MATERIAŁY RADIOLUMINESCENCYJNE
(RADIOLUMINESCENT MATERIALS)

Materiały radioluminescencyjne należą do grupy materiałów inteligentnych emitujących światło.

Materiały radioluminescencyjne

Radioluminescencja jest wywoływana działaniem promieniowania jądrowego - niektóre substancje pod jego wpływem świecą. Promieniowaniem tym może być promieniowanie gamma, promienie X lub cząstki alfa i beta. Promieniowanie pobudza elektrony na wyższe stany energetyczne. Nadmiar energii powstały przy powrocie elektronów na zerowe stany energetyczne, jest rozpraszany w postaci światła widzialnego (mechanizm działania jest analogiczny do fluorescencji).
Materiałem, który wykazuje własności radioluminescencyjne jest m.in. siarczek cynku ZnS. Radioluminescencja tego typu była stosowana jeszcze przed 1920 rokiem do lat 90. XX wieku - na tarcze zegarków była nakładana emulsja z siarczkiem cynku i źródłem promieniowania, którym był tor, promet 147 lub rad 226.
Rad został odkryty przez Marię Curie - Skłodowską (1867-1934), kosztem utraty zdrowia. W tamtych czasach nie znane jeszcze były zagrożenia wynikające z kontaktu z materiałami promieniotwórczymi. Rad-226 emituje cząstki alfa, a jego połowiczny okres życia wynosi 5600 lat. Promieniując rozpada się na inne pierwiastki o podobnej aktywności, lecz krótkim okresie życia (są to Rn-222, Po-218, Pb-214, Bi-214, Po-214, Pb-210, Bi-210, Po-210) - emitują one promienie alfa, beta i gamma.

Czysty rad świeci na niebiesko, a jego promieniowanie wywołuje w niektórych materiałach luminescencję. Po raz pierwszy zostało to wykorzystane w 1902 roku przez Williama J. Hammera, które zmieszał rad z siarczkiem cynku ZnS i otrzymał farbę, wykorzystywaną później przy produkcji tarcz do zegarków. Od tego czasu powstało w kilka komercyjnych firm produkujących farby radioluminescencyjne, wykorzystujące do ich produkcji rad. Nie stosowano czystego chemicznie radu, ale jego sole - najczęściej siarczan baru, rzadziej chlorek i bromek baru.

Z czasem intensywność świecenia farby malała z powodu uszkodzeń kryształów siarczku cynku, spowodowanych działaniem cząstek alfa. Problem ten częściowo rozwiązywano ogrzewając farbę lub wcześniej dodając tzw. mezotor, czyli rad 228 (o połowicznych czasie życia 5,8 lat). Emitował on cząstki beta, ale przy rozpadzie przemieniał się w tor 228 Th-228 (o połowicznym czasie życia 1.9 roku), który już emitował cząstki alfa. Rezultat był taki, że w czasie pierwszych 5 lat stosowania farby, intensywność jej świecenia rosła ( w miarę wzrostu zawartości Th-228).

W 1920 roku czasopismo Scientific American podało listę produktów zawierających rad, jednocześnie ukazując na jaką skalę używano materiałów radioluminescencyjnych: były to m.in. ozdobne numery domów, elementy obwiedni dziurek do klucza, kompasy na statkach, tarcze telegrafów, znaki w kopalniach, etykiety z trującymi preparatami, numerki na siedzenia w teatrach, elementy do samochodów, przynęty dla ryb, elementy zabawek dla dzieci i wiele innych.
Zaprzestanie stosowania radu nastąpiło po wykryciu fatalnych skutków jego oddziaływania na organizmy żywe.

Kolejną substancją używaną do produkcji świecących tarcz zegarków był tryt H-3 - radioaktywny izotop wodoru, o masie atomowej około 3. W tym przypadku radioaktywność była wynikiem emitowanych cząstek beta, które były praktycznie całkowicie pochłaniane przez szkło pokrywające tarczę. Tryt H-3 emituje cząstki  beta o małej energii, jego połowiczny okres życia wynosi 12,3 lat; nie wyzwala on cząstek gamma. Przez krótki okres czasu (lata 70. XX wieku) tryt był stosowany do podświetlania zegarków z wyświetlaczem ciekłokrystalicznym, później w połączeniu z m.in. siarczkiem cynku jako farba.

Tryt używany w dzisiejszych czasach w zegarkach musi spełnić standardy ISO 3157 i NIHS 97-10, które określają akceptowalny, minimalny stopień luminescencji, która jest wymagana do zobaczenia tarczy zegarka w ciemności. W zależności od jakości użytej substancji radioluminescencyjnej, optymalny czas pracy może wynosić kilka lat. Jakość wpływa także na intensywność świecenia, która dodatkowo zależy od powierzchni i grubości nałożonej warstwy.

Własności radiologiczne trytu

Obecniej najpowszechniej używanymi substancjami stosowanymi przy radioluminescencji są: wspomiany tryt H-3, stront-90 (sr-90), promet-147 (Pm-147) i węgiel-14 (C-14).

Dobre własności radioluminescencyjne wykazują także BaFCl:Eu, Yb2SiO5:Ce, ZnS.CdS:Ag i Y2O3.

Sam mechanizm radioluminescencji jest analogiczny do zjawiska fluorescencji. Promieniowanie jądrowe pobudza elektrony na wyższe stany energetyczne - przechodzą one na wyższe orbity. Kiedy elektrony te tracą nadmiar energii, emitowane są fotony - obserwujemy to jako świecenie. Im więcej energii zostanie uwolnione, tym jaśniej świeci materiał.

W dzisiejszych czasach technologia radioluminescencyjna jest stosowana dla celów cywilnych (np. elementy bezpieczeństwa, oznaczające wyjście ewakuacyjne, znaki ostrzegające przed niebezpieczeństwem) i do celów militarnych (jako oświetlenie tam, gdzie nie jest możliwe użycie energii elektrycznej). Biorąc pod uwagę fakt, iż energia uwalniana przy rozpadzie szeroko stosowanego trytu wynosi zaledwie 18,6 keV (mniej niż emituje telewizor czy klasyczny monitor komputera), własności radioluminescencyjne materiałów mogą być bezpiecznie wykorzystywane, zwłaszcza w przypadkach gdy chodzi o zdrowie lub życie ludzkie.