Odkrycie radioaktywności zawdzięczamy złej pogodzie. Francuski fizyk Henri Becquerel próbował zbadać fluorescencję, zjawisko polegające na tym, że pewne materiały świecą pod wpływem światła słonecznego, ale pochmurne dni udaremniły jego eksperymenty, więc zawinął fluoryzujące sole uranu w szmatkę i zostawił je w szufladzie, razem z płytą fotograficzną i miedzianym krzyżem. Ten zwykły, przypadkowy wypadek w 1896 roku ujawnił istnienie promieniotwórczości, zjawiska, które otworzyło okno na świat subatomowy i zapoczątkowało rewolucję jądrową.
Zrozumieć radioaktywność
Kiedy Becquerel w końcu przyniósł sole, odkrył, że na kliszy fotograficznej pojawił się obraz krzyża – mimo że sole nie były wystawione na działanie światła.
„Jestem teraz przekonany, że sole uranu wytwarzają niewidzialne promieniowanie, nawet jeśli były trzymane w ciemności” – napisał po przeprowadzeniu dalszych eksperymentów.
Doktorantka Becquerela, Marie Curie, badała sprawę wraz ze swoim mężem Pierre’em i zdali sobie sprawę, że efekt ten nie ma nic wspólnego z fluorescencją, odkryli natomiast, że pewne materiały naturalnie emitują stały strumień energii. Ukuli termin „radioaktywność” i odkryli dwa nowe pierwiastki radioaktywne: polon i rad. Za tę głęboką i ekscytującą pracę Becquerel i Curies otrzymali w 1903 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Fizycy Ernest Rutherford i Frederick Soddy zagłębili się bardziej i odkryli, że maleńkie ilości materii zawierają ogromne rezerwy energii. Zdali sobie również sprawę, że w procesie rozpadu promieniotwórczego jeden pierwiastek może przekształcić się w inny – atom uranu może przekształcić się (poprzez kilka etapów pośrednich) w atom ołowiu.
Na całym świecie ludzie zakładali, że te cudownie energetyczne materiały mogą zostać dobrze wykorzystane. Do lat 20-tych XX wieku wielu producentów środków przeczyszczających i past do zębów z dumą dodawało do swoich produktów radioaktywny tor, a substancje radioaktywne zostały zakazane w produktach konsumpcyjnych w USA dopiero w 1938 roku.
Jak działa promieniotwórczość?
Dzisiaj mamy znacznie bardziej wszechstronne zrozumienie tego, czym jest promieniotwórczość, jak może być niebezpieczna i jak możemy ją wykorzystywać.
Oto podstawowe informacje: wyobraź sobie atom, składający się z chmury elektronów wokół centralnego jądra, gdzie cząstki zwane neutronami i protonami są ściśnięte razem. Niektóre układy protonów i neutronów są bardziej stabilne niż inne; jeśli neutronów jest za dużo w stosunku do protonów, jądro staje się niestabilne i rozpada się. Rozpad ten uwalnia promieniowanie jądrowe w postaci cząstek alfa, cząstek beta i promieniowania gamma.
Cząstka alfa przenosi dwa protony i dwa neutrony, a ponieważ pierwiastek jest zdefiniowany przez liczbę protonów, atom macierzysty staje się zupełnie nowym pierwiastkiem, gdy emitowana jest cząstka alfa. W rozpadzie beta neutron przekształca się w jeden proton i jeden elektron, a elektron przyspiesza, pozostawiając za sobą dodatkowy proton i ponownie dając w efekcie atom innego pierwiastka. Oprócz każdej z powyższych cząstek, rozpadające się jądra mogą również wytwarzać promienie gamma: promieniowanie elektromagnetyczne o wysokiej energii.
Jakie są skutki zdrowotne?
Jak odkryli Becquerel i Curies, radioaktywność jest zjawiskiem występującym naturalnie. Wiele minerałów na Ziemi emituje powolną i stałą strużkę promieniowania, powietrze, którym oddychamy, zawiera radioaktywne gazy, a nawet żywność i nasze ciała zawierają niewielki procent radioaktywnych atomów, takich jak potas-40 i węgiel-14. Ziemia otrzymuje również promieniowanie ze Słońca oraz wysokoenergetyczne promienie kosmiczne. Te źródła tworzą naturalny, ale nieunikniony poziom promieniowania tła. Wiele sztucznych źródeł zwiększa ten poziom, w tym procedury medyczne, takie jak promieniowanie rentgenowskie, czujniki dymu, materiały budowlane i paliwa palne.
Na ogół nie szkodzą nam źródła promieniowania o niskim poziomie tła, ponieważ zakres szkód zależy od długości i poziomu ekspozycji. Promieniowanie może uszkodzić wewnętrzną chemię organizmu, rozbijając wiązania chemiczne w naszych tkankach, zabijając komórki i uszkadzając DNA, co może prowadzić do raka. W bardzo dużych dawkach promieniowanie może spowodować chorobę i śmierć w ciągu kilku godzin.
Wykorzystanie energii jądrowej
Skutki promieniowania radioaktywnego były odczuwalne na jeszcze większą skalę dzięki stopieniu się elektrowni jądrowych w całej historii. Radioaktywny proces rozszczepienia jest wykorzystywany od kilkudziesięciu lat do produkcji energii elektrycznej: jądro atomu ulega rozszczepieniu, tworząc co najmniej dwa jądra „pochodne” i uwalniając energię w postaci ciepła. Ciepło to jest wykorzystywane do zagotowania wody i wytworzenia pary, która obraca turbinę i wytwarza energię elektryczną. Niestety nie jest to czysty proces – powstają w nim odpady radioaktywne, które trudno jest bezpiecznie usunąć, a w skrajnych przypadkach reakcje mogą wymknąć się spod kontroli, jak na przykład katastrofa wywołana trzęsieniem ziemi w elektrowni jądrowej Fukushima Daiichi w 2011 roku.
Inny proces radioaktywny mógłby zapewnić bezpieczny sposób wytwarzania czystej energii: fuzja jądrowa. W przeciwieństwie do rozszczepienia, synteza jądrowa polega na połączeniu ze sobą dwóch jąder atomowych. Proces ten również uwalnia energię – jest to dokładny proces zachodzący w Słońcu i innych gwiazdach – ale fuzja wymaga ekstremalnie wysokich temperatur i ciśnień, które są drogie i trudne do odtworzenia na Ziemi.
Długa droga przed nami
Becquerel zmarł 12 lat po swoim pierwszym odkryciu w wieku 54 lat, z oparzeniami i bliznami powstałymi prawdopodobnie w wyniku pracy z materiałami radioaktywnymi, a Maria Curie zmarła kilkadziesiąt lat później na białaczkę. Promieniowanie prawdopodobnie powoli zabijało również Pierre’a Curie, choć trudno to stwierdzić, gdyż został śmiertelnie potrącony przez powóz w 1906 roku.
Dzisiaj nasze lepsze zrozumienie radioaktywności pozwala nam używać jej znacznie bezpieczniej. Wypadki z udziałem materiałów radioaktywnych stały się rzadsze i przynoszą mniej ofiar śmiertelnych dzięki rygorystycznym środkom bezpieczeństwa i dokładnemu reagowaniu w sytuacjach awaryjnych. W ostatniej katastrofie nuklearnej w Fukushimie nie było ofiar śmiertelnych w wyniku narażenia na promieniowanie – ale przed nami jeszcze długa droga, zanim będziemy mogli bezpiecznie wykorzystać ogromną siłę promieniowania radioaktywnego.