Question

Wykorzystywanie zjawisk fizycznych w archeologii.

Answer 1

Promieniotwórczość ma szerokie zastosowanie we współczesnym świecie. Można powiedzieć, że jest ona niezbędna do rozumienia mikro i makro świata, a także procesów zachodzących w gwiazdach, a przez to ewolucji wszechświata.
Pierwszym, który wykorzystał promieniotwórczość i rozszczepienie atomu był Enrico Fermi, który w 1942 roku zbudował reaktor jądrowy, doprowadził do pierwszej w historii kontrolowanej reakcji łańcuchowej, co stało się kamieniem milowym w dotychczasowej fizyce. Dzięki tej reakcji udało się stworzyć bombę atomową, gdzie wykorzystywana jest reakcja rozszczepienia jąder uranu-233 lub plutonu-239. To z kolei pozwoliło na wynalezienie bomby termojądrowej, w której skład wchodzi bomba jądrowa. Jej wybuch wytwarza temperaturę rzędu 107 K, niezbędną do zapoczątkowania niekontrolowanej reakcji termojądrowej, polegającej na syntezie jąder helu z izotopami wodoru i litu. Powstały tez bomby kobaltowe(jest to bomba jądrowa lub termojądrowa, umieszczona w płaszczu z metalicznego kobaltu, a podczas jej wybuchu powstają znaczne ilości izotopu kobaltu-60, którego promieniowanie powoduje skażenia środowiska) oraz neutronowe(emitujące większą część energii w postaci promieniowania neutronowego, nie niszczącego obiektów materialnych, ale zabijającego istoty żywe).
Obecnie używane paliwo to wzbogacony uran-238, uran-235 czy pluton 239, powstający z uranu 238.
Ale promieniotwórczość znalazła zastosowanie nie tylko w produkcji niszczycielskiej broni. Reaktory jądrowe używane są jako źródła napędu statków i okrętów. Jest to korzystne ze względu na długość przebywania pod powierzchnia wody- mogą one być zanurzeniu przez czas praktycznie nieokreślony oraz osiągać znacznie większe rozmiary od tych napędzanych tradycyjnie. Takie źródła napędu znajdziemy nie tylko u okrętów wojskowych(takich jak np. lotniskowiec Enterprise), ale również u statków, np. lodołamaczy. Mimo wielu korzyści takie rozwiązanie może stanowić zagrożenie dla środowiska- w przypadku zatopienia takiego obiektu pływającego.
Reaktory jądrowe wykorzystuje się w elektrowniach jądrowych do produkcji energii. Elektrownie takie wytwarzają tanią(znacznie mniejsze zapotrzebowanie na paliwo od elektrowni węglowych) i czystą energię. Wbrew pozorom ilość emitowanych przez nie izotopów promieniotwórczych jest znacznie mniejsza od ilości emitowanej przez wspomniane już elektrownie węglowe, które dodatkowo dostarczają do atmosfery m.in. miliony ton SO2, a także metale ciężkie jak ołów, arsen czy kadm.. Jedynym minusem elektrowni jądrowych jest fakt wytwarzania odpadów promieniotwórczych, których dziś człowiek nie potrafi zniszczyć. Przechowywane są one więc w pojemnikach stalowych, prasuje z materiałami żywicznym i umieszcza na przykład w nieczynnych kopalniach lub specjalnych podziemnych składowiskach.
Jednak to nie jedyne zastosowanie promieniotwórczości. Powszechnie wykorzystuje się ją w medycynie – tak jej odkrycie wywołało prawdziwą rewolucję, a obecna medycyna w wielu dziedzinach opiera się na promieniotwórczej zdolności pierwiastków. Używałam już pojęcia „bomba kobaltowa”, jednak termin ten oznacza też urządzenie , służące do napromieniowywania przedmiotów lub organizmów żywych. Pierwiastkiem promieniotwórczym jest tam kobalt-60 lub cez-137 znajdujący się w osłonie biologicznej( kuli wykonanej z ołowiu). Owa kula posiada kanały wyprowadzające promieniowanie gamma na zewnątrz. Aparat taki służy do leczenie nowotworów, celów diagnostycznych(m. in. wykrywania uszkodzeń kości), do sterylizacji żywności, defektoskopii(o której zaraz powiem), chemii radiacyjnej(zajmującej się badaniem efektów chemicznych pochłaniania promieniowania jonizującego) do badania procesów zachodzących, kiedy układy chemiczne(proste, złożone) zostaną napromieniowane wysokoenergetycznymi kwantami( najmniejszymi porcjami -tu: energii, o jaką może zmienić się dana wielkość fizyczna określonego układu).
Do leczenie nowotworów wykorzystuje się też promieniowanie wysyłane przez izotopy radu (tzw. igły radowe).
Wykorzystując promieniotwórczość bada się także funkcjonowanie narządów wewnętrznych pod wpływem danych leków, przez wprowadzenie do organizmu technetu-99 w postaci związku chemicznego i śledzenie jego drogi przez poszczególne narządy.
W celu zbadania szczegółów procesów metabolicznych komórki wykorzystuje się metodę „znakowania” substancji izotopami. I tak na przykład wstrzykując zwierzęciu bądż roślinie czy hodując komórki w roztworze cukru znakowanego( posiadającego zamiast węgla-12, węgiel-11 lub węgiel-14) i następnie izolując je oraz badając znakowane produkty ich procesów metabolicznych możemy dowiedzieć się w jakie reakcje kolejno wchodzi ten cukier (gdyż metabolizm zachodzi normalnie) i w jakiej postaci znaczone atomy zostają ostatecznie wydzielone z komórki bądź organizmu. Dzięki zastosowaniu promieniotwórczego wapnia-45 istnieje możliwość zbadania szybkości tworzenia się substancji kostnej oraz wpływ na ten proces witaminy D i hormonu wydzielanego przez gruczoły przytarczyczne. W żaden inny sposób nie można tego dokonać.
Metoda znaczenia ma zastosowanie także w chemii. Za pomocą ‘znaczenia’ pewnych atomów można śledzić ich wędrówkę w reakcjach chemicznych, np. reakcji estryfikacji.
Izotopy promieniotwórcze maja zastosowanie w radiografii. Metoda analizy radiograficznej polega na wykorzystaniu promieniowania jonizującego (rentgenowskiego, gamma) do badania struktury materiałów i wyrobów. Na kliszy fotograficznej, umieszczonej po przeciwnej stronie w stosunku do źródła promieniowania badanego obiektu lub na ekranie fluoryzującym są widoczne szczegóły badanego przedmiotu. Pozwala to wykryć uszkodzenia wewnętrzne przedmiotu. Jest to możliwe ze względu na to, że pęknięcia, szczeliny w odlewach inaczej pochłaniają promieniowanie jonizujące niż materiał, z którego dany obiekt został wykonany. Defektoskopia zajmuje się natomiast wykrywaniem pęknięć i innych uszkodzeń w metalu. (rozróżnia się m. in. defektoskopie rentgenowską). Defektoskopia jest stosowana także w przemyśle maszynowym, stoczniowym, lotniczym i chemicznym. W hutach i fabrykach stosuje się prześwietlanie rentgenowskie, jednak bardziej opłacalna jest metoda defektoskopii izotopowej gdzie wykorzystuje się Co, Cs, Ir, Tm lub mieszaniny Eu i Eu jako źródła promieniowania gamma (defektoskopia gamma). Promieniowanie radioizotopu kobaltu-60 pozwala na prześwietlenia stali na grubości do 15 cm .
Radioizotopy (czyli izotopy promieniotwórcze) posłużyły tez do opracowania technologii wyrobów termokurczliwych czy uszlachetnienia folii do opakowań.
Wspomniałam już o wprowadzaniu izotopów promieniotwórczych do organizmów żywych. Otóż stosując metody radiograficzne pozwalają prześledzić ich wędrówkę, by lepiej zrozumieć procesy przyswajania i przemiany materii. Dzięki temu dowiedziano się o gromadzeniu fluoru w zębach, prześledzono procesy trawienne(na podstawie fosforu-32), rozwinięto wiedze nt choroby Basedowa, dzięki izotopom jodu 131I, gromadzącym się w tarczycy.
Wszystko to było możliwe ze względu na łatwość wykrywania izotopów promieniotwórczych, nawet z większej odległości. Dzięki temu analizuje się tez zjawiska fizyczne i chemiczne, np. dyfuzję w cieczach i ciałach stałych, rozpuszczalność czy strącanie osadów.
Następnym zastosowaniem promieniotwórczości jest tzw. „datowanie”, polegające na określaniu wieku m.in. skał, wykopalisk archeologicznych, Ziemi.. Stosuje się np.„zegar helowy”, na podstawie zawartości helu w badanym obiekcie, ale najczęściej „zegarem archeologicznym” jest izotop węgla-14. Jest on asymilowany przez rośliny i staje się składnikiem żywych organizmów zwierzęcych, po spożyciu przez nie pokarmu roślinnego. . Po obumarciu owego organizmu, , w wyniku zmniejszania się zawartości węgla-14, spada intensywność jego promieniowania, co pozwala archeologom określać wiek badanych szczątków.
Ale to nadal nie wszystkie zastosowania promieniotwórczości. Należy wymienić także wykrywanie zbiorników wodnych i wód gruntowych, sterylizację żywności i sprzętu, wykorzystanie w czujnikach dymu, gęstościomierzach, miernikach grubości i wykrywaniu skażenia wód i zanieczyszczenia środowiska oraz jego usuwaniu. Promieniowanie izotopowe wpłynęło też na rozwój górnictwa.
A wszystko to rozpoczęło się wraz z odkryciem zjawisk emitowania energii przez niektóre pierwiastki i nazwanie tego promieniotwórczością. Nazwę taką zaproponowało małżeństwo Curie i od tego czasu nastąpił ogromny rozwój wielu dziedzin nauki. Dziś już nie potrafię wyobrazić sobie funkcjonowania przemysłu czy medycyny bez zastosowania izotopów promieniotwórczych!