Podejrzewam, że do świąt będę miał na tapecie przynajmniej po jednym dziennikarzu z każdej z tzw. “szanujących się” redakcji gazety czy radia. Mieliśmy już na tapecie “wyłączanie pola magnetycznego” i “rozmiary cząsteczek elementarnych”, a dziś skupimy się na temacie promieniowania i radioaktywności. Nasz blog zawiera świetny cykl o samym promieniowaniu, który polecam pod poniższym linkiem: Promieniowanie.

Co spowodowało, iż znów załamałem ręce? Zajrzyjcie pod ten link, bo brzmi naprawdę groźnie! https://pomorska.pl/oto-najbardziej-radioaktywne-produkty-spozywcze-lista-one-maja-najwiecej-promieniotworczych-pierwiastkow-9042024/ar/c14-18435665. Już pierwszy akapit powoduje we mnie poczucie, że znów nie wiem, o co chodzi, ale chyba powinienem się bać: “Każdy produkt spożywczy jest w pewnym stopniu radioaktywny. Poziom radioaktywności zależy od ilości znajdujących się w nim pierwiastków promieniotwórczych. Niekwestionowanym liderem są orzechy brazylijskie. Ich aktywność wynosi 6600 pCi/kg. Czy mogą zaszkodzić naszemu zdrowiu? Jakie jeszcze popularne produkty spożywcze znajdują się na liście? Szczegóły w naszym artykule.“

Szanowna Pani − co to znaczy że aktywność wynosi 6600 pCi/kg? To dużo czy mało? Co to za jednostka i co to za lista produktów radioaktywnych? Jako że na wyjaśnienia autorki nie ma co oczekiwać, jak zwykle pomoże nasz blog.

Tak, każdy produkt jest w jakimś stopniu radioaktywny i ma to związek z zawartością pierwiastków promieniotwórczych, choć poprawnie należałoby powiedzieć − izotopów. O szczegółach już za chwilę, a teraz chciałbym się skupić na owym “6600 pCi/kg”. Jestem przeciwnikiem używania jednostek, z którymi Czytelnik nie spotyka się na co dzień, bez wyjaśnienia, co oznaczają. Metry, kilogramy czy sekundy są swojskie, ale takie pikokiury na kilogram (tak należy odczytać pCi/kg)? Jak bardzo radioaktywna jest garść takich orzechów i czy do wieczornego seansu nie należy jednak wybrać fistaszków?

Jednostki tej nie znajdziemy w Układzie SI − została ona nazwana na cześć jednej z najwybitniejszych Polek; myślę, że łatwo się domyślić, o kim mowa. Jeden kiur odpowiada aktywności 1g izotopu ²²⁶Ra. Nie jest to jednostka zbyt wygodna w stosowaniu, dlatego do opisu aktywności danej próbki lepiej posłużyć się bekerelem (Bq): jeśli w ciągu sekundy zajdzie w niej jeden rozpad promieniotwórczy, np. jeśli jedno jądro wyemituje jedną cząstkę alfa w tym czasie, to mówimy że aktywność próbki jest równa jednemu bekerelowi. 1 Ci (kiur) to w zaokrągleniu 37 GBq (gigabekereli), stąd łatwo obliczyć, że aktywność wspomnianych orzechów to około 244 Bq, czyli 244 rozpady w każdej sekundzie − pod warunkiem, że mamy pod ręką kilogram. Aktywność jednego orzecha będzie znacznie mniejsza. Kilogram kawy dla porównania charakteryzuje się aktywnością 1 kBq, czyli w każdej sekundzie zachodzi w nim tysiąc takich rozpadów. Może to jest przyczyną, dla której promieniujemy energią po małej czarnej? Żarty na bok. Powiedzieliśmy sobie jak na razie, że w żywności zachodzą rozpady radioaktywne i że nie ma w tym nic dziwnego. Wiemy również, że pracownicy palarni kawy nie pracują w strojach wymaganych przy pracy z materiałami radioaktywnymi. To jak to jest z tym, co na polu rośnie? Jeść − czy jednak przepijać każdy kęs płynem Lugola? Przepraszam, postaram się ograniczyć poczucie humoru, zwłaszcza tego rodzaju, wspomniany preparat nie jest “lekiem przeciwko promieniowaniu” i nie należy go spożywać. Spójrzmy na dalszą część cytowanego artykułu:

“Wśród pierwiastków promieniotwórczych występujących w żywności można wymienić rad 226Ra, potas 40K, uran, cez czy stront. Niektóre z nich naturalnie występują w przetworach mlecznych, produktach zbożowych, owocach, warzywach czy wodzie mineralnej. Inne zaś, tak jak rad, migrują z gleby do roślin oraz wody, a następnie dostają się do organizmów zwierząt.“

O ile zrozumiałbym taki zapis w SMS-ie, to szacunek dla Czytelników wymaga pewnej staranności: izotopy danych pierwiastków zapisujemy, umieszczając liczbę masową w lewym górnym rogu, tj. ²²⁶Ra, ⁴⁰K. Nie rozumiem jednak, czemu podano promieniotwórcze izotopy dwóch pierwiastków, pomijając to przy następnych? Sugeruje to, że uran, cez i stront są promieniotwórcze w każdym przypadku, a tak nie jest. Uran, tak samo jak każdy pierwiastek zawierający w swoim jądrze więcej protonów niż ołów, nie posiada stabilnych izotopów, ale cez i stront jak najbardziej. Są to odpowiednio: ¹³³Cs i ⁸⁴Sr, ⁸⁶Sr, ⁸⁷Sr oraz ⁸⁸Sr. Dalszej części cytowanego tekstu nie rozumiem do końca − bo co to znaczy, że w owocach są naturalnie a do roślin migrują z gleby? To skąd się wzięły w samych owocach?

Nie lubię pisania o radioaktywności w ten sposób. Sprawia to takie wrażenie, jakbyśmy nie stykali się z jakąś jej formą w każdej chwili. Wszystkie znane nam pierwiastki posiadają niestabilne izotopy; część z nich powstała naturalnie w toku procesów zachodzących np. we wnętrzach gwiazd. Tak na naszej planecie znalazły się np. uran i tor. Inne powstały i powstają w atmosferze Ziemi bombardowanej strumieniem promieniowania kosmicznego; przykładem jest tu radioaktywny izotop węgla ¹⁴C. Część z nich jest wtórnym efektem rozpadu uranu i toru, czego przykładem może być odkryty przez Marię Skłodowską rad. Inne to efekt naszych wesołych eksperymentów polegających na ostrzeliwaniu jąder neutronami bądź jonami. Choć jak wspomniałem, wszystkie pierwiastki posiadają izotopy promieniotwórcze, to z absolutną większością nigdy się nie zetkniecie: ich czas półrozpadu jest rzędu od mikrosekund do miesięcy. Te, z którymi mamy najczęściej kontakt, to izotopy potasu, węgla i pierwiastków będących produktami rozpadu uranu i toru. Ponieważ potas jest minerałem powszechnie występującym w skorupie ziemskiej, to rośliny pobierają go wraz z wodą z gleby. Ponieważ minerały zawarte w glebie to zawsze mieszanka różnych izotopów danego pierwiastka, to oczywistym jest, że drobna cześć pobranego przez roślinę potasu będzie radioaktywnym izotopem ⁴⁰K.

Tych samych minerałów używamy do budowy naszych domów, dlatego same ściany naszych domów są w jakimś stopniu radioaktywne. Bardzo często mamy kontakt z jednym z produktów rozpadu uranu − jest to radon, który przecież jest gazem. W tej postaci ze skorupy ziemskiej trafia do atmosfery, gdzie ulega dalszemu rozpadowi, stając się radioaktywnym izotopem bizmutu ²¹⁴Bi. Metale to ciała stałe, więc nie należy się dziwić, że czujniki różnych stacji notują zwiększony poziom promieniowania po każdym deszczu. Prawdę powiedziawszy, to radon jest odpowiedzialny za większość radioaktywności, z którą mamy kontakt w ciągu życia. Jest gazem, więc kumuluje się w zamkniętych pomieszczeniach, w których przecież spędzamy większość życia. Z tym, że nie ma się czego obawiać: w badaniach przeprowadzonych na obszarach o podwyższonej promieniotwórczości naturalnej nie odnotowano zwiększonej zapadalności na nowotwory. Czy więc należy się obawiać spożywania orzechów, bananów, kawy czy czegokolwiek? Nie, większe dawki przyjmujemy z innych źródeł i nie obserwujemy negatywnych efektów. Nie istnieje żaden sposób, aby uniknąć naturalnej promieniotwórczości; jest z nami od zawsze i będzie tak długo, jak długo będą istnieć jądra zdolne do rozpadu. Jeśli to, co chcecie zjeść, nie rosło na niezabezpieczonym składowisku odpadów radioaktywnych lub nie zostało wzbogacone intencjonalnie o takie pierwiastki, to absolutnie nie ma się czego obawiać.

fot. CC BY 3.0.

Oddziaływanie, któremu zawdzięczamy istnienie jąder atomowych, jest nazywane silnym. Biorąc pod uwagę jego zdolność do przezwyciężenia sił związanych z elektromagnetyzmem, jest to jak najbardziej usprawiedliwiona nazwa. Niestety zdolność ta jest ograniczona do bardzo krótkiego dystansu. Naprawdę krótkiego. Aby sobie to jakoś zobrazować, proszę sobie wyobrazić najmniejszy z atomów, czyli wodór. Jego promień atomowy wynosi ok. 5,291 772 · 10⁻¹¹m − zasięg, na którym oddziaływanie silne jest zdolne do pokonania elektromagnetycznego, to 10 tysięcy razy mniej. No to jakim cudem istnieją (i mają się dobrze) jakiekolwiek jądra większe niż hel? Przecież to się (dzięki ładunkowi elektrycznemu jaki przenosi każdy proton) kupy nie trzyma w żaden sposób?

Trzyma! I musi się trzymać, czego dowodem naocznym są żelazne gwoździe! Oddziaływanie silne jest związane z ładunkiem umownie nazywanym kolorem, który przenoszą kwarki tworzące protony i neutrony. Cząstki przenoszące kolor mają specyficzną cechę: im bardziej próbujemy je wyrwać z układu z pozostałymi, tym mocniej się trzymają. Choćby włożyć w to dowolnie dużo energii, to i tak nigdy nie uzyskamy swobodnego kwarka, ale zawsze twór nazywany mezonem, składający się z pary kwark-antykwark. Właśnie wymiana takich par, noszących w omawianym przypadku nazwę pionów, pomiędzy protonami i neutronami trzyma jądra w całości. Z tym, że znów − zasięg takiego oddziaływania nie jest nieograniczony i aby istnieć, jądro musi zawierać neutrony, które stanowią rolę swoistego łącznika pomiędzy protonami. Dość naiwnie, ale w sposób wystarczający dla tego modelu, można sobie wyobrazić, iż wymiana pionów powoduje, iż każdy tworzący je neutron i proton cały czas zmienia swoją tożsamość.

No to prześledźmy pokrótce listę stabilnych izotopów, może rzuci się nam w oczy jakaś prawidłowość. Najbardziej popularny jest wodór w postaci protu. Zawiera w swoim jądrze jeden proton, a o ile nam wiadomo, protony się nie rozpadają. Gdy próbować skleić z sobą dwa protony, jak dzieje się to np. we wnętrzu Słońca, to efektem będzie nie ²He tylko ²H (D) czyli trwały izotop wodoru tj. deuter.

fot. domena publiczna

Stabilne izotopy helu zawierają w swoim jądrze jeden lub dwa neutrony, przy czym najbardziej rozpowszechniony jest wariant ⁴He czyli izotop zawierający w swoim jądrze dwa protony i dwa neutrony. Spójrzmy na węgiel: ma dwa stabilne izotopy, przy czym więcej jest tego zawierającego w jądrze 6 neutronów i 6 protonów. Podobna prawidłowość zachodzi dla azotu, tlenu i neonu. Przewagę mają izotopy zawierającego równą liczbę neutronów i protonów. W przypadku kolejnych pierwiastków pozostaje to prawdą dla pierwiastków o parzystej liczbie protonów w jądrze, w przypadku nieparzystej przewagę mają izotopy zawierające o jeden lub dwa neutrony więcej w porównaniu do liczby protonów.

Ostatnim pierwiastkiem spełniającym tę regułę jest wapń, którego najbardziej rozpowszechnionym izotopem jest ⁴⁰Ca. Od tytanu zaczyna się to rozjeżdżać: przewagę mają te izotopy, w których jest nadmiar neutronów w stosunku do protonów, z tym że nie widać w tym żadnej prawidłowości. Jedyne, co rzuca się w oczy, to to, że pierwiastki o parzystych liczbach protonów mają więcej stabilnych izotopów w porównaniu do nieparzystych, które mają jeden lub dwa stabilne izotopy. Cyna, mająca liczbę atomową 50, ma aż dziesięć stabilnych izotopów, podczas gdy antymon o liczbie atomowej 51 jedynie dwa; kolejny tellur osiem, a następny jod jeden. Wyliczanka kończy się na ołowiu, który posiada cztery stabilne izotopy. Następny na liście jest bizmut z jednym izotopem, który nie jest stabilny, choć może się takim wydawać, bo jego czas półtrwania przekracza wiek Wszechświata. Kolejne pierwiastki nie mają już żadnych stabilnych izotopów, choć tor i uran posiadają na tym tle względnie dużo izotopów o czasie półtrwania do miliardów lat, co pozwala im występować naturalnie na naszej planecie. Liczba izotopów niestabilnych w przypadku poszczególnych pierwiastków pozwala nam dostrzec pewną zależność.

fot. CC BY 4.0.

Jeśli dany izotop leży poniżej ścieżki wyznaczonej przez izotopy stabilne, to jego sposób rozpadu będzie związany ze zmniejszeniem liczby neutronów w jądrze poprzez rozpad beta minus, czyli przemianę jednego z neutronów w proton przy jednoczesnej emisji elektronu i antyneutrina. Jeśli jądro zawiera niedobór neutronów w stosunku do izotopów stabilnych, to należy się spodziewać rozpadu beta plus, polegającego na przemianie protonu w neutron przy emisji pozytonu i neutrina. Jeśli dany izotop leży poza końcem ścieżki stabilności, to najczęściej rozpada się, emitując cząstkę alfa, składającą się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Nie ma prostego algorytmu, który na podstawie liczby protonów w jądrze poda nam, ile możemy uzyskać izotopów danego pierwiastka, ale można zauważyć, że dla pewnych liczb protonów i neutronów w jądrze jest ono bardziej trwałe w stosunku do sąsiednich. Są to tzw. liczby magiczne: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 i 184 dla samych neutronów. Biorąc pod uwagę, że najcięższe stabilne jądro to ²⁰⁸Pb o magicznych liczbach protonów (Z=82) i neutronów (N=126), to rzecz wydaje się warta uwagi, zwłaszcza że sprawdza się również w innych przypadkach. Zwracam uwagę, iż najbardziej rozpowszechniony izotop helu to ⁴He. Jest to szczególnie ciekawe w kontekście poszukiwania cięższych pierwiastków. Większość syntezowanych superciężkich jąder rozpada się w czasie rzędu milisekund, ale gdy uda się uzyskać jądra o większych ilościach neutronów to zauważamy obszar nazywany wyspą stabilności gdzie np. izotop ²⁷⁰Hs (pierwiastka zwanego hasem) ma czas półrozpadu ok. 22s! Sugeruje to, iż jądro, tak jak atom, posiada powłoki energetyczne możliwe do zajmowania przez jego składniki, a wypełnienie takich powłok sprawia, iż jądro jest stabilniejsze. Jest również nadzieja na syntezę dalszych pierwiastków, aby sprawdzić, gdzie leży granica!

Współczesna (2012) ocena położenia i rozmiarów wyspy stabilności, z maksimum czasu życia dla izotopów koperniku (Z = 112). Widoczny jest także obszar wysokiej niestabilności jąder, który dla obecnie badanych dróg syntezy rozciąga się powyżej Z ≈ 120

fot. domena publiczna

Kończąc ten tekst − zawsze, gdy ktoś w alarmistycznym tonie opowiada o radioaktywności wokół nas, to pamiętajcie, że macie z nią stały kontakt. Czy to w żywności, czy to podczas oddychania, czy z deszczem.

Spośród kilkudziesięciu izotopów promieniotwórczych występujących w sposób naturalny w przyrodzie, zaledwie kilka obecnych jest w różnych produktach spożywczych. Należą do nich przede wszystkim ¹⁴C, ⁴⁰K oraz izotopy radu, toru i ich pochodne. Najbardziej rozpowszechniony jest izotop potasu ⁴⁰K oraz izotop węgla ¹⁴C, które w organizmie człowieka o masie 70 kg odpowiadają za radioaktywność około 10 000 Bq.

W wyniku rozszczepienia ciężkiego jądra, np. uranu lub plutonu, powstaje około 100 różnych izotopów promieniotwórczych, jednakże tylko kilka z nich ma praktyczne znaczenie w przypadku skażenia żywności. Należą do nich głównie izotopy jodu, cezu i strontu, dla których ustalono normy zawartości zawierające się w przedziałach od 100 do 1000 Bq/kg w zależności od rodzaju izotopu (¹³⁷Cs, ¹³¹I, ⁹⁰Sr, ⁴⁰K) i rodzaju żywności. Inne będą dla owoców, a inne dla mleka lub mięsa. O tym, dlaczego skupiono się na tych izotopach, oraz o tym, jak konkretnie przedostają się do środowiska, porozmawiamy sobie w kolejnym tekście, gdzie poruszę to w związku z rocznicą katastrofy w Czarnobylu.

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.