Promieniotwórczość

Do wykonania badania wykorzystano kliszę fotograficzną, która czerniała pod wpływem właśnie tych promieni. Doświadczenie dowiodło, że promieniowanie słoneczne nie jest konieczne, aby badany materiał spowodował zaczernienie kliszy. Było to jednak sprzeczne z początkową hipotezą, dlatego należało przeprowadzić kolejne badania. Tym razem miały one za zadanie potwierdzenie lub odrzucenie promieniowania rentgenowskiego jako czynnika, powodującego zmianę w kliszy. Wykorzystano fakt iż promieniowanie X nie niesie żadnego ładunku, a więc nie jest zakrzywiane przez pole magnetyczne. W komorze próżniowej znajdującej się w polu magnetycznym, Becquerel umieścił materiał zawierający uran oraz kliszę fotograficzną. W wyniku doświadczenia odkryto, że promienie emitowane przez badaną próbkę zakrzywiają się w polu magnetycznym, co wykluczało ich tożsamość z promieniowaniem rentgenowskim. W trakcie kontynuacji badań naukowiec wykazał, że istnieją trzy rodzaje promieniowania, które mogą emitować materiały – neutralne, naładowane dodatnio oraz ujemnie. Na podstawie tych założeń kolejni badacze stawiali swoje tezy oraz przeprowadzali kolejne doświadczenia. Maria Skłodowska Curie i Piotr Curie odkryli kolejne pierwiastki promieniotwórcze: polon i rad. Ernest Rutherford, noblista w dziedzinie chemii również poświęcił część swojej kariery radioaktywności, a odkryte przez Becquerela rodzaje promieniowania nazwał greckimi literami alfabetu: alfa, beta i gamma.

Skąd pochodzi promieniotwórczość?

Jak wykazały badania, radioaktywność jest cechą niektórych pierwiastków. Wskazuje to na ścisły jej związek z ich poziomem atomowym, a konkretniej – z jądrem atomowym. Każdy z trzech typów promieniowania jest kwantem energii, które niestabilne jądro może wyemitować. Oznacza to, że promieniowanie jest tak właściwie wynikiem ich rozpadu. Występowanie takich niestabilnych jąder jest w praktyce spowodowanie ich stosunkiem protonów do neutronów. Ze względu na różne rodzaje braku stabilności, istnieją również różne typy promieniowania. Kluczem do zrozumienia radioaktywności są izotopy oraz ich różnice na poziome atomowym. Dla przykładu, najpowszechniejszy izotop węgla ¹²C nie jest promieniotwórczy, natomiast ¹⁴C wykazuje radioaktywność. Ich liczba atomowa, a więc i liczba protonów jest taka sama. Różnica nie może również być spowodowana ilością elektronów, ponieważ atom byłby wtedy dodatnio lub ujemnie naładowanym jonem. Jedyną możliwością jest w przypadku izotopów różnorodność w liczbie neutronów jądra atomowego. ¹⁴C posiada o dwa neutrony więcej niż ¹²C, a więc jest też od niego cięższy. Istnienie izotopów dla wszystkich pierwiastków powoduje, że również ilość radioaktywnych jąder jest duża. Takie niestabilne i promieniotwórcze izotopy nazywamy radioizotopami, jednak ich rozpowszechnienie nie jest tak duże, jak tych widocznych w układzie okresowym pierwiastków.

Dlaczego jądro może być niestabilne?

Na protony i neutrony w jądrze oddziałują bardzo duże siły jądrowe, które utrzymują je, przezwyciężając odpychanie elektrostatyczne pomiędzy protonami. W przeciwieństwie do protonów, neutrony wpływają pozytywnie na wzmacnianie sił jądrowych. Wykazano, że stosunek liczby neutronów do protonów powinien wynosić około 1,5:1. Dla lżejszych atomów, poniżej 20u stabilny stosunek wynosi 1:1. W przeciwnym razie, jądra wykazują tendencję do rozpadania się. Wszystkie izotopy pierwiastków o masie atomowej powyżej 208 są niestabilne.

Rysunek 1 Wykres obszaru stabilności w zależności od ilości nukleonów w jądrze. Źródło: http://ch302.cm.utexas.edu/nuclear/radioactivity/selector.php?name=band-stability

Przedstawiony powyżej wykres wykazuje zależność stabilności jądra od ilości poszczególnych nukleonów. Czarna linia odpowiada stosunkowi neutronów do protonów 1:1. Stabilne izotopy są zaznaczone czarnymi kwadratami, natomiast niestabilne odpowiednimi kolorami zgodnie z legendą. Stabilność radioaktywnych izotopów jest tym większa, im bliżej stabilnego stosunku się znajduje. Zgodnie z wykresem, możemy rozróżnić trzy rodzaje rozpadów:

1. Rozpad alfa, zachodzący zwłaszcza w masywnych jądrach, emitujący dwa protony i dwa neutrony,
2. Rozpad beta minus, gdy jądro posiada za małą liczbę protonów, skutkujący emisją elektronów,
3. Rozpad beta plus, jeżeli jądro atomowe ma nadmiar protonów, z emisją pozytonów.

Te typy rozpadów wiążą się ze zmianą liczby protonów w jądrze, a więc również ze zmianą pierwiastka chemicznego z jednego na inny.

Promieniowanie alfa (α)

Doświadczalnie, w 1909r. E. Rutherford i T. Royds wykazali, że cząsteczki alfa są tożsame z jonami helowymi. Po przepuszczeniu promieniowania alfa przez cienkie ścianki komory próżniowej, obraz linii widmowych na spektrometrze optycznym otrzymanego w komorze gazu jednoznacznie to potwierdził. Promieniowaniu alfa ulega na przykład jądro ²⁴⁰Pu, według reakcji:

Charakterystyka promieniowania alfa to dodatnio naładowane cząstki, mające zasięg w powietrzu kilku centymetrów oraz bardzo małą przenikalność. Zatrzyma je kartka papieru.

Promieniowanie beta (β)

W przypadku promieniowania beta-minus, emitowane są elektrony pochodzące z jądra. Ponieważ jądra nie charakteryzują się obecnością elektronów, tworzone są dopiero w trakcie rozpadu, a oprócz nich emitowana jest też druga cząstka – antyneutrino elektronowe. Ze względu na zwiększenie się ilości protonów w cząsteczce, ulegający rozpadowi beta pierwiastek przekształca się w inny, o większej liczbie atomowej. Przykładowy przebieg rozpadu zgodny z tym mechanizmem:

To promieniowanie charakteryzują ujemnie naładowane cząstki o zasięgu kilkudziesięciu centymetrów w powietrzu oraz większej przenikalności w porównaniu z promieniowaniem alfa. Zatrzymuje je blacha aluminiowa o grubości około 3-4mm.

Analogicznie zachodzi rozpad według mechanizmu beta-plus, jednak emituje on cząsteczki pozytonu oraz neutrina elektronowego. Maleje liczba protonów w jądrze a pierwiastek, który mu ulega przekształca się w inny, o mniejszej liczbie atomowej, według przykładu:

Promieniowanie gamma (γ)

Jest jedynym rodzajem promieniowania, które nie powoduje zmiany pierwiastka w inny, gdyż nie emituje żadnych cząstek, a jedynie samo promieniowanie gamma. Jest jednym z rodzajów fal elektromagnetycznych, podobnie jak podczerwień czy nadfiolet, fala promieniowania gamma jest jednak najkrótsza. Proces rozpadu powoduje przejście wzbudzonego jądra atomu do stanu o niższej energii, w wyniku czego dochodzi do emisji fotonów o równowartości energetycznej jądra atomu w poszczególnych stanach. Schemat przebiegu rozpadu gamma można zapisać jako:

Charakterystyka promieniowania gamma to utożsamienie z falą elektromagnetyczną o wysokiej częstotliwości i naturze podobnej do światła. Zasięg w powietrzu jest teoretycznie nieograniczony, natomiast przenikalność jest największa ze wszystkich typów radioaktywności. Zatrzymuje je dopiero gruby mur lub piętnastocentymetrowa warstwa ołowiu.