W pogoni za niewidzialnym

O odkryciu promieniotwórczości w zasadzie zdecydował przypadek. Pod koniec XIX w. francuski uczony, Henri Becquerel prowadził prace nad zjawiskami fluorescencji i fosforescencji. Wiążą się one z tym, że pewne substancje chemiczne poddane działaniu światła (nawet dziennego) wysyłają promieniowanie elektromagnetyczne. Pewnego pochmurnego dnia Becquerel nie mógł prowadzić doświadczeń, więc włożył do szuflady próbkę soli uranu. Przypadkiem znalazła się ona na owiniętej w czarny papier kliszy fotograficznej. Po jej wywołaniu okazało się, że została zaczerniona pomimo tego, że nie była wystawiona na światło. Becquerel wysunął hipotezę, że sól uranowa emituje samorzutnie niewidzialne promieniowanie, które przenika przez czarny papier. Po przeprowadzeniu dokładnych badań stwierdził, że podobne, ale znacznie silniejsze działanie, wykazuje czysty uran. W tamtym czasie nie znano dokładnie charakteru tego promieniowania, dlatego nazywano je promieniowaniem Becquerela. Zainteresowanie świata nauki tym tematem dość szybko wygasło, Becquerel też zajął się innymi sprawami, a problem oddał do rozwikłania Marii Skłodowskiej-Curie, która właśnie poszukiwała intensywnie tematu na doktorat.

Nasza uczona dość szybko poczyniła kilka istotnych obserwacji. Zamiast kliszy fotograficznej zastosowała do wykrywania i pomiaru promieniowania znacznie bardziej czuły elektrometr. Dzięki temu zauważyła, że w jednej z rud zawierających uran promieniotwórczość jest zdecydowanie większa, niż to wynikało z zawartości tego pierwiastka. Założyła, że może to być wynikiem obecności w rudzie innego, nieznanego dotąd pierwiastka. Mrówcza praca, polegająca na chemicznej przeróbce wielu ton rudy uranowej (blendy smolistej) wykonywana była w szopie użyczonej przez uczelnię. W olbrzymich kadziach Maria wraz z mężem Piotrem Curie mieszali rudę z odczynnikami, a z uzyskanego roztworu wytrącali osady, zagęszczając w ten sposób poszukiwany pierwiastek. Po dwóch latach osiągnęli sukces, odkrywając silnie radioaktywny pierwiastek, który Maria postanowiła nazwać polonem (Po). Chciała w ten sposób zwrócić uwagę społeczności międzynarodowej na jej ojczyznę, która w tym czasie (w 1898 r.) już od ponad stu lat znajdowała się pod zaborami. Zawartość polonu w rudzie uranowej jest znikoma – w 1 tonie jest go zaledwie 0,1 mg.

Jeszcze w tym samym roku Skłodowska wyodrębniła z uraninitu drugi nieznany do tamtej pory pierwiastek – rad (Ra). Dzięki tym odkryciom została laureatką dwóch nagród Nobla – z fizyki (1903, wspólnie z mężem, Piotrem) oraz z chemii (1911). Warto dodać, że to właśnie małżeństwu Curie zawdzięczamy sam termin radioaktywność.

Nadmiar neutronów

Dość szybko okazało się, że sporo pierwiastków w sposób naturalny promieniuje. Badania fizyków pozwoliły na stwierdzenie, że atomy emitują trzy rodzaje promieniowania. Zostały one nazwane od pierwszych liter alfabetu greckiego (alfa, beta, gamma), m.in. w zależności od zdolności do penetracji materii. Promieniowanie alfa to strumień dodatnich jąder helu, beta jest strumieniem ujemnych elektronów, natomiast promieniowanie gamma ma charakter promieniowania elektromagnetycznego (czyli takiego, jak np. światło słoneczne, ale niosącego znacznie większą energię), zbliżonego do odkrytego przez Roentgena promieniowania X. To właśnie promieniowanie gamma emitowane przez uran i inne pierwiastki zaczerniało płyty fotograficzne Becquerela.

Gdy w latach 30. XX w. wiedziano już, że jądro składa się z protonów i neutronów, zauważono, że właściwości promieniotwórcze wykazują pierwiastki, w których jądrach występuje nadmiar neutronów nad protonami. Widać to choćby w izotopach wodoru. „Zwykły” wodór nie ma w jądrze neutronów, a więc jest trwały, podobnie jak deuter, zawierający jeden neutron. Trzeci z izotopów wodoru, tryt, ma w jądrze dwa neutrony i dlatego jest nietrwały. Dotyczy to także wielu innych pierwiastków, np. węgla (izotopy C-12 i C-13 są trwałe, natomiast C-14 jest radioaktywny).

Promieniotwórczość podlega prawom statystycznym. Gdybyśmy obserwowali pojedynczy atom radu czy trytu, nie możemy przewidzieć, kiedy się rozpadnie – może się to stać po sekundzie czy też po milionie lat. Dlatego też trwałość pierwiastków promieniotwórczych określamy podając tzw. czas połowicznego rozpadu (czas półtrwania). Jest to czas, po którym rozpadnie się połowa atomów w danej próbce. Czas połowicznego rozpadu jest wartością charakterystyczną dla danego pierwiastka promieniotwórczego, choć nadal nie potrafimy go powiązać ze strukturą jądra, które ulega rozpadowi. Co ważne, nie zależy on od warunków zewnętrznych, takich jak stan skupienia próbki, temperatura, ciśnienie itp.

Oprócz promieniotwórczości naturalnej mówi się także o promieniotwórczości sztucznej. Pierwszy eksperyment prowadzący do jej odkrycia wykonał w 1919 r. Ernest Rutherford. Bombardując azot strumieniem cząstek alfa otrzymał jeden z izotopów tlenu oraz protony (jądra wodoru). Był to pierwszy przykład tego, co dawni alchemicy nazywali transmutacją – przemianą jednego pierwiastka w inny. W 1934 r. córka Marii Skłodowskiej-Curie, Irena, wraz z mężem, Fryderykiem Joliot, wykonała doświadczenie, które dało bardzo nieoczekiwane wyniki. Strumień cząstek alfa został skierowany na folię aluminiową. Uczeni zauważyli, że nawet po zaprzestaniu bombardowania folia nadal promieniuje, co było nieoczekiwanym efektem. Dokładna analiza chemiczna wykazała, że jest tam obecny fosfor (P), którego oczywiście w pierwotnej folii Al nie było. Wyciągnięto wniosek, że jądro glinu ulega przemianie w jądro promieniotwórczego fosforu-30, które następnie rozpada się z utworzeniem trwałego jądra krzemu (Si). Badania promieniotwórczości sztucznej (indukowanej) przyniosły małżeństwu Joliot-Curie nagrodę Nobla w 1935 r. Dziś metody wzorowane na tym doświadczeniu stosuje się do otrzymywania rozmaitych izotopów promieniotwórczych, znajdujących zastosowanie m.in. w diagnostyce i terapii medycznej.

Kolejne odkrycie w tej dziedzinie to dzieło Niemców – Ottona Hahna i Fritza Strassmanna. Na przełomie 1938 i 1939 r. bombardując neutronami próbkę uranu dokonali rozszczepienia atomu, przy czym okazało się, że obok znacznie mniejszych jąder, takich jak bar czy krypton w reakcji powstają 2-3 neutrony oraz spora porcja energii. To odkrycie pozwoliło na zainicjowanie badań nad reakcją łańcuchową rozszczepienia uranu, w której efekcie zbudowano pierwszy reaktor jądrowy (Fermi, Chicago, 1942), ale także bombę jądrową (Los Alamos, USA, 1945).

Zastosowania

Człowiek lubi znajdować zastosowanie dla wszystkiego, co można w jakiś sposób wykorzystać. Nie inaczej było z izotopami promieniotwórczymi, choć w tym przypadku zdecydowanie uczyliśmy się na błędach. Pierwszym pierwiastkiem, który znalazł zastosowanie praktyczne, był rad. Dodawano go m.in. do farb, którymi pokrywano wskazówki oraz tarcze zegarków, aby świeciły nocą. Szaleństwo radowe opanowało świat. Dziś brzmi to niewiarygodnie, ale w latach 20. XX w. można było kupić kosmetyki zawierające rad, jak też… masło radowe, a nawet specjalne czopki z radem, podobno wzmacniające potencję (nie próbujcie tego w domu!). Dziś rad jest stosowany niemal wyłącznie jako źródło promieniowania w radiografii przemysłowej.

Wiele izotopów promieniotwórczych stosuje się w medycynie – zarówno w diagnostyce (np. w tomografii PET, SPECT czy scyntygrafii), jak też w radioterapii. Są one także istotne dla przemysłu – tutaj najczęściej wykorzystywana jest reakcja łańcuchowa uranu czy też plutonu, dzięki której mamy m.in. elektrownie jądrowe.

Z kolei niemal wszystkie czujki dymu oparte są o promieniowanie generowane przez ameryk-241.
Koniecznie trzeba też wspomnieć o pierwiastkach, które wykorzystujemy w badaniach naukowych. Izotop C-14 jest stosowany jako tzw. zegar archeologiczny.  W tym przypadku wykorzystujemy fakt, że żywa materia (rośliny, zwierzęta) zawiera w sobie zarówno izotop C-12 (ten nie promieniuje), jak też C-14. Ich wzajemna proporcja jest stała, ponieważ cały czas istnieje wymiana węgla z otoczeniem – pobieramy go m.in. z żywnością. W chwili, gdy roślina czy zwierzę kończy żywot, wymiana ustaje, natomiast rozpad C-14 trwa nadal. Mierząc wzajemny stosunek tych dwóch izotopów możemy określić np. kiedy drzewo zostało ścięte, a co za tym idzie ustalić wiek wykonanego z niego przedmiotu.
Wiele izotopów wykorzystuje się jako tzw. znaczniki w badaniach chemicznych oraz biologicznych. Pozwalają one na śledzenie losów konkretnych atomów np. w przemianach metabolicznych.

Zagrożenia

Dziś wiedza o szkodliwości promieniowania jest w zasadzie powszechna, jednak przez lata była zdobywana w sposób dość bolesny. Wielu ludzi, w tym także badacze zajmujący się izotopami radioaktywnymi, zachorowało na nowotwory, choć na początku korelacja ta nie została zauważona. Podstawowym problemem jest to, że promieniowania nie widać i nie czuć. Nie można go też zneutralizować. Jedyne, co można zrobić, to zebrać skażony materiał i umieścić go w bezpiecznym miejscu. W ostatnich latach ludzkość została doświadczona dwiema wielkimi katastrofami (Czernobyl, Fukushima), w których uwolnione zostały duże ilości szkodliwych izotopów promieniotwórczych. Ich skutki odczuwamy do dziś. Niestety, w odbiorze społecznym tego typu wydarzenia kreują negatywny obraz radioaktywności, a wykorzystywana rozsądnie i bezpiecznie przynosi ona dużo pożytku.

Naturalny reaktor jądrowy

Człowiek szczyci się tym, że zbudował reaktor jądrowy. Okazuje się jednak, że znacznie wcześniej zrobiła to natura. Już w latach 50. XX w. naukowcy podejrzewali, że takie naturalne zjawiska istnieją. W 1972 w złożach uranu koło miejscowości Oklo w Gabonie odkryto taki reaktor, który działał ok. 2 mld. lat temu. Okazało się, że specyficzny poziom konkretnych izotopów uranu w połączeniu z naturalnym źródłem wody, będącej moderatorem (spowalniaczem) neutronów spowodował, że przez kilkaset tysięcy lat trwała tam samopodtrzymująca reakcja jądrowa, dokładnie taka, jak w typowych reaktorach budowanych przez człowieka. Badania wykazały obecność izotopów typowych dla rozpadu wskutek reakcji rozszczepienia jądrowego.

To jak dotąd jedyny odkryty tego typu naturalny reaktor, choć oczywiście nie jest wykluczone, że mogły się ona znajdować także w innych miejscach na świecie.

Mirosław Dworniczak