwór należy zakryć nos i usta mokrym ręcznikiem lub chusteczką; po przyjściu z zewnątrz należy umyć całe ciało i włosy (do kąpieli dodać sodę spożywczą), należy też schować rzeczy noszone na dworze do torby i szczelnie ją zamknąć.

16. Wykorzystanie promieniowania w nauce i technice W przemyśle stosuje się przede wszystkim mierniki radioizotopowe służące do pomiarów różnych wielkości, do kontroli procesów produkcyjnych itp. Są to m.in. mierniki grubości materiału, jego gęstości, poziomu ciał stałych lub cieczy w zbiornikach, grubości pokrycia podłoża jakimś materiałem, mierniki stężenia kwasu, zapylenia powietrza itp. W tego typu urządzeniach stosuje się głównie źródła zamknięte promieniowania γ lub β i najczęściej wykorzystuje zjawisko pochłaniania promieniowania przy przejściu przez materię bądź zjawisko rozproszenia promieniowania. Techniki radiacyjne stosowane są w różnych gałęziach przemysłu. Wykorzystuje się je do sterylizacji sprzętu medycznego jednorazowego użytku, modyfikacji polimerów, materiałów oraz przyrządów półprzewodnikowych, do barwienia tkanin, szkła oraz sztucznych, a nawet naturalnych kamieni. Na świecie ilość produktów wytwarzanych lub modyfikowanych radiacyjnie sięga milionów ton rocznie i ciągle wzrasta. Zasada stosowania technik radiacyjnych polega na napromieniowaniu  materiałów i gotowych wyrobów za pomocą wiązki elektronów lub promieniowania γ. Ciekawym przykładem wykorzystania tych technik są termokurczliwe rurki i taśmy, które doskonale sprawdzają się jako izolacja elektryczna. Znajdują one zastosowanie wszędzie tam, gdzie trzeba wykonać trwałe i szczelne połączenia elementów konstrukcyjnych, m.in. przy montażu połączeń rur wentylacyjnych, przewodów, kabli elektrycznych. Techniki radiacyjne wykorzystano także w technologii oczyszczania gazów odlotowych z instalacji spalających m.in. węgiel. Napromieniowanie gazów wiązką elektronów powoduje zredukowanie emisji dwutlenku siarki (SO2) o 95%, a tlenków azotu (NOX) o 80%. Technologię tą zastosowano w pierwszej pilotowej stacji w elektrowni Kawęczyn, położonej w pobliżu Warszawy. Jest to wielce obiecujące przedsięwzięcie w zakresie ochrony środowiska.

17. Metody znaczników promieniotwórczych znalazły największe zastosowanie do badań obiektów oraz substancji w różnych stanach skupienia. Polegają one, najogólniej mówiąc, na dodaniu radioizotopu do materiałów przesyłanych na odległość, poddawanych procesowi mieszania lub  zmieniających podczas obróbki technologicznej stan skupienia (odparowanie, rozpuszczanie, itp). Pozwala to na śledzenie zmian intensywności promieniowania w różnych miejscach przepływu lub przesuwania się badanego materiału. Ponieważ podczas badań używa się znikomych ilości izotopu o małej aktywności, to wprowadzenie go nie zaburza badanych procesów. Za pomocą metod znacznikowych można ustalić przepływ materiałów, określić ich prędkość, tor poruszania, dyspersję (niejednorodność). Można przeprowadzić również badania procesów mieszania i rozdzielania składników oraz ich faz. Metody te znalazły zastosowanie w produkcji szkła, w przemyśle papierniczym, chemicznym i metalurgicznym. Znaczniki promieniotwórcze stosuje się również do badania stopnia zużycia materiałów, narzędzi, śledzenia procesów korozyjnych, badania smarów, a także lokalizacji i pomiarów nieszczelności zbiorników i rurociągów.

18. Wykorzystywanie technik radiologicznych i radioizotopowych w diagnostyce medycznej oraz w radioterapii (badania rentgenowskie, tomografia komputerowa, medycyna nuklearna, radioterapia itp.) jest niewątpliwie wielkim sukcesem nauki. Umożliwiają one bowiem wykrycie nieprawidłowej budowy lub czynności badanego narządu. Uzyskane wyniki badań są niejednokrotnie decydujące w ustaleniu właściwego rozpoznania choroby. Zastosowanie tych metod w radioterapii w zwalczaniu nowotworów ma często decydujące znaczenie dla życia pacjentów.

19. W przemyśle spożywczym i farmaceutycznym stosuje się urządzenia radiacyjne do konserwowania żywności i sterylizacji narzędzi lekarskich, strzykawek i materiałów opatrunkowych poprzez napromienienie ich bardzo dużymi dawkami. Jako źródło promieniowania stosuje się przede wszystkim kobalt 60Co o aktywności rzędu dziesiątków tysięcy TBq, a stosowane dawki są na ogół rzędu kilkudziesięciu kGy (kilogreji), lub akceleratory elektronowe.

20. W badaniach geologicznych korzysta się ze źródeł neutronów przy poszukiwaniu złóż minerałów, jak również do pomiaru wilgotności (lub gęstości) gruntu. Własności jonizacyjne promieniowania wykorzystuje się także w tzw. eliminatorach ładunku elektrycznego. W produkcji papieru, folii, tkanin, filmów fotograficznych, a więc wszędzie tam, gdzie materiał nie przewodzący przesuwa się i ociera o różne elementy maszyn, występuje zjawisko wytwarzania ładunków elektrycznych, które jest następstwem tarcia. Nagromadzenie dużego ładunku może być przyczyną bardzo poważnego zagrożenia pożarowego i wybuchowego w procesach technologicznych, w których operuje się substancjami łatwopalnymi i wybuchowymi. Można temu zapobiegać wywołując silną jonizację powietrza w pobliżu naładowanego materiału, właśnie za pomocą promieniowania o dużej zdolność jonizacji.

21. W czujkach dymu, urządzeniach stosowanych do wykrywania i sygnalizacji wystąpienia pożaru, także powszechnie używane są źródła promieniotwórcze (Am-241, Pu-239). Właściwości rozpadu promieniotwórczego wykorzystywane są również jako miara czasu. Do określania wieku znaleziska można wykorzystać różne radioizotopy, chociaż najpopularniejsza jest metoda węglowa, polegająca na określaniu zawartości promieniotwórczego węgla 14C w szczątkach organizmów i stąd wnioskowanie o ich wieku. Zastosowania promieniowania jonizującego, energii jądrowej o charakterze czysto naukowo-badawczym mają obecnie miejsce głównie w naukach fizycznych, chemicznych i biologicznych.

22. Praca podczas projektu

24. Podsumowując, należy stwierdzić, że nie sposób szczegółowo wymienić wszystkich zastosowań promieniowania jonizującego. Jest ono m.in. wykorzystywane w rolnictwie, w konserwacji żywności, poszukiwaniu źródeł wody, diagnostyce i terapii medycznej, sterylizacji sprzętu medycznego, a także w wykrywaniu i usuwaniu zanieczyszczeń środowiska naturalnego. Promieniowanie to wykorzystuje się również do zmiany struktury chemicznej materiałów, konstruowania niezwykle czułych detektorów (czujek) dymu, a także badania skażenia rzek, zbiorników wodnych i wód gruntowych. Techniki jądrowe (radioizotopowe) znalazły zastosowanie w górnictwie, geologii, archeologii. Pozwalają one m.in. precyzyjnie określić wiek badanych skał czy minerałów, a także szczątków żywych organizmów. Pierwiastki promieniotwórcze są wśród nas nawet jeśli nie zdajemy sobie z tego sprawy. Są one jednak niezbędne do funkcjonowania dzisiejszego świata, a izotopy promieniotwórcze znalazły wielorakie zastosowanie w wielu dziedzinach nauki i gospodarki.

25. Dziękujemy za uwagę  KONIEC